JP2020170768A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書中に開示されている発明は、半導体装置に関する。 The inventions disclosed herein relate to semiconductor devices.
従来、半導体装置の動作中において、装置外部からの電流印加、ないしは、コイルまたは配線等のインダクタンス成分などが原因となり、半導体装置の外部端子に負電圧を生じることがある。 Conventionally, during the operation of a semiconductor device, a negative voltage may be generated at an external terminal of the semiconductor device due to a current applied from the outside of the device or an inductance component such as a coil or wiring.
なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献1を挙げることができる。
As an example of the prior art related to the above,
半導体装置の外部端子に負電圧が発生すると、装置内部の寄生素子が動作することがある。この寄生素子は、本来の回路動作には組み込まれていない素子である。そのため、本来の回路動作とは異なる想定外の誤動作を引き起こす原因となり、延いては、半導体装置を搭載したセットの誤動作や破壊に繋がるおそれがあった。 When a negative voltage is generated at the external terminal of the semiconductor device, the parasitic element inside the device may operate. This parasitic element is an element that is not incorporated in the original circuit operation. Therefore, it causes an unexpected malfunction different from the original circuit operation, which may lead to a malfunction or destruction of the set on which the semiconductor device is mounted.
なお、寄生素子が装置内部のどこに形成されるかを予測することは難しく、チップレイアウトや回路を工夫しても、寄生素子の形成自体をなくすことは決して容易でない。 It is difficult to predict where the parasitic element will be formed inside the device, and even if the chip layout and circuits are devised, it is not easy to eliminate the formation of the parasitic element itself.
本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、寄生素子による誤動作を防ぐことのできる半導体装置を提供することを目的とする。 The invention disclosed in the present specification is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of preventing malfunction due to a parasitic element in view of the above-mentioned problems found by the inventors of the present application.
例えば、本明細書中に開示されている半導体装置は、外部端子と、前記外部端子に接続された第1半導体領域と、内部回路を形成する第2半導体領域と、前記第2半導体領域よりも前記第1半導体領域の近くに形成された第3半導体領域と、前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に付随する寄生素子がオンしたときに前記外部端子への電流供給を行う電流供給回路と、を有する構成(第1の構成)とされている。 For example, the semiconductor device disclosed in the present specification is more than an external terminal, a first semiconductor region connected to the external terminal, a second semiconductor region forming an internal circuit, and the second semiconductor region. When the third semiconductor region formed near the first semiconductor region and the parasitic element associated between the first semiconductor region and the third semiconductor region are turned on, a current is supplied to the external terminal. It has a configuration (first configuration) including a current supply circuit.
なお、上記第1の構成から成る半導体装置において、前記寄生素子は、P型の半導体基板をベースとし、N型の前記第1半導体領域をエミッタとし、N型の前記第3半導体領域をコレクタとするnpn型トランジスタである構成(第2の構成)にするとよい。 In the semiconductor device having the first configuration, the parasitic element is based on a P-type semiconductor substrate, has an N-type first semiconductor region as an emitter, and has an N-type third semiconductor region as a collector. It is preferable to have a configuration (second configuration) in which the npn type transistor is used.
また、上記第1または第2の構成から成る半導体装置において、前記電流供給回路は、前記寄生素子がオンしたときに前記外部端子と前記基準電位端との間を短絡する第1スイッチ素子を含む構成(第3の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor device having the first or second configuration, the current supply circuit includes a first switch element that short-circuits between the external terminal and the reference potential end when the parasitic element is turned on. It is preferable to use a configuration (third configuration).
また、上記第3の構成から成る半導体装置において、前記第1スイッチ素子は、ドレインが前記外部端子に接続されてソースが前記基準電位端に接続されたNチャネル型トランジスタである構成(第4の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor device having the third configuration, the first switch element is an N-channel transistor in which the drain is connected to the external terminal and the source is connected to the reference potential end (fourth). Configuration) is recommended.
また、上記第4の構成から成る半導体装置において、前記電流供給回路は、前記寄生素子がオンしたときに電源端と前記第1スイッチ素子のゲートとの間を短絡する第2スイッチ素子をさらに含む構成(第5の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor device having the fourth configuration, the current supply circuit further includes a second switch element that short-circuits between the power supply end and the gate of the first switch element when the parasitic element is turned on. It is preferable to use the configuration (fifth configuration).
また、上記第5の構成から成る半導体装置において、前記第2スイッチ素子は、ソースが前記電源端に接続されてドレインが前記第1スイッチ素子のゲートに接続されてゲートが前記第3半導体領域に接続されたPチャネル型トランジスタである構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor device having the fifth configuration, in the second switch element, the source is connected to the power supply end, the drain is connected to the gate of the first switch element, and the gate is in the third semiconductor region. The configuration (sixth configuration) may be a connected P-channel transistor.
また、上記第6の構成から成る半導体装置において、前記電流供給回路は、前記第1スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された第1抵抗と、前記第2スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された第2抵抗と、をさらに含む構成(第7の構成)にするとよい。 Further, in the semiconductor device having the sixth configuration, the current supply circuit is connected between the first resistor connected between the gate and source of the first switch element and the gate and source of the second switch element. It is preferable to have a configuration (seventh configuration) further including the second resistor.
また、上記第1〜第7いずれかの構成から成る半導体装置は、前記外部端子と基準電位端との間に接続された静電保護素子をさらに有する構成(第8の構成)にするとよい。 Further, the semiconductor device having any of the first to seventh configurations may be configured to further include an electrostatic protection element connected between the external terminal and the reference potential end (eighth configuration).
また、上記第1〜第8いずれかの構成から成る半導体装置は、入力電圧の入力端と前記外部端子との間に接続された出力素子をさらに有する構成(第9の構成)にするとよい。 Further, the semiconductor device having any of the first to eighth configurations may be configured to further include an output element connected between the input end of the input voltage and the external terminal (nineth configuration).
