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CN1137517C - 半导体器件 - Google Patents

半导体器件 Download PDF

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CN1137517C
CN1137517C CNB981088872A CN98108887A CN1137517C CN 1137517 C CN1137517 C CN 1137517C CN B981088872 A CNB981088872 A CN B981088872A CN 98108887 A CN98108887 A CN 98108887A CN 1137517 C CN1137517 C CN 1137517C
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山西雄司
森吉弘
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

本发明的半导体器件包括一个比较器,该比较器包括有向其提供检测电压的检测端电路和向其提供参考电压的参考端电路。半导体器件内设置获取检测电压的检测元件,半导体器件外设置获取参考电压的参考元件。检测端电路和参考端电路中至少一个包括与温度有关的调节元件,用于减小检测电压的温度特性和参考电压的温度特性间的差异。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及一种半导体器件。特别是,本发明涉及一种减小由于温度变化造成的比较器输出特性起伏的电路技术,在包括集成于同一半导体衬底上的功率元件和比较器的半导体器件中,从温度特性起伏不大的外部元件获得参考电压时,从设置于此衬底上且其温度特性起伏很大的半导体元件获得检测电压。
背景技术
为了抑制由于温度变化造成的比较器输出特性起伏,应该统一考虑用于获得检测电压的元件(此后简称为“检测元件)的温度特性和用于获得参考电压的元件(此后简称为“参考元件”)的温度特性。
为了在带有设置于其中的比较器的半导体器件中这样做,例如一般是在半导体衬底上既提供检测元件又提供参考元件,或言两个元件设置为外部元件。在一种半导体衬底上提供两种元件的前者情况下,比较器的输出特性相对于温度变化稳定,但也是固定的,所以用户不能任意设置比较器的输出特性。在提供两种元件作为外部元件的后种情况下,尽管用户可以任意设置比较器的输出特性,但每个比较器都需要两个附加的外部连接端子,所以增加了半导体器件需要的外部端子数。
为了减小半导体器件的尺寸及外部端子的数量,在允许任意设置比较器的输出特性的情况下,必需从外设元件获取比较器的参考电压。
图7展示了从外设元件获取比较器的参考电压的常规实例。图7中,半导体器件1包括比较器2和为半导体元件的检测元件3,两者皆设于半导体衬底上。参考数字4表示外部连接端子,5表示比较器2的输出端。恒流源6和用于获取参考电压的外设电阻7(此后称为“外部参考电阻7”)与外部连接端子4连接。
比较器2包括检测端电路、参考端电路和恒流源16。检测端电路包括恒流源8、晶体管10和晶体管11。参考端电路包括恒流源12、晶体管14和晶体管15。晶体管10和14皆称为“缓冲元件”,晶体管11和15皆称为“差分元件”。
比较器2的参考电压为在外部参考电阻7上产生的电压,比较器2的检测电压是在检测晶体管3上产生的电压。比较器2的参考端设为外部连接端,以便可以通过设置在外部参考电阻7上产生的参考电压,任意地设置比较器2的输出特性。
然而,图7所示的比较器2中,比较器2的参考电压为在外部参考电阻7上产生的电压。由于外部参考电阻7是外设元件,所以由于温度变化造成的参考电压起伏不大。另一方面,比较器2的检测电压是在检测电阻3上产生电压。由于检测电阻3设于半导体衬底上,所以因温度变化造成的检测电压起伏相当大。因此,比较器2的检测电压和参考电压间的温度特性存在着差异,所以比较器2的输出特性会因温度变化而起伏。特别是,在功率元件设置于半导体衬底上时,检测电阻3由于温度变化而发生的起伏因功率元件产生热进一步增大,所以比较器的输出特性因温度变化发生很大起伏。
发明内容
