JP2004173292A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device for a high side switch which cuts off an inductive load at high speed and is also usable for a battery of a high voltage. <P>SOLUTION: In order to cut off a power MOSFET 1 to be used as the high side switch for driving an inductive load 40, a MOSFET 2 connected to a first ground line 34 and a MOSFET 3 connected to a second ground (output terminal 33) are used. For driving the MOSFET 3, a MOSFET 4 may be used. The voltage of the output terminal 33 is sufficiently lowered to a negative potential from a ground terminal 30, thereby cutting off the inductive load at high speed. High withstand voltage elements may then be used as the MOSFET 2, 3, 4 for control, thereby making possible application of the semiconductor device to the high battery voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

本発明はパワーMOSFETを出力段にソースフォロア形態で用いた半導体装置に係り、特に誘導性負荷を高速駆動するハイサイドスイッチ用に好適な半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using a power MOSFET as a source follower in an output stage, and more particularly to a semiconductor device suitable for a high-side switch for driving an inductive load at high speed.

この種のハイサイドスイッチ用の回路については、例えば米国特許第4,928,053号(特許文献1参照)に開示された構成が知られている。この従来のハイサイドスイッチ回路(ソースフォロア回路)の要部の構成を図11に示す。図11において、参照符号70はパワーMOSFETを示し、パワーMOSFET70のドレインは電源端子VDDに接続されると共にソースは出力端子OUTを介して誘導性負荷71に接続されている。パワーMOSFET70のゲートとソース間には、パワーMOSFET70を遮断するためのNチャネルMOSFET72のドレインとソースが各々接続され、このNチャネルMOSFET72のゲートは回路のグランドに接続されている。また、PチャネルMOSFET75のドレインとゲートは、それぞれパワーMOSFET70のゲートと回路のグランドに接続されている。電源端子VDDとパワーMOSFET70のゲートとの間には、パワーMOSFET70を遮断したときの出力端子OUTの電圧の最小値を決めるクランプダイオード74と、逆方向電圧による電流阻止用ダイオード73との直列回路が接続される。 As a circuit for this type of high-side switch, for example, a configuration disclosed in US Pat. No. 4,928,053 (see Patent Document 1) is known. FIG. 11 shows a configuration of a main part of this conventional high-side switch circuit (source follower circuit). In FIG. 11, reference numeral 70 denotes a power MOSFET. The drain of the power MOSFET 70 is connected to the power supply terminal VDD , and the source is connected to the inductive load 71 via the output terminal OUT. The drain and source of an N-channel MOSFET 72 for shutting off the power MOSFET 70 are connected between the gate and the source of the power MOSFET 70, and the gate of the N-channel MOSFET 72 is connected to the ground of the circuit. The drain and gate of the P-channel MOSFET 75 are connected to the gate of the power MOSFET 70 and the circuit ground, respectively. A series circuit of a clamp diode 74 for determining the minimum value of the voltage of the output terminal OUT when the power MOSFET 70 is cut off and a diode 73 for blocking current by a reverse voltage is provided between the power supply terminal V DD and the gate of the power MOSFET 70. Is connected.

このように構成されるハイサイドスイッチ回路は、次のように動作する。
PチャネルMOSFET75のソースの電位VSを低電位から高電位にすることによりPチャネルMOSFET75がオンしてパワーMOSFET70のゲートが駆動されてパワーMOSFET70が導通し、電源端子VDDからパワーMOSFET70のドレイン・ソースを介して誘導性負荷71に電流が供給される。
The high-side switch circuit thus configured operates as follows.
Are driven gate of the power MOSFET70 and P-channel MOSFET75 is turned on and conducts power MOSFET70 by the potential V S of the source of the P-channel MOSFET75 from the low potential to the high potential, the drain-from the power supply terminal V DD of the power MOSFET70 A current is supplied to the inductive load 71 via the source.

一方、PチャネルMOSFET75のソースの電位VSを高電位から低電位にして、PチャネルMOSFET75に内蔵する寄生ダイオード(破線で示す)を順バイアスさせることにより、パワーMOSFET70のゲートから電荷が引き抜かれてパワーMOSFET70が遮断状態となる。パワーMOSFET70を遮断させると、誘導性負荷71に逆起電圧が発生してパワーMOSFET70のソース(出力端子OUT)はグランド電位以下に下がり、パワーMOSFET70のソースが負電圧になった後は、NチャネルMOSFET72がオンすることにより、パワーMOSFET70を遮断させ続ける。その後、クランプダイオード74で決まる負の出力電圧値(以下、これを負出力維持電圧と称する)となると、パワーMOSFET70はオンして出力電圧の低下は止まる。こうして負荷電流が遮断するまで、誘導性負荷71に蓄積されていたエネルギが放出され続ける。ここで、誘導性負荷71に供給する電流を高速に遮断するためには、出力電圧をできるだけグランド電圧より下げるようにする必要がある。 Meanwhile, the potential V S of the source of the P-channel MOSFET 75 from the high potential to the low potential, the parasitic diode built into the P-channel MOSFET 75 (shown in phantom) by forward bias, and the charge from the gate of the power MOSFET70 is withdrawn The power MOSFET 70 is turned off. When the power MOSFET 70 is cut off, a back electromotive voltage is generated in the inductive load 71, the source (output terminal OUT) of the power MOSFET 70 drops below the ground potential, and after the source of the power MOSFET 70 becomes a negative voltage, the N channel When the MOSFET 72 is turned on, the power MOSFET 70 is kept shut off. Thereafter, when a negative output voltage value determined by the clamp diode 74 (hereinafter, referred to as a negative output maintaining voltage) is reached, the power MOSFET 70 is turned on and the output voltage stops decreasing. Thus, the energy stored in the inductive load 71 continues to be released until the load current is cut off. Here, in order to cut off the current supplied to the inductive load 71 at high speed, it is necessary to lower the output voltage below the ground voltage as much as possible.

米国特許第4928053号明細書U.S. Pat. No. 4,980,053

PCIM’88のプロシーディングズ、第32〜40頁(PCIM'88 PROCEEDINGS, pp.32-40)PCIM'88 PROCEEDINGS, pp.32-40, Proceedings of PCIM'88

しかしながら、前述した従来の回路構成によれば、出力電圧の下限値はNチャネルMOSFET72のゲート・ソース間耐圧(通常は20V程度)により制限される。さらに、電源としてバッテリを使用する場合にはバッテリの充電レベルにより電源電圧変動(5V程度)があるため、従来の回路構成ではこのマージンを見込む必要があり、負出力維持電圧は−15V程度が限界であった。このため、誘導性負荷の遮断速度を高速化することは難しいという問題があった。   However, according to the above-described conventional circuit configuration, the lower limit value of the output voltage is limited by the gate-source breakdown voltage of the N-channel MOSFET 72 (usually about 20 V). Furthermore, when a battery is used as a power supply, there is a power supply voltage fluctuation (about 5 V) depending on the charge level of the battery. Therefore, it is necessary to allow for this margin in the conventional circuit configuration, and the negative output maintaining voltage is limited to about -15 V. Met. For this reason, there has been a problem that it is difficult to increase the breaking speed of the inductive load.

また、従来の回路構成では、PチャネルMOSFET75のゲートはグランドと接続され、ドレインはパワーMOSFETのゲートと接続されているためパワーMOSFETのゲートとグランド間に印加する電圧(バッテリ電圧+8V程度)を、PチャネルMOSFET75のゲート・ソース間耐圧より低くする必要がある。このため、例えば24Vのような電圧が高いバッテリを用いる場合には使用できないという問題があった。   In the conventional circuit configuration, the gate of the P-channel MOSFET 75 is connected to the ground, and the drain is connected to the gate of the power MOSFET. Therefore, the voltage applied between the gate of the power MOSFET and the ground (battery voltage +8 V) is It is necessary to lower the breakdown voltage between the gate and the source of the P-channel MOSFET 75. For this reason, there is a problem that the battery cannot be used when a battery having a high voltage such as 24 V is used.

さらに、従来のハイサイドスイッチ回路においては、バッテリが誤って逆接続された場合にパワーMOSFETを駆動する制御回路に過電流が流れた場合に対する対策がなされていなかった。   Further, in the conventional high-side switch circuit, no countermeasure has been taken against the case where an overcurrent flows in the control circuit that drives the power MOSFET when the battery is incorrectly reversely connected.

また、本発明の他の目的は、24V以上の高い電圧のバッテリを用いることが可能なハイサイドスイッチ用の半導体装置を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、バッテリを誤って逆接続した場合にも破壊することがないハイサイドスイッチ用の半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a semiconductor device for a high-side switch that can use a battery having a high voltage of 24 V or more. Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device for a high-side switch that does not break even when a battery is reversely connected by mistake.

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、例えば図1に示すように、ドレインが電源端子31に接続されると共にソースが出力端子33に接続されたパワーMOSFET1と、パワーMOSFET1のゲートと制御回路用グランドすなわちグランドライン34との間に配置されて入力端子32の電圧に基づいてパワーMOSFET1をオフする第1のMOSFETすなわちMOSFET2と、パワーMOSFET1のゲートと前記出力端子33との間に配置されて前記入力端子32の電圧に基づいてパワーMOSFET1をオフする第2のMOSFETすなわちMOSFET3と、パワーMOSFET1のゲートに接続されて前記入力端子32の電圧に基づいてパワーMOSFET1をオンするゲート充電回路すなわち昇圧回路19と、から少なくとも構成されることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a power MOSFET 1 having a drain connected to a power supply terminal 31 and a source connected to an output terminal 33, as shown in FIG. A first MOSFET, MOSFET2, which is disposed between the gate and the control circuit ground, that is, the ground line 34, and turns off the power MOSFET1 based on the voltage of the input terminal 32, between the gate of the power MOSFET1 and the output terminal 33; And a second MOSFET that turns off the power MOSFET 1 based on the voltage of the input terminal 32, that is, a MOSFET 3, and that is connected to the gate of the power MOSFET 1 and turns on the power MOSFET 1 based on the voltage of the input terminal 32. Circuit or boost circuit And 19, is characterized in that the at least composed.

前記半導体装置において、前記パワーMOSFETのゲートと制御回路用グランドとの間に、前記第1のMOSFETのドレイン・ソース間に存在する寄生ダイオードを介して流れる電流を阻止するためのダイオード、すなわち図1に示すようにダイオード8を接続配置すれば好適である。   In the semiconductor device, a diode for blocking a current flowing between a gate of the power MOSFET and a control circuit ground via a parasitic diode existing between a drain and a source of the first MOSFET, that is, a diode shown in FIG. It is preferable to connect and arrange the diode 8 as shown in FIG.

また、前記第2のMOSFETをオンする第3のMOSFET、すなわち図1に示すようにMOSFET4と、前記MOSFET3のゲート・ソース間に接続されて前記MOSFET3をオフするための抵抗17とを更に設ければ好適である。   Further, a third MOSFET for turning on the second MOSFET, that is, a MOSFET 4 as shown in FIG. 1 and a resistor 17 connected between the gate and the source of the MOSFET 3 for turning off the MOSFET 3 are further provided. It is suitable.

また、前記第2のMOSFETをオンする第3のMOSFETと、前記第2のMOSFETのゲートとソースの間に接続されて前記第2のMOSFETをオフするための第4のMOSFET、すなわち図4に示すようにMOSFET23を前記抵抗17の代わりに設けてもよい。   FIG. 4 shows a third MOSFET for turning on the second MOSFET and a fourth MOSFET connected between the gate and the source of the second MOSFET for turning off the second MOSFET. As shown, a MOSFET 23 may be provided instead of the resistor 17.

更に、電源電圧から所定の定電圧を得る定電圧電源、例えば図3に示すように電圧レギュレータ20を設け、該電圧レギュレータ20と前記MOSFET3のゲートとの間に、前記MOSFET4と、MOSFET4のドレイン・ソース間に存在する寄生ダイオードを介して流れる電流を阻止するダイオード9との直列回路を設けることができる。   Further, a constant voltage power supply that obtains a predetermined constant voltage from a power supply voltage, for example, a voltage regulator 20 is provided as shown in FIG. 3, and the MOSFET 4 and the drain of the MOSFET 4 are connected between the voltage regulator 20 and the gate of the MOSFET 3. A series circuit with a diode 9 that blocks a current flowing through a parasitic diode existing between the sources can be provided.

また、前記パワーMOSFETのゲートと、電源端子及び/又は定電圧電源との間に、クランプ用ダイオード、例えば図1或いは図4に示すように、クランプ用ダイオード13及び/又は14を更に設ければ好適である。   Further, if a clamping diode, for example, as shown in FIG. 1 or 4, a clamping diode 13 and / or 14 is further provided between the gate of the power MOSFET and a power supply terminal and / or a constant voltage power supply. It is suitable.

