JP3163746B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3163746B2
JP3163746B2 JP14035992A JP14035992A JP3163746B2 JP 3163746 B2 JP3163746 B2 JP 3163746B2 JP 14035992 A JP14035992 A JP 14035992A JP 14035992 A JP14035992 A JP 14035992A JP 3163746 B2 JP3163746 B2 JP 3163746B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、パワーデバイスなどと
して用いられるMOS型半導体装置等の構成に関するも
のであり、特に、サイリスタとしての動作とIGBTと
しての動作を制御可能な2つのゲート電極を有するデュ
アルゲート型半導体装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a MOS type semiconductor device or the like used as a power device or the like, and in particular, has two gate electrodes capable of controlling the operation as a thyristor and the operation as an IGBT. The present invention relates to a dual gate type semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOSゲート型のパワーデバイスとして
は、MOSFETを始め、IGBT、MCT(MOSゲ
ート・コントロール・サイリスタ)などが提案されてい
る。これらのパワーデバイスの中で、比較的大きな電流
容量のスイッチングが可能なデバイスとして用いられる
ものは低オン電圧化の可能なIGBT、MCTが主流で
ある。特に、IGBTは、近年技術革新が著しく、低オ
ン抵抗化および低スイッチング損失化が進み、大電流を
制御可能な製品として実用化されている。
2. Description of the Related Art As a MOS gate type power device, MOSFETs, IGBTs, MCTs (MOS gate control thyristors) and the like have been proposed. Among these power devices, devices that can be used as devices capable of switching with a relatively large current capacity are mainly IGBTs and MCTs that can reduce on-voltage. In particular, IGBTs have undergone remarkable technological innovations in recent years, have been reduced in on-resistance and switching loss, and have been put into practical use as products capable of controlling large currents.

【0003】このIGBTは、パワーMOSFETと同
様に絶縁ゲート型の半導体装置であり、伝導度変調を用
いる半導体装置であることからオン電圧を低くすること
ができるという特徴がある。図12にその概要を示す。
このIGBTは、ドレイン電極61が接続されドレイン
層として用いられるp+ 型の半導体基板52の上に、n
+ 型のバッファ層53、n- 型の伝導度変調層54が積
層された縦型のIGBTである。伝導度変調層54の表
面には、シリコン酸化膜55の上に形成された多結晶シ
リコンゲート56をマスクとしてp型チャンネル層57
が拡散形成されている。さらに、このp型チャンネル層
57内に、n+ 型のソース層58、p型のコンタクト
層59が形成されており、これらのソース層58および
コンタクト層59にソース電極60が接続されている。
ソース層58の端部からチャンネル層57、伝導度変調
層54の表面に亘り、ゲート酸化膜55を介して多結晶
シリコンからなるゲート電極56が設置されている。
The IGBT is an insulated gate semiconductor device similar to the power MOSFET, and has a feature that the ON voltage can be reduced because it is a semiconductor device using conductivity modulation. FIG. 12 shows the outline.
This IGBT is formed on a p + -type semiconductor substrate 52 connected to a drain electrode 61 and used as a drain layer by n
This is a vertical IGBT in which a + type buffer layer 53 and an n type conductivity modulation layer 54 are stacked. A p-type channel layer 57 is formed on the surface of the conductivity modulation layer 54 by using a polysilicon gate 56 formed on the silicon oxide film 55 as a mask.
Are formed by diffusion. Further, an n + -type source layer 58 and a p + -type contact layer 59 are formed in the p-type channel layer 57, and a source electrode 60 is connected to the source layer 58 and the contact layer 59. .
A gate electrode 56 made of polycrystalline silicon is provided via a gate oxide film 55 from the end of the source layer 58 to the channel layer 57 and the surface of the conductivity modulation layer 54.

【0004】このようなIGBTにおいて、ソース電極
60に印加されるソース電位に対し、ドレイン電極61
に正のドレイン電圧を印加し、ゲート電極56にソース
電位に対し正のゲート電位を印加すると、ゲート酸化膜
55を介してゲート直下のチャンネル層57の表面63
が反転しチャンネルとして動作する。このため、ソース
電極60からソース層58、さらに、表面63に形成さ
れたチャンネルを通り、電子が伝導度変調層54に流入
する。これに呼応してドレイン層52から正孔が注入さ
れるため、伝導度変調層54は電子と正孔が共存するい
わゆる伝導度変調状態となる。このため、IGBTは低
いオン電圧で動作することができる。
In such an IGBT, a source potential applied to a source electrode 60 is changed with respect to a drain electrode 61.
When a positive drain voltage is applied to the gate electrode 56 and a positive gate potential with respect to the source potential is applied to the gate electrode 56, the surface 63 of the channel layer 57 immediately below the gate via the gate oxide film 55
Are inverted and operate as a channel. Therefore, electrons flow from the source electrode 60 to the source layer 58 and further to the conductivity modulation layer 54 through a channel formed on the surface 63. In response to this, holes are injected from the drain layer 52, so that the conductivity modulation layer 54 is in a so-called conductivity modulation state in which electrons and holes coexist. Therefore, the IGBT can operate at a low on-voltage.

【0005】このようにIGBTは、伝導度変調層でサ
イリスタと同様に電子と正孔が共存するオン電圧の低い
状態が実現できる半導体装置である。さらに、電流制御
しかできない、すなわち、通過電流をほぼ零としなけれ
ばオフできないサイリスタと異なり、IGBTは、絶縁
ゲートにより電圧制御が可能であるので、低オン電圧化
での高周波応用が可能なスイッチング素子として着目さ
れているものである。
As described above, the IGBT is a semiconductor device capable of realizing a low on-voltage state in which electrons and holes coexist in the conductivity modulation layer as in the thyristor. Further, unlike a thyristor which can only be controlled by current, that is, cannot be turned off unless the passing current is almost zero, the IGBT can control the voltage by the insulated gate. Is attracting attention.

【0006】スイッチング時間そのものは、IGBTが
電子と正孔の両者のキャリアが共存するバイポーラモー
ドの素子であることから、MOSFETのような電子の
みのキャリアしか用いないユニポーラーモードの素子と
比較すると遅いがライフタイムキラーなどの導入により
ターンオフ時間は短縮されつつある。何れにしろ、低オ
ン電圧であるサイリスタと比較し、MOSFETにより
制御が可能である点で、IGBTは、低オン電圧が実現
可能な素子としては高いスイッチング速度を実現可能な
半導体装置である。
[0006] Since the IGBT is a bipolar mode element in which both electrons and holes coexist, the switching time itself is slow as compared with a unipolar mode element such as a MOSFET which uses only electron carriers. However, turn-off time is being shortened by the introduction of lifetime killers. In any case, the IGBT is a semiconductor device capable of realizing a high switching speed as an element capable of realizing a low on-state voltage in that it can be controlled by a MOSFET as compared with a thyristor having a low on-state voltage.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】パワーエレクトロニク
スにおける高性能、小型化、低コスト化などの課題を解
決するための最も重要なキーテクノロジーの1つとし
て、パワーデバイスの低損失化が挙げられる。そのため
には、ターンオフ時間が短く、同時にオン電圧が低いと
いうパワーデバイスの開発が必要とされている。従っ
て、上述したIGBTにおいても、さらに、オン電圧を
低くすることが要求されている。しかし、IGBTは、
内蔵するドレイン層52、伝導度変調層54、チャンネ
ル層57からなるpnpトランジスタのベース電流をゲ
ート電極56により制御されるMOSFETにより供給
する形の半導体装置である。このため、IGBTのオン
電圧はこのpnpトランジスタのオン電圧以下に下げる
ことは不可能である。さらに、IGBTに形成されたM
OSFET部分を通過する際のJFET効果によるオン
抵抗の上昇も無視できない。このように、IGBTは、
MOSFETを用いてターンオフ、ターンオンができる
という大きなメリットのある半導体装置であるが、上記
のような根本的な問題を含む装置であるため、オン電圧
の低減には限界がある。
One of the most important key technologies for solving the problems in power electronics such as high performance, miniaturization, and cost reduction is to reduce the power device loss. For that purpose, development of a power device having a short turn-off time and a low on-voltage is required. Therefore, the above-mentioned IGBT is required to further reduce the on-voltage. However, IGBT
This is a semiconductor device in which a base current of a pnp transistor including a built-in drain layer 52, a conductivity modulation layer 54, and a channel layer 57 is supplied by a MOSFET controlled by a gate electrode 56. For this reason, it is impossible to lower the ON voltage of the IGBT below the ON voltage of the pnp transistor. Further, the M formed on the IGBT
The increase in on-resistance due to the JFET effect when passing through the OSFET portion cannot be ignored. Thus, the IGBT is
Although a semiconductor device has a great merit of being able to be turned off and turned on using a MOSFET, it is a device including the above-described fundamental problem, and therefore, there is a limit in reducing the on-voltage.

