KR100503938B1 - 반도체장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 과전류를 방지하는 전류감지소자를 내장한 절연게이트형 트랜지스터에 대하여, 전류감지소자의 과전압에 의한 파괴를 방지하는 수단을 제공한다. 주전류를 제어하는 제 1 IGBT(1)과, 제 1 IGBT(1)의 과전류를 방지하는 제 2 IGBT(2)를 구비한 반도체장치에서는, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6)의 사이에, 제 1 다이오드(9)와 제 2 다이오드(10)가, 감지저항(8)과 병렬이 되도록 하고, 역직렬로 접속되어 있다. 여기서, 양 다이오드(9, 10)의 역방향전압에 대한 항복전압은, 양 에미터(5, 6)간의 내압치보다 낮고, 또한 감지전압의 상한치보다 높은 값으로 설정되고, 이에 따라 제 1 IGBT(1)의 과전류를 유효하게 방지하면서, 제 2 IGBT(2)의 과전압에 의한 파괴가 확실히 방지된다.

Description

반도체장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 과전류를 방지하기 위한 전류감지(sense)소자를 내장함과 동시에, 그 전류감지소자를 과전압에 의한 파괴로부터 보호하는 수단을 갖는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)등의 절연게이트형 트랜지스터를 구비한 반도체장치에 관한 것이다.
IGBT, MOSFET 등의 절연게이트형(전압구동형)의 트랜지스터는, 고속스위칭이 가능하므로, 최근, 인버터, AC 서보 등의 스위칭소자 등으로서 널리 사용되고 있다. 그리고, 이러한 절연게이트형 트랜지스터에서는, 일반적으로, 회로, 외부 부하 등에 과전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 전류감지소자가 설치된다.
구체적으로는, 예를 들면, 주전류를 제어하는 주 IGBT 또는 주 MOSFET를 흐르는 전류를 검출하는 전류감지소자를 내장하여, 전류감지소자에 의해서 주 IGBT 또는 주 MOSFET의 전류의 상승이 검출되었을 때에는, 주 IGBT 또는 주 MOSFET의 게이트전압을 저하시켜서 과전류를 방지하도록 한 IGBT 또는 MOSFET가 제안되어 있다 (일본국 특개평 9-293856호 공보, 특개평 4-326768호 공보, 일본특허공개 2000-269489호 공보, 특개평 8-46193호 공보 및 특개평 6-13618호 공보 참조).
도 7은 전류감지소자를 내장한 종래의 일반적인 반도체장치(IGBT)의 개략적인 구성을 나타낸 회로도이다. 도 7에 나타낸 것처럼, 이 종래의 반도체장치에서는, 주전류를 제어하는 제 1 IGBT(101)와, 이 제 1 IGBT(101)를 흐르는 전류를 모니터하는 제 2 IGBT(102)(전류감지소자)가 동일한 반도체기판(도시하지 않음)에 형성되어 있다. 이 반도체장치에서는, 양 IGBT(101, 102)에 대하여, 게이트(103)(게이트영역) 및 콜렉터(104)(콜렉터영역)가 공통화되어 있다.
이에 대하여, 에미터(에미터영역)는, 양 IGBT(101, 102)에 대하여 개별로 설치된다. 즉, 제 1 IGBT(101)에 대해서는 제 1 에미터(105)(제 1 에미터영역)가 설치되고, 제 2 IGBT(102)에 대해서는 제 2 에미터(106)(제 2 에미터영역)가 설치된다. 그리고, 양 에미터(105, 106)는, 공통에미터(107)에 접속되어 있다. 이때, 제 2 에미터(106)는, 제 1 IGBT(101)의 전류를 모니터하기 위해서 설치될 뿐이므로, 그 치수 내지 면적은 일반적으로, 제 1 에미터(105)의 치수 내지 면적과 비교하여 대단히 작은 것이 된다.
그리고, 제 2 에미터(106)에는 감지저항(108)이 설치되고, 이 감지저항(108)에 걸리는 감지전압 Vs(즉, 감지저항(108)에 의한 전압강하)에 따라서, 게이트(103)에 걸리는 전압을 제어하도록 되어 있다.
도 8에 나타낸 것처럼, 이 종래의 반도체장치에서는, 감지저항(108)에 걸리는 감지전압 Vs는, 제 1 에미터(105)를 흐르는 전류에 거의 비례한다. 따라서, 이 감지전압 Vs를 모니터하여, 게이트(103)로 피드백함으로써, 제 1 IGBT(101)의 과전류를 방지할 수 있다.
