專利名稱：半導體集成電路器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶有功率晶體管、例如功率MOSFET或功率雙極型晶體管的一個半導體集成電路器件，通過該功率晶體管傳送大電流。
背景技術(shù)：
在一個半導體集成電路器件中，例如在帶有傳送大電流以驅(qū)動一個負載的功率晶體管的一個電機驅(qū)動器中，為了防止該功率晶體管免遭由于大于額定值的電流通過而造成的破壞，通常提供一個用于檢測流經(jīng)該功率晶體管的電流的電流檢測電路，即一個過電流保護電路。一種類型的這種電流檢測電路，即過電流保護電路通過使用直接連接在包括該功率晶體管的電路中的電流檢測電阻來實現(xiàn)電流檢測。
在某些應(yīng)用中，半導體集成電路器件帶有由低至5V的電源電壓操作的功率晶體管。在此情況中，為了保證在饋送到負載的電壓中的一個足夠?qū)挼膭討B(tài)范圍，必須將饋送到該負載的電壓中的電壓降減到最小。因此，考慮到串接在包括該功率晶體管的電路中的用于電流檢測的電阻兩端的電壓降，上述電路結(jié)構(gòu)不適合由一個低電源電壓操作的半導體集成電路器件。
作為采用減小上述電壓降的電流檢測電路或過電流保護電路的已有技術(shù)的實例，日本專利申請公開H7-120221、H8-34222和日本專利申請待審公開2002-16219、2002-26707和2002-280886建議了利用過電流保護作用的功率MOSFET，其中的功率晶體管根據(jù)來自一個晶體管的電流而被防止過電流，該晶體管的漏極和柵極被分別保持在與該功率晶體管的漏極和柵極相同的電位。作為已有技術(shù)的另一實例，日本專利申請公開H6-61432建議一種半導體器件，其中一個功率FET和與該功率FET并聯(lián)連接的一個檢測FET被分別連接至一個運算放大器的輸入端，從而通過監(jiān)視在運算放大器的輸出端和檢測FET的輸入端之間的電位差來實現(xiàn)電流檢測。
在如日本專利申請公開H7-120221、H8-34222、2002-16219和日本專利申請待審公開2002-26707和2002-280886中建議的過電流保護電路或電流檢測電路配置中，通過檢測其漏極和柵極被分別保持在與該功率晶體管的漏極和柵極相同電位的該晶體管的電流來檢測通過該功率晶體管的電流。然而，在這些結(jié)構(gòu)中，兩個晶體管的源極不被強制地保持在相同的電位。因此，用于電流檢測的晶體管和該功率晶體管不是操作在理想的完全相同的狀態(tài)中。因此，其并不總是有可能檢測正比于流經(jīng)該功率晶體管的電流的一個電流。
另一方面，在日本專利申請公開H6-61432中建議的半導體器件把一個電阻連接在運算放大器的反相輸入端和輸出終端之間，因此即使在該檢測FET的源極電流被輸出作為來自該運算放大器的反相輸入端側(cè)的檢測電流之時，該檢測FET的源極電流的一部分也將通過電阻而流進運算放大器。因此，檢測FET的源極電流沒有被完全輸出，而是根據(jù)FET操作的狀態(tài)而變化。因此有必要采用一種結(jié)構(gòu)，通過檢測在運算放大器輸出終端側(cè)的電壓和在該運算放大器的反相輸入端側(cè)的電壓之間的差值來檢測流經(jīng)該FET的電流。
