JP2002280556A - 電力用半導体装置 - Google Patents
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Abstract
を抑制できる温度センサを備えた電力用半導体装置を提
供する。 【解決手段】 電力用半導体装置10は、基板11上に
形成された電力用半導体素子40と、前記基板上に形成
された少なくとも一つの温度検出用ダイオード30を含
む温度センサ20とを備える電力用半導体装置であっ
て、前記ダイオードを構成する互いに異なる2つの導電
型16、18の領域のうち一方の領域16と前記半導体
素子のベース領域38との間で形成される容量と、前記
2つの導電型の他方の領域18と前記半導体素子のベー
ス領域38との間で形成される容量とは、互いに実質的
に等しい。
Description
に、温度センサを備えた電力用半導体装置に関する。
きく発熱量も大きいため、過熱の防止機構を設けること
が重要となっている。近年、過熱防止のために電力用半
導体素子を形成した基板上に温度センサを設けておき、
温度を監視するようになっている。この温度センサとし
ては、例えば、基板上に電力用半導体素子と同様にして
ポリシリコンからなるダイオードを形成する。このよう
に同一基板上に温度センサを設け、基板温度を監視し、
電力用半導体素子の加熱を未然に防止している。
に説明する。図11は、電力用半導体素子(IGBT)
80と、温度センサ60とを備えた電力用半導体装置5
0の断面構造を示す断面図である。この図11に示すよ
うに、この電力用半導体装置50の温度センサ60は、
基板51上に形成したP型領域52の上に絶縁膜54を
介して設けられた2つのダイオード70、71とからな
る。この温度センサ60は、温度検出用のアノード62
とカソード64との間を順方向に接続する温度検出用ダ
イオード70と、アノード62とカソード64との間を
逆方向に接続するダイオード71とを備えている。この
温度センサ60では、温度検出用ダイオード70によ
り、アノード62とカソード64との間の順方向電圧V
Fが温度依存性を有することを用いて温度検出する方法
が一般的である。また、アノード62とカソード64と
の間を逆方向に接続するもう一つのダイオード71を設
けることによって、制御回路等で発生する逆電圧をクラ
ンプしている。この逆方向に接続するダイオード71を
逆電圧クランプ用ダイオードと呼ぶ。この逆電圧クラン
プ用ダイオード71については温度依存性を考慮しなく
てもよいので、基板51上の面積効率を考慮して、通
常、一つのダイオードが用いられる。
ド62とカソード64との間における順方向電圧VFの
温度変化率は通常小さいので、通常、複数個のダイオー
ドを直列接続して温度変化率を大きくしている。例え
ば、図13の(a)は、温度検出用ダイオードとして2
つのダイオード70a、70bを直列接続し、逆電圧ク
ランプ用ダイオードとして一つのダイオード71を用い
た場合の平面図である。また、図13の(b)は、図1
3の(a)のD−D’線に沿った断面図である。この場
合に、各ダイオード70、71の直下の絶縁膜54の厚
みは略等しい。
半導体装置50の温度センサ60では、電磁妨害波など
の外乱ノイズによる誤動作が問題となっており、実際の
使用上の制約となっている。つまり、この電力用半導体
装置50には、配線としては示されていない寄生容量が
存在するため、電磁妨害波等が侵入した際、温度センサ
60を構成するダイオード70、71の往路と復路とに
それぞれ発生する起電力に差が生じ、誤動作の原因とな
る。
しては示されていない寄生容量について説明する。図1
2は、図11に示す電力用半導体装置50の等価回路図
である。この温度センサ60の各ダイオード70、71
を構成する互いに異なる2つの導電型の領域56、58
は、図11に示すように、SiO2からなる絶縁膜56
を介して、電力用半導体素子80のベース領域であるP
型領域52と対向して形成されている。このP型領域5
2は、エミッタ電位と同電位となり、温度センサ60を