상기한 것처럼, 제 2 에미터(106)의 치수 내지 면적은 대단히 작고, 또한 전류감지소자로서 사용되는 제 2 IGBT(102)의 용량도 대단히 작은 것이 된다. 이 때문에, 제 2 IGBT(102) 내지 제 2 에미터(106)는, 외부회로의 영향을 받기 쉽고, 사정에 따라서는 제 2 IGBT(102) 내지 제 2 에미터(106)가, 과전압 등에 의해 파괴되는 경우가 있다고 하는 문제가 있었다. 이러한 파괴의 구체예로서는, 예를 들면, 제 1 에미터(105)와 제 2 에미터(106) 사이에 그 내압치(항복전압)를 넘는 전압이 발생하는 경우 등을 들 수 있다.
이때, 이러한 문제는, IGBT뿐만 아니라, MOSFET 등이라고 한 그 밖의 전압구동형 파워 트랜지스터에서도 물론 생긴다.
본 발명은, 상기 종래의 문제를 해결하기 위해서 주어진 것으로, 과전류를 방지하기 위한 전류감지소자를 내장한 IGBT, MOSFET 등의 절연게이트형 트랜지스터에 대하여, 과전류를 유효하게 방지하면서, 전류감지소자의 과전압 등에 의한 파괴를 유효하게 방지할 수 있는 수단을 제공하는 것을 해결해야 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 주어진 본 발명의 제 1 형태에 따른 반도체장치는, (i) 주전류(즉, 해당 반도체장치에 의해서 제어되는 외부 부하를 흐르는 전류)를 제어하는 절연게이트형의 제 1 트랜지스터(예를 들면, IGBT, MOSFET 등)와, 제 1 트랜지스터를 흐르는 전류를 모니터(감시)하는 절연게이트형의 제 2 트랜지스터(예를 들면, IGBT, MOSFET 등)가 동일한 반도체기판에 형성되고, (ii) 양 트랜지스터의 양 콜렉터영역이 공통화됨과 동시에 양 게이트영역이 공통화되고, 또한 제 2 트랜지스터의 에미터영역이 제 1 트랜지스터의 에미터영역보다도 작은 치수(또는 면적)로 되고, (iii) 제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에 설치된 감지저항에 걸리는 감지전압(즉, 감지저항에 의한 전압강하)에 의해 게이트영역에 걸리는 전압(나아가서는, 제 1 트랜지스터를 흐르는 전류)을 제어하도록 되어 있는 반도체장치에 있어서, (iv) 제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에, 양 에미터영역간의 내압치(항복전압)보다 낮고 감지전압의 상한치보다 높은 전압에서 항복하는 다이오드부(클램프소자)가, 감지저항과 병렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 반도체장치에서는, 다이오드부가, 반도체기판에 내장(또는 일체화)되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 다이오드부는, 반도체기판 상의 절연막 상에 형성된 폴리실리콘으로 구성되어도 된다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 반도체장치는, 본 발명의 제 1 형태에 따른 상기 반도체장치에 있어서, 양 에미터영역간의 내압치보다 낮고 감지전압의 상한치보다 높은 전압에서 항복하는 다이오드부 대신에, 양 에미터영역간의 내압치보다 낮고 감지전압의 상한치보다 높은 전압에서 도통하는 다이오드부가 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 반도체장치에서도, 다이오드부가, 반도체기판에 내장(또는 일체화)되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 다이오드부는, 반도체기판상의 절연막 상에 형성된 폴리실리콘으로 구성되어도 된다.
[발명의 실시예]
(실시예 1)
이하, 본 발명의 실시예 1을 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 반도체장치(IGBT)의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 1에 나타낸 것처럼, 본 발명에 따른 반도체장치에서는, 주전류를 제어하는 제 1 IGBT(1)와, 이 제 1 IGBT(1)를 흐르는 전류를 모니터하는 제 2 IGBT(2)가, 동일한 반도체기판(도 2 참조)에 형성되어 있다. 이때, 여기서, 「주전류」는, 해당 반도체장치에 의해서 제어(예를들면, 온/오프제어)되는 외부 부하 또는 이 외부 부하에 접속된 회로를 흐르는 전류를 의미한다.
이 반도체장치에서는, 양 IGBT(1, 2)에 대하여, 게이트(3)(게이트영역) 및 콜렉터(4)(콜렉터영역)는 공통화되어 있다. 즉, 양 IGBT(1, 2)에 대하여, 게이트(3)와 콜렉터(4)가, 하나씩 설치된다. 이에 대하여, 에미터(에미터영역)는, 양 IGBT(1, 2)에 대하여, 개별로 설치된다. 즉, 제 1 IGBT(1)에 대하여 제 1 에미터(5)(제 1 에미터영역)가 설치되는 한편, 제 2 IGBT(2)에 대하여 제 2 에미터(6)(제 2 에미터영역)가 설치된다. 이때, 제 1 에미터(5)는, 공통에미터(7)에 접속되어 있다. 여기서, 제 2 에미터(6)는, 제 1 IGBT(1)의 전류를 모니터 또는 검출하기 위해서 설치될뿐이기 때문에, 그 치수 또는 면적은, 제 1 에미터(5)의 치수 또는 면적과 비교하여, 대단히 작은 것으로 되어 있다.
