JP2008533734A - 温度感知機能を有するmosfet - Google Patents
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Abstract
トランジスタ(1)は、FET(2)およびトランジスタ内に集積した温度を感知するダイオード(4)を有する。ゲート駆動回路(12)は、FET(2)のスイッチを切るように構成し、また、この場合バイアス回路(14)はダイオード(4)に一定電流を流すよう駆動する。ダイオード(4)に加わる電圧を、FETの温度測定を行う電圧センサ(15)により測定する。
Description
本発明は、電界効果トランジスタ(FET)に関し、とくに、温度感知機能を有するFETに関する。
電界効果トランジスタ(FET)、例えば金属酸化物半導体FET(MOSFET)は、デバイスまたは回路の損傷を保護する目的のために、温度変動を検出するための温度感知素子を組み込むことがある。
このような温度感知素子を、共通の基板上に組み込むことで、MOSFETの変動をより迅速に検出できるようになる。実際に、それらの素子を、MOSFETの中に組み込むことができる。例えば、特許文献1(米国特許出願公開第2003/0210507号)は、MOSトランジスタのゲートとして実装されたMOS回路構成用の温度センサについて記載しており、このトランジスタのゲートは、ゲート入力とゲート出力とを有する二端子網として構成し、ゲートに加わる電圧降下を測定することによって、その位置での温度を決定することができるよう、構成される。
さらに、熱的に結合した温度感知素子として半導体ダイオードを使用することは、従来技術において知られている。特許文献2(米国特許第5,100,829号)は、基板温度感知素子を組み込んだMOSFETデバイスについて記載している。(ゲート)誘電体領域上にPN接合を形成することによって、基板における温度変化に対する熱応答性を改善するとともに、基板からの電気的絶縁を行う。
米国特許出願公開第2003/0210507号明細書
米国特許第5100829号明細書
しかしながら、この種の付加的な温度感知端子は、MOSFETを既存の回路に組み込むことを困難にする。このようなMOSFETでは、付加的な回路を必要とする。
本発明の第1の態様は、トランジスタ回路が提供するものであり、このトランジスタ回路は、
ソース、ゲートおよびドレインを有する電界効果トランジスタ(FET)装置と、
このFETのゲートおよびソースの間に接続した温度感知用ダイオードであって、ダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、ダイオードの陽極をFETのソースに接続した該温度感知用ダイオードと、
FETがオフ状態のときに、FETのゲートに負のバイアスを印加するように構成したFET用のゲート駆動回路と、
ゲート駆動回路が負のバイアスを印加するときに、FETの温度を示すパラメータを測定するために各FETのゲートとソースとの間に接続したセンサと
を備えることを特徴とする。
ソース、ゲートおよびドレインを有する電界効果トランジスタ(FET)装置と、
このFETのゲートおよびソースの間に接続した温度感知用ダイオードであって、ダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、ダイオードの陽極をFETのソースに接続した該温度感知用ダイオードと、
FETがオフ状態のときに、FETのゲートに負のバイアスを印加するように構成したFET用のゲート駆動回路と、
ゲート駆動回路が負のバイアスを印加するときに、FETの温度を示すパラメータを測定するために各FETのゲートとソースとの間に接続したセンサと
を備えることを特徴とする。
ゲート駆動回路は、FETがオフ状態のときに、ダイオードを流れる順方向の電流を生成する定電流源を有するものとすることができる。したがって、センサは、FETのゲート−ソース電圧に依存する温度を測定し、これによりFETの温度を決定する電圧感知手段を有するものとする。
温度感知ダイオードは、活性領域を犠牲にする必然性を少なくするよう、各FET基板のゲート結合パッド領域内に配置することができる。
