KR102082515B1 - 전력 공급 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 스위칭 소자에 흐르는 누설 전류를 저감시키고, 소비 전력을 적게 억제할 수 있는 전력 공급 시스템을 제공한다.
지령부와, 전원선, 부하, 및 상기 전원선과 상기 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치를 갖는 복수의 컴포넌트를 갖고, 상기 지령부는 상기 스위치의 온 상태 또는 오프 상태를 개별적으로 제어하고, 상기 스위치는 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 포함하는 트랜지스터인, 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
지령부와, 전원선, 부하, 및 상기 전원선과 상기 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치를 갖는 복수의 컴포넌트를 갖고, 상기 지령부는 상기 스위치의 온 상태 또는 오프 상태를 개별적으로 제어하고, 상기 스위치는 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 포함하는 트랜지스터인, 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 부하를 갖는 복수의 컴포넌트에의 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
부하에 대하여 전력을 공급하는 전력 공급 시스템은, 일례로서는 전력 공급원인 상용 전원이나 배터리에 접속된 스위칭 소자를 제어함으로써 전력 공급원으로부터 부하에의 전력 공급을 제어하도록 구성된다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
전력 공급원으로부터 부하에의 전력 공급을 제어하는 스위칭 소자로서는, 대전력을 필요로 하는 부하에의 전력 공급의 경우, 파워 MOSFET나 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 사용하는 것이 일반적이다. 또한, 전자 회로 등의 부하에의 전력 공급의 경우, 박막 트랜지스터를 사용하는 것이 일반적이다. 파워 MOSFET나 IGBT 및 박막 트랜지스터는, 모두 실리콘을 포함하는 재료로 구성된다.
실리콘을 포함하는 재료로 구성되는 스위칭 소자는, 부하가 전력을 사용하지 않을 때의 대기 전력이 문제가 된다. 이 대기 전력은 부하가 전력을 사용하지 않을 때에 스위칭 소자를 흐르는 누설 전류에 기인한 것이고, 대기 전력의 증가는 소비 전력의 증가로 이어진다. 따라서, 소비 전력을 저감시키기 위해서는, 스위칭 소자에 흐르는 누설 전류를 저감시킬 필요가 있다.
이와 같이, 종래의 스위칭 소자에서는 대기하는 동안에도 스위칭 소자에 누설 전류가 흐르게 되기 때문에 실질적으로 노멀리 오프의 상태가 되지 않았다.
상술한 바와 같은 기술적인 배경하, 본 발명은 스위칭 소자에 흐르는 누설 전류를 저감시키고, 소비 전력을 적게 억제할 수 있는 전력 공급 시스템의 제공을 과제 중 하나로 한다.
본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템은 지령부와, 전원선, 부하, 및 전원선과 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치를 갖는 복수의 컴포넌트를 갖고, 지령부는 스위치의 온 상태 또는 오프 상태를 개별적으로 제어하고, 스위치는 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 포함하는 트랜지스터이다.
또는, 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템은 제 1 지령부와, 제 2 지령부와, 전원선, 부하, 및 전원선과 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치를 갖는 복수의 컴포넌트를 갖고, 제 1 지령부는 제 2 지령부를 개별적으로 제어하고, 제 2 지령부는 스위치의 온 상태 또는 오프 상태를 개별적으로 제어하고, 스위치는 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 포함하는 트랜지스터이다.
또는, 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템은 지령부와, 제 1 전원선, 제 1 부하, 및 제 1 전원선과 제 1 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 제 1 스위치를 갖는 L개(L은 2 이상의 자연수)의 제 1 컴포넌트와, L개의 제 1 컴포넌트 중 어느 하나가 갖는 제 1 전원선으로부터 분배된 제 2 전원선, 제 2 부하, 및 제 2 전원선과 제 2 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 제 2 스위치를 갖는 M개(M은 1 이상의 자연수)의 제 2 컴포넌트와, M개의 제 2 컴포넌트 중 어느 하나가 갖는 제 2 전원선으로부터 분배된 제 3 전원선, 제 3 부하, 및 제 3 전원선과 제 3 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 제 3 스위치를 갖는 N개(N은 1 이상의 자연수)의 제 3 컴포넌트를 갖고, 지령부는 제 1 스위치 내지 제 3 스위치의 온 상태 또는 오프 상태를 개별적으로 제어하고, 제 1 스위치 내지 제 3 스위치는 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 포함하는 트랜지스터이다.
본 발명의 일 형태에 의하여 스위칭 소자에 흐르는 누설 전류를 저감시키고, 소비 전력을 적게 억제할 수 있는 전력 공급 시스템으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에 있어서의 스위칭 소자는, 대기하는 동안에 스위칭 소자에 누설 전류가 흐르지 않으며, 실질적으로 완전한 오프 상태가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 형태의 전력 공급 시스템은 완전한 오프 상태가 되도록 할 수 있는 스위치를 처음으로 도입한 전력 공급 시스템이며, 실질적으로 노멀리 오프의 시스템으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 도면.
도 8은 트랜지스터의 구성을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 도면.
도 8은 트랜지스터의 구성을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구성을 도시한 도면.
이하에서는, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 그렇지만, 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고, 본 발명의 취지 및 그 범위에서 일탈하지 않고 그 형태 및 상세를 다양하게 변경할 수 있는 것은, 당업자라면 용이하게 이해된다. 따라서, 본 발명은 이하에 기재하는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
<전력 공급 시스템의 구성에 대하여(1)>
도 1에 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의 구조를 일례로서 도시하였다. 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)은 컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L)(L은 2 이상의 자연수)와, 컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L)에의 전력의 공급을 개별적으로 제어하는 지령부(102)를 갖는다.
컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L)는, 전원선(103)과, 전력을 소비하는 부하(104)와, 전원선(103)과 부하(104)의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치(105)를 각각 갖는다. 스위치(105)가 온 상태(도통 상태)일 때 전원선(103)으로부터 스위치(105)를 통하여 부하(104)에 전력이 공급된다. 스위치(105)가 오프 상태(비도통 상태)일 때, 전원선(103)으로부터 부하(104)에의 전력의 공급은 정지된다.
또한, 컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L)는, 전원선(103)을 공유하여도 좋다. 또는 컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L) 중 적어도 하나의 컴포넌트가 다른 컴포넌트와 다른 경로의 전원선(103)을 가져도 좋다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓고, 전자 공여체(도너)가 되는 수분 또는 수소 등의 불순물이 저감되고, 또 산소 결손이 저감됨으로써 고순도화된 반도체를 포함하는 트랜지스터를 스위치(105)에 사용한다. 상기 트랜지스터는, 채널 형성 영역에 실리콘을 포함하는 트랜지스터보다 오프 전류가 현저히 작다. 따라서, 본 발명의 일 형태에서는 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 채널 형성 영역에 포함하는 트랜지스터를 스위치(105)에 사용함으로써, 스위치(105)가 오프 상태일 때 스위치(105)에 흐르는 누설 전류에 의하여 전원선(103)으로부터 부하(104)에 전력이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 스위치(105)를 흐르는 오프 전류를 현저히 작게 함으로써 부하(104) 측에 축적된 전하를 부하(104)의 기생 용량으로 계속 보유할 수 있다. 그래서, 다시 스위치를 온 상태로 하여 전력의 공급을 재개하였을 때, 동작의 복귀를 고속으로 행할 수 있다.
또한, 도 1에서는, 스위치(105)가 하나의 트랜지스터로 구성되어 있는 경우를 예시하였지만, 본 발명은 이 구성으로 한정되지 않는다. 본 발명의 일 형태에서는, 스위치(105)가 복수의 트랜지스터에 의하여 구성되어 있어도 좋다.
지령부(102)는, 컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L)가 각각 갖는 스위치(105)의 온 상태 또는 오프 상태를 개별적으로 제어하는 기능을 갖는다. 그리고, 컴포넌트(101-1) 내지 컴포넌트(101-L) 각각에 있어서의 스위치(105)의 온 상태 또는 오프 상태의 선택은, 전력 공급 시스템(100)의 외부로부터 지령부(102)에 입력되는 명령에 따라 행할 수 있다.