또한, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6)를 접속하는 도선에는, 감지저항(8)이 설치되어 있다. 그리고, 이 반도체장치에서는, 감지저항(8)에 걸리는 감지전압 Vs, 즉 감지저항(8)에 의한 전압강하에 따라서, 게이트(3)에 따른 전압을 제어하고, 나아가서는 양 IGBT(1, 2)을 흐르는 전류를 제어하게 되어 있다. 이 반도체장치에서는, 기본적으로는, 감지저항(8)에 따른 감지전압 Vs는, 제 1 에미터(5)를 흐르는 전류에 거의 비례하여 증가한다(도 8 참조).
따라서, 이 감지전압 Vs를 모니터하여, 게이트(3)에 피드백함으로써, 제 1 IGBT(1)의 과전류를 방지할 수 있다. 예를 들면, 감지전압 Vs가, 미리 설정된 상한치 또는 한계치까지 상승하였을 때에는, 게이트(3)에 인가되는 전압이 0V로 고정되어, 양 IGBT(1, 2)은 오프상태가 된다. 이에 따라, 양 IGBT(1, 2)가 설치된 회로가 차단되어, 해당 회로(또는 양 IGBT(1, 2))에 과전류가 흐르는 것이 방지된다.
또한, 이 반도체장치에서는, 제 1 IGBT(1)의 제 1 에미터(5)와 제 2 IGBT(2)의 제 2 에미터(6)의 사이에, 제 1 다이오드(9)와 제 2 다이오드(10)로 이루어진 다이오드부(11)(클램프소자)가, 감지저항(8)과 병렬로 접속되어 있다. 여기서, 다이오드부(11)는, 양 에미터(5, 6)간의 내압치(항복전압)보다 낮고, 감지전압 Vs의 상한치보다 높은 전압으로 항복한다고 한 내압특성을 구비하고 있다.
이하, 이 다이오드부(11)의 구체적인 구성 및 기능을 설명한다.
이 다이오드부(11)에서는, 제 1 다이오드(9)가 제 1 에미터(5)로부터 제 2 에미터(6)를 향하여 역전압 방향이 되고, 제 2 다이오드(10)가 제 2 에미터(6)로부터 제 1 에미터(5)를 향하여 역전압 방향이 되도록 하고, 양 다이오드(9, 10)가 서로 직렬로 접속되어 있다. 요컨대, 양 다이오드(9, 10)는, 서로 역직렬로 접속되어 있다. 그리고, 양 다이오드(9, 10)의 역방향전압에 대한 항복전압 또는 내압(이하, 「다이오드 항복전압」이라고 함)은, 양 에미터(5, 6)간의 내압치(이하, 「에미터간 내압치」라고 함)보다 낮고, 또한, 감지전압 Vs의 상한치 또는 한계치(이하, 「감지전압 상한치」라고 함)보다 높은 값으로 설정되어 있다.
이렇게 하여서, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에 걸리는 전압이 다이오드 항복전압 이하이면, 다이오드부(11)는 차단상태가 된다. 즉, 제 1 에미터(5)의 전압이 제 2 에미터(6)의 전압보다 높을 때에는, 제 1 다이오드(9)가 다이오드부(11)를 통해 제 1 에미터(5)로부터 제 2 에미터(6)로 전류가 흐르는 것을 저지한다. 한편, 제 2 에미터(6)의 전압이 제 1 에미터(5)의 전압보다 높을 때는, 제 2 다이오드(10)가, 다이오드부(11)를 통해 제 2 에미터(6)로부터 제 1 에미터(6)에 전류가 흐르는 것을 저지한다. 이 경우, 제 2 IGBT(2)는, 감지전압 Vs를 모니터하여 게이트(3)에 피드백함으로써, 제 1 IGBT(1)의 과전류를 방지한다.
