JP4357546B2

JP4357546B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4357546B2
Application number: JP2007151836A
Authority: JP
Inventors: 正人和泉; 一郎大村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: US7652510B2; JP2008305984A; US20080303581A1

Description

本発明は、半導体素子を温度測定可能な半導体装置に関するものである。

半導体装置は、取り扱う電力によって、高温に達するおそれがある。これに対して、近年、温度センサを取り付け、半導体装置の温度を検知し、半導体装置の動作を制御して半導体装置の発熱を抑制する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような半導体装置の温度センサは、発熱するチップ（半導体素子）表面の一部に形成された温度検出部（ポリシリコンにより成形されたダイオード等）、及びチップ外部に設けられて温度検出部の信号に基づき温度を測定する温度測定回路を有する。しかしながら、温度検出部をチップ表面に形成することによって、工程の複雑化、その形成スペース確保による半導体素子の占有面積の増大を招き、微細化の弊害となる。さらには、工程の複雑化により半導体装置の製造コストも高くなる。
特開２００２−２８０５５６号公報

本発明は、低コストで占有面積を縮小した、半導体素子を温度測定可能な半導体装置を提供する。

この発明の一態様に係る半導体装置は、駆動電圧を印加される制御電極を有し該駆動電圧に基づき導電状態と非導電状態との間で切り替わる半導体素子に対して前記駆動電圧を前記制御電極に印加する駆動回路と、所定の周波数で振動する電圧検出信号を前記制御電極に入力させることで前記半導体素子にかかる電圧と一定の関係を有する第１電圧を検出する検出回路と、当該検出回路にて検出した前記第１電圧に基づき前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、前記検出回路は、前記半導体素子に一端を接続したキャパシタと、当該キャパシタの他端に接続され且つ前記電圧検出信号を出力する発振器とを備え、前記キャパシタの両端にかかる電圧を前記第１電圧として検出し、前記電圧検出信号を前記駆動電圧のスイッチング周波数よりも周波数が大であり、前記半導体素子の閾値電圧よりも低い電圧にて発振させることを特徴とする。

本発明によれば、低コストで占有面積を縮小した、半導体素子を温度測定可能な半導体装置を提供することができる。

次に、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置のブロック構成図である。図１に示すように、一実施形態に係る半導体装置は、電圧印加に伴い発熱する半導体素子、例えばＩＧＢＴ（電力半導体素子（Device Under Test（ＤＵＴ））１１を含む半導体素子部１、及び半導体素子部１を駆動させると共にその温度を検出する駆動・温度検出回路２を有する。駆動・温度検出回路２は、半導体素子部１のＩＧＢＴ１１に信号線ＳＬを介して駆動電圧を印加する一方、信号線ＳＬからの信号に基づき半導体素子部１の温度を検出する。駆動・温度検出回路２は、半導体素子部１のチップ上に形成されている必要はなく、信号線ＳＬに接続可能な半導体素子部１と同じチップ内の任意の位置、或いは半導体素子部１とは別チップに配置することも可能である。

ＩＧＢＴ１１のゲートは、信号線ＳＬに接続され、一端（エミッタ）は接地されている。他端（コレクタ）は外部回路に接続されている。また、ＩＧＢＴ１１は、そのゲートとコレクタとの間に寄生容量Ｃ_ＧＣを有し、そのコレクタとエミッタとの間に寄生容量Ｃ_ＥＣを有し、そのゲートとエミッタとの間に寄生容量Ｃ_ＧＥを有している。

