DE10247038A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist einen ersten IGBT (1) auf, um einen Hauptstrom zu steuern, und einen zweiten IGBT (2), um einen Überstrom des ersten IGBTs (1) zu verhindern. Ein Diodenabschnitt (11) ist zwischen dem Emitter (5) des ersten IGBTs (1) und dem Emitter (6) des zweiten IGBTs (2) so angeordnet, dass er parallel mit einem Abfühlwiderstand (8) ist. Der Diodenabschnitt (11) besteht aus einer ersten Diode (9) und einer zweiten Diode (10), die umgekehrt miteinander in Reihe geschaltet sind. Um den Überstrom des ersten IGBTs (1) und die Zerstörung des zweiten IGBTs (2) zu verhindern, weist jede der Dioden (9, 10) eine Durchbruchspannung in der Rückwärtsspannungsrichtung auf, die niedriger ist als die Dauerspannung zwischen den Emittern (5, 6), und die höher ist als die Obergrenze der vom Abfühlwiderstand (8) erfassten Spannung.

Description

  • Diese Anmeldung basiert auf der in Japan eingereichten Anmeldung Nr. 2002-028300, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
    • TITEL DER ERFINDUNG HALBLEITERVORRICHTUNG HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die ein Stromfühlerelement zur Verhinderung eines Überstroms und darüber hinaus einen Isolierschichttransistor aufweist, wie einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Fieid Effect Transistor) oder dergleichen, um die Stromfühlervorrichtung davor zu schützen, durch eine Überspannung zerstört zu werden.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • In den jüngsten Jahren wurde ein Isolierschichttransistor (spannungsgesteuerter Transistor) wie ein IGBT, ein MOSFET o. dgl. weitverbreitet als Schaltungselement etc., wie Wechselrichter, Wechselstrombauteil verwendet, da er einen Schnellschaltvorgang durchführen kann. Im allgemeinen ist der vorstehend beschriebene Sperrschichttransistor mit einem Stromfühlerelement ausgestattet, um zu verhindern, dass ein Überstrorn durch eine Schaltung, eine externe Last o. dgl. fließt.
  • Konkret ausgedrückt wurde in jeder der japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 9-293856, 4-326768, 2000-269489, 3-46193 und 6-13618 eine IGBT- oder MOSFET-Vorrichtung beschrieben, die ein Stromfühlerelement enthält, um einen Strom zu erfassen, der durch einen Haupt-IGBT oder einen Haupt-MOSFET fließt, um einen Hauptstrom zu steuern, und die einen Überstrom verhindert, indem sie die Gatespannung des Haupt-IGBTs oder des Haupt-MOSFETs senkt, wenn das Stromfühlerelement einen Anstieg des Stroms im Haupt-IGBT oder im Haupt-MOSFET erfasst hat.
  • Fig. 7 ist ein Schaltbild eines Rohaufbaus einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung (IGBT-Vorrichtung) einer allgemeinen Art, die ein Stromfühlerelement enthält. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist bei der herkömmlichen Halbleitervorrichtung ein erster IGBT 101 zur Steuerung des Hauptstroms und ein zweiter IGBT 102 (Stromfühlerelement) zur Überwachung des durch den ersten IGBT 101 fließenden Stroms zusammen auf einem (nicht gezeigten) Halbleitersubstrat ausgebildet. Bei der Halbleitervorrichtung haben beide IGBTs 101 und 102 jeweils ein Gate 103 und einen Kollektor 104 gemeinsam.
  • Andererseits ist jeweils jeder der beiden IGBTs 101 und 102 mit einem jeweiligen Emitter ausgestattet. Und zwar ist ein erster Emitter 105 für den ersten IGBT 101 vorgesehen, während ein zweiter Emitter 106 für den zweiten IGBT 102 vorgesehen ist. Auf diese Weise sind beide Emitter 105 und 106 an einen gemeinsamen Emitter 107 angeschlossen. Da der zweite Emitter 106 nur dazu vorgesehen ist, den Strom im ersten IGBT 101 zu überwachen, ist seine Größe oder sein Raumbedarf im allgemeinen viel kleiner als diejenige/derjenige des ersten Emitters 105.
  • Der zweite Emitter 106 ist mit einem Abfühlwiderstand 108 ausgestattet. Somit wird die am Gate 103 anliegende Spannung entsprechend der Abfühlspannung Vs gesteuert, die am Abfühlwiderstand 108 anliegt (d. h. Spannungsabfall aufgrund des Abfühlwiderstands 108).
  • Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist bei der herkömmlichen Halbleitervorrichtung die an den Abfühlwiderstand 108 angelegte Abfühlspannung Vs in etwa proportional zum Strom, der durch den ersten Emitter 105 fließt. Deshalb kann ein Überstrom im ersten IGBT 101 verhindert werden, indem die Abfühlspannung Vs überwacht und dem Gate 103 rückgeführt wird.