而且在該結(jié)構(gòu)中，為了通過連接在該運算放大器的輸出端和反相輸入端之間的電阻傳送該檢測FET的源極電流，需要把該運算放大器的反相輸入端連接到一個沒有來自比較器、運算放大器等的輸入端的電流進入的電路。即必須在后級中提供作為電壓放大級功能的電路。而且，為了輸出一個電流信號，需要把此電壓放大級建立作為一個電壓-電流變換級。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種半導體集成電路器件，使得用于電流檢測的一個晶體管操作在與功率晶體管完全相同的狀態(tài)中，并且輸出作為一個檢測信號的電流信號。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明一個方面的一種半導體集成電路器件具有功率晶體管，把大電流饋送至一個負載；第一晶體管，其第二電極和控制電極被連接到該功率晶體管的第二電極和控制電極；第二晶體管，其第一電極和第二電極之一被連接到該第一晶體管的第一電極；以及一個運算放大器，其一個輸入端連接到該功率晶體管的第一電極，其另一輸入端連接到該第一晶體管的第一電極，而且其輸出端連接到該第二晶體管的控制電極。其中，該第二晶體管以該第一和第二電極的另一電極輸出正比于流經(jīng)該功率晶體管的電流的一個電流信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種半導體集成電路器件具有一個功率晶體管，把大電流饋送至一個負載；第一晶體管，其第二電極和控制電極被連接到該功率晶體管的第二電極和控制電極；第二晶體管，其第二電極被連接到該第一晶體管的第一電極；和第三晶體管，其控制電極連接到該功率晶體管的第一電極，而且其第二電極連接到該第二晶體管的控制電極。其中，該第二晶體管以該第一電極輸出正比于流經(jīng)該功率晶體管的電流的一個電流信號。
附圖描述從隨后參照附圖的結(jié)合最佳實施例的描述，本發(fā)明的其它目標和特征將變得清楚

圖1是表示本發(fā)明第一實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的一個實例電路框圖；圖2是表示本發(fā)明第一實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例電路框圖；圖3A和3B是表示本發(fā)明第一實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖；圖4A至4D是表示本發(fā)明第一實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖；圖5A至5D是表示本發(fā)明第一實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖；圖6A至6D是表示本發(fā)明第一實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖；圖7是表示本發(fā)明第二實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的一個實例電路框圖；圖8是表示本發(fā)明第二實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖；圖9A和9B是表示本發(fā)明第二實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖；和圖10A至10D是表示本發(fā)明第二實施例的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的另一實例的電路框圖。
具體實施例方式
第一實施例下面參照附圖描述本發(fā)明的第一實施例。圖1是表示本發(fā)明第一實施例的帶有功率晶體管的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的一個實例電路框圖；圖1示出的半導體集成電路器件包括一個功率晶體管M1，把大電流饋送至一個負載L；一個晶體管M2，其柵極和源極被分別連接到功率晶體管M1的柵極和源極；運算放大器A，其非反相輸入端被連接到該功率晶體管M1的漏極，而其反相輸入端被連接到該晶體管M2的漏極；和一個晶體管M3，其柵極被連接到該運算放大器A的輸出端，而其源極被連接到該晶體管M2的漏極。
