[發明專利]內燃機點火器半導體器件

有效

• 申請號: 201010576099.1
• 申請日: 2010-11-25
• 公開（公告）號: CN102184918A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發明（設計）人: 上野勝典
• 申請（專利權）人: 富士電機系統株式會社
• 主分類號: H01L27/02
• 分類號: H01L27/02;H01L27/06
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張鑫;袁逸

發明背景

1.技術領域

本發明涉及用于內燃機點火器的半導體器件。

2.相關領域

圖2所示的電路包括作為電感負載的初級側線圈45以及次級側線圈42，并具有響應從電源41流至初級側線圈45的間歇電流借助次級線圈42中產生的高電壓造成間歇火花發出的功能。該電路所應用的一種產品是內燃機點火器(在下文中稱為“點火器”)，該點火器利用在連接于次級側線圈42的內燃機火花塞44中發出的間歇火花。迄今為止，雙極型晶體管已在內燃機點火器(點火器)中用作使間歇電流流至初級側線圈的開關單元43，但近年來，這已被絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)代替(JP-A-2000-310173、JP-A-2002-4991以及日本專利No.4,263,102)。在使用這種類型點火器的IGBT中，，可內建圖3的IGBT等效電路中所示的柵極控制電路部分17以使IGBT具有監視工作狀態且在存在異常時控制柵極信號的功能，也可如圖5的IGBT主要部分截面圖所示內建有用于防止IGBT由于過電流、過電壓或發熱而損壞的控制電路部分21。

為了減小L負載截止時的浪涌電壓，已知提供在IGBT的高阻n型基極層和高雜質濃度n型緩沖層之間具有中間雜質濃度的n型區(日本專利No.4,164,962和JP-A-6-268226)。另外，為了防止IGBT截止時因集電極側為負而在L負載電路中產生的浪涌電壓而使IGBT受到破壞，已知一種配置成提供設置在與前側IGBT區相反的集電極側上的集電極區的IGBT(JP-A-2009-105265)。另外，為了使IGBT難以被IGBT截止時因集電極側為負而在點火電路中產生的浪涌電壓損害，也公知IGBT具有n型緩沖區，該n型緩沖區在集電極側p-n結界面內具有比汽車電池電壓更高的p-n結耐壓(JP-A-2009-130096)。存在相關于IGBT的描述，其中n型緩沖層是具有不同雜質濃度的兩層結構(日本專利No.3,764,343)。

在點火器電感負載電路中(圖2)，在當IGBT開關從導通狀態切換至截止狀態時電流急劇減小的過程中，在響應于線圈電感L和流過線圈的電流變化抑制該變化的方向(IGBT集電極側是正方向)上的電壓在初級側線圈45中急劇上升，而在IGBT到達截止狀態時，電壓急劇下降。當突然產生的浪涌電壓(幾百伏)由設置在IGBT的集電柵之間的齊納二極管16(圖3)的齊納電壓鉗位時，在次級側線圈中感生出初級側線圈電壓，在次級側線圈中產生反向電壓，放電開始，并且聚集在電感器中的能量被釋放。

然而，在放電由于某種原因不發生的情況下，聚集在電感器中的能量直接返回到IGBT側，并且發生IGBT本身不得不消耗能量的情況。此時的情況如圖4所示。水平軸表示時間，而垂直軸表示電流或電壓。也就是說，一旦集電極側上產生的電壓Vc達到柵極和集電極之間的二極管的鉗位電壓Vb，電壓就被鉗位，柵極電壓因流過二極管的電流流過圖3的柵極電阻而正偏壓，IGBT達到導通狀態且電流流過。在保持這種狀態的同時，電流繼續在大電壓Vb施加于IGBT的狀態下變化，直到零為止。在這段時間，即使在IGBT的內部溫度由于引發大損耗而上升的情形下，IGBT需要忍受這種溫度上升而不會擊穿。此時所引發的最大損耗能量值被稱為能量耐受性。除非由于電路或IGBT的配置或結構造成的諸如鎖閉的局部發熱造成器件擊穿，否則到達作為硅半導體的物理熱擊穿溫度的能量值就是能量耐受性的極限。為此，能量隨著芯片尺寸的增大而增加。另外，當至外界的熱輻射性良好時，溫度上升得以抑制，且容量增強。結果，能量耐受性是在希望減小芯片尺寸以降低產品成本的情況下確定界限的一個因素。迄今為止已知的此類點火器IGBT的截面結構在圖5示出。圖5的IGBT包括p⁺襯底25上的n⁺緩沖層24和n基極層26，并且使IGBT的主電流流過的有源區20設置在n基極層表面的中央部分。有源區20的表面包括連接于p基極區6、n發射電極區7、柵極絕緣膜13、柵極端子2、柵電極14和發射極端子3的發射電極。耐壓區18設置在圍繞有源區20的周邊。在圖5的有源區20的右側，包括水平MOSFET的控制電路部塊21單片地由溝道區9、源極10-1、漏極10-2、柵極氧化膜11、柵電極12等構成。p區8是用于通過與發射電極短路，通過將流入溝道區9的電流轉移至發射電極來減小流至電路部分21的電流并保護IGBT免受由于寄生電流造成的元件擊穿的區域。從制造角度看，多數情形下連接在IGBT的柵極2和集電極1之間的鉗位二極管16由沉積在IGBT襯底表面上的絕緣膜上的多晶硅層形成，以使電流沿該表面流動。