CN103527381A - 单片式点火器和内燃机点火装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单片式点火器，能够实现动作电压的低电压化、高噪声容量化、小型化和低成本化。使MOS晶体管的栅极阈值电压（Vtgh）降低，使电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路等的动作电压成为低电压，能够使单片式点火器（100）的动作电压低电压化。使MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。此外，使MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上、不足25nm。

Description

单片式点火器和内燃机点火装置
技术领域
本发明涉及低电压驱动的单片式点火器和具有该单片式点火器的内燃机点火装置。
背景技术
图8是搭载了现有的单片式点火器501的内燃机点火装置500的主要部分结构图。
内燃机点火装置500主要由单片式点火器501、点火线圈502、火花塞503、电池504和ECU505（发动机控制单元）等构成。图中的符号中，75、76、77是单片式点火器501的集电极端子、栅极端子、发射极端子。此外，51是包括传感IGBT的IGBT，56是传感电阻。
图9是图8所示的内燃机点火装置500中搭载的现有的单片式点火器501的主要部分电路图。此处表示的单片式点火器501是一例。
单片式点火器501由IGBT51、第一MOSFET63、第二MOSFET66、电流限制电路57、过热检测电路60、齐纳二极管69、电阻72、集电极端子75、栅极端子76和发射极端子77构成。IGBT51的集电极52与集电极端子75连接，发射极54与发射极端子77连接。IGBT51的传感发射极55与传感电阻56的一端连接，传感电阻56的另一端与接地配线74连接，接地配线74与作为接地电位78的发射极端子77连接。IGBT51的栅极53用栅极配线73与栅极端子76连接。在该栅极配线73与接地配线74之间分别连接上述电流限制电路57、过热检测电路60、第一MOSFET63、第二MOSFET66、齐纳二极管69和电阻72。上述过热检测电路60如图所示，由MOSFET（甲）、二极管（乙）和逆变器电路（丙）构成。此外，除了上述部件以外，在齐纳二极管69的阴极与第二MOSFET66的源极之间连接有用于加快IGBT51的关断的加速二极管（丁），在集电极52与栅极53之间连接有齐纳二极管（己）用于浪涌保护。此外，在栅极配线73中在电阻72与齐纳二极管69之间和电流限制电路57的高电位侧与第二MOSFET66的漏极之间插入电阻（戊）用于抑制浪涌。上述各部位在同一个半导体衬底81上形成。
上述传感电阻56的一端和第一MOSFET63的栅极64与电流限制电路57连接，第二MOSFET66的栅极67与过热检测电路60连接。ECU505的输出电压作为IGBT的栅极电压对栅极端子76输入。该栅极电压通过栅极配线73对电流限制电路57和过热检测电路60供给，成为驱动这些电路57、60的电源电压。
IGBT51、第一、第二MOSFET63、66、电流限制电路57、过热检测电路60、电阻72、齐纳二极管69、集电极端子75、发射极端子77和栅极端子76在同一个半导体衬底81上形成，构成单片式点火器501。上述电流限制电路57由三级的nMOS构成的运算放大器组成。此外，齐纳二极管69和电阻72是抑制从栅极端子76进入的浪涌电压的浪涌保护用元件。
此外，现有的单片式点火器501的最低动作电压是3.5V，构成该单片式点火器501的IGBT51、电流限制电路57和过热检测电路60的各最低动作电压是3.5V以下。此处，IGBT51的最低动作电压指的是IGBT51的栅极阈值电压。此外，该“3.5V”的电压值是对单片式点火器施加动作指令的ECU的信号的最低电压值。
图10是图9的单片式点火器501的外形图。引线框的裸片80（与作为外部导出端子82之一的集电极端子（C）连接）上搭载的芯片（半导体衬底81）与外部导出端子82（栅极端子（G）、发射极端子（E））用接合导线83分别连接，并用模塑树脂84封装。
接着，说明图8所示的内燃机点火装置500的动作。
将来自ECU505的输出信号作为输入信号（IGBT的栅极信号）输入单片式点火器501的栅极端子76时，该输入信号在栅极配线73中传播并被输入IGBT51的栅极，IGBT51接通。IGBT51接通时，电流从电池504的正极经由点火线圈502、IGBT51而在处于接地电位的发射极端子77中流动。
另一方面，来自ECU505的输出信号停止时，IGBT51关断。该IGBT51关断的瞬间，点火线圈502中蓄积的能量被释放，在点火线圈502中产生高电压，火花塞503点火。之后，点火线圈502中蓄积的能量消失时，火花塞503消弧。通过反复该动作，内燃机点火装置500持续动作。接着用图9说明。
IGBT51中流过过电流时，因通过传感发射极55和传感电阻56流动的传感电流，在传感电阻56中产生电压。该电压被传递至电流限制电路57，电流限制电路57动作。从电流限制电路57对第一MOSFET63施加栅极信号，第一MOSFET63接通。第一MOSFET63接通时，IGBT51的栅极电压被限制而降低。IGBT51的栅极电压降低成为IGBT51的栅极阈值电压以下时，IGBT51关断，过电流被屏蔽，IGBT51被保护。
另一方面，IGBT51过热时，过热检测电路60动作，与上述过电流的情况相同，IGBT51关断。通过关断IGBT51，IGBT51中流动的主电流被屏蔽，IGBT51被保护。IGBT51过热时，IGBT51中形成的温度检测用的未图示的pn二极管的正向电压降值降低。正向电压降值（电压）被输入过热检测电路60，在降低至极限值以下的阶段从过热检测电路60对第二MOSFET66的栅极施加接通信号，第二MOSFET66接通。之后的动作与电流限制电路57的情况相同。过热检测电路60和电流限制电路57均起到控制IGBT51的栅极电压的控制电路的作用。