또한, 컴포넌트가 갖는 부하가 다른 컴포넌트의 부하와의 상호작용에 의하여 동작하는 경우, 지령부(102)에 의한 스위치(105)의 온 상태 또는 오프 상태의 제어를 일제히 행하는 구성으로 하여도 좋다. 따라서, 본 실시형태의 전력 공급 시스템은 소정의 목적을 실현하기 위하여 필요한 컴포넌트에 대하여, 동작에 필요한 기간만큼 전력을 공급하여 하나의 컴포넌트가 동작되면 그에 따라 다른 컴포넌트도 동시적 또는 순차적으로 동작되도록 전력 공급 시스템을 구동시킬 수 있다.
또는, 전력 공급 시스템(100)이 부하(104)에 있어서의 전력의 소비량을 감시(監視)할 수 있는 전류계 등을 갖고, 부하(104)에 있어서의 전력의 양에 따라 부하(104)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을 지령부(102)에서 행하여도 좋다. 예를 들어, 일정 기간에 걸쳐 부하(104)에 있어서의 전력의 소비량이, 부하(104)가 대기 상태인 동안에 소비되는 누설 전력과 같은 정도인 경우에, 지령부(102)는 부하(104)에의 전력의 공급이 불필요하다고 판단할 수 있다.
또는, 전력 공급 시스템(100)이 센서 회로를 갖고, 상기 센서 회로에 있어서 취득되는 광, 소리, 온도, 자기, 압력 등의 물리량을 사용하여 부하(104)의 이용 환경 및/또는 주위 환경을 감시하고, 상기 감시에 의한 변화에 따라 부하(104)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을 지령부(102)에서 행하여도 좋다. 이 경우, 지령부(102)는 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단 결과에 따라, 스위치(105)의 온 상태 또는 오프 상태를 선택한다.
예를 들어, 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템(100)을 가옥에 적용시켜, 가옥에 설치된 조명, 전기 히터, 공기 청정기 등의 가전이 각 컴포넌트에 상당하는 것으로 한다. 이 경우, 광 센서를 갖는 센서 회로를 사용하여 조명이 사용되는 방의 밝기를 감시한다. 그리고, 창문에서 들어오는 광의 양의 변화에 따라 방의 밝기가 어떤 규정값을 넘은 경우에, 지령부(102)는 조명에의 전력의 공급을 정지하도록 조명의 스위치(105)를 온 상태에서 오프 상태로 변경시킬 수 있다.
또는 온도 센서를 갖는 센서 회로를 사용하여, 구체적으로는 전기 히터가 사용되는 방의 온도를 감시한다. 그리고, 외기온의 변화에 따라 방의 온도가 어떤 규정값보다 높아진 경우에, 지령부(102)는 전기 히터에의 전력의 공급을 정지하도록 전기 히터의 스위치(105)를 온 상태에서 오프 상태로 변경시킬 수 있다.
또는, 광 센서를 갖는 센서 회로를 사용하여, 공기 청정기가 사용되는 방의 사용 상황을 감시한다. 그리고, 일정 기간 동안 센서 회로에 의하여 사람의 움직임이 감지되지 않았던 경우에, 지령부(102)는 공기 청정기에의 전력의 공급을 정지하도록 공기 청정기의 스위치(105)를 온 상태에서 오프 상태로 변경시킬 수 있다.
또한, 상술한 가전이 컴포넌트에 상당하는 경우, 스위치(105)는 각 가전마다 내장되어 있다. 가전의 외부에 스위치(105)가 설치된 경우, 가전은 부하(104)에 상당하고, 컴포넌트는 부하(104)인 가전과 스위치(105)를 포함하는 것으로 한다.
또한, 각 컴포넌트가 독립적으로 구비되어 있는 경우, 지령부(102)에 의한 스위치(105)의 온 상태 또는 오프 상태의 선택은, 무선 신호를 사용하여 행할 수 있다. 이 경우, 스위치(105)는 스위치의 상태를 전환시키기 위한, 지령부(102)로부터의 신호를 보유하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 센서 회로는 센서와, 센서로부터 출력되는 센서 신호를 처리하기 위한 회로군으로 구성되어 있다. 그리고, 센서로서 온도 센서, 자기 센서, 광 센서, 마이크로폰, 스트레인 게이지, 압력 센서, 가스 센서 등을 사용할 수 있다. 온도 센서는, 측온 저항체, 서미스터, 열전대(thermocouple), IC 온도 센서 등의 접촉식이라도 좋고, 열형 적외선 센서, 양자형 적외선 센서 등의 비접촉식이라도 좋다.
도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 센서 회로를 구비하는 블록도를 도 9에 도시하였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 센서 회로(901)는 물리량에 관한 데이터를 지령부(102)로 송신한다. 지령부(102)는, 센서 회로(901)에서 취득되는 물리량을 감시하며, 부하(104)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을 행한다.
또한, 각 컴포넌트가 독립적으로 구비되어 있는 경우, 컴포넌트마다 센서 회로를 설치하고, 센서 회로에서 얻어진 데이터를 무선 신호에 의하여 지령부(102)로 송신하도록 하면 좋다. 컴포넌트마다 센서 회로를 설치하는 경우의, 도 9와 상이한 블록도를 도 10에 도시하였다. 도 10에 도시된 바와 같이, 센서 회로(700)는 각 컴포넌트에 설치되고, 물리량에 관한 데이터를 개별적으로 지령부(102)로 송신한다. 지령부(102)는 각 컴포넌트에 설치된 센서 회로(700)에서 취득된 물리량을 감시하며, 부하(104)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을 행한다.
또한, 컴포넌트는 컴퓨터, 검지기, 텔레비전 등의 전자 기기나, 컴퓨터 시스템을 구성하는 기기(CPU, 메모리, HDD, 프린터, 모니터)나, 자동차에 내장되는 전기 제어 기기여도 좋다. 또는 CPU나 반도체 메모리와 같은 LSI의 내부 구성이어도 좋다. 또한, 여기서 컴퓨터란, 태블릿형의 컴퓨터나, 노트북형 컴퓨터나, 데스크탑형 컴퓨터뿐만 아니라 서버 시스템 등의 대형 컴퓨터도 포함하는 것이다.
또한, 컴포넌트의 개념은, 전력 공급에 의하여 동작하는 전자 기기 외에 전력 공급 시스템이 필요한 사회 인프라스트럭처(Infrastructure), 주택 등의 넓은 개념에도 적용할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 형태인 전력 공급 시스템을 사회 인프라스트럭처 등의 넓은 개념에 적용하는 경우의 구체적인 적용 대상을 예시한다. 예를 들어, 사회 인프라스트럭처에 본 발명의 일 형태인 전력 공급 시스템을 적용하는 경우, 도 1에 도시된 컴포넌트로서는 철도, 항만(港灣), 도로 등을 들 수 있고, 지령부로서는 변전소 또는 발전소 등을 들 수 있다. 또한, 다른 예로서 도 1에 도시된 컴포넌트로서는 건물 안의 방이나 계층 등의 섹션(section)을 들 수 있고, 지령부로서 전원 관리 시설이나 배전반 등을 들 수 있다.
<전력 공급 시스템의 구성에 대하여(2)>
도 2에 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의, 다른 구조의 일례를 도시하였다. 도 2에 도시된 전력 공급 시스템(200)은 제 1 컴포넌트(201-1) 내지 제 1 컴포넌트(201-L)(L은 2 이상의 자연수)와, 제 1 컴포넌트(201-1) 내지 제 1 컴포넌트(201-L)에의 전력의 공급을 개별적으로 제어하는 제 1 지령부(202-1)를 갖는다. 도 2에서는, 제 1 컴포넌트(201-1)와 제 1 컴포넌트(201-2)의 일부만을 도시하였다.