構成するダイオード70、71は絶縁膜56上に形成さ
れているので、図12の等価回路に示すように、温度セ
ンサ60を構成する各ダイオード70、71の各導電型
の領域と、ベース領域78との間には、それぞれ寄生容
量C1、C2、C3、C4が発生する。
4については考慮されていなかった。例えば、各ダイオ
ードを構成する互いに異なる2つの導電型の各領域の面
積は、通常異なるので、各ダイオードの両端に形成され
る寄生容量の大きさは異なっている(C1≠C2、C3
≠C4)。さらに、図13の(a)の平面図に示すよう
に、温度検出用ダイオードとして、2つのダイオード7
0a、70bを直列接続した場合には、温度検出用ダイ
オード70a、70bと電力用半導体素子80のベース
領域78との間に形成される総容量は、逆電圧クランプ
用ダイオード71とベース領域78との間に形成される
総容量の略2倍となる(C1=2×C3、C2=2×C
4)。このため、電磁波ノイズ等の外乱ノイズが侵入し
た場合には、温度センサ60を構成する各ダイオード7
0a、70b、71の往路と復路とにそれぞれ発生する
起電力に差が生じ、誤動作を生じる。さらに、温度検出
用ダイオード70a、70bと逆電圧クランプ用ダイオ
ード71の回路間でも起電力に差が生じるため、誤動作
を生じる。
開平10−116987号公報、特開昭58−2526
4号公報に記載の半導体装置では、半導体基板上にパワ
ー素子と感熱素子部を形成すると共に、半導体基板と感
熱素子部との間に絶縁膜を設けて、感熱素子部の寄生動
作を防止している。しかし、上述の通り、特開平8−2
36709号公報等では、上記感熱素子部は絶縁体を介
して半導体基板と対向しているので、寄生容量が生じる
が、この寄生容量については考慮されていない。
外乱ノイズに対しても誤動作を抑制できる温度センサを
備えた電力用半導体装置を提供することである。
体装置は、基板上に形成された電力用半導体素子と、前
記基板上に形成された少なくとも一つの温度検出用ダイ
オードを含む温度センサとを備える電力用半導体装置で
あって、前記ダイオードを構成する互いに異なる2つの
導電型の領域のうち一方の領域と前記半導体素子のベー
ス領域との間で形成される容量と、前記2つの導電型の
他方の領域と前記半導体素子のベース領域との間で形成
される容量とは、互いに実質的に等しいことを特徴とす
る。
前記温度検出用ダイオードが前記半導体素子のベース領
域と対向する総面積は、前記逆電圧クランプ用ダイオー
ドが前記半導体素子のベース領域と対向する総面積が互
いに等しいことを特徴とする。
は、前記電力用半導体装置であって、前記温度センサ
は、温度検出用のアノードとカソードとの間で順方向に
接続された前記温度検出用ダイオードと、前記アノード
と前記カソードとの間で逆方向に接続され、逆方向に生
じる電圧をクランプする少なくとも一つの逆電圧クラン
プ用ダイオードとを備えることを特徴とする。
置は、前記電力用半導体装置であって、前記温度検出用
ダイオードにおける各導電型の領域と、前記半導体素子
のベース領域との間で形成される各容量の総容量は、前
記逆電圧クランプ用ダイオードにおける各導電型の領域
と、前記半導体素子のベース領域との間で形成される各
容量の総容量と実質的に等しいことを特徴とする。
前記電力用半導体装置であって、前記逆電圧クランプ用
ダイオードは、前記半導体素子のベース領域と対向する
面積が前記温度検出用ダイオードと実質的に等しいこと
を特徴とする。
は、前記電力用半導体装置であって、前記温度検出用ダ
イオードは、複数のダイオードを直列接続して構成され
たことを特徴とする。
置は、前記電力用半導体装置であって、前記温度検出用
ダイオードは、絶縁膜を介して前記半導体素子のベース
領域に対向する総面積と、前記絶縁膜の厚みとの比が、
前記逆電圧クランプ用ダイオードが絶縁膜を介して前記
半導体素子のベース領域に対向する総面積と、前記絶縁
膜の厚みとの比と実質的に等しいことを特徴とする。
半導体装置について、以下に図1から図9を用いて説明
する。
る電力用半導体装置は、電力用半導体素子が形成されて
