DE69525824T2

DE69525824T2 - Zusammengesetzter Leistungs-MOSFET

Info

Publication number: DE69525824T2
Application number: DE69525824T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Otaka; Kozo Sakamoto; Kyouichi Takagawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1995-12-08
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2015-12-09
Also published as: JP3485655B2; KR960026762A; TW285768B; EP0717497A3; EP0717497B1; DE69525824D1; US5629542A; JPH08167838A; KR100390557B1; EP0717497A2

Description

Die Erfindung betrifft einen zusammengesetzten Leistungs- MOSFET, insbesondere einen zusammengesetzten Leistungs-MOS- FET gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer Negativgate-Schutzschaltung, um für eine negative Drain-Standhaltespannung zu sorgen.
Ein derartiger zusammengesetzter Leistungs-MOSFET, der als Schutzschaltung gegen eine Umkehr der Polarität der Versorgungsbatterie verwendet wird, ist aus DE-A-38 35 662 bekannt. Eine ähnliche Schutzschaltung ist aus dem Dokument EP-A-0 360 991 bekannt, gemäß dem der gemeinsame Drainbereich der zwei Transistoren auf einem einzelnen Schichtteil in einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist. Dieses Dokument sagt nichts über den Aufbau der externen Steuerschaltung, die das Gate des zweiten Transistors steuert. Eine weitere Schaltung, die für Schutz gegen eine Umkehrung der Versorgungsspannung sorgt, ist aus dem Dokument DE-A-39 30 091 bekannt. Jedoch verfügt die offenbarte Schaltung nur über einen einzelnen MOSFET.
Leistungs-MOSFETs werden wegen ihrer Eigenschaften kleiner Leistungsverluste, einer hohen Standhaltespannung und der Freiheit von Sekundärdurchschlägen in weitem Umfang für Spannungsschaltbauteile verwendet. Jedoch zeigen MOSFETs den Nachteil des Fehlens einer negativen Drain-Standhaltespannung, da zwischen dem Drain und der Source eine parasitäre Diode vorhanden ist. Als Gegenmaßnahme gegen diesen Nachteil wird, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A- Sho-55-9444 offenbart ist, die Source durch Kanalerzeugung (wird nachfolgend als "Körper" bezeichnet) gegen das Substratgebiet isoliert, und das Potenzial des Körpers wird auf Grundlage der Potenzialbeziehung für den Drain und die Source von außen so gesteuert, dass es dem Potenzial der Source oder des Drains entspricht.
Jedoch besteht bei dem oben genannten Stand der Technik ein Problem einer unzureichenden Verringerung des Widerstands des Leistungs-MOSFETs im eingeschalteten Zustand als Ergebnis des Verhinderns einer Miniaturisierung des Bauteils durch die Struktur, die die Source und den Körper trennt. Es besteht auch das Erfordernis einer externen Steuerung der Körperspannung abhängig von den Potenzialen der Source und des Drains.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET mit einer Negativgate-Schutzschaltung zu schaffen, wobei der MOSFET eine Miniaturisierung des Bauteils zum Verringern des Widerstand im eingeschalteten Zustand nicht verhindert, er aber dennoch eine negative Drain-Standhaltespannung aufweisen kann, ohne dass es erforderlich ist, die Körperspannung abhängig von den Potenzialen der Source und des Drains von außen zu steuern. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einchip-Halbleiterbauteil mit einem zusammengesetzten Leistungs-MOSFET mit einer Negativgate-Schutzschaltung und ein Batterieansteuerungssystem mit einer Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriespannung unter Verwendung des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zu schaffen.
Um die obigen Ziele zu erreichen, ist ein zusammengesetzter Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung im Anspruch 1 angegeben.
In Fig. 1 ist ein zusammengesetzter Leistungs-MOSFET mit einem ersten und einem zweiten MOSFET, d. h. Leistungs-MOSFETs 10 und 11, dargestellt, wobei die Drains der MOSFETs miteinander verbunden sind, die Source des ersten MOSFET als Sourceanschluss 0 verwendet ist, die Source des zweiten MOS- FET als Drainanschluss 2 verwendet ist und das Gate des ersten MOSFET als Gateanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET verwendet ist, der eine Einrichtung zur Negativspannungssteuerung, d. h. einen Spannungskomparator 50, der den zweiten MOSFET während der Periode, in der die Spannung am Drainanschluss negativ in Bezug auf die Spannung am Sourceanschluss ist, abschaltet, und eine Einrichtung zur Übertragung der Eingangsspannung, d. h. einen Spannungsüberträger 51, aufweist, der einen vom Drainanschluss über die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung zum Gateanschluss fließenden Strom sperrt und den zweiten MOSFET auf das an den Gateanschluss angelegte Eingangsspannungssignal hin einschaltet.
Gemäß der Erfindung verfügt die Negativspannung-Ansteuerungseinrichtung bei diesem zusammengesetzten Leistungs-MOS- FET über eine Erkennungseinrichtung zum Erkennen, dass die Spannung am Drainanschluss negativ in Bezug auf die Spannung am Sourceanschluss ist, und einen dritten MOSFET, d. h. einen MOSFET 12, der den zweiten MOSFET so ansteuert, dass er auf das Ausgangssignal der Erkennungseinrichtung hin abgeschaltet wird.
Die Erkennungseinrichtung besteht aus einer Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand, d. h. Widerständen 15 und 16, die zwischen den Drainanschluss 2 und dem Drain des zweiten MOSFET geschaltet sind, wobei der Knoten zwischen dem ersten und zweiten Widerstand mit dem Gate des dritten MOSFET verbunden ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
Alternativ kann die Erkennungseinrichtung aus einer Schaltungsanordnung aufgebaut sein, bei der der Widerstand 15 der Fig. 2 weggelassen ist und das Gate des dritten MOSFET über einen Widerstand 16, wie in der Fig. 3 dargestellt, angeschlossen ist oder es direkt mit dem Drain des zweiten MOS- FET verbunden ist.
Alternativ kann die Erkennungseinrichtung aus einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung bestehen, von denen jede eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und mindestens einer Diode ist, d. h. einer ersten Reihenschaltung aus einem Widerstand 22 und in Reihe geschalteten Dioden 20 sowie einer zweiten Reihenschaltung aus einem Widerstand 23 und in Reihe geschalteten Dioden 21, wobei die erste und die zweite Reihenschaltung in Reihe zwischen den Drainanschluss 2 und den Sourceanschluss 0 geschaltet sind und der Knoten zwischen der ersten und der zweiten Reihenschaltung mit dem Gate des dritten MOSFET verbunden ist, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist. Die Widerstandswerte der Widerstände der ersten und der zweiten Reihenschaltung können auf 0 gesetzt sein, d. h., sie können kurzgeschlossen sein.
Die Eingangsspannungs-Übertragungseinrichtung besteht vorzugsweise aus einer Reihenschaltung mit einem Widerstand, d. h. dem Widerstand 14 in der Fig. 2, und mindestens einer Diode, d. h. den vier seriellen Dioden 13 in Fig. 2, um einen vom Drainanschluss über die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung, d. h. die parasitäre Diode des MOSFET 12, zum Gateanschluss 1 fließenden Strom zu sperren, wobei die Reihenschaltung zwischen den Gateanschluss 1 und das Gate des zweiten MOSFET geschaltet ist.
Alternativ kann die Eingangsspannungs-Übertragungseinrichtung aus einem Widerstand, d. h. dem Widerstand 14, der zwischen den Gateanschluss 1 und das Gate des zweiten MOSFET geschaltet ist, und mindestens einer Diode, d. h. der Diode 13, bestehen, die zwischen den Widerstand und den Drain des dritten MOSFET geschaltet ist, um den vom Drainanschluss 2 über die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung zum Gateanschluss 1 fließenden Strom zu sperren, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist.
Die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung kann aus einer Erkennungseinrichtung zum Erkennen, dass die Spannung am Drainanschluss 2 negativ in Bezug auf die Spannung am Sourceanschluss 0 ist, und einer ersten Schalteinrichtung bestehen, die den zweiten MOSFET auf das Ausgangssignal der Erkennungseinrichtung hin so ansteuert, dass er abschaltet. In diesem Fall ist die Erkennungseinrichtung vorzugsweise mit einer ersten und einer zweiten Reihenschaltung versehen, von denen jede eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und mindestens einer Diode ist, d. h. einer ersten Reihenschaltung aus einem Widerstand 22 und in Reihe geschalteten Dioden 20 sowie einer zweiten Reihenschaltung aus einem Widerstand 23 und in Reihe geschalteten Dioden 21, wobei die erste und die zweite Reihenschaltung in Reihe zwischen den ersten Drainanschluss 2 und den Sourceanschluss 0 geschaltet sind und der Knoten zwischen der ersten und der zweiten Reihenschaltung mit dem Gate der ersten Schalteinrichtung verbunden ist, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Die Widerstandswerte der Widerstände der ersten und der zweiten Reihenschaltung können auf null gesetzt sein, d. h. sie können kurzgeschlossen sein.
Die erste Schalteinrichtung besteht aus einem vierten und einem fünften MOSFET, d. h. MOSFETs 12a und 12b, deren Sources miteinander verbunden sind, wobei der Drain des vierten MOSFET mit dem Gate des zweiten MOSFET verbunden ist, der Drain des fünften MOSFET mit dem Drainanschluss 2 verbunden ist und die Gates des vierten und fünften MOSFETs mit der Erkennungseinrichtung verbunden sind, d. h. sie mit dem Knoten zwischen der Reihenschaltung aus dem Widerstand 22 und den Dioden 20 und der Reihenschaltung des Widerstands 23 und der Dioden 21 verbunden sind, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist.
Vorzugsweise ist ferner eine zweite Schalteinrichtung, d. h. eine Schaltstufe SW&sub2;, vorhanden, die so arbeitet, dass sie beim Anlegen einer positiven Spannung an den Drainanschluss 2 einschaltet, um dadurch die erste Schalteinrichtung, d. h. die Schaltstufe SW&sub1;, abzuschalten, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. In diesem Fall ist die zweite Schalteinrichtung zwischen den Drain und das Gate des vierten MOSFET geschaltet, und sie besteht aus einem sechsten und einem siebten MOSFET, d. h. MOSFETs 23a und 23b, deren Sources miteinander verbunden sind und deren Gates miteinander und mit dem Drainanschluss 2 verbunden sind.
Vorzugsweise verfügt die zusammengesetzte Leistungs-MOSFET über einen Schwellenwert des zweiten MOSFET, der niedriger als derjenige des ersten MOSFET eingestellt ist.
Beim zusammengesetzten Leistungs-MOSFET kann die Drain- Source-Standhaltespannung des zweiten MOSFET niedriger als die Drain-Source-Standhaltespannung des ersten MOSFET eingestellt sein, so dass der Widerstand im eingeschalteten Zustand pro Einheitsfläche des zweiten MOSFET kleiner als der Widerstand im eingeschalteten Zustand pro Einheitsfläche des zweiten MOSFET ist.
Der erste, zweite und dritte MOSFET können mit Gateschutzdioden, d. h. Dioden 17, 18 bzw. 19, versehen sein, die zwischen das jeweilige Gate und die jeweilige Source geschaltet sind.
Mindestens eine Diode, d. h. die seriellen Dioden 171, kann zwischen den Gateanschluss 1 und den Sourceanschluss 0 geschaltet sein, um die fallende Spannung am Gateanschluss 1 dann zu klemmen, wenn an den Drainanschluss 2 eine negative Spannung angelegt wird, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist.
Ein beliebiger der oben genannten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs kann mit einer Überhitzungs-Schutzschaltung versehen sein, die über eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen der Temperatur des ersten MOSFET und eine Schaltung zum Erkennen, dass die erfasste Temperatur einen vorgegebenen Wert erreicht hat, d. h. einen Temperaturkomparator 55 mit seriellen Dioden 30 zur Temperaturerfassung, und eine Schaltung zum Begrenzen des Drainstroms des ersten MOSFET, d. h. einen Spannungsübertrager 54 zum Begrenzen der Gatespannung des Leistungs-MOSFET 10, wenn erkannt wird, dass die Temperatur den vorgegebenen Wert erreicht hat, wie es in der Fig. 9 dargestellt ist, aufweist. Außerdem kann er mit einer Überstrom-Schutzschaltung versehen sein, die eine Stromerfassungsschaltung, d. h. einen Stromkomparator 56, zum Erfassen des Drainstroms des ersten MOSFET sowie eine Schaltung, d. h. einen Spannungsübertrager 54, zum Begrenzen der Gatespannung des ersten MOSFET in solcher Weise, dass der Drainstrom einen vorgegebenen Strom nicht überschreitet, aufweisen. Außerdem kann er mit einer Überspannungs-Schutzschaltung, d. h. einem Spannungskomparator 53 versehen sein, der den ersten MOSFET einschaltet, wenn die Spannung am Drainanschluss 2 einen vorgegebenen Wert erreicht, so dass die Drainanschlussspannung die vorgegebene Spannung nicht überschreitet.
Der erste und der zweite MOSFET sind vorzugsweise als Vertikal-MOSFETs ausgebildet, die das Drainsubstrat, d. h. ein Halbleitersubstrat 10&sup0; aus n-Silicium mit niedrigem Widerstand, gemeinsam haben, wie es in der Fig. 10 dargestellt ist.
Die oben genannten Dioden und Widerstände können aus Schichten polykristallinen Siliciums bestehen und auf denselben Halbleiterchip wie die MOSFETs ausgebildet sein. Außerdem kann eine n-Diffusionsschicht 10³, die tiefer als die p-Diffusionsschicht 10&sup8; für den Körper des ersten MOSFET ist, zwischen dem ersten und dem zweiten MOSFET ausgebildet sein. Alternativ können eine n-Diffusionsschicht 111, die flacher als die p-Diffusionsschicht 10&sup8; für den Körper des ersten MOSFET ist, und eine Feldplatte, deren Potenzial auf das der flachen n-Diffusionsschicht 111 gesetzt ist, zwischen dem ersten und dem zweiten MOSFET ausgebildet sein, wie es in der Fig. 13 dargestellt ist. Außerdem kann die Fremdstoffkonzentration im Drainbereich unter dem zweiten MOSFET höher als die Fremdstoffkonzentration im Drainbereich unter dem ersten MOSFET sein, d. h., es kann eine vergrabene n-Schicht 10² hoher Dichte oder eine wannenförmige n-förmige Diffusionsschicht mit höherer Dichte als in der n-Epitaxieschicht 10¹ ausgebildet sein, wie es in der Fig. 11 dargestellt ist.
Die oben genannte Temperaturerfassungseinrichtung ist vorzugsweise auf dem aktiven Bereich ausgebildet, der an den Anschlussfleck 10&sup7; für den Sourceanschluss des ersten MOSFET angrenzt, wie es in der Fig. 14 dargestellt ist.
Die oben genannte Stromerfassungsschaltung kann auf demselben Halbleiterchip ausgebildet sein.
Auf dem aktiven Bereich 1004 des ersten MOSFET kann ein Anschlussfleck 1007 für den Sourceanschluss ausgebildet sein, und auf dem aktiven Bereich 1005 des zweiten MOSFET kann ein Anschlussfleck 1008 für den Drainanschluss ausgebildet sein, wie es in der Fig. 14 dargestellt ist.
Ein Halbleiterchip 1000, auf dem irgendeiner der oben genannten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs ausgebildet ist, ist vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht, das über eine Zuleitung 1003 für den Gateanschluss auf einer Seite des Halbleiterchips verfügt, die von derjenigen Seite des Halbleiterchips verschieden ist, an der Zuleitungen 1001 und 1002 für den Sourceanschluss und den Drainanschluss benachbart angeordnet sind, wie es in der Fig. 14 dargestellt ist. In diesem Fall ist es bevorzugter, dass das Gehäuse eine Metallschicht 10¹&sup4; zum Kurzschließen der Drains des ersten und zweiten MOSFETs aufweisen. Es kann ein Gehäuse verwendet werden, dessen Metallschicht 10¹&sup4; mit der Kühlrippe 10¹&sup5; verbunden ist.
Jeder der oben genannten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs kann dazu verwendet werden, ein Batterieansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen Batterieumpolung dadurch aufzubauen, dass eine Gateansteuerschaltung 81 mit dem Gateanschluss 1 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET verbunden wird und eine Batterie 82 und eine Last 84 zwischen den Drainanschluss 2 und dem Sourceanschluss 0 geschaltet werden, wie es in der Fig. 15 und der Fig. 16 dargestellt ist.
Beim zusammengesetzten Leistungs-MOSFET gemäß der Erfindung sind die Drains des ersten und des zweiten MOSFET miteinander verbunden, die Source des ersten MOSFET wird für den Sourceanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET verwendet und die Source des zweiten MOSFET wird für den Drainanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET verwendet, und demgemäß sind in den zwei MOSFETs vorhandenen Dioden zwischen die jeweiligen Drains und Sources mit zueinander entgegengesetzter Polarität geschaltet. Demgemäß kann der erfindungsgemäße Leistungs-MOSFET auf Grundlage der folgenden Anordnung und einer korrekten Ansteuerung Standhaltespannungen gegen positive und negative Spannungen zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss aufweisen. Genauer gesagt, wird das Gate des ersten MOSFET dem Gateanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET neu zugeordnet, eine Einrichtung zur Eingangsspannungsübertragung ist zwischen dem Gateanschluss und dem Gate des zweiten MOSFET vorhanden, und es ist eine Einrichtung zur Negativspannungssteuerung vorhanden, die die Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss oder die Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Drain des ersten MOSFET empfängt und das Ausgangssignal an das Gate des zweiten MOSFET liefert.
