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DE3926944A1 - Mosfet mit darin enthaltenem stromspiegel-fet - Google Patents

Mosfet mit darin enthaltenem stromspiegel-fet

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DE3926944A1
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DE
Germany
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mosfet
current mirror
source
mosfets
diode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE3926944A
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English (en)
Inventor
Masaki Hirota
Norio Fujiki
Teruyoshi Mihara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MOSFET (Metalloxidhalbleiter- Feldeffekttransistor) einschließlich eines darin vorgesehenen Stromspiegel-FETs zum Stromnachweis, und betrifft insbesondere den Schutz eines das Gate isolierenden Films eines Stromspiegel-FETs in einem MOSFET.
In Fig. 1 ist ein konventioneller MOSFET einschließlich eines darin vorgesehenen Stromspiegel-FETs zum Stromnachweis dargestellt.
In der Figur sind zwei MOSFETs vorgesehen, ein Leistungs- MOSFET 1 und ein Stromspiegel-MOSFET 2. Ihre Drains D P und D M sind gemeinsam mit einem gemeinsamen Drainanschluß 3 verbunden, und ihre Gateelektroden G P und G M sind zusammen an einen Gateanschluß 4 angekoppelt. Ihre Sources S P und S M sind mit verschiedenen Sourceanschlüssen 5 bzw. 6 verbunden. In diesem Fall wird ein Drainstrom I P aus folgender Formel erhalten:
wobei W: Kanalbreite; L: Kanallänge; μ n: Oberflächenbeweglichkeit der Elektronen; C OX : Kapazität durch den Oxidfilm; V G : an die Gateelektrode angelegte Spannung; V T : Schwellenspannung; und V P : Drainspannung bedeutet.
Wie aus Formel (1) hervorgeht, führt eine Änderung der Kanalbreite zu einer Änderung des Drainstroms I P . Wenn die Kanalbreite des Stromspiegel-MOSFETs festgelegt wird zu einigen Tausendstel bis zu einigen Zehntausendstel des Wertes für den Leistungs-MOSFET 1, so wird der in dem Stromspiegel- MOSFET 2 fließende Strom I M einen Wert von einigen Tausendstel bis zu einigen Zehntausendstel des in dem Leistungs-MOSFET 1 fließenden Stroms I P annehmen.
In Fig. 2 ist eine konventionelle Schaltung zum Nachweis eines in dem Leistungs-MOSFET fließenden Stroms unter Verwendung des Stromspiegel-MOSFETs dargestellt. Bei diesem Verfahren kann der Nachweis in Übereinstimmung mit demselben Prinzip wie bei einem Shunt eines Meßgeräts od. dgl. durchgeführt werden.
In Fig. 2 ist der Sourceanschluß 5 des Leistungs-MOSFETs 1 direkt mit einem Anschluß einer Last 7 verbunden, und der Sourceanschluß 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 ist ebenfalls mit dem einen Anschluß der Last 7 über einen Widerstand 8 verbunden, der einen kleinen Widerstand R aufweist und in Reihe dazwischengeschaltet ist. Der andere Anschluß derLast 7 ist mit Masse verbunden. Nunmehr kann die Spannung zwischen beiden Enden des Widerstands 8 aus der folgenden Formel erhalten werden:
V = R I M (2)
Der in die Last 7 fließende Gesamtstrom I ergibt sich aus folgender Formel:
I = I M + I P (3)
Der in dem Leistungs-MOSFET 1 fließende Strom I P ergibt sich aus folgender Formel:
I P = (W P /W M ) I M (4)
wobei W P und W M die Kanalbreite des Leistungs-MOSFETs 1 bzw. des Stromspiegel-MOSFETs 2 bedeuten. Daher erhält man den Gesamtstrom I aus der folgenden Formel:
I = (W M + W P ) I M /W M = (W P  I M )/W M = (W P  V)/(W M  R) (5)
Daher kann der Gesamtstrom I der Last 7 aus der Spannung V zwischen den Enden des Widerstands 8 erhalten werden.