  • Wie vorstehend beschrieben ist die Größe oder der Platzbedarf des zweiten Emitters 106 sehr klein, während die Kapazität des zweiten IGBTs 102, der als Stromfühlerelement verwendet wird, auch sehr gering ist. Folglich besteht ein Problem dergestalt, dass der zweite IGBT 102 oder der zweite Emitter 106 leicht von einer externen Schaltung so beeinflusst werden kann, dass der zweite IGBT 102 oder der zweite Emitter 106 aufgrund einer Überspannung o. dgl., je nach Situation, zerstört werden kann. Als ein Beispiel für die vorstehend beschriebene Zerstörung kann der Fall hervorgehoben werden, bei dem eine Spannung, die höher als die Dauerspannung (Durchbruchspannung) ist, zwischen dem ersten Emitter 105 und dem zweiten Emitter 106 erzeugt wird.
  • Selbstverständlich können die vorstehend genannten Probleme außer beim IGBT auch bei einem Leistungstransistor eines spannungsgesteuerten Typs wie einem MOSFET auftauchen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung, die entwickelt wurde, um die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Probleme zu lösen, hat als eine Aufgabe, eine Einrichtung für einen Sperrschichttransistor wie einen IGBT, MOSFET o. dgl. bereitzustellen, der ein Stromfühlerelement zur Verhinderung eines Überstroms enthält, das den Überstrom wirksam verhindern kann, und darüber hinaus die Zerstörung des Stromfühlerelements durch eine Überspannung o. dgl. wirksam verhindern kann.
  • Eine Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst einen ersten Transistor einer Sperrschichtart (z. B. IGBT, MOSFET o. dgl.) und einen zweiten Transistor einer Sperrschichtart (z. B. IGBT, MOSFET o. dgl.). Der erste Transistor steuert einen Hauptstrom, während der zweite Transistor einen durch den ersten Transistor fließenden Strom überwacht. Im Folgenden bedeutet der Begriff "Hauptstrom" den Strom, der durch eine externe Last fließt, und der von der Halbleitervorrichtung gesteuert wird. Beide Transistoren sind in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet. Zusätzlich teilen sich beide Transistoren einen gemeinsamen Kollektorbereich und einen gemeinsamen Gatebereich. Ein Emitterbereich des zweiten Transistors ist kleiner als ein Emitterbereich des ersten Transistors, was dessen Größe und Platzbedarf betrifft.
  • Darüber hinaus umfasst die Halbleitervorrichtung einen Abfühlwiderstand zwischen dem Emitterbereich des ersten Transistors und dem Emitterbereich des zweiten Transistors. Eine an den gemeinsamen Gatebereich angelegte Spannung (und darüber hinaus ein durch den ersten Transistor fließender Strom) wird entsprechend einer am Abfühlwiderstand anliegenden Abfühlspannung, und zwar eines Spannungsabfalls aufgrund des Abfühlwiderstands, gesteuert.
  • Zusätzlich umfasst die Halbleitervorrichtung einen Diodenabschnitt oder eine Diodenvorrichtung (d. h. ein Klemmelement). Der Diodenabschnitt ist zwischen dem Emitterbereich des ersten Transistors und dem Emitterbereich des zweiten Transistors parallel mit dem Abfühlwiderstand vorgesehen. Hiernach geht der Diodenabschnitt in einen Durchbruchzustand über, wenn eine Spannung, die niedriger als die Dauerspannung (d. h. Durchbruchspannung) zwischen beiden Emitterbereichen ist, und die höher ist als eine obere Grenze der Abfühlspannung, daran angelegt wird. In der Folge kann ein Überstrom des ersten Transistors wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung des zweiter Transistors überwacht wird. Zusätzlich kann der zweite Transistor sicher davor bewahrt werden, durch eine Überspannung zerstört zu werden.
