JP2006314112A - Method for controlling semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力制御用の半導体装置及びその制御方法に係わり、特に、制御端子の容量の最適化により、安定性を向上し得る半導体装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device for power control and a control method thereof, and more particularly to a control method of a semiconductor device capable of improving stability by optimizing the capacity of a control terminal.
一般に、電力制御用の半導体装置としては、MOS構造を有する制御端子(以下、ゲートという)により、大電力を制御可能なIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)又はIEGT(Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor)等が広く用いられている。 Generally, semiconductor devices for power control include IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or IEGTs (Injection Enhanced Gate Bipolar Transistors) that can control a large amount of power with a control terminal (hereinafter referred to as a gate) having a MOS structure. It is used.
図64はこの種のIGBTの構成を示す断面図である。このIGBTは、p型エミッタ層1にコレクタ電極2が形成されており、p型エミッタ層1におけるコレクタ電極2とは反対側の表面にはn型ベース層3が形成されている。n型ベース層3の表面にはp型ベース層4が選択的に拡散形成されている。各p型ベース層4の表面にはn型ソース層5が選択的に形成されている。
FIG. 64 is a cross-sectional view showing the configuration of this type of IGBT. In this IGBT, a
一方のn型ソース層5からp型ベース層4及びn型ベース層3を介して他方のp型ベース層4及びn型ソース層5に至る領域上には、ゲート絶縁膜6を介して、ゲート電極7が設けられている。また、各p型ベース層4上及びn型ソース層5上には共通のエミッタ電極8が設けられている。
On the region from one n-
このIGBTをターンオンさせるためには、エミッタ電極8側に対して正となる電圧(主電圧)をコレクタ電極2側に印加した状態において、エミッタ電極8に対して正である電圧をゲート電極7に印加する。これにより、n型ベース層3とn型ソース層5とに挟まれたp型ベース層4表面にn型チャネルが形成され、電子電流がn型ベース層3に流れ込む。一方、正孔電流がp型エミッタ層1からn型ベース層3に流れ込み、これによってn型ベース層3に導電変調が起こりIGBTがターンオンする。
In order to turn on the IGBT, a voltage that is positive with respect to the
一方、ターンオフさせるには、エミッタ電極8に対して0または負である電圧をゲート電極7に印加する。これにより、n型チャネルが消失してn型ベース層3への電子注入がなくなり、やがてIGBTはターンオフする。この状態でも主電圧は印加されている。
On the other hand, to turn off, a voltage that is 0 or negative with respect to the
なお、実際に製品化されるIGBTは、このような個々の微細なIGBTがチップ内に集積されて製造される。すなわち、図64で述べたIGBTは、チップ内の全部のIGBTのうち、1つのゲート電極7の両端の2つのIGBTからなるセルと呼ばれる単位領域のものである。これら各セルのIGBTが互いに並列に集積形成され、チップ状のIGBTが形成される。
Note that an IGBT that is actually commercialized is manufactured by integrating such individual fine IGBTs in a chip. That is, the IGBT described in FIG. 64 is a unit region called a cell composed of two IGBTs at both ends of one
しかしながら以上のようなIGBTの如き半導体装置は、チップ内又はセル内におけるオン電流(コレクタ電流)の不均一性やゲート電圧VGの不安定性などにより、電流制御が不可能となる恐れがあり、この場合、IGBT自体が破壊される可能性に発展する。 However as described above IGBT such semiconductor device, such as by instability of nonuniformity and the gate voltage V G of the on-current (collector current) in the chip or in the cell, may become impossible to current control, In this case, there is a possibility that the IGBT itself is destroyed.
なお、このようなゲート電圧VGの不安定性は、ゲート回路に混入したノイズ、あるいは各ゲート抵抗の特性のバラつきや各IGBTの僅かな不均一性などからなる攪乱要因により生じる。 Incidentally, instability of such gate voltage V G is caused by disrupting factors made of the noise, or slight non-uniformity of the variation and the IGBT of the gate resistance properties mixed into the gate circuit.
例えば、図65に示すように、オン状態の2つのIGBT1及びIGBT2において、一方のIGBT1のゲート抵抗300Ωに一瞬(約10nsec)だけ1Vのノイズが混入すると、図66に示すように、ゲート電圧VGが他方のIGBT2に偏り、図67に示すように、オン電流が他方のIGBT2にのみ流れる現象が生じる。
For example, as shown in FIG. 65, when noise of 1V is mixed into the gate resistance 300Ω of one
また、この現象は一例に過ぎず、この他、ゲート電圧VGの振動やセル内での電流集中などの現象が起こる可能性がある。なお、いずれの現象にしてもIGBTが高電圧、高電流状態のときに発生すると、IGBTの破壊に至る可能性をもつため、半導体装置の信頼性を低下させている。 Furthermore, this phenomenon is only an example, this addition, there is a possibility that phenomena such as current concentration in vibration and the cells of the gate voltage V G occurs. In any case, if the IGBT is generated in a high voltage and high current state, there is a possibility that the IGBT will be destroyed, so that the reliability of the semiconductor device is lowered.
一方、この種の半導体装置は、信頼性の向上を図るための短絡保護方式が知られている。図68は係る短絡保護方式を説明するための回路図であり、図69はこの半導体装置の外観を示す平面図である。 On the other hand, for this type of semiconductor device, a short-circuit protection method for improving reliability is known. FIG. 68 is a circuit diagram for explaining the short-circuit protection method, and FIG. 69 is a plan view showing the appearance of the semiconductor device.
この半導体装置は、主素子としての主IGBT素子M1と、電流検知用のセンスIGBT素子S1とが電気的に並列に接続され、同一チップ内に形成された構造を有する。但し、チップ内のデバイス領域の比は、センスIGBT素子S1を「1」としたとき、主IGBT素子M1が「100〜1000」の範囲内にある。 This semiconductor device has a structure in which a main IGBT element M1 as a main element and a sense IGBT element S1 for current detection are electrically connected in parallel and formed in the same chip. However, the ratio of the device regions in the chip is such that the main IGBT element M1 is in the range of “100 to 1000” when the sense IGBT element S1 is “1”.
ここで、主IGBT素子M1に流れる電流は、センスIGBT素子S1のエミッタに接続された抵抗Rsにおける電圧降下により、検知される。すなわち、短絡等に起因して大電流がセンスIGBT素子S1に流れると、抵抗Rsに電圧降下が生じる。この電圧は、図68に示すように、ゲート回路にコレクタが接続されたトランジスタTr1のベースに電流を流す。これにより、トランジスタTr1がオンし、主IGBT素子M1及びセンスIGBT素子S1のゲート電圧を低下させる。 Here, the current flowing through the main IGBT element M1 is detected by a voltage drop across the resistor Rs connected to the emitter of the sense IGBT element S1. That is, when a large current flows through the sense IGBT element S1 due to a short circuit or the like, a voltage drop occurs in the resistor Rs. As shown in FIG. 68, this voltage causes a current to flow through the base of the transistor Tr1 whose collector is connected to the gate circuit. Thereby, the transistor Tr1 is turned on, and the gate voltages of the main IGBT element M1 and the sense IGBT element S1 are lowered.
しかしながら、この短絡保護方式は以下のような問題がある。ターンオン、ターンオフのように瞬時に動作モードが変化するとき、検知される電流は、IGBTチップ全体の電流に対応しない場合がある。このため、短絡時に、保護動作を生じない場合が多々ある。また、製造上のばらつきが大きいという問題がある。 However, this short circuit protection method has the following problems. When the operation mode changes instantaneously such as turn-on and turn-off, the detected current may not correspond to the current of the entire IGBT chip. For this reason, there are many cases in which a protective operation does not occur during a short circuit. In addition, there is a problem that the manufacturing variation is large.
さらに、主IGBT素子M1と同一チップ内にセンスIGBT素子S1を設けるので、主IGBT素子M1の有効面積を狭くする問題がある。また、大電流の検知からゲート電圧の低下に至るまでのフィードバックループが長いので、保護の遅れや不安定な発振などが生じ易い。また、一旦、センスIGBTS1を形成すると、保護レベルの調整等が極めて困難である問題がある。さらに、半導体装置が、主IGBT素子M1のコレクタ、ゲート及びエミッタの3端子に加え、センスIGBT素子S1のエミッタを有する4端子構造になる問題がある。すなわち、半導体装置が複雑な構造になり、コストを増大させてしまう問題がある。 Furthermore, since the sense IGBT element S1 is provided in the same chip as the main IGBT element M1, there is a problem of narrowing the effective area of the main IGBT element M1. In addition, since the feedback loop from the detection of a large current to the reduction of the gate voltage is long, protection delay and unstable oscillation are likely to occur. Further, once the sense IGBT TS1 is formed, there is a problem that it is extremely difficult to adjust the protection level. Further, there is a problem that the semiconductor device has a four-terminal structure having the emitter of the sense IGBT element S1 in addition to the three terminals of the collector, gate and emitter of the main IGBT element M1. That is, there is a problem that the semiconductor device has a complicated structure and increases costs.
次に、ターンオフ時の半導体装置の保護に関して述べる。図70の(a)は主IGBT素子M1のターンオフ時に、主IGBT素子M1に印加される電圧VCEと、主IGBT素子M1を流れる電流ICEとの時間変化を示すタイムチャートである。図70の(b)は図70の(a)に示した電圧波形を微分したタイムチャートである。いずれの図も、MOSゲート回路に直列に接続されるゲート抵抗Rgが小のときを実線で示し、Rgが大のときを破線で示している。 Next, protection of the semiconductor device at turn-off will be described. FIG. 70A is a time chart showing a time change of the voltage V CE applied to the main IGBT element M1 and the current I CE flowing through the main IGBT element M1 when the main IGBT element M1 is turned off. FIG. 70 (b) is a time chart obtained by differentiating the voltage waveform shown in FIG. 70 (a). In both figures, a solid line indicates when the gate resistance Rg connected in series to the MOS gate circuit is small, and a broken line indicates when Rg is large.
主IGBT素子M1に限らず、パワー素子は、高周波信号で駆動する場合、ターンオフ時の損失(電圧と電流の積を時間で積分したもの)を低減させる必要があるので、ターンオフ速度を速くするためにゲート抵抗Rgを小さくする必要がある。但し、Rgが小の波形は、図70の(b)に示すように、ターンオフ時間が短い分、dV/dtのピーク値が大きい。なお、目標の電圧VCEが一定のため、図70の(b)に示す2つの微分波形は、時間軸と形成する面積が互いに等しくなっている。 In order to increase the turn-off speed, the power element is not limited to the main IGBT element M1, and it is necessary to reduce the loss at turn-off (the product of voltage and current integrated over time) when driven by a high-frequency signal. It is necessary to reduce the gate resistance Rg. However, the waveform having a small Rg has a large peak value of dV / dt because the turn-off time is short, as shown in FIG. Since the target voltage VCE is constant, the two differential waveforms shown in FIG. 70B have the same time axis and area.
さて、このようにゲートRgを小にして主IGBT素子M1に印加される電圧VCEの上昇率dV/dtを高くした場合、dV/dtのピーク値が一定値を超えると、dV/dtに比例して流れる変位電流により、主IGBT素子M1がターンオフに失敗して破壊される問題がある。 Now, in this way, when the gate Rg is reduced and the rate of increase dV / dt of the voltage VCE applied to the main IGBT element M1 is increased, if the peak value of dV / dt exceeds a certain value, it is proportional to dV / dt. Therefore, there is a problem that the main IGBT element M1 fails to be turned off and is destroyed due to the displacement current flowing therethrough.
一方、ゲート抵抗Rgを大にしてdV/dtによる破壊から主IGBT素子M1を保護すると、ターンオフ速度が遅くなり、ターンオフ損失が増えてスイッチングの高速化が困難となる問題がある。 On the other hand, when the gate resistance Rg is increased and the main IGBT element M1 is protected from the breakdown due to dV / dt, there is a problem that the turn-off speed becomes slow, the turn-off loss increases, and the switching speed becomes difficult.
以上説明したように従来の半導体装置は、ゲート電圧のVGの不安定性などにより、電流制御が不可能となって素子自体が破壊される可能性がある。 Above-described manner conventional semiconductor device, such as by instability of V G of the gate voltage, there is a possibility that the device itself is destroyed becomes impossible to current control.
また、短絡保護に関しては、大電流の検知からゲート電圧の低下に至るまでのフィードバックループが長いので、保護の遅れや不安定な発振などが生じ易い問題がある。 In addition, with regard to short circuit protection, since the feedback loop from detection of a large current to reduction of the gate voltage is long, there is a problem that protection delay or unstable oscillation is likely to occur.
さらに、ターンオフに関しては、ゲート抵抗Rgを小にすると、 dV/dtに比例して流れる変位電流により、主素子がターンオフに失敗して破壊される問題がある。一方、ゲート抵抗Rgを大にすると、ターンオフ速度が遅くなる問題がある。 Further, regarding the turn-off, when the gate resistance Rg is made small, there is a problem that the main element fails to be turned off and is destroyed due to a displacement current flowing in proportion to dV / dt. On the other hand, when the gate resistance Rg is increased, there is a problem that the turn-off speed is lowered.
尚、IEGTの関連文献として、例えば非特許文献1に示すものがある。
本発明は、高電圧、大電流時にもゲート電圧を安定させ、電流不均一や発振等を阻止でき、もって、装置を破壊から保護して信頼性を向上し得る半導体装置の制御方法を提供しようとするものである。 The present invention provides a method for controlling a semiconductor device, which can stabilize gate voltage even at high voltage and large current, prevent current non-uniformity and oscillation, etc., and thereby protect the device from destruction and improve reliability. It is what.
