CN100514859C - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

根据本发明的半导体器件包括输出MOS晶体管(M0)、连接在输出MOS晶体管(M0)的栅极(G1)和接地电压(GND)之间的MOS晶体管(M3)、与MOS晶体管(M3)并联并且以MOS晶体管(M3)的衬底端为基极的寄生晶体管(Tr1)，以及用于根据电源电压(Vcc)来控制寄生晶体管(Tr1)的导通状态的寄生晶体管控制电路。

Description

半导体器件

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，特别涉及一种具有用于保护输出晶体管免受过电流损坏的过电流保护电路的半导体器件。

背景技术

在汽车和家用电气设备中，使用了用于控制强电流和高电压的功率器件(也被称为功率IC或功率半导体)。由于因诸如负载短路等故障而流入输出晶体管的异常强电流(过电流)可能会击穿输出晶体管，因此功率器件具有保护输出晶体管免受过电流损坏的功能。

图14和15为描述了现有功率器件的构造的电路图。该现有功率器件101为用于控制流经负载102的电流的开关，并且该开关使用MOSFET(金属氧化半导体场效应晶体管，下文称之为MOS晶体管)。由于开关安装在电源(电池)一侧而非负载一侧，因此被称为高边开关(high side switch)。

如图14和15所示，现有功率器件101包括输出MOS晶体管M110，用于控制负载102的电流；电荷泵103，用于生成用于导通输出MOS晶体管M110的栅极电压；以及过电流保护电路104，用于保护输出MOS晶体管M110免受过电流损坏。过电流保护电路104进一步包括检测电路105，用于检测过电流；以及MOS晶体管M111，用于在当检测电路105检测出过电流时来释放输出MOS晶体管M110的栅极电荷。

作为电源的电池被连接到Vcc端(电源端)，接地电压GND被连接到GND端(接地端)，并且负载102被连接到OUT端。

例如，通过来自外部的控制信号来导通/截止电荷泵103的输出，并且通过电荷泵103的输出信号来导通/截止输出MOS晶体管M110。当检测到过电流时，检测电路105通过导通MOS晶体管M111来释放输出MOS晶体管M110的栅极电荷，并且截止输出MOS晶体管M110，以防止输出MOS晶体管M110被过电流击穿。

图14中的功率器件101和图15中的功率器件101是MOS晶体管M111的源极的连接目的地不同的例子。图14中的MOS晶体管M111的源极被连接到GND端(接地端)，而图15中的MOS晶体管M111的源极被连接到OUT端(输出端)。当负载短路时，则OUT端被接地到接地电压GND，因此图14和图15中的功率器件执行相同的操作。

图16为当在现有功率器件中负载短路时的时序图。负载的短路指的是由于诸如绝缘涂层剥落和接触不良等原因在不通过负载的情况下OUT端被接地到接地电压GND。如果负载短路，则在Vcc端的电源电压Vcc降到接近接地电压GND的0V的水平。这是因为当电池和功率器件之间的电线很长时，该电线的阻抗就会变得比输出MOS晶体管的导通电阻(几～几十个mΩ)高得多，并且如果负载短路，则电池的大部分电压会被电线消耗掉。

另外负载不再消耗电流，因此输出电流IOUT变得异常强。由于该过电流，输出MOS晶体管M110升温，并且如果过电流继续处于这种状态，则输出MOS晶体管M110会被该热量击穿。因此必须尽可能快地截止输出MOS晶体管M110。

不过如果电源电压Vcc过低，比如0V，则过电流保护电路104不能正常工作。例如，如果电源电压Vcc为检测电路105的工作电压或更低，则不能检测到过电流，并且如果电源电压Vcc为MOS晶体管M111的阈值或更低，则不能导通MOS晶体管M111，因此不能释放输出MOS晶体管M110的栅极电荷。因此输出MOS晶体管M110无法截止，并且输出MOS晶体管M110会被击穿。

作为具有与图14和图15类似的电路的现有半导体器件，已知在日本专利申请未决公开No.2001-160746中所公开的半导体器件。

如上所述，在诸如功率器件等现有半导体器件的情况下，输出晶体管无法截止，并且如果当产生过电流时电源电压过低，会击穿输出晶体管。

发明内容

根据本发明的半导体器件包括输出晶体管，其连接在第一电源端和输出端之间，并且根据施加到其电流控制端的信号流经输出电流；过电流保护元件，其连接在电流控制端和第二电源端之间；第一检测电路，通过第一电源端被施加以电压，用于检测流经输出晶体管的电流，以将检测信号提供给过电流保护元件的第一控制端；以及第二检测电路，通过第一电源端被施加以电压，用于检测流经输出晶体管的电流，以将检测信号提供给过电流保护元件的第二控制端，并且工作在低于第一检测电路的电压下。

根据该半导体器件，当过电流在输出晶体管中流动时，第二检测电路检测过电流，以使过电流保护元件工作，并且然后第一检测电路检测过电流，以使过电流保护元件工作。因此，即使当电源电压低到不能使第一检测电路工作时，也能可靠地截止输出晶体管，并且能避免输出晶体管的介质击穿。

附图说明

从下面结合附图的讲述中，本发明的上述和其它目的、优点和特征更加清楚，其中：

图1为框图，示出了包括根据本发明的功率器件的系统；

图2为框图，示出了根据本发明的功率器件；

图3为电路图，示出了根据本发明的功率器件；

图4A和4B为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图4C为平面图，示出了根据本发明的半导体器件；

