TW309661B - - Google Patents

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Description

303661 A7 B7 五、發明説明（，） 本發明像關於一種可場效控制之功率半導體元件，其 具有許多互相平行連接之晶格，另有一含有雙載子電晶 體之溫度感測器，此溫度感谢1»與功率半導體之晶格陣 列相鄰，具有下述特激： a>雙載子電晶體之基極區域和功率半導體元件之閘極 區域是同一導電型式， b)雙載子電晶體之集極區域和功率半導體元件之汲極 區域係由功率半導體元件之半導體本體的單一區域所形 成。 前述型式之功率半導體元件在商業上已可使用，例如 ,已有一種所請SMART-FETs之形式。前述型式之溫度感 測器的原理例如已敘述在E P 0 2 4 0 8 0 7中。此溫度感測器 包含一反向偏壓之雙載子電晶體，其與一空乏型 (depletion-mode)FET串聯W作為定電流源。此溫度感 測器係與功率半導體元件相®而在熱性上相導通，例如 ，溫度感測器可配置在晶格陣列中之凹口（ r e c e s s )。 需調整定電流源之電流使其大於在功率半導體元件之 正常操作溫度時雙載子電晶體中流過之反向電流。然而 ,定電流源之電流需小於功率半導體元件在溫度過高時 雙載子電晶體中流過之反向電流。在由正常操作溫度轉 變成溫度過高之期間，有一明驛之電壓上升S生於空乏 g Μ 0 S F E T兩端.此種明顯之電壓上升（r i s e >即表示溫度 溫度感測器能Μ晶片之方式安裝在功率半導體元件之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X2V7公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印奴 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印象 五、發明説明（> ) 1 半 導 體 本 體 上 或 Μ 單 石 平 版 方 式 (in on ο 1 it hi c a 11 y ) 1 1 1 整 合 在 同 —* 半 導 體 本 體 中 〇 在 單 石 平 版 式 積 體 電 路 中 » 1 1 雙 載 子 電 晶 體 之 基 極 區 域 和 功 率 半 導 體 元 件 之 閘 極 區 域 請 先 1 1 是 同 __· 導 電 型 式 0 雙 載 子 電 晶 體 之 集 極 區 域 和 功 率 半 導 閱 讀 1 背 1 體 元 件 之 汲 極 區 域 係由功率半導體元 件 之 半 導 體 本 體 的 單 之 1 I —. 區 域 所 形 成 0 意 ψ 如 上 所 述 1 反 向 偏 壓 之 雙 載 子 電 晶 體 的 電 流 由 於 功 率 項 再 1 填 1 半 導 體 元 件 溫 度 之 上 升 而 變 大 < 此 電 流 由 雙 載 子 電 晶 體 寫 本 之 實 際 反 向 電 流 和 擴 敗 電 流 所 組 成 参 擴 散 電 流 由 兩 邊 界 頁 — 1 1 (即. 功率半導體元件之空間電荷區的邊界Μ及雙載子 1 I 電 晶 體 之 空 間 電 荷 區 的 邊 界 )間之少數電荷載子的濃度 1 1 差 異 所 產 生 〇 因 此 » 擴 敗 電 流 不 只 和 溫 度 有 關 而 且 和 功 1 訂 率 半 導 體 元 件 之 源 極 端 的 電 位 有 關 〇 源 極 端 有 負 載 之 功 1 I 率 半 導 體 元 件 的 情 況 中 » 擴 散 電 流 之 大 小 因 此 亦 受 此 負 1 1 載 是 否 在 正 常 狀 態 或 完 全 或 部 份 短 路 等 各 種 狀 況 所 影 響 1 I 〇 结 果 » 電 晶 體 電 流 變 成 不 只 和 溫 度 有 關 1 而 且 亦 和 負 1 線 載 有 關 〇 圓 滿 地 偵 測 過 高 之 溫 度 因 此 是 不 可 能 的 〇 1 本 發 明 之 巨 的 是 設 計 一 種 可 場 效 控 制 之 功 率 半 導 體 元 1 1 件 » 其 型 式 需 使 溫 度 之 偵 測 和 功 率 半 導 體 元 件 之 源 極 電 1 I 位 無 關 〇 1 1 此 巨 的 之 達 成 係 藉 至 少 有 — 相 同 導 電 型 式 之 區 域 係 配 1 1 置 在 雙 載 子 電 晶 體 之 基 極 區 域 和 功 率 半 導 體 元 件 晶 格 之 1 閘 極 區 域 之 間 • 且 此 區 域 是 連 接 至 — 固 定 偏 壓 • 其 小 於 ! 