因为上述单片式点火器501用于内燃机点火装置500，所以使用环境非常严苛。对其具体说明，是即使对集电极端子75与发射极端子77之间施加30kV的浪涌电压，IGBT51也不损坏，此外，例如，在-55℃～205℃的温度范围内IGBT51正常动作（其指的是寄生成分不动作）等。为了使单片式点火器501在该严苛的条件下也正常动作，电流限制电路57和过热检测电路60全部仅由nMOS构成。这是由于pMOS和nMOS同时存在时，工艺变得复杂，导致成本上升。此外，是pMOS与nMOS的混合电路（互补电路等）时，易于在两者之间形成寄生成分，引起寄生动作（误动作）等。
专利文献1中，在具备根据从内燃机用电子控制装置输出的点火控制信号对点火线圈中流动的一次电流进行通电/关断控制的开关元件、限制上述开关元件中流动的电流的电流限制电路，上述开关元件由绝缘栅型双极晶体管构成的内燃机用点火装置中，公开了上述电流限制电路由自隔离型N-MOS晶体管构成，上述绝缘栅型双极晶体管和上述自隔离型N-MOS晶体管在共用的半导体衬底上形成的单芯片化的单片式点火器。即，公开了电流限制电路由自隔离型N-MOS晶体管（nMOS）构成，并与IGBT在同一个半导体衬底上形成的单片式点火器。
此外，专利文献2中，公开了在具备第一IGBT，通过上述第一IGBT对一次线圈中流动的一次电流根据点火控制信号进行通电和关断控制，使其二次侧产生电压的内燃机的点火装置中，单片式点火器的特征在于具备与上述第一IGBT并联地设置的第二IGBT、和检测该第二IGBT的电流的电流检测电路，并具备通过该电流检测电路检测到的电流值控制上述第一和第二IGBT的栅极电压而将一次电流限制为设定值的电流限制电路、和在异常时强制断开上述一次线圈中流动的电流的通电的热切断电路，将这些电路集成在一个芯片中构成。
此外，专利文献3中，在内燃机用点火装置中，公开了具备使一次侧线圈中流动的低压电流断续的IGBT、外部栅极端子与外部集电极端子之间的恒定电压电路、保护用的齐纳二极管。恒定电压电路对IGBT供给IGBT的饱和电流值成为规定的限制电流值的一定的栅极电压，IGBT的饱和电流值在半导体装置的限制电流值的范围内。在恒定电压电路中，并联连接的多个耗尽型MOSFET与齐纳二极管串联连接。在各个耗尽型MOSFET上连接有选择开关，所有选择开关与选择器电路连接。出厂时，由选择器电路进行选择开关的开闭，调整因半导体装置制造上的电特性而产生的电压变动。由此，抑制流过IGBT的电流波形的振动。实现半导体装置整体的小型化，减少成本。记载了沟槽栅型IGBT和平面栅型IGBT作为此处使用的半导体装置。
专利文献1：日本专利第3192074号公报
专利文献2：日本专利第3216972号公报
专利文献3：日本特开2010-45141号公报
发明内容
上述单片式点火器501的集电极端子75通过点火线圈502的内部电阻与电池504连接，发射极端子77与成为接地电位78的例如发动机室的底盘等连接。因此，这些端子75、77的电位相对稳定。
与此相对，栅极端子76的电位成为由ECU505的较低的输出电压（5V）和IGBT51的较小的栅极电容决定的低电位。此外，在单片式点火器501的附近为了产生点火脉冲（数10kV），单片式点火器501可能因噪声而误动作，此外，ECU505的输出电压可能因噪声而降低。进而，IGBT51通电时因线束等的接地配线电阻与通电电流的积产生电压，因该电压发生单片式点火器501的接地电位78上升（GND浮动）的情况。具体而言，例如，在IGBT的额定通电电流是10A，IGBT与ECU的接地之间的线束类的接地配线电阻较大地估计时是0.1Ω的情况下，该电阻与通电电流的积达到1V，该1V成为接地电位的上升（GND浮动）。发生GND浮动时，产生单片式点火器501的栅极端子76与处于接地电位78的发射极端子77之间的电压（栅极信号电压）成为3.5V以下的情况，单片式点火器501的动作变得不稳定。
接着，对与电压降低对应的现有技术在以下说明。
图11是混合型的点火器600的主要部分结构图。混合型的点火器600具备IGBT51a和IGBT驱动电路90，IGBT驱动电路90包括电流限制电路、过热检测电路和传感电阻56a等。这些各部件被固定在印刷衬底91或陶瓷衬底等上。
存在来自ECU505的输出电压因噪声等降低至不足3.5V的情况，和发生GND浮动，IGBT51a的栅极-发射极之间的电压降低至不足3.5V的情况。此时，需要对该电压降低进行补偿，使IGBT51a的栅极-发射极之间的电压总是保持在3.5V以上。该IGBT驱动电路90具有在降低的噪声与从ECU505输入的输入电压（栅极电压）叠加的情况和发生GND浮动的情况下，对其补偿并将标准的栅极电压传输至IGBT51a的栅极的功能。
图11的混合型的点火器600的结构中，需要将多个个别部件搭载到印刷衬底91等，部件个数增多。因此外形尺寸增大，制造成本增大。
此外，上述专利文献1～3中，没有发现关于本发明的要点，即，使内燃机点火装置中使用的单片式点火器的动作电压低电压化的方法的记载。
本发明的目的在于解决上述课题，提供一种能够实现动作电压的低电压化、高噪声容量化、高浪涌容量、小型化和低成本化的单片式点火器以及具有该单片式点火器的内燃机点火装置。
为了达成上述目的，根据本发明第一方面的发明，单片式点火器在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V。
此外，根据本发明第二方面的发明，在第一方面的发明中，使上述输入电压的最低电压不足2.5V即可。
此外，根据本发明第三方面发明，在第一方面的发明中，使上述输入电压的最低电压不足2.0V即可。
此外，根据本发明第四方面的发明，在第一～第三方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下即可。
此外，根据本发明第五方面的发明，在第一～第四方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下即可。
