(57)【要約】  太陽電池（１００）は、ｐ基板（ＰＳＵＢ）と、ｐ基板（ＰＳＵＢ）上に形成されたｐ拡散層（ＰＤ１）と、ｐ基板（ＰＳＵＢ）上に形成されたｎウェル（ＮＷ）と、ｎウェル（ＮＷ）上に形成されたｎ拡散層（ＮＤ２）と、ｎウェル（ＮＷ）上に形成されたｐ拡散層（ＰＤ２）と、ｐ拡散層（ＰＤ１）とｎ拡散層（ＮＤ２）とを接続する電極（ＥＬ１）と、電極（ＥＬ１）による接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ（ＳＷ１）とを備えている。
2014123062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体層と、
前記半導体層上に形成された第１導電型の第１拡散層と、
前記半導体層上に形成された第１導電型と逆の第２導電型のウェルと、
前記ウェル上に形成された第２導電型の第２拡散層と、
前記ウェル上に形成された第１導電型の第３拡散層と、
第１拡散層と第２拡散層とを接続する接続手段と、
前記接続手段による接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチと
を備える、太陽電池。
【請求項２】
第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型であり、前記半導体層はｐ基板である、請求項１に記載の太陽電池。
【請求項３】
前記スイッチは、ＭＯＳトランジスタで構成されている、請求項１または２に記載の太陽電池。
【請求項４】
前記スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項５】
前記スイッチ制御回路は、前記スイッチを一定の周期でＯＮ／ＯＦＦ制御する発振回路である、請求項４に記載の太陽電池。
【請求項６】
前記太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路をさらに備える、請求項１〜５のいずれかに記載の太陽電池。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の複数の太陽電池と、
各太陽電池の起電力を順次出力させる出力制御回路と
を備える複合太陽電池。
【請求項８】
前記複数の太陽電池の各第３拡散層同士は前記出力制御回路に含まれる整流スイッチを介して出力ノードに接続される、請求項７に記載の複合太陽電池。
【請求項９】
前記複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路を備え、
前記スイッチ制御回路は、前記複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチを順次ＯＮする、請求項８に記載の複合太陽電池。
【請求項１０】
前記スイッチ制御回路は、各太陽電池の起電力を検出する電圧検出回路を備え、
前記スイッチ制御回路は、起電力を出力している駆動中の太陽電池の起電力が所定の閾値以下になった場合に、前記駆動中の太陽電池の前記スイッチおよび前記整流スイッチをＯＦＦにするとともに、前記駆動中の太陽電池と異なる少なくともいずれかの太陽電池の前記スイッチおよび前記整流スイッチをＯＮにする、請求項９に記載の複合太陽電池。
【請求項１１】
前記出力制御回路は、所定の順番で各太陽電池の起電力を順次択一的に出力させ、
前記電圧検出回路は、起電力を出力している駆動中の太陽電池の起電力が所定の閾値以下になった場合に、前記順番における前記駆動中の太陽電池の次の太陽電池の前記スイッチおよび前記整流スイッチをＯＮにする、請求項１０に記載の複合太陽電池。
【請求項１２】
前記整流スイッチは、ＭＯＳトランジスタと、当該ＭＯＳトランジスタのラッチアップを防止するための補助ＭＯＳトランジスタとを備えている、請求項８〜１１のいずれかに記載の複合太陽電池。
【請求項１３】
各太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路をさらに備える、請求項７〜１２のいずれかに記載の複合太陽電池。
【請求項１４】
請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池、または、請求項７〜１３のいずれかに記載の複合太陽電池を備える、集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池に関するものであり、特に、集積回路上に形成されるオンチップ太陽電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空間に無数に配置されたセンサノードを用いて空間内の様々な情報を収集し管理するセンサネットワークが注目されており、環境（例えば放射線量）、動植物のモニタリング、農業、ＦＡ，防災等への応用が期待されている。このセンサネットワークの実用化に向けて、センサノードのバッテリの充電や交換といったパワーメンテナンスが大きな課題となっている。その一方で、風力、振動、温度差、電磁波、太陽光といったエネルギーを利用して自己発電を行うエネルギーハーベスティングの研究開発が盛んに行われており、特にこれをセンサノードに利用するマイクロエネルギーハーベスティングは、今後ますます重要になると考えられる。【０００３】
特に太陽光を利用して発電を行う太陽電池は、機械部品を用いない単純な構造からなり、単位面積当たりの生成エネルギー量も比較的多いため、マイクロエネルギーハーベスティングのためのエネルギー源として注目されている。また太陽電池は、一般的なＣＭＯＳプロセスを用いてシリコン基板上に実装することも容易であり、これによって、電源を内蔵したセンサノードを外付け部品のない単一のＬＳＩとして実現することも可能である。そのため、超小型軽量化や、アセンブリコストの大幅な削減が期待できる。【０００４】
太陽電池はｐ型半導体とｎ型半導体とを接合したダイオードと同様の構造を有しており、ｐｎ接合近傍に光が入ることにより、光起電力効果によって、ｐ型半導体側が正極、ｎ型半導体側が負極の電池として機能する。集積回路上に形成されるオンチップ太陽電池には、大別して図２０（ａ）に示す及び（ｂ）に示す２種類の太陽電池がある。【０００５】
図２０（ａ）に示す太陽電池ＳＣｎは、ｐ基板ＰＳＵＢ、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｐ拡散層ＰＤ１およびｎ拡散層ＮＤ１を備えている。すなわち、太陽電池ＳＣｎは、ｐ基板上に直接拡散層を形成した構造を有しており、本明細書では、当該構造を有する太陽電池を「ｎ型太陽電池」と称する。ｎ型太陽電池ＳＣｎは、ｐ基板ＰＳＵＢとｎ拡散層ＮＤ１とのｐｎ接合に光が当たることにより発電する。【０００６】
図２０（ｂ）に示す太陽電池ＳＣｐは、ｐ基板ＰＳＵＢ、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｎウェルＮＷ、ｎウェルＮＷ上に形成されたｐ拡散層ＰＤ２およびｎ拡散層ＮＤ２を備えている。すなわち、太陽電池ＳＣｐは、ｐ基板上にウェルを介して拡散層を形成した構造を有しており、本明細書では、当該構造を有する太陽電池を「ｐ型太陽電池」と称する。ｐ型太陽電池ＳＣｐは、ｎウェルＮＷとｐ拡散層ＰＤ２とのｐｎ接合に光が当たることにより発電する。【０００７】
これらの太陽電池ＳＣｎ・ＳＣｐの単体の出力電圧は、原理的にｐｎ接合で形成されるダイオードの閾値電圧より小さくなるため、０．３〜０．６Ｖ程度である。そのため、閾値電圧を超える出力電圧を得るために、複数の太陽電池を直列接続することが考えられる。【０００８】
図２１（ａ）は、従来の太陽電池７００の構成を示す図であり、図２１（ｂ）は、太陽電池７００の等価回路図である。図２１（ａ）に示すように、太陽電池７００は、同一のｐ基板ＰＳＵＢ上に形成された２つのｎ型太陽電池ＳＣｎを直列接続して構成されている。【０００９】