また、前記パワーMOSFETのゲートと電源端子との間に接続した第1のダイオードと第5のMOSFETの直列回路、例えば図5に示すように、ダイオード12とMOSFET6の直列回路を設け、MOSFET6のゲートとソースとの間に抵抗18を設け、前記パワーMOSFET1のゲートから前記のMOSFET6のゲートを経由して前記電源端子31に至る間に第2のクランプ用ダイオードすなわちダイオード13を設け、電源端子31に印加される電源電圧から所定の定電圧を得る定電圧電源すなわち電圧レギュレータ20を設け、前記パワーMOSFET1のゲートから前記MOSFET6のゲートを経由して前記電圧レギュレータ20に至る間に第3のクランプ用ダイオードすなわちダイオード14を設けてもよい。   Further, a series circuit of a first diode and a fifth MOSFET connected between the gate of the power MOSFET and a power supply terminal, for example, as shown in FIG. 5, a series circuit of a diode 12 and a MOSFET 6 is provided. A resistor 18 is provided between the power supply terminal 31 and the power supply terminal 31 via a gate of the power MOSFET 1 to the power supply terminal 31 via the gate of the MOSFET 6. A constant voltage power supply that obtains a predetermined constant voltage from an applied power supply voltage, that is, a voltage regulator 20 is provided, and a third clamping diode is provided from the gate of the power MOSFET 1 to the voltage regulator 20 via the gate of the MOSFET 6. That is, the diode 14 may be provided.

この場合、前記第5のMOSFETのゲートとソースとの間に設けた抵抗すなわち抵抗18の代わりに、ドレインとゲートをダイオード接続した第6のMOSFET、すなわち図6に示すように、MOSFET28を前記MOSFET6のゲートとソースとの間に設けることができる。   In this case, instead of the resistor 18 provided between the gate and the source of the fifth MOSFET, that is, the resistor 18, a sixth MOSFET having a drain and a gate diode-connected, that is, as shown in FIG. Between the gate and the source.

また、前記パワーMOSFETのゲートと前記第1のMOSFETとの間にゲートが出力端子に接続された第7のMOSFET、すなわち図7に示すように、MOSFET5を更に設けてもよい。   A seventh MOSFET having a gate connected to an output terminal between the gate of the power MOSFET and the first MOSFET, that is, a MOSFET 5 may be further provided as shown in FIG.

更に、ドレインをグランド端子に接続し、ソースとボディを前記制御回路用グランドに接続し、ゲートを前記電源端子もしくはこの電源端子と同極性の電圧を有する部分に接続した第8のMOSFET、すなわち図8で言えばMOSFET7を接続すれば好適である。   Further, an eighth MOSFET in which a drain is connected to a ground terminal, a source and a body are connected to the control circuit ground, and a gate is connected to the power supply terminal or a portion having a voltage of the same polarity as the power supply terminal, that is, FIG. 8, it is preferable to connect the MOSFET 7.

また、本発明に係る半導体装置は、第1導電型の同一半導体基板、例えば図9に示すように、半導体基板101上に縦型パワーMOSFET1と該パワーMOSFET1のゲートを制御する制御回路とを少なくとも有する半導体装置であって、前記パワーMOSFET1の領域は、基板101側から順に、第1導電型すなわちN型の第1半導体層と該第1半導体層よりも低濃度の第1導電型の第2半導体層すなわちN型エピタキシャル層105aとを有すると共にパワーMOSFET領域の周辺部に表面から前記第1半導体層まで達する前記第2半導体層より高濃度の第1導電型の第3半導体層すなわち高濃度N型半導体領域107aを有し、前記制御回路領域は、基板側101から順に、第2導電型の第4半導体層すなわちP型エピタキシャル層103a,103bと第1導電型の前記第2半導体層105b〜105dとを有すると共に、この第2半導体層を島状に分離して複数の島状領域105b〜105dを構成するために、表面からP型エピタキシャル層に達するこのP型エピタキシャル層より高濃度の第2導電型の第5半導体層すなわち高濃度P型拡散層108a,108bを有する半導体装置において、少なくとも1つの前記島状領域を他の島状領域とから分離するように、表面から前記半導体基板101まで達する前記N型エピタキシャル層より高濃度の第1導電型の第6半導体層、すなわち図9の場合、高濃度N型半導体領域107aと高濃度N型埋込み層102aと104aとからなる半導体層を設けたことを特徴とする。   Further, the semiconductor device according to the present invention includes at least a vertical power MOSFET 1 and a control circuit for controlling the gate of the power MOSFET 1 on the same semiconductor substrate of the first conductivity type, for example, as shown in FIG. In the semiconductor device, the region of the power MOSFET 1 includes, in order from the substrate 101 side, a first conductive type, that is, an N-type first semiconductor layer, and a second conductive type second conductive type having a lower concentration than the first semiconductor layer. A third semiconductor layer of a first conductivity type having a higher concentration than the second semiconductor layer, which has a semiconductor layer, that is, an N-type epitaxial layer 105a, and has a higher concentration than the second semiconductor layer extending from the surface to the first semiconductor layer at the periphery of the power MOSFET region; The control circuit region includes, in order from the substrate side 101, a fourth semiconductor layer of the second conductivity type, that is, a P-type epitaxial layer. To form a plurality of island-like regions 105b to 105d by separating the semiconductor layers 103a and 103b and the second semiconductor layers 105b to 105d of the first conductivity type into islands. In a semiconductor device having a fifth semiconductor layer of the second conductivity type having a higher concentration than the P-type epitaxial layer reaching the P-type epitaxial layer from the surface, that is, the high-concentration P-type diffusion layers 108a and 108b, at least one of the island regions is formed. A sixth semiconductor layer of the first conductivity type having a higher concentration than the N-type epitaxial layer reaching from the surface to the semiconductor substrate 101 so as to be separated from other island regions, that is, a high-concentration N-type semiconductor in FIG. A semiconductor layer including a region 107a and high-concentration N-type buried layers 102a and 104a is provided.

この場合、前記第4半導体層の所要部分の表面に、前記第2半導体層より高濃度の第1導電型の第7半導体層、すなわち図9に示すように高濃度N型埋込み層104b〜104d、を設けてもよい。   In this case, on the surface of a required portion of the fourth semiconductor layer, a seventh semiconductor layer of the first conductivity type having a higher concentration than the second semiconductor layer, that is, high concentration N-type buried layers 104b to 104d as shown in FIG. May be provided.

また、前記第1半導体層は、前記半導体基板に前記第4半導体層形成前に設けた第1導電型の不純物のわき上がり層、すなわち図9に示すように高濃度N型埋込み層102aと、高濃度N型埋込み層104aとから構成すれば好適である。   Further, the first semiconductor layer includes a layer of an impurity of a first conductivity type provided on the semiconductor substrate before the formation of the fourth semiconductor layer, that is, a high-concentration N-type buried layer 102a as shown in FIG. It is preferable to use the high-concentration N-type buried layer 104a.

また、前記第6半導体層は、前記わき上がり層、すなわち図9に示すように高濃度N型埋込み層102aと、高濃度N型埋込み層104aと、高濃度N型半導体領域107aとから構成することができる。   Further, the sixth semiconductor layer is composed of the raised layer, that is, the high-concentration N-type buried layer 102a, the high-concentration N-type buried layer 104a, and the high-concentration N-type semiconductor region 107a as shown in FIG. be able to.

更に、前記制御回路領域の第6半導体層、すなわち図9に示すように、高濃度N型埋込み層102a,104a及び高濃度N型領域107aにより分離された少なくとも1つの島状領域のP型エピタキシャル層103aと高濃度P型拡散層108aをパワーMOSFET領域に形成したパワーMOSFET1のソース電位に電気的に接続し、第6半導体層により分離された他の少なくとも1つの島状領域のP型エピタキシャル層103bと高濃度P型拡散層108bを制御回路のグランドに電気的に接続すれば好適である。   Further, as shown in FIG. 9, the sixth semiconductor layer in the control circuit region, that is, the P-type epitaxial layer of at least one island region separated by the high-concentration N-type buried layers 102a and 104a and the high-concentration N-type region 107a. The layer 103a and the high-concentration P-type diffusion layer 108a are electrically connected to the source potential of the power MOSFET 1 formed in the power MOSFET region, and the P-type epitaxial layer of at least one other island-like region separated by the sixth semiconductor layer It is preferable that 103b and the high concentration P-type diffusion layer 108b be electrically connected to the ground of the control circuit.

また、前記第6半導体層により分離された他の少なくとも1つの島状領域であって、前記第4半導体層と第5半導体層が制御回路のグランドに接続された島状領域に、ドレインが外部電源の接続されるグランド端子、すなわち図8で言えばグランド端子30、に電気的に接続され、ソースとボディが前記制御回路のグランド、すなわち図8で言えばグランドライン34であって図10の島状領域で言えば制御回路のグランドに接続されるP型エピタキシャル層103bと高濃度P型拡散層108bに電気的に接続に接続され、ゲートが外部電源の接続される電源端子すなわち図8で言えば電源端子31もしくはこの電源端子と同極性の電圧を有する部分に接続されるMOSFET7を設ければ好適である。   In addition, a drain is provided outside the at least one other island-shaped region separated by the sixth semiconductor layer, wherein the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer are connected to the ground of a control circuit. The power supply is electrically connected to a ground terminal, that is, the ground terminal 30 in FIG. 8, and the source and the body are the ground of the control circuit, that is, the ground line 34 in FIG. In the island region, the P-type epitaxial layer 103b and the high-concentration P-type diffusion layer 108b that are connected to the ground of the control circuit are electrically connected to each other. In other words, it is preferable to provide the MOSFET 7 connected to the power supply terminal 31 or a portion having a voltage of the same polarity as the power supply terminal.

前述した実施例から明らかなように、本発明によれば、パワーMOSFETのゲートと制御回路用グランド間に接続され、パワーMOSFETのゲート電圧がグランド電圧以上でパワーMOSFETの遮断動作をする第1のMOSFETと、パワーMOSFETのゲートと出力端子間に接続され、パワーMOSFETのゲート電圧が電源電圧以下で遮断動作をし、出力端子電圧が負電圧になっても遮断動作をする第2のMOSFETとを用いることにより、誘導性負荷を駆動するパワーMOSFETを高速に遮断することができる。   As is apparent from the above-described embodiment, according to the present invention, the first power MOSFET is connected between the gate of the power MOSFET and the control circuit ground, and performs the power MOSFET cutoff operation when the gate voltage of the power MOSFET is higher than the ground voltage. A MOSFET and a second MOSFET connected between the gate and the output terminal of the power MOSFET, performing a cutoff operation when the gate voltage of the power MOSFET is equal to or lower than the power supply voltage, and performing a cutoff operation even when the output terminal voltage becomes a negative voltage. By using the power MOSFET, the power MOSFET driving the inductive load can be cut off at high speed.

また、パワーMOSFETのゲート電圧が前記第1および第2のMOSFETのゲート耐圧により制限されない回路構成であるため、第1および第2のMOSFETに60V以上の高耐圧MOSFETを使用できる結果、バッテリ電圧も24V以上の高い電圧を使用することができる。   Further, since the gate voltage of the power MOSFET is not limited by the gate withstand voltage of the first and second MOSFETs, a high withstand voltage MOSFET of 60 V or more can be used for the first and second MOSFETs. High voltages of 24V or more can be used.

更に、制御回路用グランドとグランド端子との間に設けた第8のMOSFETが、バッテリが逆接続された場合にオフ状態となり、制御回路用グランドとグランド端子とを切り離すので、制御回路用グランドと電源端子間に存在する寄生ダイオードが動作せず半導体装置の破壊を防止できる。   Further, the eighth MOSFET provided between the control circuit ground and the ground terminal is turned off when the battery is reversely connected, and disconnects the control circuit ground and the ground terminal. The parasitic diode existing between the power supply terminals does not operate, so that destruction of the semiconductor device can be prevented.

本発明に係る半導体装置によれば、誘導性負荷を駆動するパワーMOSFETのゲートと制御回路用グランドとの間に配置された第1のMOSFETは、パワーMOSFETのゲート電圧がグランド端子よりも高い電圧でパワーMOSFETの遮断動作を行い、パワーMOSFETのゲートと出力端子との間に配置された第2のMOSFETは、前記第1のMOSFETによりパワーMOSFETがオフしてパワーMOSFETのゲート電圧が電源電圧に近い電圧となってからパワーMOSFETの遮断動作を行うと共に出力端子がグランド端子の電圧以下の負電圧になってもパワーMOSFETの遮断動作を行い、パワーMOSFETをオンするゲート充電回路は、入力電圧を電源電圧以上に昇圧してパワーMOSFETのゲートを駆動する。   According to the semiconductor device of the present invention, the first MOSFET disposed between the gate of the power MOSFET for driving the inductive load and the control circuit ground has a voltage higher than the gate voltage of the power MOSFET than the ground terminal. The power MOSFET is turned off by the second MOSFET disposed between the gate of the power MOSFET and the output terminal. The power MOSFET is turned off by the first MOSFET, and the gate voltage of the power MOSFET becomes the power supply voltage. The gate charging circuit that turns off the power MOSFET while turning off the power MOSFET even when the output terminal becomes a negative voltage equal to or less than the voltage of the ground terminal when the output terminal becomes a negative voltage equal to or lower than the voltage of the ground terminal after the voltage becomes close to the voltage. Drive the power MOSFET gate by boosting it to the power supply voltage or higher. .