此外，根据本发明第六方面的发明，在第一～第五方面中任一方面的发明中，设构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的沟道长度为L（cm），上述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N（cm-3）时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3即可。
此外，根据本发明第七方面的发明，在第一～第六方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm即可。
此外，根据本发明第八方面的发明，在第一～第七方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数（单元密度）为5×102个以上即可。
此外，根据本发明第九方面的发明，在第一～第八方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构即可。
此外，根据本发明第十方面的发明，在第一～第九方面中任一方面的发明中，上述控制电路是从电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路中选择的一个或多个电路即可。
此外，根据本发明第十一方面的发明，在第一～第十方面中任一方面的发明中，上述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管即可。
此外，根据本发明第十二方面的发明，其为使用第一～第十一方面中任一方面的发明中记载的单片式点火器的内燃机点火装置即可。
为了达成上述目的，根据本发明第十三方面的发明，单片式点火器在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器对上述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为上述控制电路的电源电压和上述MOS晶体管的控制信号，上述输入电压的最低电压不足3.5V，上述控制电路的最低动作电压为1.5V以下，串联两个由串联连接的两级的MOSFET构成的逆变器电路来构成上述控制电路即可。
此外，根据本发明第十四方面的发明，在第十三方面的发明中，使上述输入电压的最低电压不足2.5V即可。
此外，根据本发明第十五方面的发明，在第十三方面的发明中，使上述输入电压的最低电压不足2.0V即可。
此外，根据本发明第十六方面的发明，在第十三～第十五方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下即可。
此外，根据本发明第十七方面的发明，在第十三～第十六方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下即可。
此外，根据本发明第十八方面的发明，在第十三～第十七方面中任一方面的发明中，设构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的沟道长度为L（cm），上述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N（cm-3）时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3即可。
此外，根据本发明第十九方面的发明，在第十三～第十八方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1.5V以下，上述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm即可。
此外，根据本发明第二十方面的发明，在第十三～第十九方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数为5×102个以上即可。
此外，根据本发明第二十一方面的发明，在第十三～第二十方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构即可。
此外，根据本发明第二十二方面的发明，在第十三～第二十一方面中任一方面的发明中，上述控制电路的最低动作电压为1V以上，该控制电路由两级的逆变器电路构成即可。
此外，根据本发明第二十三方面的发明，在第十三～第二十二方面中任一方面的发明中，上述控制电路是从电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路中选择的一个或多个电路即可。
此外，根据本发明第二十四方面的发明，在第十三～第二十三方面中任一方面的发明中，上述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管即可。
此外，根据本发明第二十五方面的发明，其为使用第十三～第二十四方面中任一方面的发明中记载的单片式点火器的内燃机点火装置即可。
为了达成上述目的，根据本发明第二十六方面的发明，单片式点火器在同一个半导体衬底上配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器对上述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为上述控制电路的电源电压和上述MOS晶体管的控制信号，上述输入电压的最低电压不足3.5V，在连接构成上述单片式点火器的栅极端子和上述MOS晶体管的栅极的栅极配线与地之间连接电容器即可。
此外，根据本发明第二十七方面的发明，在第二十六方面的发明中，使上述输入电压的最低电压不足2.5V即可。
此外，根据本发明第二十八方面的发明，在第二十六方面的发明中，使上述输入电压的最低电压不足2.0V即可。
此外，根据本发明第二十九方面的发明，在第二十六～第二十八方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下即可。
