JPS63306669A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS63306669A
JPS63306669A JP62142713A JP14271387A JPS63306669A JP S63306669 A JPS63306669 A JP S63306669A JP 62142713 A JP62142713 A JP 62142713A JP 14271387 A JP14271387 A JP 14271387A JP S63306669 A JPS63306669 A JP S63306669A
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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〕 この発明は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(In
sulated Gate Bipolar Tran
sistor;以下IGBTと称す)に関し、特にその
ラッチアップの防止に関する。
〔従来の技術〕
第10図は従来のIG8T装置の概略構造を示す断面図
である。一般にIGBT装置1は多数のIGB丁素子2
が並列接続された構造を有しており、単一のIGBT素
子2の等両回路を第11図、IGBTVA置1全体の等
両回路を第12図に示す。
第10図において、P+半導体基板3の一方主面、[に
はN一層4がエピタキシャル成長されている。このN−
[4の表面から選択的に不純物を拡散して、複数のP領
域5が形成され、さらにこのP領域5の表面から選択的
に不純物を拡散して、各2個のN++域6が形成されて
いる。N一層4の表面とN 領域60表面とで挟まれた
P fn ’di 5の表面上には絶縁膜7が形成され
、この絶縁膜7は隣接するIGBT素子2@で一体とな
るようN一層4の表面上にも形成されている。絶縁膜7
上には例えばポリシリコンから成るゲート電極8が形成
され、またP領域5およびN1領域6の両方に電気的に
接続されるように例えばアルミなどの金属のエミッタ電
極9が形成されている。このエミッタ電極9は、同−P
領域5内において隣接するIGBT素子2間で共通に形
成される。なおグーl−電極8およびエミッタ電極9は
、図示しない絶縁膜を介した多層構造とすることにより
、多数の[GBT素子2に対しそれぞれ共通に電気的に
つながった構造となっている。P+半導体基板3の裏面
には金属のコレクタ電極10が全[GBT素子2に対し
一体に形成されている。そしてゲート電極8はこのIG
BTVt置1のゲ装ト端子Gに、エミッタ電極9はエミ
ッタ端子Eに、またコレクタ電1410はコレクタ端子
10にそれぞれワイヤボンディングにより接続されてい
る。
このように、各IGBT木子2は、P+基基板根土上N
fpネルの2重拡散縦型MO8FETを形成した構造を
有しており、また第11図の等両回路から明らかなよう
に、pnpnサイリスタとNチャネルMO8FETの複
合素子であるといえる。、]コレクタ端子に正電圧が印
加され、エミッタ端子Eが接地され、ゲート端子Gに適
当な制御電圧が印加される通常動作時において、N−N
4から成るドレインに正孔が注入されるため、低いON
抵抗が達成される。またゲート電極8はトランジスタの
能動領域から絶縁されているため電流は流れない。つま
りIGBT¥7N111はバイポーラトランジスタの低
いON抵抗とMOSFETの高い入力インピーダンスの
両特性を兼備しており、例えばIGBT素子2を数千側
並列接続したIGBT装置1を形成することにより、5
0A程度の電流を流すことの可能な高性能なパワートラ
ンジスタが実現できる。
I GBT素子2に流れる電流が小さい範囲では、P領
域5の拡散抵抗R8の両端の電位差が小さく、npnト
ランジスタ11のベース・エミッタ間が短絡状態に保た
れる。この状態ではnpnトランジスタ11は動作せず
、IGB工素子2はNチトネルMO8FET12とpn
pトランジスタ13の複合素子として動作する。この場
合にはpnpトランジスタ13のベース電流がNチャネ
ルMO8FETI 2によって制御されることになるの
で、ゲート端子Gに加える制御信号によってIGBT素
子2の主電流1゜を1lIIJIllすることが可能と
なる。
第11図の等価回路より明らかなように、IGBT素子
2の主電流i。は、MO8FETI 2を流れる電子電
流i。とpnpトランジスタ13のコレクタ電流(これ
