JPS63229758A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS63229758A
JPS63229758A JP62062652A JP6265287A JPS63229758A JP S63229758 A JPS63229758 A JP S63229758A JP 62062652 A JP62062652 A JP 62062652A JP 6265287 A JP6265287 A JP 6265287A JP S63229758 A JPS63229758 A JP S63229758A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、加熱状態からの保護機能を備え、動作時に
発熱するようになる能動機能を有する半導体素子を含む
、例えば電力用の半導体装置に関する。
［従来の技術］ 例えば電力用の半導体装置にあっては、負荷電流を制御
する能動機能を有する半導体素子を含み構成されるもの
で、この半導体素子の接合部で発熱するようになる。し
たがって、この半導体素子の接合部の温度が、例えば負
荷の短絡時等の過電流が流れる状態で異常に上昇される
ことがあり、この異常温度状態で半導体素子が破壊され
るおそれがある。
したかって、このような半導体装置にあっては、異常温
度上昇状態で上記のような破壊を避けるために、過熱保
護機能を設定することが要求されている。この過熱保護
機能としては、例えば半導体基板上に絶縁膜を形成し、
この絶縁膜上に例えば多結晶シリコンによって構成され
るダイオードによる温度検出素子を形成し、この温度検
出素子の検出信号に基づき上記半導体素子を制御し、熱
破壊から保護するようにしている。
具体的には、温度検出素子で半導体基板の温度が特定さ
れる保護動作温度まで上昇したことを検知し、この保護
動作温度状態に基板温度が設定されるように、半導体素
子の制御信号を小刻みに断続制御するようにしている。
このような保護動作にあっては、例えば半導体素子がパ
ワーＭＯ８で構成された場合には、そのドレイン電流が
小刻みに流されるように制御される。このため、このド
レイン電流の発振動作がノイズの発生原因となるもので
あり、また電源電圧の変動等に伴う外来ノイズによって
上記発振ノイズが増幅され、正常な温度保護機能が損わ
れるおそれがある。
［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、能動
機能を有する半導体素子が発熱して、半導体基板温度が
上昇されたような場合でも確実に上記半導体素子の過熱
からの保護動作が実行されるようにし、特にこの保護動
作に関連した発振ノイズ等が無く、外来ノイズが存在し
たような場合でも確実に温度保護動作が実行され、信頼
性が確実に向上されるようにする過熱からの保護機能を
備えた半導体装置を提供しようとするものである。
［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る半導体装置にあっては、能動
機能を有する半導体素子の形成された半導体基板上の少
なくとも一部に絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に多結晶
シリコン内に形成されたダイオードによって構成される
温度検出素子を形成し、同じく上記半導体基板に形成さ
れる制御手段によって、上記温度検出素子で温度上昇状
態が検出されたときに、上記半導体素子を制御させるよ
うにする。ここで、この制御手段にあっては、温度検出
素子が基板温度が特定される温度まで上昇されたときに
、上記半導体素子をオフ制御するものであり、また上記
基板温度が上記特定される温度よりも低い他の特定温度
まで下降したときに、上記半導体素子をオン制御するも
のである。
［作用コ このように構成される半導体装置にあっては、例えば上
記半導体素子に過電流が流れるような状態となって、こ
の半導体素子が発熱し、半導体基板温度が特定される温
度状態まで上昇されたとすると、同じく半導体基板に形