此外，根据本发明第三十方面的发明，在第二十六～第二十九方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下即可。
此外，根据本发明第三十一方面的发明，在第二十六～第三十方面中任一方面的发明中，设构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的沟道长度为L（cm），上述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N（cm-3）时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3即可。
此外，根据本发明第三十二方面的发明，在第二十六～第三十一方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm即可。
此外，根据本发明第三十三方面的发明，在第二十六～第三十二方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的上述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，上述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数（单元密度）为5×102个以上即可。
此外，根据本发明第三十四方面的发明，在第二十六～第三十三方面中任一方面的发明中，构成上述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构即可。
此外，根据本发明第三十五方面的发明，在第二十六～第三十四方面中任一方面的发明中，在上述控制电路的电源的高电位侧与地之间分别连接电容器即可。
此外，根据本发明第三十六方面的发明，在第二十六～第三十五方面中任一方面的发明中，上述控制电路的最低动作电压为1V以上，上述控制电路由串联连接的两级的MOSFET构成的逆变器电路构成即可。
此外，根据本发明第三十七方面的发明，在第二十六～第三十六方面中任一方面的发明中，上述控制电路是电流限制电路、过热检测电路或电流限制电路与过热检测电路两者。
此外，根据本发明第三十八方面的发明，在第二十六～第三十七方面中任一方面的发明中，上述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管即可。
此外，根据本发明第三十九方面的发明，其为使用第二十六～第三十八方面中任一方面的发明中记载的单片式点火器的内燃机点火装置即可。
根据本发明，通过使MOS晶体管的栅极阈值电压为低电压（1.5V以下），使电流限制电路和过热检测电路的动作电压为低电压（1V以上），能够使内燃机点火装置中使用的单片式点火器的动作电压低电压化（1V～不足3.5V）。
此外，通过在连接栅极端子和MOS晶体管的栅极的栅极配线与接地配线之间插入电容器，能够提高噪声容量和浪涌容量。
此外，通过使电流限制电路和过热检测电路由两级的逆变器电路构成，能够使这些电路的动作电压低电压化。
此外，因为与混合型点火器相比，没有设置电压变换电路，所以能够使封装小型化，低成本化。
附图说明
图1是本发明的第一实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100的电路结构图。
图2是对于本发明的第一实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100在半导体衬底31上形成的IGBT1的主要部分截面图。
图3是表示对IGBT1的沟道区域32附近的各部位附加的符号的图。
图4是表示栅极阈值电压Vgth、沟道区域32的杂质浓度N、沟道电阻R、沟道长度L的关系的图。
图5是本发明的第二实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100的主要部分结构图。
图6是关于控制电路的现有例的结构（a）和本发明的结构（b）。
图7是本发明的第三实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100的主要部分结构图。
图8是搭载了现有的单片式点火器501的内燃机点火装置500的主要部分结构图。
图9是图8所示的内燃机点火装置500中搭载的现有的单片式点火器501的主要部分电路图。
图10是图9的单片式点火器501的外形图。
图11是混合型的点火器600的主要部分结构图。
符号说明
1  IGBT
2  集电极
3  栅极
4  发射极
5  传感发射极
6  传感电阻
7  电流限制电路
8、11  高电位侧
9、12  低电位侧
10  过热检测电路
13  第一MOSFET
14、17  栅极
15、18  漏极
16  第二MOSFET
19  齐纳二极管
20  阴极
21  阳极
22、29  电阻
23  栅极配线
24  接地配线
25  集电极端子
26  栅极端子
27  发射极端子
28  接地电位
31  半导体衬底
32  沟道区域（阱区域）
33  发射极区域
34  栅极氧化膜
35  栅极电极
36  层间绝缘膜
37  发射极电极
38  集电极区域
39  集电极电极
42、43、44  电容器
100  单片式点火器
具体实施方式
本发明在构成内燃机点火装置的单片式点火器中，直到比从现有的栅极端子输入的输入电压（栅极电压：3.5V～5V）更低的输入电压（栅极电压：1V～不足3.5V）都能够驱动。
其方法包括：1）使MOS晶体管的栅极阈值降低，2）使电流限制电路和过热检测电路的动作电压降低，3）实施对随着动作电压的降低变得易于被影响的噪声的对策三个项目。本发明中是使单片式点火器的最低动作电压为1V和超过它的附近（1V～不足3.5V）。因此，需要使MOS晶体管的栅极阈值电压Vgth、电流限制电路的最低动作电压、加热检测电路的最低动作电压为1V。即，使本发明的单片式点火器的动作电压为1V～5V的电压范围。接着，对上述各项目用以下的实施例依次说明。
