JP5322176B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、ノーマリーオン型またはノーマリーオフ型の電界効果トランジスタを備える半導体装置に関する。 The present invention relates to semiconductor equipment, in particular, relates to a semiconductor equipment comprising a normally-on type or normally-off type field effect transistor.
窒化ガリウム(GaN)、AlGaNおよびInGaNなどに代表されるIII族窒化物半導体は、その材料的な優位性から、パワーデバイスに用いられた場合に、高耐圧、高速動作、高耐熱性および低オン抵抗などの良好なデバイス特性が期待され得る。このため、パワーデバイスとしての性能限界が近づいてきた従来のSi材料に代わり、III族窒化物半導体を利用するパワーデバイスの開発が進められている。 Group III nitride semiconductors typified by gallium nitride (GaN), AlGaN, and InGaN have high voltage resistance, high speed operation, high heat resistance, and low on-state when used in power devices due to their material superiority. Good device characteristics such as resistance can be expected. For this reason, development of a power device using a group III nitride semiconductor is being promoted in place of the conventional Si material whose performance limit as a power device is approaching.
特に、電界効果トランジスタ(FET)に関しては、たとえばAlGaNとGaNとのヘテロ接合界面近傍に高濃度の2次元電子ガス(2DEG)が形成されることにより、高電子移動度を有するトランジスタを実現することができる、すなわちFETのオン抵抗をより低くすることができる。そして、このようなヘテロ接合界面を利用する種々のデバイス構造が提案されている。 In particular, for a field effect transistor (FET), for example, a transistor having high electron mobility is realized by forming a high-concentration two-dimensional electron gas (2DEG) in the vicinity of the heterojunction interface between AlGaN and GaN. That is, the on-resistance of the FET can be further reduced. Various device structures using such heterojunction interfaces have been proposed.
このようなGaN電界効果トランジスタは、通常、負の電圧閾値を有し、ゲート電圧が0Vのときにはオン状態であり、ドレイン電流が流れるノーマリーオン型である。 Such a GaN field effect transistor usually has a negative voltage threshold, is on when the gate voltage is 0 V, and is normally on, in which a drain current flows.
一方、たとえば絶縁ゲート型電界効果トランジスタおよび絶縁ゲート型バイポーラトランジスタは、通常、ノーマリーオフ型である。すなわち、正の電圧閾値を有し、ゲート電圧が0Vのときにはオフ状態であり、ドレイン電流が流れない。 On the other hand, for example, an insulated gate field effect transistor and an insulated gate bipolar transistor are normally normally-off type. That is, it has a positive voltage threshold and is off when the gate voltage is 0 V, and no drain current flows.
ノーマリーオン型のGaN電界効果トランジスタは、高耐圧、高速動作、高耐熱性および低オン抵抗などの良好な特性を有している一方で、負電圧をゲートに供給する必要がある。また、GaN電界効果トランジスタをノーマリーオフ型にするには、ゲート電極の先にゲート材料を付加する等の処置を行なう必要がある。 Normally-on GaN field effect transistors have good characteristics such as high breakdown voltage, high speed operation, high heat resistance, and low on-resistance, while it is necessary to supply a negative voltage to the gate. Further, in order to make the GaN field effect transistor normally-off type, it is necessary to take measures such as adding a gate material to the tip of the gate electrode.
このようなパワー半導体素子を駆動するためのドライバIC(Integrated Circuit)が開発されており、たとえば、特開平8−65143号公報(特許文献1)には、以下のようなレベルシフト回路を備えるドライバが開示されている。すなわち、1つの電圧レベルから、異なる電圧レベルまで論理電圧状態を変換するためのリセット優先レベルシフト回路であって、上記レベルシフト回路は、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)をターンオンするための出力信号を発生するセットレベル回路と、上記パワーMOSFETをターンオフするためのリセットレベル回路と、上記リセットレベル回路に結合され、リセット信号と上記パルス発生器への入力信号に応答する上記セットレベル回路に結合したセットレベル信号を発生するパルス発生器と、上記レベルシフト回路に接続され、上記セットレベルシフト回路を作動させるために必要な値より低い入力信号で、上記リセットレベル回路を作動し、上記パワーMOSFETをターンオフするリセット優先回路手段とを備える。 A driver IC (Integrated Circuit) for driving such a power semiconductor element has been developed. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-65143 (Patent Document 1) discloses a driver having a level shift circuit as described below. Is disclosed. That is, a reset priority level shift circuit for converting a logic voltage state from one voltage level to a different voltage level, the level shift circuit for turning on a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) A set level circuit for generating an output signal; a reset level circuit for turning off the power MOSFET; and the set level circuit coupled to the reset level circuit and responsive to a reset signal and an input signal to the pulse generator. A pulse generator for generating a combined set level signal; and connected to the level shift circuit to operate the reset level circuit with an input signal lower than a value required to operate the set level shift circuit; Reset priority to turn off MOSFET Circuit means.
しかしながら、特許文献1に記載されたドライバICを製造するためには、一般的なCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスに加え、レベルシフタを構成する高耐圧MOSFETを形成するためのプロセスが必要となり、製造コストが増大してしまう。
However, in order to manufacture the driver IC described in
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、パワー半導体素子を駆動するためのドライバを低コストで得ることが可能な半導体装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the problems described above, and its object is to provide a semiconductor equipment capable of providing a driver for driving the power semiconductor device at low cost.
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる半導体装置は、入力信号に基づいてスイッチング制御信号を出力するための入力信号処理部と、上記入力信号処理部から受けた上記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのハイサイド駆動部と、上記入力信号処理部から受けた上記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのローサイド駆動部と、第1の電源電圧が供給されるべき第1導通電極と、出力ノードに結合された第2導通電極と、上記ハイサイド駆動部からの上記駆動信号を受ける制御電極とを有する第1のスイッチング機能部と、上記出力ノードに結合された第1導通電極と、上記第1の電源電圧よりも小さい第2の電源電圧が供給されるべき第2導通電極と、上記ローサイド駆動部からの上記駆動信号を受ける制御電極とを有する第2のスイッチング機能部とを備え、上記ハイサイド駆動部は、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタを含み、上記スイッチング制御信号の基準電圧を上記出力ノードの電位へシフトした駆動信号を出力し、上記第1のスイッチング機能部はノーマリーオン型の第1の電界効果トランジスタを含み、上記第2のスイッチング機能部はノーマリーオン型の第2の電界効果トランジスタを含み、上記ハイサイド駆動部および上記第1の電界効果トランジスタは第1の半導体チップに含まれている。
上記ハイサイド駆動部は、上記入力信号処理部からの第1のスイッチング制御信号を受けるアノードと、カソードとを有する第1のダイオードと、上記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、第2端とを有する第1の抵抗と、上記第1の抵抗の第2端に結合されたドレインと、所定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、上記入力信号処理部からの第2のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオン型の第4の電界効果トランジスタと、上記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、第2端とを有する第2の抵抗と、上記第2の抵抗の第2端に結合されたドレインと、所定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、上記入力信号処理部からの第3のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオン型の第5の電界効果トランジスタと、上記第1のダイオードのカソードに結合されたドレインと、上記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたソースと、上記第2の抵抗の第2端および上記第5の電界効果トランジスタのドレインに結合されたゲートとを有するノーマリーオン型の第6の電界効果トランジスタと、上記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、上記出力ノードに結合された第2端とを有するキャパシタとを含む。
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to an aspect of the present invention includes an input signal processing unit for outputting a switching control signal based on an input signal, and the switching control signal received from the input signal processing unit. A high-side drive unit for outputting a drive signal based on the input signal, a low-side drive unit for outputting a drive signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit, and a first power supply voltage are supplied A first switching function unit having a first conduction electrode to be performed, a second conduction electrode coupled to an output node, a control electrode that receives the drive signal from the high-side drive unit, and an output node A coupled first conductive electrode, a second conductive electrode to be supplied with a second power supply voltage lower than the first power supply voltage, and the low side driver And a second switching function unit having a control electrode for receiving the driving signal, wherein the high-side driving unit includes a normally-on field effect transistor, and a reference voltage of the switching control signal is supplied to the output node. The first switching function unit includes a normally-on type first field effect transistor, and the second switching function unit includes a normally-on type second electric field. The high-side driver and the first field effect transistor are included in a first semiconductor chip.
The high side driving unit includes a first diode having an anode for receiving a first switching control signal from the input signal processing unit, a cathode, and a first end coupled to the cathode of the first diode; , A first resistor having a second end, a drain coupled to the second end of the first resistor, a source coupled to a node to which a predetermined voltage is supplied, and from the input signal processing unit A normally-on fourth field effect transistor having a gate for receiving a second switching control signal; a second end having a first end coupled to the cathode of the first diode; and a second end. A resistor, a drain coupled to the second end of the second resistor, a source coupled to a node to which a predetermined voltage is supplied, and a gate for receiving a third switching control signal from the input signal processor. A normally-on fifth field effect transistor having a gate, a drain coupled to the cathode of the first diode, a source coupled to the gate of the first field effect transistor, and the second A normally-on sixth field effect transistor having a second end of a first resistor and a gate coupled to the drain of the fifth field effect transistor, and a first coupled to the cathode of the first diode. A capacitor having an end and a second end coupled to the output node.
好ましくは、上記第1の電界効果トランジスタは、上記第1の電源電圧が供給されるべき第1導通電極と、上記出力ノードに結合された第2導通電極と、上記ハイサイド駆動部からの上記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオン型の電界効果トランジスタである。 Preferably, the first field effect transistor includes a first conduction electrode to which the first power supply voltage is to be supplied, a second conduction electrode coupled to the output node, and the high-side driving unit. A normally-on field effect transistor having a control electrode for receiving a drive signal.
好ましくは、上記第2のスイッチング機能部は、上記出力ノードに結合された第1導通電極と、第2導通電極と、上記第2の電源電圧が供給されるべき制御電極とを有するノーマリーオン型の第2の電界効果トランジスタと、上記第2の電界効果トランジスタの第2導通電極に結合された第1導通電極と、上記第2の電源電圧が供給されるべき第2導通電極と、上記ローサイド駆動部からの上記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオフ型の第3の電界効果トランジスタとを備える。 Preferably, the second switching function unit includes a first conduction electrode coupled to the output node, a second conduction electrode, and a normally on having a control electrode to which the second power supply voltage is to be supplied. Type second field effect transistor, a first conduction electrode coupled to a second conduction electrode of the second field effect transistor, a second conduction electrode to which the second power supply voltage is to be supplied, and A normally-off third field effect transistor having a control electrode for receiving the drive signal from the low-side drive unit.
より好ましくは、上記ハイサイド駆動部は、さらに、上記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、所定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、上記入力信号処理部からの第4のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオン型の第7の電界効果トランジスタを含む。 More preferably, the high side driving unit further includes a drain coupled to the gate of the first field effect transistor, a source coupled to a node to which a predetermined voltage is supplied, and the input signal processing unit. A normally-on seventh field effect transistor having a gate for receiving a fourth switching control signal.
またこの発明の別の局面に係わる半導体装置は、入力信号に基づいてスイッチング制御信号を出力するための入力信号処理部と、上記入力信号処理部から受けた上記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのハイサイド駆動部と、上記入力信号処理部から受けた上記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのローサイド駆動部と、第1の電源電圧が供給されるべき第1導通電極と、出力ノードに結合された第2導通電極と、上記ハイサイド駆動部からの上記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオフ型の第1の電界効果トランジスタと、上記出力ノードに結合された第1導通電極と、上記第1の電源電圧よりも小さい第2の電源電圧が供給されるべき第2導通電極と、上記ローサイド駆動部からの上記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオフ型の第2の電界効果トランジスタとを備え、上記ハイサイド駆動部は、ノーマリーオフ型の電界効果トランジスタを含み、上記スイッチング制御信号の基準電圧を上記出力ノードの電位へシフトした駆動信号を出力し、上記ハイサイド駆動部および上記第1の電界効果トランジスタは第1の半導体チップに含まれている。
上記ハイサイド駆動部は、上記入力信号処理部からの第1のスイッチング制御信号を受けるアノードと、カソードとを有する第1のダイオードと、上記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、第2端とを有する第1の抵抗と、上記第1の抵抗の第2端に結合されたドレインと、固定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、上記入力信号処理部からの第2のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオフ型の第3の電界効果トランジスタと、上記第1のダイオードのカソードに結合されたドレインと、上記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたソースと、上記第1の抵抗の第2端および上記第3の電界効果トランジスタのドレインに結合されたゲートとを有するノーマリーオフ型の第4の電界効果トランジスタと、上記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、上記出力ノードに結合されたソースと、ゲートとを有するノーマリーオフ型の第5の電界効果トランジスタと、上記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、上記出力ノードに結合された第2端とを有する第1のキャパシタと、上記入力信号処理部からの第3のスイッチング制御信号を受ける第1端と、上記第5の電界効果トランジスタのゲートに結合された第2端とを有する第2のキャパシタと、上記第5の電界効果トランジスタのゲートに結合されたカソードと、上記第5の電界効果トランジスタのソースに結合されたアノードとを有する第2のダイオードと、上記第5の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、固定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、上記入力信号処理部からの第4のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオフ型の第6の電界効果トランジスタとを含む。
A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes an input signal processing unit for outputting a switching control signal based on an input signal, and a drive signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit. A high-side driving unit for outputting, a low-side driving unit for outputting a driving signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit, and a first continuity to be supplied with a first power supply voltage A normally-off first field-effect transistor having an electrode, a second conduction electrode coupled to the output node, and a control electrode for receiving the drive signal from the high-side driver, and coupled to the output node From the first conductive electrode, the second conductive electrode to be supplied with a second power supply voltage lower than the first power supply voltage, and the low-side drive unit. A normally-off type second field effect transistor having a control electrode for receiving the drive signal, wherein the high-side drive unit includes a normally-off type field effect transistor, and a reference voltage of the switching control signal Is output to the potential of the output node, and the high-side driver and the first field effect transistor are included in the first semiconductor chip.
The high side driving unit includes a first diode having an anode for receiving a first switching control signal from the input signal processing unit, a cathode, and a first end coupled to the cathode of the first diode; , A first resistor having a second end, a drain coupled to the second end of the first resistor, a source coupled to a node to which a fixed voltage is supplied, and from the input signal processing unit A normally-off third field effect transistor having a gate for receiving a second switching control signal; a drain coupled to the cathode of the first diode; and a gate coupled to the gate of the first field effect transistor. A normally-off fourth current source having a source coupled to the second end of the first resistor and a gate coupled to a drain of the third field effect transistor. A normally-off fifth field effect transistor having an effect transistor, a drain coupled to the gate of the first field effect transistor, a source coupled to the output node, and a gate; A first capacitor having a first end coupled to the cathode of the diode and a second end coupled to the output node; and a first end receiving a third switching control signal from the input signal processor. A second capacitor having a second end coupled to the gate of the fifth field effect transistor; a cathode coupled to the gate of the fifth field effect transistor; and the fifth field effect transistor. A second diode having an anode coupled to its source, a drain coupled to the gate of the fifth field effect transistor, and a fixed It includes a source coupled to a node supplied voltage, and a sixth field-effect transistor of the normally-off type having a gate receiving a fourth switching control signal from the input signal processing unit.
本発明によれば、パワー半導体素子を駆動するためのドライバを低コストで得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the driver for driving a power semiconductor element can be obtained at low cost.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図1を参照して、半導体装置101は、入力信号処理部65と、ハイサイド駆動部62と、ローサイド駆動部64と、電界効果トランジスタTr1,Tr2,Tr12とを備える。
Referring to FIG. 1, a
電界効果トランジスタTr1,Tr2はノーマリーオン型であり、たとえばGaN電界効果トランジスタである。電界効果トランジスタTr12はノーマリーオフ型であり、たとえば絶縁ゲート型電界効果トランジスタである。 The field effect transistors Tr1 and Tr2 are normally on, for example, GaN field effect transistors. The field effect transistor Tr12 is a normally-off type, for example, an insulated gate field effect transistor.
カスコード接続された電界効果トランジスタTr2,Tr12の組は、ノーマリーオフ型の1つのトランジスタのように動作する。また、電源電圧VHのレベルは、たとえば400Vである。電源電圧VCCのレベルは、たとえば15Vである。 A set of cascode-connected field effect transistors Tr2 and Tr12 operates like a normally-off type transistor. The level of power supply voltage VH is 400V, for example. The level of power supply voltage VCC is, for example, 15V.