は正孔電流)i、との和になる。すなわちエミッタ端子
Eに流れる電流をiEとすれば、 I C= I E = ! 、 + l H・・・【1
)の関係が成り立つ。これを第10図を用いて説明すれ
ば、ゲート電極8に印加されたf、IItll信号によ
りその下のP領域5にチtpネルが形成されてドレイン
すなわちN”領域4にTi子が注入され、一方pnpト
ランジスタ13のベースすなわちN−領域4にコレクタ
すなわちP+領[3から正孔が注入され、この注入され
た正孔の一部は上−配電子と再結合して消滅し、残りは
コレクタ電流i、となってP#[5を流れる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の半導体装置であるIGBT装置1は以上のように
構成されており、IGBT素子2の主電流i。が例えば
ゲート端子Gに印加されるノイズ等の何らかの外的原因
により増加すると、電子電流i。および正孔電流fhが
増加する。このとき正孔電流ihがある値を越えると、
抵抗R3での電圧降下がnpnトランジスタ11の導通
する閾値を越えてしまい、言い換えればnpnトランジ
スタ11のベース・エミッタ間がその拡散電位以上に順
バイアスされてしまい、その結果、npnトランジスタ
11とpnpトランジスタ13とがら成るpnpnサイ
リスタ部が導通状態となる。
この状態ではゲート端子Gに印加する制御信号によって
IGBT素子2の主電流fcを制御することはできなく
なる。この現象はラッチアップと呼ばれている。ラッチ
アップを防止するためには抵抗R5ができるだけ小さく
なるようにP領域5を形成すればよいが、それにも限度
がある。このため一旦ラッチアップが発生すると、過大
な主電流Fが無制御に流れることになり、IG8T装置
1を破壊するのみならずこれに接続されている周辺の機
器に損傷を与えてしまうという問題があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、ラッチアップの発生を有効に防止することが
できる半導体装置を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導
体基板上に形成された絶縁ゲート型バイポーラトランジ
スタと、前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの動
作電流を[ニタするモニタ端子とを備えている。
(作用) この発明にお【プるモニタ端子を介してIGBT素子の
動作電流がモニタできるため、該動作電流が危険領域に
達したときには適当な保護動作をとることによりラッチ
アップに突入するのを回避することができる。
〔実施例〕
第1図はこの発明による半導体装置の一実施例であるI
GBTI置の概略構造を示す断面図であり、第2図はそ
の等価回路を示す回路図である。
この実施例に係るIGBT装訂1は、第10図および第
12図に示す従来のIGBT装置1と比べて次の点が異
なっている。すなわち、並列接続された多数のIGBT
素子2のうちの一部の108丁素子2′のエミッタ電極
9は新たに設けられたモニタ端子Mにワイヤボンディン
グにより接続されており、また残りのエミッタ電極9を
エミッタ端子Eにワイヤボンディングにより接続する際
、そのボンディングワイヤをエミッタ端子Eから3らに
、新たら設けられたエミッタモニタ端子EHにまで延長
して、前記残りのエミッタ電極9がエミッタ端子Eおよ
びエミッタモニタ端子E、の両方に接続されるよう構成
しである。他の構成は第10図および第12図に示す従
来のIGBT装冒1装量1である。
この実施例に係るIGB’T装置1では、第2図に示す
ように端子Mおよび18間に外部抵抗Rを接続すること
により、該外部抵抗Rの両端に1−われる電位差によっ
てIGBT装置1の主電流1゜をモニタすることができ
る。すなわち外部抵抗Rを流れる電流i、はIGBT装
置1のエミッタ電流IEを分流したものであり、 Io =  1.           ・・・(2)
の関係が成り立つことから、i[をモニタすることによ
り主電流I。の値を知ることができる。■、に対するI
Eの割合は、何個のIGBT素子2をモニタ端子Mに接
続するかにより決定される。
そしてi[のモニタリングによってlcがラッチアップ
危険域に達したことが検知されれば、例えばモニタ信号
によって保護回路を動作させてゲート端子Gへの制御信
号を遮断することにより、ラッチアップの発生を未然に
防止できる。
ここで、第2図のIGBT素子2′に注目して、第11
図の場合と同様に、その主電流をi。、pnpトランジ
