KR20220158756A - 축전 장치 및 전자 기기 - Google Patents

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KR20220158756A
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circuit
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KR1020227036091A
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케이 타카하시
카즈키 타네무라
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

소비 전력이 낮은 축전 장치 등을 제공한다. 또는 집적도가 높은 축전 장치 등을 제공한다. 제 1 전지 셀은 제 1 기판 위의 제 1 전극, 제 1 전극 위의 양극 활물질층, 양극 활물질층 위의 전해질층, 전해질층 위의 음극 활물질층, 및 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고, 비교 회로는 제 1 입력 단자, 제 2 입력 단자, 출력 단자, 및 제 1 트랜지스터를 가지고, 제 1 트랜지스터는 제 1 기판 위의 산화물 반도체, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체, 및 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고, 제 1 전극은 제 1 트랜지스터의 게이트 및 상기 제 1 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 비교 회로는 제 1 전극의 전위와 원하는 기준 전위의 비교 결과에 따른 제 1 신호를 출력 단자로부터 제어 회로에 출력하는 기능을 가지고, 상기 제어 회로는 제 1 신호에 따라 제 1 전지 셀의 충전을 제어하는 기능을 가지는 축전 장치이다.

Description

축전 장치 및 전자 기기
본 발명의 일 형태는 반도체 장치 및 반도체 장치의 동작 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 및 전자 기기에 관한 것이다.
또한 본 발명의 일 형태는 상기 기술분야에 한정되지 않는다. 본 명세서 등에 개시(開示)되는 발명의 기술분야는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명의 일 형태는 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 그러므로 더 구체적으로 본 명세서에 개시되는 본 발명의 일 형태의 기술분야로서는 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 촬상 장치, 기억 장치, 이들의 구동 방법, 또는 이들의 제조 방법을 일례로 들 수 있다.
축전 장치(배터리, 이차 전지라고도 함)는 소형 전자 기기부터 자동차에 이르기까지 폭넓은 분야에서 이용되고 있다. 전지의 응용 범위가 넓어지면서, 복수의 전지 셀을 직렬로 접속시킨 멀티 셀 구성의 배터리 스택(stack)을 사용한 애플리케이션이 늘고 있다.
축전 장치는 과방전, 과충전, 과전류, 또는 단락과 같은 충방전 시의 이상을 파악하기 위한 회로를 가진다. 이와 같이 전지의 보호 및 제어를 하는 회로에서, 충방전 시의 이상을 검출하기 위하여 전압이나 전류 등의 데이터를 취득한다. 또한 이와 같은 회로에서는, 관측되는 데이터에 기초하여 충방전의 정지나 셀 밸런싱 등의 제어를 한다.
특허문헌 1에는 전지 보호 회로로서 기능하는 보호 IC에 대하여 개시되어 있다. 특허문헌 1에는 내부에 복수의 콤퍼레이터(비교기)가 제공되고, 참조 전압과 전지가 접속된 단자의 전압을 비교하여 충방전 시의 이상을 검출하는 보호 IC에 대하여 개시되어 있다.
또한 특허문헌 2에는 이차 전지의 마이크로 단락을 검출하는 전지 상태 검출 장치 및 이를 내장하는 전지 팩에 대하여 개시되어 있다.
또한 특허문헌 3에는 이차 전지의 셀이 직렬로 접속된 조전지(assembled battery)를 보호하는 보호용 반도체 장치에 대하여 개시되어 있다.
미국 특허출원공개공보 US2011/267726호 일본 공개특허공보 특개2010-66161호 일본 공개특허공보 특개2010-220389호
본 발명의 일 형태는 신규의 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 반도체 장치, 차량, 전자 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 소비 전력이 낮은 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 반도체 장치, 차량, 전자 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다. 또는 본 발명의 일 형태는 집적도가 높은 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 반도체 장치, 차량, 전자 기기 등을 제공하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 본 발명의 일 형태의 과제는 위에서 열거한 과제에 한정되지 않는다. 위에서 열거한 과제는 다른 과제의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 다른 과제는 이하에 기재되고 본 항목에서 언급되지 않은 과제이다. 본 항목에서 언급되지 않은 과제는 통상의 기술자라면 명세서 또는 도면 등의 기재로부터 도출할 수 있는 것이며, 이들 기재에서 적절히 추출할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태는 위에서 열거한 과제 및/또는 다른 과제 중 적어도 하나의 과제를 해결하는 것이다.
본 발명의 일 형태는 제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 제어 회로를 가지고, 제 1 전지 셀은 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 양극 활물질층 위의 전해질층과, 전해질층 위의 음극 활물질층과, 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고, 비교 회로는 제 1 입력 단자와, 제 2 입력 단자와, 출력 단자와, 제 1 트랜지스터를 가지고, 제 1 트랜지스터는 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고, 제 1 전극은 제 1 트랜지스터의 게이트 및 제 1 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 비교 회로는 제 1 전극의 전위와 원하는 기준 전위의 비교 결과에 따른 제 1 신호를 출력 단자로부터 제어 회로에 출력하는 기능을 가지고, 제어 회로는 제 1 신호에 따라 제 1 전지 셀의 충전을 제어하는 기능을 가지는 축전 장치이다.
또한 상기 구성에서, 제 2 트랜지스터와 용량 소자를 가지고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 2 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터는 산화물 반도체를 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 출력 단자는 제 1 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 산화물 반도체를 가지는 제 2 트랜지스터와, 산화물 반도체를 가지는 제 3 트랜지스터와, 용량 소자를 가지고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 제 2 입력 단자 및 제 3 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고, 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고, 출력 단자는 제 3 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 1 트랜지스터가 가지는 게이트 전극 위의 제 2 절연체와 제 2 절연체 위의 제 3 전극을 가지고, 제 1 전극은 제 2 절연체 위에 위치하고, 제 1 전극과 제 3 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지고, 제 3 전극은 제 1 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 1 트랜지스터는 소스 전극 및 드레인 전극을 가지고, 제 1 전극과, 제 1 트랜지스터가 가지는 소스 전극과, 제 1 트랜지스터가 가지는 드레인 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 1 전극과, 제 1 트랜지스터가 가지는 게이트 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 2 전지 셀과, 변환 회로와, 클록 생성 회로와, 승압 회로와, 전압 유지 회로를 가지고, 제 1 트랜지스터는 백 게이트를 가지고, 변환 회로는 제 2 전지 셀의 양극 전위를 변환하고 제 2 신호로서 클록 생성 회로에 공급하는 기능을 가지고, 클록 생성 회로는 제 2 신호를 사용하여 클록 신호인 제 3 신호를 생성하는 기능을 가지고, 승압 회로는 제 3 신호를 사용하여 제 1 전위를 생성하는 기능을 가지고, 전압 유지 회로는 제 1 전위를 백 게이트에 인가하고 유지하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 1 기판은 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 반도체 기판, SOI 기판, 및 플라스틱 기판 중 어느 것인 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 1 기판은 반도체 기판이고, 제 1 기판은 실리콘을 가지고, 채널 형성 영역이 제 1 기판에 제공되는 트랜지스터를 가지는 것이 바람직하다.
또는 본 발명의 일 형태는 제 1 기판과, 제 1 기판 위의 산화물 반도체, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체, 및 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지는 제 1 트랜지스터와, 산화물 반도체 위의 제 2 절연체와, 제 2 절연체 위의 제 1 전극, 제 1 전극 위의 양극 활물질층, 양극 활물질층 위의 전해질층, 전해질층 위의 음극 활물질층, 및 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지는 제 1 전지 셀과, 제 2 절연체 위의 제 3 전극을 가지고, 제 3 전극은 제 1 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는 축전 장치이다.
또한 상기 구성에서, 제 1 전극 및 제 3 전극은 타이타늄 화합물을 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 1 트랜지스터는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 3 전극 위의 제 4 전극과, 제 3 전극과 제 4 전극에 끼워지는 제 3 절연체를 가지고, 제 1 전극 및 제 4 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는 것이 바람직하다.
또한 상기 구성에서, 제 3 전극 위의 제 4 전극과, 제 3 전극과 제 4 전극에 끼워지는 압전체층을 가지고, 제 1 전극 및 제 4 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는 것이 바람직하다.
또는 본 발명의 일 형태는 제 1 기판과, 제 1 기판 위의 소스 전극 및 드레인 전극, 소스 전극 및 드레인 전극 위의 산화물 반도체, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체, 및 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지는 제 1 트랜지스터와, 제 1 기판 위의 제 1 전극, 제 1 전극 위의 양극 활물질층, 양극 활물질층 위의 전해질층, 전해질층 위의 음극 활물질층, 및 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지는 제 1 전지 셀을 가지고, 소스 전극, 드레인 전극, 및 제 1 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는 축전 장치이다.
또는 본 발명의 일 형태는 제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 제어 회로와, 압전 소자를 가지고, 제 1 전지 셀은 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 양극 활물질층 위의 전해질층과, 전해질층 위의 음극 활물질층과, 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고, 비교 회로는 제 1 트랜지스터를 가지고, 제 1 트랜지스터는 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고, 압전 소자는 제 3 전극과, 제 3 전극 위의 압전체층과, 압전체층 위의 제 4 전극을 가지고, 제 1 전극은 제 1 트랜지스터의 게이트 전극에 전기적으로 접속되고, 비교 회로는 제 1 전극의 전위와 원하는 전위의 비교 결과에 따른 제 1 신호를 제어 회로에 출력하는 기능을 가지고, 제어 회로는 제 1 신호에 따라 제 1 전지 셀의 충전을 제어하는 기능을 가지는 전자 기기이다.
또한 상기 구성에서, 제 1 전극 및 제 3 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는 것이 바람직하다.
또는 본 발명의 일 형태는 제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 표시부와, 구동 회로를 가지고, 제 1 기판은 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 반도체 기판, SOI 기판, 및 플라스틱 기판 중에서 선택되고, 제 1 전지 셀은 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 양극 활물질층 위의 전해질층과, 전해질층 위의 음극 활물질층과, 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고, 제 1 전극은 타이타늄 화합물을 가지고, 비교 회로는 제 1 트랜지스터를 가지고, 제 1 트랜지스터는 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 산화물 반도체 위의 소스 전극 및 드레인 전극과, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고, 제 1 전극은 제 1 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고, 구동 회로는 표시부에 화상 신호를 공급하는 기능을 가지고, 구동 회로는 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터를 복수로 가지는 전자 기기이다.
또는 본 발명의 일 형태는 제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 제어 회로를 가지고, 제 1 전지 셀은 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 양극 활물질층 위의 전해질층과, 전해질층 위의 음극 활물질층과, 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고, 제 1 전극은 타이타늄 화합물을 가지고, 비교 회로는 제 1 입력 단자와, 제 2 입력 단자와, 출력 단자와, 제 1 트랜지스터를 가지고, 제 1 트랜지스터는 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 산화물 반도체 위의 소스 전극 및 드레인 전극과, 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고, 제 1 입력 단자는 게이트 전극에 전기적으로 접속되고, 제 1 전극은 제 1 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 비교 회로는 제 1 전극의 전위와 원하는 기준 전위의 비교 결과에 따른 제 1 신호를 출력 단자로부터 제어 회로에 출력하는 기능을 가지고, 제어 회로는 제 1 신호에 따라 제 1 전지 셀의 충전을 제어하는 기능을 가지는 축전 장치이다.
본 발명의 일 형태에 의하여, 신규 전지 제어 회로, 신규 전지 보호 회로, 축전 장치, 반도체 장치, 차량, 전자 기기 등을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 의하여, 소비 전력이 낮은 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 반도체 장치, 차량, 전자 기기 등을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태에 의하여, 집적도가 높은 전지 제어 회로, 전지 보호 회로, 축전 장치, 반도체 장치, 차량, 전자 기기 등을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 형태의 효과는 위에서 열거한 효과에 한정되지 않는다. 위에서 열거한 효과는 다른 효과의 존재를 방해하는 것이 아니다. 또한 다른 효과는 이하에 기재되고 본 항목에서 언급되지 않은 효과이다. 본 항목에서 언급되지 않은 효과는 통상의 기술자라면 명세서 또는 도면 등의 기재로부터 도출할 수 있는 것이며, 이들 기재에서 적절히 추출할 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태는 위에서 열거한 효과 및/또는 다른 효과 중 적어도 하나의 효과를 가지는 것이다. 따라서 본 발명의 일 형태는 경우에 따라서는 위에서 열거한 효과를 가지지 않는 경우도 있다.
도 1의 (A)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지의 상면도이다. 도 1의 (B)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 형태를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 형태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 형태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 형태를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 형태를 나타낸 단면도이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 일 형태의 트랜지스터를 나타낸 단면도이다. 도 7의 (B)는 본 발명의 일 형태의 트랜지스터를 나타낸 단면도이다.
도 8의 (A)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지의 상면도이다. 도 8의 (B)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지의 상면도이다.
도 9는 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도이다.
도 10의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 10의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도이다.
도 12의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 블록도이다. 도 12의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 13의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 13의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 14의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 14의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 14의 (C)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 15의 (A)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다. 도 15의 (B)는 본 발명의 일 형태를 설명하는 회로도이다.
도 16은 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다.
도 17의 (A)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다. 도 17의 (B)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다. 도 17의 (C)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다.
도 18의 (A)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다. 도 18의 (B)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다.
도 19의 (A)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다. 도 19의 (B)는 전자 기기의 일례를 설명하는 도면이다. 도 19의 (C)는 비행체의 일례를 설명하는 도면이다. 도 19의 (D)는 차량의 일례를 설명하는 도면이다.
이하에서 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 다만 실시형태는 많은 상이한 형태로 실시할 수 있고, 취지 및 그 범위로부터 벗어나지 않고 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해된다. 따라서 본 발명은 이하의 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
또한 본 명세서 등에서 '제 1', '제 2', '제 3'이라는 서수사는 구성 요소의 혼동을 피하기 위하여 붙인 것이다. 따라서 구성 요소의 수를 한정하는 것은 아니다. 또한 구성 요소의 순서를 한정하는 것은 아니다. 또한 예를 들어 본 명세서 등의 실시형태 중 하나에서 '제 1'로 언급된 구성 요소가 다른 실시형태 또는 청구범위에서 '제 2'로 언급된 구성 요소가 될 수도 있다. 또한 예를 들어 본 명세서 등의 실시형태 중 하나에서 '제 1'로 언급된 구성 요소가 다른 실시형태 또는 청구범위에서 생략될 수도 있다.
또한 도면에서 동일한 요소 또는 같은 기능을 가지는 요소, 동일한 재질의 요소, 또는 동시에 형성되는 요소 등에는 동일한 부호를 붙이는 경우가 있고, 이의 반복적인 설명은 생략하는 경우가 있다.
또한 도면 등에서 나타내는 각 구성의 위치, 크기, 범위 등은 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 실제의 위치, 크기, 범위 등을 나타내지 않는 경우가 있다. 따라서 개시하는 발명은 도면 등에 나타낸 위치, 크기, 범위 등에 반드시 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 실제의 제조 공정에서 에칭 등의 처리에 의하여 레지스트 마스크 등이 의도치 않게 감소되는 경우가 있지만, 이해를 용이하게 하기 위하여 도면에 반영하지 않은 경우가 있다.
또한 상면도('평면도'라고도 함)나 사시도 등에서, 도면을 이해하기 쉽게 하기 위하여 일부의 구성 요소의 기재를 생략하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 '전극'이나 '배선'이라는 용어는 이들 구성 요소를 기능적으로 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 '전극'은 '배선'의 일부로서 사용되는 경우가 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 또한 '전극'이나 '배선'이라는 용어는 복수의 '전극'이나 '배선'이 일체가 되어 형성되어 있는 경우 등도 포함한다.
또한 본 명세서 등에서 '단자'는 예를 들어 배선, 또는 배선에 접속되는 전극을 가리키는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 '배선'의 일부를 '단자'라고 부르는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 '위'나 '아래'라는 용어는 구성 요소의 위치 관계가 바로 위 또는 바로 아래이며 직접 접하는 것에 한정되지 않는다. 예를 들어 '절연층(A) 위의 전극(B)'이라는 표현이면, 절연층(A) 위에 전극(B)이 직접 접하여 형성될 필요는 없고, 절연층(A)과 전극(B) 사이에 다른 구성 요소를 포함하는 것을 제외하지 않는다.
또한 소스 및 드레인의 기능은 상이한 극성을 가지는 트랜지스터를 채용하는 경우나, 회로 동작에서 전류의 방향이 변화되는 경우 등, 동작 조건 등에 따라 서로 바뀌기 때문에 어느 쪽이 소스 또는 드레인인지를 한정하기가 어렵다. 그러므로 본 명세서에서는 소스 및 드레인이라는 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것으로 한다.
또한 본 명세서 등에서 '전기적으로 접속'에는 직접 접속되는 경우와, '어떠한 전기적 작용을 가지는 것'을 통하여 접속되어 있는 경우가 포함된다. 여기서 '어떠한 전기적 작용을 가지는 것'은 접속 대상 간에서의 전기 신호의 주고받음을 가능하게 하는 것이면 특별한 제한을 받지 않는다. 따라서 '전기적으로 접속된다'고 표현되는 경우에도 실제의 회로에서는 물리적인 접속 부분이 없고, 배선이 연장되어 있을 뿐인 경우도 있다.
또한 본 명세서 등에서 '평행'이란, 예를 들어 2개의 직선이 -10° 이상 10° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서 -5° 이상 5° 이하의 경우도 포함된다. 또한 '수직' 및 '직교'란, 예를 들어 2개의 직선이 80° 이상 100° 이하의 각도로 배치되어 있는 상태를 말한다. 따라서 85° 이상 95° 이하의 경우도 포함된다.
또한 본 명세서 등에서, 계수값 및 계량값에 관하여 '동일하다', '같다', '동등하다', 또는 '균일하다' 등으로 표현하는 경우에는, 명시되어 있는 경우를 제외하고 ±20%의 오차를 포함하는 것으로 한다.
또한 본 명세서에서 레지스트 마스크를 형성하고, 그 후에 에칭 처리를 수행하는 경우에는 특별한 설명이 없는 한, 레지스트 마스크는 에칭 처리 종료 후에 제거되는 것으로 한다.
또한 전압이란 어떤 전위와 기준 전위(예를 들어 접지 전위 또는 소스 전위)의 전위차를 말하는 경우가 많다. 따라서 '전압'과 '전위'는 서로 바꿔 말할 수 있는 경우가 많다.
또한 '반도체'라고 표기한 경우에도, 예를 들어 도전성이 충분히 낮은 경우에는 '절연체'로서의 특성을 가진다. 따라서 '반도체'를 '절연체'로 치환하여 사용할 수도 있다. 이 경우, '반도체'와 '절연체'의 경계는 애매하고, 양자를 엄밀하게 구별하는 것은 어렵다. 따라서 본 명세서에 기재된 '반도체'와 '절연체'는 서로 바꿔 읽을 수 있는 경우가 있다.
또한 '반도체'라고 표기한 경우에도, 예를 들어 도전성이 충분히 높은 경우에는 '도전체'로서의 특성을 가진다. 따라서 '반도체'를 '도전체'로 치환하여 사용할 수도 있다. 이 경우, '반도체'와 '도전체'의 경계는 애매하고, 양자를 엄밀하게 구별하는 것은 어렵다. 따라서 본 명세서에 기재된 '반도체'와 '도전체'는 서로 바꿔 읽을 수 있는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 트랜지스터의 '온 상태'란, 트랜지스터의 소스와 드레인이 전기적으로 단락되어 있다고 간주할 수 있는 상태('도통 상태'라고도 함)를 말한다. 또한 트랜지스터의 '오프 상태'란, 트랜지스터의 소스와 드레인이 전기적으로 차단되어 있다고 간주할 수 있는 상태('비도통 상태'라고도 함)를 말한다.
