KR100362218B1 - 전력 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전력 MOSFET의 게이트전위가 고정되지 않은 상태로 된 경우에, 전력 MOSFET가 열파괴되는 것을 방지할 수 있는 전력 반도체장치를 제공한다.
전력 MOSFET(11)와, 전력 MOSFET(11)의 드레인과 소스의 사이에 직렬접속된 저항(R1) 및 제너 다이오드(14), 전력 MOSFET(11)의 게이트와 소스의 사이에 접속된 저항(R2) 및, 전력 MOSFET(11)의 게이트와 소스의 사이에 직렬접속된 저항(R3) 및 MOS 트랜지스터(15)를 갖추고, 저항(R1)과 제너 다이오드(14)의 접속점이 MOS 트랜지스터(15)의 게이트에 접속되어 있다.

Description

전력 반도체장치 {POWER SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 전력 반도체장치에 관한 것으로, 특히 전력용으로 사용되는 전압구동형의 전력 MOSFET에 관한 것이다.
상기 전압구동형의 전력 MOSFET(MOS형 전계효과 트랜지스터)는, 모터구동용의 스위치로서 일반적으로 사용되고 있다. 예컨대, 차량탑재용의 ABS 펌프모터 구동용의 스위치 등은 그 대표적인 용도이다.
상기 펌프모터 구동용의 스위치에서는, 일반적으로 복수의 MOSFET의 게이트에, 게이트전위를 제어하는 제어용 IC가 부착된다. 그리고, 이 스위치를 갖춘 펌프모터 구동회로가 구성된다. 또한, 제어용 IC를 내장한 IPD(Intelligent Power Device), IPM(Intelligent Power Module)도 존재한다.
종래, 이러한 회로구성에서는, 제어용 IC가 어떠한 이유로 파괴되거나, 또는 문제가 발생하면, MOSFET의 게이트전위가 고정되지 않는 상태(플로팅상태: 부유상태)로 되어 불완전한 온상태를 초래해 버린다. 불완전한 온상태라고 하는 것은,복수의 MOSFET중 온하는 소자와 온하지 않는 소자가 생기는 것을 말한다.
이와 같이, 온하는 소자와 온하지 않는 소자가 발생하면, 온상태로 된 소자에 전류가 집중적으로 흘러 그 소자를 열파괴에 이르게 하는 불량이 발생한다. 소자가 열파괴되어 단락상태로 되면, 펌프모터에 풀전력이 걸리게 되어 모터도 파괴되어 버릴 위험성을 갖는다.
또, 이 소자파괴는 상온에서는 일어나기 어렵고, 파괴되기까지는 불완전한 온상태를 계속하는 것이 보통이다. 따라서, 차량탑재용 등의 고온하에서의 신뢰성이 요구되는 용도에 있어서는, 그 문제의 해결이 필수이다.
해결책으로서는, 간단한 회로를 내장한 IPD, IPM 등의 채용을 생각할 수 있다.
그렇지만, 상기 IPD, IPM 등을 채용한 경우, 비용성능(cost performance)이 악화되어 버린다.
그래서 본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 부품점수를 증가시키는 일없이, 또 비용상승을 초래하는 IPD, IPM 등을 채용하는 일없이, 전력 MOSFET를 갖춘 반도체장치에 간단한 회로를 내장함으로써, 전력 MOSFET의 게이트전위가 고정되지 않는 상태로 된 경우에 전력 MOSFET가 열파괴되는 것을 방지할 수 있는 전력 MOSFET를 갖춘 반도체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 전력 반도체장치의 구성을 나타낸 회로도,
도 2는 본 발명의 실시형태의 전력 반도체장치에서의 전력 MOSFET와 횡형의 nMOS 트랜지스터의 구조를 나타낸 모식적인 단면도이다.
