DE102008021672A1 - Gatesteuerung für ein Halbleiterbauelement mit großem Bandabstand - Google Patents

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Abstract

Eine Gatesteuerschaltung für einen Sperrschichttransistor mit großem Bandabstand umfasst einen Gatestrombegrenzungswiderstand. Der Gatestrombegrenzungswiderstand ist im Betrieb mit einem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt und begrenzt einen Gatestrom, der dem Gateeingang des Sperrschichttransistors bereitgestellt wird. Ein wechselstromgekoppelter Ladekondensator ist auch in der Gatesteuerschaltung enthalten. Der wechselstromgekoppelte Ladekondensator ist im Betrieb mit dem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt und parallel zum Gatestrombegrenzungswiderstand angeordnet. Eine Diode ist an einer Seite mit dem Gatestrombegrenzungswiederstand und dem wechselstromgekoppelten Ladekondensator und an der an deren Seite mit einem Ausgang eines Gatesteuerchips gekoppelt. Im Betrieb verringert die Diode eine Gatespannungsausgabe des Gatesteuerchips, die über den Gatestrombegrenzungswiderstand an dem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand anliegt. Die Gatesteuerschaltung stellt eine kleine, effiziente und kosteneffektive Steuerschaltung für einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand bereit.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen elektronische Bauelemente, insbesondere eine Gatesteuerschaltung für ein Halbleiterbauelement mit großem Bandabstand.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Der Bedarf nach elektronischen Bauelementen, die bei höheren Frequenzen, größerer Leistung, höherer Temperatur und in rauen Umgebungen arbeiten, hat zugenommen. Zum Beispiel benötigen Sensorkomponenten in Düsentriebwerken oder Mikrowellenvorrichtungen an Bord von Flugzeugen derartige haltbare und Hochleistungsbauelemente. Bauelemente, die unter Verwendung von Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand, wie Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) und Diamant, hergestellt werden, können diese Eigenschaften aufweisen. Im Allgemeinen werden Halbleiter, die zwischen dem oberen Ende des Valenzbandes und dem unteren Ende des Leitungsbandes eine Energiedifferenz (oder Energielücke (Eg)) typischerweise größer als 2 Elektronenvolt (eV) haben, als Halbleiter mit großem Bandabstand angesehen. Derartige Materialien sind im Allgemeinen bei hohen Temperaturen chemisch stabil, haben eine gute thermische Leitfähigkeit, ein großes Durchschlagsgebiet und eine hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit.
  • Halbleitersperrschichttransistoren mit großem Bandabstand (z. B. ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), ein statischer Induktionstransistor (SIT), oder ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET)) benötigen für einen einwandfreien Betrieb eine spezialisierte Gatesteuerung oder Steuerschaltung. Verwendung einer herkömmlichen, serienmäßig produzierten (COTS; engl.: commercial-off-the-shelf) Gatesteuerschaltung für MOSFETs und IGBTs, wie sie für Halbleiterbauelemente mit großem Bandabstand geliefert werden, kann nicht praktikabel sein. Eine Halbleiterschaltung oder -bauelement mit großem Bandabstand kann niedrige Gatespannungen (z. B. weniger als 5 V) benötigen. Eine herkömmliche COTS-Gatesteuerschaltung kann nicht gut arbeiten, wenn sie geringe Gatespannungen steuern soll, die von Halbleitersperrschichttransistoren mit großem Bandabstand benötigt werden. Folglich wird eine maßgefertigte Gatesteuerung oder Steuerschaltung für Halbleiterbauelemente mit großem Bandabstand benötigt. Aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen ist es wünschenswert, kommerziell und allgemein verfügbare Gatesteuerschaltungen zu modifizieren, um die Gatesteuerung oder eine Steuerschaltung für Halbleiterbauelemente mit großem Bandabstand herzustellen.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Gatesteuerschaltung für einen Sperrschichttransistor mit großem Bandabstand umfasst einen Gatestrombegrenzungswiderstand. Der Gatestrombegrenzungswiderstand ist im Betrieb mit einem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt und begrenzt einen Gatestrom, der dem Gateeingang des Sperrschichttransistors bereitgestellt wird. Ein wechselstromgekoppelter Ladekondensator ist auch in der Gatesteuerschaltung enthalten. Der wechselstromgekoppelte Ladekondensator ist im Betrieb mit dem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt und parallel zum Gatestrombegrenzungswiderstand angeordnet. Eine Diode ist an einer Seite mit dem Gatestrombegrenzungswiderstand und dem wechselstromgekoppelten Ladekondensator und an der an deren Seite mit einem Ausgang eines Gatesteuerchips gekoppelt. Im Betrieb verringert die Diode eine Gatespannungsausgabe des Gatesteuerchips, die über den Gatestrombegrenzungswiderstand an dem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand anliegt. Die Gatesteuerschaltung stellt eine kleine, effiziente und kosteneffektive Steuerschaltung für einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand bereit.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht einen vertikalen, unter Verwendung eines Halbleiters mit großem Bandabstand hergestellten Sperrschicht-Feldeffekttransistor (VJFET; engl.: vertical junction field-effect transistor).