また、上記第9の構成から成る半導体装置は、前記外部端子に現れる出力電圧またはこれに応じた帰還電圧と所定の参照電圧とが一致するように前記出力素子を駆動する出力駆動部をさらに有する構成(第10の構成)にするとよい。 Further, the semiconductor device having the ninth configuration further includes an output drive unit that drives the output element so that the output voltage appearing at the external terminal or the feedback voltage corresponding thereto and the predetermined reference voltage match. It is preferable to use the configuration (tenth configuration).
本明細書中に開示されている半導体装置によれば、寄生素子による誤動作を防ぐことが可能となる。 According to the semiconductor device disclosed in the present specification, it is possible to prevent malfunction due to a parasitic element.
<半導体装置(比較例)>
まず、半導体装置の新規な実施形態を説明する前に、これと対比される比較例について簡単に述べておく。
<Semiconductor device (comparative example)>
First, before explaining a new embodiment of a semiconductor device, a comparative example to be compared with this will be briefly described.
図1は、半導体装置の比較例を示す図である。本比較例の半導体装置100は、入力電圧VINから出力電圧VOUTを生成するLDO[low drop out]レギュレータICであり、Pチャネル型MOS[metal oxide semiconductor]電界効果トランジスタM1と、抵抗R1及びR2と、オペアンプAMPと、ツェナダイオードD1と、過電流保護回路OCPと、過熱保護回路TSDと、外部端子T1(=出力端子)と、を有する。もちろん、半導体装置100は、他の構成要素を有していても構わない。
FIG. 1 is a diagram showing a comparative example of a semiconductor device. The
トランジスタM1のソースは、入力電圧VINの入力端に接続されている。トランジスタM1のドレインは、外部端子T1(=出力電圧VOUT及び出力電流IOUTそれぞれの出力端)に接続されている。トランジスタM1のゲートは、オペアンプAMPの出力端(=ゲート信号G1の印加端)に接続されている。このように、トランジスタM1は、入力電圧VINの入力端と出力電圧VOUTの出力端との間に接続されており、オペアンプAMPから印加されるゲート信号G1に応じて、そのオン抵抗値(延いては導通度)が連続的に制御される出力素子として機能する。 The source of the transistor M1 is connected to the input end of the input voltage VIN. The drain of the transistor M1 is connected to the external terminal T1 (= the output end of each of the output voltage VOUT and the output current IOUT). The gate of the transistor M1 is connected to the output end (= application end of the gate signal G1) of the operational amplifier AMP. In this way, the transistor M1 is connected between the input end of the input voltage VIN and the output end of the output voltage VOUT, and its on-resistance value (extended) is increased according to the gate signal G1 applied from the operational amplifier AMP. Functions as an output element whose conductivity) is continuously controlled.
抵抗R1及びR2は、出力電圧VOUTの出力端(=外部端子T1)と接地端(=基準電位端)との間に直列接続されており、相互間の接続ノードから出力電圧VOUTを分圧した帰還電圧Vfb(=VOUT×{R2/(R1+R2)})を出力する抵抗分割回路として機能する。なお、出力電圧VOUTをそのまま帰還電圧VfbとしてオペアンプAMPに入力する場合には、抵抗R1及びR2を割愛すればよい。 The resistors R1 and R2 are connected in series between the output end (= external terminal T1) of the output voltage VOUT and the ground end (= reference potential end), and the output voltage VOUT is divided from the connection nodes between them. It functions as a resistance dividing circuit that outputs a feedback voltage Vfb (= VOUT × {R2 / (R1 + R2)}). When the output voltage VOUT is directly input to the operational amplifier AMP as the feedback voltage Vfb, the resistors R1 and R2 may be omitted.
オペアンプAMPは、非反転入力端(+)に入力される帰還電圧Vfbと、反転入力端(−)に入力される所定の参照電圧Vrefとが一致(イマジナリショート)するようにトランジスタM1のゲート信号G1を連続的に制御する出力駆動部として機能する。 The operational amplifier AMP has a gate signal of the transistor M1 so that the feedback voltage Vfb input to the non-inverting input end (+) and the predetermined reference voltage Vref input to the inverting input terminal (-) match (imaginary short). It functions as an output drive unit that continuously controls G1.
例えば、Vfb<Vrefであるときには、ゲート信号G1を引き下げてトランジスタM1のオン抵抗値を下げる(=トランジスタM1の導通度を上げる)ことにより、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧Vfb)を引き上げることができる。逆に、Vfb>Vrefであるときには、ゲート信号G1を引き上げてトランジスタM1のオン抵抗値を上げる(=トランジスタM1の導通度を下げる)ことにより、出力電圧VOUT(延いては帰還電圧Vfb)を引き下げることができる。 For example, when Vfb <Vref, the output voltage VOUT (and thus the feedback voltage Vfb) is raised by lowering the gate signal G1 and lowering the on-resistance value of the transistor M1 (= increasing the conductivity of the transistor M1). Can be done. On the contrary, when Vfb> Vref, the output voltage VOUT (and the feedback voltage Vfb) is lowered by raising the gate signal G1 and raising the on-resistance value of the transistor M1 (= lowering the conductivity of the transistor M1). be able to.
このように、オペアンプAMPを用いた出力帰還制御により、出力電圧VOUTをその目標値(=Vref×{(R1+R2)/R2})に合わせ込むことができる。 In this way, the output voltage VOUT can be adjusted to the target value (= Vref × {(R1 + R2) / R2}) by the output feedback control using the operational amplifier AMP.
ツェナダイオードD1のカソードは、出力電圧VOUTの出力端(=外部端子T1)に接続されている。ツェナダイオードD1のアノードは、接地端に接続されている。なお、ツェナダイオードD1は、静電気放電(ESD[electro-static discharge])から外部端子T1を守るための静電保護素子として機能する。従って、ツェナダイオードD1は、外部端子T1の近傍に設けることが望ましい。 The cathode of the Zener diode D1 is connected to the output end (= external terminal T1) of the output voltage VOUT. The anode of the Zener diode D1 is connected to the ground end. The Zener diode D1 functions as an electrostatic protection element for protecting the external terminal T1 from electrostatic discharge (ESD [electro-static discharge]). Therefore, it is desirable that the Zener diode D1 is provided in the vicinity of the external terminal T1.