本发明的半导体器件包括设置于比较器的检测端电路或参考端电路中至少一个中的与温度相关的调节元件,以使比较器的检测电压和参考电压的温度特性彼此匹配。
检测端电路和参考端电路都具有与温度有关的调节元件。用例如二极管等与温度有关的半导体元件作检测端电路的与温度有关的调节元件。而用例如电阻元件等与温度有关的半导体元件作参考端电路的与温度有关的调节元件。
在检测端电路中提供有二极管时,二极管的整流特性随温度升高而减弱,所以造成因温度造成的检测电压的起伏减弱,因而可以减小比较器的检测电压和参考电压间的温度特性差异。
而且,在参考端电路中提供有电阻元件时,电阻值随温度的升高而增大,所以因温度造成的参考电压的起伏增大,因而可以减小检测电压和参考电压间的温度特性差异。
在检测端电路提供有二极管,同时参考端电路提供有电阻元件时,可以更有效地减小比较器的检测电压和参考电压间的温度特性差异。
根据本发明的一个方案,一种半导体器件包括一个比较器,该比较器包括有其被提供一检测电压的检测端电路和其被提供一参考电压的参考端电路;以及一个设置在半导体器件内部用于获取检测电压的检测元件,和一个设置在半导体器件外部用于获取参考电压的参考元件;其中检测端电路和参考端电路中至少有一个电路包括与温度有关的调节元件,用于减小检测电压的温度特性和参考电压的温度特性间的差异,所述检测端电路包括具有第一输入端的第一差分元件,一个基于检测电压的电压被提供给所述第一输入端,而参考端电路包括具有第二输入端的第二差分元件,一个基于参考电压的电压被提供给所述第二输入端,及所述与温度有关的调节元件与第一输入端和第二输入端中的至少一个相连接。
根据本发明的另一个方案,一种半导体器件,包括一个比较器,该比较器包括有其被提供一检测电压的检测端电路和其被提供一参考电压的参考端电路;以及一个设置在半导体器件内部用于获取检测电压的检测元件,和一个设置在半导体器件外部用于获取参考电压的参考元件;其中检测端电路和参考端电路中至少有一个电路包括与温度有关的调节元件,用于减小检测电压的温度特性和参考电压的温度特性间的差异,检测端电路包括第一缓冲元件和第一差分元件,参考端电路包括第二缓冲元件和第二差分元件;及与温度有关的调节元件设置于第一缓冲元件和第一差分元件之间或第二缓冲元件和第二差分元件之间。
按本发明的一个实施例,检测端电路包括与温度有关的调节元件,与温度有关的调节元件的温度特性使得与温度有关的调节元件的相反端之间的电压随温度升高而降低。
按本发明再一实施例,与温度有关的调节单元件是二极管。
按本发明又一实施例,参考端电路包括与温度有关的调节元件,与温度有关的调节元件的温度特性使得与温度有关的调节元件的相反端之间的电压随温度升高而增大。
按本发明再一实施例,与温度有关的调节单元件是电阻元件。
按本发明又一实施例,半导体器件还包括一个功率元件,检测端电路还包括一个检测电路,用于检测功率元件产生的过电流或热。
按本发明又一实施例,参考元件设置于半导体器件之外,以便比较器的输出特性可以变化。
所以,这里所述发明的优点是可以通过提供一种半导体器件,它具有小的比较器检测电压和参考电压间温度特性之差,其中,检测电压从设置于半导体衬底上的检测元件获取,而参考电压从外设的参考元件获取。本发明对于功率元件与比较器集成于一起的半导体器件特别有效。
附图说明
对于本领域的技术人员来说,在阅读和理解了以下的结合附图的详细说明后,会理解本发明的这种优点和其它优点。
图1是本发明例1的半导体器件的电路图。
图2是本发明例2的半导体器件的电路图。
图3是本发明例3的半导体器件的电路图。
图4是本发明例4的半导体器件的电路图。
图5是本发明例5的半导体器件的电路图。
图6是本发明例6的半导体器件的电路图。
图7是依据现有技术的半导体器件的电路图。
具体实施方式
以下将结合附图利用所展示的实例详细说明本发明。
例1
图1展示的是本发明例1的半导体器件。图1中,用相同参考数字表示图7中所示元件。
检测端电路包括恒流源8、晶体管10和晶体管11。晶体管10用作“缓冲元件”,晶体管11用作“差分元件”。
参考数字9表示作为与温度有关的调节元件的二极管,它设置于比较器2的检测端电路中,检测电压将加于其上。
二极管9与作为开关元件的晶体管10串联。二极管9设置于缓冲元件10和差分元件11之间。二极管9的温度特性使得其相反端间的电压随温度升高而降低。
