JP3077631B2 - 過熱保護機能付き電力駆動用mos型半導体素子 - Google Patents

過熱保護機能付き電力駆動用mos型半導体素子

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JP3077631B2 JP09149583A JP14958397A JP3077631B2 JP 3077631 B2 JP3077631 B2 JP 3077631B2 JP 09149583 A JP09149583 A JP 09149583A JP 14958397 A JP14958397 A JP 14958397A JP 3077631 B2 JP3077631 B2 JP 3077631B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は電力駆動用半導体素
子の温度または電流を検出し電力駆動部の破壊を防止す
る機能を有する過熱保護機能付き電力駆動用MOS型半
導体素子及びそれを用いた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】過電流制御機能を含む従来例として3端
子構成で温度検出部とゲート制御部およびMOS型電力
駆動素子から成る2つの電力駆動部から成る過電流制御
機能付き半導体素子のブロック図を図8に示す。電力駆
動部は2つの領域から成りともに被温度検出対象であ
る。2つの電力駆動部51、52の各近傍に温度検知素
子から成る温度検出部53、54が設けられている。半
導体素子の入力端子である入力電極6と2つの電力駆動
部の間にはゲート制御回路から成るゲート制御部55が
接続されており、温度検出部53、54の信号もゲート
制御部55に入力する接続構成になっている。
【0003】図8のブロック図を実現するペレット構成
図を図9に示す。1つのシリコン基板上に拡散処理によ
り縦型MOSFETから成る2つの電力駆動部51、5
2と誘電体分離された領域に温度検出部53、54とゲ
ート制御部55が形成されている。2つの電力駆動部5
1、52の近傍には2つの温度検出部53、54が形成
され、温度検出部53、54付近で電力駆動部から比較
的遠い位置にゲート制御部55が同じペレット上に形成
されている。また、電力駆動部51、52の各ソースは
まとめて1つのソース電極9に接続され、ペレットの裏
面全体がドレイン電極8になっている。ゲート制御部5
5の一部には入力電極6が設けられておりゲート制御部
55および電力駆動部51、52のゲート駆動電圧を供
給している。
【0004】ランプ負荷などを駆動する際には突入電流
が流れるためデバイスの入力端子6がオン状態になると
電力駆動部51、または52の片方をオン状態にし突入
電流が低下した時点で両方の電力駆動部51、52をオ
ン状態にするようあらかじめゲート制御部55に設定し
てある。また温度検出部53、54により電力駆動部5
1、52の温度を検出しており周囲温度の上昇などによ
り高温になると高温になった方の電力駆動部51または
52をオフにするようゲート制御部55にて行う。
【0005】このように電力駆動部を複数の領域に分割
し立ち上がり時および過熱時に各電力駆動領域を制御す
る構成とし、ランプ負荷などを駆動する際に発生する突
入電流を防止するとともに周囲温度の上昇などによる半
導体デバイスの熱的な破壊を防止することを主眼におい
た半導体素子の例としては例えば特開平02−3086
21号公報に開示された例がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】この半導体デバイスに
瞬時的に大電力を印加した直後の、図9のペレット構成
図の電力駆動部51、52のB−B’断面の温度分布を
模式的に表すと図10のようになる。両方の電力駆動部
51、52が動作しているときの温度分布61はB−
B’断面全体でほぼ均一になる。一方電力駆動部の片方
のみが駆動している間は駆動している電力駆動部のみが
温度上昇し他方の電力駆動部は温度上昇がない。
【0007】このようにランプ負荷などの突入電流時に
あらかじめ比較的オン抵抗を高く設定しデバイスへの突
入電流をおさえることはできるが素子内部で能動的に働
いている部分での単位面積当たりの印加電力はほぼ同じ
であり発熱部でのピーク温度低減効果はあまり期待でき
なかった。また、電力駆動部の温度のみを検出する方法
では電力駆動部のピーク電流を充分制御しにくい欠点が
あった。
【0008】本発明の目的は、ランプ負荷などの突入電
流時のワイヤー溶断やペレット破壊を低減でき、過電力
時や負荷短絡時などの急激な温度上昇が生じる場合でも
デバイス破壊が少ない過熱保護機能付き電力駆動用MO
S型半導体素子及びそれを用いた半導体装置を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の過熱保護機能付
き電力駆動用MOS型半導体素子は、電力駆動部と該電
力駆動部の温度と電流を制御するゲート制御部とからな
る過熱保護機能付き電力駆動用MOS型半導体素子であ
