JP2013197929A - 半導体装置、およびそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な線形性を有し、かつ電力損失の少ない双方向アナログスイッチの半導体装置を提供する。また、検出精度の高い超音波診断装置を提供する。
【解決手段】双方向にオンまたはオフ可能なスイッチ回路と、前記スイッチ回路の半導体回路を内臓した双方向アナログスイッチの半導体装置であって、前記駆動回路は第一および第二の電源に接続され、前記第一の電源電圧は、前記スイッチ回路の入出力端子に印加される信号の最大電圧以上であり、前記第二の電源電圧は、前記スイッチ回路の入出力端子に印加される信号の最小電圧以下であり、さらに前記駆動回路は前記第一の電源と前記スイッチ回路との間に、直列に接続されたゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴとＰ型ＭＯＳＦＥＴを備えている、また、超音波診断装置であって、前記半導体装置を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高耐圧用の双方向アナログスイッチで構成する半導体装置、およびそれを用いた超音波診断装置に関する。

高耐圧用の双方向アナログスイッチ（適宣、スイッチと略す）は、例えば超音波診断装置の分野において、プローブに設けられた複数の振動子に信号を振り分ける為に使用される。双方向アナログスイッチを超音波診断装置の信号切り替え手段として使用する場合、双方向アナログスイッチには、診断画像の画質に影響する信号歪みを制御するため、動作範囲内での高い線形性が要求される。

なお、双方向アナログスイッチの線形性を向上する手段として、特許文献１の技術がある。

特表２００４−５３１９２９号公報

しかしながら、従来の双方向アナログスイッチは必ずしも十分な線形性が確保されていなかった。また、特許文献１に示される回路構成では、オン（ＯＮ）状態においてもオフ（ＯＦＦ）状態においても制御信号の系統に電流が流れ続ける経路があり、電力損失が大きいという課題があった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、その目的とするところは、良好な線形性を有し、かつ電力損失の少ない双方向アナログスイッチの半導体装置を提供することである。

又、前記半導体装置を用いた検出精度の高い超音波診断装置を提供することである。

前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように本発明の装置を構成した。

すなわち、双方向にオンまたはオフ可能なスイッチ回路と、前記スイッチ回路の駆動回路を内蔵した半導体装置であって、前記駆動回路は第一および第二の電源に接続され、前記第一の電源電圧は、前記スイッチ回路の入出力端子に印加される信号の最大電圧値以上であり、前記第二の電源電圧は、前記スイッチ回路の入出力端子に印加される信号の最小電圧値以下であり、さらに前記駆動回路は前記第一の電源と前記スイッチ回路との間に、ゲート端子をドレイン端子に接続したＭＯＳＦＥＴとＰ型ＭＯＳＦＥＴを直列に接続していることを特徴とする。

また、前記半導体装置を、振動子への超音波信号の送波切換スイッチに、もしくは超音波の送波パルス発生器と受信増幅器の分離スイッチに、もしくはプローブの切換スイッチに用いたことを特徴とする。

本発明によれば、前記スイッチ回路を制御する信号電圧がスイッチ回路の入出力端子に入力する信号より高い電圧を確保するので、双方向アナログスイッチとしての線形性を確保し、かつ電力損失が少ない双方向アナログスイッチの半導体装置が実現できる。

また、線形性の優れた電力損失の少ない特性の双方向アナログスイッチを有するので、検出精度の高い超音波診断装置とできる。

半導体装置の構成を示す回路図。 入力信号振幅とスイッチ回路インピーダンスの関係を示す図。 半導体装置の代案構成を示す回路図。 超音波診断装置の機能構成を示すブロック図。 図４のスイッチ回路群団の詳細構成を示す図。

以下、本発明の詳細について図面を用いながら説明する。

高耐圧用の双方向アナログスイッチで構成する半導体装置について図１で説明する。この図１において、半導体装置は、双方向アナログスイッチ全体回路４により構成されている。

双方向アナログスイッチ全体回路４は、駆動回路１、スイッチ回路２、レベルシフト制御回路３により構成されている。また、双方向アナログスイッチ全体回路４には、高圧正電源（ＶＰＰ、以下第一の電源という）５、高圧負電源（ＶＮＮ、以下第二の電源という）６、およびスイッチ制御信号入力端子７が接続され、スイッチ回路２における双方向アナログスイッチへの入出力端子８、９が備えられている。

