JPH0267767A - 半導体装置及びその回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、温度を測定する端子を有する半導体装置に係
り、特に、主電流が流れる領域の温度を精度よく測定す
ることを可能とした端子を有する半導体装置及び半導体
回路に関する。

［従来の技術］ 半導体装置、特に、ＩＡ以上の大電流を流す半導体装置
は、導通時のジュール熱による発熱が過大となった場合
に、半導体装置自身が破壊されてしまうという問題があ
る。このような問題点を解決する従来技術として、回路
上または回路を構成しているＩＣ等に温度を検出する素
子を設け、この素子が、−室以上に半導体装置の温度が
上昇したことを検出した場合、大電流を流す半導体装置
の電流を制限する技術が知られている。

第８図はこの種従来技術による半導体回路の構成を示す
回路図である。第８図において、１００は半導体装置、
１０１は温度測定用のダイオード、１０２は差動アンプ
、１０３はＡＮＤ回路である。

第８図に示す従来技術は、大電流を流す半導体装置の温
度を検出し、温度の検出信号に基づいて半導体装置の電
流を遮断するものである。

この従来技術において、半導体装置１００が定常状態で
動作している場合、差動アンプ１０２は、ＡＮＤ回路１
０３の端子ＳにＨｉｇｈ信号を与えている。この結果、
半導体装置１００は、ＡＮＤ回路１０３の端子Ｇに与え
られるゲート信号と同レベルの信号がそのゲートに入力
されて、その動作が制御される。

半導体装置１００は、前述の動作を行っている場合に、
そのオン抵抗と電流とにより発熱する。

その熱は、ダイオード１０１に伝わり、定電流が流れて
いるダイオード１０１の両端の電圧を低下させる。いま
、半導体装置１０ｏの発熱が何らかの理由により過大と
なると、ダイオード１０１の両端の降下電圧が所定値以
下となり、差動アンプ１０１は、リファランス用の電圧
を生成している抵抗Ｒｒｅｆとの関係で、その出力をＨ
ｉ　ｇ　ｈからＬｏｗに変化させる。

この場合、ゲート信号として端子ＧにＨｉｇｈの信号が
入力されても、ＡＮＤ回路１０３により。

半導体装置１００に入力される信号は、Ｌｏｗとされて
しまうので、半導体装１１００は、その電流が遮断され
ることになり、熱的な破壊から保護されることになる。

なお、この種従来技術として、例えば、シュシー外２名
著、「ア　ニュー　チップ　アンドア　ニュー　パッケ
ージ　フォー　バイアー　パワー」、アイ　イー　イー
　イー　トランザクション　オン　コンシュマー　エレ
クトロニクス。

ポル、シー　イー２６．第５４頁〜第７２頁。

１９８０年２月（ＣＩＮｌ、Ｃ外２名著、　　ｒＡＮｅ
ｗ　Ｃｈｉｐ　ａｎｄ　Ａ　Ｎｅｗ　Ｐａｃｋａｇｅ　
　ｆｏｒ　ＨｉｇｈｅｒＰｏｗｅｒＪ　Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ
　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　　ｏｎ　Ｃｏｎｓｕｍｅ
ｒＥｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ、ＣＥ　−２６、
ｐ　ｐ　５４−７２゜１９８０Ｆｅｂ）等に記載された
技術が知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、前記従来技術は、大電流を流す半導体装置と温
度を検出する素子との距離が大きく、その間の熱抵抗の
存在によって、半導体装置そのものの温度を検出するこ
とが困難であり、また、熱が温度検出素子に伝わるのに
時間がかかるため、温度検出に時間的な遅れが生じると
いう問題点を有し、そのため、半導体装置の瞬時の温度
上昇による半導体装置の熱的破壊を防止することが困難
であった。

本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、半導
体装置そのものの温度を瞬時に検出することを可能とし
た半導体装置及び半導体回路を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、前記目的は、半導体装置の温度を、半
導体装置の特性に基づいて検出することにより達成され
る。すなわち、前記目的は、導通時に接合の拡散電位に
より電圧降下する半導体装置に、主電流が流れる出力端
子の他に、もう１つの温度測定用の端子を設け、この端
子に負荷を直列に接続しておき、この負荷を接続した端
子を用いて半導体装置の電圧降下を測定することにより
達成される。

［作用コ 半導体装置の接合の拡散電位による電圧降下は、接合の
温度によって変化する。従って、この電圧降下を測定す
ることにより、半導体装置そのものの温度を検出するこ
とができ、検出精度が向上し、検出の時間的遅れもなく
なる。

