JPH0366816B2 - - Google Patents

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JPH0366816B2
JPH0366816B2 JP57047385A JP4738582A JPH0366816B2 JP H0366816 B2 JPH0366816 B2 JP H0366816B2 JP 57047385 A JP57047385 A JP 57047385A JP 4738582 A JP4738582 A JP 4738582A JP H0366816 B2 JPH0366816 B2 JP H0366816B2
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Japan
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transistor
diode
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bipolar
gate
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JP57047385A
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JPS58165374A (ja
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Mitsuo Ito
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]
    • H10D30/64Double-diffused metal-oxide semiconductor [DMOS] FETs
    • H10D30/66Vertical DMOS [VDMOS] FETs
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/40Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00 with at least one component covered by groups H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integration of IGFETs with BJTs
    • H10D84/401Combinations of FETs or IGBTs with BJTs
    • H10D84/403Combinations of FETs or IGBTs with BJTs and with one or more of diodes, resistors or capacitors
    • H10D84/406Combinations of FETs or IGBTs with vertical BJTs and with one or more of diodes, resistors or capacitors

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  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Bipolar Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一つの半導体基板に絶縁ゲート電界効
果トランジスタ(以下MISFET)とバイポーラ
トランジスタとを形成した高耐圧高速パワートラ
ンジスタに関する。
パワー用半導体素子として代表されるものにバ
イポーラパワートランジスタと縦形構造のパワー
MOSFETがある。このうちバイポーラパワート
ランジスタは、特にオン抵抗が小さく電流容量が
大であること、耐圧を大きくし得ること、gmが
大きくとれること等の長所を有する反面、スイツ
チング速度が低いこと、又、ドライブ電力が大き
いこと、特にベース電流を流さないと低い飽和電
圧とならないこと等の欠点がある。これに対して
パワーMOSFETはスイツチング速度が高いこ
と、ドライブ電力が小さく、直流電流が不要で入
力容量の充放電々流のみで動作すること等の長所
がある反面、オン抵抗がチヤネル部及びドレイン
高比抵抗層の抵抗により制限され極端に増大する
こと、又、そのために電流容量が小さいこと等の
欠点がある。
本願発明者はかかるバイポーラパワートランジ
スタとパワーMOSFETとを組み合せて複合パワ
ートランジスタとすることにより前記した個々の
長所を生かしかつ欠点を取り除くことに着目し
た。
したがつて本発明の目的は一つの半導体基板に
形成されて高速性、低ドライブ電力性かつ大電流
化の可能な半導体装置を提供することにある。
以下本発明を実施例にそつてその内容を具体的
に説明する。
第1図は本発明による複合パワートランジスタ
の原理的構成を示す回路図である。この複合パワ
ートランジスタは、駆動段にエンハンスメント型
MOSFET Qを、出力段にバイポーラトランジ
スタTを有し、これらをダーリントン接続、すな
わち、QのソースとTのベースを接続するととも
にQのドレインをTのコレクタと共通端子とし、
QのゲートとTのエミツタをそれぞれ端子として
取り出すとともに、QのゲートとTのベースとの
間に逆方向ベース電流IRBを流すダイオードDを
介挿するものである。
在来より複合のパワートランジスタとして第3
図に示すように2つのバイポーラ・トランジスタ
T1,T2をダーリントン接続した構造は知られて
おり、この場合は前記したバイポーラトランジス
タの長所と短所をそなえている。これに対して、
第4図に示すようにMOSFET Qを駆動段に、
バイポーラトランジスタTを出力段としてダーリ
ントン接続することにより、バイポーラトランジ
