(57)【要約】【課題】ＩＧＢＴのターンオフ時のスイッチング損失を低減する。【解決手段】半導体装置１は、ＩＧＢＴ１０と、ＩＧＢＴ１０のドリフト領域とエミッタ電極１０Ｅ又はアースＧとの間に接続され、ドリフト領域の蓄積キャリアを放電する光起電力発生回路２０と、ＩＧＢＴ１０のターンオフ時に光起電力発生回路１０に光を照射する発光回路３０を備える。【選択図】図２
2016063265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＧＢＴと、
前記ＩＧＢＴのドリフト領域とエミッタ電極又はアースとの間に接続され、前記ドリフト領域の蓄積キャリアを放電する光起電力発生回路と、
前記ＩＧＢＴのターンオフ時に前記光起電力発生回路に光を照射する発光回路を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記光起電力発生回路は、前記ＩＧＢＴのドリフト領域側にコレクタ領域が接続され前記ＩＧＢＴのエミッタ電極側又はアース側にエミッタ領域が接続されるＮＰＮ型フォトトランジスタを備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記光起電力発生回路は、前記ＮＰＮ型フォトトランジスタのエミッタ領域側にアノードが接続されコレクタ領域側にカソードが接続される還流用フォトダイオードを備えることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記発光回路は、前記ＩＧＢＴのターンオフ後初期に前記ＮＰＮ型フォトトランジスタに光を照射し、その後前記環流用フォトダイオードに光を照射することを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ＩＧＢＴのゲート電極に接続されるＩＧＢＴ駆動回路を備え、
前記ＩＧＢＴ駆動回路は、駆動用光起電力発生回路と前記ＩＧＢＴのターンオン時に前記駆動用光起電力発生回路に光を照射する駆動用オン時発光回路を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された半導体装置。
【請求項６】
前記ＩＧＢＴ駆動回路は、前記ＩＧＢＴのゲート電極とアース間に接続されるゲート放電用光起電力発生回路と、前記ＩＧＢＴのターンオフ時に前記ゲート放電用光起電力発生回路に光を照射する駆動用オフ時発光回路とを備えることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴとそのスイッチング損失を低減する回路とを備える半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）は、バイポーラパワートランジスタの高耐圧・大電流特性とＭＯＳＦＥＴの高速スイッチング特性を兼ね備えた、高耐圧・低損失・高速スイッチングを特徴とする汎用性の高いパワー半導体デバイスである。このＩＧＢＴは、更なる高耐圧・大容量化の実現と更なる高周波数化の実現により用途別に細分化された性能向上を図ることで、活躍の領域を更に広げる可能性を持っている。
【０００３】
高周波数化に着目した場合、ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴと同様に，ゲートの電圧制御によってコレクタ電極とエミッタ電極間を流れる電流を高速スイッチングすることができるものであるが、ＭＯＳＦＥＴと比較すると、蓄積キャリアの影響による遅れ時間が存在し、この遅れ時間が更なる高周波数化を妨げる一つの要因になっている。
【０００４】
ＩＧＢＴのターンオン時は、ドリフト領域と呼ばれるＰＮＰ型バイポーラトランジスタ部分のｎ層で正孔の注入時間分の遅れ時間が発生するが、ターンオフ時は、オン時より長めの遅れ時間が発生する。ＩＧＢＴをターンオフするとコレクタ電流は先ず急激に減少しその後ある時点から緩やかなカーブを描いて減少する。これをテール電流と呼ぶ。テール電流は、ｎベース層に注入された正孔がｎ層中で自然消滅する時間に流れる電流であり、テール電流が収まるまでの時間が比較的長い遅れ時間になっている。
【０００５】
このようなターンオフ時のテール電流で生じる遅れ時間を低減するための提案として、下記特許文献１に記載された従来技術は、半導体装置のアクティブ領域にＩＧＢＴ形成領域とショットキーダイオード形成領域を設け、ショットキーダイオードを介してターンオフ時の蓄積キャリアを放出することで、テール電流で生じる遅れ時間を低減させることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１４６６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１は、ＩＧＢＴのターンオフ時波形（コレクタ電流ＩCとコレクタ電圧ＶCの時間変化）を示している。コレクタ電流ＩCは、横軸の時刻ｔがｔ0においてＩＧＢＴがオフになると減少し始め、時刻ｔ1の前後で急激に減少した後、減少が緩やかになって時刻ｔ2まで徐々に減少していく。この時刻ｔ1からｔ2の期間の電流をテール電流と呼んでいる。