그리고, 전력 공급 시스템(200)에서는, 제 1 컴포넌트(201-1) 내지 제 1 컴포넌트(201-L)의 각각이 복수의 제 2 컴포넌트와, 복수의 제 2 컴포넌트에 대한 전력의 공급을 개별적으로 제어하는 제 2 지령부(202-2)를 갖는다. 구체적으로, 도 2에서는 제 1 컴포넌트(201-1)가 제 2 컴포넌트(206-1) 내지 제 2 컴포넌트(206-M)(M은 2 이상의 자연수)를 갖는 경우를 도시하였다.
또한, 제 1 컴포넌트(201-1) 내지 제 1 컴포넌트(201-L)의 각각이 갖는 복수의 제 2 컴포넌트의 개수는, 컴포넌트에서 모두 반드시 동일할 필요는 없다.
또한, 복수의 제 2 컴포넌트는, 도 2에 도시된 제 2 컴포넌트(206-1) 내지 제 2 컴포넌트(206-M)에 예시된 바와 같이, 전원선(203)과, 전력을 소비하는 부하(204)와, 전원선(203)과 부하(204)의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치(205)를 각각 갖는다. 스위치(205)가 온 상태일 때 전원선(203)으로부터 스위치(205)를 통하여 부하(204)에 전력이 공급된다. 스위치(205)가 오프 상태일 때, 전원선(203)으로부터 부하(204)에의 전력의 공급은 정지된다.
제 2 컴포넌트(206-1) 내지 제 2 컴포넌트(206-M)는, 전원선(203)을 공유하여도 좋다. 또는 제 2 컴포넌트(206-1) 내지 제 2 컴포넌트(206-M) 중 적어도 하나의 제 2 컴포넌트가 다른 제 2 컴포넌트와 다른 경로의 전원선(203)을 가져도 좋다. 또한, 하나의 제 1 컴포넌트가 갖는 복수의 제 2 컴포넌트 중 적어도 하나가, 다른 제 1 컴포넌트가 갖는 복수의 제 2 컴포넌트 중 적어도 하나와 전원선(203)을 공유하여도 좋다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 포함하는 트랜지스터를 스위치(205)에 사용한다. 상기 트랜지스터는, 채널 형성 영역에 실리콘을 포함하는 트랜지스터보다 오프 전류가 현저히 작다. 따라서, 본 발명의 일 형태에서는 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 채널 형성 영역에 포함하는 트랜지스터를 스위치(205)에 사용함으로써, 스위치(205)가 오프 상태일 때 스위치(205)에 흐르는 누설 전류에 의하여 전원선(203)으로부터 부하(204)에 전력이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 스위치(205)를 흐르는 오프 전류를 현저히 작게 함으로써 부하(204) 측에 축적된 전하를 부하(204)의 기생 용량으로 계속 보유할 수 있다. 그래서, 다시 스위치(205)를 온 상태로 하여 전력의 공급을 재개하였을 때, 동작의 복귀를 고속으로 행할 수 있다.
또한, 도 2에서는, 스위치(205)가 하나의 트랜지스터로 구성되어 있는 경우를 예시하였지만, 본 발명은 이 구성으로 한정되지 않는다. 본 발명의 일 형태에서는 스위치(205)가 복수의 트랜지스터로 구성되어 있어도 좋다.
제 1 지령부(202-1)는, 제 1 컴포넌트(201-1) 내지 제 1 컴포넌트(201-L)가 각각 갖는 복수의 제 2 컴포넌트에 있어서 부하(204)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을, 제 1 컴포넌트마다 행한다. 상기 판단은, 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 갖는 지령부(102)의 경우와 마찬가지로, 전력 공급 시스템(200)의 외부로부터 입력되는 명령에 따라 결정되어도 좋고, 부하(204)에 있어서의 전력의 소비량을 감시함으로써 행해져도 좋고, 센서 회로에 있어서 취득되는 물리량을 사용하여 행해져도 좋다.
또한, 제 1 컴포넌트(201-1) 내지 제 1 컴포넌트(201-L)가 각각 갖는 제 2 지령부(202-2)는, 복수의 제 2 컴포넌트에 있어서 부하(204)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을, 제 2 컴포넌트마다 행한다. 상기 판단은, 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 갖는 지령부(102)의 경우와 마찬가지로, 전력 공급 시스템(200)의 외부로부터 입력되는 명령에 따라 결정되어도 좋고, 부하(204)에 있어서의 전력의 소비량을 감시함으로써 행해져도 좋고, 센서 회로에 있어서 취득되는 물리량을 사용하여 행해져도 좋다.
제 2 지령부(202-2)에 의한 부하(204)에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단은 제 1 지령부(202-1)에 있어서 전력의 공급이 필요하다고 판단된 제 1 컴포넌트에 속하는, 복수의 제 2 컴포넌트에 있어서 행하도록 한다.
제 2 지령부(202-2)는 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단 결과에 따라 복수의 제 2 컴포넌트에 있어서의 스위치(205)의 온 상태 또는 오프 상태의 선택을 개별적으로 행한다.
또한, 제 2 컴포넌트가 갖는 부하(204)가 다른 제 2 컴포넌트의 부하(204)와의 상호작용에 의하여 동작하는 경우, 제 1 지령부(202-1) 또는 제 2 지령부(202-2)에 의한 스위치(205)의 온 상태 또는 오프 상태의 제어를 일제히 행하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 각 제 2 컴포넌트가 각각 독립적으로 구비되어 있는 경우, 제 1 지령부(202-1) 또는 제 2 지령부(202-2)에 의한 스위치의 온 상태 또는 오프 상태의 선택은, 무선 신호를 사용하여 행할 수 있다. 이 경우 스위치는, 스위치의 상태를 전환시키기 위한, 제 1 지령부(202-1) 또는 제 2 지령부(202-2)로부터의 신호를 보유하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 각 제 2 컴포넌트가 각각 독립적으로 구비되어 있는 경우, 제 2 컴포넌트마다 센서 회로를 설치하고, 센서 회로에서 얻어진 데이터를 무선 신호에 의하여 제 1 지령부(202-1) 또는 제 2 지령부(202-2)로 송신하도록 하면 좋다.
<전력 공급 시스템의 구성에 대하여(3)>
도 3에 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의, 다른 구조의 일례를 도시하였다. 도 3에 도시된 전력 공급 시스템(300)은 제 1 컴포넌트(301-1) 내지 제 1 컴포넌트(301-L)와, 제 1 컴포넌트(301-1) 내지 제 1 컴포넌트(301-L)에의 전력의 공급을 개별적으로 제어하는 제 1 지령부(302-1)를 갖는다. 도 3에서는, 제 1 컴포넌트(301-1)와 제 1 컴포넌트(301-2)의 일부만을 도시하였다.
그리고, 전력 공급 시스템(300)에서는, 제 1 컴포넌트(301-1) 내지 제 1 컴포넌트(301-L)의 각각이 복수의 제 2 컴포넌트와, 복수의 제 2 컴포넌트에 대한 전력의 공급을 개별적으로 제어하는 제 2 지령부(302-2)를 갖는다. 구체적으로, 도 3에서는 제 1 컴포넌트(301-1)가 제 2 컴포넌트(306-1) 내지 제 2 컴포넌트(306-M)를 갖는 경우를 도시하였다.
또한, 제 1 컴포넌트(301-1) 내지 제 1 컴포넌트(301-L)의 각각이 갖는 복수의 제 2 컴포넌트의 개수는, 컴포넌트에서 모두 반드시 동일할 필요는 없다.
그리고, 전력 공급 시스템(300)은, 복수의 제 2 컴포넌트 각각이 복수의 제 3 컴포넌트와, 복수의 제 3 컴포넌트에 대한 전력의 공급을 개별적으로 제어하는 제 3 지령부(302-3)를 갖는다. 구체적으로, 도 3에서는 제 2 컴포넌트(306-1)가 제 3 컴포넌트(307-1) 내지 제 3 컴포넌트(307-N)(N은 2 이상의 자연수)를 갖는 경우를 도시하였다.