또한 본 명세서 등에서 '온 전류'란, 트랜지스터가 온 상태일 때 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류를 말하는 경우가 있다. 또한 '오프 전류'란, 트랜지스터가 오프 상태일 때 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류를 말하는 경우가 있다.
또한 본 명세서 등에서 고전원 전위(VDD)(이하, 단순히 'VDD' 또는 'H 전위'라고도 함)란, 저전원 전위(VSS)보다 높은 전위의 전원 전위를 가리킨다. 또한 저전원 전위(VSS)(이하, 단순히 'VSS' 또는 'L 전위'라고도 함)란, 고전원 전위(VDD)보다 낮은 전위의 전원 전위를 가리킨다. 또한 접지 전위를 VDD 또는 VSS로서 사용할 수도 있다. 예를 들어 VDD가 접지 전위인 경우에는 VSS는 접지 전위보다 낮은 전위이고, VSS가 접지 전위인 경우에는 VDD는 접지 전위보다 높은 전위이다.
또한 본 명세서 등에서 게이트란, 게이트 전극 및 게이트 배선의 일부 또는 전부를 말한다. 게이트 배선이란, 적어도 하나의 트랜지스터의 게이트 전극과, 다른 전극이나 다른 배선을 전기적으로 접속시키기 위한 배선을 말한다.
또한 본 명세서 등에서 소스란, 소스 영역, 소스 전극, 및 소스 배선의 일부 또는 전부를 말한다. 소스 영역이란, 반도체층 중 저항률이 일정한 값 이하의 영역을 말한다. 소스 전극이란, 소스 영역에 접속되는 부분의 도전층을 말한다. 소스 배선이란, 적어도 하나의 트랜지스터의 소스 전극과, 다른 전극이나 다른 배선을 전기적으로 접속시키기 위한 배선을 말한다.
또한 본 명세서 등에서 드레인이란, 드레인 영역, 드레인 전극, 및 드레인 배선의 일부 또는 전부를 말한다. 드레인 영역이란, 반도체층 중 저항률이 일정한 값 이하의 영역을 말한다. 드레인 전극이란, 드레인 영역에 접속되는 부분의 도전층을 말한다. 드레인 배선이란, 적어도 하나의 트랜지스터의 드레인 전극과, 다른 전극이나 다른 배선을 전기적으로 접속시키기 위한 배선을 말한다.
(실시형태 1)
도 1을 사용하여 본 발명의 일 형태의 이차 전지에 대하여 설명한다.
[이차 전지의 구성]
도 1의 (A) 및 (B)에 본 발명의 일 형태의 이차 전지(200)의 구체적인 일례를 나타내었다. 여기서는 기판(110) 위에 형성된 이차 전지(200)에 대하여 설명한다.
도 1의 (A)는 상면도이고, 도 1의 (B)는 도 1의 (A) 중의 선 A-A'를 따라 절단한 단면도이다. 이차 전지(200)는 박막 전지이고, 도 1의 (B)에 나타낸 바와 같이 기판(110) 위에 양극(100) 및 고체 전해질층(203)의 적층이 형성되고, 고체 전해질층(203) 위에 음극(210)이 형성된다. 양극(100)은 양극 집전체(103)와, 양극 집전체(103) 위의 양극 활물질층(101)을 가진다. 음극(210)은 음극 활물질층(204)과, 음극 활물질층(204) 위의 음극 집전체(205)를 가진다. 고체 전해질층(203)은 양극 활물질층(101)과 음극 활물질층(204) 사이에 제공된다.
또한 이차 전지(200)에서는 양극(100), 고체 전해질층(203), 및 음극(210) 위에 보호층(206)이 형성되는 것이 바람직하다.
이들 층을 형성하는 막은 각각 메탈 마스크를 사용하여 형성될 수 있다. 스퍼터링법을 사용하여 양극 집전체(103), 양극 활물질층(101), 고체 전해질층(203), 음극 활물질층(204), 음극 집전체(205)를 선택적으로 형성할 수 있다. 또한 공증착법에 의하여, 메탈 마스크를 사용하여 고체 전해질층(203)을 선택적으로 형성하여도 좋다.
도 1의 (A)에 나타낸 바와 같이, 음극 집전체(205)의 일부를 노출시켜 음극 단자부를 형성한다. 또한 양극 집전체(103)의 일부를 노출시켜 양극 단자부를 형성한다. 음극 단자부 및 양극 단자부 외의 영역은 보호층(206)으로 덮인다.
양극 집전체(103)로서는 도전성을 가지는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 산화를 억제하기 쉬운 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 타이타늄 화합물인 산화 타이타늄, 질화 타이타늄, 일부가 질소로 치환된 산화 타이타늄, 일부가 산소로 치환된 질화 타이타늄, 또는 산화 질화 타이타늄(TiOxNy, 0<x<2, 0<y<1) 등을 적용할 수 있다. 그 중에서도 질화 타이타늄은 도전성이 높으며 산화를 억제하는 기능이 높기 때문에 특히 바람직하다. 질화 타이타늄을 사용함으로써 양극 활물질층(101)이 가지는 결정 구조를 안정화시킬 수 있는 경우가 있다.
또한 양극 집전체(103)로서 적층 구조를 사용하여도 좋다. 예를 들어 금, 백금, 알루미늄, 타이타늄, 구리, 마그네슘, 철, 코발트, 니켈, 아연, 저마늄, 인듐, 은, 팔라듐 등의 금속 및 이들의 합금 등의 재료를 가지는 제 1 층을 제공하고, 제 1 층 위에 적층시켜 타이타늄 화합물을 가지는 제 2 층을 제공하여도 좋다.
고체 전해질층(203)의 재료로서는 Li0.35La0.55TiO3, La(2/3-X)Li3XTiO3, Li3PO4, LiXPO(4-Y)NY, LiNb(1-X)Ta(X)WO6, Li7La3Zr2O12, Li(1+X)Al(X)Ti(2-X)(PO4)3, Li(1+X)Al(X)Ge(2-X)(PO4)3, LiNbO2 등을 들 수 있다. 또한 X>0, Y>0이다. 성막 방법으로서는 스퍼터링법, 증착법 등을 사용할 수 있다.
고체 전해질층(203)을 적층 구조로 하여도 좋고, 적층으로 하는 경우, 인산 리튬(Li3PO4)에 질소를 첨가한 재료(Li3PO(4-Z)NZ: LiPON이라고도 불림)를 하나의 층으로서 적층하여도 좋다. 또한 Z>0이다.
또한 고체 전해질층(203)은 예를 들어 스퍼터링법으로 형성할 수 있다.
양극 활물질층(101)은 리튬과, 전이 금속 M과, 산소를 가진다. 양극 활물질층(101)은 리튬과 전이 금속 M을 포함하는 복합 산화물을 가진다고 하여도 좋다.
양극 활물질층(101)이 가지는 전이 금속 M으로서는, 리튬과 함께 공간군 R-3m에 속하는 층상 암염형 복합 산화물을 형성할 수 있는 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 전이 금속 M으로서 예를 들어 망가니즈, 코발트, 니켈 중 하나 또는 복수를 사용할 수 있다. 즉 양극 활물질층(101)이 가지는 전이 금속으로서 코발트만을 사용하여도 좋고, 니켈만을 사용하여도 좋고, 코발트와 망가니즈의 2종류, 또는 코발트와 니켈의 2종류를 사용하여도 좋고, 코발트, 망가니즈, 니켈의 3종류를 사용하여도 좋다. 즉 양극 활물질층(101)은 코발트산 리튬, 니켈산 리튬, 코발트의 일부가 망가니즈로 치환된 코발트산 리튬, 코발트의 일부가 니켈로 치환된 코발트산 리튬, 니켈-망가니즈-코발트산 리튬 등, 리튬과 전이 금속 M을 포함하는 복합 산화물을 가질 수 있다.
또한 양극 활물질층(101)은 상기에 더하여, 마그네슘, 플루오린, 알루미늄을 비롯한 전이 금속 M 외의 원소를 가져도 좋다. 이들 원소가, 양극 활물질층(101)이 가지는 결정 구조를 더 안정화시키는 경우가 있다. 즉 양극 활물질층(101)은, 마그네슘 및 플루오린이 첨가된 코발트산 리튬, 마그네슘 및 플루오린이 첨가된 니켈-코발트산 리튬, 마그네슘 및 플루오린이 첨가된 코발트-알루미늄산 리튬, 니켈-코발트-알루미늄산 리튬, 마그네슘 및 플루오린이 첨가된 니켈-코발트-알루미늄산 리튬 등을 가질 수 있다.
양극 활물질층(101)이 리튬, 코발트, 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 산소, 및 플루오린을 가지는 경우, 양극 활물질층(101)이 가지는 코발트의 원자수비를 100으로 하였을 때 니켈의 원자수비는 예를 들어 0.05 이상 2 이하가 바람직하고, 0.1 이상 1.5 이하가 더 바람직하고, 0.1 이상 0.9 이하가 더욱 바람직하다. 양극 활물질층(101)이 가지는 코발트의 원자수비를 100으로 하였을 때 알루미늄의 원자수비는 예를 들어 0.05 이상 2 이하가 바람직하고, 0.1 이상 1.5 이하가 더 바람직하고, 0.1 이상 0.9 이하가 더욱 바람직하다. 양극 활물질층(101)이 가지는 코발트의 원자수비를 100으로 하였을 때 마그네슘의 원자수비는 예를 들어 0.1 이상 6 이하가 바람직하고, 0.3 이상 3 이하가 더 바람직하다. 또한 양극 활물질층(101)이 가지는 마그네슘의 원자수비를 1로 하였을 때 플루오린의 원자수비는 예를 들어 2 이상 3.9 이하가 바람직하다.
상기와 같은 농도로 니켈, 알루미늄, 및 마그네슘을 가지면, 고전압으로 충방전을 반복한 경우에도 안정된 결정 구조를 유지할 수 있다. 그러므로 고용량이며 충방전 사이클 특성이 우수한 양극 활물질층(101)으로 할 수 있다.
코발트, 니켈, 알루미늄, 및 마그네슘의 몰 농도는 예를 들어 유도 결합 플라스마 질량 분석법(ICP-MS)에 의하여 평가할 수 있다. 플루오린의 몰 농도는 예를 들어 글로 방전 질량 분석법(GD-MS)에 의하여 평가할 수 있다.
양극 활물질로서는 예를 들어 스피넬형 결정 구조를 가지는 복합 산화물 등을 사용할 수 있다. 또한 양극 활물질로서는 예를 들어 폴리 음이온계 재료를 사용할 수 있다. 폴리 음이온계 재료로서는 예를 들어 올리빈(olivine)형 결정 구조를 가지는 재료, 나시콘형 재료 등이 있다. 또한 양극 활물질로서는 예를 들어 황을 가지는 재료를 사용할 수 있다.
스피넬형 결정 구조를 가지는 재료로서는 예를 들어 일반식 LiM2O4로 나타내어지는 복합 산화물을 사용할 수 있다. 상기 일반식 LiM2O4에서 원소 M으로서는 Mn을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 LiMn2O4를 사용할 수 있다. 또한 상기 일반식 LiM2O4에서 원소 M으로서 Mn에 더하여 Ni를 가짐으로써, 이차 전지의 방전 전압과 에너지 밀도가 향상되는 경우가 있어 바람직하다. 또한 LiMn2O4 등 망가니즈를 포함하는 스피넬형 결정 구조를 가지는 리튬 함유 재료에, 소량의 니켈산 리튬(LiNiO2나 LiNi1-xMxO2(M=Co, Al 등))을 혼합시킴으로써, 이차 전지의 특성을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
폴리 음이온계 재료로서는 예를 들어 산소와, 금속 A와, 금속 M과, 원소 Z를 가지는 복합 산화물을 사용할 수 있다. 상기 폴리 음이온계 재료가 가지는 금속 A는 Li, Na, Mg 중 하나 이상이고, 상기 폴리 음이온계 재료가 가지는 금속 M은 Fe, Mn, Co, Ni, Ti, V, Nb 중 하나 이상이고, 원소 Z는 S, P, Mo, W, As, Si 중 하나 이상이다.
올리빈형 결정 구조를 가지는 재료로서는 예를 들어 복합 재료(일반식LiMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상))를 사용할 수 있다. 일반식 LiMPO4의 대표적인 예로서는 LiFePO4, LiNiPO4, LiCoPO4, LiMnPO4, LiFeaNibPO4, LiFeaCobPO4, LiFeaMnbPO4, LiNiaCobPO4, LiNiaMnbPO4(a+b는 1 이하, 0<a<1, 0<b<1), LiFecNidCoePO4, LiFecNidMnePO4, LiNicCodMnePO4(c+d+e는 1 이하, 0<c<1, 0<d<1, 0<e<1), LiFefNigCohMniPO4(f+g+h+i는 1 이하, 0<f<1, 0<g<1, 0<h<1, 0<i<1) 등의 리튬 화합물을 사용할 수 있다.
또한 일반식 Li(2-j)MSiO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II) 중 하나 이상, 0≤j≤2) 등의 복합 재료를 사용할 수 있다. 일반식 Li(2-j)MSiO4의 대표적인 예로서는 Li(2-j)FeSiO4, Li(2-j)NiSiO4, Li(2-j)CoSiO4, Li(2-j)MnSiO4, Li(2-j)FekNilSiO4, Li(2-j)FekColSiO4, Li(2-j)FekMnlSiO4, Li(2-j)NikColSiO4, Li(2-j)NikMnlSiO4(k+l은 1 이하, 0<k<1, 0<l<1), Li(2-j)FemNinCoqSiO4, Li(2-j)FemNinMnqSiO4, Li(2-j)NimConMnqSiO4(m+n+q는 1 이하, 0<m<1, 0<n<1, 0<q<1), Li(2-j)FerNisCotMnuSiO4(r+s+t+u는 1 이하, 0<r<1, 0<s<1, 0<t<1, 0<u<1) 등의 리튬 화합물을 재료로서 사용할 수 있다.
또한 AxM2(XO4)3(A=Li, Na, Mg, M=Fe, Mn, Ti, V, Nb, X=S, P, Mo, W, As, Si)의 일반식으로 나타내어지는 나시콘형 화합물을 사용할 수 있다. 나시콘형 화합물로서는 Fe2(MnO4)3, Fe2(SO4)3, Li3Fe2(PO4)3 등이 있다. 또한 양극 활물질로서 Li2MPO4F, Li2MP2O7, Li5MO4(M=Fe, Mn)의 일반식으로 나타내어지는 화합물을 사용할 수 있다.
또한 양극 활물질로서 NaFeF3, FeF3 등의 페로브스카이트형 플루오린화물, TiS2, MoS2 등의 금속 칼코게나이드(황화물, 셀레늄화물, 텔루륨화물), LiMVO4 등의 역스피넬형 결정 구조를 가지는 산화물, 바나듐 산화물계(V2O5, V6O13, LiV3O8 등), 망가니즈 산화물, 유기 황 화합물 등의 재료를 사용하여도 좋다.
또한 양극 활물질로서 일반식 LiMBO3(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II))으로 나타내어지는 붕산염계 재료를 사용하여도 좋다.
소듐을 가지는 재료로서 예를 들어 NaFeO2나, Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2, Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2, Na2Fe2(SO4)3, Na3V2(PO4)3, Na2FePO4F, NaVPO4F, NaMPO4(M은 Fe(II), Mn(II), Co(II), Ni(II)), Na2FePO4F, Na4Co3(PO4)2P2O7 등의 소듐 함유 산화물을 양극 활물질로서 사용하여도 좋다.
또한 양극 활물질로서 리튬 함유 금속 황화물을 사용하여도 좋다. 예를 들어 Li2TiS3, Li3NbS4 등이 있다.
본 발명의 일 형태의 양극 활물질로서는, 상술한 재료 중 2개 이상을 혼합하여 사용하여도 좋다.
음극 활물질층(204)으로서는 실리콘, 탄소, 산화 타이타늄, 산화 바나듐, 산화 인듐, 산화 아연, 산화 주석, 산화 니켈 등을 사용할 수 있다. 또한 주석, 갈륨, 알루미늄 등, Li와 합금화하는 재료를 사용할 수 있다. 또한 Li와 합금화하는 상기 금속의 산화물을 사용하여도 좋다. 또한 리튬 타이타늄 산화물(Li4Ti5O12, LiTi2O4 등)을 사용하여도 좋다. 그 중에서도 음극 활물질층(204)으로서 실리콘 및 산소를 포함하는 재료(SiOx막이라고도 함)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 음극 활물질층(204)으로서 Li 금속을 사용하여도 좋다.
또한 이차 전지(200)에서 양극, 고체 전해질층, 및 음극을 한 세트로 하고, 복수의 세트를 적층시켜 직렬로 접속함으로써 이차 전지의 전압을 높여도 좋다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 축전 장치의 구성예에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치는 이차 전지와 전지 제어 회로를 가진다. 상기 전지 제어 회로는 예를 들어 이차 전지를 보호하는 기능을 가진다. 또한 상기 전지 제어 회로는 예를 들어 이차 전지의 충전을 제어하는 기능을 가진다. 또한 상기 전지 제어 회로는 예를 들어 이차 전지의 전압을 감시하는 기능을 가진다.
본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터(이하, OS 트랜지스터)를 가지는 것이 바람직하다. OS 트랜지스터를 가지는 전지 제어 회로의 자세한 사항에 대해서는 후술한다. 또한 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로는 OS 트랜지스터에 더하여, 채널 형성 영역에 실리콘, 저마늄, 실리콘 저마늄, 실리콘 카바이드 등을 가지는 트랜지스터를 가져도 좋다.
도 2에는 본 발명의 일 형태의 축전 장치에 적용할 수 있는 구성예를 나타내었다. 도 2에 나타낸 구성예는, 이차 전지(200)와, 전지 제어 회로가 가지는 OS 트랜지스터인 트랜지스터(500)를 기판(599) 위에 적층하여 제공한 예이다. 또한 도 2에는 기판(599) 위에 하나의 이차 전지가 제공된 예를 나타내었지만, 기판(599) 위에 2개 이상의 이차 전지를 제공하여도 좋다. 이와 같은 경우에는, 예를 들어 각각이 가지는 양극 및 음극 중 어느 것을 공통적으로 사용하여도 좋다. 또한 각각이 가지는 양극, 음극, 전해질 등에는 공통의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
기판(599)으로서는 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 세라믹 기판, 금속 기판(예를 들어 스테인리스·스틸 기판, 스테인리스·스틸·포일을 가지는 기판, 텅스텐 기판, 텅스텐·포일을 가지는 기판 등), 반도체 기판(예를 들어 단결정 반도체 기판, 다결정 반도체 기판, 또는 화합물 반도체 기판 등), SOI(Silicon on Insulator) 기판, 플라스틱 기판 등을 사용할 수 있다. 또한 기판으로서 가요성 기판, 접합 필름, 섬유상 재료를 포함한 종이, 또는 기재 필름 등을 사용할 수 있다. 가요성 기판, 접합 필름, 기재 필름 등의 일례로서 아래와 같은 것을 들 수 있다. 예를 들어 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에터설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대표되는 플라스틱이 있다. 또는 일례로서는, 아크릴 등의 합성 수지 등이 있다. 또는 일례로서 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리플루오린화 바이닐, 또는 폴리염화 바이닐 등이 있다. 또는 일례로서는 폴리아마이드, 폴리이미드, 아라미드 수지, 에폭시 수지, 무기 증착 필름, 또는 종이류 등이 있다.
도 2에서 기판(599) 위에 절연체(514)가 제공된다. 절연체(514)로서, 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 가지는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 절연체(514)로서 예를 들어 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 질화 알루미늄, 질화 산화 알루미늄, 질화 알루미늄 등을 사용하면 좋다.
또한 본 명세서에서 산화 질화 실리콘이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화 산화 실리콘이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다. 또한 본 명세서에서 산화 질화 알루미늄이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화 산화 알루미늄이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다.