なお、半導体装置の具体的な適用事例として超音波診断装置を考えた場合に、入出力端子８には、パルス電源５１０と電圧検出器５２０が備えられ、入出力端子９には、超音波探触子５０が設置される。スイッチ回路２がオンしている状態でパルス電源５１０からパルス信号を印加することで、超音波探触子５０を駆動して被検体に超音波探傷信号を注入する。また被検体からの反射信号が超音波探触子５０に受信され生起した電圧信号を電圧検出器５２０で計測する。

以下、半導体装置を構成する各部回路の詳細構成とその動作について順次説明する。まず、スイッチ回路２は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１６と、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７とを備えて構成されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６とＮ型ＭＯＳＦＥＴ１７のソース端子とゲート端子がそれぞれお互いに接続されている。なお、ＭＯＳＦＥＴにおいて、ソースとドレインの関係は、電流が流れる方向によって変化するが、図１におけるＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７においては、バルクと同電位とした端子をソース端子（ソース）、またバルクに接続していない端子をドレイン端子（ドレイン）と呼ぶことにする。

Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６のドレイン端子は、スイッチ回路２としての入出力端子８であり、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１７のドレイン端子は、スイッチ回路２としての入出力端子９である。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の互いに接続されているゲート端子（ゲート）は、駆動回路１の第１出力ライン１４に接続されている。また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の互いに接続されているソース端子は、駆動回路１の第２出力ライン１５に接続されている。

次に駆動回路１について説明する。駆動回路１の第１出力ライン１４と第２出力ライン１５は、もとを辿ればスイッチ制御信号Ｓにより制御される。つまり、スイッチ制御信号Ｓが変化することによって、レベルシフト制御回路３が動作する。そして、レベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８と第２レベルシフト制御回路出力１９による制御信号のもとに駆動回路１が動作し、スイッチ回路２の状態をオン（ＯＮ、導通、低インピーダンス）またはオフ（ＯＦＦ、遮断、高インピーダンス）とする。これにより駆動回路１の第１出力ライン１４と第２出力ライン１５に加えられた信号を、対をなすほかの一方の入出力端子（例えば入出力端子９）に伝播（伝達）または遮断する。

ここで駆動回路１の出力信号に相当する第１出力ライン１４、第２出力ライン１５と表記して、出力信号と表記しないのは、第１出力ライン１４、第２出力ライン１５のそれぞれの電位が、駆動回路１のＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２の駆動する出力、あるいはＮ型ＭＯＳＦＥＴ１３の駆動する出力とは別の要因で、定まることがあるためである。

なお、駆動回路１、レベルシフト制御回路３の詳しい構成と動作については後述する。また、スイッチ回路２のさらに詳しい動作と特性についても後述する。

最初に駆動回路について説明する。駆動回路１は、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２、１３を備えて構成されている。駆動回路１の電源となる高圧正電源（ＶＰＰ）５が、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０のソース端子に接続されている。またゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０のドレイン端子はＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１のソース端子に接続されている。

駆動回路１のもう一方の電源となる高圧負電源（ＶＮＮ）６は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２とＮ型ＭＯＳＦＥＴ１３のそれぞれのソース端子に接続されている。

Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１のドレイン端子とＮ型ＭＯＳＦＥＴ１２のドレイン端子は互いに接続され、かつ駆動回路１の第１の出力ライン１４として信号を出力している。また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３のドレイン端子は駆動回路１の第２出力ライン１５として信号を出力している。

また、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１のゲート端子はレベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８に接続されている。また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１３のゲート端子とＮ型ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート端子は、共にレベルシフト制御回路３の第２レベルシフト制御回路出力端子１９に接続されている。

以上の駆動回路１の構成において、本発明の特徴はゲート端子をドレイン端子に接続したＭＯＳＦＥＴ１０を使用したことである。後述するようにゲート端子をドレイン端子に接続したＭＯＳＦＥＴ１０は、Ｐ型、Ｎ型のいずれであってもよい。また、この設置位置は、高圧正電源（ＶＰＰ）５からＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１を経由して第１の出力ライン１４に至る経路上に設ければよい。図１では、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０を高圧正電源（ＶＰＰ）５とＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１の間に設置した例を示している。