또한, 복수의 제 2 컴포넌트가 각각 갖는 복수의 제 3 컴포넌트의 개수는, 컴포넌트에서 모두 반드시 동일할 필요는 없다.
또한, 도 3에서는 도시하지 않았지만, 복수의 제 3 컴포넌트는, 도 1에 도시된 제 1 컴포넌트 및 도 2에 도시된 제 2 컴포넌트와 마찬가지로 전원선과, 전력을 소비하는 부하와, 전원선과 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치를 각각 갖는다. 스위치가 온 상태일 때 전원선으로부터 스위치를 통하여 부하에 전력이 공급된다. 스위치가 오프 상태일 때, 전원선으로부터 부하에의 전력의 공급은 정지된다.
제 3 컴포넌트(307-1) 내지 제 3 컴포넌트(307-N)는, 전원선을 공유하여도 좋다. 또는 제 3 컴포넌트(307-1) 내지 제 3 컴포넌트(307-N) 중 적어도 하나의 제 3 컴포넌트가 다른 제 3 컴포넌트와 다른 경로의 전원선을 가져도 좋다. 또한, 서로 다른 제 2 컴포넌트에 속하는 제 3 컴포넌트끼리가, 또는 서로 다른 제 1 컴포넌트에 속하는 제 3 컴포넌트끼리가 전원선을 공유하여도 좋다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓고, 전자 공여체(도너)가 되는 수분 또는 수소 등의 불순물이 저감되고, 또 산소 결손이 저감됨으로써 고순도화된 반도체를 포함하는 트랜지스터를 스위치에 사용한다. 상기 트랜지스터는, 채널 형성 영역에 실리콘을 포함하는 트랜지스터보다 오프 전류가 현저히 작다. 따라서, 본 발명의 일 형태에서는 스위치가 오프 상태일 때 스위치에 흐르는 누설 전류에 의하여 전원선으로부터 부하에 전력이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 스위치를 흐르는 오프 전류를 현저히 작게 함으로써 부하 측에 축적된 전하를 부하의 기생 용량으로 계속 보유할 수 있다. 그래서, 다시 스위치를 온 상태로 하여 전력의 공급을 재개하였을 때, 동작의 복귀를 고속으로 행할 수 있다.
제 1 지령부(302-1)는, 제 1 컴포넌트(301-1) 내지 제 1 컴포넌트(301-L)가 각각 갖는 복수의 제 3 컴포넌트에 있어서의 부하에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을, 제 1 컴포넌트마다 행한다. 상기 판단은, 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 갖는 지령부(102)의 경우와 마찬가지로, 전력 공급 시스템(300)의 외부로부터 입력되는 명령에 따라 결정되어도 좋고, 부하에 있어서의 전력의 소비량을 감시함으로써 행해져도 좋고, 센서 회로에 있어서 취득되는 물리량을 사용하여 행해져도 좋다.
또한, 제 1 컴포넌트(301-1) 내지 제 1 컴포넌트(301-L)가 각각 갖는 제 2 지령부(302-2)는 복수의 제 3 컴포넌트에 있어서의 부하에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을, 제 2 컴포넌트마다 행한다. 상기 판단은, 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 갖는 지령부(102)의 경우와 마찬가지로, 전력 공급 시스템(300)의 외부로부터 입력되는 명령에 따라 결정되어도 좋고, 부하에 있어서의 전력의 소비량을 감시함으로써 행해져도 좋고, 센서 회로에 있어서 취득되는 물리량을 사용하여 행해져도 좋다.
제 2 지령부(302-2)에 의한 부하에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단은 제 1 지령부(302-1)에 있어서 전력의 공급이 필요하다고 판단된 제 1 컴포넌트에 속하는, 복수의 제 2 컴포넌트에 있어서 행하도록 한다.
또한, 제 2 컴포넌트(306-1) 내지 제 2 컴포넌트(306-M)가 각각 갖는 제 3 지령부(302-3)는, 복수의 제 3 컴포넌트에 있어서의 부하에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을, 제 3 컴포넌트마다 행한다. 상기 판단은, 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 갖는 지령부(102)의 경우와 마찬가지로, 전력 공급 시스템(300)의 외부로부터 입력되는 명령에 따라 결정되어도 좋고, 부하에 있어서의 전력의 소비량을 감시함으로써 행해져도 좋고, 센서 회로에 있어서 취득되는 물리량을 사용하여 행해져도 좋다.
제 3 지령부(302-3)에 의한 부하에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단은 제 2 지령부(302-2)에 있어서 전력의 공급이 필요하다고 판단된 제 2 컴포넌트에 속하는, 복수의 제 3 컴포넌트에 있어서 행하도록 한다.
제 3 지령부(302-3)는 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단 결과에 따라 복수의 제 3 컴포넌트에 있어서의 스위치의 온 상태 또는 오프 상태의 선택을 개별적으로 행한다.
또한, 제 3 컴포넌트가 갖는 부하가 다른 제 3 컴포넌트의 부하와의 상호작용에 의하여 동작하는 경우, 제 1 지령부(302-1), 제 2 지령부(302-2), 또는 제 3 지령부(302-3)에 의한 스위치의 온 상태 또는 오프 상태의 제어를 일제히 행하는 구성으로 하여도 좋다.
또한, 제 3 컴포넌트(307-1) 내지 제 3 컴포넌트(307-N)가 각각 독립적으로 구비되어 있는 경우, 제 1 지령부(302-1), 제 2 지령부(302-2) 또는 제 3 지령부(302-3)에 의한 스위치의 온 상태 또는 오프 상태의 선택은, 무선 신호를 사용하여 행할 수 있다. 이 경우 스위치는, 스위치의 상태를 전환시키기 위한, 제 1 지령부(302-1), 제 2 지령부(302-2) 또는 제 3 지령부(302-3)로부터의 신호를 보유하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제 3 컴포넌트(307-1) 내지 제 3 컴포넌트(307-N)가 각각 독립적으로 구비되어 있는 경우, 제 3 컴포넌트마다 센서 회로를 설치하고, 센서 회로에서 얻어진 데이터를 무선 신호에 의하여 제 1 지령부(302-1), 제 2 지령부(302-2), 또는 제 3 지령부(302-3)로 송신하도록 하면 좋다.
<전력 공급 시스템의 구성에 대하여(4)>
도 4에서 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템의, 다른 구조의 일례를 도시하였다. 도 4에 도시된 전력 공급 시스템(400)은 지령부(500)와 복수의 제 1 컴포넌트와, 복수의 제 2 컴포넌트와, 복수의 제 3 컴포넌트를 갖는다.
도 4에서는, 도시하지 않았지만, 전력 공급 시스템(400)에서는 복수의 제 1 컴포넌트, 복수의 제 2 컴포넌트, 복수의 제 3 컴포넌트 모두가, 도 1에 도시된 제 1 컴포넌트, 도 2에 도시된 제 2 컴포넌트, 및 도 3에 도시된 제 3 컴포넌트와 마찬가지로 전원선과, 전력을 소비하는 부하와, 전원선과 부하의 전기적인 접속을 전환시키는 스위치를 각각 갖는다. 그리고, 스위치가 온 상태일 때, 전원선으로부터 스위치를 통하여 부하에 전력이 공급된다. 그리고, 스위치가 오프 상태일 때, 전원선으로부터 부하에의 전력의 공급은 정지된다.
본 발명의 일 형태에서는, 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓고, 전자 공여체(도너)가 되는 수분 또는 수소 등의 불순물이 저감되고, 또 산소 결손이 저감됨으로써 고순도화된 반도체를 포함하는 트랜지스터를 스위치에 사용한다. 상기 트랜지스터는, 채널 형성 영역에 실리콘을 포함하는 트랜지스터보다 오프 전류가 현저히 작다. 따라서, 본 발명의 일 형태에서는 밴드 갭이 실리콘보다 넓은 반도체를 채널 형성 영역에 포함하는 트랜지스터를 스위치에 사용함으로써, 스위치가 오프 상태일 때 스위치에 흐르는 누설 전류에 의하여 전원선으로부터 부하에 전력이 공급되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 형태에서는, 스위치를 흐르는 오프 전류를 현저히 작게 함으로써 부하 측에 축적된 전하를 부하의 기생 용량으로 계속 보유할 수 있다. 그래서, 다시 스위치를 온 상태로 하여 전력의 공급을 재개하였을 때, 동작의 복귀를 고속으로 행할 수 있다.