功率晶體管M1和晶體管M2的源極通過接地端10接地，并且通過控制終端11饋送到功率晶體管M1和晶體管M2的柵極。功率晶體管M1的漏極通過負載端12連接到負載L。晶體管M3的漏極連接到檢測端13，通過檢測端13饋送輸出一個檢測電流。其中，功率晶體管M1和晶體管M2和M3都是N溝道MOSFET。晶體管M3和運算放大器A構(gòu)成負反饋電路。
在如上所述構(gòu)成的半導體集成電路中，該運算放大器A的反相和非反相輸入端的電壓近似相等，并且因此該功率晶體管M1和晶體管M2的漏極電壓近似相等。結(jié)果是，由于功率晶體管M1和晶體管M2將其源連接在一起，并且將其柵極連接在一起，所以在它們漏極的電壓相等，在它們源極的電壓相等并且在它們柵極的電壓相等。
由此方式，使得加到功率晶體管M1的不同電極的電壓等于加到晶體管M2的對應(yīng)電極的電壓，能夠使得通過晶體管M2漏極的電流正比于通過功率晶體管M1的漏極的電流。具體地說，讓功率晶體管M1的選通脈沖寬度和選通脈沖長度分別是W1和L1，并且讓晶體管M2的選通脈沖寬度和選通脈沖長度分別是W2和L2，則對于通過該功率晶體管M1的漏極電流I1而言，通過該M2的漏極電流I2被給出為I1×(W2/L2)/(W1/L1)。其中，通過晶體管M2的漏極電流是幾個μA至幾十μA級，通過功率晶體管M1的漏極電流是幾百μA級。
而且，晶體管M3的提供使得運算放大器A的輸出電壓用于被取樣作為晶體管M3的柵極電壓的唯一目的。與在晶體管M2通過電阻等直接連接到運算放大器A的輸出端中的情況相反，這將有助于避免作為晶體管M3的漏極電流的一部分的電流從運算放大器流出，或避免流經(jīng)該檢測端13的一部分電流流入運算放大器A。結(jié)果是，在檢測端13出現(xiàn)的電流不受流入或流出該運算放大器A的電流的影響，而因此出現(xiàn)在檢測端13的電流表示正比于功率晶體管M1的漏極電流的晶體管M2的漏極電流。
圖1中，N頻道MOSFET被用作晶體管M3。但是，也有可能如圖2所示使用一個npn型雙極型晶體管作為晶體管T3取代晶體管M3。在此情況中，晶體管T3的集電極連接到檢測端13，基極連接到運算放大器A的輸出端，并且其發(fā)射器連接到M2晶體管漏極。晶體管T3和運算放大器A構(gòu)成負反饋電路。正象圖1中示出的情況那樣，由于晶體管T3的基極電流與其集電極電流相比可以忽略，所以該檢測端13出現(xiàn)的電流表示晶體管M2的漏極電流，其正比于功率晶體管M1的漏極電流。
在圖1和圖2中，N頻道MOSFET被用作功率晶體管M1。但是，也有可能如圖3A和3B所示那樣，使用一個npn型雙極型晶體管作為功率晶體管T1而取代晶體管M1。在此情況中，一個npn型雙極型晶體管被用作晶體管T2而取代N溝道MOSFET晶體管M2。
運算放大器A的非反相和反相輸入端被分別連接到功率晶體管T1和晶體管T2的集電極。功率晶體管T1和晶體管T2的發(fā)射器被連接到接地端10，功率晶體管T1和晶體管T2的基極被連接到控制端11。圖3A示出N溝道MOSFET用作晶體管M3的情況，而圖3B示出npn型雙極型晶體管用作晶體管T3的情況。
在圖3A和3B示出的結(jié)構(gòu)中，運算放大器A晶體管M3或T3具有與圖1和2中作為運算放大器A的晶體管M3或T3的相同功能。而且，功率晶體管T1和晶體管T2的發(fā)射器電壓相等，它們集電極電壓相等，并且它們基極電壓相等。因此，通過功率晶體管T1和晶體管T2流動正比于它們發(fā)射區(qū)的集電極電流。結(jié)果是，讓功率晶體管T1和晶體管T2的發(fā)射區(qū)分別是S1和S2，則相對于功率晶體管Tb的集電極電流I1而言，通過晶體管T2的集電極電流I2是I1×S2/S1，并且此集電極電流I2出現(xiàn)在檢測端13。
