DE102014109475A1 - Elektronische schaltung mit einem rückwärts leitenden igbt und einer gate-ansteuerschaltung - Google Patents

Elektronische schaltung mit einem rückwärts leitenden igbt und einer gate-ansteuerschaltung Download PDF

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Abstract

Eine elektronische Schaltung (700) umfasst einen rückwärtsleitenden IGBT (600) und eine Treiberschaltung (500). Ein erster Diodenemitterwirkungsgrad des rückwärtsleitenden IGBTs (600) bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung weicht von einem zweiten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung ab. Ein Treiberanschluss (Gout) der Treiberschaltung (500) ist elektrisch mit einem Gateanschluss (G) des rückwärts leitenden IGBTs (600) verbunden. In einem ersten Zustand legt die Treiberschaltung (500) eine Ein-Zustand-Gatespannung an den Treiberanschluss (Gout). In einem zweiten Zustand liefert die Treiberschaltung die erste Aus-Zustand-Gatespannung und in einem dritten Zustand liefert die Treiberschaltung (500) die zweite Aus-Zustand-Gatespannung an den Treiberanschluss (Gout). Der rückwärtsleitende IGBT (600) kann in zwei verschiedenen Betriebsarten oder Moden derart betrieben werden, dass beispielsweise Gesamtverluste reduziert sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • IGBTs (Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) schalten typischerweise induktive Lasten, wie beispielsweise Motorwicklungen. In einem Ein-Zustand erzeugt ein durch die Spule bzw. den Induktor fließender Strom ein Magnetfeld. Wenn der Strom ausgeschaltet wird, erzeugt die in der Spule gespeicherte Magnetfeldenergie einen Hochspannungsabfall über der Spule, wobei die Polarität der erzeugten Spannung entgegengesetzt zu der Polarität eines Spannungsabfalls in dem Ein-Zustand ist. Eine Rücklauf- oder Freilaufdiode, die parallel zu dem Schalter oder der Spule angeordnet ist und die in dem Ein-Zustand überbrückt oder rückwärts vorgespannt ist, schließt die Spule oder den Schalter in dem Aus-Zustand kurz und fördert einen Strom, bis die in der Spule gespeicherte Magnetfeldenergie verbraucht ist. Rückwärts leitende IGBTs integrieren monolithisch einen IGBT, der als ein elektronischer Schalter wirksam ist, und eine Freilaufdiode parallel zu dem Schalter. Es ist wünschenswert, elektronische Schaltungen zu verbessern, die rückwärts leitende IGBTs umfassen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Schaltung, eine Halbbrückenschaltung, einen IGBT-Modul eine Gateansteuerschaltung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines rückwärts leitenden IGBTs anzugeben, die jeweils den obigen Forderungen genügen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Halbbrückenschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 bzw. einen IGBT-Modul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 bzw. eine Gateansteuerschaltung bzw. Gatetreiberschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine elektronische Schaltung einen rückwärts leitenden IGBT und eine Ansteuer- bzw. Treiberschaltung. Ein erster Diodenemitterwirkungsgrad des rückwärts leitenden IGBTs bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung weicht von einem zweiten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung ab. Ein Treiberanschluss der Treiberschaltung ist elektrisch mit einem Gateanschluss des rückwärts leitenden IGBTs verbunden. In einen ersten Zustand speist die Treiberschaltung eine Ein-Zustand-Gatespannung an den Treiberanschluss. In einem zweiten Zustand speist die Treiberschaltung die erste Aus-Zustand-Gatespannung zu dem Treiberanschluss. In einem dritten Zustand speist die Treiberschaltung die zweite Aus-Zustand-Gatespannung zu dem Treiberanschluss.
  • Ein Beispiel einer Halbbrückenschaltung umfasst einen ersten und einen zweiten rückwärts leitenden IGBT und eine erste und eine zweite Treiberschaltung. Ein erster Diodenemitterwirkungsgrad von jedem der rückwärts leitenden IGBTs bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung weicht von einem zweiten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung ab. Ein Treiberanschluss von jeder der Treiberschaltungen ist elektrisch mit einem Gateanschluss eines entsprechenden IGBTs der rückwärts leitenden IGBTs gekoppelt. Jede der Treiberschaltungen liefert an dem Treiberanschluss eine Ein-Zustand-Gatespannung in einem ersten Zustand der Treiberschaltung, die erste Aus-Zustand-Gatespannung in einem zweiten Zustand und die zweite Aus-Zustand-Gatespannung in einem dritten Zustand.
  • Ein beispielhafter IGBT-Modul umfasst wenigstens einen ersten und einen zweiten rückwärts leitenden IGBT und wenigstens eine erste und eine zweite Treiberschaltung. Für jeden rückwärts leitenden IGBTs weicht ein erster Diodenemitterwirkungsgrad bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung von einem zweiten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung ab. Ein Treiberanschluss von jeder der Treiberschaltungen ist elektrisch gekoppelt zu einem Gateanschluss eines entsprechenden IGBTs der rückwärts leitenden IGBTs. Jede der Treiberschaltungen liefert an den Treiberanschluss eine Ein-Zustand-Gatespannung in einem ersten Zustand der Treiberschaltung, die erste Aus-Zustand-Gatespannung in einem zweiten Zustand und die zweite Aus-Zustand-Gatespannung in einem dritten Zustand.
  • Eine Gatetreiberschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst eine Treiberschaltung, die gestaltet ist, um ein Gatesignal für einen IGBT anzusteuern. Die Treiberschaltung umfasst einen Treiberanschluss, wobei die Treiberschaltung an dem Treiberanschluss eine Ein-Zustand-Gatespannung in einem ersten Zustand, eine erste Aus-Zustand-Gatespannung in einem zweiten Zustand und eine zweite, verschiedene Aus-Zustand-Gatespannung in einem dritten Zustand liefert. Eine Steuerschaltung ist elektrisch mit der Treiberschaltung gekoppelt und steuert die Treiberschaltung, um zwischen den zweiten und dritten Zuständen zu wechseln.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines rückwärts leitenden IGBTs. In einem ersten Zustand ist eine Ein-Zustand-Gatespannung zu einem Gateanschluss des rückwärts leitenden IGBTs gespeist. In einem zweiten Zustand ist eine erste Aus-Zustand-Gatespannung zu dem Gateanschluss des rückwärts leitenden IGBTs gespeist. In einem dritten Zustand ist eine zweite Aus-Zustand-Gatespannung zu dem Gateanschluss des rückwärts leitenden IGBTs gespeist. Der rückwärts leitende IGBT hat einen ersten Diodenemitterwirkungsgrad bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung und einen zweiten, verschiedenen Diodenemitterwirkungsgrad bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die beigefügten Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in der Offenbarung der Erfindung enthalten und bilden einen Teil von dieser. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
  • 1A ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer elektronischen Schaltung, die einen rückwärts leitenden IGBT und eine Gatetreiberschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst.
  • 1B ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer Gatetreiberschaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
  • 1C ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer Halbbrückenschaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
  • 1D ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm eines IGBT-Moduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 2 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen des Effekts einer Veränderung der Aus-Zustand-Gatespannung.
  • 3A ist eine Schnittdarstellung eines Teiles eines rückwärts leitenden IGBT vom Graben- bzw. Trenchtyp gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • 3B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines rückwärts leitenden IGBTs vom Trenchtyp gemäß einem Ausführungsbeispiel, das Feldbereiche liefert.
  • 4A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines rückwärts leitenden IGBTs vom Trenchtyp gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Zwischenflächenschicht liefert.
  • 4B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines rückwärts leitenden IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel, das floatende bzw. potentialfreie Abschlusszonen liefert.
  • 5A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles eines rückwärts leitenden IGBTs gemäß einem Ausführungsbeispiel, das Kontakttrenches und eine Zwischenflächenschicht vorsieht.
