DE102009027487B4 - Bestimmung der Temperatur eines Halbleiterbauelementes - Google Patents

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Abstract

Eine in einem Halbleiterkörper integrierte Schaltungsanordnung umfassend:mindestens ein in dem Halbleiterkörper integriertes Leistungshalbleiterbauelement (T) mit einem Steueranschluss (G), einer mit dem Steueranschluss (G) elektrisch verbundenen internen Steuerelektrode (Gint) und einem Lastanschluss (E);ein thermisch mit dem Leistungshalbleiterbauelement (T) gekoppeltes und ebenfalls in den Halbleiterkörper integriertes Widerstandsbauelement (R), das zwischen dem Steueranschluss (G) und dem Lastanschluss (E) des Leistungshalbleiterbauelementes (T) angeordnet ist, wobei das Widerstandsbauelement (R) eine temperaturabhängige Widerstandskennlinie aufweist; undeine Ansteuer- und Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, den Strom durch das Widerstandsbauelement (R) oder den Spannungsabfall über dem Widerstandsbauelement (R), auszuwerten und ein davon abhängiges Temperatursignal bereitzustellen, wobeidie Ansteuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, den Strom durch das Widerstandsbauelement (R) oder den Spannungsabfall über dem Widerstandsbauelement (R) über den Steueranschluss (G) und den Lastanschluss (E) des Leistungshalbleiterbauelement (T) auszuwerten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem in den Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements mitintegrierten Bauelement, dessen temperaturabhängiges Verhalten extern zum Halbleiterbauelement ausgewertet wird.
  • Die Druckschrift EP 1 830 405 A1 offenbart eine Halbleiteranordnung die dazu ausgebildet ist die Temperatur eines Halbleiterchips präzise zu messen, wobei keine hochpräzise Messschaltung benötigt wird. Dabei wird ein PTC-Element auf einen IGBT-Chip gebondet. Danach fließt ein konstanter Strom von einer Konstantstromquelle über das PTC-Element und eine Ausgangsspannung des PTC-Elements wird mittels einer Spannungsüberwachung detektiert. Wenn sich eine Änderung der Ausgangsspannung erhöht, wird eine Spannung die an einer Gate-Elektrode anliegt durch eine Messschaltung verringert. Da das PTC-Element direkt auf dem IGBT-Chip angeordnet ist, kann die Temperatur des IGBT-Chips sehr präzise gemessen werden.
  • Die Druckschrift US 2005/0194635 A1 offenbart ein Halbleiterelement welches ein NTC-Widerstandselement aufweist das in elektrischem Kontakt zwischen einem Steuergebiet und einem ersten Eingangs-/Ausgangs-Gebiet bereitgestellt wird.
  • Die Druckschrift JP 2003 - 133 925 A offenbart eine Schaltung mit einer Übertemperatur-Schutzfunktion, welche den Ausgang abschaltet, wenn eine vorgegebene Temperatur aufgrund eines Stromes überschritten wird, welcher höher ist als ein vorgegebener Wert. Zwischen den Source-Anschluss und den GateAnschluss eines MOSFETs ist hierfür eine Übertemperatur-Schutzschaltung geschaltet. Die Übertemperatur-Schutzschaltung weist eine temperaturabhängige Schaltung mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, ein Element mit einer festen Impedanz und einen MOSFET zum Schutz vor Übertemperatur auf. Wenn eine vorgegebene Temperatur überschritten wird, ändert sich die Impedanz von einem hohen zu einem niedrigen Wert. Eine Eingangsschaltung weist ein Lichtemittierendes Element auf um optische Signale zu erzeugen.
  • Beim Betrieb von Halbleiterbauelementen führt die stets auftretende Verlustleistung zur Erwärmung des Halbleiterbauelements. Diese Erwärmung ist umso stärker, je mehr Leistung in dem Halbleiterbauelement umgesetzt wird. Ein Beispiel dafür sind Leistungstransistoren. Bei Leistungstransistoren handelt es sich um Transistoren, die große Strom- und Spannungsamplituden ermöglichen und damit zum direkten Betrieb von Verbrauchern mit großer Leistungsaufnahme geeignet sind. Leistungstransistoren werden beispielsweise verwendet in Endstufen und Schaltstufen für die Industrieelektronik und die Automobiltechnik.
  • Die Temperatur eines Halbleiterbauelements stellt dabei einen wesentlichen Faktor für dessen Funktionsfähigkeit dar. Eine beispielsweise durch eine höhere Umgebungstemperatur oder durch Fehlfunktion wie etwa Kurzschluss von Verbrauchern erzeugte Übertemperatur des Halbleiterbauelements kann zu dessen Beschädigung oder Zerstörung und darüber hinaus auch zur Beeinträchtigung oder sogar Zerstörung des Verbrauchers führen. Beispielsweise beträgt die maximal zulässige Sperrschichttemperatur etwa 175 bis 200 Grad Celsius bei Transistoren auf Siliziumbasis beziehungsweise etwa 75 bis 90 Grad Celsius bei Transistoren auf Germaniumbasis. Eine Überschreitung dieses Temperaturbereiches führt zur Zerstörung des jeweiligen Halbleiterbauelements.
  • Es ist daher wesentlich, eine etwaige Übertemperatur von Halbleiterbauelementen rechtzeitig und sicher zu erkennen, um geeignete Maßnahmen wie beispielsweise das Abschalten des Halbleiterbauelements oder des Verbrauchers vor Erreichen kritischer Temperaturwerte und damit vor der Schädigungsgrenze ergreifen zu können.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauelement mit zuverlässigem Übertemperaturschutz zur Verfügung zu stellen, das möglichst wenig Chipfläche für die Temperaturmessung benötigt. Diese Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 und das Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 14 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Ein erläuterndes Beispiel betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Temperatur mit mindestens einem Leistungshalbleitertransistor und mindestens einem Bauelement mit zwei Anschlussleitungen, wobei das Bauelement in einen Halbleiterkörper einer den Leistungshalbleitertransistor aufweisenden integrierten Halbleiterschaltung mitintegriert ist und das Bauelement thermisch mit dem Leistungshalbleitertransistors gekoppelt ist. Weiterhin ist das Bauelement mit einer Anschlussleitung mit einer Steuerelektrode des Leistungshalbleitertransistors verbunden und mit einer Anschlussleitung mit einer Lastelektrode des Leistungshalbleitertransistors verbunden. Das Bauelement weist einen temperaturabhängigen Widerstand auf und dieser Widerstand ist über die Steuerelektrode und die Lastelektrode des Leistungshalbleitertransistors auswertbar. Der temperaturabhängige Widerstand des Bauelements stellt ein Maß für die interne Temperatur des Leistungshalbleitertransistors dar.
  • Die folgenden Figuren und die weitere Beschreibung sollen helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Die Elemente in den Figuren sind nicht unbedingt als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung darzustellen.
    • 1 ist ein Diagramm zur Illustration der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts eines internen Gatewiderstands einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 2 ist ein Diagramm zur Illustration der Chargenabhängigkeit der Temperaturkennlinie eines internen Gatewiderstands einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 3 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Bauelement zwischen Gate und Emitter;
    • 4 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das nach dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist;
    • 5 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das vor dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist;
    • 6 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten MOSFET Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das nach dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist, wobei die Verbindung zwischen einer Anschlussleitung des Bauelements und der Sourceelektrode des MOSFET in einem getrennten Schritt ausgeführt wird;
    • 7 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten MOSFET Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das nach dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen wird, wobei die Verbindung zwischen einer Anschlussleitung des Bauelements und der Gateelektrode des MOSFET in einem getrennten Schritt ausgeführt wird;
    • 8 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten MOSFET Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das vor dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen wird, wobei die Verbindung zwischen einer Anschlussleitung des Bauelements und der Gateelektrode des MOSFET in einem getrennten Schritt ausgeführt wird;
    • 9 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das vor dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen wird, wobei die Verbindung zwischen einer Anschlussleitung des Bauelements und der Gateelektrode des IGBT durch ein in die Halbleiterschaltung mitintegriertes Schaltelement ausgeführt wird;
    • 10a-b sind Schaltbilder einer eine Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das vor dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist und ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Halbleitertransistors und zur Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands des Bauelements;
    • 11 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das vor dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Halbleitertransistors und zur Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands des Bauelements;
    • 12 ist ein Schaltbild einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das vor dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Halbleitertransistors und zur Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands des Bauelements;
    • 13a-c sind Schaltbilder von Ausführungsbeispielen ähnlich dem aus 12;
    • 14 ist ein Schalbild einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand und integriertem Bauelement, das nach dem Gatewiderstand an die Gateelektrode angeschlossen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ansteuer- und Auswerteeinheit mit einem Operationsverstärker;
    • 15 veranschaulicht in einem Diagramm ein eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches und einer isolierten Widerstandsbahn des Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 16 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 17 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 18 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 19 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches, eines Steuerelektrodenrandbereichs und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 20 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches, eines Steuerelektrodenrandbereichs und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 21 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches, eines Steuerelektrodenrandbereichs und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 22 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes mit Steuerelektrodenfingern, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 23 veranschaulicht in einem Diagramm ein eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes mit Steuerelektrodenfingern, eines Bauelementelektrodenfeldes, eines Randabschlussbereiches und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 24 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes mit Steuerelektrodenfingern, eines Steuerelektrodenrandbereichs, eines Randabschlussbereichs, eines Bauelementelektrodenfeldes und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 25 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes mit Steuerelektrodenfingern, eines Steuerelektrodenrandbereichs, eines Randabschlussbereichs, eines Bauelementelektrodenfeldes und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung;
    • 26 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes mit Steuerelektrodenfingern, eines Steuerelektrodenrandbereichs, eines Randabschlussbereichs, eines Bauelementelektrodenfeldes und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung; und
    • 27a-b veranschaulichen eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes, eines Steuerelektrodenfeldes mit einem Steuerelektrodenfinger, eines Bauelementelektrodenfeldes und einer isolierten Widerstandsbahn eines Bauelements in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen korrespondierende Komponenten bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.