スタの長所の大電流容量性とMOSFETの長所の
高速性とを兼ねそなえた複合パワートランジスタ
が考えられる。しかしこの第4図の構造では下記
の点で問題がある。従来のバイポーラトランジス
タのみによるダーリントン接続された複合トラン
ジスタでは電流により動作するが、MOSFET・
バイポーラトランジスタによる複合トランジスタ
ではMOSFET Qにかける(+),(−)電圧に
よりスイツチング動作する。Qのゲートに(+)
電圧をかけるとベース電流IBが流れてトランジス
タTがオンする。Qのゲートに−電圧がかかると
MOSFET Qはオフし、MOS素子への電流が流
れない方向(同図で点線の矢印IRBで示す)にな
る。このためバイポーラトランジスタTに蓄積さ
れたキヤリアの生き場がなく自然消滅する他な
い。そこで強制的にチヤージを瞬間的に引つぱり
出すためベース電流を大きくする必要がある。−
電圧印加のときMOSFETのゲートG・ソースS
間に電流が流れない。このように出力側トランジ
スタの逆方向ベース電流のIRBが流れないのでオ
フタイムtpff(=tptg+tf)が速くならない。
本発明による複合パワートランジスタでは、第
1図に示したようにMOSFET QのゲートGと
バイポーラトランジスタTのベースBとの間に逆
方向ベース電流IRBを流すダイオードDを介挿す
ることにより、(+)電圧の駆動MOSFET Qに
印加(オン)のときはダイオードDの通じてベー
ス電流は流れることなく、出力トランジスタTは
オンし、−電圧印加(オフ)のときは逆方向のベ
ース電流IRB(破線の矢印で方向を示す)はゲー
ト・ソース間のダイオードDを通じて流れること
になる。
本発明において、出力段のバイポーラトランジ
スタTは第2図に示すようにベース・エミツタ間
に抵抗Rを挿入し、エミツタ・コレクタ間にダイ
オードD1を挿入した転流ダイオード内蔵トラン
ジスタT1を用いてもよい。
以上述べた本発明によれば下記のように効果が
得られる。
(1) 高速化ができる。出力段バイポーラトランジ
スタTのコレクタ・ベース間はID×RON(パワー
MOSFETの内部抵抗)にクランプされて完全
飽和にならず、又、ダイオードDにより逆方向
ベース電流を流すことが可能であることにより
高速化が実現する。
(2) 低ドライブ電力化ができる。順方向について
はMOSFET Qのみのドライブ電流があれば
よく、全体としてほとんど電流が不要であり、
逆方向ベース電流のみ流せばよいからドライブ
電力の節減化が可能となる。
(3) 大電流化ができる。出力段がバイポーラトラ
ンジスタであり、コレクタ電流ICの1/hFE
けパワーMOSFETが電流を流すことが可能と
なる。
第5図は本発明による複合パワートランジスタ
を一つの半導体基板上に形成した場合の実施例を
示す断面図であり、第6図はこの複合パワートラ
ンジスタの平面図である。
第6図に示すようにこの複合パワートランジス
タはN+N型Si基板の一主表面の中央部分を取り
囲むように駆動段の縦形NチヤネルMOSFET
Qが形成され、周辺部分にバイポーラNPNトラ
ンジスタTが形成され、中央部分の厚い酸化膜上
にポリ(多結晶)SiダイオードDが形成されたも
のである。第5図において、1は高濃度N+型Si
基板、2は低濃度N型Si層で駆動段MOSFETの
ドレイン、出力段トランジスタのコレクタとなる
半導体基板を構成する。N+型Si基板1の裏面に
はコレクタ電極Cとなる金属層3が形成される。
4,5,6,7はN型Si層の表面よりB(ボロン)
等を導入拡散したP型ウエルであつて、このう
ち、5は駆動段MOSFETのベースとなりその表
面の薄いゲート絶縁膜直下の部分はチヤネル部と
なり、6は出力段バイポーラトランジスタのベー
スとなる。7は周辺部高耐圧化のためのフイール
ドリミツテイングリングである。
8,9,10はSi層表面にAs(ヒ素)、P(リ
ン)等を導入拡散した高濃度N+型層であつて、
このうち8はMOSFETのソース、9はバイポー
ラトランジスタのエミツタ、10は周辺のガード
リンクである。ソースN+層8の上にはP層5と
短絡させたソース電極となるAl層11を設けて
その一部はベースP層6に接続し、エミツタN+
層9の上にはエミツタ電極となるAl層12を設
け、周辺ガードリンクN+層10の上にはガード
リンクとなるAl層13を設けてある。14はゲ
ート絶縁膜となるうすいSiO2膜、15はフイー
ルド部となる厚いSiO2膜、16は層間絶縁膜と
なるSiO2膜である。17,18,19は絶縁膜
の上に形成されたポリSi層で不純物ドープにより
低抵抗化され、このうち、17はN+ドープ(リ
ン又はヒ素ドープ)のゲート、18はP+ドープ
(ボロンドープ)層、19はN+ドープ(リン又は
ヒ素ドープ)層でNPN接合がポリSiダイオード
を構成する。このうちN+ドープのゲート17に
はゲート電極となるAl層20が接続され、P+
ープ層18はソース電極11のAl電極が延びて
接続される。
第7図はダイオード部を拡大した平面図であつ
て、実線で囲む部分はエート及びソース電極とな
るAl層を示し、一点さ線はポリSi層における
NPN接合を示し、破線で囲まれた部分はポリSi
層へのAl層のコンタクト部分である。第8図は
第7図におけるA−A′切断面、第9図は同じく
B−B′切断面を示す。第10図は第7図で示し
たダイオードを等価的に示す回路図で、このうち
は中央部のN+ドープ層19、は周囲部(絶
縁ゲート側)のN+ドープ層18、はP+ドープ
層17を示している。
上に述べた複合パワートランジスタにおいて
は、第1図を参照し、MOSFET Qのゲートに
(+)電圧が印加される(オン動作)とき、ソー
スからドレイン(N基板)にかけてキヤリアが破
線の矢印方向(ID電流は矢印と逆方向)に流れ、
NPNトランジスタにおいてベースP層からコレ
クタ(N基板)にかけてキヤリアが流れ(IC電流
は矢印と逆方向)る。又、−電圧が印加される
(オフ動作)とき、ベース逆方向電流IRBはベー