成された制御手段によって上記半導体素子がオフされて
その発熱が阻止されるようになる。そして、基板温度が
上記他の特定温度まで下降したときに上記半導体素子が
オン制御されるもので、この半導体素子が確実に過熱か
ら保護されるようになる。この場合、上記温度保護動作
にあってはヒステリシスを持っているものであり、例え
ばこの保護動作に伴なう発振動作が存在せず、不要なノ
イズが増幅されることがなく、安定した過熱からの保護
動作が実行されるようになる。
［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第１図はそ回路構成を示すもので、この半導体装置は自
己過熱保護機能を有する縦型パワーＭＯＳトランジスタ
に応用した例を示している。
すなわち、能動機能を有する半導体索子１１は縦型ＭＯ
Ｓトランジスタによって構成され、この半導体素子１１
は負荷１２に供給される電源１３からの電力を制御する
ものである。
この半導体素子１１のゲート電極には、入力端子信号Ｖ
ｉｎが供給されるようになっているもので、このゲート
電極に対応する点ａは例えば横型にしたパワーＭＯＳト
ランジスタによって構成される第１のトランジスタ１４
を介して接地Ｅされるようになっている。また上記電圧
Ｖ１ｎの供給される端子部には、抵抗Ｒ２を介して複数
の多結晶シリコンダイオードを直列接続して構成される
温度検出素子１５が接続されるもので、この温度検出素
子１５は抵抗Ｒ３およびＲ４を直列に介して接地点Ｅに
接続される。そして、抵抗Ｒ２と温度検出素子１５との
接続点すと接地点Ｅとの間に、温度検出索子１５と並列
にされるようにツェナーダイオードＩＢを接続し、温度
検出索子１５と抵抗Ｒ３、Ｒ４の直列回路に設定される
電圧が一定値に保たれるようにしている。そして、上記
温度検出素子１５と抵抗Ｒ３との接続点Ｃは、抵抗Ｒ５
を介して上記第１のトランジスタ１４のゲート電極に接
続し、さらに抵抗Ｒ４に並列にしてパワーＭＯ３でなる
第２のトランジスタ１７を接続するもので、このトラン
ジスタ１７のゲート電極は上記点ａに接続されるように
する。
第２図は上記のような回路が構成される半導体基板２゛
１部の状態を示しているもので、この基板２１の中央部
分に相当する位置に制御領域２２が設定され、この制御
領域２２を取囲むようにしてパワー領域２３が設定され
るようにする。そして、このパワー領域２３には、上記
半導体素子１１を含む能動機能部が形成されるものであ
り、制御領域２２には上記第１および第２のトランジス
タ１４および１７、温度検出素子１５、抵抗Ｒ１−Ｒ５
等からなる制御部１８が形成されるようになる。２４は
ボンディングヘッド部である。
そして、上記半導体基板２１の制御領域部分には、第３
図で示すように少なくともその一部分に対応して酸化シ
リコン等による絶縁膜２５が形成され、この絶縁膜２５
上に多結晶シリコン層を形成し、この多結晶シリコン内
に複数のダイオードを形成して温度検出素子１５が構成
されるようにする。またこの絶縁膜２５上には多結晶シ
リコンによる抵抗体を形成し、この抵抗体によって抵抗
Ｒ１−Ｒ５が構成されるようにする。すなわち、この制
御領域２２内には横型ＭＯＳＦＥＴによるトランジスタ
１４等が形成され、またツェナーダイオード１６が形成
されている。そして、半導体基板２１上のパワー領域２
３に能動機能を有する縦型パワーＭＯＳトランジスタに
よる半導体素子１１が形成されるようになるものである
。
このように構成される半導体装置において、シリコンで
構成される半導体基板２１が通常の温度状態であるとき
、すなわち半導体素子１１の接合温度が正常温度状態の
ときには、電圧信号Ｖｉｎによって半導体素子１１がオ
ン状態喝、設定され、負荷１２に動作電流が供給される
ようになる。
このような通常の状態にあっては、第２のトランジスタ
１７のゲート電極に動作電圧が印加されており、このト
ランジスタ１７はオン状態とされ、その・抵抗値Ｒｏｎ
は抵抗Ｒ４に比較して無視できる程小さいものであるた
め、抵抗Ｒ３とＲ４との接続点ｄと接地点Ｅとの間の抵