入力信号処理部65は、半導体装置101外部から受けた信号に基づいてスイッチング制御信号を出力する。すなわち、入力信号処理部65は、半導体装置101外部から受けた信号を半導体装置101内部において取り扱いしやすい信号に変換する前処理を行なう。
The input
ハイサイド駆動部62は、入力信号処理部65から受けたスイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力する。また、ハイサイド駆動部62は、レベルシフタも兼ねており、ハイサイド駆動部62から出力される駆動信号は、入力信号処理部65から出力されたスイッチング制御信号の基準電圧をシフトした信号となる。
The high
ローサイド駆動部64は、入力信号処理部65から受けたスイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力する。
The low
これらの駆動信号によって半導体装置101のハイサイドがオンするとき、電界効果トランジスタTr1がオンし、また、電界効果トランジスタTr2およびTr12で構成されるトランジスタがオフする。このとき、出力電圧VAのレベルは電源電圧VHとなる。
When the high side of the
また、これらの駆動信号によって半導体装置101のローサイドがオンするとき、電界効果トランジスタTr1がオフし、また、電界効果トランジスタTr2およびTr12で構成されるトランジスタがオンする。このとき、出力電圧VAのレベルはゼロボルトとなる。
Further, when the low side of the
すなわち、電界効果トランジスタTr1は、ハイサイド駆動部からの駆動信号により制御されて出力ノードNOUTに対し電源電圧VHの供給をオン/オフする第1のスイッチング機能部に対応する。第1のスイッチング機能部の動作はノーマリーオン型のスイッチング機能に相当する。また、カスコード接続された電界効果トランジスタTr2とTr12の組み合わせ回路は、ローサイド駆動部からの駆動信号により制御されて出力ノードに対し接地電位の供給をオン/オフする第2のスイッチング機能部に対応する。第2のスイッチング機能部の動作はノーマリーオフ型のスイッチング機能に相当する。 That is, the field effect transistor Tr1 corresponds to a first switching function unit that is controlled by a drive signal from the high-side drive unit to turn on / off the supply of the power supply voltage VH to the output node NOUT. The operation of the first switching function unit corresponds to a normally-on type switching function. Further, the combination circuit of the cascode-connected field effect transistors Tr2 and Tr12 corresponds to a second switching function unit that is controlled by a driving signal from the low-side driving unit to turn on / off the supply of the ground potential to the output node. . The operation of the second switching function unit corresponds to a normally-off type switching function.
ハイサイド駆動部62、電界効果トランジスタTr1および電界効果トランジスタTr2はGaNプロセスによって製造された半導体チップ71に含まれている。なお、ローサイド出力に用いる電界効果トランジスタTr2はこの半導体チップ71に含めずに別の半導体チップ上に形成することも可能である。しかしながら、上記のように同一の半導体チップ71上に形成する方が、部品点数が減ることで半導体装置を小型化することができる。
The
入力信号処理部65およびローサイド駆動部64はCMOSプロセスによって製造された半導体チップ72に含まれている。また特に好ましい実施形態においては、電界効果トランジスタTr12も半導体チップ72上に搭載される。
The input
電界効果トランジスタTr1およびTr2の接続ノードである出力ノードNOUTには図示しない負荷が結合される。出力ノードNOUTにおける電圧が負荷への出力電圧となる。 A load (not shown) is coupled to an output node NOUT which is a connection node between the field effect transistors Tr1 and Tr2. The voltage at the output node NOUT becomes the output voltage to the load.
入力信号処理部65は、接地電圧を基準電圧として動作し、電源電圧VHより低くかつ接地電圧より高い電源電圧VCCを動作電源電圧として動作する。ハイサイド駆動部62は、入力信号処理部65および出力ノードNOUTに結合されている。また、ハイサイド駆動部62は、電界効果トランジスタTr1への駆動信号を出力ノードNOUTの電位に応じてシフトさせる、すなわち、電界効果トランジスタTr1への駆動信号のレベルを出力ノードNOUTの電位に応じて制御する。これにより、電界効果トランジスタTr1のゲート−ソース間に過剰な電位差が与えられて電界効果トランジスタTr1が破壊されることを防ぎつつ、電界効果トランジスタTr1を駆動する。ローサイド駆動部64は、接地電圧を基準電圧として動作し、電源電圧VCCを動作電源電圧として動作する。
The input
図2は、本発明の第1の実施の形態に係るハイサイド駆動部、および半導体装置の出力段の構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the high-side drive unit and the output stage of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図2を参照して、半導体装置101は、さらに、ダイオードD16,D17を備える。ハイサイド駆動部62は、電界効果トランジスタTr3〜Tr6と、抵抗R1,R2と、キャパシタC1と、ダイオードD2とを含む。
Referring to FIG. 2,
電界効果トランジスタTr3〜Tr6はノーマリーオン型であり、たとえばGaN電界効果トランジスタである。また、電界効果トランジスタTr1〜Tr3,Tr4,Tr6は、たとえば、ゲート−ソース間の耐圧が30V(ボルト)以下であり、ゲート−ドレイン間の耐圧が600V以上であり、電流駆動能力の高い高駆動GaN電界効果トランジスタである。また、電界効果トランジスタTr5は、たとえば、ゲート−ソース間の耐圧およびゲート−ドレイン間の耐圧がいずれも600V以上である両側高耐圧GaN電界効果トランジスタである。 The field effect transistors Tr3 to Tr6 are normally on, for example, GaN field effect transistors. The field effect transistors Tr1 to Tr3, Tr4, and Tr6 have, for example, a gate-source breakdown voltage of 30 V (volt) or less, a gate-drain breakdown voltage of 600 V or more, and high drive with high current driving capability. GaN field effect transistor. The field effect transistor Tr5 is, for example, a double-sided high breakdown voltage GaN field effect transistor having a gate-source breakdown voltage and a gate-drain breakdown voltage of 600 V or more.
ダイオードD2は、制御信号S5を受けるアノードと、抵抗R1の第1端、抵抗R2の第1端、電界効果トランジスタTr5のドレインおよびキャパシタC1の第1端に結合されたカソードとを有する。電界効果トランジスタTr3は、抵抗R1の第2端に結合されたドレインと、接地ノードに結合されたソースと、制御信号S2を受けるゲートとを有する。電界効果トランジスタTr4は、抵抗R2の第2端に結合されたドレインと、たとえば−10Vである固定電圧VN1が供給されるノードに結合されたソースと、制御信号S3を受けるゲートとを有する。電界効果トランジスタTr5は、ダイオードD2のカソードに結合されたドレインと、ソースと、抵抗R2の第2端および電界効果トランジスタTr4のドレインに結合されたゲートとを有する。電界効果トランジスタTr6は、電界効果トランジスタTr5のソースに結合されたドレインと、たとえば−5Vである固定電圧VN2が供給されるノードに結合されたソースと、制御信号S4を受けるゲートとを有する。 Diode D2 has an anode receiving control signal S5, a first end of resistor R1, a first end of resistor R2, a drain of field effect transistor Tr5, and a cathode coupled to a first end of capacitor C1. Field effect transistor Tr3 has a drain coupled to the second end of resistor R1, a source coupled to the ground node, and a gate for receiving control signal S2. Field effect transistor Tr4 has a drain coupled to the second end of resistor R2, a source coupled to a node to which a fixed voltage VN1 of, for example, −10V is supplied, and a gate receiving control signal S3. Field effect transistor Tr5 has a drain coupled to the cathode of diode D2, a source, and a gate coupled to the second end of resistor R2 and the drain of field effect transistor Tr4. Field effect transistor Tr6 has a drain coupled to the source of field effect transistor Tr5, a source coupled to a node to which a fixed voltage VN2 of, for example, -5V is supplied, and a gate receiving control signal S4.
電界効果トランジスタTr1は、たとえば400Vである電源電圧VHが供給されるノードに結合されたドレインと、キャパシタC1の第2端および出力ノードNOUTに結合されたソースと、電界効果トランジスタTr5のソースおよび電界効果トランジスタTr6のドレインに結合されたゲートとを有する。ダイオードD16は、電界効果トランジスタTr1のドレインに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr1のソースに結合されたアノードとを有する。電界効果トランジスタTr2は、出力ノードNOUTに結合されたドレインと、ソースと、接地ノードに結合されたゲートとを有する。電界効果トランジスタTr12は、電界効果トランジスタTr2のソースに結合されたドレインと、接地ノードに結合されたソースと、制御信号S1を受けるゲートとを有する。ダイオードD17は、電界効果トランジスタTr2のドレインに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr12のソースに結合されたアノードとを有する。 Field effect transistor Tr1 has, for example, a drain coupled to a node to which power supply voltage VH of 400 V is supplied, a source coupled to the second end of capacitor C1 and output node NOUT, a source of electric field effect transistor Tr5, and an electric field And a gate coupled to the drain of effect transistor Tr6. Diode D16 has a cathode coupled to the drain of field effect transistor Tr1 and an anode coupled to the source of field effect transistor Tr1. Field effect transistor Tr2 has a drain coupled to output node NOUT, a source, and a gate coupled to a ground node. Field effect transistor Tr12 has a drain coupled to the source of field effect transistor Tr2, a source coupled to the ground node, and a gate for receiving control signal S1. Diode D17 has a cathode coupled to the drain of field effect transistor Tr2 and an anode coupled to the source of field effect transistor Tr12.
また、ハイサイド駆動部62は、キャパシタC1の第2端、電界効果トランジスタTr1のソースおよび電界効果トランジスタTr2のドレインの結合ノードであるノードaと、ダイオードD2のカソード、抵抗R1の第1端、抵抗R2の第1端、電界効果トランジスタTr5のドレインおよびキャパシタC1の第1端の結合ノードであるノードbと、抵抗R2の第2端、電界効果トランジスタTr4のドレインおよび電界効果トランジスタTr5のゲートの結合ノードであるノードcと、電界効果トランジスタTr5のソース、電界効果トランジスタTr6のドレインおよび電界効果トランジスタTr1のゲートの結合ノードであるノードdとを有する。
The high-
半導体装置101の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ切り替わる時、および論理ハイレベルから論理ローレベルへ切り替わる時に、キャパシタC1の両端に適当な電位差が与えられる。
When the output signal of the
すなわち、論理ローレベルから論理ハイレベルへの切り替え時には、まず電界効果トランジスタTr12がオンしてノードaの電位がほぼ接地電位である状態において、制御信号S5からの電圧をノードbに与え、ノードbの電位Vbとノードaの電位VaとがVb≧Vaとなるようにしておく。この状態で電界効果トランジスタTr12をオフし、さらに電界効果トランジスタTr5をオンさせることによりノードbの電荷の一部がノードdへ移動し、ノードdの電位が上昇して電界効果トランジスタTr1がオンする。ノードaの電位が上昇すると、キャパシタC1を介してノードbの電位が突き上げられる。これに伴い、電界効果トランジスタTr5を介してノードdの電位も上昇するので、結局、出力ノードNOUTの電位に応じたレベルを有する駆動信号を電界効果トランジスタTr1に与えることができる。 That is, when switching from the logic low level to the logic high level, first, the field effect transistor Tr12 is turned on and the voltage from the control signal S5 is applied to the node b in the state where the potential of the node a is almost the ground potential. And the potential Va of the node a are set so that Vb ≧ Va. In this state, the field effect transistor Tr12 is turned off and the field effect transistor Tr5 is turned on, whereby a part of the charge at the node b moves to the node d, the potential at the node d rises and the field effect transistor Tr1 is turned on. . When the potential of the node a rises, the potential of the node b is pushed up through the capacitor C1. Along with this, the potential of the node d also rises via the field effect transistor Tr5, so that a drive signal having a level corresponding to the potential of the output node NOUT can be given to the field effect transistor Tr1.
一方、論理ハイレベルから論理ローレベルへの切り替え時には、まず電界効果トランジスタTr1がオンしてノードaの電位がほぼ電源電圧VHである状態において、抵抗R1及び電界効果トランジスタTr3を用いてノードbの電荷を適宜排出し、ノードbの電位を若干低下させてVb<Vaとする。この状態で電界効果トランジスタTr5をオンさせることにより、ノードdの電荷の一部がノードbへ移動してノードdの電位も若干低下し、Vd<Vaとなることで電界効果トランジスタTr1がオフする。電界効果トランジスタTr12をオンする等によりノードaの電位が低下すると、キャパシタC1を介してノードbの電位も引き下げられる。これに伴い、電界効果トランジスタTr5を介してノードdの電位も低下する。したがって、電界効果トランジスタTr1のオフ状態を保ちつつ、さらに電界効果トランジスタTr1のゲート(ノードd)とソース(ノードa)との間に過剰な電位差が生じて破壊することを防ぎつつ、論理ローレベルへの切り替えを実現できる。すなわち、出力ノードNOUTの電位に応じたレベルを有する駆動信号を電界効果トランジスタTr1に与えることができる。 On the other hand, when switching from the logic high level to the logic low level, first, the field effect transistor Tr1 is turned on and the potential of the node a is almost equal to the power supply voltage VH. The electric charge is appropriately discharged, and the potential of the node b is slightly lowered so that Vb <Va. When the field effect transistor Tr5 is turned on in this state, a part of the charge at the node d moves to the node b, and the potential at the node d is also slightly lowered. When Vd <Va, the field effect transistor Tr1 is turned off. . When the potential of the node a is lowered by turning on the field effect transistor Tr12 or the like, the potential of the node b is also lowered through the capacitor C1. Along with this, the potential of the node d also decreases through the field effect transistor Tr5. Therefore, while maintaining the field effect transistor Tr1 in the OFF state, it is further possible to prevent the potential effect transistor from causing breakdown due to an excessive potential difference between the gate (node d) and the source (node a) of the field effect transistor Tr1. Switching to can be realized. That is, a drive signal having a level corresponding to the potential of the output node NOUT can be applied to the field effect transistor Tr1.
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。 FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
図4〜図7は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際の回路の状態を時系列的に示す図である。図8〜図11は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の出力信号が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際の回路の状態を時系列的に示す図である。図4〜図11において、矢印の向きおよび太さはそれぞれ電流の向きおよび大きさを示している。 4 to 7 are diagrams showing the circuit states in time series when the output signal of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention transits from a logic low level to a logic high level. 8 to 11 are diagrams showing the circuit states in time series when the output signal of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention transits from a logic high level to a logic low level. 4 to 11, the direction and thickness of the arrows indicate the direction and magnitude of the current, respectively.
図3を参照して、半導体装置101の出力信号は所定周期で論理ハイレベル(ハイレベル出力)および論理ローレベル(ローレベル出力)を繰り返す。
Referring to FIG. 3, the output signal of
まず、半導体装置101の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する動作について説明する。
First, an operation in which the output signal of the
図3および図4を参照して、時刻t1において、制御信号S1は10Vに設定され、制御信号S2は−10Vに設定され、制御信号S3は−15Vに設定され、制御信号S4は−5Vに設定され、制御信号S5は−5Vに設定される。このとき、制御信号S1によって電界効果トランジスタTr12はオンし、ノードaの電位は0Vになる。また、制御信号S3によって電界効果トランジスタTr4はオフし、ノードbおよびcの電位は−5Vになり、電界効果トランジスタTr5はオンする。また、制御信号S4によって電界効果トランジスタTr6がオンすることにより、ノードdの電位は−5Vに固定される。これにより、電界効果トランジスタTr1はオフする。したがって、出力ノードNOUTから負荷へ論理ローレベルの信号が出力される。出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr2およびTr12を介して接地ノードとの間が通電状態となっている。 3 and 4, at time t1, control signal S1 is set to 10V, control signal S2 is set to -10V, control signal S3 is set to -15V, and control signal S4 is set to -5V. Thus, the control signal S5 is set to -5V. At this time, the field effect transistor Tr12 is turned on by the control signal S1, and the potential of the node a becomes 0V. Further, the field effect transistor Tr4 is turned off by the control signal S3, the potentials of the nodes b and c are -5V, and the field effect transistor Tr5 is turned on. Further, when the field effect transistor Tr6 is turned on by the control signal S4, the potential of the node d is fixed to −5V. Thereby, the field effect transistor Tr1 is turned off. Therefore, a logic low level signal is output from output node NOUT to the load. An energization state is established between the output node NOUT side, that is, the load and the ground node via the field effect transistors Tr2 and Tr12.
図3および図5を参照して、次に、時刻t2〜時刻t3において制御信号S3は−10Vに設定され、時刻t3〜時刻t4において制御信号S4は−10Vに設定され、時刻t3〜時刻t4において制御信号S5は15Vに設定される。このとき、制御信号S4によって電界効果トランジスタTr6がオフする。また、制御信号S3によって電界効果トランジスタTr4がオンする。抵抗R2よりも電界効果トランジスタTr4の電流駆動能力の方が高く設定されていることにより、ノードcの電位は固定電圧VN1にほぼ一致し、ノードcの電位は−10Vになる。これにより、電界効果トランジスタTr5はオフする。また、制御信号S5によってダイオードD2のアノードからカソードの方向に電流が流れ、ノードbは15Vにチャージされる。この間、出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr2およびTr12を介して接地ノードへ電流が流れる。半導体装置101の出力信号は論理ローレベルに維持される。
3 and 5, next, at time t2 to time t3, control signal S3 is set to -10V, at time t3 to time t4, control signal S4 is set to -10V, and from time t3 to time t4. The control signal S5 is set to 15V. At this time, the field effect transistor Tr6 is turned off by the control signal S4. Further, the field effect transistor Tr4 is turned on by the control signal S3. Since the current driving capability of the field effect transistor Tr4 is set higher than that of the resistor R2, the potential of the node c substantially matches the fixed voltage VN1, and the potential of the node c becomes −10V. As a result, the field effect transistor Tr5 is turned off. Further, a current flows from the anode to the cathode of the diode D2 by the control signal S5, and the node b is charged to 15V. During this time, a current flows from the output node NOUT side, that is, the load, to the ground node via the field effect transistors Tr2 and Tr12. The output signal of the
図3および図6を参照して、次に、時刻t4〜時刻t5において制御信号S1は0Vに設定され、時刻t5〜時刻t6において制御信号S3は−15Vに設定される。このとき、制御信号S1によって電界効果トランジスタTr12がオフする。また、制御信号S3によって電界効果トランジスタTr4がオフすることにより、ノードbから抵抗R2を介して電流が流れ、ノードcの電位が上昇する。これにより、電界効果トランジスタTr5がオンし、ノードbから電界効果トランジスタTr5を通して電流が流れ、ノードc,dの電位が上昇する。ノードdの電位が電界効果トランジスタTr1の閾値を越えると、電界効果トランジスタTr1がオンし、電源電圧VHが供給されるノードから電界効果トランジスタTr1を通してノードaへ電流が流れる。 3 and 6, next, control signal S1 is set to 0V from time t4 to time t5, and control signal S3 is set to -15V from time t5 to time t6. At this time, the field effect transistor Tr12 is turned off by the control signal S1. Further, when the field effect transistor Tr4 is turned off by the control signal S3, a current flows from the node b via the resistor R2, and the potential of the node c rises. Thereby, the field effect transistor Tr5 is turned on, a current flows from the node b through the field effect transistor Tr5, and the potentials of the nodes c and d rise. When the potential of the node d exceeds the threshold value of the field effect transistor Tr1, the field effect transistor Tr1 is turned on, and a current flows from the node supplied with the power supply voltage VH to the node a through the field effect transistor Tr1.