［実施例］ 以下、本発明による半導体装置及び半導体回路の実施例
を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の半導体装置の構成を示
す断面図、第２図は半導体装置の導通時の電流−電圧特
性を説明する図、第３図は半導体装置の温度と測定電圧
との関係を説明する図である。第１図において、１は半
導体装置、１０はｎ層、１１はｐ暦、２１はカソード電
極、２２は第１のアノード電極、２３は第２の７ノード
電極。

５０は負荷抵抗、１１０はｐｎ接合である。

第１図に示す本発明の第１の実施例は、０層１０とｐｆ
ｒｓｌｌとによるｐｎ接合ダイオードに本発明を適用し
たものであり、０層１０にはカソード電極が、２層１１
には第１アノード電極２２及び第２のアノード電極２３
が形成されて構成されている。そして、第２のアノード
電極２３には、負荷抵抗Ｒ５０が接続され、さらに、第
１のアノード電極２２と短絡されている。

このｐｎ接合ダイオードである半導体装置１は、その導
通時にｐｎ接合１１０の拡散電位により電圧降下を生じ
る。この電圧降下は、第２図に示すような電流−電圧特
性を示す。ダイオードに対する負荷抵抗が小さく、電流
が多く流れる場合には、その電圧降下は、電流の大きさ
に依存するが、負荷抵抗が大きく、電流が小さい場合の
電圧降下分すなわち、出力電流立上り部の電圧降下７丁
は、ｐｎ接合１１０の拡散電位による電圧降下分となる
。この拡散電位による電圧降下分は、一般に、後述する
ように、ｐｎ接合１１０の温度に依存して変化する。本
発明においては、この拡散電位による電圧降下分を検出
することによって、ｐｎ接合１１０の温度を検出しよう
とするものである。

従って、第１図に示す実施例において、第２のアノード
電極２３に接続される負荷抵抗Ｒ５０の値は、第１のア
ノード電極２２へ流れる電流密度に比較して、第２のア
ノード電極２３に流れる電流密度が１／１ｏ以下となる
ように選定される。

前述のｐｎ接合１１０の拡散電位による電圧降下は、第
１図に示す実施例において、半導体装置１に入力電圧Ｖ
、−Ｖ。の電圧を印加した場合、シ２−ｖｏの電圧を測
定することによって得ることができる。この拡散電位に
よる電圧降下は、第３図に示すような温度特性を持ち、
半導体装置１のρｎ接合の温度に従って変化する。すな
わち、いま、アノード電極２３に流れる電流を抵抗Ｒ５
０で一定に制限しておき、そのときに測定される拡散電
位による電圧降下Ｖ、　−Ｖ、を測定すると、その電圧
は、例えば、２５℃の室温では０．７ｖ、半導体装置１
の温度が１５０℃では０．４Ｖとなる。この電圧を増幅
回路を介して検出することにより。

５ｍＶ程度のＶ、　−Ｖｏの検出電圧の変化を検出する
ことができ、第１図に示す実施例は、これにより、半導
体装置１の温度変化を２℃程度の誤差で高精度に検出す
ることが可能である。

このように、第１図に示す本発明の第１の実施例によれ
ば、半導体装置１の出力端子を分割し、その１つに負荷
を接続し、ｐｎ接合の拡散電位による電圧降下を測定す
ることによって、主電流の流れる極近傍で、半導体装置
１そのものの温度を測定することができるので、温度検
出の精度を向上させ、温度検出の時間的なずれも少なく
することができる。また、この実施例によれば、半導体
装置１が局所的に発熱した場合にも、その部分での電圧
降下を、Ｖ２−　Ｖ、として検出することができるので
、このような局所的な発熱をも検出することができる。

第４図は本発明の第２の実施例の半導体装置の構成を示
す断面図、第５図はその等価回路を示す図である。第４
図において、１２はｐ＋層、１３はｎ−層、１４はｐＦ
Ｉｌ、１５はｎ層層、２４は第１のエミッタ電極、２５
は第２のエミッタ電極、３０は絶縁ゲートであり、他の
符号は第１図の場合と同一である。