在圖1、2、3A和3B中，功率晶體管M1或T1連接到運算放大器A的非反相輸入端，而晶體管M2或T2連接到運算放大器A的反相輸入端。但是，也有可能顛倒對于運算放大器A的非反相和反相輸入端的連接。具體地說，在這種情況下如圖4A和4B所示，功率晶體管M1和晶體管M2的漏極分別地連接到運算放大器A的反相和非反相輸入端，或如圖4C和4D所示，功率晶體管T1和晶體管T2的集電極分別地連接到運算放大器A的反相和非反相輸入端。
在此情況中，連接到運算放大器A的輸出端的晶體管M3或T3分別是一個P溝道MOSFET或pnp型雙極型晶體管使得運算放大器A和晶體管M3或T3構(gòu)成一個負反饋電路。具體地說，如圖4A和4C所示，晶體管M3將其柵極連接到運算放大器A的輸出端，將其源極連接到檢測端13，而將其漏極連接到運算放大器A的非反相輸入端；或如圖4B和4D所示，晶體管T3將其基極連接到運算放大器A的輸出端，將其發(fā)射器連接到檢測端13，而將其集電極連接到運算放大器A的非反相輸入端。
在圖1，2、3A、3B和4A至4D中，功率晶體管M1和晶體管M2是N溝道MOSFET，或功率晶體管T1和晶體管T2是npn型雙極型晶體管。但是也有可能如圖5A至5D所示，使用P溝道MOSFET作為功率晶體管M1和晶體管M2，或使用pnp型雙極型晶體管作為功率晶體管T1和晶體管T2。
在如圖5A和5B所示的情況中功率晶體管M1和晶體管M2的漏極被分別地連接到運算放大器A的非反相和反相輸入端。而且，P溝道MOSFET或pnp型雙極型晶體管被分別地用作晶體管M3或T3，并且運算放大器A的非反相輸入端被連接到輸出終端12。因此，圖5A和5B示出的電路結(jié)構(gòu)盡管極性相反，但具有與圖1和2示出的電路結(jié)構(gòu)相同的互聯(lián)關(guān)系。
另外，如圖5C和5D所示，功率晶體管T1和晶體管T2的集電極被分別地連接到運算放大器A的非反相和反相輸入端。而且，P溝道MOSFET或pnp型雙極型晶體管被分別地用作晶體管M3或T3，并且運算放大器A的非反相輸入端連接到輸出端12。因此，圖5C和5D示出的電路結(jié)構(gòu)盡管極性相反，但具有與圖3A和3B示出的電路結(jié)構(gòu)相同的互聯(lián)關(guān)系。
另外如圖6A和6B所示，功率晶體管M1和晶體管M2的漏極被分別地連接到運算放大器A的反相和非反相輸入端。而且，N溝道MOSFET或npn型雙極型晶體管被分別地用作晶體管M3或T3，并且運算放大器A的非反相輸入端被連接到輸出終端12。因此，圖6A和6B示出的電路結(jié)構(gòu)盡管極性相反，但具有與圖4A和4B示出的電路結(jié)構(gòu)相同的互聯(lián)關(guān)系。
另外，如圖6C和6D所示，功率晶體管T1和晶體管T2的集電極被分別地連接到運算放大器A的反相和非反相輸入端。而且，N溝道MOSFET或npn型雙極型晶體管被分別地用作晶體管M3或T3，并且運算放大器A的非反相輸入端被連接到輸出終端12。因此，圖6C和6D示出的電路結(jié)構(gòu)盡管極性相反，但具有與圖4C和4D示出的電路結(jié)構(gòu)相同的互聯(lián)關(guān)系。
第二實施例下面參照附圖描述本發(fā)明的第二實施例。圖7是表示本發(fā)明第二實施例的帶有功率晶體管的半導體集成電路器件的內(nèi)部構(gòu)形的一個實例電路框圖； 在圖7中，以相同的參考數(shù)字標示圖1中已經(jīng)含有的電路元件，并且將不重復對于這種電路元件的說明。
圖7示出的半導體集成電路器件與圖1所示的半導體集成電路器件的不同在于省略了圖1示出的運算放大器A，并且相反地提供了電阻R和晶體管M4。電源電壓VDD被饋送到電阻R的一端。晶體管M4源極連接到電阻R的另一端并且連接到晶體管M3的柵極，并且其柵極連接到功率晶體管M1的漏極。晶體管M4是一個P溝道MOSFET，而其漏極通過接地端10接地。晶體管M3和M4具有實質(zhì)上相等的源極-柵極門限電壓Vth。