  • Alternativ kann der Diodenabschnitt in einen leitfähigen Zustand übergehen, wenn die Spannung, die niedriger ist als die Dauerspannung und höher ist als die obere Grenze der Abfühlspannung, daran angelegt wird. Auch in diesem Fall kann der Überstrom des ersten 'Transistors wirksam verhindert und darüber hinaus der zweite Transistor sicher davor bewahrt werden, zerstört zu werden.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Verschiedene Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen klar. Darin sich gleiche Teile durchgehend mit gleichen Bezugszeichen versehen:
  • Fig. 1 ist ein Schaltbild, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung (IGBT) nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 2 ist eine Draufsicht im Schnitt einer Halbleitervorrichtung (IGBT) nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3A ist eine Ansicht von oben auf den Diodenabschnitt der in Fig. 2 gezeigten Halbleitervorrichtung, während Fig. 3B ein Schaltbild ist, das zu dem in Fig. 3A gezeigten Diodenabschnitt äquivalent ist;
  • Fig. 4 ist ein Schaltbild, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung (IGBT) nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 5 ist eine Draufsicht im Schnitt auf eine Halbleitervorrichtung (IGBT) nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 6A ist eine Ansicht von oben auf den Diodenabschnitt der in Fig. 5 gezeigten Halbleitervorrichtung, während Fig. 6B ein Schaltbild ist, das zu dem in Fig. 6A gezeigten Diodenabschnitt äquivalent ist;
  • Fig. 7 ist eine Schaltbild, das den Aufbau einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung (IGBT) zeigt; und
  • Fig. 8 ist ein graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Abfühlspannung und dem Strom des ersten Emitters in der in Fig. 7 gezeigten Halbleitervorrichtung zeigt.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Ausführungsform 1
  • Nachstehend wird die Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Halbleitervorrichtung (IGBT) nach Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1 ein erster IGBT 1 zur Steuerung eines Hauptstroms und ein zweiter IGBT 2 zur Überwachung des durch den ersten IGBT 1 fließenden Stroms zusammen auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet (siehe Fig. 2). Hiernach bedeutet der Begriff "Hauptstrom" den Strom, der durch eine externe Last, die von der Halbleitervorrichtung gesteuert wird (z. B. EIN-/AUS-Steuerung), oder durch einen Schaltkreis fließt, der an die externe Last angeschlossen ist.
  • Die Halbleitervorrichtung weist ein Gate 3 auf (Gatebereich) und einen Kollektor 4 (Kollektorbereich), die beide gemeinsam zu den beiden IGBTs 1 und 2 gehören. Das heißt, ein gemeinsames Gate 3 und ein gemeinsamer Kollektor 4 sind für beide IGBTs 1 und 2 vorgesehen. Andererseits weist jeder der IGBTs einen jeweiligen Emitter auf (Emitterbereich). Das heißt, der erste IGBT 1 besitzt einen ersten Emitter 5 (erster Emitterbereich), während der zweite IGBT 2 einen zweiten Emitter 6 besitzt (zweiter Emitterbereich). Der erste Emitter 5 ist an einen gemeinsamen Emitter 7 angeschlossen. Da der zweite Emitter 6 nur vorgesehen ist, um den Strom im ersten IGBT 1 zu überwachen oder zu erfassen, ist seine Größe und sein Platzbedarf viel kleiner als diejenige/derjenige des ersten Emitters 5.
  • Ein Abfühlwiderstand 8 ist in einem Leiterdraht, der den ersten Emitter 5 am zweiten Emitter 6 anschließt, dazwischengeschaltet. In der Halbleitervorrichtung wird im Ansprechen auf die Abfühlspannung Vs, die an den Abfühlwiderstand 8 angelegt wird, nämlich der Spannungsabfall aufgrund des Abfühlwiderstands 8, die an das Gate 3 angelegte Spannung so gesteuert, dass der durch die beiden IGBTs 1 und 2 fließende Strom gesteuert wird. Im Grunde nimmt in der Halbleitervorrichtung die Abfühlspannung Vs, die an den Abfühlwiderstand 8 angelegt wird, proportional mit dem Strom zu, der durch den ersten Emitter 5 fließt.
  • Ein Überstrom des ersten IGBTs 1 kann deshalb verhindert werden, indem die Abfühlspannung Vs überwacht und zum Gate 3 rückgeführt wird. Wenn die Abfühlspannung Vs beispielsweise auf eine vorbestimmte obere Grenz- oder Schwellenspannung ansteigt, wird die an das Gate 3 angelegte Spannung auf 0 V festgelegt, so dass jeder der IGBTs 1 und 2 in den AUS-Zustand eintritt. Folglich wird der Schaltkreis, in dem die IGBTs 1 und 2 dazwischengeschaltet sind, abgeschaltet, so dass verhindert wird, dass ein Überstrom durch den Schaltkreis (oder die beiden IGBTs 1 und 2) fließt.
  • Darüber hinaus ist in der Halbleitervorrichtung ein Diodenabschnitt bzw. eine Diodenvorrichtung 11 (Klemmelement), der/die aus einer ersten Diode 9 und einer zweiten Diode 10 besteht, zwischen dem ersten Emitter 5 des ersten IGBTs 1 und dem zweiten Emitter 6 des zweiten IGBTs vorgesehen bzw. angeschlossen, um mit dem Abfühlwiderstand 8 parallel zu sein. Der Diodenabschnitt 11 hat eine solche Lastwechseleigenschaft, dass er in einen Durchbruchzustand gerät, wenn eine Spannung, die niedriger ist als die Dauerspannung (Durchbruchspannung) zwischen den beiden Emittern 5 und 6, und höher ist als die Obergrenze der Abfühlspannung Vs, daran angelegt wird.
  • Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktion des Diodenabschnitts 11 (Diodenvorrichtung) speziell beschrieben. Im Diodenabschnitt 11 sind die erste Diode 9 und die zweite Diode 10 miteinander so in Reihe geschaltet, dass die Richtung der Rückwärtsspannung der ersten Diode 9 mit der Richtung vom ersten Emitter 5 zum zweiten Emitter 6 zusammenfällt, während die Richtung der Rückwärtsspannung der zweiten Diode 10 mit der Richtung vom zweiten Emitter 6 zum ersten Emitter 5 zusammenfällt. Das heißt, beide Dioden 9 und 10 sind miteinander umgekehrt in Reihe geschaltet. Die Durchbruch- oder Dauerspannung jeder der Dioden 9 und 10 in der Richtung der Rückwärtsspannung (im Folgenden als "Diodendurchbruchspannung" bezeichnet) wird so eingestellt, dass sie niedriger ist als die Dauerspannung zwischen den beiden Emittern 5 und 6 (im Folgenden als "Emitterdauerspannung" bezeichnet), und dass sie höher ist als die Obergrenze oder der Schwellenwert der Abfühlspannung Vs (im Folgenden als "Abfühlspannungsobergrenze" bezeichnet).
  • Ist die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 angelegte Spannung nicht höher als die Diodendurchbruchspannung, dann behält der Diodenabschnitt 11 den AUS-Zustand bei. Das heißt, wenn die Spannung des ersten Emitters 5 höher ist als die Spannung des zweiten Emitters 6, verhindert die erste Diode 9, dass der Strom durch den Diodenabschnitt 11 vom ersten Emitter 5 zum zweiten Emitter 6 fließt. Ist andererseits die Spannung des zweiten Emitters 6 höher als die Spannung des ersten Emitters 5, verhindert die zweite Diode 10, dass der Strom durch den Diodenabschnitt 11 vom zweiten Emitter 6 zum ersten Emitter 5 fließt. In diesem Fall verhindert der zweite IGBT 2 einen Überstrom des ersten IGBTs 1, indem er die Abfühlspannung Vs überwacht und sie darüber hinaus an das Gate 3 rückführt.
  • Tritt jedoch aufgrund des Einflusses der externen Schaltung o. dgl. eine Überspannung zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 auf, die höher ist als die Diodendurchbruchspannung, geht die erste Diode 9 oder die andere Diode 10, an die eine Rückwärtsspannung angelegt wird, in den Durchbruchszustand über, so dass der Diodenabschnitt 11 in einen leitfähigen Zustand übergeht. Das heißt, wenn die Spannung des ersten Emitters 5 höher ist als die Spannung des zweiten Emitters 6, verursacht die erste Diode 9, an die die Rückwärtsspannung angelegt wird, einen Durchbruch und geht in den leitfähigen Zustand über. In der Zwischenzeit hält die zweite Diode 10, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird, den leitfähigen Zustand natürlich aufrecht. Folglich geht der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand über.
  • Ist andererseits die Spannung des zweiten Emitters 6 höher als die Spannung des ersten Emitters 5, verursacht die zweite Diode 10, an der die Rückwärtsspannung anliegt, einen Durchbruch und geht in den leitfähigen Zustand über. In der Zwischenzeit hält die erste Diode 9, an der die Vorwärtsspannung anliegt, den leitfähigen Zustand natürlich aufrecht. Folglich geht der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand über.
  • Da in diesem Falle der Diodenabschnitt 11 leitfähig ist, sind die Spannungen (elektrischen Potentiale) des ersten und zweiten Emitters 5 und 6 im wesentlichen identisch, so dass die Überspannung aufgelöst werden kann. Deshalb überschreitet die Spannung zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 nicht die Diodendurchbruchspannung. Da die Diodendurchbruchspannung wie oben beschrieben niedriger ist als die Emitterdauerspannung, steigt die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 angelegte Spannung nicht auf die Emitterdauerspannung an. In der Folge kann die von Überspannung herrührende Zerstörung des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden.
  • Da wie oben beschrieben die Diodendurchbruchspannung höher ist als die Abfühlspannungsobergrenze, verhindert der Diodenabschnitt 11 keinesfalls die ursprüngliche Funktion der Vorrichtung, die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 zu überwachen, und darüber hinaus den Überstrom des ersten IGBTs 1 zu verhindern.
  • Wie vorstehend beschrieben kann bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1 der Überstrom des ersten IGBTs 1 wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht wird, und darüber hinaus kann die von Überspannung herrührende Zerstörung des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden.
    • Ausführungsform 2
  • Nachstehend wird eine Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 2, 3A und 3B beschrieben. Jedoch gibt es Gemeinsamkeiten zwischen dem fundamentalen Aufbau der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 und demjenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Deshalb werden nachstehend zur Vermeidung von Doppelbeschreibungen hauptsächlich die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen 1 und 2 beschrieben. In den Fig. 2, 3A und 3B sind Elemente, die gleich denjenigen nach der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform 1 sind, mit Bezugszeichen versehen, die gleich denjenigen von Fig. 1 sind.