Wenn an den Drainanschluss dieses zusammengesetzten Leistungs-MOSFET eine positive Spannung angelegt wird und an den Gateanschluss eine Spannung über der Schwellenspannung angelegt wird, schaltet der erste MOSFET ein und der zweite MOS- FET schaltet mittels der Eingangsspannungs-Übertragungseinrichtung ebenfalls ein, was dafür sorgt, dass der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET normal einschaltet. Wenn das Potenzial am Gateanschluss auf null Volt gebracht wird, wird der auf der Seite des Sourceanschlusses liegende erste MOS- FET selbst dann eingeschaltet, wenn an den Drainanschluss eine positive Spannung angelegt wird, und es wird auch der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET abgeschaltet. Dabei arbeitet die Eingangsspannungs-Übertragungseinrichtung so, dass sie einen vom Drainanschluss über die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung zum Gateanschluss fließenden Strom sperrt.
Andererseits fließt, wenn an den Drainanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET eine negative Spannung angelegt wird, ein Strom durch die parasitäre Diode zwischen dem Drain und dem Körper des ersten MOSFET. Die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung, die eine durch diesen Strom hervorgerufene negative Spannung erfasst, führt eine solche Ansteuerung aus, dass sie das Gate des zweiten MOSFET sperrt, der sich auf der Seite des Drainanschlusses des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET befindet. Demgemäß sperrt der zweite MOSFET, wenn eine negative Spannung an den Drainanschluss angelegt wird, den Strom zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss, was dafür sorgt, dass der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET in einen Sperrzustand gelangt, und daher weist er eine Standhaltespannung gegen negative Spannungen auf.
Die Negativspannungssteuerungs-Einrichtung besteht aus einer Erkennungseinrichtung mit einer Reihenschaltung aus einem ersten und einem zweiten Widerstand, sowie einem dritten MOSFET, der den zweiten MOSFET so ansteuert, dass er auf das Ausgangssignal der Erkennungseinrichtung hin abschaltet. Die Erkennungseinrichtung arbeitet so, dass sie mittels der parasitären Diode des ersten MOSFET eine Spannung an den Sourceanschluss anlegt, oder eine Spannung, die durch einen durch die parasitäre Diode des ersten MOSFET fließenden Strom erzeugt wird, an das Gate des dritten MOSFET anlegt, wenn der Drainanschluss in Bezug auf den Sourceanschluss negativ wird, um dadurch den dritten MOSFET einzuschalten. Der durch die Anlegespannung der Erkennungseinrichtung eingeschaltete dritte MOSFET arbeitet so, dass er das Gate- Source-Potenzial des zweiten MOSFET niedriger als den Schwellenwert macht, um dadurch den zweiten MOSFET auszuschalten.
Die Spannung, bei der der fünfte MOSFET ausschaltet, der aus dem vierten und fünften MOSFET bestehenden ersten Schalteinrichtung wird durch die erste und die zweite Reihenschaltung eingestellt, wenn an den Drainanschluss eine positive Spannung in Bezug auf die Sourceanschlussspannung angelegt wird. Das Ausschalten des fünften MOSFET der ersten Schalteinrichtung ermöglicht eine Erhöhung der Standhaltespannung und eine Absenkung eines Leckstroms zwischen dem Drainanschluss und dem Gateanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOS- FET.
Ferner kann die zweite Schalteinrichtung, die dann einschaltet, wenn eine positive Spannung an den Drainanschluss angelegt wird, die erste Schalteinrichtung selbst dann sicher ausschalten, wenn das Potenzial zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss instabil ist, um dadurch eine Fehlfunktion der ersten Schalteinrichtung zu verhindern.
Durch Einstellen der zweiten Schwellenspannung des zweiten MOSFET unter der Schwellenspannung des ersten MOSFET ist es möglich, dass die Gatespannung des zweiten MOSFET, wie sie mittels der Eingangsspannungs-Übertragungseinrichtung vom Gateanschluss her geliefert wird, obwohl es auftritt, dass sie effektiv abfällt, den zweiten MOSFET ausreichend ansteuert, und demgemäß kann der Widerstand des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET im eingeschalteten Zustand abgesenkt werden.
Die zwischen der Gate und der Source des ersten, zweiten und dritten MOSFET vorhandenen Gateschutzdioden schützen den Gateoxidfilm vor Beschädigung, um dadurch die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Die Diode zum Klemmen der Gateanschlussspannung gegen ein Abfallen begrenzt den Spannungsabfall am Gateanschluss auf eine vorgegebene Spannung, wenn an den Drainanschluss eine negative Spannung angelegt wird und demgemäß kann eine Zerstörung der mit dem Gateanschluss verbundenen Gatesteuerschaltung verhindert werden.
Die Überhitzungs-Schutzschaltung und die Überstrom-Schutzschaltung arbeiten so, dass sie den Temperatur und den Strom des ersten MOSFET erfassen und die Gatespannung am ersten MOSFET so begrenzen, dass die vorgegebene Temperatur und der Strom nicht überschritten werden. Die Überspannungs-Schutzschaltung arbeitet so, dass sie die Drainanschlussspannung im abgeschalteten Zustand des zusammengesetzten Leistungs- MOSFET überwacht und diesen einschaltet, um die Drainanschlussspannung abzusenken, wenn die an den Drain angelegte Spannung die vorgegebene Spannung überschreitet.
Unter Verwendung eines vertikalen Leistungs-MOSFET mit doppelter Diffusion für den ersten und zweiten MOSFET und unter Verwendung eines Silicium-Halbleitersubstrats mit niedrigem Widerstand für das gemeinsame Drainsubstrat wird es möglich, die Verdrahtung zwischen den Drains des ersten und zweiten MOSFETs wegzulassen.
Unter Verwendung vertikaler Leistungs-MOSFET mit doppelter Diffusion für den ersten und zweiten MOSFET, unter Verwendung von Lateral-MOSFETs für den dritten MOSFET und andere Steuerungs-MOSFETs sowie unter Verwendung von Elementen aus polykristallinem Silicium für Dioden und Widerstände kann ein zusammengesetzter Leistungs-MOSFET auf einem Chip auf Grundlage des herkömmlichen Herstellprozesses für Leistungs- MOSFETs realisiert werden. Ferner verhindert eine zwischen dem ersten und dem zweiten MOSFET ausgebildete tiefe n-Diffusionsschicht, dass sich zwischen dem p-Körperbereich des ersten MOSFET und dem p-Körperbereich des zweiten MOSFET die Wirkung eines parasitären pnp-Transistor und die Wirkung eines parasitären Thyristors entfaltet. Im Ergebnis ist es möglich, eine Beeinträchtigung der Standhaltespannung und eine Verzögerung zu vermeiden, wie sie durch eine Ansammlung von Minoritätsladungsträgern zwischen dem Drain und der Source des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET hervorgerufen werden.
Wenn der Drainbereich niedriger Dichte unter dem zweiten MOSFET mit höherer Konzentration ausgebildet wird als der Drainbereich niedriger Dichte unter dem ersten MOSFET, ist es möglich, den Widerstand im eingeschalteten Zustand zu verringern, ohne dass die Standhaltespannung des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET beeinträchtigt wird.
Durch Ausbilden der Temperaturerfassungseinrichtung der Überhitzungs-Schutzschaltung auf dem aktiven Bereich angrenzend an den Anschlussfleck für den Sourceanschluss des ersten MOSFET, so dass sich diese Temperaturerfassungseinrichtung näher an der Position der höchsten Temperatur des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET im Fall eines Kurzschlusses der Last befindet, wird die Erfassungsempfindlichkeit verbessert, und es kann die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Durch Ausbilden des Anschlussflecks für den Sourceanschluss sowie des Anschlussflecks für den Drainanschluss auf den aktiven Bereichen des ersten bzw. zweiten MOSFET ist es möglich, das Erfordernis spezieller Anschlussfleckbereiche zu beseitigen, die über keine Transistorwirkung verfügen, und die Halbleitergebiete unter den Anschlussflecken wirkungsvoll als Gebiet mit Transistorwirkung zu verwenden, und demgemäß kann der Widerstand im eingeschalteten Zustand abgesenkt werden oder es kann die Chipfläche verkleinert werden.
Durch Verlängern der Gateanschlussleitung des Gehäuses in solcher Weise, dass sie entlang einer Seite des Chips verläuft, ist es möglich, die Dicke der Bonddrähte des Source- und des Drainanschlusses beim Versehen des Halbleiterchips des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET mit einem Gehäuse zu erhöhen und die Länge derselben zu verkürzen, und es ist auch möglich, mehr Drahtbonden zu vereinfachen.
Durch Positionieren des Halbleiterchips des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf einer leitenden Metallschicht, wenn ein Gehäuse angebracht wird, ist es möglich, den parasitären Widerstand zwischen den Drains des ersten und zweiten MOS- FETs zu senken und auch den Widerstand jedes MOSFET im eingeschalteten Zustand mittels einer gleichmäßigen Drainstromverteilung zu senken. Ferner ist es durch Verbinden der Metallschicht mit der Kühlrippe möglich, den Wärmewiderstand des Gehäuses zu senken.
Wenn ein Batterie-Ansteuerungssystem unter Verwendung irgendeines der oben genannten zusammengesetzten Leistungs- MOSFETs mit Negativgate-Schutzfunktion aufgebaut wird, ist es möglich, auf einfache Weise in Batterie-Ansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung zu realisieren, ohne dass ein Opfer hinsichtlich des Widerstands im eingeschalteten Zustand zu erbringen wäre.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das einen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET mit Negativgate-Schutzschaltung zeigt;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das die zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das die dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das die vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm, das die sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm, das die achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET zeigt;
Fig. 10 ist ein Schnittdiagramm, das eine Ausführungsform der Struktur der Hauptelemente zeigt, die den erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET bilden;
Fig. 11 ist ein Schnittdiagramm, das eine andere Ausführungsform der Struktur der Hauptelemente zeigt, die den erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET bilden;
Fig. 12 ist ein Schnittdiagramm, das noch eine andere Ausführungsform der Struktur der Hauptelemente zeigt, die den erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET bilden;
Fig. 13 ist ein Schnittdiagramm, das noch eine andere Ausführungsform der Struktur der Hauptelemente zeigt, die den erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET bilden;
Fig. 14 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform für die Gehäuseausbildung eines Halbleiterchips zeigt, an dem ein erfindungsgemäßer zusammengesetzter Leistungs-MOSFET ausgebildet ist;
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des Batterie-Ansteuerungssystems mit Schutzfunktion gegen Batterieumpolung zeigt, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET konfiguriert ist; und
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform des Batterie-Ansteuerungssystems mit Schutzfunktion gegen Batterieumpolung zeigt, das unter Verwendung eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET konfiguriert ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Nun werden einige bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
Die Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das einen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET mit Negativgate-Schutzschaltung zeigt. In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugssymbol 60 den zusammengesetzten Leistungs-MOSFET mit zwei Leistungs-MOSFETs 10 und 11, einem Spannungskomparator 15 und einem Spannungsübertrager 51. Die Drains der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 sind miteinander verbunden, die Source und das Gate des Leistungs-MOSFET 10 werden für den Sourceanschluss 0 bzw. den Gateanschluss 1 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 60 verwendet, und die Source des Leistungs-MOSFET 11 wird für den Drainanschluss 2 des zusammengesetzten Leistungs- MOSFET 60 verwendet. Der invertierte Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 ist mit einem Punkt a auf der Leitung zwischen den Drains der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 oder einem Punkt b auf der Leitung zum Sourceanschluss 0 verbunden, und sein nicht invertierender Eingangsanschluss ist mit dem Drainanschluss 2 verbunden, während sein Ausgangsanschluss mit dem Gate des Leistungs-MOSFET 11 verbunden ist. Der Leistungs-MOSFET 10 weist einen sehr niedrigen Widerstand im eingeschalteten Zustand von einigen zehn Milliohm auf, was zu einem sehr kleinen Spannungsabfall führt, während er im abgeschalteten Zustand, in dem eine Sperrspannung zwischen den Drain und die Source gelegt wird, eine sehr kleine Potentialdifferenz als Durchlassspannungs-Abfall über die parasitäre Diode hinweg aufweist, weswegen der Spannungskomparator 50 praktisch das Potenzial am Sourceanschluss 0 misst, obwohl der invertierende Eingangsanschluss mit dem Punkt a verbunden ist. Der Eingang des Spannungsübertragers 51 ist mit dem Gateanschluss 1 verbunden, und sein Ausgang ist mit dem Gate des Leistungs-MOSFET 11 verbunden. Die Sources der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 sind mit ihren eigenen Körpern verbunden.
Der auf die oben beschriebene Weise aufgebaute zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 60 arbeitet auf die folgende Weise. Wenn am Gateanschluss 1 des zusammengesetzten Leistungs-MOS- FET 60 0 Volt liegen, befindet sich der Leistungs-MOSFET 10 im abgeschalteten Zustand und der Schaltkreis zwischen dem Drainanschluss 2 und dem Sourceanschluss 0 ist offen. Dabei arbeitet der Spannungsübertrager 51 so, dass er einen vom Drainanschluss 2 zum Gateanschluss 1 über den Spannungskomparator 50 fließenden Leckstrom sperrt oder begrenzt. Wenn der Gateanschluss 1 hohes Potenzial erhält, schaltet der Leistungs-MOSFET 10 ein. Dabei erhält auch der Leistungs- MOSFET 11 über den Spannungsübertrager 51 eine hohe Gatespannung, und er schaltet ein, und demgemäß tritt der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 60 in den eingeschalteten Zustand ein. Wenn der Drainanschluss 2 negatives Potenzial aufweist, d. h., wenn die Spannung am Drainanschluss 2 niedriger als die Spannung am Sourceanschluss 0 ist, steuert der Spannungskomparator 50 den Leistungs-MOSFET 11 so an, dass er abschaltet. Demgemäß wird auch im Fall eines Drainanschlusses 2 mit negativem Potenzial der vom Sourceanschluss 0 zum Drainanschluss 2 fließende Strom durch den Leistungs-MOSFET 11 gesperrt, und der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 60 weist eine Drain-Standhaltespannung auf. Wenn die Spannung zwischen dem Drainanschluss 2 und dem Sourceanschluss 0 in positiver Richtung erhöht wird, kommt es zu einer Erhöhung des Ausgangssignals des Spannungskomparators 50 immer in positiver Richtung.
Im herkömmlichen Fall der Verwendung alleine des Leistungs- MOSFET 10, führt ein Abfallen der Drainspannung um ungefähr 5 V oder mehr relativ zur Sourcespannung dazu, dass durch das Vorliegen einer parasitären Diode zwischen dem Drain und dem Körper ein übermäßiger Strom fließt, was zu einer Zerstörung durch Überhitzung führt, wohingegen der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET dieses Beispiels eine Zerstörung durch Überhitzung dadurch verhindern kann, dass für eine Standhaltespannung gegen eine negative Spannung gesorgt ist. Obwohl der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET auf Grund der Verwendung zweier üblicher Leistungs-MOSFETs einen höheren Widerstand im eingeschalteten Zustand aufweist, arbeitet er als Leistungs-MOSFET mit Negativgate-Schutzschaltung, wodurch er selbst dann nicht zerstört wird, wenn, wie oben angegeben, eine negative Spannung an den Drain angelegt wird. Der Leistungs-MOSFET verfügt auch über keine Source-Körper- Isolierung wie im Fall des bereits genannten bekannten Bauteils, was eine Miniaturisierung der Zellen von Leistungs- MOSFETs ermöglicht, und eine Verringerung der Chipgröße sowie eine Verringerung des Widerstands im eingeschalteten Zustand können leichter als im Fall einer Source-Körper-Isolierung erzielt werden. <