駆動・温度検出回路２は、検出回路２１、駆動回路２２、制御回路２３を有する。検出回路２１は、ＩＧＢＴ１１のゲートに印加されると共にＩＧＢＴ１１に電圧検出信号Ｗを発振する。また、検出回路２１は、ＩＧＢＴ１１にかかる電圧と一定の関係を有する第１電圧を検出する。なお、電圧検出信号Ｗの詳細については後述する。駆動回路２２は、ＩＧＢＴ１１を導通状態と非導通状態との間で切り替わらせるように、ＩＧＢＴ１１のゲートに信号線ＳＬを介して駆動電圧を印加する機能を有する。制御回路２３は、駆動回路２２及び検出回路２１を制御し、検出回路２１にて検出した第１電圧に基づくＩＧＢＴ１１の静電容量からＩＧＢＴ１１の温度を求める。

検出回路２１は、信号線ＳＬに一端を接続したキャパシタ２１１、キャパシタ２１１の他端に一端を接続すると共に他端を接地した発振器２１２、キャパシタ２１１の両端に接続された電圧計２１３を有する。また、発振器２１２、及び電圧計２１３は、制御回路２３に接続されている。

例えば、信号線ＳＬに与えられる交流電圧を１ｋＨｚの周波数とし、この１ｋＨｚの周波数をスイッチング周波数としてＩＧＢＴ１１のゲートをオンオフ動作させる場合、発振器２１２は、ＩＧＢＴ１１の導通／非導通状態を跨らない状態でＩＧＢＴ１１の温度検出が行えるよう、少なくともそのスイッチング周波数よりも高い、例えば１ＭＨｚの周波数を有する交流電圧を電圧検出信号Ｗとして発振する。この電圧検出信号Ｗに応じたＩＧＢＴ１１内部のバイポーラトランジスタによって、キャパシタ２１１を介してＩＧＢＴ１１に増幅された交流電流が流れる。ここで、電圧検出信号Ｗ、キャパシタ２１１の静電容量、及びＩＧＢＴ１１の寄生容量Ｃ_ＧＥに基づき、キャパシタ２１１の両端にかかる電圧が確定される。電圧計２１３は、その電圧を測定し、制御回路２３へ出力する。つまり、電圧計２１３にて測定された電圧は、ＩＧＢＴ１１にかかる電圧と一定の関係を有する第１電圧であり、その第１電圧は、増幅効果に応じてＩＧＢＴ１１に流れる電流と一定の関係を有する。

駆動回路２２は、２つのトランジスタ２２１ａ，２２１ｂ、及び抵抗２２２を有する。トランジスタ２２１ａの一端及びトランジスタ２２１ｂの一端は、ノードＮにて直列に接続されている。トランジスタ２２１ａの他端は接地され、トランジスタ２２１ｂの他端には、ＩＧＢＴ１１のゲートをオンするに十分な電圧ＶＤＤが印加されている。また、トランジスタ２２１ａ，２２１ｂのゲートには、制御回路２３からの制御電圧が印加される。抵抗２２２の一端はノードＮに接続され、抵抗２２２の他端は信号線ＳＬに接続されている。

制御回路２３は、トランジスタ２２１ａ，２２１ｂのゲートのオンオフを制御することによって、電圧ＶＤＤをＩＧＢＴ１１のゲートに印加する駆動電圧を変化させる。また、制御回路２３は、発振器２１２の動作を制御して電圧検出信号Ｗを切り替えると共に、電圧計２１３にて測定した第１電圧に基づきＩＧＢＴ１１の温度を測定（判断）する。