また、パワーMOSFETのゲートと制御回路用グランドとの間に、第1のMOSFETのドレイン・ソース間に存在する寄生ダイオードを介して流れる電流を阻止するために設けたダイオードにより、パワーMOSFETのゲート電圧がグランド電圧以下すなわち負電圧となるのを可能にする。ここで、パワーMOSFETのゲート電圧の上限を制限するのは第1のMOSFETのドレイン・ソース間耐圧であるが、高耐圧の縦型MOSFETを使用する場合には60V以上の耐圧が容易に得られるため24V以上のバッテリを使用することが可能となる。   Further, a diode provided between the gate of the power MOSFET and the control circuit ground to prevent a current flowing through a parasitic diode existing between the drain and the source of the first MOSFET provides a gate voltage of the power MOSFET. Can be below ground voltage, ie, a negative voltage. Here, the upper limit of the gate voltage of the power MOSFET is limited by the withstand voltage between the drain and the source of the first MOSFET. However, when a vertical MOSFET with a high withstand voltage is used, a withstand voltage of 60 V or more can be easily obtained. Therefore, a battery of 24 V or more can be used.

また、第3のMOSFETのオンにより第2のMOSFETをオンし、第3のMOSFETのオフにより第2のMOSFETをオフし、第2のMOSFETのゲート・ソース間に接続された抵抗により第2のMOSFETをオフする際のゲート電荷を放電させるようにした。これにより、第2のMOSFETのゲート電圧はグランド電圧より下げられるため、負出力維持電圧の絶対値は第2のMOSFETのゲート・ソース間耐圧により制限されない大きな値にできる。このため、誘導性負荷の遮断速度を高速化できる。ここで、第2のMOSFETを遮断する際の上記抵抗の代わりに、第4のMOSFETを第2のMOSFETのゲートとソースの間に接続して用いることもできる。   Further, the second MOSFET is turned on by turning on the third MOSFET, the second MOSFET is turned off by turning off the third MOSFET, and the second MOSFET is turned on by a resistor connected between the gate and source of the second MOSFET. The gate charge when the MOSFET is turned off is discharged. As a result, the gate voltage of the second MOSFET is lowered below the ground voltage, so that the absolute value of the negative output sustaining voltage can be a large value that is not limited by the gate-source breakdown voltage of the second MOSFET. Therefore, the breaking speed of the inductive load can be increased. Here, a fourth MOSFET may be connected between the gate and the source of the second MOSFET in place of the above-described resistor for shutting off the second MOSFET.

また、定電圧電源は電源電圧から所定の定電圧が得られ、この定電圧電源と第2のMOSFETのゲートとの間に設けたダイオードは第3のMOSFETのドレイン・ソース間に存在する寄生ダイオードを介して流れる電流を阻止する。   The constant voltage power supply obtains a predetermined constant voltage from the power supply voltage, and a diode provided between the constant voltage power supply and the gate of the second MOSFET is a parasitic diode existing between the drain and source of the third MOSFET. Block the current flowing through.

また、パワーMOSFETのゲートと電源端子との間に設けたクランプ用ダイオードは負出力維持電圧を決定すると共に、バッテリ電圧が規格以上に増加した場合にパワーMOSFETのドレイン・ソース間に高電圧が印加されることを防止する。   In addition, a clamping diode provided between the gate of the power MOSFET and the power supply terminal determines a negative output sustaining voltage, and a high voltage is applied between the drain and the source of the power MOSFET when the battery voltage increases beyond the standard. To prevent it from being done.

また、パワーMOSFETのゲートと定電圧電源との間に設けたクランプ用ダイオードは負出力維持電圧を決定するが、定電圧電源と接続したことにより、電源端子に接続されるバッテリの電圧変化に起因する誘導性負荷の遮断速度の変動を防止できる。   In addition, the clamping diode provided between the gate of the power MOSFET and the constant voltage power supply determines the negative output sustaining voltage, but due to the connection with the constant voltage power supply, it is caused by the voltage change of the battery connected to the power supply terminal. Therefore, it is possible to prevent the fluctuation of the breaking speed of the inductive load.

また、前記パワーMOSFETのゲートと電源端子との間に接続した第1のダイオードと第5のMOSFETの直列回路の第1のダイオードは、前記ゲート充電回路すなわち昇圧回路により電源電圧よりもゲート電位が高くなることを可能にし、第5のMOSFETは負出力維持電圧を保つための電流を供給する。第5のMOSFETのゲート・ソース間に設けた抵抗は、出力端子電圧が負出力維持電圧よりも高いときに第5のMOSFETをオフするように動作する。第2のクランプ用ダイオードは、パワーMOSFETのゲートと電源端子との間に設けた前記クランプ用ダイオードと同様に、負出力維持電圧を決定すると共に、バッテリ電圧が規格以上に増加した場合にパワーMOSFETのドレイン・ソース間に高電圧が印加されることを防止する。第3のクランプ用ダイオードは、パワーMOSFETのゲートと定電圧電源との間に設けた前記クランプ用ダイオードと同様に、負出力維持電圧を決定するが、定電圧電源と接続したことにより、電源端子に接続されるバッテリの電圧変化に起因する誘導性負荷の遮断速度の変動を防止する。また、第5のMOSFETが、負出力維持電圧を保つためのパワーMOSFETのゲート電流を供給するので、第2及び第3のクランプ用ダイオードの素子サイズを小さくできる。   In addition, the first diode of the series circuit of the first diode and the fifth MOSFET connected between the gate of the power MOSFET and the power supply terminal has a gate potential higher than the power supply voltage by the gate charging circuit, that is, the booster circuit. The fifth MOSFET provides a current to maintain the negative output sustain voltage. The resistor provided between the gate and the source of the fifth MOSFET operates to turn off the fifth MOSFET when the output terminal voltage is higher than the negative output sustain voltage. The second clamping diode determines the negative output sustaining voltage as well as the clamping diode provided between the gate of the power MOSFET and the power supply terminal. To prevent a high voltage from being applied between the drain and the source of the semiconductor device. The third clamping diode determines the negative output sustain voltage in the same manner as the clamping diode provided between the gate of the power MOSFET and the constant voltage power supply. To prevent a change in the inductive load cutoff speed caused by a voltage change of a battery connected to the battery. Further, since the fifth MOSFET supplies the gate current of the power MOSFET for maintaining the negative output sustain voltage, the element size of the second and third clamping diodes can be reduced.

また、前記第5のMOSFETのゲート・ソース間の抵抗の代わりに設けたダイオード接続の第6のMOSFETは、第5のMOSFETとカレントミラーを構成するので、前記第2及び第3のクランプ用ダイオードの素子サイズを小さくできる。   Further, the sixth MOSFET of diode connection provided in place of the resistance between the gate and the source of the fifth MOSFET constitutes a current mirror with the fifth MOSFET, so that the second and third clamping diodes are provided. Element size can be reduced.

また、前記パワーMOSFETのゲートと前記第1のMOSFETとの間に第7のMOSFETを設けたことにより、第1のMOSFETは第7のMOSFETのしきい電圧分だけパワーMOSFETの遮断動作を速く終了するため、ターンオフがソフトになり、低雑音のスイッチングを行える。   In addition, since the seventh MOSFET is provided between the gate of the power MOSFET and the first MOSFET, the first MOSFET finishes the shut-off operation of the power MOSFET quickly by the threshold voltage of the seventh MOSFET. As a result, the turn-off becomes soft and low-noise switching can be performed.

更に、ドレインをグランド端子に接続し、ソースとボディを前記制御回路用グランドに接続し、ゲートを前記電源端子もしくはこの電源端子と同極性の電圧を有する部分に接続した第8のMOSFETは、電源端子とグランド端子間に正常にバッテリが接続された場合にはオン状態となり制御回路用グランドとグランド端子を接続し、バッテリが逆接続された場合にはオフ状態となり、制御回路用グランドとグランド端子を切離し、制御回路用グランドと電源端子間に存在する寄生ダイオードを介して流れる電流を阻止する。   An eighth MOSFET having a drain connected to a ground terminal, a source and a body connected to the control circuit ground, and a gate connected to the power supply terminal or a portion having a voltage of the same polarity as the power supply terminal, When the battery is properly connected between the terminal and the ground terminal, it turns on and connects the control circuit ground and the ground terminal. When the battery is reversely connected, it turns off and the control circuit ground and the ground terminal. And blocks a current flowing through a parasitic diode existing between the control circuit ground and the power supply terminal.

また、本発明に係る半導体装置では、パワーMOSFETの領域は、基板101側から順に第1導電型の第1半導体層と該第1半導体層よりも低濃度の第1導電型の第2半導体層としたことにより、パワーMOSFETのドレイン端子を基板側から取り出すことを可能にし、パワーMOSFET領域の周辺部に表面から前記第1半導体層まで達する高濃度の第1導電型の第3半導体層は、同一半導体基板上の制御回路領域の第2導電型の半導体層と、パワーMOSFETのボディおよび第4半導体層との間のリーク電流のストッパとして働く。制御回路領域の第2導電型の第4の半導体層と第5の半導体層で囲まれる第1導電型の第1の半導体層の複数の島状領域はそれぞれ制御回路用素子形成部となり、表面から前記半導体基板まで達する第1導電型の第6半導体層は、前記島状領域の各々を更に電気的に分離することを可能にする。   In the semiconductor device according to the present invention, the power MOSFET region includes, in order from the substrate 101 side, a first semiconductor layer of the first conductivity type and a second semiconductor layer of the first conductivity type having a lower concentration than the first semiconductor layer. As a result, the drain terminal of the power MOSFET can be taken out from the substrate side, and the high-concentration third semiconductor layer of the first conductivity type reaching the first semiconductor layer from the surface to the peripheral portion of the power MOSFET region, It functions as a stopper for a leak current between the semiconductor layer of the second conductivity type in the control circuit region on the same semiconductor substrate, the body of the power MOSFET, and the fourth semiconductor layer. The plurality of island-shaped regions of the first conductive type first semiconductor layer surrounded by the second conductive type fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer in the control circuit region serve as control circuit element forming portions, respectively. The sixth semiconductor layer of the first conductivity type, which reaches from the semiconductor substrate to the semiconductor substrate, allows each of the island regions to be further electrically isolated.

第4半導体層の所要部分の表面に設けた高濃度の第1導電型の第7半導体層は、制御回路用素子の低抵抗埋込み層として働くので素子特性が向上する。   The high-concentration seventh semiconductor layer of the first conductivity type provided on the surface of the required portion of the fourth semiconductor layer functions as a low-resistance buried layer of the control circuit element, so that the element characteristics are improved.

また、前記第1半導体層を、半導体基板に第4半導体層形成前に設けた第1導電型の不純物のわき上がり層と、前記第7半導体層とから構成することにより、パワーMOSFET領域に形成された第4半導体層を第1導電型の層で容易に貫通することができ、第2半導体層と基板との間の導通が取れる。   In addition, the first semiconductor layer is formed in a power MOSFET region by being composed of a layer of an impurity of a first conductivity type provided on a semiconductor substrate before formation of a fourth semiconductor layer and the seventh semiconductor layer. The formed fourth semiconductor layer can be easily penetrated by the layer of the first conductivity type, so that conduction between the second semiconductor layer and the substrate can be obtained.

更に、前記制御回路領域の第6半導体層により分離された少なくとも1つの島状領域の第4半導体層と第5半導体層をパワーMOSFET領域に形成したパワーMOSFETのソース電位に電気的に接続し、第6半導体層により分離された他の少なくとも1つの島状領域の第4半導体層と第5半導体層を制御回路のグランドに電気的に接続することにより、前者の島状領域は負電位への変化が可能となり、パワーMOSFETのソースと共に電位が変化するプルダウン素子用として好適に使用でき、負出力維持電圧の絶対値を大きくでき誘導性負荷を高速に遮断できる。   Further, the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer of at least one island region separated by the sixth semiconductor layer of the control circuit region are electrically connected to a source potential of a power MOSFET formed in a power MOSFET region, By electrically connecting the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer of at least one other island region separated by the sixth semiconductor layer to the ground of the control circuit, the former island region is set to a negative potential. This makes it possible to change the potential, and it can be suitably used as a pull-down element whose potential changes together with the source of the power MOSFET. The absolute value of the negative output sustaining voltage can be increased and the inductive load can be cut off at high speed.

また、前記制御回路領域の第6半導体層により分離された少なくとも1つの島状領域であって、第4半導体層と第5半導体層とを制御回路のグランドに電気的に接続した島状領域に、ドレインがグランド端子に接続され、ソースとボディが制御回路のグランドに接続され、ゲートが電源端子に接続されたMOSFETを設けることにより、このMOSFETはバッテリ逆接続した場合にオフ動作し、正常に接続した場合にオンするバッテリ逆接続保護動作を行うことができる。   Further, at least one island-like region separated by a sixth semiconductor layer in the control circuit region, wherein the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer are electrically connected to the ground of the control circuit. By providing a MOSFET in which the drain is connected to the ground terminal, the source and the body are connected to the ground of the control circuit, and the gate is connected to the power supply terminal, this MOSFET turns off when the battery is reversely connected, and normally operates. A battery reverse connection protection operation that turns on when connected is performed.

