CN105264774A - 半导体装置的保护电路 - Google Patents

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Abstract

半导体装置的保护电路具备高电子迁移率晶体管(1)和保护元件。上述保护元件在上述高电子迁移率晶体管的漏极－栅极间具备晶闸管(2)以及与该晶闸管串联连接的第1电阻(3)。上述保护元件在上述高电子迁移率晶体管的源极－栅极间具备第2电阻(4)以及与该第2电阻串联连接的截断部(5，10)。上述截断部当上述晶闸管截止时将上述漏极－栅极间的电流的流动截断并且当上述晶闸管导通时允许上述漏极－栅极间的电流的流动。

Description

半导体装置的保护电路
本申请基于2013年6月7日申请的日本申请第2013－120711号，在此援引其记载内容。
技术领域
本申请涉及半导体装置的保护电路，该半导体装置具有由高电子迁移率晶体管(以下，称为HEMT)构成的半导体开关元件。
背景技术
在将半导体开关元件连接于感应性负载、由半导体开关元件控制对感应性负载的电力供给的通断的情况下，需要将关断(turnoff)时在感应性负载中蓄积的能量在电路内消耗。此时蓄积的能量E成为E＝1/2×LI2，其中设自感为L，设电流为I。
在半导体开关元件是由硅构成的MOSFET的情况下，成为在漏极―源极间具有阴极连接于漏极、阳极连接于源极的反并联连接的寄生二极管的器件构造。因此，在已使MOSFET截止时，能够将来自感应性负载的能量利用寄生二极管的雪崩区域消耗该能量，从而具有比较大的雪崩能量(avalancheenergy)耐量。
另外，雪崩能量耐量是器件的击穿耐量的指标，定义为在器件中消耗了感应性负载中蓄积的能量的情况下、器件不至于击穿而能够消耗的最大能量。
另一方面，在将基于化合物半导体的GaN－HEMT、GaAs－HEMT等用作半导体开关元件的情况下，通常，无法在元件内部消耗来自感应性负载的能量，超过栅极－漏极间耐量(BVgd)或源极－漏极截止(source-drainoff)间耐压(Bvdsoff)以致元件击穿。因而，在变换器(inverter)等具有自感L的感应性负载的系统中，通常与保护元件一起使用。
例如，有在HEMT的源极－漏极间将外接二极管作为保护元件反并联连接的方法。根据该方法，通过具备外接二极管，实现与硅的MOSFET同样的构造，消耗来自感应性负载的能量。但是，由于在二极管侧消耗从对HEMT流过额定电流的状态起到HEMT截止时的能量，所以要求在二极管中流过与HEMT相同程度的大电流，有二极管尺寸增大的问题。
因此，在专利文献1中，提出了在栅极－漏极间以及源极－栅极间将齐纳二极管作为保护元件进行反并联连接的构造。根据该方法，当由于感应性负载的能量而漏极电压增大时，与栅极－漏极间的齐纳二极管的击穿同时地，源极－栅极间的齐纳二极管也击穿，流过击穿电流。对应于齐纳二极管的级数而被分压后的电压作为栅极电压被施加到HEMT。该击穿电流与通常进行导通的情况相同地，通过将栅极充电而沟道开启从而HEMT导通。即，感应性负载的能量通过使HEMT导通而由HEMT消耗。因此，齐纳二极管只要是流过驱动HEMT的程度的小电流的结构即可，因此能够减小二极管的尺寸。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－164158号公报
发明概要
发明要解决的课题
但是，即使是专利文献1所示的构造，也需要供给足以将栅极驱动的电力的程度的电流。在保护半导体开关元件中的高耐压的元件的情况下，需要非常多的级数的二极管。例如，如果想得到几百伏[V]的截止电压则二极管的级数成为几十～几百级而变得非常多。在保护状态下，虽然击穿电流流动，但即使是该击穿电流，也由于在级数多的二极管中反向地流动电流从而电阻变得非常大。因而，电流值不像所期待的那样增大，为了流过足够半导体开关元件的驱动的电流，必须使二极管较大。
另外，还有在栅极－漏极间以及源极－栅极间将二极管作为保护元件正向地并联连接的构造，根据该构造，由于二极管正偏，所以有可能流过比较大的电流。但是，为了保护高耐压元件，还必须使二极管的级数较多，导致二极管变大。此外，在该构造中，还能够取代二极管而在栅极－漏极间以及源极－栅极间将MIS晶体管并联连接从而减少二极管级数。但是，在浪涌保护时当MIS晶体管击穿时流动的电流不大，若想要流动足以驱动半导体开关元件的栅极的电流则需要大的MIS晶体管。即，这样的构造是假定低耐压的构造，不是适于高耐压的构造。