過電流保護回路OCPは、トランジスタM1に流れる入力電流IINが過電流保護値IOCPよりも大きくなったときにゲート信号G1を強制的に引き上げてトランジスタM1を閉じるようにオペアンプAMPを制御する。従って、過電流保護回路OCPが正しく動作している限り、入力電流IINを過電流保護値IOCP以下に制限することができる。 The overcurrent protection circuit OCP controls the operational amplifier AMP so as to forcibly pull up the gate signal G1 and close the transistor M1 when the input current IIN flowing through the transistor M1 becomes larger than the overcurrent protection value IOCP. Therefore, as long as the overcurrent protection circuit OCP is operating correctly, the input current IIN can be limited to the overcurrent protection value IOCP or less.
過熱保護回路TSDは、半導体装置100のジャンクション温度Tjが過熱保護値Ttsdよりも高くなったときにゲート信号G1を強制的に引き上げてトランジスタM1を閉じるようにオペアンプAMPを制御する。従って、過熱保護回路TSDが正しく動作している限り、半導体装置100のジャンクション温度Tjを過熱保護値Ttsd以下に制限することができる。
The superheat protection circuit TSD controls the operational amplifier AMP so as to forcibly pull up the gate signal G1 and close the transistor M1 when the junction temperature Tj of the
ところで、半導体装置100には、そのデバイス構造上、本来の回路動作には組み込まれていない寄生素子(例えばnpn型バイポーラトランジスタQ0であり、以下では寄生トランジスタQ0と呼ぶ)が付随する。
By the way, the
本図に即して述べると、寄生トランジスタQ0は、P型半導体基板(Psub)をベースとし、ツェナダイオードD1のN型半導体領域(=カソード)をエミッタとし、内部回路のN型半導体領域(例えば、オペアンプAMPの出力段としてトランジスタM1のゲートに接続されるNチャネル型MOS電界効果トランジスタM2のドレイン)をコレクタとするように形成される。以下では、半導体装置100の模式的な縦断面を参照しながら、寄生トランジスタQ0の説明を続ける。
According to this figure, the parasitic transistor Q0 is based on a P-type semiconductor substrate (Psub), has an N-type semiconductor region (= cathode) of the Zena diode D1 as an emitter, and has an N-type semiconductor region (for example, an internal circuit). , The drain of the N-channel MOS field effect transistor M2 connected to the gate of the transistor M1 as the output stage of the operational amplifier AMP) is formed as a collector. Hereinafter, the description of the parasitic transistor Q0 will be continued with reference to a schematic vertical cross section of the
図2は、半導体装置100の縦断面を示す図である。半導体装置100のP型半導体基板101には、N型半導体ウェル102及び103が形成されている。N型半導体ウェル102には、N型半導体コンタクト104が形成されている。N型半導体ウェル103には、N型半導体コンタクト105及び106が形成されている。また、N型半導体ウェル103には、P型半導体ウェル107が形成されている。P型半導体ウェル107には、P型半導体コンタクト108が形成されている。
FIG. 2 is a diagram showing a vertical cross section of the
N型半導体ウェル102は、内部回路(NMOS、PMOS、npn、pnpなど)を形成するためのN型半導体領域であり、例えば、図1におけるトランジスタM2のドレインがこれに相当する。N型半導体ウェル102は、N型半導体コンタクト104を介して他の内部回路(例えば、図1におけるトランジスタM1のゲート)に接続されている。
The N-
N型半導体ウェル103は、静電保護素子を形成するためのN型半導体領域であり、例えば、図1におけるツェナダイオードD1のカソードがこれに相当する。なお、N型半導体ウェル103は、N型半導体コンタクト105及び106を介して外部端子T1に接続されている。
The N-
P型半導体ウェル107は、静電保護素子を形成するためのP型半導体領域であり、例えば、図1におけるツェナダイオードD1のアノードがこれに相当する。なお、P型半導体ウェル107は、P型半導体コンタクト108を介して接地端に接続されている。
The P-
上記のデバイス構造を持つ半導体装置100において、寄生トランジスタQ0は、P型半導体基板101をベースとし、N型半導体ウェル103ないしはN型半導体コンタクト105及び106(=ツェナダイオードD1のカソード)をエミッタとし、N型半導体ウェル102ないしはN型半導体コンタクト104(=トランジスタM2のドレイン)をコレクタとするnpn型バイポーラトランジスタとして形成される。
In the
このような寄生トランジスタQ0が付随する半導体装置100において、例えば、外部端子T1から過電流保護値IOCPよりも大きい出力電流IOUTが引き出された場合、接地端からツェナダイオードD1を介して外部端子T1に向けた順方向のダイオード電流IDi(=IOUT−IOCP)が流れる。従って、外部端子T1には、ツェナダイオードD1の順方向降下電圧Vf(D1)に相当する負電圧(=−Vf(D1))が生じる。
In the
上記負電圧の発生により、寄生トランジスタQ0のベース・エミッタ間に順方向降下電圧Vf(Q0)以上の電位差が生じると、寄生トランジスタQ0がオンしてトランジスタM2のドレイン(延いてはトランジスタM1のゲート)から電流が引き抜かれる。その結果、オペアンプAMPのゲート制御に反して、トランジスタM1が誤オンしてしまい、半導体装置100を搭載したセットの誤動作や破壊を招くおそれがある。
When a potential difference of more than the forward voltage drop Vf (Q0) occurs between the base and emitter of the parasitic transistor Q0 due to the generation of the negative voltage, the parasitic transistor Q0 is turned on and the drain of the transistor M2 (and the gate of the transistor M1) is turned on. ), The current is drawn. As a result, contrary to the gate control of the operational amplifier AMP, the transistor M1 may be erroneously turned on, which may lead to malfunction or destruction of the set on which the
なお、負電圧が発生し得る外部端子T1に接続されて寄生トランジスタQ0の原因となる寄生要因素子としては、静電保護素子(例えばツェナダイオードD1)以外にも、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタなどを挙げることができる。 In addition to the electrostatic protection element (for example, Zener diode D1), the parasitic factor element connected to the external terminal T1 where a negative voltage can be generated and causing the parasitic transistor Q0 includes an N-channel type MOS field effect transistor and the like. Can be mentioned.