しかしながら、図２１（ｂ）に示すように、一方のｎ型太陽電池ＳＣｎのｐｎ接合ダイオードＤ１がｐ基板ＰＳＵＢを介して短絡される。そのため、ｎ型太陽電池ＳＣｎ同士を同一基板上で直列接続することはできない。【００１０】
図２２（ａ）は、従来の太陽電池８００の構成を示す図であり、図２２（ｂ）は、太陽電池８００の等価回路図である。図２２（ａ）に示すように、太陽電池８００は、同一のｐ基板ＰＳＵＢ上に形成された２つのｐ型太陽電池ＳＣｐを直列接続して構成されている。しかしながら、ｐ型太陽電池ＳＣｐでは、ｎウェルＮＷとｐ拡散層ＰＤ２との間のｐｎ接合ダイオードＤ２だけでなく、ｐ基板ＰＳＵＢとｎウェルＮＷとの間の寄生ダイオードＤ３も存在する。【００１１】
そのため、図２２（ｂ）に示すように、２つの寄生ダイオードＤ３のアノードがｐ基板ＰＳＵＢを介して短絡する。また、寄生ダイオードＤ３が発電すると、２つの寄生ダイオードＤ３は、一方のｐｎ接合ダイオードＤ２のアノードとカソードとを等電位にするように機能してしまう。そのため、ｐ型太陽電池ＳＣｐ同士を同一基板上で直列接続することはできない。【００１２】
そこで、複数の太陽電池のｐｎ接合ダイオード同士が基板を介して短絡するのを防ぐために、絶縁性の高いＳＯＩ基板上に複数の太陽電池を形成することが提案されている（非特許文献１）。しかしながら、ＳＯＩ基板はバルク基板に比べてコストが高い上に、太陽電池の発電効率が著しく低いという問題がある。【００１３】
これに対し、異なる種類の太陽電池同士を直列接続した太陽電池が提案されている（特許文献１、非特許文献２及び３）。その構成例を図２３に示す。【００１４】
図２３（ａ）は、従来の太陽電池９００の構成を示す図であり、図２３（ｂ）は、太陽電池９００の等価回路図である。図２３（ａ）に示すように、太陽電池９００は、同一のｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｎ型太陽電池ＳＣｎとｐ型太陽電池ＳＣｐとを直列接続して構成されている。図２３（ｂ）に示すように、ｐ型太陽電池ＳＣｐのｐ基板ＰＳＵＢとｎウェルＮＷとの間に発生する寄生ダイオードＤ３が短絡しているので、寄生ダイオードＤ３は太陽電池９００の出力電圧に影響を与えない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第７，０９８，３９４号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】新山太郎、外２名、「オンチップ太陽電池駆動  ２８７ｍＶ、１３．３ＭＨｚリングオシレータ」、２００７年電子情報通信学会ソサイエティ大会エレクトロニクス講演論文集２、２００７年９月、ｐ．９１
【非特許文献２】Y. Arima and M. Ehara、“On-chip solar battery structure for CMOS LSI”、２００６年７月、IEICE Electronics Express、vol3、no.13、pp.287-291
【非特許文献３】F. Horiguchi、“Integration of series-connected on-chip solar battery in a triple-well CMOS LSI”、２０１１年９月、in Proc. of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC 2011)、pp.371-374
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、図２４に示すように、太陽電池９００のｐ型太陽電池ＳＣｐでは、ｐ拡散層ＰＤ２、ｎウェルＮＷおよびｐ基板ＰＳＵＢが寄生バイポーラトランジスタＴとして働くため、ｐ拡散層ＰＤ２からｐ基板ＰＳＵＢにコレクタ電流が流れる。このため、ｐ型太陽電池ＳＣｐの光電流の大半がｐ基板ＰＳＵＢ側に流れ、太陽電池９００の実際の出力電流は、寄生バイポーラトランジスタＴが形成されないと仮定した場合の太陽電池９００の理論上の出力電流の１／５〜１／１０程度である。このように、太陽電池９００には寄生バイポーラトランジスタＴが存在するため、ｐ型太陽電池ＳＣｐの発電が妨げられ、発電効率が大幅に低下してしまう。【００１８】
なお、外付け部品を用いずにチップ上でより高電圧を発生させる方法として、ＤＣ−ＤＣコンバータを混載させることも考えられる。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータがチョークコンバータ方式、チャージポンプ方式のいずれの場合でも、
・オンチップ太陽電池で得られる電圧がＭＯＳトランジスタの閾値電圧程度の低電圧であり、チャネル抵抗が大きい、
・チップ上に形成できるインダクタンスあるいは容量の値が非常に小さいため、昇圧回路を非常に高い周波数で動作させる必要がある、
といった理由により、著しく効率が悪いという問題がある。【００１９】
以上のように、従来の技術では、シリコン基板上に実装された太陽電池から高電圧を取り出すことは容易ではなかった。【００２０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高電圧を高効率に取り出すことが可能な太陽電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る太陽電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、
第１導電型の半導体層と、
前記半導体層上に形成された第１導電型の第１拡散層と、
前記半導体層上に形成された第１導電型と逆の第２導電型のウェルと、
前記ウェル上に形成された第２導電型の第２拡散層と、
前記ウェル上に形成された第１導電型の第３拡散層と、
第１拡散層と第２拡散層とを接続する接続手段と、
前記接続手段による接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチと
を備える。【００２２】
このような構成によれば、スイッチがＯＦＦの状態で太陽電池に光を照射すると、ウェルと第３拡散層との接合部に形成された寄生容量が充電される。一方、半導体層、ウェルおよび第３拡散層に形成される寄生バイポーラトランジスタは、コレクタ電位がエミッタ電位と同じ（あるいはそれより高い）ため、コレクタ電流が流れることはない。続いて、光を照射したままスイッチをＯＮすると、ウェルの電位が上昇するので、第３拡散層の電位（出力電圧）も上昇する。さらに、スイッチがＯＮの状態を維持すると、寄生バイポーラトランジスタのコレクタ電流が流れ始める。ここで、第３拡散層に接続された負荷に流れる電流と上記コレクタ電流の和が太陽電池で生成される光電流を上回った場合でも、寄生容量が電荷を蓄えているため、すぐには出力電圧が下がらない。つまり、一時的に高電圧が出力される。その後、寄生容量が放電されるにつれ、出力電圧が低下する。出力電圧がある程度低下してからスイッチをＯＦＦすると、寄生バイポーラトランジスタは機能しなくなる。また、出力電圧は一旦半導体層よりも低くなるが、ウェルと第３拡散層との間の起電力により寄生容量が充電される。これにより、数μ秒後に、スイッチをＯＮすることにより、再び第３拡散層から一時的に高電圧が出力される。【００２３】
以上のように、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、太陽電池から断続的に高電圧が出力される。したがって、太陽電池から高電圧を高効率に取り出すことができる。【００２４】
また、上記太陽電池において、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型であり、前記半導体層はｐ基板であることが好ましい。これにより、太陽電池をｐ基板を使用したダブルウェルプロセスによって形成することができる。【００２５】
また、上記太陽電池において、前記スイッチは、ＭＯＳトランジスタで構成されていることが好ましい。これにより、太陽電池を小面積の集積回路に形成することが容易となる。【００２６】
