JP5130906B2 - スイッチ装置 - Google Patents
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Description
前記電気回路を接続するための第1及び第2の主端子と、
主半導体領域と、該主半導体領域に接続された第1及び第2の主電極と、前記主半導体領域における前記第1及び第2の主電極間部分に流れる電流を制御するためのゲート手段とを有し且つノーマリオン特性を有している主半導体スイッチング素子と、
前記主半導体スイッチング素子に対して直列に接続された第1の補助半導体スイッチング素子であって、前記第1の主端子に接続された前記第1の主電極と前記主半導体スイッチング素子の前記第1の主電極に接続された第2の主電極と該第1の補助半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極間に流れる電流を制御するための制御手段とを有し且つ前記主半導体スイッチング素子の閾値電圧の絶対値以上の耐圧特性を有し且つノーマリオフ特性を有している第1の補助半導体スイッチング素子と、
前記主半導体スイッチング素子に対して直列に接続された第2の補助半導体スイッチング素子であって、前記第2の主端子に接続された前記第1の主電極と前記主半導体スイッチング素子の前記第2の主電極に接続された第2の主電極と該第2の補助半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極間に流れる電流を制御するための制御手段とを有し且つ前記主半導体スイッチング素子の閾値電圧の絶対値以上の耐圧特性を有し且つノーマリオフ特性を有している第2の補助半導体スイッチング素子と、
前記第1及び第2の主端子間に第1の方向の電圧が印加された時に導通する方向性を有して前記第1の補助半導体スイッチング素子に対して並列に接続された第1のダイオードと、
前記第1及び第2の主端子間に前記第1の方向と反対の第2の方向の電圧が印加された時に導通する方向性を有して前記第2の補助半導体スイッチング素子に対して並列に接続された第2のダイオードと、
前記ゲート手段の電位を決定するためのものであり、前記第1の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間に接続され且つ前記第1及び第2の主端子間に前記第2の方向の電圧が印加された時に前記第1の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間を導通状態にすることができる特性を有し且つ前記第1及び第2のダイオードよりも高い耐圧特性を有している第1のゲート電位決定用スイッチング素子と、
前記ゲート手段の電位を決定するためのものであり、前記第2の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間に接続され且つ前記第1及び第2の主端子間に前記第1の方向の電圧が印加された時に前記第2の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間を導通状態にすることができる特性を有し且つ前記第1及び第2のダイオードよりも高い耐圧特性を有している第2のゲート電位決定用スイッチング素子と
を備え、
前記主半導体スイッチング素子を構成するための前記主半導体領域は、第1の主面と該第1の主面に対向する第2の主面とを有し、前記主半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極は前記主半導体領域の前記一方の主面上に所定の間隔を有して配置され、前記ゲート手段は前記半導体領域の前記一方の主面の前記第1及び第2の主電極間に配置され、
前記第1及び第2のゲート電位決定用スイッチング素子は第3及び第4のダイオードであり、
前記第3のダイオードは、前記主半導体スイッチング素子を形成するための前記主半導体領域に対して一体に形成された第1の補助半導体領域と、前記第1の補助半導体領域の一方の主面にオーミック接触された第1の電極と、前記第1の補助半導体領域の前記一方の主面にショットキー接触された第2の電極とから成り、
前記第4のダイオードは、前記主半導体スイッチング素子を形成するための前記主半導体領域に対して一体に形成された第2の補助半導体領域と、前記第2の補助半導体領域の一方の主面にオーミック接触された第1の電極と、前記第2の補助半導体領域の前記一方の主面にショットキー接触された第2の電極とから成ることを特徴とするスイッチ装置に係わるものである。
また、請求項3に示すように、更に、前記第1の補助半導体スイッチング素子の前記第1の主電極と前記制御手段との間に前記第1の補助半導体スイッチング素子をオンにするための第1の制御信号を供給するための第1のスイッチ制御回路と、前記第2の補助半導体スイッチング素子の前記第1の主電極と前記制御手段との間に第2の補助半導体スイッチング素子をオンにするための第2の制御信号を供給するための第2のスイッチ制御回路とを備えていることが望ましい。
