DE3806766A1

DE3806766A1 - Halbleiterelement

Info

Publication number: DE3806766A1
Application number: DE3806766A
Authority: DE
Inventors: Misuhara Tabata; Gourab Majumdar
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-03-11
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1988-09-22
Also published as: JPH0758786B2; JPS63222459A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement, insbeson dere ein Halbleiterelement, das zum Schutz von Feld effekt-Transistor-Zellen vom Anreicherungstyp auf einem monolithischen IC eingerichtet ist.

Fig. 1 zeigt ein Schaltdiagramm eines Überspannungs- Schutzkreises in einem üblichen Halbleiterelement. Dieser Überspannungsschutz-Schaltkreis ist dazu einge richtet, einen plötzlichen Spannungsanstieg, der auf das Schaltelement S aufgebracht wird, zu unterdrücken oder einen Spannungsstoß zu absorbieren. Das durch ein Leistungs-MOS oder einen IGBT (bipolaren Transistor mit isoliertem Gate) gebildete Schaltelement ist bei spielsweise dazu eingerichtet, Strom zu schalten, der einer Hochspannungs/Hochstrom-Last, etwa einem Motor zur PWM-Steuerung, zugeführt wird. Überspannung wird auf das Schaltelement S aufgegeben wegen der unvermeid lichen Reaktanzkomponente in dem Schaltweg eines Schaltelements S oder eines Motors oder dgl., die als Quelle eines Spannungstoßes wirkt.

Der Überspannungsschutz-Schaltkreis weist eine Diode 1, einen Kondensator 2 und einen Widerstand 3 auf und ist über Hauptanschlüsse T 1 und T 2 mit dem Schaltelement S verbunden. Der Kondensator 2 ist zur Aufnahme einer Überspannung eingerichtet und wird mit einer hohen Geschwindigkeit durch die Wirkung der Diode 1 aufgela den, die den Widerstand 3 überbrückt. Der Widerstand 3 ist dazu eingerichtet, den Kondensator 2 mit einer geeigneten Zeitkonstante zu entladen.

Wenn das Schaltelement S in einem relativ niedrigen Frequenzbereich geschaltet wird, wirkt der Kondensator 2 als großer Widerstand gegen eine niederfrequente Komponente. Der Wert des durch den Kondensator 2 fließenden Stromes bei dessen Laden bzw. Entladen ist relativ klein. Der Entladestrom durch den Widerstand 3 ist bei der Entladung, d. h. bei einem ausgeschalteten Zustand des Schaltelements S, klein. Es hat daher kei nen Nachteil, den Schaltvorgang des Schaltelementes S zu schützen, durch, beispielsweise, eine kontinuierlich zu dem Strom fließenden Last, obwohl das Schaltelement S ausgeschaltet ist.

Wenn ein Spannungsstoß mit einer hohen Frequenzkompo nente auf das Schaltelement S aufgebracht wird, zeigt der Kondensator S einen kleinen Widerstandswert bezüg lich einer hochfrequenten Komponente. Der Spannungsstoß lädt den Kondensator auf und wird von diesem als Über spannungstrom absorbiert. Der geladende Kondensator wird langsam über den Widerstand 3 entladen nach Ende des Spannungsstoßes, wobei der Einfluß durch diese Entladen gering ist.

Da die beiden Enden des Schaltelements S durch die Diode 1 und den Kondensator wechselspannungsgekoppelt sind, ist bezüglich einer hochfrequenten Komponente wie einem Überspannungsstoß ein Kurzschluß gegeben. Der Überspannungs-Absorptionsstrom fließt kaum in einem Schaltfrequenzbereich des Schaltelements S, so daß der Überspannungs-Schutzschaltkreis keinen Einfluß auf das normale Schaltverhalten des Schaltelements S nehmen kann.

Bei dem üblichen Überspannungs-Schutzkreis, wie er hier beschrieben worden ist, wiederholt sich das Laden/Ent laden des Kondensators 2 durch die Diode 1 und den Widerstand 3 jedesmal, wenn das Schaltelement S ge schaltet wird. Obwohl der Lade/Entlade-Strom relativ klein ist, wie oben dargelegt worden ist, ist der sich akkumulierende Leistungsverfluß in der Diode 1 und dem Widerstand 3 bei einer solchen Wiederholung nicht mehr zu vernachlässigen. Um das Schaltelement S wirksam gegen eine Überspannung mit einer relativ geringen Frequenz, d. h. eine Überspannung mit einer relativ großen Impulsbreite, zu schützen, ist es notwendig, die Kapazität des Kondensators 2 zu vergrößern, so daß der die Überspannung absorbierende Strom I auch dann fließt, wenn die Frequenzkomponente relativ niedrig ist und der Betrag der Spannungsstoßabsorption erhöht ist. In diesem Fall fließt jedoch ein relativ großer Betrag eines überspannungs-Absorptionsstroms in dem Schaltfre quenzbereich des Schaltelements S, um einen normalen Schaltvorgang des Schaltelements S zu verhüten.

