JP2014013798A - ワンチップイグナイタ及び内燃機関点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作電圧の低電圧化、高ノイズ耐量化、小型化および低コスト化を実現できるワンチップイグナイタを提供する。
【解決手段】ＭＯＳトランジスタのゲートしきい値電圧Ｖｔｇｈを低下させ、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路などの動作電圧を低電圧することで、ワンチップイグナイタ１００の動作電圧を低電圧化することができる。ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＩＧＢＴのチャネル長う４μｍ以下とする。また、ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜の厚さを、５ｎｍ以上で、２５ｎｍ未満とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、低電圧駆動のワンチップイグナイタ及びこのワンチップイグナイタを有する内燃機関点火装置に関する。

図８は、従来のワンチップイグナイタ５０１が搭載されている内燃機関点火装置５００の要部構成図である。
内燃機関点火装置５００は、主に、ワンチップイグナイタ５０１、点火コイル５０２、点火プラグ５０３、バッテリー５０４およびＥＣＵ５０５（エンジンコントロールユニット）などで構成される。図中の符号で、７５，７６，７７はワンチップイグナイタ５０１のコレクタ端子、ゲート端子、エミッタ端子である。また、５１はセンスＩＧＢＴを含むＩＧＢＴ、５６はセンス抵抗である。

図９は、図８に示す内燃機関点火装置５００に搭載されている従来のワンチップイグナイタ５０１の要部回路図である。ここで示すワンチップイグナイタ５０１は一例である。
ワンチップイグナイタ５０１は、ＩＧＢＴ５１と、第１ＭＯＳＦＥＴ６３と、第２ＭＯＳＦＥＴ６６と、電流制限回路５７、過熱検出回路６０、ツェナーダイオード６９、抵抗７２、コレクタ端子７５、ゲート端子７６およびエミッタ端子７７で構成される。ＩＧＢＴ５１のコレクタ５２はコレクタ端子７５に接続し、エミッタ５４はエミッタ端子７７にそれぞれ接続する。ＩＧＢＴ５１のセンスエミッタ５５はセンス抵抗５６の一端に接続し、センス抵抗５６の他端はグランド配線７４に接続し、グランド配線７４はグランド電位７８であるエミッタ端子７７に接続する。ＩＧＢＴ５１のゲート５３はゲート配線７３でゲート端子７６と接続する。このゲート配線７３とグランド配線７４の間に前記した電流制限回路５７、過熱検出回路６０、第１ＭＯＳＦＥＴ６３、第２ＭＯＳＦＥＴ６６、ツェナーダイオード６９および抵抗７２がそれぞれ接続する。前記の過熱検出回路６０は図示するようにＭＯＳＦＥＴ（ア）とダイオード（イ）およびインバータ回路（ウ）で構成されている。また、前記の部品以外に、点線で示すように、ツェナーダイオード６９のカソードと第２ＭＯＳＦＥＴ６６のソース間にＩＧＢＴ５１のターンオフを早めるためのスピードアップダイオード（エ）が接続され、コレクタ５２とゲート５３の間にツェナーダイオード（カ）がサージ保護用として接続されている。また、ゲート配線７３に抵抗７２とツェナダイオード６９の間や電流制限回路５７の高電位側と第２ＭＯＳＦＥＴ６６のドレインの間にサージ抑制用に抵抗（オ）が挿入されている。前記の各部位は同一の半導体基板８１に形成される。

前記のセンス抵抗５６の一端と第１ＭＯＳＦＥＴ６３のゲート６４は電流制限回路５７に接続し、第２ＭＯＳＦＥＴ６６のゲート６７は過熱検出回路６０に接続する。ＥＣＵ５０５の出力電圧はゲート端子７６にＩＧＢＴ５１のゲート電圧として入力される。このゲート電圧はゲート配線７３を介して電流制限回路５７と過熱検出回路６０に供給され、これらの回路５７，６０を駆動する電源電圧となる。

ＩＧＢＴ５１と、第１、第２ＭＯＳＦＥＴ６３，６６と、電流制限回路５７、過熱検出回路６０、抵抗７２、ツェナーダイオード６９、コレクタ端子７５、エミッタ端子７７およびゲート端子７６は同一の半導体基板８１に形成されワンチップイグナイタ５０１を構成する。前記の電流制限回路５７は３段のｎＭＯＳで構成されたオペアンプからなる。また、ツェナーダイオード６９と抵抗７２はゲート端子７６から侵入するサージ電圧を抑制するサージ保護用素子である。

また、従来のワンチップイグナイタ５０１の最低動作電圧は３．５Ｖであり、このワンチップイグナイタ５０１を構成するＩＧＢＴ５１、電流制限回路５７および過熱検出回路６０の各最低動作電圧は３．５Ｖ以下である。ここでは、ＩＧＢＴ５１の最低動作電圧はＩＧＢＴ５１のゲートしきい値電圧のことを指す。また、この「３．５Ｖ」という電圧値はワンチップイグナイタに動作指令を与えるＥＣＵの信号の最低電圧値である。

図１０は、図９のワンチップイグナイタ５０１の外形図である。リードフレームのダイ８０（外部導出端子８２の一つであるコレクタ端子（Ｃ）に接続する）上に搭載されたチップ（半導体基板８１）と外部導出端子８２（ゲート端子（Ｇ）、エミッタ端子（Ｅ））はボンディングワイヤ８３でそれぞれ接続され、モールド樹脂８４でパッケージされている。

