JP2005123375A - スイッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長寿命で、動作速度が速く、消費電力が少なく、かつオン抵抗が低く、損失が小さいスイッチング装置を実現する。
【解決手段】 結晶状態で導電率が高く、アモルファス状態で導電率が低いスイッチング素子で形成されるスイッチング素子と、
このスイッチング素子を加熱し、スイッチング素子をアモルファス状態または結晶状態に変化させる加熱部と、を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、長寿命で、動作速度が速く、消費電力が少なく、かつオン抵抗が低く、損失が小さいスイッチング装置に関するものである。

スイッチング装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０６−２９５９０号公報

従来より、スイッチング素子として、アモルファス状態において高抵抗を有し、結晶状態において低抵抗を有し、かつ電気的パルスにより、アモルファス状態および結晶状態の２状態間の転移を可逆的に切り換え可能なカルゴゲン化合物を用いたスイッチング素子が知られている。

上記カルゴゲン化合物を用いたスイッチング素子は、図５の如く、カルゴゲン化合物３０を一対の電極１０，２０で挟んだキャパシタ構造を有しており、カルゴゲン化合物３０の結晶化およびアモルファス化をいずれもＡ−Ｂ間の電圧で行い、Ａ−Ｂ間に流れる電流や電圧をスイッチングするものである。

電気的パルスによりカルゴゲン化合物をスイッチング素子として用いた場合、電気信号と制御信号が同じであり、電気信号のみをオン／オフできないという問題があった。また、機械式のリレーを用いた場合、リレーに電磁石を用いた可動部があるため、動作に長時間を要する他、消費電流が大きいという問題がある。更に、スイッチング素子として電界効果トランジスタを用いた場合には、電界効果トランジスタのオン抵抗が比較的大きいため、接点間を通過する信号に損失を生ずるという問題がある。

本発明は、これらの問題に着目したものであり、その目的は、長寿命で、動作速度が速く、消費電力が少なく、かつオン抵抗が低く、損失が小さいスイッチング装置を実現することである。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、結晶状態で導電率が高く、アモルファス状態で導電率が低い相変化材料で形成されるスイッチング素子と、
このスイッチング素子を加熱し、スイッチング素子をアモルファス状態または結晶状態に変化させる加熱部と、
を設ける。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のスイッチング装置において、
スイッチング素子が、カルコゲナイト半導体で形成される。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２記載のスイッチング装置において、
加熱部が、スイッチング素子を加熱し、熔融状態にして、アモルファス状態に変化させ、スイッチング素子を加熱し、非熔融状態にして、結晶状態に変化させる。

請求項４記載の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載のスイッチング装置において、
加熱部が、ヒータまたは半導体レーザである。

請求項５記載の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング装置において、
スイッチング素子が、グランドプレーン上に形成される。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、スイッチング素子の相転移を加熱部による熱で引き起こすことにより、スイッチング素子をオン／オフしているので、長寿命で、動作速度が速く、消費電力が小さく、オン抵抗が低く、損失を小さくすることができる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態を示す構成図である。

図１において、スイッチング素子１、２は、カルコゲナイト半導体（Ge-Sb-Te）等結晶状態で導電率が高く、アモルファス状態で導電率が数桁低い相変化材料のカルゴゲン化合物の薄膜をガラス等の基板上に形成して作成する。ヒータ３、４は加熱部でスイッチング素子１、２を加熱し、スイッチング素子１、２をアモルファス状態又は結晶状態に変化させるためのものであり、スイッチング素子１、２に隣接して配置される。

次に、図１の動作について説明する。今、スイッチング素子１が結晶状態、スイッチング素子２がアモルファス状態であるとすると、スイッチング素子１がオン、スイッチング素子２がオフで、端子Ａ−Ｂ間が導通する。この状態から端子Ａ−Ｃ間を導通するように変化させるには、次の様にする。

１）制御端子Ｘにパルス状の高電圧を印加し、ヒータ３を用いてスイッチング素子１を急速に加熱し、熔融状態とする。
２）ヒータ３での加熱が終わると、スイッチング素子１は急速に冷却されアモルファス状態となる。即ち、オフの状態となる。
３）制御端子Ｙに低電圧を比較的長い時間印加し、ヒータ４を用いてスイッチング素子２を熔融しない程度（相変化材料によって異なるが、例えば、約８０度〜１００度）に加熱する。スイッチング素子２は、加熱されたことにより、アモルファス状態から結晶状態に変化する。即ち、オンの状態となる。