以下详细说明该实例。
图1中,恒流源6的电流由I1表示。
晶体管10、11、14、和15及二极管9中每一个的基极—发射极电压和温度系数分别由VF和-Δα表示。检测电阻3的温度系数由Δβ表示。
由于外部参考电阻7的温度相关性低于检测电阻3的温度相关性,所以假定外部参考电阻7的温度系数为零。
在比较器2的点A和B处的电压彼此相等,且输出端5的输出从“H”变到“L”时,检测电阻3的电阻值由R3表示;流过检测电阻3的检测电流由Is表示,且外部参考电阻7的电阻值由R7表示。
那么,点A和B处的电压Va和Vb可以分别表示如下。
表达式1
Va=Is·(1+Δβ)R3+2(1-Δα)VF
表达式2
Vb=I1·R7+(1-Δα)VF
由表达式1和2可以将检测电流Is表示如下。
表达式3
Is={I1·R7-(1-Δα)VF}/{(1+Δβ)R3}
随着温度升高,表达式3右边分母(1+Δβ)R3增大,而尽管右边的分子作为整体增大,但右边分子中的(1-Δα)VF减小。
例2
图2展示的是本发明例2的半导体器件。
在比较器2的参考端电路中提供电阻元件13代替图1中的二极管9,电阻元件13上加参考电压。
参考端电路包括恒流源12、晶体管14和晶体管15。
晶体管14用作“缓冲元件”,晶体管15用作“差分元件”。
电阻元件13与作为开关元件的晶体管14串联。电阻13设置于缓冲元件14和差分元件15之间。电阻元件13是一与温度有关的调节元件,其电阻值随温度升高而增大,所以其相反端间的电压增大。
图2中,与例1一样,恒流源6的电流由I1表示。
晶体管10、11、14、和15中的每一个的基极—发射极电压和温度系数分别由VF和-Δα表示。检测电阻3和电阻13的温度系数都由Δβ表示。
由于外部参考电阻7的温度相关性低于检测电阻3的温度相关性,所以假定外部参考电阻7的温度系数为零。
在比较器2的点A和B处的电压彼此相等,且输出端5的输出从“H”变到“L”时,检测电阻3的电阻值由R3表示;流过检测电阻3的检测电流由Is表示,恒流源12的电流由I2表示;外部参考电阻7的电阻值由R7表示;外部参考电阻13的电阻值由R13表示。。
那么,点A和B处的电压Va和Vb可以分别表示如下。
表达式4
Va=Is·(1+Δβ)R3+(1-Δα)VF
表达式5
Vb=I1·R7+(1-/Δα)VF+I2(1+Δβ)R13
由表达式4和5可以将检测电流Is表示如下。
表达式6
Is={I1·R7+I2(1+Δβ)R13}/{(1+Δβ)R3}
随着温度升高,表达式6右边分母(1+Δβ)R3增大,而右边的分子作为整体增大,同时右边分子中的I2(1+Δβ)R13也增大。结果,因温度升高造成的检测电流Is的偏差减小。
例3
图3展示的是本发明例3的半导体器件。
该例中,二极管9设置于比较器2的检测端电路中,检测电压将加于其上,而电阻元件13设置于比较器2的参考端电路,参考电压加其上。
图3中,与例1和例2相同,恒流源6的电流由I1表示。
晶体管10、11、14、和15及二极管9中的每一个的基极—发射极电压和温度系数分别由VF和-Δα表示。检测电阻3和电阻13的温度系数都由Δβ表示。
由于外部参考电阻7的温度相关性低于检测电阻3的温度相关性,所以假定外部参考电阻7的温度系数为零。
在比较器2的点A和B处的电压彼此相等,且输出端5的输出从“H”变到“L”时,检测电阻3的电阻值由R3表示;流过检测电阻3的检测电流由Is表示,恒流源12的电流由I2表示;外部参考电阻7的电阻值由R7表示;外部参考电阻13的电阻值由R13表示。。
那么,点A和B处的电压Va和Vb可以分别表示如下。
表达式7
Va=Is·(1+Δβ)R3+2(1-Δα)VF
表达式8
Vb=I1·R7+(1-Δα)VF+I2(1+Δ3)R13
由表达式7和8可以将检测电流Is表示如下。
表达式9
Is={I1·R7+I2(1+Δβ)R13-(1-Δα)VF}/{(1+Δβ)R3}
随着温度升高,表达式9右边分母(1+Δβ)R3增大,而右边分子中的(1-Δα)VF减小,同时右边分子中的I2(1+Δβ)R13增大,所以右边整个分子增大。结果,因温度升高造成的检测电流Is的偏差减小。
例4
图4展示的是本发明例4的半导体器件。该实例中的半导体器件17包括:功率元件18;用作检测功率元件18的过电流的比较器2;检测电阻3;电阻19。图4中用相同的参考数字表示图1中所示元件。
