(57)【要約】【課題】低温時に半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる半導体装置を実現する。【解決手段】半導体装置１００は、ＩＧＢＴ１４に直列に接続されている負特性サーミスタ１２と、ＩＧＢＴ１４と負特性サーミスタ１２に対して並列に接続されている正特性サーミスタ１６を備える。低温時には、負特性サーミスタの抵抗が大となり正特性サーミスタの抵抗が小となる。負特性サーミスタの抵抗が大となるめ、ＩＧＢＴに印加される電圧が抑制される。同時に、正特性サーミスタには大電流が流れて発熱する。正特性サーミスタの発熱によってＩＧＢＴが昇温する。高温時には、負特性サーミスタの抵抗が小となり正特性サーミスタの抵抗が大となる。従って、高温時には、負特性サーミスタと正特性サーミスタはＩＧＢＴの動作に影響を与えない。半導体装置１００は、高温時にはあたかも単純なＩＧＢＴとして機能する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
半導体素子に直列に接続されている負特性サーミスタと、
直列に接続されている半導体素子と負特性サーミスタの組に対して並列に接続されている正特性サーミスタと、を備えており、
正特性サーミスタが、半導体素子に熱伝達可能に配置されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子はトランジスタ素子であり、負特性サーミスタの一方の電極が、トランジスタ素子のコレクタ、エミッタ、ソース、及びドレインのいずれか１つに接続されていることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタやダイオードなどの半導体素子を含む半導体装置に関する。特に、低温時に、半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は通電すると発熱するため、半導体素子を含む半導体装置を起動すると温度が上昇する。半導体素子の温度が所定温度以上となると、熱破壊に至る。そのため、半導体装置には、半導体素子の温度を検出するための温度センサが備えられることがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５２０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体素子は、温度が低いと耐圧が低下することが知られている。にもかかわらず従来は、半導体素子の熱破壊を回避するための技術は盛んに研究されていたが、低温時における半導体素子の耐圧の低下に対策するための研究には注意を向けられていなかった。従来は、半導体素子の使用温度範囲の下限温度における耐圧が、半導体装置に印加される定格電圧よりも高い半導体素子を利用していた。
他方、半導体素子は、耐圧を高くするほどオン抵抗（乃至はオン電圧）が高くなる。オン抵抗（乃至はオン電圧）は低い方が好ましいが、オン抵抗（乃至はオン電圧）を低くすると耐圧が低下する。即ち、オン抵抗（乃至はオン電圧）と耐圧はトレードオフの関係にある。
半導体素子は通電すると発熱するため、半導体装置を起動すると半導体素子の温度が上昇する。半導体素子の温度上昇とともに、耐圧も高くなる。即ち、従来は、半導体素子が低温であるのは起動直後の短時間であるにも係わらずに、その低温時に印加される電圧に応じて半導体素子の耐圧の仕様が設定されていた。従来の半導体装置は、低温時にも充分に高い耐圧を有する半導体素子を使用せざるを得ないために、通常の動作時（低温時以外）のオン抵抗（乃至はオン電圧）を小さくすることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、オン抵抗（乃至はオン電圧）が低い半導体素子の利用を可能とする技術を提供する。
低温時に外部から半導体素子に印加される電圧を抑制し、その間に半導体素子の温度を上昇させることができれば、低温時における耐圧の低い半導体素子を利用することができる。そうすると、通常の動作時におけるオン抵抗（乃至はオン電圧）を小さくすることができる。
【０００６】
本発明は、半導体素子に印加される電圧を低温時に抑制する手段と低温時に半導体素子を加熱する手段の両者にサーミスタを利用する。サーミスタは、温度の変化とともに抵抗が変化する素子である。抵抗の変化を利用すれば、温度に応じて電圧を制御することができる。また、抵抗が小さい状態ではサーミスタに大きな電流を流すことができ、その結果、サーミスタを発熱させることができる。即ちサーミスタは、環境の温度に依存して発熱するヒータとして利用することもできる。本発明は、サーミスタの温度と抵抗の関係を巧みに利用することによって、低温時には、半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる半導体装置を簡単な回路構成で実現する。