図3および図7を参照して、時刻t6以降において、電界効果トランジスタTr1がオンしていることからノードaの電位が電源電圧VHの電位たとえば400Vへ上昇する。すなわち、出力ノードNOUTから負荷へ論理ハイレベルの信号が出力される。また、ノードaの電位が400Vへ向かって上昇することにより、ノードaの電位がキャパシタC1を介してノードbの電位を突上げ、ノードbの電位も上昇する。さらに抵抗R2を介してノードbからノードcへ電流が流れるため、ノードcの電位もまた上昇し、電界効果トランジスタTr5のオン状態は維持される。電界効果トランジスタTr5によってノードbとノードdが導通されているため、ノードbの電位の上昇とともにノードdの電位も上昇する。したがって、電界効果トランジスタTr1のオン状態は維持され、半導体装置101の出力信号は論理ハイレベルに維持される。
Referring to FIGS. 3 and 7, since time field effect transistor Tr1 is turned on after time t6, the potential of node a rises to the potential of power supply voltage VH, for example, 400V. That is, a logic high level signal is output from the output node NOUT to the load. Further, as the potential of the node a rises toward 400V, the potential of the node a pushes up the potential of the node b through the capacitor C1, and the potential of the node b also rises. Furthermore, since a current flows from the node b to the node c via the resistor R2, the potential of the node c also rises, and the on state of the field effect transistor Tr5 is maintained. Since the node b and the node d are made conductive by the field effect transistor Tr5, the potential of the node d increases as the potential of the node b increases. Therefore, the on state of the field effect transistor Tr1 is maintained, and the output signal of the
次に、半導体装置101の出力信号が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する動作について説明する。
Next, an operation in which the output signal of the
図3および図8を参照して、時刻t8〜時刻t9において制御信号S3は−10Vに設定され、時刻t7〜時刻t8において制御信号S5は−5Vに設定される。このとき、電界効果トランジスタTr1がオンしていることからノードaの電位は400Vを維持している。そして、制御信号S3によって電界効果トランジスタTr4がオンし、ノードbから抵抗R2および電界効果トランジスタTr4を通して接地ノードへ電流が流れる。抵抗R2を通して流れる電流よりも電界効果トランジスタTr4を通して流れる電流の方が非常に大きくなることから、ノードcの電位が低下する。これにより、電界効果トランジスタTr5はオフする。半導体装置101の出力信号は論理ハイレベルに維持される。
3 and 8, control signal S3 is set to -10V from time t8 to time t9, and control signal S5 is set to -5V from time t7 to time t8. At this time, since the field effect transistor Tr1 is on, the potential of the node a is maintained at 400V. Then, the field effect transistor Tr4 is turned on by the control signal S3, and a current flows from the node b through the resistor R2 and the field effect transistor Tr4 to the ground node. Since the current flowing through the field effect transistor Tr4 is much larger than the current flowing through the resistor R2, the potential of the node c decreases. As a result, the field effect transistor Tr5 is turned off. The output signal of the
図3および図9を参照して、次に、時刻t9〜時刻t10において制御信号S2は0Vに設定される。このとき、制御信号S2によって電界効果トランジスタTr3がオンし、これにより、ノードbから抵抗R1を介して接地ノードへ電流が流れ、ノードbの電位が徐々に低くなり、380V程度まで低下する。半導体装置101の出力信号は論理ハイレベルに維持される。
3 and 9, next, control signal S2 is set to 0V from time t9 to time t10. At this time, the field effect transistor Tr3 is turned on by the control signal S2, whereby current flows from the node b to the ground node via the resistor R1, and the potential of the node b gradually decreases to about 380V. The output signal of the
図3および図10を参照して、次に、時刻t13〜時刻t14において制御信号S2は−10Vに設定され、時刻t10〜時刻t11において制御信号S3は−15Vに設定される。このとき、制御信号S2によって電界効果トランジスタTr3がオフする。また、制御信号S3によって電界効果トランジスタTr4がオフし、これにより、ノードbから抵抗R2を介して流れる電流によってノードcの電位が上昇する。これにより、電界効果トランジスタTr5がオンし、ノードdからノードbへ電界効果トランジスタTr5を通して電流が流れる。そうすると、ノードb,c,dの電位がたとえば390V程度になり、400Vであるノードaの電位よりも低くなるため、電界効果トランジスタTr1がオフする。半導体装置101の出力信号は論理ハイレベルに維持される。
3 and 10, next, control signal S2 is set to -10V from time t13 to time t14, and control signal S3 is set to -15V from time t10 to time t11. At this time, the field effect transistor Tr3 is turned off by the control signal S2. Further, the field effect transistor Tr4 is turned off by the control signal S3, whereby the potential of the node c is increased by the current flowing from the node b through the resistor R2. Thereby, the field effect transistor Tr5 is turned on, and a current flows from the node d to the node b through the field effect transistor Tr5. As a result, the potentials of the nodes b, c, and d become about 390 V, for example, which is lower than the potential of the node a that is 400 V, so that the field effect transistor Tr1 is turned off. The output signal of the
図3および図11を参照して、次に、時刻t15〜時刻t16において制御信号S1は10Vに設定される。このとき、制御信号S1によって電界効果トランジスタTr12はオンし、ノードaの電位が0Vに低下する。そして、ノードaの電位低下により、キャパシタC1を介してノードbの電位が低下する。ここで、電界効果トランジスタTr5がオンしていることから、ノードbの電位とノードdの電位がほぼ等しく、かつノードbおよびノードdの電位よりもノードaの電位のほうが高い状態を維持しながら、すなわち電界効果トランジスタTr1のオフ状態を維持しながら、ノードb,dがたとえば−5V程度へ低下する。この間、ノードdとノードa、つまり電界効果トランジスタTr1のゲートとソースの間に、電界効果トランジスタTr1の耐圧を超えるような電圧差が発生することがなく、デバイスの破壊も防ぐことができる。またノードcも、抵抗R2を介してノードbと導通していることにより、ノードb,dと同程度の電圧へ低下する。そして、出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr2およびTr12を介して接地ノードへ電流が流れる、すなわち出力ノードNOUTから負荷へ論理ローレベルの信号が出力される。 Referring to FIGS. 3 and 11, next, control signal S <b> 1 is set to 10 V from time t <b> 15 to time t <b> 16. At this time, the field effect transistor Tr12 is turned on by the control signal S1, and the potential of the node a is reduced to 0V. Then, due to the potential drop of the node a, the potential of the node b drops via the capacitor C1. Here, since the field effect transistor Tr5 is on, the potential of the node b and the potential of the node d are substantially equal, and the potential of the node a is maintained higher than the potentials of the nodes b and d. That is, while maintaining the off state of the field effect transistor Tr1, the nodes b and d are lowered to, for example, about −5V. During this time, a voltage difference exceeding the withstand voltage of the field effect transistor Tr1 does not occur between the node d and the node a, that is, the gate and source of the field effect transistor Tr1, and the device can be prevented from being destroyed. Further, the node c is also electrically connected to the node b through the resistor R2, so that the voltage drops to the same level as the nodes b and d. Then, a current flows from the output node NOUT side, that is, from the load to the ground node via the field effect transistors Tr2 and Tr12, that is, a logic low level signal is output from the output node NOUT to the load.
その後、時刻t17〜時刻t18において制御信号S4が−5Vに設定され、電界効果トランジスタTr6がオンしてノードdの電位が電位VN2となる。 After that, the control signal S4 is set to −5 V from time t17 to time t18, the field effect transistor Tr6 is turned on, and the potential of the node d becomes the potential VN2.
ここで、半導体装置101では、論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際にノードbの電位を上昇させるための回路すなわちキャパシタC1によって構成される回路を、論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際にノードbの電位を低下させるための回路としても使用することができる。これにより、回路の簡易化を図ることができる。
Here, in the
また、レベルシフト回路の機能も有するハイサイド駆動部62をたとえばMOSトランジスタで構成すると、通常、多数のMOSトランジスタ、たとえば70個程度のMOSトランジスタが必要となってしまう。しかしながら、ハイサイド駆動部62では、GaN電界効果トランジスタを用いることにより、トランジスタを4個とし、素子数を大幅に減らすことができる。これにより、パワー半導体素子とこのパワー半導体素子を駆動するためのドライバとを小面積で同一基板上に形成することができ、製造コストを低減することができる。
Further, if the high-
図12は、電源装置401の構成を示す図である。
図12では、半導体装置101が駆動する負荷として、出力ノードNOUTに結合された電源装置401が示されている。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of the
In FIG. 12, a
電源装置401では、トランスの巻き線比が1:0.133に設定されており、デューティ1/2で、400Vの電源電圧VHによって27Vの直流電圧がノードLOUTから出力される。
In
図13は、半導体装置101における各ノードの電位のシミュレーション結果を示す図である。図14は、図13において点線で囲まれたノードaの電位が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際の各ノードの電位を詳細に示す図である。図15は、図13において点線で囲まれたノードaの電位が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際の各ノードの電位を詳細に示す図である。図13〜図15は、半導体装置が立ち上げられた直後の初期状態を示している。
FIG. 13 is a diagram illustrating a simulation result of the potential of each node in the
図13を参照して、ノードaの電位すなわち半導体装置101の出力電圧レベルは、所定周期で論理ハイレベルおよび論理ローレベルを繰り返していることが分かる。
Referring to FIG. 13, it can be seen that the potential of node a, that is, the output voltage level of
図14を参照して、タイミングT1において、電界効果トランジスタTr4がオンすることにより、ノードcの電位が低下する。次に、タイミングT2において、制御信号S5が15Vに設定されることにより、ノードbの電位が15Vにチャージされる。次に、タイミングT3において、電界効果トランジスタTr12がオフする。次に、タイミングT4において、電界効果トランジスタTr4がオフすることにより、ノードcの電位が上昇する。タイミングT4から少し遅れて電界効果トランジスタTr1がオンすることにより、ノードa,b,c,dの電位が上昇する。 Referring to FIG. 14, at timing T1, field effect transistor Tr4 is turned on, so that the potential of node c decreases. Next, at timing T2, the control signal S5 is set to 15V, so that the potential of the node b is charged to 15V. Next, at the timing T3, the field effect transistor Tr12 is turned off. Next, at the timing T4, the field effect transistor Tr4 is turned off, so that the potential of the node c rises. When the field effect transistor Tr1 is turned on slightly after the timing T4, the potentials of the nodes a, b, c, and d rise.
図15を参照して、タイミングT11において、制御信号S5が−5Vに設定される。次に、タイミングT12において、電界効果トランジスタTr4がオンすることにより、ノードcの電位が急降下し、電界効果トランジスタTr5がオフする。なお、本シミュレーションでは、図2に示す回路と異なり、ノードcの電位を−10Vではなく0Vまで低下させているが、電界効果トランジスタTr5がオフするようなレベルまでノードcの電位を低下させればよい。次に、タイミングT13において、電界効果トランジスタTr3がオンすることにより、ノードbの電位が緩やかに低下する。次に、タイミングT14において、電界効果トランジスタTr4がオフすることにより、ノードcの電位が急上昇する。ノードcの電位が上昇して電界効果トランジスタTr5がオンすることにより、ノードb,c,dの電位が徐々に等しくなる。次に、タイミングT15において、電界効果トランジスタTr3がオフする。次に、タイミングT16において、電界効果トランジスタTr12がオンすることにより、ノードa,b,c,dの電位が低下する。次に、タイミングT17において、電界効果トランジスタTr6がオンするが、すでにノードdの電位は−5Vになっているので、電位変動は生じない。 Referring to FIG. 15, at timing T11, control signal S5 is set to −5V. Next, at the timing T12, the field effect transistor Tr4 is turned on, so that the potential of the node c rapidly drops and the field effect transistor Tr5 is turned off. In this simulation, unlike the circuit shown in FIG. 2, the potential of the node c is lowered to 0V instead of −10V. However, the potential of the node c can be lowered to a level at which the field effect transistor Tr5 is turned off. That's fine. Next, at the timing T13, the field-effect transistor Tr3 is turned on, so that the potential at the node b gradually decreases. Next, at the timing T14, the field effect transistor Tr4 is turned off, so that the potential of the node c rapidly increases. As the potential of the node c rises and the field effect transistor Tr5 is turned on, the potentials of the nodes b, c, and d gradually become equal. Next, at the timing T15, the field effect transistor Tr3 is turned off. Next, at the timing T16, the field effect transistor Tr12 is turned on, so that the potentials of the nodes a, b, c, and d are lowered. Next, at the timing T17, the field effect transistor Tr6 is turned on. However, since the potential of the node d is already -5V, the potential fluctuation does not occur.
図16は、半導体装置101における各ノードの電位のシミュレーション結果を示す図である。図17は、図16において点線で囲まれたノードaの電位が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際の各ノードの電位を詳細に示す図である。図18は、図16において点線で囲まれたノードaの電位が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際の各ノードの電位を詳細に示す図である。図16〜図18は、半導体装置が立ち上げられて動作が安定した後の定常状態を示している。ここでは、図13〜図15と異なる点について説明する。
FIG. 16 is a diagram illustrating a simulation result of the potential of each node in the
図17を参照して、ノードa,b,c,dの電位が上昇するタイミングは、初期状態(図14)よりも早い。ノードcは他のノードよりも遅れて上昇している。すなわち、電界効果トランジスタTr5がオンする前にノードa,b,dの電位が上昇している。これは、ノードa,b,dの電位が、電界効果トランジスタTr1からの電流ではなく、負荷からの電流によって上昇しているからである。 Referring to FIG. 17, the timing at which the potentials of nodes a, b, c and d rise is earlier than in the initial state (FIG. 14). Node c rises later than the other nodes. That is, the potentials of the nodes a, b, and d are increased before the field effect transistor Tr5 is turned on. This is because the potentials of the nodes a, b, and d are increased not by the current from the field effect transistor Tr1 but by the current from the load.
図18を参照して、タイミングT14において、電界効果トランジスタTr4がオフすることにより、ノードcの電位が急上昇する。ノードcの電位が上昇してからノードa,b,c,dの電位が低下するタイミングが初期状態(図15)と比べて早くなっている。タイミングT15において、電界効果トランジスタTr3がオフするときには、すでにノードa,b,c,dの電位は低下し始めている。タイミングT16において、電界効果トランジスタTr12がオンするときには、ノードa,b,c,dの電位の低下は完了している。 Referring to FIG. 18, at the timing T14, the field effect transistor Tr4 is turned off, so that the potential of the node c rapidly increases. The timing at which the potentials at nodes a, b, c, and d decrease after the potential at node c increases is earlier than in the initial state (FIG. 15). At the timing T15, when the field effect transistor Tr3 is turned off, the potentials of the nodes a, b, c, and d have already started to decrease. At the timing T16, when the field effect transistor Tr12 is turned on, the potential reduction of the nodes a, b, c, and d is completed.
図19は、電源装置の出力電圧のシミュレーション結果を示す図である。
図19を参照して、電源装置401は、半導体装置101によって駆動されることにより、出力電圧が約1ミリ秒で27Vまで立ち上がっており、良好な特性が得られていることが分かる。
FIG. 19 is a diagram illustrating a simulation result of the output voltage of the power supply device.
Referring to FIG. 19, it can be seen that the
ここで、出力パワートランジスタである電界効果トランジスタTr1,Tr2のドライブ能力が、負荷回路を駆動するのに十分でないと、負荷回路が正常に動作しない。 Here, if the drive capability of the field effect transistors Tr1 and Tr2 which are output power transistors is not sufficient to drive the load circuit, the load circuit does not operate normally.
