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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung,
die ein Stromfühlerelement
zur Verhinderung eines Überstroms
und darüber
hinaus einen Isolierschichttransistor aufweist, wie einen IGBT (Insulated
Gate Bipolar Transistor), einen MOSFET (Meta/Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor) oder dergleichen, um die Stromfühlervorrichtung
davor zu schützen,
durch eine Überspannung
zerstört
zu werden.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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In
den jüngsten
Jahren wurde ein Isolierschichttransistor (spannungsgesteuerter
Transistor) wie ein IGBT, ein MOSFET o. dgl. weltverbreitet als
Schaltungselement etc., wie Wechselrichter, Wechselstrombauteil verwendet,
da er einen Schnellschaltvorgang durchführen kann. Im allgemeinen ist
der vorstehend beschriebene Sperrschichttransistor mit einem Stromfühlerelement
ausgestattet, um zu verhindern, dass ein Überstrom durch eine Schaltung,
eine externe Last o. dgl. fließt.
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Konkret
ausgedrückt
wurde in jeder der japanischen JP 9-293856 AA, JP 4 326768 AA, JP 2000-269489
AA, JP 8-46193 AA und JP 6-13618 AA eine IGBT- oder MOSFET-Vorrichtung
beschrieben, die ein Strom fühlerelement
enthält,
um einen Strom zu erfassen, der durch einen Haupt-IGBT oder einen Haupt-MOSFET
fließt,
um einen Hauptstrom zu steuern, und die einen Überstrom verhindert, indem
sie die Gatespannung des Haupt-IGBTs oder des Haupt-MOSFETs senkt,
wenn das Stromfühlerelement
einen Anstieg des Stroms im Haupt-IGBT oder im Haupt-MOSFET erfasst
hat.
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7 ist ein Schaltbild eines
Rohaufbaus einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung (IGBT-Vorrichtung) einer allgemeinen Art,
die ein Stromfühlerelement
enthält.
Wie in 7 gezeigt ist,
ist bei der herkömmlichen
Halbleitervorrichtung ein erster IGBT 101 zur Steuerung
des Hauptstroms und ein zweiter IGBT 102 (Stromfühlerelement)
zur Überwachung
des durch den ersten IGBT 101 fließenden Stroms zusammen auf
einem (nicht gezeigten) Halbleitersubstrat ausgebildet. Bei der
Halbleitervorrichtung haben beide IGBTs 101 und 102 jeweils
ein Gate 103 und einen Kollektor 104 gemeinsam.
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Andererseits
ist jeweils jeder der beiden IGBTs 101 und 102 mit
einem jeweiligen Emitter ausgestattet. Und zwar ist ein erster Emitter 105 für den ersten
IGBT 101 vorgesehen, während
ein zweiter Emitter 106 für den zweiten IGBT 102 vorgesehen
ist. Auf diese Weise sind beide Emitter 105 und 106 an
einen gemeinsamen Emitter 107 angeschlossen. Da der zweite
Emitter 106 nur dazu vorgesehen ist, den Strom im ersten
IGBT 101 zu überwachen,
ist seine Größe oder
sein Raumbedarf im allgemeinen viel kleiner als diejenige/derjenige
des ersten Emitters 105.
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Der
zweite Emitter 106 ist mit einem Abfühlwiderstand 108 ausgestattet.
Somit wird die am Gate 103 anliegende Spannung entsprechend
der Abfühlspannung
Vs gesteuert, die am Abfühlwiderstand 108 anliegt (d.h.
Spannungsabfall aufgrund des Abfühlwiderstands 108).
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Wie
in 8 gezeigt ist, ist
bei der herkömmlichen
Halbleitervorrichtung die an den Abfühlwiderstand 108 angelegte
Abfühlspannung
Vs in etwa proportional zum Strom, der durch den ersten Emitter 105 fließt. Deshalb
kann ein Überstrom
im ersten IGBT 101 verhindert werden, indem die Abfühlspannung
Vs überwacht und
dem Gate 103 rückgeführt wird.
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Wie
vorstehend beschrieben ist die Größe oder der Platzbedarf des
zweiten Emitters 106 sehr klein, während die Kapazität des zweiten
IGBTs 102, der als Stromfühlerelement verwendet wird,
auch sehr gering ist. Folglich besteht ein Problem dergestalt, dass
der zweite IGBT 102 oder der zweite Emitter 106 leicht
von einer externen Schaltung so beeinflusst werden kann, dass der
zweite IGBT 102 oder der zweite Emitter 106 aufgrund
einer Überspannung
o. dgl., je nach Situation, zerstört werden kann. Als ein Beispiel
für die
vorstehend beschriebene Zerstörung
kann der Fall hervorgehoben werden, bei dem eine Spannung, die höher als die
Dauerspannung (Durchbruchspannung) ist, zwischen dem ersten Emitter 105 und
dem zweiten Emitter 106 erzeugt wird.
