JP2771574B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2771574B2
JP2771574B2 JP1028693A JP2869389A JP2771574B2 JP 2771574 B2 JP2771574 B2 JP 2771574B2 JP 1028693 A JP1028693 A JP 1028693A JP 2869389 A JP2869389 A JP 2869389A JP 2771574 B2 JP2771574 B2 JP 2771574B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、半導体装置、特にパワーMOSFETに関する
ものである。
(従来の技術) 一般にパワーMOSFETは、多数個のセルFETの並列接続
で構成され、その大部分が負荷電流供給用の第1のMOSF
ETとして構成され、他の残りのいくつかが負荷電流モニ
ター用の第2のMOSFETとして構成されている。第1のMO
SFETと第2のMOSFETとはゲート同士及びドレイン同士が
共通接続され、共通ゲートにゲート駆動回路が接続さ
れ、共通ドレインに負荷が接続されて第2のMOSFETには
負荷電流に比例したモニター用電流が流れるようになっ
ている。
そして、従来のパワーMOSFETでは、このモニター用電
流を検出する手段として、第2のMOSFETのソースに電流
検出用抵抗が接続され、この電流検出用抵抗の両端に生
じた電圧が所定電圧以上になったときを検出し、その検
出信号をゲート駆動回路へフィードバックして負荷電流
を制御するようになっていた。
(発明が解決しようとする課題) 従来は、モニター用電流を電流検出用抵抗の両端に生
じる電圧を用いて検出していたため、その電圧が負荷電
流とともにリニアに変化し、高精度に電流検出を行うこ
とが難しく、検出信号を高ゲインの増幅器を介してゲー
ト駆動回路へフィードバックしないとシャープな電流制
限機能を実現することが困難であるという問題があっ
た。
そこで、この発明は、負荷電流モニター用の第2のMO
SFETのソースに定電流源手段を接続し、モニター用電流
が所定の定電流を超えたときを高精度でシャープに検出
して負荷電流を精度よく制限することのできる半導体装
置を提供することを目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) この発明は上記課題を解決するために、負荷に供給す
る第1のドレイン電流が流れる第1のMOSFETと、該第1
のMOSFETとゲート同士及びドレイン同士がそれぞれ共通
接続され前記負荷への第1のドレイン電流に比例した第
2のドレイン電流が流れる第2のMOSFETと、該第2のMO
SFETのソースに接続され予め設定された電流に達しない
電流が流れている電流制限不要状態のときには印加電圧
が所定の低電位状態であり、また当該予め設定された電
流を超える電流が流れる電流制限必要状態のときには印
加電圧が所定の高電位状態となる特性を有する定電流源
と、第2のドレイン電流が当該予め設定された電流を超
えることで前記第2のMOSFETのソースと前記定電流源と
の間の電圧が前記高電位状態になった場合、共通ゲート
電圧をフィードバック制御して前記負荷への電流を制限
するための電流検出信号を出力する電流制限手段とを有
することを要旨とする。
(作用) この発明にあっては、第2のMOSFETのソースに予め設
定された電流に達しない電流が流れている電流制限不要
状態のときには印加電圧が所定の低電位状態であり、ま
た当該予め設定された電流を超える電流が流れる電流制
限必要状態のときには印加電圧が所定の高電位状態とな
る特性を有する定電流源を接続し、モニター用電流であ
る第2のドレイン電流が、当該予め設定された電流を超
えたときにフィードバック制御用の電流検出信号が出力
される。したがってモニター用電流が所定値を超えたこ
とが高精度でシャープに検出され、その電流検出信号に
基づいて共通ゲート電圧がフィードバック制御されて負
荷電流が精度よく制限される。
(実施例) 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図ないし第4図は、この発明の第1実施例を示す
図である。
まず、半導体装置としてのパワーMOSFETの構成を説明
すると、第1図中、10はnチャネルの第1のMOSFET、20
は同じくnチャネルの第2のMOSFETであり、第1のMOSF
ET10と第2のMOSFET20とは、ゲート同士及びドレイン同
士がそれぞれ共通に接続されている。そして、共通ゲー
ト1はゲート駆動回路2へ接続され、共通ドレイン3は
負荷抵抗4を介して電源端子5へ接続されている。
第1のMOSFET10のソースは低電位端子6へ直接接続さ
れ、第2のMOSFET20のソースは定電流源30を介して低電
位端子6へ接続されている。また、第2のMOSFET20のソ
ースと定電流源30との接続点である電流検出信号の出力
端子7は電流制限手段を構成する演算増幅器8の一方の
入力端子9へ接続され、その他方の入力端子11には基準
電位が与えられている。この演算増幅器8の出力端子12
からの制御信号がゲート駆動回路2へフィードバックさ