このように、スイッチング素子１、２の相転移をヒータ３、４による熱で引き起こすことにより、機械的な可動部を使用しないため動作速度が速く、長寿命で、可動接点の動作に電磁石を使用しないため消費電力が小さく、電界効果トランジスタを使用しないためオン抵抗が低く損失を小さくすることができる。

また、図１の実施例では、ヒータ３、４でスイッチング素子を加熱したが、図２の様にヒータ３、４の代わりに半導体レーザを使用し、レーザ光で加熱を行うこともできる。ここで、図１と同一のものは同一符号を付して説明を省略する。
図２において、半導体レーザ５、６は、ヒータ３、４の代わりに設けられ、スイッチ素子１、２をアモルファス状態または結晶状態に変化させるためのものであり、それぞれスイッチ素子に対して隣接して配置される。

次に、図２の動作について説明する。制御端子Ｘ、Ｙに電圧を印加すると半導体レーザ５、６は、光をスイッチング素子１に照射し、スイッチング素子１が加熱される。その他の動作としては、光による熱でスイッチング素子の相転移を行う点以外は、図１の動作と同様のため説明は省略する。半導体レーザ５、６を使用した場合、スイッチング素子のみを直接加熱できるため、加熱される部分の熱容量が小さくなり、スイッチング素子のオン／オフ切り換えを高速に行うことができる。

そして、本発明の応用例としては高周波スイッチとしても使用できる。スイッチング素子１、２はガラス基板の上に、カルコゲナイト半導体の薄膜で形成できるため、基板下部にグランドプレーンを付加することにより、インピーダンス整合のとれたストリップライン、又はマイクロストリップラインを形成することができる。インピーダンス整合をとることで、スイッチング素子をギガヘルツ以上の高周波信号をオン／オフ可能な、高周波スイッチとして用いることができる。

また、本発明では、複数のスイッチング素子を基板上に一括で形成できるため、図１及び図２の実施例で示した端子Ａ−Ｂ間と端子Ａ−Ｃ間を切り換えるＳＰＤＴ（Single Pole Double Throw）型スイッチだけでなく、図３や図４のような、複数の接続を切り換えるスイッチング素子を形成することができる。

図３において、複数のスイッチング素子７は、スイッチング素子１、２と同様に相変化材料で構成され、図示しないヒータにより加熱され、一方を１つの端子Ｔ１に接続され、他方を複数の端子からなるＴ２の１つに接続される。なお、このような装置のスイッチング動作は、図１と同様なので説明を省略する。

図４において、複数の端子Ｔ３は、ラインＬ１に接続され、複数の端子Ｔ４はラインＬ２に接続される。複数のスイッチング素子８は、スイッチング素子１、２と同様に、相変化材料で形成され、図示しないヒータにより、加熱されると共に、ラインＬ１、Ｌ２のクロスポイントごとに設けられ、一方のラインＬ１に接続し、他方をライン２に接続する。なお、このような装置のスイッチング動作は、図１と同様なので説明を省略する。

ヒータを使用した本発明の一例を示す図である。 半導体レーザを使用した本発明の一例を示す図である。 本発明の応用例の一例（多点切り換えスイッチ）を示す図である。 本発明の応用例の一例（マトリックス型スイッチ）を示す図である。 従来のスイッチング装置の一例を示す図である。

符号の説明

１、２、７、８ スイッチング素子
３、４ ヒータ
５、６ 半導体レーザ

Claims (5)

1. 結晶状態で導電率が高く、アモルファス状態で導電率が低い相変化材料で形成されるスイッチング素子と、
   このスイッチング素子を加熱し、スイッチング素子をアモルファス状態または結晶状態に変化させる加熱部と、
   を設けたことを特徴とするスイッチング装置。
2. スイッチング素子は、カルコゲナイト半導体で形成されたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング装置。
3. 加熱部は、スイッチング素子を加熱し、熔融状態にして、アモルファス状態に変化させ、スイッチング素子を加熱し、非熔融状態にして、結晶状態に変化させることを特徴とする請求項１または２記載のスイッチング装置。
4. 加熱部は、ヒータまたは半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスイッチング装置。
5. スイッチング素子は、グランドプレーン上に形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング装置。
   

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