JP4006902B2

JP4006902B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: JP4006902B2
Application number: JP26345199A
Authority: JP
Inventors: 順斎藤; 智幸山崎
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP2001085629A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度検出センサ付き半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）およびＢＪＴ（バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子は、主電流を通電したときに、発生損失により素子が発熱する。これらのパワー半導体素子を形成する半導体基板上に酸化膜を介して、ダイオードや抵抗を形成し、このダイオードや抵抗を温度検出センサとして用いて、パワー半導体素子の動作時の温度を検出している。温度検出センサとして用いる場合、ダイオードでは、温度によるオン電圧の変化を利用し、抵抗では、温度による抵抗値の変化を利用している。
【０００３】
温度検出において、マイコン等の出力先の外部回路の基準電位（グランドに相当する電位のこと）と温度検出対象のパワー半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）の基準電位が異なる場合について説明する。
【０００４】
図３は、通常のインバータ回路で、パワー半導体素子で構成される直列アームと負荷とゲート制御回路を示した回路図である。この回路は、高電位側の上アームＩＧＢＴ１０１、低電位側の下アームＩＧＢＴ１１１、これらのＩＧＢＴ１０１、１１１に逆並列に接続するフリーホイールダイオード１０５、１１５、上アームゲート制御回路１０９、下アームゲート制御回路１１９、および負荷１２４で構成されている。上アームＩＧＢＴ１０１のコレクタ１０２は、主電源の高電位側１３１に接続し、下アームＩＧＢＴ１１１のエミッタ１１３はグランドＧＮＤに接続する。また、上アームＩＧＢＴ１０１のエミッタ１０３と下アームＩＧＢＴ１１１のコレクタ１１２が接続し、この接続点が直列アームの中点１３３で、インバータ回路の出力点となり、負荷１２４と接続する。負荷１２４の他端は図示しない別の直列アームの中点と接続する。
【０００５】
この回路の場合、上アームＩＧＢＴ１０１の基準電位（エミッタ１０３の電位）が、ＶOUT となり、この電位は上、下アームＩＧＢＴ１０１、１１１のスイッチング動作時や負荷１２４の状態で常に変動する。一方、下アームＩＧＢＴ１１１の基準電位（エミッタ１１３の電位）は、グランド（ＧＮＤ）となり、変動しない。つぎに、これらのＩＧＢＴ１０１、１１１の温度を検出する場合について説明する。尚、図中の１０４、１１４は上、下アームＩＧＢＴのそれぞれのゲートである。
【０００６】
図４は、従来の温度検出回路を有するインバータ回路である。温度検出回路は、定電流回路１１０、１２０と温度検出センサとなるｐｎダイオード１０６、１１６で構成され、このｐｎダイオード１０６、１１６はＩＧＢＴ１０１、１１１を形成する半導体基板上に絶縁膜を介して形成される。このｐｎダイオード１０６、１１６のアノード１０７、１１７およびカソード１０８、１１８と上アームおよび下アームゲート制御回路２０９、２１９と接続し、また、上下アームｐｎダイオードのカソード１０８、１１８は上下アームＩＧＢＴのエミッタ１０３、１１３とそれぞれ接続する。これらのゲート制御回路２０９、２１９内の定電流回路１１０、１２０（外部に出して描いた）から定電流がこのｐｎダイオード１０６、１１６に流される。ＩＧＢＴ１０１、１１１が動作して、温度が上昇すると、ｐｎダイオード１０６、１１６の順電圧降下（オン電圧）が低下する。ｐｎダイオードのアノード１０７、１１７の電位をゲート制御回路２０９、２１９に伝達して、この電位の高さで、ＩＧＢＴ１０１、１１１が過熱されていることを検知し、ＩＧＢＴ１０１、１１１のゲート信号を停止したり、ゲート信号の電圧を小さくしたりして、ＩＧＢＴ１０１、１１１の過熱を防止する。
【０００７】
しかし、この回路では、上アームＩＧＢＴ１０１の温度信号の基準電位（カソード電位）は数百Ｖで変動するため、この温度信号をアラーム信号等としてＧＮＤ基準の信号に変換し外部に出力することは困難である。尚、温度信号とは、ｐｎダイオードのアノード・カソード間電圧（オン電圧）のことを指す。
【０００８】
温度信号をアラーム信号として外部に出力するためには、上アームＩＧＢＴ１０１の温度信号の基準電位をグランド電位に変換して、上下アームＩＧＢＴ１０１、１１１の温度信号の基準電位を共通のグランドＧＮＤにする必要がある。つぎに、この温度信号を外部に取り出す回路について示す。
【０００９】
図５は、別の従来の温度検出回路を有するインバータ回路である。これは、上アームＩＧＢＴ１０１の温度センサとなる上アームｐｎダイオード１０６のアノード１０７の電位を、一旦ゲート制御回路３０９に導入し、ゲート制御回路３０９とレベルダウン回路３００を介して、上アーム温度信号端子３２１から、外部に温度信号を取り出す回路である。このレベルダウン回路３００により、上アームｐｎダイオード１０６のカソード電位（基準電位）を数百Ｖからグランド電位に変換し、下アームｐｎダイオード１１６のカソード電位（基準電位）と共通のグランド電位（温度信号グランド端子３２３の電位）にすることで、それぞれのアノード１０７、１１７の電位を温度信号として外部に取り出し、温度監視をすることができる。また、この温度信号を、図示しない過熱防止回路およびレベルシフト回路を経由してゲート制御回路３０９、３１９に伝達して、ＩＧＢＴ１０１、１１１のゲートをオフさせたり、ゲート電圧を絞ったりして、ＩＧＢＴ１０１、１１１の過熱防止を行うことができる。前記のレベルダウン回路３００は、ここでは図示しないが、特開平１０−１２３１８４に開示されているように、２個のオペアンプと高耐圧ＭＯＳＦＥＴと抵抗で構成された複雑な回路である。この回路のレベルダウン回路３００をフォトカプラー回路にする場合もある。
【００１０】