つぎに、レベルシフト制御回路３について説明する。レベルシフト制御回路３は、スイッチ制御信号Ｓ（概ね０Ｖ−５Ｖの制御信号）で、高圧正電源（ＶＰＰ）５と高圧負電源（ＶＮＮ）６で動作する駆動回路１を駆動できるように信号を電圧変換し、設定する回路である。因みに高圧正電源（ＶＰＰ）５と高圧負電源（ＶＮＮ）は、例えばプラス１００ボルト、マイナス１００ボルトである。

つまり、０Ｖ−５Ｖのスイッチ制御信号Ｓを、レベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８と第２レベルシフト制御回路出力端子１９において、概ねＶＰＰまたはＶＮＮ（ＶＰＰ−ＶＮＮ間電圧は概ね２００Ｖ）の信号制御にレベルシフト（電位変換）する。したがって、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１とＮ型ＭＯＳＦＥＴ１２のゲートは、概ねＶＰＰ、ＶＮＮの電位で制御される。

なお、レベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８と第２レベルシフト制御出力端子１９とを高圧負電源６レベルに設定するタイミングは、同時でも時間差があってもよい。

以上のように構成された双方向アナログスイッチ全体回路４の動作について説明する。

スイッチ制御信号Ｓによって、レベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８と第２レベルシフト制御回路出力端子１９とを高圧負電源（ＶＮＮ）６の電位レベルとすると、駆動回路のＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１がオン、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２、１３がオフとなる。それによって、高圧正電源ＶＰＰ）５からゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１を経由して電流が流れ、スイッチ回路２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート容量が充電されて、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位が概ねＶＰＰとなることで、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６，１７は共にオンする。したがって、スイッチ回路２はオンとなる。

スイッチ回路２がオンの状態で、被検体の超音波探傷を目的としてパルス電源５１０からパルス信号が印加される。このようにして入出力端子８に正電圧信号が印加される場合、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のソース端子に接続された第２の出力ライン１５の電圧は、入出力端子８に追随する。これはＮ型ＭＯＳＦＥＴ１３がオフであり、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６がオンしているからである。

ところで、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート・ソース間電圧は、第１出力ライン１４、第２出力ライン１５の差電圧である。そして初期の第１出力ライン１４すなわちＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート端子は、駆動回路１を介して高圧正電源（ＶＰＰ）５の電位レベルにある。

この状態において、パルス電源５１０からパルス信号が印加され、入出力端子８に正電圧信号が印加される。この場合に、印加される正電圧信号の電位レベル（電圧）が上昇するに従い、第２出力ライン１５の電圧も上昇し、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート・ソース間電圧は減少していく。

本発明においては、このＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート・ソース間電圧減少以後の動作の改善を図る。そのために本発明では、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を設けている。以後の説明においては、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０の役割を解りやすく説明するために、駆動回路１にＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がない場合を想定し、比較することにする。

まずＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０が存在しないと、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１が直接、高圧正電源（ＶＰＰ）５に接続される。この場合、入出力端子８に印加される正電圧信号と高圧正電源（ＶＰＰ）５の差電圧が減少してＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の閾値電圧に近づくにつれ、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のインピーダンスは初期より大きくなる。さらに閾値電圧もしくはそれ以下となると、インピーダンスは急激に増大する。

この理由は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のオンとオフの境界は概略（第一近似として）としてゲート電位からソース電位と閾値電圧を引いた値であり、またＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のインピーダンスは、ゲート電位からソース電位と閾値電圧を引いた値に概略（第一近似として）、反比例するからである。

したがって、入出力端子８に印加される正電圧信号を入出力端子９に伝達（伝播）する場合は、入出力端子８、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のソース電位（第２出力ライン１５）、入出力端子９は共に、概ね入出力端子８に印加される正電圧信号と同電位となる。
つまり、入出力端子８はＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のソース（ソース端子）ではないが、入出力端子８に印加される正電圧信号を伝達する場合には、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のソース（ソース端子）の電位も入出力端子８に印加される正電圧信号と概ね同電位になる必要がある。

したがって、入出力端子８に印加される正電圧信号が高くなり、正電圧信号の電位と高圧正電源（ＶＰＰ）５との差電圧がＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の閾値電圧に近づくにつれ、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のインピーダンスは増大し、入出力端子９より出力される信号の線形性、つまり双方向アナログスイッチとしてのスイッチ回路２の線形性は劣化する。