以下では、外部端子T1における負電圧発生時の挙動について、図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, the behavior of the external terminal T1 when a negative voltage is generated will be specifically described with reference to the drawings.
図3は、比較例における負電圧発生時の挙動を示す図であり、上から順に、出力電圧VOUT、入力電流IIN、ダイオード電流IDi、並びに、損失電力Plossのそれぞれについて、出力電流IOUTとの相関関係が描写されている。 FIG. 3 is a diagram showing the behavior when a negative voltage is generated in the comparative example. In order from the top, each of the output voltage VOUT, the input current IIN, the diode current IDi, and the lost power Plus is correlated with the output current IOUT. The relationship is depicted.
期間(1)は、半導体装置100の正常動作期間に相当する。すなわち、期間(1)では、外部端子T1に負電圧が発生しておらず、寄生トランジスタQ0もオンしていない。また、入力電流IINが過電流保護値IOCPに達すると、それ以上電流が流れないように過電流保護回路OCPが動作する。従って、基本的に入力電流IINが過電流保護値IOCPを超えて流れることはない。なお、期間(1)では、P1=(VIN−VOUT)×IOUTで決定される損失電力Plossが発生する。
The period (1) corresponds to the normal operation period of the
期間(2)は、過電流保護回路OCPによる電流制限期間に相当する。外部端子T1にインダクタンス成分が存在する場合や強制的な負荷試験が行われる場合には、外部端子T1から過電流保護値IOCPよりも大きい出力電流IOUTが引き出されることがある。このとき、入力電流IINは、過電流保護値IOCPに制限されるので、不足分の電流がダイオード電流IDiとして流れる。その結果、外部端子T1には、ツェナダイオードD1の順方向降下電圧Vf(D1)に相当する負電圧(=−Vf(D1))が生じる。ただし、期間(2)では、未だVf(D1)<Vf(Q0)であり、寄生トランジスタQ0がオンしない。従って、期間(2)では、P2=(VIN+Vf(D1))×IOCP+Vf(D1)×(IOUT−IOCP)で決定される損失電力Plossが発生する。 The period (2) corresponds to the current limiting period by the overcurrent protection circuit OCP. When an inductance component is present in the external terminal T1 or a forced load test is performed, an output current IOUT larger than the overcurrent protection value IOCP may be drawn from the external terminal T1. At this time, since the input current IIN is limited to the overcurrent protection value IOCP, the insufficient current flows as the diode current IDi. As a result, a negative voltage (= −Vf (D1)) corresponding to the forward voltage drop Vf (D1) of the Zener diode D1 is generated at the external terminal T1. However, in the period (2), Vf (D1) <Vf (Q0) is still satisfied, and the parasitic transistor Q0 does not turn on. Therefore, in the period (2), the power loss loss determined by P2 = (VIN + Vf (D1)) × IOCP + Vf (D1) × (IOUT-IOCP) is generated.
なお、期間(2)の長さは、半導体装置100のレイアウトや内部回路、インピーダンス等によって決定される。負電圧の発生直後に寄生素子(例えば寄生トランジスタQ0)が内部回路を誤動作させる場合もあれば、寄生素子による誤作動が生じない場合もある。
The length of the period (2) is determined by the layout, internal circuit, impedance, etc. of the
期間(3)は、寄生素子による誤動作期間に相当する。負電圧(=−Vf(D1))の発生により、寄生トランジスタQ0のベース・エミッタ間に順方向降下電圧Vf(Q0)以上の電位差が生じて寄生トランジスタQ0がオンすると、内部回路が誤動作する。 The period (3) corresponds to a malfunction period due to the parasitic element. When a negative voltage (= −Vf (D1)) is generated, a potential difference of more than the forward voltage drop Vf (Q0) occurs between the base and emitter of the parasitic transistor Q0 and the parasitic transistor Q0 is turned on, the internal circuit malfunctions.
例えば、先出の図1で示したように、オペアンプAMPの出力段を形成するトランジスタM2のドレインが寄生トランジスタQ0のコレクタになった場合を考える。この場合、過電流保護回路OCP(または過熱保護回路TSD)がトランジスタM1のゲートに流し込んでいるオフ電流(例えばμAオーダー)よりも遥かに大きいコレクタ電流(例えばmAオーダー)がトランジスタM1のゲートから寄生トランジスタQ0に引き抜かれ得る。 For example, consider the case where the drain of the transistor M2 forming the output stage of the operational amplifier AMP becomes the collector of the parasitic transistor Q0 as shown in FIG. 1 above. In this case, a collector current (for example, mA order) that is much larger than the off current (for example, μA order) that the overcurrent protection circuit OCP (or overheat protection circuit TSD) is flowing into the gate of the transistor M1 is parasitic from the gate of the transistor M1. It can be pulled out by transistor Q0.
このような状況に陥ると、過電流保護回路OCPがゲート信号G1をハイレベルに維持できなくなり、トランジスタM1が誤オンしてしまう。その結果、入力電流IIN(延いては出力電流IOUT)が過電流保護値IOCPを超えて増大し、半導体装置100やこれを搭載したセットの破壊を招くおそれがある。
In such a situation, the overcurrent protection circuit OCP cannot maintain the gate signal G1 at a high level, and the transistor M1 is erroneously turned on. As a result, the input current IIN (and thus the output current IOUT) increases beyond the overcurrent protection value IOCP, which may lead to the destruction of the
なお、期間(3)では、P3=(VIN+Vf(D1))×(IOUT−IDi)+Vf(D1)×IDiで決定される損失電力Plossが発生する。すなわち、入力電圧VINが高いほど損失電力Plossが大きくなり、延いては、半導体装置100やこれを搭載したセットが破壊に至る可能性も高まる。
In the period (3), the lost power Plus determined by P3 = (VIN + Vf (D1)) × (IOUT-IDi) + Vf (D1) × IDi is generated. That is, the higher the input voltage VIN, the larger the power loss loss, and the higher the possibility that the
以下では、上記の不具合を解消することのできる種々の実施形態について説明する。 Hereinafter, various embodiments that can solve the above-mentioned problems will be described.