Ausführungsform 1>

Fig. 2 ist ein Schaltbild, das eine Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 2 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen des in der Fig. 1 dargestellten Beispiels identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen.
In der Fig. 2 beinhaltet der zusammengesetzte Leistungs-MOS- FET 61 Leistungs-MOSFETs 10 und 11 mit einer Drain-Standhaltespannung von 60 V und einem Widerstand im eingeschalteten Zustand von 50 mΩ (die Drain-Standhaltespannung kann für den Leistungs-MOSFET 11 30 V betragen), und ein MOSFET 12 weist eine Drain-Standhaltespannung von 20 V auf. Die Drains der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 sind miteinander verbunden, die Source und das Gate des Leistungs-MOSFET 10 sind für den Sourceanschluss 0 bzw. den Gateanschluss 1 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 61 verwendet, und die Source des Leistungs-MOSFET 11 ist für den Drainanschluss 2 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 61 verbunden. Diese Ausführungsform ist ein spezielles Beispiel für eine Schaltungsanordnung dann, wenn der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt a in der Schaltungsanordnung der Fig. 1 verbunden ist.
Die Source des MOSFETs 12 ist mit dem Drainanschluss 2 verbunden, und seine Source ist mit dem Gate des Leistungs-MOS- FET 11 und auch über eine Reihenschaltung serieller Dioden 13 und eines Widerstands 14 von 2 kΩ mit dem Gateanschluss 1 verbunden. Der Gate des MOSFET 12 ist über einen Widerstand 15 von 10 kΩ mit dem Anschluss 2 verbunden, und er ist auch über einen Widerstand 16 von 5 kΩ mit dem Drain des Leistungs-MOSFET 11 verbunden. Wenn der parasitäre Widerstand der seriellen Diode 13 ausreichend groß ist, um hinsichtlich der Durchlassstrom-Charakteristik mit dem Widerstand 14 vergleichbar zu werden, kann der Widerstand 14 weggelassen werden.
Die Leistungs-MOSFET 10 und 11 sowie der MOSFET 12 sind mit Schutzdioden 17, 18 bzw. 19 versehen, die zwischen ihr Gate und ihre Source geschaltet sind. Diese Dioden weisen eine Standhaltespannung von ±20 V auf. Bei dieser Ausführungsform sind die seriellen Dioden 13 vier in Reihe geschaltete Dioden mit jeweils einer Standhaltespannung von 10 V. Diese Dioden können durch eine einzelne Diode mit einer Standhaltespannung von z. B. 40 V ersetzt werden. Die Sources der MOS- FETs 10, 11 und 12 sind mit ihren eigenen Körpern verbunden. Der MOSFET 12 und die Widerstände 15 und 16 bilden einen Spannungskomparator 50, und die seriellen Dioden 13 und der Widerstand 14 bilden einen Spannungsübertrager 51. Nachfolgend wird der Betrieb des auf die oben beschriebene Weise aufgebauten zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 61 erläutert.
Wenn an den Gateanschluss 1 eine positive Spannung (z. B. 10 V) angelegt wird, schalten die beiden Leistungs-MOSFETs 10 und 11 ein, und der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 61 weist einen Widerstand im eingeschalteten Zustand von 10&sup0; mΩ auf. Dabei weist der Leistungs-MOSFET 10 einen niedrigen Widerstand im eingeschalteten Zustand von 50 mΩ auf, weswegen seine Drainspannung niedrig ist. Die Drain-Source-Spannung des Leistungs-MOSFET 11 wird durch die Widerstände 15 und 16 geteilt und dann an das Gate des MOSFET 12 angelegt. Jedoch ist der MOSFET 12 abgeschaltet, da auch der Leistungs-MOSFET 11 einen niedrigen Widerstand im eingeschalteten Zustand von 50 mΩ aufweist. Demgemäß wird ein Leckstrom vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 gesperrt. Entsprechend befindet sich der MOSFET 12, wenn die Leistungs-MOSFETs 10 und 11 eingeschaltet sind, automatisch im abgeschalteten Zustand, ohne dass ein externes Signal angelegt wird.
Wenn der Gateanschluss 1 auf null Volt gebracht wird, schaltet der Leistungs-MOSFET 10 ab, und der Drainanschluss 2 und der Sourceanschluss 0 sind nichtleitende, obwohl sich der Drainanschluss 2 auf hohem Potenzial befindet. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 61 dieser Ausführungsform weist eine positive Drain-Standhaltespannung auf, die durch die Drain-Standhaltespannung des Leistungs-MOSFET 10 bestimmt ist, und sie beträgt 60 V. Jedoch bricht die Diode 13 durch, wenn die Drainanschlussspannung VDD höher als die Standhaltespannung BV&sub1;&sub3; (40 V) der seriellen Dioden 13 wird, und vom Drainanschluss 2 fließt ein durch die folgende Formel wiedergegebener Leckstrom zum Gateanschluss 1. Die Widerstandswerte der Widerstände 14, 15 und 16 sind in der Formel mit R&sub0;, R&sub1; und R&sub2; bezeichnet.
(VDD - BV&sub1;&sub3; - Vf12)/R&sub0; ≤ 10 mA (1)
wobei Vfl2 der Durchlassspannungsabfall der Diode zwischen dem Drain und dem Körper des MOSFET 12 ist. Der Ausdruck (1) zeigt, dass dann, wenn die Standhaltespannung der seriellen Dioden 13 niedriger als die Drainstandhaltespannung des Leistungs-MOSFET 10 ist, der Leckstrom vom Drainanschluss 2 zum Gateanschluss 1 dadurch gesenkt werden kann, dass der Widerstandswert R&sub0; des Widerstands 14 geeignet gewählt wird. Durch Anschließen der seriellen Dioden 13 zwischen den Gateanschluss 1 und den Drain des MOSFET 12 wird zwischen den Drainanschluss und dem Gateanschluss des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 61 eine Standhaltespannung erzielt, die zumindest mit derjenigen der seriellen Dioden 13 vergleichbar ist.
Wenn die Spannung VDD am Drainanschluss 2 negativ wird, fließt ein durch die folgende Formel wiedergegebener Strom vom Sourceanschluss 0 über die Drain-Körper-Diode des Leistungs-MOSFET 10 (mit einem Durchlassspannungsabfall VflO) und die Widerstände 15 und 16 zum Drainanschluss 2.
(-VDD - Vf10)/(R&sub1;+R&sub2;) ≤ 2 mA (2)
Der durch den Widerstand 15 fließende Strom gemäß dem Ausdruck (2) erzeugt eine Spannung, durch die der MOSFET 12 automatisch eingeschaltet wird, ohne dass ein externes Signal angelegt wird, was dafür sorgt, dass der Leistungs-MOSFET 11 abschaltet. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 61 dieses Ausführungsbeispiels weist eine negative Drain-Standhaltespannung auf, die aus der Gate-Source-Standhaltespannung des MOSFETs 12 bestimmt ist. Beim obigen speziellen Beispiel, bei dem Gate-Source-Schutzdiode 19 des MOSFET 12 eine Standhaltespannung von -20 V aufweist, entspricht die negative Drain-Standhaltespannung diesem Wert multipliziert mit (R&sub1; + R&sub2;)/R&sub1; (= 1,5), was -30 V ergibt. Vom Gateanschluss 1 fließt über den Widerstand 14 ein näherungsweise durch die folgende Formel wiedergegebener Strom zum Drainanschluss 2.
(VGS - VDD - Vf13)/(R&sub0; + R0N12) (3)
wobei R0N12 der Widerstand des MOSFET 12 im eingeschalteten Zustand ist. Gemäß dem Ausdruck (3) weist der vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 fließende Strom eine Obergrenze von ungefähr 15 mA auf, wenn die Spannung VGS zwischen dem Gateanschluss 1 und dem Sourceanschluss 0 einen Wert von 0 V aufweist, oder er beträgt ungefähr 25 mA, wenn VGS 20 V beträgt" Demgemäß wird das Bauteil selbst dann nicht durch Überhitzung zerstört, wenn an den Drainanschluss 2 eine Spannung von bis zu -30 V angelegt wird. Das heißt, dass der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 61 dieser Ausführungsform eine positive Drain-Standhaltespannung von 60 V und eine negative Drain-Standhaltespannung von -30 V erzielt. Die Grundlage der obigen Berechnung, bei der angenommen ist, dass die negative Drainspannung niedriger als ungefähr die Hälfte der positiven Drainspannung ist, besteht darin, dass zwischen dem Drain und der Source der Leistungs- MOSFETs keine hohe Spannung anliegt, wenn die Batterie versehentlich falsch herum angeschlossen wird. Das Berechnungsergebnis zeigt die Wirksamkeit des Verhinderns einer Zerstörung selbst im Fall des umgekehrten Anschließens einer Batterie von 12 V oder 24 V zwischen dem Drain und der Source des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 61. Der Ausdruck (3) zeigt, dass der Widerstand 14 dahingehend wirkt, den Strom vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 zu senken, wenn die Spannung am Drainanschluss 2 negativ wird.
Obwohl der Schwellenwert des Leistungs-MOSFET 11 dem Schwellenwert des Leistungs-MOSFET 10 gleichgesetzt ist, wird die den Leistungs-MOSFET 11 ansteuernde Gatespannung durch die seriellen Dioden 13 wirkungsvoll abgesenkt, weswegen sie wünschenswerterweise niedriger als der Schwellenwert des Leistungs-MOSFET 10 ist, um den Widerstand des Leistungs- MOSFETs im eingeschalteten Zustand abzusenken. Die bei der obigen Erläuterung der Ausführungsform verwendeten Werte für den Widerstand, die Standhaltespannung, den Widerstand im eingeschalteten Zustand usw. sind nur Beispiele, und es ist offensichtlich keine Einschränkung auf diese Werte beabsichtigt.
Im Fall des Erzeugens einer negativen Drain-Standhaltespannung durch Isolieren der Source vom Körper und durch Schalten der Körperspannung auf Grundlage eines externen Steuerungssignals abhängig von der Potenzialbeziehung hinsichtlich der Source und des Drains, wie für den Stand der Technik erläutert, nimmt die Chipgröße deutlich zu, und es ist schwierig, eine Miniaturisierung eines Bauteils im Vergleich zu üblichen Leistungs-MOSFETs auszuführen, bei denen die Source und der Körper miteinander verbunden sind. Dagegen muss bei einem zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung kein externes Steuerungssignal empfangen werden, während er automatisch eine negative Drain-Standhaltespannung aufweisen kann. Dieser zusammengesetzte Leistungs-MOSFET verwendet übliche Leistungs-MOSFETs, deren Source und Körper miteinander verbunden sind, weswegen es möglich ist, die Chipgröße weiter zu verringern, ohne den Widerstand im eingeschalteten Zustand auf Grund des Herstellprozesses zur Miniaturisierung des Bauteils zu senken.