图5为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图6为时序图，示出了根据本发明的功率器件；

图7为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图8为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图9为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图10A～10D为电路图，示出了用于根据本发明的第二检测电路的恒电压源；

图11为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图12为电路图，示出了根据本发明的功率器件；

图13为电路图，示出了根据本发明的第二检测电路；

图14为电路图，示出了现有功率器件；

图15为电路图，示出了现有功率器件；以及

图16为时序图，示出了现有功率器件。

具体实施方式

实施例1

下面来讲述具有根据本发明实施例1的功率器件的系统的构造。该系统是安装在例如汽车中的系统，并且是用于控制通过功率器件流经负载的电流并且驱动负载的系统。

如图1所示，该系统包括ECU(电气控制单元)11、继电器箱12、负载4、用于供应电源的电池5，以及作为连接到接地电压GND(GND电位)的车身的金属部分的底盘6。电池5和ECU 11，以及电池5和继电器箱12通过诸如束线等电线连接。

负载4的一端连接到功率器件1a，并且另一端接地连接到底盘6。负载4是头灯、功率窗口、ABS和引擎阀，其中电流来自ECU 11的功率器件1a和继电器箱12，这些负载是根据该电流来工作的。

ECU 11包括功率器件1a、微处理器2和调节器3。功率器件1a、微处理器2和调节器3分别是例如单芯片半导体器件，但是可以由任意数目个芯片组成。

调节器3所提供的稳定的电源使微处理器2工作。微处理器2与功率器件1a相连，以便输入信号到功率器件1a/输出来自功率器件1a的信号。微处理器2将用于控制负载4的电流的控制信号输出到功率器件1a，并且从功率器件1a输入用于表明功率器件1a的异常状态的异常信号10。

功率器件1a连接到微处理器2和负载4。功率器件1a根据从微处理器2输入的控制信号控制着流经负载4的电流。功率器件1a检测诸如过电流和过热等异常状态，并且输出异常信号到微处理器2。在ECU 11中可以安装有多个功率器件1a。

继电器箱12是其中安装有多个开关的箱子，并且只具有多个功率器件1b，这一点与ECU 11不同。在这种情况下，多个功率器件1b根据从外部输入的控制信号来控制流经多个负载4的电流。

对于诸如头灯和功率窗口等要求相对适中的安全性和简单控制的负载的情况，使用继电器箱12，并且对于诸如ABS控制和引擎控制等需要高安全性和复杂控制的负载的情况，使用ECU 11。

该系统并不限于汽车，而是可以为诸如家用电气设备和机器人等由强电流或强电压驱动的系统。例如，该系统具有如下构造，其中对于功率器件产生过电流，并且当发生诸如负载短路等故障时电源电压下降。

下面参照图2来讲述根据本实施例的功率器件的构造。该功率器件1a安装在电池侧而非负载侧，并且作为高边开关来工作。

如图2所示，功率器件1a包括输出MOS晶体管(用于输出的MOS晶体管)M0、过电流保护电路21、电荷泵22、箝位电路23、过热保护电路24和异常输出电路25。在功率器件1a中，位于输出MOS晶体管M0外部的电路被称为控制电路。功率器件1a并不限于该例子，而是可以具有其它构造，并且特别是，对于该部分，除了过电流保护电路之外可以使用任意构造，这一点稍后将在图3中进行讲述。

在功率器件1a中，控制信号经由IN端(输入端)从微处理器2输入，并且异常信号经由DIAG(诊断)端被输出到微处理器2。在功率器件1a中，电源电压Vcc(第一电源电位)是从电池5经由Vcc端(电源端)提供的，并且电流经由OUT端(输出端)输出到负载4，并且经由GND端(接地端)接地到接地电压GND(第二电源电位)。

输出MOS晶体管M0为用于控制输出到负载4的电流的开关。通常，MOS晶体管根据结构的不同被归类为其中电流在平行于衬底表面的方向上流动的水平元件，以及其中电流在垂直方向上流动的垂直元件。其中主电极之一处于半导体元件基极侧上的垂直元件在每单位面积的传导能力上优于水平元件，并且主要用作用于处理高电源的元件。在该例子中，垂直MOS晶体管用于输出MOS晶体管M0，并且水平MOS晶体管用于其它MOS晶体管，这将在稍后进行讲述。

输出MOS晶体管M0可以为N沟道型或P沟道型。在高边开关的情况下，P沟道型可以不需要电荷泵，并且可以简化电路，而N沟道型可以增加驱动能力和减小芯片尺寸，因此N沟道型是优选的。在以下讲述中，所讲述的输出MOS晶体管M0为N沟道型，但是即使使用了P沟道型，包括稍后提到的MOS晶体管M3或第二检测电路33在内也都执行相同的操作，其中只有极性是反向的。

在输出MOS晶体管M0中，漏极连接到Vcc端，栅极连接到电荷泵22，并且源极连接到OUT端。输出MOS晶体管M0根据从电荷泵22输出的栅极电压来导通/截止。例如，如果栅极电压为阈值或大于阈值，则输出MOS晶体管M0导通并且连接Vcc端和OUT端，并且如果栅极电压为阈值或小于阈值，则输出MOS晶体管M0截止并且断开连接Vcc端和OUT端。