抗値は上記トランジスタ１７のオン抵抗Ｒｏｎによって
決定される。また抵抗Ｒ３の抵抗値は、トランジスタ１
７のオン抵抗ＲＯｎに対してはるかに大きな値とされる
もので、したがって第１のトランジスタ１４のゲート電
圧である点Ｃの電圧Ｖｃは、抵抗Ｒ３の抵抗値とこの抵
抗Ｒ３に流れる電流値によって決定される。
このような通常の動作状態において、何等からの理由に
よって半導体素子１１に大きな電流が流れ、その接合温
度が上昇されて半導体基板２１の温度が上昇されるよう
になると、これが温度検出索子１５で検出されるように
なる。すなわち、温度検出索子１５を構成する多結晶シ
リコンダイオードの順方向電圧は一定の負の温度係数を
有するものであるため、温度上昇と共にその抵抗値が低
下する。
そして、抵抗Ｒ３の端子間電圧、すなわち第１のトラン
ジスタ１４のゲート争ソース間電圧が上昇するようにな
り、トランジスタ１４のゲート・ソース間電圧が一定の
電圧以上となると、この第１のトランジスタ１４がオン
状態とされる。ここで、抵抗Ｒ１の抵抗値を充分に大き
な値としておけば、ａ点の電位Ｖａは第１のトランジス
タ１４のオンと共に低下するようになる。例えば第４図
で示すように接合温度１５０℃近辺（保護動作温度）で
、ａ点の電位ＶａがほぼＯＶまで急激に低下するように
なる。
このようにａ点の電位が低下すると第２のトランジスタ
１７がオフ状態となり、点Ｃと接地点Ｅとの間の抵抗値
は、抵抗Ｒ３の抵抗値増加分る。
このため０点の電位Ｖｃがこの抵抗値増加分に対応して
上昇されるようになり、第１のトランジスタ１４の動作
は、飽和領域から活性領域に移るようになり、そのオン
抵抗Ｒｏｎがより小さくなる。したがって、半導体素子
１１は完全なオフ状態となって、ドレイン電流の発振は
無くなるものである。
上記のように抵抗Ｒ４が挿入されることによって点Ｃの
電位Ｖｃが上昇されると、この電位の上昇した分だけ保
護動作温度が低下されるようになる。すなわち、半導体
素子１１の接合温度に対応する半導体基板２１の温度が
、上記のように半導体素子１１がオフ状態とされて低下
するようになると、温度が上昇したときに比較して約３
０°Ｃ低下した状態で第１のトランジスタ１４がオフ制
御されるようになる。すなわち、ヒステリシスを持った
温度からの保護動作が実行されるようになる。
第５図はこの半導体装置における過熱からの保護動作の
状態を示しているもので、その保護動作の過程において
ドレイン電流の発振は存在していないものである。
尚、上記実施例において抵抗Ｒ４はレベルシフトダイオ
ードで構成するようにしてもよい。さらに抵抗Ｒ４とレ
ベルシフトダイオードとの直列回路でこの部分を構成す
るようにしてもよい。
第６図は自己過熱保護特性を改良した他の実施例を示す
もので、第１図で示した実施例回路に対して、さらに抵
抗Ｒ６とトランジスタ１８、および抵抗Ｒ７とトランジ
スタ１９によって構成されるインバータ回路を追加する
ように構成したもので、０点の電位ＶＣの変動に対して
点ａの電位Ｖａの応答が急俊にすることができるように
したもので、自己過熱保護動作に際して急俊に半導体素
子１１がオフされるようになるものである。
さらに第１図で示した実施例にあっては、トランジスタ
１７のスイッチング速度は、小さな容量を有するトラン
ジスタ１７のゲートが数千ＰＦの非常に大きなゲート容
量を有する半導体素子１１のゲートと共通となるもので
あるため、小さなゲート容量を有するトランジスタ１８
に比べて常に遅くなる。
したがって、ヒステリシス領域内で入力電圧Ｖ１ｎがあ
ったときにトランジスタ１７はオンとなり、自己過熱保
護動作温度以下で、半導体素子１１は遮断され１、ヒス
テリシス特性が得られなくなる。
しかし、上記第６図で示した実施例にあっては、トラン
ジスタ１９のゲート容量は非常に小さなものであり、抵
抗Ｒ５およびＲ６、さらにトランジスタ１７〜１９の定
数を適当に選定することによって、トランジスタ１８に
比べてトランジスタ１７のスイッチング速度を早く設定
することができ、本来のヒステレシス特性が得られるよ
うになるものである。