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Eine
vergleichbare Halbleitervorrichtung mit Strommeßfunktion, die beispielsweise
mit Bipolartransistoren oder auch mit MOSFETs auf einem gemeinsamen
Halbleitersubstrat ausgebildet werden kann, ist aus der
DE 42 13 412 C2 bekannt.
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Selbstverständlich können die
vorstehend genannten Probleme außer beim IGBT auch bei einem Leistungstransistor
eines spannungsgesteuerten Typs wie einem MOSFET auftauchen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung hat als Aufgabe, eine Halbleitervorrichtung
wie einen IGBT oder MOSFET bereitzustellen, der ein Stromfühlerelement
zur Verhinderung eines Überstroms
enthält,
das den Überstrom wirksam
verhindern kann, und bei der darüber
hinaus die Zerstörung
des Stromfühlerelements
durch eine Überspannung
wirksam verhindert ist.
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Eine
Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst im
Prinzip einen ersten Transistor einer Sperrschichtart (z.B. IGBT,
MOSFET) und einen zweiten Transistor einer Sperrschichtart (z.B.
IGBT, MOSFET).
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Der
erste Transistor steuert einen Hauptstrom, während der zweite Transistor
einen durch den ersten Transistor fließenden Strom überwacht.
Im Folgenden bedeutet der Begriff „Hauptstrom" den Strom, der durch eine
externe Last fließt,
und der von der Halbleitervorrichtung gesteuert wird. Beide Transistoren
sind in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet. Zusätzlich teilen
sich beide Transistoren einen gemeinsamen Kollektorbereich und einen
gemeinsamen Gatebereich. Ein Emitterbereich des zweiten Transistors
ist kleiner als ein Emitterbereich des ersten Transistors, was dessen
Größe und Platzbedarf
betrifft.
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Darüber hinaus
umfasst die Halbleitervorrichtung einen Abfühlwiderstand zwischen dem Emitterbereich
des ersten Transistors und dem Emitterbereich des zweiten Transistors.
Eine an den gemeinsamen Gatebereich angelegte Spannung (und darüber hinaus
ein durch den ersten Transistor fließender Strom) wird entsprechend
einer am Abfühlwiderstand
anliegenden Abfühlspannung,
und zwar eines Spannungsabfalls aufgrund des Abfühlwiderstands, gesteuert.
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Zusätzlich umfasst
die Halbleitervorrichtung einen Diodenabschnitt oder eine Diodenvorrichtung
(d.h. ein Klemmelement). Der Diodenabschnitt ist zwischen dem Emitterbereich
des ersten Transistors und dem Emitterbereich des zweiten Transistors
parallel mit dem Abfühlwiderstand
vorgesehen. Hiernach geht der Diodenabschnitt in einen Durchbruchzustand über, wenn
eine Spannung, die niedriger als die Dauerspannung (d.h. Durchbruchspannung)
zwischen beiden Emitterbereichen ist, und die höher ist als eine obere Grenze
der Abfühlspannung,
daran angelegt wird. In der Folge kann ein Überstrom des ersten Transistors
wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung des zweiten Transistors überwacht
wird. Zusätzlich
kann der zweite Transistor sicher davor bewahrt werden, durch eine Überspannung
zerstört
zu werden.