図６は、図５の回路を半導体基板に形成した場合の要部断面図である。ここでは、上アームＩＧＢＴ１０１と上アームｐｎダイオード１０６の要部断面図を示す。ｎ半導体基板の表面層に、ｐウエル領域６２を形成し、このｐウエル領域６２の表面層にｎエミッタ領域６３を形成し、ｎエミッタ領域６３とｎ^-ベース領域６１に挟まれたｐウエル領域６２上にゲート酸化膜６４を形成してゲート電極６５を形成する。ｎエミッタ領域６３上にエミッタ電極６６を形成する。一方、ｎ半導体基板の他主面の表面層にｐコレクタ領域６７を形成し、ｐコレクタ領域６７上にコレクタ電極６８を形成する。コレクタ電極６８、エミッタ電極６６およびゲート電極６５とコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅおよびゲート端子Ｇとそれぞれ接続する。このようにして上アームＩＧＢＴ１０１が形成される。ｐウエル領域６２と離してｎ半導体基板の表面層にｐ領域７１を形成し、ｐ領域７１上に絶縁膜を介して薄膜の上アームｐｎダイオード１０６を形成する。この上アームｐｎダイオード１０６は、ｐアノード領域７３、ｎカソード領域７４、アノード電極７５、カソード電極７６で構成されている。この上アームｐｎダイオード１０６が上アームの温度検出センサである。上アームｐｎダイオード１０６のカソード１０８と上アームＩＧＢＴ１０１のエミッタ端子Ｅを接続する。上アームｐｎダイオード１０６のアノード１０７は、定電流回路１２０と上アームゲート制御回路３０９と接続し、この上アームゲート制御回路３０９は、レベルダウン回路３００を経由して、上アーム温度信号端子３２１に接続する。また、上アームＩＧＢＴ１０１のエミッタ端子Ｅは、図示しない下アームＩＧＢＴのコレクタ端子と接続し、上下アームの中点となり、またこの点が出力点ともなる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ＧＮＤ電位から数百Ｖ以上で変動する基準電位をもつ前記上アームＩＧＢＴなどの温度監視をするために、従来不可欠とされた前記のレベルダウン回路３００は、前記したように、２個のオペアンプと高耐圧ＭＯＳＦＥＴと抵抗で構成された複雑な回路であり、そのため、検出スピードが遅く、オペアンプのオフセット電圧や抵抗のばらつきにより、検出精度が悪く、また、レベルダウン回路の付加により、コストアップになる。また、レベルダウン回路３００の代わりにフォトカプラー回路を用いた場合も検出精度やコストの点で問題がある。
【００１２】
この発明の目的は、前記の課題を解決して、低コストで、検出スピードが速く、高精度で、外部に温度信号を取り出せる温度検出センサ付き半導体装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、主電源の高電位側とコレクタを接続する上アームＩＧＢＴと、前記主電源の低電位側とエミッタを接続する下アームＩＧＢＴとが、該上アームＩＧＢＴのエミッタと下アームＩＧＢＴのコレクタとが直列に接続され、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサと前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサとをそれぞれ有するインバータ装置において、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子が、前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子と同じ基準電位に接続され、該基準電位は前記主電源の低電位側であり、かつ上アームＩＧＢＴのエミッタの電位と異なる構成とする。
【００１４】
主電源の高電位側とコレクタを接続する上アームＩＧＢＴと、前記主電源の低電位側とエミッタを接続する下アームＩＧＢＴとが、該上アームＩＧＢＴのエミッタと下アームＩＧＢＴのコレクタとが直列に接続され、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサと前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサとをそれぞれ有するインバータ装置において、上アームＩＧＢＴの形成された半導体基板上に、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサが絶縁膜を介して形成され、前記上アームＩＧＢＴのエミッタの電位と上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子の基準電位が異なり、上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子が、前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子と同じ基準電位に接続され、該基準電位は前記主電源の低電位側であるとよい。
【００１５】
前記温度検出センサが、ダイオードまたは抵抗であるとよい。
【００１７】
【００１８】
前記絶縁膜の膜厚ｔ（μｍ）が、前記半導体基板と前記温度検出センサの電位差の最大値Ｖ_MAX（Ｖ）と、絶縁膜の絶縁破壊電界強度８００（Ｖ／μｍ）と、
【００１９】
【数２】
ｔ≧Ｖ_MAX／８００
の関係を満たすとよい。
【００２０】
【００２１】
前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサ下の半導体基板にｐ型領域を有するとよい。
【００２２】
前記のように、絶縁膜の膜厚を最適化し、上アームＩＧＢＴのエミッタと上アームｐｎダイオードのカソードを切り離し、基準電位を異ならせることで、レベルダウン回路なしで、上下アームＩＧＢＴの温度信号の基準電位を共通のグランドに合わせることができる。共通のグランド電位にすることで、両者の温度検出センサの出力電圧（ｐｎダイオードのオン電圧）を温度信号として取り出すことができる。レベルダウン回路やフォトカプラー回路を不要にしたことで、低コストで、検出スピードが速く、高精度で、外部に温度信号を取り出すことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１実施例の温度検出センサ付き半導体装置を含む温度信号を外部に取り出す回路が付いているインバータ回路である。
【００２４】
このインバータ回路は、高電位側の上アームＩＧＢＴ１、低電位側の下アームＩＧＢＴ１１、これらのＩＧＢＴに逆並列に接続するフリーホイールダイオード５、１５、上アームゲート制御回路９、下アームゲート制御回路１９、および負荷２４で構成されている。上アームＩＧＢＴ１のコレクタ２はコレクタ端子Ｃに接続し、コレクタ端子Ｃは主電源の高電位側３１に接続する。下アームＩＧＢＴ１１のエミッタ１３は、主電源の低電位側３２に接続し、低電位側３２はグランドＧＮＤに接続する。また、上アームＩＧＢＴ１のエミッタ３はエミッタ端子Ｅを介して下アームＩＧＢＴ１１のコレクタ１２に接続し、この接続点が直列アームの中点３３で、インバータ回路の出力点となり、負荷２４と接続する。負荷２４の他端は図示しない他の直列アームの中点と接続する。
【００２５】
上および下アームの温度検出回路は、上、下アーム定電流回路１０、２０と上、下アーム温度検出センサとなる上、下アームｐｎダイオード６、１６で構成され、これらのｐｎダイオード６、１６は、図２で示すように、ＩＧＢＴを形成する半導体基板上に絶縁膜を介して形成される。これらのｐｎダイオード６、１６のアノード７、１７は、上、下アーム定電流回路１０、２０と接続し、カソード８、１８は主電源の低電位側３２つまりグランドＧＮＤと接続する。また、上、下アーム定電流回路１０、２０および上、下アームｐｎダイオード６、１６は、下アームゲート制御回路１９に接続される。この上、下アーム定電流回路１０、２０は、下アームゲート制御回路１９に内蔵されている場合もある。