一つの実施形態において、トランジスタ回路は、それぞれのFETのゲートとソースとの間に接続した温度感知用ダイオードを備えた複数個のFETを有するものとすることができ、ダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、ダイオードの陽極をFETのソースに接続し、FETの温度を示すパラメータを測定するよう、センサを各FETのゲートとソースとの間に接続し、それぞれのFETがオフ状態のときに、ゲート駆動回路が、各FETに負のバイアスを印加するように構成する。
さらに、トランジスタ回路は、回路負荷を駆動するようFETを並列接続し、ゲート駆動回路がFETを代わる代わるスイッチオフさせるように構成することができる。このような方法で、個々のFETのゲート駆動を、『ストロボをたく』ようにすることができ、全てのFETの温度をモニタすることができるとともに、依然オン状態にある並列のデバイスを流れる総電流を維持する。
本発明は、装置自体にも関する。本発明の第2の態様によれば、トランジスタ装置を提供するものであり、このトランジスタ装置は、
ソース、ゲートおよびドレインを有する基板上の電界効果トランジスタ(FET)と、
基板の第1主表面上のゲート結合パッドと、
ゲート結合パッドの下方に配置し、前記FETの前記ゲートと前記ソースとの間に電気的に接続した、少なくとも1個の温度感知ダイオードであって、このダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、このダイオードの陽極をFETのソースに接続する向きにして接続した該温度感知ダイオードと
を備えたことを特徴とする。
ソース、ゲートおよびドレインを有する基板上の電界効果トランジスタ(FET)と、
基板の第1主表面上のゲート結合パッドと、
ゲート結合パッドの下方に配置し、前記FETの前記ゲートと前記ソースとの間に電気的に接続した、少なくとも1個の温度感知ダイオードであって、このダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、このダイオードの陽極をFETのソースに接続する向きにして接続した該温度感知ダイオードと
を備えたことを特徴とする。
ゲート結合パッドの下にダイオードを設けることによって、FETの活性領域はダイオードの存在にかかわらず、維持される。
このダイオードは、順方向にバイアスをかけたときは、温度感知能力を生ずる。FETがオフ状態のときに、FETのゲートピンに負のバイアスを印加することによって、FETのゲートとソースとの間に接続したセンサは、FETの温度を示すパラメータを測定することができる。
温度感知ダイオードは、ツェナーダイオードとすることができる。これは、また、潜在的に損傷を引き起こす恐れのあるESD電撃による電荷を、デリケートなFETデバイスから逸らす、静電放電(ESD)保護素子として作用させることもできる。
ゲート結合パッドは、MOSFETの一領域に位置し、その領域は、FETの活性領域に熱的に強く結合し、密接な熱的接触を有する。この構造の熱慣性が、速い反応を提供する。これを達成するための一つの方法は、FETに囲まれた第1主表面上の領域内にゲート結合パッドを設け、すべての面でFETに熱的に結合させることである。この領域は、また、FETが作動するときに最も熱くなる領域でもあり、その結果温度の感知は最も熱い領域で行い、それによって迅速に過熱を感知する能力を改善する。
このデバイスは、正確に3個の端子、すなわち、ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を有するハウジング内にパッケージ化することができる。この種のパッケージは、一般に電力回路に用いられており、したがって、既存または新規の設計にこのトランジスタ装置を実装するために付加的な設計を必要とを要しない。
温度感知を備えた従前のMOSFETデバイスは、標準のMOSFET端子に加えて、別のパッケージピンを必要とする。本発明は、3端子のみを有する温度感知能力を備えたMOSFETデバイスを提供し、それによって、コストを低減するものである。
