[发明专利]交流二线式开关

说明书

技术领域

本发明涉及交流二线式开关，并且涉及具有由III族氮化物半导体构成的双向开关元件的交流二线式开关。

背景技术

以往，在住宅用的照明灯或换气扇的控制中，作为交流二线式开关大多采用机械开关。近些年，使电流双向流动，并且对于正负这两个极性的电压都具有耐压性的双向交流开关成为了一种需要，因此，采用了三极管交流开关这种半导体、并具有调光功能、遥控器功能、以及人传感器功能的高功能的开关被商品化(例如参照专利文献1)。

图12是示出使用了以三极管交流开关为主开关的以往的交流二线式开关151的概略电路图。如图12所示，以往的交流二线式开关151由三极管交流开关150和用于驱动该三极管交流开关150的驱动电路149等构成，所述三极管交流开关150与商用交流电源101以及负载102串联连接而形成闭合电路，并且，以往的交流二线式开关151所形成的系统是，通过驱动电路149使三极管交流开关150接通或断开，从而使从商用交流电源101向负载102的电力供给导通或断开。

(以往技术文献)

(专利文献)

专利文献1  日本  特公昭58-56477号公报

专利文献2  美国  专利申请公开第2005/0189561号说明书

但是，在采用以硅(Si)为材料的半导体元件来形成双向开关元件的情况下，由于硅的材料界限，出现的困难是，不能使双向开关元件的导通电阻降得更低。也就是说，从图13所示的三极管交流开关的导通特性图可知，作为双向开关而被使用的三极管交流开关150在导通时，为了进行与硅二极管的导通工作相同的工作以及与双极部件的导通工作相同的工作，而在低电流区的导通电阻变大，在采用了三极管交流开关的交流二线式开关中，由于导通电阻而使导通损失变大。为此，以往的交流二线式开关存在的课题是，例如难于用于200W以上的负载，因此需要对能够使用的负载的耗电量加以限制后使用。

发明内容

本发明为了解决上述的课题，目的在于提供一种交流二线式开关，该交流二线式开关通过抑制内部所具有的双向开关元件本身的放热，从而能够对商用交流电源与比以往更大的负载之间的连接进行导通或断开。

近些年，为了打破材料界限降低导通损失，从而考虑了导入采用了以氮化镓(GaN)为代表的III族氮化物半导体或碳化硅(SiC)等宽禁带半导体的半导体元件(例如参照专利文献2)。宽禁带半导体的击穿场强大约是Si的10倍。在氮化铝镓(AlGaN)和氮化镓(GaN)的异质结界面，由于自发极化以及压电极化而产生电荷。据此，即使在不掺杂时也能够形成薄膜电子面密度在1×10¹³cm^-2以上和1000cm²v/sec以上的高迁移率的二维电子气(2DEG)层。为此，则期待AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaN-HFET)能够成为可以实现低导通电阻以及高耐压的功率开关晶体管。

通过形成利用了AlGaN/GaN的异质结的具有两个栅极电极的结构，从而能够以一个半导体元件来形成双向开关元件。具有这种结构的双向开关元件在电路功能上与彼此为逆方向串联连接的两个晶体管是等价的，如图3所示的导通特性的比较图，与以往的三极管交流开关相比更能够降低导通电阻，并且能够控制从第一欧姆电极侧向第二欧姆电极侧流动的电流以及从第二欧姆电极侧向第一欧姆电极侧流动的电流。因此，由III族氮化物半导体构成的具有两个栅极电极的双向开关元件，比以往的由三极管交流开关单体、功率MOS场效应晶体管(金属氧化膜场效应晶体管)、或IGBT(绝缘栅双极晶体管)等多个功率晶体管组成的双向开关更小型化，并且作为能够节省电力的元件受到了重视。