  • 5B ist eine schematische Schnittdarstellung des Teiles des rückwärts leitenden IGBTs von 5A längs einer Linie B-B.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Änderungen einschließt. Die Beispiele sind mittels einer spezifischen Sprache beschrieben, die nicht als den Bereich der beigefügten Patentansprüche begrenzend aufgefasst werden sollte. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich für Veranschaulichungszwecke. Zur Klarheit sind die gleichen Elemente mit entsprechenden Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, und diese Begriffe geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sind so zu verstehen, dass sie den Plural sowie den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Begriff "elektrisch verbunden" beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einem direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Begriff "elektrisch gekoppelt" schließt ein, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung gestaltet sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Widerstände, resistive Elemente oder Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige elektrische Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die Figuren veranschaulichen relative Dotierungskonzentratio nen durch Angabe von "–" oder "+" nächst zu dem Dotierungstyp "n" oder "p". Beispielsweise bedeutet "n–" eine Dotierungskonzentration, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration eines "n"-Dotierungsbereichs, während ein "n+"-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration als ein "n"-Dotierungsbereich hat. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene "n"-Dotierungsbereiche die gleiche oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben.
  • 1A zeigt eine elektronische Schaltung 700, die einen RC-IGBT (rückwärts leitender IGBT) 600 und eine Gatetreiberschaltung 500 mit einer Treiberschaltung 520 umfasst. Der RC-IGBT 600 integriert monolithisch einen IGBT 610 und eine Freilaufdiode 620. Ein Treiberanschluss Gout der Treiberschaltung 520 ist elektrisch mit einem Gateanschluss G des RC-IGBTs 600 gekoppelt. Eine erste Spannung VP liegt an einem ersten Spannungsanschluss V1, und eine zweite Spannung VN liegt an einem zweiten Spannungsanschluss V2 der Treiberschaltung 520. Die ersten und zweiten Spannungen VN, VP können bezüglich eines Potentials definiert werden, das an einem Spannungsreferenzanschluss Ref anliegt, der elektrisch mit dem Emitteranschluss E des RC-IGBTs 600 verbunden sein kann.
  • Die elektrische Schaltung 700 kann als Eintakt-Treiberschaltung für eine induktive Last 900 wirksam sein, die elektrisch mit einem Kollektoranschluss des RC-IGBTs 600 gekoppelt ist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen ist die elektrische Schaltung mit dem RC-IGBT 600 und der Treiberschaltung 520 Teil einer Halbbrückenschaltung. Die induktive Last 900 kann beispielsweise eine Motorwicklung, eine induktive Kochplatte oder eine Transformatorwicklung in einer Schaltmodus-Stromversorgung sein.
  • In einem ersten Zustand legt die Treiberschaltung 520 eine Ein-Zustand-Gatespannung, die von der ersten Spannung VP abgeleitet ist, an den Treiberanschluss Gout. In einem zweiten Zustand legt die Treiberschaltung 520 eine erste Aus-Zustand-Gatespannung, die von der zweiten Spannung VN abgeleitet ist, an den Treiberanschluss Gout an. In einem dritten Zustand legt die Treiberschaltung 500 eine zweite Aus-Zustand-Gatespannung an den Treiberanschluss Gout an. Die zweite Aus-Zustand-Gatespannung weicht von der Ein-Zustand-Gatespannung und der ersten Aus-Zustand-Gatespannung ab.
  • Die Gatetreiberschaltung 500 leitet die zweite Aus-Zustand-Gatespannung von einer dritten Spannung VQ ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugt eine Spannungsregulatorschaltung 530 die dritte Spannung VQ von den ersten und zweiten Spannungen VP, VN. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Gatetreiberschaltung 500 einen dritten Spannungsanschluss V3 aufweisen, an dem die dritte Spannung VQ angelegt werden kann.
  • Eine Steuerschaltung 510 kann die Treiberschaltung 520 steuern, um ein Gatesignal an dem Treiberanschluss Gout zwischen der Ein-Zustand- und einer der Aus-Zustand-Gatespannungen zu kippen. Die Steuerschaltung 510 kann einen Frequenzgenerator umfassen, beispielsweise einen Impulsbreitenmodulator, der gestaltet ist, um die Frequenz, bei der das Gatesignal kippt, und/oder eine Impulslänge des Gatesignalimpulses zu steuern.
  • Die Steuerschaltung 510 kann gestaltet sein, um Entsättigungsimpuls im Gatesignal vorzusehen, wobei der Entsättigungsimpuls den IGBT für eine Zeitdauer einschaltet, die im Vergleich mit der regelmäßigen Schaltperiode kurz ist. Beispielsweise kann der Betriebsmodus von Halbbrückenschaltungen einen Entsättigungszyklus umfassen, während dem ein Entsättigungsimpuls an einem der blockierenden IGBTs anliegt, bevor der andere IGBT eingeschaltet wird. Der Ein-Zustand reduziert die Anzahl von mobilen Ladungsträgern in einer Driftzone des IGBTs derart, dass Schaltverluste reduziert werden können.
  • Durch einen Sensoranschluss Sns kann die Steuerschaltung 510 ein Sensorsignal empfangen, das für einen Strom durch die induktive Last 900 kennzeichnend ist, und sie kann die Frequenz und die Impulsbreite eines Gatesignals abhängig von dem Sensorsignal gemäß einer Anwendungsspezifikation steuern. Durch einen ersten Steueranschluss Cnt1 kann die Steuerschaltung 150 ein erstes Steuersignal empfangen und den Frequenzgenerator abhängig von dem ersten Steuersignal gemäß der Anwendungsspezifikation steuern, freigeben/sperren und/oder starten/stoppen.
  • Durch einen zweiten Steueranschluss Cnt2 kann die Steuerschaltung 510 ein zweites Steuersignal empfangen und einen Betriebsmodus bezüglich der Verwendung der ersten und der zweiten Aus-Zustand-Gatespannungen abhängig von dem zweiten Steuersignal gemäß der Anwendungsspezifikation auswählen oder eine der Aus-Zustand-Spannungen freigeben/sperren. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen wählt die Steuerschaltung 510 die Aus-Zustand-Gatespannung gemäß einem vorbestimmten Schema abhängig von internen Signalen oder Zuständen aus, beispielsweise einer gerade angelegten Schaltfrequenz oder einem Betriebsmodus, wie beispielsweise einem Generatormodus/Motormodus, oder der Frequenz einer Wechselspannung, die durch eine Schaltenergieversorgungsschaltung erzeugt ist, die auf der elektrischen Schaltung 700 beruht.
  • Jede Schaltung aus der Treiberschaltung 520, der Steuerschaltung 510 und der Spannungsregulatorschaltung 530 kann mittels diskreten elektronischen Elementen ausgeführt oder monolithisch integriert sein. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Treiberschaltung 520 und die Steuerschaltung 510 monolithisch auf dem gleichen Halbleiterchip bzw. der gleichen Halbleiterdie mit oder ohne der Spannungsregulatorschaltung 530 integriert.
  • Bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung hat die integrierte Freilaufdiode des RC-IGBTs 600 einen ersten Diodenemitterwirkungsgrad. Bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung hat die integrierte Freilaufdiode einen zweiten Diodenemitterwirkungsgrad, der von dem ersten Diodenemitterwirkungsgrad abweicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Emitterwirkungsgrad wenigstens 5 %.