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、負特性サーミスタと、正特性サーミスタを備える。負特性サーミスタは、半導体素子に直列に接続されている。正特性サーミスタは、直列に接続されている半導体素子と負特性サーミスタの組に対して並列に接続されている。正特性サーミスタは、半導体素子に熱伝達可能に配置されている。
負特性サーミスタは、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも小さいサーミスタである。負特性サーミスタは、NTC（Negative Temperature Coefficient）サーミスタとも呼ばれる。正特性サーミスタは、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも大きいサーミスタである。正特性サーミスタは、PTC（Positive Temperature Coefficient）サーミスタとも呼ばれる。
半導体素子は、典型的にはダイオード又はトランジスタである。半導体素子がトランジスタの場合には、負特性サーミスタの一方の電極が、トランジスタ素子のコレクタ、エミッタ、ソース、及びドレインのいずれか１つに接続されている。
【０００８】
上記の構成によれば、外部の装置から半導体装置に印加される電圧がそのまま正特性サーミスタに印加される。他方、半導体装置に印加される電圧は、負特性サーミスタと半導体素子の両者に分圧される。
低温時には半導体素子に直列に接続されている負特性サーミスタの抵抗が高くなるとともに、半導体素子に並列に接続されている正特性サーミスタの抵抗が小さくなる。負特性サーミスタの抵抗が高いので、外部の装置から半導体装置に印加される電圧に比較して半導体素子に印加される電圧を小さくすることができる。その一方で、正特性サーミスタの抵抗が小さいので、外部の装置から半導体装置に印加される電圧によって正特性サーミスタに大きな電流が流れる。このため、正特性サーミスタが発熱する。正特性サーミスタの発熱によって、半導体素子が昇温される。
【０００９】
正特性サーミスタの発熱によって、正特性サーミスタ自体、負特性サーミスタ、及び半導体素子の温度が上昇する。半導体素子の温度が上昇すると、半導体素子の耐圧が高くなる。また、負特性サーミスタの温度が上昇すると、負特性サーミスタの抵抗が小さくなる。そうすると、半導体素子に直列に接続されている負特性サーミスタの両端電圧が小さくなって、外部の装置から半導体装置に印加される電圧がほぼそのまま半導体素子に印加される。即ち、温度が上昇すると、負特性サーミスタは半導体素子の動作にほとんど影響を及ぼさなくなる。他方、正特性サーミスタの温度が上昇すると、正特性サーミスタの抵抗が増大する。半導体素子に並列に接続されている正特性サーミスタに流れる電流が僅かとなり、半導体素子に流れる電流が増大する。外部の装置から半導体装置に流れ込む電流はほぼそのまま半導体素子に流れる。即ち、温度が上昇すると、正特性サーミスタも半導体素子の動作にほとんど影響を及ぼさなくなる。
負特性サーミスタと正特性サーミスタを上記の通りに半導体素子に接続することによって、低温時には、半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子を昇温する半導体装置を簡単な回路で実現できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低温時に半導体素子に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる半導体装置を実現することができる。
【実施例】
【００１１】
（第１実施例）
図１に実施例の半導体装置１００の回路図を示す。半導体装置１００は、ＮＴＣサーミスタ１２と、ＰＴＣサーミスタ１６と、パワートランジスタの一種であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１４を備える。ＩＧＢＴ１４が、請求項の「半導体素子」に相当する。
ＩＧＢＴ１４は、エミッタ電極２０、コレクタ電極２２、及びベース電極２４を備える。エミッタ電極２０とＮＴＣサーミスタ１２の一方の電極が接続されている。ＮＴＣサーミスタ１２の他方の電極は半導体装置１００のエミッタ端子２６に接続されている。ＩＧＢＴ１４のコレクタ電極２２は半導体装置１００のコレクタ端子２８に接続されている。ＩＧＢＴ１４のベース電極２４は、半導体装置１００のベース端子３０に接続されている。
ＰＴＣサーミスタ１６の一方の電極は、ＩＧＢＴ１４のコレクタ電極２２に接続されている。ＰＴＣサーミスタ１６の他方の電極は、ＮＴＣサーミスタ１２の他方の電極に接続されている。即ち、ＰＴＣサーミスタ１６は、直列に接続されているＮＴＣサーミスタ１２とＩＧＢＴ１４の組に対して並列に接続されている。
半導体装置１００のエミッタ端子２６と、コレクタ端子２８と、ベース端子３０は、外部装置４０と接続するための端子である。半導体装置１００は、外部装置４０に対して、エミッタ端子２６、コレクタ端子２８、及びベース端子３０を有するＩＧＢＴとして機能する。
