DE102008023215A1 - Verfahren zur Betriebstemperatursteuerung eines MOS-gesteuerten Halbleiterleistungsbauelementes und Bauelement zur Ausführung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur elektrischen Steuerung der Betriebstemperatur von MOS-gesteuerten Halbleiterleistungsbauelementen angegeben. Dabei wird bei bekanntem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des Gateelektrodenmaterials der elektrische Widerstand des Gateelektrodenmaterials während des Betriebes des Bauelementes zwischen zwei Kontaktpunkten auf der Gateelektrode durch eine der Gatespannung überlagerte Messspannung und dadurch die Temperatur gemessen. Je nach gemessener Temperatur kann die Leistung über die Gatespannung verändert werden. Die Temperaturmessung und -steuerung kann bei einer Mehrzahl von Kontaktpunktpaaren, von denen sich mindestens je eines in voneinander elektrisch isolierten Teilen der Gateelektrode befindet, ortsbezogen erfolgen. Sie ist genau und erfolgt quasi verzögerungsfrei. Zur Durchführung des Verfahrens mit zusätzlichen Kontakten versehene Bauelemente werden beschrieben.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betriebstemperatursteuerung von MOS-gesteuerten Halbleiterleistungsbauelementen wie z. B. eines MOS-Leistungstransistors oder eines IGBT, sowohl auf Bauelemente mit einer Transistorzelle als auch auf solche, die aus einer Vielzahl identischer und parallel geschalteter Einzelzellen bestehen, bei denen die Gesamtbauelementfläche groß im Vergleich zur Fläche der Einzelzelle ist, wobei zur Durchführung des Verfahrens das entsprechende Bauelement mit zusätzlichen Gatekontakten versehen wird und die Steuerung differenziert nach der Lage von Teilen der Gateelektrode bzw. Teilen des Gateelektrodennetzwerkes auf der aktiven Chipfläche vorgenommen wird. Die Erfindung bezieht sich weiterhin sowohl auf Halbleiterleistungsbauelemente mit vertikalem Stromfluss durch das Halbleiterchip als auch auf Bauelemente zur Integration in einem so genannten Smart-Power-IC mit lateralem Fluss des Hauptstromes und kommt zur Anwendung in Bauelementen aus Halbleitermaterial Silizium aber auch aus anderen Halbleitermaterialien, z. B. Siliziumkarbid (SiC), in Betracht, wobei es dann jeweils mindestens einen zusätzlichen elektrischen Kontakt je Bauelement gibt. Zur Durchführung des Verfahrens wird während des Bauelementbetriebes dessen Temperatur mit elektrischen Mitteln gemessen und entsprechend dem gemessenen Temperaturwert die Leistung elektrisch nachgesteuert. Einerseits wird dafür gesorgt, dass die mögliche Bauelementleistung voll ausgeschöpft wird, andererseits wird einem frühzeitigen Ausfall des Bauelementes vorgebeugt.
  • Wünschenswert ist ein Betrieb der Halbleiterbauelemente nahe der durch Bauelementzuverlässigkeit und Einhaltung der Bauelementkenndaten gesetzten oberen Temperaturgrenze von je nach Bauelementtyp und Entwicklungsstand z. B. 150°C bis 200°C. Die während des Betriebes durch die umgesetzte elektrische Verlustleistung auftretende Wärme muss abgeführt werden. Der Betrieb bei der prinzipiell durch die Bauelementkonstruktion vorgegebenen oberen Temperaturgrenze und deren Einhaltung ist meist nur eingeschränkt möglich, da auf Grund inhomogener Wärmeableiteigenschaften und/oder einer inhomogenen elektrischen Ansteuerung des Bauelements eine inhomogene Temperaturverteilung über die Bauelementoberfläche mit lokalen Temperaturspitzen, so genannten Hot-Spots entsteht. Unter Umständen kann durch eine thermisch/elektrische Mitkopplung die Temperatur der Hot-Spots sich dabei unkontrolliert bis zur Zerstörung des Bauelements erhöhen. Von besonderer Bedeutung ist diese thermische Grenzbelastung bei periodischem oder einmaligem Betreib des Bauelements nahe der elektrischen und thermischen Belastungsgrenzen, wie z. B. dem ungeklemmten Abschalten einer induktiven Last oder dem Abschalten des Bauelements nach dem Auftreten eines Kurzschlusses der Last.