一方、電界効果トランジスタTr1,Tr2の容量が大きいと、正常動作させるためにはハイサイド駆動部63およびローサイド駆動部64における各素子の容量を大きくする必要があり、消費電力が多くなってしまう。
On the other hand, if the capacitances of the field effect transistors Tr1 and Tr2 are large, it is necessary to increase the capacitance of each element in the high-
半導体装置101では、電界効果トランジスタTr1,Tr2として、高ドライブ能力および低容量のGaNトランジスタを用いることにより、回路全体の容量を抑えて低消費電力の回路を得ることができる。
In the
さらに、半導体装置101では、ハイサイド駆動部63においてもGaNトランジスタを用いることにより、パワートランジスタ、ハイサイドロジックおよびレベルシフタを同一基板上に形成することができるため、素子数が少なく、安価に製造が可能となる。また、インピーダンス成分を極力排除することにより、高速で安定な動作が可能となる。
Further, in the
また、半導体装置101の立ち上げ直後からしばらくは、電界効果トランジスタTr1,Tr12のオン/オフの遷移タイミングと、負荷出力の論理ローレベルおよび論理ハイレベル間の遷移タイミングとが合わない時間帯がある。これは、特に半導体装置101の立ち上げ初期において、負荷である電源装置401の共振動作が半導体装置101の出力信号の論理ローレベルおよび論理ハイレベルの切り替わりタイミングと安定的に同期しないためである。このため、電界効果トランジスタTr1,Tr2,Tr12のドライブ能力が足りないと、負荷の流す電流によって過剰な電流がこれらの電界効果トランジスタに流され、これらの電界効果トランジスタが破壊されてしまう恐れがある。具体的にはたとえば、負荷の流す電流によって、電界効果トランジスタTr1がオンしている最中にも関わらずノードaの電位が接地電位付近にまで低下したり、電界効果トランジスタTr12がオンしている最中にも関わらずノードaの電位が400V付近にまで上昇したりする場合がある。このような場合、電界効果トランジスタTr1あるいはTr2が、オン状態においてソース−ドレイン間に400Vあるいはそれに近い高電圧が印加される短絡状態に晒されることとなり、破壊されてしまう可能性がある。
Further, for a while after the
一方、電界効果トランジスタTr1のゲート幅を大きくするほど、ノードbの電位を上昇させるためのキャパシタC1も大きい容量のものが必要となる。キャパシタC1の容量を大きくすると、時刻t9〜時刻t10の期間においてノードbの電位を低下させる際の消費電力が大きくなる。 On the other hand, the larger the gate width of the field effect transistor Tr1, the larger the capacity of the capacitor C1 for raising the potential of the node b is required. Increasing the capacitance of the capacitor C1 increases the power consumption when the potential of the node b is lowered during the period from time t9 to time t10.
しかしながら、半導体装置101では、GaN電界効果トランジスタを用いることにより、トランジスタのゲート容量を抑えつつドライブ能力を上げることができるので、キャパシタC1を小さくすることができる。これにより、時刻t9〜時刻t10の期間において消費されるエネルギーを小さくすることができるため、結果的に回路の効率を高めることができる。
However, in the
また、半導体装置101では、電界効果トランジスタTr2よりも電界効果トランジスタTr1のゲート幅を小さく設定してもよい。このように、電界効果トランジスタTr1の容量を小さくすることにより、キャパシタC1および電界効果トランジスタTr5の容量を小さくすることができる。そして、抵抗R1および電界効果トランジスタTr3を介したノードbの電位引き下げ速度が上がり、相対的に抵抗R1を大きくすることができる。また、ノードaの電位変動がスムーズになるため、電界効果トランジスタTr3をオンする期間を短くできることから、抵抗R1の消費電力を低減することができる。
In the
電界効果トランジスタTr1,Tr2のゲート幅をより小さくすることにより、デバイスサイズも小さくなり、チップ面積も削減できることになるため、製造コストを下げることができる。このため、半導体装置101の正常動作および信頼性を損なわない範囲で、ゲート幅はなるべく小さく設定することが好ましい。正常動作および信頼性を確保するのに必要な電界効果トランジスタTr1のゲート幅は、電界効果トランジスタTr2に必要とされるゲート幅よりも小さくすることができる。すなわち電界効果トランジスタTr1のゲート幅を電界効果トランジスタTr2のゲート幅よりも小さく設定することは、チップ面積削減によるコスト削減の効果がある。なお、図13〜図19のシミュレーションでは、電界効果トランジスタTr1と電界効果トランジスタTr2のゲート幅の比率を2:3としている。
By reducing the gate widths of the field effect transistors Tr1 and Tr2, the device size can be reduced and the chip area can be reduced, so that the manufacturing cost can be reduced. Therefore, it is preferable to set the gate width as small as possible within a range that does not impair the normal operation and reliability of the
図20は、本発明の第1の実施の形態に係る電界効果トランジスタTr1の断面図である。 FIG. 20 is a cross-sectional view of the field effect transistor Tr1 according to the first embodiment of the present invention.
図20を参照して、電界効果トランジスタTr1は、たとえば窒化ガリウムHFET(Hetero Structure Field Effect Transistor)である。 Referring to FIG. 20, field effect transistor Tr1 is, for example, a gallium nitride HFET (Hetero Structure Field Effect Transistor).
電界効果トランジスタTr1は、シリコン基板91と、バッファ層92と、GaN層93と、AlGaN層94と、SiN層95と、ゲート電極ELGと、ソース電極ELSと、ドレイン電極ELDとを有する。なお、シリコン基板91は、他の材料を用いたエピタキシャル成長用基板であってもよい。すなわち、エピタキシャル成長によって基板上に半導体層が形成される基板であればよい。
The field effect transistor Tr1 includes a
バッファ層92は、たとえばAlGaN層であり、シリコン基板91の主表面上に形成されている。GaN層93は、バッファ層92上に形成されている。AlGaN層94は、GaN層93上に形成されている。
ソース電極ELSおよびドレイン電極ELDは、AlGaN層94上に形成され、AlGaN層94と電気的に接続されている。ソース電極ELSおよびAlGaN層94によって抵抗接合が形成されている。ドレイン電極ELDおよびAlGaN層94によって抵抗接合が形成されている。
The source electrode ELS and the drain electrode ELD are formed on the
ゲート電極ELGは、AlGaN層94上に形成され、AlGaN層94と電気的に接続されている。ゲート電極ELGおよびAlGaN層94によってショットキー接合が形成されている、すなわちゲート電極ELGおよびAlGaN層94に跨ってショットキーバリアダイオードが形成されている。
The gate electrode ELG is formed on the
なお、ショットキー接合に限らず、ゲート電極としてp型AlGaN層を用いることにより、ゲート電極とAlGaN層94との間にPN接合を形成したPN接合ゲート構造としてもよい。
In addition, not only a Schottky junction but it is good also as a PN junction gate structure which formed the PN junction between the gate electrode and the
SiN層95は、ゲート電極ELGの一部とAlGaN層94とに挟まれるようにAlGaN層94上に形成され、かつ電界効果トランジスタTr1における各層の延在方向においてソース電極ELSおよびドレイン電極ELDとゲート電極ELGとの間に設けられている。また、AlGaN層94とGaN層93とのヘテロ接合界面近傍に高濃度の2次元電子ガス(2DEG)96が形成される。
The
このように、電界効果トランジスタTr1は、非絶縁ゲートを有し、ゲート電極ELGおよびAlGaN層94に跨ってショットキーバリアダイオードが形成されているため、電界効果トランジスタTr1の各電極の電位関係によってはドレイン電極ELDからゲート電極ELGへゲートリーク電流IGLが流れる場合がある。このゲートリーク電流IGLは、たとえば10uA〜100uAオーダである。
Thus, the field effect transistor Tr1 has a non-insulated gate, and a Schottky barrier diode is formed across the gate electrode ELG and the
電界効果トランジスタTr2,Tr3,Tr4,Tr6の構成は電界効果トランジスタTr1と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since the configuration of field effect transistors Tr2, Tr3, Tr4, Tr6 is similar to that of field effect transistor Tr1, detailed description will not be repeated here.
電界効果トランジスタTr1および電界効果トランジスタTr2のゲート幅は同程度としてもよいが、電界効果トランジスタTr1のゲート幅を電界効果トランジスタTr2のゲート幅よりも小さく、たとえば、電界効果トランジスタTr2のゲート幅に対し電界効果トランジスタTr1のゲート幅を2/3程度にすることが好ましい。電界効果トランジスタTr3,Tr4,Tr6は、より小さいドライブ能力でも動作可能であることから、たとえば電界効果トランジスタTr1のゲート幅の1/30〜1/500などのゲート幅になるように適宜設計すればよい。後に説明する電界効果トランジスタTr5も同様である。 The gate widths of the field effect transistor Tr1 and the field effect transistor Tr2 may be substantially the same, but the gate width of the field effect transistor Tr1 is smaller than the gate width of the field effect transistor Tr2, for example, with respect to the gate width of the field effect transistor Tr2 It is preferable to set the gate width of the field effect transistor Tr1 to about 2/3. The field effect transistors Tr3, Tr4, and Tr6 can be operated with a smaller driving capability. For example, if the gate width is appropriately designed to be 1/30 to 1/500 of the gate width of the field effect transistor Tr1. Good. The same applies to the field effect transistor Tr5 described later.
図21は、通常のGaNトランジスタの構造を概略的に示す図である。図22は、両側高耐圧のGaNトランジスタの構造を概略的に示す図である。 FIG. 21 is a diagram schematically showing the structure of a normal GaN transistor. FIG. 22 is a diagram schematically showing the structure of a GaN transistor having a high breakdown voltage on both sides.
図21を参照して、通常のパワーデバイスは、図20に示す電界効果トランジスタTr1,Tr2,Tr3,Tr4,Tr6のように、ゲート電極ELGとドレイン電極ELDとを離して設けることにより、ゲートおよびドレイン間において高い耐圧を実現している一方、ドライブ能力を高めるためにゲート電極ELGとソース電極ELSとを近づけて設けているため、耐圧が低い。 Referring to FIG. 21, a normal power device has a gate and a drain electrode ELD separated from each other by providing a gate electrode ELG and a drain electrode ELD as in the field effect transistors Tr1, Tr2, Tr3, Tr4, Tr6 shown in FIG. While a high breakdown voltage is realized between the drains, the breakdown voltage is low because the gate electrode ELG and the source electrode ELS are provided close to each other in order to increase the drive capability.
図22を参照して、電界効果トランジスタTr5は、パワーデバイスのような高いドライブ能力は必要とせず、その代わり、ソースおよびゲート間においても高い耐圧が必要となる。これは、前述のように、ゲート電圧が0Vとなり、かつソース電圧が電源電圧VHとなるタイミングが存在するからである。このため、電界効果トランジスタTr5では、ソース電極ELSとゲート電極ELGとドレイン電極ELDとがたとえば等間隔で設けられている。なお、電界効果トランジスタTr5のその他の構造は、図20に示す構造と同様である。 Referring to FIG. 22, field effect transistor Tr5 does not require a high drive capability like a power device, but instead requires a high breakdown voltage between the source and gate. This is because, as described above, there is a timing when the gate voltage becomes 0V and the source voltage becomes the power supply voltage VH. For this reason, in the field effect transistor Tr5, the source electrode ELS, the gate electrode ELG, and the drain electrode ELD are provided at regular intervals, for example. The other structure of the field effect transistor Tr5 is the same as that shown in FIG.
また、電界効果トランジスタTr1,Tr2,Tr5以外のトランジスタは、図21に示す構造および図22に示す構造のどちらでもよいが、図21に示す構造の方が低抵抗であるため好ましい。 The transistors other than the field effect transistors Tr1, Tr2, and Tr5 may have either the structure shown in FIG. 21 or the structure shown in FIG. 22, but the structure shown in FIG. 21 is preferable because it has a lower resistance.
図23は、電界効果トランジスタTr5の変形例の構造を概略的に示す図である。
図23を参照して、電界効果トランジスタTr5は、図22に示す構造の代わりに、2つの通常のGaNトランジスタの低耐圧側同士を接続した構造を有してもよい。
FIG. 23 schematically shows a structure of a modification of field effect transistor Tr5.
Referring to FIG. 23, field effect transistor Tr5 may have a structure in which the low breakdown voltage sides of two normal GaN transistors are connected to each other instead of the structure shown in FIG.
図24は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。
図24を参照して、半導体装置101では、たとえば、MCM(マルチチップモジュール)等の高密度実装技術によって製造される。
FIG. 24 is a diagram showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 24,
より詳細には、基板B上に感光性ポリイミド樹脂層RSが形成され、感光性ポリイミド樹脂層RSにおいて金属配線LNが設けられている。 More specifically, the photosensitive polyimide resin layer RS is formed on the substrate B, and the metal wiring LN is provided in the photosensitive polyimide resin layer RS.
半導体チップ71および半導体チップ72は半田バンプSBPを有している。半導体チップ71および半導体チップ72は、半田バンプSBPが加熱されて基板Bに接着することにより、基板Bに実装されている。このように、高密度実装技術を採用することにより、配線長を短くすることができるため、インダクタ成分を大幅に低減することができる。
The
半導体チップ72における入力信号処理部65および半導体チップ71におけるハイサイド駆動部62は、金属配線LNを介して接続されている。
The input
特許文献1に記載の構成では、高耐圧MOSFETを他の回路とは別のプロセスによって製造して他の回路に外付けすることから、高耐圧MOSFETのゲート容量が大きい上にワイヤボンドのインダクタ成分が加わり、大きなノイズが発生してしまう。
In the configuration disclosed in
これに対して、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置では、ハイサイド駆動部62においてGaN電界効果トランジスタを用いている。GaN電界効果トランジスタのゲート容量は高耐圧MOSと比較して極めて小さいため、ハイサイド駆動部62と他の回路とを金属配線LNを介して接続した場合でも、ノイズを最低限度に抑制することができる。
On the other hand, in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a GaN field effect transistor is used in the high-
なお、半導体装置101の製造において高密度実装技術を用いず、たとえば半導体チップ71および半導体チップ72を異なる基板に設けてもよい。この場合、入力信号処理部65およびハイサイド駆動部62は、異なる基板間でワイヤボンド等を介して接続される。このように、入力信号処理部65とハイサイド駆動部62とをワイヤボンド等によって接続した場合でも、ハイサイド駆動部62においてGaN電界効果トランジスタを用いることにより、ノイズを最低限度に抑制することができる。
Note that, for example, the
特許文献1に記載の構成では、電界効果トランジスタTr1,Tr2に対応するものとしてパワーMOSFETが用いられており、電界効果トランジスタTr3〜Tr6に対応するものとして「LDMOS」と呼ばれる横型の高耐圧MOSトランジスタが用いられている。パワーMOSFETおよび高耐圧MOSFETを一体形成することは困難であるため、特許文献1に記載の構成ではプロセスコストが増大してしまう。
In the configuration described in
これに対し、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置では、ハイサイド駆動部62、電界効果トランジスタTr1および電界効果トランジスタTr2は半導体チップ71に含まれている。すなわち、ハイサイド駆動部62においてノーマリーオン型のGaN電界効果トランジスタを用いることにより、パワー半導体素子として用いられる電界効果トランジスタTr1およびTr2と高耐圧トランジスタとして用いられる電界効果トランジスタTr3〜Tr6とを同一基板上に形成することができる。したがって、パワー半導体素子を駆動するためのドライバを低コストで得ることができる。
On the other hand, in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the high-
また、半導体装置101では、その入力電圧範囲をたとえば0V〜20Vとしながら、出力電圧範囲をたとえば0V〜400Vとすることができる。これにより、ハイサイドドライバを制御するためのロジック回路は、一般的なMOSプロセスで製造可能となるため、製造コストを低減することができる。本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置では、入力信号処理部65およびローサイド駆動部64は半導体チップ72に含まれている。すなわち、電界効果トランジスタTr1およびTr2ならびにハイサイド駆動部62以外の回路である制御ロジックがCMOSプロセスのみを用いて一体形成されている。これにより、製造コストをさらに低減することができる。
In the
また特に好ましくは、電界効果トランジスタTr12も半導体チップ72上に形成することにより、部品点数をさらに減らして低コスト化できる。さらに、ローサイド駆動部64と電界効果トランジスタTr12との間の配線長を短くできるので、インダクタ成分等に起因するノイズを低減することができ、信頼性を高めることができる。
Particularly preferably, the field effect transistor Tr12 is also formed on the
半導体装置101では、高駆動GaN電界効果トランジスタおよび高耐圧GaN電界効果トランジスタが同一基板上に形成されている。このような構成により、パワー半導体素子とこのパワー半導体素子を駆動するためのドライバとを同一基板上に一体的に形成することができるため、ノイズを低減し、信頼性を高めることができる。
In the
また、GaN電界効果トランジスタは高速動作すなわち高速にスイッチングさせることが可能であるが、高速スイッチングに伴ってノイズが増加する。しかしながら、半導体装置101では、パワー半導体素子とこのパワー半導体素子を駆動するためのドライバとを同一基板上に一体的に形成することができるため、配線容量を低減し、高速スイッチングに伴うノイズ増加を抑制することができる。
The GaN field effect transistor can be switched at high speed, that is, at high speed, but noise increases with high speed switching. However, in the
すなわち、電界効果トランジスタTr1およびTr2とハイサイド駆動部62とを一体形成することにより、電界効果トランジスタTr1およびTr2とハイサイド駆動部62とをそれぞれ接続する配線の長さを短くすることができるため、配線のインダクタ成分等に起因するノイズを低減することができる。したがって、信頼性の高いドライバを得ることができる。
That is, by integrally forming the field effect transistors Tr1 and Tr2 and the high-
なお、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置では、ハイサイド駆動部62は電界効果トランジスタTr6を含む構成であるとしたが、これに限定するものではない。半導体装置101の電源立ち上げ開始時に出力ノードNOUTの電位を論理ローレベルから開始する場合、電界効果トランジスタTr1をオフするためにノードdを電界効果トランジスタTr1の閾値電圧以下である負電圧とする必要があるが、電界効果トランジスタTr6を用いる代わりにたとえば、制御信号S3を−10Vに設定して電界効果トランジスタTr4をオンすることにより、固定電圧VN1によってノードb,c,dの電位を負電圧に下げることも可能である。半導体装置101がいったん論理ハイレベルを出力した後は、論理ローレベルに移行する際に、ノードdの電位はノードaよりも低い状態(電界効果トランジスタTr1がオフ状態)で論理ハイレベルから論理ローレベルに移行し、最終的に制御信号S5によってノードb,c,dが−5Vに制御される。このため、電界効果トランジスタTr6を削除して制御信号S4および固定電圧VN2を不要とし、回路および制御の簡易化を図る構成であってもよい。ただし、ハイサイド駆動部62が電界効果トランジスタTr6を含む構成は、ノードdの電位を直接制御する手段が得られるため、制御性が高まり、ノイズ等にも強くなることから、好ましい構成である。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the high-
また、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置では、電圧VN1を−10Vの固定電圧とし、電圧VN2を−5Vの固定電圧としたが、実際にはこれらの電圧を常時与える必要はない。少なくとも、電界効果トランジスタTr4、Tr6がオンしている間にこれらの電圧がそれぞれ印加されていればよく、それ以外の時間帯は電圧VN1,VN2を接地電位とするか、あるいは電圧VN1,VN2に対応するノードをフローティング状態として構わない。また特に、−10Vの電圧VN1は、図3のタイミングチャートにおいて、少なくとも、ローレベル出力からハイレベル出力に切り替わる際(図3では時刻t2〜時刻t6の間)のみ印加されていればよく、それ以外の時間帯は、時刻t8〜時刻t11を含めて、電圧VN1を接地電位とすることもできる。この場合、時刻t8〜時刻t11の間に与えるべき制御信号S3の電圧レベルは、電界効果トランジスタTr4をオンさせるため、たとえば0Vに設定するとよい。図13〜図19で示したシミュレーションにおいても、この電圧印加方法を採用している。 In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the voltage VN1 is set to a fixed voltage of −10V and the voltage VN2 is set to a fixed voltage of −5V. In practice, it is necessary to always supply these voltages. Absent. It is sufficient that these voltages are applied at least while the field effect transistors Tr4 and Tr6 are turned on. In other time periods, the voltages VN1 and VN2 are set to the ground potential, or the voltages VN1 and VN2 are applied. The corresponding node may be in a floating state. In particular, the voltage VN1 of −10V only needs to be applied at least when switching from the low level output to the high level output (between time t2 and time t6 in FIG. 3) in the timing chart of FIG. In other time zones, the voltage VN1 can be set to the ground potential including the time t8 to the time t11. In this case, the voltage level of the control signal S3 to be given between time t8 and time t11 is preferably set to 0 V, for example, in order to turn on the field effect transistor Tr4. This voltage application method is also adopted in the simulations shown in FIGS.