Bei dem voranstehend beschriebenen konventionellen MOSFET einschließlich des darin enthaltenen Stromspiegel-FETs ist dann, wenn W P groß gegen W M ist und die Gateelektrode des Stromspiegel-MOSFETs 2 klein ist, die Gatekapazität sehr klein, etwa einige pF, und seine Source S M ist direkt mit dem Sourceanschluß 6 verbunden. Wenn daher eine Person den Sourceanschluß 6 mit ihrer Hand berührt, wird die statische Elektrizität, mit der die Hand oder dergleichen aufgeladen ist, direkt über den Sourceanschluß 6 an den Gateoxidfilm abgegeben, und daher wird eine sehr hohe Spannung V = Q/C an den Gateoxidfilm angelegt und daher dort ein dielektrischer Durchbruch verursacht. Die Gatekapazität des Leistungs-MOSFETs wiederum ist groß und kann, im Vergleich zum Stromspiegel- MOSFET 2, gut dem Zusammenbruch infolge statischer Elektrizität standhalten.
Es ist daher ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einen MOSFET mit einem darin enthaltenen Stromspiegel-FET bereitzustellen, der nicht die voranstehend angegebenen Nachteile und Fehler beim Stand der Technik aufweist, und der einen dielektrischen Zusammenbruch des Gateoxidfilms des Stromspiegel-FETs selbst dann verhindern kann, wenn eine elektrische Entladung an den Sourceanschluß des Stromspiegel-MOSFETs angelegt wird.
Gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine MOSFET-Einrichtung bereitgestellt, die einen Leistungs- MOSFET umfaßt, der mit einer Source-, einer Drain- und einer Gateelektrode versehen ist, einen Stromspiegel-MOSFET, der mit einer Source-, einer Drain- und einer Gateelektrode versehen ist, und eine Diodeneinrichtung zum Schützen eines Gateoxidfilms für den Stromspiegel-MOSFET, wobei die Drains der beiden MOSFETs zusammen miteinander verbunden sind, die Gateelektroden der beiden MOSFETs zusammen miteinander verbunden sind und die Diodeneinrichtung zwischen die Sources der beiden MOSFETs geschaltet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen und bei welchen gleiche Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile bei den verschiedenen Ansichten bezeichnen.
Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines konventionellen MOSFETs mit einem darin enthaltenen Stromspiegel-MOSFET,
Fig. 2 ein Schaltbild eines konventionellen Stromdetektors unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten MOSFETs,
Fig. 3 ein Schaltbild eines MOSFETs mit einem darin vorgesehenen Stromspiegel-FET gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4 einen Längsquerschnitt eines Geräts einschließlich des in Fig. 3 gezeigten MOSFETs.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines MOSFETs mit einem darin enthaltenen Stromspiegel-FET gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Zeichnung sind ein Leistungs-MOSFET 1 mit einer Source S P , einem Drain D P und einer Gateelektrode G P sowie ein Stromspiegel-MOSFET 2 mit einer Source S M , einem Drain D M und einer Gateelektrode G M gezeigt, und die Kanalbreite des Stromspiegel-MOSFETs 2 beträgt etwa einige Tausendstel bis einige Zehntausendstel der des Leistungs-MOSFETs 1. Die Drains D P und D M der beiden MOSFETs 1 und 2 sind zusammen mit einem Drainanschluß 3 verbunden, und die Gateelektroden G P und G M der beiden MOSFETs 1 und 2 sind zusammen an einen Gateanschluß 4 angekoppelt. Die Sources S P und S M der beiden MOSFETs 1 und 2 sind an getrennte Anschlüsse 5 bzw. 6 angeschlossen.