【００２６】
従来回路と異なり、上アームｐｎダイオード６のカソード８は、上アームＩＧＢＴ１のエミッタ３とは接続しない。従って、上、下アームｐｎダイオード６、１６のカソード８、１８は共通のグランド電位とすることができる。
【００２７】
下アームゲート制御回路１９と接続する上、下アーム定電流回路１０、２０から定電流が上、下アームｐｎダイオード６、１６に流される。上、下アームＩＧＢＴ１、１１が動作して、温度が上昇すると、上、下アームｐｎダイオード６、１６の順電圧降下（オン電圧）が低下する。このｐｎダイオードのアノード・カソード間電圧（オン電圧）を温度信号として、下アームゲート制御回路１９を経由して、上、下アーム温度信号端子２１、２２と温度信号グランド端子２３から外部に取り出す。
【００２８】
このように、上アームＩＧＢＴ１のエミッタ３と上アームｐｎダイオード６のカソード８が絶縁されているために、従来必要とされたレベルダウン回路を介すことなく、上アームｐｎダイオード６のカソード８を直接グランドＧＮＤに接続することができる。上、下アームｐｎダイオード６、１６のカソード８、１８を共通のグランドＧＮＤに接続することで、温度信号が容易に外部に取り出すことができる。また、温度信号がレベルダウン回路を経由しないので、温度検出スピードが速く、高精度で、外部に温度信号を取り出すことができる。またレベルダウン回路やフォトカプラー回路が不要になるため、低コスト化を図ることができる。
【００２９】
尚、この外部に取り出された温度信号を、図示しない過熱防止回路およびレベルシフト回路を経由してゲート制御回路９、１９に伝達して、ＩＧＢＴ１、１１のゲートをオフさせたり、ゲート電圧を絞ったりして、ＩＧＢＴ１、１１の過熱防止を行うことができる。また、図中のＶCC-Hは、上アームゲート制御回路９を駆動する電源の高電位側を示し、ＶCC-Lは、下アームゲート制御回路１９を駆動する電源の高電位側を示す。
【００３０】
また、この発明は、この実施例で示したＩＧＢＴ（主半導体素子）の他に、パワーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタおよび高耐圧ダイオードなど、発熱を伴うパワー半導体素子に広く適用できる。
【００３１】
図２は、この発明の第２実施例であり、温度検出センサ付き半導体装置の要部断面と温度信号を外部に引出す回路を示す図である。図１の回路を半導体基板に形成した場合の点線４０で囲った箇所の要部断面図と温度検出回路部を示す。具体的には、上アームＩＧＢＴ１と上アームｐｎダイオード６の要部断面図を示す。また、ここでは、第１導電形をｎ形で示し、第２導電形をｐ形で示したが、この導電形を逆にしても構わない。
【００３２】
ｎ半導体基板（各拡散後で、未拡散箇所のｎ半導体基板は、ｎ^-ベース領域４１となる）の表面層に、ｐウエル領域４２を形成し、このｐウエル領域４２の表面層にｎエミッタ領域４３を形成し、ｎエミッタ領域４３とｎ^-ベース領域４１に挟まれたｐウエル領域４２上にゲート酸化膜４４を形成し、ゲート酸化膜４４上にゲート電極４５を形成する。ｎエミッタ領域４３上にエミッタ電極４６を形成する。また、ｎ半導体基板の他方の面にｐコレクタ領域４７を形成し、ｐコレクタ領域４７上にコレクタ電極４８を形成する。また、コレクタ電極４８、エミッタ電極４６、ゲート電極４５とコレクタ端子Ｃ、エミッタ端子Ｅ、ゲート端子Ｇはそれぞれ接続する。このようにして上アームＩＧＢＴ１が形成される。ｐウエル領域４２と離してｎ半導体基板の表面層にｐ領域５１を形成し、ｐ領域５１上に酸化膜５２を介して薄膜のポリシリコン等でｐアノード領域５３、ｎカソード領域５４を形成し、これらの領域上にアノード電極５５、カソード電極５６を形成して、上アームｐｎダイオード６とする。ただし、ｐ領域５１はｐウエル領域４２であっても構わない。
【００３３】
この上アームｐｎダイオード６が上アームの温度検出センサである。上アームｐｎダイオード６のカソード８と上アームＩＧＢＴ１のエミッタ３は接続されていない。上アームｐｎダイオード６のアノード７は上アーム定電流回路１０と下アームゲート制御回路１９に接続し、下アームゲート制御回路１９と上アーム温度信号端子２１と接続する。上アームＩＧＢＴ１のエミッタ電極４６はエミッタ端子Ｅに接続し、エミッタ端子Ｅは、図示しない下アームＩＧＢＴのコレクタ端子と接続し、また出力点ともなる。
【００３４】
ここで、酸化膜５２の絶縁破壊電界強度は８×１０⁶Ｖ／ｃｍ（８００Ｖ／μｍ）であるので、酸化膜が絶縁破壊を生じないようにするためには、酸化膜の膜厚ｔ（μｍ）と半導体基板と温度検出センサの電位差の最大値Ｖ_MAX（Ｖ）との関係は、下記のようになる。
【００３５】
【数３】
ｔ（μｍ）≧Ｖ_MAX（Ｖ）／８００となる。
【００３６】
この関係を満足する酸化膜の膜厚にすれば、酸化膜５２の絶縁破壊は生ぜず、上アームｐｎダイオード６のカソード８をグランドＧＮＤに接続することができる。尚、半導体装置の定格電圧が酸化膜に印加される場合は、Ｖ_MAXはＩＧＢＴ（主半導体素子）の定格電圧となる。
【００３７】
また、ｐ領域５１の上に酸化膜５２を介して上アームｐｎダイオード６を形成することで、このｐ領域５１とｎ^-ベース領域４１のｐｎ接合でも、エミッタＥ・グランドＧＮＤ間に印加される電圧を分担するために、酸化膜５２が分担する電圧が小さくなり、信頼性が向上する。
【００３８】
尚、上式を満足する酸化膜の膜厚ｔにした場合は、図２のｐ領域５１は削除しても構わない。但し、信頼性の点からはｐ領域５１はあった方が望ましい。
【００３９】
また、前記の上アームｐｎダイオードの代わりに、ポリシリコンなどで薄膜の抵抗を酸化膜上に形成し、抵抗値の温度変化を利用して、温度検出センサとしても勿論よい。
【００４０】
【発明の効果】
この発明によれば、主電源の高電位側とコレクタを接続する上アームＩＧＢＴと、前記主電源の低電位側とエミッタを接続する下アームＩＧＢＴとが、該上アームＩＧＢＴのエミッタと下アームＩＧＢＴのコレクタとが直列に接続され、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサと前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサとをそれぞれ有するインバータ装置において、上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子が、前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子と同じ基準電位に接続され、該基準電位は前記主電源の低電位側であり、かつ上アームＩＧＢＴのエミッタの電位と異なることで、上アームの温度検出センサ（上アームｐｎダイオード）からの温度信号の基準電圧を、レベルダウン回路やフォトカプラー回路を介さずに直接グランドに落として、外部に引き出すことができる。このように、レベルダウン回路やフォトカプラー回路を介さないために、温度検出スピードが速く、高精度で、外部に温度信号を取り出すことができる。またレベルダウン回路やフォトカプラー回路が不要になるため、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の温度検出センサ付き半導体装置を含む温度信号を外部に取り出す回路が付いているインバータ回路図