  • In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird Bezug genommen auf die beigefügten Figuren, in denen Beispiele der Erfindung veranschaulicht werden. Die vorliegende Erfindung stellt einen Halbleitertransistor mit einem integrierten Bauelement zur Verfügung, das eine temperaturabhängige Größe aufweist, welche extern zum Halbleitertransistorbauelement ausgewertet werden kann.
  • Zur Ermittlung der Temperatur eines Halbleiterbauelements, wie zum Beispiel eines Halbleitertransistors ist es bekannt, einen Temperatursensor auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements oder auf dem Halbleiterkörper/Chip anzubringen. Nachteilig ist hierbei, dass der Sensor und das eigentliche Halbleiterbauelement zwei getrennte Bauelemente sind, womit durch den Sensor nur die Temperatur außen an dem Halbleiterbauelement erfasst wird, welche erheblich von der Temperatur im Inneren des Halbleiterbauelementes abweichen kann und darüber hinaus bei schnellen Temperaturänderungen im Inneren des Halbleiterbauelementes eine unerwünschte Trägheit besitzt. Gerade die Temperatur im Inneren des Halbleiterkörpers ist jedoch zur Ermittlung kritischer Betriebszustände relevant.
  • Zur Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements ist es bekannt, ein Bauelement in demselben Halbleiterkörper, in den das Halbleiterbauelement integriert ist, vorzusehen. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass eine durch eine Auswerteeinheit erfassbare Größe des Bauelements von der Temperatur abhängig ist, so dass von dieser Größe auf die Temperatur in dem Halbleiterkörper geschlossen werden kann. So sind z.B. Leistungshalbleiter bekannt, bei denen die Temperatur der Sperrschicht des Leistungshalbleiters durch eine oder mehrere zusätzliche, in den Halbleiterkörper des Leistungshalbleiters mitintegrierte in Reihe oder parallel geschaltete Dioden die Temperatur der Sperrschicht des Leistungshalbleiters erfasst wird.
  • Als entsprechendes Temperatursignal steht dabei die temperaturabhängige Durchlassspannung („forward voltage“) der Diode bzw. der Dioden zur Verfügung. Dabei wird die diese Durchlassspannung durch einen eingeprägten konstanten Strom in den Dioden erzeugt. Diese Durchlassspannung stellt ein Maß für die Temperatur des Leistungshalbleiters dar. Der eingeprägte Strom und die Auswertung der Durchlassspannung werden typischerweise durch eine Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt, die extern zur integrierten Schaltung des Leistungshalbleiters angeordnet ist.
  • Das Vorhandensein einer oder mehrerer zusätzlicher Diodenstrukturen im Halbleiterkörper des Leistungsbauelements erfordert jedoch zusätzliche Substratfläche. Weiterhin müssen solche zusätzlich in den Leistungshalbleiter integrierten Strukturen mit zusätzlichen, nach außen geführten Anschlussleitungen versehen werden, die ebenfalls zusätzliche Substratfläche einnehmen. Die Komplexität der gesamten integrierten Schaltung wird dadurch erhöht und zusätzliche Anschlussleitungen müssen im Anschlusslayout der integrierten Schaltung berücksichtigt werden.
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele werden überwiegend am Beispiel einer integrierten Halbleiterschaltung beschrieben, die einen IGBT Leistungshalbleitertransistor umfasst. Weitere Ausführungsbeispiele von integrierten Leistungshalbleiterschaltungen umfassen z.B. MOSFET Transistoren, Bipolartransistoren und Thyristoren. Dabei werden zur allgemeinen Beschreibung der Erfindung die Begriffe Steuerelektrode und Lastelektrode verwendet. Im Fall eines IGBT Leistungshalbleitertransistors ist die Steuerelektrode eine Gate-Elektrode und die Lastelektrode eine Emitter-Elektrode, im Fall eines MOSFET Leistungshalbleitertransistors ist die Steuerelektrode eine Gate-Elektrode und die Lastelektrode eine Source-Elektrode, im Fall eines Bipolartransistors ist die Steuerelektrode eine Basis-Elektrode und die Lastelektrode ist eine Emitter-Elektrode und im Fall eines Thyristors ist die Steuerelektrode eine Gate-Elektrode und die Lastelektrode eine Kathodenelektrode.
  • Messungen an einem internen Gatewiderstand eines IGBT Leistungstransistors zeigen, dass die Sperrschichttemperatur („junction temperature“) eines solchen Leistungstransistors auch ohne zusätzlich integrierte Bauelemente auf der Oberfläche des Leistungshalbleiters ermittelt werden kann. Dabei werden die temperaturabhängigen Widerstandswerte des Gatewiderstandes zwischen der Gate-Elektrode und einem zusätzlichen Anschlussfeld des Bauelements ausgewertet.
  • 1 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Widerstandswerts eines internen Gatewiderstands RGint (Ordinate) einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung als Funktion der Sperrschichttemperatur Tj (Abszisse) in Grad Celsius. In 1 ist zu sehen, dass sich der gemessene Widerstandswert des internen Gatewiderstands RGint von 3.9 Ohm bei Tj = 30° C auf 4.5 Ohm bei Tj = 150° C erhöht. Im Allgemeinen besteht bei Widerständen ein linearer Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Widerstandswert. Der relativ kleine Widerstandswert eines solchen internen Gatewiderstands RGint , der im Bereich von wenigen Ohm liegt und typischerweise kleiner als 10 Ohm ist, kann unter Umständen problematisch sein. Bedingt durch Schwankungen im Herstellungsprozess ist es nur mit großem Aufwand möglich, interne Gatewiderstände mit gleichen Werten zu fertigen, wie sie für eine zuverlässige Temperaturauswertung notwendig sind.
  • 2 veranschaulicht in einem Diagramm die Widerstandswerte (Abszisse) von internen Gatewiderständen einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur (Ordinate)der integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltungen aus 18 unterschiedlichen Herstellungschargen (Chip 1.1 bis Chip 1.6, Chip 2.1 bis Chip 2.6 und Chip 3.1 bis Chip 3.6). Dabei betrug der vorgegebene nominelle Widerstandswert des internen Gatewiderstands RGint 5 Ohm bei einer Temperatur Tj = 25° C. Wie in 2 zu sehen, ergeben sich bei dieser Temperatur jedoch fertigungsbedingte Schwankungen der Widerstandswerte, die für die untersuchten Chargen in einem Bereich von etwa 5 Ohm bis 5.6 Ohm liegen. Wie in 1 ist auch 2 wiederum die lineare Abhängigkeit des Widerstandswerts des internen Gatewiderstands RGint von der Temperatur Tj gut zu erkennen.
  • Die hier ermittelte, relativ geringe absolute Widerstandsabweichung von maximal 0.6 Ohm zwischen den unterschiedlichen Herstellungschargen führt jedoch in Verbindung mit dem geringen absoluten Widerstandswert des internen Gatewiderstands RGint zu einer unerwünschten Ungenauigkeit bei der Bestimmung der damit verbundenen Temperatur. Weiterhin wirkt sich negativ aus, dass die Verwendung dieses Gatewiderstands RGint zur Bestimmung der Temperatur ein zusätzliches Anschlussfeld in der integrierten Halbleiterschaltung sowie eine zusätzliche nach außen geführte Anschlussleitung voraussetzt, um den temperaturabhängigen Widerstand des Gatewiderstands RGint , zum Beispiel unter Verwendung einer entsprechenden Auswerteinheit, extern zum Halbleiterbauelement auszuwerten.
  • Gemäß einem Beispiel der Erfindung wird daher mindestens ein zusätzliches Bauelement mit einem temperaturabhängigen Widerstand in die integrierte Halbleiterschaltung eines steuerbaren Leistungshalbleiterbeuelements, wie z.B. eines IGBT Leistungshalbleitertransistors, mitintegriert. Ein solches Bauelement, z.B. ein Widerstand mit temperaturabhängigem Widerstandswert, weist zwei Anschlussleitungen auf, wobei eine Anschlussleitung mit dem Steuerelektrodenanschluss und eine Anschlussleitung mit dem Lastelektrodenanschluss des Leistungshalbleiterbauelements verbunden ist. Das temperaturabhängige Bauelement wird beispielsweise als temperaturabhängiger Widerstand ausgeführt, da die Integration einer Widerstandsbahn in den Halbleiterkörper einer integrierten Halbleiterschaltung gegenüber zum Beispiel der Integration einer Diodenstruktur deutlich weniger Fläche in der integrierten Halbleiterschaltung benötigt und auch der Herstellungsprozess deutlich vereinfacht wird.