1 或 等 於 陁 加 至 功 率 半 導 體 元 件 之 供 電 電 壓 0 I 4 - 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（21 OX 公釐） A7 3G9661--- 五、發明説明（—） 本發明將利用圖式中所示之實拖例作詳细說明。圖式 簡單說明如下： /第1圖在本發明中經由功率半専體元件之切面圖。 第2圖習知溫度感測器之用於偵測功率半専體元件1 的電路配置，本發明可用在此一電路配置中。 依據第1圖，功率半導體元件具有半導體本體15,其 中具有輕微η摻雜之汲極區16。汲極區16係與高ti摻雜 區17相郯，藉汲極電極18而與高η摻雜區17之表面相接 觸。Ρ摻雜之閘極區20埋人半導體本體之其它表面中， 高η摻雜之源極區21随後埋入此閘極區中。此閘極區由 閘極電極2 3所覆蓋，閘極電極則配置在絕緣層上。藉源 極電極24而與閘極區20和源極區21相接觸。源極電極24 連接至源極端S。 閘極區20和源極區21形成此功率半導體元件之晶格。 許多晶格配置在半導體本體上。所有晶格均藉源極電極 24而互相併聯。閘極電極23 Μ相同方式而由所有晶格所 共用。所有晶格之汲極區域由半導體本體15之區域16所 形成。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 有一包含閘極區22和源極區21之邊緣晶格配置成和所 示之晶格相鄰，亦藉源極電極24而和這些區域相接觸。 閘極區22所形成之深度較閘極區20堪大，這與圖示之場 電極係以習知之方式在半導體本體之表面上建立空間電 荷區之有利途徑。這些區域形成功率M0SFET。 另有一個Ρ摻雜之基極區26埋入半導體本體15之源極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明 ( 4 ) 1 1 端 之 表 面 中 負 η 摻 雜 之 射 極 區 27 随 後 埋 入 此 基 極 區 中 〇 1 Ί 藉 射 極 電 極 28 而 與 射 極 區 接 觸 〇 這 些 區 域 與 域 16 (作 1 | 為 集 極 區 域 )共同形成Μ 6 表示之雙載子電晶體 0 請 先 1 1 功 率 半 導 體 元 件1和 雙 載 子 電 晶 體 6 之 間 » Ρ 摻 雑 區 閱 讀 1 背 1 30埋 入 半 導 體 本 體 1 5 之 源 極 和 射 極 端 之 表 面 中 〇 需 與 此 面 之 1 注 I 區 域 接 觸 且 連 接 至 端 點 3 1 1 ___. 個 固 定 之 傾 ΠΤΟ 壓 或 不 同 之 固 意 事 1 定 偏 壓 可 施 加 至 端 點 3 1 〇 可 選 取 區 域 30和 雙 載 子 電 晶 體 項 再 1 | 6 之 間 的 距 離 以 及 區 域 30和 功 率 半 導 體 元 件 1 之 間 的 距 寫 本 | 雔 使 空 間 電 荷 區 35和 25 (Μ虛線所定之界限） 各 白 都 不 和 頁 1 1 (to 域 30 相 鄰 〇 區 域 30有 利 之 方 式 是 和 閘 極 區 22之 深 入 部 1 I 份 有 相 同 之 深 度 和 摻 雜 〇 1 1 為 了 說 明 此 配 置 之 操 作 方 法 ， 首 先 假 設 P 摻 雜 區 30不 1 訂 存 在 〇 若 功 率 半 導 體 元 件 1 導 通 且 具 有 正 常 狀 態 之 負 載 1 I 2 , 則 電 位 V bb出琨在1 之源極端< >在區域1 6和2 2之間的 1 1 ρ η 接 合 因 此 不 會 阻 斷 t 且 少 數 載 子 電 荷 密 度 在 其 邊 緣 上 1 1 係 在 熱 平 衡 (Ρ no )狀態中， 因 此 Ρ 和 溫 度 有 關 〇 在 區 域 26 1 .