图4中,比较器2用作检测功率元件18的过电流的比较器。除比较器2与功率元件18集成外,该实例与实例1相同,是用于减小检测电压和参考电压间的温度特性差异的装置。
晶体管10、11、14、和15及二极管9中的每一个的基极—发射极电压和温度系数分别由VF和-Δα表示。检测电阻3的温度系数由Δβ表示。功率元件18的导通—电阻值和温度系数分别由Ron和Δγ表示;检测电阻3的电阻值由R3表示。
由于外部参考电阻7的温度相关性低于检测电阻3的温度相关性,所以假定外部参考电阻7的温度系数为零。
在比较器2的点A和B处的电压彼此相等,且输出端5的输出从“H”变到“L”时,流过功率元件18的过电流由Iocl表示;外部参考电阻7的电阻值由R7表示;外部参考电阻19的电阻值由R19表示。。
那么,点A和B处的电压Va和Vb可以分别表示如下。
表达式10
Va=Iocl·(1+Δγ)Ron·R13/(R3+R19)+2(1-Δα)VF
表达式11
Vb=I1·R7+(1-Δα)VF
由表达式10和11可以将检测电流Iocl表示如下。
表达式12
Iocl=(R3+R19){I1·R7-(1--Δα)VF}/{R3.(1+Δγ)Ron}
随着温度升高,表达式12右边分母R3·(1+Δγ)Ron增大,而尽管右边分子整体增大,但右边分子中的(1-Δα)VF减小。结果,因温度升高造成的检测电流Iocl的偏差减小。
例5
图5展示的是按本发明例5的半导体器件。在比较器2的参考端电路中提供电阻器13代替图4中的二极管9。
图5中比较器2用作检测功率元件18的过电流的比较器。除比较器2与功率元件18集成于一起外,该实例与实例2相同,是用于减小检测电压和参考电压间的温度特性差异的装置。
晶体管10、11、14、和15及二极管9中的每一个的基极—发射极电压和温度系数分别由VF和-Δα表示。检测电阻3的温度系数由Δβ表示。功率元件18的导通—电阻值和温度系数分别由Ron和Δγ表示;检测电阻3的电阻值由R3表示。
由于外部参考电阻7的温度相关性低于检测电阻3的温度相关性,所以假定外部参考电阻7的温度系数为零。
在比较器2的点A和B处的电压彼此相等,且输出端5的输出从“H”变到“L”时,流过功率元件18的过电流由Iocl表示;恒流源12的电流由I2表示;外部参考电阻7的电阻值由R7表示;电阻13的电阻值由R13表示;外部参考电阻19的电阻值由R19表示。。
那么,点A和B处的电压Va和Vb可以分别表示如下。
表达式13
Va=Iocl·(1+Δγ)Ron.R3/(R3+R19)+(1-/Δα) VF
表达式14
Vb=I1·R7+(1-Δα)VF+I2·(1+Δβ)R13
由表达式13和14以将检测电流Iocl表示如下。
表达式15
Iocl=(R3+R19){I1·R7+I2·(1+Δβ)R13}/{R3.(1+Δγ)Ron}
随着温度升高,表达式15右边分母R3·(1+Δγ)Ron增大,右边分子整体增大,同时右边分子中的I2·(1+Δβ)R13也增大。结果,因温度升高造成的检测电流Iocl的偏差减小。
例6
图6展示的是本发明例6的半导体器件。该实例中,在比较器2的检测端电路提供二极管9,而在比较器2的参考端电路提供电阻元件13。比较器2用作检测功率元件18的过电流的比较器。除比较器2与功率元件18集成外,该实例与实例3相同,是用于减小检测电压和参考电压间的温度特性差异的装置。
晶体管10、11、14、和15及二极管9中的每一个的基极—发射极电压和温度系数分别由VF和-Δα表示。检测电阻3的温度系数由Δβ表示。功率元件18的导通—电阻值和温度系数分别由Ron和Δγ表示。
由于外部参考电阻7的温度相关性低于检测电阻3的温度相关性,所以假定外部参考电阻7的温度系数为零。
在比较器2的点A和B处的电压彼此相等,且输出端5的输出从“H”变到“L”时,流过功率元件18的过电流由Iocl表示;恒流源12的电流由I2表示;外部参考电阻7的电阻值由R7表示;电阻13的阻值由R13表示;电阻19的电阻值由R19表示。
那么,点A和B处的电压Va和Vb可以分别表示如下。
表达式16
Va=Iocl·(1+Δγ)Ron·R3/(R3+R19)+2(1-Δα)VF
表达式17
Vb=I1·R7+(1-Δα)VF+(1+Δβ)R13
