KR790000879B1 - 제어회로 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

제 어 회 로

제1도는 종래의 제어회로의 일예를 표시한 접속도

제2도는 제1도 예의 설명에 따른 선도

제3도 및 제4도는 각각 본 발명에 사용하는 새로운 반도체 소자 LEC의 일예를 표시한 구성도

제5도는 본 발명에 사용하는 새로운 반도체소자 LEC의 기호

제6도는 본 발명에 의한 제어회로의 일예를 표시한 접속도

제7도는 제6도 예의 동작설명에 따른 선도

제8도는 본 발명에 의한 다른 예를 표시한 접속도

본 발명은 예를들면 플레이어(player)의 모터(motor)를 제어하는 것으로 사용하기에 적합한 제어회로에 관한 것으로, 특히 새로운 반도체소자를 사용하여 간단한 구성으로 양호하게 모터등의 부하를 제어할 수 있도록 한 것이다.

종래, 플레이어등의 교류모터를 제어하는 제어회로는, 제1도에 도시된 바와같이 다이오드브리지(diodebridge)를 사용하고 있다. 즉, 제1도에 있어서 (1)은 4개의 다이오드 D₁,D₂,D₃,D₄로 이루어진 다이오드 브리지로써, 이 다이오드 브리지(1)의 다이오드 D₁과 D₂의 접속점은 NPN형 트랜지스터(2)의 콜렉터에 접속되고 다이오드 D₃와D₄의 접속점은 접지된다. 다이오드 D₁과 D₄의 접속점 및 다이오드 D₂와 D₃의 접속점 사이에는, 부하 예를들면 교류모터(3)과 교류신호원(4)의 직렬회로가 접속된다. 또, 트랜지스터(2)의 에미터는 접지되고, 이 트랜지스터(2)의 베이스는 정전류(5)을 거쳐 접지된다.

이와같이 다이오드브리지로 구성된 종래의 제어회로에 있어서는, 교류신호원(4)에서 정현파형의 신호가 공급되면 교류모터(3)에 흐르는 정(正)의 전류는 다이오드 브리지(1) 및 트랜지스터(2)를 거쳐 접지된다. 또 부(負)의 전류는 다이오드 브리지(1)만을 거쳐 접지된다. 이 경우, 다이오드 스위칭 특성에 의해 교류모터(3)으로 흐르는 전류는 평활한 전류가 되지 않고, 제2도에 도시된 바와같이, 전류 "0"로 되는 구간이 형성되고, 이 전류가 전류모터(3)에 흐른 경우, 소위 스파이크(spike)잡음을 발생시키는 결점을 갖는다.

본 발명은 상술한 결점에 비추어, 새로운 특수 구성의 반도체소자를 사용하여 간단한 구성으로, 양호하게 교류모터등의 부하를 제어할 수 있도록 한 제어할 수 있도록 한 제어되로를 제공하고저 하는 것이다.

우선, 본 발명에 사용하는 새로운 반도체 소자에 대해 이하 자세히 설명한다.

일반적으로, 트랜지스터의 특성평가 파라메터의 하나로서 사용되는 h_FE(에미터접지전류증폭율)은,

를 베이스 접지 전류증폭율로 하면,

로 주어진다. 이

는 ,

α=α^*β

…………(2)

로 주어진다. 단

^*는 콜렉터증폭율,

는 베이스 이송효율,

는 에미터 주입효율이다. 이제 NPN형 트랜지스터의 에미터 주입효율

에 대해 고려하는데, 이 경우,

는

으로 주어진다. 단 J_n은 에미터에서 베이스로 주입되는 전자에 의한 전류밀도, J_P는 베이스에서 에미터로 주입된 호울에 의한 전류밀도이다.

여기서, J_n및 J_P는 각각

이므로

여기서 K : 볼츠만정수

T : 온도

L_n: 베이스중의 소수캐리어의 확산거리

L_p: 에미터중의 소수캐리어의 확산거리

D_n: 베이스중의 소수캐리어의 확산정수

D_p: 에미터중의 소수캐리어의 확산정수

n_p: 베이스중의 평형상태에서의 소수 캐리어 농도

p_n: 에미터중의 평형상태에서의 소수 캐리어 농도

V : 에미터 접합에의 인가접합

이다.