  • Zur Lösung des Problems des sicheren Bauelementebetriebes, d. h. zum Vorbeugen einer Zerstörung bestehen verschiedene Wege.
  • Ein Weg ist die Vorausberechnung und/oder die direkte Messung der Temperaturentwicklung in Abhängigkeit von der dissipierten Verlustleistung und Angabe eines transienten thermischen Widerstandes mit Hilfe dessen sich dann die im aktuellen Bereich auftretende Chiptemperaturen berechnen lassen, wie das bei D. Schröder, "Leistungselektronische Bauelemente", Kap. 10, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2006 angegeben ist.
  • Da es sich hierbei in der Regel um eine auf die ganze Bauelementchipfläche bezogene Angabe handelt, können innerhalb der Bauelementchipfläche unterschiedliche Temperaturen nicht beschrieben werden und insbesondere das Auftreten von Hot-Spots nicht vermieden werden.
  • Eine andere Möglichkeit ist die Messung der während des Betriebes des Bauelements auftretenden Temperatur mit Hilfe eines eigens zu diesem Zweck in das Bauelement oder in die unmittelbare Umgebung des Bauelements integrierten Temperatursensors, z. B. eines in Durchlassrichtung betriebenen pn-Überganges, wie das zu entnehmen ist bei: V. Khemka et al., "Detection and Optimization of Temperature Distribution Across Large Area Power MOSFETs to improve Energy Capability", IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 51, No. 6, 1025–1032, 2004 ebenso bei: M. Glavanovics and H. Zitta, „Dynamic Hot Spot Temperature Sensing in Smart Power Switches", ESSCIRC 2002, 295–298, 2002.
  • Nachteilig bei dem Verfahren ist, dass die Temperatur nur jeweils am Ort eines solchen Sensors gemessen werden kann und die Zahl der zu integrierenden Sensoren wegen ihres Chipflächenverbrauchs begrenzt ist. Darüber hinaus besteht zwischen Temperatursensor und benachbartem aktiven Bauelementbereich ein designtechnisch bedingter Mindestabstand, der dazu führt, dass die am Ort des Sensors gemessene Temperatur und die Temperatur im benachbarten aktiven Chipbereich voneinander abweichen und eine zeitliche Änderung der Temperatur des aktiven Chipbereiches erst mit erheblicher Verzögerung am Sensor gemessen wird.
  • In vielen Fällen, insbesondere wenn der aktive Bauelementbereich von einem nicht elektrisch aktiven, jedoch zur Wärmeableitung beitragenden Chipbereich umgeben ist, kommt es zu in der Mitte der Bauelementfläche zentrierten Hot-Spots. Ein bekanntes Verfahren zur Vermeidung dieser Hot-Spots besteht darin, dass man die im Zentrum des Bauelementes gelegenen aktiven Zellen, z. B. eines vertikalen Leistungs-MOSFET, durch das Layout mit einem größeren Wert des Einschaltwiderstandes versieht als Zellen der peripheren Chipbereiche, wie das bekannt ist durch: V. Khemka et al., "Detection and Optimization of Temperature Distribution Across Large Area Power MOSFETs to improve Energy Capability", IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 51, No. 6, 1025–1032, 2004. Damit wird dannein bestimmter Wert durch das Design vorgegeben, wobei auch bestimmte Sicherheitsgrenzen einzuhalten sind, was auch zu bestimmten Leistungseinbußen führt und keine Regelmöglichkeit beinhaltet.