＜도면부호의 설명＞
11 --- n채널의 전력 MOSFET(MOS형 전계효과 트랜지스터),
12 --- 능동형 클램프 다이오드,
13 --- 게이트보호용의 다이오드,
14 --- 제너 다이오드,
15 --- 횡형의 n채널 MOS 트랜지스터,
R1, R2, R3 --- 저항, DT --- 드레인단자,
GT --- 게이트단자, ST --- 소스단자,
21 --- n+반도체기판, 22 --- n-에피택셜층,
23 --- p베이스층, 24 --- 게이트절연막,
25 --- 게이트, 26 --- n+소스층,
27 --- 소스전극, 28 --- 실리콘산화막(예컨대 SiO2),
29 --- n+드레인층, 30 --- n+소스층,
31 --- p-층, 32 --- 드레인전극,
33 --- 소스전극, 34 --- 게이트절연막(예컨대 SiO2),
35 --- 게이트전극.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전력 반도체장치는, 반도체기판상에 형성되고, 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 전압구동형의 전력 MOSFET와,
상기 반도체기판상에 형성되고, 상기 전력 MOSFET의 상기 드레인과 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 직렬접속된 제1저항 및 제너 다이오드,
상기 반도체기판상에 형성되고, 상기 전력 MOSFET의 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 제2저항 및,
상기 반도체기판상에 형성되고, 상기 전력 MOSFET의 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 직렬접속된 제3저항 및 게이트, 소스, 드레인을 갖는 MOS 트랜지스터를 구비하고,
상기 제1저항과 제너 다이오드의 접속점이 상기 MOS 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
(발명의 실시형태)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시형태의 전력 반도체장치의 구성을 나타낸 회로도이다.
이 전력 반도체장치는, n채널의 전력 MOSFET(MOS형 전계효과 트랜지스터; 11), 능동형 클램프 다이오드(12), 게이트보호용의 다이오드(13), 제너 다이오드(14), 횡형의 n채널 MOS 트랜지스터(15) 및 저항(R1, R2, R3)으로 구성되어 있다.
상기 MOSFET(11)의 드레인에는 드레인단자(DT)가 접속되고, MOSFET(11)의 게이트에는 게이트단자(GT), MOSFET(11)의 소스에는 소스단자(ST)가 각각 접속되어 있다.
상기 드레인단자(DT)와 게이트단자(GT)의 사이에는 능동형 클램프 다이오드(12)가 접속되어 있다. 또, 드레인단자(DT)와 소스단자(ST)의 사이에는 저항(R1)과 제너 다이오드(14)가 직렬로 접속되어 있다.
또, 게이트단자(GT)와 소스단자(ST)의 사이에는 저항(R2)이 접속되어 있다. 더욱이, 게이트단자(GT)와 소스단자(ST)의 사이에는 저항(R3)과 nMOS 트랜지스터(15)가 직렬로 접속되고, 더욱이 게이트보호용의 다이오드(13)가 접속되어 있다. 또, 상기 저항(R1)과 제너 다이오드(14)의 접속점에는 nMOS 트랜지스터(15)의 게이트가 접속되어 있다.
여기서, 상기 nMOS 트랜지스터(15)의 임계치전압은 7V보다 낮다. 또, 상기 능동형 클램프 다이오드(12)의 브레이크다운전압(항복전압)은 VZ=33V∼43V이다.
이 전력 반도체장치에서는, MOSFET(11)의 게이트전위를 제어하는 외부에 있는 제어용 IC가 파괴되고, MOSFET의 게이트가 플로팅상태로 된 경우에, MOSFET가 구동되지 않으면 전술한 문제, 즉 MOSFET가 파괴된다고 하는 문제를 해결할 수 있다. 그래서, 이 실시형태에서는 게이트에 가변저항수단을 접속하고 있다.
이하에, 차량탑재용의 ABS 펌프모터를 구동하는 스위치를 예로 하여 회로동작에 대해 설명한다.
먼저, MOSFET(11)의 게이트전위를 제어하는 제어용 IC가 파괴되고, MOSFET(11)의 게이트가 플로팅상태로 된 경우를 설명한다.
상기 스위치에서는, MOSFET(11)의 온시에 드레인과 소스 사이에 14V의 배터리전압이 인가된다. MOSFET(11)의 온시, 즉 게이트전위가 MOSFET의 임계치전압 이상일 때, 게이트가 플로팅상태로 된 경우, 다음과 같이 된다.
이 경우, 저항(R1) 및 제너 다이오드(14)에는 7㎂의 전류가 흐른다. 여기서, 저항(R1)의 저항치는 1㏁정도이다. 제너 다이오드(14)의 브레이크다운전압은 VZ=7V이다. 따라서, 저항(R1)과 제너 다이오드(14) 사이의 접속점에는 7V의 전압이 발생한다.