그리고, 에미터 불순물 농도를 N_D, 베이스의 불순물 농도를 N_A로 하면,

은

로 치환할 수 있다. 또 L_n은 베이스폭 W로 제한되고 L_n=W로 되므로 h_FE=로 된다. 환산정수는 캐리어의 이동도와 온도의 함수이고, 거의 일정하다고 본다.

상술한 각 식에서 명백하듯이 트랜지스터에 있어서 그의 h_FE를 상승시키는데는 δ는 작은쪽이 바람직하다. 여기서, 통상의 트랜지스터에 있어서는, 이 δ를 작게 하기 위해서 에미터의 불순물 농도N_D를 충분히 크게하고 있다. 그렇지만 에미터의 불순물 농도를 충분히 큰 예를 들면 10¹⁹원자수/㎤정도 이상으로하면 격자결함, 전위(轉位)등이 발생하여 결정의 완전성을 얻을 수 없다. 또한, 에미터의 불순물농도가 높다는 것 그 자체에 의하여 에미터에 있어서의 베이르로부터 주입된 소수 캐리어의 라이프타임(Life Time)J_p가 짧아지므로

에서 이 소수 캐리어(정공)의 확산거리 L_P는 짧아지고, (7)식에서 명백하듯이 그다지 δ를 작게할 수 없다. 이때문에 주입효율

를 어느정도 이상으로는 높게할 수 없고,h_FE를 크게할 수는 없다.

이와같은 결점을 회피하는 것으로 제안된는 것이 특수한 구성에 의한 반도체소자 LEC이다. 이LEC의 일예를 제3도를 참조하여 설명한다.

도시한 예는 NPN형 트랜지스터를 구성하는 경우로, 이 경우, 반도체기판 S에 제1도전형, 즉 이예에서는 N형의 고비저항(高比抵沆)의 제1반도체 영역인 에미터영역(6)과, 거기에 인접되어 배치된 제2도형 즉 P형의 고비저항의 제2도 반도체영역, 즉 베이스영역(7)과, 이에 인접하여 배치된 제1도전형, 즉 N형인 고비저항의 제3반도체 영역인 콜렉터영역(8)이 설치되고, 제1 및 제2영역 (6) 및 (7)사이에 제1PN 접합인 에미터접합 J_e가 형성되고, 제2 및 제3영역(7) 및 (8) 사이에 제 2PN 접합인 콜렉터 접합 J_e가 형성된다. 그리고, 제1영역(6)내에 접합 J_e에 대향하여 접합 J_e와의 거리가 제2영역 (7)에서 제1영역 (6)에 주입된 소수 캐리어(정공)의 확산거리 L_p보다 짧은 위치에서, 이 소수 캐리어의 에너지 이상 다시 말해서 적어도 열에너지 이상의 전위장벼이 형성된다. 제3도의 예에서는, 제1영역(6)내에 이것과 같은 도전형의 고불순물농도영역(6a)을 설치하고, 영역(6)내에 L-H 접합 J_H를 형성하여 전위장벽을 형성하도록 한 경우이다.

다시, 제1영역의 고농도 영역(6a)와 제2영역(7)과 제3영역(8)상에는 각각 오믹(ohmic)으로 제1, 제2, 제3 전극 즉 에미터, 베이스, 콜렉터 각 전극(9e),(9b),(9c)가 피착되고, 각각 제1, 제2, 제3의 단자 즉 에미터, 베이스, 콜렉터단자 E,B,C가 도출된다.

이 경우, 제 1영역(6)의 고농도영역(6a)을 제외한 부분은, 그 불순물 농도를 10¹⁵원자수/㎤정도의 충분히 낮은 농도로 선정하는 것이고, 제2영역(2)는 10¹⁵내지 10¹⁷원자수/㎤ 정도로 선택한다. 또, 제3영역(8)도 예를 들면 10¹⁵원자수/㎤ 정도로 제1영역(6)의 저농도 부분과 같은 정도로 선택한다.

그리고, 이와같이 각 영역(6),(7),(8)의 적어도 접합 J_e및 J_c가 형성된 부분의 불순물 농도가 낮아지고, 결정성이 우수하므로 제1영역(6)에 있어서 소수캐리어의 확산거리 L_p는 크게 된다.