发明内容
本申请鉴于以上情况，目的在于提供能够抑制保护元件的尺寸增大并得到雪崩能量耐量的半导体装置的保护电路。
本申请的一形态的半导体装置的保护电路具备高电子迁移率晶体管和保护元件。上述高电子迁移率晶体管是对负载连接而控制对该负载的电力供给的通断的半导体开关元件。上述保护元件在上述高电子迁移率晶体管的漏极－栅极间具备正向连接的晶闸管以及与该晶闸管串联连接的第1电阻。上述保护元件在上述高电子迁移率晶体管的源极－栅极间具备第2电阻以及与该第2电阻串联连接的截断部。上述截断部当上述晶闸管截止时将上述漏极－栅极间的电流的流动截断并且当上述晶闸管导通时允许上述漏极－栅极间的电流的流动。
上述半导体装置的保护电路能够抑制上述保护元件的尺寸增大并得到雪崩能量耐量。
附图说明
本申请的上述或其他目的、结构、优点将参照下述的附图而通过以下的详细说明变得明了。
图1是本申请的第1实施方式的半导体装置的保护电路的电路图。
图2是表示示出了晶闸管的阳极－阴极间的电压VAK与电流I的关系的特性线的图。
图3是表示图2所示的特性线与负载线的关系的图。
图4是其他实施方式的半导体装置的保护电路的电路图。
图5是其他实施方式的半导体装置的保护电路的电路图。
图6是其他实施方式的半导体装置的保护电路的电路图。
具体实施方式
以下，基于附图说明本申请的实施方式。另外，在以下的各实施方式相互中，对彼此相同或等同的部分附加相同符号进行说明。
(第1实施方式)
说明本申请的第1实施方式的半导体装置的保护电路。如图1所示，保护电路具备HEMT1作为成为保护对象的半导体开关元件，并且构成为在HEMT1的漏极－栅极间以及源极－栅极间具备保护元件。
HEMT1基于来自外部的栅极驱动信号而被通断驱动，控制对例如在漏极－源极间连接的感应性负载(未图示)的电力供给的通断。HEMT1例如将在Si(111)或GaAs等的基板的表面层叠有成为电子游走层的GaN层以及成为电子供给层的n型AlGaN层的构造用作化合物半导体基板而形成。并且，在AlGaN层的表面形成凹陷形状部，在凹陷形状部内配置栅极电极，并且在夹着栅极电极的两侧形成源极电极以及漏极电极。另外，这里示出了HEMT1的一例，但也可以是GaN－HEMT、GaAs－HEMT等，用什么样的材料构成都可以。
在HEMT1的漏极－栅极间，作为保护元件，具备彼此串联连接的晶闸管2以及第1电阻3。
晶闸管2在本实施方式中配置在第1电阻3的高压(highside)侧，在HEMT1的漏极－栅极间被正向连接。晶闸管2为pnpn构造，当在阳极－阴极间施加穿通(breakover)电压VBF(正向耐压)以上的电压则导通，在导通后进行即使没有基极(base)电流也维持导通状态的动作。若晶闸管2导通，则晶闸管2的阳极－阴极间电压降低到与穿通电压VBF相比可无视的程度的电压Vh，虽然当阳极－阴极间流过的电流IAC变大时稍稍增大，但为几乎可无视的大小。并且，当阳极－阴极间流过的电流IAC降低到维持电流Ih以下时，晶闸管2截止。利用进行这样的动作的晶闸管2，通过在关断时当HEMT1的漏极电压成为规定电压时使晶闸管2导通，从而漏极电压被箝位。由此，使得不对HEMT1施加超过箝位电压的电压。
另外，晶闸管2的基极能够根据漏电流Is(参照图2)和耐压而选择是设为断开(open)状态还是对晶闸管2的阴极短路。即，在使晶闸管2的基极为断开状态的情况下，会使漏电流Is增加，在使晶闸管2为耐压大者的情况下发热量变多。相对于此，在使晶闸管2的基极对阴极短路的情况下，与设为断开状态的情况相比能够减小漏电流Is。因此，考虑晶闸管2的耐热性，选择是将晶闸管2的基极设为断开状态还是对阴极短路即可。
第1电阻3对晶闸管2串联连接，与后述的第2电阻4一起被用于决定在箝位时穿过晶闸管2流动的电流。此外，第1电阻3为与第2电阻4一起将HEMT1的漏极－源极间电压进行分压的分压电阻，从而还起到决定关断时的HEMT1的栅极电压Vg的作用。
另一方面，在HEMT1的源极－栅极间，作为保护元件而具备彼此串联连接的第2电阻4以及齐纳二极管5。
第2电阻4如上述那样与第1电阻3一起被用于决定在箝位时穿过晶闸管2流动的电流。此外，第2电阻4为与第1电阻3一起将HEMT1的漏极－源极间电压进行分压的分压电阻，从而还起到决定关断时的HEMT1的栅极电压的作用。