本発明の第3の態様によれば、FETの温度をモニタする方法を提供するものであり、ゲートとソースとの間に接続した温度感知ダイオードを有し、ダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、ダイオードの陽極をFETのソースに接続したFETの温度をモニタする方法において、
a.FETをオフ状態にするようFETのゲートを制御するステップと、
b.FETがオフのときに、FETのゲートに負のバイアスを印加するステップと、
c.負のバイアスが印加された状態で、FETの温度を示すパラメータの値を決定するステップと、
d.そのFETを再びオン状態にするために、オフ状態のFETのゲートを制御するステップと
を有することを特徴とする。
a.FETをオフ状態にするようFETのゲートを制御するステップと、
b.FETがオフのときに、FETのゲートに負のバイアスを印加するステップと、
c.負のバイアスが印加された状態で、FETの温度を示すパラメータの値を決定するステップと、
d.そのFETを再びオン状態にするために、オフ状態のFETのゲートを制御するステップと
を有することを特徴とする。
この方法は、さらに、FETの温度が所定目標値を上回るか決定し、所定目標値以上である場合には、その温度が所定目標値に低下するまで、FETをスイッチオフ状態に維持するようにFETのゲートを制御するステップを有するものとすることができる。
一実施形態において、複数個のFETを並列接続にし、FETのゲートをFETが代わる代わるスイッチオフするように制御する。さらに、全体の電流の流れを維持しつつ、不均衡に熱くなったデバイスを、「休ませる」ことができる。
現在、並列接続したMOSFET間の変動を許容するためには、最悪の条件を許容するための余分の処理能力を含まなければならず、それは、追加のコストと空間を意味する。能動的な熱バランスを実現するため、統合型の温度感知性能を使用することによって、コストを削減することが可能になる。この種の能動的な散逸により、過熱の恒常的なリスクのある活性領域における省力化を可能にし、また、定常的な活性領域における過熱のリスクを低減できる。
本発明をより良く理解するために、以下に添付図面を参照して、単なる例示としての実施例を説明する。
図1〜3につき説明すると、温度感知手段を有するトランジスタ装置1を図1に線図的に示す。図2および3は、半導体基板の側面図および頂面図を示す。
電界効果トランジスタ(FET)2のトランジスタ領域を、半導体基板3上に設け、この電解効果トランジスタ領域2は、既知のようにソース、ゲートおよびドレイン領域を画定する。任意の適切なトランジスタのFET構造も使用することができ、この構造には、垂直構造および水平構造もある。
ツェナーダイオード4を、FET2のゲートとソースとの間に電気的に接続し、図1に示すように、ダイオード陰極をFET2のゲートに接続し、ダイオード陽極はFET2のソースに接続する。
単独のダイオード4を示しているが、代わりに全て同一方向に指向させて直列接続した複数個のダイオードを使用することもできる。
空間的構造を、図2および3に示し、基板3の第1主表面7上に設けたゲート結合パッド5を、結合線9とともに示す。活性領域を犠牲にする必然性を少なくするために、温度を感知するツェナーダイオード4を、FET2のゲート結合パッド5の下方に配置する。ダイオード4を、ポリシリコン内に形成し、従来の半導体加工技術によってFET2から絶縁することができる。ダイオード4を、ゲートとソースとの間に接続するため、ゲート結合パッド5の下方位置は、陰極をゲートに好都合に接続することを可能にし、ソース金属層は陽極をソースに接続させることができる。
図3に示すように、良好な熱結合のために、ゲート結合パッドを、FETトランジスタ領域2に囲まれる第1主表面上の領域に配置する。このように、ツェナーダイオード4の領域は、ゲート結合パッド5の下方に位置し、概してFET領域と密接な熱的接触を生ずる。ダイオード構造もまた、好ましくは、低い熱慣性を有するものとする。ゲート結合パッドを基板3の中心に配置することは、重要でない点に注意されたい。図3は、他の接点も示し、例えば、EFTトランジスタ領域のソースのための接点を示す。