本発明は、2つの主電極と、前記各主電極間の電流を制御する制御電極部とを有する半導体装置の制御方法において、前記制御電極部の電圧に基づいて、前記制御電極部に蓄積された電荷量を検出する検出工程と、前記検出工程により検出された電荷量に基づいて、前記制御電極部への印加電圧及び/又は前記制御電極への流入電流を制御する制御工程とを含んでいることを特徴とする。 According to the present invention, in a method for controlling a semiconductor device having two main electrodes and a control electrode unit that controls a current between the main electrodes, the voltage is stored in the control electrode unit based on the voltage of the control electrode unit. And a control step for controlling the voltage applied to the control electrode unit and / or the inflow current to the control electrode based on the charge amount detected by the detection step. It is characterized by being.
また、本発明は、2つの主電極と、前記各主電極間の電流を制御する制御電極部とを有する半導体装置の制御方法において、前記制御電極部を横切って通過する電流を前記通過の前後で夫々検出する検出工程と、前記通過前の電流と前記通過後の電流との差に基づいて、前記制御電極部への印加電圧及び/又は前記制御電極への流入電流を制御する制御工程とを含んでいることを特徴とする。 Further, the present invention provides a method for controlling a semiconductor device having two main electrodes and a control electrode unit that controls a current between the main electrodes, and a current passing through the control electrode unit before and after the passing. And a control step of controlling an applied voltage to the control electrode unit and / or an inflow current to the control electrode based on a difference between the current before passing and the current after passing, respectively. It is characterized by including.
本発明によれば、高電圧、大電流時にもゲート電圧を安定させ、電流不均一や発振等を阻止でき、もって、装置を破壊から保護して信頼性を向上できる半導体装置の制御方法を提供できる。 According to the present invention, there is provided a semiconductor device control method capable of stabilizing gate voltage even at high voltage and large current, preventing current non-uniformity and oscillation, etc., thereby protecting the device from destruction and improving reliability. it can.
本発明は、高コレクタ電圧時にゲートが負の微分容量(CG=dQG/dVG、但しQG はゲートに蓄積されている電荷)をもつことがIGBTの破壊の主な原因の一つであるという、本発明者等により見出された知見に基づいてなされている。すなわち、本発明の骨子は、常にゲートの負の微分容量を無くすことにより、装置の安定性を向上させ、もって、装置を破壊から保護することにある。 In the present invention, one of the main causes of IGBT breakdown is that the gate has a negative differential capacitance (C G = dQ G / dV G , where Q G is a charge stored in the gate) at a high collector voltage. This is based on the knowledge found by the present inventors. That is, the gist of the present invention is to improve the stability of the device by eliminating the negative differential capacity of the gate at all times, thereby protecting the device from destruction.
次に、本発明の基となる知見について説明する。 Next, the knowledge on which the present invention is based will be described.
本発明者等は、図44に示すように、1200V用高耐圧IGBT(東芝製、商品名GT25Q101、n型ベース層3の長さ=約100μm以上で、不純物濃度=5×1013cm−3以下)に関し、ゲート電荷Qcのゲート電圧VG依存性(の傾き=ゲート容量)を種々のコレクタ電圧VCEについて実験により調べた。なお、ゲート電圧VGは、横軸で示す直流バイアスに約15V振幅の1パルスのサイン波が重畳されている。すなわち、測定では、測定中の素子の温度上昇を回避する観点から周知のC−V測定法が使えないため、1パルスのサイン波をゲートに与え、その間ゲートに流入する電荷を同時に計測し、オシロスコープの水平軸にゲート電圧、垂直軸に電荷量を入力することにより、図44の結果を得ている。なお、この時のサイン波の周波数は10〜20kHzである。
44. As shown in FIG. 44, the present inventors made a 1200V high voltage IGBT (trade name GT25Q101 manufactured by Toshiba, length of n-
図示するように、コレクタ電圧VCEが881Vのとき、ゲート電圧VGの上昇とともにゲート電荷QGが減少し、ゲートの負の微分容量が現れている。 As shown in the figure, when the collector voltage V CE is 881 V, the gate charge Q G decreases as the gate voltage V G increases, and a negative differential capacity of the gate appears.
図45及び図46は図44の実験内容をシミュレーションした結果であり、同様の結果が得られている。すなわち、シミュレーション結果より算出したゲート容量においては、図46に示すように、高コレクタ電圧VCE時に、ゲートしきい値Vth以上で負の容量が現れている。 45 and 46 show the results of simulating the experimental contents of FIG. 44, and similar results are obtained. That is, in the gate capacitance calculated from the simulation results, as shown in FIG. 46, at high collector voltage V CE, negative capacitance has appeared above the gate threshold Vth.
この負の容量は、次の(M1)〜(M3)のメカニズムにより現れて(M4)の作用効果を引き起こす、と考えられる。 This negative capacity appears to be caused by the following mechanisms (M1) to (M3) and cause the effect (M4).
(M1)高コレクタ電圧時に、p型エミッタ層1から注入された正孔がn型ベース層3中の高電界により加速されて、n型ベース層3とゲート絶縁膜6との界面に到達する。(M2)高コレクタ電圧時には、n型ベース層3の電位はゲート電圧VGよりも高いため、n型ベース層3の界面に正孔のチャネル(蓄積層)が形成される。(M3)この正孔のチャネルの正電荷により、ゲート電極7内に負の電荷が誘起され、ゲートの負容量が引き起こされる。
(M1) At the time of a high collector voltage, holes injected from the p-
(M4)このようなゲートの負の容量は、ゲート抵抗をゲート電極7に接続した時、負のC・R時定数により、ゲート電圧VGの不安定性を生じさせ、図66に示した如き、ゲート電圧VGの上昇又は下降を生じさせ、さらにはゲート電圧VGを振動させてゲート回路を制御不能にする可能性がある。
(M4) negative capacitance of such a gate is, when connecting the gate resistor to the
このような負の容量は、以下に述べるように数式を用いても表現可能である。図47は上述した(M1)〜(M3)の現象をより詳しく示している。この図47は、図48に示す等価回路に置換可能である。但し、容量と各部電圧との関係は図49に示す等価回路となる。 Such negative capacitance can also be expressed using mathematical formulas as described below. FIG. 47 shows the phenomenon (M1) to (M3) described above in more detail. 47 can be replaced with the equivalent circuit shown in FIG. However, the relationship between the capacitance and the voltage of each part is the equivalent circuit shown in FIG.
図48に示す等価回路より、p型ベース層4界面のnチャネルを通ってn型ベース層3に注入される電子電流Ieは、次の(1)式で示される。
From the equivalent circuit shown in FIG. 48, the electron current Ie injected into the n-
Ie=gm n−ch(VGE−Vth n−ch)…(1)
但し、gm n−chは相互コンダクタンスを示し、Vth n−chはnチャネルのしきい値電圧を示す。
I e = g m n-ch (V GE -V th n-ch) ... (1)
Here, g m n-ch represents a mutual conductance, and V th n-ch represents an n-channel threshold voltage.
一方、p型エミッタ層1から注入されるホール電流Ihは、IGBT(IEGT)のpnpトランジスタ部分の電流増幅率βを用い、次の(2)式のように示される。
On the other hand, hole current I h injected from the p-
Ih=βIe…(2)
ホール電流Ih は、全てn型ベース層3界面のpチャネルを通ってp型ベース層4に流れると考えると、次の(3)式で表すことができる。
I h = βI e (2)
Considering that all the hole current Ih flows through the p-channel at the interface of the n-
Ih=gm p−ch(Vpch−VGE−Vth p−ch)…(3)
このとき(1)式及び(3)式を夫々(2)式に代入すると、各部電圧の関係式が次の(4)式に示すように得られる。
I h = g m pch (V pch -V GE -V th pch) ... (3)
At this time, by substituting the equations (1) and (3) into the equations (2), the relational expressions of the respective voltages are obtained as shown in the following equation (4).
gm p−ch(Vpch−VGE−Vth p−ch)=βgm n−ch(VGE−Vthn−ch)…(4)
一方、図49に示す等価回路より、ゲートに蓄えられる電荷ΔQGは、次式で示される。ΔQG=CG−S ΔVGE+CG−p−ch Δ(VGE−Vpch)
なお、(4)式より、Δ(VGE−Vpch )=−β(gm n−ch/gm p−ch)ΔVGEとなるので、ゲート容量CG は、次の(5)式で示すことができる。
g m pch (V pch -V GE -V th pch) = βg m n-ch (V GE -V th n -ch) ... (4)
On the other hand, from the equivalent circuit shown in FIG. 49, the charge ΔQG stored in the gate is expressed by the following equation. ΔQ G = C G−S ΔV GE + C G−p−ch Δ (V GE −V pch )
From the equation (4), Δ (V GE −V pch ) = − β (g m n−ch / g m p−ch ) ΔV GE , so that the gate capacitance CG is expressed by the following equation (5). Can show.
CG=ΔQG/ΔVGE=CG−S−CG−p−ch・β・gm n−ch/gm p−ch
…(5)
ここで、右辺の第2項は、負の値であり、これが負の容量を引き起こす。
C G = ΔQ G / ΔV GE = C G-S -C G-p-ch · β · g m n-ch / g m p-ch
... (5)
Here, the second term on the right side is a negative value, which causes a negative capacitance.
以上の負の(微分)容量に関する知見は、本発明者等の研究により始めて得られたものである。 The above knowledge about the negative (differential) capacity has been obtained for the first time by the inventors' research.
続いて、この知見に基づく本発明の骨子について詳しく説明する。 Subsequently, the gist of the present invention based on this finding will be described in detail.
図50及び図51は図46に示した負の容量を模式的に示した図である。ゲート容量CGは、n型ベース層3/ゲート絶縁膜6/ゲート電極7で構成される容量C2と、(n型ソース層5・p型ベース層4)/ゲート絶縁膜6/ゲート電極7で構成される容量C1との並列合成容量と考えられる。
50 and 51 schematically show the negative capacitance shown in FIG. The gate capacitance CG includes a capacitance C2 composed of n-
ここで、容量C1は、図52に示すように、ゲート電圧VGとは無関係にほぼ一定値をとる。容量C2は、図53に示すように、ゲート電圧VGに対して階段状に減少する。容量C2においては、図46から推測可能なように、正の容量C2+と負の容量C2−との比が約2:1である。 Here, capacitor C1, as shown in FIG. 52, irrespective takes an almost constant value to the gate voltage V G. Capacitor C2, as shown in FIG. 53, decreases stepwise with respect to the gate voltage V G. In the capacity C2, as it can be inferred from FIG. 46, the positive capacitor C2 + and negative capacitance C2 - ratio of about 2: 1.
本発明では、積極的にC1を増加させることにより、図54に示すように、容量C2を底上げし、C2−による負の容量を打ち消している。具体的には、C1≧C2−=(1/2)C2+とする。すなわち、次の(6)式を満足するとき、ゲート容量CGが常に零又は正の値になり、負の値をもたない。
なお、(6)式は、例えばn型ベース層3を含むMOS構造の面積(容量C2に対応)と、n型ソース層5・p型ベース層4を含むMOS構造の面積(容量C1に対応)とを用いてマスクパターンを設計することにより、容易に実現可能である。また、(6)式の実現方法は、MOS構造の面積に限らず、MOS構造におけるゲート絶縁膜の厚さや材質(誘電率ε)を容量C1,C2に対応させて設計してもよい。さらに、(6)式は、本質的に等価な置換であれば、「MOS構造の面積」の如き別の表現、あるいは「容量C2の面積/ゲートの全面積=2/3以下」の如き別の関係式を用いて示してもよい。
For example, the expression (6) represents the area of the MOS structure including the n-type base layer 3 (corresponding to the capacitor C2) and the area of the MOS structure including the n-
上の知見は、以下に示すように実験的にも確認され、かつn型ベース層3の長さの如き、素子設計上のパラメータとの関連性も確認されている。なお、ここにいうn型ベース層3の長さ(以下、Nベース長ともいう)は、p型エミッタ層1とp型ベース層4の底部との間のn型ベース層3の距離に相当する。
The above findings have been confirmed experimentally as described below, and the relevance to parameters in device design such as the length of the n-
図55は、実際に4つのIGBTを用い、n型ベース層3の長さとC1/(C2+ +C1)との関係を確認したグラフである。n型ベース層3の長さが100μmのとき、C1/(C2+ +C1)の値が0.33から0.2に(1/3から1/5)に低下している。
FIG. 55 is a graph confirming the relationship between the length of the n-
これは、Nベース長が長くなるに従い、n型ベース層3中のキャリア蓄積量を多くする必要があるため、ゲート長LGを長くするという従来の考え方に起因している。すなわち、ゲート長LGを長くすることにより、電子のMOSチャネルからの注入を促進し、より低オン電圧を実現するという従来の設計方法から来ている。そのため、C2+ の値を増大させ、C1/(C2+ +C1)の値を小さくしている。その結果、C2- も大きくなり、負のゲート容量を生じさせ易い状況になっている。
This is in accordance with N base length increases, it is necessary to increase the carrier accumulation amount of n-
そこで、図55上に示す如き、C1/(C2+ +C1)=0.33のIGBT(Nベース長=約63μm;以下、IGBT素子Aという)と、C1/(C2++C1)=0.2のIGBT(Nベース長=100μm;以下、IGBT素子Bという)について、前述同様にノイズパルスにより、ゲートの不安定性を調べた。 Therefore, as shown in FIG. 55, an IGBT with C1 / (C2 ++ C1) = 0.33 (N base length = about 63 μm; hereinafter referred to as IGBT element A) and C1 / (C2 ++ C1) = 0.2. The instability of the gate of the IGBT (N base length = 100 μm; hereinafter referred to as IGBT element B) was examined by noise pulses as described above.