<트랜지스터(500)>
트랜지스터(500)에는 채널 형성 영역을 포함하는 산화물(530)에 산화물 반도체로서 기능하는 금속 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 산화물(530)로서 In-M-Zn 산화물(원소 M은 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 구리, 바나듐, 베릴륨, 붕소, 타이타늄, 철, 니켈, 저마늄, 지르코늄, 몰리브데넘, 란타넘, 세륨, 네오디뮴, 하프늄, 탄탈럼, 텅스텐, 및 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 복수 종류) 등의 금속 산화물을 사용하면 좋다.
구체적으로는, 산화물(530a)로서 In:Ga:Zn=1:3:4[원자수비] 또는 1:1:0.5[원자수비]의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 산화물(530b)로서 In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비] 또는 1:1:1[원자수비]의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 산화물(530c)로서 In:Ga:Zn=1:3:4[원자수비], Ga:Zn=2:1[원자수비], 또는 Ga:Zn=2:5[원자수비]의 금속 산화물을 사용하면 좋다. 또한 산화물(530c)을 적층 구조로 하는 경우의 구체적인 예로서는, In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]과 In:Ga:Zn=1:3:4[원자수비]의 적층 구조, Ga:Zn=2:1[원자수비]과 In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]의 적층 구조, Ga:Zn=2:5[원자수비]와 In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]의 적층 구조, 산화 갈륨과 In:Ga:Zn=4:2:3[원자수비]의 적층 구조 등을 들 수 있다.
또한 산화물(530b)은 결정성을 가져도 좋다. 예를 들어 후술하는 CAAC-OS(c-axis aligned crystalline oxide semiconductor)를 사용하는 것이 바람직하다. CAAC-OS 등 결정성을 가지는 산화물은 불순물이나 결함(산소 결손 등)이 적고 결정성이 높으며 치밀한 구조를 가진다. 따라서 소스 전극 또는 드레인 전극이 산화물(530b)로부터 산소를 추출하는 것을 억제할 수 있다. 또한 가열 처리를 수행하여도, 산화물(530b)로부터 산소가 추출되는 것을 저감할 수 있기 때문에, 트랜지스터(500)는 제조 공정에서의 높은 온도(소위 thermal budget)에 대하여 안정적이다.
산화물(530)에서 채널 형성 영역으로서 기능하는 금속 산화물로서는, 밴드 갭이 2eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 밴드 갭이 큰 금속 산화물을 사용함으로써, 트랜지스터의 오프 전류를 저감할 수 있다.
산화물(530)은 산화물(530b) 아래에 산화물(530a)을 가짐으로써, 산화물(530a)보다 아래쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다. 또한 산화물(530b) 위에 산화물(530c)을 가짐으로써, 산화물(530c)보다 위쪽에 형성된 구조물로부터 산화물(530b)로의 불순물의 확산을 억제할 수 있다.
또한 산화물(530)은 각 금속 원자의 원자수비가 상이한 복수의 산화물층의 적층 구조를 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로는 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 구성 원소 중의 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서 In에 대한 원소 M의 원자수비가 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서의 In에 대한 원소 M의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530b)에 사용하는 금속 산화물에서 원소 M에 대한 In의 원자수비가 산화물(530a)에 사용하는 금속 산화물에서의 원소 M에 대한 In의 원자수비보다 큰 것이 바람직하다. 또한 산화물(530c)에는 산화물(530a) 또는 산화물(530b)에 사용할 수 있는 금속 산화물을 사용할 수 있다.
또한 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전도대 하단의 에너지가 산화물(530b)의 전도대 하단의 에너지보다 높은 것이 바람직하다. 또한 바꿔 말하면 산화물(530a) 및 산화물(530c)의 전자 친화력이 산화물(530b)의 전자 친화력보다 작은 것이 바람직하다.
여기서 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서 전도대 하단의 에너지 준위는 완만하게 변화한다. 바꿔 말하면 산화물(530a), 산화물(530b), 및 산화물(530c)의 접합부에서의 전도대 하단의 에너지 준위는 연속적으로 변화 또는 연속 접합한다고 할 수도 있다. 이와 같이 하기 위해서는, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서 형성되는 혼합층의 결함 준위 밀도를 낮추는 것이 좋다.
구체적으로는 산화물(530a)과 산화물(530b), 산화물(530b)과 산화물(530c)이 산소 외에 공통의 원소를 가짐으로써(주성분으로 함으로써), 결함 준위 밀도가 낮은 혼합층을 형성할 수 있다. 예를 들어 산화물(530b)이 In-Ga-Zn 산화물인 경우, 산화물(530a) 및 산화물(530c)로서 In-Ga-Zn 산화물, Ga-Zn 산화물, 산화 갈륨 등을 사용하는 것이 좋다.
이때 캐리어의 주된 경로는 산화물(530b)이다. 산화물(530a), 산화물(530c)을 상술한 구성으로 함으로써, 산화물(530a)과 산화물(530b)의 계면, 및 산화물(530b)과 산화물(530c)의 계면에서의 결함 준위 밀도를 낮출 수 있다. 그러므로 계면 산란으로 인한 캐리어 전도에 대한 영향이 작아져, 트랜지스터(500)는 높은 온 전류를 얻을 수 있다.
산화물(530b) 위에는 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능하는 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 제공된다. 도전체(542a) 및 도전체(542b)로서는 알루미늄, 크로뮴, 구리, 은, 금, 백금, 탄탈럼, 니켈, 타이타늄, 몰리브데넘, 텅스텐, 하프늄, 바나듐, 나이오븀, 망가니즈, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨, 인듐, 루테늄, 이리듐, 스트론튬, 란타넘에서 선택된 금속 원소, 또는 상술한 금속 원소를 성분으로 하는 합금이나 상술한 금속 원소를 조합한 합금 등을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 텅스텐, 타이타늄과 알루미늄을 포함하는 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함하는 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함하는 산화물, 란타넘과 니켈을 포함하는 산화물 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼, 질화 타이타늄, 타이타늄과 알루미늄을 포함하는 질화물, 탄탈럼과 알루미늄을 포함하는 질화물, 산화 루테늄, 질화 루테늄, 스트론튬과 루테늄을 포함하는 산화물, 란타넘과 니켈을 포함하는 산화물은 산화되기 어려운 도전성 재료 또는 산소를 흡수하여도 도전성을 유지하는 재료이기 때문에 바람직하다. 또한 질화 탄탈럼 등의 금속 질화물막은 수소 또는 산소에 대한 배리어성을 가지기 때문에 바람직하다.
또한 도 2에서는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 단층 구조로서 나타내었지만, 2층 이상의 적층 구조로 하여도 좋다. 예를 들어 질화 탄탈럼막과 텅스텐막을 적층하는 것이 좋다. 또한 타이타늄막과 알루미늄막을 적층하여도 좋다. 또한 텅스텐막 위에 알루미늄막을 적층하는 2층 구조, 구리-마그네슘-알루미늄 합금막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조, 타이타늄막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조, 텅스텐막 위에 구리막을 적층하는 2층 구조로 하여도 좋다.
또한 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막과, 그 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 타이타늄막 또는 질화 타이타늄막을 더 형성하는 3층 구조, 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막과, 그 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막 위에 중첩시켜 알루미늄막 또는 구리막을 적층하고, 그 위에 몰리브데넘막 또는 질화 몰리브데넘막을 더 형성하는 3층 구조 등이 있다. 또한 산화 인듐, 산화 주석, 또는 산화 아연을 포함하는 투명 도전성 재료를 사용하여도 좋다.
또한 도 2에 나타낸 바와 같이, 산화물(530)과 도전체(542a)(도전체(542b))의 계면과 그 근방에는 저저항 영역으로서 영역(543a) 및 영역(543b)이 형성되는 경우가 있다. 이때 영역(543a)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 한쪽으로서 기능하고, 영역(543b)은 소스 영역 및 드레인 영역 중 다른 쪽으로서 기능한다. 또한 영역(543a)과 영역(543b)에 끼워지는 영역에 채널 형성 영역이 형성된다.
상기 도전체(542a)(도전체(542b))를 산화물(530)과 접하도록 제공함으로써, 영역(543a)(영역(543b))의 산소 농도가 저감되는 경우가 있다. 또한 영역(543a)(영역(543b))에, 도전체(542a)(도전체(542b))에 포함되는 금속과, 산화물(530)의 성분을 포함하는 금속 화합물층이 형성되는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 영역(543a)(영역(543b))의 캐리어 밀도가 증가하여 영역(543a)(영역(543b))은 저저항 영역이 된다.
절연체(544)는 도전체(542a) 및 도전체(542b)를 덮도록 제공되어, 도전체(542a) 및 도전체(542b)의 산화를 억제한다. 이때 절연체(544)는 산화물(530)의 측면을 덮어 절연체(524)와 접하도록 제공되어도 좋다.
절연체(544)로서 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 네오디뮴, 란타넘, 및 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다. 또한 절연체(544)로서 질화 산화 실리콘 또는 질화 실리콘 등도 사용할 수 있다.
특히 절연체(544)로서 알루미늄 및 하프늄 중 한쪽 또는 양쪽의 산화물을 포함하는 절연체인 산화 알루미늄, 산화 하프늄, 알루미늄 및 하프늄을 포함하는 산화물(하프늄 알루미네이트) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 하프늄 알루미네이트는 산화 하프늄막보다 내열성이 높다. 그러므로 나중의 공정에서의 열처리에서 결정화하기 어렵기 때문에 바람직하다. 또한 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 내산화성을 가지는 재료인 경우, 또는 산소를 흡수하여도 도전성이 현저히 저하하지 않는 경우에는 절연체(544)는 필수 구성이 아니다. 요구되는 트랜지스터 특성에 따라 적절히 설계하면 좋다.
절연체(544)를 가짐으로써, 절연체(580)에 포함되는 물 및 수소 등의 불순물이 산화물(530c), 절연체(550)를 통하여 산화물(530b)로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 또한 절연체(580)가 가지는 과잉 산소에 의하여 도전체(560)가 산화되는 것을 억제할 수 있다.
절연체(550)는 제 1 게이트 절연막으로서 기능한다. 절연체(550)는 산화물(530c)의 내측(상면 및 측면)에 접하여 배치되는 것이 바람직하다. 절연체(550)는 상술한 절연체(524)와 마찬가지로, 산소를 과잉으로 포함하며 가열에 의하여 산소를 방출하는 절연체를 사용하여 형성되는 것이 바람직하다.
구체적으로는 과잉 산소를 포함하는 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 포함하는 산화 실리콘을 사용할 수 있다. 특히 산화 실리콘 및 산화 질화 실리콘은 열에 대하여 안정적이기 때문에 바람직하다.
가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체를 절연체(550)로서 산화물(530c)의 상면에 접하여 제공함으로써, 절연체(550)로부터 산화물(530c)을 통하여 산화물(530b)의 채널 형성 영역에 효과적으로 산소를 공급할 수 있다. 또한 절연체(524)와 마찬가지로 절연체(550) 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다. 절연체(550)의 막 두께는 1nm 이상 20nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한 절연체(550)가 가지는 과잉 산소를 효율적으로 산화물(530)에 공급하기 위하여 절연체(550)와 도전체(560) 사이에 금속 산화물을 제공하여도 좋다. 상기 금속 산화물은 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 산소 확산을 억제하는 것이 바람직하다. 산소의 확산을 억제하는 금속 산화물을 제공함으로써, 절연체(550)로부터 도전체(560)로의 과잉 산소의 확산이 억제된다. 즉 산화물(530)에 공급하는 과잉 산소량의 감소를 억제할 수 있다. 또한 과잉 산소로 인한 도전체(560)의 산화를 억제할 수 있다. 상기 금속 산화물로서는 절연체(544)에 사용할 수 있는 재료를 사용하면 좋다.
또한 절연체(550)는 제 2 게이트 절연막과 마찬가지로 적층 구조로 하여도 좋다. 트랜지스터의 미세화 및 고집적화가 진행되면 게이트 절연막의 박막화로 인하여 누설 전류 등의 문제가 생기는 경우가 있으므로, 게이트 절연막으로서 기능하는 절연체를 high-k 재료와 열적으로 안정적인 재료의 적층 구조로 함으로써, 물리적 막 두께를 유지하면서 트랜지스터 동작 시의 게이트 전위의 저감이 가능해진다. 또한 열적으로 안정적이며 비유전율이 높은 적층 구조로 할 수 있다.
제 1 게이트 전극으로서 기능하는 도전체(560)는 도 2에서는 2층 구조로서 나타내었지만, 단층 구조이어도 좋고 3층 이상의 적층 구조이어도 좋다.
도전체(560a)에는 수소 원자, 수소 분자, 물 분자, 질소 원자, 질소 분자, 산화 질소 분자(N2O, NO, NO2 등), 구리 원자 등의 불순물의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또는 산소(예를 들어 산소 원자, 산소 분자 등 중 적어도 하나)의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전체(560a)가 산소의 확산을 억제하는 기능을 가짐으로써, 절연체(550)에 포함되는 산소로 인하여 도전체(560b)가 산화되어 도전율이 저하하는 것을 억제할 수 있다. 산소의 확산을 억제하는 기능을 가지는 도전성 재료로서는 예를 들어 탄탈럼, 질화 탄탈럼, 루테늄, 또는 산화 루테늄 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560a)로서 산화물(530)에 적용할 수 있는 산화물 반도체를 사용할 수 있다. 그 경우, 도전체(560b)를 스퍼터링법으로 성막함으로써, 도전체(560a)의 전기 저항값을 저하시켜 도전체로 할 수 있다. 이를 OC(Oxide Conductor) 전극이라고 부를 수 있다.
또한 도전체(560b)는 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(560b)는 배선으로서도 기능하기 때문에 도전성이 높은 도전체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 텅스텐, 구리, 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 도전성 재료를 사용할 수 있다. 또한 도전체(560b)는 적층 구조로 하여도 좋고, 예를 들어 타이타늄 또는 질화 타이타늄과 상기 도전성 재료의 적층 구조로 하여도 좋다.
절연체(580)는 절연체(544)를 개재(介在)하여 도전체(542a) 및 도전체(542b) 위에 제공된다. 절연체(580)는 과잉 산소 영역을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(580)로서 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 플루오린을 첨가한 산화 실리콘, 탄소를 첨가한 산화 실리콘, 탄소 및 질소를 첨가한 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘, 또는 수지 등을 가지는 것이 바람직하다. 특히 산화 실리콘 및 산화 질화 실리콘은 열적으로 안정적이므로 바람직하다. 특히 산화 실리콘, 공공을 가지는 산화 실리콘은 나중의 공정에서 과잉 산소 영역을 용이하게 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.
절연체(580)는 과잉 산소 영역을 가지는 것이 바람직하다. 가열에 의하여 산소가 방출되는 절연체(580)를 산화물(530c)과 접하여 제공함으로써, 절연체(580) 내의 산소를 산화물(530c)을 통하여 산화물(530)에 효율적으로 공급할 수 있다. 또한 절연체(580) 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
절연체(580)의 개구는 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이의 영역과 중첩하여 형성된다. 이에 의하여, 도전체(560)는 절연체(580)의 개구, 및 도전체(542a)와 도전체(542b)에 끼워진 영역에 매립되도록 형성된다.
반도체 장치를 미세화하기 위하여 게이트 길이를 짧게 하는 것이 요구되지만, 도전체(560)의 도전성이 낮아지지 않도록 할 필요가 있다. 이를 위하여 도전체(560)의 막 두께를 두껍게 하면, 도전체(560)는 종횡비가 높은 형상이 될 수 있다. 본 실시형태에서는 도전체(560)를 절연체(580)의 개구에 매립되도록 제공하기 때문에, 도전체(560)를 종횡비가 높은 형상으로 하여도 공정 중에 도전체(560)가 무너지는 일 없이 형성할 수 있다.
절연체(574)는 절연체(580)의 상면, 도전체(560)의 상면, 및 절연체(550)의 상면에 접하여 제공되는 것이 바람직하다. 절연체(574)를 스퍼터링법으로 성막함으로써, 절연체(550) 및 절연체(580)에 과잉 산소 영역을 제공할 수 있다. 이에 의하여 이 과잉 산소 영역으로부터 산화물(530) 내에 산소를 공급할 수 있다.
예를 들어 절연체(574)로서 하프늄, 알루미늄, 갈륨, 이트륨, 지르코늄, 텅스텐, 타이타늄, 탄탈럼, 니켈, 저마늄, 및 마그네슘 등에서 선택된 1종류 또는 2종류 이상이 포함된 금속 산화물을 사용할 수 있다.
특히 산화 알루미늄은 배리어성이 높아 0.5nm 이상 3.0nm 이하의 박막이어도 수소 및 질소의 확산을 억제할 수 있다. 따라서 스퍼터링법으로 성막한 산화 알루미늄은 산소 공급원이면서 수소 등의 불순물의 배리어막으로서의 기능도 가질 수 있다.
또한 절연체(574) 위에 층간막으로서 기능하는 절연체(581)를 제공하는 것이 바람직하다. 절연체(581)는 절연체(524) 등과 마찬가지로 막 내의 물 또는 수소 등의 불순물의 농도가 저감되어 있는 것이 바람직하다.
또한 절연체(581), 절연체(574), 절연체(580), 및 절연체(544)에 형성된 개구에 도전체(540a) 및 도전체(540b)를 배치한다. 도전체(540a) 및 도전체(540b)는 도전체(560)를 끼워 대향하여 제공된다.
절연체(581) 위에 도전체(610) 및 이차 전지(200)가 제공된다. 도전체(610)는 도전체(540a)에 접속되는 배선으로서 기능한다.
도전체(610)에는 양극 집전체(103)와 같은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전체(610)와 양극 집전체(103)에 같은 재료를 사용함으로써 같은 공정으로 형성할 수 있어 제조가 용이하다.
도 3은 절연체(581) 위에 용량 소자(600) 및 센서 소자(660)를 가지는 점 등에서 도 2와 상이하다.
도 3에 나타낸 구성예에서는 기판(599) 위에 절연체(514)를 가지고, 절연체(514) 위에 트랜지스터(500)를 가지고, 트랜지스터(500) 위에 절연체(574) 및 절연체(581)를 가지고, 절연체(580), 절연체(574), 및 절연체(581)에 매립되도록 도전체(540a) 및 도전체(540b)가 형성되고, 도전체(540a)는 도전체(542a)에 접속되는 플러그로서 기능하고, 도전체(540b)는 도전체(542b)에 접속되는 플러그로서 기능한다.
도 3에서 절연체(581) 위에 도전체(610b)가 제공되고, 도전체(610b) 및 절연체(581) 위에 절연체(611)가 제공되고, 절연체(611) 위에 도전체(610b)와 중첩되어 도전체(610)가 제공된다. 도전체(610) 및 도전체(610b)는 용량 소자(600)의 전극으로서 기능하고, 절연체(611)에서 도전체(610)와 도전체(610b)에 끼워지는 영역은 용량 소자(600)의 유전체로서 기능한다.
또한 도 3에서 절연체(611) 위에 이차 전지(200) 및 센서 소자(660)가 제공된다.
센서 소자(660)는 절연체(611) 위의 도전체(660a)와, 도전체(660a) 위의 도전체(660c)와, 도전체(660a)와 도전체(660c)에 끼워진 층(660b)을 가진다.
도전체(610) 및 도전체(660a)에 양극 집전체(103)와 같은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
센서 소자(660)로서, 예를 들어 압력 센서, 피에조 센서, 가속도 센서, 자이로 센서, 자기 센서, 광 센서, 적외선 센서, 거리 센서, 맥박 센서, 초음파 센서, 터치 센서, 지문 센서 등을 사용할 수 있다.
센서 소자(660)로서 피에조 센서를 사용하는 예에 대하여 이하에서 설명한다. 피에조 센서를 사용함으로써 압력, 변위 등을 검지할 수 있다.