ツェナーダイオード4は順方向にバイアスをかけたときは、温度感知機能を有する。FET2がオフ状態のとき、ツェナーダイオード4を通して順方向に一定電流を流すことによって、FETのゲートとソースとの間を接続するFETセンサの温度を示すパラメータを測定することができる。
さらに、潜在的に損害を与えるおそれのあるESD衝撃の電荷をFET2の損傷を受けやすい領域から逸らす経路を設けることによって、ツェナーダイオード4を、静電放電(ESD)保護素子として作用させることができる。
トランジスタ装置1は、ハウジング11(図1に線図的に示す)内にパッケージ化し、このハウジング11は、ちょうど3個の端子、すなわちゲート端子6、ソース端子8およびドレイン端子10を有する。そのような3ピンパッケージは一般に使用されているので、既存または新設計のトランジスタ装置に実装する付加的作業を必要としない。このことは、とくに高電流MOSFETにとって有利であり、これはすなわち、この技術が高電流パッケージにも適用できるからである。
図4に、本発明による回路の実施例における回路図を示す。
この回路は、コントローラ15とトランジスタ装置1のゲート端子6との間に接続したゲート駆動回路12、およびゲート端子6とトランジスタ・デバイス1のソース端子8との間に接続したバイアス回路14を有する。この場合、この回路は、ゲート端子6に接続した電圧センサ21を設けて仕上げる。
この回路は、負荷を駆動するためにローサイド(低電位側)構成またはハイサイド(高電位側)構成とすることができ、それによって、ソース端子8を接地する構成または非接地の構成とすることができる。この実施例において、ソース端子8は接地電位であり、また、回路は低電位側駆動構成として動作する。
このトランジスタ装置1を、図1に示すものとし、すなわちFET2がゲート6とソース8との間に接続したツェナーダイオード4を有し、このダイオードの陰極を、FET2のゲート6に接続し、また、このダイオードの陽極を、FET2のソース8に接続する。
ゲート駆動回路12は、配線ライン17によりコントローラ15からのゲート駆動信号を受信するように接続し、抵抗22を介してゲート端子6に直列接続した、並列化ダイオード網16,18,20を有する。この並列化ダイオード網における一方の分岐ラインは、同一方向(すなわち、陽極から陰極方向)に指向する2個のダイオード16,18を有し、抵抗22を通じてゲート端子6の方向に電流が流れるようにする。他方の分岐ラインにおけるダイオード20は、一方の分岐ラインにおけるダイオード16,18とは逆向きにする。
バイアス回路14は、定電流源24および定電圧電源26を有し、FETゲートに負のバイアスを印加し、温度感知をするツェナーダイオードを通して順方向の電流を流すように構成している。この回路は、FET2がオフ状態のときに動作することを意図している。
バイアス回路14およびゲート駆動回路12は、コントローラ15によって制御でき、このコントローラ15は内部に電圧センサ21が組み込む。代案として、バイアス回路14を、定常的に作動させる構成にすることができるが、この場合、ゲート駆動回路には、温度感知に使用される小電流を圧倒的に上回る優勢的な電流が流れるように構成する。
所定電流における半導体ダイオードの順方向電圧は、その温度に依存する。この場合、FET2がオフ状態のときに、ゲート‐ソース間の電圧は、ゲート‐ソース・ダイオードの順方向電圧であり、このとき電流24がこのダイオードを流れる。この電圧は、温度に依存する。したがって、ゲート端子6の電圧を感知することによって、センサ21は、FETの温度を示すパラメータを測定することができる。
使用にあたり、FET2は、ゲート駆動回路12を介して、コントローラを使用し続ける。ときおり、コントローラからのゲート駆動、また、ひいてはFET2を、スイッチオフ状態にする。バイアス回路14は、オン状態にし、ダイオード4に一定電流を供給する。ダイオードに加わる電圧を電圧センサ21により検出し、この電圧センサ21はFETの温度を測定する手段をなす。
温度を測定した後に、判断を下すことができ、適当であるならば、コントローラ15からのゲート駆動を回復させ、通常運転を再開する。