つぎに、図８で示す内燃機関点火装置５００の動作を説明する。
ＥＣＵ５０５からの出力信号がワンチップイグナイタ５０１のゲート端子７６に入力信号（ＩＧＢＴのゲート信号）として入力されると、その入力信号はゲート配線７３を伝達してＩＧＢＴ５１のゲートに入力されて、ＩＧＢＴ５１がオンする。ＩＧＢＴ５１がオンするとバッテリー５０４の正極から点火コイル５０２、ＩＧＢＴ５１を経由してグランド電位にあるエミッタ端子７７に電流が流れる。

一方、ＥＵＣ５０５からの出力信号が停止するとＩＧＢＴ５１はオフする。このＩＧＢＴ５１がオフした瞬間に、点火コイル５０２に蓄えられたエネルギーが放出され、点火コイル５０２に高電圧が発生して、点火プラグ５０３は点火する。その後、点火コイル５０３に蓄積されたエネルギーが消失すると点火プラグ５０３は消弧する。この動作を繰り返すことで、内燃機関点火装置５００は動作を継続する。つぎに図９を用いて説明する。

ＩＧＢＴ５１に過電流が流れると、センスエミッタ５５とセンス抵抗５６を通して流れるセンス電流により、センス抵抗５６に電圧が発生する。その電圧が電流制限回路５７に伝達されて電流制限回路５７が動作する。電流制限回路５７から第１ＭＯＳＦＥＴ６３にゲート信号が与えられ、第１ＭＯＳＦＥＴ６３はオンする。第１ＭＯＳＦＥＴ６３がオンするとＩＧＢＴ５１のゲート電圧が絞られて低下する。ＩＧＢＴ５１のゲート電圧が低下してＩＧＢＴ５１のゲートしきい値電圧以下になるとＩＧＢＴ５１はオフし、過電流は遮断されて、ＩＧＢＴ５１は保護される。

一方、ＩＧＢＴ５１が過熱すると過熱検出回路６０が動作して、前記の過電流の場合と同じようにＩＧＢＴ５１がオフする。ＩＧＢＴ５１がオフすることで、ＩＧＢＴ５１に流れている主電流が遮断されてＩＧＢＴ５１は保護される。ＩＧＢＴ５１が過熱するとＩＧＢＴ５１に形成される温度検出用の図示しないｐｎダイオードの順電圧降下値が低下する。順電圧降下値（電圧）は過熱検出回路６０に入力され、限界値以下に低下した段階で過熱検出回路６０から第２ＭＯＳＦＥＴ６６のゲートへオン信号が与えられ第２ＭＯＳＦＥＴ６６はオンする。その後の動作は電流制限回路５７の場合と同じである。過熱検出回路６０及び電流制限回路５７はともにＩＧＢＴ５１のゲート電圧を制御する制御回路として機能している。

前記したワンチップイグナイタ５０１は内燃機関点火装置５００に用いられるため、使用環境が極めて厳しい。具体的に説明すると、コレクタ端子７５とエミッタ端子７７との
間に３０ｋＶのサージ電圧を印加してもＩＧＢＴ５１が破壊しないこと、また、例えば、−５５℃〜２０５℃の温度範囲でＩＧＢＴ５１が正常動作すること（これは寄生素子が動作しないことを指す）などである。この厳しい条件下でもワンチップイグナイタ５０１が正常動作するために、電流制限回路５７や過熱検出回路６０は全てｎＭＯＳのみで構成される。これはｐＭＯＳとｎＭＯＳが混在するとプロセスが複雑になりコスト上昇を招く。また、ｐＭＯＳとｎＭＯＳとの混成回路（コンプリメンタリー回路など）にすると、両者間で寄生素子が形成されて寄生動作（誤動作）を起こし易くなることなどによる。

特許文献１では、内燃機関用電子制御装置から出力される点火制御信号に応じて点火コイルに流れる一次電流を通電・遮断制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を流れる電流を制限する電流制限回路とを備え、前記スイッチング素子が絶縁ゲート形バイポーラトランジスタで構成された内燃機関用点火装置において、前記電流制限回路は自己分離形Ｎ−ＭＯＳトランジスタで構成され、前記絶縁ゲート形バイポーラトランジスタと前記自己分離形Ｎ−ＭＯＳトランジスタとが共通の半導体基板に形成されワンチップ化されたワンチップイグナイタが開示されている。つまり、電流制限回路が自己分離形Ｎ−ＭＯＳトランジスタ（ｎＭＯＳ）で構成され、ＩＧＢＴと同一半導体基板に形成されたワンチップイグナイタが開示されている。

また、特許文献２では、第１のＩＧＢＴを備え、前記第１のＩＧＢＴにより、一次コイルに流れる一次電流を点火制御信号に応じて通電及び遮断制御し、その二次側に電圧を発生させる内燃機関の点火装置において、前記第１のＩＧＢＴと並列に設けられた第２のＩＧＢＴと、この第２のＩＧＢＴの電流を検出する電流検出回路とを備え、この電流検出回路で検出された電流値によって前記第１と第２のＩＧＢＴのゲート電圧を制御して一次電流を設定値に制限する電流制限回路と、異常時に前記一次コイルに流れる電流の通電を強制的に遮断するサーマルシャットオフ回路とを備え、これら回路を１つのチップに集約して構成したことを特徴とするワンチップイグナイタが開示されている。