【0008】一方、オン電圧の低減という面からみる
と、半導体装置をサイリスタ構造とすることにより、オ
ン電圧をさらに低減することが可能である。しかし、サ
イリスタ構造の半導体装置では、電流駆動しか行うこと
ができず、ターンオフが容易でないなど、ターンオフ時
間の短縮が困難であることから要求される性能を備えた
パワーデバイスの実現は困難である。MOSゲート型の
サイリスタ装置も提案されているが、ターンオフ耐力が
なく、MOSEFTにおける低オン抵抗化を実現する必
要がある点においては、IGBTにおける問題と同様解
決が難しい。
On the other hand, from the viewpoint of reducing the on-state voltage, the on-state voltage can be further reduced by using a thyristor structure in the semiconductor device. However, in a semiconductor device having a thyristor structure, only a current drive can be performed, and it is difficult to shorten a turn-off time, for example, it is difficult to turn off. Therefore, it is difficult to realize a power device having required performance. Although a MOS gate type thyristor device has been proposed, it is difficult to solve the problem similar to the problem in the IGBT in that there is no turn-off resistance and it is necessary to realize a low on-resistance in the MOSEFT.

【0009】そこで、本発明においては、上記の問題点
に鑑みて、MOSFETを用いて制御が可能でありなが
ら、同時にサイリスタ構造による低オン電圧を実現可能
な半導体装置を提供することを目的としている。
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device which can be controlled by using a MOSFET while realizing a low on-voltage by a thyristor structure. .

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明においては、オン時にはサイリスタ状態で
動作し、オフ時にはIGBTと同様にトランジスタ状態
として動作可能な半導体装置を実現するために、サイリ
スタ状態でオンする第1のゲート電極と、サイリスタ状
態からトランジスタ状態に移行する第2のゲート電極の
2つのゲート電極を備えた半導体装置を開発した。すな
わち、本発明に係る半導体装置は、第2導電型のベース
領域上における、ドレイン電位の印加される第1導電型
のドレイン領域と対峙する位置に、第1導電型のベース
領域と、この第1導電型のベース領域内に形成されソー
ス電位が印加されるソース領域と、このソース領域から
第1導電型のベース領域を経て第2導電型のベース領域
に亘って設置された第1のゲート電極とを備えたサイリ
スタ部を有する半導体装置であって、第1導電型のベー
ス領域とソース領域との接続を制御可能な第2のゲート
電極を具備する制御用MISFETを有することを特徴
としている。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device which operates in a thyristor state when turned on and operates as a transistor state like an IGBT when turned off. A semiconductor device including two gate electrodes, a first gate electrode that turns on in a thyristor state and a second gate electrode that changes from a thyristor state to a transistor state, has been developed. That is, in the semiconductor device according to the present invention, the first conductive type base region and the second conductive type base region are provided at positions facing the first conductive type drain region to which the drain potential is applied, on the second conductive type base region. A source region formed in the base region of one conductivity type to which a source potential is applied, and a first gate provided from the source region to the base region of the second conductivity type through the base region of the first conductivity type And a control MISFET including a second gate electrode capable of controlling a connection between a base region and a source region of a first conductivity type. .

【0011】このような制御用MISFETとしては、
第2導電型のベース領域上に第1導電型のベース領域と
分離して形成された第1導電型のMIS用ベース領域を
用いて、この第1導電型のMIS用ベース領域内に形成
された第2のゲート電極を具備するMISFETが構成
された制御用MISFET部を用い、このMISFET
を構成するMIS用ソース層には、MIS用ベース領域
と共にソース電位を印加し、MIS用ドレイン層は、第
1導電型のベース領域と接続することが望ましい。
As such a control MISFET,
Using the first conductivity type MIS base region formed on the second conductivity type base region separately from the first conductivity type base region, the first conductivity type MIS base region is formed in the first conductivity type MIS base region. Using a control MISFET unit having a MISFET having a second gate electrode,
It is preferable that a source potential is applied to the MIS source layer and the MIS base region together with the MIS drain layer, and the MIS drain layer is connected to the first conductivity type base region.

【0012】特に本発明では、このような第1および第
2のゲート電極を有する半導体装置において、第2導電
型のベース領域に少なくとも1組の第1導電型の検出用
ベース層と、この検出用ベース層内に形成された第2導
電型の検出用ソース層と、この検出用ソース層から第2
導電型のベース領域に亘って設置された検出用ゲート電
極とを具備する電流検出部を有し、この検出用ソース層
と直列に接続された抵抗手段を介してソース電位印加
されており、この検出用ソース層と第2のゲート電極
接続されていることを特徴とする。この抵抗手段を半導
体装置と一体とするためには、抵抗手段として、第2導
電型のベース領域上に形成された多結晶シリコン抵抗を
用いることが望ましい。
In particular, according to the present invention, in a semiconductor device having such first and second gate electrodes, at least one set of a first conductivity type detection base layer is provided in a second conductivity type base region, A second-conductivity-type detection source layer formed in the base layer, and a second conductive-type detection source layer.
A current detection unit having a detection gate electrode provided over the conductive base region, and a source potential is applied through a resistance means connected in series with the detection source layer.
Are characterized by the detection source layer and the second gate electrode are <br/> connected. In order to integrate this resistance means with the semiconductor device, it is desirable to use a polycrystalline silicon resistor formed on the second conductivity type base region as the resistance means.

【0013】[0013]

【作用】上記の半導体装置において、第1のゲート電極
に、ソース電位に対しソース領域と第2導電型のベース
領域とを導通する電位を印加することにより、ソース領
域から第2導電型のベース領域に多数キャリアが注入さ
れる。これに呼応して第1導電型のドレイン領域から第
2導電型のベース領域に少数キャリアが注入され、第1
導電型のドレイン領域、第2導電型のベース領域、第1
導電型のベース領域からなるトランジスタがオン状態と
なる。これにより、第1導電型のベース領域に多数キャ
リアが注入されることとなり、同時に第2導電型のベー
ス領域、第1導電型のベース領域、第2導電型のソース
領域により構成されるトランジスタがオン状態となる。
従って、第1導電型のドレイン領域、第2導電型のベー
ス領域、第1導電型のベース領域、第2導電型のソース
領域からなるサイリスタがオン状態となる。このため、
サイリスタ状態での導通が可能となり、オン電圧の低減
を図ることができる。
In the above-mentioned semiconductor device, a potential for conducting between the source region and the base region of the second conductivity type is applied to the first gate electrode with respect to the source potential, so that the base region of the second conductivity type is applied from the source region. Majority carriers are injected into the region. In response, minority carriers are injected from the drain region of the first conductivity type into the base region of the second conductivity type, and
A conductivity type drain region, a second conductivity type base region,
The transistor including the conductive base region is turned on. Thereby, majority carriers are injected into the base region of the first conductivity type, and at the same time, a transistor constituted by the base region of the second conductivity type, the base region of the first conductivity type, and the source region of the second conductivity type is formed. It turns on.
Therefore, the thyristor including the drain region of the first conductivity type, the base region of the second conductivity type, the base region of the first conductivity type, and the source region of the second conductivity type is turned on. For this reason,
Conduction in the thyristor state becomes possible, and reduction in on-voltage can be achieved.

【0014】ここで、第2のゲート電極を備えた制御用
MISFETをオンとし、第1導電型のベース領域とソ
ース領域を短絡すると、第1導電型のベース領域の多数
キャリアが制御用MISFETを通ってソース領域側に
流出してしまうので、第2導電型のベース領域、第1導
電型のベース領域、第2導電型のソース領域により構成
されるトランジスタがオフ状態となる。このため、サイ
リスタ状態からIGBTと同様のトランジスタ状態とな
り、デバイス内のキャリア密度が減少する。従って、第
1のゲート電極にソース電位に対しソース領域と第2導
電型のベース領域との導通を遮断する電位を印加するこ
とにより、ソース領域から第2導電型のベース領域への
電子の注入を停止でき、この半導体装置をオフ状態とす
ることができる。このように、本発明に係る半導体装置
は、オン時はサイリスタ状態でオンするため、オン抵抗
を削減することができ、さらに、オフ時にはIGBTと
同様のトランジスタ状態でオフすることができるので、
ターンオフ時間を短縮することができる。
Here, when the control MISFET having the second gate electrode is turned on and the base region and the source region of the first conductivity type are short-circuited, the majority carrier in the base region of the first conductivity type causes the control MISFET to turn on. As a result, the transistor flows to the source region side, so that the transistor including the base region of the second conductivity type, the base region of the first conductivity type, and the source region of the second conductivity type is turned off. For this reason, the thyristor state changes to a transistor state similar to that of the IGBT, and the carrier density in the device decreases. Therefore, by injecting electrons from the source region into the base region of the second conductivity type by applying to the first gate electrode a potential that cuts off conduction between the source region and the base region of the second conductivity type with respect to the source potential. And the semiconductor device can be turned off. As described above, the semiconductor device according to the present invention is turned on in the thyristor state when on, so that the on-resistance can be reduced. Further, when the semiconductor device is off, it can be turned off in the same transistor state as the IGBT.
The turn-off time can be reduced.