また、請求項4に示すように、更に、前記第1の補助半導体スイッチング素子に並列に接続された第1の過電圧保護素子と、前記第2の補助半導体スイッチング素子に並列に接続された第2の過電圧保護素子とを有していることが望ましい。
また、請求項5に示すように、前記主半導体領域は2次元キャリアガス層を生じさせることができる第1及び第2の半導体層を有していることが望ましい。
また、請求項6に示すように、前記主半導体領域は所定導電型を有する半導体層を有し、該半導体層は前記主半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極間の電流通路として機能するものであることが望ましい。
また、請求項7に示すように、前記主半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極は、前記主半導体領域の前記第1の主面にオーミック接触している電極であり、前記主半導体スイッチング素子のゲート手段は、前記主半導体領域の前記第1の主面にショットキー接触している電極であることが望ましい。
また、請求項8に示すように、前記半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極は、前記第1及び第2の主半導体領域の前記第1の主面にオーミック接触している電極であり、前記主半導体スイッチング素子のゲート手段は、前記主半導体領域の前記一方の主面上に配置されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とから成ることが望ましい。
また、請求項9に示すように、更に、前記半導体領域の前記他方の主面に電気的及び機械的に結合された一方の主面と該一方の主面に対向する他方の主面とを有する導電性基板と、前記導電性基板に形成された補助電極と、前記補助電極を前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段に接続する導体とを有していることが望ましい。
また、請求項10に示すように、前記主半導体領域は、化合物半導体から成り、
前記第1及び第2の補助半導体スイッチング素子は、シリコン半導体から成ることが望ましい。
(イ) 主半導体スイッチング素子がノーマリオン特性を有しているにも拘わらず、第1及び第2の補助半導体スイッチング素子の付加によってノーマリオフ特性を有する双方向スイッチの動作が可能なスイッチ装置を提供することができる。これにより、起動時にスイッチ装置を介した短絡が発生しない。
(ロ) スイッチ装置のオフ時に、第1、第2の主端子間の電圧は第1及び第2の補助半導体スイッチング素子よりも十分に耐圧の大きい主半導体スイッチング素子の第1及び第2の主電極間にかかるため、第1及び第2の補助半導体スイッチング素子は主半導体スイッチング素子の閾値電圧の絶対値以上の耐圧を有していれば良い。第1及び第2の補助半導体スイッチング素子の耐圧を前記閾値電圧の絶対値のように比較的低くすると、第1及び第2の補助半導体スイッチング素子のオン抵抗を低くすること、及びそのコストを低くすることができる。これにより、スイッチ装置全体のオン抵抗及びコストの上昇を抑えることができる。
(ハ) ノーマリオン特性を有する主半導体スイッチング素子は、容易に製造することができる。
(ニ) 第1の補助半導体スイッチング素子の制御は第1の主端子の電位を基準にして行い、第2の補助半導体スイッチング素子の制御は第2の主端子の電位を基準にして行うことができるので、第1及び第2の補助半導体スイッチング素子の制御を比較的容易に行うことができる。
(ホ)第1及び第2の補助半導体スイッチング素子の制御形態を変えることによって多くの回路形態を得ることができる。
(ヘ)第3及び第4のダイオ−ドは、主半導体スイッチング素子を形成するための主半導体領域に一体に形成された第1及び第2の補助半導体領域に形成されているので、スイッチ装置の小型化及び低コスト化が達成される。
次に図3の各部を詳しく説明する。
AlaInbGa1-a-bN,
ここで、aは0≦a<1、bは0≦b<1を満足する数値、
等の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
AlxInyGa1-x-yN,
ここで、xは0<x<1、yは0≦y<1を満足する数値であり、xの好ましい値は0.1〜0.4であり、より好ましい値は0.3である。
この第2の半導体層27を、アンドープのAlxInyGa1-x-yNで形成する代わりに、n型(第1導電型)の不純物を添加したAlxInyGa1-x-yNから成る窒化物半導体、又は別の組成の窒化物半導体、又は別の化合物半導体で形成することもできる。