スター3のコレクタを流れる正孔電流をi  、、Nチ
VネルMO8FET12を流れる電子電流をi。とする
。第3図を参照して、時刻t からtlの間の正常動作
状態において、IGBT素子2′に定常の主電流i。(
これを第3図(A>に示すようにi。0とする)が流れ
ているものとする。この状態ではIGBT素子2′はラ
ッチアップしていないので、ゲート端子Gに与える制御
信号により主電流i。を制御することが可能である。こ
の場合、抵抗R3を流れる正孔電流ih (これを第3
図(C)に示すようにihoとする)は近似的に次式で
与えられる。
’ ho”’αN”Co          ・・・(
3)ここでαNはρnpトランジスタ13のベース接地
電流利得である。この状態におけるエミッタ電流fEを
第3図(B)に示すように’EOとすると、電流連続の
条件から ’EO=’CO°−(4) が成り立つ。したがって、(3)、 (4)式より正孔
電流ihoとエミッタ電流’EOは比例関係にあるので
、定常状態であればエミッタ電流IEをモニタすること
により正孔電流1hを正確にモニタすることができ、ラ
ッチアップの発生を正確に予見できる。
なぜなら、ラッチアップの発生は正孔電流fhの増大に
よる抵抗R8での電圧降下の増加に起因するものだから
である。
ところが、IGBT装置1の動作が過渡状態である場合
には様子が異なり、上記した第1実施例では正孔電流i
hを正確にモニタするのが難しくなる。いま、l GB
T装置1の主電流1゜が何らかの外的原因によってステ
ップ状に増加し、これに伴って[GBT素子2′の主電
流ICがi。Ohlらi。1”CI”CO)へとステッ
プ状に増加した夷、再びi。0にステップ状に減少する
場合を想定する。この場合のIGB丁素子2′の主電流
i。1、Lミッタ電流i および正孔電流ih9時間時
間的 化をそれぞれ第3図(A)、(B)および(C)の時4
+11:  からt2の間に示す。
主電流i。がステップ状に増加すると、エミッタ電流i
[もステップ状に増加するが、正孔電流1hの増加はゆ
るやかである。これは主電流1゜の増加に起因する正孔
が、pnpトランジスター3のベース領域であるN”層
4に注入され、拡散したのち正孔電流11.となって抵
抗R8を流れるためである。第3図(C)の増加曲線は
近似的に次式で与えられる。
i     =i     ・ト  (i  hl −
i  ho)   (l     e−/J ”−j+
’)h   h。
”” (IN I co+ (Z N(l cl−I 
co)−(1−e−(1)PJ”−j+’ )−(5)
(ただしt ≧t≧11) また第7図(C)の減少曲線は近似的に次式で与えられ
る。
’h =a’Co+aN  (’CI−’CO)・(1
e−(1)s (を−ら)) −α (i  −i  ) ・(1,−,,(t−リ)
M   CI   CO ・・・(6) (ただしt≧t2) ここで、ωNはpnpトランジスター3のアルファ遮断
角周波数である。
第7図において、パルス幅(12−11)が大きくてω
、(t、、−il )〉>lの関係が成立する場合には
、第7図(C)の増加曲線の最大値ih。
は(5)式より求められ、次のようになる。
l   h、=  α N’CO+ α N    ”
C1’Co )−αN’CI           ・
・・(7)すなわちパルス幅が広い場合には、正孔電流
fhは主電流i およびエミッタ電流IEに比例するか
ら、エミッタ電流fEを測定することによって、正孔電
流1hをモニタすることができる。
一方、パルス幅(12−11)が短い場合には、(5)
式より、正孔型FRi hの最大値i7.は次式で与え
られる。
’hp=aN ’Co+aN ”C1’Co)・(1−
e”N ”z−”r’ ) =aN’CI −αN(t cl−! co) e−”S (t、−t
、)・・・(6) すなわち、パルス幅(1,、−11)が短い場合には、
正孔電流の最大値ih、はパルス幅の関数となり、必ず
しも主電流i。に比例しなくなる。そのため、上記した
第1実施例のIGBT装置1においては、正孔電流fh
を必ずしも正確にモニタすることができなくなり、例え
ば保護回路を連動させた場合などには誤動作の可能性が
出てくる。すなわち、ラッチアップの原因であるihが
危険域に達していないにもかかわらず、fEが危険域に
達したことにより誤って保護動作をとってしまう場合が
ある。
第4図はこのような問題点を改良した、この発明による
半導体装置の第2の実施例である108丁装置の構造を
概略的に示1断面図であり、第5図はその等価回路を示
す回路図である。この第2の実施例に係るIGBT装置