그러나, 외부회로의 영향 등에 의해 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에, 다이오드 항복전압을 넘는 과전압이 발생하였을 때에는, 제 1 다이오드(9)와 제 2 다이오드(10) 중, 역방향전압이 걸려 있는 쪽의 다이오드가 항복되어, 다이오드부(11)는 도통상태가 된다. 즉, 제 1 에미터(5)의 전압이 제 2 에미터(6)의 전압보다 높을 때에는, 역방향전압이 걸려 있는 제 1 다이오드(9)가 항복하여 도통하고, 또한 순방향전압이 걸려 있는 제 2 다이오드(10)도 당연히 도통하기 때문에, 다이오드부(11)는 도통상태가 된다. 한편, 제 2 에미터(6)의 전압이 제 1 에미터(5)의 전압보다 높을 때에는, 역방향전압이 걸려 있는 제 2 다이오드(10)가 항복하여 도통하고, 또한 순방향전압이 걸려 있는 제 1 다이오드(9)도 당연히 도통하기 때문에, 다이오드부(11)는 도통상태가 된다.
이 경우, 다이오드부(11)가 도통하기 때문에, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6)가 실질적으로 동일전압(동일전위)이 되어 과전압은 해소된다. 따라서, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에 발생하는 전압은, 다이오드 항복전압을 넘는 경우가 없다. 그리고, 상기한 것처럼, 다이오드 항복전압은, 에미터간 내압치보다 낮기 때문에, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에 걸리는 전압은, 에미터간 내압치까지 상승하는 일은 없다. 이 때문에, 제 2 IGBT(2)의 과전압에 의한 파괴가 확실히 방지된다.
또한, 상기한 것처럼, 다이오드 항복전압은, 감지전압 상한치보다 높기 때문에, 다이오드부(11)는, 제 2 IGBT(2)의 감지전압 Vs를 모니터하여 제 1 IGBT(1)의 과전류를 방지하는 원래의 기능을 조금도 방해하지 않는다.
이와 같이, 실시예 1 에 따른 반도체장치에서는, 제 2 IGBT(2)의 감지전압 Vs를 모니터하여 제 1 IGBT(1)의 과전류를 유효하게 방지할 수 있고, 제 2 IGBT(2)가 과전압에 의해 파괴되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
(실시예 2)
이하, 도 2 및 도 3a, 도 3b를 참조하면서, 본 발명의 실시예 2에 따른 반도체장치를 설명한다. 그러나, 실시예 2에 따른 반도체장치의 기본구성은, 실시예 1 에 따른 반도체장치의 구성과 공통하기 때문에, 설명의 중복을 피하기 위해서, 이하에서는 주로 실시예 1과 다른 점을 설명한다. 이때, 도 2 또는 도 3a, 도 3b에서, 도 1에 나타낸 실시예 1에 따른 반도체장치와 공통의 부재에는, 도 1의 경우와 동일한 참조번호가 부여되어 있다.
도 2 및 도 3a, 도 3b에 나타낸 것처럼, 실시예 2에 따른 반도체장치에서는, 다이오드부(11)는, 해당 반도체장치(반도체기판)에 내장 또는 일체로 형성되고, 반도체기판 상의 절연막(13)상에 형성된 폴리실리콘으로 구성된다. 이것이 실시예 2에 따른 반도체장치가 실시예 1에 따른 반도체장치와 다른 점이고, 그 밖의 점에 관해서는, 실시예 1에 따른 반도체장치의 경우와 실질적으로 동일하다.
이하, 실시예 2에 따른 반도체장치의 구조를 구체적으로 설명한다. 이 반도체장치의 반도체기판은, 실질적으로, 양 IGBT(1, 2)에 공통인 콜렉터(4)에 접속된 P 콜렉터층(14)과, P 콜렉터층(14) 위에 배치된 N 베이스층(15)과, 각각 N 베이스층(15)내에 형성된 IGBT측 P 베이스층(16) 및 다이오드측 P 베이스층(17)과, IGBT측 P 베이스층(16)내에 형성된 N+에미터층(18)으로 구성된다. 이때, 양 IGBT(1, 2)의 각 에미터(5, 6)는, 각각, 대응하는 N+에미터층(18)에 접속되어 있다. 또한, 양 IGBT(1, 2)에 공통인 게이트(3)의 각 게이트층(19)은, 각각, 절연막(도시하지 않음)을 통해 반도체기판 상에 배치되어 있다.