逆方向ダイオードとして使用する時には、第1のゲート制御回路36によって第1のMOSFET14をオン制御し、第2のゲート制御回路37によって第2のMOSFET15をオフ制御する。これにより、第1の主端子11の電位が第2の主端子12の電位よりも低い時(例えば図9のt2又はt5)に、第2の主端子12、第2のダイオード17、主半導体スイッチング素子13、第1のMOSFET14及び第1の主端子11の経路で電流が流れる。逆に、第1の主端子11の電位が第2の主端子12の電位よりも高い時には、第2のダイオード17が逆バイアス状態となり、第2のMOSFET15と第2のダイオード17との両方がオフ状態になるので、スイッチ装置10もオフ状態になる。
なお、図3に負荷35が抵抗で示されているが、負荷35が電動機、変圧器等のインダクタンスを含む場合、又はコンデンサを含む場合、又は電気回路がインバータ回路等の場合であっても図5〜図8の原理に従ってスイッチ装置10は動作する。
(1) 高耐圧のノーマリオン構造の主半導体スイッチング素子13に対してこれよりも低耐圧且つ安価な第1及び第2のMOSFET14,15を直列接続するという単純な構成でノーマリオフ型双方向スイッチ機能を有するスイッチ装置10を得ることができる。
(2) スイッチ装置10はノーマリオン型の比較的製造が容易且つ低コストの主半導体スイッチング素子13を使用して構成するので、ノーマリオフ特性を有するスイッチ装置10のコストの上昇を抑えることができる。
(3) スイッチ装置10はノーマリオフ特性を有するので、スイッチ装置10の起動時にここが短絡状態にならない。従来、ノーマリオン特性のスイッチ装置10で必要になった起動時短絡保護回路が不要になり、スイッチ装置10を使用する電気回路装置のコストの低減を図ることができる。
(4) 第1及び第2のMOSFET14,15はシリコンから成る低コスト素子であるので、スイッチ装置10のコストの上昇が抑制される。
(5) 第1及び第2のMOSFET14,15は、主半導体スイッチング素子13に比べて低耐圧素子であるので、オン抵抗が比較的小さい。従って、スイッチ装置10のオン抵抗の増大を抑えることができる。
(6) 第1及び第2のゲート制御回路36,37は第1及び第2の主端子11,12を基準にして構成されているので、これ等を容易に構成できる。
(7)第1及び第2のゲート制御回路36,37による第1及び第2のMOSFET14,15の4種類の制御形態によって4種類の回路、即ち、第1の主端子11と第2の主端子12との間を短絡した回路、第1の主端子11と第2の主端子12との間を開放した回路、第1の主端子11と第2の主端子12との間に正方向ダイオードを接続した回路、第1の主端子11と第2の主端子12との間に正方向ダイオードを接続した回路を得ることができる。従って、双方向スイッチ10を多くの電気回路に使用することが可能になる。スイッチ装置10の用途が多くなると、スイッチ装置10の量産によるコストの低減が可能になる。
実施例2のスイッチ装置10aは、実施例1と同様の効果を有する他に、主半導体スイッチング素子13aの動作が安定化し、周知の電流コラプスの低減等が可能になる効果を有する。
(1) 第3及び第4のダイオ−ド18a、19aと主半導体スイッチング素子13bとは共通基板40a上にバッファ層23aを介して同時に形成された第1及び第2の半導体層27、28から成るので、スイッチ装置10cの小型化及び低コスト化が達成される。
(2) 第3及び第4のダイオード18a、19aは、2DEG層29を使用したショットキーダイオードから成るので、第3及び第4のダイオード18a、19aの高耐圧化及び高速化を容易に達成することができる。
(3) 第3及び第4のダイオード18a、19aのアノード電極69、73が基板40a及び基板電極43を介してゲート電極22に接続されているので、第3及び第4のダイオード18a、19aの電気的接続を容易に達成することができ、且つ基板40aの電位の安定化が良好に達成することができる。基板40aの電位が安定すると、半導体スイッチング素子13bの主半導体領域24aの第1の主面25aの電位も安定化し、周知の電流コラプスが低減する。
(1) 主半導体領域24〜24cをGaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InAlN等の窒化物半導体、又はAlP、GaP、AlInP、GaInP、AlGaP、AlGaAs、GaAs、AlAs、InAs、InP、InN、GaAsP等の3−5族化合筒半導体、又はZnO等の2−6族化合物半導体、又は更に別の化合物半導体で形成することができる。
(2) 主半導体スイッチング素子13〜13fに周知のフィールドプレートを設けることができる。
(3) 図4、図11、図14〜図18に第1及び第2の主電極20,21、ゲート電極22又はゲート手段22aがそれぞれ1つ設けられているが、それぞれを複数個設けることができる。即ち、1チップに微小FET(単位FET)を複数個設け、これ等を並列に接続することができる。
