(57)【要約】【課題】サーマルシャットダウン回路を備えた半導体装置において、少なくとも動作保証温度領域での消費電流の低減を図る。【解決手段】サーマルシャットダウン回路１に電源を供給するための電源配線１１にスイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７が設けられている。トランジスタ１７のゲート電極はＧＮＤ配線１５に接続されている。トランジスタ１７のしきい値電圧は、半導体装置の動作保証温度領域ではチャネル電流を流さず、かつ、所定の高温度領域ではサーマルシャットダウン回路１を動作させることができるリーク電流を発生させる値に設定されている【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度を検出し、所定の温度領域以上で装置機能を停止させるサーマルシャットダウン回路を備えた半導体装置において、
前記サーマルシャットダウン回路に電源を供給するための配線にスイッチ用ＭＯＳトランジスタを備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記スイッチ用ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧は、半導体装置の動作保証温度領域ではチャネル電流を流さず、かつ、装置機能を停止させたい高温度領域では前記サーマルシャットダウン回路を動作させることができるリーク電流を発生させる値に設定されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記スイッチ用ＭＯＳトランジスタは、ゲート電位を接地電位にしたＮチャネルＭＯＳトランジスタ、又はゲート電位を電源電位に固定したＰチャネルＭＯＳトランジスタにより構成されている請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記サーマルシャットダウン回路の他、入力電圧を分割して分割電圧を供給するための分割抵抗、基準電圧を供給するための基準電圧発生回路と前記分割抵抗からの分割電圧、及び前記基準電圧発生回路からの基準電圧を比較するための比較回路を備えた電圧検出回路、もしくは、入力電圧の出力を制御する出力ドライバ、出力電圧を分割して分割電圧を供給するための分割抵抗、基準電圧を供給するための基準電圧発生回路と前記分割抵抗からの分割電圧、及び前記基準電圧発生回路からの基準電圧を比較し、比較結果に応じて前記出力ドライバの動作を制御するための比較回路を備えた定電圧発生回路、又はその両方をさらに備えている請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度を検出し、所定の温度領域以上で装置機能を停止させるサーマルシャットダウン回路を備えた半導体装置に関するものである。
このような半導体装置は例えば電源ＩＣ（集積回路）などに使用される。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、高動作電圧及び大動作電流の半導体装置においては、動作中に半導体装置そのものが高温になることによる半導体装置自体の破壊が懸念されるので、装置保護のためのサーマルシャットダウン回路が搭載されていることが多い。
【０００３】
サーマルシャットダウン回路は半導体装置自体の動作時の発熱により、ある設定温度（例えば１３０℃）以上になった場合に半導体装置の各回路の動作を中止させ、出力端子に温度異常が発生したことを知らせる信号を出力するものである。
このようなサーマルシャットダウン回路の従来技術のひとつとして、ＰＮ接合の順方向電流の温度特性を利用したものがある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００４】
図５に温度検出素子の一例としてのＮＰＮバイポーラトランジスタの断面図を示す。
Ｐ型半導体基板（Ｐ−ｓｕｂ）３３の表面側にＮウェル領域（Ｎ−ｗｅｌｌ）３５が形成されている。Ｎウェル領域３５内にＮＰＮバイポーラトランジスタのベース（Ｂａｓｅ）３７を構成するＰ型領域（Ｐ−）が形成されている。Ｐ型領ベース３７内にＮＰＮバイポーラトランジスタのエミッタ（Ｅｍｉｔｔｅｒ）３９を構成するＮ型領域（Ｎ＋）が形成されている。Ｎウェル領域３５内には、素子分離用のＬＯＣＯＳ（ｌｏｃａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ）酸化膜４１によってベース３７とは電気的に分離された、ＮＰＮバイポーラトランジスタのコレクタ（Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）４３を構成するＮ型領域（Ｎ＋）が形成されている。
【０００５】
ＮＰＮバイポーラトランジスタのベース３７とコレクタ４３を電気的に接続し、エミッタ７に数μＡ（マイクロアンペア）、例えば１μＡの定電流を流した時、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥは約０．７〜０．９Ｖ（ボルト）になる。
ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥは温度に対して直線的に変化し、その変化率は約−２ｍＶ（ミリボルト）／℃で一定である。この温度特性を利用し、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥと所定の基準電圧をコンパレータ回路で比較し、所定の基準電圧以下になったときに回路全体を停止させる信号を出すことにより、所定の温度以上で回路機能を停止させるサーマルシャットダウン機能を実現することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２４６８７６号公報
【特許文献２】
特開平１０−２０１０８０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
例えば電池駆動などの携帯機器の部品として使用される電源ＩＣにおいては、電池の寿命や充電回数の低減の観点から、スタンバイ時の消費電流が大きな問題になっている。
しかし、上記で説明したようなサーマルシャットダウン回路においては、ＩＣがスタンバイ状態であっても数μＡの電流を流し続けながら温度を監視する構成になっているので、スタンバイ時の消費電流増大の一因となっている。
【０００８】
そこで本発明は、サーマルシャットダウン回路を備えた半導体装置において、少なくとも動作保証温度領域での消費電流の低減を図ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、温度を検出し、所定の温度領域以上で装置機能を停止させるサーマルシャットダウン回路を備えたものであって、上記サーマルシャットダウン回路に電源を供給するための配線にスイッチ用ＭＯＳトランジスタを備えているものである。
【００１０】
半導体装置の動作保証温度領域ではスイッチ用ＭＯＳトランジスタをオフ状態にしてサーマルシャットダウン回路への電源の供給を遮断しておき、装置機能を停止させたい高温度領域ではスイッチ用ＭＯＳトランジスタをオン状態にしてサーマルシャットダウン回路を動作させることにより、動作保証温度領域での消費電流を低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置において、上記スイッチ用ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧は、半導体装置の動作保証温度領域ではチャネル電流を流さず、かつ、装置機能を停止させたい高温度領域では上記サーマルシャットダウン回路を動作させることができるリーク電流を発生させる値に設定されていることが好ましい。
これにより、サーマルシャットダウン回路の動作をオン状態又はオフ状態に自動で切り替えることができる。
【００１２】
上記スイッチ用ＭＯＳトランジスタは、ゲート電位を接地電位にしたＮチャネルＭＯＳトランジスタ（以下ＮｃｈＭＯＳトランジスタと称す）、又はゲート電位を電源電位に固定したＰチャネルＭＯＳトランジスタ（以下ＰｃｈＭＯＳトランジスタと称す）により構成されている例を挙げることができる。
【００１３】
本発明が適用される半導体装置の一例として、上記サーマルシャットダウン回路の他、入力電圧を分割して分割電圧を供給するための分割抵抗、基準電圧を供給するための基準電圧発生回路と上記分割抵抗からの分割電圧、及び上記基準電圧発生回路からの基準電圧を比較するための比較回路を備えた電圧検出回路、もしくは、入力電圧の出力を制御する出力ドライバ、出力電圧を分割して分割電圧を供給するための分割抵抗、基準電圧を供給するための基準電圧発生回路と上記分割抵抗からの分割電圧、及び上記基準電圧発生回路からの基準電圧を比較し、比較結果に応じて上記出力ドライバの動作を制御するための比較回路を備えた定電圧発生回路、又はその両方をさらに備えている電源ＩＣを挙げることができる。
本発明によれば、動作保証温度領域でのサーマルシャットダウン回路の動作を停止させることができるので、本発明を適用した電源ＩＣについて動作保証温度領域での消費電流を低減することができる。
【００１４】
【実施例】
図１は本発明を電源ＩＣに適用した一実施例を示すブロック図である。
サーマルシャットダウン回路１、定電圧発生回路３、電圧検出回路５及び論理回路７が設けられている。各回路１，３，５，７は、直流電源（Ｖｃｃ）９につながる電源配線１１と、ＧＮＤ（接地電位）１３につながるＧＮＤ配線１５が接続されている。サーマルシャットダウン回路１と電源配線１１の間にスイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７が設けられている。スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７のゲート電極はＧＮＤ配線１５に接続されている。
【００１５】
図２は定電圧発生回路３の一例を示す回路図である。
定電圧発生回路３は、電源配線１１を介して直流電源９に接続される入力端子１９、基準電圧源としての基準電圧発生回路（Ｖｒｅｆ）２１、演算増幅器２３、出力ドライバを構成するＰｃｈＭＯＳトランジスタ２５、分割抵抗Ｒ１，Ｒ２及び出力端子（Ｖｏｕｔ）２７を備えている。
【００１６】
定電圧発生回路１７の演算増幅器２３は、出力端子がＰｃｈＭＯＳトランジスタ２５のゲート電極に接続され、反転入力端子に基準電圧発生回路２１から基準電圧Ｖｒｅｆが印加され、非反転入力端子に出力電圧Ｖｏｕｔを分割抵抗Ｒ１とＲ２で分割した電圧が印加され、分割抵抗Ｒ１，Ｒ２からの分割電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに等しくなるように制御される。
