JPH01158771A - 双方向性スイッチング素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、双方向性スイッチング素子に関し、特にそ
の交流の位相制御に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は例えば「電子工学要論」　（昭和５０年。

国民科学社発行、　ｐ、　１９３）に記載されている従
来の双方向性スイッチング素子の１つであるトライアッ
クを示す図であり、図において、１はＰ形半導体、２は
Ｎ形半導体、６はゲートである。

次にトライチックの動作について説明する。

トライチックは次の４つのモードでターンオンし、交流
を制御する。

（モードＩ） Ｔ、がＴ２に対して電圧圧の場合で、正のゲート電圧に
よりターンオンする様式である。

ゲート電流はまずゲート端子ＧからＰ２層を通って端子
Ｔ２に流れるが、Ｐ２の横方向抵抗による電圧降下のた
めＰ２　Ｎ２接合の一部の、順バイアスが強められて、
ゲート電流はＰ２ＮＺ接合を通って端子Ｔ２に流れるよ
うになり、ＧをゲートとするＰ　ＩＮ＋　Ｐｚ　Ｎ２で
構成されるＳＣＲ，がり−ンオンする。

（モード■） Ｔ１がＴ２に対して電圧圧の場合で、負のゲート電圧に
よりターンオンする様式である。

ゲート電流は主端子Ｔ２からＰ２に入り、ＮＧを通って
ゲート端子に流出し、まずＰＩＮＩＰ２ＮＧにより構成
されるＳＣＲをターンオンする。

これにより２２層の電位が電極Ｔ１のそれとほぼ等しく
なり、ＰｚＮｚ接合が強く順バイアスされ、５ＣＲＩ　
がターンオンする。

（モード■） Ｔ１がＴ２に対して電圧負の場合で、負のゲート電圧に
よりターンオンする様式である。

ゲート信号によってＰｚＮｃ接合が順バイアスされ、電
子がＮＧ層から２２層へ注入される。この電子がＰ２Ｎ
＋接合に向かって拡散し、Ｎ１層に入って過剰キャリア
となるとＮ１層の電位が２２層より一層低下し、ＰｚＮ
＋接合の順バイアスが強まり、２２層からＮ１層への正
孔の注入が促される。この正孔はＮ、層を拡散してＮ、
ＰＩｌ接合空乏層を通り、２１層の過剰キャリアとなる
。

その結果、２１層の電位が増し、ＰＩＮ、ｌ接合の順バ
イアスが強まり、結局Ｐｚ　Ｎ＋　ＰＩ　Ｎ３からなる
５ＣＲ２がターンオンする。

（モード■） Ｔ、がＴ２に対して電圧負の場合で、正のゲート電圧に
よりターンオンする様式である。

ゲート電流は端子Ｇから２２層を通って主端子Ｔ２に向
かって流れるが、２２層の横方向抵抗による電圧降下に
よりＰ２Ｎ２接合の一部が順バイアスされ、Ｎ２からＰ
２に電流の注入が起こる。

その結果、モード■の機能と同様にしてＳ　ＣＲ２がタ
ーンオンする。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の双方向性スイッチング素子であるトライチックは
以上のように構成されているので、以下のような問題点
があった。

１）各モードでターンオン機構が異なるため、ゲートト
リガの感度に差が生じる。

２）主電極間の電圧極性の反転は、オフ状態にある一方
のｐｎｐｎ構造部に対しては逆方向から順方向への電圧
極性の逆転となるため、その条件によってはゲート信号
がなくてもオン状態に移行してしまい、電流制御能力を
失うことがある（転流失敗）。

３）交流制御において制御信号が加えられるまで電流が
流れ続けるというタイプの交流制御はできない。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、電流の流れる方向によらず同じ感度で電流の
制御が行なえ、転流失敗することがなく、交流制御にお
いて制御信号が加えられるまで電流が流れ続けるという
タイプの交流制御ができる双方向性スイッチング素子を
得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る双方向性スイッチング素子は、Ｐ形半導
体および超伝導体をＮ形半導体の両側に並列に接合、あ
るいはＮ形半導体および超伝導体をＰ形半導体の両側に
並列に接合し、上記超伝導体を超伝導状態から常伝導状
態に制御するための制御ラインを備えたものである。