具体的には、図56に示すように、2つのIGBT素子A1,A2を並列接続し、一方のIGBT素子A2のゲートにノイズパルスを与え、ゲート電圧の挙動を観察する実験を行なった。また同様の実験を2つのIGBT素子B1,B2についても行なった。 Specifically, as shown in FIG. 56, an experiment was conducted in which two IGBT elements A1 and A2 were connected in parallel, a noise pulse was applied to the gate of one IGBT element A2, and the behavior of the gate voltage was observed. A similar experiment was also performed for the two IGBT elements B1 and B2.
その結果、IGBT素子A1,A2を並列接続した場合には、ノイズパルスにより一時的なゲート電圧の変動はあるものの、直ぐにゲートバイアス電圧(ゲート信号で与えている電圧)に安定的に収束する。 As a result, when the IGBT elements A1 and A2 are connected in parallel, although there is a temporary gate voltage fluctuation due to the noise pulse, it immediately converges stably to the gate bias voltage (voltage given by the gate signal).
一方、IGBT素子B1,B2では、図57に示すように、ノイズパルスを与えた後、ゲート電圧VG1,VG2の振動が収束せず、逆に大きくなっている。しかも、IGBT素子B2にノイズパルスを与えたので、他方のIGBT素子B1のゲート電圧VG1も大きく振動し、並列素子B1,B2間で負の容量による不安定による発振が起こっている。 On the other hand, in the IGBT elements B1 and B2, as shown in FIG. 57, after applying the noise pulse, the oscillations of the gate voltages V G1 and V G2 do not converge and increase. In addition, since a noise pulse is applied to the IGBT element B2, the gate voltage V G1 of the other IGBT element B1 also vibrates greatly, and oscillation due to instability due to negative capacitance occurs between the parallel elements B1 and B2.
この実験結果より、C1/(C2+ +C1)≧0.33では確実に不安定性は生ぜず、C1/(C2+ +C1)≦0.2では、発振,電流不均一等の不安定性を生じる。そのため、不安定性を考慮すると、C1/(C2+ +C1)の値は少なくとも、0.2(=1/5)より大きいことが必要で、0.33(=1/3)以上であることが望ましい。 From this experimental result, instability does not surely occur when C1 / (C2 ++ C1) ≧ 0.33, and instability such as oscillation and current non-uniformity occurs when C1 / (C2 ++ C1) ≦ 0.2. Therefore, considering instability, the value of C1 / (C2 ++ C1) needs to be at least larger than 0.2 (= 1/5), and should be 0.33 (= 1/3) or more. desirable.
また、Nベース長が100μm以上の素子では、従来の設計方法に従えば、C1/(C2+ +C1)が0.2程度に下がるので、本発明は特にNベース長が100μm以上の素子で有効である。 In addition, in an element having an N base length of 100 μm or more, according to the conventional design method, C1 / (C2 ++ C1) is reduced to about 0.2. Therefore, the present invention is particularly effective for an element having an N base length of 100 μm or more. It is.
Nベース長が300μm以上の素子では、C1/(C2+ +C1)の値が(1/10)=0.1程度と、0.2を下回るので、Nベース長が300μm以上の素子では少なくとも値を1/5=0.2まで引き上げることが不安定性の改善のために有効である。 In an element having an N base length of 300 μm or more, the value of C1 / (C2 ++ C1) is about (1/10) = 0.1, which is less than 0.2. It is effective to improve the instability to raise 1/5 to 0.2.
以上はプレーナ型素子に関しての説明であるが、トレンチ型素子の場合にも同様の負のゲート容量を生じることを発明者等の研究により確認した。但し、トレンチ型素子では、C2+ :C2- の比がプレーナ型素子とは若干異なっている。 The above description is about the planar type device, but it has been confirmed by the inventors' research that the same negative gate capacitance is produced in the case of the trench type device. However, in the trench type element, the ratio of C2 +: C2 + is slightly different from that of the planar type element.
図58はゲートのとばし無しのトレンチ型IEGT素子の構成を示す図であり、図59はゲートのとばし有りのトレンチ型IEGT素子の構成を示す図であって、図60はこれら2種類のIEGT素子に関し、ゲート容量におけるゲート電圧依存性の計算結果を示す図である。なお、本明細書中、「とばし」の語は、n型ソース層5の省略を意味している。
58 is a diagram showing a configuration of a trench type IEGT device without gate skipping, FIG. 59 is a diagram showing a configuration of a trench type IEGT device with gate skipping, and FIG. 60 shows these two types of IEGT devices. 5 is a diagram showing a calculation result of gate voltage dependency in gate capacitance. In the present specification, the term “jump” means omission of the n-
すなわち、とばし無しのIEGT素子TAは、図58に示すようにプレーナ型のゲート絶縁膜6及びゲート電極7に代えて、n型ソース層5の表面にはp型ベース層4を介してn型ベース層3に達する深さまで溝(トレンチ)が掘られている。溝内は、n型ベース層3とn型ソース層5とに挟まれたp型ベース層4側面に設けられたゲート絶縁膜6tに囲まれて埋込み型のゲート電極7tが配置されている。このゲート電極7tは、図示しないゲート端子に接続されている。
That is, in the IEGT element TA without skipping, an n-
一方、とばし有りのIEGT素子TBは、図59に示すように、図58に示す構成とは異なり、n型ソース層5を有するp型ベース層4と、n型ソース層5の省略されたp型ベース層4とが溝間で交互に配置されている。
On the other hand, as shown in FIG. 59, the skipped IEGT element TB differs from the configuration shown in FIG. 58 in that the p-
ここで、とばし無しのIEGT素子TAは、図60に示すように、ゲート容量が負の値になる部分が若干ある。また、とばし有りのIEGT素子TBでは、大きな負のゲート容量CGが生じている。 Here, as shown in FIG. 60, the IEGT element TA without skip has a portion where the gate capacitance becomes a negative value. Further, in the IEGT device TB of there skipping, a large negative gate capacitance C G occurs.
この種のトレンチ型素子の場合、ゲート容量CGの変化が複雑であるが、C2+ :C2- の比は概ね、とばし無しの構成で、C2+ :C2- =5:1であり、とばし有りの構成で、C2+ :C2- =4:1となっている。 In this type of trench type device, although the change in the gate capacitance C G is complicated, C2 +: ratio of C2- is generally in the configuration without skipping, C2 +: C2- = 5: 1, skipping In the existing configuration, C2 +: C2 +-= 4: 1.
このため、とばし無しの構成では、C1/(C2+ +C1)の値を1/6以上とすることが好ましい。同様に、とばし有りの構成では、C1/(C2+ +C1)の値を1/5以上とすることが好ましい。 For this reason, in the structure without skipping, it is preferable that the value of C1 / (C2 ++ C1) is 1/6 or more. Similarly, in a configuration with skipping, it is preferable that the value of C1 / (C2 ++ C1) is 1/5 or more.
なお、図60中、ゲート電圧が4.5V付近に負のピークが生じるが、この負のピークは、コレクタ電流が小さい値の小電流領域に生じるため、破壊の影響が少ないので、考慮しない。 In FIG. 60, a negative peak occurs in the vicinity of a gate voltage of 4.5 V. This negative peak is not considered because it is generated in a small current region where the collector current is small and is less affected by breakdown.
また、次に本発明者らの研究による半導体装置の制御方法について説明する。この制御方法は、主に短絡時の保護に関係する。 Next, a method for controlling a semiconductor device according to the study by the present inventors will be described. This control method is mainly concerned with protection in the event of a short circuit.
本発明者らの研究により、図61及び図62(a)〜(b)に示すように、IGBTが短絡状態になると、通常動作に比べ、ゲートに蓄積される電荷が減少する知見が得られた。すなわち、ゲートに蓄積される電荷が通常動作よりも減少した状態を短絡状態として検知する。また、短絡状態を検知したとき、ゲート電圧を低下させることにより、IGBTを短絡から保護できる。 As shown in FIG. 61 and FIGS. 62 (a) to (b), the inventors have found that when the IGBT is short-circuited, the charge accumulated in the gate is reduced as compared with the normal operation. It was. That is, a state in which the charge accumulated in the gate is reduced as compared with the normal operation is detected as a short circuit state. Moreover, when the short circuit state is detected, the IGBT can be protected from the short circuit by reducing the gate voltage.
図63はこの知見に基づき試作された保護回路のブロック図である。主IGBT素子M1のゲート回路に直列に電荷検出回路(charge counter)CCが接続される。 FIG. 63 is a block diagram of a protection circuit prototyped based on this finding. A charge counter circuit (charge counter) CC is connected in series with the gate circuit of the main IGBT element M1.
一方、ゲート回路とアースとの間にはトランジスタTr1が接続されている。 On the other hand, a transistor Tr1 is connected between the gate circuit and the ground.
ここで、差動アンプAM1は、ゲート電圧を参照しつつ、電荷検出回路CCに検出されたゲートの電荷量について所定値(図61に示すprohibited area )以下か否かを判定する。差動アンプAM1は、電荷量が所定値以下のとき、トランジスタTr1にベース電流を与えてTr1をオン状態に制御し、ゲート電圧を低下させる。 Here, the differential amplifier AM1 determines whether or not the gate charge amount detected by the charge detection circuit CC is equal to or less than a predetermined value (prohibited area shown in FIG. 61) while referring to the gate voltage. When the charge amount is equal to or less than a predetermined value, the differential amplifier AM1 applies a base current to the transistor Tr1 to control the Tr1 to be in an on state, thereby reducing the gate voltage.
なお、ゲートの電荷量の検知方式としては、任意の回路による電圧又は電流の検知などが適宜使用可能となっている。 As a method for detecting the charge amount of the gate, voltage or current detection by an arbitrary circuit can be used as appropriate.
またさらに、dV/dtの検出に関する半導体装置の制御方法についても説明する。この半導体装置は、主スイッチング素子に電気的に並列にdV/dtの検出素子を有し、この検出素子の検出結果に基づいてゲート抵抗の抵抗値を制御するものである。 Further, a method for controlling the semiconductor device related to detection of dV / dt will be described. This semiconductor device has a dV / dt detection element electrically in parallel with the main switching element, and controls the resistance value of the gate resistance based on the detection result of the detection element.
これにより、主スイッチング素子が破壊しない範囲でターンオフを速くできるので、オフ損失を低減でき、素子特性を向上できる。 As a result, the turn-off can be accelerated within a range in which the main switching element is not destroyed, so that the off loss can be reduced and the element characteristics can be improved.
上述した本発明に関する知見及び骨子に基づいて、具体的には以下のような解決手段が実現される。 Based on the above-described knowledge and outline of the present invention, specifically, the following means for solving are realized.
本発明の半導体装置の制御方法の第1の態様は、2つの主電極と、前記各主電極間の電流を制御する制御電極部とを有する半導体装置を制御対象とし、制御電極部の電圧に基づいて、制御電極部に蓄積された電荷量を検出する検出工程と、検出工程により検出された電荷量に基づいて、制御電極部への印加電圧及び/又は前記制御電極への流入電流を制御する制御工程とを含んでいる。 According to a first aspect of the method for controlling a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having two main electrodes and a control electrode unit that controls a current between the main electrodes is controlled. Based on the detection step of detecting the amount of charge accumulated in the control electrode unit, and the voltage applied to the control electrode unit and / or the inflow current to the control electrode based on the amount of charge detected by the detection step And a control process.
また、前記制御工程としては、電荷量が負の値をもつとき、印加電圧及び/又は流入電流を低減させる。 As the control step, when the charge amount has a negative value, the applied voltage and / or the inflow current are reduced.
本発明の半導体装置の制御方法の第2の態様は、2つの主電極と、各主電極間の電流を制御する制御電極部とを有する半導体装置を制御対象とし、制御電極部を横切って通過する電流を通過の前後で夫々検出する検出工程と、通過前の電流と通過後の電流との差に基づいて、制御電極部への印加電圧及び/又は制御電極への流入電流を制御する制御工程とを含んでいる。 According to a second aspect of the method for controlling a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having two main electrodes and a control electrode unit that controls a current between the main electrodes is controlled, and passes across the control electrode unit. And a control process for controlling the applied voltage to the control electrode section and / or the inflow current to the control electrode based on the difference between the current before the passage and the current after the passage. Process.
前記制御工程としては、差を積分した結果が負の値をもつとき、印加電圧及び/又は前記流入電流を低減させる。 As the control step, when the result of integrating the difference has a negative value, the applied voltage and / or the inflow current is reduced.
第1の態様によれば、制御電極部の電荷量を検出し、この電荷量が負の値を持つとき、短絡状態とみなして制御電極部への印加電圧及び/又は流入電流を低減するので、半導体装置を短絡状態から保護することができる。 According to the first aspect, when the charge amount of the control electrode portion is detected and the charge amount has a negative value, the applied voltage and / or the inflow current to the control electrode portion is reduced as a short-circuit state. The semiconductor device can be protected from a short circuit state.