그리고, 전력 공급 시스템(400)에서는, 복수의 제 2 컴포넌트 중, 어느 복수의 제 2 컴포넌트가 각각 갖는 전원선이, 하나의 제 1 컴포넌트가 갖는 전원선으로부터 분배(분기)된 것으로 한다.
구체적으로, 도 4에서는 제 1 컴포넌트(501-1) 내지 제 1 컴포넌트(501-L) 중, 제 1 컴포넌트(501-1)가 갖는 전원선으로부터 분배된 전원선을 갖는 제 2 컴포넌트(502-1) 내지 제 2 컴포넌트(502-M)와, 제 2 컴포넌트(502-1)가 갖는 전원선으로부터 분배된 전원선을 갖는 제 3 컴포넌트(503-1) 내지 제 3 컴포넌트(503-N)를 도시하였다.
또한, 제 1 컴포넌트(501-1) 내지 제 1 컴포넌트(501-L)의 각각에 대응하는 복수의 제 2 컴포넌트의 개수는, 컴포넌트에서 모두 반드시 동일할 필요는 없다. 또한, 복수의 제 2 컴포넌트 각각에 대응하는 복수의 제 3 컴포넌트의 개수는, 컴포넌트에서 모두 반드시 동일할 필요는 없다.
전력 공급 시스템(400)에서는, 지령부(500)가, 복수의 제 1 컴포넌트와, 복수의 제 2 컴포넌트와, 복수의 제 3 컴포넌트에 있어서, 부하에의 전력의 공급이 필요한가 불필요한가의 판단을, 개별적으로 행한다. 상기 판단은, 도 1에 도시된 전력 공급 시스템(100)이 갖는 지령부(102)의 경우와 마찬가지로, 전력 공급 시스템(400)의 외부로부터 입력되는 명령에 따라 결정되어도 좋고, 부하에 있어서의 전력의 소비량을 감시함으로써 행해져도 좋고, 센서 회로에 있어서 취득되는 물리량을 사용하여 행해져도 좋다.
또한, 제 1 컴포넌트 내지 제 3 컴포넌트 중, 어느 컴포넌트가 갖는 부하가 다른 어느 컴포넌트의 부하와의 상호작용에 의하여 동작하는 경우, 지령부(500)에 의한 스위치의 온 상태 또는 오프 상태의 제어를 일제히 행하는 구성으로 하여도 좋다.
다음에, 전력 공급 시스템(400)의 동작의 일례에 대하여 설명한다. 도 5에서는, 모든 컴포넌트 중 제 3 컴포넌트(503-1) 및 제 3 컴포넌트(503-3)에 있어서 지령부(500)로부터의 명령에 따라 스위치가 오프 상태가 되어 부하에의 전력의 공급이 정지된다.
또한, 도 6에서는 모든 컴포넌트 중, 제 2 컴포넌트(502-1)와, 제 2 컴포넌트(502-1)의 전원선으로부터 분배된 전원선을 각각 갖는 제 3 컴포넌트(503-1) 내지 제 3 컴포넌트(503-N)에 있어서 지령부(500)로부터의 명령에 따라 스위치가 오프 상태가 되어 부하에의 전력의 공급이 정지된다.
또한, 도 7에서는 모든 컴포넌트 중, 제 1 컴포넌트(501-1)와, 제 1 컴포넌트(501-1)의 전원선으로부터 분배된 전원선을 각각 갖는 제 2 컴포넌트(502-1) 내지 제 2 컴포넌트(502-M)와, 제 2 컴포넌트(502-1) 내지 제 2 컴포넌트(502-M)의 전원선으로부터 분배된 전원선을 각각 갖는 복수의 제 3 컴포넌트(제 3 컴포넌트(503-1) 내지 제 3 컴포넌트(503-N)를 포함함)에 있어서 지령부(500)로부터의 명령에 따라 스위치가 오프 상태가 되어 부하에의 전력의 공급이 정지된다.
또한, 독립적으로 구비되어 있는 컴포넌트가 존재하는 경우, 지령부(500)에 의한 상기 컴포넌트가 갖는 스위치의 온 상태 또는 오프 상태의 선택은, 무선 신호를 사용하여 행할 수 있다. 이 경우, 스위치는, 스위치의 상태를 전환시키기 위한 지령부(500)로부터의 신호를 보유하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 독립적으로 구비되어 있는 컴포넌트가 존재하는 경우, 상기 컴포넌트에 센서 회로를 설치하고, 센서 회로에서 얻어진 데이터를 무선 신호에 의하여 지령부(500)로 송신하도록 하면 좋다.
또한, 도 1 내지 도 4, 도 9, 및 도 10에 일례로서 도시된 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템에서는, 모든 컴포넌트에 있어서 채널 형성 영역에 밴드 갭이 실리콘보다 넓고, 전자 공여체(도너)가 되는 수분 또는 수소 등의 불순물이 저감되고, 또 산소 결손이 저감됨으로써 고순도화된 반도체를 포함하는 트랜지스터를, 전원선과 부하의 전기적인 접속을 전환시키기 위한 스위치에 사용한다. 그러나, 본 발명의 일 형태에 따른 전력 공급 시스템에서는, 부하에의 전력의 공급과, 그 정지의 전환을 고속으로 행할 필요가 있는 일부의 컴포넌트에 대해서는, 스위치에 있어서의 누설 전류의 삭감보다 스위치의 고속 동작을 우선시켜도 좋다. 구체적으로, 본 발명의 일 형태에서는, 스위치에 있어서의 스위칭의 제어를 고속으로 행할 필요가 있는 일부의 컴포넌트에 있어서 채널 형성 영역에 결정성을 갖는 실리콘을 포함하는 트랜지스터와 같이, 고속으로 스위칭이 가능한 트랜지스터를 스위치로서 사용하여도 좋다. 또한, 스위치에 고속 동작이 요구되는 일부의 컴포넌트에 대해서는, 채널 형성 영역에 게르마늄 반도체, 갈륨 비소 반도체, III-V족 화합물 반도체 등을 포함하는 트랜지스터를 스위치로서 사용하여도 좋다.
<트랜지스터의 구성에 대하여>
본 발명의 일 형태에서는, 스위치(105)로서 기능하는 트랜지스터의 채널 형성 영역에, 산화물 반도체를 포함한다. 상술한 바와 같이, 산화물 반도체를 채널 형성 영역에 포함함으로써, 오프 전류가 매우 작은 트랜지스터를 실현할 수 있다. 트랜지스터의 단면도의 일례를 도 8에 도시하였다.
도 8에 있어서, 트랜지스터는 절연 표면을 갖는 기판(120) 위에 활성층으로서 기능하는 반도체막(121)과, 반도체막(121) 위의 소스 전극(122) 및 드레인 전극(123)과, 반도체막(121), 소스 전극(122) 및 드레인 전극(123) 위의 게이트 절연막(124)과, 소스 전극(122)과 드레인 전극(123) 사이에서 반도체막(121)과 중첩되도록 게이트 절연막(124) 위에 위치하는 게이트 전극(125)을 갖는다.
도 8에 도시된 트랜지스터에서는, 반도체막(121) 중 소스 전극(122)과 드레인 전극(123) 사이에서, 게이트 전극(125)과 중첩되는 영역이 채널 형성 영역(121c)에 상당한다. 또한, 반도체막(121) 중 소스 전극(122)과 중첩되는 영역이 소스 영역(121s)에 상당하고, 반도체막(121) 중 드레인 전극(123)과 중첩되는 영역이 드레인 영역(121d)에 상당한다.