然るに、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がある場合には、入出力端子９より出力される信号の線形性、つまり双方向アナログスイッチとしてのスイッチ回路２の線形性を高くすることができる。図１回路でこの効果が達成できることについて説明する。

入出力端子８に印加される正電圧信号の電位レベルが上昇すると、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７においてはゲート・ソース間、およびゲート・ドレイン間に寄生の静電容量（不図示）があるので、入出力端子８に印加される正電圧信号の電位レベルが上昇した分に比例した電位が前記寄生の静電容量のためにＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位を押し上げる。

このとき、前記したゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がない場合には、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位は第１出力ライン１４を通して高圧正電源の電位ＶＰＰによって低インピーダンスで固定され、前記寄生容量（不図示）のためにＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位を押し上げる電圧増分が寄与しない。

しかし、図１に示すように、本実施形態におけるゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を接続した回路構成の場合には、高圧正電源の電位ＶＰＰがＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲートに直接には印加されないので、前記寄生の静電容量（不図示）のためにＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位が押し上げられて、ＶＰＰを超えた電位となることができる。

この電位は、最大で高圧正電源（ＶＰＰ）５の電圧とゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧（ＶＴＨ）の和まで上昇する。したがって、入力端子８に印加される正電圧信号の電位レベルが上昇し、入出力端子８に印加される正電圧信号と高圧正電源５の差電圧が、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の閾値電圧以下となった場合でも、第１出力ライン１４、すなわちＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート端子の電位は、前記した理由から最大で高圧正電源（ＶＰＰ）５の電圧と閾値電圧（ＶＴＨ）の和まで上昇する。このため、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を接続しない回路と比較し、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を接続した回路においては、インピーダンスの急上昇が避けられ、スイッチ回路２が線形性を維持できる入力信号範囲が広くなる。

なお、前記した電位の上昇が最大で高圧正電源（ＶＰＰ）５の電圧とゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧（ＶＴＨ）の和までである理由は、それ以上の電圧になるとゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がオン状態となり急激に電流が流れるからである。

また、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を順方向で使用する場合には、ダイオードとしての順方向電圧降下があるが、この順方向電圧降下は閾値（ＶＴＨ）や高圧正電源の電位ＶＰＰより十分小さく設定することが一般的であるので、順方向電圧降下については無視できるものとする。

前記した理由により、例えば、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧が、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の閾値電圧と同一である場合、入力端子８に印加される正電圧信号は、高圧正電源（ＶＰＰ）５レベルまで印加可能である。

また、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０はＭＯＳダイオード特性を有するので、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位が電源電圧（ＶＰＰ）５とゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０性の閾値電圧（ＶＴＨ）の和の値以上となったときに、前記したように、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がオン状態となり急激に電流が流れるので、駆動回路１やスイッチ回路２の内部の素子が必要以上の高電圧になって、前記素子自身あるいは周囲に絶縁破壊を引き起こすことを防止している。

なお、以上は入出力端子８に正電圧信号が印加され、入出力端子９に伝播（伝達）される場合について述べたが、入出力端子９に正電圧信号が印加され、入出力端子８に伝播（伝達）される場合についても、スイッチ回路２は対称な構成であるので、同様の作用と特性となる。

また、入出力端子８に負電圧信号が印加される場合には、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６のゲート電位からソース電位と閾値を引いた値は０より十分に大きい正の値となるので、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７はあまり変化のない低インピーダンスで、つまり良好な線形性の下に入出力端子９に負電圧信号を伝播（伝達）する。

また、入出力端子９に負電圧信号が印加される場合にも、スイッチ回路２は対称な構成であるので、あまり変化のない低インピーダンスで、つまり良好な線形性の下に入出力端子８に負電圧信号を伝播（伝達）する。

以上のように、正電圧信号に対しても負電圧信号に対しても良好な線形性を持つことにより、正負の信号である交流信号に対して、さらに大振幅の交流信号に対しても良好な線形性を有する双方向アナログスイッチが実現する。

なお、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がある場合と無い場合とのインピーダンス特性の差の測定値の詳細については後述する。

次に本発明の採用により、スイッチオフ状態において低電力損失にできることについて説明する。スイッチ回路２をオフするためには、レベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８、第２レベルシフト制御回路出力端子１９の電位レベルを高圧正電源５の電位レベルに設定する。第１レベルシフト制御回路出力端子１８、第２レベルシフト制御回路出力端子１９を高圧正電源（ＶＰＰ）５の電位レベルとすることで、駆動回路のＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１がオフ、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１２、１３がオンとなり、スイッチ回路２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート容量が放電されることで、スイッチ回路２はオフとなる。