(4) 実施例1〜6のHEMT構成の主半導体スイッチング素子13〜13dにおいて第2の半導体層28をp型半導体から成る正孔供給層に置き換えることができる。この場合には、2DEG層29に対応する領域に2次元キャリアガス層として2次元正孔ガス層が生じる。
(5) 主半導体領域24〜24eの第1の主面25は平坦面であることが望ましいが、必要に応じてゲート電極22又はゲート手段22aの下に凹部(リセス)を形成することができる。
(6) 主半導体スイッチング素子は第1及び第2の主電極20,21が主半導体領域の第1の主面に位置する横型であることが望ましいが、第1の電極を主半導体領域の第1の主面側に配置し、第2の電極を主半導体領域の第2の主面側に配置して縦型構造の主半導体スイッチング素子とすることもできる。
(7) 主半導体スイッチング素子はHEMT構成又はMESFET構成のスイッチング素子であることが望ましいが、これ等に類似の別の半導体スイッチング素子とすることもできる。例えば、図4の主半導体スイッチング素子13を接合型電界効果トランジスタで構成することもできる。
11,12 第1及び第2の主端子
13 主半導体スイッチング素子
14,15 第1及び第2のMOSFET
16,17,18,19 第1、第2、第3及び第4のダイオード
36,37 第1及び第2のゲート制御回路
Claims (10)
- 電気回路の電流をオン・オフするためのスイッチ装置であって、
前記電気回路を接続するための第1及び第2の主端子と、
主半導体領域と、該主半導体領域に接続された第1及び第2の主電極と、前記主半導体領域における前記第1及び第2の主電極間部分に流れる電流を制御するためのゲート手段とを有し且つノーマリオン特性を有している主半導体スイッチング素子と、
前記主半導体スイッチング素子に対して直列に接続された第1の補助半導体スイッチング素子であって、前記第1の主端子に接続された前記第1の主電極と前記主半導体スイッチング素子の前記第1の主電極に接続された第2の主電極と該第1の補助半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極間に流れる電流を制御するための制御手段とを有し且つ前記主半導体スイッチング素子の閾値電圧の絶対値以上の耐圧特性を有し且つノーマリオフ特性を有している第1の補助半導体スイッチング素子と、
前記主半導体スイッチング素子に対して直列に接続された第2の補助半導体スイッチング素子であって、前記第2の主端子に接続された前記第1の主電極と前記主半導体スイッチング素子の前記第2の主電極に接続された第2の主電極と該第2の補助半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極間に流れる電流を制御するための制御手段とを有し且つ前記主半導体スイッチング素子の閾値電圧の絶対値以上の耐圧特性を有し且つノーマリオフ特性を有している第2の補助半導体スイッチング素子と、
前記第1及び第2の主端子間に第1の方向の電圧が印加された時に導通する方向性を有して前記第1の補助半導体スイッチング素子に対して並列に接続された第1のダイオードと、
前記第1及び第2の主端子間に前記第1の方向と反対の第2の方向の電圧が印加された時に導通する方向性を有して前記第2の補助半導体スイッチング素子に対して並列に接続された第2のダイオードと、
前記ゲート手段の電位を決定するためのものであり、前記第1の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間に接続され且つ前記第1及び第2の主端子間に前記第2の方向の電圧が印加された時に前記第1の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間を導通状態にすることができる特性を有し且つ前記第1及び第2のダイオードよりも高い耐圧特性を有している第1のゲート電位決定用スイッチング素子と、
前記ゲート手段の電位を決定するためのものであり、前記第2の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間に接続され且つ前記第1及び第2の主端子間に前記第1の方向の電圧が印加された時に前記第2の主端子と前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段との間を導通状態にすることができる特性を有し且つ前記第1及び第2のダイオードよりも高い耐圧特性を有している第2のゲート電位決定用スイッチング素子と
を備え、
前記主半導体スイッチング素子を構成するための前記主半導体領域は、第1の主面と該第1の主面に対向する第2の主面とを有し、前記主半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極は前記主半導体領域の前記一方の主面上に所定の間隔を有して配置され、前記ゲート手段は前記半導体領域の前記一方の主面の前記第1及び第2の主電極間に配置され、
