JP4702001B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置に係り、詳しくは、基板電位を独立に制御可能な絶縁ゲート型トランジスタを備えた半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including an insulated gate transistor capable of independently controlling a substrate potential.
従来より、パワーMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのソースまたはエミッタセルの外部に設けたボディコンタクト領域から延びる基板電位専用電極に基板電位を制御する基板電位制御回路を接続し、この基板電位制御回路が、ゲート電極と基板の電位差をトランジスタのオン・オフで一定とする電圧を加え、トランジスタ・オフ時に基板に逆バイアスをかけるようにした技術が開示されている(特許文献1参照)。
特許文献1の技術では、基板電位とソースの電位を独立に制御し、ゲートと基板の電位差をトランジスタのオン・オフで一定として、トランジスタ・オフ時に基板に逆バイアスをかけることにより、ゲートと基板との間に形成された寄生容量での充放電を無くし、ターンオン時間とターンオフ時間を短くしてスイッチングの遅れを小さくすることでスイッチング特性を向上させている。
In the technique of
しかし、特許文献1の技術でも、トランジスタのターンオフ時には、ゲートとドレインとの間に形成された寄生容量に蓄積された電荷を引き抜くのに時間がかかるため、ターンオフ時間を十分に短くすることができないという問題があった。
However, even in the technique of
尚、特許文献1には、ゲートと基板の電位差をトランジスタのオン・オフで一定とする電圧を加えることにより、スイッチング特性を向上させることができると記載されている。
また、特許文献1には、トランジスタ・オフ時に基板に逆バイアスをかけることにより、しきい値電圧の最適化を図ることができると記載されている。
Note that
すなわち、特許文献1の記載は、ゲート電極と基板の電位差をトランジスタのオン・オフで一定とする技術と、トランジスタ・オフ時に基板に逆バイアスをかける技術とが、全く異なる技術であるとの誤解を招くものである。
しかし、ゲート電極と基板の電位差をトランジスタのオン・オフで一定とすれば、トランジスタ・オフ時に基板に逆バイアスをかけることになる。
但し、トランジスタ・オフ時に基板に逆バイアスをかける場合に、ゲート電極と基板の電位差をトランジスタのオン・オフで一定とする必要はない。
That is, the description in
However, if the potential difference between the gate electrode and the substrate is constant when the transistor is turned on and off, a reverse bias is applied to the substrate when the transistor is turned off.
However, when a reverse bias is applied to the substrate when the transistor is turned off, the potential difference between the gate electrode and the substrate does not need to be constant depending on whether the transistor is turned on or off.
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、その目的は、ターンオフ時間を短くし、スイッチングによる発熱を抑えることが可能な絶縁ゲート型トランジスタを備えた半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device including an insulated gate transistor capable of shortening the turn-off time and suppressing heat generation due to switching. is there.
請求項1に記載の発明は、
ゲートが絶縁された絶縁ゲート型トランジスタ(Tp,Tn)と、
そのトランジスタの基板電位(VB)を制御する基板電位制御回路(14,32)と
を備えた半導体装置(10,30)であって、
前記基板電位制御回路は、
前記トランジスタのターンオフ時に、当該トランジスタのしきい値電圧(Vt)と当該トランジスタのゲートに入力される電圧(Vin)との電位差の絶対値(|Vt−Vin|)が大きくなるように前記基板電位を制御することにより、当該トランジスタの基板に逆バイアスをかけ、
その逆バイアスをかけるタイミング(t4)を、当該トランジスタのターンオンが完了した時点(t3)以降で、且つ、当該トランジスタのゲートに入力される電圧(Vin)が当該トランジスタをオフさせるレベルに切り替わる時点(t5)以前に設定することを技術的特徴とする。
The invention described in
An insulated gate transistor (Tp, Tn) having an insulated gate;
A semiconductor device (10, 30) comprising a substrate potential control circuit (14, 32) for controlling the substrate potential (VB) of the transistor,
The substrate potential control circuit includes:
When the transistor is turned off, the substrate potential is increased so that the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the threshold voltage (Vt) of the transistor and the voltage (Vin) input to the gate of the transistor increases. By applying a reverse bias to the transistor substrate ,
The timing (t4) at which the reverse bias is applied is after the time point (t3) when the turn-on of the transistor is completed, and when the voltage (Vin) input to the gate of the transistor is switched to a level at which the transistor is turned off ( t5) previously set to be the technical features of the Rukoto.
請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載の半導体装置(10,30)において、
前記基板電位制御回路(14,32)は、前記トランジスタ(Tp,Tn)の基板にかけた逆バイアスを解除するタイミング(t8)を、前記トランジスタのターンオフが完了した時点(t7)以降で、且つ、当該トランジスタのゲートに入力される電圧(Vin)が当該トランジスタを再びオンさせるレベルに切り替わる時点(t9)以前に設定することを技術的特徴とする。
The invention described in claim 2
The semiconductor device (10, 30) according to
The substrate potential control circuit (14, 32) has a timing (t8) for releasing the reverse bias applied to the substrate of the transistor (Tp, Tn) after the time (t7) when the transistor is turned off, and A technical feature is that the voltage (Vin) input to the gate of the transistor is set before the time (t9) when the voltage is switched to a level at which the transistor is turned on again.
請求項3に記載の発明は、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置において、
前記基板電位制御回路(14,32)は、
前記トランジスタ(Tp,Tn)の基板に逆バイアスをかけるための電圧(Vp,Vq)を生成する電圧生成手段(16,34)と、
前記トランジスタのゲートに入力される信号(Vin)を所定の遅延時間(tc)だけ遅延して出力する遅延手段(19)と、
その遅延手段の出力した信号に従い、前記電圧生成手段が生成した電圧を前記トランジスタの基板に印加する電圧印加手段(Tc,Te)と
を備えたことを技術的特徴とする。
The invention according to claim 3
The semiconductor device according to
The substrate potential control circuit (14, 32)
Voltage generating means (16, 34) for generating voltages (Vp, Vq) for applying a reverse bias to the substrate of the transistors (Tp, Tn);
Delay means (19) for delaying and outputting a signal (Vin) input to the gate of the transistor by a predetermined delay time (tc);
The present invention is characterized by comprising voltage application means (Tc, Te) for applying the voltage generated by the voltage generation means to the substrate of the transistor in accordance with the signal output from the delay means.
<請求項1>
絶縁ゲート型トランジスタでは、基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位(エミッタ電位)から見たしきい値電圧の絶対値が上昇する。
<
In an insulated gate transistor, the absolute value of the threshold voltage viewed from the source potential (emitter potential) is increased by applying a reverse bias to the substrate to generate the substrate effect.
例えば、PチャネルMOSトランジスタ(Tp)では、基板電位(VB)を高くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位(Vs)から見たしきい値電圧(Vt)の絶対値を上昇させ、しきい値電圧の実際の値を低下させることができる。
また、NチャネルMOSトランジスタ(Tn)では、基板電位(VB)を低くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位(Vs)から見たしきい値電圧(Vt)の絶対値を上昇させ、しきい値電圧の実際の値を増大させることができる。
For example, in a P-channel MOS transistor (Tp), by raising the substrate potential (VB) to apply a reverse bias to the substrate to generate the substrate effect, the threshold voltage (Vt) viewed from the source potential (Vs) is obtained. ) Can be increased and the actual value of the threshold voltage can be decreased.
In the N-channel MOS transistor (Tn), the substrate potential (VB) is lowered to apply a reverse bias to the substrate to generate a substrate effect, thereby causing a threshold voltage (Vt) viewed from the source potential (Vs). ) Can be increased and the actual value of the threshold voltage can be increased.
ここで、トランジスタのターンオフ時間は、トランジスタのゲートに入力される電圧(Vin)がトランジスタをオフさせるレベルに切り替わる時点(t5)からゲート電位(Vg)がしきい値電圧(Vt)に達する時点(t6)までの第1期間(t5〜t6)と、トランジスタのゲートとドレイン(コレクタ)との間に形成された寄生容量から電荷が引き抜かれて放電される間だけゲート電位が一定になっている第2期間(tb:t6〜t7)とを加算した時間(t5〜t7)である。
このとき、トランジスタのスイッチングによる発熱は第2期間に発生する。
Here, the transistor turn-off time is the time when the gate potential (Vg) reaches the threshold voltage (Vt) from the time (t5) when the voltage (Vin) input to the gate of the transistor is switched to a level for turning off the transistor ( The gate potential is constant only during the first period (t5 to t6) until t6) and during the period when charges are extracted from the parasitic capacitance formed between the gate and drain (collector) of the transistor and discharged. This is a time (t5 to t7) obtained by adding the second period (tb: t6 to t7).