상기 접속점의 전압이 nMOS 트랜지스터(15)의 게이트에 공급되면, nMOS 트랜지스터(15)의 임계치전압이 7V보다 낮기 때문에, nMOS 트랜지스터(15)가 온한다. 이에 따라, 게이트단자(GT)와 소스단자(ST)의 사이에 접속된 저항(R3)에 전류가 흐른다. 저항(R3)의 저항치는 20㏀∼100㏀정도로 저저항이다. 이 때문에, MOSFET(11)의 게이트전위가 저하하여 임계치전압 이하로 고정된다. 이에 따라, MOSFET(11)의 게이트가 플로팅상태로 된 경우, 미소전류로 MOSFET(11)가 온하는 것을 방지할 수 있다.
다음에는 제어용 IC로 MOSFET(11)의 게이트전위를 제어하여 MOSFET(11)를 온시키는 경우를 설명한다.
게이트전위가 MOSFET(11)의 임계치전압 이상일 때, 게이트단자(GT)와 소스단자(ST)의 사이에 접속된 저항(R2)에 전류가 흐른다. 저항(R2)의 저항치는 2㏁으로 저저항이다. 이 때문에, MOSFET(11)의 게이트전위는 저하하지 않고 임계치전압보다 높은 전압으로 고정된다. 이에 따라, MOSFET(11)의 게이트전위를 제어하여 MOSFET(11)를 온시키는 경우, 미소전류로 MOSFET(11)를 온시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 이 실시형태에서는, 부품점수를 증가시키는 일없이,또 비용상승을 초래하는 IPD, IPM 등을 채용하는 일없이, 전력 MOSFET를 갖춘 반도체장치에 간단한 회로를 내장함으로써, 전력 MOSFET의 게이트전위가 고정되지 않는 상태로 된 경우에 전력 MOSFET가 열파괴되는 것을 방지할 수 있다.
다음에는 본 발명의 실시형태의 전력 반도체장치에서의 MOSFET(11)와 횡형의 n채널 MOS 트랜지스터(15)의 구조에 대해 설명한다.
도 2는 상기 MOSFET(11)와 n채널 MOS 트랜지스터(15)의 구조를 나타낸 모식적인 단면도이다. 여기서는, MOSFET(11)로는 트렌치형을 이용하고 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, n+반도체기판(21)의 한쪽의 면상에는 n-에피택셜층(22)이 형성되어 있다. 이 n-에피택셜층(22)상에는 p베이스층(23)이 형성되어 있다.
상기 n-에피택셜층(22) 및 p베이스층(23)에는 트렌치가 형성되고, 이 트렌치내에는 게이트절연막(24) 및 게이트(25)가 형성되어 있다. 게이트(25)에는 게이트단자(GT)가 접속되어 있다. 예컨대, 상기 게이트절연막(24)에는 실리콘산화막을 이용하고, 게이트(25)에는 폴리실리콘을 이용한다.
상기 게이트절연막(24) 근방의 p베이스층(23)내에는 n+소스층(26)이 형성되고, 이 n+소스층(26)상에는 소스전극(27)이 형성되어 있다. 소스전극(27)에는 접지된 소스단자(ST)가 접속되어 있다. 예컨대, 상기 소스전극(27)에는 Al 등의 금속재를 이용한다. 이상이 MOSFET(11)의 구조이다.
다음에, 상기 횡형의 n채널 MOS 트랜지스터(15)는 다음과 같은 구조를 갖고 있다.
p베이스층(23)상에는 실리콘산화막(예컨대 SiO2; 28)가 형성되어 있다. 이 실리콘산화막(28)상에는 n+드레인층(29), n+소스층(30) 및 p-층(31)이 형성되어 있다. n+드레인층(29), n+소스층(30) 및 p-층(31)에는 폴리실리콘을 이용한다.
더욱이, n+드레인층(29)에는 드레인전극(32)이 형성되고, 이 드레인전극(32)에는 저항(R3)의 일단이 접속되어 있다. n+소스층(30)에는 소스전극(33)이 형성되고, 이 소스전극(33)에는 소스단자(ST)가 접속되어 있다. 예컨대, 상기 드레인전극(32) 및 소스전극(33)에는 Al 등의 금속재를 이용한다.