【００１７】
図３は電圧検出回路５の一例を示す回路図である。
電圧検出回路５において、２３は演算増幅器で、その反転入力端子に基準電圧発生回路２１が接続され、基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。入力端子２９から入力される測定すべき端子の電圧、ここでは電源配線１１を介して接続された直流電源９の電圧が分割抵抗Ｒ１とＲ２によって分割されて演算増幅器２３の非反転入力端子に入力される。演算増幅器２３の出力は出力端子（Ｖｏｕｔ）３１を介して外部に出力される。
【００１８】
電圧検出回路５では、測定すべき端子の電圧が高く、分割抵抗Ｒ１とＲ２により分割された電圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高いときは演算増幅器２３の出力がＨレベルを維持し、直流電源９の電圧が降下してきて分割抵抗Ｒ１とＲ２により分割された電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ以下になってくると演算増幅器２３の出力がＬレベルになる。
【００１９】
図１に戻って説明を続ける。
スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７のしきい値電圧は、通常の半導体製造工程によるトランジスタチャネル部の不純物濃度の調整により、例えば２５℃で０．５０Ｖに作り込まれている。
サーマルシャットダウン回路１は例えば１μＡ以上の電流で動作するように設計されている。
【００２０】
スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７のしきい値電圧を０．５０Ｖに設定した場合、ゲート電圧をＧＮＤ、ドレイン電圧を電源電圧にしたときのオフリーク電流は、通常の半導体装置の動作保証温度範囲（例えば−４５〜８５℃）においては１００ｐＡ（ピコアンペア）以下である。例えば、ゲート長＝３μｍ、トランジスタ幅＝１０００μｍ、温度＝８５℃、ゲート電圧Ｖｇ＝ＧＮＤ、ドレイン電圧Ｖｄ＝５Ｖのとき、オフリーク電流は５０ｐＡ程度である。
【００２１】
通常の半導体装置の動作保証温度範囲では、電源配線１１とサーマルシャットダウン回路１の間に接続したスイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７はオフ状態であり、サーマルシャットダウン回路１は例えば１μＡ以上の電流で動作するように設計されているので、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７から５０ｐＡ程度のリーク電流が供給されても動作しない。
【００２２】
したがって、通常の半導体装置の動作保証温度範囲では、サーマルシャットダウン回路１には全く電流が流れないため、回路全体のスタンバイ電流に全く寄与せず、従来のサーマルシャットダウン回路搭載の半導体装置よりも低いスタンバイ電流を実現できる。言い換えれば、スタンバイ電流を増加することなく、サーマルシャットダウン回路を搭載することができる。
【００２３】
また、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７のしきい値電圧は温度上昇に伴って約−２ｍＶ／℃の係数で低下していく。さらに、ドレインを構成する不純物領域には電源電圧が印加され、基板との間に逆方向接合リークが生じる。この接合リークも温度上昇に伴って増大していく。半導体装置が自己発熱などによって高温になり、装置自体の破壊の懸念のある高温度領域に近づいた場合、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７のリーク電流は、しきい値電圧の低下と逆方向接合リークの増大に伴って増えていき、例えば１３０℃でリーク電流は数μＡ程度まで達する。
【００２４】
スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７のリーク電流が１μＡ以上になると、サーマルシャットダウン回路１が動作し始め、サーマルシャットダウン回路１は温度検出素子、例えば図５に示したＮＰＮトランジスタのベース−エミッタ間電圧ＶＢＥを監視する。そして、所定の温度、例えば１５０℃に対応するベース−エミッタ間電圧ＶＢＥを検出した時に、定電圧発生回路３、電圧検出回路５及び論理回路７の回路機能を停止させ、温度異常の信号を出力する。
【００２５】
このように、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７により、半導体装置の動作保証温度範囲では電源供給を停止してサーマルシャットダウン回路１の動作を停止させ、所定の高温度領域では電源を供給してサーマルシャットダウン回路１を動作させることにより、自己発熱による温度上昇に起因して半導体装置が破壊されるのを防止しつつ、動作保証温度範囲内での消費電流量を低減することができる。
【００２６】