Der Kondensator 2 hat vorzugsweise einen Kapazitätswert so groß wie möglich innerhalb eines Bereiches, ohne die vorerwähnten Nachteile aufzuweisen, um die hohe Span nungsabsorptionscharakteristik soweit wie möglich zu verbessern. Weiter muß der Widerstand R ein Leistungs widerstand sein, um einer Zerstörung durch die Wärmeer zeugung, die durch die wiederholte Ladung/Entladung des Kondensators 2 entsteht, zu verhüten. Ein solcher Kon densator 2 und der Widerstand 3 werden durch diskrete Bauelemente erstellt, da es schwierig ist, sie als monolithische IC′s herzustellen, das Bauelement kann daher in der Größe nicht verringert werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterele ment zu schaffen, das eine Überspannung mit einer rela tiv geringen Frequenz, also mit einer relativ großen Impulsbreite, absorbieren kann, ohne einen ungünstigen Einfluß auf die Betriebsweise einer MOS-Feldeffekt- Transistor-Zelle vom Anreicherungstyp zu haben, die zu schützen ist, und das als ein monolithisches IC herge stellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Trägermaterial, MOS-Feldeffekt-Transistor-Zellen, die auf dem Halbleiter-Trägermaterial ausgebildet sind, wobei die Zellen einen gemeinsamen Drain und eine ge meinsame Source haben und ein Teil der Zellen ein gemeinsames Gate haben und die restlichen der Zellen ein zweites gemeinsamens Gate haben, und Spannungstei ler-Widerstände auf dem Halbleiter-Trägermaterial aus gebildet und über das gemeinsame Drain und die gemein same Source verbunden sind, wobei die von den Span nungsteiler-Widerstände gebildete Spannung auf das erste gemeinsame Gate aufgebracht wird.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert wird. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Überspannungs- Schutzkreises in einem üblichen Halblei terelement;

Fig. 2 ein Schaltbild eines Ausführungsbei spiels eines Halbleiterelements nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung eines Halb leiterelements nach der vorliegenden Erfindung, als monolithisches IC ausge bildet, und

Fig. 4 ein Schaltbild eines anderen Ausfüh rungsbeispiels eines Halbleiterelements nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Halbleiterelements nach der vorliegenden Erfin dung. Das Halbleiterelement weist einen n-Kanal MOS- Feldeffekt-Transistor 4 vom Anreicherungtyp, der als Schaltelement dient, und einen Überspannungsschutzkreis zum Schützen des Schalttransistors 4 gegen Überspan nung auf. Der Überspannungsschutz-Schaltkreis weist einen n-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistor 5 vom Anreiche rungtyp sowie Spannungsteile-Widerstände 6 und 7 auf, die Spannungsteiler-Widerstände 6 und 7 sind in Serie über den Drain- und Source-Anschluß TD und TS des Tran sistors 4 verschaltet, um Spannung von einem Knoten N zwischen diesen durch Dividieren der Spannung über den Anschlüssen T _D und T _S abzuleiten, d. h. die Spannung, die dem Schalttransistor 4 aufgegeben wird, in einem angemessenen Verhältnis. Die Spannungsteile-Widerstände 6 und 7 haben relativ hohe Widerstandswerte, so daß nur wenig Strom in dem Weg durch die Spannungsteiler-Wider stände 6 und 7 fließt. Der Transistor 5, der zum Schutz gegen eine Überspannung dient, hat ein Drain, das mit dem Anschluß T _D verschaltet ist, eine Source, die mit dem Anschluß T _S verbunden ist und ein Gate, das mit dem Knoten N zwischen den Widerständen 6 und 7 verbunden ist. Da das Gate des Transistors 5, der zum Schutz gegen Überspannung dient, mit der Spannung beaufschlagt wird, die durch Teilen der Spannung gewonnen wird, die an dem zu schützenden Transistor 4 anliegt, und zwar durch die Spannungsteiler-Widerstände 6 und 7, so daß ein Stromweg zum Überbrücken des zu schützenden Schalt transistors 4 gebildet wird über die Anschlüsse T _D und T _S bei Leiten des Schutz-Transistors 5.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel sind die Wider standswerte der Spannungsteiler-Widerstände 6 und 7 relativ groß. Es fließt daher im wesentlichen kein Strom durch die Spannungsteiler-Widerstände 6 und 7. Weiter leitet der Schutz-Transistor 5 nicht, wenn keine Überspannung vorliegt. Der vorerwähnte Überspannungs schutz-Schaltkreis hat daher einen extrem geringen Leistungsverbrauch in dem Fall, daß keine Überspannung absorbiert wird. Die entstehende Wärme in den Wider ständen 6 und 7 kann vernachlässigt werden, der Schutz transistor 5 übersteht mögliche Überspannungen problem los. Die Bautelemente können daher durch ein monolithi sches IC gebildet werden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