电荷泵22为用于增加提供的电源电压Vcc并且将增加的电压作为输出MOS晶体管M0的栅极电压输出的电路。在高边开关的情况下，如果N沟道型MOS晶体管用于输出MOS晶体管M0，则形成电源跟随器的构造，并且源极电压跟随栅极电压。因此如果栅极电压不足，则输出MOS晶体管M0不足以变成导通状态，并且无法获得期望的驱动能力。因此通过电荷泵22将足够的电压提供给栅极，来顺利地导通输出MOS晶体管M0。例如，如果电源电压Vcc为12V，则在增加了10V之后，将22V提供给输出MOS晶体管M0的栅极。电荷泵22根据从微处理器输入的控制信号，输出高电平或低电平的栅极电压。

箝位电路23是用于保护输出MOS晶体管M0免受通过例如截止生成的反电动电压(负电压)损坏的电路。箝位电路23包括用于耐压的齐纳二极管和用于防止回流的二极管。如果产生了反电动电压，则反电动电压被齐纳二极管箝位，以防止击穿输出MOS晶体管M0。

过电流保护电路21为用于保护输出MOS晶体管M0免受由诸如负载4短路等故障产生的过电流的损坏的电路。当检测出过电流时，过电流保护电路21对输出MOS晶体管M0的栅极电荷进行放电，并且通过截止输出MOS晶体管M0来停止过电流的持续流动。如稍后提到的，即使电源电压Vcc急剧下降，当产生过电流时过电流保护电路21也可以成功地截止输出MOS晶体管M0。

过热保护电路24为用于防止输出MOS晶体管M0过热的电路。当输出MOS晶体管M0的温度到达预定温度或更高时，过热保护电路24停止电荷泵22的工作，并且截止输出MOS晶体管M0。

根据从过电流保护电路21和过热保护电路24输入的信号，异常输出电路25从DIAG端将异常信号输出到微处理器2。

下面参考图3至图5来讲述根据本实施例的过电流保护电路的构造。图3示出了关于输出MOS晶体管M0、过电流保护电路21和图2所示的功率器件1a的电荷泵22的电路。如图3所示，过电流保护电路21包括第一检测电路32、第二检测电路33和MOS晶体管M3。

第一检测电路32和第二检测电路33为用于检测过电流流经输出MOS晶体管M0并且将用于控制输出MOS晶体管M0的栅极电荷的放电的控制信号(检测信号)输出到MOS晶体管M3的电路。第一检测电路32检测输出MOS晶体管M0的电流并且将检测信号输出到MOS晶体管M3的栅极(第一控制端)。第二检测电路33检测输出MOS晶体管M0的电流并且将检测信号输出到MOS晶体管M3的背栅(第二控制端)。第二检测电路33开始工作在电压低于第一检测电路32的电压。第一检测电路32包括连接到Vcc端、GND端和MOS晶体管M3的栅极的控制电路。例如，控制电路通过监控输出MOS晶体管M0的输出电流IOUT、将该监控电流转换成监控电压并且对该监控电压与预定的参考电压进行比较来检测过电流。

MOS晶体管M3(第一MOS晶体管)为用于保护输出MOS晶体管M0免受过电流的损坏的过电流保护元件。MOS晶体管M3为用于根据从第一检测电路32和第二检测电路33输出的检测信号来将输出MOS晶体管M0的栅极G1的电荷放电到接地端(接地电压GND)的电路。MOS晶体管M3连接在输出MOS晶体管M0的栅极G1和GND端之间。例如，当OUT端短路到GND(GND电位)而导致过电流流经输出MOS晶体管M0时，第二检测电路33输出检测信号以使MOS晶体管M3(如后所述的寄生晶体管Tr1)工作。响应检测信号，MOS晶体管M3对栅极G1处的积累电荷进行放电，以将输出晶体管M0切换到截止状态(非工作状态)。进而，切换到截止状态增加了Vcc端的电位，以让第一检测电路32执行检测操作。第一检测电路32将检测信号输出到MOS晶体管M3以使其导通，这导致输出晶体管M0实现完全截止的状态。

图4A示出了第二检测电路33的构造。如图4A所示，第二检测电路33包括Vcc端和GND端之间串联的电阻器R1和MOS晶体管M2。在电阻器R1(第一电阻元件)中，一端连接到Vcc端并且另一端经由节点N1(串联节点)连接到MOS晶体管M2的漏极。

MOS晶体管M2(第二MOS晶体管)为N沟道型MOS晶体管，例如，其中漏极连接到节点N1，栅极连接到Vcc端，并且源极连接到GND端。

连接到第二检测电路33的MOS晶体管M3为N沟道型MOS晶体管，例如，其中漏极连接到输出MOS晶体管M0的栅极G1，栅极连接到第一检测电路32，源极连接到GND端，并且背栅(衬底端)连接到节点N1。

通过连接如图4A所示的元件，寄生晶体管Tr1变成寄生到MOS晶体管M3。如果过电流流经输出MOS晶体管M0，则输出MOS晶体管M0的栅极G1的电荷也会被该寄生晶体管Tr1所释放。用于寄生晶体管Tr1传导的控制电压低于用于MOS晶体管M3传导的控制电压。因此当产生过电流时，在第一检测电路32工作并且检测出过电流之前，第二检测电路33检测过电流，以输出检测信号，以便寄生晶体管Tr1导电并且释放栅极G1处的电荷。图4B为横截面图，示出了其中形成了MOS晶体管M3的P阱100。在该例子中，MOS晶体管M3形成于P阱100中，但是它可以形成于P衬底中。