また、上記太陽電池において、前記スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路を備えることが好ましい。これにより、スイッチを自動的にＯＮ／ＯＦＦすることができる。【００２７】
また、上記太陽電池において、前記スイッチ制御回路は、前記スイッチを一定の周期でＯＮ／ＯＦＦ制御する発振回路であることが好ましい。これにより、リングオシレータ等の周知の発振回路で、スイッチをＯＮ／ＯＦＦすることができる。【００２８】
また、上記太陽電池において、前記太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路をさらに備えることが好ましい。これにより、さらに高い電圧を太陽電池から出力させることができる。【００２９】
本発明に係る複合太陽電池は、
複数の本発明に係る太陽電池と、
各太陽電池の起電力を順次出力させる出力制御回路と
を備える。【００３０】
このような構成によれば、出力制御回路によって複数の太陽電池が相補的に駆動するため、複合太陽電池は高電圧をほぼ連続的に出力することができる。したがって、高電圧をさらに高効率に取り出すことが可能となる。【００３１】
また、上記複合太陽電池において、前記複数の太陽電池の各第３拡散層同士が前記出力制御回路に含まれる整流スイッチを介して出力ノードに接続されることが好ましい。また、上記複合太陽電池において、前記複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路を備え、前記スイッチ制御回路は、前記複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチを順次ＯＮすることが好ましい。これにより、１つの太陽電池が駆動している場合に、駆動中の太陽電池から他の太陽電池へのリーク電流を防止することができる。【００３２】
また、上記複合太陽電池において、前記スイッチ制御回路は、各太陽電池の起電力を検出する電圧検出回路を備え、前記スイッチ制御回路は、起電力を出力している駆動中の太陽電池の起電力が所定の閾値以下になった場合に、前記駆動中の太陽電池の前記スイッチおよび前記整流スイッチをＯＦＦにするとともに、前記駆動中の太陽電池と異なる少なくともいずれかの太陽電池の前記スイッチおよび前記整流スイッチをＯＮにすることが好ましい。これにより、１つの太陽電池から高電圧が出力され、出力電圧が閾値まで低下すると、当該太陽電池の駆動が中断され、他の太陽電池が駆動される。これにより、各太陽電池の出力電圧に基づいて、複数の太陽電池を順次駆動することができる。【００３３】
また、上記複合太陽電池において、前記出力制御回路は、所定の順番で各太陽電池の起電力を順次択一的に出力させ、前記電圧検出回路は、起電力を出力している駆動中の太陽電池の起電力が所定の閾値以下になった場合に、前記順番における前記駆動中の太陽電池の次の太陽電池の前記スイッチおよび前記整流スイッチをＯＮにすることが好ましい。これにより、各太陽電池が択一的に駆動するので、比較的簡素な出力制御回路をもって、リーク電流が発生することを防止することができる。【００３４】
また、上記複合太陽電池において、前記整流スイッチは、ＭＯＳトランジスタと、当該ＭＯＳトランジスタのラッチアップを防止するための補助ＭＯＳトランジスタとを備えていることが好ましい。これにより、整流スイッチにおける損失を抑え、かつ、整流スイッチの整流動作を安定させることができる。【００３５】
また、上記複合太陽電池において、各太陽電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路をさらに備えることが好ましい。これにより、さらに高い電圧を複合太陽電池から出力させることができる。【００３６】
また、本発明に係る集積回路は、本発明に係る太陽電池、または、複合太陽電池を備える。これにより、集積回路を外付け電源無しで安定して動作させることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、高電圧を高効率に取り出すことが可能な、集積回路上に実装可能な太陽電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態１に係る太陽電池の構造を示す図である。
【図２】上記太陽電池の出力電圧の波形を示すグラフである。
【図３】上記太陽電池の等価回路図である。
【図４】図１に示す太陽電池の第１の具体例を示す図である。
【図５】温度変化を補償する機能を有するリングオシレータの一例を示す回路図である。
【図６】図４に示す太陽電池の出力電圧の波形を示すグラフである。
【図７】図１に示す太陽電池の第２の具体例を示す図である。
【図８】図７に示す太陽電池の昇圧動作を説明するための図である。
【図９】図７に示す太陽電池の昇圧動作を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施形態２に係る複合太陽電池の構造を示す図である。
【図１１】図１０に示す複合太陽電池の動作を説明するための図である。
【図１２】図１０に示す複合太陽電池の動作を説明するための図である。
【図１３】図１０に示す複合太陽電池の出力電圧の波形を示すグラフである。
【図１４】図１０に示す複合太陽電池の具体例を示す図である。
【図１５】図１４に示す複合太陽電池の出力電圧の波形を示すグラフである。
【図１６】電圧検出回路の一実装例を示す回路図である。
【図１７】電圧検出回路の他の実装例を示す回路図である。
【図１８】整流スイッチの一実装例を示す回路図である。
【図１９】整流スイッチの他の実装例を示す回路図である。
【図２０】（ａ）は、一般的なｎ型太陽電池の構成を示す図であり、（ｂ）は、一般的なｐ型太陽電池の構成を示す図である。
【図２１】（ａ）は、従来の太陽電池の構成を示す図であり、（ｂ）は、当該太陽電池の等価回路図である。
【図２２】（ａ）は、従来の他の太陽電池の構成を示す図であり、（ｂ）は、当該太陽電池の等価回路図である。
【図２３】（ａ）は、従来のさらに他の太陽電池の構成を示す図であり、（ｂ）は、当該太陽電池の等価回路図である。
【図２４】図２３に示す従来の太陽電池の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
〔実施形態１〕
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図９を参照して説明する。
【００４０】
（太陽電池１００の構造）
図１は、実施形態１に係る太陽電池１００の構造を示す図である。太陽電池１００は、ｐ基板ＰＳＵＢ（半導体層）と、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｐ拡散層ＰＤ１（第１拡散層）と、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｎウェルＮＷと、ｎウェルＮＷ上に形成されたｎ拡散層ＮＤ２（第２拡散層）と、ｎウェルＮＷ上に形成されたｐ拡散層ＰＤ２（第３拡散層）と、ｐ拡散層ＰＤ１とｎ拡散層ＮＤ２とを接続する電極ＥＬ１（接続手段）と、電極ＥＬ１による接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチＳＷ１とを少なくとも備えている。また、太陽電池１００は、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｎ拡散層ＮＤ１と、ｐ拡散層ＰＤ２に接続された電極ＥＬ２と、ｎ拡散層ＮＤ１に接続された電極ＥＬ３とをさらに備えている。
【００４１】
ｐ基板ＰＳＵＢ、ｎ拡散層ＮＤ１およびｐ拡散層ＰＤ１は、ｎ型太陽電池ＳＣｎを構成し、ｐ基板ＰＳＵＢ、ｎウェルＮＷ、ｎ拡散層ＮＤ２およびｐ拡散層ＰＤ２は、ｐ型太陽電池ＳＣｐを構成している。スイッチＳＷ１は、ｐ拡散層ＰＤ１とｎ拡散層ＮＤ２との間を接続する電極ＥＬ１に設けられる。すなわち、太陽電池１００は、図２４に示す従来の太陽電池９００において、ｎ型太陽電池ＳＣｎとｐ型太陽電池ＳＣｐとを、スイッチＳＷ１によってＯＮ／ＯＦＦ可能に接続した構成である。