본 발명의 일 형태에서는, 반도체막(121) 중 적어도 채널 형성 영역(121c)에 산화물 반도체가 포함되어 있으면 좋지만, 반도체막(121) 전체에 산화물 반도체가 포함되어 있어도 좋다.
또한, 도 8에서는 트랜지스터가 싱글 게이트 구조인 경우를 예시하였지만, 트랜지스터는 전기적으로 접속된 복수의 게이트 전극을 가짐으로써 채널 형성 영역을 복수로 갖는 멀티 게이트 구조이어도 좋다.
또한, 트랜지스터는 게이트 전극을 활성층의 한쪽에서 적어도 갖고 있으면 좋지만, 활성층을 사이에 끼워 존재하는 한 쌍의 게이트 전극을 갖고 있어도 좋다. 트랜지스터가 활성층을 사이에 끼워 존재하는 한 쌍의 게이트 전극을 갖고 있는 경우, 한쪽의 게이트 전극에는 스위치(온 상태 또는 오프 상태)를 제어하기 위한 신호가 공급되고, 다른 쪽의 게이트 전극은 전기적으로 절연된 플로팅 상태여도 좋고, 전위가 다른 곳으로부터 공급되는 상태여도 좋다. 후자의 경우, 한 쌍의 전극에, 같은 높이의 전위가 공급되어 있어도 좋고, 다른 쪽의 게이트 전극에만 접지 전위 등의 고정의 전위가 공급되어 있어도 좋다. 다른 한쪽의 게이트 전극에 공급되는 전위의 높이를 제어함으로써, 트랜지스터의 문턱 전압을 제어할 수 있다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한, 본 명세서에서 오프 전류란, n채널형 트랜지스터에 있어서는, 드레인 단자를 소스 단자와 게이트 전극보다도 높은 전위로 한 상태에 있어서, 소스 단자의 전위를 기준으로 한 경우의 게이트 전극의 전위가 0V 이하일 때에, 소스 단자와 드레인 단자 사이에 흐르는 전류를 의미한다. 또는, 본 명세서에서 오프 전류란, p채널형 트랜지스터에 있어서는 드레인 단자를 소스 단자와 게이트 전극보다 낮은 전위로 한 상태에 있어서 소스 단자의 전위를 기준으로 한 경우의 게이트 전극의 전위가 0V 이상일 때, 소스 단자와 드레인 단자 사이에 흐르는 전류를 의미한다.
또한, 실리콘 반도체보다 밴드 갭이 넓고, 진성 캐리어 밀도가 실리콘보다 낮은 반도체의 일례로서, 산화물 반도체 외에 질화 갈륨(GaN) 등의 화합물 반도체 등이 있다. 산화물 반도체는, 질화 갈륨과 달리 스퍼터링법이나 습식법에 의하여 전기적 특성이 뛰어난 트랜지스터를 제작할 수 있고, 양산성이 뛰어나다는 이점을 갖는다. 또한, 질화 갈륨과 달리, 산화물 반도체는 실온에서도 형성할 수 있기 때문에, 유리 기판 위, 또는 실리콘을 사용한 집적 회로 위에 전기적 특성이 뛰어난 트랜지스터를 제작할 수 있다. 또한, 기판의 대형화에도 대응할 수 있다. 따라서, 상술한 와이드 갭 반도체 중에서도 특히 산화물 반도체는 양산성이 높다는 이점을 갖는다. 또한, 트랜지스터의 성능(예를 들어, 전계 효과 이동도)을 향상시키기 위하여, 결정성의 산화물 반도체를 얻고자 하는 경우에도 250℃ 내지 800℃의 가열 처리에 의하여 용이하게 결정성의 산화물 반도체를 얻을 수 있다.
전자 공여체(도너)가 되는 수분 또는 수소 등의 불순물이 저감되고, 또 산소 결손이 저감됨으로써 고순도화된 산화물 반도체(purified OS)는, i형(진성 반도체) 또는 i형에 매우 가깝다. 그래서, 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터는, 오프 전류가 현저하게 작다는 특성을 갖는다. 또한, 산화물 반도체의 밴드 갭은 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상, 더 바람직하게는 3eV 이상이다. 수분 또는 수소 등의 불순물 농도가 충분히 저감되고, 또 산소 결손이 저감됨으로써 고순도화된 산화물 반도체막을 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 낮출 수 있다.
구체적으로, 고순도화된 산화물 반도체막을 채널 형성 영역에 사용한 트랜지스터의 오프 전류가 낮다는 것은, 여러 가지 실험에 의하여 증명할 수 있다. 예를 들어, 채널 폭이 1×106μm이고 채널 길이 10μm인 소자인 경우에도, 소스 전극과 드레인 전극간의 전압(드레인 전압)이 1V 내지 10V인 범위에서 오프 전류가 반도체 파라미터 애널라이저의 측정 한계 이하, 즉 1×10-13A 이하라는 특성을 얻을 수 있다. 이 경우, 트랜지스터의 채널 폭으로 규격화시킨 오프 전류는 100zA/μm 이하인 것을 알 수 있다. 또한, 용량 소자와 트랜지스터를 접속시켜, 용량 소자에 유입 또는 용량 소자로부터 유출하는 전하를 상기 트랜지스터로 제어하는 회로를 사용하여, 오프 전류를 측정하였다. 상기 측정에서는, 고순도화된 산화물 반도체막을 상기 트랜지스터의 채널 형성 영역에 사용하고, 용량 소자의 단위 시간당 전하량의 추이로부터 상기 트랜지스터의 오프 전류를 측정하였다. 그 결과, 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극간의 전압이 3V인 경우에, 수십 yA/μm라는 더 작은 오프 전류가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 따라서, 고순도화된 산화물 반도체막을 채널 형성 영역으로서 사용한 트랜지스터는, 결정성을 갖는 실리콘을 사용한 트랜지스터에 비하여 오프 전류가 현저히 작다.
산화물 반도체로서는 적어도 인듐(In) 또는 아연(Zn)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화물 반도체를 사용한 트랜지스터의 전기적 특성의 편차를 저감시키기 위한 스테빌라이저로서, 추가적으로 갈륨(Ga)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 주석(Sn)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 하프늄(Hf)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 알루미늄(Al)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 스테빌라이저로서 지르코늄(Zr)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 다른 스테빌라이저로서 란타노이드인, 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb), 루테튬(Lu) 중의 어느 한 종류 또는 복수 종류를 포함하여도 좋다.
예를 들어 산화물 반도체로서 산화 인듐, 산화 주석, 산화 아연, 2원계 금속의 산화물인 In-Zn계 산화물, Sn-Zn계 산화물, Al-Zn계 산화물, Zn-Mg계 산화물, Sn-Mg계 산화물, In-Mg계 산화물, In-Ga계 산화물, 3원계 금속의 산화물인 In-Ga-Zn계 산화물(IGZO라고도 표기함), In-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Zn계 산화물, Sn-Ga-Zn계 산화물, Al-Ga-Zn계 산화물, Sn-Al-Zn계 산화물, In-Hf-Zn계 산화물, In-La-Zn계 산화물, In-Pr-Zn계 산화물, In-Nd-Zn계 산화물, In-Sm-Zn계 산화물, In-Eu-Zn계 산화물, In-Gd-Zn계 산화물, In-Tb-Zn계 산화물, In-Dy-Zn계 산화물, In-Ho-Zn계 산화물, In-Er-Zn계 산화물, In-Tm-Zn계 산화물, In-Yb-Zn계 산화물, In-Lu-Zn계 산화물, 4원계 금속의 산화물인 In-Sn-Ga-Zn계 산화물, In-Hf-Ga-Zn계 산화물, In-Al-Ga-Zn계 산화물, In-Sn-Al-Zn계 산화물, In-Sn-Hf-Zn계 산화물, In-Hf-Al-Zn계 산화물을 사용할 수 있다.