  • Beispielsweise sind die ersten und zweiten Aus-Zustand-Gatespannungen beide über einer Schwellenspannung, bei welcher eine Inversionsschicht in der Driftzone des RC-IGBTs 600 gebildet wird, und die verschiedenen Emitterwirkungsgrade resultieren aus verschiedenen Abmessungen der Inversionsschichten.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine der ersten und zweiten Aus-Zustand-Gatespannungen über und die andere dieser Spannungen unter der Schwellenspannung, bei welcher eine Inversionsschicht in einer Driftzone des RC-IBGTs 600 gebildet wird. Die Schwellenspannung kann in dem Bereich von 0,1 V bis –10 V sein. Beispielsweise können die ersten und zweiten Aus-Zustand-Gatespannungen um wenigstens 0,5 V abweichen bzw. verschieden sein. In der folgenden Beschreibung von Effekten der Ausführungsbeispiele wird Bezug genommen auf einen n-Kanal-RC-IGBTs. Ähnliche Überlegungen gelten ebenso für p-Kanal-RC-IGBTs.
  • Während die Gatetreiberanschlüsse von herkömmlichen Gatetreiberschaltungen für n-Kanal-RC-IGBTs zwischen einer positiven Ein-Zustand-Gatespannung, bei welcher der RC-IGBT in dem Ein-Zustand ist, beispielsweise +15 V und einer einzigen Aus-Zustand-Gatespannung, bei welcher der IGBT in dem Aus-Zustand ist, beispielsweise –10 V, kippen, sieht die elektrische Schaltung 700 zwei verschiedene Aus-Zustand-Gatespannungen vor, wobei lediglich bei einer der Aus-Zustand-Gatespannungen, beispielsweise bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung, eine Inversionsschicht, die ein p-Kanal für n-Typ-RC-IGBTs ist, in einer Driftzone des RC-IGBT 600 gebildet wird. Bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung wird keine Inversionsschicht oder eine Inversionsschicht, die kleinere Abmessungen als die Inversionsschicht bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung hat, in der Driftzone des RC-IGBTs 600 gebildet.
  • Für n-Kanal-RC-IGBTs steigert die p-Typ-Inversionsschicht in der Driftzone beobachtbar den Diodenlochemitterwirkungsgrad um wenigstens 5 %. Mehr bewegliche Ladungsträger fluten die Driftzone des RC-IGBTs 600 derart, dass der Durchlass- bzw. Vorwärtswiderstand der monolithisch integrierten Diode 620 niedrig ist. Da die beweglichen Ladungsträger, die die Driftzone geflutet haben, jedes Mal entladen werden müssen, sobald die Diode 620 rückwärts vorgespannt ist, sind Schaltverluste vergleichsweise hoch.
  • Bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung wird überhaupt keine Inversionsschicht oder eine kleinere, beispielsweise dünnere Inversionsschicht in der Driftzone gebildet. Als eine Folge ist der Diodenlochemitterwirkungsgrad niedrig und weniger mobile Ladungsträger fluten die Driftzone. Mit weniger Ladungsträgern ist der Vorwärts- bzw. Durchlasswiderstand der Diode 620 höher und die Schaltverluste sind niedriger als im Fall der ersten Aus-Zustand-Gatespannung.
  • Da der IGBT 610 in dem Aus-Zustand für beide Aus-Zustand-Gatespannungen ist, ist die elektronische Schaltung 700 gestaltet, um sicher zwischen den ersten und zweiten Aus-Zustand-Gatespannungen während eines Betriebes zu schalten.
  • Die elektronische Schaltung 700 erlaubt ein Zuschneiden der Vorrichtungsparameter der Freilaufdiode des RC-IGBT 600 gemäß den Anforderungen einer bestimmten Anwendung. Die zwei Aus-Zustand-Gatespannungen können mit einem Entsättigungsimpuls kombiniert werden. Der RC-IGBT 600 kann in verschiedenen Betriebsmoden bzw. Betriebsarten betrieben werden, und die Gatetreiberschaltung 500 kann zwischen zwei oder mehr Betriebsmoden während eines Betriebes schalten.
  • In einem ersten Betriebsmodus, der beispielsweise für ein Schalten von Frequenzen unter einer Schwellenfrequenz angepasst sein kann, kippt das zu dem Gateanschluss G des RC-IGBT 600 gespeiste Gatesignal zwischen der Ein-Zustand-Spannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs und der ersten Aus-Zustand-Gatespannung, beispielsweise –15 V für n-Kanal-IGBTs, was einen hohen Diodenemitterwirkungsgrad ohne Anwenden von Entsättigungsimpulsen bedingt. Die Ein-Zustand-Verluste sind niedrig auf Kosten von vergleichsweise hohen Schaltverlusten je Zyklus, deren Summe bei niedrigen Schaltfrequenzen von geringerer Bedeutung sein kann. Die Schwellenfrequenz kann von der Gestaltung bzw. dem Layout und weiteren Parametern des RC-IGBTs 600 abhängen, wie beispielsweise der Durchbruchspannung oder einer Spannungsklasse, für die der RC-IGBT 600 spezifiziert ist. Für beispielsweise 6,5 kV RC-IGBTs kann die Schwellenspannung etwa 100 Hz betragen.
  • In einem zweiten Betriebsmodus, der beispielsweise für ein Schalten von Frequenzen über der Schwellenfrequenz gestaltet sein kann, kippt das Gatesignal zwischen der Ein-Zustand-Spannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs und der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung, beispielsweise 0 V für n-Kanal-IGBTs, was einen niedrigen Diodenemitterwirkungsgrad bedingt. Die Schaltverluste sind niedrig auf Kosten der vergleichsweise hohen Ein-Zustand-Verluste, was bei hohen Schaltfrequenzen von geringerer Bedeutung sein kann. Der Entsättigungsimpuls kann eingespart werden, und daher wird ein gutes dynamisches Verhalten beibehalten. Das Risiko eines Phasenkurzschlusses in einer Halb- oder Vollbrückenumgebung wird vermieden.
  • In einem dritten Betriebsmodus kippt das zu dem Gateanschluss G des RC-IGBTs 600 gespeiste Gatesignal zwischen der Ein-Zustand-Spannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs, und der ersten Aus-Zustand-Gatespannung, beispielsweise –15 V für n-Kanal-IGBTs, und umfasst Entsättigungsimpulse bei der Ein-Zustand-Gatespannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs, was den n-Kanal in einer Bodyzone des RC-IGBTs 600 öffnet. Die Ein-Zustand-Verluste und die Schaltverluste sind beide auf Kosten eines gewissen Verlustes an Dynamik und eines gewissen Risikos von Phasenkurzschlüssen bei einigen Anwendungen niedrig.
  • In einem vierten Betriebsmodus kippt das zu dem Gateanschluss G des RC-IGBTs 600 gespeiste Gatesignal zwischen der Ein-Zustand-Spannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs, und der ersten Aus-Zustand-Gatespannung, beispielsweise –15 V für n-Kanal-IGBTs, und umfasst Entsättigungsimpulse bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung, beispielsweise 0 V für n-Kanal-IGBTs, was den p-Kanal in der Driftzone schließt. Die Ein-Zustand-Verluste und die Schaltverluste sind beide auf Kosten eines gewissen Verlustes an Dynamik niedrig. Da während der Entsättigungsimpulse der RC-IGBT 600 in dem Aus-Zustand verbleibt, vermeidet der vierte Betriebsmodus das Risiko eines Phasenkurzschlusses in einigen Anwendungen auf Kosten eines möglicherweise weniger effektiven Entsättigungszyklus.
  • In einem fünften Betriebsmodus kippt das zu dem Gateanschluss G des RC-IGBT 600 gespeiste Gatesignal zwischen der Ein-Zustand-Spannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs, und der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung, beispielsweise 0 V für n-Kanal-IGBTs, und umfasst Entsättigungsimpulse bei der Ein-Zustand-Gatespannung, beispielsweise +15 V für n-Kanal-IGBTs, was den n-Kanal in der Bodyzone öffnet. Schaltverluste sind sehr niedrig auf Kosten von Ein-Zustand-Verlusten, eines gewissen Verlustes an Dynamik und eines gewissen Risikos von Phasenkurzschlüssen in einigen Anwendungen.