如图4B所示，栅电极101形成于P阱100上。N⁺漏区102和N⁺源区103形成于栅电极101的两侧上的P阱100中。P⁺背栅区104形成于远离源区的区域中的P阱中。

因此通过源区103(N⁺)、背栅区104(P⁺)和漏区102(N⁺)，构造了作为NPN型双极晶体管的寄生晶体管Tr1。MOS晶体管M3的漏极、源极和背栅分别与寄生晶体管Tr1的集电极、发射极和基极相对应。换句话说，在寄生晶体管Tr1中，集电极连接到输出MOS晶体管M0的栅极G1，发射极连接到GND端，并且基极连接到节点N1。

例如，MOS晶体管M2和MOS晶体管M3形成于不同的阱中。图4C为示出了半导体器件的平面图。在该半导体器件中，P阱100a与P阱100b分开布置。

在P阱100a中形成的是MOS晶体管M3的栅电极101a、漏区102a和源区103a。栅电极101a形成于P阱100a上，并且漏区102a和源区103a形成于栅电极101a的两侧的P阱100a内部。背栅区104a形成于P阱100a内部，远离栅电极101a、漏区102a和源区103a。

形成于P阱100b中的是MOS晶体管M2的栅电极101b、漏区102b和源区103b。与P阱100a类似，栅电极101b形成于P阱100b上，并且漏区102b、源区103b和背栅区104b形成于P阱100b内部。

布线图案成于P阱100a和100b的每一个上。布线图案通过接触与每一个栅电极、漏区、源区和背栅区电气相连。布线图案200a连接在栅极G1和漏区102a之间。布线图案200b连接在检测电路32和栅电极101a之间。布线图案200c连接在源区103a、源区103b和背栅区104b之中。布线图案200d连接在Vcc端和栅电极101b之间。布线图案200e连接在背栅区104a和漏区102b之间。这样形成的布线图案能够连接MOS晶体管M3和MOS晶体管M2，如图4A所示，这样就在MOS晶体管M3上形成了寄生晶体管Tr1，如图4B所示。

图5为在图4A中增加了寄生晶体管Tr1的电路图。下面参照图5来更为详细地讲述第二检测电路33的结构。

电阻器R1和MOS晶体管M2组成了寄生晶体管控制电路，用于根据电源电压Vcc来控制寄生晶体管Tr1的导电状态，并且寄生晶体管Tr1的导电状态是由电阻器R1和MOS晶体管M2之间的节点N1的电压来控制的。

电阻器R1为具有预定阻抗的电阻电路的例子。电阻器R1限定节点N1的电压，也就是寄生晶体管Tr1的基极-发射极电压。换句话说，电阻器R1为上拉电阻器，用于在当MOS晶体管M2截止时将节点N1的电压稳定在与电源电压Vcc相同的电压上。

MOS晶体管M2根据电源电压Vcc来导通/截止，并且改变节点N1的电压，以便控制寄生晶体管的操作。当电源电压Vcc为阈值或大于阈值时，MOS晶体管M2导通，将节点N1的电压设定到接地电压GND，并且截止寄生晶体管Tr1的双极操作。如果电源电压Vcc为阈值或小于阈值，则MOS晶体管M2截止，将节点N1的电压设定到电源电压Vcc，并且根据电源电压Vcc启动(导通)寄生晶体管Tr1的双极操作。

MOS晶体管M3根据流经输出MOS晶体管M0的电流值来执行导通/截止操作。换句话说，当第一检测电路32检测到过电流时，MOS晶体管M3将输出MOS晶体管M0的栅极G1的电荷释放到接地电压GND。MOS晶体管M3根据第一检测电路32的控制将栅极电压G1改变到接地电压GND。例如，如果来自第一检测电路32的控制信号为阈值或大于阈值，则MOS晶体管M3导通并且释放栅极G1的电荷，并且如果来自第一检测电路32的控制信号为阈值或小于阈值，则MOS晶体管M3截止并且不会释放栅极G1的电荷。

当产生过电流并且电源电压Vcc处于低状态时，寄生晶体管Tr1将输出MOS晶体管M0的栅极G1的电荷释放到接地电压GND。换句话说，寄生晶体管Tr1根据诸如MOS晶体管M2等寄生晶体管控制电路将栅极电压G1改变到接地电压GND。如果当节点N1的电压为预定的基极-发射极电压(双极操作电压)或更大时基极电流流动，则寄生晶体管Tr1导通并且使集电极-发射极导通，并且释放栅极G1的电荷。如果当节点N1的电压为预定的基极-发射极电压(双极操作电压)或更小时基极电流不流动，则切断集电极-发射极的连接，并且寄生晶体管Tr1截止，并且不释放栅极G1的电荷。

使寄生晶体管Tr1执行双极操作和导通的工作电压是低于MOS晶体管M2和M3的阈值(导通所需的电压)的电压或使检测电路105执行过电流检测操作的工作电压，例如0.6V。一般在功率器件中，由于例如栅电极变成了用于高功率的厚氧化膜，因此难以形成具有低阈值的晶体管。因此在本实施例中，通过寄生到MOS晶体管的寄生晶体管而不是MOS晶体管，能够进行低电压工作。第二检测电路33以低于第一检测电路32的电压来工作。