제 1 에미터(5)와 동전위의 다이오드측 P 베이스층(17)의 위에는, 절연층(13)을 통해, 다이오드부(11)가 형성되어 있다. 이 다이오드부(11)는, 평면에서 보아 중심부에 위치하는 N형 폴리실리콘층(20)과, 해당 N형 폴리실리콘층(20)의 바깥 가장자리에 이것을 둘러싸도록 접촉되어 있는 P형 폴리실리콘층(21)과, 해당 P형 폴리실리콘층(21)의 바깥 가장자리에 이것을 둘러싸도록 접촉되어 있는 N형 폴리실리콘층(22)으로 구성되어 있다. 그리고, 평면에서 보아 중심측에 위치하는 N형 폴리실리콘층(20)에는, 알루미늄 전극 등을 통해 제 2 에미터(6)가 접속되어 있다. 한편, 외측에 위치하는 N형 폴리실리콘층(22)에는, 알루미늄 전극등을 통해 제 1에미터(5)가 접속되어 있다. 따라서, 이 다이오드(11)는, 도 3b에 나타낸 것과 같은 회로구성이 된다.
이와 같이, 실시예 2에 따른 반도체장치는, 다이오드부(11)가 해당 반도체장치(반도체기판)에 내장 또는 일체로 형성되어 있으므로, 콤팩트하게 되어, 부품수가 감소된다. 또한, 다이오드부(11)가, 절연막(13)상에 형성된 폴리실리콘(20, 21, 22)으로 구성되어 있으므로, 그 제조 프로세스가 간소하거나 용이해져, 해당 반도체장치의 제조비용이 감소된다.
이때, 실시예 2에 따른 반도체장치에서는, 상기한 것처럼, 다이오드부(11)가 해당 반도체장치에 내장 또는 일체로 형성되고, 반도체기판상의 절연막(13)상에 형성된 폴리실리콘으로 구성되어 있지만, 그 회로구성은 도 1에 나타낸 실시예 1에 따른 반도체장치와 실질적으로 동일하다. 따라서, 실시예 2에 따른 반도체장치에서도, 실시예 1에 따른 반도체장치의 경우와 마찬가지로, 제 2 IGBT(2)의 감지전압 Vs를 모니터하여 제 1 IGBT(1)의 과전류를 유효하게 방지할 수 있고, 제 2 IGBT(2)가 과전압에 의해 파괴되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
(실시예 3)
이하, 도 4를 참조하면서, 본 발명의 실시예 3에 따른 반도체장치를 설명한다. 그러나, 실시예 3에 따른 반도체장치의 기본구성은, 실시예 1에 따른 반도체장치의 구성과 공통이기 때문에, 설명의 중복을 피하기 위해서, 이하에서는 주로 실시예 1과 다른 점을 설명한다. 이때, 도 4에서, 도 1에 나타낸 실시예 1에 따른 반도체장치와 공통된 부재에는, 도 1의 경우와 동일한 참조번호가 부여된다.
도 4에 나타낸 것처럼, 실시예 3에 따른 반도체장치에서는, 다이오드부(11)는, 에미터 내압치(항복전압)보다 낮고, 감지전압 상한치보다 높은 소정의 전압으로 도통한다고 한 도전특성을 구비하고 있다. 즉, 실시예 1(실시예 2도 마찬가지임)에 따른 반도체장치는, 다이오드(9, 10)의 역전압 방향의 내압 특성을 이용하는 점에 특징이 있지만, 실시예 3에 따른 반도체장치는, 순전압 방향의 도통특성을 이용하는 점에 특징이 있다. 이것이 실시예 3에 따른 반도체장치가 실시예 1에 따른 반도체장치와 다른 점이고, 그 밖의 점에 관해서는, 실시예 1에 따른 반도체장치의 경우와 실질적으로 동일하다.
이하, 실시예 3에 따른 반도체장치의 다이오드부(11)의 구체적인 구성 및 기능을 설명한다. 이 다이오드부(11)에서는, 제 1 다이오드(9)가 제 2 에미터(6)로부터 제 1 에미터(5)를 향하여 순전압 방향이 되고, 제 2 다이오드(10)가 제 1 에미터(5)로부터 제 2 에미터(6)를 향하여 순전압 방향이 되도록 하고, 양 다이오드(9, 10)가 서로 병렬로 접속되어 있다. 요컨대, 양 다이오드(9, 10)는, 서로 역병렬로 접속되어 있다. 그리고, 양 다이오드(9, 10)의 순방향전압에 대한 도통전압(이하, 「다이오드 도통전압」이라고 칭함)은, 에미터간 내압치보다 낮고, 감지전압 상한치보다 높은 값으로 설정된다. 이때, 양 다이오드(9, 10)는, 다이오드 도통전압보다 낮은 순방향전압이 걸리더라도 전류를 흘리지 않는다.