At this time, heat generation due to switching of the transistor occurs in the second period.
そして、第2期間(tb)は、トランジスタのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量を充電するのに必要な電荷量(Qgd)を、しきい値電圧(Vt)とゲートに入力される電圧(Vin)との電位差の絶対値(|Vt−Vin|)で除算した値に比例する(数式1:tb=Qgd×Rg/|Vt−Vin|)。 In the second period (tb), the amount of charge (Qgd) required to charge the parasitic capacitance formed between the gate and drain of the transistor is input to the threshold voltage (Vt) and the gate. It is proportional to the value divided by the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference from the voltage (Vin) (Formula 1: tb = Qgd × Rg / | Vt−Vin |).
請求項1の発明では、トランジスタのターンオフ時に、しきい値電圧(Vt)とゲートに入力される電圧(Vin)との電位差の絶対値(|Vt−Vin|)が大きくなるように基板電位(VB)を制御することにより、トランジスタの基板に逆バイアスをかけている。
そのため、トランジスタの発熱に影響する第2期間(tb)を短くすることが可能になり、トランジスタのターンオフ時間を短くすることができる。
In the first aspect of the present invention, when the transistor is turned off, the substrate potential (Vt−Vin |) is increased so that the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the threshold voltage (Vt) and the voltage (Vin) input to the gate increases. By controlling VB), a reverse bias is applied to the substrate of the transistor.
Therefore, the second period (tb) that affects the heat generation of the transistor can be shortened, and the turn-off time of the transistor can be shortened.
ところで、特許文献1の技術では、ゲート電位(Vg)と基板電位(VB)との電位差をトランジスタのオン・オフで一定として、トランジスタ(Tp,Tn)のオフ時に基板に逆バイアスをかけている。
すなわち、特許文献1の技術では、トランジスタのゲートに入力される電圧(Vin)がトランジスタをオフさせるレベルに切り替わるタイミング(t5)で、基板に逆バイアスをかけている。
By the way, in the technique of
That is, in the technique of
それに対して、請求項1の発明では、トランジスタの基板に逆バイアスをかけるタイミング(t4)を、トランジスタのターンオンが完了した時点(t3)以降で、且つ、ゲートに入力される電圧(Vin)がトランジスタをオフさせるレベルに切り替わる時点(t5)以前に設定している。
On the other hand, in the first aspect of the invention, the timing (t4) for applying the reverse bias to the transistor substrate is the time (t3) after the transistor turn-on is completed and the voltage (Vin) input to the gate is It is set before the time point (t5) when the level is switched to turn off the transistor.
そのため、トランジスタのターンオフ時(t5〜t7)において、ゲートに入力される電圧(Vin)としきい値電圧(Vt)との電位差の絶対値(|Vt−Vin|)は、請求項1の発明に比べて特許文献1の技術の方が小さくなる。
その結果、前記第2期間(tb)は、特許文献1の技術に比べて、請求項1の発明の方が短くなる。
このとき、前記第1期間(t5〜t6)は、特許文献1の技術の方が請求項1の発明よりも僅かに短くなる。しかし、第1期間は第2期間(tb)に比べて短いため、第1期間と第2期間を合わせた時間であるターンオフ時間(t5〜t7)は、特許文献1の技術に比べて、請求項1の発明の方が短くなる。
そして、トランジスタのスイッチングによる発熱が発生するのは第2期間(tb)であるため、特許文献1の技術に比べて、第2期間が短い請求項1の発明によればトランジスタのスイッチングによる発熱を抑えることができる。
このように、請求項1の発明によれば、トランジスタの発熱に影響するターンオフ時間を、特許文献1の技術に比べて更に短くすることができる。
Therefore, when the transistor is turned off (t5 to t7), the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the voltage (Vin) input to the gate and the threshold voltage (Vt) is defined in the invention of
As a result, the second period (tb) is shorter in the invention of
At this time, in the first period (t5 to t6), the technique of
Then, since the heat generation due to the switching of the transistor occurs in the second period (tb), the heat generation due to the switching of the transistor is caused according to the invention of
As described above, according to the first aspect of the present invention, the turn-off time that affects the heat generation of the transistor can be further shortened compared to the technique of
<請求項2>
請求項2の発明では、トランジスタ(Tp,Tn)の基板にかけた逆バイアスを解除するタイミング(t8)を、トランジスタのターンオフが完了した時点(t7)以降で、且つ、トランジスタのゲートに入力される電圧(Vin)がトランジスタを再びオンさせるレベルに切り替わる時点(t9)以前に設定している。
従って、請求項2の発明によれば、請求項1の発明の作用・効果をより確実に得ることができる。
< Claim 2 >
In the invention of claim 2 , the timing (t8) for releasing the reverse bias applied to the substrate of the transistor (Tp, Tn) is input to the gate of the transistor after the time when the transistor turn-off is completed (t7). It is set before the time point (t9) when the voltage (Vin) switches to a level at which the transistor is turned on again.
Therefore, according to the invention of claim 2 , the operation and effect of the invention of
<請求項3>
請求項3の発明では、基板電位制御回路(14,32)を、電圧生成手段(16,34)、遅延手段(19)、電圧印加手段(Tc,Te)から構成している。
従って、請求項3の発明によれば、請求項1または請求項2の発明の作用・効果を得ることが可能な基板電位制御回路を簡単な構成で容易に実現することができる。
<Claim 3>
According to a third aspect of the present invention, the substrate potential control circuit (14, 32) comprises a voltage generating means (16, 34), a delay means (19), and a voltage applying means (Tc, Te).
Therefore, according to the invention of claim 3, the substrate potential control circuit capable of obtaining the operation and effect of the invention of
(用語の説明)
尚、上術した[課題を解決するための手段][発明の効果]に記載した( )内の符号等は、後述する[発明を実施するための最良の形態]に記載した構成部材・構成要素の符号に対応したものである。
そして、[課題を解決するための手段][発明の効果]に記載した構成部材・構成要素と、[発明を実施するための最良の形態]に記載した構成部材・構成要素との対応関係は以下のようになっている。
(Explanation of terms)
The reference numerals in parentheses described in [Means for Solving the Problems] and [Effects of the Invention] are the components and structures described in [Best Mode for Carrying Out the Invention] to be described later. This corresponds to the element code.
The correspondence between the constituent members and constituent elements described in [Means for Solving the Problems] and [Effects of the Invention] and the constituent members and constituent elements described in [Best Mode for Carrying Out the Invention] is as follows: It is as follows.
「絶縁ゲート型トランジスタ」は、トランジスタTp,Tnに該当する。
「トランジスタのゲートに入力される電圧」は、発振回路12が生成した信号電圧Vinに該当する。
「電圧生成手段」は、昇圧回路16または降圧回路34に該当する。
「遅延手段」は、遅延回路19に該当する。
「電圧印加手段」は、トランジスタTc,Teに該当する。
The “insulated gate type transistor” corresponds to the transistors Tp and Tn.
The “voltage input to the gate of the transistor” corresponds to the signal voltage Vin generated by the
The “voltage generation means” corresponds to the
The “delay unit” corresponds to the
“Voltage applying means” corresponds to the transistors Tc and Te.
以下、本発明を具体化した各実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、各実施形態において、同一の構成部材および構成要素については符号を等しくすると共に、同一内容の箇所については重複説明を省略してある。 Hereinafter, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In each embodiment, the same constituent members and constituent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description of the same content is omitted.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の半導体装置10の回路構成を示す回路図である。
発振装置を構成する半導体装置10は、Pチャネル・パワーMOSトランジスタTp、ゲート抵抗Rg、発振回路12、基板電位制御回路14がワンチップに集積化されたモノリシックIC(Integrated Circuit)から成る。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a
The
発振回路12は、複数個のインバータゲートINVがリング状に連結された公知のリングオシレータから成り、矩形波であるトランジスタ駆動指令信号Vinを生成して出力する。尚、発振回路12には、直流電源Vrから電源が供給されている。
信号Vinは、ゲート抵抗Rgを介してトランジスタTpのゲートに入力されると共に、基板電位制御回路14に入力されている。
尚、ゲート抵抗Rgは、(1)トランジスタTpの寄生振動を防止する、(2)トランジスタTpのゲートにサージ電圧が印加されるのを防止する、(3)発振回路12の電流ドライブ能力とトランジスタTpとの整合をとる、ことなどを目的に設けられている。
The
The signal Vin is input to the gate of the transistor Tp via the gate resistor Rg and also input to the substrate
The gate resistance Rg (1) prevents parasitic oscillation of the transistor Tp, (2) prevents a surge voltage from being applied to the gate of the transistor Tp, and (3) current drive capability of the
トランジスタTpにおいて、ソースは直流電源Vsに接続され、ドレインとアースとの間には半導体装置10のチップの外部にて負荷Zが接続され、基板は基板電位制御回路14に接続されている。
トランジスタTpは、基板の電位(基板電位VB)とソースの電位(ソース電位Vs)を独立に制御可能な構造になっている。尚、トランジスタTpの具体的な構造は、特許文献1(図1〜図8,図11〜図16,図19,図22)に開示される構造に限らず、基板電位とソース電位を独立に制御可能であれば、どのような構造でもよい。
In the transistor Tp, the source is connected to the DC power source Vs, the load Z is connected between the drain and the ground outside the chip of the
The transistor Tp has a structure capable of independently controlling the substrate potential (substrate potential VB) and the source potential (source potential Vs). The specific structure of the transistor Tp is not limited to the structure disclosed in Patent Document 1 (FIGS. 1 to 8, FIGS. 11 to 16, 19, and 22), and the substrate potential and the source potential can be set independently. Any structure may be used as long as it can be controlled.