ス・ソースからポリSiダイオードのPN接合を経
てゲート電極へ流れる。
以上実施例で述べた本発明はN+N型Si基板上
に形成した縦形NチヤネルMOSFETを駆動段と
し、その周辺に形成したバイポーラNPNトラン
ジスタを出力段とするとともにポリSiダイオード
をベース・ゲート間に挿入した複合パワートラン
ジスタにおいては、第1図の回路図を対象とする
実施例で説明した理由と同じ理由で、(1) 高速化
ができる、 (2) 低ドライブ電力化ができる、 (3) 大電流化が可能であるとともにさらに下記の
効果有する。
(4) 高耐圧化ができる。駆動段MOSFETを縦形
として構成することにより、出力段バイポーラ
トランジスタと同じ高耐圧基板を共有し高耐圧
化できるとともに大電流化と相いまつて大電力
化パワートランジスタを製造できる。
(5) 製造が容易である。駆動段にポリSiゲート
MOSFETを用い、ポリSiダイオードを採用す
るものであるから、特別なプロセスや新たな工
程を加えることなく製造ができる。ポリSiダイ
オードは又、ゲートの保護ダイオードを兼ねる
ことができる。
本発明は前記実施例に限定されるものでなく、
これ以外にも下記のように変形例を有する。
(1) 出力段バイポーラトランジスタTに第2図で
示した転流ダイオード内蔵トランジスタを用い
たものを駆動段MOSFETと同じ半導体基板上
に形成する。
(2) ポリSiダイオードの代りに基板表面に選択拡
散により形成したPN接合ダイオードを用いる
ことも可能である。しかし、この場合、出力段
バイポーラトランジスタのベースと駆動段
MOSFETのゲートの間に寄生トランジスタが
生じるため、寄生トランジスタとしての動作を
起さないように電流増幅率を極めて低くおさえ
る等のその配置、構造に考慮が必要である。
(3) 半導体基板、拡散層の導電型、拡散層のレイ
アウト、電極のレイアウト等を必要に応じて変
更する。
本発明は高速・高耐圧・大電流パワートランジ
スタに主として適用するものであり、例えば、
1200V級の偏向用(キヤラクタデイスプレイ等)
トランジスタやモータドライブ用トランジスタに
応用して極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による複合パワートランジスタ
の原理的構成を示す回路図、第2図は本発明の応
用例を示す一部回路図、第3図及び第4図は本発
明の原理を説明するための回路図、第5図は本発
明による複合パワートランジスタの一実施例を示
す縦断面図、第6図は第5図で示した複合パワー
トランジスタの平面図、第7図は第6図における
ポリSiダイオード部分の拡大平面図、第8図は第
7図におけるA−A′切断面図、第9図は第7図
におけるB−B′切断面図、第10図は第7図〜
第9図で示すポリSiダイオードの等価回路図であ
る。 Q……MOSFET、T……バイポーラトランジ
スタ、D……ダイオード、1……N+型Si基板、
2……N型Si層、3……コレクタ電極、4,5,
6,7……P型ウエル、8,9,10……N+
層、11,12,13……Al層、14,15,
16……SiO2膜、17,18,19……ポリSi
層、20……Al層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 前段に絶縁ゲート電界効果トランジスタを、
    後段にバイポーラトランジスタを有し、前記電界
    効果トランジスタのドレインを前記バイポーラト
    ランジスタのコレクタに接続するとともに、前記
    電界効果トランジスタのソースを前記バイポーラ
    トランジスタのベースに接続し、かつ、前記電界
    効果トランジスタのゲートと前記バイポーラトラ
    ンジスタのベースとの間に、前記バイポーラトラ
    ンジスタの逆方向ベース電流を流す方向にダイオ
    ードを挿入して成ることを特徴とする複合トラン
    ジスタ。 2 前記絶縁ゲート電界効果トランジスタ、前記
    バイポーラトランジスタおよび前記ダイオード、
    ならびにそれらの相互接続配線が一つの半導体基
    板上に形成されて成ることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の複合トランジスタ。 3 前記絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲー
    ト及び前記ダイオードは多結晶半導体層に一体形
    成されて成ることを特徴とする特許請求の範囲第
    2項記載の複合トランジスタ。
JP57047385A 1982-03-26 1982-03-26 複合トランジスタ Granted JPS58165374A (ja)

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JP57047385A JPS58165374A (ja) 1982-03-26 1982-03-26 複合トランジスタ

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JP57047385A JPS58165374A (ja) 1982-03-26 1982-03-26 複合トランジスタ

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JPS58165374A JPS58165374A (ja) 1983-09-30
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7412191B2 (en) 2001-01-31 2008-08-12 Ricoh Company, Ltd. Toner container and image forming apparatus using the same

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