【００４２】
太陽電池１００では、スイッチＳＷ１を繰り返しＯＮ／ＯＦＦすることによって、電極ＥＬ２から高電圧を取り出すことができる。図２は、スイッチＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦした場合の、電極ＥＬ２から出力される電圧の波形を示すグラフである。このグラフに示すように、スイッチＳＷ１をＯＮ（短絡）した後、数μ秒間、高電圧が出力され、その後、出力電圧は徐々に低下する。その後、スイッチＳＷ１をＯＦＦ（開放）すると、出力電圧はさらに低下するが、さらに数μ秒間後に、スイッチＳＷ１をＯＮすると、再び高電圧が出力される。なお、高電圧が出力された後、スイッチＳＷ１を一旦ＯＦＦせずにＯＮのまま継続させると、低電圧（従来の太陽電池９００の出力電圧と同程度）が出力される状態が継続する。
【００４３】
（太陽電池１００の発電原理）
続いて、スイッチＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦすることにより太陽電池１００から高電圧が出力される原理を説明する。
【００４４】
図１において、ｎ拡散層ＮＤ１とｐ基板ＰＳＵＢとの間の接合部を接合部Ａ、ｎウェルＮＷとｐ基板ＰＳＵＢとの間の接合部を接合部Ｂ、ｎウェルＮＷとｐ拡散層ＰＤ２との間の接合部を接合部Ｃとすると、接合部Ａに、ダイオードＤ１が形成され、接合部Ｃに寄生容量Ｃｐが形成される。また、ｐ拡散層ＰＤ２、ｎウェルＮＷおよびｐ基板ＰＳＵＢが、寄生バイポーラトランジスタＴとして機能する。
【００４５】
よって、太陽電池１００の等価回路図は、図３のように表すことができる。図３において、電流源ＣＳａ・ＣＳｂ・ＣＳｃはそれぞれ、接合部Ａ・Ｂ・Ｃの起電力を示している。スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦにしたがって、太陽電池１００は、以下の（１）〜（４）のように動作する。
【００４６】
（１）スイッチＳＷ１がＯＦＦの状態で太陽電池１００に光を照射すると、電流源ＣＳａ・ＣＳｂ・ＣＳｃから起電力が生じる。ｐ基板ＰＳＵＢの電位を０Ｖ（ＧＮＤ）としたとき、ｎウェルＮＷの電位は、−０．５Ｖ程度、ｐ拡散層ＰＤ２（電極ＥＬ２）の電位は０Ｖ程度となる。これにより、接合部Ｃに形成された寄生容量Ｃｐが充電される。なお、寄生バイポーラトランジスタＴは、コレクタ電位がエミッタ電位と同じ（あるいはそれより高い）ため、コレクタ電流が流れることはなく、エミッタ−ベース間およびコレクタ−ベース間がそれぞれダイオードとして働くにすぎない。
【００４７】
（２）続いて、光を照射したままスイッチＳＷ１をＯＮすると、ｎウェルＮＷの電位が−０．５Ｖ程度から０Ｖ程度まで上昇するので、ｐ拡散層ＰＤ２（電極ＥＬ２）の電位（出力電圧）は０Ｖ程度から＋０．５Ｖ程度まで上昇する。
【００４８】
（３）スイッチＳＷ１がＯＮの状態を維持すると、寄生バイポーラトランジスタＴのコレクタ電流が流れ始める。ここで、拡散層ＰＤ２に接続された負荷に流れる電流と上記コレクタ電流の和が太陽電池１００で生成される光電流を上回った場合でも、寄生容量Ｃｐが電荷を蓄えているため、すぐには出力電圧が下がらない。つまり、一時的に高電圧が出力される。その後、寄生容量Ｃｐが放電されるにつれ、出力電圧が低下する。なお、無負荷の場合は、電流源ＣＳｃの起電力が寄生バイポーラトランジスタＴのリーク電流を上回るため、出力電圧は高いまま保たれる。
【００４９】
（４）出力電圧がある程度低下してからスイッチＳＷ１をＯＦＦすると、寄生バイポーラトランジスタＴは機能しなくなる。また、出力電圧は一旦ＧＮＤよりも低くなるが、電流源ＣＳｃの起電力により寄生容量Ｃｐが充電される。これにより、数μ秒後に、上記（１）の状態まで回復する。
【００５０】
以上の（１）〜（４）の動作を繰り返すことにより、太陽電池１００から断続的に高電圧が出力される。
【００５１】
なお、太陽電池１００では、低電圧（Ｖ−）をｎ拡散層ＮＤ１（電極ＥＬ３）から取り出しているが、低電圧を取り出す位置は、特に限定されず、例えばｐ基板ＰＳＵＢから取り出してもよい。また、好ましい場合には、寄生容量Ｃｐと並列に別途容量を付加してもよい。
【００５２】
（太陽電池１００の具体例）
図１には示していないが、実際の太陽電池には、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ制御回路が設けられる。以下、太陽電池１００の具体例について説明する。
【００５３】
（具体例１）
図４は、太陽電池１００の第１の具体例に係る太陽電池１１０の構造を示す図である。太陽電池１１０は、スイッチとしてＭＯＳトランジスタＭ１を用いており、スイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ制御回路として、発振回路１１１を備えている。また太陽電池１１０は、ＭＯＳトランジスタＭ２、平滑コンデンサＣ１および補助太陽電池ＳＣｓをさらに備えている。
【００５４】
ＭＯＳトランジスタＭ１・Ｍ２は、ＰＭＯＳトランジスタであってもＮＭＯＳトランジスタであってもよいが、ここではＰＭＯＳトランジスタの場合を例示している。好ましい場合には、ＭＯＳトランジスタＭ１・Ｍ２のいずれか一方、あるいは両方に、低閾値電圧のＭＯＳトランジスタを採用してもよい。ＭＯＳトランジスタＭ２は、電極ＥＬ２に設けられる。ＭＯＳトランジスタＭ１・Ｍ２の各ゲートは、発振回路１１１に接続されている。発振回路１１１は、リングオシレータ等で構成され、ＭＯＳトランジスタＭ１を一定の周期（数μ秒）でＯＮ／ＯＦＦ制御する。ＭＯＳトランジスタＭ１・Ｍ２および発振回路１１１は、いずれもｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されるが、これらに光が当たると特性が変化するので、太陽電池と十分離れた位置に形成し、メタル配線層などを利用して遮光することが好ましい。また、太陽電池を含む集積回路全体に強い光が照射されると温度が上昇してリングオシレータの発振周波数が大きく変化してしまう可能性があるので、温度変化を補償する回路を付け加えることが好ましい。
【００５５】
図５は、温度変化を補償する機能を有するリングオシレータの一例を示す回路図である。４つのＭＯＳトランジスタＭＲ１〜ＭＲ４で構成される回路は、電流制限ができる電流制限インバータＣＳＩＮＶ（Current Starved Inverter）である。温度変化などによりＰＭＯＳトランジスタＭＲ１に電流が流れやすくなるとＰＭＯＳトランジスタＭＲ５の両端の電位差、つまりＢＰとＶ＋の電位差も減少する。これによりＰＭＯＳトランジスタＭＲ１を流れる電流が制限される。同様に、温度変化などによりＮＭＯＳトランジスタＭＲ４に電流が流れやすくなるとＮＭＯＳトランジスタＭＲ６の両端の電位差、つまりＢＮとＶ−の電位差も減少する。これによりＮＭＯＳトランジスタＭＲ４を流れる電流が制限される。トランジスタサイズや抵抗値を適宜選択することで、リングオシレータの周波数変動を抑えることができる。また、ＭＯＳトランジスタＭＲ１・ＭＲ４の効果により発振周波数が低く抑えられるので、数μ秒周期で発振するリングオシレータを実現するのに必要なトランジスタ数が少なくて済む。
【００５６】
補助太陽電池ＳＣｓは、太陽電池１１０を構成するｎ型太陽電池ＳＣｎおよびｐ型太陽電池ＳＣｐとともに、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成され、発振回路１１１を動作させるための電力を供給する。補助太陽電池ＳＣｓは、特に限定されず、本発明の太陽電池を用いてもよいし、周知のオンチップ太陽電池を用いてもよい。なお、図４に示す補助太陽電池ＳＣｓは、図２３（ａ）に示す太陽電池９００と同一の構成である。
【００５７】