  • 2 veranschaulicht einen in einer Kaskodentopologie konfigurierten VJFET ist.
  • 3 ist eine grafische Darstellung, die den Betrieb des Bauelements in Kaskodentopologie veranschaulicht.
  • 4 zeigt eine Gatesteuerschaltung für einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand gemäß einer Ausführungsform.
  • 5 ist eine Simulationsausgabe einer Modell-SiC-JFET-Bauelement-Schaltung, die gemäß einer Ausführungsform konfiguriert ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Verschiedene integrierte oder diskrete Bauelemente können unter Verwendung von Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand konfiguriert werden. Zum Beispiel kann ein Sperrschichttransistor, wie beispielsweise ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, ein Kaskodenschalter oder ein ähnliches Bauelement, unter Verwendung eines Halbleitermaterials mit großem Bandabstand hergestellt werden. Derartige, unter Verwendung von Halbleitermaterial mit großem Bandabstand hergestellte Sperrschichttransistoren können im Vergleich zu herkömmlicher Silizium-(Si)-basierter-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-(MOSFET)-Technologie bei höheren Betriebstemperaturen oft eine bessere Leistung bieten. Hier beschriebene Ausführungsformen stellen eine Gateansteuerung oder Steuerschaltung für den Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand bereit. Die Gatesteuerschaltung schaltet den Transistor durch Anlegen eines Signals am Gateeingang durch/ein und aus, das einen vom Drain zur Source fließenden Strom des Bauelements steuert. Eine spezialisierte Steuer- oder Ansteuerungsschaltung wird benötigt, um einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand so zu steuern, dass er bei optimaler Leistung mit minimalem Leistungsverbrauch arbeitet.
  • 1 veranschaulicht einen derartigen Sperrschichttransistor, einen Feldeffekttransistor mit vertikaler Sperrschicht (VJFET) 100, der unter Verwendung einen Halbleiters mit großem Bandabstand, wie SiC, GaN, Diamant oder anderem Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, hergestellt werden kann. Obwohl hier ein VJFET 100 beschrieben wird, kann zum Beispiel auch ein SIT, ein JFET oder MESFET verwendet werden. Der VJFET 100 umfasst einen Sourceanschluss 112 und einen N+-Sourcebereich 110. Wie gezeigt ist ein Kanal 130 unter dem N+-Sourcebereich 110 angeordnet. Der Kanalbereich 130 trennt einen P+-Implantationsbereich 120 von einem P+-Implantationsbereich 115. Die Gates 111 und 113 können aus einem Metall gebildet sein, das einen ohmschen (nicht gleichrichtenden, nicht sperrenden) Kontakt mit dem implantierten P+-Material herstellt, und sind elektrisch so verbunden (nicht gezeigt), dass sie zwei Teile derselben Gateelektrode bilden. Der Kanalbereich 130 ist benachbart zu einem N-Typ-Driftbereich 140 angeordnet. Der N-Typ-Driftbereich 140 ist benachbart zu einem N-Puffer 145 angeordnet, der benachbart zu einem Substrat 150 angeordnet ist. Wie gezeigt ist ein Drainkontakt 160 benachbart zum Substrat 150 angeordnet.