次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、ゲート電圧（０Ｖ，２Ｖ，３Ｖ，５Ｖ，７Ｖ，１０Ｖ、２０Ｖ，３０Ｖ，４０Ｖ，５０Ｖ）と、キャパシタ２１１の電圧から見積もったＩＧＢＴ１１の静電容量（ｐＦ）と、ＩＧＢＴ１１のゲートの温度（℃）との関係を説明する。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、縦軸は電圧計２１３にて測定した電圧に基づき見積もったＩＧＢＴ１１の静電容量（ｐＦ）を示し、横軸はＩＧＢＴ１１の温度（℃）を示す。なお、図２Ａは、縦軸を０〜１６０００ｐＦの範囲で示したものであり、図２Ｂは、縦軸を０〜５００ｐＦの範囲で示したものである。また、測定点の図形（白抜き丸型、白抜きひし形、白抜き三角形等）は、測定時にＩＧＢＴ１１のゲートに印加されたゲート電圧毎に異なるものとなっている。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、ＩＧＢＴ１１のゲートの温度上昇に伴いＩＧＢＴ１１の静電容量（ｐＦ）が増加することがわかる。特に、ゲート電圧が０Ｖの状態における変化が著しい。よって、ＩＧＢＴ１１にかかるゲート電圧及びＩＧＢＴ１１の静電容量が分かれば、それらの値からＩＧＢＴ１１のゲートの温度を求めることができる。制御回路２３は、図２Ａ及び図２Ｂに示すような、電圧検出信号Ｗの印加時における駆動電圧毎のＩＧＢＴ１１の静電容量と温度との関係を示すテーブルを有しており、そのテーブルに基づきＩＧＢＴ１１の温度を算出（判断）する。

次に、図３を参照して、電圧検出信号Ｗを出力するタイミング（静電容量の算出タイミング）について説明する。図３は、時間（横軸）に対する、ＩＧＢＴ１１の温度、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧、電圧検出信号Ｗを示すものである。

図３に示すように、駆動電圧は、例えば１５Ｖ、或いは０Ｖに保つように制御される。ここで、ＩＧＢＴ１１のオンオフ動作が行われる閾値電圧Ｖｔｈを５Ｖとすると、駆動電圧が１５Ｖである場合、閾値電圧Ｖｔｈ（５Ｖ）以上であるので、ＩＧＢＴ１１のゲートはオン状態となる。一方、駆動電圧が０Ｖである場合、閾値電圧Ｖｔｈ（５Ｖ）未満であるので、ＩＧＢＴ１１のゲートはオフ状態となる。ＩＧＢＴ１１のゲートのオンに応じて、ＩＧＢＴ１１の温度は上昇し、ＩＧＢＴ１１のゲートのオフに応じて、ＩＧＢＴ１１の温度（チップ温度）は低下する。

検出回路２１は、所定のタイミングでＩＧＢＴ１１の駆動電圧のスイッチング周波数よりも周波数が大なる電圧検出信号Ｗを交流またはパルス状に出力して、制御回路２３は、検出回路２１にて測定されたキャパシタ２１１の端子間電圧に基づきＩＧＢＴ１１の温度を算出する。なお、ＩＧＢＴ１１の動作に影響を与えないよう、検出回路２１は、十分低い電圧で電圧検出信号Ｗを出力することが望ましい。特に、ＩＧＢＴ１１のゲートがオフ状態のタイミングで電圧検出信号Ｗを出力するような構成であれば、検出回路２１は、ＩＧＢＴ１１のゲートがオン動作しないように、ＩＧＢＴ１１の動作閾値電圧よりも十分低い電圧で電圧検出信号Ｗを出力することが必須となる。

図３の符号Ａに示すように、検出回路２１は、駆動電圧が１５Ｖから０Ｖに落ちた直後に、電圧検出信号Ｗを出力してもよい。つまり、検出回路２１は、ＩＧＢＴ１１の最高温度時にその電圧を検出してもよい。また、図３の符号Ｂに示すように、検出回路２１は、駆動電圧が０Ｖであって、ＩＧＢＴ１１のゲートオフ時から所定時間経過後に、電圧検出信号Ｗを出力してもよい。つまり、検出回路２１は、ＩＧＢＴ１１の定常温度を測定してもよい。また、図３の符号Ｃに示すように、検出回路２１は、駆動電圧が１５Ｖとなった状態にて、電圧検出信号Ｗを出力してもよい。図３の符号Ｃに示すタイミングにてＩＧＢＴ１１の温度測定を行えば、制御回路２３は、検出回路２１からの出力信号に基づき、トランジスタ２２１ａ，２２１ｂのゲートへ与える信号を制御し、ＩＧＢＴ１１の温度上昇を抑制することができる。