このスイッチ回路２がオフの場合は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１がオフのため、また他の電流が流れる経路もないので、高圧正電源（ＶＰＰ）５、高圧負電源（ＶＮＮ）６の間で電流が定常的に流れることはなく、後記する参考としての比較回路と比べ電力損失は低減される。

なお、レベルシフト制御回路３の第１レベルシフト制御回路出力端子１８、第２レベルシフト制御回路出力端子１９の電位レベルを高圧正電源（ＶＰＰ）５の電位レベルに設定するタイミングは同時でも時間差があってもよい。

図２は、図１回路の入力信号振幅に対するスイッチ回路２のインピーダンス特性を示している。またゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０がある場合と無い場合とのインピーダンス特性を比較した特性イメージ図で示している。

図２において、横軸は正規化した入力信号振幅であり、入力信号振幅が高圧正電源のＶＰＰに等しい場合を１．０の基準値としている。また、縦軸は正規化したスイッチ回路２のインピーダンスの値であって、入力信号振幅が０．５（ＶＰＰの半分）のときのインピーダンス（値）を基準１．０としている。

図２において、スイッチ回路２（図１）のインピーダンスが概ねフラットな領域が、線形性を維持されている範囲である。特性線４１は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０を接続していない回路の測定結果であり、特性線４２はＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を接続した回路の測定結果である。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０を接続することで、入力信号振幅のダイナミックレンジが広がるとともに、線形領域が拡大していることがわかる。特性線４１と特性線４２のインピーダンスが急激に増大する特性線上の横軸における差は、概ねゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０（図１）の閾値電圧（ＶＴＨ）に対応している。

尚、図２は前記したように図１の回路の測定結果であるが、図３のＰ型ＭＯＳＦＥＴ１０１を用いた場合でも、同等の特性改善がある。図３についての詳細説明は省略するが、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を、ゲート端子をドレイン端子に接続したＰ型ＭＯＳＦＥＴ１０１に変更している点でのみ相違する。

図１のＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０は、「高圧正電源の電位ＶＰＰがＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲートに直接に印加されないようにする」という機能を達成することで特性改善に貢献するものである。従って、この機能を達成できるＰ型ＭＯＳＦＥＴ１０１とすることができる。また、対策すべき箇所はＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７のゲート電位なので、高圧正電源（ＶＰＰ）５からＰ型ＭＯＳＦＥＴ１１を経由して第１の出力ライン１４に至る経路上に設ければよい。

次に、図１の半導体装置を用いて構成した超音波診断装置について、図４を参照して説明する。図４は超音波診断装置５００の機能構成を示すブロック図であって、図１に示す本発明の半導体装置４を備えて構成されている。

図４において、超音波診断装置５００は、被検体（図示せず）の計測対象の部位に対して超音波を送受信する超音波探蝕子５０と、超音波探蝕子５０に送信波の送信フォーカス処理をして超音波送信する送信手段である送信回路系手段５１（図１のパルス電源５１０を含む）と、超音波探蝕子５０から出力される送信波の受信フォーカス処理をする整相手段を含んでなる受信回路系手段５２（図１の電圧検出器５２０を含む）と、超音波探蝕子５０と送信回路系手段５１及び受信回路系手段５２との間で伝達される超音波信号の切り換え装置であるスイッチ回路群団５５と、スイッチ回路群団５５におけるスイッチングのタイミングなどを制御するスイッチ制御回路とを備えている。

また、さらに超音波診断装置５００は、受信回路手段５２から出力される受信信号を用いて超音波断面像などを表示する超音波表示回路系手段５３と、超音波表示回路系手段５３から出力される超音波画像情報を表示する例えばモニタなどの画像表示器５４を備えている。なお、信号線５０５、５１５、５５２は超音波送受信信号の流れを示し、信号線５６５は制御信号の流れを示すものである。

なお、図４においては、超音波探触子５０、送信回路系手段５１、受信回路系手段５２、超音波表示回路系手段５３のブロック図における表記を、それぞれ「探触子」、「送信回路系」、「受信回路系」、「超音波表示回路系」と簡略化している。