< Ausführungsform 2>

Die Fig. 3 ist ein Schaltbild, das eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 3 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 62 dieser Ausführungsform unterscheidet sich vom zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 61 der ersten Ausführungsform im Weglassen des Widerstands 15 zur Vereinfachung. Diese Ausführungsform ist der Fall der Schaltungsanordnung der Fig. 1, wobei der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt a verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform liegt auf Grund des Fehlens des Widerstands 15 eine höhere Spannung in Bezug auf den Fall bei der ersten Ausführungsform am Gate des MOSFET 12 an, wenn der Drainanschluss 2 auf negativ geht. Demgemäß besteht der Effekt einer Verbesserung der Fähigkeit, den Leistungs- MOSFET 11 abzuschalten. Nachdem die Diode 19 durch ein Abfallen des Drainanschlusses 2 einen Durchbruch erlitt, fließt ein durch den folgenden Ausdruck (4) fließender Durchbruchstrom I&sub1;&sub9; durch den Widerstand 16, wodurch für eine Standhaltespannung für den Pfad aus der Diode 19 und dem Widerstand 16 gesorgt ist.
I&sub1;&sub9; = (-VDD - Vf10 - BV&sub1;&sub9;)/R&sub2; (4)
wobei BV&sub1;&sub9; die Standhaltespannung der Diode 19 ist. Wenn I&sub1;&sub9; denselben Maximalwert von 2 mA wie bei der ersten Ausführungsform aufweist, weist der aus der Diode 19 und dem Widerstand 16 bestehende Pfad dieselbe Standhaltespannung von 30 V wie bei der ersten Ausführungsform auf. Demgemäß schaltet der MOSFET 12 automatisch ein, ohne dass ein externes Signal anzulegen wäre, wenn der Drainanschluss auf negativ geht und es kann für eine negative Standhaltespannung für den zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 62 gesorgt werden.
Wenn keine negative Standhaltespannung über der Standhaltespannung der Diode 19 erforderlich ist, wenn der Drainanschluss 2 auf negativ geht, können das Gate des MOSFET 12 und die Drains der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 unmittelbar durch Kurzschließen des Widerstands 16 verbunden werden.

< Ausführungsform 3>

Die Fig. 4 ist ein Schaltbild, das eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 4 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 3 dargestellte zweiten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 63 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform in der Verbindung des Gates des Leistungs-MOSFET 11 mit dem Knoten zwischen den seriellen Dioden 13 und dem Widerstand 14. Diese Ausführungsform ist der Fall der Schaltungsanordnung der Fig. 1, wobei der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt a verbunden ist.
Auch bei dieser Ausführungsform gelten die in Zusammenhang mit der ersten und zweiten Ausführungsform erläuterten Ausdrücke (1), (2) und (4). Bei der Anordnung dieser Ausführungsform sorgt ein Erhöhen der Anzahl der Dioden der seriellen Dioden 13 dafür, dass der Leistungs-MOSFET 11 schwer abschaltet, wenn der Drainanschluss 2 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 63 auf negativ geht, während die Spannungsübertragung vom Gateanschluss 1 zum Gate des Leistungs-MOS- FET 11 beschleunigt ist und der Spannungsabfall der Gatespannung am MOSFET 11 verringert ist. Diesbezüglich ist es von Vorteil, über die Funktion einer schnellen Ansteuerung mit niedriger Gatespannung im Vergleich zum Fall der zweiten Ausführungsform zu verfügen. Demgemäß werden die Anzahl der Dioden der seriellen Diode 13 und der Anschlusspunkt unter Berücksichtigung dieser Qualitäten bestimmt. In der Fig. 4 ist der Fall dargestellt, dass die serielle Diode 13 aus einer einzelnen Diode besteht. Wenn keine negative Standhaltespannung über der Standhaltespannung der Diode 19 benötigt wird, wenn der Drainanschluss 2 auf negativ geht, kann der Widerstand 16 wie im Fall der zweiten Ausführungsform kurzgeschlossen werden.

< Ausführungsform 4>

Die Fig. 5 ist ein Schaltbild, das noch eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 5 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 64 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der Anordnung der ersten Ausführungsform im Anschluss des Gates des MOSFET 12 an den Drainanschluss 2 mit seiner Reihenschaltung aus Dioden 20 und einem Widerstand 22 sowie mit dem Sourceanschluss 0 mittels einer Reihenschaltung aus einem Widerstand 23 und seriellen Dioden 21. Diese Ausführungsform ist der Fall der Schaltungsanordnung der Fig. 1, wobei der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt b verbunden ist.
Beim zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 64 dieser Anordnung sind serielle Dioden 20 und 21 vorhanden, um für eine positive Standhaltespannung des Drainanschlusses 2 zu sorgen, und es ist ein Widerstand 23 vorhanden, um die negative Standhaltespannung des Drainanschlusses 2 höher als die Gate-Source-Standhaltespannung des MOSFET 12 zu machen. Ein Widerstand 22 ist vorhanden, um den MOSFET 12 dann einzuschalten, wenn der Drainanschluss 2 auf negativ geht, damit der Leckstrom vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 abnimmt. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 64 dieser Ausführungsform ist genauso wirksam wie die Ausführungsform der Fig. 2. Die Reihenschaltung des Widerstands 22 und der Dioden 20 kann weggelassen werden, wenn es nicht erforderlich ist, den MOSFET 12 unmittelbar abzuschalten, um den vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 fließenden Strom schnell zu verringern, wenn der Drainanschluss 2 praktisch dasselbe Potenzial wie der Sourceanschluss 0 erhält, wenn der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 64 eingeschaltet wird, und der Widerstand 23 kann kurzgeschlossen werden, wenn die seriellen Dioden 21 eine ausreichend hohe Standhaltespannung aufweisen. Außerdem können die seriellen Dioden 21 der Fig. 5 aus einer einzelnen Diode bestehen, und die Dioden 21 können mit einem Nebenschluss angeschlossen sein, wenn ihre Standhaltespannung ausreichend hoch ist. <

Ausführungsform 5>

Die Fig. 6 ist ein Schaltbild, das noch eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 6 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 5 dargestellten vierten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 65 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform im Anschluss einer Schaltstufe SW&sub1; aus MOSFETs 12a und 12b, deren Sources miteinander verbunden sind und deren Gates miteinander verbunden sind, an Stelle des MOSFET 12, sowie im Anschluss einer Schaltstufe SW&sub2; aus MOSFETs 23a und 23b zwischen dem Drain und dem Gate des MOSFET 12a, deren Sources miteinander verbunden sind und deren Gates miteinander und mit dem Drainanschluss 2 verbunden sind. Diese Ausführungsform entspricht dem Fall der Schaltungsanordnung der Fig. 1, bei der der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt b verbunden ist.
Beim zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 65 dieser Anordnung sind die Werte der Widerstände 22 und 23 sowie die Anordnung der seriellen Dioden 20 und 21 so gewählt, dass die Schaltstufe SW&sub1; abgeschaltet ist, wenn der Gateanschluss 1 und der Drainanschluss 2 auf null Volt bzw. hohem Potenzial liegen. Die Schaltstufe SW&sub2; schaltet dann ein, wenn der Drainanschluss 2 auf hohem Potenzial liegt, was dafür sorgt, dass der MOSFET 12b der Schaltstufe SW&sub1; eine Gate-Source-Spannung unter dem Schwellenwert aufweist, so dass die Schaltstufe SW&sub1; sicher abschalten kann. Demgemäß kann die Schaltstufe SW&sub1; selbst dann sicher abschalten, wenn das Potenzial zwischen dem Drainanschluss 2 und dem Sourceanschluss 0 so instabil ist, dass eine Fehlfunktion hervorgerufen wird. Durch das Abschalten der Schaltstufe SW&sub1; kann die Standhaltespannung zwischen dem Drainanschluss 2 und dem Gateanschluss 1 entsprechend dem Ausmaß der Drain-Source-Standhaltespannung des MOSFET 12b, d. h. in diesem Fall um ungefähr 20 V, in Bezug auf den Fall erhöht werden, dass nur die Durchlassspannung der parasitären Diode des MOSFET 12 bei der vierten Ausführungsform, und es ist möglich, die Anzahl der Dioden der seriellen Dioden 13 auf zwei zu verringern, um dadurch eine schnelle Ansteuerung mit niedriger Spannung zu erzielen.
Wenn eine negative Spannung an den Drainanschluss 2 angelegt wird, schaltet die Schaltstufe SW&sub1; ein und die Schaltstufe SW&sub2; schaltet ab, was dafür sorgt, dass der Leistungs-MOSFET abschaltet, um dadurch einen vom Drainanschluss 2 zum Sourceanschluss 0 fließenden Strom zu sperren, und es wird für eine negative Standhaltespannung des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 65 gesorgt. Obwohl bei dieser Ausführungsform bei jeder der Schaltstufen SW&sub1; und SW&sub2; des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 65 die Sources der MOSFETs miteinander verbunden sind, können statt dessen ihre Drains miteinander verbunden sein, um dieselbe Wirkung zu erzielen. Die Reihenschaltung aus dem Widerstand 22 und den Dioden 20 kann weggelassen werden, wenn es nicht erforderlich ist, die Schaltstufen SW&sub1; unmittelbar abzuschalten, um den vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 fließenden Strom schnell zu verringern, wenn der Drainanschluss 2 praktisch dasselbe Potenzial wie der Sourceanschluss 0 erhält, wenn der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 65 dieser Ausführungsform eingeschaltet wird, und der Widerstand 23 kann kurzgeschlossen werden, wenn die seriellen Dioden 21 eine ausreichend hohe Standhaltespannung aufweisen, wie bei der vierten Ausführungsform. Außerdem können die seriellen Dioden 21 aus einer einzelnen Diode bestehen, wenn ihre Standhaltespannung ausreichend hoch ist und die Schaltstufen SW&sub1; auf die oben genannte Weise arbeiten können.