齐纳二极管5相当于截断部，为了向负载进行电力供给，在使HEMT1导通时被截断，以使得对HEMT1施加栅极电压Vg。此外，在HEMT1关断时，若晶闸管2导通则齐纳二极管5被导通，从而齐纳二极管5还起到允许向保护元件侧的电流流动的作用。本实施方式的情况下，将齐纳二极管5设定为HEMT1导通时的栅极电压以上的耐压。因此，在关断时，当晶闸管2导通时能够在经过晶闸管2和第1、第2电阻3、4以及齐纳二极管5的路径中流过电流，在接通(turnon)时，能够对HEMT1施加栅极电压。此外，在本实施方式中，齐纳二极管5采用将彼此的阴极连接起来的背对背连接，使得还能够应对当将HEMT1栅极截止时施加负电压而截止的情况。
接着，说明如上述那样构成的半导体装置的保护电路的动作。
首先，当基于来自外部的栅极驱动信号(栅极电压Vg)使HEMT1导通时，基于来自未图示的电源的电力供给，感应性负载被驱动，成为对感应性负载蓄积了能量的状态。并且，通过栅极驱动信号的变化、例如栅极电压Vg从高电平切换为低电平等，HEMT1关断。此时，需要将感应性负载中蓄积的能量在电路内消耗。
对此，在本实施方式中，由于保护电路具备上述那样的结构，所以在HEMT1关断时若在晶闸管2的阳极－阴极间施加穿通电压VBF以上的电压则晶闸管2导通。并且，若晶闸管2导通，则被第1电阻3和第2电阻4分压后的电压作为HEMT1的栅极电压Vg被施加，HEMT1导通。因此，能够将HEMT1的漏极电压通过晶闸管2的正向耐压来箝位，能够使得不对HEMT1施加超过箝位电压的电压。
此外，如图2所示，晶闸管2进行如下动作，即：在对阳极－阴极间施加穿通电压VBF以上的电压而导通之后，即使没有基极电流也维持导通状态。并且，一旦晶闸管2导通而漏极电压箝位，则晶闸管2的下降电压即阳极－阴极间电压降低至与穿通电压VBF相比能够无视的程度的电压Vh。该电压虽然当阳极－阴极间流动的电流IAC增大时稍稍增大，但是为几乎能够无视的大小。因而，箝位时流过保护电路的电流由第1电阻3的电阻值R1和第2电阻4的电阻值R2决定，通过适当选择这些电阻值R1、R2，能够将流过保护元件的电流从小电流到大电流地自由设计。
例如，晶闸管2在导通时的电阻值小，且高耐压的元件的情况下二极管5的耐压相比于晶闸管2足够小，因此几乎可以无视。因此，如图3所示那样，若将晶闸管2导通的穿通电压VBF设定为箝位电压，则负载线能够用由第1电阻3以及第2电阻4的电阻值R1、R2决定的线来表示，通过这些电阻值R1、R2能够设定其梯度。因此，如果使第1电阻3以及第2电阻4的电阻值R1、R2较小则能够使流过保护元件的电流成为大电流，如果使电阻值R1、R2较大则能够使流过保护元件的电流成为小电流。
具体而言，在记载晶闸管2的特性线的曲线图中记载了根据第1电阻3以及第2电阻4的电阻值R1、R2决定的负载线的情况下，这些线的交点表示晶闸管2导通时流过保护元件的电流I、晶闸管2中的下降电压。即，晶闸管2与负载线交叉的点处的电流I的值成为在晶闸管2导通时流过的电流，此时的电压VAK的值成为晶闸管2中的下降电压。此外，在第1电阻3以及第2电阻4中，流过与晶闸管2相同的电流I，从箝位电压减去晶闸管2中的电压下降量而得到的电压成为第1电阻3以及第2电阻4(以及二极管5：与箝位电压比小得几乎能够无视)中的电压下降量。因而，如果将箝位电压设定为晶闸管2导通的穿通电压VBF，则仅通过决定第1电阻3以及第2电阻4的电阻值R1、R2，决定与之相应的负载线，能够适当地设定在晶闸管2导通时流过保护元件的电流。由此，通过调整流过保护元件的电流，就能够供给足以驱动成为保护对象的HEMT1的电力。
另一方面，当感应性负载的能量被消耗、漏极电压降低时，若阳极－阴极间流过的主电流降低到维持电流Ih以下，则晶闸管2截止。阳极－阴极间流过的主电流成为电流Ih时的电压为对第1电阻3以及第2电阻4的电阻值R1、R2乘以电流Ih而得到的值(＝(R1+R2)×Ih)(实际上是还加上二极管5的耐压而得到的电压)。这成为箝位被解除的箝位解除电压。这样，在感应性负载的能量被消耗、漏极电压下降之后，通过晶闸管2截止而使HEMT1也截止，能够自动地恢复到通常的截止模式。
另外，箝位中的栅极电压Vg根据第1电阻3的电阻值R1和第2电阻4的电阻值R2，被以R2/(R1+R2)×箝位电压+二极管5的耐压来提供，因此能够通过调整电阻值R2而自由设定。
如以上说明的那样，在本实施方式中，作为保护元件而在HEMT1的漏极－栅极间具备晶闸管2以及第1电阻3，并且在HEMT1的源极－栅极间具备第2电阻4以及二极管5。因此，在HEMT1关断时晶闸管2导通而能够向保护元件侧流过电流，此时能够通过被第1电阻3以及第2电阻4分压形成的栅极电压Vg使HEMT1导通。由此，在关断时，将晶闸管2的正向耐压作为箝位电压，使得不对HEMT1施加超过截止电压的电压，并且通过将HEMT1导通而能够消耗在感应性负载中蓄积的能量。因而，能够实现能得到雪崩能量耐量的半导体装置的保护电路。