【図２】この発明の第２実施例であり、温度検出センサ付き半導体装置の要部断面と温度信号を外部に引出す回路を示す図
【図３】通常のインバータ回路で、パワー半導体素子で構成される直列アームと負荷とゲート制御回路を示した回路図
【図４】従来の温度検出回路を有するインバータ回路図
【図５】別の従来の温度検出回路を有するインバータ回路図
【図６】図５の回路を半導体基板に形成した場合の要部断面図
【符号の説明】
１上アームＩＧＢＴ
２、１２コレクタ
３、１３エミッタ
４、１４ゲート
５、１５フリーホイールダイオード
６上アームｐｎダイオード
７、１７アノード
８、１８カソード
９上アームゲート制御回路
１０上アーム定電流回路
１１下アームＩＧＢＴ
１６下アームｐｎダイオード
１９下アームゲート制御回路
２０下アーム定電流回路
２１上アーム温度信号端子
２２下アーム温度信号端子
２３温度信号グランド端子
２４負荷
３１主電源の高電位側
３２主電源の低電位側
３３中点
４０温度検出センサ付きＩＧＢＴ
４１ｎ^-ベース領域
４２ｐウエル領域
４３ｎエミッタ領域
４４ゲート酸化膜
４５ゲート電極
４６エミッタ電極
４７ｐコレクタ領域
４８コレクタ電極
５１ｐ領域
５２酸化膜
５３ｐアノード領域
５４ｎカソード領域
５５アノード電極
５６カソード電極
Ｃコレクタ端子
Ｅエミッタ端子
Ｇゲート端子
ＧＮＤグランド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device with a temperature detection sensor.
[0002]
[Prior art]
In power semiconductor elements such as IGBT (insulated gate bipolar transistor), power MOSFET (MOS field effect transistor) and BJT (bipolar transistor), the element generates heat due to generation loss when a main current is applied. A diode or resistor is formed on the semiconductor substrate on which these power semiconductor elements are formed via an oxide film, and the temperature during operation of the power semiconductor element is detected using the diode or resistor as a temperature detection sensor. . When used as a temperature detection sensor, a diode uses a change in on-voltage due to temperature, and a resistor uses a change in resistance value due to temperature.
[0003]
In temperature detection, a case will be described in which a reference potential of an external circuit that is an output destination of a microcomputer or the like (a potential corresponding to the ground) is different from a reference potential of a power semiconductor element (for example, IGBT) that is a temperature detection target.
[0004]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a series arm composed of power semiconductor elements, a load, and a gate control circuit in a normal inverter circuit. This circuit includes an upper arm IGBT 101 on the high potential side, a lower arm IGBT 111 on the low potential side, freewheel diodes 105 and 115 connected in antiparallel to these IGBTs 101 and 111, an upper arm gate control circuit 109, and a lower arm gate control circuit. 119 and a load 124. The collector 102 of the upper arm IGBT 101 is connected to the high potential side 131 of the main power supply, and the emitter 113 of the lower arm IGBT 111 is connected to the ground GND. In addition, the emitter 103 of the upper arm IGBT 101 and the collector 112 of the lower arm IGBT 111 are connected, and this connection point is the middle point 133 of the series arm, which is the output point of the inverter circuit, and is connected to the load 124. The other end of the load 124 is connected to the midpoint of another series arm (not shown).