또, (8a)는, 제3영역(8)에 접합 J_c에서 거리를 띠워 설치된 고불순물 농도의 저저항 영역이고, (10)은 기판 S의 표면에 형성된 SiO₂와 같은 절연층이다.

이 구성에 있어서, 각 단자 E,B,C를 거쳐 에미터 접합 J_e에 순방향 바이어스 전압을 걸어주고, 콜렉터 접합 J_c에 역방향바이어스 전압을 걸어주면, 트랜지스터가 동작하기 시작한다. 이 경우, 베이스영역 즉 제2영역(7)로부터 에미터영역인 제1영역(6)에 주입된 정공은, 이 제1영역(6)의 불순물 농도가 낮으므로, 결정성이 좋은 것에 의해 그 수명이 길어지고, 제1영역(6)에 있어서 정공의 확산거리 L_p가 길다. 따라서, (6) 식 및 (3)식에서 명백한 바와같이 에미터주입효율

를 크게 할 수가 있다. 그렇지만, 이 확산거리 L_p를 크게하여도, 실제상 이 주입된 정공이 기판표면에 도달하여 표면재결합하여 버리면 실질적으로 확산거리 L_p는 길게되지 않는다. 그런데 상술한 구성에서의, 전위장벼이 에미터접합 J_e와 대향하여 확산거리 L_p보다 작은 간격으로 배치되어 있으므로, 표면재결합은 작아지고, 확산거리 L_p는 충분히 크다고 볼 수 있다.

이와같이 전위장벽이 설치되어 있으므로 이에 의해 제2영역(7)에서 제1영역(6)으로 주입된 정공의 전류성분 J_p를 작게하는 효과를 갖는다. 즉, 제1영역(6)에 있어서 L-H접합 J_H에서는 의사 페르미레벨(擬似 fermi level)의 차, 혹은 빌트인(built-in) 전장(電場)을 발생시킨다. 이것이 소수 캐리어인 정공의 확산에 역방향으로 동작하므로, 이 레벨이 충분히 큰 경우는, 이 L-H 접합 J_H에서의 정공의 농도구배에 의한 확산 전류와 빌트인 전장에 의한 드리프트 전류가 상쇄되어 베이스영역(7)에서 저불순물 농도인 에미터 영역(6)을 거쳐 주입된 정공전류 J_p를 작게하는 효과가 있다. 그리고, 이 효과에 의해 에미터 접합 J_e를 통과하는 전류성분중, 콜렉터영역(8)에 도달하는 전자전류의 비율이 높고, (3)식에서 명백한바와 같이 에미터 주입효율

의 값은 크게되어 h_FE가 높아진다.

또, 이 레벨차(전위장벼의 높이)는, 정공의 에너지 이상, 다시 말해서 적어도 열에너지 이상이 되어야 하고, 이 열에너지의 거의 KT에 근사하므로, 상술한 레벨차는 0.1eV이상인 것이 바람직하다. 그리고 이 전위의 천이(遷移) 영역에 있어서는, 정공의 확산거리가 그 영역내에서 그쳐서는 안된다. 즉, 이 천이영역의 폭보다 정공의 확산거리 L_p가 큰 것이 요구된다. 제3도와 같이 L-H접합의 경우에는, 고불순물 농도 영역(6a)의 불순물양 및 구배를 적당히 설정하므로서, 0.2eV의 전위장벼을 설치할 수가 있다.