本実施形態の超音波診断装置５００は、超音波探触子５０が備えたｍ個の振動子と送信回路系５１、受信回路系５２の間で伝達される超音波信号の切り替え装置であるスイッチ回路群団５５に、前記した本実施形態の半導体装置４を用いることを特徴としている。

スイッチ回路系群団５５は、送信回路系手段５１および受信回路系５２と、超音波探触子５０の間に設けられている。なお、スイッチ回路群団５５と送信回路系手段５１および受信回路系５２との間は、送受信チャンネル数がｎ本で接続されている。図４におけるスイッチ回路群団５５は、図５におけるスイッチ回路群団５５において、より詳しく構成がしめされている。

図５において、スイッチ回路群団５５は、それぞれがｎ個のスイッチ（半導体装置４（図１）のスイッチ回路２）からなるｍ群のスイッチ回路群＃１〜＃ｍにより構成されている。各スイッチ回路群（例えば＃１）に備えられたｎ個のスイッチの一端は、互いに接続されて、超音波探触子５０が備えた共通の振動子に接続されている。またスイッチ回路群＃１〜スイッチ回路群＃ｍのそれぞれの共通接続された一端は、それぞれ超音波探触子５０が備えた振動子＃１〜振動子＃ｍの一端に接続されている。また、振動子＃１〜振動子＃ｍの他端はアース（接地）されている。

また、各スイッチ回路群に備えられたｎ個のスイッチ（半導体装置４（図１）のスイッチ回路２）のそれぞれの他端は、それぞれ受信回路系５２或いは送信回路系５１の送受信チャンネル＃１〜送受信チャンネル＃ｎに接続されている。

なお、図４における超音波探触子５０が備えた「振動子：ｍ個」は、図５において「振動子＃１〜振動子＃ｍ」に対応している。また、図４における「送受信チャンネル数ｎ」は、図５において「送受信チャンネル＃１〜送受信チャンネル＃ｎ」に対応している。

また、スイッチ回路群５５のスイッチ回路群（＃１〜＃ｍ）と、その中にそれぞれ備えられたｎ個のスイッチの選択と制御は、スイッチ制御回路５６が制御信号５６５によって行う。

以上の構成において、送信回路系手段５１から振動子＃１〜振動子＃ｍに概ね数百ボルトの電圧を加えて、前記振動子からの超音波のビームを被検体（不図示）の計測対象の部位に照射する。そして、所定の時間が経過した後に、その反射波を振動子＃１〜振動子＃ｍで検出して、さらに変換された電気信号（概ね数十ミリボルト）を受信回路系手段５２に送り、信号処理を行う。

以上の過程において、スイッチ回路群団５５のスイッチ回路群（＃１〜＃ｍ）は、振動子の超音波を送受信する複数の振動子（＃１〜＃ｍ）に対して、複数の超音波送受信チャンネルの中から、１つの送受信チャンネルを選択する、あるいは全ての送受信チャンネルを遮断するものである。

また、振動子（＃１〜＃ｍ）より超音波ビームを照射する際には、スイッチ（半導体装置４（図１）のスイッチング回路２）には前記した高電圧が印加されるので、高耐圧の特性が必要になる。

また、超音波を送受信する際には高い精度が要求されるので、スイッチ（半導体装置４（図１）のスイッチング回路２）には高い線形性と広いダイナミックレンジが必要となる。

本実施形態の超音波診断装置５００は、前記した本実施形態の半導体装置４を超音波探触子と送信回路系、受信回路系の間で伝達される超音波信号の切り替え装置に用いたことにより、大振幅の超音波信号を駆動可能である。これにより、超音波信号のＳ／Ｎ比（ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を改善し、超音波診断装置の画質の改善を図ることが可能となる。

その他、本発明のいくつかの実施形態について説明する。

図１において、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１と高圧正電源（ＶＰＰ）５との間に備えていた。これは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１と第１出力ライン１４との間に備えてもよい。ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０は、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１のソース側でもドレイン側でも、第１出力ライン１４が高圧正電源（ＶＰＰ）よりゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧（ＶＴＨ）分だけ高い電位を保持する作用がある。

また、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０を、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７と同一プロセス（共通プロセス）で同一基板内のなかに併せて作りこんでもよい。この場合は、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０の閾値電圧（ＶＴＨ）特性は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７の閾値（ＶＴＨ）に同調するので、入力信号のダイナミックレンジが安定的となる作用がある。