  • 2 zeigt ein Beispiel des Vorwärts- bzw. Durchlassstromes IF der Diode 620 als eine Funktion der Rückwärtsspannung VF und der Gatespannung VG für einen n-Kanal-RC-IGBT, der eine n-Typ-Driftzone und eine p-Typ-Bodyzone, verbunden mit einer Emitterelektrode, hat. Bei VG = 0 V tragen lediglich die mit der Emitterelektrode verbundenen p-Typ-Zonen zu dem Diodenlochemitterwirkungsgrad bei. Für VG = –15 V trägt wenigstens eine p-Typ-Inversionsschicht in der n-Typ-Driftzone zusätzlich zu dem Diodenlochemitterwirkungsgrad bei. Zusätzlich kann die Inversionsschicht floatende bzw. potentialfreie p-dotierte Zonen durch nicht-floatende p-dotierte Zonen mit der Emitterelektrode verbinden, um weiter den Diodenlochemitterwirkungsgrad zu steigern. Bei einem gegebenen Vorwärtsstrom IF kann eine ausreichend negative Aus-Zustand-Gatespannung die Vorwärtsspannung VF um mehr als 10 % reduzieren.
  • 1B bezieht sich auf eine Gatetreiberschaltung 500, die monolithisch die Treiberschaltung 520 und die Steuerschaltung 510 in dem gleichen Halbleiterchip bzw. der gleichen Halbleiterdie integriert. Die Treiberschaltung 520 kann eine Gegentakttreiberstufe mit einem Hochseitenschalter 521 und zwei parallelen Niederseitenschaltern 522a, 522b umfassen. Der Hochseitenschalter 521 kann ein n-Kanal-IGFET (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate) sein und kann zwischen dem ersten Spannungsanschluss V1 und dem Treiberanschluss Gout verbunden sein. Der erste Niederseitenschalter 522a kann ein p-Kanal-IGFET sein, der elektrisch zwischen dem zweiten Spannungsanschluss V2 und dem Treiberanschluss Gout angeschlossen ist. Der zweite Niederseitenschalter 522b kann ein p-Kanal-IGFET sein, der elektrisch zwischen einem dritten Spannungsanschluss V3 und dem Treiberanschluss Gout angeschlossen ist. In der dargestellten Schaltung steuert ein erster Treiber 531 den Hochseitenschalter 521, ein zweiter Treiber 532a steuert den ersten Niederseitenschalter 522a und ein dritter Treiber 532b steuert den zweiten Niederseitenschalter 522b. Die an den Spannungsanschlüssen V1, V2, V3 anliegende Spannung kann auf eine Spannung bezogen sein, die an einem Spannungsreferenzanschluss Ref anliegt.
  • Die Steuerschaltung 510 steuert die Treiber 531, 532, 533 derart, dass ein Gatesignal, das an dem Treiberanschluss Gout ausgegeben ist, entweder zwischen einer Spannung, die von einer ersten Spannung abgeleitet ist, die an dem ersten Spannungsanschluss V1 anliegt, und einer Spannung, die von einer zweiten Spannung abgeleitet ist, die an dem zweiten Spannungsanschluss V2 anliegt, oder zwischen der Spannung, die von der ersten Spannung abgeleitet ist, und einer Spannung, die von einer dritten Spannung abgeleitet ist, die an dem dritten Spannungsanschluss V3 anliegt, kippt. Die Steuerschaltung 510 kann die zweiten und dritten Treiber 532a, 532b derart steuern, dass während einer Phase, bei der der Hochseitenschalter 521 ausgeschaltet ist, der Gatesignalpegel von der Spannung, die von der zweiten Spannung abgeleitet ist, zu der Spannung, die von der dritten Spannung abgeleitet ist, sich ändert oder umgekehrt.
  • Ein erstes Steuersignal, das an dem ersten Steueranschluss Cnt1 anliegt, kann das Kippen oder Modifizieren der Kippfrequenz starten/stoppen. Ein zweites Steuersignal, das an dem zweiten Steueranschluss Cnt2 anliegt, kann verwendet werden, um eine der Aus-Zustand-Gatespannungen durch die Niederseitenschalter 522a, 522b auszuwählen. Andere Ausführungsbeispiele können einen einzigen Steueranschluss vorsehen, der die Funktionen der ersten und zweiten Steueranschlüsse Cnt1, Cnt2 kombiniert.
  • Ein Sensoranschluss Sns kann verwendet werden, um ein Stromsensorsignal zum Steuern der Kippfrequenz und/oder Impulsbreite rückzukoppeln. Alternativ oder zusätzlich zu dem dritten Spannungsanschluss V3 kann die Gatetreiberschaltung 500 eine Spannungsregulatorschaltung aufweisen, um die dritte Spannung von den ersten und zweiten Spannungen abzuleiten.
  • 1C zeigt die Anwendung der elektronischen Schaltung 700 von 1A in einer Halbbrückenschaltung 702, die als ein Teil einer Vollbrückenschaltung wirksam sein kann, die die Halbbrückenschaltung 702 und weitere IGBTs 603x, 604x aufweist. Die induktive Last 900 kann eine Motorwicklung, eine induktive Kochplatte oder eine Transformatorwicklung in einer Schaltmodus-Stromversorgung als Beispiel sein. Die Halbbrückenschaltung 702 umfasst einen ersten RC-IGBT 601 und einen zweiten RC-IGBT 602, die in Reihe angeordnet sind, wobei einer der Anschlüsse der induktiven Last 900 mit einem Emitteranschluss des ersten RC-IGBT 602 und mit einem Kollektoranschluss des zweiten RC-IGBT 602 verbunden ist und der andere Anschluss der induktiven Last mit einem Emitteranschluss eines dritten RC-IGBT 603x und mit einem Kollektoranschluss eines vierten RC-IGBT 604x verbunden ist.
  • Die Gatetreiberschaltung 500 umfasst zwei Treiberschaltungen 520a, 520b. Jede der Treiberschaltungen 520a, 520b kann im Wesentlichen der Treiberschaltung 520 der 1A und 1B entsprechen. Die Treiberschaltungen 520a, 520b können getrennte Spannungsversorgungssysteme V11, V21, Ref1 und V12, V22, Ref2 aufweisen, um die Treiberschaltungen 520a, 520b der RC-IGBTs 601, 602 getrennt zu versorgen. Die Versorgungsspannungssysteme sind isoliert voneinander, um eine DC- bzw. Gleichstromverkettungsspannung bzw. -verbindungsspannung auszuhalten. Die erste Treiberschaltung 520a gibt ein erstes Gatesignal durch den ersten Treiberanschluss Gout1 aus, und die zweite Treiberschaltung 520b gibt ein zweites Gatesignal an den zweiten Treiberanschluss Gout2 aus. Die ersten und zweiten Treiberanschlüsse Gout1, Gout2 sind elektrisch mit den Gateanschlüssen G der RC-IGBTs 601, 602 gekoppelt.
  • Die Steuerschaltung 510 steuert die zwei Gatesignale derart, dass während regulärer Schaltzyklen die ersten und zweiten RC-IGBTs 601, 601 abwechselnd in dem Ein-Zustand sind. Während Entsättigungszyklen kann die Steuerschaltung 510 auch Entsättigungsimpulse anlegen, bevor einer der RC-IGBTs 601, 602 in den Ein-Zustand geschaltet wird. Eine weitere Gatetreiberschaltung kann die dritten und die vierten RC-IGBTs 603x, 604x steuern, um eine Vollbrückentreiberschaltung zu betreiben.