って、前記電力駆動部は、異なるしきい値電圧からなる
複数領域を有し、該複数領域は低いしきい値電圧の領域
と高いしきい値電圧の領域とが交互に配置され、低いし
きい値電圧の領域のみの動作を選択できるものであり、
かつ前記複数領域は前記電力駆動部全体に分散して配置
され、前記ゲート制御部は、温度検出部で検出した前記
電力駆動部の温度に従い前記電力駆動部のゲート電圧を
制御する過熱制御部と、前記電力駆動部の電流を検知し
前記電力駆動部のゲート電圧を制御する過電流制御部と
を有することを特徴とする。
【0010】また、電力駆動部の、異なるしきい値電圧
から成る複数領域は、異なるゲート酸化膜厚のセルであ
ってもよい。
【0011】また、電力駆動部の、異なるしきい値電圧
から成る複数領域は、異なるベース濃度のセルであって
もよい。
【0012】この構成により次の作用、効果がある。
【0013】すなわち、MOS型電力駆動部を異なるゲ
ート酸化膜厚またはベース濃度のセルをペレット全体に
分散形成することにより印加電力の分散をはかる。
【0014】従って、オン抵抗を変化させるゲート制御
動作にかかわらず常に発熱源である電力駆動部全体を動
作対象とできるため単位面積あたりの発熱を低減でき、
デバイスの熱的破壊を防止できる。また、MOS型電力
駆動部のドレイン・ソース間電圧とゲート駆動電圧条件
からドレイン電流を検知し過電流保護制御を行うことに
より電流制御の精度向上がはかれ、過電流時の電流制御
性を向上できる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図1
から説明する。図1は3端子構成の過電流制御機能付き
半導体素子の実施の形態であり、図1において図8と同
一符号は同一物を示す。本例は1つのMOS型電力駆動
素子内に異なる2つのしきい値電圧1.5Vと4.0V
のMOSFETを分散配置してあり図1のブロック図上
では電力駆動素子1と2としてあらわす。電力駆動素子
1、2の近傍には温度を検出するためのダイオードの順
電圧特性を利用した温度検出部3が形成されている。半
導体素子の入力端子である入力電極6と電力駆動素子
1、2の間には過熱制御部4と過電流制御部5がありと
もに温度検出部3の温度信号および電力駆動素子1、2
のドレイン・ソース間電圧信号が伝達される構成になっ
ている。過電流制御部5の出力は電力駆動素子1、2に
まとめて接続されている。過熱制御部4ではPWMによ
るオン/オフ制御を行い温度制御を行う。また、過電流
制御部5はゲート駆動電圧とドレイン・ソース間オン電
圧によりドレイン電流制御を行う。
【0016】図1のブロック図を実現するペレット構成
図を図2に示す。1つのシリコン基板上に拡散処理によ
り縦型MOSFETから成る2つのしきい値電圧の電力
駆動素子1、2を10〜20μm角のセル単位で分散配
置する電力駆動部10と、誘電体分離された領域に温度
検知素子から成る温度検出部3と過熱制御回路から成る
過熱制御部4、過電流制御回路から成る過電流制御部5
が形成されている。電力駆動部10の近傍には温度検出
部3が形成され、温度検出部3付近で電力駆動部10か
ら比較的遠い位置に過熱制御部4、過電流制御部5から
成るゲート制御回路から成るゲート制御部11が同じペ
レット上に形成されている。電力駆動部10はソース電
極9に接続され、ペレットの裏面全体がドレイン電極8
になっている。また、ゲート制御部11の一部には入力
電極6が設けられておりゲート制御回路11および電力
駆動素子1、2のゲート駆動電圧を供給している。
【0017】この半導体デバイスに瞬時的に大電力を印
加した直後の、図2のペレット構成図の電力駆動部10
のA−A’断面の温度分布を模式的に表すと図3のよう
になる。異なるしきい値電圧の電力駆動素子1、2の両
方が動作しているときの温度分布41はA−A’断面全
体でほぼ均一になる。また、一方のしきい値の電力駆動
素子のみが駆動している間も異なるしきい値の電力駆動
素子1と2の距離が数10μmと短いため電力駆動部全
体で発熱するとみなせ、温度分布42のように単位面積
あたりの温度上昇を低減できる。
【0018】図2のA−A’の電力駆動部断面図を図4
に示す。n形のシリコン基板25上にp形エピタキシャ
ル層を作成しp形ベース層24とし、p形ベース層24
上にはn+形の拡散領域23が形成されている。p形ベ
ース層24のペレット表面にはSiO2 などの異なる2
種類の膜厚のゲート酸化膜21、22を介して多結晶シ
リコンのゲート7が形成されている。また、n+形の拡
散領域23からはアルミのソース電極9が取り出され、
n形のシリコン基板25からはドレイン電極8がオーミ
ック接続されている。本構成では異なるゲート酸化膜2
1、22の膜厚のセルとすることで異なるしきい値電圧
とした実施の形態である。
【0019】図5に他の電力駆動部断面の実施の形態を
示す。図5において図4と同じ記号は同一部分をあらわ
し説明を省略する。図5の実施の形態が図4の実施の形
態と異なる点は異なる2つの濃度のp形ベース層28お