尚、トランジスタTpの基板は、発振回路12および基板電位制御回路14が形成された基板に対して、適宜な素子分離方法(例えば、トレンチ分離、LOCOS分離など)を用いて素子分離されている。そのため、トランジスタTpの基板電位VBの変化が各回路12,14を構成する他の素子に影響を与えることはなく、トランジスタTpと各回路12,14をワンチップ化して複合ICにすることができる。
Note that the substrate of the transistor Tp is element-isolated from the substrate on which the
基板電位制御回路14は、昇圧回路16および基板バイアス回路18から構成されている。
昇圧回路16は、発振器としてのリングオシレータOC、スイッチング素子としてのトランジスタTa,Tb、コレクタ抵抗Ra,Rb、ポンピング容量Ca,Cb、整流回路を構成するダイオードDa,Dbを備えた公知の昇圧型チャージポンプ回路から成り、直流電源Vcを昇圧したプラス電圧Vpを生成して出力する。
The substrate
The step-up
基板バイアス回路18は、複数個のインバータゲートINVが直列接続された遅延回路19、抵抗Rs、PチャネルMOSトランジスタTcから構成されている。
発振回路12が生成した信号Vinは、遅延回路19を介してトランジスタTcのゲートに入力されている。
トランジスタTcにおいて、ドレインはトランジスタTpの基板に接続されると共に抵抗Rsを介して直流電源Vsに接続され、ソースは昇圧回路16に接続されて昇圧電圧Vpが印加されている。
The
The signal Vin generated by the
In the transistor Tc, the drain is connected to the substrate of the transistor Tp and is connected to the DC power source Vs through the resistor Rs, and the source is connected to the
図2は、半導体装置10の動作を説明するためのタイミングチャートであり、トランジスタTpのゲート電位Vg,基板電位VB,しきい値電圧Vt,ドレイン電位Vdおよび発振回路12の生成した信号電圧Vinの時間変位を示すグラフである。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the
トランジスタTpにおいて、ゲートと各部(基板、ソース、ドレイン)との間には寄生容量が形成されている。尚、それら寄生容量は、トランジスタTpの構造および各部の寸法によって決定される。
また、トランジスタTpのソースは直流電源Vsに接続されているため、ソース電位Vsは直流電源Vsの電位と等しい一定電圧になっている。
尚、説明を分かり易くするため、ソース電位Vsと直流電源Vsとは同一符号を用いて表記している。また、発振回路12が生成した矩形波である信号Vinと、その信号電圧Vinとは同一符号を用いて表記している。
In the transistor Tp, a parasitic capacitance is formed between the gate and each part (substrate, source, drain). These parasitic capacitances are determined by the structure of the transistor Tp and the dimensions of each part.
Further, since the source of the transistor Tp is connected to the DC power source Vs, the source potential Vs is a constant voltage equal to the potential of the DC power source Vs.
For ease of explanation, the source potential Vs and the DC power source Vs are denoted by the same reference numerals. Further, the signal Vin that is a rectangular wave generated by the
[トランジスタTpのターンオン時]
信号電圧Vinがハイレベル(ソース電位Vs)からローレベル(アース電位GND)に切り替えられるとトランジスタTpのターンオンが開始され(時刻t1)、トランジスタTpのゲートの前記寄生容量に電荷が注入されて充電が開始される。
そして、ゲート電位Vgがしきい値電圧Vtに達すると(時刻t2)、トランジスタTpがオンし、トランジスタTpのソース・ドレイン間の電位差が減少するため、ドレイン電位Vdが上昇し始める。
[When transistor Tp is turned on]
When the signal voltage Vin is switched from the high level (source potential Vs) to the low level (ground potential GND), the transistor Tp starts to turn on (time t1), and charges are injected into the parasitic capacitance of the gate of the transistor Tp and charged. Is started.
Then, when the gate potential Vg reaches the threshold voltage Vt (time t2), the transistor Tp is turned on, and the potential difference between the source and drain of the transistor Tp is reduced, so that the drain potential Vd starts to rise.
このとき、トランジスタTpのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量に電荷が蓄積されて充電される間は、ゲート電位Vgが一定になっている(時刻t2〜t3)。
その後、トランジスタTpのソース・ドレイン間の電位差が減少しきるとターンオンが完了し(時刻t3)、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのローレベルに向けて下降し始める。
At this time, the gate potential Vg is constant while the charge is accumulated in the parasitic capacitance formed between the gate and drain of the transistor Tp and charged (time t2 to t3).
Thereafter, when the potential difference between the source and the drain of the transistor Tp is reduced, the turn-on is completed (time t3), and the gate potential Vg starts to decrease toward the low level of the signal voltage Vin.
ここで、時刻t2〜t3の期間(時間間隔)taは、数式1に示すように、トランジスタTpのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量を充電するのに必要な電荷量Qgdに抵抗Rgの抵抗値Rgを乗算した値を、信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)で除算した値になる。
つまり、期間taは、電荷量Qgを信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)で除算した値に比例する。
ta=Qgd×Rg/|Vt−Vin| ………(数式1)
Here, the period (time interval) ta from time t2 to t3 is a resistance to the charge amount Qgd required to charge the parasitic capacitance formed between the gate and drain of the transistor Tp, as shown in
That is, the period ta is proportional to the value obtained by dividing the charge amount Qg by the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the signal voltage Vin and the threshold voltage Vt.
ta = Qgd × Rg / | Vt−Vin | (Equation 1)
[トランジスタTpのターンオフ時]
信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替えられるとトランジスタTpのターンオフが開始され(時刻t5)、トランジスタTpのゲートの前記寄生容量から電荷が引き抜かれだして放電が開始される。
そして、ゲート電位Vgがしきい値電圧Vtに達すると(時刻t6)、トランジスタTpがオフし、トランジスタTpのソース・ドレイン間の電位差が増大するため、ドレイン電位Vdが下降し始める。
[When transistor Tp is turned off]
When the signal voltage Vin is switched from the low level to the high level, the transistor Tp starts to be turned off (time t5), and electric charges are extracted from the parasitic capacitance of the gate of the transistor Tp to start discharging.
Then, when the gate potential Vg reaches the threshold voltage Vt (time t6), the transistor Tp is turned off, and the potential difference between the source and drain of the transistor Tp increases, so the drain potential Vd starts to decrease.
このとき、トランジスタTpのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量から電荷が引き抜かれて放電される間は、ゲート電位Vgが一定になっている(時刻t6〜t7)。
その後、トランジスタTpのソース・ドレイン間の電位差が増大しきるとターンオフが完了し(時刻t7)、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのハイレベルに向けて上昇し始める。
ここで、時刻t6〜t7の期間tbについても、時刻t2〜t3の期間taと同じく、前記数式1によって表される(tb=Qgd×Rg/|Vt−Vin|)。
At this time, the gate potential Vg is constant while the charge is extracted from the parasitic capacitance formed between the gate and drain of the transistor Tp and discharged (time t6 to t7).
Thereafter, when the potential difference between the source and the drain of the transistor Tp is increased, the turn-off is completed (time t7), and the gate potential Vg starts to rise toward the high level of the signal voltage Vin.
Here, the period tb from the time t6 to the time t7 is also expressed by the formula 1 (tb = Qgd × Rg / | Vt−Vin |), similarly to the period ta from the time t2 to the time t3.
[第1実施形態の作用・効果]
第1実施形態によれば、以下の作用・効果を得ることができる。
[Operations and effects of the first embodiment]
According to the first embodiment, the following actions and effects can be obtained.