< Ausführungsform 6>

Die Fig. 7 ist ein Schaltbild, das noch eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 7 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 66 dieser Ausführungsform unterscheidet sich in der Anbringung einer Diode 131 mit pn- Übergang, die für eine Standhaltespannung von 60 V sorgt und die über neu vorhandene Anschlüsse 4 und 5 an Stelle der seriellen Dioden 13 angeschlossen ist und im Anschluss serieller Dioden 171 an Stelle der Schutzdiode 17. Diese Ausführungsform entspricht dem Fall der Schaltungsanordnung der Fig. 1, bei der der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt a verbunden ist.
Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 66 dieser Schaltungsanordnung ist auf zwei Chips integriert, mit einem Chip für die Diode 131 und einem Chip für den durch die gestrichelte Linie in Fig. 7 umschlossenen Schaltungsabschnitt, im Gegensatz zu den vorangegangenen Ausführungsformen 1 bis 5, die auf einem Chip integriert werden können. Als Ausgleich für den zusätzlichen Chip für die Diode 131 ist es bei dieser Ausführungsform möglich, die Gatespannung am Gateanschluss 1 mit kleinerem Spannungsabfall als bei den anderen Ausführungsformen an den Leistungs-MOSFET 11 anzulegen. Demgemäß ist dies von Wirkung, um den Widerstand des Leistungs-MOSFET 11 im eingeschalteten Zustand zu senken. Selbstverständlich ist es möglich, die Diode 131 dieser Ausführungsform im selben Gehäuse unterzubringen, so dass eine Verwendung als 3- poliger zusammengesetzter Leistungs-MOSFET 66 möglich ist, ähnlich wie bei den anderen Ausführungsformen. In diesem Fall können Bondanschlussflecke für die Anschlüsse 3 und 4 auf dem Chip ausgebildet werden, um ein Anschließen mit Bonddrähten zu ermöglichen. Die für die Gateschutzdiode des Leistungs-MOSFET 10 verwendeten seriellen Dioden 171 enthalten keinen Teil zum Bereitstellen einer negativen Standhaltespannung, im Vergleich mit der bei den Ausführungsformen 1 bis 5 verwendeten Schutzdiode 17, was aus dem folgenden Grund der Fall ist. Wenn eine negative Spannung von -30 V an den Drainanschluss 2 angelegt wird, fließt ausgehend vom Gateanschluss 1 ein Strom von ungefähr 15 mA, wie es im Zusammenhang mit der in der Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsform erläutert wurde. Wenn jedoch die mit dem Gateanschluss 1 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 66 verbundene Gateansteuerschaltung (nicht dargestellt) kein Stromliefervermögen von 15 mA oder mehr aufweist, geht die an den Drainanschluss 2 angelegte Drainspannung auf negativ und die Ausgangsspannung der Drainansteuerschaltung fällt ab, was möglicherweise, im ungünstigsten Fall, zu einer Zerstörung der Gateansteuerschaltung führt. Deswegen werden, um die Gateansteuerschaltung zu schützen, die mit dem Gateanschluss 1 verbunden ist, um die Spannung am Gateanschluss 1 auf ungefähr -1 V zu klemmen, wenn die Spannung am Drainanschluss 2 auf negativ geht, die seriellen Dioden 121 verwendet, in denen der Teil zum Bereitstellen der negativen Gate-Standhaltespannung für die Gateschutzdiode des Leistungs-MOSFET 10 weggelassen ist. Diese Ausführungsform sorgt ebenfalls für eine negative Drain-Standhaltespannung, und sie zeigt dieselbe Wirkung wie die erste Ausführungsform. Hinsichtlich der Widerstände 15 und 16 kann der Widerstand 15 weggelassen werden und der Widerstand 16 kann kurzgeschlossen werden, was für dieselben Fälle gilt, wie sie in Zusammenhang mit der zweiten und dritten Ausführungform erläutert wurden. Der Widerstand 14 kann weggelassen werden, wenn die extern angeschlossene Diode 131 einen Widerstandswert vergleichbar mit dem des Widerstands 14 aufweist, wie es in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläutert wurde.

< Ausführungsform 7>

Die Fig. 8 ist ein Blockschaltbild, das noch eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. In der Fig. 8 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen des in der Fig. 1 dargestellten Beispiels identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 70 dieser Ausführungsform soll die Zuverlässigkeit der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 60 bis 66 dadurch verbessern, dass er über eine Überhitzungs-Schutzschaltung, eine Überstrom- Schutzschaltung und eine Überspannungs-Schutzschaltung verfügt. Das Schaltbild unterscheidet sich vom Blockschaltbild der Fig. 1 in der Unterteilung des Leistungs-MOSFET 10 in Leistungs-MOSFETs 10a und 10b, der Verwendung der Source des Leistungs-MOSFET 10a für den Sourceanschluss 0 und de zusätzlichen Anbringung eines Spannungskomparators 53, eines Spannungsübertragers 54, eines Temperaturkomparators 55 und eines Stromkomparators 56. Die Skalierung des Leistungs-MOS- FET 10b entspricht 1/k des Leistungs-MOSFET 10a.
Der Spannungsübertrager 54 ist zwischen den Knoten der Gates der Leistungs-MOSFETs 10a und 10b und dem Spannungsübertrager 54 und dem Gateanschluss 1 geschaltet, und die Ausgangssignale des Spannungskomparators 53, des Temperaturkomparators 55 und des Stromkomparators 56 werden an den Spannungsübertrager 54 geliefert. Der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 ist mit dem Punkt a auf der Leitung der Drains der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 oder mit dem Punkt b auf der Leitung zum Sourceanschluss 0 verbunden, und sein Ausgang ist mit dem Gate des Leistungs-MOSFET 11 verbunden.
Der Spannungsübertrager 54 arbeitet so, dass er zwischen den Gateanschluss 1 und den Gates der Leistungs-MOSFETs 10a und 10b während des Betriebs des Temperaturkomparators 55 und des Stromkomparators 56 einen Spannungsabfall erzeugt, neben der Funktion des Übertragenes der Gatespannung am Gateanschluss 1 an die nächste Stufe.
Der Temperaturkomparator 55 arbeitet so, dass er die Chiptemperatur überwacht, insbesondere die Chiptemperatur Tchip des Gebiets mit dem Leistungs-MOSFET 10a, um den Leistungs- MOSFET 10a und damit den Drainstrom IDS abzuschalten, wenn die Chiptemperatur Tchip die kritische Temperatur Tmax erreicht hat, wodurch eine Wirkung als Überhitzungs-Schutzschaltung zum Unterdrücken eines Anstiegs der Chiptemperatur besteht. Der Stromkomparator 56 vergleicht den Wert 1/k des zum Sourceanschluss 0 fließenden Drainstroms IDS mit dem Wert 1/k des maximalen Drainstroms IDSmax, um dadurch als Überstrom-Schutzschaltung zu arbeiten, die den Drainstrom IDS unter dem maximalen Drainstrom IDSmax einstellt. Der Spannungskomparator 53 überwacht die Spannung VDD am Drainanschluss 2 im abgeschalteten Zustand des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 70, und er erhöht die Gatespannung zum Einschalten des Leistungs-MOSFET 10, wenn die Drainanschlussspannung VDD die vorgegebenen Maximaldrainspannung VDDmax überschreitet, um dadurch als Überspannungs-Schutzschaltung zu arbeiten, die verhindert, dass die Spannung am Drainanschluss 2 die vorgegebene Spannung überschreitet. Diese Schutzschaltungen arbeiten so, dass der Leistungs-MOSFET 10 den zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 70 schützt. Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 70 dieser Ausführungsform sorgt in offensichtlicher Weise für eine negative Drain- Standhaltespannung.

< Ausführungsform 8>

Die Fig. 9 ist ein Blockschaltbild, das noch eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Hinsichtlich der Fig. 9 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 8 dargestellten siebten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. In der Fig. 9 ist ein spezielles Beispiel der Schaltunganordnung des in der Fig. 8 dargestellten Blockdiagramm dargestellt.
Im zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 71 dieser Ausführungsform besteht der Spannungskomparator 50 aus einem MOSFET 12, wobei eine Schutzdiode 12 zwischen das Gate und die Source geschaltet ist, und diese Schaltungsanordnung entspricht dem Fall der Schaltungsanordnung der Fig. 8, wobei der invertierende Eingangsanschluss des Spannungskomparators 50 mit dem Punkt a verbunden ist. Wenn keine negative Standhaltespannung über der Standhaltespannung der Diode 19 benötigt wird, kann der Widerstand 16 kurzgeschlossen werden. Der Spannungsübertrager 51 besteht aus einer Reihenschaltung serieller Dioden 13 und eines Widerstands 14, der Spannungskomparator 53 besteht aus seriellen Dioden 28 und seriellen Dioden 29, und der Spannungsübertrager 54 besteht aus einem Widerstand 34. Die seriellen Dioden 28 wirken als Überspannungs-Schutzdiode, die den Leistungs-MOSFET 10 einschaltet, wenn eine Spannung über dem vorgegebenen Niveau an den Drainanschluss 2 angelegt wird, und die seriellen Dioden 29 wirken zum Sperren eines Leckstroms vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2. Die seriellen Dioden 13, 28 und 29 können aus einer einzelnen Diode mit jeweils ausreichender Standhaltespannung bestehen, und der Widerstand 14 kann weggelassen werden, wenn die seriellen Dioden 13 einen großen Widerstandswert, vergleichbar mit dem des Widerstands 14, aufweisen.
Der Temperaturkomparator 55 besteht aus einem MOSFET 27, seriellen Dioden 30, einer Diode 31 sowie Widerständen 33 und 35. Die Reihenschaltung des Widerstands 33 und der Diode 31 zwischen dem Gateanschluss 1 und dem Sourceanschluss 0 erzeugt am Knoten zwischen der Diode 31 und dem Widerstand 33 eine Konstantspannung VZ aus dem an den Gateanschluss 1 angelegten Spannung. Diese Spannung Vz wird an die Reihenschaltung der Dioden 30 und des Widerstands 35 angelegt, die parallel zur Diode 31 angeschlossen ist. Wenn die Chiptemperatur ansteigt, überschreitet die vom Knoten zwischen den seriellen Dioden 30 und dem Widerstand 35 gelieferte Gatespannung den Schwellenwert des MOSFETs 27, was dafür sorgt, dass dieser einschaltet und der Leistungs-MOSFET 10 abgeschaltet wird.
Der Stromkomparator 56 besteht aus einem MOSFET 26 und einem · Widerstand 32. Ein Drainstrom des MOSFET 10 von 1/k (k hat z. B. den Wert 1000) fließt durch den zwischen die Source des MOSFET 10b und den Sourceanschluss 0 des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET geschalteten Widerstands 32. Auf Grundlage der Verschaltung dieses Widerstands 32 zwischen der Source und dem Gate des MOSFET 26 und dem Anschluss des Drains desselben mit dem Gate des MOSFET 10 steigt die Spannung am Widerstand 32 auf einen Drainstrom IDS über den vorgegebenen Wert hin an, und die Gatespannung des MOSFET 26 steigt an, um den Drainstrom IDs zu begrenzen.
Der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 71 dieser Ausführungsform sorgt für eine negative Drain-Standhaltespannung, und er beinhalter die oben genannten verschiedenen Schaltungen, wie bei der siebten Ausführungsform. Diese Ausführungsform kann modifiziert werden, um den Überspannungsschutz ohne Verwendung der seriellen Verwendung der Dioden 28 und 29 zu realisieren, wenn die Parameter der Schutzdioden 19, des MOSFET 12 und des Widerstands 14 geeignet gewählt werden.