제4도의 예는, 제1영역(6)내에 높은 불순물 농도 영역(6a)을 설치하고, 전위장벽을 형성함과 동시에, 이 제1영역(6)에 제1접합 J_e와 대향하여 PN접합 J_s를 형성하는 P형의 부가영역(11)을 설치한 경우이다. 이 경우에 있어서도 영역(11)의 PN 접합 J_s와 접합 J_e의 사이 거리는 제1영역(6)에 있어서 소수 캐리어의 확산거리 L_p보다 작게 선정한 것이다. 즉, 이 경우, 제1영역(6)에 주입된 정공은, 상술한 바와같이 그 확산 거리가 크므로, 부가영역(11)에 효과적으로 도달하고, 이 P형 부가영역(11)로 흡수된다. 그리고 부가영역(11)이 전기적으로 부동(浮動)인 경우는, 그 전위는 정공의 증가에 의해 상승하고 영역(11)과 제1영역(6)의 사이에 형성된 PN 접합 J_s는 거의 입상 전압까지 순바이어스되고, 정공이 제1영역(6)내로 재주입된다. 이에 의해 제1영역(6)의 부가영역(11)의 부근의 정공의 농도가 상승한다. 따라서, 제1영역(6)의 접합 J_e및 J_s사이에 있어서 정공의 농도분포는 똑같이 되어 구배는 완만해지고, 제2영역(7)에서 제1영역(6)에의 확산전류 J_p는 작은 것이다.

또, 제4도에 도시된 예는, 제2영역(7)과 동도전형의 부가영역(11)을 제2영역(7)에서 분리하여 설치한 경우 이지만, 어떤 경우는 이 영역(11)을 영역(7)로부터 연속 연장하여 구성할 수 있다.

또 상술한 설명에서는, 제1, 제2 및 제3각영역(6),(7),(8)을 각각 에미터, 베이스, 콜렉터로서 동작시킨 경우이지만, 상술한 LEC에서는, 제2영역(7)을 중심으로 하여 그 양측이 제1 및 제3영역(6) 및 (8)을 서로 같은 정도의 낮은 불순물 농도로 하고, 영역(7)에서 보아 대칭적 구성을 가지고 있으므로, 제1, 제2, 제3영역(6),(7),(8)을 각각 콜렉터, 베이스 및 에미터로서 동작시키고, 역방향 트랜지스터로서 사용하여도 우수한 트랜지스터 동작이 가능하다. 즉, 정 역 양방향트랜지스터에 관한여 전기적으로도 대칭성에 우수한 특성을 갖는다.

이 경우, 역방향 트랜지스터에 관하여, 보다 우수한 h_FE특성등을 얻는데 있어서, 기판 S의 주측면에 있어서 표면재결합도 회피하고저, 제3영역(8)의 저저항영역(8a)를 기판 S의 주측면으로 연장하여 설치하고, 이 영역(8a)와 제2영역(7)의 사이에 거리를 각부에 있어서 제3영역(8)에 주입된 소수 캐리어의 확산거리보다 작게 선정하고, 영역(8)과 영역(8a)의 사이에 상기 소수 캐리어의 에너지 이상의 전위장벽을 형성한다.

여기서, 이 반도체소자 LEC의 특징을 정리하면 다음과 같다.

(i) 전류증폭율 h_FE가 높고, 300 이상으로 할수가 있다.

(ii) h_FE에 분산도가 적다. 즉 종래 일반적인 트랜지스터에서는, 에미터 주입효율을 높이는데 있어서, 에미터영역의 농도를 충분히 높히고, 말하자면, 에미터영역과 베이스영역과의 접합근방의 농도차에 의존시키는 것이므로 양영역의 농도등의 설정은 상관적으로 선정하지 않으면 안된다.

이에 비해, 소자 LEC에서는, 제1접합 J_e에 대향하여, 제1영역(6)내에 전위장벽을 형성하므로서, 제1영역에 주입된 소수캐리어의 전류성분을 억제하여 에미터주입효율을 높게한 것이므로, 제1 및 제2영역(6), (7)은 제1영역(6)이 비교적 저농도로 선택함에 비추어 서로 영향이 적고, 영역(7)의 폭, 농도분포등은 설계에서 분산도 없이 제조할 수 있고, 따라서 h_FE의 분산도를 작게할 수 있다.

(iii) 표면재결합의 영향을 회피하므로서 h_FE는 소전류시에도 높아진다.

(iv) 잡음이 작다. 즉 제1 및 제2접합 J_e, J_c의 주부분은 각각 저불순물농도의 P형 및 N형 영역에 형성되므로 결정성결함이 작고, 또한, 제2영역(7)의 제2전극(9b)부근의 불순물농도를 높게하므로서, 트랜지스터로서의 에미터-베이스 사이의 전류의 기판료면에 연하는 횡방향전류를 작게할 수 있고, 이에 비해

잡음을 작게할 수 있다.