[1−1]MOSトランジスタでは、基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位から見たしきい値電圧の絶対値が上昇する。
つまり、Pチャネル・パワーMOSトランジスタTpでは、基板電位VBを高くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位Vsから見たしきい値電圧Vtの絶対値を上昇させ、しきい値電圧Vtの実際の値を低下させることができる。
[1-1] In the MOS transistor, the absolute value of the threshold voltage as viewed from the source potential is increased by applying a reverse bias to the substrate to generate the substrate effect.
In other words, in the P-channel power MOS transistor Tp, the absolute value of the threshold voltage Vt viewed from the source potential Vs is increased by generating a substrate effect by applying a reverse bias to the substrate by increasing the substrate potential VB. And the actual value of the threshold voltage Vt can be lowered.
そこで、第1実施形態では、トランジスタTpのターンオフ時に、しきい値電圧Vtと信号電圧Vinとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)が大きくなるように基板電位VBを制御することにより、トランジスタTpの基板に逆バイアスをかけている。
そのため、期間tbを短くすることが可能になり、トランジスタTpのターンオフ時間を短くすることができる。
Thus, in the first embodiment, when the transistor Tp is turned off, the substrate potential VB is controlled so that the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the threshold voltage Vt and the signal voltage Vin becomes large. A reverse bias is applied to the substrate of the transistor Tp.
Therefore, the period tb can be shortened, and the turn-off time of the transistor Tp can be shortened.
すなわち、第1実施形態では、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t5)より以前の時点で、基板電位VBを高くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位Vsから見たしきい値電圧Vtの絶対値を上昇させ、しきい値電圧Vtの実際の値を低下させる(時刻t4)。
また、トランジスタTpがターンオフした時点(時刻t7)より以降の時点で、基板電位VBをソース電位Vsと等しくすることで基板にかけた逆バイアスを解除して基板効果の発生を停止させることにより、ソース電位Vsから見たしきい値電圧Vtの絶対値を下降させ、しきい値電圧Vtの実際の値を増大させる(時刻t8)。
そして、トランジスタTpがターンオフする前後の期間は、基板電位VBを高い一定値に保持させ、しきい値電圧Vtの実際の値を低い一定値に保持させる(時刻t4〜t8)。
That is, in the first embodiment, the substrate effect is generated by applying a reverse bias to the substrate by increasing the substrate potential VB before the time point (time t5) when the signal voltage Vin switches from the low level to the high level. As a result, the absolute value of the threshold voltage Vt viewed from the source potential Vs is increased, and the actual value of the threshold voltage Vt is decreased (time t4).
Further, at a time after the time when the transistor Tp is turned off (time t7), the substrate potential VB is made equal to the source potential Vs, thereby releasing the reverse bias applied to the substrate and stopping the generation of the substrate effect. The absolute value of the threshold voltage Vt viewed from the potential Vs is lowered, and the actual value of the threshold voltage Vt is increased (time t8).
Then, during the period before and after the transistor Tp is turned off, the substrate potential VB is held at a high constant value, and the actual value of the threshold voltage Vt is held at a low constant value (time t4 to t8).
図3は、特許文献1の技術をPチャネル・パワーMOSトランジスタTpに適用した場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。
尚、図3において、図2と同様の動作が行われる時刻(タイミング)には同じ符号を付してある。
特許文献1の技術では、ゲート電位Vgと基板電位VBとの電位差をトランジスタTpのオン・オフで一定として、トランジスタTpのオフ時に基板に逆バイアスをかけている。
FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation when the technique of
In FIG. 3, the same reference numerals are assigned to the times (timing) at which operations similar to those in FIG. 2 are performed.
In the technique of
すなわち、特許文献1の技術では、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点で、基板電位VBを高くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位Vsから見たしきい値電圧Vtの絶対値を上昇させ、しきい値電圧Vtの実際の値を低下させる(時刻t5)。
そして、トランジスタTpがターンオフした後は、ゲート電位Vgと基板電位VBとの電位差を一定するため、基板電位VBを高い値で変化させ、しきい値電圧Vtの実際の値を低い値で変化させる(時刻t5〜t9)。
That is, according to the technique of
After the transistor Tp is turned off, the substrate potential VB is changed at a high value and the actual value of the threshold voltage Vt is changed at a low value in order to make the potential difference between the gate potential Vg and the substrate potential VB constant. (Time t5 to t9).
このように、基板電位VBを高くすることで基板に逆バイアスをかけるタイミングは、第1実施形態では信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる以前の時点(時刻t4)であるのに対して、特許文献1の技術では信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t5)である。
そのため、トランジスタTpのターンオフ時(時刻t5〜t7)には、第1実施形態のしきい値電圧Vtの実際の値Vmに比べて、特許文献1の技術のしきい値電圧Vtの実際の値Vnの方が大きくなる。
As described above, the timing of applying the reverse bias to the substrate by increasing the substrate potential VB is the time (time t4) before the signal voltage Vin is switched from the low level to the high level in the first embodiment. In the technique of
Therefore, when the transistor Tp is turned off (time t5 to t7), the actual value of the threshold voltage Vt of the technique of
すなわち、トランジスタTpのターンオフ時において、信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)は、第1実施形態に比べて特許文献1の技術の方が小さくなる。
そのため、前記数式1により、期間tbは特許文献1の技術に比べて第1実施形態の方が短くなる。
That is, at the time of turning off the transistor Tp, the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the signal voltage Vin and the threshold voltage Vt is smaller in the technique of
Therefore, according to
ここで、トランジスタTpのターンオフ時間は、時刻t5〜t7の期間であり、時刻t5〜t6の期間に期間tbを加算した時間である。そして、トランジスタTpのスイッチングによる発熱は期間tbに発生する。
このとき、時刻t5〜t6の期間は、特許文献1の技術の方が第1実施形態よりも僅かに短くなる。しかし、時刻t5〜t6の期間は期間tbに比べて短いため、トランジスタTpのターンオフ時間(時刻t5〜t7)は、特許文献1の技術に比べて、第1実施形態の方が短くなる。
そして、トランジスタTpのスイッチングによる発熱が発生するのは期間tbであるため、特許文献1の技術に比べて、期間tbが短い第1実施形態によればトランジスタTpのスイッチングによる発熱を抑えることができる。
このように、第1実施形態によれば、トランジスタTpの発熱に影響するターンオフ時間を、特許文献1の技術に比べて更に短くすることができる。
Here, the turn-off time of the transistor Tp is a period from time t5 to t7, and is a time obtained by adding the period tb to the period from time t5 to t6. Then, heat generation due to switching of the transistor Tp occurs in the period tb.
At this time, the period of time t5 to t6 is slightly shorter in the technique of
Since the heat generation due to the switching of the transistor Tp occurs in the period tb, the heat generation due to the switching of the transistor Tp can be suppressed according to the first embodiment in which the period tb is shorter compared to the technique of
Thus, according to the first embodiment, the turn-off time that affects the heat generation of the transistor Tp can be further shortened as compared with the technique of
ちなみに、信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)は、トランジスタTpのターンオン時(時刻t1〜t3)に比べて、ターンオフ時(時刻t5〜t7)の方が小さいため、期間taに比べて期間tbの方が長くなっている。 Incidentally, the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the signal voltage Vin and the threshold voltage Vt is greater when the transistor Tp is turned on (time t1 to t3) than when the transistor Tp is turned on (time t1 to t3). Therefore, the period tb is longer than the period ta.
[1−2]第1実施形態において、基板電位VBを高くすることで基板に逆バイアスをかけるタイミング(時刻t4)は、トランジスタTpのターンオンが完了した時点(時刻t3)以降で、且つ、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t5)以前に設定する必要がある。
ここで、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点とは、信号電圧VinがトランジスタTpをオフさせるレベルに切り替わる時点である。
そして、基板に逆バイアスをかけるタイミングは、望ましくは、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのローレベルに向けて十分に下降した後の時点に設定する必要がある。
[1-2] In the first embodiment, the timing of applying a reverse bias to the substrate by increasing the substrate potential VB (time t4) is after the time point when the turn-on of the transistor Tp is completed (time t3) and the signal It is necessary to set the voltage Vin before the time (time t5) when the voltage Vin switches from the low level to the high level.
Here, the time point at which the signal voltage Vin switches from the low level to the high level is the time point at which the signal voltage Vin switches to a level at which the transistor Tp is turned off.
The timing for applying the reverse bias to the substrate should desirably be set to a point in time after the gate potential Vg sufficiently drops toward the low level of the signal voltage Vin.