< Ausführungsform 9>

Die Fig. 10 ist ein Schnittbild, das eine Ausführungsform des Aufbaus der Leistungs-MOSFETs 10 und 11, des MOSFET 12 und der seriellen Dioden 13 aus Silicium in den in den Fig. 1 bis 5 und den Fig. 7 bis 9 dargestellten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs auf Grundlage der Erfindung zeigt. In der Fig. 10 bezeichnet die Bezugszahl 100 ein Halbleitersubstrat aus n-Silicium mit Antimon oder Arsen als Fremdstoff und mit einem niedrigen spezifischen Widerstand von 0,02 Ω·cm (Antimon) oder 0,002 Ω·cm (Arsen), auf dem eine n-Epitaxieschicht 101 von 1 bis 2 Ω·cm und einer Dicke von 10 um ausgebildet ist. Im Gebiet zum Ausbilden des Leistungs-MOSFET 10 sind zwischen Mustern einer Gateschicht 107a aus polykristallinem Silicium, die auf einem Gateoxidfilm 106 von 50 nm ausgebildet ist, eine tiefe p-Diffusionsschicht 104 von ungefähr 5 um, eine p-Diffusionsschicht 108 von ungefähr 2 um, die zum Körper wird, p-Diffusionsschichten 110 hoher Dichte mit einer Tiefe von 0,5 um und einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;² (Bor), die für ohmschen Kontakt zwischen dem Körper und einer Aluminiumelektrodenschicht 113 verwendet werden, und n- Diffusionsschichten 111 hohe Dichte mit einer Tiefe von 0,4 um und einer Dosis von 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;² (Arsen), die für die Source verwendet werden, ausgebildet, wobei die Aluminiumelektrodenschicht 113, die zur Sourceelektrode wird, unter Einfügung einer Isolierschicht 112 auf der Gateschicht 107a aus polykristallinem Silicium ausgebildet ist. Der Drain ist die n-Epitaxieschicht 101 und das Halbleitersubstrat 100 aus n-Silicium, wobei eine Drainelektrodenschicht 115 auf der gesamten Rückseite des Halbleitersubstrats 100 aus n-Silicium ausgebildet ist, wodurch ein vertikaler Leistungs-MOS- FET 10 vervollständigt ist.
Im Gebiet zum Ausbilden der seriellen Dioden 13 aus Silicium sind aus polykristallinem Silicium, das mit einer Dicke von 1 um auf einer Isolierschicht 105 ausgebildet ist, eine p- Bereichsschicht 107d hoher Dichte mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup5; cm&supmin;² (Bor) im Zentrum und eine ringförmigen-Bereichsschicht 107b hoher Dichte mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup6; cm&supmin;² (Arsen) um den Bereich 107d herum ausgebildet, wobei Verschachtelung mit einer p-Bereichsschicht 107c geringer Dichte mit einer Dosis von 5 · 10¹³ cm&supmin;² (Bor) besteht. Demgemäß ist es ein Merkmal dieser Struktur, dass am Rand des pn- Übergangs keine Beeinträchtigung der Standhaltespannung auftritt. Es werden mehrere derartige Strukturen ausgebildet und durch ein Aluminiumelektrodenmuster verbunden, um die seriellen Dioden 13 fertigzustellen, oder alternativ werden mehrere ringförmige Bereiche 107d, 107c und 107b mit konzentrischer Anordnung vervielfältigt, um die seriellen Dioden 13 fertigzustellen.
Im Gebiet zum Ausbilden des MOSFET 12 sind in der p-Diffusionsschicht 104 eine p-Diffusionsschicht 108, die zum Körper wird, eine für den ohmschen Kontakt zwischen dem Körper und der Aluminiumelektrodenschicht 113 verwendete p-Diffusionsschicht 110 hoher Dichte und eine für die Source verwendete n-Diffusionsschicht 111 hoher Dichte ausgebildet, wobei die Gateschicht 107a aus polykristallinem Silicium über der p-Diffusionsschicht 104 mittels des Gateoxidfilms 106 dazu verwendet wird, eine Gateelektrode zu bilden. Eine Drainschicht besteht aus einer n-Diffusionsschicht 109 niedriger Dichte mit einer Dosis von 5 · 10¹² cm&supmin;² (Phosphor), mit der Absicht, eine erhöhte Drain-Standhaltespannung zu erzeugen, und einer n-Diffusionsschicht 111 hoher Dichte, wobei die Drainelektrode von der Oberfläche der n-Diffusionsschicht 111 hoher Dichte unter Verwendung der Aluminiumelektrodenschicht 113 herausgeführt ist, wodurch ein Lateral-MOSFET 12 fertiggestellt ist.
Der Leistungs-MOSFET 11 ist ein vertikaler Leistungs-MOSFET mit derselben Struktur wie der des Leistungs-MOSFET 10, und beide Leistungs-MOSFETs nutzen die Drainschicht 100 und die Drainelektrode 115 gemeinsam. Für beide Leistungs-MOSFETs 10 und 11 ist verhindert, dass sie die Wirkung eines parasitären pnp-Transistors und eines Thyristors erfahren, wie sie zwischen ihren p-Körperbereichen 108 auftreten kann, und zwar auf Grundlage der Erzeugung einer n-Diffusionsschicht 103 hoher Dichte mit einem Flächenwiderstand von 5 Ω/ unter der Isolierschicht 105 bis tief in das Halbleitersubstrat 100. Diese tiefe n-Diffusionsschicht 103 mit niedrigem Widerstand und hoher Dichte verhindert auch eine Beeinträchtigung der Standhaltespannung zwischen dem Ausgangsanschluss (Drainanschluss 2) und Masse (Sourceanschluss 0) sowie eine Schaltverzögerung, die durch eine Ansammlung von Minoritätsladungsträgern in der n-Epitaxieschicht 101 hervorgerufen wird.
Durch Erzeugung der vertikalen Leistungs-MOSFETs 10 und 11 und des Lateral-MOSFET 12 sowie der seriellen Dioden 13 aus Silicium und der Verwendung von Widerständen aus polykristallinem Silicium können die bei den vorigen Ausführungsformen erläuterten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs, die negative Gateschutzschaltungen enthalten, auf Grundlage des herkömmlichen Herstellprozesses für Leistungs-MOSFETs erzeugt werden. Da diese vertikalen Leistungs-MOSFETs vom Typ einer Struktur sind, bei der die Source und der Körper nicht getrennt sind, kann der Widerstand im eingeschalteten Zustand leicht auf Grundlage des Herstellprozesses zum Miniaturisieren des Bauteils gesenkt werden. Die Bezugszahl 114 bezeichnet eine Isolierschicht zum Oberflächenschutz, die die gesamte Chipoberfläche mit Ausnahme der Anschlussfleckbereiche bedeckt, die später erläutert werden. Die Widerstandswerte der Diffusionsschichten und die Werte für die Diffusionstiefen, wie sie oben angegeben sind, sind nur Beispiele, und diese Werte können in ersichtlicher Weise abhängig von der benötigten Standhaltespannung und dem Widerstand im eingeschalteten Zustand variiert werden.

< Ausführungsform 10>

Die Fig. 11 ist ein Schnittbild, das eine andere Ausführungsform der Struktur der Leistungs-MOSFETs 10 und 11, des MOSFET 12 und der seriellen Dioden 13 aus Silicium in den in den Fig. 1 bis 5 und den Fig. 7 bis 9 dargestellten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs auf Grundlage der Erfindung zeigt. In der Fig. 11 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 10 dargestellten neunten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Fig. 10 dargestellten Struktur in der Ausbildung einer vergrabenen n-Schicht 102 hoher Dichte mit einem Flächenwiderstand von 100 Ω/ , die Phosphor mit großem Diffusionskoeffizient enthält, im Drainbereich des Leistungs-MOSFET 11.
Durch diese Struktur wird der Widerstand des Leistungs-MOS- FET 11 im eingeschalteten Zustand verringert, wobei jedoch seine Standhaltespannung verringert ist, und demgemäß weist der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET einen verringerten Widerstand im eingeschalteten Zustand auf. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 sind die Werte der Widerstände 15 und 16 so eingestellt, dass die angelegte Drainspannung am Leistungs-MOSFET 11 höchstens -30 V beträgt, und daher kann die Standhaltespannung um 30 V niedriger als die Drain-Standhaltespannung des Leistungs-MOSFET 10 gemacht werden. Demgemäß kann der Widerstand des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET im eingeschalteten Zustand abgesenkt werden, ohne dass seine erforderliche Standhaltespannung verringert wird (es ist eine positive Drain-Standhaltespannung von 60 V gewährleistet).
Obwohl bei dieser Ausführungsform die vergrabene n-Schicht 102 hoher Dichte mit Phosphor mit hoher Diffusion verwendet ist, um unter dem Leistungs-MOSFET 11 eine n-Epitaxieschicht 101 mit niedrigem Widerstand auszubilden, kann dieselbe Wirkung dadurch erzielt werden, dass eine eine n-Wanne bildende Diffusionsschicht tief ab der Oberfläche der n-Epitaxieschicht 101 für den Ausbildungsbereich des Leistungs-MOSFET 11 ausgebildet wird, oder dass nur die n-Epitaxieschicht 101 für den Leistungs-MOSFET 11 dünner ausgebildet wird. Diese Ausführungsform gilt für den Fall, dass die negative Drain- Standhaltespannung niedriger als die positive Drain-Standhaltespannung sein kann, sowie für den anderen Fall, dass eine positive Drain-Standhaltespannung zulässig ist, die niedriger als die negative Drain-Standhaltespannung ist, wobei der Widerstand im Drainbereich unter dem Leistungs-MOS- FET 10 verringert ist.

< Ausführungsform 11>

Die Fig. 12 ist ein Schnittbild, das noch eine andere Ausführungsform der Struktur der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 und des MOSFET 12a im in der Fig. 6 dargestellten zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. In der Fig. 12 wird in der folgenden Erläuterung auf Teile, die mit solchen der in der Fig. 11 dargestellten zehnten Ausführungsform identisch sind, mittels derselben Bezugssymbole Bezug genommen, und eine detaillierte Erläuterung hierzu wird weggelassen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in der Fig. 11 dargestellten Struktur in der Trennung zwischen dem steuernden MOSFET 12a und dem Leistungs-MOSFET 11 in Fig. 6, wobei eine n-Diffusionsschicht 103 hoher Dichte und eine vergrabene n-Schicht 102 hoher Dichte vorhanden sind.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 6 kann möglicherweise ein aus dem Körper 104 des MOSFET 12a, der n-Epitaxieschicht 101, der p-Diffusionsschicht 104 am Rand und der p- Diffusionsschicht 108 gebildete parasitäre pnp-Transistor wirken, während es möglich ist, die Wirkung dieses parasitären Elements und die Beeinträchtigung von Eigenschaften, die durch einen Lochansammlungseffekt der n-Epitaxieschicht 108 hervorgerufen wird, dadurch zu unterdrücken, dass Trennmaßnahmen hinsichtlich der n-Schichten 102 und 103 hoher Dichte vorliegen. Obwohl es ideal ist, alle steuernden MOSFETs durch die n-Schichten 102 und 103 hoher Dichte zu trennen, sollten, falls diese Maßnahme nicht ausführbar ist, die MOS- FETs 12a und 12b sowie die MOSFETs 24a und 24b, die die Körper 104 gemeinsam haben, durch die n-Diffusionsschicht 103 hoher Dichte bzw. die vergrabene n-Schicht 102 hoher Dichte (oder das n-Substrat 100 hoher Dichte) getrennt werden, um den oben genannten Unterdrückungseffekt zu erzielen.

< Ausführungsform 12>

Fig. 13 ist ein Schnittbild, das eine Ausführungsform der Struktur der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 sowie des MOSFET 12 in den in den Fig. 1 bis 9 dargestellten zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs auf Grundlage der Erfindung zeigt. Bei der neunten Ausführungsform ist zusätzlich die tiefe n-Diffusionsschicht 103 mit niedrigem Widerstand und hoher Dichte vorhanden, um zwischen den Sources der Leistungs-MOSFETs 10 und 11 für eine Durchschlags-Standhaltespannung von 60 V oder mehr zu sorgen, um dadurch eine Beeinträchtigung der Standhaltespannung zwischen dem Ausgangsanschluss (Drainanschluss 2) und Masse (Sourceanschluss 0) zu verhindern. Demgegenüber verwendet diese Ausführungsform eine flache n-Diffusionsschicht 111 mit niedrigem Widerstand und hoher Dichte an Stelle der n-Diffusionsschicht 103 hoher Dichte, um die Durchschlag-Standhaltespannung zu verbessern, ohne die Herstellkosten zu erhöhen.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Feldplatte 113a zum Abbauen des elektrischen Felds vorhanden, um eine Beeinträchtigung der Standhaltespannung zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss zu verhindern, die durch eine Konzentration des elektrischen Felds um die flache n-Diffusionsschicht 111 mit niedrigem Widerstand und hoher Dichte herum hervorgerufen wird. Diese Feldplatte 113a kann aus einer anderen Schicht als der Aluminiumelektrodenschicht bestehen, vorausgesetzt, dass es sich um eine leitende Schicht handelt, die mit der n-Diffusionsschicht 111 verbunden ist oder praktisch dasselbe Potenzial aufweist. Zum Beispiel kann eine Schicht aus dotiertem polykristallinem Silicium mit niedrigem Widerstand verwendet werden. Obwohl bei dieser Ausführungsform die Möglichkeit einer Verzögerung der Abschaltgeschwindigkeit des Leistungs-MOSFET 11 besteht, die durch eine Ansammlung von Löchern hervorgerufen wird, die von der p-Diffusionsschicht des Leistungs-MOSFET 10 in die n-Epitaxieschicht 101 injiziert werden, und obwohl die Wirkung eines parasitären Thyristors auftreten kann, können diese Probleme dadurch gelöst werden, dass Schutzschaltungsabschnitte wie der MOSFET 12 zwischen den Leistungs-MOSFETs 10 und 11 angeordnet werden, um dadurch für einen Abstand zwischen diesen MOSFETs zu sorgen. <