れて負荷電流の電流制限機能が実現されるようになって
いる。
パワーMOSFETは、一般に1チップ上に多数個の同一形
状寸法のセルFETが形成され、その大部分が並列接続さ
れて第1のMOSFET10が構成され、残りの1個又は数個が
並列接続されて負荷電流モニター用の第2のMOSFET20が
構成されている。そして、定電流源30を構成する素子も
同一チップ上に形成されてコンパクトなデバイスが実現
されている。
次いで、第2図及び第3図を用いて、定電流源30の具
体的な第1の構成例及び第2のMOSFET20の構成例を説明
する。この例では、定電流源30は多結晶SiのJFET31によ
り構成され、第2のMOSFET20は縦形MOSFETの1セルによ
る構成されている。
第2図中、13はn+基板、14は第2のMOSFET20のドレイ
ンとして作用するn-エピタキシャル層であり、n+基板13
の裏面に共通ドレイン端子3が形成されている。15はp
ウェル、16はp+コンタクト領域、17はn+ソース領域であ
り、このn+ソース領域17とn-エピタキシャル層14との間
におけるpウェル15上には、ゲート絶縁膜としてのSiO2
膜18を介してn+多結晶Siからなるゲート電極19が形成さ
れている。ゲート電極19に正のゲート電圧が印加される
とpウェル15の表面にn形チャネルが誘起されて第2の
MOSFET20がオンするようになっている。図示されてない
が、第1のMOSFET10を構成する各セルFETも上記と同様
のセルFETで構成されている。21は中間絶縁膜、22aはソ
ース電極としてのAl配線である。
一方、JFET31は、SiO2膜18上に形成された多結晶Si膜
23に作り込まれている。第3図は、そのJFET31を上面か
らみた図であり、多結晶Si膜23には、n+ソース領域24、
n+ドレイン領域25、n-チャネル領域26及びp+ゲート領域
27がイオン注入等により形成されている。p+ゲート領域
27に与えられた電位により、このp+ゲート領域27とn-
ャネル領域26との間のpn接合の空乏層幅が可変されて、
n-チャネル領域26に流れるドレイン電流が制御されるよ
うになっている。
そして、定電流源30としてのこのJFET31では、各領域
上の中間絶縁膜21に、それぞれコンタクトホールが開孔
され、ソースコンタクト28bとゲートコンタクト28cとが
Al配線22bによりショートされて低電位端子6に接続さ
れている。この接続によりp+ゲート領域27には、常に低
電位(ゼロV)が与えられて、n-チャネル領域26に流れ
るドレイン電流は、そのときの飽和ドレイン電流で所定
の定電流となるように構成されている。ドレインコンタ
クト28aはAl配線22aにより、第2のMOSFET20のn+ソース
領域17に接続され、このAl配線22aに電流検出信号の出
力端子7が接続されている。
次に、上述のように構成された半導体装置の作用を説
明する。
いま、第1図において、ゲート駆動回路2により共通
ゲート1のゲート電圧を上昇させていって第1のMOSFET
10に流れる第1のドレイン電流を増大させ、負荷電流IL
が増加していく場合を考える。
このとき、第2のMOSFET20には、セルFETのセル数の
比で決まる分配比kと負荷電流ILとの積k・ILの値の第
2のドレイン電流が流れる。分配比kは、例えば、第1
のMOSFET10が99セルで構成され、第2のMOSFETが1セル
で構成されているとk=1/100である。
一方、定電流源30に設定された定電流値をICとする
と、第2のドレイン電流k・ILが定電流値ICに達して、
これを超えた時点で出力端子7からこれを超えたことを
示す電流検出信号が出力され、演算増幅器8の一方の入
力端子9の電位Vmは低電位から高電位へと移行し、第4
図に示すような特性となる。したがって負荷電流ILが制
限電流を超えたことを高精度でシャープ(高ゲイン)に
検出することができる。
ここで、定電流源30の定電流値ICは多結晶SiのJFET31
のゲート電圧ゼロVにおける飽和ドレイン電流IDSSとな
り、次式で与えられる。
IDSS=(W/L)・(1/ρs) ・〔(q・N0・W2/24ε) −φi・{1−(2/3) ・(8ε・φi/q・N0・W21/2}〕 …(1) ここで、 W、L:n-チャネル領域26の幅及び長さ ρs:n-チャネル領域26のシート抵抗 q:素電荷 N0:n-チャネル領域26の実効的な不純物ドープ量 ε:多結晶Siの誘電率 φi:p+ゲート領域27とn-チャネル領域26との間のpn接合
のビルトイン電圧 上記(1)式で示される飽和ドレイン電流IDSSの値
は、n-チャネル領域26の不純物ドープ量を調節すること
により温度係数をゼロにすることができる。これにより
温度依存性のない定電流源30を実現することができる。
そして、このようにして出力端子7から検出された電
流検出信号により演算増幅器8を介してゲート駆動回路
2から与えられる共通ゲート電圧がフィードバック制御
されて負荷電流ILが所定の制限値内に精度よく制限され
る。
第5図には、この発明の第2実施例を示す。なお、第
5図において、前記第1図における機器及び回路素子等
と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以って示
し、重複した説明を省略する。