缘 和 16 之 間 的 雙 載 子 電 晶 體 的 Ρ η 接 合 是 反 向 偏 壓 的 • 少 數 1 載 子 電 荷 密 度 因 此 在 此 處 降 低 〇 由 於 m 度 梯 度 > 擴 敗 電 1 I 流 由 空 間 電 荷 區 35 之 邊 緣 流 人 雙 載 子 電 晶 體 6 中 〇 1 I / 若 1 之 源 極 電 位 由 於 負 載 2 之 短 路 而 降 低 、 則 22 和 16 1 1 之 間 的 ρ η 接 合 變 成 反 向 偏 壓 且 在 空 間 電 荷 區 25 之 邊 緣 上 1 的 少 數 載 子 電 荷 密 度 會 降 低 〇 若 Ρ 型 區 22 和 26 之 間 的 距 1 離 大 約 是 擴 敗長度之大小， 則 少 數 戟 子 電 荷 密 度 在 22和 26 間 1 1 之 整 個 區 域 中 會 降 低 〇 结 果 > 6 - 進 入 雙 載 子 電 晶 體 6 之 擴 丨 1 1 1 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210>；297公釐） A7 B7 經濟部中央標孪局員工消費合作杜印製 五、發明説明 (; 一、 * 1 散 電 流 依 在 1 之 源 極 電 位 的 函 數 而 降 低 t 因 此 可 容 易 偵 1 1 1 測 過 高 之 溫 度 〇 1 1 區 域 30可 有 效 地 連 接 至 固 定 之 鴒 IS 〇 例 如 9 若 區 域 3 0 請 1 1 連 接 至 電 位 Vbb , 則可在其P η接合上建立熱平衡時之少數 Μ 讀 1 背 1 電 荷 載 子 密 度 9 此 種 密 度 在 區 域 2 6和 1 6 之 間 的 已 偏 m pn ιέ 之 1 接 合 的 邊 緣 上 降 低 9 因 此 如 上 所 述 9 擴 散 電 流 可 流 入 雙 意 1 事 1 載 子 電 晶 體 6 中 〇 因 為 區 域 30附 近 中 之 少 數 電 荷 載 子 的 項 再. 1 I 密 度 在 3 0 和 空 間 電 荷 區 2 5之 間 以 及 在 3 0和 空 間 電 荷 區 3 5 填 寫 本 1 之 間 是 在 熱 平 衡 狀 態 中 * 所 以 流 入 雙 載 子 電 晶 體 6 之 擴 頁 1 | 散 電 流 和 功 率 半 導 體 元 件 1 之 源 極 電 位 無 關 〇 1 j 區 域 3 0 之 功 效 可 於 區 域 3 0和 基 極 區 域 2 6之 間 的 半 導 體 1 1 本 體 表 面 以 場 電 極 3 3 覆 蓋 而 作 進 步 改 良 9 場 電 極 3 3則 1 η 配 置 在 絶 緣 層 3 2 上 〇 場 電 極 3 3可 由 绝 m 層 3 4 覆 蓋 j 射 極 1 I 電 極 2 8和 源 極 電 極 2 4 位 於 絶 m 層 3 4上 〇 場 電 極 3 3可 電 性 I 1 連 接 至 區 域 30或 基 極 區 域 2 6 〇 因 此 9 調 整 半 導 體 本 體 表 1 I 面 上 之 電 位 是 可 能 的 〇 依 據 場 電 極 3 3 是 否 連 接 至 區 域 3 0 1 1 坡 或 基 極 區 域 2 6 > 則 區 域 順 序 2 6 16 , 3 0在 關 閉 (〇 ff)狀 1 態 時 作 為 MO S二極體或電晶體。 