<半導体装置(第1実施形態)>
図4は、半導体装置の第1実施形態を示す図である。本実施形態の半導体装置41は、先出の比較例(図1)を基本としつつ、npn型バイポーラトランジスタQ2と、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタM5と、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタM6と、抵抗R5及びR6と、をさらに有する。
<Semiconductor device (first embodiment)>
FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of the semiconductor device. The
トランジスタQ2のベースとエミッタは、接地端(例えばP型半導体基板)に接続されている。トランジスタQ2のコレクタは、トランジスタM6のゲートに接続されている。このように接続されたトランジスタQ2は、常にオフされたダミー素子として機能する。なお、トランジスタQ2は、ツェナダイオードD1とトランジスタM2との間(=トランジスタM2よりもツェナダイオードD1に近い位置)に形成されており、ツェナダイオードD1のカソードとトランジスタQ2のコレクタとの間には、寄生トランジスタQ3が付随する(詳細は後述)。 The base and emitter of the transistor Q2 are connected to a grounded end (for example, a P-type semiconductor substrate). The collector of transistor Q2 is connected to the gate of transistor M6. The transistor Q2 connected in this way functions as a dummy element that is always turned off. The transistor Q2 is formed between the Zener diode D1 and the transistor M2 (= a position closer to the Zener diode D1 than the transistor M2), and between the cathode of the Zener diode D1 and the collector of the transistor Q2. A parasitic transistor Q3 is attached (details will be described later).
トランジスタM5のドレインは、外部端子T1に接続されている。トランジスタM5のゲートと抵抗R5の第1端は、トランジスタM6のドレインに接続されている。トランジスタM5のソースと抵抗R5の第2端は、接地端に接続されている。トランジスタM6のソースと抵抗R6の第1端は、トランジスタM1のソース(=入力電圧VINの入力端)に接続されている。トランジスタM6のゲートと抵抗R6の第2端は、トランジスタQ2のコレクタ(延いては寄生トランジスタQ3のコレクタ)に接続されている。 The drain of the transistor M5 is connected to the external terminal T1. The gate of the transistor M5 and the first end of the resistor R5 are connected to the drain of the transistor M6. The source of the transistor M5 and the second end of the resistor R5 are connected to the ground end. The source of the transistor M6 and the first end of the resistor R6 are connected to the source of the transistor M1 (= the input end of the input voltage VIN). The gate of the transistor M6 and the second end of the resistor R6 are connected to the collector of the transistor Q2 (and thus the collector of the parasitic transistor Q3).
このように接続されたトランジスタM5及びM6、並びに、抵抗R5及びR6は、寄生トランジスタQ3がオンしたときに外部端子T1への電流供給を行う電流供給回路CSとして機能する。より具体的に述べると、電流供給回路CSは、寄生トランジスタQ3のオン時に、接地端から外部端子T1に向けて流れるトランジスタ電流IM5を生成する。 The transistors M5 and M6 and the resistors R5 and R6 connected in this way function as a current supply circuit CS that supplies current to the external terminal T1 when the parasitic transistor Q3 is turned on. More specifically, the current supply circuit CS generates a transistor current IM5 that flows from the ground end toward the external terminal T1 when the parasitic transistor Q3 is turned on.
なお、トランジスタM5は、寄生トランジスタQ3がオンしたときに外部端子T1と接地端との間を短絡する第1スイッチ素子に相当する。また、トランジスタM6は、寄生トランジスタQ3がオンしたときに電源端(=入力電圧VINの入力端)と第1スイッチ素子のゲートとの間を短絡する第2スイッチ素子に相当する。 The transistor M5 corresponds to a first switch element that short-circuits between the external terminal T1 and the ground end when the parasitic transistor Q3 is turned on. Further, the transistor M6 corresponds to a second switch element that short-circuits between the power supply end (= input end of the input voltage VIN) and the gate of the first switch element when the parasitic transistor Q3 is turned on.