  • In 1D ist die elektronische Schaltung 702 von 1A in einem IGBT-Modul 704 integriert, der drei Halbbrücken aufweist, um einen Motor M mit drei Wicklungen W1, W2, W3 anzusteuern. Jede der Wicklungen W1, W2, W3 ist zwischen einem Sternknoten der Motorwicklungen W1, W2, W3 und einem Knoten zwischen zwei RC-IGBTs 600 von jeweils einer der Halbbrücken verbunden. Die Gatetreiberschaltung 500 umfasst die Steuer- und Treiberschaltungen 510_1 ... 510_6, 520_1 ... 520_6 für drei Halbbrücken, wobei jede der Steuer- und Treiberschaltungen 510_1 ... 510_6, 520_1 ... 520_6 einem entsprechenden einzelnen IGBT der RC-IGBTs 600 zugewiesen ist.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele einer integrierten Schaltung, einer Halbbrückenschaltung und eines IGBT-Moduls können einen beliebigen Typ eines RC-IGBT 600 vorsehen, vorausgesetzt, dass ein Diodenemitterwirkungsgrad bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung beträchtlich von dem Diodenemitterwirkungsgrad bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung beispielsweise um nicht weniger als 5 % abweicht.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der RC-IGBT 600 floatende Fremdstoffzonen, die mit nicht-floatenden Fremdstoffzonen verbunden sind, falls die erste Aus-Zustand-Spannung anliegt, und die nicht mit den nicht-floatenden Fremdstoffzonen verbunden sind, wenn die zweite Aus-Zustand-Spannung anliegt.
  • Die folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf n-Kanal-IGBTs. Prinzipien und Überlegungen, die für die n-Kanal-IGBTs angestellt sind, gelten ebenso für p-Kanal-IGBTs.
  • 3A bezieht sich auf einen RC-IGBT 600 mit einem Halbleiterteil 100, der eine erste Oberfläche 101 und eine zweite Oberfläche 102 parallel zu der ersten Oberfläche 101 hat. Der Halbleiterteil 100 ist aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium Si, Siliziumkarbid SiC, Germanium Ge, einem Silizium-Germanium-Kristall SiGe, Galliumnitrid GaN oder Galliumarsenid GaAs vorgesehen. Ein Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 ist eine Funktion der Durchbruchspannung, für die der RC-IGBT 600 spezifiziert ist, und beträgt wenigstens 30 μm, beispielsweise wenigstens 175 μm und kann einige 100 μm erreichen. Der Halbleiterteil 100 kann eine rechteckförmige Gestalt mit einer Randlänge in dem Bereich von einigen Millimetern haben. Die Normale zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 definiert eine vertikale Richtung, und Richtungen orthogonal zu der Normalrichtung sind laterale Richtungen.
  • Eine Kollektorschicht 130 des Halbleiterteiles 100 grenzt direkt an die zweite Oberfläche 102 an. Die Kollektorschicht 130 umfasst erste Teile 130a vom p-Typ und zweite Teile 130b vom n-Typ, die sich in einer lateralen Richtung oder in beiden lateralen Richtungen abwechseln können. Beide ersten und zweiten Teile 130a, 130b sind vergleichsweise stark dotiert. Beispielsweise können die mittleren Nettofremdstoffkonzentratio nen höher als 5 × 1017 cm–3 sein.
  • Eine halbleitende Schicht 120 bildet eine Zwischenfläche mit der Kollektorschicht 130, wobei die Zwischenfläche parallel zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 ist. In der halbleitenden Schicht 120 kann eine n-Typ-Feldstoppschicht 128 direkt an die Kollektorschicht 130 angrenzen. Die mittlere Nettofremdstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 ist niedriger als in den zweiten Teilen 130b der Kollektorschicht 130. Beispielsweise beträgt die mittlere Nettofremdstoffkonzentration in den zweiten Teilen 130b der Kollektorschicht 130 wenigstens das 5-fache der mittleren Nettofremdstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt die mittlere Nettofremdstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 zwischen 1 × 1016 cm–3 und 1 × 1017 cm–3.
  • Die halbleitende Schicht 120 umfasst eine n-Typ-Driftzone 121, wobei die mittlere Nettofremdstoffkonzentration in der Driftzone 121 niedriger ist als in der Feldstoppschicht 128, beispielsweise höchstens ein Zehntel der mittlere Nettofremdstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt die mittlere Nettofremdstoffkonzent ration in der Driftzone 128 zwischen 5 × 1012 cm–3 und 5 × 1014 cm–3.
  • Vergrabene Elektrodenstrukturen 210 erstrecken sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100. Dielektrische Auskleidungen 205 trennen die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 von dem Halbleitermaterial des Halbleiterteiles 100. Die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 können parallele Streifen sein, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können die lateralen Schnittgebiete der vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 Kreise, Ellipsoide, Ovale oder Rechtecke, beispielsweise Quadrate, mit oder ohne gerundete Ecken oder Ringe sein. Beispielsweise können zwei oder drei vergrabene Elektrodenstrukturen 210 eine Anordnung mit zwei oder drei konzentrischen Ringen bilden, wobei die Ringe Kreise, Ellipsoide, Ovale oder Rechtecke, beispielsweise Quadrate mit gerundeten Ecken sein können.
  • Zwischen zwei benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 oder innerhalb ringförmigen vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 können IGBT-Bereiche 410a, Diodenbereiche 410b und Abstandshalter- bzw. Spacerbereiche 420 in dem Halbleiterteil 100 gebildet sein. Jeder Abstandshalterbereich 420 kann zwei benachbarte IGBT-Bereiche 410a, zwei benachbarte Diodenbereiche 410b trennen oder kann zwischen einem IGBT-Bereich 410a und einem Diodenbereich 410b gebildet sein.
  • In jedem Diodenbereich 410b erstreckt sich eine p-Typ-Anodenzone 116 zwischen zwei benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 oder innerhalb einer ringförmigen vergrabenen Elektrodenstruktur 210 von der ersten Oberfläche 101 in die halbleitende Schicht 120. Die Anodenzonen 116 bilden pn-Übergänge mit der n-Typ-Driftzone 121 und können mit den zweiten Teilen 130b vom n-Typ der Kollektorschicht 130 ausgerichtet bzw. justiert sein. Beispielsweise können die Anodenzonen 116 in einer vertikalen Projektion der zweiten Teile 130b gebildet sein.
  • In jedem IGBT-Bereich 410a ist eine p-Typ-Bodyzone 115 zwischen zwei benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 oder innerhalb einer ringförmigen vergrabenen Elektrodenstruktur 210 in dem Halbleiterteil 100 gebildet und bildet einen pn-Übergang mit der n-Typ-Driftzone 121. Eine Nettofremdstoffkonzentration in den Bodyzonen 115 kann angenähert gleich zu der Nettofremdstoffkonzentration in den Anodenzonen 116 sein. In jedem IGBT-Bereich 410a erstrecken sich n-Typ-Sourcezonen 110 von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100 und bilden pn-Übergänge mit der Bodyzone 115. P-Typ-Kontaktzonen 117 können sich zwischen den Sourcezonen 110 von der ersten Oberfläche 101 in die Bodyzonen 115 erstrecken. Die Nettofremdstoffkonzentration in den Kontaktzonen 117 ist höher als die Nettofremdstoffkonzentration in den Bodyzonen 115. Beispielsweise beträgt die Nettofremdstoffkonzentration in den Kontaktzonen 117 wenigstens das 10-fache der Nettofremdstoffkonzentration in den Bodyzonen 115. Die IGBT-Bereiche 410a können mit den ersten Teilen 130a vom p-Typ der Kollektorschicht 130 ausgerichtet bzw. justiert sein. Beispielsweise können die Bodyzonen 115 in einer vertikalen Projektion der ersten Teile 130a gebildet sein.
  • In jedem Abstandshalterbereich 420 erstreckt sich eine pdotierte floatende Zone 119 zwischen benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 oder innerhalb einer ringförmigen vergrabenen Elektrodenstruktur 210 von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100. Die floatenden Zonen 119 können sich tiefer in den Halbleiterteil 100 als die Body- und Anodenzonen 115, 116 erstrecken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die floatenden Zonen 119 tiefer in den Halbleiterteil als die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210, und die vergrabenen Elektrodenstrukturen erstrecken sich tiefer in den Halbleiterteil 100 als die Bodyzonen 115.