  • Weiterhin wird ein solcher Widerstand hochohmig ausgeführt und beispielsweise unter Verwendung des gleichen Herstellungsverfahrens wie für den Widerstand (siehe RGint ) in der Zuleitung zwischen Steuerelektrode und Steuerelektrodenanschluss des Leistungshalbleiters, so dass zur Integration des Bauelements kein zusätzlicher Verfahrensschritt bei der Herstellung des Halbleiterbauelements notwendig ist. Die gegenüber dem internen Gate-Widerstand RGint hochohmige Ausführung des Widerstands zur Auswertung der Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements wird durch entsprechende Ausgestaltung der Widerstandsbahn im Halbleiterbauelement erreicht (siehe 15 bis 27).
  • 3 zeigt in einem Schaltbild eine beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Integration eines Widerstandbauelements mit temperaturabhängigem Widerstand in die integrierte Halbleiterschaltung eines steuerbaren Leistungshalbleiters. 3 zeigt in einem Schaltbild einen IGBT als Leistungshalbleitertransistor T1 und das Widerstandsbauelement RGE . Das Widerstandsbauelement RGE ist mit einem ersten Anschluss mit dem Gateanschluss G (Gatepad) bzw. mit der internen Gateelektrode Gint (Steuerelektrode) des IGBT T1 verbunden und mit einem zweiten Anschluss mit der Emitterelektrode E (Lastelektrode) bzw. dem Emitteranschluss (Emitterpad) des Leistungshalbleiters verbunden. Da der Widerstand RGE hochohmig ausgeführt ist, fließt während der im eingeschwungenen Zustand (d.h. im EIN-Zustand und im AUS-Zustand des IGBTs) einer an den Gateanschluss G angelegten Gatesteuerspannung - also vor und nach entsprechenden Schaltvorgängen - ausschließlich ein entsprechend geringer Strom durch den Widerstand RGE , so dass eine Auswerteeinheit keine unerwünscht hohe Leistung zur Auswertung der temperaturabhängigen Größe des Widerstands RGE zur Verfügung stellen muss.
  • Auf diese Weise kann bei konstanter Gatespannung (z.B. +15V im EIN-Zustand und -15V im AUS-Zustand des IGBTs) der allein durch den Widerstand RGE fließende Strom gemessen werden. Bei einem konstant sehr kleinen Strom kann alternativ dazu auch die Spannung am Widerstand RGE ausgewertet werden. Die Auswertung der Spannung am oder des Stroms durch den Widerstand RGE erfolgt dabei typischerweise durch eine Ansteuer- und Auswerteinheit, die z.B. extern zum Leistungsbauelements angeordnet sein kann. Der Strom beziehungsweise die Spannung stellen dabei ein Maß für den temperaturabhängigen Widerstandswert des Widerstands RGE dar und werden zur Bestimmung der internen Sperrschichttemperatur des Leistungsbauelements verwendet.
  • Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass in der integrierten Halbleiterschaltung des IGBT keine zusätzlichen Zuleitungen zum Widerstand RGE realisiert werden müssen, da der Gateanschluss G (d.h. das Gatepad) und der Emitteranschluss E (d.h. das Emitterpad) des IGBT auch zur Messung der Strom- beziehungsweise Spannungswerte durch den oder an dem Widerstand RGE verwendet werden können. Der zusätzliche Aufwand für eine Verbindung weiterer Zuleitungen (Bonding) und das Herausführen von Leitungen aus der Halbleiterschaltung wird dadurch vermieden.
  • Weiterhin kann durch eine geeignete Ausgestaltung des Widerstands RGE zwischen Steuerelektrode und Lastelektrode in der integrierten Halbleiterschaltung des Leistungstransistors ein gegenüber bestehenden Lösungen wesentlich reduzierter Flächenbedarf für die Halbleiterstruktur des Widerstands RGE erzielt werden, wie weiter unten im Detail ausgeführt wird und beispielsweise in 15 bis 27 zu sehen ist.
  • Ein weiterer Vorteil eines auf diese Weise integrierten Widerstands RGE besteht darin, dass dadurch ein Schutz vor elektrostatischer Entladung erzielt wird, wodurch bei derartig ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltungen keine externe Maßnahmen zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen benötigt werden.
  • Ein noch weiterer Vorteil ergibt sich auch daraus, dass derart ausgebildete steuerbare Leistungshalbleiter während Einschaltvorgängen, wenn die maximale Schaltspannung noch nicht vollständig anliegt, im ausgeschalteten Zustand gehalten werden. Ein solcher zwischen Gateelektrode und Emitterelektrode eines IGBT angeschlossene Widerstand RGE weist dabei in geeigneter Weise Widerstandswerte im Bereich von 1000 Ohm und 20 Megaohm, beispielsweise Widerstandswerte im Bereich von 2 Kiloohm und 15 Kiloohm auf.
  • 4 veranschaulicht in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit einem integriertem internen Gatewiderstand RGint und integriertem Widerstandsbauelement RGE . das Widerstandsbauelement RGE ist dabei mit dem Emitteranschluss E und der internen Gateelektrode Gint des IGBT T1 verbunden. Der Unterschied zu dem Beispiel aus 3 besteht darin, dass zusätzlich zwischen dem Gateanschluss G, d.h. dem Gatepad, und der internen Gateelektrode Gint ein (transistorinterner) Gatewiderstand RGint angeordnet ist. Ein solcher Gatewiderstand Gint ist bei Leistungstransistoren häufig notwendig.
  • 5 veranschaulicht in einem Schaltbild ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung mit einem integriertem internen Gatewiderstand RGint und integriertem Widerstandsbauelement RGE . Der Widerstand RGE ist dabei wiederum mit dem Emitteranschluss E des IGBT T1 verbunden. Des Weiteren ist der Widerstand RGE direkt mit dem Gateanschluss G (d.h. dem Gatepad) des IGBT verbunden. Der Gateanschluss G ist wiederum mit der internen Gateelektrode Gint über den Gatewiderstand RGint verbunden.
  • 6 veranschaulicht in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung einer integrierten MOSFET Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand RGint und einem integrierten Widerstand RGE zur Temperaturbestimmung, wie bei dem Beispiel aus 3 an die Gateelektrode angeschlossen ist, wobei die Verbindung zwischen einer Anschlussleitung des Widerstands RGE und dem Sourceanschluss S des MOSFET in einem getrennten Schritt ausgeführt wird, beispielsweise durch eine zu einem späteren Zeitpunkt im Herstellungsprozess ausführbare Drahtverbindung 10 (Bond), die die Verbindung zum Sourceanschluss S des MOSFET zwischen den Punkten 1 und 2 überbrückt.
  • Auf diese Weise wird es ermöglicht, im Verlauf des Herstellungsprozesses der integrierten Halbleiterschaltung bei offener Verbindung zwischen den Punkten 1 und 2 die Sperreigenschaften des Leistungshalbleiters zu prüfen, ohne dass diese durch den Widerstands RGE verfälscht werden. Nach erfolgreicher Prüfung des Leistungshalbleiters wird die Verbindung zwischen den Punkten 1 und 2 der Anschlussleitung des Widerstands RGE in einem nachfolgenden Herstellungsschritt ausgeführt.
  • Dabei kann die Bond-Verbindung 10 zwischen den Punkten 1 und 2 beispielsweise durch eine Überbondung zweier Anschlussflächen ausgeführt werden, die an den Punkten 1 und 2 der Halbleiterschaltung angeordnet sind. In einem weiteren Beispiel kann die Verbindung zwischen dem Widerstand RGE und dem Sourceanschluss S des MOSFET auch dadurch ausgeführt werden, dass eine ohnehin an den Widerstand RGE anzubringende und mit der Sourceelektrode zu verbindende Anschlussleitung des Widerstands RGE erst in einem getrennten Bearbeitungsschritt hergestellt wird.
  • 7 veranschaulicht in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung einer integrierten MOSFET Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand RGint und einem integrierten Widerstandsbauelement RGE zur Temperaturbestimmung. Das Widerstandsbauelement RGE ist mit einer Anschlussleitung an den Sourceanschluss S angeschlossen ist, wobei hier die Bond-Verbindung 10 zwischen einer weiteren Anschlussleitung des Widerstands RGE und der internen Gateelektrode Gint des MOSFET T2 in einem getrennten Schritt ausgeführt wird. Dies geschieht analog zu dem in 6 gezeigten Beispiel durch eine zu einem späteren Zeitpunkt im Herstellungsprozess ausführbare Drahtverbindung (Bond), die den Widerstands RGE mit der Gateelektrode Gint des MOSFET T2 elektrisch verbindet. Wie gemäß 6 wird auch hier im Rahmen des Herstellungsprozesses eine vom Widerstand RGE unbeeinflusste Prüfung der Sperreigenschaften des hier als MOSFET ausgeführten Leistungshalbleiters ermöglicht.