  • Zweck der Erfindung ist es, die Temperaturverteilung auf der Halbleiterchipfläche während des Betriebes des MOS-gesteuerten Halbleiterbauelementes zu homogenisieren und damit die elektrischen sowie thermischen Leistungsdaten der Bauelemente und deren Betriebszuverlässigkeit zu erhöhen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein elektrisches Temperaturmess- und Steuerungsverfahren der Betriebstemperatur und ein modifiziertes Bauelement zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welches die Überwachung der Betriebstemperatur gestattet und gleichermaßen die Möglichkeit gibt, der Ausbildung von so genannten Hot-Spots entgegenzusteuern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1–4, 6, 8 und 10 angegebenen Merkmalen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände der Ansprüche 1–4, 6, 8 und 10 sind in den anderen Unteransprüchen gegeben.
  • Die Gegenstände dieser Ansprüche weisen die Vorteile auf, dass Betriebstemperaturen genau, ortsnah und mit einer vernachlässigbaren Zeitverzögerung gemessen werden können, worauf unter Benutzung der zusätzlichen Messkontakte an der Gateelektrode oder an voneinander elektrisch isolierten Teilen der Gateelektrode bzw. des Gateelektrodennetzwerkes in bestimmten Bereichen der Bauelementchipfläche die Leistung und damit die Temperatur elektrisch nachgesteuert werden kann, um die Leistung bei Überhitzung lokal zu senken oder bei abgesenkter Temperatur die Leistung zu erhöhen. Damit wird die Zuverlässigkeit verbessert und die Möglichkeit gegeben, die Leistung voll auszunutzen.
  • Während des Betriebes des Bauelementes wird der temperaturabhängige Widerstand der Gateelektrode bzw. des sowieso vorhandenen Gateelektrodennetzwerkes oder an Teilen des Gateelektrodennetzwerkes gemessen und bei bekanntem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des Gateelektrodenmaterials zur Bestimmung der aktuellen Bauelementetemperatur am Messort, bzw. bezüglich der bei der Messung erfassten aktiven Chipfläche benutzt.
  • Je nach dem so erhaltenen Temperaturwert erfolgt eine Nachsteuerung unter Benutzung der bei der Widerstandsmessung verwendeten zusätzlichen Gatekontakte. Die üblicherweise nur mit einem Kontakt versehene Gateelektrode, bzw. das Gateelektrodennetzwerk muss zur Widerstandsmessung mit mindestens einem zusätzlichen Gatekontakt versehen werden.
  • Die ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur geschieht durch mehrere von solchen zusätzlichen Kontaktierungen jeweils für voneinander elektrisch isolierte Gateelektrodenabschnitte bzw. für und in voneinander elektrisch voneinander isolierten Teilen des Gateelektrodennetzwerkes, so dass durch die Widerstandsmessung zwischen jeweils zwei zusammengehörenden Kontakten die Temperatur im Bereich zwischen diesen beiden Kontakten bestimmt werden kann. Die voneinander isolierten Segmente des Gateelektrodennetzwerkes können unabhängig voneinander angesteuert werden und es kann eine segmentweise unterschiedliche Verlustleistungserzeugung erreicht werden, z. B. zur Erzielung einer homogenen Temperaturverteilung. Die unterschiedliche Ansteuerung der verschiedenen Segmente kann in Form eines geschlossenen Regelkreises nach Erfassung der jeweiligen Temperatur erfolgen.
  • Grundsätzlich ist diese Verfahrensweise bei allen Gateelektrodenmaterialien mit einem geeigneten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zu verwenden. Da die Gateelektrode zum großen Teil nur über ein dünnes Gateoxid thermisch an das darunter liegende Silizium gekoppelt ist, stellt die gemessene Gateelektrodentemperatur ein gutes Maß für die Temperatur des darunter liegenden Siliziums dar. Außerdem folgt dadurch die Gateelektrodentemperatur mit nur einer sehr geringen Verzögerung einer Temperaturänderung im darunter liegenden Silizium.
  • Durch die Positionierung der zusätzlichen Gatekontakte besteht eine weitestgehende Flexibilität bezüglich Ausdehnung und Position des durch die Temperaturmessung erfassten Bauelementbereichs. Mit weit auseinander liegenden Kontakten kann die mittlere Temperatur ausgewählter Flächensegmente des Bauelements bestimmt werden, z. B. die Temperatur in konzentrischen ringförmigen Segmenten der Bauelementfläche. Andererseits lässt sich durch sehr nahe beieinander liegende Gatekontakte die Temperatur mit hoher Ortsauflösung bestimmen.