これまでの実施例ではＭｏＳトランジスタをＮチャンネ
ル素子で示しているものであるが、これはもちろんＰチ
ャンネル素子で構成しても同様の効果が発揮されるもの
である。その他抵抗Ｒ５は第１のトランジスタ１４の発
振防止用として使用されるものであり、これは無くても
本来の機能は発揮されるものであるが、この抵抗Ｒ５を
設定した方が効果的である。
［発明の効果コ 以上のようにこの発明に係る半導体装置にあっては、大
きな負荷電流等が流れた場合に能動機能を有する半導体
素子が発熱したような場合でも、確実にこの半導体素子
を破壊から保護することができる。この場合、じをうき
半導体素子はその保護状態で完全にオフ制御されるよう
にしているものであるため、発振電流によるノイズが発
生することがなく、確実な過熱からの保護動作が実行さ
れる。そして、その保護動作もヒステリシスな特性を有
するものであり、信頼性の高い保護動作が実行されるも
のである。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の一実施例に係る半導体装置を説明す
る回路構成図、第２図は上記回路を形成する半導体基板
の平面部の構成を説明する図、第３図は第２図のα−α
線に対応する断面構成図、第４図は上記半導体装置の温
度保護動作の特性を示す図、第５図は同じく温度保護動
作の状態を示す図、第６図はさらにこの発明の他の実施
例を説明する回路構成図である。 １１・・・能動機能を有する半導体素子（縦型パワーＭ
ＯＳ）、１２・・・負荷、１４．１７〜１９・・・第１
および第２のトランジスタ（横型ＭＯＳＦＥＴ）　、１
５・・・温度検出素子（多結晶シリコンに形成されたダ
イオード）、２０・・・レベルシフトダイオード、Ｒ１
−Ｒ７・・・抵抗。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 第４図 −Ｆｊ’ｌ（拐〜 第５図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）能動機能を有する半導体素子が形成された半導体
    基板と、 この半導体基板の少なくとも一部に形成された絶縁膜と
    、 この絶縁膜上に形成され、上記半導体基板の温度状態を
    検出する温度検出素子と、 上記半導体基板上あるいは上記絶縁膜上に形成され、上
    記温度検出素子からの温度検出信号が供給されて、上記
    温度が特定される温度状態に上昇された状態で上記半導
    体素子の負荷電流を遮断制御する手段を含み構成される
    制御手段とを具備し、 この制御手段では、さらに上記特定される温度より低い
    温度状態で上記半導体素子を動作状態に復帰制御させる
    ようにしたことを特徴とする半導体装置。
  2. （２）上記温度検出素子は、上記絶縁膜上に形成された
    多結晶シリコン内に形成された少なくとも１個のダイオ
    ードによって構成されるようにした特許請求の範囲第１
    項記載の半導体装置。
  3. （３）上記温度検出素子は、上記半導体基板のほぼ中央
    部分に配置設定されるようにした特許請求の範囲第１項
    記載の半導体装置。
  4. （４）上記制御手段は、上記温度検出素子が上記半導体
    基板の温度が特定される温度を越えて上昇した状態で設
    定される電圧信号に基づき、上記半導体素子の制御信号
    レベルをこの半導体素子がオフ状態に設定されるように
    制御する第１のトランジスタと、上記半導体素子がオフ
    状態とされるときの制御信号に基づき制御され、上記温
    度検出素子温度検出状態に対応して設定される電圧信号
    レベルを変更設定する第２のトランジスタとを備え、上
    記半導体素子は、上記半導体基板の第１の温度状態でオ
    フ制御され、この第１の温度より低い第２の温度状態で
    オン制御されるようにした特許請求の範囲第１項記載の
    半導体装置。
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