  • 8 veranschaulicht in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung einer integrierten MOSFET Halbleitertransistorschaltung mit integriertem Gatewiderstand RGint und integriertem Widerstand RGE zur Temperaturmessung, der vor dem Gatewiderstand RGint an den Gateanschluss G (das Gatepad) angeschlossen wird, wobei die Bond-Verbindung 10 zwischen dem Widerstand RGE und dem Gateanschluss G des MOSFET T2 wie auch bei den in der 6 oder 7 gezeigten Beispielen in einem getrennten Schritt ausgeführt wird.
  • Das Verbinden einer Anschlussleitung des temperaturabhängigen Widerstands RGE zur Temperaturmessung mit dem Steuerelektrodenanschluss eines Leistungshalbleiters vor dem internen Gatewiderstand RGint , wie dies auch in 5 und 7 veranschaulicht ist, bewirkt, dass der auf Grund des Widerstands zwar kleine, aber dennoch vorhandene Einfluss der Temperaturabhängigkeit des internen Gatewiderstands RG vollständig eliminiert wird. Aufgrund einer während der Ruhephasen (konstante positive oder negative Gatespannung) an den Gateanschluss G anliegenden bipolaren Gatesteuerspannung (also vor und nach entsprechenden Schaltvorgängen) fließt ausschließlich ein Strom durch den Widerstand RGE .
  • 9 veranschaulicht in einem Schaltbild eine Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung gemäß 8, wobei die Verbindung zwischen einer Anschlussleitung des Bauelements RGE und dem Gateanschluss G des IGBT im Gegensatz zum Beispiel aus 8 durch ein in die Halbleiterschaltung mitintegriertes Schaltelement MS ausgeführt wird. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist dieses Schaltelement als MOSFET ausgeführt, der mit seiner Drainelektrode vor dem mit dem Gateanschluss G des IGBT verbunden und mit seiner Sourceelektrode mit dem Widerstand RGE verbunden ist. Der MOSFET MS könnte alternativ statt mit dem Gateanschluss G auch direkt mit der internen Gateelektrode Gint verbunden sein.
  • Weiterhin ist Gateelektrode des MOSFET Transistors mit dem Gateelektrodenanschluss des IGBT Leistungshalbleitertransistors verbunden. Auf diese Weise wird der MOSFET Transistor durch die Gatespannung des Leistungshalbleiters angesteuert und eine Verbindung zwischen der Gateleitung und dem Widerstand RGE wird dann hergestellt, wenn eine entsprechende Gatespannung an der Gateelektrode des IGBT anliegt, so dass dieser sich in einem eingeschalteten Zustand befindet. Dadurch wird sicher gestellt, dass die Sperrschichttemperatur des IGBT über den Widerstand RGE ausgewertet werden kann, wenn ein Strom durch den IGBT fließt, der zu einer zu überwachenden Erwärmung der integrierten Halbleiterschaltung führt. Alternativ zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 kann an Stelle eines MOSFET Transistors auch ein nicht steuerbares Schaltelement verwendet werden, das bei einer bestimmten Temperatur von selbst leitfähig wird.
  • Ein solches Schaltelement kann zum Beispiel als ein Thyristor ausgeführt werden, der bei einer bestimmten Temperatur, wie zum Beispiel 50° C, 70° C oder 100° C ohne zusätzliches Steuersignal in den leitfähigen Zustand wechselt und somit die Verbindung des temperaturabhängigen Bauelements mit der Steuer- und/oder Lastelektrode des Leistungshalbleiters bewirkt.
  • 10a ist eine Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung gemäß dem Beispiel aus 5 mit einer beispielhaften Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Halbleitertransistors und zur Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands des Bauelements RGE . Gemäß 10 umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinheit eine erste Gleichspannungsquelle V1 , eine zweite Gleichspannungsquelle V2 , einen Widerstand R5 und zwei Kondensatoren C1 und C2 . Weiterhin umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinheit einen Widerstand R6 sowie zwei bipolare Transistoren Q1 und Q2 . Transistor Q1 ist dabei als npn-Transistor ausgeführt, Transistor Q2 ist als pnp-Transistor ausgeführt.
  • Gemäß 10a ist der positive Ausgang der Gleichspannungsquelle V1 mit einer ersten Anschlussleitung des Kondensators C1 und einer Kollektorelektrode des Transistors Q1 verbunden. Der negative Ausgang der Gleichspannungsquelle V2 ist mit einer ersten Anschlussleitung des Kondensators C2 und einer Kollektorelektrode des Transistors Q2 verbunden. Der negative Ausgang der Gleichspannungsquelle V1 und der positive Ausgang der Gleichspannungsquelle V2 sind mit einer ersten Anschlussleitung des Widerstands R5 verbunden und eine zweite Anschlussleitung des Kondensators C1 und eine zweite Anschlussleitung des Kondensators C2 sind sowohl miteinander als auch mit einer zweiten Anschlussleitung des Widerstands R5 verbunden. Weiterhin sind gemäß 10a die zwei Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 miteinander sowie mit einer Eingangsleitung für ein Ansteuersignal verbunden. Die beiden Emitterelektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind miteinander und mit einer ersten Anschlussleitung des Widerstands R6 verbunden, dessen zweite Anschlussleitung über den Gatewiderstand RG mit der Gateelektrode des IGBT und einer Anschlussleitung des Widerstands RGE verbunden ist.
  • Wird durch ein beispielsweise rechteckförmig ausgebildetes Ansteuersignal einer der beiden Transistoren Q1 oder Q2 in einen leitfähigen Zustand versetzt, werden die Stromspitzen zum Ein- beziehungsweise Ausschalten des Leistungshalbleiterleistungsbauelements (hier IGBT) durch die Kondensatoren C1 beziehungsweise C2 zur Verfügung gestellt. In den Zeitphasen, in denen eine konstante Spannung an der Steuerelektrode des Halbleiterleistungsbauelements anliegt, also in den Zeitbereichen, in denen der Leistungshalbleiter vollständig ein- oder ausgeschaltet ist, werden die Kondensatoren C1 beziehungsweise C2 über den Widerstand R5 durch die Gleichspannungsquellen V1 beziehungsweise V2 erneut aufgeladen. Sobald die Kondensatoren C1 beziehungsweise C2 vollständig aufgeladen sind, fließt durch den Widerstand R5 der Ansteuer- und Auswerteeinheit nur noch jener Strom, der durch den Widerstand RGE fließt (entweder die Basis-Emitter-Diode von Q1 oder von Q2 ist leitend).
  • Dadurch wird am Widerstand R5 ein Spannungsabfall verursacht, der ein Maß für den durch den in der integrierten Halbleiterschaltung integrierten Widerstand RGE fließenden Strom und damit ein Maß für die interne Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements darstellt. Die am Widerstand R5 anliegende Spannung kann daher zum Beispiel verwendet werden, um bei Überschreiten einer vorgegebenen Sperrschichttemperatur des Leistungshalbleiterbauelements, die einen entsprechenden Spannungsabfall am Widerstand R5 zur Folge hat, eine Schutzabschaltung des Leistungshalbleiterbauelements zu bewirken.
  • Die am Widerstand R5 anliegende Spannung kann auch an eine nicht explizit gezeigte nachgeschaltete Auswerte- und Regelelektronik weitergeleitet werden, in der eine Auswertung der Sperrschichttemperatur und eine entsprechende Reaktion auf die Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements erfolgt. Der Widerstand R5 wird dabei in geeigneter Weise so bemessen, dass von der aus den Spannungsquellen V1 und V2 benötigten Spannung zum Betrieb der Ansteuerung des Leistungshalbleiterbauelements nur ein geringer Teil, zum Beispiel 1 Volt am Widerstand R5 anliegt.
  • Das Schaltbild aus 10b unterscheidet sich von dem Schaltbild der 10b nur dadurch, dass zu dem Widerstand R5 noch zwei Dioden D1 und D2 parallel geschaltet sind. Die Dioden D1 und D2 liegen dabei antiparallel zueinander und dienen zur Begrenzung der Spannung am Widerstand R5 , während die interne Gateelektrode Gint des IGBT T1 geladen bzw. entladen wird. Die Dioden können auch durch gesteuerte Schalter, z.B. MOS- oder Biopolartransistoren, ersetzt werden, um den Spannungsabfall über dem Widerstand R5 während dem Laden und Entladen der Gateelektrode Gint noch weiter reduzieren zu können.
  • 11 veranschaulicht in einem Schaltbild eine Anordnung einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung gemäß 10a oder 10b mit einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Halbleitertransistors und zur Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands des Bauelements RGE . Dabei umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinheit gemäß 11 eine Gleichspannungsquelle V1, eine Gleichspannungsquelle V2 , einen Widerstand R6 und einen Widerstand R7. Weiterhin umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinheit wiederum zwei bipolare Transistoren Q1 und Q2 . Transistor Q1 ist dabei als npn-Transistor ausgeführt, Transistor Q2 ist als pnp-Transistor ausgeführt.