平滑コンデンサＣ１は、出力ノードとＧＮＤとの間に設けられる。発振回路１１１がＭＯＳトランジスタＭ１・Ｍ２を同時にＯＮ／ＯＦＦすることにより、図６に示すように、太陽電池１１０の出力電圧の波形が滑らかになる。よって、太陽電池１１０は、高電圧を高効率に出力することができる。平滑コンデンサＣ１は、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成した図示されていないＭＯＳトランジスタのゲート容量として実現することが可能であり、また、好ましい場合には、ＭＩＭキャパシタ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）によって、あるいはこれらの組み合わせによって実現してもよい。
【００５８】
なお、ＭＯＳトランジスタＭ１・Ｍ２のＯＮ／ＯＦＦが切り換わるタイミングは異なってもよいが、ＭＯＳトランジスタＭ２がＯＦＦになるタイミングは、ＭＯＳトランジスタＭ１がＯＦＦになるタイミングよりも早いことが好ましい。
【００５９】
（具体例２）
続いて、昇圧回路を用いることにより、さらに高い電圧を出力可能な太陽電池の構成例について説明する。図７は、太陽電池１００の第２の具体例に係る太陽電池１２０の構造を示す図である。太陽電池１２０は、ｎ型太陽電池ＳＣｎおよびｐ型太陽電池ＳＣｐに加え、チャージポンプ回路１２１をさらに備えている。
【００６０】
チャージポンプ回路１２１は、４つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５およびコンデンサＣ２を備えた昇圧回路である。スイッチＳＷ１は、図１に示す太陽電池１００のスイッチＳＷ１と同様、ｐ拡散層ＰＤ１とｎ拡散層ＮＤ２との間を接続する電極ＥＬ１に設けられる。スイッチＳＷ２の一端は、スイッチＳＷ１の一端、ｐ拡散層ＰＤ１および平滑コンデンサＣ１の一端に接続され、スイッチＳＷ２の他端は、スイッチＳＷ５の一端およびコンデンサＣ２の一端に接続されている。スイッチＳＷ３の一端は、スイッチＳＷ１の他端およびｎ拡散層ＮＤ２に接続され、スイッチＳＷ３の他端は、コンデンサＣ２の他端およびスイッチＳＷ４の一端に接続されている。スイッチＳＷ４の他端は、ｐ拡散層ＰＤ２に接続されている。スイッチＳＷ５の他端は、平滑コンデンサＣ１の他端に接続され、それらの接続点は、太陽電池１２０の出力ノードを形成している。平滑コンデンサＣ１およびコンデンサＣ２は、具体例１における平滑コンデンサＣ１と同様の方法で構成することができる。５つのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、例えばＭＯＳトランジスタによって構成することが可能であり、ＰＭＯＳトランジスタであってもＮＭＯＳトランジスタであってもよい。好ましい場合には、ＳＷ１〜ＳＷ５の一部、あるいは全てに、低閾値電圧のＭＯＳトランジスタを採用してもよい。
【００６１】
なお、図７では図示を省略しているが、太陽電池１２０には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦを制御するためのスイッチ制御回路、および、当該スイッチ制御回路を動作させるための電力を供給する補助太陽電池が設けられる。
【００６２】
続いて、太陽電池１２０の動作について、図８および図９を参照して説明する。図示を省略した前述のスイッチ制御回路は、図８に示す状態、すなわち、スイッチＳＷ１・ＳＷ４・ＳＷ５をＯＦＦ、スイッチＳＷ２・ＳＷ３をＯＮした状態と、図９に示す状態、すなわち、スイッチＳＷ１・ＳＷ４・ＳＷ５をＯＮ、スイッチＳＷ２・ＳＷ３をＯＦＦした状態との切り換えを反復する。このスイッチ制御回路は例えばリングオシレータ等の発振回路で構成してもよい。
【００６３】
図８に示す状態では、ｎウェルＮＷとｐ基板ＰＳＵＢ間に形成された寄生フォトダイオードの起電力（例えば０．４Ｖ）がコンデンサＣ２に蓄えられる。その後、図９に示す状態に切り換えられると、スイッチＳＷ１がＯＮすることによって、ｎウェルＮＷとｐ拡散層ＰＤ２とが短絡することにより、ｐ拡散層ＰＤ２の電位が０．４Ｖに上昇する。そのため、当該電位とコンデンサＣ２における電位差とを合わせた電圧（０．８Ｖ）が出力される。
【００６４】
なお、コンデンサＣ２の容量が小さい場合、図８に示す状態から図９に示す状態に切り換わってから短時間のうちに、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷が放電されてしまい、平均出力電圧が低下する。一方、コンデンサＣ２の容量が大きい場合、回路面積が大きくなる。また、図８に示す状態と図９に示す状態との切り換え周波数が早くなるほど、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を構成するトランジスタの動的消費電力が上がり、太陽電池の出力が下がってしまう。コンデンサＣ２の容量および切り換え周波数は、これらの特性を考慮して、適宜設定される。
【００６５】
（総括）
本実施形態では、発振回路によってスイッチＳＷ１を所定の周期でＯＮ／ＯＦＦ制御しているが、スイッチＳＷ１をＯＮ／ＯＦＦ制御するための制御手段はこれに限定されない。例えば、太陽電池の出力電圧を検出する電圧センサを利用して、出力電圧が一定値（閾値）以下になったタイミングでスイッチＳＷ１をＯＦＦし、その後、出力電圧が所定の値に回復したタイミングでスイッチＳＷ１をＯＮする構成としてもよい。あるいは、出力電圧が一定値（閾値）以下になったタイミングでスイッチＳＷ１をＯＦＦし、その後、一定時間経過後にスイッチＳＷ１をＯＮする構成としてもよい。
【００６６】
また、本実施形態では、ｐ基板上に形成された太陽電池から正の高電圧を出力させる構成、すなわち、特許請求の範囲に記載の「第１導電型」、「第２導電型」、「半導体層」が、それぞれ「ｐ型」、「ｎ型」、「ｐ基板」である構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、トリプルウェルプロセスによってｎ基板上に形成されたｐウェル上に太陽電池を形成する構成、すなわち、特許請求の範囲に記載の「半導体層」が「ｐウェル」である構成も本発明に含まれる。あるいは、ｎ基板上に形成された太陽電池から負電圧を出力させる構成、すなわち、特許請求の範囲に記載の「第１導電型」、「第２導電型」、「半導体層」が、それぞれ「ｎ型」、「ｐ型」、「ｎ基板」である構成も本発明に含まれる。
【００６７】
〔実施形態２〕
以下、本発明の第２の実施形態について添付図面を参照して説明する。本実施形態では、複数の太陽電池を備え、各太陽電池の起電力を順次出力させる複合太陽電池について説明する。
【００６８】
（複合太陽電池２００の構造）
図１０は、本実施形態に係る複合太陽電池２００の構造を示す図である。複合太陽電池２００は、２つの太陽電池２０１ａ・２０１ｂと、出力制御回路２０２とを備えている。
【００６９】
２つの太陽電池２０１ａ・２０１ｂの各構成は、互いに同一であり、ｐ基板ＰＳＵＢと、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｐ拡散層ＰＤ１と、ｐ基板ＰＳＵＢ上に形成されたｎウェルＮＷと、ｎウェルＮＷ上に形成されたｎ拡散層ＮＤ２と、ｎウェルＮＷ上に形成されたｐ拡散層ＰＤ２と、ｐ拡散層ＰＤ１とｎ拡散層ＮＤ２とを接続する電極ＥＬ１と、電極ＥＬ１による接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチとを備えている。すなわち、太陽電池２０１ａ・２０１ｂの構成は、図１に示す太陽電池１００のｎ拡散層ＮＤ１を除いた構成と同一である。便宜上、太陽電池２０１ａのスイッチをスイッチＳＷａとし、太陽電池２０１ｂのスイッチをスイッチＳＷｂとする。
【００７０】