また、このように制御信号S3として1周期あたり2回のパルスを与える代わりに、電界効果トランジスタTr4、及び制御信号S3のノードを2つ並列して設置し、一方を時刻t2〜時刻t6、他方を時刻t8〜時刻t11にオンさせることにより同様の制御を行なうこともできる。 In addition, instead of giving two pulses per cycle as the control signal S3 in this way, two nodes of the field effect transistor Tr4 and the control signal S3 are installed in parallel, one of the time t2 to the time t6, the other The same control can be performed by turning on at time t8 to time t11.
また、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置では、ダイオードD17のアノードを接地ノードに接続していたが、たとえば電界効果トランジスタTr12が内蔵ダイオードを有する場合には、電界効果トランジスタTr12と電界効果トランジスタTr2との間のノードに接続することもできる。 In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the anode of the diode D17 is connected to the ground node. For example, when the field effect transistor Tr12 has a built-in diode, the field effect transistor Tr12 It can also be connected to a node between the field effect transistor Tr2.
なお、上記実施形態においては、ハイサイド駆動部からの駆動信号を受けて出力ノードNOUTへの出力を制御する第1のスイッチング機能部として、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタTr1を用い、また、ローサイド駆動部からの駆動信号を受けて出力ノードNOUTへの出力を制御する第2のスイッチング機能部として、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタTr2とノーマリーオフ型の電界効果トランジスタTr12とをカスコード接続した構成を用いている。ここで、第2のスイッチング機能部として、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタTr2のみを用いることも可能である。この場合、電界効果トランジスタTr2のドレインを出力ノードNOUTに接続し、ソースを接地電位ノードに接続し、ゲートをローサイド駆動部からの制御信号S1の信号線に接続するとともに、制御信号S1の電圧レベルを電界効果トランジスタTr2のしきい値に合わせて適宜下げればよい。たとえば図3において、10Vおよび0Vに設定される制御信号S1を、それぞれ0Vおよび−10Vなどに設定することにより、上記実施形態と同様に半導体装置を動作させることができる。この場合、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタTr12を省略できるので部品点数を削減できる。しかしながら、第1のスイッチング機能部および第2のスイッチング機能部がともにノーマリーオン型のスイッチとなるため、万が一、トラブルにより駆動信号が停止した場合、第1のスイッチング機能部および第2のスイッチング機能部がともにオン状態となり、電源電圧VHの供給ノードから接地ノードへの貫通電流パスが生じて、大電流による大きな発熱を起こし、種々の不具合の原因になりうる。これに対し上記実施形態では、カスコード接続により第2のスイッチング機能部をノーマリーオフ型のスイッチとしているため、駆動信号が停止した場合にも貫通電流パスが生じることを防止できる。このため、フェイルセーフの観点からは、ノーマリーオフ型の電界効果トランジスタTr12を用いてカスコード接続を採用した上記実施形態の方が、より好ましい。 In the above embodiment, a normally-on field effect transistor Tr1 is used as the first switching function unit that receives the drive signal from the high-side drive unit and controls the output to the output node NOUT. As a second switching function unit that receives a drive signal from the low-side drive unit and controls output to the output node NOUT, a normally-on type field effect transistor Tr2 and a normally-off type field effect transistor Tr12 are cascode-connected. This configuration is used. Here, it is also possible to use only the normally-on field effect transistor Tr2 as the second switching function unit. In this case, the drain of the field effect transistor Tr2 is connected to the output node NOUT, the source is connected to the ground potential node, the gate is connected to the signal line of the control signal S1 from the low side driver, and the voltage level of the control signal S1 May be appropriately reduced in accordance with the threshold value of the field effect transistor Tr2. For example, in FIG. 3, by setting the control signal S1 set to 10V and 0V to 0V and −10V, respectively, the semiconductor device can be operated as in the above embodiment. In this case, since the normally-on field effect transistor Tr12 can be omitted, the number of parts can be reduced. However, since both the first switching function unit and the second switching function unit are normally-on type switches, the first switching function unit and the second switching function should be stopped if the drive signal stops due to a trouble. Both parts are turned on, and a through current path from the supply node of the power supply voltage VH to the ground node is generated, which generates a large amount of heat due to a large current and may cause various problems. On the other hand, in the above embodiment, since the second switching function unit is a normally-off type switch by cascode connection, it is possible to prevent a through current path from occurring even when the drive signal is stopped. For this reason, from the viewpoint of fail-safe, the above-described embodiment in which the cascode connection is adopted using the normally-off field effect transistor Tr12 is more preferable.
図25は、本発明の第1の実施の形態に係る電子機器の構成を示す図である。
図25を参照して、電子機器301は、たとえば冷蔵庫であり、冷媒を圧縮するためのコンプレッサ部201と、冷蔵室202と、冷凍室203と、野菜室204とを備える。
FIG. 25 is a diagram showing the configuration of the electronic apparatus according to the first embodiment of the invention.
Referring to FIG. 25,
図26は、本発明の第1の実施の形態に係る電子機器におけるコンプレッサ部の構成を示す図である。 FIG. 26 is a diagram showing a configuration of a compressor unit in the electronic device according to the first embodiment of the present invention.
図26を参照して、コンプレッサ部201は、交流電圧供給部165と、モータ160と、コンプレッサ170とを含む。交流電圧供給部165は、コイル120と、ダイオード部130と、コンデンサ140と、インバータ部150と、ベースドライバ180と、電圧検出器190と、マイクロプロセッサ200とを含む。インバータ部150は、パワー半導体素子151〜156と、パワー半導体素子151〜156とそれぞれ並列に接続された複数のダイオードとを含む。ベースドライバ180およびパワー半導体素子151〜156は、半導体装置101に相当する。
Referring to FIG. 26,
ダイオード部130は、交流電源110からコイル120を介して受けた交流電圧を全波整流する。コンデンサ140は、ダイオード部130によって整流された交流電圧を平滑化する。インバータ部150におけるパワー半導体素子151〜156は、ベースドライバ180から受けた駆動信号に基づいてスイッチングすることにより、コンデンサ140によって平滑化された直流電圧を交流電圧に変換してモータ160のU相、V相、W相のコイルに供給する。モータ160は、インバータ部150から供給された交流電圧に基づいて回転し、コンプレッサ170を駆動する。電圧検出器190は、インバータ部150からモータ160に供給される交流電圧を検出する。マイクロプロセッサ200は、電圧検出器190による交流電圧の検出結果に基づいて、制御信号をベースドライバ180へ出力する。ベースドライバ180は、マイクロプロセッサ200から受けた制御信号に基づいて駆動信号を生成する。
通常、冷蔵庫では、600V程度の耐圧を有し、かつ出力電流が5A程度のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられる。電子機器301では、パワー半導体素子151〜156として従来用いられているIGBTの代わりに電界効果トランジスタTr1,Tr2,Tr12を用いている。
Usually, in a refrigerator, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a withstand voltage of about 600 V and an output current of about 5 A is used. In the
なお、本発明の第1の実施の形態に係る電子機器は冷蔵庫であるとしたが、これに限定するものではない。負荷と、この負荷に交流電圧を供給するための交流電圧供給部とを備え、この交流電圧供給部が半導体装置101を含む電子機器であればよい。
Although the electronic device according to the first embodiment of the present invention is a refrigerator, the present invention is not limited to this. A load and an AC voltage supply unit for supplying an AC voltage to the load may be provided, and the AC voltage supply unit may be an electronic device including the
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第2の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る半導体装置と比べてノーマリーオフ型の電界効果トランジスタを使用した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
<Second Embodiment>
The present embodiment relates to a semiconductor device using a normally-off type field effect transistor as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.
図27は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
図27を参照して、半導体装置102は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置と比べて、ハイサイド駆動部62の代わりにハイサイド駆動部63を備え、電界効果トランジスタTr1,Tr2,Tr12の代わりに電界効果トランジスタTr21,Tr22を備える。
FIG. 27 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 27, the
電界効果トランジスタTr21,Tr22はノーマリーオフ型であり、たとえばGaN電界効果トランジスタである。 The field effect transistors Tr21 and Tr22 are normally off type, for example, GaN field effect transistors.
ハイサイド駆動部63、電界効果トランジスタTr21および電界効果トランジスタTr22はGaNプロセスによって製造された半導体チップ71に含まれている。
The
入力信号処理部65およびローサイド駆動部64はCMOSプロセスによって製造された半導体チップ72に含まれている。
The input
電界効果トランジスタTr21およびTr22の接続ノードである出力ノードNOUTには図示しない負荷が結合される。出力ノードNOUTにおける電圧が負荷への出力電圧となる。 A load (not shown) is coupled to an output node NOUT which is a connection node between the field effect transistors Tr21 and Tr22. The voltage at the output node NOUT becomes the output voltage to the load.
入力信号処理部65は、接地電圧を基準電圧として動作し、電源電圧VHより低くかつ接地電圧より高い電源電圧VCCを動作電源電圧として動作する。ハイサイド駆動部63は、出力ノードNOUTに結合され、出力ノードNOUTの電圧すなわち出力電圧VAを基準電圧として動作し、(出力電圧VA+電源電圧VCC)を動作電源電圧として動作する。ローサイド駆動部64は、接地電圧を基準電圧として動作し、電源電圧VCCを動作電源電圧として動作する。
The input
図28は、本発明の第2の実施の形態に係るハイサイド駆動部、および半導体装置の出力段の構成を示す図である。 FIG. 28 is a diagram showing a configuration of a high-side drive unit and an output stage of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
図28を参照して、ハイサイド駆動部63は、電界効果トランジスタTr13〜Tr16と、抵抗R11と、キャパシタC11,C14と、ダイオードD11,D12とを含む。
Referring to FIG. 28, high
電界効果トランジスタTr13〜Tr16はノーマリーオフ型であり、たとえばGaN電界効果トランジスタである。また、電界効果トランジスタTr14,Tr16,Tr21,Tr22は、たとえば、ゲート−ソース間の耐圧が30V(ボルト)以下であり、ゲート−ドレイン間の耐圧が600V以上であり、電流駆動能力の高い高駆動GaN電界効果トランジスタである。また、電界効果トランジスタTr13,Tr15は、たとえば、ゲート−ソース間の耐圧およびゲート−ドレイン間の耐圧がいずれも600V以上である高耐圧GaN電界効果トランジスタである。 Field effect transistors Tr13 to Tr16 are normally off type, for example, GaN field effect transistors. The field effect transistors Tr14, Tr16, Tr21, Tr22 have a gate-source breakdown voltage of 30 V (volts) or less, a gate-drain breakdown voltage of 600 V or more, and a high drive with high current driving capability. GaN field effect transistor. The field effect transistors Tr13 and Tr15 are, for example, high breakdown voltage GaN field effect transistors having a gate-source breakdown voltage and a gate-drain breakdown voltage of 600 V or more.
ダイオードD11は、入力信号処理部65からの制御信号S11を受けるアノードと、カソードとを有する。抵抗11は、ダイオードD11のカソードに結合された第1端と、第2端とを有する。電界効果トランジスタTr14は、抵抗11の第2端に結合されたドレインと、接地ノードに結合されたソースと、入力信号処理部65からの制御信号S12を受けるゲートとを有する。電界効果トランジスタTr13は、ダイオードD11のカソードに結合されたドレインと、電界効果トランジスタTr21のゲートに結合されたソースと、抵抗11の第2端および電界効果トランジスタTr14のドレインに結合されたゲートとを有する。電界効果トランジスタTr15は、電界効果トランジスタTr21のゲートに結合されたドレインと、出力ノードNOUTに結合されたソースと、ゲートとを有する。キャパシタC11は、ダイオードD11のカソードに結合された第1端と、出力ノードNOUTに結合された第2端とを有する。キャパシタC14は、入力信号処理部65からの制御信号S13を受ける第1端と、電界効果トランジスタTr15のゲートに結合された第2端とを有する。ダイオードD12は、たとえばツェナーダイオードであり、電界効果トランジスタTr15のゲートに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr15のソースに結合されたアノードとを有する。電界効果トランジスタTr16は、電界効果トランジスタTr15のゲートに結合されたドレインと、接地ノードに結合されたソースと、入力信号処理部65からの制御信号S14を受けるゲートとを有する。
The diode D11 has an anode that receives the control signal S11 from the input
電界効果トランジスタTr21は、たとえば400Vである電源電圧VHが供給されるノードに結合されたドレインと、キャパシタC1の第2端および出力ノードNOUTに結合されたソースと、電界効果トランジスタTr13のソースおよび電界効果トランジスタTr15のドレインに結合されたゲートとを有する。ダイオードD16は、電界効果トランジスタTr21のドレインに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr21のソースに結合されたアノードとを有する。電界効果トランジスタTr22は、出力ノードNOUTに結合されたドレインと、接地ノードに結合されたソースと、入力信号処理部65からの制御信号S15を受けるゲートとを有する。ダイオードD17は、電界効果トランジスタTr22のドレインに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr22のソースに結合されたアノードとを有する。
Field effect transistor Tr21 has a drain coupled to a node to which power supply voltage VH of 400 V, for example, is supplied, a source coupled to the second end of capacitor C1 and output node NOUT, a source of electric field effect transistor Tr13, and an electric field And a gate coupled to the drain of effect transistor Tr15. Diode D16 has a cathode coupled to the drain of field effect transistor Tr21 and an anode coupled to the source of field effect transistor Tr21. Field effect transistor Tr22 has a drain coupled to output node NOUT, a source coupled to the ground node, and a gate for receiving control signal S15 from input
なお上記において、ダイオードD12としてツェナーダイオードを用いているのは、電界効果トランジスタTr15として絶縁ゲート型電界効果トランジスタを用いた場合、ソースおよびドレインに対してゲート電極の電位が高い正の電位となるとゲート絶縁膜が絶縁破壊する恐れがあるためである。すなわち電界効果トランジスタTr15において、ソースおよびドレインの電位に対してゲート電極の電位が所定電圧以上高くならないようにするための機能を持たせることを目的としている。ハイサイド駆動部63がこの機能を備えていれば他の構成をとることも可能である。たとえば、ダイオードD12として通常のダイオードを用いるとともに、複数のダイオードを直列接続した回路(以下、直列ダイオード回路とも称する。)を、ダイオードD12に対し逆方向に並列に接続(すなわち直列ダイオード回路のアノード側をダイオードD12のカソードと接続し、直列ダイオード回路のカソード側をダイオードD12のアノード側と接続)してもよい。電界効果トランジスタTr15のゲート電位が、ソースおよびドレインの電位に対して高くなり、直列ダイオード回路のしきい値に達すると、直列ダイオード回路がオンし、所定電圧以上の電位差となることを防ぐことができる。ただし、本実施形態のようにダイオードD12としてツェナーダイオードを用いれば、このような直列ダイオード回路は不要となり、部品点数を減らすことができる。
In the above description, a Zener diode is used as the diode D12 because, when an insulated gate field effect transistor is used as the field effect transistor Tr15, the gate electrode has a positive potential higher than the source and drain. This is because the insulating film may break down. That is, an object of the field effect transistor Tr15 is to provide a function for preventing the potential of the gate electrode from becoming higher than a predetermined voltage with respect to the potential of the source and drain. As long as the high-
また、電界効果トランジスタTr15として、絶縁ゲート型ではなく、ショットキーゲート構造あるいはPN接合ゲート構造の電界効果トランジスタを用いる場合には、ゲート電位がソースおよびドレイン電位に対し、所定電圧以上に高くなると、ゲートからソースおよびドレインへ電流が流れ、過剰な電位差が生じることが防止される。すなわち、電界効果トランジスタTr15自体が、ソースおよびドレインの電位に対してゲート電極の電位が所定電圧以上高くならないようにするための機能を有していることになる。この場合、ダイオードD12は通常のダイオードを用いることができる。 Further, when a field effect transistor having a Schottky gate structure or a PN junction gate structure is used as the field effect transistor Tr15 instead of an insulated gate type, if the gate potential becomes higher than a predetermined voltage with respect to the source and drain potentials, Current flows from the gate to the source and drain, preventing an excessive potential difference. That is, the field effect transistor Tr15 itself has a function of preventing the potential of the gate electrode from becoming higher than a predetermined voltage with respect to the potential of the source and drain. In this case, a normal diode can be used as the diode D12.