尚、基板に逆バイアスをかけるタイミングの具体値は、前記[1−1]の作用・効果を確実に得るための十分なマージンを見込んだ上で、カット・アンド・トライにより実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
例えば、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t1)から再びハイレベルに切り替わる時点(時刻t5)までの期間のうち、30%以降で且つ90%以前に設定すればよい。
The specific value of the timing for applying the reverse bias to the substrate is an experimentally optimum value by cutting and trying, taking into account a sufficient margin for reliably obtaining the operation and effect of [1-1]. Find and set.
For example, it may be set to be 30% or more and 90% or less in the period from the time when the signal voltage Vin switches from the high level to the low level (time t1) to the time when the signal voltage Vin switches again to the high level (time t5).
[1−3]第1実施形態において、基板電位VBをソース電位Vsと等しくすることで基板にかけた逆バイアスを解除するタイミング(時刻t8)は、トランジスタTpのターンオフが完了した時点(時刻t7)以降で、且つ、信号電圧Vinが再びハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t9)以前に設定する必要がある。
ここで、信号電圧Vinが再びハイレベルからローレベルに切り替わる時点とは、信号電圧VinがトランジスタTpを再びオンさせるレベルに切り替わる時点である。
そして、基板にかけた逆バイアスを解除するタイミングは、望ましくは、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのハイレベルに向けて十分に上昇した後の時点に設定する必要がある。
[1-3] In the first embodiment, the timing for releasing the reverse bias applied to the substrate by making the substrate potential VB equal to the source potential Vs (time t8) is the time when the turn-off of the transistor Tp is completed (time t7). Thereafter, it is necessary to set the signal voltage Vin before the time point (time t9) when the signal voltage Vin switches from the high level to the low level again.
Here, the time point at which the signal voltage Vin switches from the high level to the low level again is the time point at which the signal voltage Vin switches to a level at which the transistor Tp is turned on again.
The timing for releasing the reverse bias applied to the substrate should desirably be set to a point after the gate potential Vg has sufficiently increased toward the high level of the signal voltage Vin.
尚、基板にかけた逆バイアスを解除するタイミングの具体値は、前記[1−1]の作用・効果を確実に得るための十分なマージンを見込んだ上で、カット・アンド・トライにより実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
例えば、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t5)から再びローレベルに切り替わる時点(時刻t9)までの期間のうち、50%以降で且つ90%以前に設定すればよい。
The specific value of the timing for releasing the reverse bias applied to the substrate is experimentally determined by cut-and-try after allowing for a sufficient margin for reliably obtaining the operation and effect of [1-1]. Find and set the optimal value.
For example, it may be set to be 50% or more and 90% or less in the period from the time when the signal voltage Vin switches from the low level to the high level (time t5) to the time when the signal voltage Vin switches to the low level again (time t9).
[1−4]信号電圧Vinは、遅延回路19を介してPチャネルMOSトランジスタTcのゲートに入力されている。
また、トランジスタTcにおいて、ドレインはトランジスタTpの基板に接続されると共に抵抗Rsを介して直流電源Vsに接続されて、ソースは昇圧回路16に接続されて昇圧電圧Vpが印加されている。
[1-4] The signal voltage Vin is input to the gate of the P-channel MOS transistor Tc via the
In the transistor Tc, the drain is connected to the substrate of the transistor Tp and is connected to the DC power source Vs via the resistor Rs, and the source is connected to the
そのため、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t1)から遅延回路19による遅延時間tcが経過した後に、トランジスタTcがオンする。すると、オンしたトランジスタTcを介して昇圧電圧VpがトランジスタTpの基板に印加され、基板電位VBは昇圧電圧Vpと等しくなる。
また、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t5)から遅延回路19による遅延時間tcが経過した後に、トランジスタTcがオフする。すると、トランジスタTpの基板には抵抗Rsを介してソース電位Vsが印加され、基板電位VBはソース電位Vsと等しくなる。
その結果、前記[1−1]のように基板電位VBが変化する。
Therefore, the transistor Tc is turned on after the delay time tc by the
Further, the transistor Tc is turned off after the delay time tc by the
As a result, the substrate potential VB changes as in [1-1].
ここで、遅延回路19の遅延時間tcは、時刻t1〜t4の期間および時刻t5〜t8の期間になるため、前記[1−2][1−3]のように設定すればよい。
尚、抵抗Rsは、トランジスタTcのオン時に基板電位VBがソース電位Vsと等しくなるのを防止するために設けられており、その抵抗値はカット・アンド・トライにより実験的に最適値を見つけて設定すればよく、例えば、数百〜数千Ωに設定すればよい。
このように、基板電位制御回路14は簡単な構成で容易に実現することができる。
Here, since the delay time tc of the
The resistor Rs is provided in order to prevent the substrate potential VB from being equal to the source potential Vs when the transistor Tc is turned on. The resistance value is experimentally found by cutting and trying. What is necessary is just to set, for example, to several hundred-several thousand ohms.
Thus, the substrate
<第2実施形態>
図4は、第2実施形態の半導体装置30の回路構成を示す回路図である。
発振装置を構成する半導体装置30は、Nチャネル・パワーMOSトランジスタTn、ゲート抵抗Rg、発振回路12、基板電位制御回路32がワンチップに集積化されたモノリシックICから成る。
Second Embodiment
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a circuit configuration of the
The
発振回路12が生成した信号Vinは、ゲート抵抗Rgを介してトランジスタTnのゲートに入力されると共に、基板電位制御回路32に入力されている。
The signal Vin generated by the
トランジスタTnにおいて、ソースはアースに接続され、ドレインと直流電源Vaとの間には半導体装置30のチップの外部にて負荷Zが接続され、基板は基板電位制御回路32に接続されている。
トランジスタTnは、基板の電位とソースの電位を独立に制御可能な構造になっている。尚、トランジスタTnの具体的な構造は、特許文献1に開示される構造に限らず、基板電位とソース電位を独立に制御可能であれば、どのような構造でもよい。
In the transistor Tn, the source is connected to the ground, the load Z is connected between the drain and the DC power supply Va outside the chip of the
The transistor Tn has a structure in which the substrate potential and the source potential can be controlled independently. Note that the specific structure of the transistor Tn is not limited to the structure disclosed in
尚、トランジスタTnの基板は、発振回路12および基板電位制御回路32が形成された基板に対して、適宜な素子分離方法(例えば、トレンチ分離、LOCOS分離など)を用いて素子分離されている。そのため、トランジスタTnの基板電位VBの変化が各回路12,32を構成する他の素子に影響を与えることはなく、トランジスタTnと各回路12,34をワンチップ化して複合ICにすることができる。
Note that the substrate of the transistor Tn is element-isolated from the substrate on which the
基板電位制御回路32は、降圧回路34および基板バイアス回路36から構成されている。
降圧回路34は、発振器としてのリングオシレータOC、スイッチング素子としてのトランジスタTd、インダクタL、ポンピング容量Cc、整流回路を構成するダイオードDcを備えた公知の降圧回路から成り、直流電源Vcを降圧したマイナス電圧Vqを生成して出力する。
The substrate
The step-
基板バイアス回路36は、複数個のインバータゲートINVが直列接続された遅延回路19、抵抗Rs、NチャネルMOSトランジスタTeから構成されている。
発振回路12が生成した信号Vinは、遅延回路19を介してトランジスタTeのゲートに入力されている。
トランジスタTeにおいて、ドレインはトランジスタTnの基板に接続されると共に抵抗Rsを介してアースに接続され、ソースは降圧回路34に接続されて降圧電圧Vqが印加されている。
The
The signal Vin generated by the
In the transistor Te, the drain is connected to the substrate of the transistor Tn and is connected to the ground via the resistor Rs, and the source is connected to the step-
図5は、半導体装置30の動作を説明するためのタイミングチャートであり、トランジスタTnのゲート電位Vg,基板電位VB,しきい値電圧Vt,ドレイン電位Vdおよび発振回路12の生成した信号電圧Vinの時間変位を示すグラフである。
FIG. 5 is a timing chart for explaining the operation of the
トランジスタTnにおいて、ゲートと各部(基板、ソース、ドレイン)との間には寄生容量が形成されている。尚、それら寄生容量は、トランジスタTnの構造および各部の寸法によって決定される。
また、トランジスタTnのソースはアースに接続されているため、ソース電位Vsはアース電位GNDになっている。
尚、直流電源Vaの電位Vaは、第1実施形態の直流電源Vsの電位Vsと等しい。
In the transistor Tn, a parasitic capacitance is formed between the gate and each part (substrate, source, drain). These parasitic capacitances are determined by the structure of the transistor Tn and the dimensions of each part.