いる基板上に、少なくとも1つの温度検出用ダイオード
を含む温度センサを備えている。また、この温度検出用
ダイオードを構成する異なる2つの導電型の各領域の面
積は、互いに実質的に等しい。そこで、この温度検出用
ダイオードを構成する異なる2つの導電型の領域のうち
一方の領域と上記電力用半導体素子のベース領域との間
で形成される容量と、上記2つの導電型の他方の領域と
上記電力用半導体素子のベース領域との間で形成される
容量とは、実質的に等しい。これによって電磁妨害波等
の外乱ノイズによる誤動作を抑制することができる。
温度センサ20は、P型ポリシリコン16の領域の周囲
をN型ポリシリコン18の領域で取り囲んで形成されて
いる1つの温度検出用ダイオード30で構成されてい
る。この温度検出用ダイオード30においては、P型ポ
リシリコン16の領域の面積は、N型ポリシリコン18
の領域の面積と実質的に等しい。また、P型ポリシリコ
ン16の領域は、アルミ配線15で温度検出用のアノー
ド22と接続され、N型ポリシリコン18の領域はアル
ミ配線15でカソード24と接続されている。さらに、
この温度センサ20は、図1の(b)の断面図に示すよ
うに、電力用半導体素子40が形成された基板11上
に、1個のダイオード30からなる温度検出用ダイオー
ドを備えている。さらに詳細には、このダイオード30
は、基板11上に、電力用半導体素子40のベース領域
であるP型領域12と、SiO2からなる絶縁膜14と
を介して、形成されている。
の断面図に示すように、同一の基板11上に電力用半導
体素子40と、温度センサ20とを備えている。この温
度センサ20を構成する温度検出用ダイオード30は、
電力用半導体素子40のベース領域であるP型領域12
とSiO2からなる絶縁膜14を介して、形成されてい
る。このため、図2の等価回路図に示すように、温度検
出用ダイオード30を構成する各導電型の領域16、1
8とベース領域38との間には、寄生容量C1、C2が
形成される。この寄生容量Cは、下記式で示されるよう
に、各導電型16、18の面積に比例すると共に、各導
電型16、18の領域とP型領域12との間にある絶縁
膜14の厚さに反比例する。 C=ε・S/d ここで、εは絶縁膜14の誘電率であり、Sは面積、d
は絶縁膜14の厚さである。この電力用半導体装置10
では、上述した通り、各導電型16、18の領域の面積
を実質的に等しいので、上記式によって、各寄生容量C
1、C2は実質的に等しい。そこで、電磁妨害波等によ
る誤動作を抑制することができる。
る電力用半導体装置は、温度検出用のアノードとカソー
ドとの間を順方向に接続する温度検出用ダイオードと、
上記アノードとカソードとの間を反対方向に接続する逆
電圧クランプ用ダイオードとを設けている。さらに、上
記温度検出用ダイオードは、電力用半導体素子のベース
領域であるP型領域と対向する面積について、上記逆電
圧クランプ用ダイオードと実質的に等しい。これによっ
て、上記温度検出用ダイオードの各導電型と電力用半導
体素子のベース領域との間で形成される総容量は、上記
逆電圧クランプ用ダイオードの各導電型と電力用半導体
素子のベース領域との間で形成される総容量と実質的に
等しい。これによって、電磁妨害波等が侵入した場合に
も、温度検出用ダイオードと逆電圧クランプ用ダイオー
ドの各回路間に生じる起電力差は実質的に解消され、温
度センサの誤動作を抑制することができる。
は、実施の形態1に係る電力用半導体装置と比較する
と、図4の(a)と(b)に示すように、温度検出用の
端子であるアノード22とカソード24との間を逆方向
に接続する逆電圧クランプ用ダイオード31を設けてい
る点で相違する。さらに、上記温度検出用ダイオード3
0の総面積は、上記逆電圧クランプ用ダイオード31の
総面積と実質的に等しい。図4の(b)の断面図に示す
ように、各ダイオード30、31とP型領域12との間
にある絶縁膜14の厚さは実質的に等しい。そこで、図
5の等価回路図において、温度検出用ダイオード30と
ベース領域であるP型領域12との間に形成される総容