또한, 예를 들어, In-Ga-Zn계 산화물이란, In과 Ga와 Zn을 갖는 산화물을 가리키고, In과 Ga와 Zn의 비율은 특별히 제한되지 않는다. 또한, In과 Ga와 Zn 이외의 금속 원소를 포함하여도 좋다. In-Ga-Zn계 산화물은 무전계시의 저항이 충분히 높아 오프 전류를 충분히 작게 하는 것이 가능하고, 또한 이동도도 높다.
예를 들어, In:Ga:Zn=1:1:1 (=1/3:1/3:1/3) 또는 In:Ga:Zn=2:2:1 (=2/5:2/5:1/5)의 원자 비율의 In-Ga-Zn계 산화물이나 그의 조성의 근방의 산화물을 사용할 수 있다. 또는, In:Sn:Zn=1:1:1 (=1/3:1/3:1/3), In:Sn:Zn=2:1:3 (=1/3:1/6:1/2) 또는 In:Sn:Zn=2:1:5 (=1/4:1/8:5/8)의 원자 비율의 In-Sn-Zn계 산화물이나 그 조성의 근방의 산화물을 사용하면 좋다.
예를 들어, In-Sn-Zn계 산화물은 비교적 용이하게 높은 이동도를 얻을 수 있다. 그러나, In-Ga-Zn계 산화물인 경우라도 벌크 내의 결함 밀도를 저감함으로써 이동도를 올릴 수 있다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 비단결정을 가져도 좋다. 비단결정은 예를 들어 CAAC(C Axis Aligned Crystal), 다결정, 미결정, 비정질부를 갖는다. 비정질부는 미결정, CAAC보다 결함 준위 밀도가 높다. 또한, 미결정은 CAAC보다 결함 준위 밀도가 높다. 또한, CAAC를 갖는 산화물 반도체를 CAAC-OS(C Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor)라고 부른다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 CAAC-OS를 가져도 좋다. CAAC-OS는 예를 들어 c축이 배향하고, a축 또는/및 b축은 거시적으로 보면 정렬되어 있지 않다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 미결정을 가져도 좋다. 미결정 산화물 반도체막을 미결정 산화물 반도체라고 부른다. 미결정 산화물 반도체막은, 예를 들어 1nm 이상 10nm 미만의 사이즈의 미결정(나노 결정이라고도 함)을 막 중에 포함한다. 또는, 미결정 산화물 반도체막은 예를 들어 1nm 이상 10nm 미만의 결정부를 갖는 결정-비정질 혼상 구조의 산화물 반도체를 갖는다.
산화물 반도체막은, 예를 들어 비정질을 가져도 좋다. 또한, 비정질부를 갖는 산화물 반도체를 비정질 산화물 반도체라고 부른다. 비정질 산화물 반도체막은, 예를 들어 원자 배열이 무질서하고, 결정 성분을 갖지 않는다. 또는, 비정질 산화물 반도체막은 예를 들어 완전한 비정질이고, 결정부를 갖지 않는다.
또한, 산화물 반도체막이 CAAC-OS, 미결정 산화물 반도체, 비정질 산화물 반도체의 혼합막이어도 좋다. 혼합막은, 예를 들어 비정질 산화물 반도체의 영역과, 비결정 산화물 반도체의 영역과, CAAC-OS의 영역을 갖는다. 또한, 혼합막은 예를 들어, 비정질 산화물 반도체의 영역과, 미결정 산화물 반도체의 영역과, CAAC-OS의 영역의 적층 구조를 가져도 좋다.
또한, 산화물 반도체막은 예를 들어 단결정을 가져도 좋다.
산화물 반도체막은 복수의 결정부를 갖고, 상기 결정부의 c축이 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 다른 결정부들간에서, 각각 a축 및 b축의 방향이 달라도 좋다. 이와 같은 산화물 반도체막의 일례로서는, CAAC-OS막이 있다.
CAAC-OS막은, 완전한 비정질이 아니다. CAAC-OS막은, 예를 들어, 결정부 및 비정질부를 갖는 결정-비정질 혼상 구조의 산화물 반도체를 갖는다. 또한, 상기 결정부는 하나의 변이 100nm 미만인 입방체 내에 들어가는 크기인 경우가 많다. 또한, 투과형 전자 현미경(TEM: Transmission Electron Microscope)에 의한 관찰상에서는 CAAC-OS막에 포함되는 비정질부와 결정부의 경계, 결정부와 결정부와의 경계는 명확하지 않다. 또한, TEM으로 CAAC-OS막에는 명확한 입계(그레인 바운더리라고도 함)는 확인되지 않는다. 그래서, CAAC-OS막은 입계에 기인하는 전자 이동도의 저하가 억제된다.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부는 예를 들어, c축이 CAAC-OS막의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되고, 또 ab면에 수직인 방향으로부터 보아 금속 원자가 삼각형 또는 육각형으로 배열되고, c축에 수직인 방향으로부터 보아 금속 원자가 층상 또는 금속 원자와 산소 원자가 층상으로 배열된다. 또한, 다른 결정부들간에서, 각각 a축 및 b축의 방향이 달라도 좋다. 본 명세서에서 단순히 "수직"이라고 기재한 경우, 80° 이상 100° 이하, 바람직하게는 85° 이상 95° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다. 또한, 단순히 평행이라고 기재한 경우, -10° 이상 10° 이하, 바람직하게는 -5° 이상 5° 이하의 범위도 포함되는 것으로 한다.
또한, CAAC-OS막에서 결정부의 분포가 균일하지 않아도 좋다. 예를 들어, CAAC-OS막의 형성 과정에서 산화물 반도체막의 표면 측에서 결정 성장시키는 경우에는, 피형성면 근방보다 표면 근방에서 결정부가 차지하는 비율이 높은 경우가 있다. 또한, CAAC-OS막에 불순물을 첨가함으로써 상기 불순물 첨가 영역에서 결정부가 비정질화하는 경우도 있다.
CAAC-OS막에 포함되는 결정부의 c축은 CAAC-OS막의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향으로 정렬되기 때문에, CAAC-OS막의 형상(피형성면의 단면 형상 또는 표면의 단면 형상)에 따라서는 서로 상이한 방향을 향하는 경우가 있다. 또한, 결정부는 성막했을 때, 또는 성막 후에 가열 처리 등의 결정화 처리를 행했을 때 형성된다. 따라서, 결정부의 c축은, CAAC-OS막이 형성되었을 때의 피형성면의 법선 벡터 또는 표면의 법선 벡터에 평행한 방향이 되도록 정렬된다.
CAAC-OS막을 사용한 트랜지스터는, 가시광이나 자외광의 조사에 의한 전기적 특성의 변동이 작다. 따라서, 상기 트랜지스터는 신뢰성이 높다.
CAAC-OS막은, 예를 들어, 다결정인 금속 산화물 타깃을 사용하여 스퍼터링법에 의하여 형성한다. 상기 타깃에 이온이 충돌하면, 타깃에 포함되는 결정 영역이 a-b면으로부터 벽개(劈開)되어 a-b면에 평행한 면을 갖는 평판 형상, 또는 펠릿(pellet) 형상의 스퍼터링 입자로서 박리될 수 있다. 이 경우, 상기 평판 형상의 스퍼터링 입자가, 결정 상태를 유지한 상태에서 기판에 도달함으로써, CAAC-OS막을 형성할 수 있다.
또한, CAAC-OS막을 형성하기 위하여, 이하의 조건을 적용하는 것이 바람직하다.
성막시의 불순물 혼입을 저감시킴으로써, 불순물에 의하여 결정 상태가 무너지는 것을 억제할 수 있다. 예를 들어, 처리실 내에 존재하는 불순물 농도(수소, 물, 이산화탄소, 및 질소 등)를 저감시키면 좋다. 또한, 성막 가스 중의 불순물 농도를 저감시키면 좋다. 구체적으로는, 이슬점이 －80℃ 이하, 바람직하게는 －100℃ 이하인 성막 가스를 사용한다.