前記第1及び第2のゲート電位決定用スイッチング素子は第3及び第4のダイオードであり、
前記第3のダイオードは、前記主半導体スイッチング素子を形成するための前記主半導体領域に対して一体に形成された第1の補助半導体領域と、前記第1の補助半導体領域の一方の主面にオーミック接触された第1の電極と、前記第1の補助半導体領域の前記一方の主面にショットキー接触された第2の電極とから成り、
前記第4のダイオードは、前記主半導体スイッチング素子を形成するための前記主半導体領域に対して一体に形成された第2の補助半導体領域と、前記第2の補助半導体領域の一方の主面にオーミック接触された第1の電極と、前記第2の補助半導体領域の前記一方の主面にショットキー接触された第2の電極とから成ることを特徴とするスイッチ装置。 - 更に、前記主半導体領域の前記他方の主面及び前記第1及び第2の補助半導体領域の他方の主面に電気的及び機械的に結合された一方の主面と該一方の主面に対向する他方の主面とを有している導電性基板と、
前記導電性基板に対して前記第3及び第4のダイオードの前記第2の電極をそれぞれ電気的に接続するための第1及び第2の導体と、
前記導電性基板の前記他方の主面に形成された補助電極と、
前記補助電極を前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段に接続する第3の導体と
を備えていることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。 - 更に、前記第1の補助半導体スイッチング素子の前記第1の主電極と前記制御手段との間に前記第1の補助半導体スイッチング素子をオンにするための第1の制御信号を供給するための第1のスイッチ制御回路と、
前記第2の補助半導体スイッチング素子の前記第1の主電極と前記制御手段との間に第2の補助半導体スイッチング素子をオンにするための第2の制御信号を供給するための第2のスイッチ制御回路と
を備えていることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。 - 更に、前記第1の補助半導体スイッチング素子に並列に接続された第1の過電圧保護素子と、前記第2の補助半導体スイッチング素子に並列に接続された第2の過電圧保護素子とを有していることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。
- 前記主半導体領域は2次元キャリアガス層を生じさせることができる第1及び第2の半導体層を有していることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。
- 前記主半導体領域は所定導電型を有する半導体層を有し、該半導体層は前記主半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極間の電流通路として機能するものであることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。
- 前記主半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極は、前記主半導体領域の前記第1の主面にオーミック接触している電極であり、前記主半導体スイッチング素子のゲート手段は、前記主半導体領域の前記第1の主面にショットキー接触している電極であることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。
- 前記半導体スイッチング素子の前記第1及び第2の主電極は、前記第1及び第2の主半導体領域の前記第1の主面にオーミック接触している電極であり、前記主半導体スイッチング素子のゲート手段は、前記主半導体領域の前記一方の主面上に配置されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とから成ることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。
- 更に、前記半導体領域の前記他方の主面に電気的及び機械的に結合された一方の主面と該一方の主面に対向する他方の主面とを有している導電性基板と、
前記導電性基板に形成された補助電極と、
前記補助電極を前記主半導体スイッチング素子の前記ゲート手段に接続する導体とを有していることを特徴とする請求項1記載のスイッチ装置。 - 前記主半導体領域は、化合物半導体からなり、
前記第1及び第2の補助半導体スイッチング素子は、シリコン半導体から成ることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載のスイッチ装置。
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