次に、本発明に係る半導体装置の実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。   Next, embodiments of the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は本発明に係る半導体装置の第1の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図であり、図2は図1に示した駆動回路の入出力波形図である。図1において、参照符号50は本発明の半導体装置を示し、この半導体装置50の電源端子31にはバッテリ41の一方の端子が接続され、バッテリ41の他方の端子はグランド端子30に接続されると共に、ソレノイドやモータ等の誘導性負荷40を介して出力端子33に接続される。   FIG. 1 shows a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. FIG. 2 is an input / output waveform diagram of the drive circuit shown in FIG. is there. In FIG. 1, reference numeral 50 denotes a semiconductor device of the present invention. One terminal of a battery 41 is connected to a power terminal 31 of the semiconductor device 50, and the other terminal of the battery 41 is connected to a ground terminal 30. At the same time, it is connected to the output terminal 33 via an inductive load 40 such as a solenoid or a motor.

また、本実施例の半導体装置50の内部回路は、ハイサイドスイッチとして使用するパワーMOSFET1と、このパワーMOSFET1のゲートを制御する制御回路とを備えている。すなわち、半導体装置50の内部回路は、電源端子31にドレインが接続されると共にソースが出力端子33に接続されたNチャネルのパワーMOSFET1と、パワーMOSFET1のゲート・ソース間にそれぞれドレインとソースが接続されたNチャネルMOSFET3と、ドレインがパワーMOSFET1のゲートにダイオード8を介して接続されると共にソースが制御回路のグランドライン(第1グランドライン)34を介してグランド端子30に接続されたNチャネルMOSFET2と、出力がMOSFET2のゲートに接続されたインバータ21と、ソースとドレインが電源端子31とMOSFET3のゲートにそれぞれ接続されたPチャネルMOSFET4と、パワーMOSFET1のゲートに接続された昇圧回路19と、電源端子31とパワーMOSFET1のゲートとの間にアノード同士が接続されたダイオード12,13の直列回路と、出力端子33に接続される第2グランドライン36とパワーMOSFET1のゲートとの間にカソード同士が接続されたダイオード26,27の直列回路と、MOSFET3のゲート・ソース間に接続された抵抗17と、入力側が入力端子32に接続されると共に出力側が昇圧回路の入力とMOSFET4のゲートとインバータ21の入力に接続された入力信号処理回路35と、から構成される。なお、入力信号処理回路35には、図示しないが、レベルシフト回路、過熱保護回路、過電流保護回路、等が内蔵されている。   The internal circuit of the semiconductor device 50 according to the present embodiment includes a power MOSFET 1 used as a high-side switch, and a control circuit that controls the gate of the power MOSFET 1. That is, the internal circuit of the semiconductor device 50 includes an N-channel power MOSFET 1 having a drain connected to the power supply terminal 31 and a source connected to the output terminal 33, and a drain and a source connected between the gate and source of the power MOSFET 1. And an N-channel MOSFET 2 having a drain connected to the gate of the power MOSFET 1 via the diode 8 and a source connected to the ground terminal 30 via the ground line (first ground line) 34 of the control circuit. An inverter 21 whose output is connected to the gate of the MOSFET 2, a P-channel MOSFET 4 whose source and drain are connected to the power supply terminal 31 and the gate of the MOSFET 3, respectively, a booster circuit 19 connected to the gate of the power MOSFET 1, A series circuit of diodes 12 and 13 whose anodes are connected between the terminal 31 and the gate of the power MOSFET 1, and the cathodes are connected between the second ground line 36 connected to the output terminal 33 and the gate of the power MOSFET 1 A series circuit of the connected diodes 26 and 27, a resistor 17 connected between the gate and the source of the MOSFET 3, an input side connected to the input terminal 32, and an output side connected to the input of the booster circuit, the gate of the MOSFET 4 and the inverter 21. And an input signal processing circuit 35 connected to the input. Although not shown, the input signal processing circuit 35 includes a level shift circuit, an overheat protection circuit, an overcurrent protection circuit, and the like.

このように、半導体装置50はパワーMOSFET1をソースフォロア接地にしたハイサイドスイッチと、これを制御するMOSFET2,3,4や昇圧回路19等からなる制御回路とで構成され、図2に示すような入出力特性を有する。なお、図2は図1に示したように誘導性負荷40と電圧VDDのバッテリ41を接続した半導体装置50の、入力端子32における入力電圧波形と出力端子33における出力電圧波形とを示す入出力特性図である。すなわち、図2に示すように入力端子32に例えば5Vの電圧を印加すると、入力信号処理回路35を介して昇圧回路19に入力された電圧は、昇圧回路19によってバッテリ41の電源電圧VDD以上に昇圧されてパワーMOSFET1のゲートに印加され、パワーMOSFET1をオン状態にする。電源電圧VDD以上の十分高いゲート電圧で駆動するため、パワーMOSFET1は100mΩ程度以下の低いオン抵抗となり、出力端子33はほぼ電源電圧VDDと同じ電圧になる。なお、昇圧回路19の具体的回路構成例としては、例えば、PCIM’88のプロシーディングズ、第32〜40頁(PCIM'88 PROCEEDINGS, pp.32-40(非特許文献1参照))の中に記載されているチャージポンプ回路を好適に使用することができる。図1において、ダイオード12はパワーMOSFET1のゲートが電源端子31の電圧VDD以上に昇圧できるようにするために設けてあり、ダイオード26,27はパワーMOSFET1のゲート保護ダイオードである。 As described above, the semiconductor device 50 is composed of the high-side switch in which the power MOSFET 1 is grounded as the source follower, and the control circuit including the MOSFETs 2, 3, 4 and the booster circuit 19 for controlling the same, as shown in FIG. Has input / output characteristics. FIG. 2 shows an input voltage waveform at the input terminal 32 and an output voltage waveform at the output terminal 33 of the semiconductor device 50 in which the inductive load 40 and the battery 41 having the voltage VDD are connected as shown in FIG. It is an output characteristic diagram. That is, as shown in FIG. 2, when a voltage of, for example, 5 V is applied to the input terminal 32, the voltage input to the booster circuit 19 via the input signal processing circuit 35 is higher than the power supply voltage V DD of the battery 41 by the booster circuit 19. And is applied to the gate of the power MOSFET 1 to turn on the power MOSFET 1. Since the power MOSFET 1 is driven with a sufficiently high gate voltage equal to or higher than the power supply voltage V DD , the power MOSFET 1 has a low on-resistance of about 100 mΩ or less, and the output terminal 33 has substantially the same voltage as the power supply voltage V DD . A specific circuit configuration example of the booster circuit 19 is described in, for example, Proceedings of PCIM'88, pages 32 to 40 (PCIM'88 PROCEEDINGS, pp. 32-40 (see Non-Patent Document 1)). Can be suitably used. In FIG. 1, the diode 12 is provided so that the gate of the power MOSFET 1 can be boosted to the voltage V DD of the power supply terminal 31 or more, and the diodes 26 and 27 are gate protection diodes of the power MOSFET 1.

パワーMOSFET1をオフするためには、図2に示すように入力端子32の入力電圧VINを0Vに下げて、昇圧回路19の動作を停止させる。この時、MOSFET2のゲートに入力信号処理回路35及びインバータ21を介して高電位(例えば5V)が印加されるためMOSFET2がオンする。また、入力信号処理回路35を介してMOSFET4のゲートは低電位(例えば0V)になるため、MOSFET4がオンしてMOSFET3を駆動するので、MOSFET3もオンする。 In order to turn off the power MOSFET 1, the input voltage V IN of the input terminal 32 is reduced to 0 V as shown in FIG. At this time, since a high potential (for example, 5 V) is applied to the gate of the MOSFET 2 via the input signal processing circuit 35 and the inverter 21, the MOSFET 2 is turned on. Further, the gate of the MOSFET 4 is set to a low potential (for example, 0 V) via the input signal processing circuit 35, so that the MOSFET 4 is turned on and the MOSFET 3 is driven.

ここで、出力端子33の立ち下げのためにMOSFET2とMOSFET3を使用するのは、以下の理由による。出力端子33の電圧VOUTが、MOSFET2に関しては式(1)の範囲において、MOSFET3に関しては式(2)の範囲において、パワーMOSFET1を遮断できなくなるためである。 The reason why the MOSFET 2 and the MOSFET 3 are used for lowering the output terminal 33 is as follows. This is because the power MOSFET 1 cannot be cut off within the range of the equation (1) for the MOSFET 2 and the range of the equation (2) for the MOSFET 3 for the voltage V OUT of the output terminal 33.

Figure 2004173292
上式において、VDDは電源端子31の電圧、Vth(1)とVth(3)は各々パワーMOSFET1とMOSFET3のしきい電圧、Vf(8)はダイオード8の順方向電圧、Von(2)とVon(4)はMOSFET2とMOSFET4のオン電圧である。
Figure 2004173292
In the above equation, V DD is the voltage of the power supply terminal 31, V th (1) and V th (3) are the threshold voltages of the power MOSFET 1 and MOSFET 3, respectively, V f (8) is the forward voltage of the diode 8, and V on (2) and V on (4) are the ON voltages of MOSFET2 and MOSFET4.

更に詳細に説明すれば、以下の通りである。MOSFET2がオンしてもパワーMOSFET1のゲート電圧をほぼグランド端子30の電位となる電圧(Von(2)+Vf(8))までしか下げられないので、出力端子33の電圧VOUTが逆起電力によってこのグランド端子の電圧すなわち接地に近い電圧(Von(2)+Vf(8))よりもVth(1)低い電位に低下するとパワーMOSFET1がオンするため、MOSFET2では遮断できなくなる。 This will be described in more detail below. Since MOSFET2 voltage as the potential of the on almost the ground terminal 30 of the gate voltage of the power MOSFET1 be (V on (2) + V f (8)) is only lowered to the voltage V OUT at the output terminal 33 is the back electromotive When the potential of the ground terminal, that is, a voltage close to the ground ( Von (2) + Vf (8) ), becomes lower than the potential of the ground terminal by Vth (1) , the power MOSFET1 is turned on.

また、MOSFET3のソース電位は、パワーMOSFET1がオン状態のときに出力端子33の電圧すなわちほぼ電源電圧VDDとなっているので、MOSFET4をオンにしてもMOSFET3のゲート電位はVDD−Von(4)と、MOSFET3のソース電位よりも低く、MOSFET3をオンできない。MOSFET3がオンするためには、ソース電位はゲート電位よりもVth(3)以上低くなければならない。従って、MOSFET3は出力端子33の電圧VOUTが電源電圧に近い電圧(VDD−Von(4)−Vth(3))よりも高いとパワーMOSFET1を遮断できなくなる。 Further, the source potential of the MOSFET 3 is the voltage of the output terminal 33 when the power MOSFET 1 is in the on state, that is, almost the power supply voltage V DD . Therefore, even if the MOSFET 4 is turned on, the gate potential of the MOSFET 3 is V DD −V on ( 4) The MOSFET 3 is lower than the source potential of the MOSFET 3 and cannot be turned on. In order for the MOSFET 3 to be turned on, the source potential must be lower than the gate potential by Vth (3) or more. Therefore, when the voltage V OUT of the output terminal 33 is higher than the voltage (V DD −V on (4) −V th (3) ) close to the power supply voltage, the power MOSFET 1 cannot be cut off.

すなわち、MOSFET2はパワーMOSFET1をオン状態からオフにし、出力端子電圧VOUTが低下して上記のグランド端子電圧に近い電圧までの範囲でパワーMOSFET1を遮断し続ける動作を実行でき、MOSFET3はMOSFET2によってパワーMOSFET1がオフしてから出力端子電圧VOUTが上記電源電圧に近い電圧となってから動作し、そして出力端子電圧VOUTがグランド端子レベル以下の負電圧になってもパワーMOSFET1をオフし続ける動作を実行できる。なお、ダイオード8は、パワーMOSFET1のゲート電位が負電圧になった場合にグランド端子30からMOSFET2のソース・ドレイン間に存在する寄生ダイオードを介して流れる電流を阻止して、パワーMOSFET1のゲート電圧が出力端子電圧に従って負電圧となることを可能にするためのものであり、MOSFET2のソース側にダイオード8を接続してもよい。 That is, the MOSFET 2 can perform the operation of turning off the power MOSFET 1 from the ON state, and keeping the power MOSFET 1 shut off in a range where the output terminal voltage V OUT decreases to a voltage close to the above-mentioned ground terminal voltage. MOSFET1 operates the output terminal voltage V OUT from the off from a voltage close to the power supply voltage, and operation of the output terminal voltage V OUT continues to turn off the power MOSFET1 be equal to or less than the negative voltage ground terminal level Can be executed. The diode 8 blocks a current flowing from the ground terminal 30 through a parasitic diode existing between the source and the drain of the MOSFET 2 when the gate potential of the power MOSFET 1 becomes a negative voltage. This is for enabling a negative voltage according to the output terminal voltage, and a diode 8 may be connected to the source side of the MOSFET 2.