Ausführungsform 13>

Fig. 14 ist eine Draufsicht, die noch eine andere Ausführungsform eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET auf Grundlage der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform geht es um das Versehen des Halbleiterchips mit einem Gehäuse, wobei auf diesen Chip der zusammengesetzte Leistungs- MOSFET 71 ausgebildet ist, der die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Überhitzungs-Schutzschaltung und andere Schutzschaltungen enthält.
In der Fig. 14 bezeichnet die Bezugszahl 1000 einen Chip mit zusammengesetztem Leistungs-MOSFET mit einem Gebiet 1004 zur Ausbildung des vertikalen Leistungs-MOSFET 10, ein Gebiet 1005 zur Ausbildung des vertikalen Leistungs-MOSFET 11 sowie ein Gebiet 1006 zur Ausbildung anderer Steuerschaltungen, die jeweils eine Querschnittsstruktur aufweisen, wie sie in den Fig. 10 bis 12 dargestellt sind. Der Chip 1000 mit zusammengesetztem Leistungs-MOSFET ist auf einer leitenden Metallschicht 1014 montiert, die gegen eine Sourceanschluss- Zuleitung 1001, eine Drainanschluss-Zuleitung 1002 und eine Gateanschluss-Zuleitung 1003 isoliert ist. Die Metallschicht 1014 ist auf einem isolierenden Substrat 1016 des Gehäuses ausgebildet, und sie erstreckt sich bis zu einer Kühlrippe 1015, mit der sie verbunden ist. Im Gebiet 1004 des Leistungs-MOSFET 10, wo die Temperatur stärker als im Gebiet des Leistungs-MOSFET 11 ansteigt, wenn eine Anormalität wie ein Kurzschließen der Last auftritt, und insbesondere in enger Nähe zu einem Source-Anschlussfleck 1007 auf dem aktiven Gebiet, wo die Temperatur im Gehäuse am höchsten wird, ist eine Temperaturerfassungseinrichtung 1013 ausgebildet.
Bei dieser Struktur ist, damit der Gate-Bonddraht 1012 in einer anderen Richtung verlegt werden kann, als es der Richtung des Source-Bonddrahts 1010 und des Drain-Bonddrahts 1011 entspricht, die Gateanschluss-Zuleitung 1003 umgebogen und so verlängert, dass sie entlang einer Seite des Chips 1000 mit zusammengesetztem Leistungs-MOSFET verläuft, die nicht diejenige Seite ist, an der die Sourceanschluss-Zuleitung 1001 und die Drainanschluss-Zuleitung 1002 benachbart angeordnet sind. In der Fig. 14 bezeichnen die Bezugszahlen 1007, 1008 und 1009 einen Source-, einen Drain- und einen Gate-Anschlussfleck, und diese Anschlussflecke nehmen diejenigen Gebiete ein, in denen die oberste Oberflächen-Schutzisolierschicht 114 entfernt ist, um die Aluminiumelektrodenschicht 113 freizulegen, wie es in den Schnittbildern der Fig. 10 bis 13 dargestellt ist. Der Source-Anschlussfleck 1007 und der Drain-Anschlussfleck 1008 sind in Gebieten, d. h. aktiven Bereichen, ausgebildet, in denen die Source- und die Kanal-Diffusionsschicht der Leistungs-MOSFETs ausgebildet sind, so dass die Halbleiterschichten und der Anschlussflecken als Bauteilbereiche nutzbar sind, weswegen der Widerstand im eingeschalteten Zustand gesenkt werden kann oder die Chipfläche verkleinert werden kann.
Die Anordnung der Zuleitungen auf Grundlage dieser Ausführungsform sorgt für die folgenden Wirkungen. Durch Montieren des Chips 1000 mit zusammengesetztem Leistungs-MOSFET auf der Metallschicht 1014, die gegen die Anschlusszuleitung 1001, 1002 und 1003 isoliert ist, ist es möglich, die Drains der vertikalen Leistungs-MOSFET 10 und 11 durch die Metallschicht 1014 miteinander zu verbinden und dank ihrer gleichmäßigen Drainstromverteilung einen ziemlich kleinen Widerstand im eingeschalteten Zustand zu erzielen. Außerdem kann der Wärmewiderstand des Gehäuses gesenkt werden, da die Metallschicht 1014 bis zur Kühlrippe 1015 verlängert und mit dieser verbunden ist.
Außerdem ist durch das Anbringen der Temperaturerfassungseinrichtung 1013 in enger Nähe zum Source-Anschlussfleck 1007 im Gebiet 1004 des vertikalen Leistungs-MOSFET 10, wo die Temperatur stärker als im Gebiet des vertikalen Leistungs-MOSFET 11 ansteigt, die Erfassungsempfindlichkeit der Temperaturerfassungseinrichtung verbessert, und es kann die Zuverlässigkeit des zusammengesetzten Leistungs-MOSFET erhöht werden.
Außerdem ist es durch Umbiegen und Verlängern der Gateanschluss-Zuleitung 103 in solcher Weise, dass sie entlang einer anderen Seite des Chips verläuft, möglich, den Source- Bonddraht 1010 und den Drain-Bonddraht 1011 dicker und kürzer zu machen und sogar ein Mehrdrahtbonden zu vereinfachen. Demgemäß wird es möglich, den Einfluss des Widerstands von Bonddrähten selbst im Fall eines Betriebs mit großem Strom zu minimieren.

< Ausführungsform 14>

Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Batterie-Ansteuerungssystems mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung zeigt, wobei ein erfindungsgemäßer zusammengesetzter Leistungs-MOSFET angewandt ist. In der Fig. 15 sind Teile, die mit solchen des in der Fig. 1 dargestellten Beispiels identisch sind, mit denselben Bezugssymbolen gekennzeichnet. Dieses Batterie-Ansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung verfügt über eine Gate-Ansteuerungsschaltung 81 mit einer Batteriespannungsquelle 83, die zwischen dem Gateanschluss 1 und dem Sourceanschluss 0 des erfindungsgemäßen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 60 mit Negativgate-Schutzschaltung geschaltet ist, wobei der positive Anschluss der Batterie 82 über eine Last 84 mit dem Drainanschluss 2 verbunden ist und ihr negativer Anschluss mit dem Sourceanschluss 0 verbunden ist.
Auf Grundlage dieser Schaltungsanordnung realisiert der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 60 die Schaltsteuerung für die Stromversorgung von der Batterie 82 zur Last 84 entsprechend dem Ausgangssignal der Gate-Ansteuerungsschaltung 81, und gleichzeitig ist der MOSFET 60 im Fall eines umgekehrten Anschließens der Batterie gegen Zerstörung geschützt. Genauer gesagt, weist, wenn der in der Fig. 2 dargestellte zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 63 verwendet wird, der Laststrom, der sich aus einem fehlerhaften umgekehrten Anschließen der Batterie 82 ergibt, den kleinen Wert von 25 mA oder weniger auf, und das Bauteil und die Last werden zerstört.
Wenn dasselbe Schaltsteuerungssystem unter Verwendung des bekannten Leistungs-MOSFET aufgebaut wird, der über eine Struktur mit isolierter Source und Körper verfügt und auf Grundlage der Schaltsteuerung des Körperpotenzials durch ein externes Signal abhängig von der Potenzialbeziehung zwischen der Source und dem Drain eine negative Drain-Standhaltespannung aufweist, wird die Schaltungsanordnung kompliziert und eine Miniaturisierung des Bauteils ist im Vergleich zu üblichen Leistungs-MOSFETs mit einer Verbindung von Source und Körper schwierig. Demgegenüber kann der erfindungsgemäße zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 60 automatisch eine negative Drain-Standhaltespannung aufweisen, ohne dass ein externes Steuersignal benötigt wird, um dabei einem umgekehrten Anschließen der Batterie 82 standzuhalten, was zu einer einfachen Schaltungsanordnung führt. Der erfindungsgemäße zusammengesetzte Leistungs-MOSFET mit derselben, für Miniaturisierung geeigneten Struktur wie bei üblichen Leistungs- MOSFETs kann eine viel kleinere Chipgröße aufweisen, wenn der Herstellprozess zur Miniaturisierung des Bauteils verwendet wird.
Wenn dasselbe Schaltsteuerungssystem unter Verwendung eines üblichen Leistungs-MOSFET aufgebaut wird, wird eine Diode in Reihe zum Leistungs-MOSFET geschaltet, um ein durch Wärme hervorgerufene Zerstörung auf Grund eines übermäßigen Stroms zu verhindern, der im MOSFET wegen des Vorliegens der parasitären Drain-Körper-Diode fließt, wenn die Batterie 82 versehentlich umgekehrt herum angeschlossen wird. In diesem Fall kann jedoch der durch den Spannungsabfall an der Diode in der Durchlassrichtung (ungefähr 0,7 V) hervorgerufene Spannungsverlust des Leistungs-MOSFET nicht beseitigt werden, weswegen kein elektronischer Schalter mit kleinen Verlusten realisiert werden kann. Demgegenüber ist es beim erfindungsgemäßen Batterie-Ansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung, das nur die Leistungs- MOSFETs 10 und 11 im Hauptstrompfad zwischen dem Ausgangsanschluss (Drainanschluss 2) und dem Masseanschluss (Sourceanschluss 0) verwendet, möglich, den Spannungsabfall am Schaltbauteil unter Verwendung von Leistungs-MOSFETs mit niedrigem Widerstand im eingeschalteten Zustand bis auf 0,4 V oder weniger zu verringern. Darüber hinaus ist keine externe Schaltung zum Ansteuern des Leistungs-MOSFET 11 erforderlich, der zum Schutz gegen umgekehrte Batteriepolung verwendet wird, und es kann zum Realisieren eines Schutzes gegen umgekehrte Batteriepolung dieselbe Schaltungsanordnung wie bei der Verwendung üblicher Leistungs-MOSFETs (es ist keine in Reihe geschaltete Schutzdiode gegen umgekehrte Batteriepolung erforderlich) verwendet werden.
Außerdem kann der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET für das Batterie-Ansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung auf Grundlage des Herstellprozesses für herkömmliche vertikale Leistungs-MOSFETs auf einem einzelnen Chip hergestellt werden, und dadurch kann ein kompaktes und billiges System realisiert werden. Demgemäß können Batterie-Ansteuerungssysteme mit zuverlässiger Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung für technische Gebiete aufgebaut werden, bei denen ein Übergang auf elektronisches Schalten nicht ausführbar war. <

Ausführungsform 15>

Fig. 16 ist ein Blockschaltbild, das eine andere Ausführungsform eines Batterie-Ansteuerungssystems mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung zeigt, bei dem der erfindungsgemäße zusammengesetzte Leistungs-MOSFET angewandt ist. In der Fig. 16 sind Teile, die mit solchen der in Fig. 15 dargestellten vierzehnten Ausführungsform identisch sind, mit denselben Bezugssymbolen gekennzeichnet, und eine zugehörige detaillierte Erläuterung wird weggelassen. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vierzehnten Ausführungsform im Anbringen von Anschlüssen 3 und 4, der Verwendung eines zusammengesetzten Leistungs-MOSFET 80 mit einem zwischen die Gate des Leistungs-MOSFET 11 und den Anschluss 4 geschalteten Widerstand 14, den Anschluss einer Diode 131 zwischen den Anschluss 4 und den Gateanschluss 1, um z. B. eine negative Standhaltespannung von 60 V zu erzielen, den Anschluss einer Klemmdiode 36 zwischen dem Gateanschluss 1 und dem Sourceanschluss 0 sowie die Verbindung des Anschlusses 3 mit dem Gateanschluss 1.
Diese Schaltungsanordnung ermöglicht das Anlegen der Spannung am Gateanschluss 1 an das Gate des Leistungs-MOSFET 11 bei kleinem Spannungsabfall der einzelnen Diode 131, um dadurch das Absenken des Widerstands des Leistungs-MOSFET 11 im eingeschalteten Zustand zu erleichtern. Die Diode 36 klemmt die Spannung des Gateanschlusses 1 auf ungefähr -1 V, wenn die an den Drainanschluss 2 angelegte Spannung auf negativ geht, um dadurch die mit dem Gateanschluss 1 verbundene Gate-Ansteuerungsschaltung 81 zu schützen. Genauer gesagt, wird dann, wenn die Gate-Ansteuerungsschaltung 81 kein ausreichendes Stromliefervermögen für den vom Gateanschluss 1 zum Drainanschluss 2 fließenden Strom aufweist, wenn die Batterie 82 verkehrt herum angeschlossen ist, die Ausgangsspannung der Gate-Ansteuerungsschaltung 81 niedrig, und sie kann im ungünstigsten Fall möglicherweise zerstört werden, wobei dieser Mangel durch die Klemmdiode 36 verhindert werden kann. Die Klemmdiode 36 wird nicht benötigt, wenn die seriellen Dioden 171 zwischen das Gate und die Source des Leistungs-MOSFET 10 geschaltet sind, wie im Fall der in der Fig. 7 dargestellten sechsten Ausführungsform. In ersichtlicher Weise verfügt der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET 80 über eine negative Drain-Standhaltespannung gegen ein fehlerhaftes umgekehrtes Anschließen der Batterie 82, und das Batterie-Ansteuerungssystem wird wegen dieser Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung nie zerstört.
Es ist möglich, den Chip mit zusammengesetzter Leistungs- MOSFET so zusammenzubauen, dass die seriellen Dioden 171 und die Diode 131 im selben Gehäuse enthalten sind, um dadurch einen drei-poligen zusammengesetzten Leistungs-MOSFET herzustellen. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Batterie- Ansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung gemäß dieser Ausführungsform auf Grundlage des herkömmlichen Herstellprozesses für vertikale Leistungs-MOS- FETs und unter Verwendung mehrerer Chips oder weniger Teile mit externem Anschluss kompakt in ein Gehäuse eingebaut wird. Der mit dem Gate verbundene Widerstand 14 kann weggelassen werden, wenn die extern angeschlossene Diode 131 einen großen Widerstand in Durchlassrichtung, vergleichbar dem Widerstand 14, aufweist.
Gemäß der Erfindung wird, wie oben beschrieben, ein zusammengesetzter Leistungs-MOSFET mit einer Negativgate-Schaltung mit der üblichen MOSFET-Struktur hergestellt, wobei die Source und der Körper miteinander verbunden sind, wodurch er eine Drain-Standhaltespannung aufweisen kann, ohne dass eine externe Schaltsteuerung abhängig von der Beziehung der Source-Drain-Spannung für das Körperpotenzial erforderlich ist, und außerdem ist eine Miniaturisierung des Bauteils ermöglicht, wodurch der Widerstand im eingeschalteten Zustand gesenkt werden kann.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße zusammengesetzte Leistungs-MOSFET als drei-poliges Bauteil konfiguriert werden, und er kann auf dieselbe Weise wie ein herkömmlicher einteiliger Leistungs-MOSFET verwendet werden.
Außerdem kann dieser zusammengesetzte Leistungs-MOSFET mit negativer Standhaltespannung als solcher dazu verwendet werden, ein Batterie-Ansteuerungssystem mit Schutzfunktion gegen umgekehrte Batteriepolung aufzubauen, wobei das Bauteil im Fall eines fehlerhaften umgekehrten Anschließens der Batterie zwischen dem Drain und der Source gegen Zerstörung geschützt werden kann, ohne dass eine extern angeschlossene Schutzschaltung mit einer Diode oder dergleichen erforderlich wäre, um für die Standhaltespannung zu sorgen. Demgemäß wird es möglich, einen elektronischen Schalter mit sehr niedrigem Widerstand und ohne Spannungsverluste aufzubauen, wie sie durch den Spannungsabfall an einer zum Bereitstellen der Standhaltespannung hinzugefügten Diode in der Durchlassrichtung erzeugt würden.