また、特許文献３では、内燃機関用点火装置において、一次側コイルに流れる低圧電流を断続するＩＧＢＴと、外部ゲート端子と外部コレクタ端子との間に定電圧回路と、保護用のツェナーダイオードとを備えている。定電圧回路は、ＩＧＢＴの飽和電流値が所定の制限電流値となるような一定のゲート電圧を、ＩＧＢＴに供給している。ＩＧＢＴは、半導体装置の制限電流値の範囲に飽和電流値がある。定電圧回路では、並列に接続された複数のディプレッション型ＭＯＳＦＥＴとツェナーダイオードとが直列に接続されている。それぞれのディプレッション型ＭＯＳＦＥＴには選択スイッチが接続されており、全ての選択スイッチはセレクタ回路に接続されている。そして、工場出荷時に、セレクタ回路によって選択スイッチの開閉を行うことで、半導体装置製造上の電気的特性によって生じる電圧変動を調整している。これによって、ＩＧＢＴを流れる電流波形の振動を抑える。半導体装置全体の小型化を図り、コストを低減させることが開示されている。ここで用いる半導体装置としてはトレンチゲート型ＩＧＢＴとプレーナゲート型ＩＧＢＴが記載されている。

特許第３１９２０７４号公報 特許第３２１６９７２号公報 特開２０１０−４５１４１号公報

前記のワンチップイグナイタ５０１のコレクタ端子７５は点火コイル５０２の内部抵抗を介してバッテリー５０４に接続し、エミッタ端子７７はグランド電位７８となる例えばエンジンルームのシャーシなどに接続されている。そのため、これらの端子７５，７７の電位は比較的安定している。

これに対し、ゲート端子７６の電位は、ＥＣＵ５０５の低い出力電圧（５Ｖ）とＩＧＢＴ５１の小さなゲート容量で決まる低い電位になる。また、ワンチップイグナイタ５０１の直近ではイグニッションパルス（数１０ｋＶ）を発生させているために、ワンチップイグナイタ５０１はノイズにより誤動作する恐れがり、また、ＥＣＵ５０５の出力電圧がノイズで低下することがある。さらに、ＩＧＢＴ５１通電時にハーネスなどのグランド配線抵抗と通電電流の積で電圧が発生し、その電圧によりワンチップイグナイタ５０１のグランド電位７８が上昇する（ＧＮＤ浮き）場合が生じる。具体的には例えば、ＩＧＢＴの定格通電電流が１０Ａであって、ＩＧＢＴとＥＣＵのグランド間にあるハーネス類のグランド配線抵抗が大きめにみて０．１Ωあった場合、この抵抗と通電電流の積は１Ｖに達し、この１Ｖがグランド電位の上昇（ＧＮＤ浮き）となる。ＧＮＤ浮きが発生すると、ワンチップイグナイタ５０１のゲート端子７６とグランド電位７８にあるエミッタ端子７７の間の電圧（ゲート信号電圧）は３．５Ｖ以下になる場合が発生し、ワンチップイグナイタ５０１の動作が不安定になる。

つぎに、電圧低下に対応する従来技術について以下に説明する。
図１１は、ハイブリット型のイグナイタ６００の要部構成図である。ハイブリッド型のイグナイタ６００は、ＩＧＢＴ５１ａとＩＧＢＴ駆動回路９０を備え、ＩＧＢＴ駆動回路９０には電流制限回路、過熱検出回路およびセンス抵抗５６ａなどが含まれる。これらの各部品はプリント基板９１やセラミック基板などに固定される。

ＥＣＵ５０５からの出力電圧がノイズなどにより３．５Ｖ未満に低下した場合やＧＮＤ浮きが発生してＩＧＢＴ５１ａのゲート・エミッタ間の電圧が３．５Ｖ未満に低下する場合がある。そのとき、この電圧低下を補償してＩＧＢＴ５１ａのゲート・エミッタ間の電圧を常に３．５Ｖ以上に保持する必要がある。このＩＧＢＴ駆動回路９０はＥＣＵ５０５から入力される入力電圧（ゲート電圧）に落ち込みのノイズが重畳した場合やＧＮＤ浮きが発生した場合に、それを補償して正規のゲート電圧をＩＧＢＴ５１ａのゲートに伝送する機能を有している。

図１１のハイブリッド型のイグナイタ６００の構成では、多数の個別部品をプリント基板９１などに搭載する必要があり、部品点数が多くなる。そのため外形寸法が大きくなり、製造コストが増大する。

また、前記の特許文献１〜３では、本発明のポイントとなる内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタの動作電圧を低電圧化させるための方策について示唆する記述は見当たらない。

この発明の目的は、前記課題を解決して、動作電圧の低電圧化、高ノイズ耐量化、高サージ耐量、小型化および低コスト化を実現できるワンチップイグナイタおよびそのワンチップイグナイタを有する内燃機関点火装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、ＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタのゲートと電気的に接続するゲート端子と、該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制限する制御回路とを、同一半導体基板に配置したワンチップイグナイタにおいて、前記ワンチップイグナイタのゲート端子に入力される入力電圧が、前記制御回路の電源電圧及び前記ＭＯＳトランジスタの制御信号となり、前記入力電圧の最低電圧が３．５Ｖ未満となる構成とするとよい。

また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記入力電圧の最低電圧を２．５Ｖ未満とするとよい。
また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記入力電圧の最低電圧を２．０Ｖ未満とするとよい。

また、特許請求の範囲の請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタ実効のゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＩＧＢＴのチャネル領域の単位体積当たりの不純物量が、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項５記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＩＧＢＴのチャネル長が、４μｍ以下であるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタのチャネル長さをＬ（ｃｍ）とし、前記ＩＧＢＴのチャネル領域の単位体積当たりの不純物濃度をＮ（ｃｍ^-3）としたとき、Ｌ≦４×１０^-4×（１０^-17）^1/3×Ｎ^1/3であるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜の厚さが、５ｎｍ以上で、２５ｎｍ未満であるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項８に記載の発明によれば、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＭＯＳトランジスタのセルがストライプ状の場合、ストライプ状のセルの長手方向に直角方向の１ｃｍ当たりのセル本数（セル密度）が、５×１０²本以上であるとよい。