이렇게 하여서, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6)의 사이에 걸리는 전압이 다이오드 도통전압 이하이면, 다이오드부(11)는 차단상태가 된다. 즉, 제 1 에미터(5)의 전압이 제 2 에미터(6)의 전압보다 높은 때이어도, 순방향 전압이 걸리는 제 2 다이오드(10)는 도통하지 않고, 또한 역전압이 걸리는 제 1 다이오드(9)는 항복되지 않기 때문에, 다이오드부(11)를 통해 제 1 에미터(5)로부터 제 2 에미터(6)에 전류가 흐르는 경우는 없다. 한편, 제 2 에미터(6)의 전압이 제 1 에미터(5)의 전압보다 높을 때에는, 순방향전압이 걸리는 제 1 다이오드(9)는 도통하지 않고, 또한 역전압이 걸리는 제 2 다이오드(10)는 항복되지 않기 때문에 다이오드부(11)를 통해 제 2 에미터(6)로부터 제 1 에미터(5)에 전류가 흐르는 경우는 없다. 이 경우, 제 2 IGBT(2)는, 감지전압 Vs를 모니터하여 게이트(3)에 피드백함으로써, 제 1 IGBT(1)의 과전류를 방지한다.
그러나, 외부회로의 영향 등에 의해 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에, 다이오드 도통전압을 넘는 과전압이 발생하였을 때에는, 제 1 다이오드(9)와 제 2 다이오드(10) 중, 순방향전압이 걸려 있는 쪽의 다이오드(9, 10)가 도통하여, 다이오드부(11)는 도통상태가 된다. 즉, 제 1 에미터(5)의 전압이 제 2 에미터(6)의 전압보다 높을 때에는, 순방향전압이 걸려 있는 제 2 다이오드(10)가 도통하여, 다이오드부(11)는 도통상태가 된다. 한편, 제 2 에미터(6)의 전압이 제 1 에미터(5)의 전압보다 높을 때에는, 순방향전압이 걸려 있는 제 1 다이오드(9)가 도통하여, 다이오드부(11)는 도통상태가 된다.
이 경우, 다이오드부(11)가 도통하기 때문에, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6)가 실질적으로 동일전압이 되어, 과전압은 해소된다. 따라서, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에 발생하는 전압은, 다이오드 도통전압을 넘는 경우가 없다. 그리고, 상기한 것처럼, 다이오드 도통전압은, 에미터간 내압치보다 낮기 때문에, 제 1 에미터(5)와 제 2 에미터(6) 사이에 걸리는 전압은 에미터간 내압치까지 상승하는 경우는 없다. 이 때문에, 제 2 IGBT(2)의 과전압에 의한 파괴가 방지된다.
또한, 상기한 것처럼, 다이오드 도통전압은, 감지전압 상한치보다 높으므로, 다이오드부(11)는, 제 2 IGBT(2)의 감지전압 Vs를 모니터하여 제 1 IGBT(1)의 과전류를 방지하는 원래의 기능을 조금도 방해하지 않는다.
이와 같이, 실시예 3에 따른 반도체장치에서는, 제 2 IGBT(2)의 감지전압 Vs를 모니터하여 제 1 IGBT(1)의 과전류를 유효하게 방지할 수 있고, 제 2 IGBT(2)가 과전압에 의해 파괴되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
이때, 일반적으로, 다이오드 도통전압, 즉 다이오드의 순전압 방향의 도통특성은, 역전압 방향의 내압 특성과 비교하여 변동이 작다. 이 때문에, 실시예 3에 따른 반도체장치에서는, 다이오드부(11)의 동작을 특히 안정화시킬 수 있다고 한 이점이 있다. 또한, 실시예 3에 따른 반도체장치에서는, 다이오드 도통전압(즉, 클램프 조건)은, 각 다이오드(9, 10)를 각각 동일 방향으로 직렬 접속한 복수의 다이오드로 구성하고 그 수를 바꿈으로써, 용이하게 조정 또는 변경할 수 있다. 따라서, 다이오드 도통전압을, 섬세하고 치밀하게 설정할 수 있다고 한 이점이 있다.
(실시예 4)
이하, 도 5 및 도 6a, 6b를 참조하면서, 본 발명의 실시예 4에 따른 반도체장치를 설명한다. 그러나, 실시예 4에 따른 반도체장치의 구조적인 기본구성은, 실시예 2에 따른 반도체장치의 구성과 동일하고, 회로적인 기본구성은 실시예 3에 따른 반도체장치의 구성과 공통이다. 그래서, 설명의 중복을 피하기 위해서, 이하에서는 주로 실시예 2 내지 실시예 3과 다른 점을 설명한다. 이때, 도 5 또는 도 6a, 6b에서, 도 2 및 도 3a, 도 3b에 나타낸 실시예 2에 따른 반도체장치와 공통의 부재, 또는 도 4에 나타낸 실시예 3에 따른 반도체장치와 공통의 부재에는, 도 2∼도 4의 경우와 동일한 참조번호가 부여되어 있다.