また、第2の態様によれば、制御電極部を横切って通過する電流を通過の前後で検出し、この通過前の電流と通過後の電流との差を積分した結果が負の値を持つとき、短絡状態とみなして制御電極部への印加電圧及び/又は流入電流を低減するので、半導体装置を短絡状態から保護することができる。 Further, according to the second aspect, the current passing through the control electrode portion is detected before and after passing, and the result of integrating the difference between the current before passing and the current after passing has a negative value. In some cases, the voltage applied to the control electrode portion and / or the inflow current is reduced as a short circuit state, so that the semiconductor device can be protected from the short circuit state.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の参考例)
図1は、第1の参考例に係るIGBTの構成を示す平面図であり、図2は図1のIIA−IIA線及びIIB−IIB線矢視断面図であって、図64と同一部分については同一符号を付してその詳しい説明は省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。なお、以下の各参考例についても同様にして重複した説明を省略する。
(First reference example)
1 is a plan view showing a configuration of an IGBT according to a first reference example, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along lines IIA-IIA and IIB-IIB in FIG. Are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Only different parts will be described here. In addition, the same description will be omitted for each of the following reference examples.
すなわち、本参考例に係る半導体装置は、ゲートの負の容量を無くした構成により、ゲート電圧の安定化を図るものであって、図1及び図2に示すように、p型ベース層4が部分的にゲート絶縁膜6の全幅にわたってn型ベース層3上に形成されている。このため、n型ベース層3とゲート絶縁膜6とが接する界面部分の面積が従来よりも小さくされた構成となっている。
In other words, the semiconductor device according to this reference example stabilizes the gate voltage by eliminating the negative capacitance of the gate. As shown in FIG. 1 and FIG. A portion of the
具体的には、ゲート電極7とゲート絶縁膜6界面の面積SG(いわゆる、ゲート電極7の面積)と、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7とn型ベース層3とが重なり合う部分の面積SNBとの比が次の(7)式で規定された構成となっている。
なお、この(7)式は前述した(6)式と等価な関係を示している。すなわち、(7)式は、(6)式における容量C1が全ゲート容量の1/3以上との規定を逆方向から述べたものであり、容量C2に対応する面積SNBを全ゲート容量に対応する面積の2/3以下と規定したものである。 The equation (7) shows an equivalent relationship to the above-described equation (6). That is, the expression (7) describes from the reverse direction that the capacity C1 in the expression (6) is 1/3 or more of the total gate capacity, and the area SNB corresponding to the capacity C2 is defined as the total gate capacity. It is defined as 2/3 or less of the corresponding area.
また、テラスゲート等、ゲート絶縁膜6の厚さtoxが部分的に異なる場合は、次の(8)式を満たすように、IGBTが設計される。
次に、このようなIGBTの動作について説明する。 Next, the operation of such an IGBT will be described.
前述同様にIGBTがターンオンする際に、高コレクタ電圧時には、p型エミッタ層1から注入された正孔がn型ベース層3中の高電界により加速されて、n型ベース層3とゲート絶縁膜6との界面に到達する。
As described above, when the IGBT is turned on, when the collector voltage is high, holes injected from the p-
高コレクタ電圧時には、n型ベース層3の電位はゲート電圧よりも高いため、n型ベース層3の界面に正孔のチャネル(蓄積層)が形成される。
When the collector voltage is high, the potential of the n-
この正孔のチャネルの正電荷により、IIA−IIA断面に沿ってゲート電極7内に負電荷が誘起される。
Due to the positive charge of the hole channel, a negative charge is induced in the
しかしながら、このIGBTは、従来とは異なり、IIB−IIB断面に示す部分で、p型ベース層4中のゲート絶縁膜6との界面にnチャネルが生成され、このnチャネルによりゲート電極7中の負電荷が打ち消されてゲート電極7に正電荷が誘起され、負の容量が生じない。また、高コレクタ電圧時に正孔がエミッタ電極8に排出されるために、さらに負の容量を生じにくくしている。よって、ゲート電圧の安定を確保することができる。
However, unlike the conventional IGBT, an n channel is generated at the interface with the
上述したように第1の参考例によれば、コレクタ電極1とエミッタ電極8との間に電圧が印加されたとき、ゲート電極7からみた容量が常に正値又は零値であるので、高コレクタ電圧時のゲートの負の微分容量を無くしたことにより、高電圧、高電流時にもゲート電圧を安定させ、電流不均一や発振等を阻止でき、もって、装置を破壊から保護して信頼性を向上させることができる。
As described above, according to the first reference example, when a voltage is applied between the
また、コレクタ電極1とエミッタ電極8との間の電流がしゃ断状態のとき、ゲート電極7からみた容量の最小値を当該容量の最高値の1/3以上とするため、ゲート絶縁膜6のうちのn型ベース層3に接する部分の面積SNBをゲート電極7の全面積SGの2/3以下に制限したので、前述した作用効果を容易且つ確実に奏することができる。
Further, when the current between the
また、n型ベース層3の長さを100μm以上としたので、前述した作用効果を1200V以上の高耐圧のIGBTに実現させることができる。
In addition, since the length of the n-
(第2の参考例)
次に、第2の参考例に係るIGBTについて説明する。
(Second reference example)
Next, an IGBT according to a second reference example will be described.
図3はこのIGBTの構成を示す平面図である。本参考例は、第1の参考例の変形構成であり、p型ベース層4の平面形状を変形させたものであって、具体的には図66に示すように、部分的にゲート絶縁膜6の全幅にわたってn型ベース層3上に形成されるp型ベース層4を梯子形の平面形状としている。
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the IGBT. This reference example is a modified configuration of the first reference example, in which the planar shape of the p-
以上のような構成としても、第1の参考例と同様の効果を得ることができ、また、p型ベース層4のパターンが図1に示す構成よりも均一的に形成されるので、より一層ゲート電圧の安定性の向上を期待することができる。
Even with the configuration as described above, the same effect as the first reference example can be obtained, and the pattern of the p-
(第3の参考例)
次に、第3の参考例に係るIGBTについて説明する。
(Third reference example)
Next, an IGBT according to a third reference example will be described.
図4はこのIGBTの構成を示す断面図である。本参考例は、第1の参考例の変形構成であり、p型ベース層4の変形構成であって、具体的には図4に示すように、ゲート電極7の中央部直下のn型ベース層3表面に選択的にp型層10が形成されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the IGBT. This reference example is a modified configuration of the first reference example, which is a modified configuration of the p-
ここで、p型層10は、図示しないが、エミッタ電極8直下の各p型ベース層4に接続されている。
Here, although not shown, the p-
このような構成により、p型層10の電位はエミッタ電位に固定される。このため、高コレクタ電圧時でも、p型層10の表面は低電圧に保持される。
With such a configuration, the potential of the p-
ここで、ゲート電圧が正であると、p型層10の表面に反転層が形成されることにより、第1の参考例と同様に、ゲート電圧を正に保持することができる。
Here, if the gate voltage is positive, an inversion layer is formed on the surface of the p-
なお、本構造は、特に2kV以上の高耐圧のIGBTに有効である。例えば高耐圧IGBTの場合、オン状態において、キャリアの蓄積と低オン抵抗化とを図るため、ゲート幅Lを例えば60μm以上にすることが好ましい。この場合、p型層は、ゲート幅Lの1/3以上の幅(例えば20μm幅)とすればよい。 This structure is particularly effective for high breakdown voltage IGBTs of 2 kV or higher. For example, in the case of a high breakdown voltage IGBT, it is preferable to set the gate width L to, for example, 60 μm or more in order to achieve carrier accumulation and low on resistance in the on state. In this case, the p-type layer may be 1/3 or more of the gate width L (for example, 20 μm width).
本構造によれば、ゲート幅Lが広いためにp型層10とp型ベース層4との一体化が可能になり、低オン抵抗化をも併せて実現することができる。
According to this structure, since the gate width L is wide, the p-
(第4の参考例)
次に、第4の参考例に係る半導体装置について説明する。
(Fourth reference example)
Next, a semiconductor device according to a fourth reference example will be described.
図5はこの半導体装置の構成を示す斜視断面図であり、図6はこの半導体装置の構成を示す平面図であり、図7は図6のVII A−VII A線及びVII B−VII B線矢視断面図である。 5 is a perspective sectional view showing the structure of the semiconductor device, FIG. 6 is a plan view showing the structure of the semiconductor device, and FIG. 7 is a line VII A-VII A and a line VII B-VII B in FIG. It is arrow sectional drawing.
本参考例は、第1の参考例の変形構成であり、n型ベース層3中におけるゲート絶縁膜6との界面の正孔を積極的に排出させる構成であって、具体的には図5乃至図7に示すように、n型ベース層3の表面にp型層11を選択形成したIGBT領域と、このp型層11をソースとしたpチャネルMOSFET領域とが1チップ内に設けられている。
This reference example is a modified configuration of the first reference example, in which holes at the interface with the
ここで、pチャネルMOSFETは、IGBT領域のp型層11がn型ベース層3表面で長手方向に延長されてなるp型ソース層11sと、IGBTのp型ベース層4がn型ベース層3表面で長手方向に延長されてなるp型ドレイン層4dと、IGBTのエミッタ電極8がp型ベース層4上及びn型ソース層5上で長手方向に延長されてp型ドレイン層4d上に選択的に形成されたエミッタ電極8eとを備えている。
Here, in the p-channel MOSFET, the p-type source layer 11s in which the p-
また、pチャネルMOSFETは、p型ドレイン層4dの一部上、p型ソース層11sの一部上及びこれら両層4d,11s間のn型ベース層3上にゲート絶縁膜6を介してゲート電極12が形成されている。なお、このゲート電極12は、エミッタ電極8eに電気的に接続されており、IGBTのゲート電極7とは電気的に絶縁されている。
The p-channel MOSFET is gated on the p-
また、p型ソース層11s上には、その長手方向に沿ってフローティング電極13が形成されている。フローティング電極13は、pチャネルMOSFET領域からIGBT領域にかけてp型層11s,11の電位を均一化させるためのものであり、IGBT及びpチャネルMOSFETにおける各電極7,8,8e,12とは絶縁され、電位的に浮いた状態となっている。
A floating
次に、このような半導体装置の動作を説明する。 Next, the operation of such a semiconductor device will be described.
前述同様にIGBTがターンオンする際に、コレクタ電圧の印加時には、p型エミッタ層1から注入された正孔がn型ベース層3中の高電界により加速されて、n型ベース層3とゲート絶縁膜6との界面に到達する。このとき、IGBTのp型層11は電位的に浮いており、n型ベース層3とゲート絶縁膜6との界面におけるキャリア蓄積を阻止しない。そのため、本参考例では、オン電圧の上昇はおこらない。
As described above, when the IGBT is turned on, when the collector voltage is applied, the holes injected from the p-
ここで、高コレクタ電圧の印加時には、n型ベース層3の電位はゲート電圧よりも高いため、n型ベース層3の界面に正孔のチャネル(pチャネル)が形成される。
Here, when a high collector voltage is applied, since the potential of the n-
すなわち、高コレクタ電圧時には、このpチャネルにより、pチャネルMOSFETのp型ソース層11sとp型ドレイン層4dとが短絡される一方、p型層11及びp型ソース層11sの電位が数V上昇する。
That is, at the time of a high collector voltage, the p-type source layer 11s and the p-
これにより、pチャネルMOSFETにおいては、IGBTのp型層11からの正孔電流がp型ソース層11s及びpチャネルを介してp型ドレイン層4dに流れ、p型ソース層11sの電位がpチャネルMOSFETのVth(例えば4V程度)に固定される。
Thereby, in the p-channel MOSFET, the hole current from the p-
従って、IGBTのn型ベース層3表面の正孔をもp型層11から排出できるので、負のゲート容量を発生させず、ゲート電圧の安定性を向上させることができる。この際、Cの容量は後述する(11)式に従う。
Therefore, since holes on the surface of the n-
(第5の参考例)
次に、第5の参考例に係るIGBTについて説明する。
(Fifth reference example)
Next, an IGBT according to a fifth reference example will be described.
図8はこのIGBTの構成を示す断面図であり、図64とは異なる部分について述べる。本参考例は、容量C1を増加させる(6)式の方法とは異なり、結果的にエミッタ電位を用いてゲートの負の容量を阻止する構成であり、具体的には図8に示すように、ゲート絶縁膜6及びゲート電極7を介してn型ベース層3に対向したゲート電極7上の絶縁膜14uの厚さが、ゲート電極7上の絶縁膜14の他の部分よりも薄く形成された構造となっている。なお、各IGBTのエミッタ電極8は、ゲート電極7上の絶縁膜14,14u上を通って互いに接続されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the IGBT, and only the parts different from FIG. 64 will be described. Unlike the method of formula (6) in which the capacitance C1 is increased, this reference example has a configuration in which the negative potential of the gate is blocked by using the emitter potential. Specifically, as shown in FIG. The thickness of the insulating film 14 u on the
このような構造により、エミッタ電極8の負電位が絶縁膜14uの薄い層を介してゲート電極7に正電荷を誘起させ、結果的にゲートの負の容量を阻止することができるので、第1及び第2の参考例と同様の効果を実効動作領域を減らさずに実現することができる。
With such a structure, the negative potential of the
(第6の参考例)
次に、第6の参考例に係るIGBTパッケージについて説明する。図9はこのIGBTパッケージの構成を示す回路図である。このIGBTパッケージ21は、本発明に係るIGBTをパッケージ化のときの容量設計により実現した構成であり、IGBTのパッケージ内のゲートG・エミッタE間に容量Cが接続されている。
(Sixth reference example)
Next, an IGBT package according to a sixth reference example will be described. FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the IGBT package. This
これにより、容量C1を増加させ、ゲートの負の容量の発生を阻止することができる。 As a result, the capacitance C1 can be increased and the generation of a negative capacitance of the gate can be prevented.