Further, since the source of the transistor Tn is connected to the ground, the source potential Vs is the ground potential GND.
Note that the potential Va of the DC power supply Va is equal to the potential Vs of the DC power supply Vs of the first embodiment.
[トランジスタTnのターンオン時]
信号電圧Vinがローレベル(アース電位GND)からハイレベル(電位Va)に切り替えられるとトランジスタTnのターンオンが開始され(時刻t1)、トランジスタTnのゲートの前記寄生容量に電荷が注入されて充電が開始される。
そして、ゲート電位Vgがしきい値電圧Vtに達すると(時刻t2)、トランジスタTnがオンし、トランジスタTnのソース・ドレイン間の電位差が減少するため、ドレイン電位Vdが下降し始める。
[When transistor Tn is turned on]
When the signal voltage Vin is switched from the low level (ground potential GND) to the high level (potential Va), the transistor Tn is turned on (time t1), and charge is injected into the parasitic capacitance of the gate of the transistor Tn to charge the transistor Tn. Be started.
When the gate potential Vg reaches the threshold voltage Vt (time t2), the transistor Tn is turned on, and the potential difference between the source and the drain of the transistor Tn is decreased, so that the drain potential Vd starts to decrease.
このとき、トランジスタTnのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量に電荷が蓄積されて充電される間は、ゲート電位Vgが一定になっている(時刻t2〜t3)。
その後、トランジスタTnのソース・ドレイン間の電位差が減少しきるとターンオンが完了し(時刻t3)、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのハイレベルに向けて上昇し始める。
At this time, the gate potential Vg is constant while charge is accumulated in the parasitic capacitance formed between the gate and drain of the transistor Tn (time t2 to t3).
After that, when the potential difference between the source and drain of the transistor Tn is reduced, the turn-on is completed (time t3), and the gate potential Vg starts to rise toward the high level of the signal voltage Vin.
ここで、時刻t2〜t3の期間taは、前記数式1に示すように、トランジスタTnのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量を充電するのに必要な電荷量Qgdに抵抗Rgの抵抗値Rgを乗算した値を、信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)で除算した値になる。
Here, during the period ta from time t2 to t3, as shown in the
[トランジスタTnのターンオフ時]
信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替えられるとトランジスタTnのターンオフが開始され(時刻t5)、トランジスタTnのゲートの前記寄生容量から電荷が引き抜かれだして放電が開始される。
そして、ゲート電位Vgがしきい値電圧Vtに達すると(時刻t6)、トランジスタTnがオフし、トランジスタTnのソース・ドレイン間の電位差が増大するため、ドレイン電位Vdが上昇し始める。
[When transistor Tn is turned off]
When the signal voltage Vin is switched from the high level to the low level, the transistor Tn starts to be turned off (time t5), and electric charges are extracted from the parasitic capacitance of the gate of the transistor Tn to start discharging.
Then, when the gate potential Vg reaches the threshold voltage Vt (time t6), the transistor Tn is turned off, and the potential difference between the source and drain of the transistor Tn increases, so that the drain potential Vd starts to rise.
このとき、トランジスタTnのゲートとドレインとの間に形成された寄生容量から電荷が引き抜かれて放電される間は、ゲート電位Vgが一定になっている(時刻t6〜t7)。
その後、トランジスタTnのソース・ドレイン間の電位差が増大しきるとターンオフが完了し(時刻t7)、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのローレベルに向けて下降し始める。
ここで、時刻t6〜t7の期間tbについても、時刻t2〜t3の期間taと同じく、前記数式1によって表される(tb=Qgd×Rg/|Vt−Vin|)。
At this time, the gate potential Vg is constant while the charge is extracted from the parasitic capacitance formed between the gate and drain of the transistor Tn and discharged (time t6 to t7).
Thereafter, when the potential difference between the source and the drain of the transistor Tn is increased, the turn-off is completed (time t7), and the gate potential Vg starts to decrease toward the low level of the signal voltage Vin.
Here, the period tb from the time t6 to the time t7 is also expressed by the formula 1 (tb = Qgd × Rg / | Vt−Vin |), similarly to the period ta from the time t2 to the time t3.
[第2実施形態の作用・効果]
第2実施形態によれば、以下の作用・効果を得ることができる。
[Operation and Effect of Second Embodiment]
According to the second embodiment, the following actions and effects can be obtained.
[2−1]Nチャネル・パワーMOSトランジスタTnでは、基板電位VBを低くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位Vsから見たしきい値電圧Vtの絶対値を上昇させ、しきい値電圧Vtの実際の値を増大させることができる。 [2-1] In the N-channel power MOS transistor Tn, the substrate potential VB is lowered to apply a reverse bias to the substrate to generate a substrate effect, whereby the absolute value of the threshold voltage Vt viewed from the source potential Vs is obtained. The value can be increased and the actual value of the threshold voltage Vt can be increased.
そこで、第2実施形態では、トランジスタTnのターンオフ時に、しきい値電圧Vtと信号電圧Vinとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)が大きくなるように基板電位VBを制御することにより、トランジスタTnの基板に逆バイアスをかけている。
そのため、期間tbを短くすることが可能になり、トランジスタTnのターンオフ時間を短くすることができる。
Therefore, in the second embodiment, when the transistor Tn is turned off, the substrate potential VB is controlled so that the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the threshold voltage Vt and the signal voltage Vin becomes large. A reverse bias is applied to the substrate of the transistor Tn.
Therefore, the period tb can be shortened, and the turn-off time of the transistor Tn can be shortened.
すなわち、第2実施形態では、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t5)より以前の時点で、基板電位VBを低くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位Vs(=アース電位GND)から見たしきい値電圧Vtの絶対値を上昇させ、しきい値電圧Vtの実際の値を増大させる(時刻t4)。
また、トランジスタTnがターンオフした時点(時刻t7)より以降の時点で、基板電位VBをソース電位Vs(=アース電位GND)と等しくすることで基板にかけた逆バイアスを解除して基板効果の発生を停止させることにより、ソース電位Vsから見たしきい値電圧Vtの絶対値を下降させ、しきい値電圧Vtの実際の値を低下させる(時刻t8)。
そして、トランジスタTnがターンオフする前後の期間は、基板電位VBを低い一定値に保持させ、しきい値電圧Vtの実際の値を高い一定値に保持させる(時刻t4〜t8)。
That is, in the second embodiment, the substrate effect is generated by applying a reverse bias to the substrate by lowering the substrate potential VB before the time (time t5) when the signal voltage Vin switches from the high level to the low level. Thus, the absolute value of the threshold voltage Vt viewed from the source potential Vs (= ground potential GND) is increased, and the actual value of the threshold voltage Vt is increased (time t4).
Further, at the time after the time when the transistor Tn is turned off (time t7), the substrate potential VB is made equal to the source potential Vs (= ground potential GND), thereby releasing the reverse bias applied to the substrate and generating the substrate effect. By stopping, the absolute value of the threshold voltage Vt viewed from the source potential Vs is lowered, and the actual value of the threshold voltage Vt is lowered (time t8).
Then, during the period before and after the transistor Tn is turned off, the substrate potential VB is held at a low constant value, and the actual value of the threshold voltage Vt is held at a high constant value (time t4 to t8).
図6は、特許文献1の技術をNチャネル・パワーMOSトランジスタTnに適用した場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。
尚、図6において、図5と同様の動作が行われる時刻(タイミング)には同じ符号を付してある。
特許文献1の技術では、ゲート電位Vgと基板電位VBとの電位差をトランジスタTnのオン・オフで一定として、トランジスタTnのオフ時に基板に逆バイアスをかけている。
FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation when the technique of
In FIG. 6, the same reference numerals are given to the times (timing) at which the same operations as in FIG. 5 are performed.
In the technique of
すなわち、特許文献1の技術では、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点で、基板電位VBを低くすることで基板に逆バイアスをかけて基板効果を発生させることにより、ソース電位Vs(=アース電位GND)から見たしきい値電圧Vtの絶対値を上昇させ、しきい値電圧Vtの実際の値を増大させる(時刻t5)。
そして、トランジスタTnがターンオフした後は、ゲート電位Vgと基板電位VBとの電位差を一定するため、基板電位VBを低い値で変化させ、しきい値電圧Vtの実際の値を高い値で変化させる(時刻t5〜t9)。
That is, in the technique of
After the transistor Tn is turned off, the substrate potential VB is changed at a low value and the actual value of the threshold voltage Vt is changed at a high value in order to make the potential difference between the gate potential Vg and the substrate potential VB constant. (Time t5 to t9).