図29は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。 FIG. 29 is a timing chart showing the operation of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
図30および図31は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際の回路の状態を時系列的に示す図である。図32および図33は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の出力信号が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際の回路の状態を時系列的に示す図である。図30〜図33において、矢印の向きおよび太さはそれぞれ電流の向きおよび大きさを示している。また、図30〜図33は、半導体装置が立ち上げられた直後の初期状態を示している。 FIG. 30 and FIG. 31 are diagrams showing the state of the circuit in time series when the output signal of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention transits from the logic low level to the logic high level. FIG. 32 and FIG. 33 are diagrams chronologically showing the state of the circuit when the output signal of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention transits from a logic high level to a logic low level. 30 to 33, the direction and thickness of the arrow indicate the direction and magnitude of the current, respectively. 30 to 33 show the initial state immediately after the semiconductor device is started up.
まず、初期状態において、半導体装置102の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する動作について説明する。
First, an operation in which the output signal of the
図29および図30を参照して、時刻t1において、制御信号S11は0Vに設定され、制御信号S12は20Vに設定され、制御信号S13は0Vに設定され、制御信号S14は20Vに設定され、制御信号S15は20Vに設定される。このとき、制御信号S12によって電界効果トランジスタTr14はオンし、制御信号S14によって電界効果トランジスタTr16はオンし、制御信号S15によって電界効果トランジスタTr22はオンする。そうすると、出力ノードNOUTから負荷へ論理ローレベルの信号が出力される。出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr22を介して接地ノードへ電流が流れる。 29 and 30, at time t1, control signal S11 is set to 0V, control signal S12 is set to 20V, control signal S13 is set to 0V, control signal S14 is set to 20V, The control signal S15 is set to 20V. At this time, the field effect transistor Tr14 is turned on by the control signal S12, the field effect transistor Tr16 is turned on by the control signal S14, and the field effect transistor Tr22 is turned on by the control signal S15. Then, a logic low level signal is output from the output node NOUT to the load. Current flows from the output node NOUT side, that is, from the load to the ground node via the field effect transistor Tr22.
次に、時刻t2〜時刻t3において、制御信号S11は20Vに設定される。これにより、ノードbから抵抗R11、ノードcおよび電界効果トランジスタTr14を介して接地ノードへ電流が流れる。このとき、ノードbの電位Vbは20Vであり、ノードcの電位Vcは0Vであり、ノードdの電位Vdは0Vであり、ノードeの電位Veは0Vである。 Next, at time t2 to time t3, the control signal S11 is set to 20V. Thereby, a current flows from the node b to the ground node through the resistor R11, the node c, and the field effect transistor Tr14. At this time, the potential Vb of the node b is 20V, the potential Vc of the node c is 0V, the potential Vd of the node d is 0V, and the potential Ve of the node e is 0V.
図29および図31を参照して、次に、時刻t3〜時刻t4において、制御信号S14は0Vに設定され、制御信号S15は0Vに設定される。このとき、制御信号S14によって電界効果トランジスタTr16はオフし、制御信号S15によって電界効果トランジスタTr22はオフする。 29 and 31, next, at time t3 to time t4, control signal S14 is set to 0V, and control signal S15 is set to 0V. At this time, the field effect transistor Tr16 is turned off by the control signal S14, and the field effect transistor Tr22 is turned off by the control signal S15.
次に、時刻t4〜時刻t5において、制御信号S12は0Vに設定される。このとき、制御信号S12によって電界効果トランジスタTr14はオフする。そうすると、ノードbからノードcへ電流が流れてノードcの電位Vcが上昇し、電界効果トランジスタTr13がオンする。また、ノードbに充電されていた20V相当の電荷がノードdへ流れ込み、ノードdの電位Vdが上昇する。ノードdの電位Vdが上昇することにより、電界効果トランジスタTr21がオンする。これにより、電源電圧VHが供給されるノードからノードaに電流が流れ、ノードaの電位Vaが上昇する。 Next, from time t4 to time t5, the control signal S12 is set to 0V. At this time, the field effect transistor Tr14 is turned off by the control signal S12. Then, a current flows from the node b to the node c, the potential Vc of the node c rises, and the field effect transistor Tr13 is turned on. Further, the electric charge corresponding to 20 V charged in the node b flows into the node d, and the potential Vd of the node d rises. As the potential Vd of the node d rises, the field effect transistor Tr21 is turned on. As a result, a current flows from the node supplied with the power supply voltage VH to the node a, and the potential Va of the node a rises.
ノードaの電位Vaが上昇すると、ノードaからキャパシタC1を介してノードbへの電位突き上げが発生し、ノードbの電位Vbが上昇する。すなわち、ノードbの電位VbはVaよりも高い電位を維持して上昇する。そして、ノードcは抵抗R1を介してノードbと接続されているため、ノードVcの電位VcはおおよそVc≒Vbを維持して上昇する。Vc≒Vbであるので、電界効果トランジスタTr13がオンし続け、ノードdとノードbとが電界効果トランジスタTr13を介して導通している。このため、ノードdの電位Vdも電位Vb,Vcの上昇に追随して上昇する。結局、電位Vb,Vc,Vdは電位Vaよりも高い電位を維持しながら電位Vaとともに上昇することで、電界効果トランジスタTr21がオンし続け、電源電圧VHが供給されるノードとノードaとが導通し、電源電圧VHがノードaへ供給される。すなわち、出力ノードNOUTから負荷へ論理ハイレベルの信号が出力される。また、ノードeの電位Veはノードaの電位Vaとほぼ等しくなる。そして、時刻t6〜時刻t7において、制御信号S11は0Vに設定される。 When the potential Va at the node a rises, a potential rise from the node a to the node b via the capacitor C1 occurs, and the potential Vb at the node b rises. That is, the potential Vb of the node b rises while maintaining a potential higher than Va. Since the node c is connected to the node b via the resistor R1, the potential Vc of the node Vc rises while maintaining approximately Vc≈Vb. Since Vc≈Vb, the field effect transistor Tr13 continues to be turned on, and the node d and the node b are conducted through the field effect transistor Tr13. For this reason, the potential Vd of the node d also rises following the rise of the potentials Vb and Vc. Eventually, the potentials Vb, Vc, and Vd rise together with the potential Va while maintaining a potential higher than the potential Va, so that the field effect transistor Tr21 continues to be turned on, and the node to which the power supply voltage VH is supplied is electrically connected to the node a. Then, the power supply voltage VH is supplied to the node a. That is, a logic high level signal is output from the output node NOUT to the load. Further, the potential Ve of the node e is substantially equal to the potential Va of the node a. Then, from time t6 to time t7, the control signal S11 is set to 0V.
次に、初期状態において、半導体装置102の出力信号が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する動作について説明する。
Next, an operation in which the output signal of the
図29および図32を参照して、時刻t5〜時刻t8において、電界効果トランジスタTr21がオンしているので、ノードaの電位Vaおよびノードeの電位Veはたとえば400Vであり、ノードbの電位Vbおよびノードdの電位Vdはノードaおよびノードeより高い電位、たとえば約10V高い約410Vである。 29 and 32, at time t5 to time t8, since field effect transistor Tr21 is on, potential Va at node a and potential Ve at node e are, for example, 400V, and potential Vb at node b. The potential Vd of the node d is higher than that of the node a and the node e, for example, about 410V, which is higher by about 10V.
次に、時刻t8〜時刻t9において、制御信号S12が20Vに設定される。これにより、電界効果トランジスタTr14がオンし、ノードbから電界効果トランジスタTr14を介して接地ノードへ電流が流れ、ノードcの電位Vcが0Vになる。そうすると、電界効果トランジスタTr13がオフする。 Next, from time t8 to time t9, the control signal S12 is set to 20V. Thereby, the field effect transistor Tr14 is turned on, a current flows from the node b to the ground node via the field effect transistor Tr14, and the potential Vc of the node c becomes 0V. Then, the field effect transistor Tr13 is turned off.
次に、時刻t9〜時刻t10において、制御信号S13が20Vに設定される。これにより、キャパシタC14を介してノードeの電位が突き上げられ、ノードeの電位Veが電位Va=400Vを超える値、たとえば約410Vとなる。これにより、電界効果トランジスタTr15がオンするため、ノードdとノードaとが導通し、ノードdとノードaとがほぼ同電位となる。これにより、電界効果トランジスタTr21がオフする。 Next, from time t9 to time t10, the control signal S13 is set to 20V. As a result, the potential of the node e is pushed up via the capacitor C14, and the potential Ve of the node e becomes a value exceeding the potential Va = 400V, for example, about 410V. Thereby, since the field effect transistor Tr15 is turned on, the node d and the node a are brought into conduction, and the node d and the node a have substantially the same potential. Thereby, the field effect transistor Tr21 is turned off.
図29および図33を参照して、時刻t10〜時刻t11において、制御信号S15が20Vに設定される。これにより、電界効果トランジスタTr22がオンする。そうすると、ノードaの電位Vaが0Vとなり、出力ノードNOUTから負荷へ論理ローレベルの信号が出力される。出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr22を介して接地ノードへ電流が流れる。この際、オン状態にある電界効果トランジスタTr15を介してノードdとノードaが電気的に接続されているため、ノードaの電位低下に伴いノードdの電位も低下し、電界効果トランジスタTr21のオフ状態が保たれる。また、ノードaの電位Vaが低下し、ノードeの電位Veとの差がツェナーダイオードD12のツェナー降伏電圧に達すると、ノードeからノードaへ電流が流れ、電位Vaの低下に伴い電位Veも低下していく。これにより、ノードeとノードaの電位差を適当な電位差に抑えることができるため、電界効果トランジスタTr15のゲート絶縁膜の破壊を防ぐことができる。 Referring to FIGS. 29 and 33, control signal S15 is set to 20V from time t10 to time t11. Thereby, the field effect transistor Tr22 is turned on. Then, the potential Va of the node a becomes 0 V, and a logic low level signal is output from the output node NOUT to the load. Current flows from the output node NOUT side, that is, from the load to the ground node via the field effect transistor Tr22. At this time, since the node d and the node a are electrically connected via the field effect transistor Tr15 in the on state, the potential of the node d also decreases as the potential of the node a decreases, and the field effect transistor Tr21 is turned off. State is maintained. Further, when the potential Va of the node a decreases and the difference from the potential Ve of the node e reaches the Zener breakdown voltage of the Zener diode D12, a current flows from the node e to the node a, and the potential Ve also decreases as the potential Va decreases. It goes down. Thereby, since the potential difference between the node e and the node a can be suppressed to an appropriate potential difference, the gate insulating film of the field effect transistor Tr15 can be prevented from being broken.
次に、時刻t12〜時刻t13において、制御信号S13が0Vに設定され、制御信号S14が20Vに設定される。これにより、電界効果トランジスタTr15がオフし、電界効果トランジスタTr16がオンする。そうすると、ノードeの電位Veが0Vになる。ノードc,d,eの電位Vc,Vd,Veはいずれも0Vになる。 Next, from time t12 to time t13, the control signal S13 is set to 0V, and the control signal S14 is set to 20V. Thereby, the field effect transistor Tr15 is turned off and the field effect transistor Tr16 is turned on. Then, the potential Ve of the node e becomes 0V. The potentials Vc, Vd, Ve of the nodes c, d, e are all 0V.
図34〜図37は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際の回路の状態を時系列的に示す図である。図38〜図41は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の出力信号が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際の回路の状態を時系列的に示す図である。図34〜図41において、矢印の向きおよび太さはそれぞれ電流の向きおよび大きさを示している。また、図34〜図41は、半導体装置が立ち上げられて動作が安定した後の定常状態を示している。 34 to 37 are diagrams showing the circuit states in time series when the output signal of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention transits from the logic low level to the logic high level. 38 to 41 are diagrams showing, in time series, circuit states when the output signal of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention transits from a logic high level to a logic low level. 34 to 41, the direction and thickness of the arrow indicate the direction and magnitude of the current, respectively. 34 to 41 show a steady state after the semiconductor device is started and the operation is stabilized.
まず、定常状態において、半導体装置102の出力信号が論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する動作について説明する。
First, an operation in which the output signal of the
図29および図34を参照して、時刻t13〜時刻t14において、制御信号S11は0Vに設定され、制御信号S12は20Vに設定され、制御信号S13は0Vに設定され、制御信号S14は20Vに設定され、制御信号S15は20Vに設定されている。このとき、制御信号S12によって電界効果トランジスタTr14はオンし、制御信号S14によって電界効果トランジスタTr16はオンし、制御信号S15によって電界効果トランジスタTr22はオンしている。このとき、出力ノードNOUTから負荷へ論理ローレベルの信号が出力される。出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr22を介して接地ノードへ電流が流れる。また、ノードa,b,c,d,eの電位はいずれも0Vである。ただし厳密には、前回の論理ハイレベル出力時に充電した際の電荷が残っており、ノードbの電位が数V程度残っている場合があるが、この場合も回路動作上、問題はない。この場合は、ノードbから抵抗R11、ノードcおよび電界効果トランジスタTr14を介して接地ノードへ若干の電流が流れる。 29 and 34, from time t13 to time t14, control signal S11 is set to 0V, control signal S12 is set to 20V, control signal S13 is set to 0V, and control signal S14 is set to 20V. The control signal S15 is set to 20V. At this time, the field effect transistor Tr14 is turned on by the control signal S12, the field effect transistor Tr16 is turned on by the control signal S14, and the field effect transistor Tr22 is turned on by the control signal S15. At this time, a logic low level signal is output from the output node NOUT to the load. Current flows from the output node NOUT side, that is, from the load to the ground node via the field effect transistor Tr22. The potentials of the nodes a, b, c, d, and e are all 0V. Strictly speaking, however, there is a case where the charge at the time of the previous logic high level output remains, and the potential of the node b may remain about several volts. However, in this case, there is no problem in circuit operation. In this case, a slight current flows from the node b to the ground node via the resistor R11, the node c, and the field effect transistor Tr14.
図29および図35を参照して、次に、時刻t14〜時刻t15において、制御信号S11は20Vに設定される。これにより、ノードbの電位Vbは約20Vとなる。また、電界効果トランジスタTr14がオン状態であるため、ノードbから抵抗R11、ノードcおよび電界効果トランジスタTr14を介して接地ノードへ若干の電流が流れる。たとえば抵抗R11として10kΩの抵抗を用いた場合、およそ2mAの電流が流れる。この時、抵抗R11よりも電界効果トランジスタTr14の電流駆動能力を高く設定することにより、ノードcの電位は0Vのままとなり、引き続き電界効果トランジスタTr13はオフ状態にある。 Referring to FIGS. 29 and 35, next, at time t14 to time t15, control signal S11 is set to 20V. As a result, the potential Vb of the node b becomes about 20V. Further, since the field effect transistor Tr14 is in the on state, a slight current flows from the node b to the ground node via the resistor R11, the node c, and the field effect transistor Tr14. For example, when a 10 kΩ resistor is used as the resistor R11, a current of about 2 mA flows. At this time, by setting the current driving capability of the field effect transistor Tr14 higher than that of the resistor R11, the potential of the node c remains 0V, and the field effect transistor Tr13 is continuously in the OFF state.