도전체(660a)로서 타이타늄 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들어 질화 타이타늄을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 타이타늄을 사용하는 것이 바람직하다. 질화 타이타늄을 사용함으로써 층(660b)의 결정성이 높아지는 경우가 있다. 또한 도전체(660a) 위에 제 2 도전층을 더 제공하여도 좋다. 예를 들어 타이타늄과 타이타늄 위의 백금의 적층을 사용하여도 좋다. 타이타늄과 타이타늄 위의 백금의 적층을 사용함으로써 층(660b)의 결정성이 높아지는 경우가 있다.
층(660b)으로서, 타이타늄산 지르콘산 연, 타이타늄산 바륨 등의 압전 세라믹을 사용할 수 있다. 타이타늄산 지르콘산 연은 Pb(ZrxTi1-x)O3으로 표기되는 경우가 있다. 타이타늄산 바륨은 BaTiO3으로 표기되는 경우가 있다.
도전체(660a)와 층(660b) 사이에 완충층으로서 스트론튬을 가지는 화합물(예를 들어 La0.5Sr0.5CoO3, SrTiO3, SrRuO3 등), 란타넘을 가지는 화합물(LaNiO3, (Bi,La)4Ti3O12 등), 이트륨을 가지는 화합물(예를 들어 Y1Ba2Cu3O7-x 등) 등 중에서 선택되는 하나 이상을 적층하여 제공하여도 좋다.
도 4에 나타낸 구성예와 같이, 절연체(514)와 절연체(574)에 끼워지는 영역에 OS 트랜지스터인 트랜지스터(500)와 이차 전지(200)를 제공하여도 좋다.
도 4에 나타낸 트랜지스터(500)는 보텀 콘택트형 구조를 가진다. 도 4에서 절연체(524) 위에 도전체(542a) 및 도전체(542b)가 제공된다. 또한 도 4에 나타낸 트랜지스터(500)는 절연체(524), 도전체(542a), 및 도전체(542b) 위에 산화물(530)을 가지고, 산화물(530) 위에 절연체(550)를 가지고, 절연체(550) 위에 도전체(560)를 가진다. 또한 도 4에서는 산화물(530)을 개재하여 도전체(560)와 도전체(503)가 중첩되어 제공되어 있다. 도전체(503)와 산화물(530) 사이에는 절연체(520), 절연체(522), 및 절연체(524)가 제공된다.
도 4에서 이차 전지(200)는 절연체(524) 위에 제공되어 있다. 이차 전지(200)의 보호층(206) 위에는 절연층(550)이 제공되고, 절연층(550) 위에는 절연체(580)가 제공되고, 절연체(580) 위에는 절연체(574)가 제공된다.
도전체(542a) 및 도전체(542b)는 트랜지스터(500)의 소스 전극 및 드레인 전극으로서 기능한다. 도전체(542a) 및 도전체(542b)에, 양극 집전체(103)와 같은 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 도 4 및 후술하는 도 5에서, 도 2 등에 나타낸 트랜지스터의 구조를 트랜지스터(500)에 사용하여도 좋다.
도 5에 나타낸 구성예와 같이, 기판(599) 위에 이차 전지(200)를 제공하고, 이차 전지(200) 위에 절연체(580b)를 제공하고, 절연체(580b) 위에 절연체(514)를 제공하고, 절연체(514) 위에 트랜지스터(500)를 제공하여도 좋다. 절연체(580b)에 사용할 수 있는 재료 등에 대해서는 절연체(580)를 참조할 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 기판(599)에 실리콘, 실리콘 저마늄, 또는 실리콘 카바이드를 사용하고, 기판(599)에 트랜지스터(300)를 제공하고, 트랜지스터(300) 위에 절연체(514), 트랜지스터(500), 용량 소자(600), 센서 소자(660) 등을 제공하여도 좋다. 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로가 가지는 트랜지스터의 일부를, 예를 들어 트랜지스터(300)로 구성하여도 좋다.
도 6에 나타낸 트랜지스터(300)는 기판(599) 위에 제공되고, 도전체(316), 절연체(315), 기판(599)의 일부로 이루어지는 반도체 영역(313), 저저항 영역(314a), 및 저저항 영역(314b)을 가진다. 저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b) 중 한쪽은 소스 영역으로서 기능하고, 다른 쪽은 드레인 영역으로서 기능한다.
트랜지스터(300)는 반도체 영역(313)의 상면 및 채널 폭 방향의 측면이 절연체(315)를 개재하여 도전체(316)로 덮여 있다. 이와 같이, 트랜지스터(300)를 Fin형으로 함으로써, 실효적인 채널 폭이 증대되어 온 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 게이트 전극의 전계의 기여를 높일 수 있기 때문에, 트랜지스터(300)의 오프 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 트랜지스터(300)는 p채널형 트랜지스터 및 n채널형 트랜지스터 중 어느 쪽이어도 좋다.
저저항 영역(314a) 및 저저항 영역(314b)은 반도체 영역(313)에 적용되는 반도체 재료에 더하여 비소, 인 등 n형 도전성을 부여하는 원소 또는 붕소 등 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함한다.
게이트 전극으로서 기능하는 도전체(316)에는 비소, 인 등 n형 도전성을 부여하는 원소, 또는 붕소 등 p형 도전성을 부여하는 원소를 포함하는 실리콘 등의 반도체 재료, 금속 재료, 합금 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 사용할 수 있다.
또한 도전체의 재료에 따라 일함수가 결정되기 때문에, 상기 도전체의 재료를 선택함으로써 트랜지스터의 문턱 전압을 조정할 수 있다. 구체적으로는, 도전체에 질화 타이타늄이나 질화 탄탈럼 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전성과 매립성을 양립하기 위하여 도전체에 텅스텐이나 알루미늄 등의 금속 재료를 적층하여 사용하는 것이 바람직하고, 특히 텅스텐을 사용하는 것이 내열성의 관점에서 바람직하다.
트랜지스터(300)는 SOI(Silicon on Insulator) 기판 등을 사용하여 형성하여도 좋다.
또한 SOI 기판으로서는, 경면 연마 웨이퍼에 산소 이온을 주입한 후, 고온 가열을 수행하여 표면으로부터 일정한 깊이에 산화층을 형성함과 함께, 표면층에 생긴 결함을 소멸시켜 형성된 SIMOX(Separation by Implanted Oxygen) 기판이나, 수소 이온 주입에 의하여 형성된 미소한 공동(void)의 열처리에 의한 성장을 이용하여 반도체 기판을 벽개(劈開)하는 스마트 컷법, ELTRAN법(등록 상표: Epitaxial Layer Transfer) 등을 사용하여 형성된 SOI 기판을 사용하여도 좋다. 단결정 기판을 사용하여 형성된 트랜지스터는 채널 형성 영역에 단결정 반도체를 가진다.
트랜지스터(300)를 덮어 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)가 이 순서대로 적층되어 제공된다.
절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)로서 예를 들어 산화 실리콘, 산화 질화 실리콘, 질화 산화 실리콘, 질화 실리콘, 산화 알루미늄, 산화 질화 알루미늄, 질화 산화 알루미늄, 질화 알루미늄 등을 사용하면 좋다.
또한 본 명세서에서 산화 질화 실리콘이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화 산화 실리콘이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다. 또한 본 명세서에서 산화 질화 알루미늄이란 그 조성에서 질소보다 산소의 함유량이 많은 재료를 가리키고, 질화 산화 알루미늄이란 그 조성에서 산소보다 질소의 함유량이 많은 재료를 가리킨다.
절연체(322)는, 그 아래쪽에 제공되는 트랜지스터(300) 등에 의하여 생기는 단차를 평탄화하는 평탄화막으로서의 기능을 가져도 좋다. 예를 들어 절연체(322)의 상면은 평탄성을 높이기 위하여 화학 기계 연마(CMP)법 등을 사용한 평탄화 처리에 의하여 평탄화되어도 좋다.
또한 절연체(324)에는 기판(599) 또는 트랜지스터(300) 등으로부터 트랜지스터(500)가 제공되는 영역으로 수소나 불순물이 확산되지 않도록 하는 배리어성을 가지는 막을 사용하는 것이 바람직하다.
수소에 대한 배리어성을 가지는 막의 일례로서, 예를 들어 CVD법으로 형성한 질화 실리콘을 사용할 수 있다. 여기서 트랜지스터(500) 등의 산화물 반도체를 가지는 반도체 소자로 수소가 확산됨으로써 상기 반도체 소자의 특성이 저하되는 경우가 있다. 따라서 트랜지스터(500)와 트랜지스터(300) 사이에 수소의 확산을 억제하는 막을 사용하는 것이 바람직하다. 수소의 확산을 억제하는 막이란, 구체적으로는 수소의 이탈량이 적은 막이다.
수소의 이탈량은, 예를 들어 승온 이탈 가스 분석법(TDS) 등을 사용하여 분석할 수 있다. 예를 들어 절연체(324)의 수소의 이탈량은 TDS 분석에서 막의 표면 온도가 50℃ 내지 500℃인 범위에서 수소 원자로 환산한 이탈량이 절연체(324)의 면적당으로 환산하여 10×1015atoms/cm2 이하, 바람직하게는 5×1015atoms/cm2 이하이면 좋다.
또한 절연체(326)는 절연체(324)보다 유전율이 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 4 미만이 바람직하고, 3 미만이 더 바람직하다. 또한 예를 들어 절연체(326)의 비유전율은 절연체(324)의 비유전율의 0.7배 이하가 바람직하고, 0.6배 이하가 더 바람직하다. 유전율이 낮은 재료를 층간막으로 함으로써, 배선 사이에 생기는 기생 용량을 저감할 수 있다.
또한 절연체(320), 절연체(322), 절연체(324), 및 절연체(326)에는 도전체(328) 및 도전체(330) 등이 매립되어 있다. 또한 도전체(328) 및 도전체(330)는 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가진다. 또한 플러그 또는 배선으로서의 기능을 가지는 도전체에는, 복수의 구조를 합쳐서 동일한 부호를 부여하는 경우가 있다. 또한 본 명세서 등에서 배선과, 배선에 접속되는 플러그가 일체물이어도 좋다. 즉 도전체의 일부가 배선으로서 기능하는 경우 및 도전체의 일부가 플러그로서 기능하는 경우도 있다.
각 플러그 및 배선(도전체(328), 도전체(330) 등)의 재료로서는 금속 재료, 합금 재료, 금속 질화물 재료, 또는 금속 산화물 재료 등의 도전성 재료를 단층으로 또는 적층하여 사용할 수 있다. 내열성과 도전성을 양립하는 텅스텐이나 몰리브데넘 등의 고융점 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 또는 알루미늄이나 구리 등의 저저항 도전성 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 저저항 도전성 재료를 사용함으로써 배선 저항을 낮출 수 있다.
또한 예를 들어 절연체(350)에는, 절연체(324)와 마찬가지로 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도전체(330)는 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체가 가지는 개구부에 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 구성으로 함으로써, 트랜지스터(300)와 트랜지스터(500)는 배리어층에 의하여 분리할 수 있어 트랜지스터(300)로부터 트랜지스터(500)로 수소가 확산되는 것을 억제할 수 있다.
또한 수소에 대한 배리어성을 가지는 도전체로서는 예를 들어 질화 탄탈럼 등을 사용하는 것이 좋다. 또한 질화 탄탈럼과 도전성이 높은 텅스텐을 적층함으로써, 배선으로서의 도전성을 유지한 채, 트랜지스터(300)로부터의 수소의 확산을 억제할 수 있다. 이 경우, 수소에 대한 배리어성을 가지는 질화 탄탈럼층이, 수소에 대한 배리어성을 가지는 절연체(350)와 접하는 구성인 것이 바람직하다.
절연체(350) 위에는 절연체(512)가 제공되고, 절연체(512) 위에는 절연체(514)가 제공된다. 절연체(512)에 사용할 수 있는 재료에 대해서는 예를 들어 절연체(326)를 참조할 수 있다.
도 7의 (A)에 나타낸 트랜지스터(500)는 도 2에 나타낸 트랜지스터(500)의 변형예이고, 도 7의 (A)는 트랜지스터(500)의 채널 길이 방향의 단면도이고, 도 7의 (B)는 도 7의 (A)에 나타낸 트랜지스터(500)의 채널 폭 방향의 단면도이다.
도 7의 (A)에 나타낸 트랜지스터(500)는 산화물(530c)을 가지지 않는 점에서 도 2의 (A)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)와 상이하다. 절연체(580)에서 도전체(542a)와 도전체(542b) 사이에 형성된 개구부의 밑면 및 측면에는 절연체(550)가 배치되고, 절연체(550)의 형성면에는 도전체(560)가 배치되어 있다. 도 7의 (A)에 나타낸 구성의 트랜지스터(500)는 산화물(530c)을 가지지 않기 때문에, 절연체(550)를 개재한 산화물(530c)과 도전체(560) 사이의 기생 용량을 제거할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 3)
박막 이차 전지의 출력 전압을 크게 하기 위하여 이차 전지를 직렬 접속할 수 있다. 실시형태 2에서는 셀이 하나인 이차 전지의 예에 대하여 설명하였지만, 본 실시형태에서는 복수의 셀을 직렬 접속한 박막 이차 전지를 제작하는 예에 대하여 설명한다.
도 8의 (A)에 첫 번째 이차 전지를 형성한 직후의 상면도를 나타내고, 도 8의 (B)에는 2개의 이차 전지가 직렬 접속된 상면도를 나타내었다. 또한 도 8의 (A) 및 (B)에서 실시형태 2에 나타낸 도 5의 (A)와 동일한 부분에는 동일한 부호를 사용하였다.
도 8의 (A)는 음극 집전체(205)를 성막한 직후의 상태를 나타낸 것이다. 도 5의 (A)와는 음극 집전체(205)의 상면 형상이 상이하다. 도 8의 (A)에 나타낸 음극 집전체(205)는 고체 전해질층 측면에 부분적으로 접하고, 기판의 절연 표면에도 접한다.
그리고 도 8의 (B)에 나타낸 바와 같이, 첫 번째 음극 활물질층과 중첩되지 않은 음극 집전체(205)의 영역 위에 제 2 음극 활물질층을 형성한다. 그리고 제 2 고체 전해질층(213)을 형성하고, 그 위에 제 2 양극 활물질층 및 제 2 양극 집전체(215)를 형성한다. 마지막에 보호층(206)을 형성한다.
도 8의 (B)는 2개의 고체 이차 전지가 평면상에 배열되고 직렬 접속된 구성을 나타낸 것이다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 축전 장치의 일례에 대하여 설명한다.
<축전 장치의 일례 1>
도 9에는 축전 장치(90)의 일례를 나타내었다. 도 9에 나타낸 축전 장치(90)는 전지 제어 회로(91) 및 조전지(120)를 가진다. 전지 제어 회로(91)에는 상술한 OS 트랜지스터를 사용한 회로가 탑재되는 것이 바람직하다.
전지 제어 회로(91)는 회로(91a) 및 회로(91b)를 가진다.
회로(91a)는 셀 밸런스 회로(130), 검출 회로(185), 검출 회로(186), 검출 회로(MSD), 검출 회로(SD), 온도 센서(TS), 및 논리 회로(182)를 가진다.
또한 회로(91b)는 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)를 가진다. 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)로서 다양한 트랜지스터를 사용할 수 있다. 또한 도 9에 나타낸 바와 같이, 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)는 각각 기생 다이오드를 가지는 것이 바람직하다.
회로(91a)에서 셀 밸런스 회로(130), 검출 회로(185), 검출 회로(186), 검출 회로(MSD), 검출 회로(SD), 온도 센서(TS), 및 논리 회로(182)가 가지는 트랜지스터로서 OS 트랜지스터를 사용할 수 있다.
회로(91b)가 가지는 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)의 일례로서, 단결정 실리콘을 채널 형성 영역에 가지는 트랜지스터를 사용하는 예에 대하여 생각한다. 이와 같은 경우에는, 예를 들어 실리콘 기판 위에 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)를 형성하고, 그 위에 성막 프로세스를 이용하여 OS 트랜지스터를 형성할 수 있고, 회로(91a)와 회로(91b)를 같은 기판 위에 형성할 수 있다. 이로써, 예를 들어 비용을 삭감할 수 있다. 또한 회로의 집적화가 가능해져 회로 면적을 축소시킬 수 있다. 또한 동일 기판 위에 적층하여 회로(91a) 및 회로(91b)를 제공함으로써 배선의 리드 저항을 삭감할 수 있다. 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)에는 대전류가 흐르는 경우가 있으므로 배선 저항을 낮추는 것이 바람직하다.
조전지(120)는 복수의 전지 셀(121)을 가진다. 도 9에는 n개의 전지 셀(121)을 가지는 예를 나타내었다. 제 k 전지 셀(k는 1 이상 n 이하의 정수)을 전지 셀(121(k))이라고 나타내는 경우가 있다. 조전지(120)가 가지는 복수의 전지 셀은 전기적으로 직렬로 접속된다. 여기서 도 9에서는 조전지(120)가 직렬로 접속된 복수의 전지 셀(121)을 가지는 예를 나타내었지만 조전지(120)는 하나의 전지만 가져도 좋다. 또는 조전지(120)가 복수의 전지를 가지고, 상기 복수의 전지가 병렬로 접속되어도 좋다.
여기서 전지 셀로서, 예를 들어 후술하는 실시형태에서의 이차 전지를 사용할 수 있다. 예를 들어 권회된 전지 소자를 가지는 이차 전지를 사용할 수 있다. 또한 전지 셀은 외장체를 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 원통형 외장체나 각형 외장체 등을 사용할 수 있다. 외장체의 재료로서 절연체로 덮인 금속판이나, 절연체에 끼워진 금속 필름 등을 사용할 수 있다. 전지 셀은 예를 들어 한 쌍의 양극과 음극을 가진다. 또한 전지 셀은 양극에 전기적으로 접속되는 단자 및 음극에 전기적으로 접속되는 단자를 가져도 좋다. 또한 전지 셀이 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로의 일부 구성을 가지는 경우가 있다.
셀 밸런스 회로(130)는 조전지(120)가 가지는 각 전지 셀(121)의 충전을 제어하는 기능을 가진다. 검출 회로(185)는 조전지(120)의 과충전 및 과방전을 검출하는 기능을 가진다. 검출 회로(186)는 조전지(120)의 방전 과전류 및 충전 과전류를 검출하는 기능을 가진다.
검출 회로(MSD)는 마이크로 단락을 검출하는 기능을 가진다.
마이크로 단락이란 이차 전지 내부에서의 미소한 단락을 의미하고, 이차 전지의 양극과 음극의 단락으로 인하여 충방전을 할 수 없게 될 정도는 아니지만, 미소한 단락 부분에서 단락 전류가 단기간 흐르는 현상을 말한다. 마이크로 단락의 원인은 충방전이 여러 번 수행됨으로써 리튬이나 코발트 등의 금속 원소가 전지 내부에서 석출되고, 석출물이 성장됨으로써 양극의 일부와 음극의 일부에서 국소적인 전류의 집중이 발생하여, 세퍼레이터에서 기능을 정지하는 부분이 발생하는 것 또는 부반응물이 발생하는 것에 있는 것으로 추정되어 있다.
검출 회로(SD)는 예를 들어 조전지(120)를 사용하여 동작시키는 회로의 단락을 검출한다. 또한 검출 회로(SD)는 예를 들어 조전지(120)의 충전 전류 및 방전 전류를 검출한다.
전지 제어 회로(91)는 조전지(120)가 가지는 n개의 전지 셀(121) 각각의 양극에 전기적으로 접속되는 단자(VC1) 내지 단자(VCN)와 제 n 전지 셀(121)의 음극에 전기적으로 접속되는 단자(VSSS)를 가진다.