下面参考图6来讲述根据本实施例的功率器件的工作。图6为当在功率器件1a中负载短路时的时序图，并且示出了OUT端的输出电压VOUT、Vcc端的电源电压Vcc、第二检测电路33的节点N1的节点电压VN1、输出MOS晶体管M0的栅极G1的栅极电压VG1和OUT端上的输出电流IOUT的波形。

在负载短路之前的正常工作中，波形如图6(a)所示。例如，假设电荷泵22输出高电平并且输出MOS晶体管M0导通。此时，大部分电压被负载4所消耗，因此输出电压VOUT大致变成电池5的电压的电平。由于输出MOS晶体管M0导通并且输出MOS晶体管的导通电阻为几～几十个mΩ，因此电源电压Vcc成为与输出电压VOUT大致相等的电压。由于电源电压Vcc，MOS晶体管M2导通，因此节点电压VN1大致变为0V，即为接地电压GND。

由于节点电压VN1为0V，因此寄生晶体管Tr1不执行双极操作。没有产生过电流，因此第一检测电路32未检测到过电流，并且MOS晶体管M3截止。因此栅极电压VG1成为从电荷泵22输出的高电平电压。输出电流IOUT为流经负载4的电流，并且根据负载4变成预定电流。

负载短路之后，波形立即变成如图6(b)所示。当负载4短路并且输出端OUT接地到接地电压GND时，电压被电池5和Vcc端之间的布线的阻抗所消耗。如果输出MOS晶体管M0的导通电阻相对于电池5和Vcc端之间的布线的阻抗为0，则输出电压VOUT降到近乎为0V。由于输出MOS晶体管M0导通，因此电源电压Vcc象输出电压VOUT那样，降到近乎为0V。

如果电源电压Vcc降到MOS晶体管M2的阈值或更小，则MOS晶体管M2截止。当MOS晶体管M2截止时，电流不会流经节点N1，因此节点电压VN1象电源电压Vcc那样，保持在约0V。

由于节点电压VN1保持在约0V，因此寄生晶体管Tr1不会执行双极操作。电源电压Vcc已经降到约为0V，因此第一检测电路32不会工作，并且MOS晶体管M3截止。因此栅极电压VG1保持在从电荷泵22输出的高电平电压。并且在输出电流IOUT中，负载短路，从而电流不再被消耗，因此过电流开始流动。

在图6(b)之后，波形变成如图6(c)所示。由于过电流继续流经输出MOS晶体管M0，因此温度开始上升。由于温度上升，因此输出MOS晶体管M0的导通电阻的电阻值增加。并且由于即使导通电阻增加，流动的还是相同的电流，因此电源电压Vcc随着导通电阻的增加而上升。

由于MOS晶体管M2截止，因此通过电阻器R1可以使节点电压VN1变得与电源电压Vcc大致相等。因此如果电源电压Vcc上升，则节点电压VN1也上升。

在图6(c)之后，波形变成如图6(d)所示。由于节点电压VN1为寄生晶体管Tr1的基极-发射极电压，因此当节点电压VN1上升到预定电压时基极电流流动，晶体管Tr1开始双极操作，并且集电极电流流动。从负载短路一直到双极操作的时段短到足以使输出MOS晶体管M0经受住过电流，并且该时段的实验例子为800μs或更短。因此通过寄生晶体管Tr1将输出MOS晶体管M0的栅极G1的电荷释放到接地电压GND，并且栅极电压VG1开始下降。也就是说，当第二检测电路33检测出过电流并且根据过电流的产生来输出检测信号时，寄生晶体管Tr1导电，栅极G1的电荷被释放，并且输出MOS晶体管M0开始切换到截止状态(非工作状态)。

当栅极电压VG1下降时，输出MOS晶体管M0开始转换成截止，因此输出电流IOUT也开始下降。然后输出MOS晶体管M0的导通电阻进一步增加，这就进一步增加了电源电压Vcc。电池5和Vcc端之间的布线具有高电感分量和高阻抗分量，因此如果电流改变，则会施以反电动电压。因此随着输出电流IOUT下降，电源电压Vcc快速上升到高于常规电压的电压。

当电源电压Vcc上升到MOS晶体管M2的阈值或更大时，MOS晶体管M2导通。因此电流从节点N1流到接地电压GND，并且节点电压VN1大致降到0V。在寄生晶体管Tr1中，基极-发射极电压下降，基极电流不再流动，并且停止双极操作。这通过寄生晶体管Tr1停止了栅极G1的电荷释放。

当电源电压Vcc进一步上升到第一检测电路32的工作电压时，恢复第一检测电路32的操作，并且能够监控输出电流IOUT。然后第一检测电路32检测出输出电流IOUT处于过电流状态，并且将控制信号输出到MOS晶体管M3。通过该控制信号，MOS晶体管M3导通。换句话说，在图6(d)的第一半中，通过寄生晶体管Tr1释放栅极G1的电荷，并且在图6(d)的后一半中，通过MOS晶体管M3释放栅极G1的电荷。

通过导通MOS晶体管M3，栅极电压VG1大致降到0V。这使得输出MOS晶体管M0截止并且输出电流IOUT降到0V。这样，当因负载短路而产生过电流时，输出MOS晶体管M0截止。