なお、図10に示すように、図9に示す構成に加え、IGBTパッケージ22内のゲートG・エミッタE間において、容量Cに直列に抵抗Rを接続してもよい。このような構成としても、容量C1の増加による前述した効果に加え、抵抗Rが配線インダクタンスによる振動を防止するため、一層安定性を向上させることができる。
As shown in FIG. 10, in addition to the configuration shown in FIG. 9, a resistor R may be connected in series with the capacitor C between the gate G and the emitter E in the
(第7の参考例)
次に、第7の参考例に係るIGBTパッケージについて説明する。図11はIGBTパッケージの構成を示す回路図である。このIGBTパッケージ23は、2つのIGBT(領域又はチップ)の両ゲート電極間に容量Cと抵抗Rと直列接続された構成である。なお、IGBTパッケージ23の各ゲート電極Gは、個別にゲート抵抗RG1,RG2を介して図示しないゲートバイアス回路に接続可能となっている。
(Seventh reference example)
Next, an IGBT package according to a seventh reference example will be described. FIG. 11 is a circuit diagram showing the configuration of the IGBT package. The
ここで、ゲートG間に挿入された容量Cは、IGBT本来のC2+、C1に対し、次の(9)式を満たす値である。
(9)式は、ゲートG間に挿入される容量Cが、第6の参考例の1/2倍であることを示している。これは、図66に示したように、2つのIGBTのゲート電圧VGが上下対称に動くので、挿入した容量Cによるゲート電圧VGへの影響は、ゲート・エミッタ間に容量を挿入した時の2倍の効果となるからである。 Equation (9) indicates that the capacitance C inserted between the gates G is ½ times that of the sixth reference example. When this is, as shown in FIG. 66, the gate voltage V G of the two IGBT moves vertically symmetrical, the influence of the gate voltage V G according to the inserted capacitance C, inserting the capacitance between the gate and emitter This is because the effect is twice as large.
このような構成により、IGBTを並列接続した場合の電流不均一を阻止することができる。 With such a configuration, current unevenness when IGBTs are connected in parallel can be prevented.
なお同様に、図12に示すように、IGBTパッケージ24内は、3つのIGBTを並列接続し、各ゲート電極G間を個別に容量C,抵抗Rの直列回路で互いに接続した構成としてもよい。
Similarly, as shown in FIG. 12, the
この3並列の場合には、容量Cは次の(10)式のように示される。
また、4つ以上のIGBTを並列させてなるIGBTパッケージも同様に、第6の参考例の容量Cに比べて(1/IGBT個数)倍の値をもつ容量C(及び抵抗R)を各ゲート間に接続すればよい。 Similarly, in an IGBT package in which four or more IGBTs are arranged in parallel, each capacitor has a capacitance C (and a resistance R) having a value (1 / IGBT number) times as large as the capacitance C of the sixth reference example. Connect between them.
但し、スター形に各IGBT間に容量Cを挿入する場合には、容量Cは、IGBTの個数によらず、次の(11)式を満たす値となる。
(第8の参考例)
次に、第8の参考例に係るIEGTについて説明する。
(Eighth reference example)
Next, IEGT according to an eighth reference example will be described.
図13はこのIEGTの構成を示す平面図であり、図14は図13のXIV A−XIV A線矢視断面図及びXIV B−XIV B線矢視断面図である。本参考例は、第1及び第2の参考例をトレンチ型素子に適用した変形例であり、具体的には図13及び図14に示すようにプレーナ型のゲート絶縁膜6及びゲート電極7に代えて、n型ソース層5の表面にはp型ベース層4を介してn型ベース層3に達する深さまで溝(トレンチ)が掘られている。
13 is a plan view showing the configuration of the IEGT, and FIG. 14 is a cross-sectional view taken along line XIV A-XIV A and a cross-sectional view taken along line XIV B-XIV B in FIG. This reference example is a modification in which the first and second reference examples are applied to a trench type element. Specifically, as shown in FIGS. 13 and 14, the planar type
溝内は、n型ベース層3とn型ソース層5とに挟まれたp型ベース層4側面に設けられたゲート絶縁膜6tに囲まれて埋込み型のゲート電極7tが配置されている。このゲート電極7tは、図示しないゲート端子に接続されている。
An embedded
また、各溝間において、2つのn型ソース層5が各溝表面に個別に接するように形成されたp型ベース層4は、n型ベース層3の表面に選択的に形成されている。すなわち、各溝間においては、図14のXIV B−XIV B間に示す如き各n型ソース層5及びp型ベース層4を有するIEGT領域と、図14のXIV A−XIVA間に示す如き各n型ソース層5及びp型ベース層4を持たない素子無効領域とが交互に形成されている。
In addition, the p-
ここで、素子無効領域では、IEGT領域におけるp型エミッタ層1の深さに比べ、p型エミッタ層1が深く形成されている。
Here, in the element invalid region, the p-
以上のように、部分的にp型エミッタ層1を深く形成した構成により、部分的にn型ベース層3中の高電界を打消してp型エミッタ層1から注入される正孔の加速の度合を低減し、n型ベース層3とゲート絶縁膜6tとの界面に到達する正孔の量を低減して反転層を生じさせないので、負の容量を打消すことができる。
As described above, the structure in which the p-
なお、この部分的にp型エミッタ層1を深くした構成は、ゲート端子に接続されるがn型ソース層5及びp型ベース層4に接してない無効なゲート電極7tに適用しても、負の容量を打ち消すことができる。
The configuration in which the p-
(第9の参考例)
次に、第9の参考例に係るIEGTについて説明する。
(Ninth Reference Example)
Next, IEGT according to a ninth reference example will be described.
図15はこのIEGTの構成を示す断面図であり、図58とは異なる部分について述べる。本参考例は、n型ベース層3の高電界の影響を小さくして負の容量を阻止する構成であって、具体的には図15に示すように、通常2つであるn型ソース層5の個数を各ゲート間毎に1つとし、且つ各ゲート間の距離WGを小さくした構成である。なお、この第9乃至第12の参考例は、個々には述べないが、図13とは異なり、n型ソース層5及びp型ベース層4は表面のストライプ方向に沿っては一定の構成となっている。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the IEGT, and only parts different from FIG. 58 will be described. In this reference example, the influence of the high electric field of the n-
また、各ゲート間の距離WGは、例えば3〜4μm程度に設計されている。 The distance WG between the gates is designed to be about 3 to 4 μm, for example.
以上のような各ゲート間の距離WGを3〜4μm程度に小さくした構成により、電子の注入量を増やすことができるので、n型ベース層3中の高電界の影響を小さくでき、もって、負のゲート容量を阻止することができる。
With the configuration in which the distance WG between the gates is reduced to about 3 to 4 μm as described above, the amount of injected electrons can be increased, so that the influence of the high electric field in the n-
また、n型ソース層5を各ゲート間毎に1つとした構成により、容易且つ確実に、各ゲート間の距離WGを3〜4μm程度に小さくすることができる。
In addition, with the configuration in which one n-
(第10の参考例)
次に、本発明の第10の参考例に係るIEGTについて説明する。
(10th reference example)
Next, IEGT according to a tenth reference example of the present invention will be described.
図16はこのIEGTの構成を示す断面図であり、図59とは異なる部分について述べる。本参考例は、とばし領域のゲート電極における負電荷の排出を図るものであり、具体的には図16に示すように、n型ソース層5をもたないp型ベース層4間に配置された無効なゲート電極7tが、ゲート端子との接続に代えて、エミッタ端子に接続された構成となっている。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing the configuration of this IEGT, and only parts different from FIG. 59 will be described. In this reference example, negative charges are discharged from the gate electrode in the skip region. Specifically, as shown in FIG. 16, it is arranged between the p-type base layers 4 having no n-
以上のような構成により、ゲート電極7tをエミッタに対して一定電位に固定するので、とばし領域のゲート電極7tに生じる負電荷を排出させ、もって、ゲート電極7tにおける負電荷の影響を阻止することができる。
With the configuration as described above, the
(第11の参考例)
次に、本発明の第11の参考例に係るIEGTについて説明する。
(Eleventh reference example)
Next, IEGT according to an eleventh reference example of the present invention will be described.
図17はこのIEGTの構成を示す断面図であり、図59とは異なる部分について述べる。本参考例は、負のゲート容量の減少を図るため、とばし領域と、IEGT領域とをグループ化したものであって、具体的には図17に示すように、2つのとばし(n型ソース層5の無い)領域と、2つのIEGT領域とが交互に配置されている。なお、とばし領域と、IEGT領域との個数の比は、2:2(=1:1)となっている。 FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of this IEGT, and only parts different from FIG. 59 will be described. In this reference example, in order to reduce the negative gate capacitance, the skip region and the IEGT region are grouped. Specifically, as shown in FIG. 17, two skips (n-type source layer) 5) and two IEGT regions are alternately arranged. Note that the ratio of the number of skip regions to the IEGT regions is 2: 2 (= 1: 1).
また、とばし領域内の埋込み型のゲート電極7tは、エミッタ端子に接続されている。一方、図中にGで示されるゲート電極7tは、通常通り、ゲート端子(図示せず)に接続されており、以下同様とする。
The embedded
以上のようなIEGTは、図59に示す構成のとばしの個数比(1:1)と同一のとばしの個数比にもかかわらず、図59に示す構成とは異なり、とばし領域のゲート電極7tがエミッタに対して一定電位に固定されるので、前述同様に、負のゲート容量を抑制することができる。
59 is different from the configuration shown in FIG. 59 in spite of the same skip number ratio (1: 1) as that of the configuration shown in FIG. 59, the
また、無効なゲートは、使用するゲート電極とは電位的に分離してアース又は固定電位に接続することにより、ゲート電位に接続した場合に比べ、特性が向上する。すなわち、ゲート容量が減るので、零電位に落とすときのスイッチング速度が向上される。また、余分な容量がないことにより、素子動作が安定するので、信頼性を向上できる。具体的には、SOA(safety operating area )を広げることができる。 In addition, the invalid gate is separated from the gate electrode to be used in potential and connected to the ground or a fixed potential, so that the characteristics are improved as compared with the case of connecting to the gate potential. That is, since the gate capacitance is reduced, the switching speed when dropping to zero potential is improved. In addition, since there is no extra capacitance, the device operation is stabilized, so that reliability can be improved. Specifically, the SOA (safety operating area) can be expanded.
なお、変形例としては、図18に示すように、とばし領域及びIEGT領域を夫々m個づつグループ化すると、(n−1)個の無効なゲートをエミッタに対して一定電位に固定することができる。 As a modification, as shown in FIG. 18, when the skip region and the IEGT region are grouped by m, (n-1) invalid gates may be fixed at a constant potential with respect to the emitter. it can.
なお、本参考例では、とばし領域とIEGT領域との個数が互いに同数である場合についてのみ説明したが、これに限らず、とばし領域とIEGT領域とが互いに異なる場合の個数比に対しても同様に実施できる。また、1個のとばし領域に対するIEGT領域の個数比は、1〜4個の範囲内にあることが高耐圧や大電流等の素子特性上からも好ましい。また、これは個数比であるため、実際にはm個のとばし領域と、m〜4m個のIEGT領域とが交互に配置可能なことを示している。 In this reference example, only the case where the number of skip regions and IEGT regions is the same number has been described. However, the present invention is not limited to this, and the same applies to the number ratio when the skip region and IEGT region are different from each other. Can be implemented. Further, the number ratio of the IEGT regions to one skip region is preferably in the range of 1 to 4 in view of element characteristics such as high breakdown voltage and large current. Further, since this is a number ratio, it indicates that m skip regions and m to 4 m IEGT regions can be arranged alternately.
(第12の参考例)
次に、本発明の第12の参考例に係るIEGTについて説明する。
(Twelfth reference example)
Next, IEGT according to a twelfth reference example of the present invention will be described.
図19はこのIEGTの構成を示す断面図である。本参考例は、第11の参考例の変形構成であり、トレンチ酸 化膜界面での界面再結合により消滅するキャリア数を少なくし、n型ベース層3中の蓄積キャリア量の増加を図るものであって、具体的には図19に示すように、例えば3つのとばし領域中の2つのゲート電極とエミッタ端子との間に、エミッタ端子を正電位側とし、ゲート電極を負電位側として直流電源30を挿入した構成となっている。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing the configuration of the IEGT. This reference example is a modified configuration of the eleventh reference example, in which the number of carriers annihilated by interface recombination at the trench oxide film interface is reduced, and the amount of accumulated carriers in the n-
以上のような構成により、とばし領域のゲート電極7tにおけるゲート絶縁膜6tとのn型ベース層3とのトレンチ酸化膜界面には、反転層(inversion layer )あるいは界面蓄積層(accumulation layer)が形成され、界面での電子濃度nsと、界面での正孔濃度psとは互いにいずれかが他に比べて非常に多数となる関係をもつ(ns≪ps又はns≫ps)。
With the above configuration, an inversion layer or an interface accumulation layer is formed at the trench oxide film interface between the
ここで、一般に高注入状態で、酸化膜界面で消滅するキャリアは、(1cm2、1秒当り)Us=s0(psns)/(ps+ns)で表せる。但し、s0は界面再結合速度である。 Here, generally at a high injection state, the carriers disappear oxide film interface, expressed by (1 cm 2, per second) Us = s 0 (p s n s) / (p s + n s). However, s 0 is the interface recombination velocity.