  • Gemäß 11 ist der positive Ausgang der Gleichspannungsquelle V1 mit einer Kollektorelektrode des Transistors Q1 verbunden. Der negative Ausgang der Gleichspannungsquelle V2 ist mit einer Kollektorelektrode des Transistors Q2 verbunden. Weiterhin sind gemäß 11 die zwei Basiselektroden der Transistoren Q1 und Q2 miteinander sowie mit einer ersten Anschlussleitung des Widerstands R7 verbunden, wobei die zweite Anschlussleitung des Widerstands R7 den Eingangsanschluss für ein Ansteuersignal darstellt. Die beiden Emitterelektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind miteinander und mit einer ersten Anschlussleitung des Widerstands R6 verbunden, dessen zweite Anschlussleitung über den Gatewiderstand RG mit der Gateelektrode des IGBT und einer Anschlussleitung des Widerstands RGE verbunden ist.
  • Wird durch ein beispielsweise rechteckförmig ausgebildetes Ansteuersignal einer der beiden Transistoren Q1 beziehungsweise Q2 in den leitfähigen Zustand versetzt, werden die Stromspitzen zum Ein- beziehungsweise Ausschalten des steuerbaren Halbleiterleistungsbauelements (hier IGBT) über die Transistoren durch die Spannungsquellen V1 beziehungsweise V2 über die Transistoren Q1 beziehungsweise Q2 und den Widerstand R6 an der Steuerelektrode des IGBT zur Verfügung gestellt. In den Zeitphasen, in denen eine konstante Spannung an der Steuerelektrode des Halbleiterleistungsbauelements anliegt, also in den Zeitbereichen, in denen der Leistungshalbleiter vollständig ein- beziehungsweise ausgeschaltet ist, fließt durch den Widerstand R7 der Ansteuer- und Auswerteeinheit ein Strom, der ein Maß für den durch den Widerstand RGE fließenden Strom darstellt (entweder die Basis-Emmitter-Diode von Q1 oder von Q2 ist leitend). Dabei ist der Stromverstärkungsfaktor der jeweiligen Transistoren Q1 bzw. Q2 zu berücksichtigen. Durch den durch den Widerstand R7 fließenden Strom wird eine Spannung UT am Widerstand R7 verursacht, die ein Maß für die interne Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements darstellt.
  • 12 ist ein Schalbild einer Schaltungsanordnung mit einer integrierten IGBT Halbleitertransistorschaltung (vgl. z.B. 10 oder 11) mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Halbleitertransistors und zur Auswertung des temperaturabhängigen Widerstands des Bauelements RGE . Dabei umfasst die Ansteuer- und Auswerteeinheit gemäß 12 eine Gleichspannungsquelle V3 , eine Stromquelle I1 , einen Widerstand R8 sowie eine Treiberstufe bestehend aus den zwei Bipolartransistoren Q3 und Q4 .
  • Gemäß 12 ist der positive Ausgang der Spannungsquelle V3 mit einer Kollektorelektrode des Transistors Q3 verbunden. Der negative Ausgang der Gleichspannungsquelle V3 ist mit einer Kollektorelektrode des Transistors Q4 verbunden. Weiterhin sind gemäß 12 die zwei Basiselektroden der Transistoren Q3 und Q4 miteinander sowie mit einem Eingangsanschluss für ein Ansteuersignal verbunden. Die beiden Emitterelektroden der Transistoren Q1 und Q2 sind miteinander und mit einer ersten Anschlussleitung des Widerstands R8 verbunden, dessen zweite Anschlussleitung mit dem Gateanschluss (Gatepad) G des IGBT T1 verbunden ist. Der Gateanschluss G ist über den transistorinternen Gatewiderstand RGint mit der Gateelektrode des IGBT, einer ersten Anschlussleitung des Widerstands RGE und einer ersten Anschlussleitung der Stromquelle I1 verbunden ist. Eine zweite Anschlussleitung der Stromquelle I1 ist mit einer zweiten Anschlussleitung des Widerstands RGE , mit der Kollektorelektrode des Transistors Q4 und dem negativen Ausgang der Gleichspannungsquelle V3 verbunden.
  • Wird ein beispielsweise rechteckförmig ausgebildetes Ansteuersignal an den Steuereingangsanschluss der Ansteuer- und Auswerteschaltung gemäß 12 angelegt, wird einer der beiden Transistoren Q3 beziehungsweise Q4 in den leitfähigen Zustand versetzt, wodurch über den Widerstand R8 entweder das positive oder das negative Potential der Spannungsquelle als Ein- beziehungsweise Ausschaltsignal des IGBT an dessen Steuerelektrode zur Verfügung gestellt wird.
  • Im ausgeschalteten Zustand des IGBT wird in diesem Fall eine Gatespannung von 0 Volt durch die Ansteuer- und Auswerteschaltung gemäß 12 zur Verfügung gestellt, da diese gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß 10 und 11 nur eine Spannungsquelle V3 aufweist. In diesem ausgeschalteten Zustand des IGBT wird jedoch durch die Stromquelle I1 eine Spannung UT am temperaturabhängigen Widerstand RGE des integrierten Leistungshalbleiters bewirkt. Diese Spannung UT kann als Maß für die interne Temperatur des Leistungshalbleiters in diesem Schaltzustand herangezogen werden. Die Spannung UT kann am Gateanschluss zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung und dem Leistungshalbleiter abgegriffen und nachfolgend ausgewertet werden (siehe auch Beschreibung zu 10a).
  • Die Ausführungsbeispiele aus den 13a, 13b und 13c arbeiten ähnlich wie das Beispiel aus 12. Die Schaltungsanordnung aus 13a unterscheidet sich von dem Beispiel aus 12 im wesentlichen dadurch, dass statt dem Widerstand R8 ein Schalter SW1 zwischen den Ausgang der Treiberstufe (Q3 , Q4 ) und den Gateanschluss G (Gatepad) geschaltet ist. Ein weiterer für die Funktionsweise der Schaltung unbedeutender Unterschied besteht darin, dass im diesem Beispiel der Widerstand RGE nicht zwischen Emitteranschluss E und Gateanschluss G des Leistungstransistors T1 geschaltet ist, sondern direkt zwischen Emitteranschluss E und interner Gateelektrode Gint .
  • Die Leistungstransistorschaltung (T1 , RGint , RGE ) ist über den Schalter SW1 von der Treiberstufe abtrennbar. Die Temperaturmessung erfolgt im AUS-Zustand des IGBT T1 . Zu Beginn eines Messvorganges wird der Schalter S1 geöffnet, die Treiberschaltung ist dann von dem Messschaltkreis (RGINT , RGE ) abgekoppelt. Der durch die Stromquelle fließende Strom I1 kann (in einer quasistatischen Betrachtungsweise) nur mehr durch die Widerstände RGint und RGE fließen. Durch den Strom I1 der Stromquelle wird ein Spannungsabfall UT über der Serienschaltung von dem internen Gatewiderstand RGint und dem Widerstand RGE bewirkt. Dieser Spannungsabfall UT ist aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes RGE und des Gatewiderstandes RGint natürlcih auch temperaturabhängig und kann zwischen Gateanschluss G (Gatepad) und dem Emitteranschluss E (Emitterpad) zur Temperaturmessung abgegriffen werden. Hinsichtlich der Richtung des Messtromes I1 gibt es keine Einschränkungen. Der Strom I1 darf aber maximal so groß gewählt werden, dass die Spannung UT auch bei der maximalen Temperatur nicht die Thersholdspannung des Leistungstransistors T1 übersteigt, um ein unerwünschtes Einschalten des Transistors T1 zu vermeiden.
  • Das Beispiel aus 13b ist sehr ähnlich zu dem Beispiel aus 13a. Der einzige Unterschied besteht darin, das der Schalter nicht dem Treiberausgang der Treiberstufe (Q3 , Q4 ) nachgeschaltet, sonder dem Eingang der Treiberstufe vorgeschaltet ist. In diesem Beispiel ist der Schalter mit SW2 bezeichnet. Die Funktionsweise der Schaltung aus 13b ist im Wesentlichen identisch mit der Schaltung aus 13a. Zu Beginn eines Messvorganges wird der Schalter SW2 geöffnet und die Treiberstufe somit von der Signalquelle getrennt, die das Ansteuersignal CTRL bereitstellt. Der Treiberstufe ist folglich hochohmig (d.h. ihr Ausgangswiderstand ist hoch) und damit die gesamte Treiberstufe (Q3 , Q4 ) praktisch von dem Messschaltkreis (RGINT , RGE ) entkoppelt. Die Temperaturmessung funktioniert gleich wie im Beispiel gemäß 13a.
  • Das Beispiel aus 13c ist sehr ähnlich zu dem Beispiel aus 13b mit dem Unterschied dass in der Treiberstufe (Q3 , Q4 ) statt Bipolartransistoren MOSFETs verwendet werden. Der Schalter SW2 verbindet die Gate- und Sourceanschlüsse der Treibertransistoren. Zu Beginn eines Messvorganges wird der Schalter SW2 geschlossen und somit die Treibertransistoren Q3 und Q4 abgeschalten. Die Treiberstufe ist für die Temperaturmessung - wie im vorangegeangenen Beispiel - hochohmig und daher praktisch von dem Messschaltkreis entkoppelt. Die Temperaturmessung funktioniert gleich wie in den Beispielen gemäß 13a oder 13b. Aufgrund der bei einer MOSFET-Treiberstufe unvermeidbaren Bodydioden DQ3 und DQ4 darf der Strom I1 maximal so hoch gewählt werden, dass der Spannungsabfall UT über den Widerständen RGiNT und RGE nicht die Durchlassspannung (forward-voltage) der Diode DQ2 nicht überschreitet, da sonst das Messergebnis verfälscht werden kann.