또 버스트 잡음과

잡음은 h_FE가 높아짐으로서도 감소된다. 또 베이스분포저항 rbb를 작게하면, 신호원 임피이던스가 낮은 경우에도 잡음은 작아진다.

(v) h_FE의 온도 특성이 좋다.

(vi) 정.역 양방향트랜지스터에 관한특성이 대칭성을 갖는다.

(vii) 제1 및 제2접합 J_e및 J_c부근의 불순물농도가 낮으므로, 정. 역 방향의 트랜지스터에 관하여 BV_BEO(콜렉터개방 베이스-에미터간 내압)이 높다.

(vii) 파워트랜지스터에 사용하는 경우, 에미터내의 분포저항에 의해, 그 방출이 균일하게 되므로 강도가 높다.

(ix) 포화특성이 좋다.

(x) 주입측은 재주입을 행하는 영역(11)을 설치할때는, 베이스의 등가저항이 작아진다.

상술과 같이, LEC는 많은 중요한 이점이 있다.

또 상술한 각 예는, NPN형 트랜지스터동작에 대해서 설명했지만, 제3도 및 제4도에 도시된 각 영역의 도전형을 도시한 것과는 반대의 도전형으로하여, PNP형트랜지스터 동작을 행할 수도 있다.

본 발명은, 상술한 LEC의 특징중 특히(vi)에서 정,역 양방향 트랜지스터에 관한 특성이 대칭성을 갖는 것을 이용한 것으로, 이하 도면을 참조하여 본 발명에 의한 제어회로의 한 실시예를 설명하는데, 반도체 소자 LEC는, 제5도에 도시된 바와같은 기호를 사용하고 있다.

본 발명에 있어서는, 제6도에 도시된 바와같이 가변전류원(12)를 LEC(13)의 제2전극에 접속하고, 이 LEC(13)이 제1전극과 제3전극 사이에, 부하즉 플레이어(player)용 교류모터(14)와 교류신호원(15)의 직렬회로를 접속하고, 이 LEC(13)의 제1전극을 접지하도록 한다. 또, 이 경우 가변전류원(12)는 다음과 같이 구성되어있다. 즉, 직류전압이 공급되는 전원단자(16)을 저항기(17)을 거쳐 PNP형 트랜지스터(18)의 에미터에 접속함과 동시에, 이 전원단자(16)을 저항기(19)와 (20)의 직렬회로를 거쳐 NPN형 트랜지스터(21)의 콜렉터에 접속한다.

저항기(19) 및 (20)의 접속중점을 트랜지스터(18)의 베이스에 접속하고, 또 트랜지스터(21)의 에미터를 접지하고, 이 트랜지스터(21)의 베이스를 가변직류전원(22)를 거쳐 접지 한다. 가변 직류전원(22)의 전압을 변화시켜, 트랜지스터(21)의 콜렉터에미터 사이를 흐르는 전류를 변화시켜 저항기(19) 및 저항기(20)에 의해 결정되는 트랜지스터(18)의 바이어스 전압을 변화시켜, 이 트랜지스터(18)의 콜렉터에서 출력되는 전류를 제어하도록 한것이다.

다음에 이와같이 구성한 본 발명에 의한 제어회로의 동작에 대해 설명한다.

이제, LEC(13)에 있어서, 제3전극의 전위를 V_CE, 제3전극에 흐르는 전류를 I_c라고 하면, LEC(13)의 V_CE-I_C(콜렉터, 에미터간 전압-콜렉터 전류특성)특성은 제7도에 표시한 곡선,

₁및

₂와 같이 된다. 이 V_CE-I_C특성은 LEC(13)의 제2전극에 공급된 전류 I_B의 값에 의해 결정되고, 제7도에 있어서는 I_B=I_B1의 경우에 곡선

₁가 같은 특성이 되고, I_B=I_B2에서 I_B2〉I_B1인 경우는, 곡선

₂와 같이 곡선

₁보다 경사가 큰 특성으로 된다.