【０００８】
ここで、ターンオフ時のコレクタ電流ＩCは、オフ時の値ＩC1から時刻ｔ1直後の値ＩC2までは急激に減少するので、従来技術のように、ＩＧＢＴのコレクタ側に一体に設けたショットキーダイオードを介して蓄積キャリアを放出しようとしても、蓄積キャリアの電位差がすぐにショットキーダイオードの駆動電位を下回ってしまい、効果的にテール電流を放出することができない問題が生じる。
【０００９】
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、ターンオフ時の蓄積キャリアをこの蓄積キャリアの電位差が小さい場合にも効果的に放電させて、テール電流による遅れ時間を減少させ、ＩＧＢＴのターンオフ時のスイッチング損失を低減すること、等が本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明による半導体装置は、以下の構成を具備するものである。
ＩＧＢＴと、前記ＩＧＢＴのドリフト領域とエミッタ電極又はアースとの間に接続され、前記ドリフト領域の蓄積キャリアを放電する光起電力発生回路と、前記ＩＧＢＴのターンオフ時に前記光起電力発生回路に光を照射する発光回路を備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【００１１】
このような特徴を備える半導体装置は、ＩＧＢＴのドリフト領域の蓄積キャリアを光起電力効果によって効果的に放電することができるので、テール電流によるＩＧＢＴのターンオフ時におけるスイッチング損失を低減することが可能になり、ＩＧＢＴの更なる高周波数化と低消費電力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ＩＧＢＴのターンオフ時波形（コレクタ電流ＩCとコレクタ電圧ＶCの時間変化）を示した説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の電気的等価回路を示す説明図である。
【図３】本発明実施形態に係る蓄積キャリア放電回路の動作原理を説明する説明図（（ａ）が動作原理を示した回路図、（ｂ）がコンデンサの電圧に対する電流依存性を示すグラフ）である。
【図４】本発明実施形態に係る蓄積キャリア放電回路の動作を説明する説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体装置が備えるＩＧＢＴ駆動回路の構成例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図２は、本発明の実施形態に係る半導体装置の電気的等価回路を示す説明図である。半導体装置１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１０を備える。ＩＧＢＴ１０は、等価回路としては、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ１１とＮチャネルのＭＯＳトランジスタ１２によって構成される。バイポーラトランジスタ１１は、そのエミッタ領域１１ＥがＩＧＢＴ１０のコレクタ電極端子１０Ｃに接続されており、そのコレクタ領域１１ＣがＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０Ｅに接続されている。ＭＯＳトランジスタ１２は、そのソース１２ＳがＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０Ｅ又はアースＧに接続されており、そのドレイン１２Ｄがバイポーラトランジスタ１１のベース１１Ｂに接続されている。そして、ＭＯＳトランジスタ１２のゲート１２ＧはＩＧＢＴ１０のゲート電極端子１０Ｇになり、このゲート電極端子１０Ｇに後述するＩＧＢＴ駆動回路からの駆動信号が入力する。
【００１４】
等価回路において、ＩＧＢＴ１０のドリフト領域に蓄積された電荷はコンデンサ１４として、ゲートに蓄積された電荷はコンデンサ１５で表すことができる。コンデンサ１４はバイポーラトランジスタ１１のベース１１Ｂの側に正電荷が蓄積され、ＭＯＳトランジスタ１２のソース１２Ｓ側に負電荷が蓄積されている。コンデンサ１５はＭＯＳトランジスタ１２のゲート１２Ｇ側に正電荷が蓄積され、ＭＯＳトランジスタ１２のドレイン１２Ｄ側に負電荷が蓄積されている。
【００１５】
また、図示の例では、ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０Ｅとコレクタ電極端子１０Ｃとの間に、エミッタ電極１０Ｅ側にアノードが接続されコレクタ電極端子１０Ｃ側にカソードが接続されるＰＮ接合ダイオード１３が接続されている。ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０Ｅとコレクタ電極端子１０Ｃにはそれぞれ接続端子１０Ｓ１，１０Ｓ２が設けられている。コレクタ電極端子１０Ｃには作動電圧ＶCC1が入力されている。