  • Das Ausführungsbeispiel aus 14 erlaubt, im Gegensatz zu den Beispielen aus den 13a-c eine Temperaturmessung im EIN- und im AUS-Zustand des Leistungstransistors T1 . Ähnlich wie die Ausführungsbeispiele aus 10 wird der Gateanschluss G der Leistungstransistoranordnung (T1 , RGint , RGE ) bipolar über eine Treiberstufe bestehend aus den Transistoren Q1 und Q2 angesteuert. In einem eingeschwungenen Zustand („steady state“) ist die interne Gateelektrode Gint entweder positiv oder negativ gegenüber dem Potential der Emitterelektrode E geladen und ein Gatestrom fließt als Messstrom nur mehr über die Widerstände RGint und RGE . Die Höhe des Stromes hängt von der durch die Treiberstufe (Q1 , Q2 ) vorgegebene Spannung VBE zwischen Gateanschluss G und Emitteranschluss E und der Sperrschichttemperatur Tj des Leistungstransistors T1 ab.
  • Außer während eines Messvorganges ist der Emitteranschluss E über einen geschlossenen Schalter SW3 mit einem konstanten Potential, z.B. Masse GND, verbunden. Zu Beginn eines Messvorganges wird der Schalter SW3 geöffnet und der Messtrom fließt stattdessen über einen Strom-Spannungswandler, der beispielsweise einen Operationsverstärker OA mit einem Rückkoppelwiderstand RFB umfassen kann. In diesem Beispiel stellt der Operationsverstärker eine Ausgangsspannung UT zur Verfügung, die wie folgt berechnet werden kann: U T = R FB ⋅ V BE / ( R Gint + R GE )
    Figure DE102009027487B4_0001
  • Mit steigender Temperatur steigt der Widerstandswert des Widerstandes RGE , entsprechend sinkt die Ausgangsspannung abhängig von der Sperrschichttemperatur Tj .
  • Die in 3 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen, wie ein zusätzliches Bauelement mit temperaturabhängiger Widerstandskennlinie so in die integrierte Halbleiterschaltung eines steuerbaren Leistungshalbleiters integriert wird, dass der Widerstand des Bauelements vorteilhaft über die Steuerelektrode und die Lastelektrode des Leistungshalbleiters auswertbar ist, ohne dass dazu zusätzliche Anschlussleitungen realisiert und aus der integrierten Halbleiterschaltung herausgeführt werden müssen.
  • Die nachfolgenden Abbildungen veranschaulichen Beispiele, in denen als weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung Beispiele für die integrierte Halbleiterschaltung dargestellt werden, bei denen als weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung der zusätzlich notwendige Flächenanteil, der durch das zusätzliche temperaturabhängige Bauelement in der integrierten Halbleiterschaltung eingenommen wird, stark reduziert oder sogar vermieden wird. Zu diesem Zweck wird das temperaturabhängige, zwischen der Steuerelektrode und der Lastelektrode eines steuerbaren Leistungshalbleiters angeschlossene Bauelement in der Form einer elektrisch isolierten Widerstandsbahn als temperaturabhängiger Widerstand ausgeführt.
  • Alle nachfolgenden Beispiele gemäß 15 bis 27 werden dabei am Beispiel eines IGBT Leistungshalbleiters veranschaulicht. Die isolierte Widerstandsbahn WI ist dabei in allen Beispielen beispielsweise aus polykristallinem Silizium ausgeführt, das im Vergleich mit dem polykristallinen Silizium eines internen Gatewiderstands RGint mit erhöhtem elektrischem Widerstand ausgeführt ist.
  • 15 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung in einem Hableiterkörper einer integrierten Halbleitertransistorschaltung. 15 weist ein Lastelektrodenfeld (EmitterPad EP), ein Steuerelektrodenfeld (Gate-Pad GP), ein Bauelementelektrodenfeld (Sensor-Pad SP), einen Randabschlussbereich RA und eine isolierte Widerstandsbahn WI auf. Das Steuerelektrodenfeld GP und das Bauelementelektrodenfeld SP können beispielsweise als Bond-Pads dienen, um die z.B. in 8 gezeigte Verbindung zwischen dem Widerstandsbauelement RGE und dem Steueranschluss G (vgl. Schaltungsknoten 1 und 2) mit Hilfe eines Bonddrahtes 10 herstellen zu können.
  • Gemäß 15 bedeckt das Lastelektrodenfeld EP den größten Bereich der rechteckig ausgeformten Fläche des Halbleiterkörpers der integrierten Halbleitertransistorschaltung und wird durch den Randabschlussbereich RA abgeschlossen. In einer Ecke des Halbleiterkörpers ist ein Steuerelektrodenfeld GP angeordnet und angrenzend dazu ein in gleicher Größe ausgeführtes Bauelementelektrodenfeld SP. Zwischen dem Bauelementelektrodenfeld SP und einer weiteren Ecke des Halbleiterkörpers erstreckt sich parallel zu und entlang des Randabschlussbereiches RA die isolierte Widerstandsbahn WI.
  • Diese isolierte Widerstandsbahn WI ist auf der einen Seite elektrisch mit dem Bauelementelektrodenfeld SP verbunden und auf der anderen Seite elektrisch mit dem Lastelektrodenfeld EP verbunden. Der elektrische Kontakt zwischen der isolierten Widerstandsbahn WI und dem Bauelementelektrodenfeld SP ist in 15 durch eine Raute gekennzeichnet, der elektrische Kontakt zwischen der isolierten Widerstandsbahn WI und dem Lastelektrodenfeld EP ist durch einen Kreis gekennzeichnet.
  • Dabei können das Steuerelektrodenfeld GP und das Bauelementelektrodenfeld SP wahlweise auch erst in einem getrennten Herstellungsschritt elektrisch miteinander verbunden werden, um eine vorangehende, von der Widerstandsbahn WI unbeeinflusste Prüfung der Sperreigenschaften des Halbleitertransistors zu ermöglichen. Alternativ dazu ist es, wie weiter oben beschrieben aber hier nicht explizit dargestellt, auch möglich die elektrische Verbindung zwischen der Widerstandsbahn WI und dem Lastelektrodenfeld EP in einem getrennten Herstellungsschritt auszubilden. Gleiches gilt auch für alle nachfolgend veranschaulichten Beispiele gemäß 16 bis 26, in denen zum Zweck der Übersichtlichkeit auch kein integrierter Gatewiderstand dargestellt wird.
  • 16 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander umfasst wie das Beispiel gemäß 15. Im Gegensatz zu 15 ist das Bauelementelektrodenfeld SP jedoch vom Steuerelektrodenfeld GP umgeben und die isolierte Widerstandsbahn WI erstreckt sich vom Bauelementelektrodenfeld SP in Richtung des Randabschlussbereichs RA und von dort weiter entlang und parallel zum Randabschlussbereich RA bis zu einer weiteren Ecke des Halbleiterkörpers.
  • 17 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie das Beispiel gemäß 16. Im Gegensatz zu 16 erstreckt sich die isolierte Widerstandsbahn WI zunächst ebenfalls vom Bauelementelektrodenfeld SP in Richtung des Randabschlussbereichs RA und von dort weiter entlang und parallel zum Randabschlussbereich RA, ist aber nach dem Verlassen des Steuerelektrodenfelds GP entlang einer Kante des Steuerelektrodenfelds GP mäanderförmig ausgeführt. Der elektrische Kontakt zwischen der isolierten Widerstandsbahn WI und dem Lastelektrodenfeld EP ist dabei nahe zu dem Steuerelektrodenfeld GP und an der Kante zum Randabschlussbereich RA ausgeführt.
  • Durch die in 15 bis 17 sowie in den nachfolgenden Abbildungen dargestellten unterschiedlichen Beispiele der Widerstandsbahn WI hinsichtlich Länge und Ausformung der Widerstandsbahn können der Widerstandswert der Widerstandsbahn und die thermische Kopplung mit bestimmten Bereichen der integrierten Halbleiterschaltung festgelegt werden.
  • 18 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie die Beispiele gemäß 16 und 17. Gemäß 18 ist die Widerstandsbahn WI wiederum als langgestreckte Widerstandsbahn ausgebildet, die sich zunächst ebenfalls vom Bauelementelektrodenfeld SP in Richtung des Randabschlussbereichs RA und von dort weiter entlang und parallel zum Randabschlussbereich RA erstreckt, sich aber nach dem Verlassen des Steuerelektrodenfelds GP entlang der beiden dem Lastelektrodenfeld EP zugewandten Kanten des Steuerelektrodenfelds GP bis zum Randbereich RA weiter erstreckt.
  • 19 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes EP, eines Steuerelektrodenfeldes GP, eines Bauelementelektrodenfeldes SP, eines Randabschlussbereiches RA, eines Steuerelektrodenrandbereichs GR und einer isolierten Widerstandsbahn WI in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung. Im Gegensatz zu 16 erstreckt sich dabei ausgehend vom Steuerelektrodenfeld GP zusätzlich der Steuerelektrodenrandbereich GR zwischen dem Randabschlussbereich RA und dem Lastelektrodenfeld EP. Die isolierte Widerstandsbahn WI erstreckt sich dabei vom Bauelementelektrodenfeld SP in Richtung des Steuerelektrodenrandbereichs GR und von dort weiter entlang und parallel zum Steuerelektrodenrandbereich GR bis zu einer weiteren Ecke des Halbleiterkörpers der integrierten Schaltung.