<实施例1>（IGBT）
图1是本发明的第一实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100的结构图，该图（a）是整体的电路结构图，图2（a）是半导体衬底31上形成的IGBT1的主要部分截面图。该图2（a）中表示了一个单元的主要部分截面图。此外，IGBT1的栅极结构此处表示了平面型，但也存在未图示的沟槽型的情况。此外，图1中列举了IGBT1的示例作为功率设备，但也存在功率MOSFET的情况。该功率MOSFET使用形成了相当于传感发射极4的传感源极即可。
该图中，该单片式点火器100由具有传感发射极5的IGBT1、传感电阻6、电流限制电路7、过热检测电路10、浪涌保护用的齐纳二极管19和电阻22、第一MOSFET13、第二MOSFET16、集电极端子25、栅极端子26和发射极端子27构成。上述过热检测电路10的电路结构与现有的过热检测电路60的电路结构相同，此处未图示。
IGBT1的集电极2与单片式点火器100的集电极端子25连接，栅极3与栅极端子26连接，发射极4与发射极端子27连接。传感发射极5与传感电阻6连接，IGBT1的栅极3与栅极端子26通过栅极配线23连接。该栅极配线23上连接电流限制电路7的高电位侧8，成为电流限制电路7的电源。此外，该栅极配线23上连接过热检测电路10的高电位侧11，成为过热检测电路10的电源。此外，电流限制电路7的低电位侧9和过热检测电路10的低电位侧12与接地配线24连接。此外，该栅极配线23上连接第一MOSFET13的漏极15、第二MOSFET16的漏极18，各个源极与接地配线24连接。此外，该栅极配线23上连接浪涌对策用的齐纳二极管19的阴极20，阳极21与接地配线24连接。进而，在该栅极配线23与接地配线24之间连接浪涌对策用的电阻22。此外，接地配线24通过发射极端子27成为接地电位28。传感电阻6产生的电压被输入电流限制电路7。电流限制电路7的输出信号被输入第一MOSFET13的栅极14。上述各部位在同一个半导体衬底31上形成。此外，上述齐纳二极管19也存在多个串联的情况。
此外，关于图1的电路，除了上述部件以外，虽然此处未图示，但与图9中同样地在齐纳二极管19的阴极与第二MOSFET16的源极之间连接二极管用于浪涌保护，在集电极2与栅极3之间连接齐纳二极管用于浪涌保护。进而，在栅极配线23中在电阻22与齐纳二极管19之间和电流限制电路7的高电位侧与第二MOSFET16的漏极之间插入电阻用于浪涌保护。
图2（a）中，在半导体衬底31的一方的主面上配置条状的沟道区域32（=阱区域），图2（b）和图2（c）表示在沟道区域32的表面层上配置条状的发射极区域33的示例。
在半导体衬底31的另一方的主面上配置集电极区域38，在集电极区域38上配置集电极电极39。
栅极电极35作为图1的IGBT1的栅极3，与栅极端子26通过栅极配线23连接。集电极电极39作为集电极2，与集电极端子25连接。发射极电极37作为发射极4，与发射极端子27连接。此外，图1所示的传感发射极5在图2（a）中被省略。
图3是表示对IGBT1的沟道区域32附近的各部位附加的符号的图。该图与图2（a）相同。
对栅极氧化膜34的厚度附加符号t，对沟道区域32形成的沟道的长度即沟道长度附加符号L，对沟道区域32的扩散深度附加符号T，对单元宽度附加符号W。图中设沟道区域32的杂质浓度的符号为N，IGBT1的栅极阈值电压的符号为Vgth，沟道电阻的符号为R，该沟道电阻R产生的电压降为E，在（）内表示。其中，此处，对栅极阈值电压进行说明。本申请中的栅极阈值电压，是例如对集电极-发射极间电压施加数V的电压的同时使栅极电压从0V起增加时，发射极4中流过的电流成为额定电流的1/1000时的栅极电压。此外，在周知的DMOS结构中，对于与p基层的MOS栅极连接的场所形成电子的反转层沟道的栅极电压也称为栅极阈值。该周知的栅极阈值电压由p基层的浓度和栅极氧化膜厚度决定，本申请中为了区分含义，将该周知的栅极阈值电压称为有效栅极阈值电压。
用图3说明使IGBT1的阈值电压Vgth降低的方法。如上所述，要求的单片式点火器100的最低动作电压是1V。为此需要使IGBT1的栅极阈值电压Vgth最高为1V。
根据模拟，使栅极氧化膜的厚度t为50nm的情况下，为了使IGBT1的栅极阈值电压Vgth成为1V，需要使沟道区域32的杂质浓度N为1×1017/cm3。栅极氧化膜34的厚度t是对栅极端子26施加浪涌电压时相对于对栅极3施加的电压不会绝缘破坏的厚度。因此，如果通过降低浪涌保护用的齐纳二极管19的动作电阻，能够抑制对栅极端子26施加的浪涌电压，则能够减少栅极氧化膜34的厚度t，能够使栅极阈值电压Vgth降低。
使该栅极氧化膜34的厚度t为5nm～不足25nm的范围即可。使其不足5nm时，因浪涌电压使栅极氧化膜34损坏的比例增加，所以不优选。栅极氧化膜34的厚度t是10nm以上时，因浪涌电压使栅极氧化膜34损坏的比例较少，所以优选。另一方面，超过25nm时，即使控制沟道区域32的杂质浓度N，也难以使栅极阈值电压Vgth降低至1V。
此外，通过使浪涌保护用的齐纳二极管19的接合面积例如增大10%且使动作电阻减小10%，能够使对栅极端子26施加浪涌电压时对栅极3施加的电压比以往降低数%。结果，能够使栅极氧化膜34的厚度t比以往减少数%。因为栅极阈值电压Vgth与栅极氧化膜34的厚度t成比例，所以通过使栅极氧化膜34的厚度t减少数%。能够使栅极阈值电压Vgth减少数%程度。例如，能够使栅极氧化膜34的厚度t比以往减少5～15%，由此能够使栅极阈值电压Vgth减少25～75%程度。
接着，对沟道长度L与沟道区域32的杂质浓度的关系进行说明。
使沟道区域32的杂质浓度N（≤1017cm-3）降低时，沟道电阻R增大，因沟道电阻R产生的电压降E增大。该电压降E增大时产生IGBT的接通电压增加的不良。特别是使IGBT在栅极阈值电压Vgth附近动作的情况。因此，需要成为即使使沟道区域32的杂质浓度N降低，沟道电阻R产生的电压降E也不改变。