在该结构中通过使用寄生晶体管释放输出MOS晶体管的栅极电荷，能够截止输出MOS晶体管并且可以保护输出MOS晶体管不被过电流击穿。由于使用寄生晶体管，因此即使电源电压Vcc急剧下降，也可以截止输出MOS晶体管，并且诸如检测电路等控制电路可以不再工作。

当电源电压恢复到控制电路可以工作的电压时，则停止寄生晶体管的工作，并且通过控制电路来执行保护操作，因此可以有效地保护输出MOS晶体管。

另外通过构造使寄生晶体管寄生到现在用作过电流保护电路的用于栅极放电的MOS晶体管上，则可以防止电路面积的增加。

实施例2

现在来讲述根据本发明实施例2的功率器件。在本实施例的功率器件中，只有图5中的第二检测电路33的构造与实施例1不同，其它区域与实施例1是相同的，因此下面主要讲述第二检测电路33。

图7为电路图，示出了根据本实施例的第二检测电路33的构造。在图7中，与图5相同的组成元件用相同的标号表示，并且省略对它的讲述。使用第二检测电路33的功率器件的操作与图6相同。

本实施例的第二检测电路33包括耗尽型MOS晶体管M1，代替图5中的电阻器R1。在耗尽型MOS晶体管M1中，漏极连接到Vcc端，栅极连接到源极，并且源极连接到节点N1。

耗尽型MOS晶体管M1为N沟道耗尽型MOS晶体管，并且具有象电阻器R1那样的阻抗分量。这里可以使用诸如耗尽型MOS晶体管M1和电阻器R1等任何电路，只要该电路具有阻抗分量并且将N1的电位上拉到电源电压Vcc。

耗尽型MOS晶体管M1为耗尽型，并且具有在饱和区域中流动恒定漏极电流的特性，而不论漏极-源极电压如何。与电阻器R1相比，耗尽型MOS晶体管M1可以减小元件的面积。

通过这种构造，使用寄生晶体管可以保护输出MOS晶体管免受过电流损坏，并且通过用耗尽型MOS晶体管替换电阻器能够使电路面积比实施例1减小得更多。

实施例3

上述实施例讲述了其中输出MOS晶体管的导通电阻小到与电池和Vcc端之间的布线阻抗相比不显著的这样的例子，因此Vcc端的电压在短路之后立刻大致降到0V。下面的实施例将讲述其中输出MOS晶体管具有不可忽略的导通电阻的例子，因此在短路之后Vcc端的电压不会降到MOS晶体管M2的阈值电压或更低，这防止了晶体管M2截止，并且禁止了寄生晶体管Tr1的操作。

现在来讲述根据本发明的实施例3的功率器件。在本实施例的功率器件中，只有图5中的第二检测电路33的构造与实施例1不同，而其它区域与实施例1相同，因此下面主要讲述第二检测电路33。

图9为电路图，示出了根据本实施例的第二检测电路33的结构。在图9中，与图5和图7相同的组成元件用相同的标号来表示，并且省略了对它的讲述。使用第二检测电路33的功率器件的操作与图6相同。

除了图7中的构造之外，本实施例的第二检测电路33还包括调节电压的电路，用于通过其来导通/截止MOS晶体管M2，也就是用于调节用于使寄生晶体管Tr1执行栅极放电的控制电压的栅极放电电压调节电路(控制电压调节电路)10。

栅极放电电压调节电路10包括恒压源9和耗尽型MOS晶体管M4。

恒压源9为用于产生恒电压的电路或元件，并且可以为任意构造。例如，恒压源9可以构造成如图10A～D所示。图10A为使用齐纳二极管D10的例子。图10B为当多个二极管D11串联时的例子。

图10C为当使用二极管连接的MOS晶体管M10时的例子。MOS晶体管M10是N沟道型MOS晶体管，其中栅极和源极相连。图10D为使用MOS晶体管M10和电阻器R10和R11的例子。电阻器R10连接在MOS晶体管M10的漏极和栅极之间，并且电阻器R11连接在MOS晶体管M10的栅极和源极之间。这些电阻器R10和R11可以调节产生的电压。

图9中的耗尽型MOS晶体管M4(第二电阻元件)为N沟道型和耗尽型MOS晶体管。象耗尽型MOS晶体管M1那样，耗尽型MOS晶体管M4为具有电阻分量的电路的例子，并且可以使用电阻器本身。

耗尽型MOS晶体管M4安装在Vcc端和MOS晶体管M2的栅极之间，并且漏极连接到恒压源9和MOS晶体管M2的栅极，栅极连接到源极，并且源极接地到接地电压GND。

在实施例1中，如图6所述，当电源电压Vcc降到MOS晶体管M2的阈值或更小时，功率器件截止，并且当电源电压Vcc上升到阈值或更大时，功率器件导通。

在本实施例中，当电源电压Vcc为恒压源9的电压与MOS晶体管M2的阈值之和或更小时，功率器件截止，并且当电源电压Vcc为恒压源9的电压与MOS晶体管M2的阈值之和或更大时，功率器件导通。换句话说，当电源电压Vcc降到恒压源9的电压与MOS晶体管M2的阈值之和或更小时，寄生晶体管Tr1可以开始双极操作。