本発明による回路の他の実施例を、図5に示す。このトランジスタ回路は、2個のトランジスタ装置1,30を有し、各トランジスタ装置は、それぞれのゲート6,36とソース8,38との間に接続した温度感知ダイオード4,34を有し、そのダイオードの陰極をFETのゲートに接続し、そのダイオードの陽極をFETのソースに接続する。トランジスタ装置1,30は、回路負荷40を駆動するように並列に配置し、各FET2,32の温度を示すパラメータを測定するために、センサ21を、各トランジスタ装置1,30のゲート端子6,36に接続する。
回路負荷40を駆動させるために必要とする構成に基づいて、ソース端子8,38を、接地または非接地とすることができる。図示の実施例においては、ソース端子8,38を接地し、FETは負荷40を駆動するため低電位側回路として動作する。
各トランジスタ装置1,30のバイアス回路14aおよび14bは、それぞれ図2の構成と同一とする。同様に、駆動回路12aおよび12bは、それぞれライン17a,17bによりコントローラ15からの対応する第1および第2のゲート駆動波形42,44を受信するように接続し、図4のゲート駆動回路12と同一構成を有するものとする。したがって、駆動回路12a,12bおよびバイアス回路14a,14bは、図面において詳細には示さない。
図6は、第1トランジスタ用のライン17a上における第1のゲート駆動波形42および第2トランジスタ用のライン17b上における第2のゲート駆動波形44を、時間の関数として示す。図5のゲート駆動回路12a,12bの出力が、FET2,32を交互にスイッチオフすることがわかる。FETがオフ状態のときは、その温度を、それぞれに対応するセンサ21(図5)により測定することができる。
FET2,32を交互にスイッチオフするようにゲート駆動回路を構成することによって、負荷を通して流れる全体の電流を維持するとともに、FET2,32の温度をモニタすることができる。
さらに、FET2,32、のいずれかの温度が、所定目標値を上回る場合は、それぞれのFET2,32のゲート端子6,36は、その温度が所定目標値に低下するまで、FET2,32をスイッチオフ状態に維持するよう制御する。このように、不釣合いに熱くなったデバイスを「休ませる」ことができ、その間は、他方のデバイスを使用することによって、回路内の総電流を維持する。
図5では、2個のFETのみを並列に示しているが、本発明は並列に動作するより多くのFETを並列動作させるのにも適用することができる。
本発明は上述の実施例に限定するものではなく、当業者は本発明の教示内容を維持しつつ、多くの変更例を設計することができる。
図5の実施例は、回路が低電位側装置として動作するように接続された負荷を有する。しかしながら、当業者は、この回路は高電位側駆動構成で負荷を駆動することもまた同様に適用可能であることを認識できるだろう。
本明細書における開示を読むことによって、当業者にとっては、他の改変や変更も明らかであろう。この種の改変および変更としては、すでに当業界で既知の、等価なまたは他の特徴があり、本願明細書で記載した特徴に代えて、あるいは、付加して、使用することができる。
添付の特許請求の範囲は、特徴の特定の組み合わせとして記載されているが、本発明の開示の範囲は、本明細書において明示的に、あるいは、暗示的に開示したいかなる新規の特徴あるいは特徴の新規な組み合わせや、そこから一般化したいかなるものもまた含むことを理解されたい。これは、いかなる請求項に記載したものと同じ発明と関連するか否かに関わらず、また、本発明が解決しようとするのと同じ技術的課題のいくつかあるいは全てを軽減するか否かに関わらない。
別々の実施例の文脈において記載された特徴は、ひとつの実施例の中で組み合わせて提供されるかもしれない。反対に、説明を分かり易くするために、単一の実施例の文脈において記載した種々の特徴は、また、別々に、あるいは、任意の適切な副次的な組み合わせにより提供することもできる。本出願人は、本出願または本出願から派生した別の出願の審査中において、そのような特徴および/またはそのような特徴の組み合わせに対して、新しい請求項を策定し得ることをここに告知する。
Claims (11)
- トランジスタ装置において、
ソース、ゲートおよびドレインを有する基板上の電界効果トランジスタ(FET)と、