도 5 및 도 6a, 6b에 나타낸 것처럼, 실시예 4에 따른 반도체장치에서는, 다이오드부(11)는, 해당 반도체장치(반도체기판)에 내장 또는 일체로 형성되고, 반도체기판 상의 절연막(13)상에 형성된 폴리실리콘으로 구성된다. 이것이 실시예 4에 따른 반도체장치와 실시예 3에 따른 반도체장치가 다른 점이다.
이때, 실시예 4에 따른 반도체장치에서는, 평면에서 보아 내측에 위치하는 N형 폴리실리콘(20)의 내측에, P형 폴리실리콘층(23)이 더 설치된다. 여기서, P형 폴리실리콘층(23)은 중심부에 위치하고, N형 폴리실리콘층(20)은 P형 폴리실리콘층(23)의 바깥 가장자리에 이것을 둘러싸도록 접촉되어 있다. 그리고, 중심부에 위치하는 P형 폴리실리콘층(23)과 외측에 위치하는 N형 폴리실리콘층(22)은, 알루미늄전극 등을 통해 제 2 에미터(6)가 접속되어 있다. 또한, 중간부에 위치하는 N형 폴리실리콘층(20)과 P형 폴리실리콘층(21)은, 알루미늄 전극 등을 통해 제 1 에미터(5)가 접속되어 있다. 따라서, 이 다이오드부(11)는, 도 6b에 나타낸 것과 같은 회로구성이 된다. 이것이 실시예 4에 따른 반도체장치가 실시예 2에 따른 반도체장치와 다른 점이다.
그 밖의 점은, 실시예 2 또는 실시예 3에 따른 반도체장치의 경우와 실질적으로 동일하다.
이와 같이 실시예 4에 따른 반도체장치는, 다이오드부(11)가 해당 반도체장치(반도체기판)에 내장 또는 일체로 형성되어 있기 때문에, 콤팩트하게 되고, 부품수가 감소된다. 또한, 다이오드부(11)가, 절연막(13)상에 형성된 폴리실리콘(20∼23)으로 구성되어 있기 때문에, 그 제조프로세스가 간소하거나 용이해져, 해당 반도체장치의 제조비용이 감소된다.
실시예 4에 따른 반도체장치에서는, 상기한 것처럼, 다이오드부(11)가 해당 반도체장치에 내장 또는 일체로 형성되고, 반도체기판 상의 절연막(13)상에 형성된 폴리실리콘으로 구성되어 있지만, 그 회로구성은 도 4에 나타낸 실시예 3에 따른 반도체장치와 실질적으로 동일하다. 따라서, 실시예 4에 따른 반도체장치에서도, 실시예 3에 따른 반도체장치의 경우와 마찬가지로, 제 2 IGBT(2)의 감지전압 Vs를 모니터하여 제 1 IGBT(1)의 과전류를 유효하게 방지할 수 있고, 제 2 IGBT(2)가 과전압에 의해 파괴되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
이때, 상기한 실시예 1∼4에서는, 모두 반도체장치에 절연게이트형 트랜지스터의 하나인 IGBT가 형성되어 있다. 그러나, 본 발명에 따른 반도체장치에 형성되는 절연게이트형 트랜지스터는, IGBT로 한정되는 것은 아니다. 반도체장치에, 예를 들면, MOSFET 등으로 말한 그 외의 절연게이트형 트랜지스터가 형성된 경우라도, 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 반도체장치에 의하면, 제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역의 사이에, 양 에미터영역간의 내압치보다 낮고 감지전압의 상한치보다 높은 전압에서 항복하는 다이오드부가, 감지저항과 병렬로 접속되어 있다. 이 때문에, 제 2 트랜지스터의 감지전압을 모니터하여 제 1 트랜지스터의 과전류를 유효하게 방지할 수 있고, 제 2 트랜지스터가 과전압에 의해 파괴되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 반도체장치에서, 다이오드부가, 반도체기판에 내장되어 있는 경우는, 해당 반도체장치가 콤팩트하게 되기 때문에, 각 종 기기로의 탑재가 용이해진다. 또한, 부품수가 감소되기 때문에, 해당 반도체장치의 프로세스가 간소화되어, 제조비용이 감소된다.
