JP3964985B2

JP3964985B2 - 電力制御用半導体集積回路

Info

Publication number: JP3964985B2
Application number: JP16372798A
Authority: JP
Inventors: 康之手塚
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1998-06-11
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: JPH11354715A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力制御用半導体集積回路、特に熱源となるパワートランジスタとその制御回路が同一基板に配置される半導体集積回路の熱帰還による影響を低減する構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、大電流が必要となるパワートランジスタでは、複数のエミッタが配置・形成された構成となっており、この構成の一例を図６に示す。この図６において、同一基板に配置される集積回路１に、パワーＮＰＮトランジスタ２とその制御回路３が配置されており、このパワートランジスタ２内では例えば３個のエミッタ４，５，６が形成される。
【０００３】
このエミッタ４〜６のそれぞれの面積は、図示のように同一とされるので、各エミッタ４〜６の電流密度が均等となり、このような構成のエミッタを複数形成することによって、上記制御回路３に対する熱の影響を小さくすることができる。
【０００４】
即ち、図６に示されるように、パワートランジスタ２に流れる電流をＩ_C0とすると、各エミッタ４〜６に流れる電流は均等であるから、Ｉ_C4＝Ｉ_C5＝Ｉ_C6＝（１／３）Ｉ_C0アンペアとなる。また、このエミッタ４〜６の抵抗Ｒ4，Ｒ5，Ｒ6＝Ｒ₀とすると、総電力量Ｐ₀は、
Ｐ₀ ＝Ｉ²Ｒ＝Ｐ₄＋Ｐ₅＋Ｐ₆
＝［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀＋［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀
＋［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀
となる。
【０００５】
ここで、パワートランジスタ２の制御回路３に対するそれぞれのエミッタ４〜６からの熱の影響度Ｈは、この制御回路３からの距離に反比例することから、図６に示すように制御回路３からの距離をそれぞれＸ，２Ｘ，３Ｘとすると、次の式で表される。
Ｈ＝［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀／Ｘ＋［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀／２Ｘ
＋［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀／３Ｘ
≒０．２０３７Ｉ_C0 ^２・Ｒ₀／Ｘ
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体集積回路のパワートランジスタでは、熱帰還の影響を十分に排除することができず、大電流動作時の特性を安定させるために、上記パワーＮＰＮトランジスタ２を制御回路３からある程度離して配置しており、回路スペースの縮小化の妨げになるという問題があった。
即ち、熱の影響は距離に反比例することから、上記制御回路３からパワートランジスタ２を遠くに離せばよいが、このトランジスタ２の占める面積が大きいため、遠くに離すことにより比較的大きなスペースを無駄に使用してしまうことになる。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、パワートランジスタから発生する熱に緩やかな勾配を設定して熱帰還の影響を少なくし、当該パワートランジスタと制御回路との距離を離さずに、大電流動作時の特性を向上させることができる半導体集積回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、複数のエミッタを具備するパワートランジスタと、このパワートランジスタを駆動するために同一基板上に配置された制御回路と、を有する半導体集積回路において、上記複数のエミッタのそれぞれの抵抗成分が異なる値となるように設定し、これら複数のエミッタは、上記制御回路に対して上記エミッタ抵抗成分が小さい程遠くなるように配列し、この制御回路から遠くなるエミッタ程、このエミッタに流れる電流が大きくなるようにしたことを特徴とする。