当负载短路时，电源电压Vcc是由电池5和Vcc端之间的布线阻抗与输出MOS晶体管M0的导通电阻的阻抗之比来确定的。当电池5和Vcc端之间的布线阻抗与输出MOS晶体管M0的导通电阻的阻抗之比为3∶1时，如果电池5为12V，则电源电压Vcc为3V。如果此时MOS晶体管M2的阈值为2V，则由于电源电压Vcc为3V，因此在实施例1的构造中MOS晶体管M2不会截止。因此不能使寄生晶体管Tr工作。根据本实施例，如果恒压源9的电压为1V，则恒压源9的电压与MOS晶体管M2的阈值之和为3V，因此MOS晶体管M2截止，并且能使寄生晶体管Tr1工作。

当安装栅极放电电压调节电路时，通过该构造可以调节使寄生晶体管执行栅极放电的电源电压Vcc，因此当产生了过电流时，寄生晶体管可以根据电源电压Vcc成功工作，并且可以保护输出MOS晶体管免受过电流损坏。

实施例4

现在来讲述根据本发明实施例4的功率器件。在本实施例的功率器件中，只有图5中的第二检测电路33的构造与实施例1不同，其它区域都与实施例1相同，因此下面主要讲述第二检测电路33。

图11为电路图，示出了根据本实施例的第二检测电路33的构造。在图11中，与图5和图9相同的组成元件用相同的标号来表示，并且省略了对它的讲述。使用第二检测电路33的功率器件的操作与图6相同。

本实施例的第二检测电路33为图9中的栅极放电电压调节电路10，并进一步包括恒压源9和MOS晶体管M4之间的MOS晶体管M5。

MOS晶体管M5(第四MOS晶体管)为N沟道型MOS晶体管，其中漏极连接到恒压源9和栅极，栅极连接到MOS晶体管M2的栅极，并且源极连接到MOS晶体管M4的漏极。换句话说，MOS晶体管M5和MOS晶体管M2形成电流镜像结构，并且与MOS晶体管M5相同的电流流入MOS晶体管M2。

在实施例3中，用于在栅极G1中发生放电的电源电压Vcc受到MOS晶体管M2的阈值变化的极大影响，并且制造工艺使该阈值发散。例如，随着阈值增加，使MOS晶体管M2截止和寄生晶体管Tr1工作的电压增加，并且随着阈值下降，使MOS晶体管M2截止和寄生晶体管Tr1工作的电压降低。

在本实施例中，MOS晶体管M5为与MOS晶体管M2具有相同结构(尺寸，大小)的MOS晶体管，因此能够降低阈值发散的影响。例如，通过采用相同的工艺来制作MOS晶体管M5和MOS晶体管M2，则二者可以为具有大致相同结构的MOS晶体管。

通过这种结构，栅极放电电压调节电路可以调节使寄生晶体管执行栅极放电的电源电压Vcc，并且通过安装与控制寄生晶体管的操作的MOS晶体管具有相同结构的MOS晶体管，在不受制于制造分散的影响的情况下可以准确地操作寄生晶体管，并且可以保护输出MOS晶体管免受过电流损坏。

实施例5

现在来讲述根据本发明实施例5的功率器件。在本实施例的功率器件中，只有图3和图5中的第二检测电路33的构造与实施例1不同，其它区域与实施例1相同，因此下面主要讲述第二检测电路33。

图12示出了关于MOS晶体管M0、过电流保护电路21和根据本实施例的功率器件的电荷泵22的电路。在图12中，与图3相同的组成元件用相同的标号来表示，并且省略对它的讲述。

图3中的MOS晶体管M3安装在栅极G1和GND端之间，但是本实施例的MOS晶体管M3安装在栅极G1和OUT端之间。当产生过电流时，MOS晶体管M3将栅极G1的电荷放电到OUT端。如果负载短路，则OUT端接地到接地电压GND，因此执行相同的操作。

图13为电路图，示出了根据本实施例的第二检测电路33的构造。在图13中，与图5相同的组成元件用相同的标号来表示，并且省略对它的讲述。使用第二检测电路33的功率器件的操作与图6相同。

在本实施例中，连接到第二检测电路33的MOS晶体管M3的源极不与GND端相连，但是与OUT端相连。换句话说，当产生过电流时，寄生晶体管Tr1执行双极操作，或者MOS晶体管M3导通，从而栅极G1的电荷被释放到OUT端。

通过这种构造，寄生晶体管保护输出MOS晶体管免受过电流损坏。特别地，即使过电流保护电路具有将栅极电荷从输出MOS晶体管的栅极释放到OUT端的结构，也可应用本发明。

实施例6

下面来讲述根据本发明实施例6的功率器件。除了图5的第二检测电路33的构造之外，本实施例的功率器件与实施例1相同，因此下面的讲述主要针对栅极放电电路。

图8为电路图，示出了根据本实施例的第二检测电路33的结构。在图8中，与图5和图7相同的组件用相同的标号来表示，因此省略其讲述。使用第二检测电路33的功率器件的操作与图6相同。

除了图7的组件之外，本实施例的第二检测电路33包括插在输出MOS晶体管M0和MOS晶体管M3的栅极G1之间的二极管D1。二极管D1具有连接到输出MOS晶体管M0的栅极G1的阳极，和连接到MOS晶体管M3的漏极的阴极。