본 발명의 제 1 형태에 따른 반도체장치에서, 다이오드부가, 반도체기판상의 절연막 상에 형성된 폴리실리콘으로 구성되어 있는 경우는, 그 제조 프로세스가 간소하거나 용이해져, 해당 반도체장치의 제조비용이 감소된다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 반도체장치에 의하면, 제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에, 양 에미터영역간의 내압치보다 낮고 감지전압의 상한치보다 높은 전압으로 도통하는 다이오드부가, 감지저항과 병렬로 접속되어 있다. 이 때문에, 제 2 트랜지스터의 감지전압을 모니터하여 제 1 트랜지스터의 과전류를 유효하게 방지할 수 있고, 제 2 트랜지스터가 과전압에 의해 파괴되는 것을 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 반도체장치에서, 다이오드부가, 반도체기판에 내장되어 있는 경우는, 해당 반도체장치가 콤팩트하게 되기 때문에, 각 종 기기로의 탑재가 용이해진다. 또한, 부품수가 감소되기 때문에, 해당 반도체장치의 제조프로세스가 간소화되어, 제조비용이 감소된다.
본 발명의 제 2 형태에 따른 반도체장치에서, 다이오드부가, 반도체기판상의 절연막 상에 형성된 폴리실리콘으로 구성되어 있는 경우는, 그 제조프로세스가 간소하거나 용이해져, 해당 반도체장치의 제조비용이 감소된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 반도체장치(IGBT)의 구성을 나타낸 회로도,
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 반도체장치(IGBT)의 단면도,
도 3은 (a)는 도 2에 나타낸 반도체장치의 다이오드부의 평면도이고, (b)는 (a)에 나타낸 다이오드부와 등가인 회로도,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 반도체장치(IGBT)의 구성을 나타낸 회로도,
도 5는 본 발명의 실시예 4에 따른 반도체장치(IGBT)의 단면도,
도 6은 (a)는 도5에 나타낸 반도체장치의 다이오드부의 평면도이고, (b)는 (a)에 나타낸 다이오드부와 등가인 회로도,
도 7은 종래의 반도체장치(IGBT)의 구성을 나타낸 회로도,
도 8은 도 7에 나타낸 반도체장치에서의 감지전압과 제 1 에미터 전류의 관계를 나타낸 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1, 101 : 제 1 IGBT 2, 102 : 제 2 IGBT
3, 103 : 게이트 4, 104 : 콜렉터
5, 105 : 제 1 에미터 6, 106 : 제 2 에미터
7, 107 : 공통에미터 8, 108 : 감지저항
9 : 제 1 다이오드 10 : 제 2 다이오드
11 : 다이오드부(클램프소자) 13 : 절연층
14 : P 콜렉터층 15 : N 베이스층
16 : IGBT측 P 베이스층 17 : 다이오드측 P 베이스층
18 : N+에미터층 19 : 게이트층
20 : N형 폴리실리콘층 21 : P형 폴리실리콘층
22 : N형 폴리실리콘층 23 : P형 폴리실리콘층

Claims (2)

  1. 주전류를 제어하는 절연게이트형의 제 1 트랜지스터와, 이 제 1 트랜지스터를 흐르는 전류를 모니터하는 절연게이트형의 제 2 트랜지스터가 동일한 반도체기판에 형성되고,
    제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에 설치된 감지저항에 걸리는 감지전압에 의해 상기 게이트영역에 걸리는 전압을 제어하도록 되어 있는 반도체장치에 있어서,
    상기 양 트랜지스터의 양 콜렉터영역이 공통화됨과 동시에 양 게이트영역이 공통화되고, 제 2 트랜지스터의 에미터영역이 제 1 트랜지스터의 에미터영역보다도 작은 치수로 되고,
    제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에, 상기 양 에미터영역 사이의 내압치보다 낮고 상기 감지전압의 상한치보다 높은 전압에서 항복하는 다이오드부가, 상기 감지저항과 병렬로 접속된 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 주전류를 제어하는 절연게이트형의 제 1 트랜지스터와, 이 제 1 트랜지스터를 흐르는 전류를 모니터하는 절연게이트형의 제 2 트랜지스터가 동일한 반도체기판에 형성되고,
    제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에 설치된 감지저항에 걸리는 감지전압에 의해 상기 게이트영역에 걸리는 전압을 제어하도록 되어 있는 반도체장치에 있어서,
    상기 양 트랜지스터의 양 콜렉터영역이 공통화됨과 동시에 양 게이트영역이 공통화되고, 제 2 트랜지스터의 에미터영역이 제 1 트랜지스터의 에미터영역보다도 작은 치수로 되고,
    제 1 트랜지스터의 에미터영역과 제 2 트랜지스터의 에미터영역 사이에, 상기 양 에미터영역간의 내압치보다 낮고 상기 감지전압의 상한치보다 높은 전압에서 도통하는 다이오드부가, 상기 감지저항과 병렬로 접속된 것을 특징으로 하는 반도체장치.
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