定電流源30を構成する前記のJFET31は、n-チャネル領
域26の長さLを長くすることにより、第4図に示すよう
なシャープな電流検出特性を実現することができる。こ
の実施例は、このようなシャープな電流検出特性を有す
る定電流源30を用いて、単純な回路構成により負荷電流
ILの電流制限機能を実現するようにしたものである。
そして、この実施例では、共通ゲート1と低電位端子
6との間に、1個のnpnトランジスタ35が接続され、そ
のベースが電流検出信号の出力端子7に接続されてい
る。
出力端子7からの電流検出信号によりnpnトランジス
タ35がオンに転じて共通ゲート1が低電位(ゼロV)に
落ち、負荷電流ILが所定の制限値内に精度よく制限され
る。
この実施例では、npnトランジスタ35も同一チップに
集積化することにより、よりコンパクトな電流リミッタ
ー付きのパワーMOSFETを実現することができる。
次いで、第6図には、定電流源30の第2の構成例を示
す。この構成例は、多結晶SiのJFETに代えて多結晶Siの
MESFET32を用いたものである。
この第2の構成例に係るMESFET32は、前述のJFETがp+
ゲート領域とチャネル領域の間のpn接合の空乏層幅を可
変して定電流となるドレイン電流を制御するのに対し、
n-チャネル領域26とゲート金属電極22bの間のショット
キ接合36により空乏層幅を制御してドレイン電流を所定
の電流値に制御するものである。これについても前記
(1)式と同様な飽和ドレイン電流IDSSを求めることが
できる。
第7図には、定電流源30の第3の構成例を示す。この
構成例は、デプリーション型の多結晶SiのMOSFET33によ
り定電流源30を構成したものである。
デプリーション型のMOSFET33はn-チャネル領域26上に
ゲート酸化膜37を介して多結晶Siのゲート電極38が形成
されている。n-チャネル領域26は、イオン注入によりデ
プリーション型になるように閾値制御がなされている。
以上、多結晶Siを用いた定電流源30の各構成例を述べ
たが、定電流源30としては、この他に誘電体分離構造等
により、単結晶シリコンの基板内に形成したデバイスを
用いることもできる。
[発明の効果] 以上説明したように、第2のMOSFETのソースに予め設
定された電流に達しない電流が流れている電流制限不要
状態のときには印加電圧が所定の低電位状態であり、ま
た当該予め設定された電流を超える電流が流れる電流制
限必要状態のときには印加電圧が所定の高電位状態とな
る特性を有する定電流源を接続し、モニター用電流であ
る第2のドレイン電流が当該予め設定された電流を超え
たときにフィードバック制御用の電流検出信号を出力す
るようにしたので、モニター用電流が所定値を超えたこ
とが高精度でシャープに検出することができて負荷電流
を制限値内に精度よく制御することができるという利点
がある。
【図面の簡単な説明】 第1図ないし第4図はこの発明に係る半導体装置の第1
実施例を示すもので、第1図は回路図、第2図は定電流
源の第1の構成例及び第2のMOSFETの構成例を示す縦断
面図、第3図は上記定電流源の第1の構成例の平面図、
第4図は電流検出特性を示す特性図、第5図はこの発明
の第2実施例を示す回路図、第6図は定電流源の第2の
構成例を示す縦断面図、第7図は定電流源の第3の構成
例を示す縦断面図である。 1:共通ゲート、2:ゲート駆動回路、 3:共通ドレイン、4:負荷抵抗、 7:電流検出信号の出力端子、8:演算増幅器(電流制限手
段)、 10:第1のMOSFET、 20:第2のMOSFET、 30:定電流源、 31:JFET(定電流源)、 32:MESFET(定電流源)、 33:デプリーション型MOSFET(定電流源)。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−65517(JP,A) 特開 昭62−143450(JP,A) 特開 昭64−25071(JP,A) 特開 昭55−117267(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】負荷に供給する第1のドレイン電流が流れ
    る第1のMOSFETと、 該第1のMOSFETとゲート同士及びドレイン同士がそれぞ
    れ共通接続され前記負荷への第1のドレイン電流に比例
    した第2のドレイン電流が流れる第2のMOSFETと、 該第2のMOSFETのソースに接続され予め設定された電流
    に達しない電流が流れている電流制限不要状態のときに
    は印加電圧が所定の低電位状態であり、また当該予め設
    定された電流を超える電流が流れる電流制限必要状態の
    ときには印加電圧が所定の高電位状態となる特性を有す
    る定電流源と、 第2のドレイン電流が当該予め設定された電流を超える
    ことで前記第2のMOSFETのソースと前記定電流源との間
    の電圧が前記高電位状態になった場合、共通ゲート電圧
    をフィードバック制御して前記負荷への電流を制限する
    ための電流検出信号を出力する電流制限手段とを有する
    ことを特徴とする半導体装置。
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