  • 20 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie das Beispiel gemäß 19. Die isolierte Widerstandsbahn WI erstreckt sich zunächst vom Bauelementelektrodenfeld SP parallel zum Randbereich RA über das Steuerelektrodenfeld GP in Richtung des Lastelektrodenfeldes EP und ist nach dem Verlassen des Steuerelektrodenfelds GP entlang der Kante des Steuerelektrodenfelds GP mäanderförmig auf dem Lastelektrodenfeld EP ausgeführt. Der elektrische Kontakt zwischen der isolierten Widerstandsbahn WI und dem Lastelektrodenfeld EP ist dabei nahe zu dem Steuerelektrodenfeld GP und an der Kante zum Steuerelektrodenrandbereich GR ausgebildet.
  • 21 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie die Beispiele gemäß 19 und 20. Die isolierte Widerstandsbahn WI erstreckt sich gemäß 21 zunächst vom Bauelementelektrodenfeld SP über das Steuerelektrodenfeld GP zum Randbereich RA und von dort parallel zum Randbereich RA in Richtung des Steuerelektrodenrandbereichs GR. Nach dem Verlassen des Steuerelektrodenfelds GP erstreckt sich die Widerstandsbahn WI unter dem Steuerelektrodenrandbereich GR verlaufend entlang dreier Kanten des Lastelektrodenfelds EP, bis die Widerstandsbahn WI zur Kontaktierung mit dem Lastelektrodenfeld EP auf dieses zurück geführt wird.
  • 22 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung eines Lastelektrodenfeldes EP, eines Steuerelektrodenfeldes GP mit vier Steuerelektrodenfingern GF, eines Bauelementelektrodenfeldes SP, eines Randabschlussbereiches RA und einer isolierten Widerstandsbahn WI in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung. Gemäß 20 ist das Steuerelektrodenfeld GP mittig auf der Fläche des Lastelektrodenfeldes EP angeordnet und das Bauelementelektrodenfeld SP ist wiederum mittig, umgeben von der Fläche des Steuerelektrodenfelds GP, angeordnet. Vier Steuerelektrodenfinger GF erstrecken sich jeweils vom Zentrum jeder Kante des Steuerelektrodenfelds GP in Richtung des Randabschlussbereiches RA. Die Widerstandsbahn WI verläuft von der Mitte einer Kante des Bauelementelektrodenfelds SP über das Steuerelektrodenfeld GP zu einem der Steuerelektrodenfinger GF und von dort entlang und parallel zu den vier Kanten des Steuerelektrodenfelds GP über die Steuerelektrodenfinger GF und das Lastelektrodenfeld EP hinweg. Dort wo die Widerstandsbahn den ersten Steuerelektrodenfinger GF wieder erreicht, ist der Kontakt zum Lastelektrodenfeld EP ausgeführt.
  • Durch die zentrale Anordnung von Bauelementelektrodenfeld SP, Steuerelektrodenfeld GP und Widerstandsbahn WI auf dem Lastelektrodenfeld EP wird eine thermische Kopplung der Widerstandsbahn WI mit dem Bereich zwischen Steuerelektrodenfeld GP und Lastelektrodenfeld EP vorteilhaft im Zentrum der Halbleiterschaltung erzielt. Damit wird eine Ermittlung der Halbleitertemperatur beziehungsweise Sperrschichttemperatur des Halbleiters am Ort der maximalen Wärmeentwicklung gewährleistet. Typischerweise wird die in einer integrierten Halbleiterschaltung entstehende Wärme über die Rückseite des Bauelements abgeleitet. Aufgrund einer besseren Wärmeableitung im Randbereich des Chips kann eine nicht mittig angeordnete Widerstandsbahn WI nicht die maximal auftretende Temperatur aufweisen.
  • 23 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie das Beispiel gemäß 20. Im Gegensatz zu 20 erstreckt sich die Widerstandsbahn WI von der Mitte einer Kante des Bauelementelektrodenfelds SP über das Steuerelektrodenfeld GP zu einem der Steuerelektrodenfinger GF und von dort entlang der Mitte und unterhalb des Steuerelektrodenfingers GF bis zur elektrischen Kontaktierung auf dem Lastelektrodenfeld EP nahe des Randabschlussbereiches RA. Da gemäß 23 das Bauelementelektrodenfeld SP mittig im Steuerelektrodenfeld GP angeordnet ist und die Widerstandsbahn WI unter dem Steuerelektrodenfinger GF ausgebildet wird, ergibt sich kein zusätzlicher Flächenbedarf durch die Integration der Widerstandsbahn WI in das Halbleiterbauelement. Dabei ist die Widerstandsbahn WI gegenüber dem Steuerelektrodenfinger GF und gegenüber dem Steuerelektrodenfeld GP mit Hilfe einer Oxidschicht isoliert.
  • 24 veranschaulicht in einem Diagramm eine Anordnung die ein Lastelektrodenfeld EP, ein Steuerelektrodenfeld GP, drei Steuerelektrodenfinger GF, einen Steuerelektrodenrandbereich GR, ein Bauelementelektrodenfeld SP, einen Randabschlussbereich RA und eine isolierten Widerstandsbahn WI in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung aufweist. Gemäß 24 erstreckt sich dabei ausgehend von dem mittig in einem Randbereich des Lastelektrodenfeldes EP angeordneten Steuerelektrodenfeld GP der Steuerelektrodenrandbereich GR umlaufend zwischen dem Randabschlussbereich RA und dem Lastelektrodenfeld EP. Weiterhin erstrecken sich ausgehend vom gleichen Randbereich zwei Steuerelektrodenfinger GF, jeweils einer auf jeder Seite des Steuerelektrodenfelds GP, über nahezu die gesamte Breite des Lastelektrodenfelds EP in Richtung des gegenüberliegenden Steuerelektrodenrandbereichs GR.
  • Ein dritter Steuerelektrodenfinger GF erstreckt sich ausgehend von einer der Mitte des Halbleiterkörpers zugewandten Kante des Steuerelektrodenfelds GP über nahezu die gesamte Breite des Lastelektrodenfelds EP in Richtung des gegenüberliegenden Steuerelektrodenrandbereichs GR. Die isolierte Widerstandsbahn WI erstreckt sich dabei mittig von einer Kante des Bauelementelektrodenfelds SP in Richtung des gegenüberliegenden Steuerelektrodenrandbereichs GR und damit entlang der Mitte und unterhalb des dritten Steuerelektrodenfingers GF.
  • Auf diese Weise ist die Widerstandsbahn mit einem Bereich des integrierten Halbleiters thermisch gekoppelt, der mittig auf der Fläche des Lastelektrodenfelds EP von einer Seite des Halbleiterkörpers zur anderen verläuft. Die Erwärmung der lang gestreckten Widerstandsbahn WI entspricht dabei einem mittleren Wert des Temperaturprofils, wie es durch die Mitte der Anordnung der integrierten Halbleiterschaltung verläuft. Da gemäß 24 das Bauelementelektrodenfeld SP mittig im Steuerelektrodenfeld GP angeordnet ist und die Widerstandsbahn WI unter einem Steuerelektrodenfinger GF ausgebildet ist, ergibt sich kein zusätzlicher Flächenbedarf durch die Integration der Widerstandsbahn WI in das Halbleiterbauelement.
  • 25 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie das Beispiel gemäß 24.
  • Im Gegensatz zu 24 erstreckt sich die Widerstandsbahn WI nicht entlang der gesamten Länge des dritten Steuerelektrodenfingers GF, sondern formt im Zentrum der Fläche des Lastelektrodenfelds EP eine mäanderförmige Struktur aus, die an ihrem Ende elektrisch mit dem Lastelektrodenfeld EP verbunden ist. Auf diese Weise erfährt der größte Anteil der Widerstandsbahn WI wiederum eine thermische Kopplung mit dem zentralen Bereich der Fläche des Lastelektrodenfelds EP, in dem typischerweise die höchste Temperatur beim Betrieb eines Leistungshalbleiters vorherrscht.
  • 26 veranschaulicht in einem Diagramm eine weitere Anordnung einer integrierten Halbleitertransistorschaltung, die die gleichen Elemente und die gleiche Verschaltung der Elemente untereinander aufweist wie die Beispiele gemäß 24 und 25. Im Gegensatz zu 24 und 25 erstreckt sich die isolierte Widerstandsbahn WI von der Mitte einer Kante des Bauelementelektrodenfelds SP über das Steuerelektrodenfeld GP hinweg in Richtung des am nächsten angeordneten Steuerelektrodenrandbereichs GR und dann entlang des gesamten Umfangs des Steuerelektrodenrandbereichs GR unter diesem. Kurz bevor der Steuerelektrodenrandbereich GR wieder auf das Steuerelektrodenfeld GP trifft, ist die isolierte Widerstandsbahn WI durch eine entsprechende Kontaktierung elektrisch mit dem Lastelektrodenfeld EP verbunden. Da gemäß 26 das Bauelementelektrodenfeld SP mittig im Steuerelektrodenfeld GP angeordnet ist und die Widerstandsbahn WI unter dem Steuerelektrodenrandbereich GR ausgebildet wird, ergibt sich kein zusätzlicher Flächenbedarf durch die Integration der Widerstandsbahn WI in das Halbleiterbauelement.