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Alternativ
kann der Diodenabschnitt in einen leitfähigen Zustand übergehen,
wenn die Spannung, die niedriger ist als die Dauerspannung und höher ist
als die obere Grenze der Abfühlspannung,
daran angelegt wird. Auch in diesem Fall kann der Überstrom
des ersten Transistors wirksam verhindert und darüber hinaus der
zweite Transistor sicher davor bewahrt werden, zerstört zu werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Verschiedene
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den bevorzugten Ausführungsformen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen klar. Darin sich gleiche Teile durchgehend mit gleichen
Bezugszeichen versehen:
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1 ist
ein Schaltbild, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung (IGBT)
nach Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Draufsicht im Schnitt einer Halbleitervorrichtung (IGBT) nach
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung;
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3A ist
eine Ansicht von oben auf den Diodenabschnitt der in 2 gezeigten
Halbleitervorrichtung, während 38 ein Schaltbild ist, das zu dem in 3A gezeigten
Diodenabschnitt äquivalent
ist;
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4 ist
ein Schaltbild, das den Aufbau einer Halbleitervorrichtung (IGBT)
nach Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ist
eine Draufsicht im Schnitt auf eine Halbleitervorrichtung (IGBT)
nach Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung;
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6A ist
eine Ansicht von oben auf den Diodenabschnitt der in 5 gezeigten
Halbleitervorrichtung, während 6B ein
Schaltbild ist, das zu dem in 6A gezeigten
Diodenabschnitt äquivalent
ist;
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7 ist
eine Schaltbild, das den Aufbau einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung
(IGBT) zeigt; und
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8 ist
ein graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Abfühlspannung
und dem Strom des ersten Emitters in der in 7 gezeigten
Halbleitervorrichtung zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Ausführungsform 1)
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Nachstehend
wird die Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 zeigt
den Aufbau einer Halbleitervorrichtung (IGBT) nach Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt
ist, sind in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1 ein erster IGBT 1 zur
Steuerung eines Hauptstroms und ein zweiter IGBT 2 zur Überwachung
des durch den ersten IGBT 1 fließenden Stroms zusammen auf
einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet (siehe 2).
Hiernach bedeutet der Begriff „Hauptstrom" den Strom, der durch
eine externe Last, die von der Halbleitervorrichtung gesteuert wird
(z.B. EIN-/AUS-Steuerung), oder durch einen Schaltkreis fließt, der
an die externe Last angeschlossen ist.
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Die
Halbleitervorrichtung weist ein Gate 3 auf (Gatebereich)
und einen Kollektor 4 (Kollektorbereich), die beide gemeinsam
zu den beiden IGBTs 1 und 2 gehören. Das
heißt,
ein gemeinsames Gate 3 und ein gemeinsamer Kollektor 4 sind
für beide
IGBTs 1 und 2 vorgesehen. Andererseits weist jeder
der IGBTs einen jeweiligen Emitter auf (Emitterbereich). Das heißt, der
erste IGBT 1 besitzt einen ersten Emitter 5 (erster
Emitterbereich), während
der zweite IGBT 2 einen zweiten Emitter 6 besitzt
(zweiter Emitterbereich). Der erste Emitter 5 ist an einen
gemeinsamen Emitter 7 angeschlossen. Da der zweite Emitter 6 nur
vorgesehen ist, um den Strom im ersten IGBT 1 zu überwachen
oder zu erfassen, ist seine Größe und sein
Platzbedarf viel kleiner als diejenige/derjenige des ersten Emitters 5.
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Ein
Abfühlwiderstand 8 ist
in einem Leiterdraht, der den ersten Emitter 5 am zweiten
Emitter 6 anschließt,
dazwischengeschaltet. In der Halbleitervorrichtung wird im Ansprechen
auf die Abfühlspannung
Vs, die an den Abfühlwiderstand 8 angelegt
wird, nämlich
der Spannungsabfall aufgrund des Abfühlwiderstands 8, die
an das Gate 3 angelegte Spannung so gesteuert, dass der
durch die beiden IGBTs 1 und 2 fließende Strom
gesteuert wird. Im Grunde nimmt in der Halbleitervorrichtung die
Abfühlspannung
Vs, die an den Abfühlwiderstand 8 angelegt
wird, proportional mit dem Strom zu, der durch den ersten Emitter 5 fließt.
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Ein Überstrom
des ersten IGBTs 1 kann deshalb verhindert werden, indem
die Abfühlspannung
Vs überwacht
und zum Gate 3 rückgeführt wird.
Wenn die Abfühlspannung
Vs beispielsweise auf eine vorbestimmte obere Grenz- oder Schwellenspannung
ansteigt, wird die an das Gate 3 angelegte Spannung auf
0 V festgelegt, so dass jeder der IGBTs 1 und 2 in
den AUS-Zustand eintritt. Folglich wird der Schaltkreis, in dem die
IGBTs 1 und 2 dazwischengeschaltet sind, abgeschaltet,
so dass verhindert wird, dass ein Überstrom durch den Schaltkreis
(oder die beiden IGBTs 1 und 2) fließt.
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Darüber hinaus
ist in der Halbleitervorrichtung ein Diodenabschnitt bzw. eine Diodenvorrichtung 11 (Klemmelement),
der/die aus einer ersten Diode 4 und einer zweiten Diode 10 besteht,
zwischen dem ersten Emitter 5 des ersten IGBTs 1 und
dem zweiten Emitter 6 des zweiten IGBTs vorgesehen bzw.
angeschlossen, um mit dem Abfühlwiderstand 8 parallel
zu sein. Der Diodenabschnitt 11 hat eine solche Lastwechseleigenschaft,
dass er in einen Durchbruchzustand gerät, wenn eine Spannung, die
niedriger ist als die Dauerspannung (Durchbruchspannung) zwischen
den beiden Emittern 5 und 6, und höher ist
als die Obergrenze der Abfühlspannung
Vs, daran angelegt wird.