[0005]
In the case of this circuit, the reference potential of the upper arm IGBT 101 (the potential of the emitter 103) becomes VOUT, and this potential constantly varies depending on the switching operation of the upper arm IGBTs 101 and 111 and the state of the load 124. On the other hand, the reference potential of the lower arm IGBT 111 (the potential of the emitter 113) becomes the ground (GND) and does not vary. Next, a case where the temperatures of the IGBTs 101 and 111 are detected will be described. In the figure, reference numerals 104 and 114 denote gates of the upper and lower arm IGBTs.
[0006]
FIG. 4 shows an inverter circuit having a conventional temperature detection circuit. The temperature detection circuit includes constant current circuits 110 and 120 and pn diodes 106 and 116 that serve as temperature detection sensors. The pn diodes 106 and 116 are formed on a semiconductor substrate on which the IGBTs 101 and 111 are formed via an insulating film. The The anodes 107 and 117 and the cathodes 108 and 118 of the pn diodes 106 and 116 are connected to the upper arm and lower arm gate control circuits 209 and 219, and the cathodes 108 and 118 of the upper and lower arm pn diodes are the emitters 103 of the upper and lower arm IGBTs. , 113 respectively. A constant current is supplied to the pn diodes 106 and 116 from the constant current circuits 110 and 120 (drawn outside) in the gate control circuits 209 and 219. When the IGBTs 101 and 111 operate and the temperature rises, the forward voltage drop (ON voltage) of the pn diodes 106 and 116 decreases. The potentials of the anodes 107 and 117 of the pn diode are transmitted to the gate control circuits 209 and 219, and it is detected that the IGBTs 101 and 111 are overheated at the level of this potential, and the gate signals of the IGBTs 101 and 111 are stopped. Or reducing the voltage of the gate signal to prevent overheating of the IGBTs 101 and 111.
[0007]
However, in this circuit, since the reference potential (cathode potential) of the temperature signal of the upper arm IGBT 101 fluctuates by several hundred V, it is difficult to convert this temperature signal into an GND reference signal as an alarm signal or the like and output it to the outside. It is. The temperature signal refers to the anode-cathode voltage (ON voltage) of the pn diode.
[0008]
In order to output the temperature signal as an alarm signal to the outside, it is necessary to convert the reference potential of the temperature signal of the upper arm IGBT 101 to the ground potential and set the reference potential of the temperature signal of the upper and lower arm IGBTs 101 and 111 to the common ground GND. There is. Next, a circuit for extracting the temperature signal to the outside will be described.
[0009]
FIG. 5 shows an inverter circuit having another conventional temperature detection circuit. This is because the potential of the anode 107 of the upper arm pn diode 106 serving as the temperature sensor of the upper arm IGBT 101 is once introduced into the gate control circuit 309, and the upper arm temperature signal terminal is connected via the gate control circuit 309 and the level down circuit 300. This is a circuit for extracting a temperature signal from 321 to the outside. The level down circuit 300 converts the cathode potential (reference potential) of the upper arm pn diode 106 from several hundred volts to a ground potential, and the ground potential (temperature signal) common to the cathode potential (reference potential) of the lower arm pn diode 116. By setting the potential of the ground terminal 323), the potentials of the respective anodes 107 and 117 can be taken out as temperature signals to monitor the temperature. Further, this temperature signal is transmitted to the gate control circuits 309 and 319 via an overheat prevention circuit and a level shift circuit (not shown) to turn off the gates of the IGBTs 101 and 111 or reduce the gate voltage. , 111 can be prevented from overheating. Although not shown here, the level down circuit 300 is a complex circuit composed of two operational amplifiers, a high voltage MOSFET, and a resistor as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-123184. The level down circuit 300 of this circuit may be a photocoupler circuit.
[0010]
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part when the circuit of FIG. 5 is formed on a semiconductor substrate. Here, a cross-sectional view of main parts of the upper arm IGBT 101 and the upper arm pn diode 106 is shown. A p well region 62 is formed in the surface layer of the n semiconductor substrate, an n emitter region 63 is formed in the surface layer of the p well region 62 , and a p well region sandwiched between the n emitter region 63 and the n ⁻ base region 61 is formed. A gate oxide film 64 is formed on 62 to form a gate electrode 65. An emitter electrode 66 is formed on the n emitter region 63. On the other hand, a p collector region 67 is formed on the surface layer of the other main surface of the n semiconductor substrate, and a collector electrode 68 is formed on the p collector region 67. Collector electrode 68, emitter electrode 66 and gate electrode 65 are connected to collector terminal C, emitter terminal E and gate terminal G, respectively. In this way, the upper arm IGBT 101 is formed. A p region 71 is formed on the surface layer of the n semiconductor substrate apart from the p well region 62, and a thin film upper arm pn diode 106 is formed on the p region 71 via an insulating film. The upper arm pn diode 106 includes a p anode region 73, an n cathode region 74, an anode electrode 75, and a cathode electrode 76. The upper arm pn diode 106 is a temperature detection sensor for the upper arm. The cathode 108 of the upper arm pn diode 106 and the emitter terminal E of the upper arm IGBT 101 are connected. The anode 107 of the upper arm pn diode 106 is connected to the constant current circuit 120 and the upper arm gate control circuit 309, and the upper arm gate control circuit 309 is connected to the upper arm temperature signal terminal 321 via the level down circuit 300. Connecting. Further, the emitter terminal E of the upper arm IGBT 101 is connected to the collector terminal of the lower arm IGBT (not shown) and becomes the midpoint of the upper and lower arms, and this point is also the output point.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In order to monitor the temperature of the upper arm IGBT or the like having a reference potential that fluctuates at several hundred volts or more from the GND potential, the level down circuit 300, which has been indispensable in the past, includes two operational amplifiers as described above. This is a complicated circuit composed of high-voltage MOSFETs and resistors. Therefore, the detection speed is slow, the detection accuracy is poor due to variations in the offset voltage and resistance of the operational amplifier, and the cost is increased by adding a level-down circuit. . Further, when a photo coupler circuit is used instead of the level down circuit 300, there are problems in terms of detection accuracy and cost.