논리 회로(182)는 검출 회로(185), 검출 회로(186), 검출 회로(SD), 검출 회로(MSD), 및 온도 센서(TS)로부터의 출력 신호에 따라 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)의 제어를 수행하는 기능을 가진다. 또한 논리 회로(182)는 전지 제어 회로(91)의 외부 또는 내부에 제공되는 충전 회로에 신호를 공급하여도 좋다. 이 경우에는, 예를 들어 논리 회로(182)로부터 상기 충전 회로에 공급되는 신호에 따라 이차 전지의 충전이 제어된다. 여기서 충전 회로는 예를 들어 전지의 충전 조건을 제어하는 기능을 가진다. 또는 전지의 충전 조건을 제어하는 신호를 다른 회로, 예를 들어 본 발명의 일 형태가 가지는 셀 밸런스 회로, 과충전 검출 회로, 트랜지스터(140), 트랜지스터(150), 트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)를 제어하는 회로 등에 공급한다.
트랜지스터(140) 및 트랜지스터(150)는 조전지(120)에 대한 충전 또는 방전을 제어하는 기능을 가진다. 일례로서, 트랜지스터(140)는 논리 회로(182)가 공급하는 제어 신호(T1)에 의하여 도통 상태 또는 비도통 상태가 제어되고, 조전지(120)의 충전 여부가 제어된다. 또한 트랜지스터(150)는 논리 회로(182)가 공급하는 제어 신호(T2)에 의하여 도통 상태 또는 비도통 상태가 제어되고, 조전지(120)의 방전 여부가 제어된다. 또한 도 9에 나타낸 예에서, 트랜지스터(140)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(VSSS)에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(140)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(150)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속된다. 트랜지스터(150)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 단자(VM)에 전기적으로 접속된다. 단자(VM)는 예를 들어 충전기의 음극에 전기적으로 접속된다. 또한 단자(VM)는 예를 들어 방전 시의 부하에 전기적으로 접속된다.
전지 제어 회로(91)는 조전지(120)가 가지는 전지 셀(121)의 각 단자의 전압값(모니터 전압) 및 조전지에 흐르는 전류값(모니터 전류)을 관측하는 기능을 가져도 좋다. 예를 들어 트랜지스터(140) 또는 트랜지스터(150)의 온 전류를 모니터 전류로서 관측하는 구성으로 하여도 좋다. 또는 트랜지스터(140) 등과 직렬로 저항 소자를 제공하고, 상기 저항 소자의 전류값을 관측하여도 좋다.
온도 센서(TS)는 전지 셀(121)의 온도를 측정하고, 측정된 온도에 의거하여 전지 셀의 충전 및 방전을 제어하는 기능을 가져도 좋다. 예를 들어 낮은 온도에서는 이차 전지의 저항이 증가하는 경우가 있기 때문에, 충전 전류 밀도 및 방전 전류 밀도를 낮추는 경우가 있다. 또한 높은 온도에서는 이차 전지의 저항이 감소되는 경우가 있기 때문에, 방전 전류 밀도를 높이는 경우가 있다. 또한 높은 온도에서 충전 전류를 높임으로 인하여 이차 전지 특성의 열화가 우려되는 경우에는, 예를 들어 열화가 억제되는 충전 전류로 제어하면 좋다. 충전 조건, 방전 조건 등의 데이터는 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로(91)가 가지는 기억 회로 등에 저장되는 것이 바람직하다. 또한 충전에 의하여 전지 제어 회로(91) 또는 조전지(120)의 온도가 상승하는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 측정되는 온도에 맞추어 충전의 제어를 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어 온도의 상승에 따라 충전 전류를 억제하면 좋다.
셀 밸런스 회로(130), 검출 회로(185), 검출 회로(186), 검출 회로(MSD), 검출 회로(SD), 및 온도 센서(TS)는 기억 소자를 가지는 것이 바람직하다. 기억 소자는 예를 들어 전지의 상한 전압, 하한 전압, 과전류에 대응하는 전압, 온도에 대응하는 전압 등을 유지할 수 있다.
기억 소자로서, 도 10의 (A)에 나타낸 기억 소자(114)의 구성을 사용할 수 있다. 도 10의 (A)에 나타낸 기억 소자(114)는 용량 소자(161) 및 트랜지스터(162)를 가진다.
트랜지스터(162)로서 OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 형태의 구성에서는 OS 트랜지스터를 가지는 기억 소자(114)를 사용하는 구성으로 함으로써, 오프 시에 소스와 드레인 사이를 흐르는 누설 전류(이하, 오프 전류)가 매우 낮다는 것을 이용하여 원하는 전압을 기억 소자에 유지시킬 수 있다.
도 10의 (B)는 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터(162)가 제 2 게이트를 가지는 점에서 도 10의 (A)와 상이하다. 제 2 게이트는 백 게이트 또는 보텀 게이트라고 불리는 경우가 있다. OS 트랜지스터가 가지는 제 2 게이트에 대해서는 나중의 실시형태에서 자세히 설명한다.
다음으로 셀 밸런스 회로(130) 및 검출 회로(185)의 구성 요소에 대하여 설명한다.
도 11에는 하나의 전지 셀(121)에 대응하는 셀 밸런스 회로(130a) 및 검출 회로(185a)를 나타내었다.
도 9에 나타낸 셀 밸런스 회로(130)는 복수의 셀 밸런스 회로(130a)를 가지고, 하나의 전지 셀에 하나의 셀 밸런스 회로(130a)가 접속된다. 복수의 전지 셀(121)이 직렬로 접속된 구성에서 각 전지 셀(121)에 셀 밸런스 회로(130a) 및 트랜지스터(132)가 제공되고 트랜지스터(132)가 직접 접속됨으로써, 직렬로 접속된 복수의 상기 전지 셀(121)이 충전될 때 전지 셀(121) 사이에서 충전 전압에 편차가 생기는 것을 저감할 수 있다.
도 11에 나타낸 검출 회로(185a)는 회로(185c)와 회로(185d)를 가진다. 검출 회로(185c)는 과충전을 검출하는 기능을 가지고, 검출 회로(185d)는 과방전을 검출하는 기능을 가진다.
도 9에 나타낸 검출 회로(185)는 복수의 검출 회로(185a)를 가지고, 하나의 전지 셀에 하나의 검출 회로(185a)가 접속된다. 또는 도 9에 나타낸 검출 회로는 복수의 전지 셀(121)이 직렬로 접속된 구성에 하나의 검출 회로(185a)가 제공된 것이어도 좋다.
도 11에서 트랜지스터(132) 및 저항 소자(131)가 직렬로 접속되고, 트랜지스터(132)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 전지 셀(121)의 음극에, 다른 쪽은 저항 소자의 한쪽 전극에 각각 전기적으로 접속된다. 저항 소자의 다른 쪽 전극은 이차 전지의 양극에 전기적으로 접속된다.
여기서, 트랜지스터(132)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전지 셀(121)의 양극에, 다른 쪽이 저항 소자(131)의 한쪽 전극에, 저항 소자(131)의 다른 쪽 전극이 전지 셀(121)의 음극에 각각 전기적으로 접속되어도 좋다.
또한 도 11에서 셀 밸런스 회로(130a), 회로(185c), 및 회로(185d)는 각각, 콤퍼레이터(113) 및 기억 소자(114)를 가진다. 기억 소자(114)는 용량 소자(161) 및 트랜지스터(162)를 가진다. 셀 밸런스 회로(130a), 회로(185c), 및 회로(185d)가 가지는 각 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자 및 반전 입력 단자 중 한쪽에는 기억 소자(114)가 전기적으로 접속된다. 기억 소자(114)에서, 각 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 공통의 단자, 여기서는 단자(VT)가 전기적으로 접속된다. 또한 기억 소자(114)에서, 각 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터(162)의 게이트에 단자(셀 밸런스 회로(a130)에서는 단자(SH6), 회로(185c)에서는 단자(SH1), 회로(185d)에서는 단자(SH2))가 전기적으로 접속된다.
도 11에서 셀 밸런스 회로(130a)는 전지 셀(121)의 양극 및 음극에 전기적으로 접속된다. 전지 셀(121)의 양극은 단자(VC1)에 전기적으로 접속되고, 음극은 단자(VC2)에 전기적으로 접속된다. 셀 밸런스 회로(130a)에서 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 콤퍼레이터(113)의 반전 입력 단자가 전기적으로 접속된다. 또한 셀 밸런스 회로(130a)에서 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자는 단자(VC1)에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 또는 도 11에 나타낸 바와 같이, 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자에는 단자(VC1)와 단자(VC2) 사이에서 저항 분배된 전압이 공급되어도 좋다. 셀 밸런스 회로(130a)에서 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속되는 노드를 노드(N6)로 한다.
도 11에서 검출 회로(185a)는 전지 셀(121)의 양극 및 음극에 전기적으로 접속된다. 회로(185c)에서 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 콤퍼레이터의 반전 입력 단자가 전기적으로 접속된다. 또한 회로(185c)에서 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자는 단자(VC1)에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 또는 도 11에 나타낸 바와 같이, 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자에는 단자(VC1)와 단자(VC2) 사이에서 저항 분배된 전압이 공급되어도 좋다. 회로(185c)에서 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속되는 노드를 노드(N1)로 한다.
회로(185d)에서 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에는 콤퍼레이터의 비반전 입력 단자가 전기적으로 접속된다. 또한 회로(185d)에서 콤퍼레이터(113)의 반전 입력 단자는 단자(VC1)에 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다. 또는 도 11에 나타낸 바와 같이, 콤퍼레이터(113)의 반전 입력 단자에는 단자(VC1)와 단자(VC2) 사이에서 저항 분배된 전압이 공급되어도 좋다. 회로(185d)에서 트랜지스터(162)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽에 접속되는 노드를 노드(N2)로 한다.
셀 밸런스 회로(130a) 및 검출 회로(185a)에서 각 회로가 가지는 용량 소자(161)의 다른 쪽 전극이 접속되는 노드(여기서는 노드(N6), 노드(N1), 및 노드(N2))는 트랜지스터(162)를 오프 상태로 함으로써 유지한다.
단자(VT)는 셀 밸런스 회로(130a), 회로(185c), 및 회로(185d)에 순차적으로 아날로그 신호를 공급한다. 노드(N6), 노드(N1), 및 노드(N2)에 순차적으로 아날로그 신호가 공급되고 유지된다. 노드(N6), 노드(N1), 및 노드(N2) 중 제 1 노드에 아날로그 신호를 공급한 후, 노드에 접속되는 트랜지스터(162)를 오프 상태로 함으로써 제 1 노드의 전위가 유지된다. 그 후에, 제 2 노드에 전위를 인가하고 유지한 후, 제 3 노드의 전위를 인가하고 유지한다. 트랜지스터(162)의 온과 오프는 단자(SH1), 단자(SH2), 및 단자(SH6)에 공급되는 신호에 의하여 제어된다.
도 11에 나타낸 셀 밸런스 회로(130a) 및 검출 회로(185a)를 조전지(120)가 가지는 전지 셀(121) 하나에 대하여 각각 제공함으로써, 복수의 전지 셀(121) 각각에서 이들의 양쪽 단부의 전압차(양극과 음극의 전압의 차)를 개별적으로 제어할 수 있다. 또한 셀 밸런스 회로(130a)는 전지 셀(121)마다 양극의 제 1 상한 전압으로서 바람직한 값을 기억 소자(114)에 유지시킬 수 있다.
셀 밸런스 회로(130a)는 전지 셀(121)의 양극의 전압과 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자의 전압의 관계에 따라, 트랜지스터(132)를 온 상태로 할지, 또는 오프 상태로 할지를 제어한다. 트랜지스터(132)의 제어를 수행함으로써, 저항 소자(131)에 흐르는 전류의 양과 전지 셀(121)에 흐르는 전류의 양의 비율을 조정할 수 있다. 예를 들어 전지 셀(121)의 충전을 정지하는 경우에는, 저항 소자(131)에 전류를 흘리고 전지 셀(121)에 흐르는 전류를 제한한다.
도 9에서는 복수의 전지 셀(121)이 단자(VC1)와 단자(VSSS) 사이에 직렬로 전기적으로 접속되어 있다. 단자(VC1)와 단자(VSSS) 사이에 전류를 흘림으로써, 복수의 전지 셀(121)의 충전을 수행한다.
복수의 전지 셀(121) 중 하나의 전지 셀(121)에서, 양극이 소정의 전압에 달하고 전류가 제한되는 경우에 대하여 생각한다. 이와 같은 경우에는, 상기 전지 셀에 병렬로 접속되는 트랜지스터(132) 및 저항 소자(131)에 전류를 흘림으로써, 단자(VC1)와 단자(VSSS) 사이의 전류의 경로가 차단되지 않고, 양극이 소정의 전압에 달하지 않은 기타 전지 셀(121)을 계속 충전할 수 있다. 즉, 충전이 완료된 전지 셀(121)에서는 트랜지스터(132)를 온 상태로 함으로써 충전을 정지하고, 충전이 완료되지 않은 전지 셀(121)에서는 트랜지스터(132)를 오프 상태로 하여 계속 충전한다.
전지 셀(121)마다, 예를 들어 저항의 편차가 있는 경우, 저항이 낮은 어떤 전지 셀(121)의 충전이 먼저 완료되고, 상기 어떤 전지 셀(121)에 비하여 저항이 높은 전지 셀(121)의 충전이 불충분한 경우가 있다. 여기서, 충전이 불충분하다는 것은, 예를 들어 양극과 음극의 전압차가 원하는 전압보다 낮은 것을 가리킨다. 셀 밸런스 회로(130)를 사용함으로써, 충전에서의 전지 셀(121)의 양극의 전압을 각 전지 셀의 음극의 전압을 기준으로 하여 제어할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 셀 밸런스 회로에서, 전지 제어 회로(91)의 외부에 제공되는 회로, 예를 들어 MPU 또는 MCU 등의 연산 회로를 사용하지 않고, 하나의 전지 셀 또는 복수의 전지 셀의 충전 전압 또는 충전 용량 등을 제어할 수 있다.
즉, N개의 셀 밸런스 회로(130a)를 사용함으로써, 복수의 전지 셀(121)의 충전 후의 상태, 예를 들어 만충전 시의 편차를 작게 할 수 있다. 따라서, 조전지(120) 전체로서의 용량이 높아지는 경우가 있다. 또한 용량을 높임으로써 전지 셀(121)의 충방전 사이클의 횟수를 감소시킬 수 있는 경우가 있기 때문에, 조전지(120)의 내구성이 높아지는 경우가 있다.
회로(185c)는 전지 셀(121)마다 전지 셀(121)의 충전에서의 양극의 제 2 상한 전압을 기억 소자(114)에 유지시킬 수 있다. 상기 제 2 상한 전압은 과충전 전압이라고 불리는 경우가 있다. 회로(185d)는 방전에서의 양극의 하한 전압을 기억 소자(114)에 유지시킬 수 있다. 상기 하한 전압은 과방전 전압이라고 불리는 경우가 있다.
또한 검출 회로(185)를 구성하는 콤퍼레이터는 출력이 L 레벨로부터 H 레벨로 변화되는 경우와, H 레벨로부터 L 레벨로 변화되는 경우에서 문턱값이 상이한, 소위 히스테리시스 콤퍼레이터로 하여도 좋다. 히스테리시스 콤퍼레이터의 참조 전위의 입력부에 접속되는 기억 소자는 2개의 문턱값을 유지하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.
검출 회로(185)에서 전지 제어 회로(91)의 외부에 제공되는 회로, 예를 들어 MPU 또는 MCU 등의 연산 회로를 사용하지 않고, 하나의 전지 셀 또는 복수의 전지 셀의 과충전 및 과방전을 검지하고 전지 셀의 보호를 수행할 수 있다. 과방전으로 인한 전압의 저하가 검지된 경우, 본 발명의 일 형태의 제어 회로는 방전 전류를 차단하여 전압의 저하를 방지한다. 방전 전류의 차단이 불충분한 경우, 누설 전류가 발생되고 전압의 저하가 일어나는 경우가 있다. 파워 게이팅을 사용한 회로 구성에 의하여 누설 전류가 억제되는 경우가 있다. 또한 OS 트랜지스터를 사용한 회로 구성에 의하여 누설 전류가 억제되는 경우가 있다.
전지 셀은 상기 전지 셀에 접속되는 셀 밸런스 회로와 과충전을 검출하는 회로에서 상한 전압이 각각 제어된다. 셀 밸런스 회로가 검출하는 상한 전압은, 예를 들어 과충전을 검출하는 회로가 검출하는 상한 전압보다 낮다. 따라서, 충전을 수행하는 과정에서, 제 1 단계에 의하여 셀 밸런스 회로가 전지 셀의 상한 전압으로의 도달을 검지하여 충전 조건을 변경한다. 여기서는, 예를 들어 충전의 전류 밀도를 낮춘다. 또는 방전을 시작하여도 좋다. 그 후, 전지 셀의 충전 전압의 상승에 따라, 과충전을 검출하는 회로가 검출하는 상한 전압으로의 도달이 검지되는 경우에는, 제 2 단계에 의하여 전지 셀의 충전 조건을 변경한다. 여기서는, 예를 들어 충전을 정지하고 방전을 시작한다.
<축전 장치의 다른 구성 요소>
이하에서 본 발명의 일 형태의 축전 장치가 가지는 다른 구성 요소의 일례에 대하여 설명한다.
또한 전지 제어 회로(91)는 단자군(AH)을 가진다. 단자군(AH)은 하나의 단자 또는 복수의 단자를 가진다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 단자군(AH)은 논리 회로(182)에 접속된다. 단자군(AH)은 논리 회로(182)에 신호를 공급하는 기능 및 논리 회로(182)로부터의 신호를 전지 제어 회로(91)의 외부에 제공되는 회로에 공급하는 기능을 가지는 것이 바람직하다.
도 12의 (A)에는 논리 회로(182)의 일례를 나타내었다. 도 12의 (A)에 나타낸 논리 회로(182)는 인터페이스 회로(IF), 카운터 회로(CND), 래치 회로(LTC), 및 트랜지스터(172)를 가진다. 트랜지스터(172)로서 OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 도 12의 (A)에 나타낸 구성은 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로가 가지는 OS 트랜지스터만으로 구성되어도 좋고, 도 12의 (A)에 나타낸 구성의 일부만이 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로가 가지는 OS 트랜지스터로 구성되어도 좋다. 도 12의 (A)에 나타낸 구성의 일부만이 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로가 가지는 OS 트랜지스터로 구성되는 경우에는, 다른 일부가 예를 들어 단결정 실리콘을 가지는 트랜지스터 등으로 구성된다.
인터페이스 회로(IF)에는 검출 회로(185)의 출력 단자(OUT11) 및 출력 단자(OUT12)로부터의 신호, 검출 회로(186)의 출력 단자(OUT31) 및 출력 단자(OUT32)로부터의 신호, 및 검출 회로(SD)의 출력 단자(OUT41)로부터의 신호가 공급된다. 출력 단자(OUT11)는 예를 들어 과충전에 대응하는 신호를 공급한다. 출력 단자(OUT12)는 예를 들어 과방전에 대응하는 신호를 공급한다. 출력 단자(OUT31)는 예를 들어 충전 시의 과전류에 대응하는 신호를 공급한다. 출력 단자(OUT32)는 예를 들어 방전 시의 과전류에 대응하는 신호를 공급한다.
인터페이스 회로(IF)는 이상을 검지하는 신호, 예를 들어 과충전, 과방전, 및 과전류 중 적어도 하나에 대응하는 신호를 검지한 경우에, 신호(PG)를 트랜지스터(172)의 게이트에 공급한다.
트랜지스터(172)는 카운터 회로(CND)에 접속된다.
카운터 회로(CND)는 신호(PG)가 트랜지스터(172)를 온 상태로 하는 신호, 더 구체적으로는, 예를 들어 고전위 신호를 출력하는 경우에는, 카운터와 지연 회로를 동작시킨다. 한편, 신호(PG)가 트랜지스터(172)를 오프 상태로 하는 신호, 더 구체적으로는, 예를 들어 저전위 신호를 출력하는 경우에는, 카운터 회로(CND)의 동작을 정지하거나, 또는 카운터 회로(CND)를 대기 상태로 할 수 있다. 인터페이스 회로(IF)로부터 카운터 회로(CND) 및 래치 회로(LTC)에 신호(res)가 공급된다. 신호(res)는 리셋 신호이다. 카운터 회로(CND)에 신호(res)가 공급되고, 카운트를 시작한다. 신호(en)는 이네이블 신호이다. 카운터 회로(CND)는 신호(en)에 의하여 동작을 시작하거나, 또는 동작을 정지한다.
