CN107068738B - 电装置及用于制造电装置的方法以及用于车辆的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出半导体结构元件(10)，尤其功率MOSFET，它具有源极接通部(12)，漏极区域(14)及场板(20)，其中为了测量漏极与场板(20)之间的电容量设有与场板(20)电连接的场板端子(26)。场板(20)与源极接通部(12)无电连接。求取的电容量Cds可被换算成通过半导体结构元件(10)流过的电流Ids。还提出了用于测量从半导体结构元件(10)的源极到漏极的电流的方法，其中由激励及测量电路(28)在场板端子(26)上施加小激励电压及由系统响应求取电流强度Ids。此外还提出具有所述的半导体结构元件(10)的用于车辆的控制装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种电装置，优选地涉及一种功率MOSFET元件，还涉及一种用于制造电装置的方法以及一种用于车辆的控制装置。
背景技术
在例如用于马达操控的功率电子系统中，用于系统调节的相电流具有决定性的作用。在开关过程期间过高的电流可导致元件击穿并可导致其损坏。因此在许多情况下例如通过分路器(Shunt)来测量电流。如果借助分路器测量相电流，则为此需要在DBC(DirectBonded Copper：直接敷铜板)上或在冲压格栅(Stanzgitter)上的附加面积。此外与分路器一起需要另一部件，这也引起成本的增加。
因此发展出一些思路：直接在载流的半导体上测量电流。例如由US2008/0088355A1公知了：将一些晶体管单元与功能负载区域分开并且这些所谓“传感区域”仅用于确定流过晶体管的电流。
另一可能性在于：不仅精确地测量栅极电压而且精确地测量漏极电压。与结构元件的特性曲线一起同样可以确定电流。这些方法的问题在于：通过结构及连接技术(AVT)上的例如基于垂直损伤(Lotzerrüttung)随时间可能出现的变化，芯片接通电阻(Chip-On-Widerstand)(Ron)随着时间而改变。精确的电流测量则不再可能实现。
发明内容
根据本发明提供一种电装置，所述电装置包括半导体结构元件和测量电路，该半导体结构元件具有半导体衬底、至少一个源极元件、至少一个漏极元件、至少一个栅极元件及至少一个场板。根据本发明的半导体结构元件的特征在于：至少一个场板与至少一个源极元件电绝缘并且可由该半导体结构元件的外部通过场板端子电接通。
该半导体结构元件例如可以是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管，英语：Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)。该半导体衬底例如可以是硅、另一半导体衬底或绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator：SOI)衬底。
场板及其在半导体结构元件中的使用已由现有技术普遍公知。场板涉及与有源半导体区电绝缘的、通常与源极电极短接的、由导电材料——如金属或多晶硅构成的元件。场板通常在空间上紧邻飘移区。场板用于飘移区中的电荷补偿并且通过场板的掺杂来影响飘移区中的载流子浓度。场板能够实现飘移区中的较高掺杂，这使结构元件在接通状态中的电阻下降，但同时维持高的击穿电压，这对于半导体结构元件的可靠运行是必需的。
根据本发明的半导体结构元件尤其适合于实现车辆的控制装置。
根据本发明的用于测量从半导体结构元件的源极到漏极的电流的方法基本上包括以下步骤：
a.通过将电压施加到与场板相连接的场板端子上来激励半导体结构元件的场板，
b.求取半导体结构元件的场板与半导体结构元件的漏极元件之间的取决于时间的电容Cds，
c.借助所求取的电容Cds求取在该半导体结构元件的源极元件与漏极元件之间流动的电流Ids。
本发明的优点
根据本发明的半导体结构元件与已经存在的结构元件——例如功率MOSFET是高度兼容的。在这些已经存在的结构元件中通常已具备所有必要的结构，仅必须附加地设立场板端子。合适的激励及分析处理电路也已由现有技术公知。
此外不需要半导体的有源区域中的附加位置。也不需要从有源单元到传感器单元的功能转换。也不需要外部的电流传感器或分路器。电流的测量也与诸如结构及连接技术或退变(Degradation)的成分(Komponenten)无关，成分引入随机的或随时间改变的元素并从而对测量带来不精确性。所有这些使根据本发明的半导体结构元件及根据本发明的方法比由现有技术公知的可能性具有优势。