ここで、上記のエミッタ抵抗成分とは、エミッタとエミッタコンタクトの接触領域で生じる抵抗や、このエミッタやコンタクトに直接接続されるアルミ配線等の抵抗成分をいうものとする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、上記複数のエミッタに接触する各エミッタコンタクトの短冊形状の短辺を変え、これら複数のエミッタコンタクトは、上記制御回路に対して上記短冊形状の短辺が長い程、遠くなるように配列して、上記エミッタ抵抗成分が異なる値となるように設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、上記複数のエミッタに接続されるアルミ配線の抵抗成分を変えて、上記エミッタ抵抗成分を異なる値に設定することを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、パワートランジスタに配置される複数のエミッタにつき、制御回路に近くなる程、エミッタ抵抗成分が大きくなり、発生する熱が小さくなるという熱勾配が設定される。この結果、パワートランジスタを制御回路に近づけることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１には、実施形態の第１例に係る電力制御用半導体集積回路の構造が示されており、この第１例においても、図示されるように、集積回路１が同一基板に形成される。この集積回路１では、パワーＮＰＮトランジスタ９とその制御回路３が近接して配置されており、このパワートランジスタ９内には、例えばｎ個のエミッタ１６−１，１６−２，…１６−ｎが形成され、このエミッタ１６（１〜ｎ）の周囲にベース１１、このベース１１の周囲にコレクタ１２が形成される。
【００１３】
上記のエミッタ１６−１，１６−２，…１６−ｎは、それぞれが短冊形状を成し、全体でストライプ形状とされ、このエミッタ１６（１〜ｎ）には、その上側にエミッタコンタクト１７−１，１７−２，…１７−ｎが接触するように配置される。
【００１４】
なお、上記ベース１１にはベースコンタクト１４、上記コレクタ１２にはコレクタコンタクト１５が接触するように配置される。
【００１５】
また、この第１例はエミッタコンタクトのみの面積を変えたものである。図１に示されるように、当該例では、パワートランジスタ９内に形成される複数のエミッタ１６−１，１６−２，…１６−ｎについて、その短辺の長さを同一として全ての面積を同一に形成する。
【００１６】
一方、このエミッタ１６（１〜ｎ）の上側で接触するエミッタコンタクト１７−１，１７−２，…１７−ｎについては、その短辺を、制御回路３から遠ざかる程長くなるように設定して、遠ざかる程、エミッタ１６とコンタクト１７が接触する面積が大きくなるようにする。
【００１７】
この第１例によれば、上記制御回路３から離れる程、エミッタ抵抗成分が小さくなり、逆に近づく程、エミッタ抵抗成分が大きくなる。
【００１８】
図２には、実施形態の第２例の構成が示されており（コンタクトは省略する）、この第２例はエミッタに接続される抵抗成分の値を変えたものである。図２に示されるように、エミッタ１８−１，１８−２，…１８−ｎには、配線であるアルミ線が接続されるが、上記エミッタ１８−１に接続されるアルミ線１９−１を一番長くし、このアルミ線１９−１からエミッタ１８−２に接続されるアルミ線１９−２，…エミッタ１８−ｎに接続されるアルミ線１９−ｎの順で、即ち制御回路３から遠くのエミッタ１８になる程、アルミ線１９の長さを短くする。なお、これらのアルミ線１９（１〜ｎ）は一本のアルミ本線２０に接続される。
このような第２例の構成によっても、制御回路３から離れる程、エミッタ抵抗成分が小さくなり、逆に近づく程、エミッタ抵抗成分が大きくなる。
【００１９】
図３には、上記の第１例から第２例において、３個のエミッタを配置した場合のパワートランジスタ回路が示されている。図示されるパワートランジスタ９内には、３個のＮＰＮトランジスタ２１，２２，２３が形成され、エミッタの面積で考えると、左側のトランジスタ２１のエミッタの面積が最も小さく、次に小さいのがトランジスタ２２で、右側のトランジスタ２３のエミッタの面積が最も大きくなる。また、エミッタ抵抗成分で考えると、左側のトランジスタ２１のエミッタ抵抗が最も大きく、右側のトランジスタ２３の抵抗が最も小さくなる。
【００２０】
そして、これらトランジスタ２１，２２，２３のコレクタにコレクタ電圧２４、ベースにベース電圧２５が与えられると、上記トランジスタ２１にはコレクタ電流Ｉ_C21、上記トランジスタ２２にはコレクタ電流Ｉ_C22、上記トランジスタ２３にはコレクタ電流Ｉ_C23が流れることになる。
【００２１】
図４には、上記図３の回路において、ある値のコレクタ電圧２４を与えると共に、ベース電圧２５を変化させたときのコレクタ電流が示されている。図示されるように、あるベース電位Ｖｘにおけるコレクタ電流Ｉ_C21，Ｉ_C22，Ｉ_C23の値は、エミッタ抵抗が最も大きいトランジスタ２１のコレクタ電流Ｉ_C21＜次にエミッタ抵抗が大きいトランジスタ２２のコレクタ電流Ｉ_C22＜エミッタ抵抗が最も小さいトランジスタ２３のコレクタ電流Ｉ_C23の大小関係となる。