第４図に示す本発明の第２の実施例は、本発明をＩ　Ｇ
　Ｂ　Ｔ　（Ｉ　ｎ５ｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐ
ｏｌａｒ　Ｔｒａｎ−ｓｉｓｔｏｒ）に適用したもので
ある。ＩＧＢＴとしての半導体装置１は、ｐ＋暦１２．
ｎ−暦１３．ｐ層１４．ｎ＋層１５及び絶縁ゲート３０
（Ｇ）を備えており、ｐ＋！１２にはコレクタ電極２６
が、該コレクタ電極２６が形成される主表面と対向する
もう一方の主表面には、ｎ＋層１５とｐ　Ｊ習１４とを
短絡する第１のエミッタ電極２４　（Ｅ、）と第２のエ
ミッタ電極２５（Ｅ工）とが形成されて構成されている
。そして、第２のエミッタ電極２５には、負抵抗Ｒ５０
が接続されている。

この第４図に示す本発明の第２の実施例においても、第
１図により説明したと同様に半導体装置１の温度を検出
することができる。すなわち、第４図、第５図において
、絶縁ゲートＧ３０に電圧Ｖａを印加し、半導体装置１
としてのＩＧＢＴを導通状態として、Ｖ２−Ｖ、の電圧
を測定することにより、ｐ＋層１２とｎ−層１３とから
成るｐｎ接合１１０の拡散電位による電圧降下を測定す
ることができる。この実施例においても、第１図に示し
たｐｎダイオードの場合と同様に、前述したｐｎ接合の
拡散電位の測定により、半導体装置１の温度を直接検出
することが可能である。

前述したＶ２−Ｖｏの電圧測定は、ゲートＧに制御信号
電圧■６が印加されたときにのみ行われるよう測定回路
を工夫して行うことが望ましい。これは、半導体装置１
がオフ状態である場合に、ｖｏＶｏの電圧が高電圧とな
ることによる検出精度の低下を防止するために必要なこ
とである。

第６図は本発明の第３の実施例の構成を示す等価回路図
である。

この第６図の実施例における半導体装置は、第４図によ
り説明したと同様なＩＧＢＴであり、第２のエミッタ電
極Ｅ１には、大小の抵抗値を持つ２つの抵抗ＲＢとＲＡ
及び、ゲートＧ２．Ｇｌを有するスイッチング素子ＳＷ
２．ＳＷＩの直列回路が接続されている。

第６図に示す実施例において、ＩＧＢＴのゲートＧに制
御電圧ｖａを与え、ＩＧＢＴを導通状態にしておき、ス
イッチング素子ＳＷ２のゲートＧ２にのみ信号を加え、
スイッチング素子ＳＷ２のみをＯＮとして、Ｖ２−Ｖｏ
の電圧を測定することにより、ＩＧＥＴの温度を検出す
ることができることは、第４図及び第５図により説明し
た場合と全く同様である。

この第６図に示す実施例は、さらに、ＩＧＢＴ自体に流
れる電流を検出できるようにしている。

この場合、前述と同様にＩＧＢＴを導通状態にしておき
、スイッチング素子ＳＷＩのゲートＧ１にのみ信号を加
え、スイッチング素子ＳＷＩのみをＯＮとして、Ｖ２−
Ｖ、の電圧を測定することにより、第２のエミッタＥ工
に流れる電流を検出し、この検出値より第１のエミッタ
Ｅ２に流れる電流を知ることができる。

すなわち、この場合、スイッチ素子ＳＷＩと第２のエミ
ッタＥ□との間に接続される抵抗ＲＡの値は、第２のエ
ミッタＥ１及び第１のエミッタＥ２の電流密度がほぼ同
一となるような小さな値、通常、数１０Ω〜数１００Ω
の値に設定される。これにより、半導体装置の第１のエ
ミッタＥ２に流れる電流は、第２のエミッタＥ工に流れ
る検出された電流と、第１及び第２のエミッタＥ２．Ｅ
、の導通面積比とによって求めることができる。

一方、温度検出のために、スイッチング素子２と第２の
エミッタＥ工との間に接続される抵抗ＲＢの値は、第２
図によって説明したように、出力電流が立上がる低出力
での電圧降下を測定するためのものであるので、比較的
大きな、数にΩ〜数百にΩの値に設定される。この値は
、第４図及び第５図の実施例の場合も同様である。

前述したように、第６図に示す本発明の第３の実施例は
、１つの第２のエミッタＥ□に、異なる抵抗値を有する
２つの負荷を接続し、これらをスイッチング素子で制御
することにより、半導体装置の温度と電流とを１つの測
定端子を用いて検出することができる。

第７図は本発明の第４の実施例を示す回路図であり、図
の符号は第８図の場合と同一である。

この第７図に示す実施例は、半導体装置１００の温度が
一定以上となったことを検出し、この検出結果により半
導体装置のゲートを制御し、発熱をおさえるようにした
本発明の応用例を示すものである。