1では、N一層4の表面内に形成された複数のP領域5
の一部5′に、N 領iIi!6を設けていない。そし
てこのP領域5′に電気的に接続されるように例えばア
ルミから成る検出電極14を形成し、この検出電極14
をモニタ端子Mに接続することにより、コレクタ端子C
とモニタ端子M間にpnpトランジスタ15を作り出し
ている。
pnpトランジスタ15のベース電流はMOSトランジ
スタ12を介して供給されるので、pnpトランジスタ
15は各I GBT素子2のpnpトランジスタ13と
同様に動作し、そのコレクタには各IGBT素子2のp
npトランジスター3のコレクタに流れる正孔電流ih
に応じた正孔電流i ′が流れる。したがって第5図に
示すように、端子Mおよび18間に外部抵抗Rを接続す
ることにより、該外部抵抗Rの両端に表われる電位差に
よってIGBT素子2の正孔電流Ih自体を正確にモニ
タすることができる。
前述したように、パルス幅の短い過電流が流れた場合に
は、第1図および第2図に示す第1の実施例に係るIG
BT装置1では、ラップ−アップの原因となる正孔電流
fhを正確にモニタすることができなくなる。これに対
し水弟2の実施例においては、正孔電流ih自体をモニ
タするものであるため、過電流のパルス幅にかかわらず
正孔電流fhを正確にモニタすることが可能であり、こ
のモニタ信号によって保護回路を正確に動作させること
が可能になる。
第6図は第4図および第5図に示した第2の実施例の変
形例に係るIGBT装置の構造を概略的に示す断面図で
ある。この変形例では同一のP領域5″内にエミッタ電
極9と検出型!fA14とを設けており、その他の構成
は上記第2の実施例と同様である。この変形例において
も上記第2の実施例と同様の効果を奏する。なお、第4
図および第6図において、検出電極14が設けられるP
領域5′、5“は1つであるように示しであるが、複数
でもよいことは勿論である。また第4図において、絶縁
膜7およびゲート電極8は検出電極14が設けられるP
I域5り上にも配置されているが、これは他の絶縁膜7
およびゲート電掩8と同一形状にして製造を容易にする
のが目的であって、動作上は必ずしもP領域5′上には
存在する必要はない。
第7図は上記第2の実施例の他の変形例に係るIG[3
T装置の構造を示す斜視図であり、第8図および第9図
はそれぞれ第7図の構造の八−Δ′断面およびB−8’
断面を示す断面図である。この変形例は第6図の変形例
と同様、同一のP領域5″内にエミッタ電極9と検出電
極14とが4Jt riする構造であるが、絶縁膜7お
よびゲートM Kp 8の一部を切り欠いて、N一層4
の表面とN+領域6の表面とで挟まれたP領域5″の表
面上、すなわちMOSトランジスタ12のヂVネルが形
成される領域上の一部に検出電極14を設けている点が
異なっている。この構造によれば、端子MおよびE。間
に外部抵抗を接続することにより正孔電流1hをモニタ
することが可能であるとともに、端子MおよびEH間に
入力インピーダンスの大きな電圧計を接続することによ
って、npnトランジスタ11のベース・エミッタ接合
に印加される順バイアス電圧そのものをモニタすること
が可能になり、この電圧値がnpnトランジスタ11が
導通する閾値に接近するか否かによりラッチアップの発
生を最も直接的に予見できる。
なお上記実施例ではエミッタモニタ端子E、を設けてい
るが、これはエミッタ端子Eと併用することらできる。
また多数のI G B T素子が並列接続されたIGB
T装首について説明したが、第2の実施例およびその変
形例は単一のIGBT索子の場合にも適用できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明によれば、IGBT素子
の動作電流をモニタするモニタ端子を受けたので、該動
作電流が危険域に達したときには適当な保護動作をとる
゛ことによりラッチアップの発生を未然に防止でき、I
GBT装首自体やそれに接続される周辺の機器に過電流
によるJQ傷を与えることがないなどの効果が得られる
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す断面構造図、第2図
はその等価回路を示す回路図、第3図はその動作時の各
部電流の時間的変化を示す図、第4図はこの発明の第2
の実施例を示す断面構造図、第5図はその等価回路を示
す回路図、第6図は第2の実施例の一変形例を示す断面
構造図、第7図は第2実施例の他の変形例を示寸断面構
造図、第8図および第9図はそれぞれ第7図の構造のA