【0015】このような半導体装置の、第2導電型のベ
ース領域上に第1導電型のベース領域と分離して第1導
電型のMIS用ベース領域を形成し、このMIS用ベー
ス領域へソース電位を印加することにより、MIS用ベ
ース領域をpn接合分離することができる。従って、こ
のMIS用ベース領域に第2のゲート電極、MIS用ソ
ース層、MIS用ドレイン層からなる制御用MISFE
Tを構成することができ、サイリスタ状態とトランジス
タ状態の移行が可能な半導体装置を1つの基板上に実現
することが可能となる。
In such a semiconductor device, a MIS base region of the first conductivity type is formed on the base region of the second conductivity type separately from the base region of the first conductivity type. By applying the potential, the MIS base region can be separated from the pn junction. Therefore, the control MISFE including the second gate electrode, the MIS source layer, and the MIS drain layer is formed in the MIS base region.
T can be formed, and a semiconductor device capable of switching between a thyristor state and a transistor state can be realized on one substrate.

【0016】特に本発明では、第2導電型のベース領域
に電流検出部を構成することにより、この電流検出部に
サイリスタ部を流れる電流と比例した電流を流すことが
できる。このため、サイリスタ部に何らかの原因で過電
流が流れた場合には、それに比例した電流が電流検出部
に流れ、この電流検出部と直列に接続された抵抗手段の
電圧降下が増大する。従って、第2のゲート電極に印加
される制御電圧が上昇するため、制御用MISFETを
オフ状態とすることができる。これにより、半導体装置
は、停止が可能なトランジスタ状態に移行し、第1のゲ
ート電極に印加される電位によって即座にオフ状態とす
ることが可能となる。
In particular, according to the present invention, by forming the current detecting portion in the base region of the second conductivity type, a current proportional to the current flowing through the thyristor portion can flow through the current detecting portion. Therefore, if an overcurrent flows through the thyristor for any reason, a current proportional to the overcurrent flows to the current detector, and the voltage drop of the resistor connected in series with the current detector increases. Accordingly, since the control voltage applied to the second gate electrode increases, the control MISFET can be turned off. Accordingly, the semiconductor device shifts to a transistor state in which the transistor can be stopped and can be turned off immediately by the potential applied to the first gate electrode.

【0017】[0017]

【実施例】以下に図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】〔実施例1〕図1に、本実施例に係る第1
のゲートおよび第2のゲートを備えた半導体装置の構成
を示してある。本例の半導体装置は、2つのゲートを備
えていることからデュアルゲートMOSサイリスタ(D
UGMOT)と呼ばれている。本例の装置は、縦型の半
導体装置であり、ドレイン電極35が裏面に設置された
+ 型の半導体基板をドレイン層1として、このドレイ
ン層1の上にn+ 型のバッファ層2およびn- 型のベー
ス層3がエピタキシャル成長などにより形成されてい
る。このn- 型のベース層3の表面に、スイッチング素
子としての機能を備えたサイリスタ部10と、このサイ
リスタ部10を制御するMOSFET部20とが構成さ
れている。
[Embodiment 1] FIG. 1 shows a first embodiment according to the present invention.
1 shows a configuration of a semiconductor device provided with a second gate and a second gate. Since the semiconductor device of this example has two gates, a dual gate MOS thyristor (D
UGMOT). The device of the present example is a vertical type semiconductor device. A p + -type semiconductor substrate having a drain electrode 35 provided on the back surface is used as a drain layer 1, and an n + -type buffer layer 2 and a An n type base layer 3 is formed by epitaxial growth or the like. A thyristor section 10 having a function as a switching element and a MOSFET section 20 for controlling the thyristor section 10 are formed on the surface of the n type base layer 3.

【0019】サイリスタ部10は、n- 型のベース層3
の表面に形成されたウェル状のp型の拡散層であるp型
のベース層4、このp型のベース層4の内側の表面に形
成されたn+ 型のソース層5およびp+ 型のコンタクト
層6を備え、ソース層5からp型のベース層4、n-
のベース層3に亘って第1のゲート電極7がゲート酸化
膜8を介して設置されている。
The thyristor section 10 has an n type base layer 3.
, A p-type base layer 4 which is a well-shaped p-type diffusion layer formed on the surface of the substrate, an n + -type source layer 5 and a p + -type A contact layer 6 is provided, and a first gate electrode 7 is provided via a gate oxide film 8 from the source layer 5 to the p-type base layer 4 and the n -type base layer 3.

【0020】MOSFET部20は、サイリスタ部10
と同様にn- 型のベース層3の表面に形成されたウェル
状のp型の拡散層であるp型のMOSベース層21、こ
のp型のMOSベース層21の内側の表面に形成された
+ 型のMOSドレイン層22およびMOSソース層2
3、さらに、このMOSソース層23と隣接して形成さ
れたp+ 型のMOSコンタクト層24を備え、MOSソ
ース層23からMOSドレイン層22に亘って第2のゲ
ート電極25がゲート酸化膜26を介して設置されてい
る。
The MOSFET section 20 includes a thyristor section 10
Similarly to the above, a p-type MOS base layer 21 which is a well-shaped p-type diffusion layer formed on the surface of the n type base layer 3 and is formed on the inner surface of the p-type MOS base layer 21. n + type MOS drain layer 22 and MOS source layer 2
3, further comprising a p + -type MOS contact layer 24 formed adjacent to the MOS source layer 23, and a second gate electrode 25 extending from the MOS source layer 23 to the MOS drain layer 22. Is installed through.

【0021】サイリスタ部10のソース層5にはソース
端子31に接続されたソース電極36が、ドレイン層1
にはドレイン端子30に接続されたドレイン電極35が
それぞれ設置されている。また、MOSFET部20の
MOSソース層24およびMOSコンタクト層24には
ソース端子31に接続されたMOSソース電極37が設
置され、MOSドレイン層22とサイリスタ部10のコ
ンタクト層6には接続された接続電極38b,aがそれ
ぞれ設置されている。さらに、第1のゲート電極7は第
1のゲート端子G1と、第2のゲート電極25は第2の
ゲート端子G2とそれぞれ接続されており、外部からの
制御信号によりそれぞれチャンネルの形成が行われる。
In the source layer 5 of the thyristor section 10, a source electrode 36 connected to the source terminal 31 is provided.
Is provided with a drain electrode 35 connected to the drain terminal 30. Further, a MOS source electrode 37 connected to the source terminal 31 is provided on the MOS source layer 24 and the MOS contact layer 24 of the MOSFET section 20, and a connection connected between the MOS drain layer 22 and the contact layer 6 of the thyristor section 10. Electrodes 38b and 38a are provided respectively. Further, the first gate electrode 7 is connected to the first gate terminal G1, and the second gate electrode 25 is connected to the second gate terminal G2. Channels are formed by external control signals. .