また、特許請求の範囲の請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発明において、前記ワンチップイグナイタを構成するＭＯＳトランジスタが、プレーナゲート構造またはトレンチ構造であるとよい。

また、特許請求の範囲１０に記載の発明によれば、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明において、前記制御回路が、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路から選択された一つ乃至複数の回路であって良い。

また、特許請求の範囲の請求項１１記載の発明によれば、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発明において、前記のＭＯＳトランジスタが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであるとよい。

また、特許請求の範囲１２に記載の発明によれば、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発明において記載したワンチップイグナイタを用いた内燃機関点火装置であって良い。

この発明によれば、ＭＯＳトランジスタのゲートしきい値電圧を低電圧（１．５Ｖ以下）にし、電流制限回路および過熱検出回路の動作電圧を低電圧（1Ｖ以上）にする事で、内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタの動作電圧を低電圧化（１Ｖ〜３．５Ｖ未満）することができる。

また、ゲート端子とＭＯＳトランジスタのゲートを結ぶゲート配線とグランド配線の間にコンデンサを挿入することで、ノイズ耐量およびサージ耐量を高くすることができる。
また、電流制限回路および過熱検出回路を２段のインバータ回路で構成することで、これらの回路の動作電圧を低電圧化できる。

また、ハイブリット型イグナイタに比べると、電圧変換回路を設けていないので、パッケージを小型化でき低コスト化できる。

この発明の第１実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００の構成図であり、（ａ）は全体の回路構成図、（ｂ）は半導体基板３１に形成されたＩＧＢＴ１の要部断面図である。 この発明の第１実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００について半導体基板３１に形成されたＩＧＢＴ１の要部断面図である。 ＩＧＢＴ１のチャネル領域３２付近の各部位に付した符号を示す図である。 ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈ，チャネル領域３２の不純物濃度Ｎ、チャネル抵抗Ｒ、チャネル長Ｌの関係を示す図である。 この発明の第２実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００の要部構成図である。 制御回路に関する従来例の構成（ａ）と、本発明の構成（ｂ）。 この発明の第３実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００の要部構成図である。 従来のワンチップイグナイタ５０１が搭載されている内燃機関点火装置５００の要部構成図である。 図８に示す内燃機関点火装置５００に搭載されている従来のワンチップイグナイタ５０１の要部回路図である。 図９のワンチップイグナイタ５０１の外形図である。 ハイブリット型のイグナイタ６００の要部構成図である。

この発明は、内燃機関点火装置を構成するワンチップインダクタにおいて、従来のゲート端子から入力される入力電圧（ゲート電圧：３．５Ｖ〜５Ｖ）より低い入力電圧（ゲート電圧：１Ｖ〜３．５Ｖ未満）まで駆動できるようにしたことである。

その方策としては、１）ＭＯＳトランジスタのゲートしきい値を低下させること、２）電流制限回路および過熱検出回路の動作電圧を低下させること、３）動作電圧の低下に伴って影響され易くなったノイズに対する対策を施すことの３項目が含まれる。この発明においてはワンチップイグナイタの最低動作電圧を１Ｖ及びこれを越える付近（１Ｖ〜３．５Ｖ未満）にすることである。そのため、ＭＯＳトランジスタのゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈ、電流制限回路の最低動作電圧、加熱検出回路の最低動作電圧を１Ｖにする必要がある。つまり、本発明のワンチップイグナイタの動作電圧を１Ｖ〜５Ｖの電圧範囲とすることである。つぎに、前記の各項目について以下の実施例で順次説明する。
＜実施例１＞（ＩＧＢＴ）
図１は、この発明の第１実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００の構成図であり、同図（ａ）は全体の回路構成図、図２（ａ）は半導体基板３１に形成されたＩＧＢＴ１の要部断面図である。この図２（ａ）では１セルの要部断面図を示した。また、ＩＧＢＴ１のゲート構造はここではプレーナ型で示したが、図示しないトレンチ型の場合もある。また、図１ではパワーデバイスとしてＩＧＢＴ１を例に挙げたが、パワーＭＯＳＦＥＴの場合もある。このパワーＭＯＳＦＥＴとしてはセンスエミッタ４に相当するセンスソースが形成されているものを用いるとよい。

同図において、このワンチップイグナイタ１００は、センスエミッタ５を有するＩＧＢＴ１、センス抵抗６、電流制限回路７、過熱検出回路１０、サージ保護用のツェナーダイオード１９と抵抗２２、第１ＭＯＳＦＥＴ１３、第２ＭＯＳＦＥＴ１６、コレクタ端子２５、ゲート端子２６およびエミッタ端子２７で構成される。ここでは図示しないが、前記の過熱検出回路１０の回路構成は従来の過熱検出回路６０の回路構成と同じである。

ＩＧＢＴ１のコレクタ２はワンチップイグナイタ１００のコレクタ端子２５に接続し、ゲート３はゲート端子２６に接続し、エミッタ４はエミッタ端子２７にそれぞれ接続する。センスエミッタ５はセンス抵抗６に接続し、ＩＧＢＴ１のゲート３とゲート端子２６はゲート配線２３で接続する。このゲート配線２３には電流制限回路７の高電位側８が接続し電流制限回路７の電源となる。また、このゲート配線２３には過熱検出回路１０の高電位側１１が接続し過熱検出回路１０の電源となる。また、電流制限回路７の低電位側９と過熱検出回路１０の低電位側１２はグランド配線２４に接続する。また、このゲート配線２３には、第１ＭＯＳＦＥＴ１３のドレイン１５、第２ＭＯＳＦＥＴ１６のドレイン１８が接続し、それぞれのソースはグランド配線２４に接続する。また、このゲート配線２３にはサージ対策用のツェナーダイオード１９のカソード２０が接続しアノード２１はグランド配線２４に接続する。さらに、このゲート配線２３とグランド配線２４の間にはサージ対策用の抵抗２２が接続する。また、グランド配線２４はエミッタ端子２７を介してグランド電位２８となる。センス抵抗６で発生した電圧は電流制限回路７に入力される。電流制限回路７の出力信号は第１ＭＯＳＦＥＴ１３のゲート１４に入力される。前記の各部位は同一の半導体基板３１に形成される。また、前記のツェナーダイオード１９は複数個直列されることもある。