以下では、半導体装置41の模式的な平面レイアウト及び縦断面を参照しながら、寄生トランジスタQ3の説明を続ける。
In the following, the description of the parasitic transistor Q3 will be continued with reference to the schematic planar layout and vertical cross section of the
図5は、半導体装置41の平面レイアウト(上段)と縦断面(下段)を示す図である。本図で示したように、半導体装置41のP型半導体基板400には、複数の素子形成領域(本図では、素子形成領域410、420及び430の3つを例示)が形成されている。
FIG. 5 is a diagram showing a planar layout (upper row) and a vertical cross section (lower row) of the
素子形成領域410は、静電保護素子(例えばツェナダイオードD1)の形成領域に相当する。素子形成領域410において、P型半導体基板400には、N型半導体ウェル411が形成されている。N型半導体ウェル411には、N型半導体コンタクト412及び413が形成されている。また、N型半導体ウェル411には、P型半導体ウェル414が形成されている。P型半導体ウェル414には、P型半導体コンタクト415が形成されている。
The
なお、N型半導体ウェル411は、ツェナダイオードD1のカソード(C)に相当し、N型半導体コンタクト412及び413を介して外部端子T1に接続されている。これらのN型半導体ウェル411並びにN型半導体コンタクト412及び413は、外部端子T1に接続されたN型の第1半導体領域として理解することができる。一方、P型半導体ウェル414は、ツェナダイオードD1のアノード(A)に相当し、P型半導体コンタクト415を介して接地端に接続されている。
The N-
素子形成領域420は、内部回路(例えばトランジスタM2)の形成領域に相当する。素子形成領域420において、P型半導体基板400には、P型半導体ウェル421が形成されている。P型半導体ウェル421には、P型半導体コンタクト422が形成されている。また、P型半導体ウェル421には、N型半導体領域423及び424が形成されている。
The
なお、N型半導体領域423及び424は、トランジスタM2のソース(S)及びドレイン(D)に相当し、相互間のチャネル領域上には、絶縁層を挟んでゲート(G)が形成されている。これらのN型半導体領域423及び424は、内部回路を形成するN型の第2半導体領域として理解することができる。一方、P型半導体ウェル421は、トランジスタM2のバックゲート(BG)に相当し、P型半導体コンタクト422を介してトランジスタM2のソース(=N型半導体領域423)に接続されている。
The N-
素子形成領域430は、ダミー素子(例えば、トランジスタQ2)の形成領域に相当する。なお、素子形成領域430は、本図で示したように、素子形成領域420よりも素子形成領域410に近い位置(例えば、素子形成領域410と素子形成領域420との間)に配置されている。言い換えると、素子形成領域410と素子形成領域430との距離dxは、素子形成領域410と素子形成領域420との距離dyよりも短い。
The
素子形成領域430において、P型半導体基板400には、N型半導体ウェル431が形成されている。なお、N型半導体ウェル431には、N型半導体コンタクト432が形成されている。また、N型半導体ウェル431には、P型半導体ウェル433が形成されている。P型半導体ウェル433には、P型半導体コンタクト434とN型半導体領域435が形成されている。
In the
なお、N型半導体ウェル431は、トランジスタQ2のコレクタ(C)に相当し、N型半導体コンタクト432を介して電流供給回路CS(より詳細にはトランジスタM6のゲート)に接続されている。これらのN型半導体ウェル431及びN型半導体コンタクト432は、第1半導体領域(=N型半導体ウェル411並びにN型半導体コンタクト412及び413)と第2半導体領域(=N型半導体領域423及び424)との間に形成された第3半導体領域として理解することができる。一方、P型半導体ウェル433は、トランジスタQ2のベース(B)に相当し、P型半導体コンタクト434を介して接地端に接続されている。また、N型半導体領域435は、トランジスタQ2のエミッタ(E)に相当し、接地端に接続されている。
The N-
ただし、素子形成領域430に形成されるダミー素子は、npn型バイポーラトランジスタQ2に限られるものではなく、寄生トランジスタQ3のコレクタとなるN型半導体領域(=第3半導体領域に相当)を持つものであれば、pnp型バイポーラトランジスタ、Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ、若しくは、Pチャネル型MOS電界効果トランジスタなど、任意のダミー素子を用いることができる。
However, the dummy element formed in the
また、ダミー素子として、N型半導体領域のみ(例えばN型半導体ウェル431及びN型半導体コンタクト432だけ)を形成しても構わない。すなわち、ダミー素子は、それ単体で機能する素子でなくともよい。
Further, as the dummy element, only the N-type semiconductor region (for example, only the N-
上記のデバイス構造を持つ半導体装置41において、寄生トランジスタQ3は、P型半導体基板400をベースとし、N型半導体ウェル411並びにN型半導体コンタクト412及び413(=ツェナダイオードD1のカソード)をエミッタとし、N型半導体ウェル431ないしはN型半導体コンタクト432(=トランジスタQ2のコレクタ)をコレクタとするnpn型バイポーラトランジスタとして形成される。
In the
このような寄生トランジスタQ3が付随する半導体装置41において、例えば、外部端子T1から過電流保護値IOCPよりも大きい出力電流IOUTが引き出された場合、接地端からツェナダイオードD1を介して外部端子T1に向けた順方向のダイオード電流IDi(=IOUT−IOCP)が流れる。従って、外部端子T1には、ツェナダイオードD1の順方向降下電圧Vf(D1)に相当する負電圧(=−Vf(D1))が生じる。
In the
上記負電圧の発生により、寄生トランジスタQ3のベース・エミッタ間に順方向降下電圧Vf(Q3)以上の電位差が生じると、寄生トランジスタQ3がオンする。このとき、寄生トランジスタQ3は、エミッタとなるN型半導体領域(=N型半導体ウェル411並びにN型半導体コンタクト412及び413)から見て、より近くに存在するN型半導体領域をコレクタとして電流を引き始める。
When the generation of the negative voltage causes a potential difference of the forward voltage drop Vf (Q3) or more between the base and the emitter of the parasitic transistor Q3, the parasitic transistor Q3 is turned on. At this time, the parasitic transistor Q3 draws a current by using the N-type semiconductor region existing closer to the emitter as a collector when viewed from the N-type semiconductor region (= N-
本図に即して述べると、寄生トランジスタQ3は、寄生トランジスタQ0がトランジスタM2のドレイン(=N型半導体領域424)から電流を引き始めるよりも先に、トランジスタQ2のコレクタ(=N型半導体ウェル431及びN型半導体コンタクト432)から電流を引き始める。すなわち、寄生トランジスタQ3は、内部回路よりも静電保護素子に近いダミー素子から最先に電流を引き始める。その結果、電流供給回路CSが動作して外部端子T1にトランジスタ電流IM5が供給される。以下では、このような負電圧発生時の挙動について、図面を参照しながら具体的に説明する。 According to this figure, the parasitic transistor Q3 is a collector (= N-type semiconductor well) of the transistor Q2 before the parasitic transistor Q0 starts to draw a current from the drain (= N-type semiconductor region 424) of the transistor M2. Start drawing current from 431 and N-type semiconductor contact 432). That is, the parasitic transistor Q3 starts to draw the current first from the dummy element closer to the electrostatic protection element than the internal circuit. As a result, the current supply circuit CS operates to supply the transistor current IM5 to the external terminal T1. Hereinafter, the behavior when such a negative voltage is generated will be specifically described with reference to the drawings.