以下说明使因沟道电阻R产生的电压降E一定的情况（=使沟道电阻R一定的情况）下，为了使栅极阈值电压Vgth成为1V的沟道区域32的杂质浓度N与沟道长度L的关系。
为了使栅极阈值电压Vgth降低而使沟道区域32的杂质浓度N降低时，如上所述，沟道电阻R增大。为了抑制该沟道电阻R的增大，需要缩短沟道长度L。即，需要使相互依赖的沟道区域的杂质浓度N与沟道长度L最佳化。
图4是表示栅极阈值电压Vgth、沟道区域32的杂质浓度N、沟道电阻R、沟道长度L的关系的图。图中的甲、乙、……表示用于使沟道区域32的杂质浓度N与沟道长度L最佳化的流程。
图4（a）是表示栅极阈值电压Vgth与沟道区域32的杂质浓度N的关系的图。栅极阈值电压Vgth的减少（流程甲）与沟道区域32的杂质浓度N的平方根成比例地减少（流程乙）。图4（b）是表示沟道区域32的杂质浓度N与沟道电阻R的关系的图，沟道电阻R在减少沟道区域32的杂质浓度时（流程乙），沟道内的电子浓度减少，移动度增大。它们相互关联，沟道电阻大致与杂质浓度的三次方根成反比地增大（流程丙）。这是在最低动作电压即栅极阈值电压Vgth附近使IGBT动作的情况。该图（c）是表示沟道长度L与沟道电阻R的关系的图，沟道长度L与沟道电阻R的减少成比例地增大。为了使沟道电阻R减少至原有的值（流程丁），需要缩短沟道长度L（流程戊）。该图（d）是表示使因沟道电阻R产生的电压降E一定的情况下的沟道区域32的杂质浓度N与沟道长度L的关系的图。沟道长度L与沟道区域32的杂质浓度N的三次方根成比例地减少。通过减少沟道区域32的杂质浓度N，使该沟道长度L减少。通过该沟道长度L的减少，能够使增大的沟道电阻R（流程丙的阶段）恢复为原有的值（流程己）。即，通过减少沟道区域32的杂质浓度N和沟道长度L，能够使栅极阈值电压Vgth减少至1V，且使沟道电阻R一定。
然而，沟道长度L依赖于微细加工精度，所以在工艺上难以极度缩短。进而，沟道区域32的杂质浓度N降低时，在沟道区域32中扩散的耗尽层的范围增大，沟道长度L过短时，难以确保IGBT1的耐压。所以，不能使沟道区域32的杂质浓度N极度降低，使沟道长度L极度缩短。
其中，图4所示的各参数的相互关系，是基于根据文献和实验获得的知识推定的。
接着，对上述的内容用数学公式表示，如下所示。
Vtgh∝√N×t
R∝1/N1/3（N≤1017cm-3），E∝R，R∝L（N≤1017cm-3）
L/N1/3∝L·R∝R2∝E2
即，L/N1/3是一定的。所以L=G×N1/3的关系式成立。其中，G是比例常数，为N≤1017cm-3的范围。
通过模拟，用与现有元件相同的沟道电阻R求出栅极阈值电压Vgth为1V的沟道长度L和沟道区域32的杂质浓度N时，沟道长度L是4μm，沟道区域32的杂质浓度N是1×1017cm-3。
使用该数值时，为了使栅极阈值电压Vgth成为1V以下，使沟道电阻R产生的电压降E成为现有的电压降以下，在沟道区域32的杂质浓度N≤1017cm-3，沟道长度L≤4×10-4cm（=4μm）的条件下，使沟道区域32的杂质浓度N降低，在沟道长度L（cm）≤4×10-4×（10-17）1/3×（沟道区域32的杂质浓度N（cm-3））1/3的范围内决定沟道长度L即可。
实际上，制造单片式点火器的情况下，在满足上式的同时，使沟道长度L和沟道区域32的杂质浓度N最佳化。但是，关于沟道长度L，需要高精度的微细加工，因此也可以使沟道长度L在上述条件内固定为规定的长度，减少沟道区域32的杂质浓度N。
但是，该情况下，因沟道电阻R产生的电压降E随着降低沟道区域32的杂质浓度N而增大。然而，因为沟道电阻R产生的电压降E占IGBT的接通电压的比例较小，所以接通电压的上升较小。
其中，此处所示的沟道区域32的杂质浓度N指的是相对于沟道区域32的扩散深度的平均的杂质浓度。是将沟道区域32的杂质的剂量除以扩散深度T后的值。
为了使栅极阈值电压Vgth降低，而使沟道区域32的杂质浓度N降低，缩短沟道长度L时，能够使单元尺寸小型化（能够缩小单元宽度W）。结果，单元密度增大，能够提高IGBT1的通电能力。
其中，单元密度指的是单元为条状的单元的情况下，相对于单元的长度方向垂直的方向上的1cm的长度中包括的条状的沟道区域32（阱区域）的个数。
此外，单元密度增大时，因IGBT的I-V特性，动作电阻减小。因此，规定的电流下的接通电压降低，在现象上，成为与栅极阈值电压Vgth降低的情况对等的动作。即，通过使单元密度增大，能够使栅极阈值电压Vgth在现象上降低。所以，具有使单元密度比以往增加，具体而言，条状的单元的情况下为1×103个/cm以上的效果。
此外，通过使用与氧化膜相比介电常数更高的材质作为栅极绝缘膜的材质，能够使栅极电容增加，使栅极阈值电压Vgth降低。
<实施例2>（电路）
图5是本发明的第二实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100的主要部分结构图。该图是构成单片式点火器100的电流限制电路7的主要部分电路图。
为了使电流限制电路7和未图示的过热检测电路10的动作电压降低，需要使构成这些电路7、10的MOSFET（nMOS）的栅极阈值降低。其方法与上述IGBT1采用的方法相同。
此外，通过改进电路结构能够降低动作电压。用电流限制电路7为例说明。
现有的图9所示的电流限制电路57，如图6（a）所示使用由串联三级结构的nMOS电路构成的运算放大器形成。具体而言，该三级结构的nMOS电路构成的电路是电压放大级600。此处VH表示电源的高压侧，VL表示电源的低压侧。Vin是输入电压端子，Vref是参考电压输入端子。用“MD”和数字记载的元件是耗尽型MOSFET，仅用“M”和数字记载的元件是增强型MOSFET。对其如图5所示的电流限制电路7所示，变更为串联两级结构的逆变器电路41，能够使电流限制电路7的最低动作电压成为1V以下。这是因为逆变器电路41中的各个逆变器由串联两级结构的nMOS（上级的nMOS使栅极和源极短路用作电阻）构成。图6（b）表示使该nMOS成为两级结构的具体的电路。此外，该逆变器电路也能够使电阻和nMOS串联连接形成。此处nMOS指的是n沟道MOSFET，nMOS的动作电压能够通过降低栅极阈值电压而成为每个元件0.7V程度以下。使电源电压为2V的情况下，优选MOSFET的阈值在2V至0.7V之间且尽可能接近0.7V。