【0022】図2に、本例の半導体装置の等価回路を示
してある。本例の装置は、第1のゲート端子G1により
制御されるサイリスタ部10と、第2のゲート端子G2
により制御されるMOSFET部20から構成されい
る。サイリスタ部10は、n+型のソース層5、p型の
ベース層4およびn- 型のベース層3により構成される
npn型のトランジスタQnpnと、p型のベース層
4、n- 型のベース層3、n+ 型のバッファ層2および
+ 型のドレイン層1により構成されたpnp型のトラ
ンジスタQpnpを備えている。従って、これらのトラ
ンジスタQnpnおよびQpnpによりサイリスタが構
成され、第1のゲート端子G1からの信号に基づき第1
のゲート電極7直下にチャンネルが形成されるとトラン
ジスタQpnpがオンとなり、さらに、トランジスタQ
pnpを通って正孔電流がトランジスタQnpnのベー
スであるp型のベース層4に供給されるので、このサイ
リスタがオンとなる。
FIG. 2 shows an equivalent circuit of the semiconductor device of this embodiment. The device of this example includes a thyristor unit 10 controlled by a first gate terminal G1 and a second gate terminal G2.
, Which is controlled by the MOSFET section 20. The thyristor section 10 includes an npn-type transistor Qnpn composed of an n + -type source layer 5, a p-type base layer 4 and an n -type base layer 3, and a p-type base layer 4 and an n -type base layer. A pnp-type transistor Qpnp including a layer 3, an n + -type buffer layer 2 and a p + -type drain layer 1 is provided. Therefore, a thyristor is formed by these transistors Qnpn and Qpnp, and a first thyristor is formed based on a signal from the first gate terminal G1.
When a channel is formed immediately below the gate electrode 7 of the transistor Qpnp, the transistor Qpnp is turned on.
Since the hole current is supplied to the p-type base layer 4 as the base of the transistor Qnpn through the pnp, the thyristor is turned on.

【0023】本例の装置にはこのサイリスタ部10に加
えて、トランジスタQnpnのベースであるp型のベー
ス層4とソース端子31とを接続可能なMOSFET部
20が設けられている。従って、第2のゲート端子G2
に供給される信号に基づきMOSFET部20が導通す
ると、トランジスタQnpnのベースに供給されていた
正孔電流がソース端子31側に流れ、トランジスタQn
pnはオフ状態となる。このため、本例の装置は、サイ
リスタ状態からトランジスタQpnpがオン状態である
トランジスタ状態に移行する。
In the device of this embodiment, in addition to the thyristor section 10, a MOSFET section 20 capable of connecting the p-type base layer 4 which is the base of the transistor Qnpn and the source terminal 31 is provided. Therefore, the second gate terminal G2
When the MOSFET section 20 conducts based on the signal supplied to the transistor Qnpn, the hole current supplied to the base of the transistor Qnpn flows to the source terminal 31 side, and the transistor Qnpn
pn is turned off. For this reason, the device of this example shifts from the thyristor state to the transistor state in which the transistor Qpnp is on.

【0024】図3に、本例の半導体装置を制御するため
にゲート端子G1、およびG2へ供給される信号を示し
てある。本例の装置において第1のゲート端子G1によ
り制御される第1のゲート電極7、および第2のゲート
端子G2により制御される第2のゲート電極25で形成
されるMOSFETはいずれもnチャンネル型であり、
ゲート端子G1、G2に高レベルの信号を供給すること
により、これらのMOSFETを導通状態とすることが
できる。まず、時刻t1に第1のゲート端子G1に高レ
ベルの信号を供給すると、トランジスタQpnp、およ
びQnpnがオンとなりサイリスタ状態で作動する。次
に、時刻t2に第2のゲート端子G2に高レベルの信号
を供給すると、トランジスタQnpnがオフとなり、本
例の装置はトランジスタ状態に移行する。従って、時刻
t3に、第1のゲート端子G1に低レベルの信号を供給
すると、トランジスタQpnpをオフすることができ、
本例の装置は停止状態となる。このように、本例の半導
体装置においては、起動時にはオン電圧の低いサイリス
タ状態でオンすることができ、停止時にはターンオフ時
間が短く、電圧制御が可能なIGBTと同様のトランジ
スタ状態でオフすることができる。
FIG. 3 shows signals supplied to the gate terminals G1 and G2 for controlling the semiconductor device of this embodiment. In the device of this example, the MOSFETs formed by the first gate electrode 7 controlled by the first gate terminal G1 and the second gate electrode 25 controlled by the second gate terminal G2 are both n-channel MOSFETs. And
By supplying a high-level signal to the gate terminals G1 and G2, these MOSFETs can be made conductive. First, when a high-level signal is supplied to the first gate terminal G1 at time t1, the transistors Qpnp and Qnpn are turned on and operate in a thyristor state. Next, when a high-level signal is supplied to the second gate terminal G2 at time t2, the transistor Qnpn is turned off, and the device of this example shifts to the transistor state. Therefore, when a low-level signal is supplied to the first gate terminal G1 at time t3, the transistor Qpnp can be turned off,
The device of this example is in a stopped state. As described above, the semiconductor device of this example can be turned on in a thyristor state with a low on-voltage at the time of start-up, and can be turned off in a transistor state similar to that of an IGBT that can be controlled with a short turn-off time at the time of stoppage. it can.

【0025】以下に、シミュレーション等により確認し
た本例の半導体装置と、IGBTとの特性を比較しなが
ら本例の半導体装置についてさらに詳しく説明する。図
4および図5に、本例の半導体装置とIGBTにおける
電子電流線と全電流線とをシミュレーションで得られた
結果に基づき示してある。本例の半導体装置において
は、上述したように第1のゲート電極7に高レベルの電
圧を印加すると、ソース層5から、p型のベース層4の
表面に形成された第1のゲート電極7直下のチャンネル
を通って電子電流がn- 型のベース層3に流入する。こ
れに呼応してp+型のドレイン層1から正孔電流がn-
型のベース層3に流入するため、n- 型のベース層3は
伝導度変調状態となる。この状態は、先に説明した本例
の半導体装置に内蔵されたトランジスタQpnpおよび
Qnpnがオンとなる状態であり、サイリスタ状態に該
当する。この結果、ソース層5とp型のベース層4との
pn接合が潰れて、ソース層5全体から電子電流がドレ
イン層1に向かって電流が流れる。図4に示す本例の半
導体装置の電子電流線(図4(a))と、全電流線(図
4(b))はこの状態を良く示している。すなわち、電
子電流はソース層5からp型のベース層4を通って、略
均等にn- 型のベース層3、n+ 型のバッファ層2から
ドレイン層1に達している。このように、本例の半導体
装置は、オン抵抗が非常に低い状態で動作していること
が判る。
Hereinafter, the semiconductor device of the present example will be described in more detail while comparing the characteristics of the semiconductor device of the present example confirmed by simulation and the like with those of the IGBT. FIGS. 4 and 5 show the electron current lines and all the current lines in the semiconductor device and the IGBT of this example based on the results obtained by simulation. In the semiconductor device of this example, when a high-level voltage is applied to the first gate electrode 7 as described above, the first gate electrode 7 formed on the surface of the p-type base layer 4 from the source layer 5 The electron current flows into the n -type base layer 3 through the channel immediately below. In response, the hole current from the p + type drain layer 1 is n
Since it flows into the base layer 3 of the n - type, the n type base layer 3 is in the conductivity modulation state. This state is a state where the transistors Qpnp and Qnpn incorporated in the semiconductor device of the present embodiment described above are turned on, and corresponds to a thyristor state. As a result, the pn junction between the source layer 5 and the p-type base layer 4 is broken, and an electron current flows from the entire source layer 5 toward the drain layer 1. The electron current lines (FIG. 4A) and all the current lines (FIG. 4B) of the semiconductor device of this example shown in FIG. 4 show this state well. That is, the electron current passes from the source layer 5 through the p-type base layer 4 and almost uniformly reaches the n -type base layer 3 and the n + -type buffer layer 2 to the drain layer 1. Thus, it can be seen that the semiconductor device of this example operates in a state where the on-resistance is very low.

【0026】これに対し、図5に示すIGBTにおいて
は、ラッチアップを防止するため、サイリスタ状態での
作動は行われておらず、ソース層5からp型のベース層
に形成されたチャンネルを通って、電子電流がn- 型の
ベース層に供給される。従って、n- 型のベース層は伝
導度変調を起こし抵抗は低減されるが、ソース層5とp
型のベース層4とのpn接合は保持されている。この結
果、電子電流および正孔電流は偏った流れとなる。この
様子は図5に示すIGBTの電子電流線(図5(a))
および全電流線(図5(b))に良く現れており、電子
電流はチャンネルを、また正孔電流はJEFT効果によ
りチャンネルに沿って偏った流れとなっている。従っ
て、IGBTにおいてはチャンネル抵抗と、JEFT効
果による抵抗の増大から、オン抵抗の削減は一定の限界
があることになる。
On the other hand, the IGBT shown in FIG. 5 does not operate in the thyristor state in order to prevent latch-up, and passes from the source layer 5 through the channel formed in the p-type base layer. Thus, an electron current is supplied to the n type base layer. Therefore, the conductivity of the n -type base layer is reduced and the resistance is reduced.
The pn junction with the base layer 4 of the mold is maintained. As a result, the electron current and the hole current flow unevenly. This state is shown by the electron current line of the IGBT shown in FIG. 5 (FIG. 5A)
And the entire current line (FIG. 5 (b)), where the electron current flows in the channel, and the hole current flows in the channel due to the JEFT effect. Therefore, in the IGBT, the reduction of the on-resistance has a certain limit due to the increase in the channel resistance and the resistance due to the JEFT effect.