또, p-층(31)상에는 게이트절연막(예컨대 SiO2; 34)이 형성되고, 이 게이트절연막(34)상에는 게이트전극(35)이 형성되어 있다. 게이트전극(35)에는 상기 저항(R1)과 제너 다이오드(14)의 접속점이 접속되어 있다. 예컨대, 상기 게이트전극(35)에는 Al 등의 금속재를 이용한다. 또, n+반도체기판에는 드레인단자(DT)가 접속되어 있다.
그 외의 접속에 대해서는, 도 1에 나타낸 회로도와 마찬가지이다.
전술한 바와 같이, 이 실시형태에서는 전력 MOSFET(11)의 게이트와 소스간의 저항치를 절환하기 위한 횡형의 nMOS 트랜지스터(15)의 반도체층(활성층)을 산화막상에 배치한 폴리실리콘을 이용하여 형성하고 있다.
이에 따라, 소자분리 등의 기술이 불필요하게 되어 회로가 간소화된다.
또한, 폴리실리콘으로 형성한 nMOS 트랜지스터(15)의 p-영역의 전위를 고정하지 않아도, 이 nMOS 트랜지스터(15)가 동작하는 것은 실험적으로 확인되어 있다.
본 발명에서는, 전력 트랜지스터의 게이트에 인가되는 전압이 임계치전압 이하일 때에는 게이트와 소스간의 저항치를 작게, 인가되는 전압이 임계치전압보다 높을 때는 게이트와 소스간의 저항치를 크게 하는 가변저항회로를 갖춘 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 전압구동형의 전력 트랜지스터의 게이트전위를 임의로 고정할 수 없게 된 때, 예컨대 게이트전위를 제어하는 IC가 동작하지 않게 된 때, 또는 게이트가 오픈된 때, 전력 트랜지스터의 파괴를 방지하는 보호회로를 구성할 수 있다.
또, 가변저항회로의 저항치를 절환하는 스위치용의 횡형의 nMOS 트랜지스터를 폴리실리콘으로 형성함으로써, 회로를 간략화할 수 있다.
또, 본 발명에서는, 전압구동형의 전력 트랜지스터를 이용한 모터구동회로 응용에 있어서, 전력 트랜지스터의 게이트전위가 플로팅상태로 된 때에 소자에 과전류가 흐름으로써 발생하는 열파괴를 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 부품점수를 증가시키는 일없이, 또 비용상승을 초래하는 IPD, IPM 등을 채용하는 일없이, 전력 MOSFET를 갖춘 반도체장치에 간단한 회로를 내장함으로써, 전력 MOSFET의 게이트전위가 고정되지 않는 상태로 된 경우에 전력 MOSFET가 열파괴되는 것을 방지할 수 있는 전력 MOSFET를 갖춘 반도체장치를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (7)

  1. 반도체기판상에 형성되고, 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 전압구동형의 전력 MOSFET와,
    상기 반도체기판상에 형성되고, 상기 전력 MOSFET의 상기 드레인과 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 직렬접속된 제1저항 및 제너 다이오드,
    상기 반도체기판상에 형성되고, 상기 전력 MOSFET의 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 제2저항 및,
    상기 반도체기판상에 형성되고, 상기 전력 MOSFET의 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 직렬접속된 제3저항 및 게이트, 소스, 드레인을 갖는 MOS 트랜지스터를 구비하고,
    상기 제1저항과 제너 다이오드의 접속점이 상기 MOS 트랜지스터의 게이트에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3저항은 상기 제2저항보다 저항치가 작은 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 MOSFET의 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압이 그 양단에 공급되는 게이트보호용의 다이오드를 더 구비한 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전력 MOSFET는 상기 반도체기판에 대해 수직방향으로 상기 드레인과 상기 소스가 배열된 종형의 트랜지스터이고, 상기 MOS 트랜지스터는 상기 반도체기판에 대해 수평방향으로 상기 드레인과 상기 소스가 배열된 횡형의 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 MOS 트랜지스터의 활성층은 폴리실리콘으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폴리실리콘은 절연막의 표면상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 절연막은 실리콘산화막인 것을 특징으로 하는 전력 반도체장치.
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