In Fig. 3 sind eine große Anzahl von n-Kanal Feldef fekt-Transistor-Zellen vom Anreicherungstyp auf einem dienen als Transistor 5 zum Schutz gegen Überspannung, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, die restlichen sind die in Fig. 2 gezeigten Schaltransistoren 4. Ein Symbol T G ₁ zeigt einen imaginären Gate-Anschluß, der Überspan nungsschutz-Transistor-Zellen gemeinsam verbindet. Die Gates der Schaltransistor-Zellen sind mit einem Gate- Anschluß T _G2 gemeinsam verbunden, so daß die Schaltran sistor-Zellen in einer Frequenz geschaltet werden, die einem Steuersignal entspricht, das auf den Gate-An schluß T _G2 angelegt wird. Diese Gates sind von dem Halbleiter-Trägermaterial 8 durch einen Gate-Isolati onsfilm 9 isoliert. Die Sources und Drains derjeweili gen Zellen sind mit den Source- und Drain-Anschlüssen T _S bzw. T _D gemeinsam verbunden. Die Spannungsteiler- Widerstände 6 und 7 sind auf dem Halbleiter-Trägermate rial 8 ausgebildet und über die Source-Drain-Anschlüsse T _S, T _D verschaltet.

Der n-Kanal MOS-Feldeffekt-Transistor vom Anreiche rungstyp 5 zum Schutz gegen eine Überspannung leitet über Drain und Source, wenn das Gate ein Potential erreicht, das einen Wert (den Schwellwert) bezüglich der Source übersteigt. Wenn die auf den zu schützenden Schalt-Transistor 4 aufzugebende Spannung erhöht wird, steigt die von den Widerständen 6 und 7 geteilte Span nung an. Damit steigt auch die Spannung über dem Gate und dem Source des Schutz-Transistors 5. Wenn die Gate/Source-Spannung den Schwellwert übersteigt, leitet der Transistor 5. Es fließt so ein Bypass-Strom über die Anschlüsse TD und TS durch den Widerstand 5, so daß die auf den Schalt-Transistor 4 aufgegebene Spannung reduziert wird. Wenn die auf den Schalttransistor 4 aufgegebene Spannung geringer wird als die vorgegebene Grenzspannung, fällt auch die von den Spannungsteiler- Widerständen 6 und 7 geteilte Spannung unter den Schwellenwert, wodurch der Transistor 5, der zum Schutz gegen eine Überspannung dient, nicht-leitend wird.

Durch die dargestellte Vorgehensweise wird die an dem Schalttransistor 4 anliegende Spannung begrenzt. In dem Fall einer sehr schnellen Spannungsänderung über eine Geschwindigkeitsbegrenzung der EIN/AUS-Steuerung des Schutz-Transistors 5, d. h. in dem Falle eines Span nungsstoßes mit einer hohen Frequenzkomponente, wird ein Hochfrequenz-Kurzschluß verursacht über den Drain- Anschluß T _D und den Source-Anschluß T _S durch eine para sitäre Kapazität zwischen Drain und Source der Transi storen 4 und 5, wodurch ein solcher Spannungsstoß aus reichend absorbiert wird.