量(C1+C2)は、逆電圧クランプ用ダイオード31
とベース領域であるP型領域12との間に形成される総
容量(C3+C4)と実質的に等しい。なお、一つのダ
イオードにおいても、各導電型16、18の領域の面積
は、互いに等しい。そのため、一つのダイオードの両端
に形成される容量はそれぞれ実質的に等しい(C1=C
2、C3=C4)。
る電力用半導体装置では、温度センサとして、2つのダ
イオードを直列接続して構成され、アノードからカソー
ドへ順方向に接続する温度検出用ダイオードと、カソー
ドからアノードへ逆方向に接続する一つの逆電圧クラン
プ用ダイオードとを備えている。さらに、上記逆電圧ク
ランプ用ダイオードの面積は、温度検出用ダイオードを
構成する2つのダイオードの総面積と実質的に等しい。
これによって、温度検出用ダイオードの各導電型の領域
と電力用半導体素子のベース領域との間で形成される総
容量は、逆電圧クランプ用ダイオードの各導電型の領域
と電力用半導体素子のベース領域との間で形成される総
容量と実質的に等しい。そこで、電磁妨害波等の外乱ノ
イズの侵入があった場合にも、温度センサの誤動作を抑
制することができる。
は、実施の形態2に係る電力用半導体装置と比較する
と、図6に示すように、温度検出用ダイオードを構成す
る2つのダイオード30a、30bの総面積は、逆電圧
クランプ用ダイオード31の総面積と等しい点で相違す
る。さらに詳細には、逆電圧クランプ用ダイオードの総
面積は、温度検出用ダイオード30a、30bの各ダイ
オードの面積の約2倍に調整されている。この温度検出
用ダイオードの2つのダイオード30a、30bは、そ
れぞれ面積が実質的に等しい。
る電力用半導体装置では、温度検出用ダイオードは、そ
の総面積と電力用半導体素子のベース領域であるP型領
域の上に形成された絶縁膜の厚さとの比について、逆電
圧クランプ用ダイオードの面積と絶縁膜の厚さとの比と
実質的に等しい。これによって、温度検出用ダイオード
の各導電型の領域と電力用半導体素子のベース領域との
間で形成される総容量は、逆電圧クランプ用ダイオード
の各導電型の領域と電力用半導体素子のベース領域との
間で形成される総容量と実質的に等しい。そこで、電磁
妨害波等の外乱ノイズの侵入があった場合にも、温度セ
ンサの誤動作を抑制することができる。
は、実施の形態3に係る電力用半導体装置と比較する
と、図7の(a)と(b)に示すように、温度検出用ダ
イオード30a、30bは、電力用半導体素子40のベ
ース領域であるP型領域12との間にある絶縁膜14の
厚さd1を逆電圧クランプ用ダイオード31の直下の絶
縁膜14の厚さd2の2倍に調整されている点で相違す
る。これによって、温度検出用ダイオード30a、30
bの総面積S1と絶縁膜の厚さd1との比(S1/
d1)は、逆電圧クランプ用ダイオード31の面積S2
と絶縁膜の厚さd2との(S2/d2)と実質的に等し
い((S1/d1)=(S2/d2))。なお、容量
は、面積に比例すると共に、膜厚に反比例することが知
られている。そのため、図8の等価回路図で、温度検出
用ダイオード30a、30bとベース領域38との間で
形成される総容量(C1+C2+C3+C4)は、逆電
圧クランプ用ダイオード31とベース領域38との間で
形成される総容量(C5+C6)と実質的に等しい。
る電力用半導体装置は、温度検出用ダイオードとして2
個のダイオードを直列接続すると共に、逆電圧クランプ
用ダイオードとして2個のダイオードを直列接続してい
る。さらに、各ダイオードは、面積が実質的に等しい。
これによって、温度検出用ダイオードの各導電型の領域
と電力用半導体素子のベース領域との間で形成される総
容量は、逆電圧クランプ用ダイオードの各導電型の領域
と電力用半導体素子のベース領域との間で形成される総
容量と実質的に等しい。そこで、電磁妨害波等の外乱ノ
イズの侵入があった場合にも、温度センサの誤動作を抑
制することができる。
は、実施の形態4に係る電力用半導体装置と比較する
と、図9に示すように、絶縁膜14の厚さは各ダイオー