也可以是，半导体结构元件包括多个分别并联的源极元件、漏极元件及栅极元件以及多个场板。借助这种布置可以制造如下结构元件：该结构元件可以开关高电流并且必要时可以开关高电压，例如功率MOSFET(英文：Power MOSFET)。
替代地有利地设置，场板中的至少一些与场板端子电连接，而其余的场板与源极元件电连接。则必须制造更少的用于场板端子的接通部，而用于测量电流的信号获取保持不变。然而更多数目的用于电流测量的场板可改善信噪比，因为待测量的总电容增大了。
根据本发明的一种优选的实施方式设置：该半导体结构元件具有垂直结构。这种结构对于功率结构元件是有利的。在垂直结构的情况下，击穿电压不主要取决于沟道尺寸，而是主要取决于飘移区的掺杂及尺寸。这对于耐电压的功率结构元件是有利的。
特别优选地，该半导体结构元件具有沟槽结构，该沟槽结构具有至少一个沟槽，在该至少一个沟槽中布置有至少一个栅极元件及场板。通过该构造可显著减小MOSFET的对开关速度有重大影响的密勒电容。
在本发明的一种扩展方案中，用于测量源极元件与场板之间的电容的测量电路连接在所述至少一个场板(20)与所述场板端子(26)之间。借助这样的电路可用简单的方式方法测量流过结构元件的电流、即从源极流到漏极的电流Ids。相应的电路由现有技术公知并且可视需要而定灵活地加以补充。
在一种替代的实施方式中，用于测量源极元件与场板之间的电容的测量电路与该半导体结构元件布置在共同的芯片上。测量逻辑、即测量电路尤其布置在同一半导体衬底上。则得到具有集成的电流测量功能的特别紧凑的部件。
测量电路有利地包括用于例如以小的偏置电压来电激励场板端子的有源电路。借助这样的有源电路可特别精确地测量待确定的电容。因此，与施加在场板端子上的电压的简单测量相反地可实现更高的测量精确度，使得可用更高的精确度来确定真正感兴趣的测量量、即电流Ids。
根据本发明的方法的一种扩展构型设置：为了确定电流Ids将所求取的电容Cds转换为成比例的电压。该电压与电流Ids的值具有简单的关系，使得可用简单的方式方法由电压来求取该电流。
本发明的有利的扩展构型在从属权利要求中给出并在说明书中描述。
附图说明
借助附图及以下的说明更详细地解释本发明的实施例。附图示出：
图1：由现有技术公知的半导体结构元件的截面图，
图2：根据本发明的半导体结构元件的截面图，
图3：由现有技术公知的半导体结构元件的等效电路，
图4：根据本发明的半导体结构元件的等效电路，
图5：由现有技术公知的用于测量电容Cds的电路，
图6：由现有技术公知的用于测量电容Cds的电路，及
图7：Uds与Cds的关系的曲线图。
具体实施方式
图1示出由现有技术公知的具有沟槽(英文：Trench)结构的功率MOSFET(PowerMOSFET)。该功率MOSFET涉及一种垂直结构元件，也就是说，源极及漏极在垂直方向上相互叠置，而在传统的横向结构元件中源极及漏极在水平方向上相互隔开地布置。相应地，在所示出的示例中电流Ids也在垂直方向上流过该半导体结构元件10。
在示图的上部区域中可以看到源极接通部12并且在示图的下部区域中可以看到漏极区域14。此外，描绘出两个沟槽16，在两个沟槽中分别布置有栅极电极18及场板20。也可存在任意数目的其它沟槽，但在图1中未示出，因为仅示出半导体结构元件10的局部。在由现有技术公知的该示例中，场板20与源极接通部12用导电连接装置22短接。两个场板20通过未示出的连接装置同样相互导电地连接，使得两个场板20处于源极电位上。
图2示出与图1中的示例基本上相应的本发明的实施例。所有描述过的特征，只要以下未作不同描述，就也适合于根据本发明的半导体部件10。这里也示出源极接通部12、漏极区域14、沟槽16、栅极电极18及场板20。与图1中不同的是场板20与源极接通部12未相互连接。而是，场板20通过连接装置24与场板端子26相连接。这是与图1的唯一的结构区别。因此显然，本发明可以理想地集成到已经存在的制造过程中。当存在多个场板20时，则所有的场板20可相互电连接。替代地，仅仅任意一部分场板也可相互连接。则第一部分可与源极接通部12相连接并且第二部分可与场板电极或者说与场板端子26相连接。
此外象征地表示出待测量的电容量Cds及电流测量电路28。