  • In dem VJFET 100 fließt Strom von dem Drain 160 durch den Kanalbereich 130 zur Source 112. Ein dicker, leichtdotierter Driftbereich 140 trennt einen Hochspannungsdrain 160 des Bauelements 100 von den Gates 113, 111 und Source 112. Der Abstand W zwischen den P+-Gatebereichen 115 und 120, die Dotierung des Kanalbereichs 130 und die an diese Bereiche angelegte Spannung steuern die Menge an Strom, der durch den Kanalbereich 130 fließen kann. Falls der Abstand W groß genug ist, ist das Bauelement 100 ein "selbstleitendes" (engl. "normally an") Bauelement, d. h. Verarmungsmodus, und Strom fließt durch den Kanal 130, wenn die über dem Gate und die Quelle angelegte Spannung (VGS) = 0 V. Um ein "selbstleitendes" Bauelement auszuschalten, wird eine negative VGS angelegt, die verursacht, dass Verarmungsbereiche aus den in Sperrrichtung vorgespannten P-N-Sperrschichten den Kanal 130 abschnüren. Alternativ werden, falls die P+-Bereiche 115 und 120 nahe zueinander liegen (d. h. der Abstand W klein ist), die eingebauten Verarmungsbereiche den Kanal 130 ohne angelegte Vorspannung abschnüren, was zu einem "selbstsperrenden" (engl. "normally off"), d. h. Verstärkungsmodus, VJFET-Bauelement führt. Eine positive, an das Gate eines "selbstsperrenden" VJFET-Bauelements angelegte Spannung lässt die Verarmungsbereiche schrumpfen, was einen Stromfluss durch den Kanal 130 zulässt. Daher bestimmen der Abstand W zwischen Gate 120 und Gate 115 die Dotierung im Kanal 130, ob das Bauelement ein "selbstleitendes" oder ein "selbstsperrendes" Bauelement ist. Ein VJFET kann hunderte (oder tausende) von Transistoren 100 enthalten, welche die in 1 gezeigte Struktur wiederholen, die alle parallel verbunden sind, um hohe Ströme zu erreichen.
  • Die Sperrschicht-Feldeffekttransistor-(JFET)-Technologie kann zum Beispiel als selbstsperrender Hochspannungs-JFET oder durch Kombinieren von "selbstleitenden" und "selbstsperrenden" JFETs zu einer Kaskodentopologie verwendet werden. Die Kaskodentopologie, integriert oder diskret, ermöglicht einem Bauelemententwickler, eine "selbstsperrende" Schaltung zu erreichen, wobei man von einer erhöhten Blockierspannung profitiert, die unter Verwendung von SiC über Silizium (Si) erreicht werden kann, und konkurrenzfähige Werte des Durchlasswiderstands (Ron) aufrecht erhalten kann, die so gering wie möglich sein sollten.
  • 2 veranschaulicht eine Kaskodenschaltung 201, die zwei mit einer Last 220 gekoppelte VJFETs 205 und 207 enthält. VJFETs 205 und 207 können unter Verwendung eines Halbleiters mit großem Bandabstand, wie SiC, GaN, Diamant oder ein anderes Halbleitermaterial mit großem Bandabstand, hergestellt werden. Die Kaskodenschaltung 201 umfasst einen "selbstsperrenden" (Noff) Niedrigspannungs-(Blockierfähigkeit < 100 V)-LV-VJFET 205, der in Reihe mit einem "selbstleitenden" (Non) Hochspannungs-(Blockierfähigkeit > 300 V)-HV-VJFET 207 verbunden ist. Die Kaskodenschaltung 201 kann entweder mit zwei diskreten Bauelementen oder monolithisch auf einem einzelnen Chip implementiert werden. Wie gezeigt ist die Source 206 vom HV VJFET 207 mit dem Drain 209 des LV VJFET 205 gekoppelt. Der Drain 208 des HV VJFET 207 ist mit einer Seite einer Last 220 gekoppelt. Das Gate 213 des HV VJFET 207 ist mit der Source 215 des LV VJFET 205 Bauelements verbunden. Eine Spannung kann am Gate 211 angelegt werden, um die Kaskodenschaltung zu steuern.
  • Im Aus-Zustand blockiert der LV VJFET 205 (selbstsperrend) anfangs den Stromfluss, und der Spannungsabfall an dem LV VJFET 205 kann zwischen 10 und 100 V betragen. Die Spannung an dem LV VJFET 205, die an dem Gate 213 des HV VJFET 207 Bauelements angelegt ist, spannt die Gate-Source-Sperrschicht des HV VJFET 207 in Sperrrichtung vor, die, bei niedriger Spannung (z. B. VGS = –20 V) ausschaltet. Der HV VJFET 207 blockiert dann den Rest der ansteigenden Hochspannung (z. B. zwischen 300 V–10 kV) an dem Kaskodenbauelement 201. Wenn ausreichende positive Spannung an dem Gate 211 des LV VJFET 205 angelegt wird, schaltet das Bauelement "durch", und die Gatespannung an dem Gate des HV VJFET 207 ist derart, dass das Gate vorgespannt "ein" ist. Daher sorgt die Kaskodentopologie, die unter Verwendung von Halbleitermaterial mit großem Bandabstand (z. B. SiC) hergestellte VJFETs enthält, für eine Hochspannungsblockierfähigkeit, während sie akzeptable Werte des Durchlasswiderstands beibehält.