[0012]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a semiconductor device with a temperature detection sensor that can extract a temperature signal to the outside with low cost, high detection speed, and high accuracy.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an upper arm IGBT that connects the high potential side of the main power supply and the collector, and a lower arm IGBT that connects the low potential side of the main power supply and the emitter are connected to the emitter of the upper arm IGBT. In the inverter device, which is connected in series with the collector of the lower arm IGBT and has a temperature detection sensor for detecting the temperature of the upper arm IGBT and a temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT, The output terminal of the temperature detection sensor for detecting the temperature is connected to the same reference potential as the output terminal of the temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT , the reference potential is on the low potential side of the main power source, and to the emitter of the potential of the upper arm IGBT and a different configuration.
[0014]
The upper arm IGBT that connects the collector to the high potential side of the main power source and the lower arm IGBT that connects the emitter to the low potential side of the main power source are connected in series with the emitter of the upper arm IGBT and the collector of the lower arm IGBT. In the inverter device connected and having a temperature detection sensor for detecting the temperature of the upper arm IGBT and a temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT, the upper arm IGBT is formed on the semiconductor substrate on which the upper arm IGBT is formed. temperature detection sensor for detecting the temperature of the arm IGBT is formed via an insulating film, unlike the reference potential of the output terminal of the temperature detection sensor for detecting the temperature of the emitter potential and the upper arm IGBT of the upper arm IGBT, the upper arm The output terminal of the temperature detection sensor that detects the temperature of the IGBT detects the temperature of the lower arm IGBT. Connected to the same reference potential and the output terminal of the temperature detection sensor, may the reference potential is a low potential side of the main power supply.
[0015]
The temperature detection sensor may be a diode or a resistor.
[0017]
[0018]
The film thickness t (μm) of the insulating film is such that the maximum value V _MAX (V) of the potential difference between the semiconductor substrate and the temperature detection sensor, the dielectric breakdown electric field strength 800 (V / μm) of the insulating film ,
[0019]
[Expression 2]
t ≧ V _MAX / 800
Satisfy the relationship.
[0020]
[0021]
It is preferable that the semiconductor substrate under the temperature detection sensor for detecting the temperature of the upper arm IGBT has a p-type region.
[0022]
As described above, by optimizing the thickness of the insulating film, City away off the cathode of the upper arm IGBT emitter and the upper arm pn diodes, by varying the reference potential, without the level-down circuit, the temperature of the upper and lower arm IGBT The reference potential of the signal can be adjusted to a common ground. By setting the common ground potential, the output voltage (on voltage of the pn diode) of both temperature detection sensors can be taken out as a temperature signal. By eliminating the need for a level-down circuit or a photocoupler circuit, the temperature signal can be extracted externally at low cost, with a high detection speed, and with high accuracy.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an inverter circuit having a circuit for taking out a temperature signal including the semiconductor device with a temperature detection sensor according to the first embodiment of the present invention.
[0024]
The inverter circuit includes an upper arm IGBT 1 on the high potential side, a lower arm IGBT 11 on the low potential side, freewheel diodes 5 and 15 connected in reverse parallel to these IGBTs, an upper arm gate control circuit 9, and a lower arm gate control circuit 19. , And a load 24. The collector 2 of the upper arm IGBT 1 is connected to the collector terminal C, and the collector terminal C is connected to the high potential side 31 of the main power supply. The emitter 13 of the lower arm IGBT 11 is connected to the low potential side 32 of the main power supply, and the low potential side 32 is connected to the ground GND. Further, the emitter 3 of the upper arm IGBT 1 is connected to the collector 12 of the lower arm IGBT 11 via the emitter terminal E, and this connection point is the midpoint 33 of the series arm and becomes the output point of the inverter circuit and is connected to the load 24. The other end of the load 24 is connected to the midpoint of another series arm (not shown).
[0025]
The upper and lower arm temperature detection circuits are composed of upper and lower arm constant current circuits 10 and 20 and upper and lower arm temperature detection sensors and upper arm pn diodes 6 and 16, and these pn diodes 6 and 16. As shown in FIG. 2, it is formed on a semiconductor substrate on which an IGBT is formed via an insulating film. The anode 7 and 17 of these pn diodes 6 and 16, on, connected to the lower arm constant current circuits 10 and 20, mosquito cathode 8, 18 connected to the low potential side 32, i.e. the ground GND of the main power supply. The upper and lower arm constant current circuits 10 and 20 and the upper and lower arm pn diodes 6 and 16 are connected to the lower arm gate control circuit 19. In addition, the lower arm constant current circuits 10 and 20 may be built in the lower arm gate control circuit 19.
[0026]
Unlike the conventional circuit, the cathode 8 of the upper arm pn diode 6 is not connected to the emitter 3 of the upper arm IGBT 1. Therefore, the cathodes 8 and 18 of the upper and lower arm pn diodes 6 and 16 can have a common ground potential.
[0027]
In addition to being connected to the lower arm gate control circuit 19, a constant current is passed from the lower arm constant current circuits 10 and 20 to the upper and lower arm pn diodes 6 and 16. When the upper and lower arm IGBTs 1 and 11 operate and the temperature rises, the forward voltage drop (ON voltage) of the upper and lower arm pn diodes 6 and 16 decreases. The anode-cathode voltage (ON voltage) of the pn diode is taken out as a temperature signal from the upper and lower arm temperature signal terminals 21 and 22 and the temperature signal ground terminal 23 via the lower arm gate control circuit 19.