このように、基板電位VBを低くすることで基板に逆バイアスをかけるタイミングは、第2実施形態では信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる以前の時点(時刻t4)であるのに対して、特許文献1の技術では信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t5)である。
そのため、トランジスタTnのターンオフ時(時刻t5〜t7)には、第2実施形態のしきい値電圧Vtの実際の値Vxに比べて、特許文献1の技術のしきい値電圧Vtの実際の値Vyの方が小さくなる。
As described above, the timing of applying the reverse bias to the substrate by lowering the substrate potential VB is the time (time t4) before the signal voltage Vin is switched from the high level to the low level in the second embodiment. In the technique of
Therefore, when the transistor Tn is turned off (time t5 to t7), compared to the actual value Vx of the threshold voltage Vt of the second embodiment, the actual value of the threshold voltage Vt of the technique of
すなわち、トランジスタTnのターンオフ時において、信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)は、第2実施形態に比べて特許文献1の技術の方が小さくなる。
そのため、前記数式1により、期間tbは特許文献1の技術に比べて第1実施形態の方が短くなる。
That is, when the transistor Tn is turned off, the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the signal voltage Vin and the threshold voltage Vt is smaller in the technique of
Therefore, according to
ここで、トランジスタTnのターンオフ時間は、時刻t5〜t7の期間であり、時刻t5〜t6の期間に期間tbを加算した時間である。そして、トランジスタTnのスイッチングによる発熱は期間tbに発生する。
このとき、時刻t5〜t6の期間は、特許文献1の技術の方が第2実施形態よりも僅かに短くなる。しかし、時刻t5〜t6の期間は期間tbに比べて短いため、トランジスタTnのターンオフ時間(時刻t5〜t7)は、特許文献1の技術に比べて、第2実施形態の方が短くなる。
そして、トランジスタTnのスイッチングによる発熱が発生するのは期間tbであるため、特許文献1の技術に比べて、期間tbが短い第2実施形態によればトランジスタTnのスイッチングによる発熱を抑えることができる。
このように、第2実施形態によれば、トランジスタTnの発熱に影響するターンオフ時間を、特許文献1の技術に比べて更に短くすることができる。
Here, the turn-off time of the transistor Tn is a period from time t5 to t7, and is a time obtained by adding the period tb to the period from time t5 to t6. Then, heat generation due to switching of the transistor Tn occurs in the period tb.
At this time, the period of time t5 to t6 is slightly shorter in the technique of
Since the heat generation due to the switching of the transistor Tn occurs in the period tb, the heat generation due to the switching of the transistor Tn can be suppressed according to the second embodiment in which the period tb is shorter compared to the technique of
Thus, according to the second embodiment, the turn-off time that affects the heat generation of the transistor Tn can be further shortened as compared with the technique of
ちなみに、信号電圧Vinとしきい値電圧Vtとの電位差の絶対値(|Vt−Vin|)は、トランジスタTnのターンオン時(時刻t1〜t3)に比べて、ターンオフ時(時刻t5〜t7)の方が小さいため、期間taに比べて期間tbの方が長くなっている。 Incidentally, the absolute value (| Vt−Vin |) of the potential difference between the signal voltage Vin and the threshold voltage Vt is greater when the transistor Tn is turned on (time t1 to t3) than when the transistor Tn is turned on (time t1 to t3). Therefore, the period tb is longer than the period ta.
[2−2]第2実施形態において、基板電位VBを低くすることで基板に逆バイアスをかけるタイミング(時刻t4)は、トランジスタTnのターンオンが完了した時点(時刻t3)以降で、且つ、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t5)以前に設定する必要がある。
ここで、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点とは、信号電圧VinがトランジスタTnをオフさせるレベルに切り替わる時点である。
そして、基板に逆バイアスをかけるタイミングは、望ましくは、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのハイレベルに向けて十分に上昇した後の時点に設定する必要がある。
[2-2] In the second embodiment, the timing of applying a reverse bias to the substrate by lowering the substrate potential VB (time t4) is after the time point when the turn-on of the transistor Tn is completed (time t3) and the signal It is necessary to set the voltage Vin before the time (time t5) when the voltage Vin switches from the high level to the low level.
Here, the time when the signal voltage Vin is switched from the high level to the low level is the time when the signal voltage Vin is switched to a level at which the transistor Tn is turned off.
The timing for applying the reverse bias to the substrate should desirably be set to a point after the gate potential Vg has sufficiently increased toward the high level of the signal voltage Vin.
尚、基板に逆バイアスをかけるタイミングの具体値は、前記[2−1]の作用・効果を確実に得るための十分なマージンを見込んだ上で、カット・アンド・トライにより実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
例えば、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t1)から再びローレベルに切り替わる時点(時刻t5)までの期間のうち、30%以降で且つ90%以前に設定すればよい。
The specific value of the timing for applying the reverse bias to the substrate is an experimentally optimum value by cutting and trying, with a sufficient margin for reliably obtaining the operation and effect of [2-1]. Find and set.
For example, it may be set to be 30% or more and 90% or less in the period from the time when the signal voltage Vin switches from the low level to the high level (time t1) to the time when the signal voltage Vin switches again to the low level (time t5).
[2−3]第2実施形態において、基板電位VBをソース電位Vs(=アース電位GND)と等しくすることで基板にかけた逆バイアスを解除するタイミング(時刻t8)は、トランジスタTnのターンオフが完了した時点(時刻t7)以降で、且つ、信号電圧Vinが再びローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t9)以前に設定する必要がある。
ここで、信号電圧Vinが再びローレベルからハイレベルに切り替わる時点とは、信号電圧VinがトランジスタTnを再びオンさせるレベルに切り替わる時点である。
そして、基板にかけた逆バイアスを解除するタイミングは、望ましくは、ゲート電位Vgが信号電圧Vinのローレベルに向けて十分に下降した後の時点に設定する必要がある。
[2-3] In the second embodiment, the turn-off of the transistor Tn is completed at the timing (time t8) of releasing the reverse bias applied to the substrate by making the substrate potential VB equal to the source potential Vs (= ground potential GND). It is necessary to set after the time (time t7) and before the time (time t9) when the signal voltage Vin switches from the low level to the high level again.
Here, the time point at which the signal voltage Vin switches from the low level to the high level again is the time point at which the signal voltage Vin switches to a level at which the transistor Tn is turned on again.
The timing for releasing the reverse bias applied to the substrate should desirably be set to a point after the gate potential Vg has sufficiently dropped toward the low level of the signal voltage Vin.
尚、基板にかけた逆バイアスを解除するタイミングの具体値は、前記[2−1]の作用・効果を確実に得るための十分なマージンを見込んだ上で、カット・アンド・トライにより実験的に最適値を見つけて設定すればよい。
例えば、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t5)から再びハイレベルに切り替わる時点(時刻t9)までの期間のうち、50%以降で且つ90%以前に設定すればよい。
Note that the specific value of the timing for releasing the reverse bias applied to the substrate is experimentally determined by cutting and trying after a sufficient margin for reliably obtaining the operation and effect of [2-1]. Find and set the optimal value.
For example, it may be set to be 50% or more and 90% or less in the period from the time when the signal voltage Vin switches from the high level to the low level (time t5) to the time when the signal voltage Vin switches again to the high level (time t9).
[2−4]信号電圧Vinは、遅延回路19を介してNチャネルMOSトランジスタTeのゲートに入力されている。
また、トランジスタTeにおいて、ドレインはトランジスタTnの基板に接続されると共に抵抗Rsを介してアースに接続されてアース電位GNDになっており、ソースは降圧回路34に接続されて降圧電圧Vqが印加されている。
[2-4] The signal voltage Vin is input to the gate of the N-channel MOS transistor Te via the
In the transistor Te, the drain is connected to the substrate of the transistor Tn and is connected to the ground via the resistor Rs to be the ground potential GND, and the source is connected to the step-
そのため、信号電圧Vinがローレベルからハイレベルに切り替わる時点(時刻t1)から遅延回路19による遅延時間tcが経過した後に、トランジスタTeがオンする。すると、オンしたトランジスタTeを介して降圧電圧VqがトランジスタTnの基板に印加され、基板電位VBは降圧電圧Vqと等しくなる。
また、信号電圧Vinがハイレベルからローレベルに切り替わる時点(時刻t5)から遅延回路19による遅延時間tcが経過した後に、トランジスタTeがオフする。すると、トランジスタTnの基板には抵抗Rsを介してアース電位GNDが印加され、基板電位VBはアース電位GNDと等しくなる。
その結果、前記[2−1]のように基板電位VBが変化する。
Therefore, the transistor Te is turned on after the delay time tc by the
Further, the transistor Te is turned off after the delay time tc by the
As a result, the substrate potential VB changes as in [2-1].