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Im
Folgenden wird der Aufbau und die Funktion des Diodenabschnitts 11 (Diodenvorrichtung)
speziell beschrieben. Im Diodenabschnitt 11 sind die erste
Diode 9 und die zweite Diode 10 miteinander so
in Reihe geschaltet, dass die Richtung der Rückwärtsspannung der ersten Diode 9 mit
der Richtung vom ersten Emitter 5 zum zweiten Emitter 6 zusammenfällt, während die
Richtung der Rückwärtsspannung
der zweiten Diode 10 mit der Richtung vom zweiten Emitter 6 zum
ersten Emitter 5 zusammenfällt. Das heißt, beide
Dioden 9 und 10 sind miteinander umgekehrt in
Reihe geschaltet. Die Durchbruch- oder Dauerspannung jeder der Dioden 9 und 10 in
der Richtung der Rückwärtsspannung
(im Folgenden als „Diodendurchbruchspannung" bezeichnet) wird
so eingestellt, dass sie niedriger ist als die Dauerspannung zwischen
den beiden Emittern 5 und 6 (im Folgenden als
Emitterdauerspannung" bezeichnet),
und dass sie höher
ist als die Obergrenze oder der Schwellenwert der Abfühlspannung
Vs (im Folgenden als „Abfühlspannungsobergrenze" bezeichnet).
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Ist
die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 angelegte
Spannung nicht höher
als die Diodendurchbruchspannung, dann behält der Diodenabschnitt 11 den
AUS-Zustand bei. Das heißt,
wenn die Spannung des ersten Emitters 5 höher ist
als die Spannung des zweiten Emitters 6, verhindert die
erste Diode 9, dass der Strom durch den Diodenabschnitt 11 vom
ersten Emitter 5 zum zweiten Emitter 6 fließt. Ist andererseits
die Spannung des zweiten Emitters 6 höher als die Spannung des ersten
Emitters 5, verhindert die zweite Diode 10, dass
der Strom durch den Diodenabschnitt 11 vom zweiten Emitter 6 zum
ersten Emitter 5 fließt.
In diesem Fall verhindert der zweite IGBT 2 einen Überstrom
des ersten IGBTs 1, indem er die Abfühlspannung Vs überwacht
und sie darüber
hinaus an das Gate 3 rückführt.
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Tritt
jedoch aufgrund des Einflusses der externen Schaltung o. dgl. eine Überspannung
zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 auf,
die höher
ist als die Diodendurchbruchspannung, geht die erste Diode 9 oder
die andere Diode 10, an die eine Rückwärtsspannung angelegt wird,
in den Durchbruchszustand über,
so dass der Diodenabschnitt 11 in einen leitfähigen Zustand übergeht.
Das heißt,
wenn die Spannung des ersten Emitters 5 höher ist
als die Spannung des zweiten Emitters 6, verursacht die
erste Diode 9, an die die Rückwärtsspannung angelegt wird,
einen Durchbruch und geht in den leitfähigen Zustand über. In der
Zwischenzeit hält
die zweite Diode 10, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird,
den leitfähigen
Zustand natürlich
aufrecht. Folglich geht der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand über.
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Ist
andererseits die Spannung des zweiten Emitters 6 höher als
die Spannung des ersten Emitters 5, verursacht die zweite
Diode 10, an der die Rückwärtsspannung
anliegt, einen Durchbruch und geht in den leitfähigen Zustand über. In
der Zwischenzeit hält
die erste Diode 9, an der die Vorwärtsspannung anliegt, den leitfähigen Zustand
natürlich
aufrecht. Folglich geht der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand über.
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Da
in diesem Falle der Diodenabschnitt 11 leitfähig ist,
sind die Spannungen (elektrischen Potentiale) des ersten und zweiten
Emitters 5 und 6 im wesentlichen identisch, so
dass die Überspannung
aufgelöst
werden kann. Deshalb überschreitet
die Spannung zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten
Emitter 6 nicht die Diodendurchbruchspannung. Da die Diodendurchbruchspannung
wie oben beschrieben niedriger ist als die Emitterdauerspannung,
steigt die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten
Emitter 6 angelegte Spannung nicht auf die Emitterdauerspannung
an. In der Folge kann die von Überspannung
herrührende
Zerstörung
des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden.