在此結(jié)構(gòu)中，如果假設(shè)功率晶體管M1的漏極電壓是Va，則此功率晶體管M1的漏極電壓Va被饋送到晶體管M4的柵極，并且因此該晶體管M4的源極電壓等于Va+Vth。晶體管M4的源極電壓被饋送到晶體管M3的柵極，并且因此該晶體管M3的源極電壓等于Va+Vth-Vth＝Va。這使得晶體管M2的漏極電壓等于Va，即等于功率晶體管M1的漏極電壓。
因此，晶體管M2的漏極電壓、柵極電壓和源極電壓分別等于功率晶體管M1的漏極電壓、柵極電壓和源極電壓。所以，晶體管M2的漏極電流通過(選通脈沖寬度)/(選通脈沖長度)而正比于功率晶體管M1的漏極電流。而且，該功率晶體管M1的漏極電壓被用于作為該晶體管M4的柵極電壓的取樣的唯一目的，并且該晶體管M4的源極電壓被用于作為該晶體管M3的柵極電壓的取樣的唯一目的。這將有助于降低對于經(jīng)檢測端13饋出的該晶體管M2的漏極電流的影響。
具體地說，晶體管M3的漏極電流不由流經(jīng)晶體管M4和電阻R構(gòu)成的電路的電流所增減，而是等于晶體管M2的漏極電流。而且，流經(jīng)功率晶體管M1的電流不由流經(jīng)晶體管M4和電阻R構(gòu)成的電路的電流所增減，而是等于流經(jīng)負載L的電流。因此，如在第一實施例中那樣，在檢測端13出現(xiàn)電流等于晶體管M2的漏極電流，它正比于功率晶體管M1的漏極電流。
在圖7中，一個N溝道MOSFET被用作晶體管M3而一個P溝道MOSFET被用作晶體管M4。但是，也有可能如圖8所示使用一個npn型雙極型晶體管作為晶體管T3取代晶體管M3，以及使用一個pnp型雙極型晶體管T4取代晶體管M4。
在此情況中，晶體管T3的集電極連接到檢測端13，基極連接到該電阻R的另一端，并且其發(fā)射器連接到M2晶體管漏極。而且，晶體管T4的集電極連接到接地端10，基極連接到該功率晶體管M1的漏極，并且其發(fā)射器連接到晶體管T3的基極。與它們集電極電流比較，晶體管T3和T4的基極電流是可以忽略的，因此在如圖7示出的情況中，在檢測端13出現(xiàn)的電流表示晶體管M2的漏極電流，它正比于功率晶體管M1的漏極電流。
在圖7和圖8中，一個N溝道MOSFET被用作功率晶體管M1。但是，也有可能如圖9A和9B所示使用一個npn型雙極型晶體管作為功率晶體管T1而取代晶體管M1。在此情況中，取代一個N溝道MOSFET晶體管M2，一個npn型雙極型晶體管被用作晶體管T2。
在圖9A中，功率晶體管T1的集電極連接到晶體管M4的柵極，并且晶體管T2的集電極連接到晶體管M3的源極。在圖9B中，功率晶體管T1的集電極連接到晶體管M4的基極，并且晶體管T2的集電極連接到晶體管T3的發(fā)射器。而且，在圖9A和圖9B中，功率晶體管T1和晶體管T2的發(fā)射器連接到接地端10，并且功率晶體管T1和晶體管T2的基極連接到控制端11。
在圖7、8、9A、和9B中，N溝道MOSFETs被用作功率晶體管M1和晶體管M2，或npn型雙極型晶體管被用作功率晶體管T1和晶體管T2。但是也有可能使用P溝道MOSFET作為功率晶體管M1和晶體管M2，或使用pnp型雙極型晶體管作為功率晶體管T1和晶體管T2。
另外，如圖10A和10G所示，P溝道MOSFET被用作晶體管M3，其源極連接到晶體管M2的漏極或連接到晶體管T2的集電極，并且N溝道MOSFET被用作晶體管M4，其柵極連接到功率晶體管M1的漏極或連接到功率晶體管T1的集電極。因此，圖10A和10G示出的電路結(jié)構(gòu)盡管極性相反，但具有與圖7和9A示出的電路結(jié)構(gòu)相同的互聯(lián)關(guān)系。