スイッチＳＷａをＯＮ／ＯＦＦすることにより、太陽電池２０１ａは、ｐ拡散層ＰＤ２に接続された電極ＥＬ２から高電圧ＶＯＵＴ＿Ａを出力する。同様に、スイッチＳＷｂをＯＮ／ＯＦＦすることにより、太陽電池２０１ｂは、ｐ拡散層ＰＤ２に接続された電極ＥＬ２から高電圧ＶＯＵＴ＿Ｂを出力する。各太陽電池２０１ａ・２０１ｂの発電原理は、実施形態１において説明した太陽電池１００の発電原理と同様である。各太陽電池２０１ａ・２０１ｂのｐ拡散層ＰＤ２同士は、出力制御回路２０２に含まれる整流スイッチＳＷＲａ・ＳＷＲｂを介して出力ノードＮ１に接続されており、出力ノードＮ１から複合太陽電池２００の出力電圧ＶＯＵＴが出力される。
【００７１】
出力制御回路２０２は、各太陽電池２０１ａ・２０１ｂの起電力ＶＯＵＴ＿Ａ・ＶＯＵＴ＿Ｂを順次（交互に）出力させる回路であり、２つの整流スイッチＳＷＲａ・ＳＷＲｂを備えている。整流スイッチＳＷＲａは、太陽電池２０１ａのｐ拡散層ＰＤ２と出力ノードＮ１との間に設けられ、整流スイッチＳＷＲｂは、太陽電池２０１ｂのｐ拡散層ＰＤ２と出力ノードＮ１との間に設けられる。
【００７２】
なお、図１０では図示を省略しているが、複合太陽電池２００には、スイッチＳＷａ・ＳＷｂおよび整流スイッチＳＷＲａ・ＳＷＲｂのＯＮ／ＯＦＦを制御するためのスイッチ制御回路、および、当該スイッチ制御回路を動作させるための電力を供給する補助太陽電池が設けられる。
【００７３】
（複合太陽電池２００の動作）
続いて、複合太陽電池２００の動作について、図１１および図１２を参照して説明する。図示を省略した前述のスイッチ制御回路は、図１１に示す状態、すなわち、スイッチＳＷａおよび整流スイッチＳＷＲａをＯＮ、スイッチＳＷｂおよび整流スイッチＳＷＲｂをＯＦＦした状態と、図１２に示す状態、すなわち、スイッチＳＷａおよび整流スイッチＳＷＲａをＯＦＦ、スイッチＳＷｂおよび整流スイッチＳＷＲｂをＯＮした状態とを交互に切り換える。
【００７４】
図１１に示す状態では、スイッチＳＷａがＯＮであることにより、太陽電池２０１ａから高電圧ＶＯＵＴ＿Ａが出力される。また、整流スイッチＳＷＲａがＯＮ、整流スイッチＳＷＲｂがＯＦＦであることにより、高電圧ＶＯＵＴ＿Ａは太陽電池２０１ｂ側に流れることなく、出力ノードＮ１から複合太陽電池２００の出力電圧ＶＯＵＴとして出力される。
【００７５】
一方、図１２に示す状態では、スイッチＳＷｂがＯＮであることにより、太陽電池２０１ｂから高電圧ＶＯＵＴ＿Ｂが出力される。また、整流スイッチＳＷＲｂがＯＮ、整流スイッチＳＷＲａがＯＦＦであることにより、高電圧ＶＯＵＴ＿Ｂは太陽電池２０１ａ側に流れることなく、出力ノードＮ１から複合太陽電池２００の出力電圧ＶＯＵＴとして出力される。
【００７６】
図１３は、図１１に示す状態と図１２に示す状態とを周期的に切り換えた場合の、各電圧ＶＯＵＴ＿Ａ・ＶＯＵＴ＿Ｂ・ＶＯＵＴの波形を示すグラフである。同グラフに示すように、複合太陽電池２００の出力電圧ＶＯＵＴの波形は、スイッチＳＷａがＯＮであるときの太陽電池２０１ａの高電圧ＶＯＵＴ＿Ａと、スイッチＳＷｂがＯＮであるときの太陽電池２０１ｂの高電圧ＶＯＵＴ＿Ｂとを合わせた波形となっている。
【００７７】
このように、複合太陽電池２００は、２つの太陽電池２０１ａ・２０１ｂを備え、各太陽電池２０１ａ・２０１ｂの起電力を順次出力するように構成されている。すなわち、各太陽電池２０１ａ・２０１ｂが相補的に駆動するため、複合太陽電池２００は高電圧をほぼ連続的に出力することができる。よって、高電圧をさらに高効率に取り出すことが可能となる。
【００７８】
なお、スイッチＳＷａ・ＳＷｂおよび整流スイッチＳＷＲａ・ＳＷＲｂのＯＮ／ＯＦＦが切り換わるタイミングは、同時であってもよく、異なっていてもよい。ただし、整流スイッチＳＷＲａをＯＮするタイミングはスイッチＳＷａをＯＮするタイミングより遅い方が好ましく、整流スイッチＳＷＲａをＯＦＦするタイミングはスイッチＳＷａをＯＦＦするタイミングより早い方が好ましい。整流スイッチＳＷＲｂとスイッチＳＷｂの切り替わるタイミングも同様である。その結果、整流スイッチＳＷＲａがＯＦＦになる時のＶＯＵＴ＿Ａの電圧と、整流スイッチＳＷＲｂがＯＮになる時のＶＯＵＴ＿Ｂの電圧がほぼ同じとなれば、整流スイッチＳＷＲａがＯＦＦになる直前に整流スイッチＳＷＲｂをＯＮとすることでリップル低減を図ることが好ましく、逆に、整流スイッチＳＷＲａがＯＦＦになる時のＶＯＵＴ＿Ａの電圧と、整流スイッチＳＷＲｂがＯＮになる時のＶＯＵＴ＿Ｂの電圧に差がみられる場合は、整流スイッチＳＷＲａがＯＦＦになった直後に整流スイッチＳＷＲｂをＯＮとすることでＶＯＵＴ＿ＡとＶＯＵＴ＿Ｂの短絡による損失を回避するのが好ましい。整流スイッチＳＷＲｂがＯＦＦになるタイミングと、整流スイッチＳＷＲａがＯＮになるタイミングの前後関係も同様である。
【００７９】
（複合太陽電池２００の具体例）
実際の太陽電池には、前述のように、スイッチＳＷａ・ＳＷｂおよび整流スイッチＳＷＲａ・ＳＷＲｂのＯＮ／ＯＦＦを制御するためのスイッチ制御回路、および、当該スイッチ制御回路を動作させるための電力を供給する補助太陽電池が設けられる。以下、複合太陽電池２００の具体例について説明する。
【００８０】
（具体例１）
図１４は、複合太陽電池２００の具体例に係る複合太陽電池２１０の構造を示す図である。複合太陽電池２１０は、２つの太陽電池２１１ａ・２１１ｂ、補助太陽電池ＳＣｓ、２つの電圧検出回路２１２ａ・２１２ｂ、２つの整流スイッチ２１３ａ・２１３ｂおよび平滑コンデンサＣ１を備えている。
【００８１】
太陽電池２１１ａは、図１０に示す太陽電池２０１ａにおいて、スイッチＳＷａとしてＭＯＳトランジスタＭ１ａを用いた構成である。同様に、太陽電池２１１ｂは、太陽電池２０１ｂにおいて、スイッチＳＷｂとしてＭＯＳトランジスタＭ１ｂを用いた構成である。また、補助太陽電池ＳＣｓは、図２３（ａ）に示す太陽電池９００と同一の構成である。
【００８２】
電圧検出回路２１２ａ・２１２ｂは、ＭＯＳトランジスタＭ１ａ・Ｍ１ｂのＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ制御回路として機能する。具体的には、電圧検出回路２１２ａは、太陽電池２１１ａの出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒ以下の場合に、他方の太陽電池２１１ｂのＭＯＳトランジスタＭ１ｂをＯＮするように制御する。また、電圧検出回路２１２ｂは、太陽電池２１１ｂの出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒ以下の場合に、他方の太陽電池２１１ａのＭＯＳトランジスタＭ１ａをＯＮするように制御する。
【００８３】
これにより、各電圧ＶＯＵＴ＿Ａ・ＶＯＵＴ＿Ｂの波形は、図１５のようになる。ＭＯＳトランジスタＭ１ａ・Ｍ１ｂのＯＮ／ＯＦＦが切り換わるタイミングは若干異なるが、図１５に示す各電圧ＶＯＵＴ＿Ａ・ＶＯＵＴ＿Ｂの波形は、図１３に示す波形とほぼ同様となる。
【００８４】
また、太陽電池２１１ａから高電圧が出力されている期間に、整流スイッチ２１３ａをＯＮ、整流スイッチ２１３ｂをＯＦＦするとともに、太陽電池２１１ｂから高電圧が出力されている期間に、整流スイッチ２１３ａをＯＦＦ、整流スイッチ２１３ｂをＯＮすることにより、複合太陽電池２１０から高電圧が連続的に出力される。さらに、平滑コンデンサＣ１が設けられていることにより、図１５に示すように、複合太陽電池２１０の出力電圧ＶＯＵＴは、より滑らかな波形となる。
【００８５】
（電圧検出回路の実装例）
続いて、電圧検出回路の実装例について説明する。電圧検出回路は公知の回路、例えば差動増幅回路を含むコンパレータなどを利用して実現することができるが、オンチップ太陽電池の起電力は比較的低いため、電圧検出回路は、小さい消費電流で電圧を検出する機能を有していることが必要であり、直流バイアス電流を要しない回路方式が好ましい。なお、図１４に示す電圧検出回路２１２ａ・２１２ｂの構成は同一であるため、以下では、電圧検出回路２１２ａの実装例について説明する。
【００８６】