  • Da die Messspannung zur Bestimmung des Gatewiderstandes klein im Vergleich zur Gatespannung bei ausgesteuertem Bauelement gewählt werden kann, ist die Messung des Gatewiderstandes durch eine der Gatespannung überlagerte Hilfsspannung und damit während des Betriebes des Bauelements möglich. Mit geeigneten Ansteuer- und Signalauswerteschaltungen lassen sich Gleichspannung oder Wechselspannung als Sonde zur Widerstandsmessung verwenden. Wechselspannungsmessungen besitzen dabei den Vorteil der größeren Empfindlichkeit und besseren Entkopplung der Temperaturmessung von der primären Gateansteuerung.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigen
  • 1 Aufsicht und Schnitt eines konventionellen 1-Finger-MOS-Transistors mit im Zentrum liegenden Source-Body-Kontakt und zwei dazu symmetrisch angeordnete Driftzonen und Drainbereiche, der dem Stand der Technik entspricht,
  • 2 einen für das erfindungsgemäße Verfahren modifizierten, d. h. mit einem zusätzlichen Gatekontakt versehenen MOS-Transistor sonst gleichen Aufbaus wie in 1,
  • 3 einen mit mehreren zusätzlichen Gatekontakten versehenen erfindungsgemäßen MOS-Transistor sonst gleichen Aufbaus wie in 2, wie er für die Widerstandsmessung mit der Vierpunktmethode mit unabhängigen Kontakten zur Messstromeinspeisung und Spannungsmessung geeignet ist (mit geänderten elektrischen Anschlüssen und z. B. einer weiteren isolierenden Trennstelle mitten zwischen den vier zusätzlichen Gatekontakten, die nicht dargestellt ist, ist die Anordnung für eine auf dem mehrfach kontaktierten Zweig der Gateelektrode ortsaufgelöste Temperaturmessung und -steuerung geeignet;
  • 4 die Aufsicht auf einen MOS-Transistor mit einer realen Flächengröße von ca. 0,4 mm × 0,4 mm, der aus einer Vielzahl identischer nebeneinander senkrecht angeordneten fingerförmigen Einzelzellen besteht,
  • 5 das System der Gateelektrodennetzwerkteile und der Gateanschlüsse eines erfindungsgemäßen MOS-Transistors mit einem vergleichbaren Zellenaufbau wie in 4,
  • 6 die Aufteilung des in der 5 gezeigten MOS-Transistors in drei konzentrisch liegende Gebiete, welche durch die zusätzlichen Gatekontakte bezüglich der Temperaturmessung und -steuerung getrennt erfaßt werden können und
  • 7 die Aufsicht und den Schnitt eines MOS-Transistors mit quadratischen Einzelzellen.
  • 1 zeigt eine Aufsicht auf einen konventionellen langgestreckten 1-Finger-Transistor mit dem im Zentrum liegenden Source-Body-Komplex (1) und zwei dazu symmetrisch angeordnete Driftzonen- und Drainbereiche (2, 3). Eingezeichnet sind in der schematischen Anordnung die Gateelektrode in Form eines gestreckten Kreisringes (4) und metallische Leitbahnen zur Kontaktierung der Source- und Drainbereiche (5, 6) sowie der Gateelektrode (7). Die Figur zeigt darüber hinaus die typischen Dotierungszonen und Materialschichtfolgen entlang eines Scnittes A-B.