  • Eine Emitterelektrodenstruktur 310 ist auf der ersten Oberfläche 101 vorgesehen und ist elektrisch mit den Anodenzonen 116, den Sourcezonen 110 und den Kontaktzonen 117 verbunden, jedoch elektrisch nicht an die floatenden Zonen 119 angeschlossen. Eine Kollektorelektrodenstruktur 320 grenzt direkt an die zweite Oberfläche 102 an und ist elektrisch mit der Kollektorschicht 130 verbunden.
  • Jede der Emitter- und Kollektorelektrodenstrukturen 310, 320 kann als Hauptbestandteil(e) aus Aluminium Al, Kupfer Cu oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlSi, AlCu oder AlSiCu bestehen oder diese enthalten. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen können eine oder beide der Emitter- und Kollektorelektrodenstrukturen 310, 320 als Hauptbestandteil(e) Nickel Ni, Titan Ti, Wolfram W, Silber Ag, Gold Au, Platin Pt und/oder Palladium Pd enthalten. Beispielsweise umfasst wenigstens eine der Emitter- und Kollektorelektrodenstrukturen 310, 320 zwei oder mehr Unterschichten, wobei jede Unterschicht ein oder mehrere Stoffe aus Ni, Ti, W, Ag, Au, Pt und Pd als Hauptbestandteil(e) enthält, beispielsweise Nitride und/oder Legierungen.
  • Eine Verdrahtungsstruktur 305 kann elektrisch benachbarte vergrabene Elektrodenstrukturen 210 verbinden. Die Verdrahtungsstruktur 305 kann aus einem hochleitenden Halbleitermaterial vorgesehen sein und/oder kann eine oder mehrere Metallschichten enthalten, die jeweils aus einem Metall oder einer Metallverbindung vorgesehen sind. Eine erste dielektrische Struktur 221 trennt elektrisch die Verdrahtungsstruktur 305 von den floatenden Zonen 119. Eine zweite dielektrische Struktur 222 trennt die Verdrahtungsstruktur 305 von der Emitterelektrodenstruktur 310.
  • Vergrabene Elektrodenstrukturen 210, die an die IGBT-Bereiche 410a angrenzen, sind wirksam als Gateelektroden G. Ein Potential, das an der Gateelektrode G anliegt, steuert eine Minoritätsladungsträgerverteilung in einem Kanalteil der Bodyzonen 115 angrenzend an die dielektrische Auskleidung 205 zwischen den Sourcezonen 110 und der Driftzone 101. Wenn die an den Gateelektroden G anliegende Spannung hoch genug ist, werden Inversionsschichten (n-Kanäle) in den Bodyzonen 115 gebildet, und ein Ein-Zustand-Strom bzw. Einschaltstrom fließt zwischen den Sourcezonen 110 und der Kollektorschicht 130.
  • Bei einer Gatespannung von 0 V wird keine Inversionsschicht gebildet. Wenn die an den Gateelektroden G anliegende Spannung negativ ist, werden p-Typ-Inversionsschichten 122 (p-Kanäle) in der Driftzone 121 längs der dielektrischen Auskleidung 205 gebildet. Die p-Kanäle 122 können die p-Typ-Bodyzonen 115 mit den floatenden Zonen 119 vom p-Typ verbinden. Die p-Typ-Inversionsschicht 122 und im letzteren Fall die floatenden Zonen 119 vom p-Typ tragen zum Diodenlochemitterwirkungsgrad bei. Als eine Folge weist der RC-IGBT 600 Werte für den Diodenvorwärtsstrom IF und für die Schaltverluste auf, die merklich verschieden sind für die zwei verschiedenen Aus-Zustand-Gatespannungen. Als eine Folge erlaubt in jeder Schaltung aus der elektronischen Schaltung von 1A, der Halbbrückenschaltung von 1C und dem IGBT-Modul von 1D der RC-IGBT 600 von 3A ein Zuschneiden der Vorrichtungseigenschaften der integrierten Freilaufdiode der RC-IGBTs für merklich verschiedene Anforderungen während eines Betriebes.
  • Der Diodenlochemitterwirkungsgrad ist eine Funktion der Gesamtmenge an p-Typ-Fremdstoffen in den p-dotierten Zonen, die mit der Emitterelektrodenstruktur 310 verbunden sind, und des Kontaktwiderstandes zwischen der Emitterelektrodenstruktur 310 und den p-dotierten Zonen. Zum Erhöhen der Differenz in dem Diodenlochemitterwirkungsgrad zwischen der ersten und der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung reduziert eine erste Maßnahme den Diodenlochemitterwirkungsgrad der Bodyzonen 115 und der Kontaktzonen 117, die zu dem Diodenlochemitterwirkungsgrad in beiden Zuständen beitragen. Eine zweite Maßnahme erhöht die Anzahl von p-Typ-Fremdstoffen, die zu dem Diodenlochemitterwirkungsgrad lediglich in dem zweiten Zustand beitragen. Beide Maßnahmen können kumulativ kombiniert werden.
  • Gemäß der ersten Maßnahme wird die Dotierung der Bodyzonen 115 lokal abgesehen von Stellen in enger Nähe zu denjenigen Kanalteilen der Bodyzonen 115 reduziert, wo die n-Kanäle gebildet werden, und die Abschaltspannung für den RC-IGBT 600 ist durch die Fremdstoffkonzentration in dem Ein-Zustand des RC-IGBTs 600 definiert. Durch Reduzieren der geometrischen Abmessungen der stark dotierten Kontaktzonen 117 wird die Gesamtmenge an p-Typ-Fremdstoffen und als eine Konsequenz der Lochemitterwirkungsgrad reduziert. Andere Ausführungsbeispiel können ein Implantieren von Hilfsfremdstoffen in die Bodyzonen 115 vorsehen, wobei die Hilfsfremdstoffe geeignet sind, die Lebensdauer der mobilen Ladungsträger in den Bodyzonen 115 und den Kontaktzonen 117 zu reduzieren. Die Hilfsfremdstoffe können Protonen, Elektronen oder Platinatome als Beispiel sein.
  • Gemäß der zweiten Maßnahme können sich die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 tiefer in den Halbleiterteil 100 erstrecken, um die Dimensionen der p-Kanäle 122 zu vergrößern.
  • 3B bezieht sich auf einen RC-IGBT 600 in einem Layout bzw. einer Gestaltung, das bzw. die Feldbereiche 410c vorsieht. Die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 sind in einem regelmäßigen Muster von parallelen Streifen angeordnet. In IGBT-Bereichen 410a sind die p-Typ-Bodyzonen 115 zwischen benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 gebildet. In Diodenbereichen 410b erstrecken sich Anodenzonen 116 zwischen benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 von der ersten Oberfläche 101 in die Driftschicht 121 des Halbleiterteiles 100. In Abstandshalterbereichen 420 erstrecken sich die floatenden Zonen 119 vom p-Typ zwischen benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100. Die Bodyzonen 115, die Anodenzonen 116 und die floatenden Zonen 119 können aus dem gleichen Implantationsprozess hervorgehen.
  • Die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 erstrecken sich tiefer in den Halbleiterteil 100 als die Bodyzonen 115, die Anodenzonen 116 und die floatenden Zonen 119. Eine dielektrische Struktur 220 isoliert elektrisch die floatenden Zonen 119 von der Emitterelektrodenstruktur 310, die elektrisch mit den Anodenzonen 116 und über die p-dotierten Kontaktzonen 117 mit den Bodyzonen 115 verbunden ist. Die Anzahl der vergrabenen Gateelektrodenstruktur 210 in jedem Abstandshalterbereich 420 kann zwei, drei oder mehr, beispielsweise wenigstens fünf, betragen.