[0028]
Thus, since the emitter 3 of the upper arm IGBT 1 and the cathode 8 of the upper arm pn diode 6 are insulated, the cathode 8 of the upper arm pn diode 6 can be connected without going through a level down circuit that has been conventionally required. It can be directly connected to the ground GND. By connecting the cathodes 8 and 18 of the upper and lower arm pn diodes 6 and 16 to a common ground GND, the temperature signal can be easily taken out. Further, since the temperature signal does not pass through the level down circuit, the temperature detection speed is fast and the temperature signal can be taken out with high accuracy. Further, since the level down circuit and the photocoupler circuit are not required, the cost can be reduced.
[0029]
The temperature signal taken out to the outside is transmitted to the gate control circuits 9 and 19 via an overheat prevention circuit and a level shift circuit (not shown) to turn off the gates of the IGBTs 1 and 11 and reduce the gate voltage. Thus, overheating of the IGBTs 1 and 11 can be prevented. Further, VCC-H in the figure indicates the high potential side of the power source for driving the upper arm gate control circuit 9, and VCC-L indicates the high potential side of the power source for driving the lower arm gate control circuit 19.
[0030]
In addition to the IGBT (main semiconductor element) shown in this embodiment, the present invention can be widely applied to power semiconductor elements that generate heat, such as power MOSFETs, bipolar transistors, thyristors, GTO thyristors, and high voltage diodes.
[0031]
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention, and is a diagram showing a cross section of a main part of a semiconductor device with a temperature detection sensor and a circuit for extracting a temperature signal to the outside. The principal part sectional drawing and the temperature detection circuit part of the location enclosed with the dotted line 40 at the time of forming the circuit of FIG. 1 in a semiconductor substrate are shown. Specifically, a cross-sectional view of main parts of the upper arm IGBT 1 and the upper arm pn diode 6 is shown. In addition, here, the first conductivity type is shown as n-type and the second conductivity type is shown as p-type, but this conductivity type may be reversed.
[0032]
A p-well region 42 is formed in the surface layer of an n-semiconductor substrate (after each diffusion, the n-semiconductor substrate in the undiffused portion becomes the n ⁻ base region 41). Region 43 is formed, gate oxide film 44 is formed on p well region 42 sandwiched between n emitter region 43 and n ⁻ base region 41, and gate electrode 45 is formed on gate oxide film 44. An emitter electrode 46 is formed on the n emitter region 43. A p collector region 47 is formed on the other surface of the n semiconductor substrate, and a collector electrode 48 is formed on the p collector region 47. The collector electrode 48, the emitter electrode 46, and the gate electrode 45 are connected to the collector terminal C, the emitter terminal E, and the gate terminal G, respectively. In this way, the upper arm IGBT1 is formed. A p region 51 is formed on the surface layer of the n semiconductor substrate apart from the p well region 42, and a p anode region 53 and an n cathode region 54 are formed on the p region 51 with a thin polysilicon film or the like through an oxide film 52. The anode electrode 55 and the cathode electrode 56 are formed on these regions to form the upper arm pn diode 6. However, the p region 51 may be the p well region 42.
[0033]
The upper arm pn diode 6 is an upper arm temperature detection sensor. The cathode 8 of the upper arm pn diode 6 and the emitter 3 of the upper arm IGBT 1 are not connected. The anode 7 of the upper arm pn diode 6 is connected to the upper arm constant current circuit 10 and the lower arm gate control circuit 19, and is connected to the lower arm gate control circuit 19 and the upper arm temperature signal terminal 21. The emitter electrode 46 of the upper arm IGBT 1 is connected to the emitter terminal E, and the emitter terminal E is connected to the collector terminal of the lower arm IGBT (not shown) and also serves as an output point.
[0034]
Here, since the dielectric breakdown electric field strength of the oxide film 52 is 8 × 10 ⁶ V / cm ( 800 V / μm) , in order to prevent the oxide film from causing dielectric breakdown, the thickness t ( μm) and the maximum potential difference V _MAX (V) between the semiconductor substrate and the temperature detection sensor are as follows.
[0035]
[Equation 3]
t (μm) ≧ V _MAX (V) / 800.
[0036]
If the thickness of the oxide film satisfies this relationship, the dielectric breakdown of the oxide film 52 does not occur, and the cathode 8 of the upper arm pn diode 6 can be connected to the ground GND. When the rated voltage of the semiconductor device is applied to the oxide film, V _MAX is the rated voltage of the IGBT (main semiconductor element).
[0037]
Further, by forming the upper arm pn diode 6 on the p region 51 via the oxide film 52, the p region 51 and the n ⁻ base region 41 are also applied between the emitter E and the ground GND at the pn junction. Since the voltage is shared, the voltage shared by the oxide film 52 is reduced, and the reliability is improved.
[0038]
When the thickness t of the oxide film satisfying the above equation is used, the p region 51 in FIG. 2 may be deleted. However, it is desirable that the p region 51 is present from the viewpoint of reliability.