  • Der gemäß der Erfindung modifizierte MOS-Transistor der 1 ist in 2 abgebildet. An dem Kontaktpunkt (9) ist die ringförmige Gatelektrode (4) mit einem zusätzlichen Kontakt und angeschlossener Leiterbahn (10) versehen. Zwischen dem Gatekontakt (7) und und der Leiterbahn (10) kann nun im Rahmen einer Zweipunktmessung der Gateelektrodenwiderstand zwischen den Kontaktpunkten (8) und (9) gemessen und damit auch die Temperatur in diesem Bereich indirekt gemessen werden und zur Betriebstemperatursteuerung die Leistung durch Veränderung der Gatespannung verändert werden. Damit die Widerstandsmessung sich nur auf die in der Abbildung unten liegende Verbindung zwischen den Kontaktpunkten (8) und (9) bezieht, ist die zweite mögliche stromführende Verbindung durch eine Trennstelle (17) unterbrochen. Die Messung des Gateelektrodenwiderstandes mit einer Zweipunktmessung ist möglich, wenn der Widerstand der Leiterbahnen vernachlässigbar klein gegen den zu messenden Widerstand der Gateelektrode ist. Wenn dies nicht der Fall ist, muss die Messung mit einer Vierpunktmethode mit unabhängigen Kontakten zur Messstromeinspeisung und Spannungsmessung erfolgen (siehe 3).
  • In 3 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines MOS-Transistors mit mehereren zusätzlichen Gatekontakten (12, 14, 16) abgebildet. Diese kann auch zur Vierpunktmessung des zwischen den Kontaktpunkten (11) und (13) befindlichen Gateelektrodenbereiches verwendet werden. Bei Anwendung der Zweipunktmessung kann wahlweise der Widerstand zwischen zwei beliebig wählbaren Kontaktpunkten der Gateelektrode gemessen werden, z. B. zwischen den Kontaktpunkten (8) und (15), zwischen den Kontaktpunkten (15) und (13) oder auch zwischen (15) und (9) und damit jeweils die Temperatur bestimmt werden. Bei Vorhandensein weiterer Trennstellen (17) der Gateelektrode (nicht dargestellt), z. B. zwischen den Kontaktpunkten (8) und (15) sowie (13) und (11) entstehen zwei elektrisch isolierte Abschnitte der Gateelektrode, in denen unabhängig voneinander die Betriebstemperatur anhand der gemessenen Temperatur mit über die an den zusätzlichen Gatekontakten der Abschnitte angelegte geänderte Gatespannung gesteuert werden kann.
  • In den 4 und 5 ist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines großflächigen MOS-Leistungstransistors dargestellt. Das Transistorchip ist quadratisch mit einer Seitenlänge von ca. 0,4 mm. Der aktive Innenbereich ist mit einer großen Zahl identischer nebeneinander senkrecht angeordneter fingerförmiger Einzelzellen entsprechend der 1 belegt. Die nebeneinander liegenden Gateelektrodenbahnen (18) sind nach dem Schema der 5 zum Teil an dem gemeinsamen Gatekontakt (7) angeschlossen und zum Teil mit zusätzlichen Kontakten versehen. Zum Teil sind darüber hinaus ursprünglich zusammenhängende Gateelektrodenbahnen durch Trennstellen (17) unterbrochen, wodurch sich bestimmte Abschnitte der Gateelektrode ergeben, die gegeneinander elektrisch isoliert sind und an ihren Enden jeweils einen Kontaktpunkt mit einer zusätzlichen Leiterbahn als Gatekontakt besitzen (Kontaktpunktpaare), z. B. bilden die zusätzlichen Gatekontakte (71(1)/ 72(1); 71(2)/72(2); 71(3)/72(3)) solche Kontaktpunktpaare. Der Aufteilung der zusätzlichen Gateanschlüsse und elektrischen Unterbrechungen der Gateelektrode liegt eine Aufteilung der Bauelementfläche in drei konzentrische Bereiche nach 6 zugrunde, in denen getrennt die Temperatur erfasst werden kann und bei unterschiedlichen Temperaturen durch die den Bereichen zugeordneten Kontakte über entsprechend unterschiedliche Gatespannungen die Leistung je Bereich so nachgesteuert werden kann, dass sich überall die gleiche Temperatur einstellt. Im Bereich 3 (5) sind alle Gateelektroden auf den gemeinsamen Gateanschluss (7) gezogen. Jeweils eine fingerförmige Zelle auf der linken und rechten Seite von Bereich 3 ist zusätzlich kontaktiert zur Temperaturmessung mit der Zweipunktmethode (71(3), 72(3)). Die Nachsteuerung der Gatespannung kann über die gemeinsame Gatelektrode (7) vorgenommen werden. Die Gateelektroden im Bereich 2 sind durch zwei Gatekontakte (71(2) und 72(2) so kontaktiert, dass sie getrennt von den Gateelektroden im Bereich 3 und Bereich 1 angesteuert werden können und außerdem der Widerstand und damit die Temperatur in dem in der rechten Chiphälfte liegenden Teil von Bereich 2 erfasst werden kann. Die Gateelektroden im Bereich 1 werden mit den Kontakten 71(1) und 72(1) angesteuert und erlauben eine von den Bereichen 2 und 3 unabhängige Ansteuerung und eine auf Bereich 1 bezogene Temperaturerfassung.