また、図１の回路については、上述の部品以外に、図示しないが図９おけるものと同様に、ツェナーダイオード１９のカソードと第２ＭＯＳＦＥＴ１６のソース間にサージ保護用にダイオードが接続され、コレクタ２とゲート３の間にツェナーダイオードがサージ保護用として接続されている。さらに、ゲート配線２３で抵抗２２とツェナーダイオード１９の間や電流制限回路１７の高電位側と第２ＭＯＳＦＥＴ１６のドレインの間にサージ保護用に抵抗が挿入されている。

図２（ａ）において、半導体基板３１の一方の主面にストライプ状のチャネル領域３２（＝ウェル領域）を配置し、チャネル領域３２の表面層にストライプ状のエミッタ領域３３を配置した例を図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す。

半導体基板３１の他方の主面にコレクタ領域３８を配置し、コレクタ領域３８上にコレクタ電極３９を配置する。
前記のゲート電極３５が図１のＩＧＢＴ１のゲート３となりゲート端子２６にゲート配線２３を介して接続する。コレクタ電極３９がコレクタ２となりコレクタ端子２５に接続する。エミッタ電極３７がエミッタ４となりエミッタ端子２７に接続する。また、図１に示すセンスエミッタ５は図２（ａ）では省略されている。

図３は、ＩＧＢＴ１のチャネル領域３２付近の各部位に付した符号を示す図である。この図は、図２（ａ）と同じである。
ゲート酸化膜３４の厚さをｔ、チャネル領域３２に形成されるチャネルの長さであるチャネル長をＬ、チャネル領域３２の拡散深さをＴ、セル幅をＷの符号を付した。図にはチャネル領域３２の不純物濃度の符号をＮ、ＩＧＢＴ１のゲートしきい値電圧の符号をＶｇｔｈ、チャネル抵抗の符号をＲ、このチャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下をＥとして（ ）内に示した。なお、ここで、ゲートしきい値電圧について説明しておく。本願におけるゲートしきい値電圧は、例えばコレクタ−エミッタ間電圧に数Ｖの電圧を印加しつつゲート電圧を０Ｖから増加させたときに、エミッタ４に流れる電流が定格電流の１／１０００となったときのゲート電圧とする。他に、周知のＤＭＯＳ構造において、ｐベース層のＭＯＳゲートに接する箇所に電子の反転層チャネルが形成されるゲート電圧についてもゲートしきい値と呼ばれる。この周知のゲートしきい値電圧は、ｐベース層の濃度とゲート酸化膜厚さで決まるものであり、本願では意味を区別するために、この周知のゲートしきい値電圧を、実効ゲートしきい値電圧と呼ぶことにする。

図３を用いて、ＩＧＢＴ１のしきい値電圧Ｖｇｔｈを低下させる方策についで説明する。前記したように要求されるワンチップイグナイタ１００の最低動作電圧は１Ｖである。そのためＩＧＢＴ１のゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈは高くとも１Ｖにする必要がある。

シミュレーションによれば、ゲート酸化膜の厚さｔを５０ｎｍにした場合、ＩＧＢＴ１のゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを１Ｖにするためには、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを１×１０¹⁷／ｃｍ³にする必要がある。ゲート酸化膜３４の厚ｔさはサージ電圧がゲート端子２６に印加される際にゲート３に印加される電圧に対して絶縁破壊しない厚さとする。そのため、サージ保護用のツェナーダイオード１９の動作抵抗を下げることで、ゲート端子２６に印加されるサージ電圧を抑制できれば、ゲート酸化膜３４の厚さｔを減じることができて、ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを低下させることができる。

このゲート酸化膜３４の厚さｔは、５ｎｍ〜２５ｎｍ未満の範囲とするとよい。５ｎｍ未満にすると、サージ電圧でゲート酸化膜３４が破壊する割合が増えるので好ましくない。ゲート酸化膜３４の厚さｔは、１０ｎｍ以上であるとサージ電圧でゲート酸化膜３４が破壊される割合が少なく好ましい。一方、２５ｎｍを越えると、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを制御しても、ゲートしきい値Ｖｇｔｈを１Ｖに低下させることが難しい。

また、サージ保護用のツェナーダイオード１９の接合面積を、例えば、１０％大きくして動作抵抗を１０％小さくすることで、ゲート端子２６にサージ電圧が印加される際にゲート３に印加され電圧を従来より数％低下させることができる。その結果、ゲート酸化膜３４の厚さｔを従来より数％減じることができる。ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈはゲート酸化膜３４の厚さｔに比例するため、ゲート酸化膜３４の厚さｔを数％減じることで。ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを数％程度低減することができる。例えば、ゲート酸化膜３４の厚さｔを従来より５〜１５％減じることができ、これによりゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを２５〜７５％程度低減することができる。

つぎに、チャネル長Ｌとチャネル領域３２の不純物濃度の関係について説明する。
チャネル領域３２の不純物濃度Ｎ（≦１０¹⁷ｃｍ^-3）を低下させると、チャネル抵抗Ｒが大きくなりチャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下Ｅが大きくなる。この電圧降下Ｅが大きくなるとＩＧＢＴのオン電圧が増加する不具合を生じる。特にＩＧＢＴをゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈ付近で動作させた場合である。そのため、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを低下させてもチャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下Ｅが変らないようにする必要がある。

チャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下Ｅを一定にした場合（＝チャネル抵抗Ｒを一定にした場合）、ゲートしきい値電圧Ｖｔｇｈを１Ｖにするためのチャネル領域３２の不純物濃度Ｎとチャネル長Ｌとの関係をつぎに説明する。

ゲートしきい値電圧Ｖｔｇｈを低下させるためにチャネル領域３２の不純物濃度Ｎを低下させると、前記したようにチャネル抵抗Ｒが増大する。このチャネル抵抗Ｒの増大を抑えるためにはチャネル長Ｌを短くする必要がある。つまり、相互に依存するチャネル領域の不純物濃度Ｎとチャネル長Ｌを最適化する必要がある。

図４は、ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈ，チャネル領域３２の不純物濃度Ｎ、チャネル抵抗Ｒ、チャネル長Ｌの関係を示す図である。図中のイ、ロ、・・・はチャネル領域３２の不純物濃度Ｎとチャネル長Ｌを最適化するための手順を示す。

図４（ａ）がゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈとチャネル領域３２の不純物濃度Ｎの関係を示す図である。ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈの減少（手順イ）はチャネル領域３２の不純物濃度Ｎの平方根に比例して減じる（手順ロ）。図４（ｂ）はチャネル領域３２の不純物濃度Ｎとチャネル抵抗Ｒの関係を示す図であり、チャネル抵抗Ｒはチャネル領域３２の不純物濃度を減じると（手順ロ）、チャネル内の電子濃度が減少し、移動度が増大する。これらが絡み合って。チャネル抵抗は概略不純物濃度の３乗根に反比例して増大する（手順ハ）。これは最低動作電圧であるゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈ付近でＩＧＢＴを動作させた場合である。同図（ｃ）はチャネル長Ｌとチャネル抵抗Ｒの関係を示す図であり、チャネル長Ｌはチャネル抵抗Ｒの減少に比例して増大する。チャネル抵抗Ｒを元の値まで減少させるには（手順ニ）、チャネル長Ｌを短縮する必要がある（手順ホ）。同図（ｄ）はチャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下Ｅを一定にした場合のチャネル領域３２の不純物濃度Ｎとゲート長Ｌの関係を示す図である。チャネル長Ｌはチャネル領域３２の不純物濃度Ｎの３乗根に比例して減少する。チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを減じることで、このチャネル長Ｌを減少させる。このチャネル長Ｌの減少によって、増大したチャネル抵抗Ｒ（手順ハの段階）を元の値に戻すことができる（手順ヘ）。つまり、チャネル領域３４の不純物濃度Ｎをチャネル長Ｌを減じることで、ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを１Ｖに低減して、且つ、チャネル抵抗Ｒを一定にすることができる。

しかし、チャネル長Ｌは微細加工精度に依存するため極端に短くすることはプロセス上困難である。さらに、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎが低くなるとチャネル領域３２に広がる空乏層の伸びが大きくなり、チャネル長Ｌが短くなり過ぎるとＩＧＢＴ１の耐圧の確保が困難になる。そのため、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを極端に低くして、チャネル長Ｌを極端に短縮することはできない。

尚、図４に示す各諸元の相互関係は、文献や実験から得られた知見を基づいて推定したものである。
つぎに、上記の内容を数式で示すと次のように表される。
Ｖｔｇｈ∝√Ｎ×ｔ
Ｒ∝１／Ｎ^1/3（Ｎ≦１０¹⁷ｃｍ^-3）、Ｅ∝Ｒ、Ｒ∝Ｌ（Ｎ≦１０¹⁷ｃｍ^-3）
Ｌ／Ｎ^1/3∝Ｌ・Ｒ∝Ｒ²∝Ｅ²
つまり、Ｌ／Ｎ^1/3は一定になる。そのためＬ＝Ｇ×Ｎ^1/3の関係式が成立する。但し、Ｇは比例定数であり、Ｎ≦１０¹⁷ｃｍ^-3の範囲である。

シミュレーションにより、従来素子と同じチャネル抵抗Ｒでゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈが１Ｖなるチャネル長Ｌとチャネル領域３２の不純物濃度Ｎを求めると、チャネル長Ｌは４μｍ、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎは１×１０¹⁷ｃｍ^-3となる。

この数値を用いると、ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを１Ｖ以下にして、チャネル抵抗Ｒでの発生する電圧降下Ｅを従来の電圧降下以下にするためには、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎ≦１０¹⁷ｃｍ^-3、チャネル長Ｌ≦４×１０^-4ｃｍ（＝４μｍ）の条件で、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを低下させ、チャネル長Ｌ（ｃｍ）≦４×１０^-4×（１０^-17）^1/3×（チャネル領域３２の不純物濃度Ｎ（ｃｍ^-3））^1/3の範囲に入るようにチャネル長Ｌを決めるとよい。

実際、ワンチップイグナイタを製作する場合は、上式を満足させながら、チャネル長Ｌとチャネル領域３２の不純物濃度Ｎを最適化する。しかし、チャネル長Ｌについては、高精度な微細加工が必要となるので、チャネル長Ｌを上記の条件内で所定の長さに固定して、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを低減しても構わない。

しかし、この場合はチャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下Ｅはチャネル領域３２の不純物濃度Ｎを下げるにつれて大きくなる。但し、ＩＧＢＴのオン電圧に占めるチャネル抵抗Ｒで発生する電圧降下Ｅの割合は小さいため、オン電圧の上昇は小さい。