由表达式16和17以将检测电流Iocl表示如下。
表达式18
Iocl=(R3+R19)/{R3.(1+Δγ)Ron}.{I1·R7+I2·(1+Δβ)R13-(1-Δα)VF}
随着温度升高,表达式18右边分母R3·(1+Δγ)Ron增大,右边分子中的(1-Δα)VF增大,同时右边分子中的I2(1+Δβ)R13也增大,所以右边整个分子增大。结果,因温度升高造成的检测电流Iocl的偏差减小。
注意,甚至在比较器的检测元件的温度特性不同于参考元件的温度特性时,也可以抑制由于温度变化造成的比较器输出特性起伏,其中检测元件产生检测电压,参考元件产生参考电压。而且,可以获得其中包含比较器和检测元件的功率元件的4端器件。一般情况下,这种器件用作5端器件。可以增加外部端子的数目,利用其它功能。
如上所述,根据本发明,比较器的输出特性可以任意设定。因此,本发明的半导体器件具有以下效果,比较器的参考电压通过外部连接端子由外设元件提供。即,通过在比较器的检测端电路或参考端电路中至少一个中提供与温度有关的调节元件,可以独立于与该比较器相连的半导体器件的温度特性,减少检测电压和参考电压间温度特性的差异。
在不脱离本发明范围和精神的情况下,本领域的技术人员可以理解且容易实现其它变形。因此,所附权利要求书的范围并不限于上述的描述,此权利要求书的范围更宽。

Claims (8)

1.一种半导体器件,包括:
一个比较器,该比较器包括有其被提供一检测电压的检测端电路和其被提供一参考电压的参考端电路;以及
一个设置在半导体器件内部用于获取检测电压的检测元件,和一个设置在半导体器件外部用于获取参考电压的参考元件;
其中检测端电路和参考端电路中至少有一个电路包括与温度有关的调节元件,用于减小检测电压的温度特性和参考电压的温度特性间的差异,
所述检测端电路包括具有第一输入端的第一差分元件,一个基于检测电压的电压被提供给所述第一输入端,而参考端电路包括具有第二输入端的第二差分元件,一个基于参考电压的电压被提供给所述第二输入端,及
所述与温度有关的调节元件与第一输入端和第二输入端中的至少一个相连接。
2.如权利要求1的半导体器件,其中,检测端电路包括与温度有关的调节元件,与温度有关的调节元件的温度特性使得与温度有关的调节元件的相对两端之间的电压随温度升高而降低。
3.如权利要求2的半导体器件,其中,与温度有关的调节单元件是二极管。
4.如权利要求1的半导体器件,其中,参考端电路包括与温度有关的调节元件,与温度有关的调节元件的温度特性使得与温度有关的调节元件的相对两端之间的电压随温度升高而增大。
5.如权利要求4的半导体器件,其中,与温度有关的调节单元件是电阻元件。
6.如权利要求1的半导体器件,其中,半导体器件还包括一个功率元件,检测端电路还包括一个检测电路,用于检测功率元件的过电流或热生成。
7.如权利要求1的半导体器件,其中,参考元件设置于半导体器件之外,以便比较器的输出特性是可变的。
8.一种半导体器件,包括:
一个比较器,该比较器包括有其被提供一检测电压的检测端电路和其被提供一参考电压的参考端电路;以及
一个设置在半导体器件内部用于获取检测电压的检测元件,和一个设置在半导体器件外部用于获取参考电压的参考元件;
其中检测端电路和参考端电路中至少有一个电路包括与温度有关的调节元件,用于减小检测电压的温度特性和参考电压的温度特性间的差异,
检测端电路包括第一缓冲元件和第一差分元件,参考端电路包括第二缓冲元件和第二差分元件;及
与温度有关的调节元件设置于第一缓冲元件和第一差分元件之间或第二缓冲元件和第二差分元件之间。
CNB981088872A 1997-04-16 1998-04-16 半导体器件 Expired - Fee Related CN1137517C (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9099201A JPH10290144A (ja) 1997-04-16 1997-04-16 半導体装置
JP099201/97 1997-04-16
JP099201/1997 1997-04-16

Publications (2)

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