  • Das in 5 gezeigte Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Bauelementfläche durch fingerförmige parallele Einzelzellen belegt ist und das Gateelektrodennetzwerk aus nebeneinander liegenden Streifen oder lang gestreckten Ringbahnen besteht. Grundsätzlich sind auch Transistortopologien möglich, insbesondere bei Einzeltransistoren mit vertikaler Stromführung, bei denen die aktive Bauelementfläche mit einer Vielzahl von quadratischen oder hexagonalen Einzelzellen belegt ist. Das Gateelektrodennetzwerk hat in diesem Fall die Struktur einer über die gesamte Bauelementfläche ausgedehnten Platte, in der im Zentrum der periodisch wiederholten Grundzellen jeweils eine Aussparung vorgenommen wurde. Auch hier ist es möglich, mit Hilfe zusätzlicher Kontakte den Widerstand der Gateelektrode zu messen und damit die Bauelementtemperatur während des Betriebes zu bestimmen und nachzusteuern. Die zusätzlichen Kontakte werden hierbei vorteilhafterweise in einer so genannten Van-der Pauw-Geometrie an der Peripherie eines zusammenhängenden Netzwerkbereiches angeordnet (Van der Pauw, L. J., „Messung des spez. Widerstandes und des Hall-Koeffizienten an Scheiben beliebiger Form", Philips Techn. Rundschau, No. 20, 230, 1959).
  • Die bei der Widerstandsmessung erforderlichen Stromeinspeisungskontakte und Kontakte zur Spannungsmessung sind dabei in der in der 7 gezeigten Form angeordnet. Wenn die Darstellung in 7 sich auf die gesamte Oberfläche des Bauelements bezieht, wird bei der Widerstandsmessung nur eine über die gesamte Bauelementfläche gemittelte Aussage über die Temperatur gemacht. Zur lokalisierten Temperaturerfassung und -nachsteuerung wird sinngemäß die gesamte Bauelementoberfläche wieder in Segmente gleich dem in 7 gezeigt unterteilt, deren Gateelektrodennetzwerke durch passende Trennstellen voneinander isoliert sind.