【００１６】
半導体装置１は蓄電キャリア放電回路２を備えており、この蓄電キャリア放電回路２は、蓄電キャリア放電用の光起電力発生回路２０と蓄電キャリア放電用の発光回路３０を備えている。図示の例では、光起電力発生回路２０は、ＩＧＢＴ１０のドリフト領域側にコレクタ領域２１Ｃが接続され、ＩＧＢＴ１０のエミッタ電極１０Ｅ側又はアースＧ側にエミッタ領域２１Ｅが接続されるＮＰＮ型のフォトトランジスタ２１を備えている。また、光起電力発生回路２０は、フォトトランジスタ２１と直列に接続されたＮＰＮ型のフォトトランジスタ２２を備えており、このフォトトランジスタ２２のエミッタ領域２２Ｅがフォトトランジスタ２１のコレクタ領域２１Ｃに接続され、フォトトランジスタ２２のコレクタ領域２２Ｃには作動電圧入力端子２０Ｓが接続され、作動電圧入力端子２０Ｓには作動電圧ＶCC2が入力されている。
【００１７】
また、光起電力発生回路２０は、フォトトランジスタ２１のエミッタ領域２１Ｅ側にアノードが接続されコレクタ領域２１Ｃ側にカソードが接続される還流用フォトダイオード２３を備えている。この還流用フォトダイオード２３には、必要に応じてＰＮ接合ダイオード２４を同じ順方向で直列接続することができる。
【００１８】
蓄電キャリア放電用の発光回路３０は、発光ダイオード３１，３２を備えており、単数又は複数の発光ダイオード３１で蓄電キャリア放電用のフォトトランジスタ２１，２２に光を照射し、単数又は複数の発光ダイオード３２で還流用フォトダイオード２３に光を照射することができるように配備されている。
【００１９】
このような蓄積キャリア放電回路２の動作原理を図３によって説明する。図３（ａ）に示した回路では、フォトダイオード１０１、フォトトランジスタ１０２と充電されたコンデンサ１０３が並列接続され、フォトダイオード１０１とフォトトランジスタ１０２には一定量の光が照射されている。このような回路では、コンデンサ１０３の電圧に応じてフォトダイオード１０１には電流Ｉｐ、フォトトランジスタ１０２には電流Ｉｄが流れることになる。図３（ｂ）はコンデンサ１０３の電圧に対する電流依存性を示すグラフである。Ｉｄはトランジスタのコレクタ−エミッタ電圧とコレクタ電流の関係となり、Ｉｐはフォトダイオードの逆バイアス特性と同様になる。したがって、コンデンサ１０３の電圧（蓄積された電荷量）が大きいときにはフォトトランジスタ１０２によって、小さいときにはフォトダイオード１０１によってコンデンサの放電を行うことが効率的である。
【００２０】
本発明の実施形態に係る蓄電キャリア放電回路２は、図３に示す動作原理を利用しており、その動作を図４を用いて説明する。図４において、実線は、蓄電キャリア放電回路２がある場合、破線は蓄電キャリア放電回路２を設けていない場合のＩＧＢＴ１０のターンオフ後のコレクタ電流Ｉｃの変化を示している。
【００２１】
ＩＧＢＴ１０のターンオフ後の時刻ｔ0からｔ1まで、発光回路３０の発光ダイオード３１を発光させて、光起電力発生回路２０のフォトトランジスタ２１，２２に光を照射することで、フォトトランジスタ２１，２２の光起電力効果によってＩＧＢＴ１０のコンデンサ１４に蓄積された電荷（ドリフト領域における蓄積キャリア）をアースＧ又はエミッタ電極１０Ｅ側に逃がす。次に、時刻ｔ2からｔ3まで、発光ダイオード３２を発光させて、還流用フォトダイオード２３の光起電力効果によってＩＧＢＴ１０のコンデンサ１４に蓄積された電荷をアースＧ又はエミッタ電極１０Ｅ側に逃がす。このように蓄積された電荷量が大きいターンオフ後の初期にはフォトトランジスタ２１，２２の光起電力効果を利用して蓄積電荷を放電させ、蓄積された電荷量が小さくなったその後の放電に還流用フォトダイオード２３の光起電力効果を利用することで効率的にドリフト領域の蓄電キャリアを放電させることができる。これによると、ターンオフ時にドリフト領域の蓄積キャリアを速やかに消失させることができ、テール電流によるスイッチング損失を効果的に低減することができる。なお、本発明の実施形態において、ｔ1とｔ2は同時刻であるが、異なる時刻であっても構わない。
【００２２】
図５は、本発明の実施形態に係る半導体装置のＩＧＢＴ駆動回路の構成例を示している。ＩＧＢＴ駆動回路３の出力端子３ＳはＩＧＢＴ１０のゲート電極端子１０Ｇに接続され、ＩＧＢＴ駆動回路３が出力する駆動信号によってＩＧＢＴ１０の駆動制御がなされる。
【００２３】
ＩＧＢＴ駆動回路３は、光起電力発生回路４０と発光回路５０を備えている。光起電力発生回路４０は、ＮＰＮ型のフォトトランジスタ４１，４２と還流用フォトダイオード４３を備えており、駆動電圧ＶCC3の入力端子４０Ｓにフォトトランジスタ４１のコレクタ領域４１Ｃが接続され、フォトトランジスタ４１のエミッタ領域４１Ｅにフォトトランジスタ４２のコレクタ領域４２Ｃが接続されている。フォトトランジスタ４２のエミッタ領域４２Ｅには、アースＧ及び還流用フォトダイオード４３のアノードが接続され、還流用フォトダイオード４３のカソードはフォトトランジスタ４２のコレクタ領域４２Ｃ及び出力端子３Ｓに接続されている。