図6は、第1実施形態における負電圧発生時の挙動を示す図であり、上から順に、出力電圧VOUT、入力電流IIN、ダイオード電流IDi、トランジスタ電流IM5、損失電力Plossのそれぞれについて、出力電流IOUTとの相関関係が描写されている。 FIG. 6 is a diagram showing the behavior when a negative voltage is generated in the first embodiment, and is an output current for each of the output voltage VOUT, the input current IIN, the diode current IDi, the transistor current IM5, and the lost power Plus in order from the top. The correlation with IOUT is depicted.
期間(1)は、半導体装置41の正常動作期間に相当する。つまり、期間(1)では、外部端子T1に負電圧が発生しておらず、寄生トランジスタQ0(図1を参照)もオンしていない。また、期間(1)では、寄生トランジスタQ3がオンしないので、トランジスタM6のゲートが抵抗R6を介して入力電圧VINにプルアップされる。その結果、トランジスタM6がオフし、トランジスタM5のゲートが抵抗R5を介して接地端にプルダウンされるので、トランジスタM5もオフする。従って、電流供給回路CSが出力電圧VOUTの生成動作に悪影響を及ぼすことはない。なお、期間(1)では、P1=(VIN−VOUT)×IOUTで決定される損失電力Plossが発生する。このように、半導体装置41の正常動作期間については、先出の比較例(図3を参照)と何ら変わりがない。
The period (1) corresponds to the normal operation period of the
期間(2)は、過電流保護回路OCPによる電流制限期間に相当する。先述のように、外部端子T1にインダクタンス成分が存在する場合や強制的な負荷試験が行われる場合には、外部端子T1から過電流保護値IOCPよりも大きい出力電流IOUTが引き出されることがある。このとき、入力電流IINは、過電流保護値IOCPに制限されるので、不足分の電流がダイオード電流IDiとして流れる。その結果、外部端子T1には、ツェナダイオードD1の順方向降下電圧Vf(D1)に相当する負電圧(=−Vf(D1))が生じる。ただし、期間(2)では、未だVf(D1)<Vf(Q3)であり、寄生トランジスタQ3がオンしない。従って、期間(2)では、P2=(VIN+Vf(D1))×IOCP+Vf(D1)×(IOUT−IOCP)で決定される損失電力Plossが発生する。 The period (2) corresponds to the current limiting period by the overcurrent protection circuit OCP. As described above, when an inductance component is present in the external terminal T1 or when a forced load test is performed, an output current IOUT larger than the overcurrent protection value IOCP may be drawn from the external terminal T1. At this time, since the input current IIN is limited to the overcurrent protection value IOCP, the insufficient current flows as the diode current IDi. As a result, a negative voltage (= −Vf (D1)) corresponding to the forward voltage drop Vf (D1) of the Zener diode D1 is generated at the external terminal T1. However, in the period (2), Vf (D1) <Vf (Q3) is still satisfied, and the parasitic transistor Q3 is not turned on. Therefore, in the period (2), the power loss loss determined by P2 = (VIN + Vf (D1)) × IOCP + Vf (D1) × (IOUT-IOCP) is generated.
このように、過電流保護回路OCPによる電流制限期間についても、先出の比較例(図3)と基本的に変わりがない。ただし、寄生トランジスタQ3がトランジスタQ2のコレクタから電流を引き始めるタイミングは、寄生トランジスタQ0がトランジスタM2のドレインから電流を引き始めるタイミングよりも早くなる。従って、期間(2)の長さは、先出の比較例(図3を参照)よりも短くなる。 As described above, the current limiting period by the overcurrent protection circuit OCP is basically the same as that of the above-mentioned comparative example (FIG. 3). However, the timing at which the parasitic transistor Q3 starts drawing current from the collector of transistor Q2 is earlier than the timing at which the parasitic transistor Q0 starts drawing current from the drain of transistor M2. Therefore, the length of the period (2) is shorter than that of the above-mentioned comparative example (see FIG. 3).
期間(3)は、寄生動作による電流供給期間に相当する。ダイオード電流IDiの増大に伴って出力電圧VOUTがさらに負に低下していき、寄生トランジスタQ3のベース・エミッタ間に順方向降下電圧Vf(Q3)以上の電位差が生じると、寄生トランジスタQ3がオンする。 The period (3) corresponds to the current supply period due to the parasitic operation. As the diode current IDi increases, the output voltage VOUT further decreases negatively, and when a potential difference of the forward voltage drop Vf (Q3) or more occurs between the base and emitter of the parasitic transistor Q3, the parasitic transistor Q3 turns on. ..
寄生トランジスタQ3がオンすると、トランジスタM6のゲートには、外部端子T1の負電圧(=−Vf(Q3))が印加されるので、トランジスタM6がオンする。従って、電源端(=入力電圧VINの入力端)とトランジスタM5のゲートとの間が短絡してトランジスタM5がオンするので、外部端子T1と接地端との間が短絡される。 When the parasitic transistor Q3 is turned on, the negative voltage (= −Vf (Q3)) of the external terminal T1 is applied to the gate of the transistor M6, so that the transistor M6 is turned on. Therefore, the power supply end (= input end of the input voltage VIN) and the gate of the transistor M5 are short-circuited to turn on the transistor M5, so that the external terminal T1 and the ground end are short-circuited.
このように、トランジスタM5がオンすると、外部端子T1に繋がる電流経路(=寄生トランジスタQ0を介する電流経路を含む)のうち、最もインピーダンスの低い電流経路を介して外部端子T1が接地端と導通する。従って、出力電流IOUTのうち、過電流保護値IOCPを超える不足分の電流は、トランジスタM5のオン以降、その大部分が接地端から外部端子T1に向けて流れるトランジスタ電流IM5により賄われることになる。 In this way, when the transistor M5 is turned on, the external terminal T1 conducts with the ground end via the current path having the lowest impedance among the current paths connected to the external terminal T1 (= including the current path via the parasitic transistor Q0). .. Therefore, of the output current IOUT, the shortage current exceeding the overcurrent protection value IOCP is covered by the transistor current IM5, which flows from the ground end toward the external terminal T1 after the transistor M5 is turned on. ..