此外，过热检测电路10的情况也能够通过如图5所示应用两级的逆变器电路41，与电流限制电路7同样地使最低动作电压成为1V以下。
对图5的单片式点火器100的制造方法的一例进行说明。
首先，在形成IGBT1等的半导体衬底31上，在各个电路7、10内形成多组构成电流限制电路7和过热检测电路10的两级的逆变器电路41。
接着，用晶片试验机对传感电阻5产生的电压（传感信号）或检测过热而产生的检测电压（二极管的正向电压降），与电流限制电路7和过热检测电路10内形成了多组的各个两级的逆变器电路41的特性进行比较，用最佳的组合选定各两级的逆变器电路41。该选定的方法能够通过使两级的逆变器电路41、具体而言即构成该逆变器电路的图6（b）所示的电路，例如在不连接接地侧配线的状态下多个并联形成，从多个中选择适当的特性的电路，对于该选择的电路进行接地侧配线而达成。在不连接接地侧配线的状态下形成的多个电路，也可以是接地侧预先配线，不连接电源侧的结构。
由此，能够高精度地形成最低动作电压为1V以下的电流限制电路7和过热检测电路10。
<实施例3>（噪声对策和浪涌保护）
图7是本发明的第三实施例的内燃机点火装置中使用的单片式点火器100的主要部分结构图。
图7中在栅极配线23与接地配线24之间连接有电容器42。通过设置该电容器42，在对栅极端子26输入的栅极电压降低至最低动作电压即1.5V的状态下，即使叠加负极性的噪声，也通过电容器电压防止该栅极电压的下降。结果，能够使电流限制电路7、过热检测电路10和IGBT1稳定地动作。即，通过设置电容器42能够提高单片式点火器100的噪声容量。
此外，在电流限制电路7和过热检测电路10中分别设置电容器43、44也具有同样的效果。这些电容器在电流限制电路7、过热检测电路10中为了使检测电流和热的例如串联两级结构的MOSFET电路的噪声容量提高而将电容器设置在该nMOS电路附近。具体而言，例如在图6（b）中在电源-接地间、Vin-接地间、M11的栅极-接地间设置电容器。通过这样设置电容器，具有使MOSFET的接合电容增加的效果，能够提高噪声容量。
对栅极端子26施加浪涌电压时，为了抑制该浪涌电压，在A部插入电阻29。因该插入的电阻29和齐纳二极管19使浪涌电压分压，该分压后的电压对IGBT1的栅极施加，所以通过设置电阻29能够抑制浪涌电压。但是，该电阻29被串联地插入栅极配线23，所以输入栅极端子26的栅极电压在到达IGBT1的栅极的时刻成为较低的电压。所以，需要使该电阻29尽可能小来抑制对栅极端子26输入的栅极电压的衰减。
上述电容器42起到与缓冲电容器同样的作用，具有抑制浪涌电压的效果。所以，通过设置电容器42，能够减小A部设置的电阻29。其中，图7中关于IGBT的集电极2与栅极配线23之间插入的双向二极管，是省略了多个二极管串联连接的结构的记载。
通过将上述实施例1～实施例3组合，即使使对栅极端子26输入的栅极电压低电压化，单片式点火器100也稳定地动作，进而，能够提高噪声容量，此外，在低栅极电压下的动作也充分确保IGBT1的通电能力。
进而，与混合型点火器相比，能够实现封装的小型化、低成本化。

Claims (39)

1.一种单片式点火器，其在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器的特征在于：
对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V。
2.如权利要求1所述的单片式点火器，其特征在于：
所述输入电压的最低电压不足2.5V。
3.如权利要求1所述的单片式点火器，其特征在于：
所述输入电压的最低电压不足2.0V。
4.如权利要求1～3中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
设构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的沟道长度为L（cm），所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N（cm-3）时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3。
7.如权利要求1～6中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm。
8.如权利要求1～7中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数为5×102个以上。
9.如权利要求1～8中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构。
10.如权利要求1～9中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述控制电路是从电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路中选择的一个或多个电路。
11.如权利要求1～10中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管。
12.一种内燃机点火装置，其特征在于：
使用权利要求1～11所述的单片式点火器。
13.一种单片式点火器，其在同一个半导体衬底配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器的特征在于：
对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V，
所述控制电路的最低动作电压为1.5V以下，串联两个由串联连接的两级的MOSFET构成的逆变器电路来构成所述控制电路。