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Da
wie oben beschrieben die Diodendurchbruchspannung höher ist
als die Abfühlspannungsobergrenze,
verhindert der Diodenabschnitt 11 keinesfalls die ursprüngliche
Funktion der Vorrichtung, die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 zu überwachen,
und darüber
hinaus den Überstrom
des ersten IGBTs 1 zu verhindern.
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Wie
vorstehend beschrieben kann bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
1 der Überstrom
des ersten IGBTs 1 wirksam verhindert werden, indem die
Abfühlspannung
Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht
wird, und darüber
hinaus kann die von Überspannung
herrührende
Zerstörung
des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden.
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(Ausführungsform 2)
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Nachstehend
wird eine Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die 2, 3A und 3B beschrieben.
Jedoch gibt es Gemeinsamkeiten zwischen dem fundamentalen Aufbau
der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 und demjenigen
der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Deshalb werden
nachstehend zur Vermeidung von Doppelbeschreibungen hauptsächlich die
Unterschiede zwischen den Ausführungsformen
1 und 2 beschrieben. In den 2, 3A und 3B sind
Elemente, die gleich denjenigen nach der in 1 gezeigten
Ausführungsform
1 sind, mit Bezugszeichen versehen, die gleich denjenigen von 1 sind.
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Wie
in den 2, 3A und 3B gezeigt
ist, ist bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 der Diodenabschnitt 11 in
die Halbleitervorrichtung (das Halbleitersubstrat) eingebaut oder
integral damit ausgebildet, und besteht darüber hinaus aus einem Polysilizium,
das auf einer Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat
ausgebildet ist. Die oben angeführten
Merkmale sind die einzigen Unterschiede zwischen der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
2 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Die anderen Merkmale
der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 sind im wesentlichen
dieselben wie diejenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
1.
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Nachstehend
wird speziell der Aufbau der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
2 beschrieben. Das Halbleitersubstrat der Halbleitervorrichtung
besteht im wesentlichen aus einer P-Kollektorschicht 14,
die mit dem Kollektor 4 verbunden ist, der beiden IGBTs 1 und 2 gemeinsam
ist, einer auf der P-Kollektorschicht 14 angeordneten N-Basisschicht 15,
IGBT-seitigen P-Basisschichten 16 und einer diodenseitigen
P-Basisschicht 17, die jeweils in der N-Basisschicht 15 ausgebildet
sind, und N+-Emitterschichten 18, die in den IGBT-seitigen
P-Basisschichten 16 ausgebildet sind. Der Emitter 5 bzw. 6 des
IGBTs 1 bzw. 2 ist jeweils an die entsprechenden
N+-Emitterschichten 18 angeschlossen. Jede Gateschicht 19 des
Gates 3, die die beiden IGBTs 1 und 2 gemeinsam
haben, ist über
dem Halbleitersubstrat angeordnet, um eine (nicht gezeigte) Isolierschicht
zwischen den Schichten 19 und dem Substrat sandwichartig
einzuschließen.
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Über der
diodenseitigen P-Basisschicht 17, die ein elektrisches
Potential aufweist, das gleich demjenigen des ersten Emitters 5 ist,
ist der Diodenabschnitt 11 so ausgebildet, dass er die
Isolierschicht 13 zwischen dem Diodenabschnitt 11 und
der Schicht 17 sandwichartig ein schließt. Der Diodenabschnitt 11 besteht aus
einer Polysiliziumschicht 20 der N-Art, einer Polysiliziumschicht 21 der
P-Art und einer Polysiliziumschicht 22 der N-Art. In der
Draufsicht ist die Polysiliziumschicht 20 der N-Art an
der zentralen Position des Diodenabschnitts 11 angeordnet.
Die Polysiliziumschicht 21 der P-Art berührt den
Außenrand
der Polysiliziumschicht 20 der N-Art, um die Schicht 20 zu
umgeben. Die Polysiliziumschicht 22 der N-Art berührt den
Außenrand
der Polysiliziumschicht 21 der P-Art, um die Schicht 21 zu
umgeben. Darüber
hinaus ist die Polysiliziumschicht 20 der N-Art, die in
der Draufsicht an der Innenseite angeordnet ist, durch eine Aluminiumelektrode
o. dgl. an den zweiten Emitter 6 angeschlossen. Andererseits
ist die Polysiliziumschicht 22 der N-Art, die an der Außenseite angeordnet
ist, durch eine Aluminiumelektrode o. dgl. an den ersten Emitter 5 angeschlossen.
Deshalb weist der Diodenabschnitt 11 einen solchen Schaltungsaufbau
auf, wie er in 3B gezeigt ist.