Bei dem oben angegebenen Ausführungsbeispiel leitet der Überspannungsschutz-Transistor 5, wenn die Überspannung die vorgegebene Grenzspannung übersteigt unabhängig von der Frequenz der auf den Schalttransistor 4 aufgegebe nen Überspannung, so daß ein Überspannungs-Absorptions strom durch den überspannungs-Schutztransistor 5 fließt. Auch wenn die Überspannung eine relativ große Pulsbreite hat einschließlich in dem Schaltfrequenzbe reich des Schaltransistors 4, fließt ein Überspannungs- Schutz-Strom zum Schutz des Schalttransistor 4, wenn die Überspannung die Grenzspannung übersteigt. Natür lich leitet der Überspannungsschutz-Transistor 5 nicht innerhalb eines Bereiches einer auf den Schalttransi stor 4 bei normalem Betrieb aufgegebenen Spannung. Da bei normalem Betrieb kein Überspannungs-Absorptions strom fließt, wird der Schaltbetrieb des Schalttransi stors 4 nicht behindert.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines anderen Ausführungs beispiels eines Überspannungsschutz-Schaltkreises nach der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbei spiel werden die n-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistor- Zellen vom Anreicherungtyp, die in Fig. 3 gezeigt sind, durch p-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistor-Zellen vom An reicherungtyp ersetzt. Auch in diesem Ausführungsbei spiel leiten die Überspannungsschutz-Zellen, wenn die auf die Schaltzellen aufgegebene Spannung so erhöht wird, daß die durch Teilung gebildete Spannung einen Schwellenwert übersteigt, wodurch ein Überspannung absorbierender Strom fließt, um die Schaltzellen zu schützen. Die parasitäre Kapazität zwischen Drain und Source der Zellen verursacht einen Hochfrequenz-Kurz schluß über den Anschlüssen T _D und T _S, so daß ein Spannungsstoß von hoher Frequenz wirksam absorbiert wird, ähnlich wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Obwohl das obige Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist unter Bezugnahme auf den Fall des Schützens von n- Kanal MOS-Feldeffekt-Schaltransistor-Zellen vom Anrei cherungstyp, der in einem willkürlichen Schaltfrequenz bereich gegen überspannung geschützt wird, kann das Halbleiterelement nach der vorliegenden Erfindung gene rell angewendet werden auf den Fall des Schutzes von MOS-Feldeffekt-Transistor-Zellen, auf die ein Signal mit einer willkürlichen Frequenz aufgegeben wird, gegen Überspannung. Auch wenn die Überspannung in einem Fre quenzbereich nahe der gewählten Frequenz ist, können die Zellen wirksam gegen eine Überspannung geschützt werden, ohne den nachteiligen Einfluß bei der normalen Betriebsweise, da die Frage, ob ein Überspannungs- Absorptionsstrom fließt oder nicht, nicht von der Fre quenz der Überspannung abhängt, sondern allein davon, ob der Spannungspegel der Überspannung die Grenzspan nung übersteigt. Die MOS-Feldeffekt-Transistor-Zellen vom Anreicherungtyp können so wirksam gegen gegen eine Überspannung in allen Frquenzbereichen geschützt wer den.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfin dung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kom bination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste 1 Diode
2 Kondensator
3 Widerstand
4 Schalt-Transistor
5 Schutz-Transistor
6 Widerstand
7 Widerstand
8 Trägermaterial
9 Isolationsfilm

Claims

1. Halbleiterelement, gekennzeichnet durch:

- ein Trägermaterial (6),
- MOS-Feldeffekt-Transistor-Zellen (4), die auf dem Halbleiter-Trägermaterial (8) ausgebildet sind, wobei die Zellen einen gemeinsamen Drain und eine gemeinsame Source haben und ein Teil der Zellen ein gemeinsames Gate haben und die restlichen der Zellen ein zweites gemeinsamens Gate haben; und
- Spannungsteiler-Widerstände (6, 7) auf dem Halb leiter-Trägermaterial (8) ausgebildet und über das gemeinsame Drain und die gemeinsame Source verbunden sind, wobei die von den Spannungsteiler-Widerstände (6, 7) gebildete Spannung auf das erste gemeinsame Gate aufgebracht wird.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spannungsteiler-Widerstände (6, 7) einen relativ hohen Widerstand haben.

3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Teil der Zellen leitet, wenn die geteilte Spannung oberhalb eines vorgegebenen Wertes zum Führen eines die Überspannung absorbierenden Stromes durch den Teil der Zellen, und
- die Zellen eine parasitäre Drain/Source-Kapazität haben, so daß eine Signalkomponente mit einer relativ hohen Frequenz durch die parasitäre Kapazität vorbeige führt wird.

4. Halbleiterelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verbleiben den Zellen umgeschaltet werden mit einer niedrigeren Frequenz als derjenigen der Signalkomponente, die von der parasitären Kapazität vorbeigeführt wird.