인터페이스 회로(IF)에 이상을 검지하는 신호가 공급되는 경우에는, 카운터 회로(CND)로 일정 기간 카운트를 수행한 후, 검지한 이상에 대응하는 신호가 카운터 회로(CND)를 통하여 래치 회로(LTC)에 공급된다.
래치 회로(LTC)는 검지한 이상에 따라 트랜지스터(140) 또는 트랜지스터(150)의 게이트에 트랜지스터를 오프 상태로 하는 신호를 공급한다.
도 13의 (A)에는 검출 회로(186)의 회로도의 일례를 나타내었다. 검출 회로(186)는 2개의 콤퍼레이터(113)를 가진다.
한쪽의 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자에는 방전 과전류 검출에 대응하는 전압이 유지되는 기억 소자(114)가 전기적으로 접속된다. 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터의 게이트에는 단자(SH3)가 전기적으로 접속된다. 또한 반전 입력 단자에는 단자(SENS)가 전기적으로 접속된다. 반전 입력 단자에 공급되는 전압에 의하여 과전류를 검출하면, 출력 단자(OUT32)로부터의 출력이 반전된다.
다른 쪽의 콤퍼레이터(113)의 비반전 입력 단자에는 단자(SENS)가 전기적으로 접속된다. 또한 반전 입력 단자에는 충전 과전류 검출에 대응하는 전압이 유지되는 기억 소자(114)가 전기적으로 접속된다. 기억 소자(114)가 가지는 트랜지스터의 게이트에는 단자(SH4)가 전기적으로 접속된다. 비반전 입력 단자에 공급되는 전압에 의하여 과전류를 검출하면, 출력 단자(OUT31)로부터의 출력이 반전된다.
온도 센서(TS)는 조전지(120) 또는 조전지(120)를 포함하는 축전 장치(90)의 온도를 측정하는 기능을 가진다. 도 13의 (B)는 온도 센서(TS)의 일례를 나타낸 회로도이다. 또한 도 13의 (B)에 나타낸 회로도는 온도 센서(TS)의 일부의 회로를 나타내는 경우가 있다.
도 13의 (B)에서, 온도 센서(TS)는 콤퍼레이터(113)를 3개 가지고, 각 콤퍼레이터의 반전 입력 단자에는 상이한 온도에 대응하는 전압 VT(VT=Tm1, Tm2, Tm3)가 각각 공급된다. 공급된 각 전압 VT는 반전 입력 단자에 전기적으로 접속된 기억 소자(114)에 의하여 유지된다. 전압 Tm1, 전압 Tm2, 전압 Tm3은 예를 들어 전지 제어 회로(91)로부터 공급되어도 좋다.
입력 단자(Vt)에는 측정된 온도에 대응하는 전압이 공급된다. 입력 단자(Vt)는 3개의 콤퍼레이터(113) 각각의 비반전 입력 단자에 공급된다.
입력 단자(Vt)에 공급된 전압과 각 콤퍼레이터(113)의 반전 입력 단자의 전압의 비교 결과에 대응하여, 각 콤퍼레이터의 출력 단자(출력 단자(OUT51), 출력 단자(OUT52), 출력 단자(OUT53))로부터 신호가 출력되어 온도를 판정할 수 있다.
OS 트랜지스터는 온도가 상승하면 저항값이 작아지는 성질을 가진다. 이 성질을 이용하여, 환경 온도를 전압으로 변환할 수 있다. 이 전압을 예를 들어 입력 단자(Vt)에 공급하면 좋다.
논리 회로(182)는 온도 센서(TS)의 출력을 검지하고, 조전지(120)가 동작할 수 있는 온도 범위를 넘은 경우, 트랜지스터(140) 및(또는) 트랜지스터(150)를 비도통으로 하여 충전 및(또는) 방전을 정지하는 구성으로 하여도 좋다.
<전지 셀>
전지 셀(121)로서 앞의 실시형태에 나타낸 이차 전지(200)를 사용할 수 있다.
<트랜지스터>
본 발명의 일 형태의 구성에서는, OS 트랜지스터를 가지는 기억 소자를 사용하는 구성으로 함으로써, 오프 시에 소스와 드레인 사이를 흐르는 누설 전류(이하, 오프 전류)가 매우 낮다는 것을 이용하여 참조 전압을 기억 소자에 유지시킬 수 있다. 이때, 기억 소자의 전원을 오프 상태로 할 수 있기 때문에, OS 트랜지스터를 가지는 기억 소자를 사용함으로써 매우 낮은 소비 전력으로 참조 전압을 유지시킬 수 있다.
또한 OS 트랜지스터를 가지는 기억 소자는 아날로그 전위를 유지할 수 있다. 예를 들어 이차 전지의 전압을 아날로그-디지털 변환 회로를 사용하여 디지털값으로 변환하지 않고, 기억 소자에 유지할 수 있다. 변환 회로가 불필요하므로 회로 면적을 축소할 수 있다.
또한 OS 트랜지스터를 사용한 기억 소자에서는 전하를 충전 또는 방전함으로써 참조 전압의 재기록 및 판독을 할 수 있게 되기 때문에, 실질적으로 횟수 제한 없이 모니터 전압의 취득 및 판독을 할 수 있다. OS 트랜지스터를 사용한 기억 소자는 자기 메모리 또는 저항 변화형 메모리 등과 달리 원자 레벨에서의 구조 변화가 없기 때문에 재기록 내성이 우수하다. 또한 OS 트랜지스터를 사용한 기억 소자는 플래시 메모리와 달리 반복적인 재기록 동작을 수행하여도 전자 포획 중심의 증가로 인한 불안정성이 보이지 않는다.
또한 OS 트랜지스터는 오프 전류가 매우 낮고, 고온 환경하에서도 스위칭 특성이 양호하다는 특성을 가진다. 그러므로 고온 환경하에서도 조전지(120)의 충전 또는 방전을 오동작 없이 제어할 수 있다.
또한 OS 트랜지스터를 사용한 기억 소자는 Si 트랜지스터를 사용한 회로 위 등에 적층함으로써 자유롭게 배치될 수 있기 때문에, 집적화를 용이하게 할 수 있다. 또한 OS 트랜지스터는 Si 트랜지스터와 같은 제조 장치를 사용하여 제작할 수 있으므로 저비용으로 제작할 수 있다.
또한 OS 트랜지스터는 게이트 전극, 소스 전극, 및 드레인 전극에 더하여, 백 게이트 전극을 포함하면, 4단자의 반도체 소자로 할 수 있다. 게이트 전극 또는 백 게이트 전극에 공급하는 전압에 따라, 소스와 드레인 사이를 흐르는 신호의 입출력을 독립적으로 제어할 수 있는 전기 회로망으로 구성할 수 있다. 그러므로 LSI와 같은 사상으로 회로 설계를 수행할 수 있다. 그리고 OS 트랜지스터는 고온 환경하에서 Si 트랜지스터보다 뛰어난 전기 특성을 가진다. 구체적으로는 100℃ 이상 200℃ 이하, 바람직하게는 125℃ 이상 150℃ 이하와 같은 높은 온도에서도 온 전류와 오프 전류의 비가 크기 때문에 양호한 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
트랜지스터(162)로서 OS 트랜지스터를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 트랜지스터(132)로서 OS 트랜지스터를 사용하여도 좋다.
또한 콤퍼레이터를 OS 트랜지스터를 사용하여 구성하여도 좋다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는, 본 발명의 일 형태의 전지 제어 회로가 가지는 검출 회로의 일례에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 형태에 따른 반도체 장치는 충방전 중의 이차 전지에서 이차 전지의 양극 음극 간 전위를 소정의 시간마다 샘플링(취득)하고, 샘플링한 전위와 샘플링 후의 양극 음극 간 전위를 비교함으로써, 마이크로 단락으로 인한 순간적인 전위 변동(여기서는 전위 강하)을 검출하는 기능을 가진다. 소정의 시간마다 샘플링을 반복함으로써, 충방전 중에서의 이차 전지의 전위 변동에 대응할 수 있고, 상기 반도체 장치는 이차 전지의 양극 음극 간 전위를 사용하여 동작시킬 수 있다.
또한 본 실시형태에서는, 충전 중의 이차 전지에서 이차 전지 및 반도체 장치의 전위 변동을 타이밍 차트 등을 사용하여 설명한다. 방전 중의 전위 변동에 대해서는, 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있기 때문에 이의 설명은 생략한다.
<검출 회로의 일례>
도 14의 (A)는 검출 회로(MSD)의 구성예를 나타낸 회로도이다. 검출 회로(MSD)는 트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15), 용량 소자(C11), 및 콤퍼레이터(50)를 가진다. 또한 본 명세서 등에서 설명하는 도면에서는, 주된 신호의 흐름을 화살표 또는 선으로 나타내고, 전원선 등은 생략하는 경우가 있다. 검출 회로(MSD)가 가지는 콤퍼레이터(50)로서 히스테리시스 콤퍼레이터를 사용하여도 좋다. 또한 검출 회로(MSD)는 복수의 직렬로 접속된 전지 셀에 대하여 검출을 수행하여도 좋고, 각 전지 셀에 대하여 검출을 수행하여도 좋다.
또한 도 14의 (A)에 나타낸 검출 회로(MSD)는 단자(VC1), 소정의 전위(VB1)가 공급되는 배선(VB1_IN), 소정의 전위(VB2)가 공급되는 배선(VB2_IN), 샘플링 신호가 공급되는 배선(SH_IN), 및 출력 단자(S_OUT)를 가진다.
여기서, 소정의 전위(VB1)는 소정의 전위(VB2)보다 높은 전위이고, 소정의 전위(VB2)는 단자(VSSS)의 전위보다 높은 전위이다.
도 14의 (B)는 검출 회로(MSD)가 가지는 트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15)가 제 2 게이트를 가지는 점에서 도 14의 (A)와 상이하다.
도 14의 (C)는 단자(VSSS)를 가지는 점, 배선(VB1_IN)에 접속되는 기억 소자(114)를 가지는 점, 및 배선(VB2_IN)에 접속되는 기억 소자(114)를 가지는 점에서 도 14의 (B)와 상이하다. 또한 도 14의 (C)에서 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 한쪽과, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽과, 용량 소자(C11)의 한쪽 전극은 단자(VSSS)에 전기적으로 접속된다. 전위(VB1) 및 전위(VB2)가 기억 소자(114)를 통하여 각각 배선(VB1_IN) 및 배선(VB2_IN)에 인가되기 때문에, 기억 소자(114)에 의하여 인가한 전위를 유지할 수 있다. 따라서, 전위(VB1) 및 전위(VB2)를 공급하는 전압 생성 회로의 전원을 오프로 하거나, 또는 대기 상태로 할 수 있다.
트랜지스터(11) 내지 트랜지스터(15)는 n채널형 트랜지스터이다. 본 명세서 등에서는 검출 회로(MSD)를 n채널형 트랜지스터를 사용하여 구성한 예를 나타내었지만, p채널형 트랜지스터이어도 좋다. n채널형 트랜지스터를 사용하여 구성한 회로도에서 트랜지스터가 p채널형으로 변경된다는 것은 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있기 때문에 그 설명은 생략한다.
검출 회로(MSD)에서 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(VSSS)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(11)의 게이트는 배선(VB1_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(12)의 게이트는 단자(VC1)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(VSSS)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(14)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 콤퍼레이터(50)의 반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(13)의 게이트는 배선(VB2_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(14)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(14)의 게이트는 단자(VC1)에 전기적으로 접속된다.
또한 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 용량 소자(C11)의 다른 쪽 단자 및 콤퍼레이터(50)의 비반전 입력 단자에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(15)의 게이트는 배선(SH_IN)에 전기적으로 접속되고, 용량 소자(C11)의 한쪽 단자는 단자(VSSS)에 전기적으로 접속되고, 콤퍼레이터(50)의 출력 단자는 출력 단자(S_OUT)에 전기적으로 접속된다. 또한 용량 소자(C11)의 한쪽 단자는 소정의 전위가 공급되는 배선이면 단자(VSSS) 외의 배선에 전기적으로 접속되어도 좋다.
여기서, 트랜지스터(11)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 트랜지스터(12)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 및 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 한쪽이 전기적으로 접속된 접속부를 노드(N11)라고 부르고, 트랜지스터(13)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 트랜지스터(14)의 소스 및 드레인 중 한쪽, 및 콤퍼레이터(50)의 반전 입력 단자가 전기적으로 접속된 접속부를 노드(N12)라고 부르고, 트랜지스터(15)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽, 용량 소자(C11)의 다른 쪽 단자, 및 콤퍼레이터(50)의 비반전 입력 단자가 전기적으로 접속된 접속부를 노드(N13)라고 부른다.
또한 트랜지스터(11) 및 트랜지스터(12)는 제 1 소스 폴로어를 구성하고, 트랜지스터(13) 및 트랜지스터(14)는 제 2 소스 폴로어를 구성한다. 즉, 트랜지스터(11)의 게이트는 제 1 소스 폴로어의 입력에 상당하고, 제 1 소스 폴로어는 노드(N11)에 출력을 한다. 트랜지스터(13)의 게이트는 제 2 소스 폴로어의 입력에 상당하고, 제 2 소스 폴로어는 노드(N12)에 출력을 한다.
검출 회로(MSD)의 동작의 일례에 대하여 도 14의 (C)에 나타낸 회로를 사용하여 설명한다.
조전지에서 충전이 시작되면, 배선(SH_IN)으로 공급되는 샘플링 신호는 소정의 시간마다 하이 레벨이 된다. 전위(VB1)로서 전위(VB2)보다 높은 전위를 인가한다. 충전에 따라 노드(N11)의 전위 및 노드(N12)의 전위가 상승한다.
마이크로 단락의 발생에 의하여 양극 전위가 순간적으로 저하하면, 노드(N11) 및 노드(N12)의 전위는 순간적으로 저하한다. 한편, 배선(SH_IN)으로 공급되는 샘플링 신호가 로 레벨인 경우, 노드(N13)의 전위는 노드(N11)의 전위로 인한 영향을 받지 않고, 노드(N12)의 전위가 노드(N13)의 전위보다 낮아진다. 그리고 콤퍼레이터(50)의 출력이 반전되고, 마이크로 단락이 검출된다.
또한 마이크로 단락의 검출 정밀도를 높이기 위하여, 이차 전지의 전압을 아날로그 디지털 변환 회로에 의하여 디지털 데이터로 변환하고, 프로세서 유닛 등을 사용하여 상기 디지털 데이터를 바탕으로 연산을 수행하고, 충전의 파형 또는 방전의 파형을 해석함으로써, 마이크로 단락의 검출 또는 마이크로 단락의 예측을 수행하여도 좋다. 예를 들어 충전의 파형 또는 방전의 파형에 있어서, 각 시간 단계의 전압 오차의 변위를 사용하여 마이크로 단락의 검출 또는 예측을 수행한다. 전압 오차의 변위란, 전압 오차를 산출하고, 앞의 단계와의 차를 산출함으로써 구할 수 있다.
마이크로 단락의 검출 정밀도를 높이기 위하여 신경망을 사용하여도 좋다.
신경망이란 방법이며, 신경망부(예를 들어 CPU(Central Processor Unit), GPU(Graphics Processing Unit), APU(Accelerated Processing Unit), 메모리 등을 포함함)로 수행하는 신경망 처리이다. 또한 APU는 CPU와 GPU를 하나로 통합한 칩을 가리킨다.
디바이스에 탑재되는 이차 전지의 방전은 사용자의 사용 방법에 의존하기 쉽기 때문에 랜덤으로 일어나지만, 충전은 충전 조건이 정해져 있기 때문에 방전에 비하여 그 곡선을 예상하기 쉽다고 할 수 있다. 어느 정도 많은 수의 충전 곡선을 학습용 데이터로 함으로써, 신경망을 사용하여 정확한 값을 예측할 수 있다. 충전 곡선을 취득하면, 신경망을 이용하여 SOC(State of charge) 등을 얻을 수 있다. 신경망의 연산에는 예를 들어 마이크로프로세서 등을 사용하면 좋다.
구체적으로는, 얻어지는 다양한 데이터를 기계 학습 또는 인공 지능을 사용하여 평가 및 학습하고, 예상되는 이차 전지의 열화 상태를 해석하고, 이상이 있는 경우에는 이차 전지에 대한 충전을 정지하거나, 또는 정전류 충전의 전류 밀도를 조정한다.
예를 들어 전기 자동차에서, 주행 중에 학습 데이터를 취득할 수 있어 이차 전지의 열화 상태를 파악할 수 있다. 또한 이차 전지의 열화 상태의 예측에는 신경망을 사용한다. 신경망은 은닉층을 복수로 가지는 신경망, 즉 심층 신경망에 의하여 구성할 수 있다. 또한 심층 신경망에서의 학습을 심층 학습이라고 부르는 경우가 있다.
기계 학습은, 우선 학습 데이터로부터 특징값을 추출한다. 시간에 따라 변화하는 상대적 변화량을 특징값으로서 추출하고, 추출된 특징값에 의거하여 신경망을 학습시킨다. 학습 수단은 시간 구간마다 서로 상이한 학습 패턴에 의거하여 신경망을 학습시킬 수 있다. 학습 데이터에 의거한 학습 결과에 따라서 신경망에 적용된 결합 가중치를 갱신할 수 있다.
신경망을 사용하여 수행하는 이차 전지의 충전 상태의 추정 방법으로서는, 회귀 모델, 예를 들어 칼만 필터 등을 사용하여 계산 처리하여 얻을 수 있다.
칼만 필터는 무한 임펄스 응답 필터의 일종이다. 또한 중회귀 분석은 다변량 해석의 하나이고, 회귀 분석의 독립 변수를 복수로 한 것이다. 중회귀 분석으로서는 최소 제곱법 등이 있다. 회귀 분석에서는 관측값의 시계열이 많이 필요하지만, 칼만 필터는 어느 정도의 데이터 축적이 있기만 하면 축차적으로 최적의 보정 계수를 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 또한 칼만 필터는 비정상(非定常) 시계열에 대해서도 적용할 수 있다.
이차 전지의 내부 저항 및 충전율(SOC)을 추정하는 방법으로서, 비선형 칼만 필터(구체적으로는 무향 칼만 필터(unscented Kalman filter)(UKF라고도 함))를 이용할 수 있다. 또한 확장 칼만 필터(extended Kalman filter)(EKF라고도 함)를 사용할 수도 있다. SOC란, 충전 상태(충전율이라고도 함)를 나타낸 것이고, 만충전 시를 100%, 완전 방전 시를 0%로 하는 지표이다.
최적화 알고리듬에 의하여 얻어진 초기 파라미터를 n(n은 정수, 예를 들어 50) 사이클마다 모아, 이들 데이터군을 교사 데이터로 사용하여 신경망 처리함으로써 정밀도가 높은 SOC 추정을 수행할 수 있다.