第７図において、半導体装置１００は、正常時に、Ｈｉ
　ｇ　ｈレベル信号を出力している差動アンプ１０２の
出力が端子Ｓに印加されているＡＮＤ回路１０３の端子
Ｇに与えられるゲート信号により、ＡＮＤ回路１０３を
介して制御されている。

半導体装置１００の温度は、半導体装置１００の第２の
エミッタＥ１に接続されている抵抗Ｒ５０の電圧が抵抗
Ｒｒｅｆを介して与えられている差動アンプ１０２によ
り検出される。すなわち、差動アンプ１０２は、半導体
装置１００の温度が所定値以上となったとき、すなわち
、抵抗Ｒ５０の出力電圧が所定値以下となったとき、そ
の出力信号を、Ｈｉ　ｇｈからＬｏｗに変化させ、半導
体装置１００に与えられているグー１〜電圧をＯＦＦ状
態とするように動作する。これにより、第７図に示す回
路は、半導体装置１００の過大な発熱を防止することが
でき、半導体装ｉｌ　］、　ＯＯを熱的な破壊から防止
することができる。

前述の実施例では、半導体装置１００の発熱が過大と判
定された場合、・半導体装置１００のゲート電圧をＯＦ
Ｆとして、半導体装置１００を保護するとしたが、本発
明は、ゲート電圧を減少させて、半導体装置に流れる電
流を減少させるような変形も可能である。

前述した本発明の実施例は、ｐｎ接合を有する半導体装
置に本発明を適用したものであるが、本発明は、ショッ
トキー接合を有するもの等接合の拡散電位によって電圧
降下を生じるどのような半導体装置にも適用することが
できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、半導体装置その
ものの温度を検出することができるので、高精度で時間
遅れなく、半導体装置の出力電流を制御することができ
、熱による半導体装置の破壊を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の半導体装置の構成を示
す断面図、第２図は半導体装置の導通時の電流−電圧特
性を説明する図、第３図は半導体装置の温度と測定電圧
（ｐｎ接合の拡散電位による電圧降下）との関係を示す
図、第４図は本発明の第２の実施例の半導体装置の構成
を示す断面図。 第５図はその等価回路を示す図、第６図は本発明の第３
の実施例の構成を示す等価回路図、第７図は本発明の第
４の実施例を示す回路図、第８図は従来技術による半導
体回路の一例を示す回路図である。 １．１００・・・・・・半導体装置、１０・・・・・・
０層、１１．１４・　・・ｐ暦、１２・・・・・ｐ＋層
、１３・・・・・ｎ−層、１５・・・・・ｎ＋層、２１
・・・・・カソード電極、２２・・・・・・第１のアノ
ード電極、２３・・・・・・第２のアノード電極、２４
・・・・・・第１のエミッタ電極、２５・・・・・・第
２のエミッタ電極、２６・・・・・コレクタ電極、３０
・・・・・・絶縁抵抗、５０・・・・・負荷抵抗、１０
１・・・・・ダイオード、１０２・・・・・・差動アン
プ、１０３・・ＡＮＤ回路、１１０・・・・・・ｐｎ接
合。 第１図 Ｔ　　　Ｖ Ｘ　ＩＸ 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導通時に接合の拡散電位によつて電圧降下を生じる
   半導体装置において、該半導体装置に設けられた少なく
   とも２つの出力端子と、該出力端子の１つに直列に接続
   した負荷とを備え、この負荷が接続された出力端子を用
   い、前記半導体装置の電圧降下の測定を可能としたこと
   を特徴とする半導体装置。 ２、前記半導体装置の接合が、ｐｎ接合またはショット
   キー接合であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の半導体装置。 ３、前記半導体装置は、ｐｎ接合ダイオード、ショット
   キーダイオードまたは小数キャリアの注入が生じる半導
   体装置であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の半導体装置。 ４、導通時に接合の拡散電位によつて電圧降下を生じる
   半導体装置において、導通時の大部分の電流が流れる第
   １の領域と、一部分の電流が流れる第２の領域とを備え
   、該第２の領域の電流密度を前記第１の領域の電流密度
   より小さく設定し、前記第２の領域の導通時の電圧降下
   を測定可能としたことを特徴とする半導体装置。 ５、前記特許請求の範囲第１項ないし第４項のうち１項
   記載の半導体装置と、電圧降下の測定手段とを備え、測
   定した電圧降下が予じめ設定した電圧以下となつた場合
   、導通状態にある半導体装置の電流を制限または遮断す
   ることを特徴とする半導体回路。