以上のような一実施形態に係る半導体装置によれば、ＩＧＢＴ１１のゲート電極を介してＩＧＢＴ１１の容量を検出することで、ＩＧＢＴ１１（半導体素子）の温度測定を可能としている。この結果、本実施形態の半導体装置は、従来のように温度検出部をＩＧＢＴ１１のチップ（半導体素子）表面に形成する必要がない。したがって、本同上の半導体装置の構成により、従来のようにポリシリコンダイオードを形成するプロセスが不要になると共に、半導体素子の占有面積を縮小化することができる。また、本同上の半導体装置の構成により、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等のプロセスが行えるようになり、半導体素子をさらに微細化することができる。また、半導体装置の表面が平坦化されるので、実装の歩留まりを向上させることができる。更に、上記効果と共に、工程が簡素化されるので、半導体装置を低コストで供給することが可能となる。加えて、電圧検出信号Ｗをパルス状に出力した場合には、１パルスで温度検出することができるため、温度検出に消費する電力を抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態は、ＩＧＢＴ１１の温度制御を行うものであるが、本願発明は、その他の半導体素子の温度制御を行う構成であってもよい。つまり、本願発明は、上記実施形態におけるＩＧＢＴ１１のかわりに、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ又はダイオードを内蔵するＭＯＳＦＥＴ，ＭＣＴ（MOS Controlled Thyristor）やＥＳＴ（Emitter Switched Thyristor）などにおいても適応可能である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す回路図である。本発明の一実施形態に係る半導体装置におけるＩＧＢＴ１１の静電容量とＩＧＢＴ１１の温度との関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る半導体装置におけるＩＧＢＴ１１の静電容量とＩＧＢＴ１１の温度との関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る半導体装置における、時間（横軸）に対する、ＩＧＢＴ１１の温度、ＩＧＢＴ１１の駆動電圧、電圧検出信号Ｗを示す図である。

符号の説明

１…半導体素子部、２…駆動・温度検出回路、１１…ＩＧＢＴ、Ｃ_ＧＣ、Ｃ_ＥＣ、Ｃ_ＧＥ…寄生容量、２１…検出回路、２２…駆動回路、２３…制御回路、２１１…キャパシタ、２１２…発振器、２１３…電圧計、２２１ａ、２２１ｂ…トランジスタ、２２２…抵抗。

Claims

駆動電圧を印加される制御電極を有し該駆動電圧に基づき導電状態と非導電状態との間で切り替わる半導体素子に対して前記駆動電圧を前記制御電極に印加する駆動回路と、
所定の周波数で振動する電圧検出信号を前記制御電極に入力させることで前記半導体素子にかかる電圧と一定の関係を有する第１電圧を検出する検出回路と、
当該検出回路にて検出した前記第１電圧に基づき前記駆動回路を制御する制御回路と
を備え、
前記検出回路は、
前記半導体素子に一端を接続したキャパシタと、
当該キャパシタの他端に接続され且つ前記電圧検出信号を出力する発振器とを備え、
前記キャパシタの両端にかかる電圧を前記第１電圧として検出し、
前記電圧検出信号を前記駆動電圧のスイッチング周波数よりも周波数が大であり、前記半導体素子の閾値電圧よりも低い電圧にて発振させる
ことを特徴とする半導体装置。
前記制御回路は、前記駆動電圧毎の前記第１電圧と前記半導体素子の温度との関係情報を用いて前記駆動回路を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記検出回路は、前記電圧検出信号を交流または又はパルス状に発振させる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
前記検出回路は、前記駆動電圧が所定電圧から接地電圧に下がる直後、前記電圧検出信号を出力する
ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
前記検出回路は、前記駆動電圧が所定電圧から接地電圧に下がる時点から所定時間が経過し、前記半導体素子の温度が定常温度となる時点で、前記電圧検出信号を出力する
ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置。