    • 1
    Source-Body-Bereich
    2
    Driftzonenbereich
    3
    Drainbereich
    4
    Gateelektrode
    5
    Sourcekontakt (Source-Leiterbahn)
    6
    Drainkontakt (Drain-Leiterbahn)
    7
    Gatekontakt
    71(1)
    erster Gatekontakt des Gateabschittes 1
    72(1)
    zweiter Gatekontakt des Gateabschittes 1
    71(2)
    erster Gatekontakt des Gateabschittes 2
    72(2)
    zweiter Gatekontakt des Gateabschittes 2
    71(3)
    erster Gatekontakt des Gateabschnittes 3
    72(3)
    zweiter Gatekontakt des Gateabschnittes 3
    71(4)
    erster Gatekontakt für 4-Punktmesseung
    72(4)
    zweiter Gatekontakt für 4-Punktmesseung
    73(4)
    dritter Gatekontakt für 4-Punktmesseung
    74(4)
    vierter erster Gatekontakt für 4-Punktmesseung
    8
    Kontaktpunkt der Gateelektrode
    9
    zusätzlicher Kontaktpunkt der Gateelektrode
    10
    zusätzlicher Gatekontakt (Leiterbahn des zusätzlichen Kontaktpunktes der Gateelektrode
    11
    zusätzlicher Kontaktpunkt der Gateelektrode
    12
    zusätzlicher Gatekontakt (Leiterbahn des zusätzlichen Kontaktpunktes (11) der Gateelektrode
    13
    zusätzlicher Kontaktpunkt der Gateelektrode
    14
    zusätzlicher Gatekontakt (Leiterbahn des zusätzlichen Kontaktpunktes (13) der Gateelektrode
    15
    zusätzlicher Kontaktpunkt der Gateelektrode
    16
    zusätzlicher Gatekontakt (Leiterbahn des zusätzlichen Kontaktpunktes (15) der Gateelektrode
    17
    Trennstelle der Gateelektrode
    18
    überkreuzende Leiterbahnen
    19
    Randbereich des großflächigen MOS-Transistors
    20
    fingerförmige Einzelzelle wie in 1–3
    B1
    Bereich 1 des MOS-Transistors
    B2
    Bereich 2 des MOS-Transistors
    B3
    Bereich 3 des MOS-Transistors
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - D. Schröder, ”Leistungselektronische Bauelemente”, Kap. 10, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2006 [0004]
    • - V. Khemka et al., ”Detection and Optimization of Temperature Distribution Across Large Area Power MOSFETs to improve Energy Capability”, IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 51, No. 6, 1025–1032, 2004 [0006]
    • - M. Glavanovics and H. Zitta, „Dynamic Hot Spot Temperature Sensing in Smart Power Switches”, ESSCIRC 2002, 295–298, 2002 [0006]
    • - V. Khemka et al., ”Detection and Optimization of Temperature Distribution Across Large Area Power MOSFETs to improve Energy Capability”, IEEE Transactions an Electron Devices, Vol. 51, No. 6, 1025–1032, 2004 [0008]
    • - Van der Pauw, L. J., „Messung des spez. Widerstandes und des Hall-Koeffizienten an Scheiben beliebiger Form”, Philips Techn. Rundschau, No. 20, 230, 1959 [0032]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Betriebstemperatursteuerung eines MOS-gesteuerten Halbleiterleistungsbauelementes mit einem Gateelektrodenmaterial, dessen Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand des Gateelektrodenmaterials während des Betriebes des Bauelementes zwischen zwei in einem bestimmten Abstand auf der Gateelektrode befindlichen Kontaktpunkten (8, 9) durch eine der Gatespannung überlagerte Messpannung gemessen wird, wobei die zwischen den beiden Kontaktpunkten (8, 9) liegende Messstrecke von anderen Teilen der Gateelektrode durch Trennstellen (17) elektrisch isoliert ist und einer der beiden Kontaktpunkte durch den Gateanschluss (7) mit dem Kontaktpunkt (8) definiert sein kann und entsprechend dem gemessenen Temperaturwert der Messstrecke eine entsprechend veränderte Gatespannung zugeführt wird, wodurch die Leistung so nachgesteuert wird, dass sich ein angestrebter Zielwert der Temperatur einstellt.