また、ゲート端子をドレイン端子に接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ１０の形成プロセスでＭＯＳＦＥＴのＰチャネル部にイオン打ち込みを行い、閾値電圧（ＶＴＨ）を調整することもできる。

また、図１、図３において、スイッチ回路２を構成するＭＯＳＦＥＴをＮ型ＭＯＳＦＥＴで説明したが、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。ただし、このときは駆動回路１及びレベルシフト制御回路３の構成を前記Ｐ型ＭＯＳＦＥＴの極性に合うように変更する必要がある。

また、図１、図３において、スイッチ回路２を構成するＮ型ＭＯＳＦＥＴ１６、１７に対して、それぞれ並列にＰ型ＭＯＳＦＥＴを付加してもよい。ただし、このときは駆動回路１およびレベルシフト制御回路３の構成を、付加した前記Ｐ型ＭＯＳＦＥＴを駆動する回路も含むように変更する必要がある。

また、図４、図５においては、双方向アナログスイッチとして本発明の実施形態もしくは第２の半導体装置を、超音波診断装置における振動子への超音波信号の送受信用切り替えスイッチ（超音波の送波パルス発生器と受信増幅器の分離スイッチ）として用いることを示したが、送信用のみの切り替えスイッチとして用いてもよい。

また、本実施形態の前記半導体装置を超音波診断装置におけるプローブの切り替えスイッチとして用いてもよい。

以上、本実施形態によれば、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１１とゲート端子をドレイン端子に接続したＭＯＳＦＥＴ（１０，１０１）を直列に接続して用いることで、スイッチ回路のＮ型ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間電圧がスイッチ回路の動作範囲でゲート端子をドレイン端子に接続したＭＯＳＦＥＴの閾値電圧（ＶＴＨ）以上に保持されるので、前記スイッチ回路は双方向アナログスイッチとしての良好な線形性が得られる。

また、前記スイッチ回路のオンまたはオフ状態を保持する期間では、電源間は絶縁状態となり、漏洩電流が流れないので従来技術と比較して電力損失を低減できる。

また、前記半導体装置を双方向アナログスイッチとして備えた超音波診断装置は検出精度の向上が期待できる。

双方向アナログスイッチ、特に高耐圧双方向アナログスイッチは医療分野を初め、広く産業全体に用いられている。本発明、本実施形態の半導体装置を用いた高耐圧双方向アナログスイッチはアナログ特性における線形性に優れ、かつ電力損失が少ないので小型、携帯化に適し、さらに低コストであるので、医療分野のみならず、広く産業用、家電用の半導体を用いたアナログスイッチの分野において、用いられる可能性がある。

１：駆動回路
２：スイッチ回路
３：レベルシフト制御回路
４：双方向アナログスイッチ全体回路（半導体装置）
５：高圧正電源（ＶＰＰ）、（第一の電源）
６：高圧負電源（ＶＮＮ）、（第二の電源）
７：スイッチ制御信号入力端子
８，９：入出力端子
１０：ドレイン端子とゲート端子を接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴ
１０１：ドレイン端子とゲート端子を接続したＰ型ＭＯＳＦＥＴ
１１：Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１２、１３、１６、１７：Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１４：第１出力ライン
１５：第２出力ライン
１８：第１レベルシフト制御回路出力端子
１９：第２レベルシフト制御回路出力端子
４１、４２：特性線
５０：超音波探触子
５１：送信回路系、送信回路系手段
５２：受信回路系、受信回路系手段
５３：超音波表示回路系、超音波表示回路系手段
５４：画像表示器
５５：スイッチ回路群
５６：スイッチ制御回路
５００：超音波診断装置
５０５、５１５、５５２：超音波送受信信号、超音波送受信信号の流れ、信号線
５１０：パルス電源
５２０：電圧検出器

Claims (15)