尚、ここで示すチャネル領域３２の不純物濃度Ｎとはチャネル領域３２の拡散深さに対する平均の不純物濃度のことである。これは、チャネル領域３２の不純物のドーズ量を拡散深さＴで割った値である。

ゲートしきい値電圧Ｖｔｇｈを低下させるために、チャネル領域３２の不純物濃度Ｎを低下させ、チャネル長Ｌを短縮すると、セルサイズを小型化できる（セル幅Ｗを縮小できる）。その結果、セル密度が増大し、ＩＧＢＴ１の通電能力を高めることができる。

尚、セル密度とは、セルがストライプ状のセルの場合は、セルの長手方向に対して直角方向の１ｃｍの長さに入るストライプ状のチャネル領域３２（ウェル領域）の本数のことである。

また、セル密度が増大すると、ＩＧＢＴのＩ−Ｖ特性で動作抵抗が小さくなる。そのため、所定の電流でのオン電圧は低下して、見かけ上、ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈが低下した場合と同等の動作になる。つまり、セル密度を増大させることで、ゲートしきい値電圧Ｖｇｔｈを見かけ上低下させることができる。そのため、セル密度を従来より増加させ、具体的にはストライプ状のセルの場合には１×１０³本／ｃｍ以上とすると効果がでてくる。

また、ゲート絶縁膜の材質として酸化膜より誘電率の高い材質を使用することで、ゲート容量を増加させて、ゲートしきい値電圧Ｖｔｇｈを低下させることができる。
＜実施例２＞（回路）
図５は、この発明の第２実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００の要部構成図である。この図はワンチップイグナイタ１００を構成する電流制限回路７の要部回路図である。

電流制限回路７や図示しない過熱検出回路１０の動作電圧を低下させるためには、これらの回路７、１０を構成するＭＯＳＦＥＴ（ｎＭＯＳ）のゲートしきい値を低下させる必要がある。その方策は前記したＩＧＢＴ１で採用した方策と同様である。

また、回路構成を工夫することで動作電圧を低減することができる。その例を電流制限回路７を用いて説明する。
従来の図９に示す電流制限回路５７は、図６（ａ）に示すように直列３段構成のｎＭＯＳ回路で構成されるオペアンプを用いて形成されていた。具体的にはこの３段構成のｎＭＯＳ回路で構成される回路が電圧増幅段６００である。ここでＶＨは電源の高圧側、ＶＬは電源の低圧側を示す。Ｖｉｎは入力電圧端子、Ｖｒｅｆは参照電圧入力端子である。「ＭＤ」及び数字で記載された素子はデプレッション型ＭＯＳＦＥＴであり、単に「Ｍ」及び数字で記載された素子はエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴである。これを図５に示す電流制限回路７ように、直列２段構成のインバータ回路４１に変更することで、電流制限回路７の最低動作電圧を１Ｖ以下とすることができる。これは、インバータ回路４１にあるそれぞれのインバータが直列２段構成のｎＭＯＳ（上段のｎＭＯＳはゲートとソースを短絡して抵抗として使用される）で構成されるためである。このｎＭＯＳを２段構成とした具体的な回路を図６（ｂ）に示す。またこのインバータ回路は、抵抗とｎＭＯＳを直列接続しても形成できる。ここでｎＭＯＳはｎチャネルＭＯＳＦＥＴのことであり、ｎＭＯＳの動作電圧はゲートしきい値電圧を低下することで１素子当たり０．７Ｖ程度以下にできる。電源電圧を２Ｖとした場合、ＭＯＳＦＥＴの閾値は２Ｖから０．７Ｖの間でなるべく０．７Ｖに近いことが望ましい。

また、過熱検出回路１０の場合も図５のように２段のインバータ回路４１を適用することで、電流制限回路７と同様に最低動作電圧を１Ｖ以下とすることができる。
図５のワンチップイグナイタ１００の製造方法の一例を説明する。

先ず、ＩＧＢＴ１などを形成する半導体基板３１に、電流制限回路７および過熱検出回路１０を構成する２段のインバータ回路４１をそれぞれの回路７，１０内に複数組形成しておく。

つぎに、ウェハ試験機でセンス抵抗５で発生する電圧（センス信号）もしくは過熱を検出して発生する検出電圧（ダイオードの順電圧降下）と、電流制限回路７および過熱検出回路１０内に複数組形成されたそれぞれの２段のインバータ回路４１の特性を比較して、最適な組み合わせでそれぞれの２段のインバータ回路４１を選定する。この選定の方法は、２段のインバータ回路４１、具体的にはこのインバータ回路を構成する図６（ｂ）に示すような回路をたとえばグランド側配線を接続しない状態で多数並列して形成しておき、その多数の中から適当な特性のものを選別して、その選別した回路についてグランド側配線を行うことで達成できる。グランド側配線を接続しない状態で形成した多数の回路は、グランド側はあらかじめ配線しておき、電源側を接続しない構成としても良い。

これによって、最低動作電圧が１Ｖ以下の電流制限回路７および過熱検出回路１０を高い精度で形成することができる。
＜実施例３＞（ノイズ対策とサージ保護）
図７は、この発明の第３実施例に係る内燃機関点火装置に用いられるワンチップイグナイタ１００の要部構成図である。

図７ではゲート配線２３とグランド配線２４の間にコンデンサ４２を接続している。このコンデンサ４２を設置することで、ゲート端子２６に入力されるゲート電圧が最低動作電圧である１．５Ｖに低下した状態で、マイナス極性のノイズが重畳しても、コンデンサ電圧によってこのゲート電圧の落ち込みが防止される。その結果、電流制限回路７、過熱検出回路１０およびＩＧＢＴ１を安定に動作させることができる。つまり、コンデンサ４２を設置することでワンチップイグナイタ１００のノイズ耐量を高めることができる。