학습 시스템은 교사 데이터 작성 장치 및 학습 장치를 가진다. 교사 데이터 작성 장치는 학습 장치가 학습할 때 이용하는 교사 데이터를 작성한다. 교사 데이터란 처리 대상 데이터와 인식 대상이 동일한 데이터와, 그 데이터에 대응하는 라벨의 평가를 포함한다. 교사 데이터 작성 장치는 입력 데이터 취득부, 평가 취득부, 교사 데이터 작성부를 가진다. 입력 데이터 취득부는 기억 장치에 기억된 데이터로부터 취득하여도 좋고, 인터넷을 통하여 학습의 입력 데이터를 취득하여도 좋고, 입력 데이터란 학습에 사용하는 데이터이며, 이차 전지의 전류값이나 전압값을 포함한다. 또한 교사 데이터로서는 실측 데이터가 아니어도 좋고, 초기 파라미터를 바꿈으로써 다양성을 가지게 하여 실측에 가까운 데이터를 작성하고, 이들의 소정의 특성 데이터베이스를 교사 데이터로서 사용하여 신경망 처리함으로써 충전율(SOC)을 추정하여도 좋다. 어떤 하나의 전지의 충방전 특성을 바탕으로 실측에 가까운 데이터를 작성하고, 이들의 소정의 특성 데이터베이스를 교사 데이터로서 사용하여 신경망 처리함으로써, 같은 종류의 전지의 SOC 추정을 효율적으로 수행할 수도 있다.
이차 전지의 열화가 진행된 경우, 초기 파라미터의 FCC가 크게 변화하면SOC의 오차가 생길 우려가 있기 때문에, SOC의 추정을 위한 연산에 사용하는 초기 파라미터를 갱신하여도 좋다. 갱신하는 초기 파라미터는 미리 실측한 충방전 특성의 데이터를 사용하여 최적화 알고리듬에 의하여 산출한다. 갱신된 초기 파라미터를 사용한 회귀 모델, 예를 들어 칼만 필터로 계산 처리함으로써, 열화 후이어도 정밀도가 높은 SOC 추정을 수행할 수 있다. 본 명세서에서는 칼만 필터를 사용하여 계산 처리하는 것을 '칼만 필터 처리한다'라고도 표현한다.
초기 파라미터를 갱신하는 타이밍은 임의로 정할 수 있지만, 높은 정밀도로 SOC를 추정하기 위해서는 갱신 빈도는 높은 것이 바람직하고, 정기적 및 연속적으로 갱신하는 것이 바람직하다. 또한 이차 전지의 온도가 높은 상태에서 SOC가 높으면 열화가 진행되기 쉬운 경우가 있다. 이와 같은 경우에는, 이차 전지의 방전을 수행하여 SOC를 낮춤으로써 이차 전지의 열화를 억제하는 것이 바람직하다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 6)
본 실시형태에서는 콤퍼레이터의 구성예에 대하여 설명한다.
도 15의 (A)에서는, 앞의 실시형태에서 설명한 콤퍼레이터(50)의 구성의 일례를 나타내었다. 콤퍼레이터(50)는 트랜지스터(21) 내지 트랜지스터(25)를 가진다. 또한 콤퍼레이터(50)는 이차 전지의 음극 전위가 공급되는 배선(VBM_IN), 이차 전지의 양극 전위(VBP)가 공급되는 배선(VBP_IN), 소정의 전위(VB3)가 공급되는 배선(VB3_IN), 입력 단자(CP1_IN), 입력 단자(CM1_IN), 출력 단자(CP1_OUT), 및 출력 단자(CM1_OUT)를 가진다.
도 15의 (A)의 콤퍼레이터(50)를 셀 밸런스 회로(130) 및 검출 회로(185)에 적용하는 경우에는, 예를 들어 배선(VBP_IN)에는 단자(VC1)로부터 전위가 공급되고, 배선(VBM_IN)에는 단자(VC2)로부터 전위가 공급된다.
여기서, 소정의 전위(VB3)는 음극 전위(VBM)보다 높은 전위이고, 콤퍼레이터(50)에서 양극 전위(VBP)는 고전원 전위이고, 음극 전위(VBM)는 저전원 전위이다.
콤퍼레이터(50)에서 트랜지스터(21)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 배선(VBM_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(21)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(22)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 트랜지스터(24)의 소스 및 드레인 중 한쪽에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(21)의 게이트는 배선(VB3_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(22)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(23)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 출력 단자(CM1_OUT)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(23)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(23)의 게이트는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(22)의 게이트는 입력 단자(CP1_IN)에 전기적으로 접속된다.
트랜지스터(24)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 트랜지스터(25)의 소스 및 드레인 중 한쪽 및 출력 단자(CP1_OUT)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(25)의 소스 및 드레인 중 다른 쪽 및 트랜지스터(25)의 게이트는 배선(VBP_IN)에 전기적으로 접속되고, 트랜지스터(24)의 게이트는 입력 단자(CM1_IN)에 전기적으로 접속된다.
또한 도 15의 (A)에 나타낸 회로를 병렬로 여러 개 접속하여 콤퍼레이터(50)로서 사용하여도 좋다. 즉, 도 15의 (A)에 나타낸 콤퍼레이터의 출력을 다음 단의 콤퍼레이터(50)에 입력함으로써, 복수의 콤퍼레이터를 접속하여 사용하여도 좋다.
또한 도 15의 (A)에 나타낸 회로가 가지는 트랜지스터는 도 15의 (B)에 나타낸 바와 같이 백 게이트를 가져도 좋다. 유지 회로(99)에 의하여 백 게이트에 전압을 공급하고 유지할 수 있다. 유지 회로(99)에서 트랜지스터(99a)의 소스 및 드레인 중 한쪽은 단자(SH_99)에 전기적으로 접속되고, 다른 쪽은 트랜지스터(22)의 백 게이트, 트랜지스터(24)의 백 게이트, 및 용량 소자(99b)의 한쪽 전극에 전기적으로 접속된다.
유지 회로(99)에서, 백 게이트에 공급하는 전압을 단자(SH_99)에 공급하고, 트랜지스터(99a)를 온 상태로 하여 트랜지스터(22) 및 트랜지스터(24)의 백 게이트에 전압을 공급한 후, 트랜지스터(99a)를 오프 상태로 함으로써 백 게이트의 전압을 유지할 수 있다. 트랜지스터(99a)로서 OS 트랜지스터를 사용함으로써, 오프일 때 소스와 드레인 사이를 흐르는 누설 전류(이하, 오프 전류)가 매우 작아지기 때문에 원하는 전압을 트랜지스터(22) 및 트랜지스터(24)의 백 게이트에 유지시킬 수 있다.
단자(SH_99)에 공급되는 전압은, 예를 들어 이차 전지(99f)로부터 변환 회로(99e)에 공급되고, 변환 회로(99e)를 거친 후에 승압 회로(99c)에 공급되고, 승압 회로(99c)에서 승압된 후에 단자(SH_99)에 공급된다. 승압 회로(99c)에는 클록 생성 회로(99d)로부터 신호가 공급된다. 변환 회로(99e), 승압 회로(99c), 클록 생성 회로(99d)는 OS 트랜지스터를 사용하여 구성할 수 있다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치에서 기판 위에 이차 전지를 2개 이상 제공하여도 좋다. 예를 들어 축전 장치의 전력을 후술하는 전자 기기 등과 공유하기 위한 이차 전지(여기서는 제 1 이차 전지라고 부름)와는 별도로 이차 전지(99f)를 제공하여도 좋다. 이와 같은 경우, 이차 전지(99f)는 제 1 이차 전지보다 용량이 작아도 좋고, 예를 들어 0.1배 이하 또는 0.01배 이하이다.
도 12의 (B)에는 승압 회로(99c) 및 클록 생성 회로(99d)로부터 신호가 공급되는 클록 버퍼 회로(99g)의 구성의 일례를 나타내었다.
(클록 버퍼 회로)
클록 버퍼 회로(99g)는 인버터(70) 내지 인버터(75), 단자(a1) 내지 단자(a3)를 가진다. 클록 버퍼 회로(99g)는 신호(CLK_cp)로부터 신호(CK1_cp), 신호(CKB1_cp)를 생성하는 기능을 가진다. 단자(a1)는 신호(CLK_cp)의 입력 단자이고, 단자(a2), 단자(a3)는 신호(CK1_cp), 신호(CKB1_cp)의 출력 단자이다. 신호(CLK_cp)는 클록 신호이다. 본 발명의 일 형태의 축전 장치는 기준 클록 신호를 분주하여 신호(CLK_cp)를 생성하는 기능을 가져도 좋다. 신호(CK1_cp)와 신호(CKB1_cp)는 상보 관계에 있는 클록 신호이다.
(승압 회로)
승압 회로(99c)는 강압형 차지 펌프이고, 전위(GND)를 강압시켜 전위(Vcp1)를 생성하는 기능을 가진다. 또한 입력 전위는 전위(GND)에 한정되지 않는다. 승압 회로(99c)는 트랜지스터(MN61) 내지 트랜지스터(MN65), 용량 소자(C61) 내지 용량 소자(C65)를 가진다. 승압 회로(99c)의 단의 수는 5개이지만, 단의 수는 이에 한정되지 않는다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 7)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 축전 장치를 사용한 전자 기기의 예에 대하여 도 16 및 도 17의 (A) 내지 (C)를 사용하여 설명한다. 본 발명의 일 형태의 축전 장치는 이차 전지와 전지 제어 회로를 동일 기판 위에 제공할 수 있기 때문에 전자 기기의 소형화가 가능해지며 이차 전지의 안전성을 높일 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태의 축전 장치는 기판 위에 제공할 수 있기 때문에 얇다는 특징이 있다.
도 16은 본 발명의 일 형태의 축전 장치를 사용한 응용 기기의 일례인 IC 카드이다. 전파(3005)로부터의 급전에 의하여 얻어진 전력을 축전 장치가 가지는 박막형 이차 전지(3001)에 충전할 수 있다. IC 카드(3000) 내부에는 안테나 및 IC(3004)나, 박막형 이차 전지(3001)가 배치되어 있다. IC 카드(3000) 위에는 관리 배지를 장착하는 작업자의 ID(3002) 및 사진(3003)이 표시되어 있다. 박막형 이차 전지(3001)에 충전된 전력을 사용하여 안테나로부터 인증 신호 등의 신호를 발신할 수도 있다.
본 발명의 일 형태의 축전 장치는 ID(3002) 및 사진(3003)을 표시하기 위하여 표시 장치를 가져도 좋다. 표시 장치는 예를 들어 표시부와, 표시부에 화상 신호를 공급하는 구동 회로를 가진다. 상기 구동 회로는 예를 들어 앞의 실시형태에 나타낸 OS 트랜지스터를 복수로 사용한 구성으로 할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 축전 장치에서는 이차 전지와 OS 트랜지스터를 동일 기판 위에 제공할 수 있다. 따라서 OS 트랜지스터를 사용하여 상기 구동 회로를 제공함으로써, 동일 기판 위에 이차 전지와, 구동 회로 또는 구동 회로의 적어도 일부를 제공할 수 있다. 따라서 IC 카드의 박막화, 경량화, 내구성의 향상 등이 가능해진다.
표시 장치로서 예를 들어 액티브 매트릭스 표시 장치를 제공하여도 좋다. 액티브 매트릭스 표시 장치로서는 반사형 액정 표시 장치나 유기 EL 표시 장치나 전자 종이 등이 있다. 액티브 매트릭스 표시 장치에 영상(동영상 또는 정지 화상)이나 시간을 표시시킬 수도 있다. 액티브 매트릭스 표시 장치의 전력은 박막형 이차 전지(3001)로부터 공급할 수 있다.
IC 카드에는 플라스틱 기판이 사용되기 때문에, 플렉시블 기판을 사용한 유기 EL 표시 장치가 바람직하다.
또한 사진(3003) 대신에 태양 전지를 제공하여도 좋다. 외광의 조사에 의하여 광을 흡수하여 전력을 발생시키고, 그 전력을 박막형 이차 전지(3001)에 충전할 수 있다.
또한 박막형 이차 전지는 IC 카드에 한정되지 않고, 차재용으로서 사용되는 와이어리스 센서의 전원, MEMS 디바이스용 이차 전지 등에 사용할 수 있다.
도 17의 (A)는 웨어러블 디바이스의 예를 나타낸 것이다. 웨어러블 디바이스는 전원으로서 이차 전지를 사용한다. 또한 사용자가 일상 생활 또는 옥외에서 사용하는 데에 있어, 방말(防沫) 성능, 내수 성능, 또는 방진 성능을 높이기 위하여, 접속되는 커넥터 부분이 노출되는 유선으로의 충전뿐만 아니라 무선 충전도 가능한 웨어러블 디바이스가 요구되고 있다.
예를 들어 도 17의 (A)에 나타낸 바와 같은 안경형 디바이스(400)에 본 발명의 일 형태인 축전 장치를 탑재할 수 있다. 안경형 디바이스(400)는 프레임(400a)과 표시부(400b)를 가진다. 만곡을 가지는 프레임(400a)의 템플부에 이차 전지를 가지는 축전 장치를 탑재함으로써, 경량이면서 중량 밸런스가 좋고, 계속 사용 시간이 긴 안경형 디바이스(400)로 할 수 있다. 본 발명의 일 형태인 이차 전지를 제공함으로써, 하우징의 소형화에 따른 공간 절약화에 대응할 수 있는 구성을 실현할 수 있다.
또한 헤드셋형 디바이스(401)에 본 발명의 일 형태인 이차 전지를 탑재할 수 있다. 헤드셋형 디바이스(401)는 적어도 마이크로폰부(401a)와, 플렉시블 파이프(401b)와, 이어폰부(401c)를 가진다. 플렉시블 파이프(401b) 내나 이어폰부(401c) 내에 이차 전지를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 형태인 이차 전지를 제공함으로써, 하우징의 소형화에 따른 공간 절약화에 대응할 수 있는 구성을 실현할 수 있다.
또한 몸에 직접 장착할 수 있는 디바이스(402)에 본 발명의 일 형태인 이차 전지를 탑재할 수 있다. 디바이스(402)의 박형의 하우징(402a) 내에 이차 전지를 가지는 축전 장치(402b)를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 형태인 이차 전지를 제공함으로써, 하우징의 소형화에 따른 공간 절약화에 대응할 수 있는 구성을 실현할 수 있다.
또한 옷에 장착할 수 있는 디바이스(403)에 본 발명의 일 형태인 축전 장치를 탑재할 수 있다. 디바이스(403)의 박형의 하우징(403a) 내에 이차 전지를 가지는 축전 장치(403b)를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 형태인 이차 전지를 제공함으로써, 하우징의 소형화에 따른 공간 절약화에 대응할 수 있는 구성을 실현할 수 있다.
또한 벨트형 디바이스(406)에 본 발명의 일 형태인 축전 장치를 탑재할 수 있다. 벨트형 디바이스(406)는 벨트부(406a) 및 와이어리스 급전 수전부(406b)를 가지고, 벨트부(406a)의 내부에 이차 전지를 가지는 축전 장치를 탑재할 수 있다. 본 발명의 일 형태인 축전 장치를 제공함으로써, 하우징의 소형화에 따른 공간 절약화에 대응할 수 있는 구성을 실현할 수 있다.
또한 손목시계형 디바이스(405)에 본 발명의 일 형태인 축전 장치를 탑재할 수 있다. 손목시계형 디바이스(405)는 표시부(405a) 및 벨트부(405b)를 가지고, 표시부(405a) 또는 벨트부(405b)에 축전 장치를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 형태인 축전 장치를 제공함으로써, 하우징의 소형화에 따른 공간 절약화에 대응할 수 있는 구성을 실현할 수 있다.
표시부(405a)에는 시각뿐만 아니라, 메일이나 전화의 착신 등, 다양한 정보를 표시시킬 수 있다.
또한 손목시계형 디바이스(405)는 팔에 직접 장착하는 형태의 웨어러블 디바이스이기 때문에, 사용자의 맥박, 혈압 등을 측정하는 센서를 탑재하여도 좋다. 사용자의 운동량 및 건강에 관한 데이터를 축적하여 건강 관리를 할 수 있다.
도 17의 (B)에, 팔에서 푼 손목시계형 디바이스(405)의 사시도를 나타내었다.
또한 측면도를 도 17의 (C)에 나타내었다. 도 17의 (C)에는, 내부에 이차 전지를 가지는 축전 장치(913)를 내장한 상태를 나타내었다. 축전 장치(913)는 표시부(405a)와 중첩되는 위치에 제공되어 있고, 소형이며 가볍다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
(실시형태 8)
본 실시형태에서는 본 발명의 일 형태의 축전 장치를 사용한 전자 기기에 대하여 도 18의 (A) 및 (B), 그리고 도 19의 (A) 내지 (D)를 사용하여 설명한다. 본 발명의 일 형태의 축전 장치는 이차 전지와 전지 제어 회로를 동일 기판 위에 제공할 수 있기 때문에 전자 기기의 소형화가 가능해지며 이차 전지의 안전성을 높일 수 있다. 또한 본 발명의 일 형태의 축전 장치는 기판 위에 제공할 수 있기 때문에 얇다는 특징이 있다.
도 18의 (A)에 손목시계형 휴대 정보 단말기(스마트워치(등록 상표)라고도 부름)(700)의 사시도를 나타내었다. 휴대 정보 단말기(700)는 하우징(701), 표시 패널(702), 버클(703), 밴드(705A), 밴드(705B), 조작 버튼(711), 조작 버튼(712)을 가진다.
표시 패널로서 예를 들어 액티브 매트릭스 표시 장치를 제공하여도 좋다. 액티브 매트릭스 표시 장치로서는 반사형 액정 표시 장치나 유기 EL 표시 장치나 전자 종이 등이 있다. 액티브 매트릭스 표시 장치에 영상(동영상 또는 정지 화상)이나 시간을 표시시킬 수도 있다. 액티브 매트릭스 표시 장치의 전력은 박막형 이차 전지로부터 공급할 수 있다. 또한 플렉시블 기판을 사용한 유기 EL 표시 장치를 사용하여도 좋다.
상기 표시 장치는 표시 패널과, 표시 패널에 화상 신호를 공급하는 구동 회로를 가진다. 상기 구동 회로는 예를 들어 앞의 실시형태에 나타낸 OS 트랜지스터를 복수로 사용한 구성으로 할 수 있다. 본 발명의 일 형태의 축전 장치에서는 이차 전지와 OS 트랜지스터를 동일 기판 위에 제공할 수 있다. 따라서 OS 트랜지스터를 사용하여 상기 구동 회로를 제공함으로써, 동일 기판 위에 이차 전지와, 구동 회로 또는 구동 회로의 적어도 일부를 제공할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 형태의 휴대 정보 단말기의 소형화, 경량화, 내구성의 향상 등이 가능해진다.
베젤부를 겸하는 하우징(701)에 탑재된 표시 패널(702)은 직사각형의 표시 영역을 가진다. 또한 상기 표시 영역은 곡면을 구성한다. 표시 패널(702)은 가요성을 가지는 것이 바람직하다. 또한 표시 영역은 비직사각형이어도 좋다.
밴드(705A) 및 밴드(705B)는 하우징(701)과 접속된다. 버클(703)은 밴드(705A)와 접속된다. 밴드(705A)와 하우징(701)은 예를 들어 접속부를 회전시킬 수 있도록 핀을 통하여 접속된다. 밴드(705B)와 하우징(701), 그리고 밴드(705A)와 버클(703)의 접속에 대해서도 마찬가지이다.
도 18의 (B)에 밴드(705A)의 사시도를 나타내었다. 밴드(705A)는 축전 장치를 가진다. 축전 장치로서는 예를 들어 앞의 실시형태에서 설명한 축전 장치를 사용할 수 있다. 축전 장치는 밴드(705A)의 내부에 매립되고, 축전 장치가 가지는 이차 전지의 양극 리드(751) 및 음극 리드(752)는 각각 일부가 밴드(705A)로부터 돌출되어 있다(도 18의 (B) 참조). 양극 리드(751) 및 음극 리드(752)는 표시 패널(702)과 전기적으로 접속된다. 또한 상기 핀이 전극의 기능을 가져도 좋다. 구체적으로는, 양극 리드(751) 및 표시 패널(702), 그리고 음극 리드(752) 및 표시 패널(702)이 각각 밴드(705A)와 하우징(701)을 접속하는 핀을 통하여 전기적으로 접속되어도 좋다. 이로써 밴드(705A) 및 하우징(701)의 접속부에서의 구성을 간략화할 수 있다.