このとき、界面で再結合するキャリアは、図20に示すように、p0=n0で最大となる。これは例えばゲート電極7tとエミッタ端子とが同電位である場合にp0=約n0となる。
At this time, the number of carriers that recombine at the interface becomes maximum when p 0 = n 0 as shown in FIG. This is, for example, p 0 = about n 0 when the
しかしながら、本参考例のIEGTは、とばし領域中のゲート電極7tに電圧が印加され、ゲート絶縁膜6tとn型ベース層3との界面がns≪ps、又はns≫psの状態となっているので、トレンチ酸化膜界面での再結合量を低減させ、n型ベース層3中の蓄積キャリアを増大でき、もって、負のゲート容量を低減させることができる。
However, IEGT of this reference example, a voltage to the
なお、とばし領域中のゲート電極7tに印加する電圧は0.5V程度よりも小さい電圧でも有効である。このため、電圧の印加に代えて、高濃度にドープしたポリシリコンゲートにより、ゲートにビルトイン電圧を生じさせる構成としても、外部から電圧を印加することなく、同等の作用効果を得ることができる。
The voltage applied to the
(第1の実施形態)
第1〜第7の実施形態は短絡状態からの素子の保護に関する。
(First embodiment)
The first to seventh embodiments relate to protection of an element from a short circuit state.
図21及び図22は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムを示す回路図である。この短絡保護システムは、図63に示した構成と同様に短絡時の半導体装置の保護を図るものである。 21 and 22 are circuit diagrams showing a short circuit protection system for a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. This short-circuit protection system is intended to protect the semiconductor device at the time of a short circuit as in the configuration shown in FIG.
概略的には、この短絡保護システムは、ゲート容量CG(通常動作で10nF)を持つ主IGBT素子(型番:GT25Q101)M1のゲートとそのゲート駆動回路(gate driver) Gd1との間に、C12、R4及びR5を有する電圧ブリッジ回路と、この電圧ブリッジ回路に接続された差動アンプ(型番:LF356)AM1と、差動アンプAM1から出力を受けてゲート・アース間を導通状態にするトランジスタTr1(型番:MPSA56)とを備えた短絡保護回路SCPが挿入されている。 Schematically, this short-circuit protection system includes C12, between the gate of a main IGBT element (model number: GT25Q101) M1 having a gate capacitance CG (10 nF in normal operation) and its gate driver Gd1. A voltage bridge circuit having R4 and R5, a differential amplifier (model number: LF356) AM1 connected to the voltage bridge circuit, and a transistor Tr1 that receives the output from the differential amplifier AM1 and makes the gate and ground conductive. A short-circuit protection circuit SCP having a model number: MPSA56) is inserted.
ここで、電圧ブリッジ回路は、差動アンプAM1の反転入力端子に主IGBT素子M1のゲート電荷に対応する電圧を供給し、非反転入力端子にゲート電荷が図23に示す禁止領域(prohibited area )内にあるか否かを判定するための基準電圧を供給する機能をもっている。この電圧ブリッジ回路は、R4(RRef )又はR4に接続された電源Vref の調整により、図23に示すように、ゲート電荷の禁止領域をダイナミックに変更可能となっている。 Here, the voltage bridge circuit supplies a voltage corresponding to the gate charge of the main IGBT element M1 to the inverting input terminal of the differential amplifier AM1, and the gate charge is applied to the non-inverting input terminal as shown in FIG. It has a function of supplying a reference voltage for determining whether or not it is within. This voltage bridge circuit can dynamically change the gate charge inhibition region as shown in FIG. 23 by adjusting R4 (RRef) or the power supply Vref connected to R4.
差動アンプAM1は、主IGBT素子M1のゲートに蓄積されたゲート電荷をC12の両端の電圧から検知し、検知結果が禁止領域に入るか否かをCG、C12、R4及びR5からなる電圧ブリッジ回路により検知し、ゲート電荷が禁止領域内にあるとき、出力をトランジスタTr1のベースに与える機能を有する。 The differential amplifier AM1 detects the gate charge accumulated in the gate of the main IGBT element M1 from the voltage across the C12, and determines whether or not the detection result enters the prohibited region, a voltage bridge composed of CG, C12, R4 and R5. When it is detected by the circuit and the gate charge is in the prohibited region, it has a function of giving an output to the base of the transistor Tr1.
なお、ゲートとゲート駆動回路との間の抵抗R1は、ゲート容量CGとキャパシタC12との間の不要な振動を除去する機能を有し、短い配線長のときにはより小さい値への変更あるいは省略が可能である。 The resistor R1 between the gate and the gate drive circuit has a function of removing unnecessary vibration between the gate capacitance CG and the capacitor C12, and can be changed or omitted to a smaller value when the wiring length is short. Is possible.
次に、このような半導体装置の短絡保護システムの動作を述べる。通常時、主IGBT素子M1は、その動作範囲内で電流がオン/オフされている。このとき、差動アンプAM1は、主IGBT素子M1のゲート電荷をC12の両端の電圧から検知し、検知結果が禁止領域の外にあることを電圧ブリッジ回路により検知している。 Next, the operation of such a semiconductor device short-circuit protection system will be described. At normal times, the main IGBT element M1 is turned on / off within its operating range. At this time, the differential amplifier AM1 detects the gate charge of the main IGBT element M1 from the voltage across the C12, and detects that the detection result is outside the prohibited region by the voltage bridge circuit.
一方、短絡時、主IGBT素子M1は大電流が流れると共に、ゲート電荷が図23内の禁止領域に入る。 On the other hand, at the time of a short circuit, a large current flows through main IGBT element M1, and gate charge enters the prohibited region in FIG.
差動アンプAM1は、ゲート電荷が禁止領域に入ったことを検知し、出力をトランジスタTr1のベースに与える。トランジスタTr1は、ベース入力により、オン状態となり、抵抗R8及びダイオードDなどを介してゲートとアースとを導通させ、ゲート電圧を低下させる。 The differential amplifier AM1 detects that the gate charge has entered the prohibited region, and provides an output to the base of the transistor Tr1. The transistor Tr1 is turned on by the base input, and conducts the gate and the ground through the resistor R8, the diode D, and the like, and reduces the gate voltage.
ゲート電圧の低下により、主IGBT素子M1がオフ状態となると共に、ゲート電荷が禁止領域から脱して通常動作領域に入り、主IGBT素子M1が保護される。 Due to the decrease in the gate voltage, the main IGBT element M1 is turned off, and the gate charge escapes from the prohibited area and enters the normal operation area, thereby protecting the main IGBT element M1.
ここで例えば、図24に示すように、本実施形態の短絡保護回路SCPが無い場合、短絡時に約200Aの電流が主IGBT素子M1に流れる。一方、本実施形態のように短絡保護回路SCPを挿入すると、主IGBT素子M1に流れる電流値が抑制される。また、Vref の変更により、保護動作を開始する電流値を任意に設定することができる。 Here, for example, as shown in FIG. 24, when the short circuit protection circuit SCP of the present embodiment is not provided, a current of about 200 A flows to the main IGBT element M1 during a short circuit. On the other hand, when the short circuit protection circuit SCP is inserted as in the present embodiment, the value of the current flowing through the main IGBT element M1 is suppressed. Further, the current value at which the protection operation is started can be arbitrarily set by changing Vref.
上述したように本実施形態によれば、電圧ブリッジ回路にてゲート電荷を検出し、差動アンプAM1がゲート電荷が禁止領域にあるか否かを検知し、禁止状態のとき、トランジスタTr1がゲート電圧を低下させてゲート電荷を通常動作領域に入れて主IGBT素子M1を破壊から保護することができる。 As described above, according to the present embodiment, the gate charge is detected by the voltage bridge circuit, and the differential amplifier AM1 detects whether the gate charge is in the prohibited region. The main IGBT element M1 can be protected from destruction by reducing the voltage and putting the gate charge into the normal operation region.
また、本実施形態の短絡保護回路SCPは、図22に示したように、ゲート駆動回路Gd1と主IGBT素子M1のゲートとの間に挿入するだけで、主IGBT素子M1に短絡保護機能を付加することができる。このため、既設のIGBT、又はIGBTを用いた装置に容易に適用できる。すなわち、センスIGBT素子S1を内蔵していないIGBTチップでも短絡保護機能を付加することができる。また、短絡保護回路は、IC化などによりゲート駆動回路に内蔵できるため、コストをほとんど上昇させずに実現できる。 Further, as shown in FIG. 22, the short circuit protection circuit SCP of the present embodiment adds a short circuit protection function to the main IGBT element M1 only by being inserted between the gate drive circuit Gd1 and the gate of the main IGBT element M1. can do. For this reason, it can be easily applied to an existing IGBT or a device using an IGBT. That is, a short-circuit protection function can be added even to an IGBT chip that does not incorporate the sense IGBT element S1. Further, since the short circuit protection circuit can be built in the gate drive circuit by making it into an IC or the like, it can be realized with almost no increase in cost.
短絡保護回路は、小さい面積で実現でき、ゲート電荷の検知からゲート電圧の低下に至るまでのフィードバックループを短縮できるので、従来とは異なり、保護の遅れや不安定な発振を解消することができる。 The short-circuit protection circuit can be realized in a small area, and the feedback loop from the detection of the gate charge to the reduction of the gate voltage can be shortened. Therefore, unlike conventional methods, protection delay and unstable oscillation can be eliminated. .
Vref 等の調整によって保護レベルを電気的に制御できる。このため、主IGBTの温度や動作モードなどの状況に応じ、短絡保護方法をプログラミングすることができる。 The protection level can be electrically controlled by adjusting Vref and the like. For this reason, it is possible to program the short circuit protection method according to the situation such as the temperature and the operation mode of the main IGBT.
(第2の実施形態)
図25は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムにおけるゲート電荷の検出方法を示す回路図である。
(Second Embodiment)
FIG. 25 is a circuit diagram showing a gate charge detection method in the short-circuit protection system for a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態は、第1の実施形態を改良した変形例である。すなわち、第1の実施形態は、ゲート電荷をゲート回路に直列に挿入したキャパシタC12の両端の電圧で検知している。しかし、この第1の実施形態では、キャパシタC12の電圧分担によってゲート電圧が変化するため、主IGBT素子M1がオン状態のとき(ゲートに正電圧が印加されるとき)、ゲート駆動回路Gd1が与えた電圧より若干低い電圧が主IGBT素子M1のゲートに印加されてしまう。 This embodiment is a modification obtained by improving the first embodiment. That is, in the first embodiment, the gate charge is detected by the voltage across the capacitor C12 inserted in series in the gate circuit. However, in the first embodiment, since the gate voltage changes due to the voltage sharing of the capacitor C12, when the main IGBT element M1 is in the ON state (when a positive voltage is applied to the gate), the gate drive circuit Gd1 gives A voltage slightly lower than the applied voltage is applied to the gate of the main IGBT element M1.
一方、本実施形態は、ゲートに蓄積された電荷を、ゲート駆動回路Gd1の電源配線を流れる電流に基づいて、検出している。 On the other hand, in the present embodiment, the charge accumulated in the gate is detected based on the current flowing through the power supply wiring of the gate drive circuit Gd1.
図示するように、ゲート駆動回路Gd1の入力抵抗は非常に高いので、ゲートに流れ込む電荷は、次式に示すように、ゲート駆動回路Gd1に流入する電流I1と流出する電流I2との差を積分して得られる。 As shown in the figure, since the input resistance of the gate drive circuit Gd1 is very high, the charge flowing into the gate integrates the difference between the current I1 flowing into the gate drive circuit Gd1 and the current I2 flowing out as shown in the following equation. Is obtained.
QG=∫(I1−I2)dt以下、前述同様に、図示しない差動アンプにより、ゲート電荷が禁止領域に入るか否かを検知し、ゲート電荷が禁止領域に入るとき、ゲート電圧を低下させて主IGBT素子M1を短絡から保護する。 QG = ∫ (I1−I2) dt or less. Similarly, the differential amplifier (not shown) detects whether or not the gate charge enters the prohibited region, and when the gate charge enters the prohibited region, the gate voltage is lowered. The main IGBT element M1 is protected from a short circuit.
上述したように本実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、ゲート駆動回路からゲートに印加される電圧を低減させずに、ゲート電荷を検知して短絡保護動作を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the short circuit protection operation is realized by detecting the gate charge without reducing the voltage applied to the gate from the gate drive circuit. Can do.
(第3の実施形態)
図26は本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムにおけるゲート電荷の検出方法を示す回路図である。
(Third embodiment)
FIG. 26 is a circuit diagram showing a gate charge detection method in the semiconductor device short-circuit protection system according to the third embodiment of the present invention.