그런데, 보통 일반적으로 사용된 트랜지스터의 경우에는, 이 V_CE-I_C특성의 전류 및 전압의 정의부분만이 얻어질 수가 없다. 그렇지만 LEC는 정, 역 양방향 트랜지스터에 관한 특성이 대칭이므로, I_C및 V_CE가 부(負) 즉 역방향의 경우에도, 정의 경우와 아주 똑같은 V_CE-I_C특성이 얻어지고, 제7도의 곡선

₁및

₂와 같은 특성이 얻어지는 것이다.

따라서 가변 전류원(12)로부터 LEC(13)의 제2전극에 공급된 전류가 I_B1인 경우에 교류 신호원(15)에서 제7도 표시한 극선 S와 같이 정현파형의 신호가 공급되면 교류모터(14)에 흐르는 전류 I_L로서는, 제7도에 표시한 곡선 m₁과 같이 정현파형의 전류가 얻어진다. 다음에 가변전류원(12)로부터 LEC(13)의 제2전극에 공급하는 전류를 I_B2로 하면, 교류모터(14)에 흐르는 전류 I_L은 제7도에 표시한 곡선 m₂와 같은 정현파형의 전류로 된다.

이상 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 다이오드 브리지를 사용하지 않는데, LEC(13)을 사용한 만큼의 간단한 구성이고, 부하에 교류전류를 흐르게 할 수 있다. 또 LEC(13)의 제2전극에 공급하는 전류를 가변하므로서 부하에 흐르는 교류전류의 진폭을 제어할 수 있다. 또 본 발명에 있어서는, 다이오드 브리지를 사용하지 않아도 되므로, 구성이 간단한 것이다. 또 본 발명에 의하면, 다이오드 브리지를 사용한 경우에 생기는 스파이크(spike)잡음을 발생하지 않는다. 또 LEC는 그 특징(vii)에 설명과 같이 정, 역양방향의 트랜지스터에 관하여, 콜렉터개방 베이스-에미터간 내압이 높으므로, 대전압의 경우에도 양호하게 동작한다. 이것은 제8도와 같이 하면 더욱 좋다. 즉 가변전류원(12)의 출력단자를 가변저항기(23)의 가동자에 접속하고, 이 가변저항기의 양단을 각각 LEC(24),(25)의 각각 제2전극에 접속하고, LEC(24)의 제1전극을 부하(14) 및 교류신호원의 직렬회로를 거쳐 LEC(25)의 제2전극에 접속하고, LEC(24)의 제1전극을 부하(14) 및 교류신호원의 직렬회로를 거쳐 LEC(25)의 제1전극에 접속하고, LEC(24) 및 (25)의 각가 제3전극을 서로 접속한다. 이와같이 LEC를 2개 접속하므로서 내압은 2배로 되고, 대전압의 것에도 충분히 사용할 수 있는 것이다.

또 상술한 예에 있어서는, 플레이어 등의 교류모터를 제어하는 경우에 대해 설명하지만 본 발명은 교류모터에 한하지 않고, 그 이외의 여러종류의 부하를 제어할 수 있다.

또 본 발명은 상술한 실시예에 한하지 않고, 본 발명의 개념을 이탈하지 않고 여러가지 다른 구성을 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 본문에 설명되고 도면에 도시된 바와같이, 제1도전형인 제1반도체 영역과, 이것에 접하는 제2도전형인 제2반도체영역과, 또 이에 접하는 제1도전형인 제3반도체영역으로 구성되고, 상기 제1반도체영역내에서는, 상기 제1 및 제2의 반도체 영역사이의 접합에 대향하여 이 접합에서의 거리가 상기 제1반도체영역의 소수캐리어 확산거리보다도 작은 위치로 상기 소수캐리어의 에너지이상의 전위장벽이 형성되고, 상기 제3반도체영역내에서는 상기 제2 및 제3반도체영역사이의 접합에 대향하여 이 접합을 둘러 쌓듯이 제3반도체 영역의 소수 캐리어의 에너지이상의 전위 장벽이 형성되고, 상기 제1, 제2, 제3의 반도체영역에서 제1, 제2, 제3전극이 각각 도출된 반도체소자의 제1 전극 제3전극 사이의 교류신호원과 부하를 삽입함과 동시에 상기 반도체소자의 제2전극에 가변전류원을 접속하고, 이 가변전류원을 제어하여 상기 부하에 흐르는 교류를 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 제어회로.

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