【0027】図6に、本例の半導体装置とIGBTの電
流−電圧特性を示してある。本図にて示すように、本例
の半導体装置においては、ソース・ドレイン間電圧Vc
eが1V程度となると電流密度が急激に増大し、低オン
抵抗のサイリスタ状態が実現されていることが判る。こ
のように、本例の半導体装置において、オン時に必要な
オン電圧の低減を図ることができる。例えば、電流密度
が100A/cm2 の状態でのオン電圧は、本例の半導
体装置が1.0V程度であるのに対し、IGBTでは
3.2V程度である。従って、本例の半導体装置におい
ては、オン電圧をIGBTの1/3程度に削減できるこ
とが判る。これは、先に説明したように、本例の半導体
装置においては、電子がチャンネルを通らないためチャ
ンネル抵抗がなく、またJFET効果がないことからこ
れによる抵抗分がないためと考えられる。
FIG. 6 shows current-voltage characteristics of the semiconductor device of this embodiment and the IGBT. As shown in the figure, in the semiconductor device of this example, the source-drain voltage Vc
It can be seen that when e becomes about 1 V, the current density sharply increases, and a thyristor state with low on-resistance is realized. As described above, in the semiconductor device of this example, it is possible to reduce the on-voltage required at the time of on. For example, the on-state voltage when the current density is 100 A / cm 2 is about 1.0 V in the semiconductor device of this example, and about 3.2 V in the IGBT. Therefore, it can be seen that in the semiconductor device of this example, the ON voltage can be reduced to about 1 / of the IGBT. This is presumably because, as described above, in the semiconductor device of the present example, the electrons do not pass through the channel, so that there is no channel resistance, and since there is no JFET effect, there is no resistance due to this.

【0028】次に、本例の半導体装置のターンオフ時の
動作について説明する。本例の半導体装置は、上述した
ようにサイリスタ状態で動作している。このため、電子
電流は第1のゲート電極7により形成されたチャンネル
を通って供給されているわけではないので、この第1の
ゲート電極7に低レベルの電圧を印加してチャンネルを
消滅させても本例の半導体装置をオフすることはできな
い。従って、第2のゲート電極25に高レベルの電圧を
印加し、MOSFET部20を通ってトランジスタQn
pnのベースにあたるp型のベース層4に供給されてい
る正孔電流をソース端子31に回収することによりトラ
ンジスタQnpnをオフとして、IGBTと同様のトラ
ンジスタ状態を実現する必要がある。この結果、ソース
層5とp型のベース層4とのpn接合が回復され、電子
電流等を第1のゲート電極7により形成されるチャンネ
ルにより制御可能となるので、第1のゲート電極7に低
レベルの電圧を印加してチャンネルを消滅させることで
本例の半導体装置をオフ状態とすることが可能となる。
Next, the operation of the semiconductor device of this embodiment at the time of turn-off will be described. The semiconductor device of this example operates in the thyristor state as described above. For this reason, since the electron current is not supplied through the channel formed by the first gate electrode 7, a low-level voltage is applied to the first gate electrode 7 to extinguish the channel. Also, the semiconductor device of this example cannot be turned off. Therefore, a high-level voltage is applied to the second gate electrode 25 and the transistor Qn
It is necessary to turn off the transistor Qnpn by collecting the hole current supplied to the p-type base layer 4 corresponding to the base of the pn to the source terminal 31 to realize the same transistor state as the IGBT. As a result, the pn junction between the source layer 5 and the p-type base layer 4 is restored, and the electron current and the like can be controlled by the channel formed by the first gate electrode 7. By applying a low-level voltage to extinguish the channel, the semiconductor device of this example can be turned off.

【0029】図7に、本例の半導体装置のオン電圧の変
化を第1および第2のゲート端子G1、G2に供給され
る信号を合わせて示してある。本図にて判るように、時
刻t2にゲート端子G2に高レベルの信号が供給される
と、本例の半導体装置は、サイリスタ状態からトランジ
スタ状態に移行し、オン電圧が1VからIGBTと同様
の3.2Vに上昇する。従って、時刻t3にゲート端子
G1に低レベルの信号を供給することにより、IGBT
と同様、短いターンオフ時間で本例の半導体装置をオフ
することが可能となる。
FIG. 7 shows the change of the on-state voltage of the semiconductor device of this embodiment together with the signals supplied to the first and second gate terminals G1 and G2. As can be seen from this figure, when a high-level signal is supplied to the gate terminal G2 at time t2, the semiconductor device of this example shifts from the thyristor state to the transistor state, and the on-voltage changes from 1V to the same as the IGBT. It rises to 3.2V. Therefore, by supplying a low-level signal to the gate terminal G1 at time t3, the IGBT
Similarly to the above, the semiconductor device of this example can be turned off in a short turn-off time.

【0030】図8に、本例の半導体装置と、IGBTの
ターンオフ波形を比較して示してある。本図は、本例の
半導体装置とIGBTを300Vの電圧でクランプし、
遮断電流密度を110A/cm2 に設定した場合のター
ンオフ時の電流密度の変化(図8(a))、および電圧
の変化(図8(b))を示している。本図にて判るよう
に、時刻t3にゲート端子G1に低レベルの信号を供給
して本例の半導体装置をオフすると、本例の半導体装置
は、IGBTと全く同じターンオフ波形を持ってオフ状
態となる。また、ターンオフ時間もIGBTと同様に短
い。
FIG. 8 shows a comparison between turn-off waveforms of the semiconductor device of this embodiment and an IGBT. This figure shows that the semiconductor device of this example and the IGBT are clamped at a voltage of 300 V,
The change in current density at the time of turn-off (FIG. 8A) and the change in voltage (FIG. 8B) when the cut-off current density is set to 110 A / cm 2 are shown. As can be seen from the figure, when a low-level signal is supplied to the gate terminal G1 at time t3 to turn off the semiconductor device of this example, the semiconductor device of this example is turned off with the same turn-off waveform as the IGBT. Becomes Also, the turn-off time is short as in the case of the IGBT.

【0031】このように、本例の半導体装置は、2つの
ゲート電極を用いて低オン電圧のサイリスタ状態と、I
GBTと同様にターンオフ時間の短いトランジスタ状態
とを実現する全く新しいデバイスである。MCT、IG
BTなどのデバイスを高性能化する技術として、MOS
ゲートデバイスによる高速化および低駆動電力化、サイ
リスタ構造による低オン電圧化、種々のデバイス構造の
結合による高性能化があったが、オン電圧の低減とスイ
ッチング時間のトレードオフを大幅に改善する装置は見
出されていなかった。しかしながら、本装置により、1
つの装置をオン、オフのそれぞれ適した状態に制御する
という新しいコンセプトの基に発明されたものであり、
サイリスタの低オン電圧と、IGBTの短いスイッチン
グ時間を有し、さらに、電圧駆動でサイリスタを制御可
能とする高性能のパワーデバイスを実現することができ
る。
As described above, the semiconductor device of this embodiment uses the two gate electrodes to achieve a low on-voltage thyristor state,
This is a completely new device that realizes a transistor state with a short turn-off time like the GBT. MCT, IG
MOS technology is used to improve the performance of devices such as BTs.
Higher speed and lower drive power by gate device, lower on-voltage by thyristor structure, higher performance by combining various device structures, but equipment that greatly improves trade-off between on-voltage reduction and switching time Was not found. However, with this device,
It was invented based on a new concept of controlling two devices to appropriate states of on and off,
A high-performance power device that has a low on-voltage of the thyristor and a short switching time of the IGBT and that can control the thyristor by voltage driving can be realized.