また、電流制限回路７や過熱検出回路１０にコンデンサ４３，４４をそれぞれ設けても同様の効果がある。これらコンデンサは、電流制限回路７、過熱検出回路１０において電流や熱を検出するたとえば直列２段構成のＭＯＳＦＥＴ回路のノイズ耐量を向上させるようコンデンサを同ｎＭＯＳ回路直近に設置するものである。具体的にはたとえば図６（ｂ）において電源・グランド間、Ｖｉｎ・グランド間、Ｍ１１のゲート・グランド間にコンデンサを設置するものである。このようにコンデンサを設置することでＭＯＳＦＥＴの接合容量を増加させる効果がありノイズ耐量を向上できる。

サージ電圧がゲート端子２６に印加されたとき、このサージ電圧を抑制するためにＡ部に抵抗２９が挿入される。この挿入された抵抗２９とツェナダイオード１９でサージ電圧は分圧され、その分圧された電圧がＩＧＢＴ１のゲートに印加されるため、抵抗２９を設置することでサージ電圧を抑制できる。しかし、この抵抗２９はゲート配線２３に直列に挿入されるため、ゲート端子２６に入力されるゲート電圧はＩＧＢＴ１のゲートに到達した時点では低い電圧になる。そのため、この抵抗２９をできるだけ小さくしてゲート端子２６に入力されるゲート電圧の減衰を抑える必要がある。

前記のコンデンサ４２はスナバコンデンサと同様の働きをして、サージ電圧を抑制する効果がある。そのため、コンデンサ４２を設置することで、Ａ部に設置される抵抗２９を小さくすることができる。なお、図７においてＩＧＢＴのコレクタ２とゲート配線２３との間に挿入された双方向ダイオードは複数のダイオードが直列に接続されてものを省略した記載になっている。

前記の実施例1〜実施例３を組み合わせることで、ゲート端子２６に入力されるゲート電圧を低電圧化してもワンチップイグナイタ１００は安定に動作し、さらに、ノイズ耐量が向上でき、また、低ゲート電圧での動作でもＩＧＢＴ１の通電能力は十分確保される。

さらに、ハイブリッド型イグナイタに比べて、パッケージの小型化、低コスト化を図ることができる。

１ ＩＧＢＴ
２ コレクタ
３ ゲート
４ エミッタ
５ センスエミッタ
６ センス抵抗
７ 電流制限回路
８、１１ 高電位側
９、１２ 低電位側
１０ 過熱検出回路
１３ 第１ＭＯＳＦＥＴ
１４、１７ ゲート
１５、１８ ドレイン
１６ 第２ＭＯＳＦＥＴ
１９ ツェナーダイオード
２０ カソード
２１ アノード
２２、２９ 抵抗
２３ ゲート配線
２４ グランド配線
２５ コレクタ端子
２６ ゲート端子
２７ エミッタ端子
２８ グランド電位
３１ 半導体基板
３２ チャネル領域（ウェル領域）
３３ エミッタ領域
３４ ゲート酸化膜
３５ ゲート電極
３６ 層間絶縁膜
３７ エミッタ電極
３８ コレクタ領域
３９ コレクタ電極
４２，４３，４４ コンデンサ
１００ ワンチップイグナイタ

Claims (12)

1. ＭＯＳトランジスタと、該ＭＯＳトランジスタのゲートと電気的に接続するゲート端子と、該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制限する制御回路とを、同一半導体基板に配置したワンチップイグナイタにおいて、
   前記ワンチップイグナイタのゲート端子に入力される入力電圧が、前記制御回路の電源電圧及び前記ＭＯＳトランジスタの制御信号となり、前記入力電圧の最低電圧が３．５Ｖ未満であることを特徴とするワンチップイグナイタ。
2. 前記入力電圧の最低電圧が２．５Ｖ未満であることを特徴とする請求項１に記載のワンチップイグナイタ。
3. 前記入力電圧の最低電圧が２．０Ｖ未満であることを特徴とする請求項１に記載のワンチップイグナイタ。
4. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＭＯＳトランジスタのチャネル領域の単位体積当たりの不純物量が、１×１０¹⁷／ｃｍ³以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
5. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＭＯＳトランジスタのチャネル長が、４μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
6. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタのチャネル長さをＬ（ｃｍ）とし、前記ＭＯＳトランジスタのチャネル領域の単位体積当たりの不純物濃度をＮ（ｃｍ^-3）としたとき、Ｌ≦４×１０^-4×（１０^-17）^1/3×Ｎ^1/3であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
7. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＭＯＳトランジスタのゲート酸化膜の厚さが、５ｎｍ以上で、２５ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１〜６に記載のワンチップイグナイタ。
8. 前記ワンチップイグナイタを構成する前記ＭＯＳトランジスタの実効ゲートしきい値電圧が１Ｖ以上であり、前記ＭＯＳトランジスタのセルがストライプ状の場合、ストライプ状のセルの長手方向に直角方向の１ｃｍ当たりのセル本数が、５×１０²本以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
9. 前記ワンチップイグナイタを構成するＭＯＳトランジスタが、プレーナゲート構造またはトレンチ構造であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のワンチップイグナイタ。
10. 前記制御回路が、電流制限回路、過熱検出回路、タイマー回路、過電圧保護回路及び入力ヒステリシス回路から選択された一つ乃至複数の回路であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のワンチップイグナイタ。
11. 前記のＭＯＳトランジスタが絶縁ゲート型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のワンチップイグナイタ。
12. 請求項１〜１１に記載したワンチップイグナイタを用いた内燃機関点火装置。

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