図29および図36を参照して、次に、時刻t15〜時刻t16において、制御信号S14は0Vに設定され、制御信号S15は0Vに設定される。このとき、制御信号S14によって電界効果トランジスタTr16はオフし、制御信号S15によって電界効果トランジスタTr22はオフする。これにより、負荷から電界効果トランジスタTr22を介して接地ノードへ電流が流れなくなる。 Referring to FIGS. 29 and 36, next, from time t15 to time t16, control signal S14 is set to 0V, and control signal S15 is set to 0V. At this time, the field effect transistor Tr16 is turned off by the control signal S14, and the field effect transistor Tr22 is turned off by the control signal S15. As a result, no current flows from the load to the ground node via the field effect transistor Tr22.
一方、負荷からノードaへは電流が流れ続けるため、まだ電界効果トランジスタTr21がオンしていないにも関わらず、ノードaの電位Vaの上昇が始まる。そうすると、ノードaがキャパシタC1を介してノードbの電位を突き上げ、ノードbの電位Vbが上昇する。すなわち、ノードbの電位Vbはノードaの電位Vaよりも高い状態を維持して上昇する。ただし、前述のようにノードbから電界効果トランジスタTr14を通して接地ノードへ電流が漏れている事などのために、電位Vbと電位Vaとの差は20V未満となる。ここで、ノードcの電位Vcは0Vのままなので、電界効果トランジスタTr13はオフしている。 On the other hand, since the current continues to flow from the load to the node a, the potential Va of the node a starts to rise even though the field effect transistor Tr21 is not yet turned on. Then, the node a pushes up the potential of the node b through the capacitor C1, and the potential Vb of the node b rises. That is, the potential Vb of the node b rises while maintaining a state higher than the potential Va of the node a. However, the difference between the potential Vb and the potential Va is less than 20V because the current leaks from the node b to the ground node through the field effect transistor Tr14 as described above. Here, since the potential Vc of the node c remains 0 V, the field effect transistor Tr13 is off.
また、ノードaからダイオードD12を介してノードeへ電流が流れ、ノードeの電位Veが上昇し、ノードaの電位Vaとほぼ等しくなる。これにより、電界効果トランジスタTr15がオンし、ノードaから電界効果トランジスタTr15を介してノードdへ電流が流れ、ノードaの電位上昇に伴いノードdの電位も上昇する。すなわち、電界効果トランジスタTr15は、論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する際に用いられるのに加えて、論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する際にも用いられる。 In addition, a current flows from the node a to the node e through the diode D12, the potential Ve of the node e increases, and becomes substantially equal to the potential Va of the node a. As a result, the field effect transistor Tr15 is turned on, a current flows from the node a to the node d via the field effect transistor Tr15, and the potential of the node d increases as the potential of the node a increases. In other words, the field effect transistor Tr15 is used when transitioning from a logic low level to a logic high level in addition to being used when transitioning from a logic high level to a logic low level.
図29および図37を参照して、次に、時刻t16〜時刻t17において、制御信号S12は0Vに設定される。このとき、制御信号S12によって電界効果トランジスタTr14はオフする。そうすると、ノードbからノードcに流れる電流により、ノードcの電位Vcが上昇し、電界効果トランジスタTr13がオンする。また、これにより電界効果トランジスタTr13を介してノードbからノードdへ電流が流れる。特に、この電界効果トランジスタTr13がオンするタイミングは、ノードaの電位Vaが負荷からの電流によって400Vに到達した後となるように、時刻t16を設定することが好ましい(負荷からの電流によって電位Vaが400Vまで上昇すると、ダイオードD16がオンして電流は電源電圧VHのノードへ流れるため、電位Vaは400Vを超えては上昇しない)。結局、ノードcが抵抗R11によってノードbに接続されているため電界効果トランジスタTr13はオン状態にあり、Vb=Vc=Vdへと近づく。時刻t14〜時刻t15においてノードbに20V充電したことにより、ノードbの電位はVa=400Vよりも高い値、たとえば410V程度となる。Vd=Vb>Vaが維持されるため、電界効果トランジスタTr21がオンし続け、電源電圧VHが供給されるノードとノードaとが導通し、電源電圧VHがノードaへ供給される。すなわち、出力ノードNOUTから負荷へ論理ハイレベルの信号が出力される。また、ノードeの電位Veはノードaの電位Vaと等しくなる。そして、時刻t18〜時刻t19において、制御信号S11は0Vに設定される。
Referring to FIGS. 29 and 37, control signal S12 is then set to 0V from time t16 to time t17. At this time, the field effect transistor Tr14 is turned off by the control signal S12. Then, due to the current flowing from the node b to the node c, the potential Vc of the node c rises and the field effect transistor Tr13 is turned on. As a result, a current flows from the node b to the node d via the field effect transistor Tr13. In particular, it is preferable to set the time t16 so that the field effect transistor Tr13 is turned on after the potential Va of the node a
次に、定常状態において、半導体装置102の出力信号が論理ハイレベルから論理ローレベルへ遷移する動作について説明する。
Next, an operation in which the output signal of the
図29および図38を参照して、時刻t17〜時刻t20において、電界効果トランジスタTr21がオンしているので、ノードaの電位Vaおよびノードeの電位Veは400Vであり、ノードbの電位Vbおよびノードdの電位Vdはノードaおよびノードeよりたとえば10V高い410Vである。 Referring to FIGS. 29 and 38, since field effect transistor Tr21 is on from time t17 to time t20, potential Va at node a and potential Ve at node e are 400 V, and potential Vb at node b and The potential Vd of the node d is 410V, which is 10V higher than the nodes a and e, for example.
次に、時刻t20〜時刻t21において、制御信号S12が20Vに設定される。これにより、電界効果トランジスタTr14がオンし、ノードbから電界効果トランジスタTr14を介して接地ノードへ電流が流れ、ノードcの電位Vcが0Vになる。そうすると、電界効果トランジスタTr13がオフする。また、ノードbの電位Vbが徐々に低下する。 Next, from time t20 to time t21, the control signal S12 is set to 20V. Thereby, the field effect transistor Tr14 is turned on, a current flows from the node b to the ground node via the field effect transistor Tr14, and the potential Vc of the node c becomes 0V. Then, the field effect transistor Tr13 is turned off. Further, the potential Vb of the node b gradually decreases.
次に、図29および図39を参照して、時刻t21〜時刻t22において、制御信号S13が20Vに設定される。これにより、ノードeの電位VeがキャパシタC14を介してS13によって突き上げられて上昇する。これにより、電界効果トランジスタTr15がオンするため、ノードdとノードaとが導通し、ノードdとノードaとがほぼ同電位となる。これにより、電界効果トランジスタTr21がオフする。 Next, with reference to FIGS. 29 and 39, control signal S13 is set to 20 V at time t21 to time t22. As a result, the potential Ve of the node e is pushed up by S13 via the capacitor C14 and rises. Thereby, since the field effect transistor Tr15 is turned on, the node d and the node a are brought into conduction, and the node d and the node a have substantially the same potential. Thereby, the field effect transistor Tr21 is turned off.
ここで、ノードaから負荷へ電流が流れ続けているため、電界効果トランジスタTr22がオフしているにも関わらず、ノードaの電位Vaの低下が始まる。電界効果トランジスタTr15がオンしているため、ノードaの電位Vaの低下により、ノードdの電位Vdも低下し、また、キャパシタC11を介してノードbの電位Vbも低下する。また、電位Vaが低下しVe−VaがツェナーダイオードD12のツェナー降伏電圧に達すると、ノードeからノードaへ電流が流れ、電位Vaの低下に伴い電位Veも低下していく。これにより、ノードeとノードaの電位差を適当な電位差に抑えることができるため、電界効果トランジスタTr15のゲート絶縁膜の破壊を防ぐことができる。やがて、負荷への電流が流れ続けることにより、電位Vaが接地電圧にまで低下する(このとき図29に示したダイオードD17がオンし、接地ノードから負荷への電流経路が生じるため、電位Vaは接地電位より下がることはない)。 Here, since the current continues to flow from the node a to the load, the potential Va of the node a starts to decrease even though the field effect transistor Tr22 is turned off. Since the field effect transistor Tr15 is turned on, the potential Vd of the node d is decreased due to the decrease of the potential Va of the node a, and the potential Vb of the node b is also decreased via the capacitor C11. Further, when the potential Va decreases and Ve−Va reaches the Zener breakdown voltage of the Zener diode D12, a current flows from the node e to the node a, and the potential Ve also decreases as the potential Va decreases. Thereby, since the potential difference between the node e and the node a can be suppressed to an appropriate potential difference, the gate insulating film of the field effect transistor Tr15 can be prevented from being broken. Eventually, as the current to the load continues to flow, the potential Va drops to the ground voltage (at this time, the diode D17 shown in FIG. 29 is turned on and a current path from the ground node to the load is generated, so the potential Va is Never fall below ground potential).
次に、図29および図40を参照して、時刻t22〜時刻t23において、制御信号S15が20Vに設定される。このタイミングは、電位Vaが接地電位まで低下した後となるように調整することが好ましい。これにより、電界効果トランジスタTr22がオンする。そうすると、ノードaから電界効果トランジスタTr22を介して接地ノードへ電流が流れ、出力ノードNOUTから負荷へ論理ローレベルの信号が出力される。出力ノードNOUT側すなわち負荷から電界効果トランジスタTr22を介して接地ノードへ電流が流れる。このとき、電界効果トランジスタTr15がオンしているため、ノードdの電位Vdも低下する。ノードa,c,dの電位は0Vになる。また、キャパシタC1を介してノードaがノードbの電位を引き下げ、ノードbの電位も数Vにまで低下する。 Next, with reference to FIGS. 29 and 40, control signal S15 is set to 20 V from time t22 to time t23. This timing is preferably adjusted to be after the potential Va has dropped to the ground potential. Thereby, the field effect transistor Tr22 is turned on. As a result, a current flows from the node a to the ground node via the field effect transistor Tr22, and a logic low level signal is output from the output node NOUT to the load. Current flows from the output node NOUT side, that is, from the load to the ground node via the field effect transistor Tr22. At this time, since the field effect transistor Tr15 is on, the potential Vd of the node d also decreases. The potentials of the nodes a, c, d are 0V. In addition, the node a pulls down the potential of the node b through the capacitor C1, and the potential of the node b also decreases to several volts.
次に、図29および図41を参照して、時刻t24〜時刻t25において、制御信号S13が0Vに設定され、制御信号S14が20Vに設定される。これにより、オンした電界効果トランジスタTr16によってノードeが接地電位になり、電界効果トランジスタTr15がオフする。すなわち、ノードa,c,d,eの電位がいずれも0Vになる。また、ノードbに残った電荷は、半導体装置102の出力信号が次に論理ローレベルから論理ハイレベルへ遷移する動作になるまでゆっくり低下する。
Next, referring to FIG. 29 and FIG. 41, from time t24 to time t25, control signal S13 is set to 0V, and control signal S14 is set to 20V. Thereby, the node e becomes the ground potential by the turned on field effect transistor Tr16, and the field effect transistor Tr15 is turned off. That is, the potentials of the nodes a, c, d, and e are all 0V. In addition, the charge remaining at the node b is slowly decreased until the output signal of the
なお、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置では、論理ハイレベル出力から論理ローレベル出力に切り替える際に制御信号S12を20Vとしてから(図29のt8〜t9等)、再び論理ハイレベル出力に切り替えるまでの間(図29のt16〜t17)、制御信号S12として20Vを印加し続け、電界効果トランジスタTr14をオンさせ続けている。しかしながら、必ずしもこのタイミング制御を採用する必要はなく、たとえば、ノードcの電位Vcが0Vとなった時点で制御信号S12を0Vとして電界効果トランジスタTr14をオフしてもよい。 Note that in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, when switching from the logic high level output to the logic low level output, the control signal S12 is set to 20 V (such as t8 to t9 in FIG. 29), and then again the logic high level. Until switching to the level output (t16 to t17 in FIG. 29), 20 V is continuously applied as the control signal S12, and the field effect transistor Tr14 is kept on. However, this timing control is not necessarily employed. For example, the field effect transistor Tr14 may be turned off by setting the control signal S12 to 0 V when the potential Vc of the node c becomes 0 V.
半導体装置102では、電界効果トランジスタTr21およびTr22の両方がオンしないように制御されるため、電界効果トランジスタTr21およびTr22を通して貫通電流が流れることを防ぐことができる。
In the
特許文献1に記載の構成では、電界効果トランジスタTr21,Tr22に対応するものとしてパワーMOSFETが用いられており、電界効果トランジスタTr13〜Tr16に対応するものとして「LDMOS」と呼ばれる横型の高耐圧MOSトランジスタが用いられている。パワーMOSFETおよび高耐圧MOSFETを一体形成することは困難であるため、特許文献1に記載の構成ではプロセスコストが増大してしまう。
In the configuration described in
これに対し、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置では、ハイサイド駆動部63、電界効果トランジスタTr21および電界効果トランジスタTr22は半導体チップ71に含まれている。すなわち、ハイサイド駆動部63においてノーマリーオフ型のGaN電界効果トランジスタを用いることにより、パワー半導体素子として用いられる電界効果トランジスタTr21およびTr22と高耐圧トランジスタとして用いられる電界効果トランジスタTr13〜Tr16とを同一基板上に形成することができる。したがって、パワー半導体素子を駆動するためのドライバを低コストで得ることができる。
On the other hand, in the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, the high-
また、半導体装置102では、その入力電圧範囲をたとえば0V〜20Vとしながら、出力電圧範囲をたとえば0V〜400Vとすることができる。これにより、ハイサイドドライバを制御するためのロジック回路は、一般的なMOSプロセスで製造可能となるため、製造コストを低減することができる。すなわち、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置では、入力信号処理部65およびローサイド駆動部64は半導体チップ72に含まれている。すなわち、電界効果トランジスタTr21およびTr22ならびにハイサイド駆動部63以外の回路である制御ロジックがCMOSプロセスのみを用いて一体形成されている。これにより、製造コストをさらに低減することができる。
Further, in the
本実施形態では、電界効果トランジスタTr21およびTr22としてノーマリーオフ型のトランジスタを用いているため、仮に何らかのトラブルにより、ハイサイド駆動部及びローサイド駆動部からの駆動信号が停止しても、電源電圧VHを供給する電源から接地ノードへの貫通パスが生じないため、フェイルセーフの観点から好ましい形態である。 In the present embodiment, normally-off transistors are used as the field effect transistors Tr21 and Tr22. Therefore, even if the drive signals from the high-side drive unit and the low-side drive unit are stopped due to some trouble, the power supply voltage VH This is a preferable form from the viewpoint of fail-safe because a through path from the power supply for supplying power to the ground node does not occur.
その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る半導体装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。 Since other configurations and operations are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment, detailed description thereof will not be repeated here.
次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
<第3の実施の形態>
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る半導体装置と比べてノーマリーオフ型の電界効果トランジスタを追加した半導体装置に関する。以下で説明する内容以外は第1の実施の形態に係る半導体装置と同様である。
<Third Embodiment>
This embodiment relates to a semiconductor device in which a normally-off field effect transistor is added as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. The contents other than those described below are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment.
図42は、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す図である。
図42を参照して、半導体装置103は、半導体装置101と比べて、さらに、電界効果トランジスタTr11を備える。
FIG. 42 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 42, the
電界効果トランジスタTr11はノーマリーオフ型であり、たとえば絶縁ゲート型電界効果トランジスタである。 The field effect transistor Tr11 is a normally-off type, for example, an insulated gate field effect transistor.
カスコード接続された電界効果トランジスタTr1,Tr11の組は、ノーマリーオフ型の第1のスイッチング機能部として、1つのトランジスタのように動作する。 The pair of cascode-connected field effect transistors Tr1 and Tr11 operates like a single transistor as a normally-off type first switching function unit.