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Somit
kann die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2 kompakt ausgelegt
und die Anzahl an Halbleitervorrichtungen gleichzeitig reduziert
werden, weil der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung (das
Halbleitersubstrat) eingebaut oder integral damit ausgebildet ist.
Da darüber
hinaus der Diodenabschnitt 11 aus den auf der Isolierschicht 13 ausgebildeten
Polysiliziumschichten 20 und 22 besteht, wird
der Prozess zur Herstellung der Halbleitervorrichtung einfach und
leicht, so dass die Kosten zur Herstellung der Halbleitervorrichtung
gesenkt werden können.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
2 der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung eingebaut
oder integral damit ausgebildet, und besteht aus den auf der Isolierschicht 13 auf
dem Halbleitsubstrat ausgebildeten Polysiliziumschichten. Dennoch
ist der Schaltungsaufbau der Halbleitervorrichtung im wesentlichen
derselbe wie derjenige der in 1 gezeigten
Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
1. Deshalb kann auch bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
2 der Überstrom
des ersten IGBTs 1 wirksam verhindert werden, indem die
Abfühlspannung
Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht
wird, und darüber
hinaus kann die von Überspannung
herrührende
Zerstörung
des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden, genauso wie
es der Fall bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1
ist.
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(Ausführungsform 3)
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Nachstehend
wird eine Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf 4 beschrieben. Jedoch gibt es
Gemeinsamkeiten zwischen dem fundamentalen Aufbau der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
3 und demjenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
1. Deshalb werden nachstehend zur Vermeidung von Doppelbeschreibungen
hauptsächlich
die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen 3 und 1 beschrieben.
In 4 sind Elemente, die gleich denjenigen nach der
in 1 gezeigten Ausführungsform 1 sind, mit Bezugszeichen
versehen, die gleich denjenigen von 1 sind.
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Wie
in 4 gezeigt ist, weist bei der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
3 der Diodenabschnitt 11 solch eine Leitfähigkeitseigenschaft
auf, dass er in den leitfähigen
Zustand übergeht,
wenn eine Spannung, die niedriger ist als die Emitterdauerspannung
(Durchbruchspannung) und höher
ist als die Abfühlspannungsobergrenze,
an den Diodenabschnitt 11 angelegt wird. Die Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
1 (und auch Ausführungsform
2) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die Dauerbeanspruchungseigenschaft
der Dioden 9 und 10 in der Richtung der Rückwärtsspannung
ausnutzt. Andererseits ist die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
3 dadurch gekennzeichnet, dass sie die Leitfähigkeitseigenschaft der Dioden
in der Richtung der Vorwärtsspannung
ausnutzt. Das ist der einzige Unterschied zwischen der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
3 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 1. Die anderen Merkmale
der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 sind im wesentlichen dieselben
wie diejenigen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
1.
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Nachstehend
wird der Aufbau und die Funktion des Diodenabschnitts 11 der
Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
3 speziell beschrieben. Im Diodenabschnitt 11 sind die
erste und zweite Diode 9 und 10 zueinander parallel
geschaltet, derart, dass die Vorwärtsspannungsrichtung der ersten
Diode 9 mit der Richtung vom zweiten Emitter 6 zum
ersten Emitter 5 hin zusammenfällt, während die Vorwärtsspannungsrichtung der
zweiten Diode 10 mit der Richtung vom ersten Emitter 5 zum
zweiten Emitter 6 hin zusammenfällt. Das heißt, beide
Dioden 9 und 10 sind antiparallel zueinander angeschlossen.
Die Leitspannung jeder Diode 9 und 10 in ihrer
Vorwärtsspannungsrichtung
(nachstehend als „Diodenleitspannung" bezeichnet) ist
so eingestellt, dass sie niedriger ist als die Emitterdauerspannung,
und höher
ist als die Abfühlspannungsobergrenze.
Hiernach ist jede der Dioden 9 und 10 nicht leitfähig, wenn
eine Spannung, die niedriger ist als die Diodenleitspannung, in
der Vorwärtsspannungsrichtung
an die Diode angelegt wird.
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Wenn
die Spannung, die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem
zweiten Emitter 6 angelegt wird, nicht höher als
die Diodenleitspannung ist, behält
der Diodenabschnitt 11 den AUS-Zustand bei. Das heißt, selbst
wenn die Spannung des ersten Emitters 5 höher ist
als die Spannung des zweiten Emitters 6, ist die zweite
Diode 10, an die die Vorwärtsspannung angelegt wird,
nicht leitfähig,
während
die erste Diode 9, an die die Rückwärtsspannung angelegt wird,
nicht durchbricht. Folglich gibt es keinen Strom, der durch den
Diodenabschnitt 11 vom ersten Emitter 5 zum zweiten
Emitter 6 fließt.