  • Wie in den Fig. 2, 3A und 3B gezeigt ist, ist bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung (das Halbleitersubstrat) eingebaut oder integral damit ausgebildet, und besteht darüber hinaus aus einem Polysilizium, das auf einer Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Die oben angeführten Merkmale sind die einzigen Unterschiede zwischen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Die anderen Merkmale der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1.
  • Nachstehend wird speziell der Aufbau der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 beschrieben. Das Halbleitersubstrat der Halbleitervorrichtung besteht im wesentlichen aus einer P-Kollektorschicht 14, die mit dem Kollektor 4 verbunden ist, der beiden IGBTs 1 und 2 gemeinsam ist, einer auf der P-Kollektorschicht 14 angeordneten N-Basisschicht 15, IGBT-seitigen P-Basisschichten 16 und einer diodenseitigen P-Basisschicht 17, die jeweils in der N-Basisschicht 15 ausgebildet sind, und N+-Emitterschichten 18, die in den IGBT-seitigen P-Basisschichten 16 ausgebildet sind. Der Emitter 5 bzw. 6 des IGBTs 1 bzw. 2 ist jeweils an die entsprechenden N+-Emitterschichten 18 angeschlossen. Jede Gateschicht 19 des Gates 3, die die beiden IGBTs 1 und 2 gemeinsam haben, ist über dem Halbleitersubstrat angeordnet, um eine (nicht gezeigte) Isolierschicht zwischen den Schichten 19 und dem Substrat sandwichartig einzuschließen.
  • Über der diodenseitigen P-Basisschicht 17, die ein elektrisches Potential aufweist, das gleich demjenigen des ersten Emitters 5 ist, ist der Diodenabschnitt 11 so ausgebildet, dass er die Isolierschicht 13 zwischen dem Diodenabschnitt 11 und der Schicht 17 sandwichartig einschließt. Der Diodenabschnitt 11 besteht aus einer Polysiliziumschicht 20 der N-Art, einer Polysiliziumschicht 21 der P-Art und einer Polysiliziumschicht 22 der N-Art. In der Draufsicht ist die Polysiliziumschicht 20 der N-Art an der zentralen Position des Diodenabschnitts 11 angeordnet. Die Polysiliziumschicht 21 der P-Art berührt den Außenrand der Polysiliziumschicht 20 der N-Art, um die Schicht 20 zu umgeben. Die Polysiliziumschicht 22 der N-Art berührt den Außenrand der Polysiliziumschicht 21 der P-Art, um die Schicht 21 zu umgeben. Darüber hinaus ist die Polysiliziumschicht 20 der N-Art, die in der Draufsicht an der Innenseite angeordnet ist, durch eine Aluminiumelektrode o. dgl. an den zweiten Emitter 6 angeschlossen. Andererseits ist die Polysiliziumschicht 22 der N-Art, die an der Außenseite angeordnet ist, durch eine Aluminiumelektrode o. dgl. an den ersten Emitter 5 angeschlossen. Deshalb weist der Diodenabschnitt 11 einen solchen Schaltungsaufbau auf, wie er in Fig. 3B gezeigt ist.
  • Somit kann die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 kompakt ausgelegt und die Anzahl an Halbleitervorrichtungen gleichzeitig reduziert werden, weil der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung (das Halbleitersubstrat) eingebaut oder integral damit ausgebildet ist. Da darüber hinaus der Diodenabschnitt 11 aus den auf der Isolierschicht 13 ausgebildeten Polysiliziumschichten 20 und 22 besteht, wird der Prozess zur Herstellung der Halbleitervorrichtung einfach und leicht, so dass die Kosten zur Herstellung der Halbleitervorrichtung gesenkt werden können.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung eingebaut oder integral damit ausgebildet, und besteht aus den auf der Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Polysiliziumschichten. Dennoch ist der Schaltungsaufbau der Halbleitervorrichtung im wesentlichen derselbe wie derjenige der in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Deshalb kann auch bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 der Überstrom des ersten IGBTs 1wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht wird, und darüber hinaus kann die von Überspannung herrührende Zerstörung des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden, genauso wie es der Fall bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1 ist.
    • Ausführungsform 3
  • Nachstehend wird eine Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Jedoch gibt es Gemeinsamkeiten zwischen dem fundamentalen Aufbau der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 und demjenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Deshalb werden nachstehend zur Vermeidung von Doppelbeschreibungen hauptsächlich die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen 3 und 1 beschrieben.