14.如权利要求13所述的单片式点火器，其特征在于：
所述输入电压的最低电压不足2.5V。
15.如权利要求13所述的单片式点火器，其特征在于：
所述输入电压的最低电压不足2.0V。
16.如权利要求13～15中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下。
17.如权利要求13～16中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。
18.如权利要求13～17中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
设构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的沟道长度为L（cm），所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N（cm-3）时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3。
19.如权利要求13～18中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1.5V以下，所述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm。
20.如权利要求13～19中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数为5×102个以上。
21.如权利要求13～20中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构。
22.如权利要求13～21中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述控制电路的最低动作电压为1V以上，该控制电路由两级的逆变器电路构成。
23.如权利要求13～22中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述控制电路是从电流限制电路、过热检测电路、计时器电路、过电压保护电路和输入滞后电路中选择的一个或多个电路。
24.如权利要求13～23中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管。
25.一种内燃机点火装置，其特征在于：
其使用权利要求13～24所述的单片式点火器。
26.一种单片式点火器，其在同一个半导体衬底上配置有MOS晶体管、与该MOS晶体管的栅极电连接的栅极端子、限制该MOS晶体管的栅极电压的控制电路，该单片式点火器的特征在于：
对所述单片式点火器的栅极端子输入的输入电压，成为所述控制电路的电源电压和所述MOS晶体管的控制信号，所述输入电压的最低电压不足3.5V，
在连接构成所述单片式点火器的栅极端子和所述MOS晶体管的栅极的栅极配线与地之间连接电容器。
27.如权利要求26所述的单片式点火器，其特征在于：
所述输入电压的最低电压不足2.5V。
28.如权利要求26所述的单片式点火器，其特征在于：
所述输入电压的最低电压不足2.0V。
29.如权利要求26～28中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质量为1×1017/cm3以下。
30.如权利要求26～29中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的沟道长度为4μm以下。
31.如权利要求26～30中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
设构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的沟道长度为L（cm），所述MOS晶体管的沟道区域的单位体积的杂质浓度为N（cm-3）时，L≤4×10-4×(10-17)1/3×N1/3。
32.如权利要求26～31中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的栅极氧化膜的厚度为5nm以上且不足25nm。
33.如权利要求26～32中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的所述MOS晶体管的有效栅极阈值电压为1V以上，所述MOS晶体管的单元是条状的情况下，条状的单元的在与长边方向垂直的方向上的每1cm的单元个数为5×102个以上。
34.如权利要求26～33中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
构成所述单片式点火器的MOS晶体管是平面栅结构或沟槽结构。
35.如权利要求26～34中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
在所述控制电路的电源的高电位侧与地之间分别连接电容器。
36.如权利要求26～35中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述控制电路的最低动作电压为1V以上，所述控制电路由串联连接的两级的MOSFET构成的逆变器电路构成。
37.如权利要求26～36中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述控制电路是电流限制电路、过热检测电路或电流限制电路与过热检测电路两者。
38.如权利要求26～37中任一项所述的单片式点火器，其特征在于：
所述MOS晶体管是绝缘栅型双极晶体管。
39.一种内燃机点火装置，其特征在于：
其使用权利要求26～38所述的单片式点火器。
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