此外，在这样的保护电路中，保护元件能够由晶闸管2、第1电阻3、第2电阻4以及二极管5构成，对于二极管5而言，只要能够进行HEMT1的栅极驱动的程度的低耐压就足够，能够使级数较少。因此，还能够抑制保护元件的尺寸增大。
因而，能够实现能够抑制保护元件的尺寸增大并且得到雪崩能量耐量的半导体装置的保护电路。
(其他实施方式)
本申请不限定于上述的实施方式，能够在权利要求书记载的范围内适当变更。
例如，在上述实施方式中，也可以如图4所示那样，将晶闸管2配置在第1电阻3的低压(lowside)侧且HEMT1的栅极的高压侧。
此外，也可以如图5所示那样，作为截断部，取代二极管5而配置晶闸管10。该情况下，在将HEMT1关断时，晶闸管10进行与晶闸管2相同的动作，由此将由第1电阻3和第2电阻4分压得到的电压施加到HEMT1的栅极，能够使HEMT1导通。由此，能够得到与第1实施方式相同的效果。此外，该情况下，对于晶闸管2，只要能够进行HEMT1的栅极驱动的程度的低耐压就足够，因此还能够抑制保护元件的尺寸增大。另外，还能够对于晶闸管10的基极根据漏电流Is和耐压而选择是设为断开状态还是对晶闸管10的阴极短路。
进而，也可以如图6所示那样，将晶闸管2用多级构成。

Claims (10)

1.一种半导体装置的保护电路，其特征在于，
具备：
成为半导体开关元件的高电子迁移率晶体管(1)，与负载连接，控制对该负载的电力供给的通断；以及
保护元件，在上述高电子迁移率晶体管的漏极－栅极间具备正向连接的晶闸管(2)以及与该晶闸管串联连接的第1电阻(3)，在上述高电子迁移率晶体管的源极－栅极间具备第2电阻(4)以及与该第2电阻串联连接的截断部(5、10)；
上述截断部在上述晶闸管截止时将上述漏极－栅极间的电流流动截断并且在上述晶闸管导通时允许上述漏极－栅极间的电流流动。
2.如权利要求1记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
上述高电子迁移率晶体管的关断时的该高电子迁移率晶体管的漏极电压将上述晶闸管的正向耐压作为箝位电压而被箝位。
3.如权利要求2记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
上述箝位被解除的电压即箝位解除电压被设定为，对将上述第1电阻的电阻值R1以及上述第2电阻的电阻值R2合计得到的电阻值(R1+R2)乘以上述晶闸管中的维持电流Ih而得到的值，即(R1+R2)×Ih。
4.如权利要求2或3记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
上述高电子迁移率晶体管的漏极电压被箝位为上述箝位电压时的该高电子迁移率晶体管的栅极电压(Vg)根据上述第1电阻的电阻值R1以及上述第2电阻的电阻值R2而被设为R2/(R1+R2)×箝位电压。
5.如权利要求1～4中任一项记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
上述晶闸管连接于上述第1电阻的高压侧。
6.如权利要求1～4中任一项记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
上述晶闸管连接于上述第1电阻的低压侧。
7.如权利要求1～6中任一项记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
在上述源极－栅极间，与上述第2电阻一起，作为上述截断部而连接有二极管(5)。
8.如权利要求1～6中任一项记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
在上述源极－栅极间，与上述第2电阻一起，作为上述截断部而连接有晶闸管(10)。
9.如权利要求1～8中任一项记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
在上述漏极－栅极间连接的晶闸管被设为多级。
10.如权利要求1～9中任一项记载的半导体装置的保护电路，其特征在于，
上述晶闸管的基极为断开状态或对该晶闸管的阴极短路。
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