ド30a、30b、31a、31bにおいて等しいと共
に、逆電圧クランプ用ダイオードとして2個のダイオー
ド31a、31bを直列接続している点で相違する。そ
のため、図10の等価回路図で、温度検出用ダイオード
30a、30bとベース領域38との間で形成される総
容量(C1+C2+C3+C4)は、逆電圧クランプ用
ダイオード31a、31bとベース領域38との間で形
成される総容量(C5+C6+C7+C8)と実質的に
等しい。
用半導体装置によれば、電力用半導体素子が形成されて
いる基板上に、少なくとも1つの温度検出用ダイオード
を含む温度センサを備えている。また、この温度検出用
ダイオードを構成する異なる2つの導電型の一方の領域
と上記電力用半導体素子のベース領域との間で形成され
る容量と、上記2つの導電型の他方の領域と上記電力用
半導体素子のベース領域との間で形成される容量とは、
実質的に等しい。これによって電磁妨害波等の外乱ノイ
ズによる起電力差を解消し、温度センサの誤動作を抑制
することができる。
れば、この電力用半導体装置に含まれる温度検出用ダイ
オードを構成する異なる2つの導電型の各領域は、上記
電力用半導体素子のベース領域と対向する面積が互いに
等しい。そこで、各導電型の各領域と上記ベース領域の
間で形成される各容量は、実質的に等しい。これによっ
て電磁妨害波等の外乱ノイズによる起電力差を解消し、
温度センサの誤動作を抑制することができる。
よれば、温度センサとして、温度検出用のアノードとカ
ソードとの間を反対方向に接続する逆電圧クランプ用ダ
イオードとを設けている。これによって、上記アノード
と上記カソードとの間で逆方向に発生する逆電圧をクラ
ンプして所定値以上に変化させないようにできる。
置によれば、温度検出用ダイオードと、電力用半導体素
子のベース領域との間で形成される総容量は、逆電圧ク
ランプ用ダイオードと、電力用半導体素子のベース領域
との間で形成される総容量と実質的に等しい。これによ
って、電磁妨害波等が侵入した場合にも、温度検出用ダ
イオードと逆電圧クランプ用ダイオードの各回路間に生
じる起電力差は実質的に解消され、温度センサの誤動作
を抑制することができる。
れば、温度検出用ダイオードが電力用半導体素子のベー
ス領域と対向する総面積は、逆電圧クランプ用ダイオー
ドが電力用半導体素子のベース領域と対向する総面積と
実質的に等しい。そのため、上記温度検出用ダイオード
の各導電型と電力用半導体素子のベース領域との間で形
成される総容量は、上記逆電圧クランプ用ダイオードの
各導電型と電力用半導体素子のベース領域との間で形成
される総容量と実質的に等しい。これによって、電磁妨
害波等が侵入した場合にも、温度検出用ダイオードと逆
電圧クランプ用ダイオードの各回路間に生じる起電力差
は実質的に解消され、温度センサの誤動作を抑制するこ
とができる。
よれば、温度検出用ダイオードは、複数のダイオードを
直列接続して構成されている。これによって、アノード
とカソードとの間に生じる順方向電圧VFを増幅され、
温度検出の精度が向上する。
置によれば、温度検出用ダイオードが、絶縁膜を介して
半導体素子のベース領域に対向する総面積と、前記絶縁
膜の厚みとの比は、逆電圧クランプ用ダイオードが絶縁
膜を介して半導体素子のベース領域に対向する総面積
と、絶縁膜の厚みとの比と実質的に等しい。そのため、
上記温度検出用ダイオードの各導電型と電力用半導体素
子のベース領域との間で形成される総容量は、上記逆電
圧クランプ用ダイオードの各導電型と電力用半導体素子
のベース領域との間で形成される総容量と実質的に等し
い。これによって、電磁妨害波等が侵入した場合にも、
温度検出用ダイオードと逆電圧クランプ用ダイオードの
各回路間に生じる起電力差は実質的に解消され、温度セ
ンサの誤動作を抑制できる。
用半導体装置の温度センサの平面図であり、(b)は、
(a)のA−A’線に沿った断面図である。
置の等価回路図である。
置の電力用半導体素子と温度センサとの断面図である。
用半導体装置の温度センサの平面図であり、(b)は、
(a)のB−B’線に沿った断面図である。