  • 27a ist eine Draufsicht eines weiteren Beispiels, 27b ist eine korrespondierende Schnittdarstellung. Das Beispiel gemäß 27 umfasst eine Anordnung mit einem Emitterelektrodenfeld EP, einem Gateelektrodenfeld GP mit einem Gateelektrodenfinger GF, einem Bauelementelektrodenfeld SP und einer isolierten Widerstandsbahn WI in einer integrierten Halbleitertransistorschaltung. Die Anordnung umfasst weiterhin eine Vielzahl von elektrischen Kontaktierungen zwischen dem Poly-Silizium und den korrespondierenden Metallisierungen. Gemäß 27 ist die Halbleiterstruktur bestehend aus Gateelektrodenfeld GP, Gateelektrodenfinger GF, Bauelementelektrodenfeld SP und isolierter Widerstandsbahn WI zentral auf einem nicht vollständig veranschaulichten großflächigen Emitterelektrodenfeld EP angeordnet. Die Isolation wird durch eine Oxidschicht OX gewährlistet. Dabei ist das Bauelementelektrodenfeld SP wiederum mittig, vom Gateelektrodenfeld GP umgeben angeordnet und durch eine Kontaktierung elektrisch mit dem Bauelementpolysilizium verbunden.
  • Das Gateelektrodenfeld GP ist gemäß 27 durch vier Kontaktierungen elektrisch mit dem Gatepolysilizium verbunden. Mittig von einer Kante des Gateelektrodenfeldes GP erstreckt sich der Gateelektrodenfinger GF, der durch sechs Kontaktierungen elektrisch mit dem Gatepolysilizium verbunden ist. In der gleichen Richtung in der Mitte und unter dem Gateelektrodenfinger GF verlaufend erstreckt sich die isolierte Widerstandsbahn WI, die in ihrer Länge über das Ende des Gateelektrodenfingers GF hinaus ausgebildet ist. An diesem Ende ist das Polysilizium der Widerstandsbahn WI durch eine Kontaktierung elektrisch mit dem Emitterelektrodenfeld EP verbunden. Auf diese Weise verläuft die zwischen Gate und Emitter des IGBT angeschlossene Widerstandsbahn zentral zwischen der Halbleiterstruktur der Gateelektrode und der Halbleiterstruktur der Emitterelektrode, wodurch eine optimale thermische Kopplung mit dem Sperrschichtbereich des Leistungshalbleiters erzielt wird. Durch diese Anordnung der Widerstandsbahn WI ist darüber hinaus wiederum kein zusätzlicher Flächenbedarf für das temperaturabhängige Bauelement im Halbleiterkörper des Leistungshalbleiters notwendig.
  • Die in 15 bis 27 veranschaulichten Beispiele weisen alle ein jeweils ein Bauelementelektrodenfeld SP und eine Steuerelektrodenfeld GP auf. Die elektrische Kontaktierung der Widerstandsbahn WI mit dem Bauelementelektrodenfeld SP an einem Ende und mit dem Lastelektrodenfeld EP am anderen Ende der Widerstandsbahn WI wird dabei im Herstellungsprozess beispielsweise in einem ersten Schritt ausgeführt. Die elektrische Kontaktierung zwischen dem Bauelementelektrodenfeld SP und dem Steuerelektrodenfeld GP kann dabei in einem zweiten Schritt des Herstellungsprozesses ausgeführt werden, um eine vorangehende Prüfung der elektrischen Eigenschaften des Leistungshalbleiters zu ermöglichen, die unbeeinflusst von einer Beschaltung des Leistungshalbleiters mit der Widerstandsbahn WI erfolgt. Ist eine solche vorangestellte Prüfung des Leistungshalbleiters nicht erwünscht, kann das eine Ende der Widerstandsbahn WI auch in einem einzigen Herstellungsschritt direkt mit dem Steuerelektrodenfeld GP verbunden werden, wodurch zusätzlich ein getrennt ausgeführtes Bauelementelektrodenfeld SP eingespart werden kann.

Claims (14)

  1. Eine in einem Halbleiterkörper integrierte Schaltungsanordnung umfassend: mindestens ein in dem Halbleiterkörper integriertes Leistungshalbleiterbauelement (T1) mit einem Steueranschluss (G), einer mit dem Steueranschluss (G) elektrisch verbundenen internen Steuerelektrode (Gint) und einem Lastanschluss (E); ein thermisch mit dem Leistungshalbleiterbauelement (T1) gekoppeltes und ebenfalls in den Halbleiterkörper integriertes Widerstandsbauelement (RGE), das zwischen dem Steueranschluss (G) und dem Lastanschluss (E) des Leistungshalbleiterbauelementes (T1) angeordnet ist, wobei das Widerstandsbauelement (RGE) eine temperaturabhängige Widerstandskennlinie aufweist; und eine Ansteuer- und Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, den Strom durch das Widerstandsbauelement (RGE) oder den Spannungsabfall über dem Widerstandsbauelement (RGE), auszuwerten und ein davon abhängiges Temperatursignal bereitzustellen, wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, den Strom durch das Widerstandsbauelement (RGE) oder den Spannungsabfall über dem Widerstandsbauelement (RGE) über den Steueranschluss (G) und den Lastanschluss (E) des Leistungshalbleiterbauelement (T1) auszuwerten.
  2. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das Widerstandsbauelement (RGE) entweder mit der internen Steuerelektrode (Gint) oder mit dem Steueranschluss (G) niederohmig verbunden ist.
  3. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Steueranschluss (G) und die interne Steuerelektrode (GINT) über einen weiteren integrierten Widerstand (RGint) verbunden sind.
  4. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das Widerstandsbauelement (RGE) mit einem Bond-Pad verbunden ist.
  5. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der das Widerstandsbauelement (RGE) mit einem Bond-Pad verbunden ist, welches elektrisch über eine Bondverbindung (10) mit dem Lastanschluss (E) oder dem Steueranschluss (G) oder der internen Steuerelektrode (Gint) verbindbar ist.
  6. Die Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die zusätzlich ein Schaltelement (Ms) aufweist, das dazu ausgebildet ist, das Widerstandsbauelement (RGE) mit dem Lastanschluss (E) oder dem Steueranschluss (G) oder der internen Steuerelektrode (Gint) des Leistungshalbleiterbauelements (T1) zu verbinden.
  7. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei der das zusätzliche Schaltelement ein in den Halbleiterkörper integrierter MOS-Transistor ist.
  8. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Schaltelement ein Thyristor ist, der bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur des Leistungshalbleiterbauelements (T1) leitfähig wird.
  9. Die Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Widerstandsbauelement (RGE) Widerstandswerte im Bereich von 100 Ohm bis 20 Megaohm, oder im Bereich von 2 Kiloohm bis 15 Kiloohm aufweist.
  10. Die Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das Widerstandsbauelement (RGE) als Präzisionswiderstand ausgebildet ist.
  11. Die Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Ansteuer- und Auswerteschaltung elektrisch mit der Steuerelektrode (Gint) verbunden und dazu ausgebildet ist, Ströme zum Ein- und Ausschalten des Leistungshalbleiterbauelements (T1) an die Steuerelektrode (Gint) zur Verfügung zu stellen,
  12. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, bei der die Ansteuer- und Auswerteschaltung zusätzlich dazu ausgebildet ist, wenn kein Ein- oder Ausschaltvorgang ausgeführt wird und an der Steuerelektrode (Gint) eine konstantes Spannungsniveau anliegt, eine Spannung zur Verfügung zu stellen, die proportional zu dem Strom ist, der durch das Widerstandsbauelement (RGE) fließt.
  13. Die Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Ansteuer- und Auswerteschaltung eine Stromquelle in Parallelschaltung zu dem Widerstandsbauelement (RGE) aufweist, die im ausgeschalteten Zustand des Leistungshalbleiterbauelements (T1) eine an der Steuerelektrode (Gint) abgreifbare, temperaturabhängige Spannung am Widerstandsbauelement (RGE) bewirkt.
  14. Ein Halbleiterbauelement (T1), das Folgendes aufweist: eine Leistungshalbleiterkomponente, die in einem Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements (T1) integriert ist; einen Widerstand (RGE), der thermisch an die Leistungshalbleiterkomponente gekoppelt und in dem Halbleiterkörper direkt zwischen einem Steueranschluss (G) und einem Lastanschluss (E) der Leistungshalbleiterkomponente integriert ist; und Mittel zum Auswerten eines Stromes durch den Widerstand (RGE) und/oder eines Spannungsabfalls über dem Widerstand (RGE), um ein davon abhängiges Temperatursignal zu erzeugen, wobei die Mittel dazu ausgebildet sind, den Strom durch den Widerstand (RGE) und/oder den Spannungsabfall über dem Widerstand (RGE) über den Steueranschluss (G) und den Lastanschluss (E) der Leistungshalbleiterkomponente auszuwerten.
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