Eine erste Diodeneinrichtung 9, die aus mehreren in Reihe geschalteten Dioden besteht, und eine zweite Diodeneinrichtung 10 aus einer einzigen Diode sind parallel zueinander zwischen die Sources S P und S M der beiden MOSFETs 1 und 2 geschaltet. Die erste und zweite Diodeneinrichtung 9 bzw. 10 sind so geschaltet, daß der Strom von der Source S M des Stromspiegel-MOSFETs 2 zu der Source S P des Leistungs-MOSFETs 1 durch die erste Diodeneinrichtung 9 fließen kann sowie ebenfalls von der Source S P des letzteren zu der Source S M des ersten durch die zweite Diodeneinrichtung 10. Es ist also die Anode der einen Enddiode der ersten Einrichtung 9 an die Source S M des Stromspiegel-MOSFETs 2 gekoppelt, und die Kathode der anderen Enddiode dieser Einrichtung ist mit der Source S P des Leistungs-MOSFETs 1 verbunden. Ebenso ist die Kathode der einzigen Diode der zweiten Diodeneinrichtung 10 mit der Source S M des Stromspiegel-MOSFETs 2 verbunden, und deren Anode ist mit der Source S P des Leistungs- MOSFETs 1 verbunden. Die erste und zweite Diodeneinrichtung 9 bzw. 10 arbeiten zum Schutz des Gateoxidfilms des Stromspiegel-MOSFETs 2. Bei dieser Ausführugnsform sind die Anzahl der Diode bzw. Dioden der ersten bzw. zweiten Diodeneinrichtung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt und können, falls erforderlich, variiert werden.
Nachstehend wird nun der Betrieb des voranstehend beschriebenen MOSFETs gemäß er vorliegenden Erfindung im einzelnen geschildert.
Wenn eine positive elektrostatische Entladung an den Sourceanschluß 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 durch Berührung einer Hand oder dergleichen einer Person angelegt wird, so wird die erste Diodeneinrichtung 9 elektrisch leitend, ermöglicht also das Durchlassen des Stroms durch die Einrichtung, und daher werden die Sourceanschlüsse 6 und 5 des Stromspiegel- MOSFETs 2 und des Leistungs-MOSFETs 1 elektrisch leitend. Dieser Zustand entspricht dem, in welchem die Gateelektroden G P und G M der beiden MOSFETs 1 und 2 parallel zueinander geschaltet sind, und die effektive Kapazität zwischen dem Sourceanschluß 6 und dem Gateanschluß 4 des Stromspiegel- MOSFETs 2 wird vergrößert. Daher wird die Gatekapazität des Leistungs-MOSFETs 1 einige Tausend bis einige Zehntausend mal so groß wie die des Stromspiegel-MOSFETs 2, und die Gatekapazität zwischen dem Sourceanschluß 6 und dem Gateanschluß 4 des Stromspiegel-MOSFETs 2 ist mehrere Tausend mal so groß wie die des Stromspiegel-MOSFETs allein. Dies führt dazu, daß beim Anlegen der positiven elektrostatischen Entladung an den Sourceanschluß 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 die an den Gateoxidfilm des Stromspiegel-MOSFETs 2 angelegte Spannung außerordentlich verringert und so dessen dielektrischer Zusammenbruch vermieden wird.
Der voranstehend beschriebene MOSFET gemäß der vorliegenden Erfindung wird üblicherweise bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung verwendet, und daher ist die Spannung des Sourceanschlusses 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 höher als die des Sourceanschlusses 5 des Leistungs-MOSFETs 1. Daher ist es gewöhnlich erforderlich, die erste Diodeneinrichtung 9 in mehreren Stufen auszubilden, damit sie einer positiven elektrostatischen Entladung widerstehen kann, die an den Sourceanschluß 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 angelegt wird.
Weiterhin wird, wenn eine negative elektrostatische Entladung an den Sourceanschluß 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 angelegt wird, die zweite Diodeneinrichtung 10 elektrisch leitend, und daher werden die Sourceanschlüsse 5 und 6 des Leistungs- MOSFETs 1 und des Stromspiegel-MOSFETs 2 elektrisch leitend. Dies entspricht dem Zustand, in welchem die Gatekapazitäten der beiden MOSFETs 1 und 2 parallel zueinander geschaltet werden, auf dieselbe Weise wie voranstehend beschrieben, und daher wird die effektive Kapazität zwischen der Source- und Gateelektrode des Stromspiegel-MOSFETs 2 auf mehr als etwa das Mehrtausendfache erhöht. Dies führt dazu, daß beim Anlegen der negativen elektrostatischen Entladung an den Sourceanschluß 6 des Stromspiegel-MOSFETs 2 die an den Gateoxidfilm des Stromspiegel-MOSFETs 2 angelegte Spannung außerordentlich verringert wird, wodurch dessen dielektrischer Zusammenbruch verhindert wird.