[0039]
Of course, instead of the upper arm pn diode, a thin film resistor may be formed on the oxide film using polysilicon or the like, and the temperature change of the resistance value may be used as a temperature detection sensor.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, the upper arm IGBT that connects the high-potential side of the main power source and the collector, and the lower arm IGBT that connects the low-potential side of the main power source and the emitter are the emitter and lower arm IGBT of the upper arm IGBT. Are connected in series, and each of the inverter devices has a temperature detection sensor for detecting the temperature of the upper arm IGBT and a temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT, and detects the temperature of the upper arm IGBT. The output terminal of the temperature detection sensor is connected to the same reference potential as the output terminal of the temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT , the reference potential is on the low potential side of the main power supply, and the upper arm IGBT in the Turkey different from the emitter potential, reference potential of the temperature signal from the temperature detection sensor of the upper arm (upper arm pn diode) And dropped directly to ground without passing through the level-down circuit and photo coupler circuit, it can be pulled out to the outside. Thus, since no level down circuit or photocoupler circuit is used, the temperature detection speed is fast and the temperature signal can be taken out with high accuracy. Further, since the level down circuit and the photocoupler circuit are not required, the cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an inverter circuit diagram having a circuit for taking out a temperature signal including a semiconductor device with a temperature detection sensor according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a temperature detection circuit according to a second embodiment of the present invention. The figure which shows the circuit which draws out the principal part cross section of the semiconductor device with the sensor and the temperature signal outside [Figure 3] The circuit diagram which shows the series arm which consists of the power semiconductor element, the load and the gate control circuit in the normal inverter circuit FIG. 4 is a circuit diagram of an inverter having a conventional temperature detection circuit. FIG. 5 is a circuit diagram of an inverter having another conventional temperature detection circuit. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part when the circuit of FIG. Explanation of symbols]
1 Upper arm IGBT
2,12 Collector 3,13 Emitter 4,14 Gate 5,15 Freewheel diode
6 Upper arm pn diode 7, 17 Anode 8, 18 Cathode
9 Upper arm gate control circuit 10 Upper arm constant current circuit 11 Lower arm IGBT
16 Lower arm pn diode 19 Lower arm gate control circuit 20 Lower arm constant current circuit 21 Upper arm temperature signal terminal 22 Lower arm temperature signal terminal 23 Temperature signal ground terminal 24 Load 31 High potential side of main power supply 32 Low potential side of main power supply 33 Midpoint 40 IGBT with temperature detection sensor
41 n ^- base region 42 p-well region 43 n emitter region 44 a gate oxide film 45 gate electrode 46 emitter electrode 47 p collector region 48 a collector electrode 51 p region 52 oxide film 53 p anode region 54 n cathode region 55 anode electrode 56 cathode electrode
C Collector terminal
E Emitter terminal
G Gate terminal
GND ground

Claims

主電源の高電位側とコレクタを接続する上アームＩＧＢＴと、前記主電源の低電位側とエミッタを接続する下アームＩＧＢＴとが、該上アームＩＧＢＴのエミッタと下アームＩＧＢＴのコレクタとが直列に接続され、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサと前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサとをそれぞれ有するインバータ装置において、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子が、前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子と同じ基準電位に接続され、該基準電位は前記主電源の低電位側であり、かつ上アームＩＧＢＴのエミッタの電位と異なることを特徴とする半導体装置。An upper arm IGBT that connects the high potential side of the main power supply and the collector, a lower arm IGBT that connects the low potential side of the main power supply and the emitter, and an emitter of the upper arm IGBT and a collector of the lower arm IGBT are connected in series. An output of a temperature detection sensor that detects the temperature of the upper arm IGBT in an inverter device that is connected and has a temperature detection sensor that detects the temperature of the upper arm IGBT and a temperature detection sensor that detects the temperature of the lower arm IGBT. The terminal is connected to the same reference potential as the output terminal of the temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT , and the reference potential is on the low potential side of the main power supply and is different from the potential of the emitter of the upper arm IGBT. wherein a and Turkey.

主電源の高電位側とコレクタを接続する上アームＩＧＢＴと、前記主電源の低電位側とエミッタを接続する下アームＩＧＢＴとが、該上アームＩＧＢＴのエミッタと下アームＩＧＢＴのコレクタとが直列に接続され、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサと前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサとをそれぞれ有するインバータ装置において、上アームＩＧＢＴの形成された半導体基板上に、前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサが絶縁膜を介して形成され、前記上アームＩＧＢＴのエミッタの電位と上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子の基準電位が異なり、上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子が、前記下アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサの出力端子と同じ基準電位に接続され、該基準電位は前記主電源の低電位側であることを特徴とする半導体装置。An upper arm IGBT that connects the high potential side of the main power supply and the collector, a lower arm IGBT that connects the low potential side of the main power supply and the emitter, and an emitter of the upper arm IGBT and a collector of the lower arm IGBT are connected in series. In the inverter device connected and having a temperature detection sensor for detecting the temperature of the upper arm IGBT and a temperature detection sensor for detecting the temperature of the lower arm IGBT, the upper arm IGBT is formed on the semiconductor substrate on which the upper arm IGBT is formed. temperature detection sensor for detecting the temperature of the arm IGBT is formed via an insulating film, unlike the reference potential of the output terminal of the temperature detection sensor for detecting the temperature of the emitter potential and the upper arm IGBT of the upper arm IGBT, the upper arm The output terminal of the temperature detection sensor that detects the temperature of the IGBT detects the temperature of the lower arm IGBT. Connected to the same reference potential and the output terminal of the temperature detection sensor, a semiconductor device the reference potential, which is a low potential side of the main power supply.

前記温度検出センサが、ダイオードまたは抵抗であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature detection sensor is a diode or a resistor.

前記絶縁膜の膜厚ｔ（μｍ）が、前記半導体基板と前記温度検出センサの電位差の最大値Ｖ_MAX（Ｖ）と、絶縁膜の絶縁破壊電界強度８００（Ｖ／μｍ）と、
【数１】
ｔ≧Ｖ_MAX／８００の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。The film thickness t (μm) of the insulating film is such that the maximum value V _MAX (V) of the potential difference between the semiconductor substrate and the temperature detection sensor, the dielectric breakdown electric field strength 800 (V / μm) of the insulating film ,
[Expression 1]
The semiconductor device according to claim 2, wherein a relationship of t ≧ V _MAX / 800 is satisfied.

前記上アームＩＧＢＴの温度を検出する温度検出センサ下の半導体基板にｐ型領域を有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 2, further comprising a p-type region in a semiconductor substrate under a temperature detection sensor that detects a temperature of the upper arm IGBT.