本実施形態は、第2の実施形態の変形である。具体的には本実施形態は、図26及び次式に示すように、抵抗Rccでの電圧降下により、ゲート駆動回路Gd1における流入電流I1と流出電流I2とを検知し、さらに両電流I1,I2の差を積分して、ゲートに流れ込む電荷QGを検知する。 This embodiment is a modification of the second embodiment. Specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 26 and the following equation, the inflow current I1 and the outflow current I2 in the gate drive circuit Gd1 are detected based on the voltage drop at the resistor Rcc, and the both currents I1 and I2 are detected. Is integrated to detect the charge QG flowing into the gate.
QG=∫−(V1−V2)/Rcc dt
但し、I1=V1/Rcc、 I2=V2/Rcc
このような構成としても、第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。
QG = ∫− (V1−V2) / Rcc dt
However, I1 = V1 / Rcc, I2 = V2 / Rcc
Even with such a configuration, the same effects as those of the second embodiment can be obtained.
なお、本実施形態は、図27に示すように変形できる。すなわち、図27に示すように、両電流I1,I2の差を抵抗Raにより取り出し、積分回路によって次式に示すように、ゲートに蓄積された電荷QCを検知してもよい。 The present embodiment can be modified as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 27, the difference between the two currents I1 and I2 may be taken out by the resistor Ra, and the charge QC accumulated in the gate may be detected by an integrating circuit as shown in the following equation.
QG=2・R1・C・V3/Rcc
このように変形しても同様の効果を得ることができる。
QG = 2 ・ R1 ・ C ・ V3 / Rcc
The same effect can be obtained even when deformed in this way.
(第4の実施形態)
図28は第4の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムにおけるゲート電荷の検出方法を示す回路図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 28 is a circuit diagram showing a gate charge detection method in the short circuit protection system for a semiconductor device according to the fourth embodiment.
本実施形態は、第2又は第3の実施形態の変形である。具体的には本実施形態は、図28に示すように、カレントミラー回路を通して電流を検出し、この電流をキャパシタCに流し込むことにより、次式に示すように、ゲートに流れ込む電荷QGがキャパシタCの両端の電圧差V4に基づいて検知する。 This embodiment is a modification of the second or third embodiment. Specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 28, a current is detected through a current mirror circuit, and this current flows into the capacitor C, so that the charge QG flowing into the gate becomes the capacitor C as shown in the following equation. It detects based on the voltage difference V4 of both ends.
QG=C・V4・r
但し、r;mirror current factorこのような構成としても、第3又は第4の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態においては、カレントミラー回路のミラー側トランジスタTr13,Tr14のチップ上の実効面積を入力側トランジスタTr11,Tr12のそれよりも小さくすると、回路の消費電力が低減されるため、有利である。この実効面積の比率は、ミラー側トランジスタTr13,Tr14を1としたとき、入力側トランジスタTr11,Tr12を5〜1000の範囲内にすることが望ましい。
QG = C ・ V4 ・ r
However, r: mirror current factor Even with such a configuration, the same effect as in the third or fourth embodiment can be obtained. In this embodiment, if the effective area of the mirror side transistors Tr13 and Tr14 on the chip of the current mirror circuit is smaller than that of the input side transistors Tr11 and Tr12, the power consumption of the circuit is reduced, which is advantageous. is there. It is desirable that the ratio of the effective area be within the range of 5 to 1000 for the input side transistors Tr11 and Tr12, where the mirror side transistors Tr13 and Tr14 are set to 1.
(第5の実施形態)
図29は本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムにおけるゲート駆動回路及びゲート電荷の検出方法を示す回路図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 29 is a circuit diagram showing a gate drive circuit and a gate charge detection method in the short circuit protection system for a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
本実施形態は、第4の実施形態にて図28に示した構成が、図29に示すように、ゲート駆動回路Gd1をも含めて具体化されている。 In the present embodiment, the configuration shown in FIG. 28 in the fourth embodiment is embodied including the gate drive circuit Gd1 as shown in FIG.
図29において、入力端子INの電位に連動するTr11〜Tr14がゲート駆動回路Gd1に対応し、ゲート駆動回路Gd1のTr13,Tr14を流れる電流を取出すためのTr15〜Tr18がカレントミラー回路に対応する。但し、説明の便宜上、図面中ではこれらの複合回路を符号Gd1で示す。 In FIG. 29, Tr11 to Tr14 interlocked with the potential of the input terminal IN correspond to the gate drive circuit Gd1, and Tr15 to Tr18 for taking out the current flowing through Tr13 and Tr14 of the gate drive circuit Gd1 correspond to the current mirror circuit. However, for convenience of explanation, these composite circuits are denoted by reference numeral Gd1 in the drawings.
ゲート駆動回路Gd1は駆動出力端子OUTから電流を出力する。カレントミラー回路は取出し端子OUTREFから電流を出力する。なお、駆動出力端子OUTに流れる電流と取出し端子OUTREFに流れる電流とは、ミラートランジスタの実効面積の比率に比例し、取出し端子OUTREFの電圧とは無関係である。 The gate drive circuit Gd1 outputs a current from the drive output terminal OUT. The current mirror circuit outputs a current from the extraction terminal OUTREF. The current flowing through the drive output terminal OUT and the current flowing through the extraction terminal OUTREF are proportional to the ratio of the effective area of the mirror transistor, and are independent of the voltage at the extraction terminal OUTREF.
本実施形態は、以上のような具体的な構成により、第4の実施形態と同様の効果を容易且つ確実に得ることができる。 In the present embodiment, the same effects as those of the fourth embodiment can be obtained easily and reliably by the specific configuration as described above.
(第6の実施形態)
図30は本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムを示す回路図であり、破線部分には図29に示した回路が挿入される。
(Sixth embodiment)
FIG. 30 is a circuit diagram showing a short-circuit protection system for a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. The circuit shown in FIG. 29 is inserted into the broken line.
本実施形態は、第5の実施形態を、図21と同様の電圧ブリッジ回路を用いた回路に適用させた構成となっている。このような構成としても、第1及び第5の実施形態と同様の効果を得ることができる。 This embodiment has a configuration in which the fifth embodiment is applied to a circuit using a voltage bridge circuit similar to FIG. Even with such a configuration, the same effects as those of the first and fifth embodiments can be obtained.
また、本実施形態は、図31又は図32に示すように変形できる。図31又は図32に示す変形例は、短絡保護用のトランジスタTr1がゲート駆動回路Gd1の入力側に配置され、このトランジスタTr1に差動アンプAM1の出力を与える回路である。 Further, the present embodiment can be modified as shown in FIG. 31 or FIG. The modification shown in FIG. 31 or FIG. 32 is a circuit in which a transistor Tr1 for short-circuit protection is arranged on the input side of the gate drive circuit Gd1, and gives the output of the differential amplifier AM1 to this transistor Tr1.
これらの変形例は、ゲート駆動回路Gd1の高抵抗入力部分にてトランジスタTr1(例えばMPSA56)がアースとの導通動作を実行するので、短絡保護時にもゲート駆動回路Gd1に大電流が流れず、ゲート駆動回路Gd1に電気的な損失や発熱を生じる可能性が少ないという利点をもっている。 In these modified examples, since the transistor Tr1 (for example, MPSA56) performs conduction with the ground at the high resistance input portion of the gate drive circuit Gd1, a large current does not flow through the gate drive circuit Gd1 even during short-circuit protection. The drive circuit Gd1 has an advantage that there is little possibility of causing electrical loss and heat generation.
また、トランジスタTr1は、ゲート駆動回路Gd1の高抵抗入力部分の信号をアースに導通可能であればよいので、ゲート駆動回路Gd1の出力側に設ける場合に比べて小形化できる。なお、図32に示す変形例は、図31に示す構成に比べ、エミッタ電位が安定するため、動作の安定化を図ることができる。 Further, the transistor Tr1 only needs to be able to conduct the signal of the high resistance input portion of the gate drive circuit Gd1 to the ground, and therefore can be reduced in size compared to the case where it is provided on the output side of the gate drive circuit Gd1. Note that the modified example shown in FIG. 32 can stabilize the operation because the emitter potential is more stable than the configuration shown in FIG.
(第7の実施形態)
図33は本発明の第7の実施形態に係る半導体装置の短絡保護システムの構成を示すブロック図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 33 is a block diagram showing a configuration of a short-circuit protection system for a semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.
この実施形態は、第1〜第6の実施形態の変形例であり、具体的には図33に示すように、PWM(pulse width modulation)コントローラ31、デジタル論理回路32、アナログゲート駆動回路33及び主IGBT素子M1が順次接続されている。
This embodiment is a modification of the first to sixth embodiments. Specifically, as shown in FIG. 33, a PWM (pulse width modulation)
ここで、PWMコントローラ31は、デジタル論理回路32から受ける動作状態に基づいて、ゲート信号及びIGBT制御データをデジタル論理回路32に与えるものである。
Here, the
デジタル論理回路32は、PWMコントローラ31から受けるゲート信号をゲート波形制御部32aを通してアナログゲート駆動回路33に与えるものであり、また、アナログゲート駆動回路33から受ける検知結果に基づいて短絡保護を開始するか否かを判定し、判定結果をアナログゲート駆動回路33の監督回路(supervisor)33aに与える機能をもっている。
The
また、デジタル論理回路32は、省略可能であるが、他の短絡保護システムとの間で互いに動作状態を通信する機能32bをもっている。
In addition, the
アナログゲート駆動回路33は、デジタル論理回路32から受けるゲート信号に基づいて、主IGBT素子M1のゲートに駆動信号を与えるものであり、また、主IGBT素子M1のゲート電荷、ゲート電圧、コレクタ電圧Vc、コレクタ電流Ic、温度Tjなどの検知結果をデジタル論理回路32に与えると共に、デジタル論理回路32から受ける判定結果に基づいて駆動信号を制御する監督回路33aを備えている。
The analog
以上のような構成としても、第1〜第6の実施形態と同様の効を得ることができる。また、主IGBT素子M1の温度や動作モードなどの状況に応じ、短絡保護方法を容易且つ確実にプログラミングすることができる。 Even if it is the above structures, the effect similar to 1st-6th embodiment can be acquired. In addition, the short-circuit protection method can be programmed easily and reliably according to the temperature, operation mode, and other conditions of the main IGBT element M1.
(第13の参考例)
第13〜第17の参考例はターンオフ時のdV/dtの上昇からの素子の保護に関する。
(13th reference example)
The thirteenth to seventeenth reference examples relate to protection of the device from an increase in dV / dt during turn-off.
図34は本発明の第13の参考例に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図示するように、p+ 型エミッタ層41の一方の表面にはコレクタ電極42が形成されている。p+ 型エミッタ層41の他方の表面には、n型バッファ層43及びn- 型ベース層44が順次形成されている。
FIG. 34 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a thirteenth reference example of the present invention. As shown in the figure, a
n- 型ベース層44の表面には、選択的にp型ベース層45が形成されている。p型ベース層45表面には選択的にn+ 型ソース層46が形成されている。n+ 型ソース層46の表面には、選択的にトレンチ47がp型ベース層45を貫通してn- 型ベース層44の途中の深さまで形成されている。
A p-
トレンチ47内にはゲート絶縁膜48を介してゲート電極49が埋込形成されている。n+ 型ソース層46の一部及びp型ベース層45上にはエミッタ電極50が形成されている。
A
なお、エミッタ電極50からゲート電極49を含んでコレクタ電極42に至る破線部分は、主IGBT素子M1として機能するため、本明細書中、素子部M1aと呼ばれる。
Note that a broken line portion from the
一方、素子部M1aから離れたn- 型ベース層44上には選択的に絶縁膜51を介してセンス電極52が形成される。センス電極52は、抵抗53を介してエミッタ電極50に接続される一方、ゲート制御部60にも接続される。なお、コレクタ電極42から絶縁膜51及びセンス電極52を含んで抵抗53に至る破線部分は、dV/dtを検出する機能をもつので、本明細書中、dV/dt検出部Dt1と呼ばれる。
On the other hand, a
ゲート制御部60は、センス電極52の電位に対応してゲート電極49とゲート駆動回路(図示せず)との間のゲート抵抗Rgの値を制御する機能と、エミッタ電極50の電位との対応をとる基板電位固定機能とを有するものである。
The
ゲート制御部60は、ここでは図35及び図36に示す如きノーマリオン型pチャネルMOSFETが適用される。このpチャネルMOSFETは、通常時にはオン状態でチャネル抵抗が固定値であり、ターンオフ時に制御端子69の電位がdV/dtに応じて上昇してしきい値電圧に近くなると、チャネル抵抗が大となる特性を有する。
Here, a normally-on type p-channel MOSFET as shown in FIGS. 35 and 36 is applied to the
詳しくはゲート制御部60は、p型基板61の表面に選択的に形成されたn型ウェル層62と、n型ウェル層62内に選択的に形成されたp+ 型ドレイン層63及びp+ 型ソース層64と、両p+ 型層63,64間に形成されたp- 型層65とを半導体層として備えている。
Specifically, the
p+ 型ドレイン層63には、ゲート駆動回路(図示せず)に接続される入力端子66が形成されている。p+ 型ソース層64には、素子部M1aのゲート電極49に接続される出力端子67が形成されている。p- 型層65上には絶縁膜68を介して制御端子69が形成され、この制御端子69がdV/dt検出部Dt1のセンス電極52に接続されている。また、n型ウェル層62及びp型基板61の上には電位固定端子70が形成され、この電位固定端子70が素子部M1aのエミッタ電極50に接続されている。
In the p + -
次に、このような半導体装置の動作を説明する。素子部M1aがターンオフするとき、流れる変位電流(基板中の空乏層、基板上の絶縁膜51及びセンス電極52からなる容量成分と、dV/dtとの積)が抵抗53を通ってエミッタ電極50に流れる。これと同時に、センス電極52の電位が上昇してゲート制御部60の制御端子69に制御信号を与える。
Next, the operation of such a semiconductor device will be described. When the element portion M1a is turned off, a flowing displacement current (a product of a depletion layer in the substrate, a capacitive component composed of the insulating
図37の(a)(b)は前述した図70の(a)(b)と同じ図である。 FIGS. 37A and 37B are the same as FIGS. 70A and 70B described above.