また、このとき、外部端子T1の負電圧は、寄生トランジスタQ3の順方向降下電圧Vf(Q3)に相当する負電圧(=−Vf(Q3)>−Vf(Q0))に維持される。従って、寄生トランジスタQ0がオンすることはないので、内部回路の誤動作を防止して、トランジスタM1を確実にオフしておくことができる。 At this time, the negative voltage of the external terminal T1 is maintained at a negative voltage (= −Vf (Q3)> −Vf (Q0)) corresponding to the forward voltage drop Vf (Q3) of the parasitic transistor Q3. Therefore, since the parasitic transistor Q0 does not turn on, the malfunction of the internal circuit can be prevented and the transistor M1 can be surely turned off.
なお、期間(3)では、外部端子T1から引き出される出力電流IOUTの大部分がトランジスタ電流IM5により賄われるので、先出の比較例(図3)と異なり、P3=(VIN+Vf(Q3))×IOCP+Vf(Q3)×(IDi+IM5)で決定される損失電力Plossしか発生しなくなる。 In the period (3), most of the output current IOUT drawn from the external terminal T1 is covered by the transistor current IM5. Therefore, unlike the comparative example (FIG. 3) above, P3 = (VIN + Vf (Q3)) × Only the loss power Plus determined by IOCP + Vf (Q3) × (IDi + IM5) is generated.
従って、損失電力Plossを小さく抑えることが可能となり、延いては、半導体装置51やこれを搭載したセットの破壊を未然に防止することが可能となる。 Therefore, it is possible to suppress the power loss loss to a small value, and it is possible to prevent the semiconductor device 51 and the set on which the semiconductor device 51 is mounted from being destroyed.
<その他の変形例>
なお、上記実施形態では、LDOレギュレータICへの適用例を挙げたが、適用対象は何らこれに限定されるものではない。例えば、出力端子以外の外部端子(イネーブル端子や出力帰還端子など)における負電圧対策としても適用することが可能である。
<Other variants>
In the above embodiment, an example of application to the LDO regulator IC has been given, but the application target is not limited to this. For example, it can be applied as a countermeasure against negative voltage at an external terminal (enable terminal, output feedback terminal, etc.) other than the output terminal.
このように、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 As described above, the various technical features disclosed in the present specification can be modified in addition to the above-described embodiment without departing from the spirit of the technical creation. That is, it should be considered that the above-described embodiment is exemplary in all respects and is not restrictive, and the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiment and claims for a patent. It should be understood that the meaning equivalent to the scope of and all changes belonging to the scope are included.
本明細書中に開示されている発明は、寄生素子を持つ半導体装置全般に広く利用することが可能である。 The invention disclosed in the present specification can be widely used in all semiconductor devices having a parasitic element.
41、100 半導体装置
101 P型半導体基板
102、103 N型半導体ウェル
104、105、106 N型半導体コンタクト
107 P型半導体ウェル
108 P型半導体コンタクト
400 P型半導体基板
410 素子形成領域
411 N型半導体ウェル
412、413 N型半導体コンタクト
414 P型半導体ウェル
415 P型半導体コンタクト
420 素子形成領域
421 P型ウェル
422 P型半導体コンタクト
423、424 N型半導体領域
430 素子形成領域
431 N型半導体ウェル
432 N型半導体コンタクト
433 P型半導体ウェル
434 P型半導体コンタクト
435 N型半導体領域
AMP オペアンプ(出力駆動部)
CS 電流供給回路
D1 ツェナダイオード(静電保護素子、寄生要因素子)
M1 Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ(出力素子)
M2 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ
M5 Nチャネル型MOS電界効果トランジスタ(第1スイッチ素子)
M6 Pチャネル型MOS電界効果トランジスタ(第2スイッチ素子)
OCP 過電流保護回路
Q0 npn型バイポーラトランジスタ(寄生素子)
Q2 npn型バイポーラトランジスタ(ダミー素子)
Q3 npn型バイポーラトランジスタ(寄生素子)
R1、R2、R5、R6 抵抗
T1 外部端子
TSD 過熱保護回路
41, 100 Semiconductor device 101 P-
CS current supply circuit D1 Zener diode (electrostatic protection element, parasitic factor element)
M1 P-channel type MOS field effect transistor (output element)
M2 N-channel type MOS field-effect transistor M5 N-channel type MOS field-effect transistor (first switch element)
M6 P-channel type MOS field effect transistor (second switch element)
OCP overcurrent protection circuit Q0 npn type bipolar transistor (parasitic element)
Q2 npn type bipolar transistor (dummy element)
Q3 npn type bipolar transistor (parasitic element)
R1, R2, R5, R6 resistor T1 external terminal TSD overheat protection circuit
Claims (10)
前記外部端子に接続された第1半導体領域と、
内部回路を形成する第2半導体領域と、
前記第2半導体領域よりも前記第1半導体領域の近くに形成された第3半導体領域と、
前記第1半導体領域と前記第3半導体領域との間に付随する寄生素子がオンしたときに前記外部端子への電流供給を行う電流供給回路と、
を有することを特徴とする半導体装置。 With external terminals
The first semiconductor region connected to the external terminal and
The second semiconductor region that forms the internal circuit and
A third semiconductor region formed closer to the first semiconductor region than the second semiconductor region,
A current supply circuit that supplies current to the external terminal when a parasitic element attached between the first semiconductor region and the third semiconductor region is turned on.
A semiconductor device characterized by having.
前記第1スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された第1抵抗と、
前記第2スイッチ素子のゲート・ソース間に接続された第2抵抗と、
をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 The current supply circuit
The first resistor connected between the gate and source of the first switch element and
A second resistor connected between the gate and source of the second switch element,
The semiconductor device according to claim 6, further comprising.
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