本実施例では、半導体装置１００に電圧を印加するための電源と、半導体装置１００によって駆動される負荷（例えばモータ）を含めて外部装置４０と称する。従って図１では、半導体装置１００のエミッタ端子２６、コレクタ端子２８、及びベース端子３０が全て外部装置４０に接続されている。
【００１２】
ＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６は、絶縁導熱部材１８を介して連結されている。絶縁導熱部材１８によって、ＰＴＣサーミスタ１６が熱を発生するとＩＧＢＴ１４の温度が上昇する。
【００１３】
半導体装置１００の低温時と高温時の動作について以下説明する。説明を簡単にするために、低温を−５０［℃］で代表し、高温を１００［℃］で代表する。半導体装置１００の温度は連続的に変化するが、説明を簡単にするために、以下では−５０［℃］のときの動作と１００［℃］のときの動作について説明する。
ＮＴＣサーミスタ１２は、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも小さいサーミスタである。ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗の温度特性の模式的グラフを図２に示す。ＮＴＣサーミスタ１２は、−５０［℃］のときに１０００［ＭΩ］の抵抗を有し、１００［℃］のときに１［ｍΩ］の抵抗を有する。
ＰＴＣサーミスタ１６は、高温時の抵抗が低温時の抵抗よりも大きいサーミスタである。ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗の温度特性の模式的グラフを図３に示す。ＰＴＣサーミスタ１６は、−５０［℃］のときに１［ｍΩ］の抵抗を有し、１００［℃］のときに１０００［ＭΩ］の抵抗を有する。
なお、図２と図３は、サーミスタの抵抗の温度特性を模式的に表したグラフであり、実際には、ＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６は共に、温度の変化に伴って抵抗が徐々に変化するものであってよい。
【００１４】
本実施例のＩＧＢＴ１４は、エミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間の抵抗が、オン時（エミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に電流が流れる状態）に約１５［ｍΩ］であり、オフ時（エミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に電流がほとんど流れない状態）に１０００［ＭΩ］である。また、オン時にはエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に２００［Ａ］の電流が流れる。
本実施例では、外部装置４０から半導体装置１００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される定格電圧は１０００［Ｖ］である。一方、ＩＧＢＴ１４の耐圧は−５０［℃］のときに９００［Ｖ］であり、１００［℃］のときに１２００［Ｖ］である。即ち、ＩＧＢＴ１４単体は、−５０［℃］のときに１０００［Ｖ］の電圧が印加されると破壊する。本実施例の半導体装置１００は、ＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６の作用によって次の機能を実現する。即ち、半導体装置１００は、−５０［℃］で外部装置４０が起動してエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に１０００［Ｖ］の電圧が印加されても、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に印加される電圧は耐圧（１０００［Ｖ］）以下に抑制される。さらに、ＩＧＢＴ１４は、速やかに１００［℃］まで昇温する。ＩＧＢＴ１４の温度が１００［℃］を超えると、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に印加される電圧が定格の１０００［Ｖ］となり、本来のＩＧＢＴ１４の機能を発揮することができる。
【００１５】