ハイサイド駆動部62からの駆動信号およびローサイド駆動部64からの駆動信号によって半導体装置103のハイサイドがオンするとき、電界効果トランジスタTr1およびTr11で構成されるトランジスタがオンし、また、電界効果トランジスタTr2およびTr12で構成されるトランジスタがオフする。このとき、出力電圧VAのレベルは電源電圧VHとなる。
When the high side of the
また、これらの駆動信号によって半導体装置103のローサイドがオンするとき、電界効果トランジスタTr1およびTr11で構成されるトランジスタがオフし、また、電界効果トランジスタTr2およびTr12で構成されるトランジスタがオンする。このとき、出力電圧VAのレベルはゼロボルトとなる。
Further, when the low side of the
ハイサイド駆動部62、電界効果トランジスタTr1および電界効果トランジスタTr2はGaNプロセスによって製造された半導体チップ71に含まれている。なお、ローサイド出力に用いる電界効果トランジスタTr2はこの半導体チップ71に含めずに別の半導体チップ上に形成することも可能である。しかしながら、上記のように同一の半導体チップ71上に形成する方が、部品点数が減ることで半導体装置を小型化することができる。
The
入力信号処理部65およびローサイド駆動部64はCMOSプロセスによって製造された半導体チップ72に含まれている。特に好ましい実施形態としては、電界効果トランジスタTr11,Tr12も半導体チップ72に含まれる。
The input
図43は、本発明の第3の実施の形態に係るハイサイド駆動部、および半導体装置の出力段の構成を示す図である。 FIG. 43 is a diagram showing a configuration of a high-side drive unit and an output stage of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
図43を参照して、電界効果トランジスタTr1は、たとえば400Vである電源電圧VHが供給されるノードに結合されたドレインと、電界効果トランジスタTr11のドレインに結合されたソースと、キャパシタC1の第2端および出力ノードNOUTに結合されたゲートとを有する。電界効果トランジスタTr11は、電界効果トランジスタTr1のソースに結合されたドレインと、キャパシタC1の第2端および出力ノードNOUTに結合されたソースと、電界効果トランジスタTr5のソースおよび電界効果トランジスタTr6のドレインに結合されたゲートとを有する。ダイオードD16は、電界効果トランジスタTr1のドレインに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr11のソースに結合されたアノードとを有する。電界効果トランジスタTr2は、出力ノードNOUTに結合されたドレインと、ソースと、接地ノードに結合されたゲートとを有する。電界効果トランジスタTr12は、電界効果トランジスタTr2のソースに結合されたドレインと、接地ノードに結合されたソースと、制御信号S1を受けるゲートとを有する。ダイオードD17は、電界効果トランジスタTr2のドレインに結合されたカソードと、電界効果トランジスタTr12のソースに結合されたアノードとを有する。 Referring to FIG. 43, field effect transistor Tr1 has a drain coupled to a node supplied with power supply voltage VH of, for example, 400V, a source coupled to the drain of field effect transistor Tr11, and a second capacitor C1. And a gate coupled to the output node NOUT. Field effect transistor Tr11 has a drain coupled to the source of field effect transistor Tr1, a source coupled to the second end of capacitor C1 and output node NOUT, a source of field effect transistor Tr5, and a drain of field effect transistor Tr6. And a coupled gate. Diode D16 has a cathode coupled to the drain of field effect transistor Tr1 and an anode coupled to the source of field effect transistor Tr11. Field effect transistor Tr2 has a drain coupled to output node NOUT, a source, and a gate coupled to a ground node. Field effect transistor Tr12 has a drain coupled to the source of field effect transistor Tr2, a source coupled to the ground node, and a gate for receiving control signal S1. Diode D17 has a cathode coupled to the drain of field effect transistor Tr2 and an anode coupled to the source of field effect transistor Tr12.
また、ハイサイド駆動部62は、キャパシタC1の第2端、電界効果トランジスタTr11のソースおよび電界効果トランジスタTr2のドレインの結合ノードであるノードaと、ダイオードD2のカソード、抵抗R1の第1端、抵抗R2の第1端、電界効果トランジスタTr5のドレインおよびキャパシタC1の第1端の結合ノードであるノードbと、抵抗R2の第2端、電界効果トランジスタTr4のドレインおよび電界効果トランジスタTr5のゲートの結合ノードであるノードcと、電界効果トランジスタTr5のソース、電界効果トランジスタTr6のドレインおよび電界効果トランジスタTr11のゲートの結合ノードであるノードdとを有する。
Further, the high-
半導体装置103の各種動作は、半導体装置101と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
Since various operations of
半導体装置103では、電界効果トランジスタTr11の閾値電圧の極性が正であることから、負電圧の使用を減らすことができる。これにより、入力信号処理部65の構成を簡略化することができる。具体的には、半導体装置101では、たとえば、固定電圧VN1を−10Vとし、固定電圧VN2を−5Vとし、制御信号S2の電圧レベルを0Vおよび−10Vとし、制御信号S3の電圧レベルを−10Vおよび−15Vとし、制御信号S4の電圧レベルを−5Vおよび−10Vとし、制御信号S5の電圧レベルを15Vおよび−5Vとした。
In the
これに対して、半導体装置103では、図43に示すように、たとえば、固定電圧VN1を−5Vとし、固定電圧VN2を0Vとし、制御信号S2の電圧レベルを0Vおよび−5Vとし、制御信号S3の電圧レベルを−5Vおよび−10Vとし、制御信号S4の電圧レベルを0Vおよび−5Vとし、制御信号S5の電圧レベルを15Vおよび0Vとすることができる。すなわち、各負電圧の絶対値を半導体装置101よりも低くすることができるため、回路をより簡略にすることが可能である。
On the other hand, in the
その他の構成および動作は第1の実施の形態に係る半導体装置と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。したがって、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置では、第1の実施の形態に係る半導体装置と同様に、パワー半導体素子として用いられる電界効果トランジスタTr1およびTr2と高耐圧トランジスタとして用いられる電界効果トランジスタTr3〜Tr6とを同一基板上に形成することができるため、パワー半導体素子を駆動するためのドライバを低コストで得ることができる。 Since other configurations and operations are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment, detailed description thereof will not be repeated here. Therefore, in the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, the field effect transistors Tr1 and Tr2 used as power semiconductor elements and the high breakdown voltage transistor are used as in the semiconductor device according to the first embodiment. Since the field effect transistors Tr3 to Tr6 can be formed on the same substrate, a driver for driving the power semiconductor element can be obtained at low cost.
なお、電界効果トランジスタTr11およびTr12が内蔵ダイオードを有する場合には、ダイオードD16およびD17のアノードは、それぞれ電界効果トランジスタTr11およびTr12のドレインと接続してもよい。 When field effect transistors Tr11 and Tr12 have built-in diodes, the anodes of diodes D16 and D17 may be connected to the drains of field effect transistors Tr11 and Tr12, respectively.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
62,63 ハイサイド駆動部、64 ローサイド駆動部、65 入力信号処理部、91 シリコン基板、92 バッファ層、93 GaN層、94 AlGaN層、95 SiN層、101,102,103 半導体装置、120 コイル、130 ダイオード部、140 コンデンサ、150 インバータ部、151〜156 パワー半導体素子、160 モータ、165 交流電圧供給部、170 コンプレッサ、180 ベースドライバ、190 電圧検出器、200 マイクロプロセッサ、201 コンプレッサ部、202 冷蔵室、203 冷凍室、204 野菜室、301 電子機器、401 電源装置、Tr1,Tr2,Tr3〜Tr6,Tr11,Tr12,Tr13〜Tr16,Tr21,Tr22 電界効果トランジスタ、D2,D11,D12,D16,D17 ダイオード、R1,R2,R11 抵抗、C1,C11,C14 キャパシタ、ELG ゲート電極、ELS ソース電極、ELD ドレイン電極。 62, 63 High-side drive unit, 64 Low-side drive unit, 65 Input signal processing unit, 91 Silicon substrate, 92 Buffer layer, 93 GaN layer, 94 AlGaN layer, 95 SiN layer, 101, 102, 103 Semiconductor device, 120 coil, 130 diode section, 140 capacitor, 150 inverter section, 151 to 156 power semiconductor element, 160 motor, 165 AC voltage supply section, 170 compressor, 180 base driver, 190 voltage detector, 200 microprocessor, 201 compressor section, 202 refrigerator compartment , 203 Freezer room, 204 Vegetable room, 301 Electronic equipment, 401 Power supply, Tr1, Tr2, Tr3 to Tr6, Tr11, Tr12, Tr13 to Tr16, Tr21, Tr22 Field effect transistors, D2, D11 D12, D16, D17 diodes, R1, R2, R11 resistor, C1, C11, C14 capacitor, ELG gate electrode, ELS source electrode, ELD drain electrode.
Claims (5)
前記入力信号処理部から受けた前記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのハイサイド駆動部と、
前記入力信号処理部から受けた前記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのローサイド駆動部と、
第1の電源電圧が供給されるべき第1導通電極と、出力ノードに結合された第2導通電極と、前記ハイサイド駆動部からの前記駆動信号を受ける制御電極とを有する第1のスイッチング機能部と、
前記出力ノードに結合された第1導通電極と、前記第1の電源電圧よりも小さい第2の電源電圧が供給されるべき第2導通電極と、前記ローサイド駆動部からの前記駆動信号を受ける制御電極とを有する第2のスイッチング機能部とを備え、
前記ハイサイド駆動部は、ノーマリーオン型の電界効果トランジスタを含み、前記スイッチング制御信号の基準電圧を前記出力ノードの電位へシフトした駆動信号を出力し、
前記第1のスイッチング機能部はノーマリーオン型の第1の電界効果トランジスタを含み、
前記第2のスイッチング機能部はノーマリーオン型の第2の電界効果トランジスタを含み、
前記ハイサイド駆動部および前記第1の電界効果トランジスタは第1の半導体チップに含まれ、
前記ハイサイド駆動部は、
前記入力信号処理部からの第1のスイッチング制御信号を受けるアノードと、カソードとを有する第1のダイオードと、
前記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、第2端とを有する第1の抵抗と、
前記第1の抵抗の第2端に結合されたドレインと、所定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、前記入力信号処理部からの第2のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオン型の第4の電界効果トランジスタと、
前記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、第2端とを有する第2の抵抗と、
前記第2の抵抗の第2端に結合されたドレインと、所定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、前記入力信号処理部からの第3のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオン型の第5の電界効果トランジスタと、
前記第1のダイオードのカソードに結合されたドレインと、前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたソースと、前記第2の抵抗の第2端および前記第5の電界効果トランジスタのドレインに結合されたゲートとを有するノーマリーオン型の第6の電界効果トランジスタと、
前記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、前記出力ノードに結合された第2端とを有するキャパシタとを含む半導体装置。 An input signal processing unit for outputting a switching control signal based on the input signal;
A high-side drive unit for outputting a drive signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit;
A low-side drive unit for outputting a drive signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit;
A first switching function having a first conduction electrode to which a first power supply voltage is to be supplied, a second conduction electrode coupled to an output node, and a control electrode that receives the drive signal from the high-side drive unit And
A first conduction electrode coupled to the output node; a second conduction electrode to which a second power supply voltage lower than the first power supply voltage is to be supplied; and a control for receiving the drive signal from the low-side drive unit A second switching function unit having an electrode,
The high-side drive unit includes a normally-on type field effect transistor, and outputs a drive signal obtained by shifting a reference voltage of the switching control signal to the potential of the output node,
The first switching function unit includes a normally-on type first field effect transistor,
The second switching function unit includes a normally-on type second field effect transistor,
The high side driver and the first field effect transistor are included in a first semiconductor chip ,
The high side drive unit is
A first diode having an anode for receiving a first switching control signal from the input signal processing unit; and a cathode;
A first resistor having a first end coupled to the cathode of the first diode and a second end;
A node having a drain coupled to the second end of the first resistor, a source coupled to a node to which a predetermined voltage is supplied, and a gate for receiving a second switching control signal from the input signal processing unit. A fourth field-effect transistor of the marion type,
A second resistor having a first end coupled to the cathode of the first diode and a second end;
A node having a drain coupled to the second end of the second resistor, a source coupled to a node to which a predetermined voltage is supplied, and a gate receiving a third switching control signal from the input signal processing unit. A marion-on fifth field effect transistor;
A drain coupled to the cathode of the first diode; a source coupled to the gate of the first field effect transistor; a second end of the second resistor; and a drain of the fifth field effect transistor. A normally-on sixth field effect transistor having a coupled gate;
A semiconductor device including a capacitor having a first end coupled to the cathode of the first diode and a second end coupled to the output node .
前記出力ノードに結合された第1導通電極と、第2導通電極と、前記第2の電源電圧が供給されるべき制御電極とを有するノーマリーオン型の第2の電界効果トランジスタと、
前記第2の電界効果トランジスタの第2導通電極に結合された第1導通電極と、前記第2の電源電圧が供給されるべき第2導通電極と、前記ローサイド駆動部からの前記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオフ型の第3の電界効果トランジスタとを備える、請求項1または2に記載の半導体装置。 The second switching function unit includes:
A normally-on type second field effect transistor having a first conduction electrode coupled to the output node, a second conduction electrode, and a control electrode to which the second power supply voltage is to be supplied;
A first conduction electrode coupled to a second conduction electrode of the second field-effect transistor; a second conduction electrode to which the second power supply voltage is to be supplied; and the drive signal from the low-side drive unit. and a third field effect transistor of the normally-off type having a control electrode, the semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、所定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、前記入力信号処理部からの第4のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオン型の第7の電界効果トランジスタを含む請求項1から3までのいずれかに記載の半導体装置。 The high side driving unit further includes:
A node having a drain coupled to the gate of the first field effect transistor, a source coupled to a node to which a predetermined voltage is supplied, and a gate receiving a fourth switching control signal from the input signal processing unit. 4. The semiconductor device according to claim 1, comprising a seventh field effect transistor of a marion type.
前記入力信号処理部から受けた前記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのハイサイド駆動部と、
前記入力信号処理部から受けた前記スイッチング制御信号に基づいて駆動信号を出力するためのローサイド駆動部と、
第1の電源電圧が供給されるべき第1導通電極と、出力ノードに結合された第2導通電極と、前記ハイサイド駆動部からの前記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオフ型の第1の電界効果トランジスタと、
前記出力ノードに結合された第1導通電極と、前記第1の電源電圧よりも小さい第2の電源電圧が供給されるべき第2導通電極と、前記ローサイド駆動部からの前記駆動信号を受ける制御電極とを有するノーマリーオフ型の第2の電界効果トランジスタとを備え、
前記ハイサイド駆動部は、ノーマリーオフ型の電界効果トランジスタを含み、前記スイッチング制御信号の基準電圧を前記出力ノードの電位へシフトした駆動信号を出力し、
前記ハイサイド駆動部および前記第1の電界効果トランジスタは第1の半導体チップに含まれ、
前記ハイサイド駆動部は、
前記入力信号処理部からの第1のスイッチング制御信号を受けるアノードと、カソードとを有する第1のダイオードと、
前記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、第2端とを有する第1の抵抗と、
前記第1の抵抗の第2端に結合されたドレインと、固定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、前記入力信号処理部からの第2のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオフ型の第3の電界効果トランジスタと、
前記第1のダイオードのカソードに結合されたドレインと、前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたソースと、前記第1の抵抗の第2端および前記第3の電界効果トランジスタのドレインに結合されたゲートとを有するノーマリーオフ型の第4の電界効果トランジスタと、
前記第1の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、前記出力ノードに結合されたソースと、ゲートとを有するノーマリーオフ型の第5の電界効果トランジスタと、
前記第1のダイオードのカソードに結合された第1端と、前記出力ノードに結合された第2端とを有する第1のキャパシタと、
前記入力信号処理部からの第3のスイッチング制御信号を受ける第1端と、前記第5の電界効果トランジスタのゲートに結合された第2端とを有する第2のキャパシタと、
前記第5の電界効果トランジスタのゲートに結合されたカソードと、前記第5の電界効果トランジスタのソースに結合されたアノードとを有する第2のダイオードと、
前記第5の電界効果トランジスタのゲートに結合されたドレインと、固定電圧の供給されるノードに結合されたソースと、前記入力信号処理部からの第4のスイッチング制御信号を受けるゲートとを有するノーマリーオフ型の第6の電界効果トランジスタとを含む半導体装置。 An input signal processing unit for outputting a switching control signal based on the input signal;
A high-side drive unit for outputting a drive signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit;
A low-side drive unit for outputting a drive signal based on the switching control signal received from the input signal processing unit;
A normally-off type having a first conduction electrode to which a first power supply voltage is to be supplied, a second conduction electrode coupled to an output node, and a control electrode that receives the drive signal from the high-side drive unit. A first field effect transistor;
A first conduction electrode coupled to the output node; a second conduction electrode to which a second power supply voltage lower than the first power supply voltage is to be supplied; and a control for receiving the drive signal from the low-side drive unit A normally-off second field effect transistor having an electrode,
The high side driving unit includes a normally-off type field effect transistor, and outputs a driving signal obtained by shifting a reference voltage of the switching control signal to the potential of the output node,
The high side driver and the first field effect transistor are included in a first semiconductor chip ,
The high side drive unit is
A first diode having an anode for receiving a first switching control signal from the input signal processing unit; and a cathode;
A first resistor having a first end coupled to the cathode of the first diode and a second end;
A node having a drain coupled to the second end of the first resistor, a source coupled to a node to which a fixed voltage is supplied, and a gate for receiving a second switching control signal from the input signal processor. A third field-off transistor of the marry-off type,
A drain coupled to the cathode of the first diode; a source coupled to the gate of the first field effect transistor; a second end of the first resistor; and a drain of the third field effect transistor. A normally-off fourth field effect transistor having a coupled gate;
A normally-off fifth field effect transistor having a drain coupled to the gate of the first field effect transistor, a source coupled to the output node, and a gate;
A first capacitor having a first end coupled to the cathode of the first diode and a second end coupled to the output node;
A second capacitor having a first end for receiving a third switching control signal from the input signal processing unit and a second end coupled to the gate of the fifth field effect transistor;
A second diode having a cathode coupled to the gate of the fifth field effect transistor and an anode coupled to the source of the fifth field effect transistor;
A node having a drain coupled to the gate of the fifth field effect transistor, a source coupled to a node to which a fixed voltage is supplied, and a gate receiving a fourth switching control signal from the input signal processing unit. A semiconductor device including a sixth field-effect transistor of a marily-off type .
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