前記基板の第1主表面上のゲート結合パッドと、
前記ゲート結合パッドの下方に配置し、前記FETの前記ゲートと前記ソースとの間に電気的に接続した、少なくとも1個の温度感知ダイオードであって、前記ダイオードの陰極を前記FETの前記ゲートに接続し、前記ダイオードの陽極を前記FETの前記ソースに接続する向きにして接続した該温度感知ダイオードと
を備えたことを特徴とするトランジスタ装置。 - 前記温度感知ダイオードを、ツェナーダイオードとしたことを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ装置。
- 前記ゲート結合パッドを、前記FETに囲まれた前記第1主表面の領域内に配置したことを特徴とする請求項1または2に記載のトランジスタ装置。
- ソース、ゲートおよびドレインを有する電界効果トランジスタ(FET)、ならびに、このFETの前記ゲートとソースとの間に接続する温度感知ダイオードであって、このダイオードの陰極を前記FETの前記ゲートに接続し、前記ダイオードの陽極を前記FETのソースに接続した該温度感知ダイオードを有するトランジスタ装置と、
前記FETがオフ状態のときに、前記FETのゲートに負のバイアスを印加するように構成したバイアス回路と、
前記FETの前記ゲートとソースとの間に接続して、前記FETの前記温度を示すパラメータを測定するセンサと
を備えたことを特徴とするトランジスタ回路。 - 定電流源を有するゲート駆動回路を設け、前記センサを電圧センサとしたことを特徴とする請求項4に記載のトランジスタ回路。
- 前記温度感知ダイオードを、前記FETの前記ゲート結合パッドの下方に配置したことを特徴とする請求項4または5に記載のトランジスタ回路。
- それぞれのFETの前記ゲートとソースとの間に接続した温度感知ダイオードを有する複数個のデバイスであって、前記ダイオードの陰極を前記FETのゲートに接続し、前記ダイオードの陽極を前記FETのソースに接続した、該複数個のデバイスと、
前記FETの前記温度を表すパラメータを測定するように、各FETの前記ゲートに接続したセンサと
を備え、
前記それぞれのFETがオフ状態のときに、各FETのゲートに負のバイアスを印加するように前記バイアス回路を構成した
ことを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載のトランジスタ回路。 - 前記FETを並列接続にして回路負荷を駆動するよう構成し、ゲート駆動回路を、前記FETが代わる代わるスイッチオフするように構成したことを特徴とする請求項7に記載のトランジスタ回路。
- ゲートとソースとの間に接続した温度感知ダイオードを有し、前記ダイオードの陰極を前記FETの前記ゲートに接続し、前記ダイオードの陽極を前記FETの前記ソースに接続したFETの温度をモニタする方法において、
a.前記FETをオフ状態にするよう前記FETの前記ゲートを制御するステップと、
b.前記FETがオフ状態のときに、前記FETのゲートに負のバイアスを印加するステップと、
c.前記FETの前記温度を示すパラメータの値を決定するステップと、
d.前記FETを再びオン状態にするために、前記オフ状態のFETの前記ゲートを制御するステップと
を有することを特徴とする方法。 - 請求項9に記載の方法において、さらに、
e.パラメータの値から、前記FETの温度が、所定目標値を上回るかを決定し、前記FETが前記所定目標値に低下するまで前記FETのスイッチオフ状態を維持するように、前記オフ状態のFETの前記ゲートを制御するステップ
を有することを特徴とする方法。 - 複数個のFETは、並列接続にして、ソースおよびドレインの間に接続した回路負荷を駆動する構成とし、各FETは前記ゲートおよびソースの間に接続した温度感知ダイオードを有し、前記ダイオードの陰極を前記FETの前記ゲートに接続し、前記ダイオードの陽極を前記FETの前記ソースに接続する構成とした請求項9または10に記載の方法において、
a1.前記FETを代わる代わるスイッチオフするように前記FETのゲートを制御するステップを有する方法。
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