축전 장치는 가요성을 가진다. 그러므로 밴드(705A)는 축전 장치와 일체로 형성함으로써 제작할 수 있다. 예를 들어 밴드(705A)의 외형에 대응하는 금형에 축전 장치를 세팅하고 밴드(705A)의 재료를 상기 금형에 부어 넣고, 상기 재료를 경화시킴으로써 도 18의 (B)에 나타낸 밴드(705A)를 제작할 수 있다.
밴드(705A)의 재료로서 고무 재료를 사용하는 경우, 가열 처리에 의하여 고무를 경화시킨다. 예를 들어 고무 재료로서 플루오린 고무를 사용하는 경우, 170℃에서 10분 동안 가열 처리를 수행함으로써 경화시킨다. 또한 고무 재료로서 실리콘(silicone) 고무를 사용하는 경우, 150℃에서 10분 동안 가열 처리를 수행함으로써 경화시킨다.
밴드(705A)에 사용하는 재료로서는 플루오린 고무, 실리콘 고무 외에 플루오로실리콘 고무, 우레탄 고무를 들 수 있다.
또한 도 18의 (A)에 나타낸 휴대 정보 단말기(700)는 다양한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어 다양한 정보(정지 화상, 동영상, 텍스트 화상 등)를 표시 영역에 표시하는 기능, 터치 패널 기능, 달력, 날짜, 또는 시각 등을 표시하는 기능, 다양한 소프트웨어(프로그램)에 의하여 처리를 제어하는 기능, 무선 통신 기능, 무선 통신 기능을 사용하여 다양한 컴퓨터 네트워크에 접속하는 기능, 무선 통신 기능을 사용하여 다양한 데이터를 송신 또는 수신하는 기능, 기록 매체에 저장되어 있는 프로그램 또는 데이터를 판독하여 표시 영역에 표시하는 기능 등을 가질 수 있다.
또한 하우징(701) 내부에 스피커, 센서(힘, 변위, 위치, 속도, 가속도, 각속도, 회전수, 거리, 광, 액체, 자기, 온도, 화학 물질, 음성, 시간, 경도(硬度), 전기장, 전류, 전압, 전력, 방사선, 유량, 습도, 경사도, 진동, 냄새, 또는 적외선을 측정하는 기능을 포함하는 것), 마이크로폰 등을 가질 수 있다. 또한 휴대 정보 단말기(700)는 발광 소자를 그 표시 패널(702)에 사용함으로써 제작할 수 있다.
또한 도 18의 (A)에서는 축전 장치가 밴드(705A)에 포함되는 예를 나타내었지만 축전 장치가 밴드(705B)에 포함되어도 좋다. 밴드(705B)로서는 밴드(705A)와 같은 재료를 사용할 수 있다.
도 19의 (A)는 로봇 청소기의 일례를 나타낸 것이다. 로봇 청소기(6300)는 하우징(6301) 상면에 배치된 표시부(6302), 측면에 배치된 복수의 카메라(6303), 브러시(6304), 조작 버튼(6305), 각종 센서 등을 가진다. 도시하지 않았지만, 로봇 청소기(6300)에는 타이어, 흡입구 등이 제공되어 있다. 로봇 청소기(6300)는 자주식이고, 먼지(6310)를 검지하고, 하면에 제공된 흡입구로부터 먼지를 흡입할 수 있다.
예를 들어 로봇 청소기(6300)는 카메라(6303)가 촬영한 화상을 해석하여 벽, 가구, 또는 단차 등의 장애물의 유무를 판단할 수 있다. 또한 화상 해석에 의하여, 배선 등 브러시(6304)에 얽히기 쉬운 물체를 검지한 경우에는 브러시(6304)의 회전을 멈출 수 있다. 로봇 청소기(6300)는 내부에 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치와, 반도체 장치 또는 전자 부품을 가진다. 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 로봇 청소기(6300)에 사용함으로써, 로봇 청소기(6300)를 가동 시간이 길고 신뢰성이 높은 전자 기기로 할 수 있다.
도 19의 (B)는 로봇의 일례를 나타낸 것이다. 도 19의 (B)에 나타낸 로봇(6400)은 축전 장치(6409), 조도 센서(6401), 마이크로폰(6402), 상부 카메라(6403), 스피커(6404), 표시부(6405), 하부 카메라(6406), 장애물 센서(6407), 이동 기구(6408), 연산 장치 등을 가진다.
마이크로폰(6402)은 사용자의 목소리 및 환경음 등을 검지하는 기능을 가진다. 또한 스피커(6404)는 음성을 발하는 기능을 가진다. 로봇(6400)은 마이크로폰(6402) 및 스피커(6404)를 사용하여 사용자와의 의사소통을 할 수 있다.
표시부(6405)는 각종 정보의 표시를 수행하는 기능을 가진다. 로봇(6400)은 사용자가 원하는 정보를 표시부(6405)에 표시할 수 있다. 표시부(6405)에는 터치 패널을 탑재하여도 좋다. 또한 표시부(6405)는 탈착 가능한 정보 단말기이어도 좋고, 로봇(6400)의 정위치에 설치함으로써 충전 및 데이터의 수수를 할 수 있다.
상부 카메라(6403) 및 하부 카메라(6406)는 로봇(6400)의 주위를 촬상하는 기능을 가진다. 또한 장애물 센서(6407)는 이동 기구(6408)를 사용하여 로봇(6400)이 앞으로 갈 때의 진행 방향에서의 장애물 유무를 검지할 수 있다. 로봇(6400)은 상부 카메라(6403), 하부 카메라(6406), 및 장애물 센서(6407)를 사용하여 주위의 환경을 인식하여 안전하게 이동할 수 있다.
로봇(6400)은 내부에 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치(6409)와 전자 부품을 가진다. 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 로봇(6400)에 사용함으로써, 로봇(6400)을 가동 시간이 길고 신뢰성이 높은 전자 기기로 할 수 있다.
도 19의 (C)는 비행체의 일례를 나타낸 것이다. 도 19의 (C)에 나타낸 비행체(6500)는 프로펠러(6501), 카메라(6502), 및 축전 장치(6503) 등을 가지고, 자율적으로 비행하는 기능을 가진다.
예를 들어 카메라(6502)로 촬영된 화상 데이터는 전자 부품(6504)에 기억된다. 전자 부품(6504)은 화상 데이터를 해석하여, 이동할 때의 장애물의 유무 등을 검지할 수 있다. 또한 축전 장치(6503)는 이차 전지의 축전 용량의 변화로부터 배터리 잔량을 추정할 수 있다. 비행체(6500)는 내부에 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치(6503)를 가진다. 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 비행체(6500)에 사용함으로써, 비행체(6500)를 가동 시간이 길고 신뢰성이 높은 전자 기기로 할 수 있다.
도 19의 (D)는 자동차의 일례를 나타낸 것이다. 자동차(7160)는 축전 장치(7161), 엔진, 타이어, 브레이크, 조타 장치, 카메라 등을 가진다. 자동차(7160)는 내부에 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치(7161)를 가진다. 본 발명의 일 형태에 따른 축전 장치를 자동차(7160)에 사용함으로써, 차량의 무게를 줄일 수 있다. 또한 차량에서 차지하는 이차 전지의 용적을 줄일 수 있다. 또한 자동차(7160)를 항속 거리가 길고, 안전성이 높고, 신뢰성이 높은 자동차로 할 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 적절히 조합하여 실시할 수 있다.
11: 트랜지스터, 12: 트랜지스터, 13: 트랜지스터, 14: 트랜지스터, 15: 트랜지스터, 21: 트랜지스터, 22: 트랜지스터, 23: 트랜지스터, 24: 트랜지스터, 25: 트랜지스터, 50: 콤퍼레이터, 90: 축전 장치, 91: 전지 제어 회로, 91a: 회로, 91b: 회로, 99: 유지 회로, 99a: 트랜지스터, 99b: 트랜지스터, 100: 양극, 101: 양극 활물질층, 103: 양극 집전체, 110: 기판, 113: 콤퍼레이터, 114: 기억 소자, 120: 조전지, 121: 전지 셀, 130: 셀 밸런스 회로, 130a: 셀 밸런스 회로, 131: 저항 소자, 132: 트랜지스터, 140: 트랜지스터, 150: 트랜지스터, 161: 용량 소자, 162: 트랜지스터, 172: 트랜지스터, 182: 논리 회로, 185: 검출 회로, 185a: 검출 회로, 185c: 회로, 185d: 회로, 186: 검출 회로, 200: 이차 전지, 203: 고체 전해질층, 204: 음극 활물질층, 205: 음극 집전체, 206: 보호층, 210: 음극, 213: 고체 전해질층, 215: 양극 집전체, 300: 트랜지스터, 313: 반도체 영역, 314a: 저저항 영역, 314b: 저저항 영역, 315: 절연체, 316: 도전체, 320: 절연체, 322: 절연체, 324: 절연체, 326: 절연체, 328: 도전체, 330: 도전체, 350: 절연체, 400: 안경형 디바이스, 400a: 프레임, 400b: 표시부, 401: 헤드셋형 디바이스, 401a: 마이크로폰부, 401b: 플렉시블 파이프, 401c: 이어폰부, 402: 디바이스, 402a: 하우징, 402b: 축전 장치, 403: 디바이스, 403a: 하우징, 403b: 축전 장치, 405: 손목시계형 디바이스, 405a: 표시부, 405b: 벨트부, 406: 벨트형 디바이스, 406a: 벨트부, 406b: 와이어리스 급전 수전부, 500: 트랜지스터, 503: 도전체, 512: 절연체, 514: 절연체, 520: 절연체, 522: 절연체, 524: 절연체, 530: 산화물, 530a: 산화물, 530b: 산화물, 530c: 산화물, 540a: 도전체, 540b: 도전체, 542a: 도전체, 542b: 도전체, 543a: 영역, 543b: 영역, 544: 절연체, 550: 절연체, 560: 도전체, 560a: 도전체, 560b: 도전체, 574: 절연체, 580: 절연체, 580b: 절연체, 581: 절연체, 599: 기판, 600: 용량 소자, 610: 도전체, 610b: 도전체, 611: 절연체, 660: 센서 소자, 660a: 도전체, 660b: 층, 660c: 도전체, 700: 휴대 정보 단말기, 701: 하우징, 702: 표시 패널, 703: 버클, 705A: 밴드, 705B: 밴드, 711: 조작 버튼, 712: 조작 버튼, 751: 양극 리드, 752: 음극 리드, 913: 축전 장치, 3000: IC 카드, 3001: 박막형 이차 전지, 3002: ID, 3003: 사진, 3004: IC, 3005: 전파, 6300: 로봇 청소기, 6301: 하우징, 6302: 표시부, 6303: 카메라, 6304: 브러시, 6305: 조작 버튼, 6310: 먼지, 6400: 로봇, 6401: 조도 센서, 6402: 마이크로폰, 6403: 상부 카메라, 6404: 스피커, 6405: 표시부, 6406: 하부 카메라, 6407: 장애물 센서, 6408: 이동 기구, 6409: 축전 장치, 6500: 비행체, 6501: 프로펠러, 6502: 카메라, 6503: 축전 장치, 6504: 전자 부품, 7160: 자동차, 7161: 축전 장치

Claims (19)

  1. 축전 장치로서,
    제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 제어 회로를 가지고,
    상기 제 1 전지 셀은 상기 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 상기 양극 활물질층 위의 전해질층과, 상기 전해질층 위의 음극 활물질층과, 상기 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고,
    상기 비교 회로는 제 1 입력 단자와, 제 2 입력 단자와, 출력 단자와, 제 1 트랜지스터를 가지고,
    상기 제 1 트랜지스터는 상기 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 상기 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 상기 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 상기 게이트 전극 및 상기 제 1 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
    상기 비교 회로는 상기 제 1 전극의 전위와 원하는 기준 전위의 비교 결과에 따른 제 1 신호를 상기 출력 단자로부터 상기 제어 회로에 출력하는 기능을 가지고,
    상기 제어 회로는 상기 제 1 신호에 따라 상기 제 1 전지 셀의 충전을 제어하는 기능을 가지는, 축전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 2 트랜지스터와 용량 소자를 가지고,
    상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 2 입력 단자에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터는 산화물 반도체를 가지는, 축전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 출력 단자는 상기 제 1 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는, 축전 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    산화물 반도체를 가지는 제 2 트랜지스터와, 산화물 반도체를 가지는 제 3 트랜지스터와, 용량 소자를 가지고,
    상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 한쪽은 상기 제 2 입력 단자 및 상기 제 3 트랜지스터의 게이트에 전기적으로 접속되고,
    상기 제 2 트랜지스터의 소스 및 드레인 중 다른 쪽은 상기 용량 소자의 한쪽 전극에 전기적으로 접속되고,
    상기 출력 단자는 상기 제 3 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는, 축전 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터가 가지는 상기 게이트 전극 위의 제 2 절연체와 상기 제 2 절연체 위의 제 3 전극을 가지고,
    상기 제 1 전극은 상기 제 2 절연체 위에 위치하고,
    상기 제 1 전극과 상기 제 3 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지고,
    상기 제 3 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는, 축전 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 소스 전극 및 드레인 전극을 가지고,
    상기 제 1 전극과, 상기 제 1 트랜지스터가 가지는 상기 소스 전극과, 상기 제 1 트랜지스터가 가지는 상기 드레인 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는, 축전 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과, 상기 제 1 트랜지스터가 가지는 상기 게이트 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는, 축전 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 전지 셀과, 변환 회로와, 클록 생성 회로와, 승압 회로와, 전압 유지 회로를 가지고,
    상기 제 1 트랜지스터는 백 게이트를 가지고,
    상기 변환 회로는 상기 제 2 전지 셀의 양극 전위를 변환하고 제 2 신호로서 상기 클록 생성 회로에 공급하는 기능을 가지고,
    상기 클록 생성 회로는 상기 제 2 신호를 사용하여 클록 신호인 제 3 신호를 생성하는 기능을 가지고,
    상기 승압 회로는 상기 제 3 신호를 사용하여 제 1 전위를 생성하는 기능을 가지고,
    상기 전압 유지 회로는 상기 제 1 전위를 상기 백 게이트에 인가하고 유지하는 기능을 가지는, 축전 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 반도체 기판, SOI 기판, 및 플라스틱 기판 중 어느 것인, 축전 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은 반도체 기판이고,
    상기 제 1 기판은 실리콘을 가지고,
    채널 형성 영역이 상기 제 1 기판에 제공되는 트랜지스터를 가지는, 축전 장치.
  11. 축전 장치로서,
    제 1 기판과,
    상기 제 1 기판 위의 산화물 반도체, 상기 산화물 반도체 위의 제 1 절연체, 및 상기 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지는 제 1 트랜지스터와,
    상기 산화물 반도체 위의 제 2 절연체와,
    상기 제 2 절연체 위의 제 1 전극, 상기 제 1 전극 위의 양극 활물질층, 상기 양극 활물질층 위의 전해질층, 상기 전해질층 위의 음극 활물질층, 및 상기 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지는 제 1 전지 셀과,
    상기 제 2 절연체 위의 제 3 전극을 가지고,
    상기 제 3 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 소스 또는 드레인에 전기적으로 접속되는, 축전 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 3 전극은 타이타늄 화합물을 가지는, 축전 장치.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 트랜지스터는 채널 형성 영역에 산화물 반도체를 가지는, 축전 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 3 전극 위의 제 4 전극과, 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극에 끼워지는 제 3 절연체를 가지고,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 4 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는, 축전 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 3 전극 위의 제 4 전극과, 상기 제 3 전극과 상기 제 4 전극에 끼워지는 압전체층을 가지고,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 4 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는, 축전 장치.
  16. 축전 장치로서,
    제 1 기판과,
    상기 제 1 기판 위의 소스 전극 및 드레인 전극, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극 위의 산화물 반도체, 상기 산화물 반도체 위의 제 1 절연체, 및 상기 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지는 제 1 트랜지스터와,
    상기 제 1 기판 위의 제 1 전극, 상기 제 1 전극 위의 양극 활물질층, 상기 양극 활물질층 위의 전해질층, 상기 전해질층 위의 음극 활물질층, 및 상기 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지는 제 1 전지 셀을 가지고,
    상기 소스 전극, 상기 드레인 전극, 및 상기 제 1 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는, 축전 장치.
  17. 전자 기기로서,
    제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 제어 회로와, 압전 소자를 가지고,
    상기 제 1 전지 셀은 상기 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 상기 양극 활물질층 위의 전해질층과, 상기 전해질층 위의 음극 활물질층과, 상기 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고,
    상기 비교 회로는 제 1 트랜지스터를 가지고,
    상기 제 1 트랜지스터는 상기 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 상기 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 상기 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고,
    상기 압전 소자는 제 3 전극과, 상기 제 3 전극 위의 압전체층과, 상기 압전체층 위의 제 4 전극을 가지고,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 상기 게이트 전극에 전기적으로 접속되고,
    상기 비교 회로는 상기 제 1 전극의 전위와 원하는 전위의 비교 결과에 따른 제 1 신호를 상기 제어 회로에 출력하는 기능을 가지고,
    상기 제어 회로는 상기 제 1 신호에 따라 상기 제 1 전지 셀의 충전을 제어하는 기능을 가지는, 전자 기기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 3 전극은 각각 타이타늄 화합물을 가지는, 전자 기기.
  19. 전자 기기로서,
    제 1 기판과, 제 1 전지 셀과, 비교 회로와, 표시부와, 구동 회로를 가지고,
    상기 제 1 기판은 유리 기판, 석영 기판, 사파이어 기판, 세라믹 기판, 금속 기판, 반도체 기판, SOI 기판, 및 플라스틱 기판 중에서 선택되고,
    상기 제 1 전지 셀은 상기 제 1 기판 위의 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 위의 양극 활물질층과, 상기 양극 활물질층 위의 전해질층과, 상기 전해질층 위의 음극 활물질층과, 상기 음극 활물질층 위의 제 2 전극을 가지고,
    상기 비교 회로는 제 1 트랜지스터를 가지고,
    상기 제 1 트랜지스터는 상기 제 1 기판 위의 산화물 반도체와, 상기 산화물 반도체 위의 제 1 절연체와, 상기 제 1 절연체 위의 게이트 전극을 가지고,
    상기 제 1 전극은 상기 제 1 트랜지스터의 상기 게이트 전극에 전기적으로 접속되고,
    상기 구동 회로는 상기 표시부에 화상 신호를 공급하는 기능을 가지고,
    상기 구동 회로는 산화물 반도체를 가지는 트랜지스터를 복수로 가지는, 전자 기기.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010066161A (ja) 2008-09-11 2010-03-25 Mitsumi Electric Co Ltd 電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック、並びに電池状態検知方法
JP2010220389A (ja) 2009-03-17 2010-09-30 Ricoh Co Ltd 二次電池の保護用半導体装置およびそれを用いたバッテリパックならびに電子機器
US20110267726A1 (en) 2009-01-14 2011-11-03 Mitsumi Electric Co., Ltd. Protection monitoring circuit, battery pack, secondary battery monitoring circuit, and protection circuit

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016020795A2 (ja) * 2014-08-08 2016-02-11 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電装置を備えた電子機器
US10250247B2 (en) * 2016-02-10 2019-04-02 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device, electronic component, and electronic device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010066161A (ja) 2008-09-11 2010-03-25 Mitsumi Electric Co Ltd 電池状態検知装置及びそれを内蔵する電池パック、並びに電池状態検知方法
US20110267726A1 (en) 2009-01-14 2011-11-03 Mitsumi Electric Co., Ltd. Protection monitoring circuit, battery pack, secondary battery monitoring circuit, and protection circuit
JP2010220389A (ja) 2009-03-17 2010-09-30 Ricoh Co Ltd 二次電池の保護用半導体装置およびそれを用いたバッテリパックならびに電子機器

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