また、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７の２５℃でのしきい値電圧を変えることにより、サーマルシャットダウン回路の動作開始温度を任意の値に設定することができる。
【００２７】
図４にＮｃｈＭＯＳトランジスタについて、２５℃のしきい値電圧をの設定を変化させ、それぞれ９０℃でのリーク電流が１００ｎＡになるようにトランジスタ幅を設定した時の、１１０℃、１３０℃、１５０℃のリーク電流の変動を示した実測データを示す。ＮｃｈＭＯＳトランジスタとしてチャネル長が７μｍ、チャネル幅が６００μｍのものを用い、ゲート電圧を０Ｖ、ドレイン電圧を５０Ｖの条件で測定を行った。
【００２８】
図４から分かるように、２５℃でのしきい値電圧の設定が高くなるにつれて、高温度領域でのリーク電流が大きくなっていく。図４のデータに基づけば、サーマルシャットダウン回路が例えば１μＡで動作するように設計されている場合、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７の２５℃でのしきい値電圧を０．７Ｖ程度に設定することでサーマルシャットダウン回路を１３０℃近辺から動作させることができる。
【００２９】
また、２５℃でのしきい値電圧の設定を０．５Ｖ程度に変更することで、サーマルシャットダウン回路は１３０℃近辺では動作せず、１５０℃近辺から動作させることが可能である。
また、スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ１７の２５℃でのしきい値電圧を一定にしておいて、サーマルシャットダウン回路が動作し始める電流値の設計を変えることで、動作開始温度を自由に変更することも可能である。
【００３０】
上記の実施例では、電源−サーマルシャットダウン回路間に接続するスイッチ用ＭＯＳトランジスタにとしてＮｃｈＭＯＳトランジスタを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、スイッチ用ＭＯＳトランジスタとしてＰｃｈＭＯＳトランジスタを用いることもできる。その場合、ゲート電極は電源電圧電位に固定される。
【００３１】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に記載された半導体装置では、サーマルシャットダウン回路を備えた半導体装置において、サーマルシャットダウン回路に電源を供給するための配線にスイッチ用ＭＯＳトランジスタを備えているようにしたので、半導体装置の動作保証温度領域ではスイッチ用ＭＯＳトランジスタをオフ状態にしてサーマルシャットダウン回路への電源の供給を遮断しておき、装置機能を停止させたい高温度領域ではスイッチ用ＭＯＳトランジスタをオン状態にしてサーマルシャットダウン回路を動作させることにより、動作保証温度領域での消費電流を低減することができる。
【００３３】
請求項２及び３に記載された半導体装置では、スイッチ用ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧は、半導体装置の動作保証温度領域ではチャネル電流を流さず、かつ、装置機能を停止させたい高温度領域ではサーマルシャットダウン回路を動作させることができるリーク電流を発生させる値に設定されているようにしたので、サーマルシャットダウン回路の動作をオン状態又はオフ状態に自動で切り替えることができる。
【００３４】
請求項４に記載された半導体装置では、サーマルシャットダウン回路の他、電圧検出回路もしくは定電圧発生回路又はその両方をさらに備えている電源ＩＣに本発明の半導体装置を適用するようにしたので、動作保証温度領域でのサーマルシャットダウン回路の動作を停止させることができ、上記電源ＩＣについて動作保証温度領域での消費電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電源ＩＣに適用した一実施例を示すブロック図である。
【図２】同実施例の一部分を構成する定電圧発生回路の一例を示す回路図である。
【図３】同実施例の一部分を構成する電圧検出回路の一例を示す回路図である。
【図４】ＮｃｈＭＯＳトランジスタについての、２５℃でのしきい値電圧と高温領域でのオフリーク電流（Ｉｏｆｆ）の関係を示すデータであり、横軸はしきい値電圧（Ｖ）、縦軸はオフリーク電流（Ａ）を示す。
【図５】サーマルシャットダウン回路の温度検出素子の一例としてのＮＰＮバイポーラトランジスタを示す断面図である。
【符号の説明】
１      サーマルシャットダウン回路
３      定電圧発生回路
５      電圧検出回路
７      論理回路
９      直流電源
１１      電源配線
１３      ＧＮＤ（接地電位）
１５      ＧＮＤ配線
１７      スイッチ用ＮｃｈＭＯＳトランジスタ
１９      入力端子
２１      基準電圧発生回路
２３      演算増幅器
２５      出力ドライバ用のＰｃｈＭＯＳトランジスタ
２７      出力端子
２９      入力端子
３１      出力端子
Ｒ１，Ｒ２    分割抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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