  • Wie oben beschrieben wird die Kaskodentopologie bevorzugt, falls ein selbstsperrendes Bauelement mit Spannungsblockierfähigkeit oberhalb von ungefähr 300 V gewünscht ist, weil der Widerstand des Kanalbereichs 130 (d. h. der Abstand zwischen den P+-Gates) eines einzelnen selbstsperrenden JFET beginnt, den Durchlasswiderstand zu dominieren für Blockierspannungen oberhalb von 300 V. Da außerdem der Driftbereich des Hochspannungsbauelements den Gesamtschaltungswiderstand dominiert, ist die Kaskodenschaltungstopologie für ein Leistungsschaltungsbauelement wünschenswert. Bei Verwendung eines selbstleitenden VJFET-Bauelements aus einem Halbleiter mit großem Bandabstand als Hochspannungsbauelement (HV) kann ein Entwickler niedrige Durchlasswiderstandswerte (Ron) für die gesamte Kaskodenschaltung erhalten, wobei gleichzeitig eine hohe Blockierspannung erreicht wird. Zum Beispiel kann durch Verwendung von SiC ein Anstieg der Blockierspannungsschichtdotierungsdichte um eine Größenordnung in und eine Abnahme der Blockierspannungsschichtdicke um 1/10 wegen des elektrischen Durchschlagsgebiets von SiC erreicht werden, das 10 Mal höher als Si ist, was folglich zu niedrigen Ron-Werten für das selbstleitende SiC-Bauelement führt.
  • Der in 2 gezeigte, selbstsperrende LV VJFET 205 hat einen niedrigen Durchlasswiderstand(Ron)-Wert. Bei einem Beispiel kann der LV JFET 205 ausgelegt sein, um ungefähr < 100 V zu blockieren, um somit eine ausreichende Gate-Source-Vorspannung in Sperrrichtung für das Hochspannungsbauelement (z. B. HV VJFET 207) bereitzustellen, um eine Stromabschnürung zu fördern. Herkömmlicherweise ist das Niedrigspannungsbauelement (z. B. LV JFET 205) ein Niedrigspannungs-Si-MOSFET. Wie jedoch hier beschrieben, ist der Niedrigspannungs-Si-MOSFET durch ein Niedrigspannungshalbleiterbauelement mit großem Bandabstand ersetzt, wie ein selbstsperrender unter Verwendung von SIC hergestellter VJFET, der bei höheren Temperaturen arbeiten kann. Indem ein Halbleiter mit großem Bandabstand, z. B. SiC, und die Technologie für VJFET-Bauelemente verwendet werden, kann die Kaskodenschaltung bereitstellen: 1) ein Bauelement mit großer Energiebandlücke, die bei höheren Temperaturen als herkömmliche MOS-Bauelemente arbeitet; 2) das höhere elektrische Durchschlagsgebiet in Halbleitern mit großem Bandabstand, das einen geringeren Ron in sowohl bei dem selbstsperrenden Bauelement als auch bei dem selbstleitenden Bauelement ermöglicht; und 3) die Eliminierung des Niederspannungs-Si-MOSFET, der zum großen Teil die Gate-Kapazität der Kaskodenschaltung reduzieren kann.
  • Die Kaskodenanordnung, wie in 2 gezeigt, wurde experimentell untersucht, und gemessene Ausgangscharakteristika sind in der grafischen Darstellung von 3 gezeigt. 3 zeigt die Drainspannung (V) (d. h. an Drain 208) der Schaltung 201 (X-Achse) vs. dem Drainstrom (A) (d. h. durch Drain 208) (Y-Achse), als Funktion von VGS. Wie gezeigt beeinflusst die an die Gate-Source-Sperrschicht des selbstsperrenden Bauelements LV JFET 205 angelegte VGS direkt die Ausgangscharakteristika der Kaskodenschaltung 201. Bei VGS ≤ 2 V wird das selbstsperrende Bauelement nicht beeinflusst und der Drainstrom ist auf seinem Minimum, wie durch Kurve 300 gezeigt. Jedoch wird die P-N-Sperrschicht der selbstsperrenden Gate-Source-Diode bei ca. VGS ≥ 2,5 V voll leitend. Sobald die P-N-Sperrschicht der selbstsperrenden Gate-Source-Diode voll leitend wird, tritt nur ein minimaler Gewinn in dem Durchlasswiderstand des Bauelements auf, wenn VGS von 2,5 V (Kurve 301) auf 3 V (Kurve 302) ansteigt, wie in 3 gezeigt. Um Energie zu sparen und die Größe einer Gatesteuerschaltung zu begrenzen, die benötigt wird, um die Kaskodenschaltung (oder VJFET) oder andere Transistoren aus Halbleitern mit großem Bandabstand zu steuern, ist es daher vorteilhaft, die Gatespannung derart auf Werte zu begrenzen, dass die P-N-Sperrschicht nicht vollständig durchschaltet, jedoch die VGS bei der maximalen Spannung vor dem P-N-Sperrschicht-Durchschalten ist, um einen niedrigen Durchlasswiderstand sicherzustellen. Deshalb kann für eine gegebene aktive Fläche des Bauelements ein Gate-Source-Strom so gewählt werden, dass die maximale Spannung während des Ein-Zustands unabhängig von der Temperatur immer an der Gate-Source-Sperrschicht liegt.