次に、負出力維持電圧について説明する。本実施例の半導体装置50の負荷が誘導性負荷40であるため、パワーMOSFET1を遮断すると誘導性負荷40の両端に逆起電力が発生する。このため誘導性負荷40に流れる出力電流IOUTは流れ続け、図2に示すように出力端子33の電圧VOUTはクランプ用ダイオード13が降伏しパワーMOSFET1がオンするまで低下する。この時の出力電圧が負出力維持電圧VSUSとなり、ダイオード13の降伏電圧をBV(13)、ダイオード12の順方向電圧をVf(12)とすると、次式で表される。 Next, the negative output maintaining voltage will be described. Since the load of the semiconductor device 50 of the present embodiment is the inductive load 40, when the power MOSFET 1 is cut off, back electromotive force is generated at both ends of the inductive load 40. Therefore, the output current I OUT flowing through the inductive load 40 continues to flow, and as shown in FIG. 2, the voltage V OUT at the output terminal 33 decreases until the clamp diode 13 breaks down and the power MOSFET 1 turns on. Assuming that the output voltage at this time is the negative output sustaining voltage VSUS , the breakdown voltage of the diode 13 is BV (13) , and the forward voltage of the diode 12 is Vf (12) , the following expression is obtained.

Figure 2004173292
この後、誘導性負荷40を流れる出力電流IOUTは減少し、この電流が流れなくなると出力端子電圧VOUTはゼロボルトになる。ここで、誘導性負荷40のインダクタンス成分をLL、抵抗成分をRLとすると、誘導性負荷40に流れる出力電流IOUTの遮断時間toffは、式(4)で表されるため、負出力維持電圧VSUSが大きいほど、遮断時間toffを小さくすることができる。
Figure 2004173292
Thereafter, the output current I OUT flowing through the inductive load 40 decreases, and when this current stops flowing, the output terminal voltage V OUT becomes zero volts. Here, assuming that the inductance component of the inductive load 40 is L L and the resistance component is R L , the cutoff time t off of the output current I OUT flowing through the inductive load 40 is expressed by the equation (4), As the output sustaining voltage VSUS increases, the cutoff time t off can be reduced.

Figure 2004173292
図11に示した従来回路では、本実施例のMOSFET3に相当するNチャネルMOSFET72のゲートが本実施例の第1グランドライン34に相当するグランドに接続されていたため、負出力維持電圧VSUSをMOSFET72のゲート・ソース間耐圧よりも大きくすることができなかった。このため、遮断時間toffの短縮が制限されていた。これに対して本実施例では、MOSFET3のゲートは抵抗17を介して出力端子33に接続されているため、MOSFET3のゲート電圧を第1グランドライン34の電圧より低くできる分だけ負出力維持電圧VSUSの値を大きくすることができる。このため、遮断速度の高速化が可能となる。例えば、本実施例の場合、バッテリ41の電圧VDD=12V、ダイオード13の降伏電圧BV(13)=44V、ダイオード12の順方向電圧Vf(12)=0.6V、パワーMOSFET1のしきい電圧Vth(1)=2Vとすると、式(3)より負出力維持電圧VSUSは約−35Vと大きい値にできる。このため、パルス幅変調駆動を行う場合には、パルス幅の最小値の制約を受けてパルス幅の制御範囲が制限されるという問題を解決することができる。
Figure 2004173292
Since the conventional circuit shown in FIG. 11, the gate of the N-channel MOSFET 72, which corresponds to MOSFET3 of this example was connected to the ground corresponding to the first ground line 34 of this embodiment, a negative output sustain voltage V SUS MOSFET 72 Cannot be made larger than the gate-source withstand voltage of the above. For this reason, the shortening of the cutoff time t off has been limited. On the other hand, in the present embodiment, since the gate of the MOSFET 3 is connected to the output terminal 33 via the resistor 17, the gate voltage of the MOSFET 3 can be made lower than the voltage of the first ground line 34 by the negative output sustaining voltage V The value of SUS can be increased. Therefore, it is possible to increase the cutoff speed. For example, in the case of the present embodiment, the voltage V DD of the battery 41 = 12 V, the breakdown voltage BV (13) of the diode 13 = 44 V, the forward voltage V f (12) of the diode 12 = 0.6 V, and the threshold of the power MOSFET 1. Assuming that the voltage V th (1) = 2 V, the negative output sustaining voltage V SUS can be set to a large value of about −35 V from the equation (3). Therefore, when performing pulse width modulation driving, it is possible to solve the problem that the control range of the pulse width is limited due to the restriction of the minimum value of the pulse width.

また、従来回路では、パワーMOSFET70のゲートとグランドの間に制御用のPチャネルMOSFET75のソースとゲートが接続されていたため、パワーMOSFET70のゲート電圧は制御用MOSFET75のゲート耐圧(通常20V程度)により制限されていた。このため、電源電圧VDDとして24V以上のバッテリを使用し、かつ、パワーMOSFET70のオン抵抗を小さくするためにパワーMOSFET70のゲートを更に24V以上の高電圧で駆動するということはできなかった。これに対して、本実施例の半導体装置50ではパワーMOSFET1のゲート電圧はMOSFET2,3のゲート耐圧により制限されないので、MOSFET2,3としてドレイン・ソース間耐圧が70V程度の高耐圧MOSFETを使用できる。このため、バッテリ41に24V以上の高い電圧を使用でき、しかも、パワーMOSFET1のゲート電圧は昇圧回路19により電源端子31の電圧より8V程度昇圧した電圧を印加できるので、パワーMOSFET1のオン抵抗も小さくできるという利点がある。 In the conventional circuit, since the source and the gate of the control P-channel MOSFET 75 are connected between the gate of the power MOSFET 70 and the ground, the gate voltage of the power MOSFET 70 is limited by the gate withstand voltage of the control MOSFET 75 (normally about 20 V). It had been. For this reason, it has not been possible to use a battery having a power supply voltage V DD of 24 V or more and drive the gate of the power MOSFET 70 at a high voltage of 24 V or more in order to reduce the ON resistance of the power MOSFET 70. On the other hand, in the semiconductor device 50 of the present embodiment, the gate voltage of the power MOSFET 1 is not limited by the gate breakdown voltages of the MOSFETs 2 and 3, and therefore, a high breakdown voltage MOSFET having a drain-source breakdown voltage of about 70 V can be used as the MOSFETs 2 and 3. For this reason, a high voltage of 24 V or more can be used for the battery 41, and the gate voltage of the power MOSFET 1 can be applied by the boosting circuit 19 to a voltage raised by about 8 V from the voltage of the power supply terminal 31, so that the on-resistance of the power MOSFET 1 is small. There is an advantage that you can.

尚、図1の回路例では、ダイオード12,13をアノード同士が接続された直列回路としたが、順番を入れ替えてカソード同士が接続された直列回路としてもよい。また、クランプ用ダイオード13は所望の耐圧が得られるように複数のダイオードを直列接続して構成したものを用いてもよい。   In the circuit example of FIG. 1, the diodes 12 and 13 are series circuits in which anodes are connected to each other. However, the order may be changed and a series circuit in which cathodes are connected to each other. Further, the clamping diode 13 may be configured by connecting a plurality of diodes in series so as to obtain a desired withstand voltage.

ここで図9に、本実施例の半導体装置50を構成するパワーMOSFET1及びMOSEFET2,3,4等の主要素子の断面構造を示す。尚、図9において参照符号の番号が同じでアルファベットが異なる半導体層領域は、同じ製造プロセス工程で形成されるけれども電気的に分離されている領域であることを示し、参照符号の番号が同じでもアルファベットが付いていない半導体層は、同じ製造プロセス工程で形成されることだけを示している。   Here, FIG. 9 shows a cross-sectional structure of main elements such as the power MOSFET 1 and the MOSFETs 2, 3, and 4 which constitute the semiconductor device 50 of the present embodiment. In FIG. 9, semiconductor layer regions having the same reference numerals and different alphabets indicate regions which are formed in the same manufacturing process steps but are electrically separated from each other. Semiconductor layers without alphabets only indicate that they are formed in the same manufacturing process step.

本実施例の半導体装置50は、アンチモン又は砒素を不純物とした抵抗率0.02Ω・cm〜0.002Ω・cm程度の高濃度N型半導体基板101上に、抵抗率3Ω・cm程度のP型エピタキシャル層103a,103bを20μm程度形成し、この上に抵抗率1Ω・cm程度のN型エピタキシャル層105a〜105dを12μm程度形成し、前記P型エピタキシャル層を103aと103bの領域に分離するために、P型エピタキシャル層の形成前に5×1014cm-2程度のリンを半導体基板101の所定領域にホトレジストマスク等を用いて選択的にイオン打込みして形成した高濃度N型埋込み層102aと、P型エピタキシャル層を形成後にP型エピタキシャル層の所定領域に選択的に拡散形成したアンチモンを不純物とした層抵抗20Ω/□程度の高濃度N型埋込み層104aとを更に熱拡散を行って接続する。或いは、高濃度N型埋込み層104aを熱拡散で形成時に同時に高濃度N型埋込み層102aと接続するようにしてもい。また、前記N型エピタキシャル層を105a〜105dの領域に分離するために、層抵抗3Ω/□程度の高濃度P型拡散層108aと108bを、半導体表面からP型エピタキシャル層103aと103bに各々到達するように形成することにより、パワーMOSFET1と分離された制御回路用の複数の島領域を形成することができる。 The semiconductor device 50 of this embodiment is a P-type semiconductor having a resistivity of about 3 Ω · cm on a high-concentration N-type semiconductor substrate 101 having a resistivity of about 0.02 Ω · cm to 0.002 Ω · cm using antimony or arsenic as an impurity. Epitaxial layers 103a and 103b are formed to a thickness of about 20 μm, and N-type epitaxial layers 105a to 105d having a resistivity of about 1 Ω · cm are formed to a thickness of about 12 μm. A high-concentration N-type buried layer 102 a formed by selectively ion-implanting phosphorus of about 5 × 10 14 cm −2 into a predetermined region of the semiconductor substrate 101 using a photoresist mask or the like before forming the P-type epitaxial layer. And a layer resistance 2 containing antimony as an impurity selectively diffused and formed in a predetermined region of the P-type epitaxial layer after forming the P-type epitaxial layer. Omega / □ and a high concentration N-type buried layer 104a extent further perform thermal diffusion connection. Alternatively, the high-concentration N-type buried layer 104a may be connected to the high-concentration N-type buried layer 102a at the same time as the formation by thermal diffusion. Further, in order to separate the N-type epitaxial layer into regions 105a to 105d, high-concentration P-type diffusion layers 108a and 108b having a layer resistance of about 3Ω / □ reach the P-type epitaxial layers 103a and 103b from the semiconductor surface, respectively. Thus, a plurality of island regions for the control circuit separated from the power MOSFET 1 can be formed.

図9において、高濃度N型半導体領域101,102a,104a,107aにより分離され、P型エピタキシャル層103bと高濃度P型拡散層108bで構成されるP型半導体領域を図1に示した第1グランドライン34の領域とし、P型エピタキシャル層103aと高濃度P型拡散層108aで構成されるP型半導体領域を図1に示した出力端子33に接続される第2グランドライン36の領域とし、パワーMOSFET1は高濃度N型半導体領域101と高濃度N型埋込み層102a,104a並びにN型エピタキシャル層領域105aをドレイン、多結晶シリコン層110をゲート電極、N型拡散層113をソース、P型拡散層111をチャネル拡散層(ボディ)とすることにより形成し、パワーMOSFET1のソース用アルミ電極114aは第2グランド領域となる高濃度P型拡散層108aにも接続する。また、MOSFET2とMOSFET3は、それぞれN型拡散層113をソース、P型拡散層111をチャネル拡散層、N型エピタキシャル層105c,105bをドレインとする縦型の高耐圧NチャネルMOSFETであり、MOSFET2はP型エピタキシャル層103bと高濃度P型拡散層108bからなる第1グランド領域により素子分離され、MOSFET3はP型エピタキシャル層103aと高濃度P型拡散層108aからなる第2グランド領域により素子分離される。MOSFET4はP型拡散層112をソースとドレイン、低濃度P型拡散層115を高耐圧化用のオフセットドレイン領域とする横型の高耐圧PチャネルMOSFETであり、MOSFET10は図1の要部回路には示していないが同一チップ上で必要に応じて使用でき、N型拡散層113をソースとドレインとする横型のNチャネルMOSFETでCMOS回路に使用する。なお、参照符号106は酸化膜等の絶縁膜である。   9, a P-type semiconductor region separated by high-concentration N-type semiconductor regions 101, 102a, 104a, and 107a and composed of a P-type epitaxial layer 103b and a high-concentration P-type diffusion layer 108b is shown in FIG. As a region of the ground line 34, a P-type semiconductor region composed of the P-type epitaxial layer 103a and the high-concentration P-type diffusion layer 108a is defined as a region of the second ground line 36 connected to the output terminal 33 shown in FIG. The power MOSFET 1 has a drain in the high-concentration N-type semiconductor region 101 and the high-concentration N-type buried layers 102a, 104a and the N-type epitaxial layer region 105a, a gate electrode in the polycrystalline silicon layer 110, a source in the N-type diffusion layer 113, and a P-type diffusion. The layer 111 is formed as a channel diffusion layer (body), and the source aluminum of the power MOSFET 1 is formed. Pole 114a is connected to the high concentration P-type diffusion layer 108a serving as the second ground area. MOSFET2 and MOSFET3 are vertical high voltage N-channel MOSFETs each having an N-type diffusion layer 113 as a source, a P-type diffusion layer 111 as a channel diffusion layer, and N-type epitaxial layers 105c and 105b as drains. The devices are separated by a first ground region including the P-type epitaxial layer 103b and the high-concentration P-type diffusion layer 108b, and the MOSFET 3 is separated by a second ground region including the P-type epitaxial layer 103a and the high-concentration P-type diffusion layer 108a. . The MOSFET 4 is a lateral high-breakdown-voltage P-channel MOSFET in which the P-type diffusion layer 112 has a source and a drain, and the low-concentration P-type diffusion layer 115 has an offset drain region for increasing the breakdown voltage. Although not shown, it can be used as needed on the same chip, and is a lateral N-channel MOSFET having an N-type diffusion layer 113 as a source and a drain, and used for a CMOS circuit. Reference numeral 106 is an insulating film such as an oxide film.