Selbst wenn andererseits die Spannung des zweiten Emitters 6 höher ist
als die Spannung des ersten Emitters 5, ist die erste Diode 9,
an die die Vorwärtsspannung
angelegt wird, nicht leitfähig,
während
die zweite Diode 10, an die die Rückwärtsspannung angelegt wird,
nicht durchbricht. Folglich gibt es keinen Strom, der durch den
Diodenabschnitt 11 vom zweiten Emitter 6 zum ersten
Emitter 5 fließt.
In diesem Falle verhindert der zweite IGBT 2 den Überstrom
des ersten IGBTs 1, indem er die Abfühlspannung Vs überwacht
und sie dem Gate 3 rückführt.
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Tritt
jedoch aufgrund des Einflusses der externen Schaltung o. dgl. eine Überspannung
zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 auf,
die höher
ist als die Diodenleitspannung, wird eine der Dioden 9 und 10,
an die eine Vorwärtsspannung
angelegt wird, leitfähig,
so dass der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand übergeht.
Das heißt,
ist die Spannung des ersten Emitters 5 höher als
die Spannung des zweiten Emitters 6, wird die zweite Diode 10,
an die die Vorwärtsspannung
angelegt wird, leitfähig,
so dass der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand übergeht.
Ist jedoch andererseits die Spannung des zweiten Emitter 6 höher als
die Spannung des ersten Emitters 5, wird die erste Diode 9,
an die die Vorwärtsspannung
angelegt wird, leitfähig,
so dass der Diodenabschnitt 11 in den leitfähigen Zustand übergeht.
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Da
der Diodenabschnitt 11 leitfähig ist, sind in diesem Fall
die Spannungen des ersten und zweiten Emitters 5 und 6 im
wesentlichen gleich, so dass die Überspannung aufgelöst werden
kann. Deshalb überschreitet
die Spannung zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten
Emitter 6 die Diodenleitspannung nicht. Da wie vorstehend
beschrieben die Diodenleitspannung niedriger ist als die Emitterdauerspannung, steigt
die zwischen dem ersten Emitter 5 und dem zweiten Emitter 6 angelegte
Spannung nicht auf die Emitterdauerspannung an. In der Folge kann
die von Überspannung
herrührende
Zerstörung
des zweiten IGBTs 2 verhindert werden.
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Da
wie zuvor beschrieben die Diodenleitspannung höher ist als die Abfühlspannungsobergrenze,
verhindert der Diodenabschnitt 11 keinesfalls die ursprüngliche
Funktion der Vorrichtung, die Abfühlspannung Vs des zweiten IGBTs 2 zu überwachen,
und darüber
hinaus den Überstrom
des ersten IGBTs zu verhindern.
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Wie
vorstehend beschrieben kann in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
3 der Überstrom des
ersten IGBTs 1 wirksam verhindert werden, indem die Abfühlspannung
Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht wird,
und darüber
hinaus kann die von Überspannung
herrührende
Zerstörung
des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden.
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Im
allgemeinen schwankt eine Diodenleitspannung bzw. die Leiteigenschaft
einer Diode in der Vorwärtsspannungsrichtung
weniger im Vergleich mit der Dauerbeanspruchungseigenschaft der
Diode in der Rückwärtsspannungsrichtung.
Deshalb weist die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
3 solch einen Vorteil auf, dass sie insbesondere die Wirkung des
Diodenabschnitts 11 stabilisieren kann. Darüber hinaus kann
in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3, wenn jede der
Dioden 9 und 10 aus einer Diodenanordnung besteht,
bei der mehrere Diodenelemente in derselben Richtung in Reihe geschaltet
sind, die Diodenleitspannung (d.h. der Klemmzustand) leicht eingestellt
oder verändert
werden, indem die Anzahl der Diodenelemente verändert wird. Deshalb kann solch
ein Vorteil erzielt werden, dass die Diodenleitspannung ganz genau
eingestellt werden kann.
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(Ausführungsform 4)
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Nachstehend
wird eine Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf die 5, 6A und 6B beschrieben.