  • In Fig. 4 sind Elemente, die gleich denjenigen nach der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform 1 sind, mit Bezugszeichen versehen, die gleich denjenigen von Fig. 1 sind.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 der Diodenabschnitt 11 solch eine Leitfähigkeitseigenschaft auf, dass er in den leitfähigen Zustand übergeht, wenn eine Spannung, die niedriger ist als die Emitterdauerspannung (Durchbruchspannung) und höher ist als die Abfühlspannungsobergrenze, an den Diodenabschnitt 11 angelegt wird. Die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1 (und auch Ausführungsform 2) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die Dauerbeanspruchungseigenschaft der Dioden 9 und 10 in der Richtung der Rückwärtsspannung ausnutzt. Andererseits ist die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 dadurch gekennzeichnet, dass sie die Leitfähigkeitseigenschaft der Dioden in der Richtung der Vorwärtsspannung ausnutzt. Das ist der einzige Unterschied zwischen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Die anderen Merkmale der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1.
  • Nachstehend wird der Aufbau und die Funktion des Diodenabschnitts 11 der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 speziell beschrieben. Im Diodenabschnitt 11 sind die erste und zweite Diode 9 und 10 zueinander parallel geschaltet, derart, dass die Vorwärtsspannungsrichtung der ersten Diode 9 mit der Richtung vom zweiten Emitter 6 zum ersten Emitter 5 hin zusammenfällt, während die Vorwärtsspannungsrichtung der zweiten Diode 10 mit der Richtung vom ersten Emitter 5 zum zweiten Emitter 6 hin zusammenfällt. Das heißt, beide Dioden 9 und 10 sind antiparallel zueinander angeschlossen. Die Leitspannung jeder Diode 9 und 10 in ihrer Vorwärtsspannungsrichtung (nachstehend als "Diodenleitspannung" bezeichnet) ist so eingestellt, dass sie niedriger ist als die Emitterdauerspannung, und höher ist als die Abfühlspannungsobergrenze. Hiernach ist jede der Dioden 9 und 10 nicht leitfähig, wenn eine Spannung, die niedriger ist als die Diodenleitspannung, in der Vorwärtsspannungsrichtung an die Diode angelegt wird.
  • Wenn die Spannung, die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 angelegt wird, nicht höher als die Diodenleitspannung ist, behält der Diodenabschnitt 11 den AUS-Zustand bei. Das heißt, selbst wenn die Spannung des ersten Emitters 5 höher ist als die Spannung des zweiten Emitters 6, ist die zweite Diode 10, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird, nicht leitfähig, während die erste Diode 9, an die die Rückwärtsspannung angelegt wird, nicht durchbricht. Folglich gibt es keinen Strom, der durch den Diodenabschnitt 11 vom ersten Emitter 5 zum zweiten Emitter 6 fließt. Selbst wenn andererseits die Spannung des zweiten Emitters 6 höher ist als die Spannung des ersten Emitters 5, ist die erste Diode 9, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird, nicht leitfähig, während die zweite Diode 10, an die die Rückwärtsspannung angelegt wird, nicht durchbricht. Folglich gibt es keinen Strom, der durch den Diodenabschnitt 11 vom zweiten Emitter 6 zum ersten Emitter 5 fließt. In diesem Falle verhindert der zweite IGBT 2 den Überstrom des ersten IGBTs 1, indem er die Abfühlspannung Vs überwacht und sie dem Gate 3 rückführt.
  • Tritt jedoch aufgrund des Einflusses der externen Schaltung o. dgl. eine Überspannung zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 auf, die höher ist als die Diodenleitspannung, wird eine der Dioden 9 und 10, an die eine Vorwärtsspannung angelegt wird, leitfähig, so dass der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand übergeht. Das heißt, ist die Spannung des ersten Emitters 5 höher als die Spannung des zweiten Emitters 6, wird die zweite Diode 10, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird, leitfähig, so dass der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand übergeht. Ist jedoch andererseits die Spannung des zweiten Emitter 6 höher als die Spannung des ersten Emitters 5, wird die erste Diode 9, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird, leitfähig, so dass der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand übergeht.
  • Da der Diodenabschnitt 11 leitfähig ist, sind in diesem Fall die Spannungen des ersten und zweiten Emitters 5 und 6 im wesentlichen gleich, so dass die Überspannung aufgelöst werden kann. Deshalb überschreitet die Spannung zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 die Diodenleitspannung nicht. Da wie vorstehend beschrieben die Diodenleitspannung niedriger ist als die Emitterdauerspannung, steigt die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 angelegte Spannung nicht auf die Emitterdauerspannung an. In der Folge kann die von Überspannung herrührende Zerstörung des zweiten IGBTs 2 verhindert werden.
  • Da wie zuvor beschrieben die Diodenleitspannung höher ist als die Abfühlspannungsobergrenze, verhindert der Diodenabschnitt 11 keinesfalls die ursprüngliche Funktion der Vorrichtung, die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 zu überwachen, und darüber hinaus den Überstrom des ersten IGBTs zu verhindern.