图3中示出如图1中所示的传统的半导体结构元件的内部连接。这里场板20也与源极接通部12短接。还示出栅极接通部30及漏极接通部32。
作为比较，图4示出图2中所示的本发明的实施例的内部连接。源极接通部12与场板20不相连接。取而代之地，场板20与场板端子26相连接。象征地将激励电压表示为波纹线，该激励电压可由激励电路施加到场板端子26上。
图5及图6中示出用于测量电容Cds的测量电路28的两个示例。图5中所示的电路28涉及所谓的“基于计数器”的电路。图6中示出“基于电荷”的电路。这两个电路属于现有技术并且这里仅作为示例，可求取电容Cds的任意任何其它方法或电路也是合适的。合适的激励及测量电路28例如可施加10至100mV的范围中的、优选地30至50mV的范围中的小信号激励到场板20上。由此可检测电容的变化。在测量电路28中将该电容转换成比例的输出电压。激励电压不能过大，因为随着电压的上升场板20对漂移区域的影响减小并且因此更容易出现部件10的击穿。
电容Cds取决于漏极电压Uds，所述漏极电压视漏极区中的电流而定地出现。图7示出曲线图，该曲线图表明电压Uds与电容Cds的关系，该电容在此图中被称为C FP-D。对于所示图形的形状，至关重要的仅是半导体的特性，从而外部影响或时间变化——例如垂直损伤不起作用。如果该关系已知，则可毫无问题地由测量出的电容求取当前的电压及由该电压求取电流Ids。
Claims (10)
1.一种电装置，所述电装置包括半导体结构元件(10)和测量电路(28)，其中，所述半导体结构元件(10)具有半导体衬底、至少一个源极元件(12)、至少一个漏极元件(14)、至少一个栅极元件(18)及至少一个场板(20)，其特征在于：所述至少一个场板(20)与所述至少一个源极元件(12)电绝缘并且能够从所述半导体结构元件(10)的外部通过场板端子(26)电接通，其中，用于测量所述漏极元件(14)与所述场板(20)之间的电容的所述测量电路(28)连接在所述至少一个场板(20)与所述场板端子(26)之间。
2.根据权利要求1所述的电装置，其中，所述半导体结构元件(10)包括多个分别并联连接的源极元件(12)、漏极元件(14)及栅极元件(18)以及多个场板(20)。
3.根据权利要求2所述的电装置，其中，所述场板(20)中的至少一些与所述场板端子(26)电连接，而其余的场板(20)与所述源极元件(12)电连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电装置，其中，所述半导体结构元件(10)具有垂直结构。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的电装置，其中，所述半导体结构元件(10)具有沟槽结构，该沟槽结构具有至少一个沟槽(16)，在所述至少一个沟槽中布置有至少一个栅极元件(18)及至少一个场板(20)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电装置，其中，用于测量所述漏极元件(14)与所述场板(20)之间的电容的所述测量电路(28)与所述半导体结构元件(10)布置在共同的芯片上。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电装置，其中，所述测量电路(28)包括用于所述场板端子(26)的电激励的有源电路。
8.一种用于测量从半导体结构元件(10)的源极元件到漏极元件的电流的方法，该方法具有以下步骤：
a.通过将电压施加到与场板(20)相连接的场板端子(26)上来激励半导体结构元件(10)的所述场板(20)，
b.求取所述半导体结构元件(10)的所述场板与漏极元件(14)之间的取决于时间的电容Cds，
c.借助所求取的电容Cds求取在所述半导体结构元件的所述源极元件与漏极元件之间流动的电流Ids。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，为了确定所述电流Ids将所求取的电容Cds转换为成比例的电压。
10.一种用于车辆的控制装置，该控制装置包括至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的电装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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