另外，如圖10B和10D所示，pnp型雙極型晶體管被用作晶體管T3，其發(fā)射極連接到晶體管M2的漏極或連接到晶體管T2的集電極，并且npn型雙極型晶體管被用作晶體管T4，其基極連接到功率晶體管M1的漏極或連接到功率晶體管T1的集電極。因此，圖10B和10D示出的電路結(jié)構(gòu)盡管極性相反，但具有與圖8和9B示出的電路結(jié)構(gòu)相同的互聯(lián)關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明，流經(jīng)以其第一、第二和控制電極接收實質(zhì)上分別等于功率晶體管的第一、第二和控制電極的電壓的一個第一晶體管的電流被輸出作為一個電流信號。這使得流經(jīng)其操作狀態(tài)與功率晶體管實質(zhì)完全相同的該第一晶體管的電流信號正比于流經(jīng)該功率晶體管的電流信號，實現(xiàn)對于流經(jīng)該功率晶體管的電流的更精確的監(jiān)視。而且，流經(jīng)該第一晶體管的電流信號以及最終被輸出的電流信號不受流經(jīng)另一電路部分的電流的影響。這將造成輸出電流信號的更高的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種半導體集成電路器件，包括功率晶體管，把大電流饋送至一個負載；第一晶體管，其第二電極和控制電極被分別連接到一個功率晶體管的第二電極和控制電極；第二晶體管，其第一電極或第二電極之一被連接到該第一晶體管的第一電極；并且一個運算放大器其一個輸入端被連接到該功率晶體管的第一電極，其另一輸入端被連接第一晶體管，并且其輸出端被連接到第二晶體管，其中該第二晶體管以該第一和第二電極的另一電極輸出正比于流經(jīng)該功率晶體管的電流的一個電流信號。
2.如權(quán)利要求1的半導體集成電路器件，其中該第二晶體管和該運算放大器構(gòu)成一個負反饋電路。
3.一種半導體集成電路器件，包括功率晶體管，把大電流饋送至一個負載；第一晶體管，其第二電極和控制電極被分別連接到該功率晶體管的第二電極和控制電極；第二晶體管，其第二電極被連接到該第一晶體管的第一電極；和第三晶體管，其控制電極連接到該功率晶體管的第一電極，而且其第二電極連接到該第二晶體管的控制電極。其中該第二晶體管以第一電極輸出正比于流經(jīng)一個功率晶體管的電流的一個電流信號。
4.如權(quán)利要求3的半導體集成電路器件，其中該第三晶體管的第一電極被連接到該功率晶體管和該第一晶體管的第二電極，并且通過一個電阻把一個直流電壓加到該第三晶體管的第二電極。
5.如權(quán)利要求3的半導體集成電路器件，其中該第二和第三晶體管是反極性的晶體管，并且出現(xiàn)在該第二晶體管的第二電極和控制電極之間的電位差實質(zhì)上等于出現(xiàn)在該第三晶體管的第二電極和控制電極之間的電位差。
6.如權(quán)利要求5的半導體集成電路器件，其中該第二晶體管是與該第一晶體管相同極性的晶體管。
7.如權(quán)利要求6的半導體集成電路器件，其中該第三晶體管的第一電極被連接到該功率晶體管和該第一晶體管的第二電極，并且通過一個電阻把一個直流電壓加到該第三晶體管的第二電極。
全文摘要
功率晶體管M1的漏極連接到運算放大器A的非反相輸入端，并且晶體管M2的漏極連接到該運算放大器A的反相輸入端，使得功率晶體管M1和晶體管M2的漏極電壓實質(zhì)上相等，功率晶體管M1和晶體管M2的柵極連接在一起而且源極被連接在一起。晶體管M2的漏極電流經(jīng)由一個檢測端13輸出作為正比于該功率晶體管M1的漏極電流的一個電流信號。
文檔編號H01L21/822GK1525646SQ20041000700
公開日2004年9月1日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者山本精一, 前田記寬, 上田豐和, 和, 寬 申請人:羅姆股份有限公司