図37の(c)は、dV/dtの変化(Rgが小のとき)に追従して、センス電極52の電位Vsが変化する波形を示している。Vsの値がゲート制御部60のしきい値電圧Vaを超えると、ゲート制御部60が動作し、図37の(d)に示すように、入力端子66と出力端子67との間の抵抗成分Rgを増加させる。
FIG. 37 (c) shows a waveform in which the potential Vs of the
その結果、図37の(e)の実線で示すように、dV/dtのピーク値が抑制され、素子部M1aが破壊から保護される。なお、本参考例は、従来の最初からRgを大としてdV/dtのピーク値を抑制した場合に比べ、ターンオフが速いのでオフ損失を低減できる。 As a result, as indicated by the solid line in FIG. 37 (e), the peak value of dV / dt is suppressed, and the element portion M1a is protected from destruction. In this reference example, since the turn-off is faster than in the conventional case where Rg is increased from the beginning and the peak value of dV / dt is suppressed, the off loss can be reduced.
上述したように本参考例によれば、通常のオン状態時にはゲート抵抗Rgを小とし、ターンオフ時にはゲート抵抗Rgを大とするので、素子部M1a(主IGBT)のターンオフ時に高いdV/dtによる破壊を阻止しつつ、ターンオフを高速化し、オフ損失を低減させることができる。 As described above, according to the present reference example, the gate resistance Rg is small in the normal on state, and the gate resistance Rg is large in the turn-off state. Therefore, the element portion M1a (main IGBT) is broken by high dV / dt at the turn-off time. The turn-off speed can be increased and the off-loss can be reduced.
また、本参考例は、dV/dt検出部Dt1と素子部M1aとを同一基板に形成した場合について説明したが、これに限らず、両者を別体として設けても、本発明を同様に実施して同様の効果を得ることができる。 Moreover, although this reference example demonstrated the case where dV / dt detection part Dt1 and element part M1a were formed in the same board | substrate, this invention is implemented similarly even if both are provided as a different body. The same effect can be obtained.
(第14の参考例)
図38は本発明の第14の参考例に係る半導体装置に適用される素子部の構成を示す断面図である。本参考例は、図34に示したトレンチ構造のゲートに代えて、プレーナ構造のIGBTが適用されている。すなわち、トレンチ47が省略され、絶縁膜71がn- 型ベース層44、p型ベース層45及びn+ 型ソース層46上に形成され、ゲート電極72が絶縁層71上に形成されている。
(14th reference example)
FIG. 38 is a cross-sectional view showing a configuration of an element portion applied to a semiconductor device according to a fourteenth reference example of the present invention. In this reference example, a planar IGBT is applied in place of the trench gate shown in FIG. That is, the
以上のような構成としても、第13の参考例と同様の効果を得ることができる。なお、図34及び図38では、IGBTを素子部M1aとして用いた場合を説明したが、これに限らず、本発明は、縦型のMOSゲート駆動パワー半導体素子の全てが素子部M1aに適用できる。 Even with the configuration as described above, the same effects as those of the thirteenth reference example can be obtained. 34 and 38, the case where the IGBT is used as the element portion M1a has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to all vertical MOS gate drive power semiconductor elements. .
この種の縦型のMOSゲート駆動パワー半導体素子としては、例えばトレンチ型のMOSFET又はプレーナ型のMOSFETがある。 As this type of vertical MOS gate drive power semiconductor element, for example, there is a trench type MOSFET or a planar type MOSFET.
トレンチ型のMOSFETは、図39に示すように、図34に示したp+ 型エミッタ層41及びn型バッファ層43に代えて、n+ 型ドレイン層73が形成されている。
In the trench type MOSFET, as shown in FIG. 39, an n +
同様にプレーナ型のMOSFETは、図40に示すように、図38に示したp+ 型エミッタ層41及びn型バッファ層43に代えて、n+ 型ドレイン層73が形成されている。
Similarly, in the planar type MOSFET, as shown in FIG. 40, an n +
なお、このようにIGBTとMOSFETでは、コレクタ(MOSFETではドレイン)側の構造が異なるが、dV/dt検出部Dt1のコレクタ側を素子部M1aと同じ構造で作ることにより、本発明を前述同様に実施できる。 As described above, the IGBT and the MOSFET have different structures on the collector (drain in the MOSFET) side, but the present invention can be made in the same manner as described above by making the collector side of the dV / dt detector Dt1 with the same structure as the element M1a. Can be implemented.
(第15の参考例)
図41は本発明の第15の参考例に係る半導体装置に適用されるdV/dt検出部の構成を示す断面図である。本参考例は、図34に示したn- 型ベース層44上の絶縁膜51及びセンス電極52に代え、図41に示すように、接合終端部のp型リサーフ層74上に絶縁膜75及びセンス電極76が形成されている。
(15th reference example)
FIG. 41 is a cross-sectional view showing a configuration of a dV / dt detector applied to a semiconductor device according to a fifteenth reference example of the present invention. In this reference example, instead of the insulating
以上のような構成により、第13の参考例の効果に加え、素子部M1aの有効面積を増加できる。 With the configuration as described above, in addition to the effect of the thirteenth reference example, the effective area of the element portion M1a can be increased.
(第16の参考例)
図42は本発明の第16の参考例に係る半導体装置に適用されるdV/dt検出部の構成を示す断面図である。本参考例は、図34に示した素子部M1aのトレンチ構造をdV/dt検出部Dt1に適用させたものである。すなわち、n- 型ベース層44上の絶縁層51及びセンス電極52に代えて、図42に示すように、n- 型ベース層44に形成されたトレンチ47a内に絶縁層48aを介してセンス電極49aが埋込形成されている。
(16th reference example)
FIG. 42 is a cross-sectional view showing a configuration of a dV / dt detector applied to a semiconductor device according to a sixteenth reference example of the present invention. In this reference example, the trench structure of the element portion M1a shown in FIG. 34 is applied to the dV / dt detection portion Dt1. That is, instead of the insulating
以上のような構成により、素子部M1aとdV/dt検出部Dt1との両者のトレンチ構造を同時に形成できるので、第13の参考例の効果に加え、半導体装置の製造工程の数を減少できる。 With the configuration as described above, since the trench structures of both the element portion M1a and the dV / dt detection portion Dt1 can be formed simultaneously, in addition to the effect of the thirteenth reference example, the number of manufacturing steps of the semiconductor device can be reduced.
(第17の参考例)
図43は本発明の第17の参考例に係る半導体装置に適用されるdV/dt検出部の構成を示す断面図である。本参考例は、図41及び図42に示した構成を互いに組合わせたものである。すなわち、図34に示したn- 型ベース層44上の絶縁層51及びセンス電極52に代えて、図43に示すように、接合終端部のp型リサーフ層74内にトレンチ47aが形成され、トレンチ47a内に絶縁層48aを介してセンス電極49aが埋込形成されている。
(17th reference example)
FIG. 43 is a cross-sectional view showing a configuration of a dV / dt detector applied to a semiconductor device according to a seventeenth reference example of the present invention. In this reference example, the configurations shown in FIGS. 41 and 42 are combined with each other. That is, instead of the insulating
以上のような構成により、第13の参考例の効果に加え、第15及び第16の参考例の効果を同時に得ることができる。 With the configuration as described above, in addition to the effects of the thirteenth reference example, the effects of the fifteenth and sixteenth reference examples can be obtained simultaneously.
なお、第13〜第17の参考例に示した素子部M1aとdv/dt検出部Dt1との構成は、夫々任意に組合せて実施することができる。 The configurations of the element unit M1a and the dv / dt detection unit Dt1 shown in the thirteenth to seventeenth reference examples can be implemented in any combination.
また、本発明は、主スイッチング素子がIGBT又はMOSFETである場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、MCT(CMOS Controlled Thyristor)やIGTT等のデバイスにも種々変形して実施できる。 In the present invention, the case where the main switching element is an IGBT or a MOSFET has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be implemented in various modifications to devices such as an MCT (CMOS Controlled Thyristor) and an IGBT.
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。 In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.
1,41…p型エミッタ層、2,42…コレクタ電極、3,44…n型ベース層、4,45…p型ベース層、4d…p型ドレイン層、5,46…n型ソース層、6,6t,48…ゲート絶縁膜、7,7t,12,49…ゲート電極、8,8e,50…エミッタ電極、10,11…p型層、11s…p型ソース層、13…フローティング電極、14,14u…絶縁膜、21〜24…IGBTパッケージ、30…直流電源、31…PWMコントローラ、32…デジタル論理回路、32a…ゲート波形制御部、通信機能…32b、33…アナログゲート駆動回路、33a…監督回路、43…n型バッファ回路、47a…トレンチ、48a…絶縁層、49a,52,76…センス電極、51…絶縁膜、60…ゲート制御部、61…p型基板、62…n型ウェル層、63…p+ 型ドレイン層、64…p+ 型ソース層、65…p- 型層、66…入力端子、67…出力端子、51,68,71,75…絶縁膜、69…制御端子、70…電位固定端子、73…n+ 型ドレイン層、74…p型リサーフ層、SNB…面積、SG…面積、R,RG1,RG2,RG,Rg,R1〜R9,Rcc,Ra,53…抵抗、C,C1,C2,CG,C11〜C13…容量、QG…電荷、Gd1…ゲート駆動回路、AM1…差動アンプ、Tr1,Tr11〜Tr18…トランジスタ、SCP…短絡保護回路、M1…主IGBT素子、S1…センスIGBT素子、I1,I2…電流、M1a…素子部、Dt1…dV/dt検出部。
1, 41 ... p-type emitter layer, 2,42 ... collector electrode, 3,44 ... n-type base layer, 4,45 ... p-type base layer, 4d ... p-type drain layer, 5,46 ... n-type source layer, 6, 6t, 48 ... gate insulating film, 7, 7t, 12, 49 ... gate electrode, 8, 8e, 50 ... emitter electrode, 10, 11 ... p-type layer, 11s ... p-type source layer, 13 ... floating electrode, 14, 14u ... insulating film, 21-24 ... IGBT package, 30 ... DC power supply, 31 ... PWM controller, 32 ... digital logic circuit, 32a ... gate waveform control unit, communication function ... 32b, 33 ... analog gate drive circuit, 33a ... Supervision circuit, 43 ... n-type buffer circuit, 47a ... trench, 48a ... insulating layer, 49a, 52, 76 ... sense electrode, 51 ... insulating film, 60 ... gate controller, 61 ... p-type substrate, 62 ...
Claims (4)
前記制御電極部の電圧に基づいて、前記制御電極部に蓄積された電荷量を検出する検出工程と、
前記検出工程により検出された電荷量に基づいて、前記制御電極部への印加電圧及び/又は前記制御電極への流入電流を制御する制御工程と
を含んでいることを特徴とする半導体装置の制御方法。 In a control method of a semiconductor device having two main electrodes and a control electrode unit that controls a current between the main electrodes,
A detection step of detecting a charge amount accumulated in the control electrode unit based on a voltage of the control electrode unit;
A control step of controlling a voltage applied to the control electrode section and / or an inflow current to the control electrode based on the amount of charge detected by the detection step. Method.
前記制御工程は、前記電荷量が負の値をもつとき、前記印加電圧及び/又は前記流入電流を低減させることを特徴とする半導体装置の制御方法。 The method for controlling a semiconductor device according to claim 1,
The method of controlling a semiconductor device, wherein the control step reduces the applied voltage and / or the inflow current when the charge amount has a negative value.
前記制御電極部を横切って通過する電流を前記通過の前後で夫々検出する検出工程と、
前記通過前の電流と前記通過後の電流との差に基づいて、前記制御電極部への印加電圧及び/又は前記制御電極への流入電流を制御する制御工程と
を含んでいることを特徴とする半導体装置の制御方法。 In a control method of a semiconductor device having two main electrodes and a control electrode unit that controls a current between the main electrodes,
A detection step of detecting the current passing through the control electrode part before and after the passage, respectively;
And a control step of controlling an applied voltage to the control electrode unit and / or an inflow current to the control electrode based on a difference between the current before passing and the current after passing. For controlling a semiconductor device.
前記制御工程は、前記差を積分した結果が負の値をもつとき、前記印加電圧及び/又は前記流入電流を低減させることを特徴とする半導体装置の制御方法。 The method for controlling a semiconductor device according to claim 3,
The method of controlling a semiconductor device, wherein the control step reduces the applied voltage and / or the inflow current when a result of integrating the difference has a negative value.
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US10923582B2 (en) | 2012-08-21 | 2021-02-16 | Rohm Co., Ltd. | Trench-type insulated gate semiconductor device including an emitter trench and an overlapped floating region |
JP7508948B2 (en) | 2020-08-26 | 2024-07-02 | 富士電機株式会社 | Testing apparatus, testing method and manufacturing method |
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2006
- 2006-05-22 JP JP2006141951A patent/JP2006314112A/en active Pending
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