図１６は、電圧検出回路２１２ａの一実装例を示す回路図である。電圧検出回路２１２ａは、３つのインバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３を備えている。インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３は直列に接続されている。インバータＩＮＶ１は、ｐＭＯＳトランジスタのソースに太陽電池２１１ａの出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが入力され、ｐＭＯＳトランジスタのゲートとｎＭＯＳトランジスタのゲートとの接続点が接地（ＰＤ１と結線）され、ｎＭＯＳトランジスタのソースに負電圧Ｖ−が入力される。インバータＩＮＶ２・ＩＮＶ３はいずれも、ｐＭＯＳトランジスタのソースが接地され、ｎＭＯＳトランジスタのソースに負電圧Ｖ−が入力される。また、インバータＩＮＶ３のｐＭＯＳトランジスタのドレインとｎＭＯＳトランジスタのドレインとの接続点は、図１４に示す太陽電池２１１ｂのＭＯＳトランジスタＭ１ｂのゲートに接続される。
【００８７】
負電圧Ｖ−は、図１４に示す補助太陽電池ＳＣｓから供給される。負電圧Ｖ−の絶対値は、上述の所定値Ｖｒ（例えば０．１Ｖ）とおおむね等しいとした場合、インバータＩＮＶ１を構成するＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタの駆動力がおおむね等しくなるようにチャネル幅を決定すれば、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒ以下の電圧から所定値Ｖｒを超えた場合、または所定値Ｖｒを超える電圧から所定値Ｖｒ以下となった場合に、インバータＩＮＶ１の出力論理値が切り換わる。負電圧Ｖ−の絶対値と上述の所定値Ｖｒの絶対値が異なる場合、インバータＩＮＶ１を構成するＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタのチャネル幅の比を適切に調整すればよい。インバータＩＮＶ１の出力波形は、インバータＩＮＶ２・ＩＮＶ３によって整形され、ＭＯＳトランジスタＭ１ｂのゲートに入力される。これにより、図１５に示すように、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒ以下になるとＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＮされ、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒを超えるとＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＦＦされる。ＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移するのに要する時間が長いと、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ｂが高電圧に達する前に寄生バイポーラトランジスタによる損失が生じるので、その場合は、インバータＩＮＶ３を構成するＮＭＯＳトランジスタのチャネル幅を大きくすることが好ましい。
【００８８】
なお、図１６の構成では、補助太陽電池ＳＣｓからの供給を要する電源はＶ−だけであるが、各インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３のｎＭＯＳトランジスタのソースに負電圧を入力するため、各インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３をトリプルウェルプロセスによって形成する必要がある。これに対し、ダブルウェルプロセスによる電圧検出回路２１２ａの実装例を図１７に示す。
【００８９】
図１７に示す電圧検出回路２１２ａは、３つのインバータＩＮＶ４〜ＩＮＶ６、ｐＭＯＳトランジスタＭ３およびプルダウン抵抗Ｒ１を備えている。インバータＩＮＶ４〜ＩＮＶ６は直列に接続されている。各インバータＩＮＶ４〜ＩＮＶ６はいずれも、ｐＭＯＳトランジスタのソースに正電圧Ｖ＋が入力され、ｎＭＯＳトランジスタのソースは接地（ＰＤ１と結線）されている。また、インバータＩＮＶ４のｐＭＯＳトランジスタのゲートとｎＭＯＳトランジスタのゲートとの接続点には、太陽電池２１１ａの出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが入力される。インバータＩＮＶ６の出力信号は、ｐＭＯＳトランジスタＭ３のゲートに入力される。ｐＭＯＳトランジスタＭ３のソースには正電圧Ｖ＋が入力される。ｐＭＯＳトランジスタＭ３のドレインは、プルダウン抵抗Ｒ１の一端、および、図１４に示す太陽電池２１１ｂのＭＯＳトランジスタＭ１ｂのゲートに接続される。プルダウン抵抗Ｒ１の他端には負電圧Ｖ−が入力される。
【００９０】
正電圧Ｖ＋および負電圧Ｖ−は、図１４に示す補助太陽電池ＳＣｓから供給される。正電圧Ｖ＋の値は、上述の所定値Ｖｒの約２倍である。これにより、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒ以下の電圧から所定値Ｖｒを超えた場合、または所定値Ｖｒを超える電圧から所定値Ｖｒ以下となった場合に、インバータＩＮＶ４の出力論理値が切り換わる。インバータＩＮＶ４の出力波形は、インバータＩＮＶ５・ＩＮＶ６によって整形される。さらに、インバータＩＮＶ６の出力信号は、ＭＯＳトランジスタＭ１ｂおよびプルダウン抵抗Ｒ１によって振幅が拡張されて（（ＧＮＤ、Ｖ＋）→（Ｖ−、Ｖ＋））、ＭＯＳトランジスタＭ１ｂのゲートに入力される。これにより、図１５に示すように、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒ以下になるとＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＮされ、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが所定値Ｖｒを超えるとＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＦＦされる。プルダウン抵抗Ｒ１は高抵抗ポリシリコンなどで形成することができる。プルダウン抵抗Ｒ１の抵抗値が小さいと、ｐＭＯＳトランジスタＭ３がＯＮの時に大きな電流が流れるため、補助太陽電池ＳＣｓの電流供給能力を高くする必要がある。プルダウン抵抗Ｒ１の抵抗値が大きいと、ＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移する時間が長くなってしまい、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ｂが高電圧に達する前に寄生バイポーラトランジスタによる損失が生じてしまう。プルダウン抵抗Ｒ１の値を決定する際は、これらを適切に考慮する必要がある。
【００９１】
図１７の構成では、各インバータＩＮＶ４〜ＩＮＶ６をダブルウェルプロセスによって形成することができる。そのため、図１６の構成に比べ、安価に電圧検出回路を形成することができる。
【００９２】
一方、図１４に示す補助太陽電池ＳＣｓは、正電圧Ｖ＋よりも負電圧Ｖ−をより高い面積効率で出力することができる。その点、図１６に示す電圧検出回路２１２ａは、負電圧Ｖ−のみを利用するため、補助太陽電池の面積をより小さく抑えることが可能である。
【００９３】
（整流スイッチの実装例）
一般に、オンチップ太陽電池の出力電圧は、ダイオードの順方向電圧よりも低いため、図１４に示す整流スイッチ２１３ａ・２１３ｂとしてダイオードを用いた場合、ダイオードにおける順方向電圧降下により、発電効率が大幅に低下する。そのため、整流スイッチ２１３ａ・２１３ｂとして、整流時の順方向電圧降下の小さい素子を用いる必要がある。整流スイッチ２１３ａ・２１３ｂの構成は互いに同一であるため、以下では、整流スイッチ２１３ａの実装例について説明する。
【００９４】