ここで、遅延回路19の遅延時間tcは、時刻t1〜t4の期間および時刻t5〜t8の期間になるため、前記[2−2][2−3]のように設定すればよい。
尚、抵抗Rsは、トランジスタTeのオン時に基板電位VBがアース電位GNDと等しくなるのを防止するために設けられており、その抵抗値はカット・アンド・トライにより実験的に最適値を見つけて設定すればよく、例えば、数百〜数千Ωに設定すればよい。
このように、基板電位制御回路32は簡単な構成で容易に実現することができる。
Here, since the delay time tc of the
The resistor Rs is provided to prevent the substrate potential VB from becoming equal to the ground potential GND when the transistor Te is turned on. The resistance value is experimentally found by cutting and trying. What is necessary is just to set, for example, to several hundred-several thousand ohms.
Thus, the substrate
<別の実施形態>
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、上記各実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
<Another embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be embodied as follows. Even in this case, operations and effects equivalent to or higher than those of the above-described embodiments can be obtained.
[1]第1実施形態の昇圧回路16はチャージポンプ回路から成るが、昇圧電圧Vpを生成可能であれば、どのような回路を用いてもよい。また、昇圧回路16を、電圧Vpを生成するプラスの高電圧電源に置き換えてもよい。
また、第2実施形態の降圧回路34についても、降圧電圧Vqを生成可能であれば、どのような回路を用いてもよい。また、降圧回路34を、電圧Vqを生成するマイナスの高電圧電源に置き換えてもよい。
[1] The
Also, any circuit may be used for the step-
[2]上記各実施形態では各直流電源Vr,Vs,Vcを別個に設けているが、各直流電源Vr,Vs,Vcを共用にしてもよい。 [2] In the above embodiments, the DC power sources Vr, Vs, and Vc are provided separately. However, the DC power sources Vr, Vs, and Vc may be shared.
[3]上記各実施形態は発振装置を構成する半導体装置に適用したものであるが、パワーMOSトランジスタをオン・オフ動作させる装置であれば、どのような装置に適用してもよい。 [3] Each of the above embodiments is applied to a semiconductor device that constitutes an oscillation device. However, the present invention may be applied to any device as long as the power MOS transistor is turned on / off.
[4]上記各実施形態は半導体装置がワンチップに集積化されたモノリシックICから成るが、パワーMOSトランジスタを単独のデバイスとして構成してもよい。 [4] Each of the above embodiments includes a monolithic IC in which semiconductor devices are integrated on a single chip, but a power MOS transistor may be configured as a single device.
[5]上記各実施形態はMOSトランジスタに適用したものであるが、本発明は絶縁ゲートによってチャネルを形成して駆動する絶縁ゲート型トランジスタであれば、どのようなタイプのトランジスタに適用してもよい。
また、本発明は、1つのチャネルを有する絶縁ゲート型トランジスタだけでなく、複数チャネルを有する絶縁ゲート型トランジスタに適用してもよい。
[5] Although each of the above embodiments is applied to a MOS transistor, the present invention can be applied to any type of transistor as long as it is an insulated gate transistor driven by forming a channel with an insulated gate. Good.
The present invention may be applied not only to an insulated gate transistor having one channel but also to an insulated gate transistor having a plurality of channels.
尚、絶縁ゲート型トランジスタには、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびIGFET(Insulated Gate Field Effect Transistor)がある。本発明をIGBTに適用した場合には、上記各実施形態のMOSトランジスタのソースがIGBTのエミッタに該当し、MOSトランジスタのドレインがIGBTのコレクタに該当する。 Insulated gate transistors include IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and IGFETs (Insulated Gate Field Effect Transistors). When the present invention is applied to an IGBT, the source of the MOS transistor in each of the above embodiments corresponds to the emitter of the IGBT, and the drain of the MOS transistor corresponds to the collector of the IGBT.
また、IGFETのゲート構造は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を含む広義のMIS(Metal Insulated Semiconductor)構造であれば、どのような構造でもよい。
そして、IGFETのソース・ドレイン領域の構造は、LDMOS(Laterally Diffused MOS:横方向拡散)やVDMOS(Vertically Diffused MOS:垂直方向拡散)など、どのような構造でもよい。
The gate structure of the IGFET may be any structure as long as it has a broad MIS (Metal Insulated Semiconductor) structure including a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure.
The structure of the source / drain region of the IGFET may be any structure such as LDMOS (Laterally Diffused MOS) or VDMOS (Vertical Diffused MOS).
10…第1実施形態の半導体装置
12…発振回路
14…基板電位制御回路
16…昇圧回路(電圧生成手段)
18…基板バイアス回路
19…遅延回路(遅延手段)
30…第2実施形態の半導体装置
32…基板電位制御回路
34…降圧回路(電圧生成手段)
36…基板バイアス回路
Tp…Pチャネル・パワーMOSトランジスタ
Tc…PチャネルMOSトランジスタ(電圧印加手段)
Tn…Nチャネル・パワーMOSトランジスタ
Te…NチャネルMOSトランジスタ(電圧印加手段)
Rg…ゲート抵抗
Rs…抵抗
Vin…トランジスタ駆動指令信号(信号電圧)
Vg…ゲート電位
Vd…ドレイン電位
Vs…ソース電位
Vt…しきい値電圧
VB…基板電位
Vp…昇圧電圧
Vq…降圧電圧
GND…アース電位
Va…直流電源Vaの電位
DESCRIPTION OF
18 ...
DESCRIPTION OF
36 ... Substrate bias circuit Tp ... P-channel power MOS transistor Tc ... P-channel MOS transistor (voltage applying means)
Tn: N channel power MOS transistor Te: N channel MOS transistor (voltage applying means)
Rg: Gate resistance Rs: Resistance Vin: Transistor drive command signal (signal voltage)
Vg ... gate potential Vd ... drain potential Vs ... source potential Vt ... threshold voltage VB ... substrate potential Vp ... boost voltage Vq ... step-down voltage GND ... ground potential Va ... potential of DC power supply Va
Claims (3)
そのトランジスタの基板電位を制御する基板電位制御回路と
を備えた半導体装置であって、
前記基板電位制御回路は、
前記トランジスタのターンオフ時に、当該トランジスタのしきい値電圧と当該トランジスタのゲートに入力される電圧との電位差の絶対値が大きくなるように前記基板電位を制御することにより、当該トランジスタの基板に逆バイアスをかけ、
その逆バイアスをかけるタイミングを、当該トランジスタのターンオンが完了した時点以降で、且つ、当該トランジスタのゲートに入力される電圧が当該トランジスタをオフさせるレベルに切り替わる時点以前に設定することを特徴とする半導体装置。 An insulated gate transistor with an insulated gate; and
A semiconductor device comprising a substrate potential control circuit for controlling the substrate potential of the transistor,
The substrate potential control circuit includes:
When the transistor is turned off, the substrate potential is controlled so that the absolute value of the potential difference between the threshold voltage of the transistor and the voltage input to the gate of the transistor is increased, thereby reverse biasing the substrate of the transistor. the over,
The timing for applying the reverse bias, and later when the turn-on of the transistor is completed, and the voltage input to the gate of the transistor is characterized that you set before the time of switching to the level for turning off the transistor Semiconductor device.
前記基板電位制御回路は、前記トランジスタの基板にかけた逆バイアスを解除するタイミングを、前記トランジスタのターンオフが完了した時点以降で、且つ、当該トランジスタのゲートに入力される電圧が当該トランジスタを再びオンさせるレベルに切り替わる時点以前に設定することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 ,
The substrate potential control circuit releases the reverse bias applied to the substrate of the transistor after the completion of turn-off of the transistor, and the voltage input to the gate of the transistor turns on the transistor again. A semiconductor device that is set before the time of switching to a level.
前記基板電位制御回路は、
前記トランジスタの基板に逆バイアスをかけるための電圧を生成する電圧生成手段と、
前記トランジスタのゲートに入力される信号を所定の遅延時間だけ遅延して出力する遅延手段と、
その遅延手段の出力した信号に従い、前記電圧生成手段が生成した電圧を前記トランジスタの基板に印加する電圧印加手段と
を備えたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
The substrate potential control circuit includes:
Voltage generating means for generating a voltage for applying a reverse bias to the substrate of the transistor;
Delay means for delaying and outputting a signal input to the gate of the transistor by a predetermined delay time;
A semiconductor device comprising: a voltage applying unit that applies a voltage generated by the voltage generating unit to a substrate of the transistor in accordance with a signal output from the delay unit.
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