【0032】〔実施例2〕図9に、本実施例に係る第1
のゲートおよび第2のゲートを備えた半導体装置の構成
を示してある。本例の半導体装置も実施例1において説
明したものと同じく、縦型の半導体装置であり、ドレイ
ン電極35が裏面に設置されたp+ 型の半導体基板をド
レイン層1として、このドレイン層1の上にn+ 型のバ
ッファ層2およびn- 型のベース層3がエピタキシャル
成長などにより形成されている。このn- 型のベース層
3の表面に、スイッチング素子としての機能を備えたサ
イリスタ部10と、このサイリスタ部10を制御するM
OSFET部20とが構成されている。これらのサイリ
スタ部10およびMOSFET部20の構成は、実施例
1と同様につき、同じ符号を付して説明を省略する。
[Embodiment 2] FIG. 9 shows a first embodiment according to this embodiment.
1 shows a configuration of a semiconductor device provided with a second gate and a second gate. The semiconductor device of this embodiment is also a vertical semiconductor device as described in the first embodiment, and a p + -type semiconductor substrate having a drain electrode 35 provided on the back surface is used as the drain layer 1. An n + type buffer layer 2 and an n type base layer 3 are formed thereon by epitaxial growth or the like. A thyristor section 10 having a function as a switching element and an M controlling the thyristor section 10 are provided on the surface of the n type base layer 3.
The OSFET section 20 is configured. The configurations of the thyristor unit 10 and the MOSFET unit 20 are the same as those in the first embodiment, and are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

【0033】本例の半導体装置において着目すべき点
は、上記のサイリスタ部10およびMOSFET部20
に加えて過電流制限部40がn- 型のベース層3上に形
成されていることである。この過電流制限部40は、サ
イリスタ部10に流れる電流を検出可能な過電流検出I
GBT41と、この過電流検出IGBT41と直列に接
続された多結晶シリコン抵抗42とから構成されてい
る。過電流検出IGBT41は、2つのIGBT41a
およびIGBT41bから構成されており、これらのI
GBT41a、41bは構成が同じであるので、以下で
は、IGBT41aに基づき説明する。IGBT41a
は、n- 型のベース層3の表面に形成されたウェル状の
p型の拡散層であるp型の検出用ベース層43a、この
p型の検出用ベース層43aの内側の表面に形成された
+ 型の検出用ソース層44a、さらに、この検出用ソ
ース層44aから検出用ベース層43aを経てn- 型の
ベース層3にゲート酸化膜を介して設置された検出用ゲ
ート電極45から構成されている。このゲート電極45
は第1のゲート端子G1に接続されており、この検出用
IGBT41a、41bはサイリスタ部10と同じタイ
ミングでオン・オフが行われる。
The point to be noted in the semiconductor device of this embodiment is that the thyristor 10 and the MOSFET 20
In addition, the overcurrent limiting section 40 is formed on the n type base layer 3. The overcurrent limiting section 40 is provided with an overcurrent detection I which can detect a current flowing through the thyristor section 10.
It comprises a GBT 41 and a polycrystalline silicon resistor 42 connected in series with the overcurrent detection IGBT 41. The overcurrent detection IGBT 41 includes two IGBTs 41a.
And the IGBT 41b.
Since the GBTs 41a and 41b have the same configuration, the following description will be made based on the IGBT 41a. IGBT41a
Are formed on the surface of the p-type detection base layer 43a, which is a well-shaped p-type diffusion layer formed on the surface of the n - type base layer 3, and on the inner surface of the p-type detection base layer 43a. The n + -type detection source layer 44a, and further from the detection source layer 44a to the n -type base layer 3 via the detection base layer 43a via the gate oxide film, from the detection gate electrode 45. It is configured. This gate electrode 45
Is connected to the first gate terminal G1, and the IGBTs 41a and 41b for detection are turned on and off at the same timing as the thyristor unit 10.

【0034】多結晶シリコン抵抗42は、n- 型のベー
ス層3の表面に酸化膜46を介して設置された多結晶シ
リコン47から構成されており、この抵抗の一方の接続
端子48aは、ソース端子31と、他方の接続端子48
bは検出用IGBT41a,bの検出用ソース層44
a,bに設置された検出用ソース電極49a,bと接続
され、さらに、第2ゲート端子G2と接続されている。
The polycrystalline silicon resistor 42 is composed of polycrystalline silicon 47 provided on the surface of the n type base layer 3 via an oxide film 46, and one connection terminal 48a of this resistor is connected to the source The terminal 31 and the other connection terminal 48
b is the source layer 44 for detection of the IGBTs 41a and 41b for detection.
It is connected to the detection source electrodes 49a and 49b provided at a and b, and further connected to the second gate terminal G2.

【0035】図10に、本例の半導体装置の等価回路を
示してある。本例の半導体装置のサイリスタ部10およ
びMOSFET部20の構成は実施例1と同様につき同
じ符号を付して説明を省略する。本例の半導体装置に追
設された過電流制限部40は、サイリスタ部10と並列
に接続されている。すなわち、検出用IGBT41a、
44bのドレインはサイリスタ部10のドレイン層1と
共用であり、ソース端子31には多結晶シリコン抵抗4
2の一方の接続端子48aが接続されている。
FIG. 10 shows an equivalent circuit of the semiconductor device of this embodiment. The configurations of the thyristor unit 10 and the MOSFET unit 20 of the semiconductor device of the present embodiment are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given, and the description is omitted. The overcurrent limiting section 40 additionally provided in the semiconductor device of the present example is connected in parallel with the thyristor section 10. That is, the detection IGBT 41a,
The drain 44b is used in common with the drain layer 1 of the thyristor unit 10, and the source terminal 31 has a polycrystalline silicon resistor 4b.
One of the two connection terminals 48a is connected.

【0036】従って、サイリスタ部10を流れる電流と
比例した電流が過電流制限部40を流れ、過電流制限部
40を流れる電流に対応した電圧降下が多結晶シリコン
抵抗の他方の接続端子48bに発生する。さらに、この
他方の接続端子48bは、第2ゲート端子G2に接続さ
れているので、サイリスタ部10に過電流が流れ、これ
に比例して過電流制限部40にも過電流が流れると、他
方の接続端子48bの電圧が上昇し、第2ゲート端子G
2に高レベルの電圧が供給される。このため、本例の半
導体装置はサイリスタ状態からトランジスタ状態に移行
し、第1ゲート端子G1に低レベルの電圧が供給される
ことにより短いターンオフ時間でオフ状態とすることが
できる。
Therefore, a current proportional to the current flowing through the thyristor section 10 flows through the overcurrent limiting section 40, and a voltage drop corresponding to the current flowing through the overcurrent limiting section 40 occurs at the other connection terminal 48b of the polycrystalline silicon resistor. I do. Further, since the other connection terminal 48b is connected to the second gate terminal G2, if an overcurrent flows through the thyristor unit 10 and an overcurrent also flows through the overcurrent limiting unit 40 in proportion thereto, the other connection terminal 48b Of the connection terminal 48b of the second gate terminal G
2 is supplied with a high level voltage. For this reason, the semiconductor device of this example shifts from the thyristor state to the transistor state, and can be turned off in a short turn-off time by supplying a low-level voltage to the first gate terminal G1.

【0037】図11に、これらの動きをタイミングチャ
ートとして示す。先ず、時刻t11に第1ゲート端子G
1に高レベルの信号を供給すると本例の半導体装置はオ
ンとなる。この状態は、実施例1において説明したよう
にサイリスタ状態であるので、オン電圧は低い。次に、
何らかの原因により、時刻t12に過電流状態となり、
サイリスタ部10に過電流が流れる。この段階では本例
の半導体装置はサイリスタ状態であるので、第1ゲート
端子G1に低レベルの信号を供給してもオフすることは
できない。従って、早い段階で本例の半導体装置をトラ
ンジスタ状態に移行させる必要がある。本例の半導体装
置は、過電流制限部40が用意されていおり、過電流が
発生するとそれに応じて多結晶シリコン抵抗の他方の接
続端子48bの電圧が上昇する。この端子48bは第2
ゲート端子G2と接続されいるので、第2ゲート端子G
2の電圧もこれに応じて上昇する。その結果、時刻t1
3に第2ゲート端子G2の電圧レベルが閾値を越える
と、MOSFET部20が導通し、本例の半導体装置は
サイリスタ状態からトランジスタ状態へ移行する。従っ
て、時刻t14に、第1ゲート端子G1に低レベルの信
号が供給されると即座に本例の半導体装置は停止状態と
なる。
FIG. 11 is a timing chart showing these operations. First, at time t11, the first gate terminal G
When a high-level signal is supplied to the semiconductor device 1, the semiconductor device of this example is turned on. Since this state is a thyristor state as described in the first embodiment, the ON voltage is low. next,
Due to some cause, an overcurrent state occurs at time t12,
An overcurrent flows through the thyristor unit 10. At this stage, since the semiconductor device of this example is in a thyristor state, it cannot be turned off even if a low-level signal is supplied to the first gate terminal G1. Therefore, it is necessary to shift the semiconductor device of this example to the transistor state at an early stage. The semiconductor device of this example is provided with an overcurrent limiting section 40, and when an overcurrent occurs, the voltage of the other connection terminal 48b of the polycrystalline silicon resistor increases accordingly. This terminal 48b is
Because it is connected to the gate terminal G2, the second gate terminal G
The voltage of 2 also increases accordingly. As a result, at time t1
3, when the voltage level of the second gate terminal G2 exceeds the threshold value, the MOSFET section 20 conducts, and the semiconductor device of the present example shifts from the thyristor state to the transistor state. Therefore, when a low-level signal is supplied to the first gate terminal G1 at time t14, the semiconductor device of the present example is stopped.