  • Zusätzlich müssen während "Durchschalt-" und "Ausschalt"-Übergänge des Bauelements die Eingangsgate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten bei niedrigen Durchschalt- und Ausschaltgeschwindigkeiten des Bauelements so schnell wie möglich geladen und entladen werden. Deshalb verlangsamt eine Begrenzung des Eingangsgatestroms auf einen einzelnen Wert die Durchschaltgeschwindigkeit des Transistors oder Bauelements.
  • 4 zeigt eine Gatesteuerschaltung 400 für einen Sperrschichttransistor mit großem Bandabstand gemäß einer Ausführungsform. Die Gatesteuerschaltung 400 ist mit einem Bauelement unter Test (DUT; engl.: device under test) 410 gekoppelt, die jeglicher Typ eines Sperrschichttransistors mit großem Bandabstand (z. B. ein VJFET, JFET, SIT, MESFET oder Kaskoden-JFET) sein kann. Der Sperrschichttransistor kann ein Schottky- oder ein P-N-Sperrschichttransistor sein. Der Halbleiter mit großem Bandabstand kann SiC, GaN, Diamant oder ein anderer Halbleiter mit großem Bandabstand sein. Die Gatesteuerschaltung 400 begrenzt einen Strom, der an die DUT 410 im Ein-Zustand geliefert wird, und stellt die transienten die Gate-Source-Kapazität benötigten Lade- und Entladeströme bereit.
  • Die Gatesteuerung oder Steuerschaltung 400 enthält einen Gatesteuerchip 420. Der Gatesteuerchip 420 kann von jeglichem Typ einer Transistorgatesteuerung sein, wie eine MOSFET-Gatesteuerung oder eine Gatesteuerung für einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT; engl.: insulated gate bipolar transistor). Bei einem Beispiel kann die Gatesteuerung 420 eine von Linear Technologies, Inc. hergestellte Gatesteuerung sein, wie LTC4441 oder LTC4441-1, oder die Gatesteuerung 420 kann ein anderer Typ von Gatesteuerung sein. Wie gezeigt ist der Widerstand (R1) 480 mit dem Widerstand (R2) 485, dem Regulator-Rückkopplungseingangsanschluss (FB), dem Leitungsregulatorausgangsanschluss (DRVcc) und dem Kondensator (C2) 470 gekoppelt. Der Widerstand 485 ist an einer Seite auch mit dem Regulatorrückkopplungseingangsanschluss und an der anderen Seite mit Signalmasse (SGND) verbunden. Der Kondensator 470 ist ferner mit dem Steuermassenanschluss (PGND) und SGND gekoppelt. Widerstände 480 und 485 legen die Ausgangssteuerspannung (OUT) fest, die zum Beispiel auf eine minimale Spannung (z. B. 5 V) begrenzt sein kann. Der Spannungseinanschluss ("Vin") stellt den Hauptversorgungseingang bereit und der IN-Anschluss stellt den Steuerlogikeingang bereit. Der Aktivierungs-/Abschalt-(EN/SHDN)Eingangsanschluss ist auch mit dem Vin-Anschluss gekoppelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Steuerausgangsanschluss (OUT) mit der Diode (D1) 430 gekoppelt, die mit dem Kondensator (C1) 435 und dem Widerstand (R3) 445 gekoppelt ist. Die Diode 430 kann auch mit einer Ausschaltspannungsquelle 460 über einen Ausschaltwiderstand 450 gekoppelt sein. Die Ausschaltspannungsquelle 460 kann eine negative Ausschaltspannung bereitstellen, um die DUT 410 (d. h. den Halbleitersperrschichttransistor) auszuschalten. Wie gezeigt sind der Kondensator 435 und der Widerstand 445 parallel mit der Diode 430 an einer Seite und der DUT 410 an der anderen Seite gekoppelt. Der Kondensator 435 und der Widerstand 445 sind typischerweise mit dem Gateeingang (nicht gezeigt) der DUT 410 gekoppelt. Der Widerstand 445 ist ein Gatestrombegrenzungswiderstand, der den Gatestrom (IG) begrenzt, der dem Gateeingang der DUT 410 bereitgestellt wird. Der Gatestrombegrenzungswiderstand kann die Gatestromeingabe der DUT 410 begrenzen, selbst wenn die Umgebungstemperatur zunimmt (d. h. in Umgebungen mit hoher Temperatur). Der Kondensator 435 ist ein wechselstromgekoppelter Ladekondensator, der die Gateeingangskapazität bei Schaltereignissen auf- und entlädt.