Jedoch hat der physikalische Aufbau der Halbleitervorrichtung nach
Ausführungsform
4 im Grunde Gemeinsamkeiten mit demjenigen der Halbleitervorrichtung nach
Ausführungsform
2, während
der Schaltungsaufbau im Grunde Gemeinsamkeiten mit demjenigen der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
3 hat. Deshalb werden nachstehend zur Vermeidung von Doppelbeschreibungen
hauptsächlich
die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen 4 und der Ausführungsform
2 oder 3 beschrieben. In den 5, 6A und 6B sind
Elemente, die gleich denjenigen nach der in den 2, 3A und 3B gezeigten
Ausführungsform
2 oder Elemente, die gleich denjenigen der in 4 gezeigten
Ausführungsform
3 sind, mit Bezugszeichen versehen, die gleich denjenigen von 2 bis 4 sind.
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Wie
in den 5, 6A und 6B gezeigt
ist, ist in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 der Diodenabschnitt 11 in
die Halbleitervorrichtung (das Halbleitersubstrat) eingebaut oder
integral damit ausgebildet, und besteht darüber hinaus aus einem Polysilizium,
das auf der Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat
ausgebildet ist. Die oben angeführten
Merkmale sind die einzigen Unterschiede zwischen der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
4 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3.
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In
de Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 ist eine Polysiliziumschicht 23 der
P-Art innerhalb der Polysiliziumschicht 20 der N-Art vorgesehen,
die in der Draufsicht an der inneren Position angeordnet ist. Die
Polysiliziumschicht 23 der P-Art ist an der zentralen Position
angeordnet. Die Polysiliziumschicht 20 der N-Art berührt den
Außenrand
der Polysiliziumschicht 23 der P-Art, um die Schicht 23 zu
umgeben. Die Polysiliziumschicht 23 der P-Art, die an der
zentralen Position angeordnet ist, und die Polysiliziumschicht 22 der N-Art,
die an der Außenseite
angeordnet ist, ist durch eine Aluminiumelektrode o. dgl. an den
zweiten Emitter 6 angeschlossen. Andererseits ist die Polysiliziumschicht 20 der
N-Art und die Polysiliziumschicht 21 der P-Art durch eine
Aluminiumelektrode o. dgl. an den ersten Emitter 5 angeschlossen.
Deshalb besitzt der Diodenabschnitt 11 einen wie in 6B gezeigten
Schaltungsaufbau. Die vorstehend genannten Merkmale sind die einzigen
Unterschiede zwischen der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
4 und der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 2.
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Die
anderen Merkmale der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
4 sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen der Halbleitervorrichtung
nach Ausführungsform
2 oder 3.
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Somit
kann die Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 4 kompakt ausgelegt
werden, während gleichzeitig
die Anzahl der Bauelemente der Halbleitervorrichtung reduziert werden
kann, weil der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung
(das Halbleitersubstrat) eingebaut oder integral damit ausgebildet
ist. Da der Diodenabschnitt 11 aus den Polysiliziumschichten 20 bis 23 besteht,
die auf der Isolierschicht 13 ausgebildet sind, wird der
Prozess zur Herstellung der Halbleitervorrichtung darüber hinaus
einfach und leicht, so dass die Kosten für die Herstellung der Halbleitervorrichtung
gesenkt werden können.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist in der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
4 der Diodenabschnitt 11 in die Halbleitervorrichtung eingebaut
oder integral damit ausgebildet, und besteht aus den Polysiliziumschichten,
die auf der Isolierschicht 13 auf dem Halbleitersubstrat
ausgebildet sind. Dennoch ist der Schaltungsaufbau der Halbleitervorrichtung
im wesentlichen derselbe wie derjenige der in 4 gezeigten
Ausführungsform
3. Deshalb kann auch bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform
4 der Überstrom
des ersten IGBT 1 wirksam verhindert werden, indem die
Abfühlspannung
Vs des zweiten IGBTs 2 überwacht
wird, und darüber
hinaus kann die durch Überspannung
herrührende
Zerstörung
des zweiten IGBTs 2 sicher verhindert werden, genauso wie
das bei der Halbleitervorrichtung nach Ausführungsform 3 der Fall ist.
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Bei
jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 ist auf
der Halbleitervorrichtung der IGBT ausgebildet, der eine Art Sperrschichttransistor
ist. Der auf der Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
ausgebildete Sperrschichttransistor ist jedoch nicht auf den IGBT
beschränkt.
Selbstverständlich
können
dieselben Vorteile wie die vorstehenden auch erzielt werden, wenn
eine andere Art von Sperrschichttransistor wie ein MOSFET o. dgl.
auf der Halbleitervorrichtung ausgebildet wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Gänze
im Zusammenhang mit deren bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben wurde, ist festzuhalten, dass dem Fachmann verschiedene Änderungen
und Modifizierungen klar sein werden. Solche Änderungen und Modifikationen
sind als im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen zu
verstehen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, es sei
denn, diese weichen davon ab.
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