  2. Verfahren zur ortsbezogenen elektrischen Messung der Betriebstemperatur eines MOS-gesteuerten Halbleiterleistungsbauelementes mit einem Gateelektrodenmaterial, dessen Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstände des Gateelektrodenmaterials während des Betriebes des Bauelementes zwischen mehreren auf der Gateelektrode bestimmten in voneinander elektrisch isolierten Abschnitten der Gateelektrode befindlichen Kontaktpunktpaaren, verbunden jeweils mit Kontakten (71(1)/72(1); 71(2)/72(2); 71(3)/72(3)) durch eine der Gatespannung überlagerte Messpannung gemessen werden, wobei die Kontaktpunkte jedes Kontaktpunktpaares einen bestimmten Abstand haben und die zwischen den Kontaktpunktpaaren liegenden Messstrecken jeweils von anderen Teilen der Gateelektrode elektrisch durch Trennstellen (17) isoliert sein können, wobei einer der beiden Kontaktpunkte einer Messstrecke durch den Gateanschluss definiert sein kann und entsprechend dem gemessenen Temperaturwert eines Kontaktpunktpaares über eine entsprechend angepasste Gatespannung, die über einen der zusätzlichen Gatekontake eines jeweiligen Kontaktpunktpaares der Messstrecke oder über beide zugeführt wird, die Leistung im zugehörigen Gateelektrodenabschnitt so nachgesteuert wird, so dass sich ein angestrebter Zielwert der Temperatur einstellt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein diskretes MOS-Bauelement handelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein MOS-Bauelement handelt, welches aus einer Vielzahl gleich aufgebauter Einzelzellen besteht.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Kontaktpunkte aller Kontaktpunktpaare den gleichen Abstand haben.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das MOS-gesteuerte Bauelement Bestandteil einer integrierten Schaltung ist und die Temperaturerfassung und -bewertung sowie die Ansteuerung der Temperaturmessstrecke oder -messstrecken mittels der Gatespannung automatisch durch eine entsprechende Schaltung als Bestandteil der Integrierten Schaltung geschieht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüchen 2 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktpunktpaare so über die Bauelementfläche verteilt sind, dass eine Zuordnung der Temperaturverteilung zu bestimmten Flächenanteilen der Gesamtbauelementfläche gegeben ist.
  8. MOS-gesteuertes diskretes Halbleiterleistungsbauelement zur elektrischen Messung des temperaturabhängigen Widerstandes der Gateelektrodenmaterials zum Zweck der Temperatursteuerung während des Betriebes, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Gatekontakt (7) mit dem Kontaktpunkt der Gateelektrode (8) mindestens an einem weiteren Kontaktpunkt (9) der Gateelektrode ein zusätzlicher Kontakt an der Gateelektrode (10) vorhanden ist, so dass ein bestimmter Abstand der Kontaktpunkte (8) und 9) der Gateelektrode bestimmt ist und die Teilstrecke der Gateelektrode zwischen Kontaktpunkt (8) und Kontaktpunkt (9) elektrisch von anderen Teilen der Gateelektrode isoliert ist.
  9. MOS-gesteuertes diskretes Halbleiterleistungsbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gegeneinander elektrisch isolierte Teilstrecken der Gateelektrode vorhanden sind, die jeweils an ihren Enden an Kontaktpunkten ansetzende Kontakte haben.
  10. MOS-gesteuertes Halbleiterleistungsbauelement, welches aus einer Vielzahl gleich aufgebauter Einzelzellen mit einem gemeinsamen Gateanschluss besteht, zur ortsbezogenen elektrischen Messung des temperaturabhängigen Widerstandes des Gateelektrodenmaterials und zum Zweck der Temperatursteuerung während des Betriebes, dadurch gekennzeichnet, dass das Gateelektrodennetzwerk aus mehreren elektrisch voneinander getrennten Teilen (B1, B2, G3) besteht, dass in diesen Elektrodennetzwerkteilen jeweils mindestens ein Paar zusammengehörender Kontaktpunkte der Gateelektrode mit Kontakten (71(1)/72(1); 71(2)/72(2); 71(3)/72(3)) vorhanden ist, wobei die Kontaktpunkte eines Kontaktpunktpaares einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen, wodurch jeweils eine bestimmte Mess- und Steuerstrecke definiert ist, dass zur Abtrennung kürzerer Messstrecken eines Gateelektrodenpaares innerhalb eines Elektrodennetzwerkteiles Trennstellen (17) vorhanden sein können. b
  11. MOS-gesteuertes Halbleiterleistungsbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Kontaktpunkte mit ihren Kontakten aller Kontaktpunktpaare den gleichen Abstand haben.
  12. MOS-gesteuertes Halbleiterleistungsbauelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gateelektrodennetzwerkteile und die Kontaktpunkte mit den Kontakten so über die Bauelementfläche verteilt sind, dass eine Zuordnung der Temperaturverteilung zu bestimmten Flächenanteilen der Gesamtbauelementfläche gegeben ist.
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