〔作用〕

この発明においては、Ｐ形半導体および超伝導体をＮ形
半導体の両側に接合、あるいはＮ形半導体および超伝導
体をＰ形半導体の両側に接合し、この超伝導体が制御ラ
インに信号を流すことにより超伝導状態から常伝導状態
に制御される構成とし、しかも、上記超伝導体はひとた
び超伝導状態が破れるとジュール熱が発生するため印加
電流が０になるまで超伝導状態にはならないから、電流
の流れる方向によらず同じ感度で電流の制御が行なえ、
転流失敗することがなく、交流制御において制御信号が
加えられるまで電流が流れ続けるというタイプの交流制
御ができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例による双方向性スイッチング
素子を示す概念図であり、図において、１はＰ形半導体
、２はＮ形半導体、３はＮ形と接合している超伝導体で
ある。４はこの超伝導体３を超伝導状態から常伝導状態
に制御するための制御ラインで、絶縁物をはさんで超伝
導体３上に配置されている。５ａ、５ｂはこの制御ライ
ン４に印加すべき制御信号としてパルス電流を発生する
第１．第２のパルス発振器。そしてこの双方向性スイッ
チング素子には交流電圧を印加する。

本実施例に使用できる超伝導体としては、例えばＹＢａ
ＣｕＯ系、ＬａＢａＣｕＯ系、Ｌａ１ｒＣｕＯ系等のセ
ラミック酸化物超伝導体がある。

次に本実施例の双方向性スイッチング素子の動作につい
て説明する。

Ｔ１がＴ２に対して電圧圧の場合、超伝導体３がともに
超伝導状態にあるときは、電流はＴ、かうＴ　ｚの方向
に流れる。ここで第１のパルス発振器５ａでパルス電流
を発生し、制御ラインにパルス電流を流すと、この電流
によって磁場が生じ、この磁場がＴ２側の超伝導体３の
臨界磁場をこえると超伝導体３は超伝導状態が破れ常伝
導状態になる。セラミック酸化物超伝導体は常伝導状態
では抵抗が極めて大きい。また一方Ｎ−Ｐは逆方向なの
でこの部分も抵抗が大きい。従って結局Ｔ１からＴ２へ
は電流が流れない。ひとたび超伝導状態が破れるとジュ
ール熱が発生するためパルス電流が流れていない時も超
伝導体３は常伝導状態のままである。この超伝導体３を
再び超伝導状態にするには一旦電圧がＯにならなければ
ならない。

またＴ１がＴ２に対して電圧負の場合も、電流の向きが
変わるという以外は上記と同様の動作を行ない、電流の
流れを阻止しようと思うタイミングで第２のパルス発振
器５ｂによりパルス電流を制御ラインに流し、Ｔ１側の
超伝導体３の超伝導状態を破ればＴ２からＴ、に電流が
流れなくなる。

第２図は上述の動作を示す図であり、図において斜線部
分が電流の流れる部分である。

なお、上記実施例ではＮ形半導体の両側にＰ形半導体お
よび超伝導体を接合させたものを示したが、これは第３
図に示すようにＰ形半導体の両側にＮ形半導体および超
伝導体を接合させてもよく、上記実施例と同様の効果を
奏する。

また本発明による双方向性スイッチング素子をサイリス
タと組み合わせて使用することにより、より様々な電流
制御を行なえることはいうまでもない。

〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば双方向性スイッチング
素子において、両側にＰ形半導体および超伝導体を接合
しているＮ形半導体、あるいは両側にＮ形半導体および
超伝導体を接合しているＰ形半導体と、上記超伝導体の
伝導状態を制御するための制御ラインとを備えた構成と
したから、簡単な構造で、電流の制御が電流の流れる方
向によらず同じ感度で行なえ、確実に転流を行ない、従
来の双方向性スイッチング素子トライチックでは制御で
きないタイミングでの電流の制御が可能な双方向性スイ
ッチング素子が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による双方向性スイッチング
素子を示す図、第２図は第１図の動作を示す図、第３図
は本発明の他の実施例を示す図、第４図は従来の双方向
性スイッチング素子の１つであるトライアックを示す図
である。 １はＰ形半導体、２はＮ形半導体、３は超伝導体、４は
制御ライン、５はパルス発振器。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）両側にＰ形半導体および超伝導体を並列に接合し
   ているＮ形半導体、あるいは両側にＮ形半導体および超
   伝導体を並列に接合しているＰ形半導体と、 上記超伝導体の伝導状態を制御するための制御ラインと
   を備えたことを特徴とする双方向性スイッチング素子。
2. （２）上記制御ラインは、これにパルス電流を流すため
   のパルス発振器が接続されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の双方向性スイッチング素子。
3. （３）上記超伝導体は、セラミック酸化物系超伝導体で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項
   に記載の双方向性スイッチング素子。