図１８は、整流スイッチ２１３ａの一実装例を示す回路図である。図１８に示す整流スイッチ２１３ａは、スイッチとして機能するＭＯＳトランジスタＭ４に加え、２つの補助ＭＯＳトランジスタＭ５・Ｍ６をさらに備えている。ＭＯＳトランジスタＭ４〜Ｍ６はいずれもｐＭＯＳトランジスタである。
【００９５】
ＭＯＳトランジスタＭ４のソースは、図１４に示す太陽電池２１１ａのｐ拡散層ＰＤ２に接続されており、ＭＯＳトランジスタＭ４のドレインは、出力ノードＮ１に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭ４のゲートには、インバータＩＮＶ７を介して図１４に示す電圧検出回路２１２ａの出力信号が入力される。これにより、整流スイッチ２１３ａは、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが高電圧である時にのみＯＮになる。よって、他方の太陽電池２１１ｂから太陽電池２１１ａへのリーク電流を防止することができる。
【００９６】
また、補助ＭＯＳトランジスタＭ５・Ｍ６は、ＭＯＳトランジスタＭ４のラッチアップを防止するために設けられている。具体的には、補助ＭＯＳトランジスタＭ５のソースは、ＭＯＳトランジスタＭ４のソースに接続され、補助ＭＯＳトランジスタＭ６のソースは、ＭＯＳトランジスタＭ４のドレインに接続されている。さらに、補助ＭＯＳトランジスタＭ５・Ｍ６の各ドレインは、互いに接続されているとともに、ＭＯＳトランジスタＭ４の基板端子に接続されている。これにより、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａよりも出力ノードＮ１の電位が低いときは、補助ＭＯＳトランジスタＭ５がＯＮになるため、ＭＯＳトランジスタＭ４の基板端子（ｎウェル）の電位が出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａに等しくなる。逆に、出力ノードＮ１の電位よりも出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが低いときは、補助ＭＯＳトランジスタＭ６がＯＮになるため、ＭＯＳトランジスタＭ４の基板端子（ｎウェル）の電位が出力ノードＮ１の電位に等しくなる。このように、補助ＭＯＳトランジスタＭ５・Ｍ６は、図１４に図示されたｎウェルＮＷとは別に設けられた、ＭＯＳトランジスタＭ４が形成されるｎウェル（基板端子）の電位を、ＭＯＳトランジスタＭ４のソースおよびドレインの電位よりも低くならないように機能する。
【００９７】
ＭＯＳトランジスタＭ４のゲートには、インバータＩＮＶ７を介して図１４に示す電圧検出回路２１２ａの出力信号が入力される。これにより、整流スイッチ２１３ａは、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが低下するとＯＦＦになり、出力電圧ＶＯＵＴ＿Ａが高くなるとＯＮになる。
【００９８】
この実装例では、インバータＩＮＶ７の遅延時間によっては、整流スイッチ２１３ａと整流スイッチ２１３ｂが同時にＯＮになる時間が生じてしまうことがあり、この場合はエネルギーのロスが生じてしまう。これを回避するための変形例として、信号を遅延させる回路を追加する方法や、ＭＯＳトランジスタＭ１ａやＭＯＳトランジスタＭ１ｂを制御する電圧検出回路とは検出電圧の異なる電圧検出回路を追加する方法などにより、整流スイッチの切り替わるタイミングをより適切に設定することも考えられる。
【００９９】
図１９は、整流スイッチ２１３ａの更に他の実装例を示す回路図である。図１９に示す整流スイッチ２１３ａは、図１８に示す構成に加え、ＭＯＳトランジスタＭ４に直列接続されたＭＯＳトランジスタＭ７をさらに備えている。ＭＯＳトランジスタＭ４のゲートは、図１４に示す電圧検出回路２１２ｂに接続され、ＭＯＳトランジスタＭ７のゲートは、太陽電池２１１ｂのｎウェルＮＷに接続されている。これにより、図１４に示すＭＯＳトランジスタＭ１ａがＯＮであり、かつ、ＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＦＦであるときのみ、整流スイッチ２１３ａはＯＮとなる。また、整流スイッチ２１３ｂも同様に構成することにより、ＭＯＳトランジスタＭ１ｂがＯＮであり、かつ、ＭＯＳトランジスタＭ１ａがＯＦＦであるときのみ、整流スイッチ２１３ｂはＯＮとなる。これにより、太陽電池２１１ａ・２１１ｂの一方から他方へのリーク電流を確実に防止することができる。
【０１００】
（総括）
本実施形態では、２つの太陽電池を組み合わせ、各太陽電池からの起電力を交互に出力させる複合太陽電池について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、３つ以上の太陽電池を組み合わせ、各太陽電池からの起電力を順次択一的に出力させる複合太陽電池も本発明に含まれる。当該複合太陽電池では、複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路が、前記複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチを順次択一的にＯＮする。さらに、各太陽電池の出力電圧を検出する電圧検出回路を用いて、所定の順番で各太陽電池を順次駆動させる場合、当該電圧検出回路は、起電力を出力している駆動中の太陽電池の起電力が所定の閾値以下になった場合に、前記順番における前記駆動中の太陽電池の次の太陽電池の前記スイッチをＯＮするとともに、前記次の太陽電池の起電力が前記閾値を超えた場合に、前記駆動中の太陽電池の前記スイッチをＯＦＦする。太陽電池の個数が増えるほど、各太陽電池の電圧出力期間が相対的に短くなるので、高電圧をより高効率に取り出すことができる。
【０１０１】
また、本実施形態においても、実施形態１と同様に、発振回路を用いて、複数の太陽電池の各スイッチおよび整流スイッチを所定の周期で順次択一的にＯＮしてもよい。さらに、本実施形態においても、各太陽電池の出力電圧を昇圧させる昇圧回路を設けてもよい。
【０１０２】
（付記事項）
本発明に係る太陽電池および複合太陽電池は、高効率に高電圧を出力することができるので、本発明に係る太陽電池および／または複合太陽電池を集積回路に組み込むことにより、集積回路を安定して動作させることができる。
【０１０３】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０４】
１００  太陽電池
１１０  太陽電池
１１１  発振回路
１２０  太陽電池
１２１  チャージポンプ回路
２００  複合太陽電池
２０１ａ  太陽電池
２０１ｂ  太陽電池
２０２  出力制御回路
２１０  複合太陽電池
２１１ａ  太陽電池
２１１ｂ  太陽電池
２１２ａ  電圧検出回路
２１２ｂ  電圧検出回路
２１３ａ  整流スイッチ
２１３ｂ  整流スイッチ
７００  太陽電池
８００  太陽電池
９００  太陽電池
Ｃ１  平滑コンデンサ
Ｃ２  コンデンサ
ＥＬ１  電極
ＥＬ２  電極
ＥＬ３  電極
ＩＮＶ１〜ＩＮＶ７  インバータ
Ｍ１〜Ｍ４、Ｍ７  ＭＯＳトランジスタ
Ｍ５・Ｍ６  補助ＭＯＳトランジスタ
Ｍ１ａ  ＭＯＳトランジスタ
Ｍ１ｂ  ＭＯＳトランジスタ
Ｎ１  出力ノード
ＮＤ１  ｎ拡散層
ＮＤ２  ｎ拡散層（第２拡散層）
ＮＷ  ｎウェル（ウェル）
ＰＳＵＢ  ｐ基板（半導体層）
ＰＤ１  ｐ拡散層（第１拡散層）
ＰＤ２  ｐ拡散層（第３拡散層）
Ｒ１  プルダウン抵抗
ＳＣｎ  ｎ型太陽電池
ＳＣｐ  ｐ型太陽電池
ＳＣｓ  補助太陽電池
ＳＷ１〜ＳＷ４  スイッチ
ＳＷａ  スイッチ
ＳＷｂ  スイッチ
ＳＷＲａ  整流スイッチ
ＳＷＲｂ  整流スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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