このような断面構造を有することにより、本実施例の半導体装置50では、MOSFET3を素子分離している第2グランド領域のP型半導体層領域103a,108aの電位が、パワーMOSFET1のソース(図1の出力端子33)の電位と一緒に変動するため、第1グランド領域(図1の制御回路用グランドライン34)を構成するP型半導体層領域103b,108bよりも出力端子33の電位が下がってもパワーMOSFET1を遮断させるようにMOSFET3をオン状態に保つことができる。   With such a cross-sectional structure, in the semiconductor device 50 of the present embodiment, the potential of the P-type semiconductor layer regions 103a and 108a in the second ground region separating the MOSFET 3 from the source is changed by the source of the power MOSFET 1 (FIG. 1). Of the output terminal 33) together with the potential of the output terminal 33), the potential of the output terminal 33 is lower than that of the P-type semiconductor layer regions 103b and 108b constituting the first ground region (the control circuit ground line 34 of FIG. 1). Also, the MOSFET 3 can be kept on so that the power MOSFET 1 is shut off.

また、第2グランド領域(図1の出力端子33に接続される第2グランドライン36)とパワーMOSFET1のドレインである導体基板101(図1の電源端子31に接続される)との耐圧は、高濃度の拡散層同士が接していないため80V以上の高耐圧設計ができ、更に、第1グランド領域と第2グランド領域との間には、これらのグランド領域よりも高い電位(図1の電源端子31の電圧)に保たれた高濃度のN型領域101,102a,104a,107aが存在するため、P型層領域103a,108aからなる第2グランド領域は、半導体基板101に対しても80V以上低い電位に設定できる。従って、第2グランド領域は、P型層領域103b,108bからなる第1グランド領域よりも高電位になっても低電位になっても、両グランド領域間に存在する寄生トランジスタが動作することはない。   The withstand voltage between the second ground region (the second ground line 36 connected to the output terminal 33 in FIG. 1) and the conductor substrate 101 (connected to the power terminal 31 in FIG. 1) which is the drain of the power MOSFET 1 is as follows. Since the high-concentration diffusion layers are not in contact with each other, a high withstand voltage design of 80 V or more can be performed. Further, a potential higher than these ground regions is applied between the first ground region and the second ground region (the power supply shown in FIG. 1). Since the high-concentration N-type regions 101, 102a, 104a, and 107a are maintained at the voltage of the terminal 31), the second ground region including the P-type layer regions 103a and 108a has a voltage of 80 V with respect to the semiconductor substrate 101. The potential can be set to a lower potential. Therefore, even if the second ground region has a higher or lower potential than the first ground region including the P-type layer regions 103b and 108b, the parasitic transistor existing between the two ground regions does not operate. Absent.

また、MOSFET4は、ドレイン側に低濃度のP型オフセット領域115を設けてあるので、ドレイン・ソース間耐圧を40V以上に容易に設定することができる。例えば、負出力維持電圧VSUSを図1で試算したように−35Vとするには、電源端子電圧が12Vの場合、MOSFET4の耐圧は47V以上の耐圧に設定することにより実現することができる。MOSFET2およびMOSFET3は、図9に示したように高耐圧化が容易な縦型MOSFETを用いることができるため、ドレイン・ソース間耐圧は70V以上が容易に得られる。従ってバッテリ41として、車載用に通常用いられる12V或いは24Vのバッテリを使用する場合、パワーMOSFET1のゲート電圧はMOSFET2,3のドレイン・ソース間耐圧によって制限されずに昇圧することが可能である。 In addition, since the MOSFET 4 has the low-concentration P-type offset region 115 on the drain side, the drain-source withstand voltage can be easily set to 40 V or more. For example, in order to set the negative output sustaining voltage V SUS to −35 V as estimated in FIG. 1, when the power supply terminal voltage is 12 V, the breakdown voltage of the MOSFET 4 can be set to a breakdown voltage of 47 V or more. As the MOSFET 2 and the MOSFET 3, as shown in FIG. 9, a vertical MOSFET that can easily achieve a high withstand voltage can be used, so that a drain-source withstand voltage of 70 V or more can be easily obtained. Therefore, when a 12 V or 24 V battery normally used for vehicles is used as the battery 41, the gate voltage of the power MOSFET 1 can be boosted without being limited by the drain-source breakdown voltage of the MOSFETs 2 and 3.

なお、上記製造プロセスの条件の数値は一例であって、これに限るものではなく、必要とする耐圧に応じて適宜変更可能であることは言うまでもない。   It should be noted that the numerical values of the conditions of the manufacturing process are merely examples, and the present invention is not limited to the numerical values. Needless to say, the numerical values can be appropriately changed according to the required withstand voltage.

図3は本発明に係る半導体装置の第2の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図である。尚、説明の便宜上、図3において実施例1の図1に示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例では電源端子31に接続された電圧レギュレータ20が設けられ、この電圧レギュレータ20の定電圧出力ライン39とパワーMOSFET1のゲート間にアノード同士が接続されたダイオード12,14の直列回路が接続される点と、PチャネルMOSFET4のソースが電圧レギュレータ20の定電圧出力ライン39に接続されると共にドレインがダイオード9を介してMOSFET3のゲートに接続されている点とが実施例1の構成と相違する。   FIG. 3 shows a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. For convenience of explanation, the same reference numerals in FIG. 3 denote the same constituent parts as those shown in FIG. 1 of the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted. That is, in this embodiment, the voltage regulator 20 connected to the power supply terminal 31 is provided, and a series circuit of diodes 12 and 14 whose anodes are connected between the constant voltage output line 39 of the voltage regulator 20 and the gate of the power MOSFET 1 is provided. And the point that the source of the P-channel MOSFET 4 is connected to the constant voltage output line 39 of the voltage regulator 20 and the drain is connected to the gate of the MOSFET 3 via the diode 9. Is different from

このように本実施例の半導体装置51は、電圧レギュレータ20により例えば5Vの定電圧を発生させ、この定電圧出力ライン39に、負出力維持電圧VSUSを決定するクランプ用ダイオード14のカソードを接続しているため、負出力維持電圧VSUSの値が変動せずに安定する。また、MOSFET4のソースを定電圧出力ライン39に接続しているため、MOSFET3がパワーMOSFET1を遮断することができなくなる出力端子電圧VOUTの範囲は、定電圧出力ライン39の電圧をVDD0とすると、前述した式(2)の代わりに次式のようになる。 As described above, in the semiconductor device 51 of the present embodiment, the constant voltage of, for example, 5 V is generated by the voltage regulator 20, and the cathode of the clamping diode 14 that determines the negative output sustain voltage VSUS is connected to the constant voltage output line 39. Therefore , the value of the negative output sustaining voltage VSUS is stabilized without fluctuation. Further, since the source of the MOSFET 4 is connected to the constant voltage output line 39, the range of the output terminal voltage V OUT at which the MOSFET 3 cannot cut off the power MOSFET 1 is defined assuming that the voltage of the constant voltage output line 39 is V DD0. The following equation is used instead of the equation (2).

Figure 2004173292
なお、本実施例でMOSFET4のソースとMOSFET3のゲート間に設けたダイオード9は、出力端子33が定電圧出力ライン39の電圧VDD0より高くなる場合に、MOSFET4のドレイン・ボディ間に存在する寄生ダイオードが順バイアスされて出力端子33から抵抗17を通り定電圧出力ライン39に電流が流入することを防止する働きをする。
Figure 2004173292
In this embodiment, the diode 9 provided between the source of the MOSFET 4 and the gate of the MOSFET 3 is connected to the parasitic terminal existing between the drain and the body of the MOSFET 4 when the output terminal 33 becomes higher than the voltage V DD0 of the constant voltage output line 39. The diode is forward-biased and serves to prevent current from flowing from the output terminal 33 through the resistor 17 to the constant voltage output line 39.

また、本実施例ではMOSFET4のソースが電源端子31より電圧が低い定電圧出力ライン39に接続してあるため、負出力維持電圧VSUSの絶対値を大きくするために必要なMOSFET4のドレイン・ソース間耐圧BVDSS(4)が小さくてすむという利点がある。すなわち、図1の構成では負出力維持電圧VSUSの絶対値は式(6)を満足する必要があったが、本実施例では式(7)を満足すればよい。従って、本実施例での負出力維持電圧VSUSは式(8)となる。 Further, since the voltage from the power supply terminal 31 is a source of MOSFET 4 is in this embodiment is connected to a low constant voltage output line 39, MOSFET 4 drain-source necessary to increase the absolute value of the negative output sustaining voltage V SUS There is an advantage that the breakdown voltage BV DSS (4) can be small. That is, in the configuration of FIG. 1, the absolute value of the negative output sustaining voltage VSUS needs to satisfy Expression (6), but in this embodiment, Expression (7) may be satisfied. Therefore, the negative output sustaining voltage VSUS in the present embodiment is represented by Expression (8).

Figure 2004173292
さらに、電圧VDD0は定電圧出力ライン39の電圧であるため、実施例1のようにバッテリ41の電圧VDDを直接使用する場合に比べて負出力維持電圧VSUSの変動が低減され、遮断速度の変動が小さくなるという利点がある。その他の点に関しては、図1の実施例と同様の効果があることは勿論である。
Figure 2004173292
Further, since the voltage V DD0 is the voltage of the constant voltage output line 39, the fluctuation of the negative output sustaining voltage V SUS is reduced compared to the case where the voltage V DD of the battery 41 is directly used as in the first embodiment, and the voltage is cut off. There is an advantage that fluctuations in speed are reduced. In other respects, it is needless to say that the same effect as in the embodiment of FIG. 1 is obtained.

なお、負出力維持電圧VSUSを決定するクランプ用ダイオード14と逆流防止用ダイオード12の直列回路は、グランド端子30と出力端子33の間に接続配置することも可能である。この場合の負出力維持電圧VSUSは、上式(8)においてVDD0=0Vとして設計できる。 It should be noted that a series circuit of the clamping diode 14 and the backflow preventing diode 12 that determines the negative output sustaining voltage VSUS may be connected between the ground terminal 30 and the output terminal 33. The negative output sustaining voltage V SUS of the case can be designed in the above equation (8) as V DD0 = 0V.

また、負出力維持電圧を決定するダイオード14,12を図3のように定電圧出力ライン39とパワーMOSFET1のゲートとの間に接続配置し、さらに図1のように電源端子31とパワーMOSFET1のゲートとの間にアノード同士が接続されたダイオード12とクランプ用ダイオード13の直列回路を接続配置した場合には、通常の負出力維持電圧VSUSの値はクランプ用ダイオード14により一定に保ち、なおかつ、クランプ用ダイオード13により電源端子31と出力端子33の間に過電圧が印加されてもパワーMOSFET1が破壊することがないように保護することが可能となる。尚、それぞれのクランプ用ダイオード13,14の耐圧は所望の値のものを用いればよい。例えば、定電圧出力ライン39の電圧を5V、バッテリ41の電圧を12V、負出力維持電圧VSUSを−35V、パワーMOSFET1の耐圧を70V程度とすれば、クランプ用ダイオード14の耐圧は37.4Vに、クランプ用ダイオード13の耐圧は65Vに設定すればよい。また、クランプ用ダイオード13,14は、所望の必要耐圧を得られるように複数のダイオードを直列接続してクランプ用ダイオードとして構成したものを用いてもよい。 The diodes 14 and 12 for determining the negative output sustaining voltage are connected and arranged between the constant voltage output line 39 and the gate of the power MOSFET 1 as shown in FIG. 3, and furthermore, as shown in FIG. When a series circuit of the diode 12 and the clamping diode 13 whose anodes are connected to each other between the gate and the gate is arranged, the value of the normal negative output sustaining voltage VSUS is kept constant by the clamping diode 14, and In addition, even if an overvoltage is applied between the power supply terminal 31 and the output terminal 33 by the clamping diode 13, the power MOSFET 1 can be protected from being destroyed. Incidentally, the withstand voltage of each of the clamping diodes 13 and 14 may have a desired value. For example, if the voltage of the constant voltage output line 39 5V, the voltage of the battery 41 12V, -35 V negative output sustain voltage V SUS, the breakdown voltage of the power MOSFET1 about 70 V, the breakdown voltage of the clamping diode 14 is 37.4V In addition, the withstand voltage of the clamping diode 13 may be set to 65V. Further, as the clamping diodes 13 and 14, a plurality of diodes may be connected in series so as to obtain a desired required breakdown voltage and may be used as a clamping diode.