  • Um einen stabilen Betrieb des Gatesteuerchips 420 sicherzustellen, muss die Eingangsspannung V1 489 oberhalb eines kritischen Werts bleiben. Auf der anderen Seite kann die Gateeingangsspannung für den DUT 410 viel kleiner als der kritische Wert der von dem Gatesteuerchip 420 benötigten Eingangsspannung V1 489 sein, wobei es notwendig wird, die Ausgangsspannung mittels Pegelverschieben zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Spannungspegelverschieben mit der Diode 430 erreicht, die eine Zener-Diode oder ein anderer Typ einer Diode sein kann. Die Abschaltspannung 460 kann die Ausschaltspannung für den DUT 410 bereitstellen, falls eine negativere Ausschaltspannung gewünscht ist. Der Wert des Widerstands 445 kann festgelegt werden, um den Strom der parasitären P-N-Gate-zu-Source-Diode ungeachtet der Temperatur zu begrenzen. Die Ausgangsspannung (OUT) des Gatesteuerchips 420 wird verwendet, um die Größe des strombegrenzenden Widerstands 445 unter Verwendung der Formel Rlimit = VOUT/IGate-Source anzunähern. Um einen hohen Spitzenstrom für ein schnelles Durchschalten der DUT- 410 zu erreichen, ermöglicht der Kondensator 435 eine kapazitiv gekoppelte Gatesteuerung und kann für die geeignete Durchschaltgeschwindigkeit dimensioniert werden, indem der Kondensator 435 entsprechend der Eingangsgatekapazität der DUT 410 dimensioniert wird. Der geladene oder entladene Kondensator 435 kann verwendet werden, um die Eingangskapazität der DUT 410 beim Schaltprozess zu laden oder zu entladen. Es sollte beachtet werden, dass die parasitäre Diode am Gate des Transistors (z. B. ein LV VJFET) jeglichen überschüssigen Strom verbraucht, den der Ladekondensator 435 beim Schalten emittiert, wenn der Kondensator 435 größer als notwendig dimensioniert ist.
  • Aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen ist es wünschenswert, eine SiC-Kaskodengatesteuerung ausgehend von einer kommerziellen Gatesteuerschaltung zu konfigurieren. Jedoch kann es erforderlich sein, herkömmliche kommerzielle Gatesteuerschaltungen speziell zu konfigurieren, um die benötigte Ausgangsspannung und -strom für eine optimale Leistung des Bauelements zu erreichen. Temperaturänderungen können zu einer niedrigeren parasitären P-N-Sperrschicht-Durchschaltspannung führen und dazu, dass die Diode 430 bei Spannungen durchschaltet, die im Fall von SiC viel niedriger als 2,5 V sind. Der Gatestrombegrenzungswiderstand 445 wird jedoch festgelegt, um derartige Temperaturänderungen zu berücksichtigen.
  • Typischerweise können herkömmliche Si-Gate-Steuerungen bis zu 20 V der Gatesteuerfähigkeit und möglicherweise bis zu 12 A der Spitzenstromfähigkeit bereitstellen. Dieser Spitzenstrom wird benötigt, um die Gatekapazitäten von Si-Bauelementen so schnell wie möglich zu laden, um eine schnelle Durchschaltgeschwindigkeit zu ermöglichen. Wie in 3 zu sehen, können SiC-Bauelemente nur 2,5 V Gatespannung bei Raumtemperatur benötigen, um voll zu arbeiten. Wird das Bauelement mit etwas mehr als 2.5 V angesteuert, führt dies zu einem Vorspannen der parasitären Gate-Source P-N-Sperrschichtdiode in Durchlassrichtung und Leiten großer Gatestrommengen. Die meisten herkömmlichen Gatesteuerschaltungen können solchen kontinuierlichen Gatestrom nicht versorgen und arbeiten nicht gut, wenn die Eingangsspannung V1 489 auf weniger als 5 V verringert wird, um zu versuchen, Gatespannungen von weniger als 5 V zu steuern. Die Verwendung einer herkömmlichen Gatesteuerschaltung mit auf 5V festgesetztem Ausgang würde die P-N-Sperrschichtdiode durchschalten, wobei somit große Mengen an Gatestrom durch das SiC-Bauelement geleitet und möglicherweise den Gatesteuerchip zerstören würden.