  • Erste vergrabene Elektrodenstrukturen 210 in den IGBT-Bereichen 410a bilden Gateelektroden G. Zweite vergrabene Elektrodenstrukturen 210 in Feldbereichen 410c zwischen den IGBT-Bereichen 410a und den Abstandshalterbereichen 420 sind unabhängig von einer Spannung, die an dem Gateanschluss G anliegt, gesteuert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel bilden die vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 in den Feldbereichen 410c nicht einen p-Kanal in der Driftschicht 121, wenn p-Kanäle 122 in der Driftschicht 121 bei den Gateelektroden G gebildet werden. Beispielsweise sind die zweiten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 elektrisch mit der Emitterelektrodenstruktur 310 verbunden und bilden Feldelektroden E. Dritte vergrabene Elektrodenstrukturen 210, die von den IGBT-Bereichen beabstandet sind, können elektrisch mit den Gateelektroden G verbunden sein und Hilfselektroden Y bilden, um die p-Kanäle in der Driftzone 121 zu steuern.
  • Wenn die erste Aus-Zustand-Gatespannung anliegt, werden p-Kanäle 122 längs der Gate- und Hilfselektroden G, Y in der Driftzone 121 gebildet. Die p-Kanäle 122 verbinden die floatenden Zonen 119 mit den Anodenzonen 116 derart, dass die floatenden Zonen 119 zu dem Diodenemitterwirkungsgrad beitragen. Wenn eine Spannung anliegt, bei welcher kein p-Kanal in der Driftzone 121 gebildet wird, tragen die floatenden Zonen 119 nicht zu dem Diodenemitterwirkungsgrad bei. Als ein Ergebnis ist die Differenz im Diodenemitterwirkungsgrad zwischen den ersten und zweiten Aus-Zustand-Gout-Spannungen hoch.
  • Das Ausführungsbeispiel von 4A weicht von dem Ausführungsbeispiel von 3A darin ab, dass die erste Elektrodenstruktur 310 eine Zwischenflächenschicht 311 und eine Hauptschicht 312 umfasst. Die Zwischenflächenschicht 311 ist elektrisch mit den Bodyzonen 115 beispielsweise durch die Kontaktzonen 117 verbunden. Die Zwischenflächenschicht 311 ist aus einem Kontaktmaterial vorgesehen, wobei ein Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktmaterial und der Kontaktzone 117 oder der Bodyzone 115 hoch ist derart, dass der Gesamtdiodenemitterwirkungsgrad der Bodyzonen 115 und der Kontaktzonen 117 niedriger als ohne Zwischenflächenschicht 311 ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Kontaktmaterial derart gewählt, dass ein Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktmaterial und dem Halbleiterteil 100 mit abnehmender Fremdstoffkonzentration in dem Halbleiterteil zunimmt. Beispielsweise ist das Kontaktmaterial aus einer Gruppe gewählt, die leitende Titan- und/oder Tantalverbindungen umfasst, beispielsweise Titan-Wolframid, Titannitrid, Tantalnitrid und Tantal. Da der Diodenemitterwirkungsgrad der Bodyzonen 115 und der Kontaktzonen 117 niedrig ist, ist die relative Änderung des Diodenlochemitterwirkungsgrades aufgrund der Bildung von p-Kanälen hoch, und die Unterschiede zwischen den Vorrichtungseigenschaften der Freilaufdiode in den zweiten und den dritten Zuständen sind vergleichsweise hoch.
  • Der RC-IGBT 600 von 4B zieht zusätzlich vergrabene Elektrodenstrukturen 210 in einem Randgebiet 490 des IGBTs 600 vor. Das Randgebiet 490 umgibt ein aktives Gebiet, das die IGBT-Bereiche 410a, die Abstandshalterbereiche 420 und die Diodenbereiche 410b umfasst, in denen in dem Ein-Zustand des IGBTs 600 ein Ein-Zustand-Strom zwischen der Emitterelektrodenstruktur 310 und der Kollektorelektrodenstruktur 320 fließt. Das Randgebiet 490 ist vorgesehen ohne Sourcezonen 115, jedoch mit floatenden p-Typ-Abschlusszonen 118, beispielsweise Schutzringen, die einen weiteren pn-Übergang mit der Driftzone 121 bilden. Die zusätzlichen vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 in dem Randgebiet 490 können elektrisch mit den Gateelektroden G in dem Zellgebiet verbunden sein, um Hilfselektroden Y derart zu bilden, dass dann, wenn die erste Aus-Zustand-Gatespannung an die Gateelektroden G angelegt wird, die floatenden Abschlusszonen 118 vom p-Typ zu dem Diodenlochemitterwirkungsgrad beitragen und eine zweite Freilaufdiodenstruktur D2 parallel zu einer ersten Freilaufdiode D1 innerhalb des aktiven Gebietes bilden.
  • Das Ausführungsbeispiel von 5A sieht Trench- bzw. Grabenkontakte 302 vor, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100 zwischen benachbarten vergrabenen Elektrodenstrukturen 210 oder innerhalb einer ringförmigen, vergrabenen Elektrodenstruktur 210 erstrecken. Die Trenchkontakte 302 können eine Zwischenflächenschicht 311, die direkt an den Halbleiterteil 100 angrenzt und eine Hauptschicht 312 umfassen.
  • Die Trenchkontakte 302 ersetzen einen Teil der stark dotierten Kontaktzonen 117 und reduzieren den Lochemitterwirkungsgrad der floatenden Zonen 115, 117, 116 vom p-Typ. Eine Differenz zwischen den zwei Aus-Zuständen ist vergrößert. Die Zwischenflächenschicht 311 kann aus einem Kontaktmaterial vorgesehen sein, dessen Kontaktwiderstand zu dem Halbleiterteil 100 mit abnehmender Fremdstoffkonzentration in dem Halbleiterteil 100 zunimmt. Beispielsweise ist das Kontaktmaterial aus einer Gruppe gewählt, die TiW, TiN, TaN und Ta umfasst.
  • 5B zeigt einen Schnitt durch den RC-IGBT 600 von 5A parallel zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 durch die Trenchkontakte 302, wie dies durch eine Linie B-B in 5A gezeigt ist. Auf der linken Seite definiert eine erste ringförmige vergrabene Elektrodenstruktur 210 einen IGBT-Bereich 410a. Die Sourcezone 110 kann ringförmig sein und kann den Trenchkontakt 302 auf allen Seiten umgeben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Sourcezone 110 längs lediglich einem der Ränder des jeweiligen Trenchkontaktes 302 gebildet. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei räumlich getrennte Teile der Sourcezone 100 an entgegengesetzten Seiten des Trenchkontaktes 302 gebildet. Auf der rechten Seite definiert eine zweite ringförmige vergrabene Elektrodenstruktur 210 einen Diodenbereich 410b. Der Abstandshalterbereich 420 bettet die IGBT- und Diodenbereiche 410a, 410b ein.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Halbbrückenschaltung, die einen ersten und einen zweiten rückwärtsleitenden IGBT umfasst, mit jeweils einem ersten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung und einem zweiten, verschiedenen Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung sowie einer ersten und einer zweiten Treiberschaltung, die jeweils einen Treiberanschluss aufweisen, der elektrisch mit einem Gateanschluss von einem der rückwärtsleitenden IGBTs verbunden ist, wobei jede der Treiberschaltungen gestaltet ist, um an dem Treiberanschluss eine Ein-Zustand-Gatespannung in einem ersten Zustand, die erste Aus-Zustand-Gatespannung in einem zweiten Zustand und die zweite Aus-Zustand-Gatespannung in einem dritten Zustand zu liefern. Jeder der rückwärtsleitenden IGBTs kann angepasst sein, um eine erste Inversionsschicht in einer Bodyzone in dem ersten Zustand, eine zweite Inversionsschicht in der Driftzone in dem zweiten Zustand und keine oder eine dritte Inversionsschicht, die verschieden von der zweiten Inversionsschicht ist, in dem dritten Zustand zu bilden. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Diodenemitterwirkungsgrad von dem ersten Diodenemitterwirkungsgrad um wenigstens 5 % abweichen.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen IGBT-Modul, der wenigstens einen ersten und einen zweiten rückwärtsleitenden IGBT mit jeweils einem ersten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung und einem zweiten, verschiedenen Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung aufweist, und mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Treiberschaltung, wobei jede der Treiberschaltungen einen Treiberanschluss umfasst, der elektrisch mit einem Gateanschluss von einem der rückwärtsleitenden IGBTs verbunden ist, wobei jede der Treiberschaltungen gestaltet ist, um an dem Treiberanschluss in einem ersten Zustand eine Ein-Zustand-Gatespannung, in einem zweiten Zustand die erste Aus-Zustand-Gatespannung und in einem dritten Zustand die zweite Aus-Zustand-Gatespannung zu liefern.
  • Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hier veranschaulicht und beschrieben sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Gestaltungen für die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele herangezogen werden kann, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll daher jegliche Anpassungen oder Veränderungen der hier diskutierten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Erfindung lediglich durch die Patentansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims (20)

  1. Elektronische Schaltung, umfassend: einen rückwärtsleitenden IGBT (600), der einen ersten Diodenemitterwirkungsgrad bei einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung und einen zweiten, verschiedenen Diodenemitterwirkungsgrad bei einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung hat, und eine Treiberschaltung (500), die einen elektrisch mit einem Gateanschluss (G) des rückwärtsleitenden IGBTs (600) gekoppelten Treiberanschluss (Gout) umfasst, wobei die Treiberschaltung gestaltet ist, um an den Treiberanschluss (Gout) eine Ein-Zustand-Gatespannung in einem ersten Zustand, die erste Aus-Zustand-Gatespannung in einem zweiten Zustand und die zweite Aus-Zustand-Gatespannung in einem dritten Zustand zu legen.
  2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiberschaltung (500) gestaltet ist, um die Ein-Zustand-Gatespannung von einer ersten Spannung, die an einem ersten Spannungsanschluss liegt, und die erste Aus-Zustand-Gatespannung von einer zweiten Spannung, die an einem zweiten Spannungsanschluss liegt, abzuleiten.
  3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, bei der die Treiberschaltung (500) gestaltet ist, um die zweite Aus-Zustand-Gatespannung von einer dritten Spannung, die an einem dritten Spannungsanschluss liegt, abzuleiten.
  4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, umfassend eine Spannungsregulatorschaltung (530), die gestaltet ist, um die zweite Aus-Zustand-Gatespannung aus den ersten und zweiten Spannungen abzuleiten.
  5. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die zweite Aus-Zustand-Gatespannung von der ersten Aus-Zustand-Gatespannung um wenigstens 0,5 V abweicht.
  6. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der zweite Diodenemitterwirkungsgrad von dem ersten Diodenemitterwirkungsgrad um wenigstens 5 % abweicht.
  7. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend eine Steuerschaltung (510), die gestaltet ist, um die Treiberschaltung (520) zwischen dem zweiten und dem dritten Zustand zu wechseln.
  8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7, bei der die Steuerschaltung (510) die Treiberschaltung (520) steuert, um zwischen dem zweiten und dem dritten Zustand abhängig von einem an der Steuerschaltung (510) liegenden Steuersignal zu wechseln.
  9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Steuerschaltung (510) die Treiberschaltung (520) steuert, um zwischen dem zweiten und dem dritten Zustand abhängig von einem Wechsel eines internen Zustandes zu wechseln.
  10. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der rückwärtsleitende IGBT (600) gestaltet ist, um eine erste Inversionsschicht in einer Bodyzone (115) bei der Ein-Zustand-Gatespannung, eine zweite Inversionsschicht in einer Driftzone (121) bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung und keine oder eine dritte Inversionsschicht in der Driftzone (121) bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung zu bilden, wobei die dritte Inversionsschicht von der zweiten Inversionsschicht verschieden ist.
  11. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der rückwärtsleitende IGBT (600) eine Gateelektrode (210) umfasst, die sich von einer ersten Oberfläche (101) in eine Driftzone (121) eines Halbleiterteiles (100) erstreckt, wobei die Driftzone (121) einen ersten Leitfähigkeitstyp hat, eine Bodyzone (115) eines zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zwischen der ersten Oberfläche (101) und der Driftzone (121) angeordnet ist, und eine dielektrische Auskleidung (205) die Gateelektrode (210) und den Halbleiterteil (100) trennt.
  12. Elektronische Schaltung nach Anspruch 11, bei der der Halbleiterteil (100) eine floatende Zone (119) des zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, wobei die floatende Zone (119) in den ersten und dritten Zuständen floated ist und die zweite Inversionsschicht die Bodyzone (115) und die floatende Zone (119) in dem zweiten Zustand verbindet.
  13. Elektronische Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, bei der sich ein Trenchkontakt (302) von der ersten Oberfläche (101) in die Bodyzone (115) erstreckt.
  14. Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der eine Zwischenflächenschicht (311) zwischen der Bodyzone (115) und einer elektrisch mit der Bodyzone (115) verbundenen Elektrodenstruktur (311) vorgesehen ist, wobei die Zwischenflächenschicht (311) aus einem Kontaktmaterial gebildet ist und ein Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktmaterial und der Bodyzone (115) mit abnehmender Fremdstoffkonzentration in der Bodyzone (115) zunimmt.
  15. Elektronische Schaltung nach Anspruch 14, bei der das Kontaktmaterial aus einer Gruppe gewählt ist, die aus TiW, TiN, TaN und Ta besteht.
  16. Halbbrückenschaltung, umfassend wenigstens zwei elektronische Schaltungen (700) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die rückwärtsleitenden IGBTs (600) elektrisch in Reihe angeordnet sind.
  17. IGBT-Modul, umfassend wenigstens zwei elektronische Schaltungen (700) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
  18. Gatetreiberschaltung, umfassend: eine Treiberschaltung (520), die gestaltet ist, um ein Gatesignal für einen IGBT (600) anzusteuern und einen Treiberanschluss (Gout) aufweist, wobei die Treiberschaltung (520) gestaltet ist, um an dem Treiberanschluss (Gout) eine Ein-Zustand-Gatespannung in einem ersten Zustand, eine erste Aus-Zustand-Gatespannung in einem zweiten Zustand und eine zweite Aus-Zustand-Gatespannung in einem dritten Zustand zu liefern, wobei die zweite Aus-Zustand-Gatespannung von der ersten Aus-Zustand-Gatespannung abweicht, und eine Steuerschaltung (510), die elektrisch mit der Treiberschaltung (520) gekoppelt und gestaltet ist, um die Treiberschaltung (520) zu steuern, um zwischen den zweiten und dritten Zuständen zu wechseln.
  19. Verfahren zum Betreiben eines rückwärtsleitenden IGBT, umfassend: Liefern in einem ersten Zustand einer Ein-Zustand-Gatespannung an einen Gateanschluss (G) des rückwärtsleitenden IGBTs (600), Liefern in einem zweiten Zustand einer ersten Aus-Zustand-Gatespannung an den Gateanschluss (G) des rückwärtsleitenden IGBTs, und Liefern in einem dritten Zustand einer zweiten Aus-Zustand-Gatespannung an den Gateanschluss (G) des rückwärts leitenden IGBTs (600), wobei der rückwärtsleitende IGBT (600) einen ersten Diodenemitterwirkungsgrad bei der ersten Aus-Zustand-Gatespannung und einen zweiten, verschiedenen Diodenemitterwirkungsgrad bei der zweiten Aus-Zustand-Gatespannung hat.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der zweite Diodenemitterwirkungsgrad von dem ersten Diodenemitterwirkungsgrad um wenigstens 5 % abweicht.
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