また、MOSFET4のソースは5Vの定電圧出力ライン39に接続されているので、MOSFET4の耐圧は、電源端子電圧が12Vの場合で、負出力電圧VSUSを−35Vを実現するのに、実施例1の場合と異なり40V程度の低い耐圧に設定すればよい。
尚、本実施例の半導体装置51の断面構造に関しては、実施例1と同様であるので説明を省略する。
Further, since the source of MOSFET4 is connected to a constant voltage output line 39 of 5V, breakdown voltage of MOSFET4 is, when the power source terminal voltage of 12V, for realizing a -35V negative output voltage V SUS, Example Unlike the case of 1, a low withstand voltage of about 40 V may be set.
Note that the cross-sectional structure of the semiconductor device 51 of this embodiment is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

図4は本発明に係る半導体装置の第3の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図である。尚、説明の便宜上、図4において実施例1の図1に示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例では入力信号処理回路35に更に追加の1出力を設け、この追加の1出力を入力とするインバータ22と、ゲートがインバータ22の出力に接続されると共にソースが電源端子31に接続されるPチャネルMOSFET25と、MOSFET3のゲート・ソース間の抵抗17の代わりにドレインがMOSFET3のゲートに接続されると共にソースがMOSFET3のソースに接続されたNチャネルMOSFET23と、このMOSFET23のゲート・ソース間に接続された抵抗24と、が設けられ、かつ、MOSFET25のドレインがMOSFET23のゲートに接続された構成となっている点が実施例1の構成と相違する。   FIG. 4 shows a third embodiment of the semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. For convenience of explanation, in FIG. 4, the same components as those of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. That is, in this embodiment, the input signal processing circuit 35 is further provided with one additional output, the inverter 22 having the additional one output as an input, the gate connected to the output of the inverter 22, and the source connected to the power supply terminal 31. A P-channel MOSFET 25 to be connected, an N-channel MOSFET 23 having a drain connected to the gate of the MOSFET 3 and a source connected to the source of the MOSFET 3 instead of the resistor 17 between the gate and the source of the MOSFET 3, and a gate / source of the MOSFET 23 The configuration differs from the configuration of the first embodiment in that a resistor 24 connected between them is provided, and the drain of the MOSFET 25 is connected to the gate of the MOSFET 23.

このように構成される本実施例の半導体装置52では、図1に示した抵抗17の代わりに設けたMOSFET23が次のように動作してMOSFET3を遮断する。入力端子32が高電位になると、入力信号処理回路35の追加の1出力がインバータ22を介して低電位となって、MOSFET25のゲートに印加される。このためMOSFET25がオンしてMOSFET23のゲートを駆動するので、MOSFET23がオンし、MOSFET3を遮断する。また、入力端子32が低電位になると、入力信号処理回路35とインバータ22を介してMOSFET25に印加されるゲート電圧は高電位となるため、MOSFET25がオフし、MOSFET23のゲートに蓄積された電荷は抵抗24を介して放電されるのでMOSFET23もオフする。一方、この時MOSFET4のゲートに印加される入力信号処理回路35の出力は低電位であるため、MOSFET4がオンしてMOSFET3のゲートを駆動するので、MOSFET3もオンする。その他の点に関しては、図1で示した実施例1と同じ構成および半導体構造であるため、同様の作用および効果があることは勿論である。   In the semiconductor device 52 of the present embodiment thus configured, the MOSFET 23 provided in place of the resistor 17 shown in FIG. When the input terminal 32 goes high, one additional output of the input signal processing circuit 35 goes low via the inverter 22 and is applied to the gate of the MOSFET 25. Therefore, the MOSFET 25 is turned on to drive the gate of the MOSFET 23, so that the MOSFET 23 is turned on and the MOSFET 3 is cut off. When the input terminal 32 has a low potential, the gate voltage applied to the MOSFET 25 via the input signal processing circuit 35 and the inverter 22 has a high potential, so that the MOSFET 25 is turned off, and the electric charge stored in the gate of the MOSFET 23 is Since the electric charge is discharged through the resistor 24, the MOSFET 23 is also turned off. On the other hand, at this time, since the output of the input signal processing circuit 35 applied to the gate of the MOSFET 4 is at a low potential, the MOSFET 4 is turned on to drive the gate of the MOSFET 3, so that the MOSFET 3 is also turned on. In other respects, the semiconductor device has the same configuration and semiconductor structure as those of the first embodiment shown in FIG.

図5は本発明に係る半導体装置の第4の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図である。尚、説明の便宜上、図4において実施例2の図3に示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例ではドレインが電源端子31に接続されると共にソースが逆流防止用のダイオード12のアノードに接続されたNチャネルMOSFET6と、カソード同士が接続されたダイオード14,15と、カソードが電源端子31に接続されると共にアノードがダイオード15のアノードに接続されたダイオード13と、カソードがダイオード13のアノードに接続されると共にアノードが電圧レギュレータ20の定電圧出力ライン39に接続されたダイオード16と、MOSFET6のゲート・ソース間に接続された抵抗18と、を設け、クランプ用ダイオード14のアノードがMOSFET6のゲートに接続配置されている点が実施例3の構成と相違する。   FIG. 5 shows a fourth embodiment of the semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. For convenience of explanation, the same reference numerals in FIG. 4 denote the same components as those in the second embodiment shown in FIG. 3, and a detailed description thereof will be omitted. That is, in this embodiment, the N-channel MOSFET 6 whose drain is connected to the power supply terminal 31 and whose source is connected to the anode of the diode 12 for preventing backflow, the diodes 14 and 15 whose cathodes are connected to each other, and the cathode is the power supply A diode 13 whose terminal is connected to the anode of the diode 15 and whose anode is connected to the anode of the diode 15; a diode 16 whose cathode is connected to the anode of the diode 13 and whose anode is connected to the constant voltage output line 39 of the voltage regulator 20; , A resistor 18 connected between the gate and the source of the MOSFET 6, and the anode of the clamping diode 14 is connected to the gate of the MOSFET 6.

このように構成した本実施例の半導体装置53では、MOSFET6によって負出力維持電圧VSUSを保つための電流が供給されるので、ダイオード13,14,15,16の素子サイズを小さくすることができる。なお、抵抗18は出力端子電圧VOUTが負出力維持電圧VSUS以上のときにMOSFET6をオフにする働きをする。 In the semiconductor device 53 of the present embodiment configured in this manner, since the current is supplied to keep the negative output sustaining voltage V SUS by MOSFET 6, it is possible to reduce the element size of the diodes 13, 14, 15, 16 . The resistor 18 serves to turn off the MOSFET6 when the output terminal voltage V OUT is above the negative output sustaining voltage V SUS.

本実施例での通常の負出力維持電圧VSUSは、クランプ用ダイオード14が降伏する電圧値により決まり、式(9)で表される。ただし、バッテリ41の電源電圧が高くなり過ぎ、パワーMOSFET1の耐圧よりも、電源端子31に印加される電源電圧VDDと負出力維持電圧VSUSとの差が大きくなった場合に、パワーMOSFET1を保護するために最大負出力維持電圧VSUSmaxを式(10)のように設定している。
その他の点に関しては、図3の実施例と同様の効果があることは勿論である。
The normal negative output sustaining voltage VSUS in the present embodiment is determined by the voltage value at which the clamping diode 14 breaks down, and is expressed by equation (9). However, when the power supply voltage of the battery 41 becomes too high and the difference between the power supply voltage VDD applied to the power supply terminal 31 and the negative output sustaining voltage VSUS becomes larger than the withstand voltage of the power MOSFET 1, the power MOSFET 1 is turned off. For protection, the maximum negative output sustaining voltage VSUSmax is set as in equation (10).
In other respects, it is needless to say that the same effect as in the embodiment of FIG. 3 is obtained.

Figure 2004173292
Figure 2004173292

図6は本発明に係る半導体装置の第5の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図である。尚、説明の便宜上、図6において実施例4の図5に示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例では図5における抵抗18の代わりにNチャネルMOSFET28を使用している点が相違する。このMOSFET28は、チャネル幅WがMOSFET6よりも小さく、そのドレイン及びゲートをMOSFETのゲートに接続すると共にソースをMOSFET6のソースに接続してMOSFET6とのカレントミラーを構成している。   FIG. 6 shows a fifth embodiment of the semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. For convenience of description, the same reference numerals in FIG. 6 denote the same constituent parts as those shown in FIG. 5 of the fourth embodiment, and a detailed description thereof will be omitted. That is, the present embodiment is different in that an N-channel MOSFET 28 is used instead of the resistor 18 in FIG. The MOSFET 28 has a channel width W smaller than that of the MOSFET 6, and has a drain and a gate connected to the gate of the MOSFET and a source connected to the source of the MOSFET 6, thereby forming a current mirror with the MOSFET 6.

このように構成した本実施例の半導体装置54では、ダイオード13,14,15,16に流れるブレークダウン電流が図5の構成よりも少なく、この少ないブレークダウン電流で所望の負出力維持電圧VSUSを得ることができる。従って、実施例4よりもダイオード13,14,15,16の素子サイズを更に小さくできるという利点がある。 In the semiconductor device 54 of the present embodiment configured in this manner, the diode less than structure breakdown current of Figure 5 flowing in 13,14,15,16, negative output sustain voltage desired at this small breakdown current V SUS Can be obtained. Therefore, there is an advantage that the element size of the diodes 13, 14, 15, 16 can be further reduced as compared with the fourth embodiment.

図7は本発明に係る半導体装置の第6の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図である。尚、説明の便宜上、図7において実施例4の図5に示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例ではソースをパワーMOSFET1のゲートに、ドレインをダイオード8のアノードに、ゲートを出力端子33にそれぞれ接続したPチャネルMOSFET5を新たに設けている点が実施例4と相違する。   FIG. 7 shows a sixth embodiment of the semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. For convenience of explanation, the same components as those shown in FIG. 7 of the fourth embodiment in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. That is, this embodiment is different from the fourth embodiment in that a P-channel MOSFET 5 having a source connected to the gate of the power MOSFET 1, a drain connected to the anode of the diode 8, and a gate connected to the output terminal 33 is newly provided.

このように構成した本実施例の半導体装置55では、パワーMOSFET1のゲート・ソース間電圧がMOSFET5のしきい電圧以下になると、MOSFET2によるパワーMOSFET1の遮断動作は終了するため、パワーMOSFET1のターンオフ特性がソフトになり雑音が小さくなるという効果がある。   In the semiconductor device 55 of the present embodiment configured as described above, when the voltage between the gate and the source of the power MOSFET 1 becomes equal to or lower than the threshold voltage of the MOSFET 5, the shut-off operation of the power MOSFET 1 by the MOSFET 2 is terminated. This has the effect of becoming soft and reducing noise.

尚、MOSFET2がパワーMOSFET1のゲート電荷を放電することによりパワーMOSFET1の遮断動作ができなくなる出力端子33の電圧VOUTの範囲は、本実施例の場合、実施例1で述べた式(1)の範囲ではなく、式(11)の範囲となる。但し、式(11)においてVon(5)はMOSFET5のオン電圧である。 In this embodiment, the range of the voltage V OUT at the output terminal 33 where the MOSFET 2 discharges the gate charge of the power MOSFET 1 and the power MOSFET 1 cannot perform the shut-off operation is defined by the equation (1) described in the first embodiment. It is not the range but the range of equation (11). However, V on (5 ) in equation (11) is the on-voltage of MOSFET5.

Figure 2004173292
また、本実施例の場合、出力端子33と電源端子31との間で短絡不良が発生すると、MOSFET5がオフするためMOSFET2に電流が流れなくなる。従って、MOSFET2が過電流かつ過電圧の状態になって素子破壊に至ることを防止できるという効果がある。
Figure 2004173292
In the case of this embodiment, when a short circuit occurs between the output terminal 33 and the power supply terminal 31, the MOSFET 5 is turned off, so that no current flows through the MOSFET 2. Therefore, there is an effect that it is possible to prevent the MOSFET 2 from being in an overcurrent and overvoltage state and causing element destruction.

図8は本発明に係る半導体装置の第7の実施例を示し、誘導性負荷を駆動する駆動回路の要部回路図である。尚、説明の便宜上、図8において実施例6の図7に示した構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例ではドレインがグランド端子30に、ソースが第1グランドライン34に、ゲートが電源端子31にそれぞれ接続されたオン抵抗の低い(例えば10Ω程度)MOSFET7を新たに設けている点が相違する。尚、図中に示したダイオード29は寄生ダイオードであり、第1グランドライン34と電源端子31との間に構造上必ず入る素子で、これまでの実施例1〜6の半導体装置においても存在するものである。この寄生ダイオード29は、図9において示したP型層103b,108bからなる第1グランド領域と、N型領域101,102a,104a,107aとの間で形成される。   FIG. 8 shows a seventh embodiment of the semiconductor device according to the present invention, and is a main part circuit diagram of a drive circuit for driving an inductive load. For convenience of explanation, in FIG. 8, the same components as those of the sixth embodiment shown in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. That is, in the present embodiment, a low on-resistance (for example, about 10Ω) MOSFET 7 having a drain connected to the ground terminal 30, a source connected to the first ground line 34, and a gate connected to the power supply terminal 31 is newly provided. Different. Note that the diode 29 shown in the figure is a parasitic diode, and is an element that is necessarily inserted structurally between the first ground line 34 and the power supply terminal 31, and is present in the semiconductor devices of the first to sixth embodiments. Things. This parasitic diode 29 is formed between the first ground region including the P-type layers 103b and 108b shown in FIG. 9 and the N-type regions 101, 102a, 104a and 107a.