まず、温度が−５０［℃」のときの半導体装置１００の動作を説明する。このとき、ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗は１０００［ＭΩ］であり、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗は１［ｍΩ］である。ＮＴＣサーミスタ１２に直列に接続されているＩＧＢＴ１４の抵抗値は最大のときでも１０００［ＭΩ］である。他方、半導体装置１００のエミッタ電極２６とコレクタ電極２８の間には外部装置４０から１０００［Ｖ］の電圧が印加される。従って、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間の電圧は最大でも５００［Ｖ］である。即ち、−５０［℃］の場合、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間には、半導体装置１００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される電圧に比較して低い電圧しか印加されない。−５０［℃］におけるＩＧＢＴ１４の耐圧が外部装置４０から印加される電圧よりも低い場合でも、半導体装置１００はＩＧＢＴ１４を破壊させることがない。
【００１６】
他方、−５０［℃」の場合、ＰＴＣサーミスタ１６には約１００００［ＫＡ］の電流が流れる。この大電流によってＰＴＣサーミスタ１６は発熱する。ＰＴＣサーミスタ１６の発熱によってＩＧＢＴ１４とＮＴＣサーミスタ１２は昇温する。特に、ＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６は、絶縁導熱部材１８を介して連結されているのでＩＧＢＴ１４は速やかに昇温する。
なお、−５０［℃」の場合、ＰＴＣサーミスタ１６には大電流が流れるが、この大電流によってＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６の温度が瞬時に上昇する。温度が１００［℃］に達した時点でＰＴＣサーミスタ１６の抵抗値が１０００［ＭΩ］に上昇し、大電流は流れなくなる。大電流が流れるのは僅かな時間だけなので、回路や負荷にほとんど影響を与えない。
【００１７】
次に、ＰＴＣサーミスタ１６の発熱によって、ＰＴＣサーミスタ１６、ＩＧＢＴ１４、及びＮＴＣサーミスタ１２の温度が１００［℃］に達した場合の半導体装置１００の動作を説明する。このとき、ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗は１［ｍΩ］であり、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗は１０００［ＭΩ］である。
ＩＧＢＴ１４の抵抗値はオフ時に１０００［ＭΩ］である。従って、ＩＧＢＴ１４のオフ時にはＩＧＢＴ１４にもＰＴＣサーミスタ１６にもほとんど電流が流れない。また、ＮＴＣサーミスタ１２の抵抗はＩＧＢＴ１４の抵抗に比べて無視し得るほどに小さい。即ち、ＩＧＢＴ１４のオフ時の動作にＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６はほとんど影響を与えない。
他方、ＩＧＢＴ１４の抵抗値はオン時に１５［ｍΩ］である。この値は、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗１０００［ＭΩ］に比較して無視しうるほどに小さい。従ってＰＴＣサーミスタ１６にはほとんど電流が流れない。
また、ＩＧＢＴ１４のオン時の抵抗（１５［ｍΩ］）に比べてＮＴＣサーミスタ１２の抵抗（１［ｍΩ］）は充分小さい。従って、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間には、エミッタ端子２６とコレクタ端子２２の間に印加される電圧がほぼそのまま印加される。即ち、ＩＧＢＴ１４のオン時の動作にもＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６はほとんど影響を与えない。
以上の理由により、ＩＧＢＴ１４の温度が１００［℃］に達した場合には、ＮＴＣサーミスタ１２とＰＴＣサーミスタ１６の存在に係わらずに、半導体装置１００はあたかもＩＧＢＴ１４単体であるかのごとく動作する。即ち、温度が１００［℃］に達した場合には、半導体装置１００はＩＧＢＴ１４の本来の機能を発揮することができる。
【００１８】
（第２実施例）
次に第２実施例に係る半導体装置２００を説明する。図４は、半導体装置２００の回路図である。本実施例の半導体装置２００は、第１実施例の半導体装置１００においてＮＴＣサーミスタ１２を省いた構成を有している。図２の半導体装置２００において、図１の半導体装置１００と同じ部品には同じ符号を付してある。
本実施例の半導体装置２００は、負荷であるモータ４２と電源４４に直列に接続されている。具体的には、半導体装置２００のエミッタ端子２６が、グランド４６に接地されている。半導体装置２００のコレクタ端子２８が、負荷であるモータ４２の一方の端子に接続されている。モータ４２の他方の端子が、電源４４の正極に接続されている。電源４４の負極はグランド４６に接地されている。
半導体装置２００のベース端子３０が、制御装置５０に接続されている。制御装置５０からベース端子３０にゲート電圧が印加される。
半導体装置２００のＩＧＢＴ１４は、ベース端子３０に印加されるゲート電圧に基づいてオン又はオフしてモータ４２を駆動する。
【００１９】
ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗の温度特性は、第１実施例のＰＴＣサーミスタと同じである。即ち、ＰＴＣサーミスタ１６は、−５０［℃］のときに１［ｍΩ］の抵抗を有し、１００［℃］のときに１０００［ＭΩ］の抵抗を有する。ＩＧＢＴ１４の特性も、第１実施例のＩＧＢＴ１４の特性と同じである。
モータ４２の抵抗は１［Ω］であり、電源４４の電圧は１０００［Ｖ］である。
【００２０】
温度が−５０［℃」のときは、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗が１［ｍΩ］である。このとき、ＩＧＢＴ１４がオンであってもオフであっても、ＩＧＢＴ１４の抵抗は約１［ｍΩ］である。モータ４２の抵抗が１［Ω］であるので、半導体装置２００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される電圧は、ほぼ１［Ｖ］である。即ち、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に印加される電圧を、ＩＧＢＴ１４の−５０［℃］のときの耐圧９００［Ｖ］より低く抑えることができる。
【００２１】
−５０［℃］のときは、第１実施例と同様に、ＰＴＣサーミスタ１６に大電流が流れるので、ＰＴＣサーミスタ１６が発熱する。ＰＴＣサーミスタ１６とＩＧＢＴ１４の温度が上昇する。第１実施例と同様に、ＰＴＣサーミスタ１６とＩＧＢＴ１４の温度は素早く上昇するので、ＰＴＣサーミスタ１６に大電流が流れるのは僅かな時間だけである。モータ４２にも大電流が流れるが、その時間は僅かであるので、モータ４２が駆動されることはない。
【００２２】
他方、温度が１００［℃」のときは、ＰＴＣサーミスタ１６の抵抗が１０００［ＭΩ］である。ＩＧＢＴ１４は、オフのときの抵抗が１０００［ＭΩ］である。従って、半導体装置２００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間の抵抗は、５００［ＭΩ］となる。モータ４２の抵抗が１［Ω］であるので、半導体装置２００のエミッタ端子２６とコレクタ端子２８の間に印加される電圧は、ほぼ１０００［Ｖ］である。温度が１００［℃］のときには、ＩＧＢＴ１４のエミッタ電極２０とコレクタ電極２２の間に定格の電圧を印加することができる。
【００２３】
このように、負荷と電源と直列に接続される半導体装置２００は、ＩＧＢＴ１４とＰＴＣサーミスタ１６を並列に接続することによって、低温時にＩＧＢＴ１４に印加される電圧を抑制しながらＩＧＢＴ１４の温度を上昇させることができる。
半導体装置２００の構成は、次の様に表現することができる。半導体装置２００は、ＩＧＢＴ１４と、ＩＧＢＴ１４に並列に接続されているＰＴＣサーミスタ１６と、を備えており、ＰＴＣサーミスタ１６が、ＩＧＢＴ１４に熱伝達可能に配置されている。また、ＰＴＣサーミスタ１６は、ＩＧＢＴ１６のコレクタ電極とエミッタ電極の間に並列に接続されている。
【００２４】
上記実施例の半導体装置は、低温時に半導体素子（例えばＩＧＢＴ）に印加される電圧を抑制しながら半導体素子の温度を上昇させることができる。この技術によって、半導体素子の使用温度範囲の下限温度（低温時）における耐圧が半導体素子に印加される定格電圧を上回らなければならないという従来の制約を考慮する必要がなくなる。半導体素子の温度が低い状態で半導体装置を起動しても、低温時の耐圧が低い（即ち、オン抵抗乃至はオン電圧の低い）半導体素子に過大な電圧が印加することのない半導体装置を実現することができる。
【００２５】
半導体素子は、ＩＧＢＴに限らない。例えばユニポーラ形のトランジスタであってもよいし、ダイオードであってもよい。半導体素子がユニポーラ形のトランジスタの場合には、ＮＴＣサーミスタは、そのトランジスタのソースとドレインのいずれか一方と直列に接続されていることが好ましい。
また、ＩＧＢＴ１４（半導体素子）とＰＴＣサーミスタ１６は、絶縁導熱部材１８を介さずに直接に接触していてもよい。或いは、いなくともよい、ＩＧＢＴ１４（半導体素子）とＰＴＣサーミスタ１６は接触していなくとも、熱伝導可能に配置されていればよい。
【００２６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施例の半導体装置の回路図である。
【図２】ＮＴＣサーミスタの抵抗の温度特性のグラフである。
【図３】ＰＴＣサーミスタの抵抗の温度特性のグラフである。
【図４】第２実施例の半導体装置の回路図である。
【符号の説明】
【００２８】
１２：ＮＴＣサーミスタ
１４：ＩＧＢＴ
１６：ＰＴＣサーミスタ
１８：絶縁導熱部材
４０：外部装置
４２：モータ
４４：電源
５０：制御装置
１００、２００：半導体装置
【図１】
2008218681.tif 000003
【図２】
2008218681.tif 000004
【図３】
2008218681.tif 000005
【図４】
2008218681.tif 000006