−A′およびB−8’断面図、第10図は従来のIGB
T装置の断面構造図、第11図はI GBT素子の等価
回路を示す回路図、第12図は従来の1GBT装置の等
価回路を示す回路図である。 図において、1はIGBT装置、2はIGBT素子、3
は半導体基板、Mはモニタ端子である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人   大  岩  増  雄 第1図 M−一−−モニタ;島) 第2図 第3図 c 第4図 第5図 第8図 第9図 第12図 へ1            の 手続補正書(自発) 20発明の名称 半導体装置 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 住 所    東京都千代田区丸の内二丁目2番3号名
 称  (601)三菱電機株式会社代表者志岐守哉 4、代理人 ・  住 所    東京都千代田区丸の内二丁目2番
3号三菱電機株式会社内 氏名 (7375)弁理士大岩増雄 5、補正の対免 明細書の発明の詳細な説明の欄 6、補正の内容 (1)  明III書第5頁第12行ないし第13行の
「ワイヤボンディングにより接続されている。」を、[
ワイヤボンディングおよびダイボンディングにより接続
されている。]に訂正する。 (2)  明III店第5頁第14行の「基板板」を、
「基板」に訂正する。 (3)  明10書第14頁第7行、第16行および第
18行の「第7図」を、「第3図」に訂正する。 (4)  明llI書第15頁第13行の「・・・(6
)」を、[・・・(8)]に訂正する。 (5)  明il書第20頁第3行の「受」を、「設」
に訂正する。 以上

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された絶縁ゲート型バイポーラ
    トランジスタと、 前記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの動作電流を
    モニタするモニタ端子とを備えた半導体装置。
  2. (2)前記半導体基板は第1の導電型を有し、前記絶縁
    ゲート型バイポーラトランジスタは、前記半導体基板の
    一方主面上に形成された第2の導電型の層と、 前記層の表面内に形成された第1の導電型の第1の領域
    と、 前記第1の領域の表面内に形成された第2の導電型の第
    2の領域と、 前記層の表面と前記第2の領域の表面とで挟まれた前記
    第1の領域の表面上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜上に形成された制御電極と、 前記半導体基板の他方主面上に形成された第1電極と、 前記第1および第2の領域に電気的に接続されるよう形
    成された第2電極とを備えた、特許請求の範囲第1項記
    載の半導体装置。
  3. (3)複数個の前記絶縁ゲート型バイポーラトランジス
    タを有し、 該複数個の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの前記
    第2電極の一部は前記モニタ端子に接続され、 前記複数個の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの前
    記第2電極の残りならびに前記制御電極および第1電極
    はそれぞれ共通接続される、特許請求の範囲第2項記載
    の半導体装置。
  4. (4)前記層の表面内に形成された第1の導電型の第3
    の領域と、 前記第3の領域に電気的に接続されるよう形成された検
    出電極とをさらに備え、 前記検出電極は前記モニタ端子に接続される、特許請求
    の範囲第2項記載の半導体装置。
  5. (5)前記第1の領域に電気的に接続されるよう形成さ
    れた検出電極をさらに備え、 前記検出電極は前記モニタ端子に接続される、特許請求
    の範囲第2項記載の半導体装置。
  6. (6)前記検出電極は前記層の表面と前記第2の領域の
    表面とで挟まれた前記第1の領域の表面に電気的に接続
    される、特許請求の範囲第5項記載の半導体装置。
  7. (7)前記絶縁膜およびその上に形成された前記制御電
    極は切欠き部を有し、 前記検出電極は前記切欠き部において前記第1の領域の
    表面に電気的に接続される、特許請求の範囲第6項記載
    の半導体装置。
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