置の等価回路図である。
置の温度センサの平面図である。
用半導体装置の温度センサの平面図であり、(b)は、
(a)のC−C’線に沿った断面図である。
置の等価回路図である。
置の温度センサの平面図である。
装置の等価回路図である。
子と温度センサとの断面図である。
ある。
センサの平面図であり、(b)は、(a)のD−D’線
に沿った断面図である。
生容量、10 電力用半導体装置、11 基板、12
P型領域、13 N型領域、14 絶縁膜(Si
O2)、15 アルミ配線、16 P型ポリシリコン、
18 N型ポリシリコン20 温度センサ、22 アノ
ード、24 カソード、30、30a、30b温度検出
用ダイオード、31、31a、31b 逆電圧クランプ
用ダイオード32 ゲート、34 コレクタ、36 エ
ミッタ、38 ベース領域、40 電力用トランジスタ
(IGBT)、50 電力用半導体装置、51 基板、
52P型領域、53 N型領域、54 絶縁膜(SiO
2)、55 アルミ配線、56 P型ポリシリコン領
域、58 N型ポリシリコン領域、60 温度センサ、
62 アノード、64 カソード、70、70a、70
b 温度検出用ダイオード、71 逆電圧クランプ用ダ
イオード、72 ゲート、74 コレクタ、76エミッ
タ、78 ベース、80 電力用トランジスタ(IGB
T)
Claims (7)
- 【請求項1】 基板上に形成された電力用半導体素子
と、 前記基板上に形成された少なくとも一つの温度検出用ダ
イオードを含む温度センサとを備える電力用半導体装置
であって、 前記ダイオードを構成する互いに異なる2つの導電型の
領域のうち一方の領域と前記半導体素子のベース領域と
の間で形成される容量と、前記2つの導電型の他方の領
域と前記半導体素子のベース領域との間で形成される容
量とは、互いに実質的に等しいことを特徴とする電力用
半導体装置。 - 【請求項2】 前記ダイオードを構成する互いに異なる
2つの導電型の各領域は、前記半導体素子のベース領域
と対向する面積が互いに等しいことを特徴とする請求項
1に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項3】 前記温度センサは、 温度検出用のアノードとカソードとの間で順方向に接続
された前記温度検出用ダイオードと、 前記アノードと前記カソードとの間で逆方向に接続さ
れ、逆方向に生じる電圧をクランプする少なくとも一つ
の逆電圧クランプ用ダイオードとを備えることを特徴と
する請求項1又は2に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項4】 前記温度検出用ダイオードにおける各導
電型の領域と、前記半導体素子のベース領域との間で形
成される各容量の総容量は、 前記逆電圧クランプ用ダイオードにおける各導電型の領
域と、前記半導体素子のベース領域との間で形成される
各容量の総容量と実質的に等しいことを特徴とする請求
項3に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項5】 前記逆電圧クランプ用ダイオードが前記
半導体素子のベース領域と対向する総面積は、前記温度
検出用ダイオードが前記半導体素子のベース領域と対向
する総面積と実質的に等しいことを特徴とする請求項3
又は4に記載の電力用半導体装置。 - 【請求項6】 前記温度検出用ダイオードは、複数のダ
イオードを直列接続して構成されたことを特徴とする請
求項1から5のいずれか一項に記載の電力用半導体装
置。 - 【請求項7】 前記温度検出用ダイオードは、絶縁膜を
介して前記半導体素子のベース領域に対向する総面積
と、前記絶縁膜の厚みとの比が、 前記逆電圧クランプ用ダイオードが絶縁膜を介して前記
半導体素子のベース領域に対向する総面積と、前記絶縁
膜の厚みとの比と実質的に等しいことを特徴とする請求
項3から6のいずれか一項に記載の電力用半導体装置。
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