1 | 區 域 3 0 若 不 連 接 至 一 固 定 之 偏 壓 » 亦 可 連 接 至 許 多 ( 1 1 在 此 情 形 為 2 ) 値 不 同 大 小 之 固 定 偏 壓 Ufl， U f2 ,因此， 擴 1 1 散 電 流 之 大 小 是 可 調 整 的 〇 在 此 情 形 中 * 溫 度 测 器 在 1 I 低 偏 壓 時 之 反 應 門 限 值 (t h r e s h 〇 Id)會往較高溫度偏移， 1 1 而 在 較 高 偏 壓 時 則 往 較 低 溫 度 偏 移 〇 因 此 9 藉 偏 壓 之 轉 | 換 可 週 整 溫 度 感 測 器 切 換 時 7 - 之 磁 滯 (h y s t e r e s i S)現 象〇 I 1 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（C’NS ) Λ4規格（210X 297公釐） 3u966l A7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 B7五、發明説明（知） 2圖之電路配置包含功率半導《元件1和具有雙載 子電晶體6之溫度感測器β p通道MOSFET10和電流源7 係與雙載子電晶體6串聯在射極侧。電流源有利之方式 是包括一空乏型FET,其閘極端連接至源極端，齊纳（ zener)二極體8與電流源7並聯。M0SFET7和10之間的 節點連接至輪出9。由齊纳二極豔11和第二空乏型FET12 所形成之串聯電路俗作為電流源而與6 ,10和7所形成之 串聯電路相並聯。在11和12之間的節點連接至10之閘極 端G。電流源14可連接在雙載子電晶體之基極端和射極 端之間，於正常溫度在基極電流流動之情況下，當溫度 較高時需要較高之阻抗時，此電流源之尺寸需能使其形 成短路。結果，此溫度感測器對例如由電壓波動所造成 之干擾變成不敏戲。 功率半導體元件1是一種功率M0SFET。負載2在源極 倒與此M0SFET串聪。此M0SFET由驅動電路5所控制，驅 動電路5之輪出連接至1之閘極端。 在原理上例如描述在US專利第4875131號中之此種電 路具有下述之操作方法：10之閘極端經由二極體11和 M0SFET12而連接至定電位Vbb-Vz〇然後施加定電壓Uz-V thl()至雙載子電晶體6。空乏型FET7之尺寸需使其飽和 電流在半導體元件1之正常操作溫度時大於雙載子電晶 體6之反向電流。在輸出9之電位刖大約為接地（earth) 電位。當功率半導體元件之溫度上升時，雙載子電晶體 6之反向電流随溫度而以指數方式上升。當溫度過高時 -8- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁 、-α I . 本紙張尺度適用中®國家標準（CNS ) Λ4規格（21〇XW7公淹） A7 B7 五、發明説明（夕） ,雙載子電晶體6之反向電流超遇M0SFET7之飽和電流。 结果，輸出9之電壓上升，此種電壓上升即表示溫度過 高。電壓會受到齊納二極體8所限制。 本發明可用於單石平版式積體電路中，和第2圖所示 之電路配置無關。 本發明亦可用於IGBTs中。在此情形中，M0SFET1之區 域中的高η摻雜區 17由高Ρ摻雜區所取代。 I_____I I I I ' -______丁______复 I 、ν'口 么. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（2丨0Χ 297公釐）

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  1. 309661 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1 1 . 一 種 可 場 效 控 制 的 功 率 半 導 釅 元 件 (1 ), 其 具 有 許 多 互 | 相 並 聯 之 晶 格 9 另 有 一 含 有 雙 載 子 電 晶 體 (6)之溫度 1 1 感 測 器 * 此 溫 度 IS 測 器 配 置 成 與 功 率 半 導 體 元 件 之 晶 1 I 請 1 I 格 陣 列 相 鄰 9 具 有 下 述 特 點 閱 1 I a ) 雙 載 子 電 晶 體 之 基 極 區 (2 6 )和 此 功 率 半 導 體 元 件 讀 背 1 I 之 閛 極 區 (2 0 ) 是 同 一 導 電 型 式 1 之 注 1 1 b) 雙 載 子 電 晶 體 之 集 極 區 和 功 率 半 導 體 元 