1. 双方向にオンまたはオフ可能なスイッチ回路と、該スイッチ回路の駆動回路を具備した半導体装置であって、
   前記駆動回路は前記スイッチ回路の入力端子に印加される信号の最大電圧値以上である第一の電源電圧を有する第一の電源に接続されるとともに、前記スイッチ回路の入力端子に印加される信号の最小電圧以下である第二の電源電圧を有する第二の電源に接続され、前記駆動回路は、前記第一の電源と前記スイッチ回路との間に、ドレイン端子とゲート端子を接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴと直列されたＰ型ＭＯＳＦＥＴとを備えることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   スイッチ制御回路をレベルシフトして前記駆動回路を制御するレベルシフト制御回路を備えることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記ドレイン端子とゲート端子を接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴと前記Ｐ型ＭＯＳＦＥＴとを含む前記駆動回路と、前記スイッチ回路と、前記レベルシフト制御回路とを共通プロセス、同一基板に形成したことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置において、
   前記ドレイン端子とゲート端子を接続したＮ型ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧（ＶＴＨ）が前記スイッチ回路のＮ型ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧以上であることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置において、
   前記スイッチ回路は二つのＮ型ＭＯＳＦＥＴのソース端子をお互いに接続し、ゲート端子をお互いに接続した双方向アナログスイッチ回路であることを特徴とする半導体装置。
6. 双方向にオンまたはオフ可能なスイッチ回路と、前記スイッチ回路の駆動回路を具備した半導体装置であって、
   前記駆動回路は前記スイッチ回路の入力端子に印加される信号の最大電圧値以上である第一の電源電圧を有する第一の電源に接続されるとともに、前記スイッチ回路の入力端子に印加される信号の最小電圧以下である第二の電源電圧を有する第二の電源に接続され、前記駆動回路は、前記第一の電源と前記スイッチ回路との間に、ドレイン端子とゲート端子を接続したＰ型ＭＯＳＦＥＴと直列されたＰ型ＭＯＳＦＥＴとを備えることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置において、
   前記ドレイン端子とゲート端子を接続したＰ型ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧（ＶＴＨ）が前記スイッチ回路のＮ型ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧以上であることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項６，請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置において、
   前記スイッチ回路は二つのＮ型ＭＯＳＦＥＴのソース端子をお互いに接続し、ゲート端子をお互いに接続した双方向アナログスイッチ回路であることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置を、振動子への超音波信号の送波切り替えスイッチに、もしくは超音波の送波パルス発生器と受信増幅器の分離用スイッチに、もしくはプローブの切り替えスイッチに用いたことを特徴とする超音波診断装置。
10. 双方向にオンまたはオフ可能なスイッチ回路と、前記スイッチ回路の駆動回路を具備した半導体装置であって、
    前記駆動回路は前記スイッチ回路の入力端子に印加される信号の最大電圧値以上である第一の電源電圧を有する第一の電源に接続されるとともに、前記スイッチ回路の入力端子に印加される信号の最小電圧以下である第二の電源電圧を有する第二の電源に接続され、前記駆動回路は、前記第一の電源と前記スイッチ回路との間に、ドレイン端子とゲート端子を接続したＭＯＳＦＥＴと直列されたＰ型ＭＯＳＦＥＴとを備えることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１０に記載の半導体装置において、
    ドレイン端子とゲート端子を接続したＭＯＳＦＥＴは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ又はＰ型ＭＯＳＦＥＴとであることを特徴とする半導体装置。
12. 第１と第２のＭＯＳＦＥＴの直列回路で構成され、そのゲートが第１出力ラインに接続され、その直列接続点が第２出力ラインに接続されたゲート回路と、第３と第４のＭＯＳＦＥＴの直列回路で構成され、そのゲートがそれぞれ制御信号により駆動され、直列回路の両端に第１の電源と第２の電源がそれそれ接続されるとともに、そのゲートが前記第４のＭＯＳＦＥＴのゲートに接続され、一方端が前記第２出力ラインに接続され、他方端が前記第２の電源にそれそれ接続された第５のＭＯＳＦＥＴで構成された駆動回路で構成された半導体装置であって、
    前記第１の電源から前記第３のＭＯＳＦＥＴを経由して前記第１出力ラインに至る経路上に第６のＭＯＳＦＥＴを備えたことを特徴とする半導体装置。
13. 請求項１２に記載の半導体装置において、
    第３のＭＯＳＦＥＴはＰ型であり、第４と第５のＭＯＳＦＥＴはＮ型とされたことを特徴とする半導体装置。
14. 請求項１２に記載の半導体装置において、
    第６のＭＯＳＦＥＴは、そのドレイン端子とゲート端子を接続されていることを特徴とする半導体装置。
15. 請求項１２から請求項１４のいずれか一項に記載の半導体装置を、振動子への超音波信号の送波切り替えスイッチに、もしくは超音波の送波パルス発生器と受信増幅器の分離用スイッチに、もしくはプローブの切り替えスイッチに用いたことを特徴とする超音波診断装置。

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