In Fig. 4 ist eine vertikale MOSFET-Geräteanordnung einschließlich eines MOSFETs gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In Fig. 4 sind drei MOSFETs 21, 22 und 23, die eine gemeinsame Sourceelektrode 24 und jeweilige Gateelektroden 25 aufweisen, im oberen rechten Abschnitt eines oberen Bereichs 20 a des n-Typs eines Substrats 20 des n⁺-Typs ausgebildet, um den in Fig. 3 gezeigten Leistungs-MOSFET 1 zu bilden, wobei die Gateelektroden 25 zum Gateanschluß 4 führen. Ein weiterer MOSFET 28 mit einer isolierten Sourceelektrode 27 und einer Gateelektrode 28 ist im oberen Zwischenbereich des oberen Bereichs 20 a des n-Typs ausgebildet, um den in Fig. 3 gezeigten Stromspiegel-MOSFET 2 herzustellen. Das Substrat 20 des n⁺-Typs ist mit dem Drainanschluß 3 verbunden. Auf der linken Seite eines LOCOS-Oxidfilms 29, der auf dem oberen Bereich 20 a des n-Typs ausgebildet ist, werden Dioden aus polykristallinem Silizium zur Herstellung der ersten und zweiten Diodeneinrichtung 9 bzw. 10 ausgebildet zum Schutz eines Gateoxidfilms 30 des Stromspiegel-MOSFETs 2, und es sind beide Enden der ersten und zweiten Diodeneinrichtung 9, 10 mit den Sourceanschlüssen 5 bzw. 6 des Leistungs-MOSFETs 1 bzw. des Stromspiegel-MOSFETs 2 verbunden, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. In diesem Fall fließt der Strom von dem Drainanschluß 3 zu den Sourceanschlüssen 5 und 6 durch das Substrat 20 des n⁺-Typs, den oberen Bereich des n-Typs, und die jeweiligen Sourceelektroden 24 und 27.
Zwar werden n-Kanal Leistungs-MOSFETs - wie voranstehend beschrieben - bei einem MOSFET gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, jedoch können selbstverständlich p-Kanal- Leistungs-MOSFETs durch Umkehrung der Polaritäten der Einzelteile verwendet werden, wobei dieselben Wirkungen und Vorteile erhalten werden wie bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform.

Claims (5)

1. MOSFET-Einrichtung, gekennzeichnet durch
einen Leistungs-MOSFET mit einer Source-, einer Drain- und einer Gateelektrode,
einen Stromspiegel-MOSFET mit einer Source-, einer Drain- und einer Gateelektrode und
eine Diodeneinrichtung zum Schutz eines Gateoxidfilms für den Stromspiegel-MOSFET, wobei die Drains der beiden MOSFETs miteinander zusammengeschaltet sind, die Gateelektroden der beiden MOSFETs miteinander verbunden sind, und die Diodeneinrichtung zwischen die beiden Sources der beiden MOSFETs geschaltet ist.
2. MOSFET-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung eine erste und eine zweite Diodenanordnung aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind, und daß ein Anoden- bzw. Kathodenende der ersten bzw. zweiten Diodenanordnung miteinander verbunden sind, während das andere Kathoden- bzw. Anodenende der ersten bzw. zweiten Diodenanordnung miteinander verbunden sind.
3. MOSFET-Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diodenanordnung mehrere untereinander in Reihe geschaltete Dioden aufweist.
4. MOSFET-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kanalbreite des Stromspiegel-MOSFETs etwa einige Tausendstel bis einige Zehntausendstel der des Leistungs- MOSFETs beträgt.
5. MOSFET-Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Diodenanordnungen in Mehrfachstufen vorgesehen sind.
DE3926944A 1988-08-15 1989-08-14 Mosfet mit darin enthaltenem stromspiegel-fet Withdrawn DE3926944A1 (de)

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