  • 5 ist eine simulierte Ausgabe einer Modell-SiC-JFET-Bauelementschaltung, die gemäß einer Ausführungsform konfiguriert ist. Die obere grafische Darstellung 510 zeigt den Strom, der von dem parasitären Gate-Source-P-N-Transistor im stationären Zustand unter Verwendung zweier verschiedener Widerstände (z. B. ein "kleiner" Gate-Widerstand und ein "großer" Gate-Widerstand) aufgenommen wird. Wie durch Vergleich der Wellenformen 515 und 520 offensichtlich ist, kann eine 10-fache Reduktion des Gatestroms erreicht werden, indem die Größe des strombegrenzenden Widerstands R3 vergrößert wird, was somit zu einem niedrigeren Energieverbrauch führt. Der Widerstand ist dimensioniert, um den Gatestrom zu begrenzen, wobei ein geringerer Durchlasswiderstand aufrecht erhalten wird. Das Laden des JFET-Eingangsgatekondensators wird, wenn das Bauelement, wie durch die untere grafische Darstellung 550 gezeigt, durchgeschaltet ist 555, trotz der durch den Widerstand 435 verursachten Strombegrenzung durch den Kondensator C1 435 erreicht.
  • Mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier speziell veranschaulicht und/oder beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, dass Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung von den obigen Lehren abgedeckt sind und innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche liegen, ohne sich dabei von der Wesensart und beabsichtigtem Umfang der Erfindung zu entfernen.
  • Figurenlegende:
  • 1
    • DRAIN – DRAIN
    • n+ SUBSTRATE – n+ SUBSTRAT
    • n+ BUFFER – n+ PUFFER
    • n– DRIFT – LAYER n– DRIFTSCHICHT
    • p+ GATE IMPLANT – p+ GATE-IMPLANTAT
    • n CHANNEL – n KANAL
    • n+ SOURCE – n+ SOURCE
    • SOURCE INTERCONNECT – SOURCE-VERBINDUNGSEINRICHTUNG
  • 2
    • LORD – LAST
    • SiC CASCODE POWER SWITCH – SiC-KASKODENLEISTUNGSSCHALTER
  • 3
    • DRAIN CURRENT (A) – DRAINSTROM (A)
    • DRAIN VOLTAGE (V) – DRAINSPANNUNG (V)
  • 5
    • SMALLER GATE RESISTER – KLEINERER GATEWIDERSTAND
    • LARGER GATE RESISTER – GRÖSSERER GATEWIDERSTAND
    • GATE TO SOURCE PARASITIC – GATE-SOURCE STROM DER
    • DIODE CURRENT – PARASITÄREN DIODE
    • GATE VOLTAGE – GATESPANNUNG

Claims (24)

  1. Gatesteuerschaltung für einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand, die umfasst: einen Gatestrombegrenzungswiderstand, der im Betrieb mit einem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt ist, wobei der Gatestrombegrenzungswiderstand einen Gatestrom begrenzt, der dem Gateeingang des Sperrschichttransistors bereitgestellt wird; einen wechselstromgekoppelten Ladekondensator, der im Betrieb mit dem Gateeingang des Sperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt ist, wobei der wechselstromgekoppelte Gateladekondensator parallel zum Gatestrombegrenzungswiderstand angeordnet ist; und eine Diode, die an einer Seite mit dem Gatestrombegrenzungswiderstand und dem wechselstromgekoppelten Ladekondensator und an der anderen Seite mit einem Ausgang eines Gatesteuerchips gekoppelt ist, wobei die Diode im Betrieb eine Gatespannungsausgabe des Gatesteuerchips verringert, die über den Gatestrombegrenzungswiderstand an den Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand angelegt wird.
  2. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 1, die ferner den Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand umfasst.
  3. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand ein Schottky-Gate oder ein P-N-Sperrschichtgate umfasst.
  4. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), ein vertikaler JFET (VJFET), ein statischer Induktionstransistor (SIT), ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) oder eine Kaskoden-JFET-Schaltung ist.