【0038】このように、本例の半導体装置は、過電流
状態となるとサイリスタ状態から自動的にトランジスタ
状態に移行でき、外部からの信号に即応して半導体装置
を停止させることができる。従って、過電流状態による
半導体装置の焼損等を未然に防止することが可能であ
り、本例の半導体装置により、過電流検出・保護装置が
内蔵されたインテリジェントパワー半導体装置を実現す
ることができる。また、過電流を検出するためのIGB
T、検出用の抵抗は全て半導体装置自体に設置すること
が可能であるので、このような機能を備えたスイッチン
グ素子を単体の半導体素子として取り扱うことが可能と
なる。さらに、本例の半導体装置は、先に説明したよう
に、サイリスタ状態でオンとなり、トランジスタ状態へ
の移行後オフとすることができることから、低オン電圧
であると同時にターンオフ時間の短縮が図られた半導体
装置であり、高周波応用においても、スイッチング損失
を抑制が可能な特性を備えている。このように、本例の
半導体装置を用いることにより、保護機能を搭載しなが
ら低オン電圧、短いターンオフ時間といった優れた特性
を有する半導体装置を実現することが可能となる。
As described above, the semiconductor device of this embodiment can automatically shift from the thyristor state to the transistor state when an overcurrent state occurs, and can stop the semiconductor device in response to an external signal. Therefore, it is possible to prevent burning of the semiconductor device due to an overcurrent state, etc., and an intelligent power semiconductor device having a built-in overcurrent detection / protection device can be realized by the semiconductor device of this example. Also, IGB for detecting overcurrent
Since T and the detection resistor can all be installed in the semiconductor device itself, the switching element having such a function can be handled as a single semiconductor element. Further, as described above, the semiconductor device of this example is turned on in the thyristor state and can be turned off after the transition to the transistor state, so that the turn-off time is shortened at the same time as the low on-voltage. Semiconductor device having characteristics that can suppress switching loss even in high frequency applications. As described above, by using the semiconductor device of this example, it is possible to realize a semiconductor device having excellent characteristics such as a low on-voltage and a short turn-off time while having a protection function.

【0039】なお、本例および実施例1においては、ソ
ース層とドレイン層が装置の表面および裏面に設置され
た縦型の装置に基づき説明しているが、ソース層とドレ
イン層が同じ面に設置された横型の装置においても、実
現できることは勿論である。
In the present embodiment and the first embodiment, the description has been given based on the vertical device in which the source layer and the drain layer are provided on the front and back surfaces of the device, however, the source layer and the drain layer are on the same surface. Needless to say, the present invention can be realized even in an installed horizontal device.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上において説明したように、本発明に
係る半導体装置は、第1のゲート電極および第2のゲー
ト電極を用いて、オン時には、サイリスタと同様の低オ
ン電圧を、また、オフ時にはIGBTと同様の短いスイ
ッチング時間を実現可能としたものである。従って、従
来のMCT、IGBTなどのパワー半導体デバイスでは
不可能であった、スイッチング時間とオン電圧のトレー
ドオフを大幅に改善することができる。従って、本装置
により、中、大電流、そして、中、高耐圧の装置、回路
に用いられるパワーデバイスの大幅な高性能化が可能と
なる。また、オン電圧が低く、スイッチング速度が早い
ため、高周波応用においても、大幅に損失を低減するこ
とが可能である。このように、本発明に係る半導体装置
を採用することにより、近年、特に省電力化の見地等よ
り要望されている種々の装置の低損失化、小型化を実現
することが可能である。
As described above, the semiconductor device according to the present invention uses the first gate electrode and the second gate electrode to provide the same low on-state voltage as the thyristor and the off-state when the semiconductor device is on. Sometimes, a short switching time similar to that of an IGBT can be realized. Therefore, the trade-off between the switching time and the on-state voltage, which is impossible with the conventional power semiconductor devices such as MCT and IGBT, can be greatly improved. Therefore, the present device makes it possible to significantly improve the performance of power devices used in devices and circuits with medium and large currents and medium and high withstand voltages. Further, since the ON voltage is low and the switching speed is high, loss can be significantly reduced even in high frequency applications. As described above, by adopting the semiconductor device according to the present invention, it is possible to realize a reduction in the size and a reduction in the size of various devices which have been demanded in recent years, particularly from the viewpoint of power saving.

【0041】特に本発明では、第2導電型のベース領域
に電流検出部を構成することにより、この電流検出部に
サイリスタ部を流れる電流と比例した電流を流すことが
できる。このため、サイリスタ部に何らかの原因で過電
流が流れた場合には、それに比例した電流が電流検出部
に流れ、この電流検出部と直列に接続された抵抗手段の
電圧降下が増大する。従って、第2のゲート電極に印加
される制御電圧が上昇するため、制御用MISFETを
オフ状態とすることができる。これにより、半導体装置
は、停止が可能なトランジスタ状態に移行し、第1のゲ
ート電極に印加される電位によって即座にオフ状態とす
ることが可能となる
In particular, in the present invention, the base region of the second conductivity type is used.
By configuring the current detection unit in
A current proportional to the current flowing through the thyristor
it can. For this reason, the thyristor section
When a current flows, a current proportional to the
To the resistance means connected in series with the current detection section.
The voltage drop increases. Therefore, the voltage applied to the second gate electrode
Control voltage rises, the control MISFET
It can be turned off. Thereby, the semiconductor device
Transitions to a transistor state that can be stopped, and the first gate
Is immediately turned off by the potential applied to the gate electrode.
It becomes possible .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例に係る半導体装置の構成を示す
断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1に示す半導体装置の等価回路を示す回路図
である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the semiconductor device shown in FIG.

【図3】図1に示す半導体装置の2つのゲート端子に供
給される信号と半導体装置の動作状態を示す説明図であ
る。
3 is an explanatory diagram illustrating signals supplied to two gate terminals of the semiconductor device illustrated in FIG. 1 and an operation state of the semiconductor device.

【図4】図1に示す半導体装置における電流の流れを電
子電流線(a)、全電流線(b)を用いて示す説明図で
ある。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a current flow in the semiconductor device shown in FIG. 1 using an electron current line (a) and all current lines (b).

【図5】IGBTにおける電流の流れを電子電流線
(a)、全電流線(b)を用いて示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a current flow in the IGBT using an electron current line (a) and all current lines (b).

【図6】図1に示す半導体装置とIGBTの電流−電圧
特性を示すグラフ図である。
FIG. 6 is a graph showing current-voltage characteristics of the semiconductor device and the IGBT shown in FIG. 1;

【図7】図1に示す半導体装置において、ゲート端子G
1およびG2の信号の状態(a)とサイリスタ状態から
トランジスタ状態に移行する際の電圧の変化(b)を示
すグラフ図である。
FIG. 7 is a sectional view of the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 6 is a graph showing the states of the signals 1 and G2 (a) and the change in voltage (b) when the state changes from the thyristor state to the transistor state.

【図8】図1に示す半導体装置とIGBTのターンオフ
時の電流変化(a)、電圧変化(b)をゲート端子G1
およびG2の信号の状態(c)に対し示すグラフ図であ
る。
FIG. 8 shows a current change (a) and a voltage change (b) when the semiconductor device and the IGBT shown in FIG.
FIG. 7 is a graph showing a state (c) of the signal of FIG.

【図9】本発明の実施例2に係る半導体装置の構成を示
す断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図10】図9に示す半導体装置の等価回路を示す回路
図である。
FIG. 10 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the semiconductor device shown in FIG. 9;

【図11】図9に示す半導体装置の動作を示すタイミン
グチャートである。
FIG. 11 is a timing chart showing an operation of the semiconductor device shown in FIG.