  • Wie vorstehend beschrieben kann in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 der Überstrom des ersten IGBTs 1 wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht wird, und darüber hinaus kann die von Überspannung herrührende Zerstörung des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden.
  • Im allgemeinen schwankt eine Diodenleitspannung bzw. die Leiteigenschaft einer Diode in der Vorwärtsspannungsrichtung weniger im Vergleich mit der Dauerbeanspruchungseigenschaft der Diode in der Rückwärtsspannungsrichtung. Deshalb weist die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 solch einen Vorteil auf, dass sie insbesondere die Wirkung des Diodenabschnitts 11 stabilisieren kann. Darüber hinaus kann in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3, wenn jede der Dioden 9 und 10 aus einer Diodenanordnung besteht, bei der mehrere Diodenelemente in derselben Richtung in Reihe geschaltet sind, die Diodenleitspannung (d. h. der Klemmzustand) leicht eingestellt oder verändert werden, indem die Anzahl der Diodenelemente verändert wird. Deshalb kann solch ein Vorteil erzielt werden, dass die Diodenleitspannung ganz genau eingestellt werden kann.
    • Ausführungsform 4
  • Nachstehend wird eine Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Fig. 5, 6A und 6B beschrieben. Jedoch hat der physikalische Aufbau der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 im Grunde Gemeinsamkeiten mit demjenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2, während der Schaltungsaufbau im Grunde Gemeinsamkeiten mit demjenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 hat. Deshalb werden nachstehend zur Vermeidung von Doppelbeschreibungen hauptsächlich die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen 4 und der Ausführungsform 2 oder 3 beschrieben. In den Fig. 5, 6A und 6B sind Elemente, die gleich denjenigen nach der in den Fig. 2, 3A und 3B gezeigten Ausführungsform 2 oder Elemente, die gleich denjenigen der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform 3 sind, mit Bezugszeichen versehen, die gleich denjenigen von Fig. 2 bis 4 sind.
  • Wie in den Fig. 5, 6A und 6B gezeigt ist, ist in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung (das Halbleitersubstrat) eingebaut oder integral damit ausgebildet, und besteht darüber hinaus aus einem Polysilizium, das auf der Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Die oben angeführten Merkmale sind die einzigen Unterschiede zwischen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3.
  • In de Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 ist eine Polysiliziumschicht 23 der P-Art innerhalb der Polysiliziumschicht 20 der N-Art vorgesehen, die in der Draufsicht an der inneren Position angeordnet ist. Die Polysiliziumschicht 23 der P-Art ist an der zentralen Position angeordnet. Die Polysiliziumschicht 20 der N-Art berührt den Außenrand der Polysiliziumschicht 23 der P-Art, um die Schicht 23 zu umgeben. Die Polysiliziumschicht 23 der P-Art, die an der zentralen Position angeordnet ist, und die Polysiliziumschicht 22 der N-Art, die an der Außenseite angeordnet ist, ist durch eine Aluminiumelektrode o. dgl. an den zweiten Emitter 6 angeschlossen. Andererseits ist die Polysiliziumschicht 20 der N-Art und die Polysiliziumschicht 21 der P-Art durch eine Aluminiumelektrode o. dgl. an den ersten Emitter 5 angeschlossen. Deshalb besitzt der Diodenabschnitt 11 einen wie in Fig. 6B gezeigten Schaltungsaufbau. Die vorstehend genannten Merkmale sind die einzigen Unterschiede zwischen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2.
  • Die anderen Merkmale der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 oder 3.
  • Somit kann die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 kompakt ausgelegt werden, während gleichzeitig die Anzahl der Bauelemente der Halbleitervorrichtung reduziert werden kann, weil der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung (das Halbleitersubstrat) eingebaut oder integral damit ausgebildet ist. Da der Diodenabschnitt 11 aus den Polysiliziumschichten 20 bis 23 besteht, die auf der Isolierschicht 13 ausgebildet sind, wird der Prozess zur Herstellung der Halbleitervorrichtung darüber hinaus einfach und leicht, so dass die Koten für die Herstellung der Halbleitervorrichtung gesenkt werden können.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung eingebaut oder integral damit ausgebildet, und besteht aus den Polysiliziumschichten, die auf der Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Dennoch ist der Schaltungsaufbau der Halbleitervorrichtung im wesentlichen derselbe wie derjenige der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform 3. Deshalb kann auch bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 der Überstrom des ersten IGBT 1 wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht wird, und darüber hinaus kann die durch Überspannung herrührende Zerstörung des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden, genauso wie das bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 der Fall ist.
  • Bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 ist auf der Halbleitervorrichtung der IGBT ausgebildet, der eine Art Sperrschichttransistor ist. Der auf der Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ausgebildete Sperrschichttransistor ist jedoch nicht auf den IGBT beschränkt. Selbstverständlich können dieselben Vorteile wie die vorstehenden auch erzielt werden, wenn eine andere Art von Sperrschichttransistor wie ein MOSFET o. dgl. auf der Halbleitervorrichtung ausgebildet wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Gänze im Zusammenhang mit deren bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, ist festzuhalten, dass dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifizierungen klar sein werden. Solche Änderungen und Modifikationen sind als im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen zu verstehen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, es sei denn, diese weichen davon ab. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Erster IGBT
    2 Zweiter IGBT
    3 Gate (Gatebereich)
    4 Kollektor (Kollektorbereich)
    5 Erster Emitter (erster Emitterbereich)
    6 Zweiter Emitter (zweiter Emitterbereich)
    7 Emitter
    8 Abfühlwiderstand
    9 Erste Diode
    10 Zweite Diode
    11 Diodenvorrichtung (Klemmelement)
    13 Isolierschicht
    14 P-Kollektorschicht
    15 N-Basisschicht
    16 P-Basisschicht
    17 P-Basisschicht
    18 N+-Emitterschicht
    19 Güteschicht
    20 Polysiliziumschicht der N-Art
    21 Polysiliziumschicht der P-Art
    22 Polysiliziumschicht der N-Art
    23 Polysiliziumschicht der P-Art
    Vs Abfühlspannung
    101 IGBT
    102 IGBT Stromfühlerelement
    103 Gate
    104 Kollektor
    105 Erster Emitter
    106 Zweiter Emitter
    107 (gemeinsamer) Emitter
    108 Abfühlwiderstand

Claims (6)

1. Halbleitervorrichtung mit:
einem ersten Transistor (1) einer Sperrschichtart, um einen Hauptstrom zu steuern, und einem zweiten Transistor (2) einer Sperrschichtart, um einen durch den ersten Transistor (1) fließenden Strom zu überwachen, wobei die Transistoren (1, 2) in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind, wobei sich die Transistoren (1, 2) einen gemeinsamen Kollektorbereich (4) und einen gemeinsamen Gatebereich (3) teilen, und wobei ein Emitterbereich (6) des zweiten Transistors kleiner ist als ein Emitterbereich (5) des ersten Transistors;
einem Abfühlwiderstand (8), der zwischen dem Emitterbereich (5) des ersten Transistors und dem Emitl:erbereich (6) des zweiten Transistors angeordnet ist, wobei eine an den gemeinsamen Gatebereich (3) angelegte Spannung entsprechend einer Abfühlspannung (Vs) gesteuert wird, die an den Abfühlwiderstand (8) angelegt wird; und
einem Diodenabschnitt (11), der zwischen dem Emitterbereich (5) des ersten Transistors und dem Emitterbereich (6) des zweiten Transistors parallel mit dem Abfühlwiderstand (8) angeordnet ist, bei der der Diodenabschnitt (11) in einen Durchbruchzustand übergeht, wenn eine Spannung, die niedriger ist als eine Dauerspannung zwischen den Emitterbereichen (5, 6) und höher ist als eine Obergrenze der Abfühlspannung (Vs), daran angelegt wird.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Diodenabschnitt (11) in das Halbleitersubstrat eingebaut ist.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Diodenabschnitt (11) aus einem Polysilizium besteht, das auf einer Isolierschicht (13) auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
4. Halbleitervorrichtung mit:
einem ersten Transistor (1) einer Sperrschichtart, um einen Hauptstrom zu steuern, und einem zweiten Transistor (2) einer Sperrschichtart, um einen durch den ersten Transistor (1) fließenden Strom zu überwachen, wobei die Transistoren (1, 2) in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind, wobei sich die Transistoren einen gemeinsamen Kollektorbereich (4) und einen gemeinsamen Gatebereich (3) teilen, und wobei ein Emitterbereich (6) des zweiten Transistors kleiner ist als ein Emitterbereich (5) des ersten Transistors;
einem Abfühlwiderstand (8), der zwischen dem Emitterbereich (5) des ersten Transistors und dem Emitterbereich (6) des zweiten Transistors angeordnet ist, wobei eine an den gemeinsamen Gatebereich (3) angelegte Spannung entsprechend einer Abfühlspannung (Vs) gesteuert wird, die an den Abfühlwiderstand (8) angelegt wird; und
einem Diodenabschnitt (11), der zwischen dem Emitterbereich (5) des ersten Transistors und dem Emitterbereich (6) des zweiten Transistors parallel mit dem Abfühlwiderstand (8) angeordnet ist, bei der der Diodenabschnitt (11) in einen leitfähigen Zustand übergeht, wenn eine Spannung, die niedriger ist als eine Dauerspannung zwischen den Emitterbereichen (5, 6) und höher ist als eine Obergrenze der Abfühlspannung (Vs), daran angelegt wird.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Diodenabschnitt (11) in das Halbleitersubstrat eingebaut ist.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Diodenabschnitt (11) aus einem Polysilizium besteht, das auf einer Isolierschicht (13) auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
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