【００２４】
これに対して、発光回路５０は、単数又は複数の発光ダイオード５１，５２を備えており、例えば、発光ダイオード５１にて発光した光がフォトトランジスタ４１に照射され、発光ダイオード５２にて発光した光がフォトトランジスタ４２及び還流用フォトダイオード４３に照射されるように、発光ダイオード５１，５２が配置されている。
【００２５】
このようなＩＧＢＴ駆動回路３は、フォトトランジスタ４１によって駆動用光起電力発生回路が構成されており、発光ダイオード５１によって駆動用オン時発光回路が構成されている。すなわち、発光ダイオード５１は、ＩＧＢＴ１０のターンオン時に発光してフォトトランジスタ４１に光を照射し、フォトトランジスタ４１は、ＩＧＢＴ１０のターンオン時に照射された光による光起電力効果で入力端子４０Ｓに入力される駆動電圧ＶCC3を出力端子３Ｓを介してＩＧＢＴ１０のゲート電極端子１０Ｇに入力する。半導体装置１は、このような光駆動方式を採用することができる。
【００２６】
また、ＩＧＢＴ駆動回路３は、フォトトランジスタ４２及び還流用フォトダイオード４３によってゲート放電用の光起電力発生回路が構成されており、発光ダイオード５２によって駆動用オフ時発光回路が構成されている。すなわち、発光ダイオード５２は、ＩＧＢＴ１０のターンオフ時に発光してフォトトランジスタ４２及び還流用フォトダイオード４３に光を照射し、フォトトランジスタ４２及び還流用フォトダイオード４３は、ＩＧＢＴ１０のターンオフ時に照射された光による光起電力効果によって、出力端子３Ｓに接続されるゲート電極端子１０Ｇに溜まった電荷を効果的にアースＧに放電させることができる。このようなゲート電荷の放電を加えることでターンオフ時のテール電流によるスイッチング損失を更に効果的に低減することができる。
【００２７】
なお、本発明の実施形態では単一の発光ダイオード５２でフォトトランジスタ４２と還流用フォトダイオード４３の両方を照射しているが、ドリフト領域に溜まった電荷を放電する場合と同様に、複数の発光ダイオードを用いてフォトトランジスタ４２と還流用フォトダイオード４３を個別のタイミングで照射してもよい。
【００２８】
このように、本発明の実施形態に係る半導体装置１は、ＩＧＢＴ１０のドリフト領域とエミッタ電極１０Ｅ間にフォトトランジスタ２２，２１と還流用フォトダイオード２３を備える光起電力発生回路２０を接続することで、ターンオフ時のドリフト領域における蓄積キャリアをフォトトランジスタ２２，２１と還流用フォトダイオード２３の光起電力効果によって速やかにアースＧ又はエミッタ電極１０Ｅに逃がすことができる。これによって、テール電流によるスイッチング損失を効果的に低減することができる。
【００２９】
また、本発明の実施形態に係る半導体装置１は、ＩＧＢＴ１０のゲート電極端子１０Ｇにフォトトランジスタ４２と還流用フォトダイオード４３を備えるゲート放電用の光起電力発生回路を接続しているので、ターンオフ時のゲート電荷をフォトトランジスタ４２と還流用フォトダイオード４３の光起電力効果によって速やかにアースＧに放電することができる。これによっても、テール電流によるスイッチング損失を更に低減することができる。
【００３０】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る半導体装置１は、ＩＧＢＴ１０のスイッチング損失を効果的に低減することができるので、動作周波数の向上が可能になる。また、従来のＩＧＢＴを含む半導体装置は、テール電流がエネルギーロスになって消費電力を増大させていたが、本発明の実施形態に係る半導体装置１は、スイッチング損失の低減によって消費電力の削減が可能になる。このように、本発明の実施形態に係る半導体装置は、ＩＧＢＴを含むパワー半導体デバイスの高周波数化と低消費電力化を実現することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１：半導体装置，２：蓄積キャリア放電回路，３：ＩＧＢＴ駆動回路，
１０：ＩＧＢＴ，
１１：バイポーラトランジスタ，１２：ＭＯＳトランジスタ，
１３，２４：ＰＮ接合ダイオード，
２０，４０：光起電力発生回路，３０，５０：発光回路，
２１，２２，４１，４２：フォトトランジスタ，
２３，４３：還流用フォトダイオード，
３１，３２，５１，５２：発光ダイオード，
Ｇ：アース
【図１】
2016063265.tif 000003
【図２】
2016063265.tif 000004
【図３】
2016063265.tif 000005
【図４】
2016063265.tif 000006
【図５】
2016063265.tif 000007