【図12】IGBTの構造の一例を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of the IGBT.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ・・・ ドレイン層 2 ・・・ n+ 型のバッファ層 3 ・・・ n- 型のベース層 4 ・・・ p型のベース層 5 ・・・ n+ 型のソース層 6 ・・・ p+ 型のコンタクト層 7 ・・・ 第1のゲート電極 8 ・・・ ゲート酸化膜 10・・・ サイリスタ部 20・・・ MOSFET部 21・・・ p型のMOSベース層 22・・・ n+ 型のMOSドレイン層 23・・・ n+ 型のMOSソース層 24・・・ p+ 型のMOSコンタクト層 25・・・ 第2のゲート電極 26・・・ ゲート酸化膜 30・・・ ドレイン端子 31・・・ ソース端子 32・・・ 第1ゲート端子G1 33・・・ 第2ゲート端子G2 35・・・ ドレイン電極 36・・・ ソース電極 37・・・ MOSソース電極 38・・・ 接続電極 40・・・ 過電流検出部 41・・・ 過電流検出用IGBT 42・・・ 多結晶シリコン抵抗 43・・・ 検出用ベース層 44・・・ 検出用ソース層 45・・・ 検出用ゲート電極 46・・・ 絶縁酸化膜 47・・・ 多結晶シリコン 48・・・ 接続端子 52・・・ ドレイン層 53・・・ n+ 型のバッファ層 54・・・ n- 型の伝導度変調層 55・・・ ゲート酸化膜 56・・・ ゲート電極 57・・・ p型のチャンネル層 58・・・ n+ 型のソース層 59・・・ p+ 型のコンタクト層 60・・・ ソース電極 61・・・ ドレイン電極 63・・・ チャンネル1 ... drain layer 2, ... n + -type buffer layer 3 ... n - -type base layer 4 ... p-type base layer 5, ... n + -type source layer 6 ... p of + -type contact layer 7 ... first MOS base layer 22, ... n + -type gate electrode 8 ... gate oxide film 10 ... thyristor 20 ... MOSFET portion 21 ... p-type MOS drain layer 23 ... n + type MOS source layer 24 ... p + type MOS contact layer 25 ... second gate electrode 26 ... gate oxide film 30 ... drain terminal 31 ... .. Source terminal 32 ... First gate terminal G1 33 ... Second gate terminal G2 35 ... Drain electrode 36 ... Source electrode 37 ... MOS source electrode 38 ... Connection electrode 40 ...・ Overcurrent detector 41 ・ ・ ・ Overcurrent IGBT for current detection 42 ... Polycrystalline silicon resistor 43 ... Base layer for detection 44 ... Source layer for detection 45 ... Gate electrode for detection 46 ... Insulating oxide film 47 ... Polycrystalline silicon 48 connection terminal 52 drain layer 53 n + type buffer layer 54 n type conductivity modulation layer 55 gate oxide film 56 gate electrode 57. -P-type channel layer 58 ... n + -type source layer 59 ... p + -type contact layer 60 ... source electrode 61 ... drain electrode 63 ... channel

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−326936(JP,A) 特開 平5−315619(JP,A) 特開 平5−235363(JP,A) 特開 平4−18763(JP,A) 特開 平3−148872(JP,A) 特開 平3−145163(JP,A) 特開 平3−136371(JP,A) 特開 平1−181571(JP,A) 特開 昭63−288064(JP,A) 特開 昭57−78225(JP,A) 平成4年電気学会全国大会講演論文 集,No.5,p.5.7(1992)「デ ュアルゲートMOSゲートサイリスタ 〔DUGMOT〕」 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/749 Continuation of front page (56) References JP-A-5-326936 (JP, A) JP-A-5-315619 (JP, A) JP-A-5-235363 (JP, A) JP-A-4-18763 (JP) JP-A-3-148872 (JP, A) JP-A-3-145163 (JP, A) JP-A-3-136371 (JP, A) JP-A-1-181571 (JP, A) JP 63-288064 (JP, A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-78225 (JP, A) 5, p. 5.7 (1992) "Dual gate MOS gate thyristor [DUGMOT]" (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/749

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第2導電型のベース領域上における、ド
レイン電位の印加される第1導電型のドレイン領域と対
峙する位置に、第1導電型のベース領域と、この第1導
電型のベース領域内に形成されソース電位が印加される
ソース領域と、このソース領域から前記第1導電型のベ
ース領域を経て前記第2導電型のベース領域に亘って設
置された第1のゲート電極とを備えたサイリスタ部を有
する半導体装置において、 前記第1導電型のベース領域と前記ソース領域との接続
を制御可能な第2のゲート電極を具備する制御用MIS
FETを有し、 前記第2導電型のベース領域に少なくとも1組の第1導
電型の検出用ベース層と、この検出用ベース層内に形成
された第2導電型の検出用ソース層と、この検出用ソー
ス層から前記第2導電型のベース領域に亘って設置され
た検出用ゲート電極とを具備する電流検出部を有し、前
記検出用ソース層と直列に接続された抵抗手段を介して
前記ソース電位が印加されており、この検出用ソース層
と前記第2のゲート電極が接続されている ことを特徴と
する半導体装置。
A first conductive type base region and a first conductive type base region are provided on a second conductive type base region at positions opposed to the first conductive type drain region to which a drain potential is applied. A source region formed in the region, to which a source potential is applied, and a first gate electrode provided from the source region to the base region of the second conductivity type via the base region of the first conductivity type. A semiconductor device having a thyristor section provided with a thyristor section, comprising: a control MIS including a second gate electrode capable of controlling connection between the base region of the first conductivity type and the source region.
Have a FET, at least one pair of first guide in the base region of the second conductivity type
An electroformed detection base layer and formed in the detection base layer
The second conductive type detection source layer and the detection source
From the base layer to the base region of the second conductivity type.
And a current detection unit having a detection gate electrode.
Via a resistance means connected in series with the detection source layer
The source potential is applied, and the detection source layer
And the second gate electrode is connected to the semiconductor device.
【請求項2】 第2導電型のベース領域上における、ド
レイン電位の印加される第1導電型のドレイン領域と対
峙する位置に、第1導電型のベース領域と、この第1導
電型のベース領域内に形成されソース電位が印加される
ソース領域と、このソース領域から前記第1導電型のベ
ース領域を経て前記第2導電型のベース領域に亘って設
置された第1のゲート電極とを備えたサイリスタ部を有
する半導体装置であって、 前記第2導電型のベース領域上に前記第1導電型のベー
ス領域と分離して形成された第1導電型のMIS用ベー
ス領域と、この第1導電型のMIS用ベース領域内に形
成された第2のゲート電極を具備する制御用MISFE
Tとを備えた制御用MISFET部を有し、 前記制御用MISFETは、前記MIS用ベース領域と
共に前記ソース電位が印加される第2導電型のMIS用
ソース層と、前記第1導電型のベース領域と接続された
第2導電型のMIS用ドレイン層とを備え 前記第2導電型のベース領域に少なくとも1組の第1導
電型の検出用ベース層 と、この検出用ベース層内に形成
された第2導電型の検出用ソース層と、この検出用ソー
ス層から前記第2導電型のベース領域に亘って設置され
た検出用ゲート電極とを具備する電流検出部を有し、前
記検出用ソース層と直列に接続された抵抗手段を介して
前記ソース電位が印加されており、この検出用ソース層
と前記第2のゲート電極が接続されている ことを特徴と
する半導体装置。
2. A first conductivity type base region and a first conductivity type base region on a second conductivity type base region opposite to the first conductivity type drain region to which a drain potential is applied. A source region formed in the region, to which a source potential is applied, and a first gate electrode provided from the source region to the base region of the second conductivity type via the base region of the first conductivity type. A semiconductor device having a thyristor section provided with: a MIS base region of a first conductivity type formed on the base region of the second conductivity type separately from the base region of the first conductivity type; MISFE for control including a second gate electrode formed in a base region for MIS of one conductivity type
And a control MISFET portion having a second conductive type MIS source layer to which the source potential is applied together with the MIS base region; and a first conductive type base. A MIS drain layer of the second conductivity type connected to the region, and at least one set of the first conductive layer is provided in the base region of the second conductivity type.
An electroformed detection base layer and formed in the detection base layer
The second conductive type detection source layer and the detection source
From the base layer to the base region of the second conductivity type.
And a current detection unit having a detection gate electrode.
Via a resistance means connected in series with the detection source layer
The source potential is applied, and the detection source layer
And the second gate electrode is connected to the semiconductor device.
【請求項3】 請求項1または2において、前記抵抗手
段は、前記第2導電型のベース領域上に形成された多結
晶シリコン抵抗であることを特徴とする半導体装置。
3. An apparatus according to claim 1 or 2, wherein the resistance means is a semiconductor device wherein the formed second conductivity type base region a polycrystalline silicon resistor.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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平成4年電気学会全国大会講演論文集,No.5,p.5.7(1992)「デュアルゲートMOSゲートサイリスタ〔DUGMOT〕」

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