Claims

1. Zusammengesetzter Leistungs-MOSFET mit einem ersten MOS- FET (10) und einem zweiten MOSFET (11), wobei die Drainanschlüsse der MOSFETs (10, 11) miteinander verschaltet sind, wobei der Sourceanschluß des ersten MOSFETs (10) für den Source-Anschlußpunkt (0) benutzt wird, wobei der Sourceanschluß des zweiten MOSFETs (11) für den Drain-Anschlußpunkt (2) benutzt wird und wobei der Gateanschluß des ersten MOS- FETs (10) für den Gate-Anschlußpunkt (1) des zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs (60) benutzt wird, der eine Vorrichtung (50) zur Negativspannungssteuerung, die den zweiten MOSFET (11) während des Zeitraums, in dem die Spannung des Drain-Anschlußpunkts (2) im Vergleich zur Spannung des Source-Anschlußpunkts (0) negativ ist, ausschaltet, und eine Vorrichtung (51) zur Eingangsspannungsübertragung, die einen vom Drain-Anschlußpunkt (2) über die Vorrichtung (50) zur Negativspannungssteuerung zum Gate-Anschlußpunkt (1) fließenden Strom sperrt und in Antwort auf das an den Gate-Anschlußpunkt (1) angelegte Eingangsspannungssignal den zweiten MOSFET (11) durchschaltet, beinhaltet,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur Negativspannungssteuerung eine Erkennungsvorrichtung zum Erkennen, daß die Spannung des Drain-Anschlußpunkts (2) relativ zur Spannung des Source-Anschlußpunkts (0) negativ ist, und einen dritten MOSFET (12), der in Antwort auf die Ausgabe der Erkennungsvorrichtung den zweiten MOSFET (11) zum Abschalten bringt, enthält.

2. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Negativspannungssteuerung, die Vorrichtung zur Eingangsspannungsübertragung und der erste und der zweite MOSFET (10, 11) als Ein-Chip-Halbleiterbauelement ausgebildet sind.

3. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Erkennungsvorrichtung eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten zwischen den Drain-Anschlußpunkt (2) und den Drainanschluß des zweiten MOSFETs (11) geschalteten Widerstands (15, 16) umfaßt, wobei der Knotenpunkt des ersten und des zweiten Widerstands (15, 16) mit dem Gateanschluß des dritten MOSFETs (12) verschaltet ist.

4. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Erkennungsvorrichtung einen Schaltkreis umfaßt, der den Gateanschluß des dritten MOSFETs (12) mit dem Drainanschluß des zweiten MOSFETs (11) verschaltet.

5. MOSFET nach Anspruch 1, wobei der Drain/Source-Pfad des dritten MOSFETs (12) mit dem Gate- und Sourceanschluß des zweiten MOSFETs (11) verschaltet ist und

wobei die Erkennungsvorrichtung zumindest eine Diode (19) umfaßt, wobei diese Diode zwischen den Gate- und den Sourceanschluß des dritten MOSFETS (12) geschaltet ist.

6. MOSFET nach Anspruch 5, wobei die Erkennungsvorrichtung weiterhin einen dritten Widerstand (16) enthält, wobei dieser dritte Widerstand zwischen den Gateanschluß des dritten MOS- FETs (12) und den Drainanschluß des zweiten MOSFETs (11) geschaltet ist.

7. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Erkennungsvorrichtung eine erste und eine zweite Reihenschaltung umfaßt, in denen jeweils ein Widerstand und zumindest eine Diode in Reihe geschaltet sind, wobei die erste und die zweite Reihenschaltung zwischen dem Drain-Anschlußpunkt und dem Source-Anschlußpunkt in Reihe geschaltet sind, wobei der Knotenpunkt der ersten und der zweiten Reihenschaltung mit dem Gateanschluß des dritten MOSFETs verschaltet ist.

3. MOSFET nach Anspruch 7, wobei die Widerstandswerte der Widerstände der ersten und der zweiten Reihenschaltung auf Null gesetzt sind.

9. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Eingangsspannungsübertragung eine Reihenschaltung enthält, die einen Widerstand und zumindest eine Diode zum Sperren eines vom Drain-Anschlußpunkt über die Vorrichtung zur Negativspannungssteuerung zum Gate-Anschlußpunkt fließenden Stroms beinhaltet, wobei die Reihenschaltung zwischen den Gate-Anschlußpunkt und den Gateanschluß des zweiten MOSFETs geschaltet ist.

10. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Eingangsspannungsübertragung einen zwischen den Gate-Anschlußpunkt und den Gateanschluß des zweiten MOSFETs geschalteten Widerstand und zumindest eine zwischen den Widerstand und den Drainanschluß des dritten MOSFETs geschaltete Diode zum Sperren eines vom Drain-Anschlußpunkt über die Vorrichtung zur Negativspannungssteuerung zum Gate-Anschlußpunkt fließenden Stroms umfaßt.

11. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Negativspannungssteuerung eine Erkennungsvorrichtung zum Erkennen, daß die Spannung des Drain-Anschlußpunkts relativ zur Spannung des Source-Anschlußpunkts negativ ist, und eine erste Schaltervorrichtung, die in Antwort auf die Ausgabe der Erkennungsvorrichtung den zweiten MOSFET zum Ausschalten bewegt, umfaßt.

12. MOSFET nach Anspruch 11, wobei die Erkennungsvorrichtung eine erste und eine zweite Reihenschaltung umfaßt, in der jeweils ein Widerstand und zumindest eine Diode in Reihe geschaltet sind, wobei die erste und die zweite Reihenschaltung zwischen dem Drain-Anschlußpunkt und dem Source-Anschlußpunkt in Reihe geschaltet sind, wobei der Knotenpunkt der ersten und der zweiten Reihenschaltung mit dem Gateanschluß der ersten Schaltervorrichtung verschaltet ist.

13. MOSFET nach Anspruch 12, wobei die Widerstandswerte der Widerstände der ersten und der zweiten Reihenschaltung auf Null gesetzt sind.

14. MOSFET nach Anspruch 11, wobei die erste Schaltervorrichtung einen vierten und einen fünften MOSFET umfaßt, deren Sourceanschlüsse miteinander verschaltet sind, wobei der Drainanschluß des vierten MOSFETs mit dem Gateanschluß des zweiten MOSFETS verschaltet ist, wobei der Drainanschluß des fünften MOSFETs mit dem Drain-Anschlußpunkt verschaltet ist und wobei die Gateanschlüsse des vierten und des fünften MOS- FETs mit der Erkennungsvorrichtung verschaltet sind.

15. MOSFET nach Anspruch 11, der weiterhin eine zweite Schaltervorrichtung beinhaltet, die so arbeitet, daß sie in Antwort auf das Anlegen einer positiven Spannung an den Drain-Anschlußpunkt sich durchschaltet, um somit die erste Schaltervorrichtung auszuschalten.

16. MOSFET nach Anspruch 15, wobei die zweite Schaltervorrichtung zwischen den Drain- und den Gateanschluß des vierten MOSFETs geschaltet ist und aus einem sechsten und einem siebten MOSFET besteht, deren Sourceanschlüsse miteinander verschaltet sind und deren Gateanschlüsse miteinander verschaltet sind und die mit dem Drain-Anschlußpunkt verschaltet sind.

17. MOSFET nach Anspruch 1, wobei der Schwellwert des zweiten MOSFETs niedriger als der Schwellwert des ersten MOSFETs angesetzt ist.

18. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Drainzu-Source-Spannungsfestigkeit des zweiten MOSFETs niedriger als die Drainzu-Source-Spannungsfestigkeit des ersten MOSFETs gesetzt ist.

19. MOSFET nach Anspruch 1, der weiterhin Gate-Schutzdioden beinhaltet, die jeweils zwischen den Gate- und den Sourceanschluß des ersten, des zweiten und des dritten MOSFETs geschaltet sind.

20. MOSFET nach Anspruch 1, der weiterhin mindestens eine zwischen den Gate-Anschlußpunkt und den Source-Anschlußpunkt geschaltete Diode enthält, um eine abfallende Spannung des Gate-Anschlußpunkts im Falle, daß eine negative Spannung am Drain-Anschlußpunkt angelegt ist, zu klemmen.

21. MOSFET nach Anspruch 1, der weiterhin einen Überhitzungsschutz-Schaltkreis enthält, der ein Temperaturerkennungsgerät zur Erkennung der Temperatur des ersten MOSFETs und einen Schaltkreis zum Begrenzen des Drainstroms des ersten MOSFETs, wenn die erkannte Temperatur eine vorgeschriebene Temperatur erreicht hat, enthält.

22. MOSFET nach Anspruch 1, der weiterhin einen Überstromschutz-Schaltkreis beinhaltet, der einen Stromerkennungs- Schaltkreis zum Erkennen des Drainstroms des ersten MOSFETs und einen Schaltkreis zum Begrenzen der Gatespannung des ersten MOSFETs, so daß der Drainstrom einen vorgeschriebenen Strom nicht übersteigt, umfaßt.

23. MOSFET nach Anspruch 1, der weiterhin einen Überspannungsschutz-Schaltkreis enthält, der den ersten MOSFET durchschaltet, wenn die Spannung des Drain-Anschlußpunkts eine vorgeschriebene Spannung erreicht, so daß die Drain-Anschlußpunktspannung die vorgeschriebene Spannung nicht überschreitet.

24. MOSFET nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite MOSFET aus vertikalen MOSFETs gebildet sind, die sich ein Drainsubstrat teilen.

25. MOSFET nach Anspruch 24, wobei die Dioden und Widerstände aus polykristallinen Siliziumschichten gebildet und auf demselben Halbleiterchip wie die MOSFETs ausgebildet sind.

26. MOSFET nach Anspruch 24, wobei eine n-leitende Diffusionsschicht, die für den Hauptteil des ersten MOSFETs tiefer als eine p-leitende Diffusionsschicht ist, zwischen dem ersten MOSFET und dem zweiten MOSFET ausgebildet ist.

27. MOSFET nach Anspruch 24, wobei eine n-leitende Diffusionsschicht, die für den Hauptteil des ersten MOSFETs schmaler ist als eine p-leitende Diffusionsschicht und eine Feldplatte, deren Potential gleich dem der schmaleren n-leitenden Diffusionsschicht gesetzt ist, zwischen dem ersten MOSFET und dem zweiten MOSFET ausgebildet sind.

28. MOSFET nach Anspruch 24, wobei die Fremdstoffkonzentration des Drainbereichs unterhalb des zweiten MOSFETs höher ist als die Fremdstoffkonzentration des Drainbereichs unterhalb des ersten MOSFETs.

29. MOSFET nach Anspruch 28, wobei das Temperaturerkennungsgerät auf dem aktiven Bereich ausgebildet ist, der dem Anschlußfleck für den Source-Anschlußpunkt des ersten MOSFETs benachbart ist.

30. MOSFET nach Anspruch 29, wobei der Stromerkennungsschaltkreis auf dem selben Halbleiterchip ausgebildet ist.

31. MOSFET nach Anspruch 24, wobei ein Anschlußfleck für den Source-Anschlußpunkt auf dem aktiven Bereich des ersten MOS- FETs ausgebildet ist und ein Anschlußfleck für den Drain-Anschlußpunkt auf dem aktiven Bereich des zweiten MOSFETs ausgebildet ist.

32. MOSFET nach Anspruch 24, wobei ein Halbleiterchip, auf dem ein MOSFET nach Anspruch 24 ausgebildet ist, in einem Gehäuse untergebracht ist, das eine Anschlußleitung für den Gate-Anschlußpunkt auf einer Seite des Halbleiterchips aufweist, die sich von der Seite des Halbleiterchips unterscheidet, auf der Anschlußleitungen für den Source-Anschlußpunkt und den Drain-Anschlußpunkt benachbart angeordnet sind.

33. MOSFET nach Anspruch 24, wobei der Halbleiterchip in einem Gehäuse untergebracht ist, das eine Metallschicht zum Kurzschließen der Drainanschlüsse des ersten und des zweiten MOSFETs aufweist.

34. MOSFET nach Anspruch 33, wobei der zusammengesetzte Leistungs-MOSFET in einem Gehäuse untergebracht ist, das eine Metallschicht aufweist, die mit einer Kühlrippe verbunden ist.

35. Batteriesteuerungssystem mit Umkehr-Batterieschutzfunktion, beinhaltend einen MOSFET nach Anspruch 1, mit einem mit dem Gate-Anschlußpunkt des zusammengesetzten Leistungs-MOS- FETs verschalteten Gatesteuerkreis und mit einer Batterie und einer Last, die zwischen den Drain-Anschlußpunkt und den Source-Anschlußpunkt des zusammengesetzten Leistungs-MOSFETs geschaltet sind.

36. MOSFET nach Anspruch 1, wobei der Drain/Source-Pfad des dritten MOSFETs (12) mit dem Gate- und Sourceanschluß des zweiten MOSFETs (11) verschaltet ist.

37. MOSFET nach Anspruch 1, wobei die Drainelektrodenschicht (115) des ersten MOSFETs (10) über die gesamte rückwärtige Oberfläche des Siliziumhalbleitersubstrats ausgebildet ist.