【００２２】
このことからも理解されるように、エミッタ抵抗成分を大きくすることによりコレクタ電流が制限されることになり、これによって熱の発生に勾配を与えることが可能となる。この熱勾配については、図５を参照して説明する。
【００２３】
図５において、パワートランジスタ９内に第１例のエミッタ１６−１から１６−３の３つを配置した場合を考えると、制御回路３に近いエミッタ１６−１は当該制御回路３からＸの距離、次のエミッタ１６−２は２Ｘの距離、最も遠いエミッタ１６−３は３Ｘの距離にある。
【００２４】
そして、パワートランジスタ９に流れる電流をＩ_C0とし、例えばエミッタ１６−１の抵抗Ｒ1を２Ｒ₀、エミッタ１６−２の抵抗Ｒ2をＲ₀、エミッタ１６−３の抵抗Ｒ3を（２／３）Ｒ₀とすると、エミッタ１６−１に流れる電流Ｉ_C1が（１／６）Ｉ_CO、エミッタ１６−２に流れる電流Ｉ_C2が（１／３）Ｉ_CO、エミッタ１６−３に流れる電流Ｉ_C3が（１／２）Ｉ_COとなる。
【００２５】
そして、総電力量Ｐ0は、
Ｐ₀ ＝Ｉ²Ｒ＝Ｐ₁＋Ｐ₂＋Ｐ₃
＝［（１／６）Ｉ_C0］^２・２Ｒ₀＋［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀
＋［（１／２）Ｉ_C0］^２・（２／３）Ｒ₀
となる。
【００２６】
ここで、パワートランジスタ９の制御回路３に対するそれぞれのエミッタ１６−１〜１６−３からの熱の影響度Ｈは、この制御回路３からの距離に反比例するので、次の式で表される。
Ｈ＝［（１／６）Ｉ_C0］^２・２Ｒ₀／Ｘ＋［（１／３）Ｉ_C0］^２・Ｒ₀／２Ｘ
＋［（１／２）Ｉ_C0］^２・（２／３）Ｒ₀／３Ｘ
≒０．１６６７Ｉ_C0 ^２Ｒ₀／Ｘ
この熱の影響度Ｈは、従来では、上述のように０．２０３７Ｉ_C0 ^２Ｒ₀／Ｘであったから、これと比べると、当該例では、約２０％低下したことになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、異なるエミッタ抵抗成分を有する複数のエミッタを形成し、これらを制御回路に対してエミッタ抵抗成分が小さい程遠くなるように配列して、制御回路から遠くなる程、エミッタに流れる電流が大きくなるようにしたので、パワートランジスタから発生する熱に緩やかな勾配を設定して熱帰還の影響を少なくすることができ、このパワートランジスタとその制御回路とを近接配置できるので、無駄に回路スペースを使うことがない。しかも、熱帰還による影響が低減され、大電流動作時の特性を向上させることが可能となる。
【００２８】
請求項２に係る発明によれば、エミッタコンタクトの短辺を変えて異なるエミッタ抵抗成分を設定することにより、また請求項３の発明によれば、エミッタに接続されるアルミ配線の抵抗成分を変えることにより、上記の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例に係る電力制御用半導体集積回路の構成を示す図である。
【図２】実施形態の第２例に係る半導体集積回路の構成を示す図である。
【図３】実施形態の各例で構成されるパワートランジスタ回路を示す図である。
【図４】図３のパワートランジスタ回路で得られるコレクタ電流を示すグラフである。
【図５】実施形態例の半導体集積回路での制御回路とエミッタとの関係（距離及び抵抗値等）を示す説明図である。
【図６】従来の半導体集積回路での制御回路とエミッタとの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ … 半導体集積回路、
２，９ … パワートランジスタ、
３ … 制御回路、
１６（１〜ｎ），１８（１〜ｎ） … エミッタ、
１７（１〜ｎ） … エミッタコンタクト、
１９（１〜ｎ） … アルミ線。

Claims

複数のエミッタを具備するパワートランジスタと、このパワートランジスタを駆動するために同一基板上に配置された制御回路と、を有する半導体集積回路において、
上記複数のエミッタのそれぞれの抵抗成分が異なる値となるように設定し、
これら複数のエミッタは、上記制御回路に対して上記エミッタ抵抗成分が小さい程遠くなるように配列し、この制御回路から遠くなるエミッタ程、このエミッタに流れる電流が大きくなるようにしたことを特徴とする電力制御用半導体集積回路。
上記複数のエミッタに接触する各エミッタコンタクトの短冊形状の短辺を変え、これら複数のエミッタコンタクトは、上記制御回路に対して上記短冊形状の短辺が長い程、遠くなるように配列して、上記エミッタ抵抗成分が異なる値となるように設定することを特徴とする請求項１記載の電力制御用半導体集積回路。
上記複数のエミッタに接続されるアルミ配線の抵抗成分を変えて、上記エミッタ抵抗成分を異なる値に設定することを特徴とする請求項１記載の電力制御用半導体集積回路。