二极管D1阻止栅极G1和接地端(接地电压GND)之间的电流的回流。也就是说，二极管D1允许电流从栅极G1流到MOS晶体管M3，但是禁止电流从MOS晶体管M3流到栅极G1。

在一些情况下，栅极G1的电压高于GND端的电压。例如，单个ECU具有多个功率器件，其中之一用作高边开关，其余的作为低边开关。功率器件共同连接到GND端。使用该结构，当低边开关导通时，即使高边开关截止，GND端的电位也不等于接地电压GND。那么GND端的电压等于GND端和底盘6之间的布线电阻的电压，例如为2V。在负载4接地的一侧的接地电压GND，以及栅极G1的电位，都等于底盘6的电压，例如为0V。在这种情况下，二极管D1防止以GND端、MOS晶体管M2、节点N1、寄生晶体管Tr1和栅极G1的顺序的电流的回流。

该电路构造使用寄生晶体管来保护输出MOS晶体管免受过电流损坏，并且抑制来自GND端的电流的回流并且通过在输出MOS晶体管的栅极和栅极放电MOS晶体管之间提供二极管来避免错误操作。

其它实施例

在上述例子中，用于过电流保护的MOS晶体管被用作组成寄生晶体管的MOS晶体管，但是本发明并不限于此，也可以使用用于其它应用的MOS晶体管。例如，可以使用其中栅极和源极相连的，并且总是处于截止的MOS晶体管。

在上述例子中，功率器件被描述成高边开关，但是本发明并不限于此，通过在接地电压GND侧而非负载侧上安装功率器件也可以使用低边开关。在这种情况下，如果在电池和功率器件之间发生负载短路，则会产生过电流。

很明显，本发明并不限于上述实施例，在不偏离本发明的范围和精神的情况下也可以对其进行修正和更改。

Claims (16)

1.一种半导体器件，包括：

输出晶体管，其连接在第一电源端和输出端之间，并且根据施加到其电流控制端的信号流过输出电流；

过电流保护元件，其连接在电流控制端和第二电源端之间；

第一检测电路，其通过第一电源端被施加电压，用于检测流经输出晶体管的电流，以将检测信号提供给过电流保护元件的第一控制端；以及

第二检测电路，其通过第一电源端被施加电压，用于检测流经输出晶体管的电流，以将检测信号提供给过电流保护元件的第二控制端，并且第二检测电路工作在低于第一检测电路的电压下。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其中过电流保护元件为包括有连接到第一控制端的栅极和连接到第二控制端的衬底的第一MOS晶体管。

3.如权利要求2所述的半导体器件，其中：

第二检测电路包括串联于第一电源端和第二电源端之间的电阻元件和第二MOS晶体管；并且

电阻元件和第二MOS晶体管之间的串联节点被连接到第一MOS晶体管的衬底。

4.如权利要求2所述的半导体器件，其中第一检测电路包括连接在第一电源端和第二电源端之间的控制电路，并且控制电路的输出端被连接到第一MOS晶体管的栅极。

5.如权利要求3所述的半导体器件，其中第一检测电路包括连接在第一电源端和第二电源端之间的控制电路，并且控制电路的输出端被连接到第一MOS晶体管的栅极。

6.如权利要求1所述的半导体器件，其中当由于输出端短路到第二电源端而引起过电流流经输出晶体管时，第二检测电路提供检测信号以进行过电流保护，以便释放在电流控制端积累的电荷，并且将输出晶体管切换到非工作状态，并且由于切换到非工作状态导致的第一电源端的电位上升使第一检测电路开始工作，以使输出晶体管完全进入非工作状态。

7.如权利要求2所述的半导体器件，其中当由于输出端短路到第二电源端而引起过电流流经输出晶体管时，第二检测电路输出检测信号以进行过电流保护，以便释放在电流控制端积累的电荷，并且将输出晶体管切换到非工作状态，并且由于切换到非工作状态导致的第一电源端的电位上升使第一检测电路开始工作，以使输出晶体管完全进入非工作状态。

8.如权利要求3所述的半导体器件，其中当由于输出端短路到第二电源端而引起过电流流经输出晶体管时，第二检测电路输出检测信号以进行过电流保护，以便释放在电流控制端积累的电荷，并且将输出晶体管切换到非工作状态，并且由于切换到非工作状态导致的第一电源端的电位上升使第一检测电路开始工作，以使输出晶体管完全进入非工作状态。

9.如权利要求3所述的半导体器件，其中电阻元件为耗尽型MOS晶体管。

10.如权利要求3所述的半导体器件，还包括恒压源，其位于第一电源端和第二MOS晶体管的栅极之间。

11.如权利要求3所述的半导体器件，还包括第三MOS晶体管，其连接到第二MOS晶体管的栅极并且具有与第二MOS晶体管相同的结构。

12.如权利要求1所述的半导体器件，还包括二极管，其插在电流控制端和过电流保护元件之间并且防止电流的回流。

13.如权利要求3所述的半导体器件，其中多个阱以分离的方式位于半导体衬底中，并且第一MOS晶体管和第二MOS晶体管位于不同的阱中。

14.如权利要求1所述的半导体器件，其中过电流保护元件通过输出端连接到第二电源端。

15.如权利要求1所述的半导体器件，其中输出晶体管为N沟道型MOS晶体管。

16.如权利要求1所述的半导体器件，其中外部负载连接在输出端和第二电源端之间，并且第一电源端具有高于第二电源端的电位。

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