件 之 汲 棰 意 事 項 1 I 區 由 功 率 半 導 體 元 件 之 半 導 醴 本 體 (1 5) 的 單 一 區 域 | 再 填 1 裝 1 (1 6)所 形 成 9 本 頁 其 特 徴 為 相 同 導 電 型 式 之 至 少 _* 區 域 (3 〇 ) 是 配 置 -—^ 1 I 在 雙 載 子 電 晶 體 之 基 極 區 和 功 率 半 導 體 元 件 晶 格 之 閘 1 1 極 區 之 間 9 且 此 一 區 域 是 連 接 至 一 固 定 之 偏 壓 (U f ) » 1 1 偏 壓 (Uf ) 小 於 或 等 於 施 加 至 功 率 半 導 體 元 件 之 供 電 電 訂 I 壓 (vbb > ° 1 1 2 .如 申 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 功 率 半 導 體 元 件 其 中 該 固 1 1 定 傾 壓 可 在 兩 锢 不 同 之 電 壓 值 (U fl ,u f2 )之間變換。 1 I 3 .如 申 請 專 利 範 圍 第 1 或 第 2 項 之 功 率 半 導 體 元 件 j 其 ,Ά 中 區 域 (3 0)之 摻 雜 至 少 和 閘 極 區 域 (2 0 , 2 2 )相同。 1 I 4 ·如 申 請 專 利 範 圍 第 1 或 第 2 項 之 功 率 半 導 體 元 件 其 1 | 中 區 域 (3 0 ) 之 深 度 至 少 和 閘 極 區 域 (2 0 , 2 2 )之深度相同。 1 1 5 ·如 請 專 利 範 圍 第 3項!之功率半導醱元件， 其 中 區 域 1 (3 〇) 之 深 度 至 少 和 m 極 區 域 (2 〇 , 2 2 )之深度相同。 1 1 6.如 請 專 利 範 函 第 1 或 第 2 項 之 功 率 半 導 體 元 件 9 其 1 i 中 半 導 體 本 體 之 表 面 在 雙 載 子 電 晶 體 之 基 極 區 (2 6)和 1 j 1 0 1 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210Χ297公釐} S〇966l 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 Α8 Β8 · C8 D8六、申請專利範圍 匾域（30)之間以電極（33)覆蓋，電極（33)和半導體本 體之表面绝绨，且此18槿電性連接至區域（30)或至基 極區（2 6 )。 7. 如申請專利範圍第3項之功率半導體元件，其中半導體 本體之表面在雙載子電晶體之基極區（26)和區域（30) 之間以電掻（33)覆蓋，電極（33)和半導髏本體之表面 絶緣，且此霣極電性連接至區域（30)或至基極區（26)。 8. 如申謫專利範圔第4項之功率半導體元件，其中半導體 本體之表面在雙載子電晶醴之基極區（26)和區域（30)之 間以電極（33)覆蓋，電極（33)和半導體本體之表面絶線， 且此電極電性連接至區域（30)或至基極區（26)。 9. 如申請專利範圍第1或第2項之功率半導體元件，其 中電極（33>由摻雜之複晶矽所構成。 10. 如申請專利範圍第6項之功率半専體元件，其中電極（33) 由摻雜之複晶矽所構成。 11. 如申請專利範圍第1或第2項之功率半導體元件，其 中與電流有關之電阻（14)是連接在雙載子電晶體（26) 之基極端（B)和射極端（E)之間，此電阻在預定電流之 下時具有第一電阻，當超通預定電流時，此電阻具有 較高之第二電阻。 12. 如申請專利範圍第6項之功率半導體元件，其中與電流 有Μ之電姐（14)是埋接在雙載子電晶體（26)之基極端 (Β)和射極端（Ε)之間，此電姐在預定電流之下時具有第 一電胆，當超過預定電流時.此電姐具有較高之第二 電胆。 -1 1 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4現格（21〇Χ297公嫠）
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