  5. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Halbleiter mit großem Bandabstand aus einer Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und Diamant ausgewählt ist.
  6. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Gatestrombegrenzungswiderstand den Gatestrom für den Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand begrenzt, wenn eine Umgebungstemperatur ansteigt.
  7. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei der Gatesteuerchip ein Steuerchip ist, der verwendet wird, um einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder IGBT zu steuern.
  8. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Diode eine Zener-Diode ist.
  9. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 2, die ferner umfasst: eine Abschaltspannungsquelle; einen Abschaltwiderstand, der mit der Abschaltspannungsquelle gekoppelt ist, wobei die eine Seite mit der Diode und dem wechselstromgekoppelten Ladekondensator gekoppelt ist, wobei die Abschaltspannungsquelle und der Abschaltwiderstand den Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand ausschalten.
  10. Gatesteuerschaltung für einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand, die umfasst: einen Gatesteuerchip, wobei der Gatesteuerchip ein Eingangssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt; eine Diode, die mit dem Ausgangssignal des Gatesteuerchips gekoppelt ist; einen Gatestrombegrenzungswiderstand, wobei der Gatestrombegrenzungswiderstand bei Betrieb der Gatesteuerschaltung mit der Diode und einem Gate des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt ist; einen wechselstromgekoppelten Ladekondensator, wobei der wechselstromgekoppelte Ladekondensator bei Betrieb der Gatesteuerschaltung mit der Diode und dem Gatestrombegrenzungswiderstand an dem Gate des Sperrschichttransistors gekoppelt ist, wobei der wechselstromgekoppelte Ladekondensator parallel zum Gatestrombegrenzungswiderstand ist.
  11. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 10, die ferner den Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand umfasst.
  12. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 11, wobei der Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand ein Schottky-Gate oder ein P-N-Sperrschichtgate umfasst.
  13. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 11, wobei der Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), ein vertikaler JFET (VJFET), ein statischer Induktionstransistor (SIT), ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) oder eine Kaskoden-JFET-Schaltung ist.
  14. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 11, wobei der Halbleiter mit großem Bandabstand aus einer Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und Diamant ausgewählt ist.
  15. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 11, wobei der Gatestrombegrenzungswiderstand den Gatestrom am Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großer Bandbreite auf einen maximalen Wert begrenzt, wenn eine Umgebungstemperatur ansteigt.
  16. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 10, wobei der Gatesteuerchip ein Steuerchip ist, der verwendet wird, um einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder IGBT zu steuern.
  17. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 10, wobei die Diode eine Zener-Diode ist.
  18. Gatesteuerschaltung für einen Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand, die umfasst: einen Gatestrombegrenzungswiderstand, der im Betrieb mit einem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt ist, wobei der Gatestrombegrenzungswiderstand einen Gatestrom begrenzt, der dem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand bereitgestellt wird; einen wechselstromgekoppelten Ladekondensator, der im Betrieb mit dem Gateeingang des Sperrschichttransistors mit großem Bandabstand gekoppelt ist, wobei der wechselstromgekoppelte Gateladekondensator parallel zum Gatestrombegrenzungswiderstand angeordnet ist; und einen Gatesteuerchip, wobei der Gatesteuerchip dem Gatebegrenzungswiderstand und dem wechselstromgekoppelten Ladekondensator eine Spannung bereitstellt, und wobei der Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand eine Schottky-Diode oder eine P-N-Sperrschichtdiode ist.
  19. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 18, die ferner den Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand umfasst.
  20. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 19, wobei der Halbleiter mit großer Bandbreite aus einer Gruppe bestehend aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und Diamant ausgewählt ist.
  21. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 19, wobei der Halbleitersperrschichttransistor mit großem Bandabstand ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), ein vertikaler JFET (VJFET), ein statischer Induktionstransistor (SIT), ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET), oder eine Kaskoden-JFET-Schaltung ist.
  22. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 18, wobei der Gatesteuerchip ein Steuerchip ist, der verwendet wird, um einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder IGBT zu steuern.
  23. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 18, die ferner umfasst: eine Diode, die an einer Seite mit dem Gatestrombegrenzungswiderstand und dem wechselstromgekoppelten Ladekondensator und an der anderen Seite mit einem Ausgang des Gatesteuerchips gekoppelt ist, wobei die Diode eine Gatespannungsausgabe des Gatesteuerchips begrenzt, die im Betrieb an dem Gateeingang des Halbleitersperrschichttransistors mit großem Bandabstand anliegt.
  24. Gatesteuerschaltung gemäß Anspruch 23, wobei die Diode eine Zener-Diode ist.
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