よび29のセルとし、異なるしきい値電圧の電力駆動素
子から成る電力駆動部10を形成した点である。なお、
図4および図5の各実施の形態は比較的簡単なプロセス
追加で作成できる。
【0020】2つの異なるしきい値電圧からなる電力駆
動素子10のドレイン電流のゲート電圧依存性を図6
に、ドレイン・ソース間オン抵抗のドレイン電流依存性
を図7に示す。動作点43では低いしきい値電圧の領域
のみが動作しており、ドレイン・ソース間オン抵抗は比
較的高く、駆動可能なドレイン電流は制限が大きくな
る。このため定電圧条件下で負荷を駆動する場合には動
作点44に比べ低電力になり電流制限効果もある。動作
点43と44の印加電力P(43)、P(44)の比は
各動作点でのドレイン・ソース間抵抗をR(43)、R
(44)とすると次のようになる。
【0021】 P(43)/P(44)=R(44)/R(43) また、ゲート電圧から期待されるドレイン・ソース間オ
ン抵抗とドレイン・ソース間電圧からより精度の高い電
流検知もできる。
【0022】このように精度よく電流制御が可能なため
ランプ負荷などの突入電流時のワイヤー溶断やペレット
破壊を低減できる。また過電力時や負荷短絡時などの急
激な温度上昇が生じる場合でも電流制限するとともに電
力制御が可能なためデバイス破壊が少ないデバイスを実
現できる。なお、本実施の形態では過熱制御回路と過電
流制御回路を設けた例をあげたがいずれか一方の構成も
可能である。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、ペレット
全体で電力を受けながらドレイン・ソース間オン抵抗制
御、ドレイン電流制御、PWM制御などが可能になるた
め、負荷短絡などの電力駆動素子への過電力の印加や、
ランプ負荷駆動時などの突入電流に対しても破壊しにく
い半導体デバイスが容易に実現できるばかりでなく、半
導体デバイスの寿命を短くする危険性も低減できるとい
う効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す過熱保護機能付き半
導体素子のブロック図である。
【図2】図1の実施の形態のペレット構成図である。
【図3】図2の実施の形態のA−A’断面の温度分布図
である。
【図4】図2の実施の形態のA−A’断面構造図であ
る。
【図5】図2の他の実施の形態のA−A’断面構造図で
ある。
【図6】図1の実施の形態のドレイン電流のゲート・ソ
ース間電圧依存性を示す図である。
【図7】図1の実施の形態のドレイン・ソース間電圧の
ドレイン電流依存性を示す図である。
【図8】従来例の過熱保護機能付き半導体素子のブロッ
ク図である。
【図9】図8のペレット構成図である。
【図10】図9のB−B’断面の温度分布図である。
【符号の説明】 1、2 電力駆動素子 3、53、54 温度検出部 4 過熱制御部 5 過電流制御部 6 入力電極 7、57、58 ゲート 8 ドレイン電極 9 ソース電極 10、51、52 電力駆動部 11、55 ゲート制御部 21、22 ゲート酸化膜 23 n+形の拡散領域 24、28、29 p形ベース層 25 n形のシリコン基板 41、42、61、62 温度分布 43、44 動作点

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力駆動部と該電力駆動部の温度と電流
    を制御するゲート制御部とからなる過熱保護機能付き電
    力駆動用MOS型半導体素子であって、 前記電力駆動部は、異なるしきい値電圧からなる複数領
    域を有し、該複数領域は低いしきい値電圧の領域と高い
    しきい値電圧の領域とが交互に配置され、低いしきい値
    電圧の領域のみの動作を選択できるものであり、かつ前
    記複数領域は前記電力駆動部全体に分散して配置され、 前記ゲート制御部は、温度検出部で検出した前記電力駆
    動部の温度に従い前記電力駆動部のゲート電圧を制御す
    る過熱制御部と、前記電力駆動部の電流を検知し前記電
    力駆動部のゲート電圧を制御する過電流制御部とを有す
    ることを特徴とする過熱保護機能付き電力駆動用MOS
    型半導体素子。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の過熱保護機能付き電力
    駆動用MOS型半導体素子において、 前記電力駆動部の、異なるしきい値電圧からなる複数領
    域は、異なるゲート酸化膜厚のセルであることを特徴と
    する過熱保護機能付き電力駆動用MOS型半導体−素
    子。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の過熱保護機能付き電力
    駆動用MOS型半導体素子において、 前記電力駆動部の、異なるしきい値電圧からなる複数領
    域は、異なるベース濃度のセルであることを特徴とする
    過熱保護機能付き電力駆動用MOS型半導体素子。
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