또한, 성막시의 기판 가열 온도를 높임으로써, 기판 도달 후에 스퍼터링 입자의 마이그레이션이 일어난다. 구체적으로는, 기판 가열 온도를 100℃ 이상 740℃ 이하, 바람직하게는 200℃ 이상 500℃ 이하로 하여 성막한다. 성막시의 기판 가열 온도를 높임으로써, 평판 형상의 스퍼터링 입자가 기판에 도달한 경우, 기판 위에서 마이그레이션이 일어나고, 스퍼터링 입자의 평평한 면이 기판에 부착된다.
또한, 성막 가스 중의 산소 비율을 높여, 전력을 최적화함으로써 성막시의 플라즈마 대미지를 경감시키면 바람직하다. 성막 가스 중의 산소 비율은 30vol％ 이상, 바람직하게는 100vol％로 한다.
타깃의 일례로서, In-Ga-Zn계 산화물 타깃에 대하여 이하에 나타낸다.
InOX 분말, GaOY 분말 및 ZnOZ 분말을 소정의 mol수 비율로 혼합하여, 가압 처리를 행한 후, 1000℃ 이상 1500℃ 이하의 온도에서 가열 처리를 행함으로써 다결정인 In-Ga-Zn계 산화물 타깃으로 한다. 또한, X, Y 및 Z는 임의의 정수(正數)이다. 여기서, 소정의 mol수 비율은 예를 들어, InOX분말, GaOY 분말, 및 ZnOZ 분말이 2:2:1, 8:4:3, 3:1:1, 1:1:1, 4:2:3, 또는 3:1:2이다. 또한, 분말의 종류, 및 그 혼합하는 mol수 비율은, 제작하는 타깃에 따라 적절히 변경하면 좋다.
100: 전력 공급 시스템
101-L 내지 101-1: 컴포넌트
102: 지령부
103: 전원선
104: 부하
105: 스위치
120: 기판
121: 반도체막
121c: 채널 형성 영역
121d: 드레인 영역
121s: 소스 영역
122: 소스 전극
123: 드레인 전극
124: 게이트 절연막
125: 게이트 전극
200: 전력 공급 시스템
201-1 내지 201-L: 제 1 컴포넌트
202-1: 제 1 지령부
202-2: 제 2 지령부
203: 전원선
204: 부하
205: 스위치
206-1 내지 206-M: 제 2 컴포넌트
300: 전력 공급 시스템
301-1 내지 301-L: 제 1 컴포넌트
302-1: 제 1 지령부
302-2: 제 2 지령부
302-3: 제 3 지령부
306-1 내지 306-M: 제 2 컴포넌트
307-1 내지 307-N: 제 3 컴포넌트
400: 전력 공급 시스템
500: 지령부
501-1 내지 501-L: 제 1 컴포넌트
502-1 내지 502-M: 제 2 컴포넌트
503-1 내지 503-N: 제 3 컴포넌트
700: 센서 회로
901: 센서 회로
101-L 내지 101-1: 컴포넌트
102: 지령부
103: 전원선
104: 부하
105: 스위치
120: 기판
121: 반도체막
121c: 채널 형성 영역
121d: 드레인 영역
121s: 소스 영역
122: 소스 전극
123: 드레인 전극
124: 게이트 절연막
125: 게이트 전극
200: 전력 공급 시스템
201-1 내지 201-L: 제 1 컴포넌트
202-1: 제 1 지령부
202-2: 제 2 지령부
203: 전원선
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205: 스위치
206-1 내지 206-M: 제 2 컴포넌트
300: 전력 공급 시스템
301-1 내지 301-L: 제 1 컴포넌트
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302-3: 제 3 지령부
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400: 전력 공급 시스템
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700: 센서 회로
901: 센서 회로
Claims (18)
- 전력 공급 시스템으로서,
지령부;
상기 지령부에 전기적으로 접속된 센서 회로; 및
각각이 전원선, 부하, 및 스위치를 포함하는 복수의 컴포넌트를 포함하고,
상기 지령부는 상기 센서 회로로부터의 출력에 기초하여 상기 복수의 컴포넌트 각각의 상기 스위치의 온/오프를 개별적으로 제어하고,
상기 스위치의 제 1 단자는 상기 부하와 전기적으로 접속되고,
상기 스위치의 제 2 단자는 상기 전원선과 전기적으로 접속되고,
상기 스위치는 상기 스위치가 오프일 때 상기 부하에 축적된 전하를 보유하며,
상기 스위치는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터인, 전력 공급 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 전력 공급 시스템으로서,
제 1 지령부;
복수의 제 2 지령부;
상기 제 1 지령부에 전기적으로 접속된 센서 회로; 및
각각이 전원선, 부하, 및 스위치를 포함하는 복수의 컴포넌트를 포함하고,
상기 제 1 지령부는 상기 복수의 제 2 지령부와 기능적으로 접속되고,
상기 복수의 제 2 지령부 중 하나는 상기 센서 회로로부터의 출력에 기초하여 상기 복수의 컴포넌트 각각의 상기 스위치의 온/오프를 개별적으로 제어하고,
상기 스위치의 제 1 단자는 상기 부하와 전기적으로 접속되고,
상기 스위치의 제 2 단자는 상기 전원선과 전기적으로 접속되고,
상기 스위치는 상기 스위치가 오프일 때 상기 부하에 축적된 전하를 보유하며,
상기 스위치는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터인, 전력 공급 시스템.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,
상기 센서 회로는 광 센서, 압력 센서, 및 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 공급 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 복수의 컴포넌트는 자동차에 내장되는 전기 제어 기기, 조명 기기, 전기 히터, 공기 청정기, 컴퓨터, 검지기, 텔레비전, CPU, 메모리, HDD, 프린터, 및 모니터 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 공급 시스템.
- 전력 공급 시스템으로서,
지령부;
상기 지령부에 전기적으로 접속된 센서 회로;
각각이 제 1 전원선, 제 1 부하, 및 제 1 스위치를 포함하는 복수의 제 1 컴포넌트;
상기 제 1 전원선으로부터 분배된 제 2 전원선, 제 2 부하, 및 제 2 스위치를 포함하는 제 2 컴포넌트; 및
상기 제 2 전원선으로부터 분배된 제 3 전원선, 제 3 부하, 및 제 3 스위치를 포함하는 제 3 컴포넌트를 포함하고,
상기 제 1 스위치의 제 1 단자는 상기 제 1 부하와 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 스위치의 제 2 단자는 상기 제 1 전원선과 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 스위치의 제 1 단자는 상기 제 2 부하와 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 스위치의 제 2 단자는 상기 제 2 전원선과 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 스위치의 제 1 단자는 상기 제 3 부하와 전기적으로 접속되고,
상기 제 3 스위치의 제 2 단자는 상기 제 3 전원선과 전기적으로 접속되고,
상기 지령부는 상기 센서 회로로부터의 출력에 기초하여 상기 복수의 제 1 컴포넌트 각각의 상기 제 1 스위치의 온/오프를 개별적으로 제어하고,
상기 제 1 스위치는 상기 제 1 스위치가 오프일 때 상기 제 1 부하에 축적된 전하를 보유하며,
상기 제 1 스위치, 상기 제 2 스위치, 및 상기 제 3 스위치 각각은 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 포함하는 트랜지스터인, 전력 공급 시스템.
- 삭제
- 제 13 항에 있어서,
상기 센서 회로는 광 센서, 압력 센서, 및 온도 센서 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 공급 시스템.
- 삭제
- 제 1 항, 제 7 항, 및 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 반도체의 밴드 갭은 2eV 이상인, 전력 공급 시스템.
- 제 13 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 컴포넌트는 자동차에 내장되는 전기 제어 기기, 조명 기기, 전기 히터, 공기 청정기, 컴퓨터, 검지기, 텔레비전, CPU, 메모리, HDD, 프린터, 및 모니터 중 적어도 하나를 포함하는, 전력 공급 시스템.
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