このように構成された本実施例の半導体装置56は、バッテリ41が図8に示すように正常に接続されている場合にはMOSFET7がオン状態となるため、第1グランドライン34とグランド端子30は同電位となり、図7の実施例と同じ動作をする。これに対し、ユーザがバッテリ41を誤って逆接続した場合にはMOSFET7のゲートに負電圧が印加されることになるのでオフ状態となり、グランド端子30と第1グランドライン34との間が切り離されるので、グランド端子30から寄生ダイオード29を通って過電流が流れることはない。このため、バッテリ41の逆接続に起因する過電流による素子破壊を防止することができる。なお、バッテリ41が逆接続された場合には、出力端子33からパワーMOSFET1のドレイン・ボディ間に存在する寄生ダイオードを通って電源端子31に流れる電流も存在するが、この電流は誘導性負荷40に存在する寄生抵抗により抑えられるため、本実施例においては問題とならない。従って、本実施例の誘導性負荷を駆動する半導体装置56は、バッテリの逆接続保護を実現することができる。   In the semiconductor device 56 of the present embodiment configured as described above, when the battery 41 is normally connected as shown in FIG. 8, the MOSFET 7 is turned on, so that the first ground line 34 and the ground terminal 30 are connected. Have the same potential and operate in the same manner as the embodiment of FIG. On the other hand, when the user mistakenly connects the battery 41 in reverse, a negative voltage is applied to the gate of the MOSFET 7, so that the battery is turned off and the ground terminal 30 is disconnected from the first ground line 34. Therefore, no overcurrent flows from the ground terminal 30 through the parasitic diode 29. For this reason, element destruction due to overcurrent due to reverse connection of the battery 41 can be prevented. When the battery 41 is reversely connected, there is also a current flowing from the output terminal 33 to the power supply terminal 31 through a parasitic diode existing between the drain and the body of the power MOSFET 1. In this embodiment, there is no problem because the parasitic resistance is suppressed. Therefore, the semiconductor device 56 for driving the inductive load according to the present embodiment can realize reverse connection protection of the battery.

ここで、図8に示したバッテリの逆接続保護を行なうためのMOSFET7と、第1グランド34との半導体構造を、図10に断面構造図で示す。尚、その他の断面構造に関しては図9と同じであり、製造プロセス条件も同じである。図10に示すように、MOSFET7は図9におけるMOSFET2,3と同じ縦型MOSFETである。MOSFET7のソース113aとボディ111aとをアルミ電極114dを用いて、第1グランド領域となるP型層領域108bに接続し、MOSFET7のドレイン電極114eは図8の半導体装置56のグランド端子30に接続(不図示)し、MOSFET7のゲート電極となる多結晶シリコン層110aは図8の電源端子31またはこれと同極性の電圧ラインに接続(不図示)する。   Here, a semiconductor structure of the MOSFET 7 for performing reverse connection protection of the battery shown in FIG. 8 and the first ground 34 is shown in a sectional structural view in FIG. The other cross-sectional structures are the same as those in FIG. 9, and the manufacturing process conditions are also the same. As shown in FIG. 10, the MOSFET 7 is the same vertical MOSFET as the MOSFETs 2 and 3 in FIG. The source 113a and the body 111a of the MOSFET 7 are connected to the P-type layer region 108b serving as the first ground region using the aluminum electrode 114d, and the drain electrode 114e of the MOSFET 7 is connected to the ground terminal 30 of the semiconductor device 56 in FIG. The polycrystalline silicon layer 110a serving as the gate electrode of the MOSFET 7 is connected to the power supply terminal 31 in FIG. 8 or a voltage line having the same polarity as the power supply terminal 31 (not shown).

このように接続することにより、バッテリが正しい極性で半導体装置56に接続されている場合には、MOSFET7はオン状態となりグランド端子30の電位と第1グランド領域の電位とは等しい。これに対して、バッテリが逆接続された場合には、ゲートに負電圧が印加されるのでMOSFET7はオフ状態となり、グランド端子30と第1グランド領域とは切り離される。本実施例の場合、MOSFET7のドレイン・ソース間耐圧は70V以上であるため、バッテリの逆接続保護電圧も70V程度以上が得られる。   With this connection, when the battery is connected to the semiconductor device 56 with the correct polarity, the MOSFET 7 is turned on, and the potential of the ground terminal 30 is equal to the potential of the first ground region. On the other hand, when the battery is reversely connected, a negative voltage is applied to the gate, so that the MOSFET 7 is turned off, and the ground terminal 30 is disconnected from the first ground region. In the case of the present embodiment, since the drain-source breakdown voltage of the MOSFET 7 is 70 V or more, a reverse connection protection voltage of the battery of about 70 V or more can be obtained.

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は前記実施例に限定するものではなく、例えば前記実施例では、MOSFET2,3,7等は高耐圧が容易に達成できる縦型MOSFETを用いて説明したが、横型のMOSFETやバイポーラトランジスタ(この場合、ドレインはコレクタ、ゲートはベース、ソースはエミッタと置き換える)を用いても同様の効果が得られ、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは勿論である。   The preferred embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above-described embodiment, the MOSFETs 2, 3, 7 and the like can easily achieve a high breakdown voltage. However, a similar effect can be obtained by using a lateral MOSFET or a bipolar transistor (in this case, the drain is replaced with the collector, the gate is replaced with the base, and the source is replaced with the emitter), and a range not departing from the spirit of the present invention is obtained. Of course, various design changes can be made within the above.

本発明に係る半導体装置の第1の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。1 is an inductive load drive circuit diagram showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention. 図1に示した誘導性負荷駆動回路の入出力特性を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform chart showing input / output characteristics of the inductive load drive circuit shown in FIG. 1. 本発明に係る半導体装置の第2の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。FIG. 5 is an inductive load drive circuit diagram showing a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の第3の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。FIG. 9 is an inductive load drive circuit diagram showing a third embodiment of the semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の第4の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。FIG. 9 is an inductive load drive circuit diagram showing a fourth embodiment of the semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の第5の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。FIG. 13 is an inductive load drive circuit diagram showing a fifth embodiment of the semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の第6の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。FIG. 13 is an inductive load drive circuit diagram showing a sixth embodiment of the semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の第7の実施例を示す誘導性負荷駆動回路図である。FIG. 13 is an inductive load drive circuit diagram showing a seventh embodiment of the semiconductor device according to the present invention. 図1に示した半導体装置の要部断面構造図である。FIG. 2 is a cross-sectional structural view of a main part of the semiconductor device shown in FIG. 1. 図8に示した半導体装置の要部断面構造図である。FIG. 9 is a sectional structural view of a main part of the semiconductor device shown in FIG. 8. 従来の誘導性負荷駆動回路を示す要部回路図である。FIG. 9 is a main part circuit diagram showing a conventional inductive load drive circuit.

符号の説明Explanation of reference numerals

1…パワーMOSFET、
2,3,6,7,10,23,28…NチャネルMOSFET、
4,5,25…PチャネルMOSFET、
8,9,12,13,14,15,16,26,27…ダイオード、
17,18,24…抵抗、
19…昇圧回路、
20…レギュレータ、
29…寄生ダイオード、
21,22…インバ−タ、
30…グランド端子、
31…バッテリ電源端子、
32…入力端子、
33…出力端子、
34…制御回路のグランドライン(第1グランドライン)、
35…入力信号処理回路、
36…第2グランドライン
39…定電圧出力ライン、
40…誘導性負荷、
41…バッテリ、
101…高濃度N形シリコン基板、
102a,104a〜104e…N形埋込層、
103a,103b…P形エピタキシャル層、
105a〜105e…N形エピタキシャル層、
106…絶縁膜、
107a〜107d,113,113a…N型拡散層、
108a,108b,109,111,111a,112…P形拡散層、
115…低濃度P型拡散層、
110,110a…多結晶シリコン層、
114,114a…アルミ電極層、
114c,114d…アルミ電極層(第1グランド)。
1. Power MOSFET,
2, 3, 6, 7, 10, 23, 28 ... N-channel MOSFET,
4, 5, 25 ... P-channel MOSFET,
8, 9, 12, 13, 14, 15, 16, 26, 27 ... diodes,
17, 18, 24 ... resistance,
19 ... Booster circuit,
20 ... regulator,
29 ... parasitic diode,
21,22 ... inverter,
30 ... Ground terminal,
31 ... battery power terminal,
32 input terminal,
33 ... output terminal
34 ... ground line (first ground line) of control circuit
35 ... input signal processing circuit,
36: second ground line 39: constant voltage output line,
40 ... inductive load,
41 ... battery,
101: High-concentration N-type silicon substrate,
102a, 104a to 104e ... N-type buried layer,
103a, 103b ... P-type epitaxial layer,
105a to 105e: N-type epitaxial layer,
106 ... insulating film,
107a to 107d, 113, 113a... N-type diffusion layer,
108a, 108b, 109, 111, 111a, 112 ... P-type diffusion layer,
115 ... Low concentration P-type diffusion layer
110, 110a ... polycrystalline silicon layer,
114, 114a ... aluminum electrode layer,
114c, 114d: aluminum electrode layer (first ground).

Claims (3)

ドレインが電源端子に接続され、ソースが出力端子に接続されたパワーMOSFESTと、
前記パワーMOSFESTのゲートと制御回路用グランドとの間に配置されて入力端子の電圧に基づいて前記パワーパワーMOSFESTをオフする第1のMOSFESTと、
前記パワーMOSFESTのゲートと前記出力端子との間に配置されて前記入力端子の電圧に基づいて前記パワーMOSFESTをオフする第2のMOSFESTと、
前記パワーMOSFESTのゲートに接続されて前記入力端子の電圧に基づいて前記パワーMOSFESTをオンするゲート充電回路とを有し、
前記第1のMOSFESTと前記第2のMOSFESTの各々は、前記パワーMOSFESTのドレイン領域であるn型層で分離されたp型領域内に形成された半導体装置。
A power MOSFEST having a drain connected to the power supply terminal and a source connected to the output terminal;
A first MOSFEST disposed between a gate of the power MOSFEST and a control circuit ground to turn off the power power MOSFEST based on a voltage of an input terminal;
A second MOSFEST disposed between the gate of the power MOSFET and the output terminal to turn off the power MOSFET based on a voltage of the input terminal;
A gate charging circuit connected to a gate of the power MOSFEST to turn on the power MOSFEST based on a voltage of the input terminal;
A semiconductor device wherein each of the first MOSFEST and the second MOSFEST is formed in a p-type region separated by an n-type layer which is a drain region of the power MOSFEST.
請求項1において、
前記第2のMOSFESTが形成されるp型領域は、前記パワーMOSFESTのソースと接続されることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the p-type region in which the second MOSFEST is formed is connected to a source of the power MOSFEST.
第1導電型の同一半導体基板上に縦型パワーMOSFESTと該MOSFESTのゲートを制御する制御回路とを少なくとも有する半導体装置であって、
前記パワーMOSFESTの領域は、基板側から順に、第1導電型の第1半導体層と該第1半導体層よりも低濃度の、第1導電型の第2半導体層とを有すると共にパワーMOSFEST領域の周辺部に表面から前記第1半導体層まで達する前記第2半導体層より高濃度の第1導電型の第3半導体層を有し、
前記制御回路領域は、基板側から順に、第2導電型の第4半導体層と第1導電型の前記第2半導体層とを有すると共に、前記第2半導体層を島状に分離して複数の島状領域を構成するために、表面から第4半導体層に達する該第4半導体層より高濃度の第2導電型の第5半導体層を有する半導体装置において、
少なくとも1つの前記島状領域を他の島状領域とから分離するように、表面から前記半導体基板まで達する前記第2半導体層より高濃度の第1導電型の第6半導体層を設けたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having at least a vertical power MOSFEST and a control circuit for controlling a gate of the MOSFEST on a same semiconductor substrate of a first conductivity type,
The power MOSFEST region includes, in order from the substrate side, a first conductivity type first semiconductor layer and a first conductivity type second semiconductor layer having a lower concentration than the first semiconductor layer. A third conductive layer having a higher concentration than the second semiconductor layer reaching the first semiconductor layer from the surface to the first semiconductor layer in a peripheral portion;
The control circuit region includes, in order from the substrate side, a fourth semiconductor layer of the second conductivity type and the second semiconductor layer of the first conductivity type, and a plurality of the second semiconductor layers separated into islands. In a semiconductor device having a fifth semiconductor layer of a second conductivity type higher in concentration than the fourth semiconductor layer reaching the fourth semiconductor layer from the surface to form an island region,
A sixth semiconductor layer of a first conductivity type having a higher concentration than the second semiconductor layer reaching from the surface to the semiconductor substrate so as to separate at least one of the island regions from another island region. Characteristic semiconductor device.
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