DE102014110985A1 - MOSFET-Treibervorrichtung - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

Gemäß einer Ausführungsform weist eine Halbleiter-Schaltvorrichtung einen Hochspannungsschalttransistor (101’) mit einer Source, einem Drain und einem Gate auf, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass eine Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals geschaltet wird, sowie eine Schalt-Treiberschaltung (102), die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) verbunden ist, wobei die Schalt-Treiberschaltung (102) einen Niederspannungstreibertransistor (104) mit einer Source, einem Drain und einem Gate aufweist, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) geschaltet und so angepasst ist, dass das Schaltsignal zum Hochspannungsschalttransistor (101’) übertragen wird, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) in Source-Down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors (104) angeordnet ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • In diesem Dokument beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Halbleiter-Leistungsschalter, einschließlich MOSFETs, und insbesondere auf Treiberkonfigurationen für Halbleiter-Leistungsschalter. Weitere in diesem Dokument beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Ansteuern von Halbleiter-Leistungsschaltern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Halbleiter-Leistungsschalter, insbesondere feldeffektgesteuerte Schaltgeräte wie ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistor / MOSFET) oder ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor / IGBT), wurden bereits in verschiedenen Anwendungen benutzt, darunter unter anderem als Schalter in Netzteilen und Leistungswandlern, Elektroautos, Klimaanlagen und sogar Energieübertragungsnetzen, die von Erzeugern erneuerbarer Energien benutzt werden. Insbesondere in Bezug auf Leistungsvorrichtungen, die große Ströme schalten und/oder bei höheren Spannungen betrieben werden können, können steuernde Halbleiter-Leistungsschalter in derartigen Vorrichtungen auf unterschiedlich konstruierten Treiberschaltungen basiert sein.
  • Typischerweise werden derartige Treiberschaltungen im Niederspannungsbereich betrieben, Halbleiter-Leistungsschalter dagegen bei hohen Spannungen. Weiterhin sind Treiberschaltungen, die in Leistungsschaltvorrichtungen enthalten sind, so konstruiert, dass sie Halbleiterschalter steuern, die positive oder negative Steuerspannungen aufweisen. Die Gatespannungen für Leistungsschalter können positiv oder negativ sein. Herkömmlicherweise werden Treiberschaltungen mit Logikschaltungen verbunden, die Steuersignale für den an die betreffende Logikschaltung angeschlossene Treiberschaltung liefern. Typischerweise werden sowohl die Logik- als auch die Treiberschaltungen im Niederspannungsbereich betrieben.
  • Unterschiedliche funktionale Komponenten wie etwa Logikschaltungen, Treiberschaltungen und Halbleiter-Leistungsschalter können mit Hilfe unterschiedlicher Technologien gefertigt werden, so dass sich unterschiedliche Halbleitersubstratteile ergeben. Typischerweise sind Logikschaltungen und Halbleiterschaltungen siliziumbasiert, wobei das betreffende Substrat direkt mit der Masse verbunden ist, um beispielsweise die Kühlung der betreffenden Komponente zu verbessern. Bei Halbleiter-Leistungsschaltern auf Siliziumbasis können senkrechte Anordnungen mit einem Drainanschluss auf der Rückseite und Gate-/Sourceanschlüssen auf der Vorderseite verwendet werden. Bei höheren Schaltfrequenzen und höherer Leistungsdichte können Halbleiter-Leistungsschalter mit großer Energiebandlücke wie SiC-JFET- oder GaN-HEMT-Schalter benutzt werden. Diese Vorrichtungen können als selbstleitende Vorrichtungen konstruiert sein, die – für eine bestimmte Sperrspannung und einen bestimmten EIN-Widerstand – in bis zu zehn Mal kleinerer Chipgröße gefertigt werden können als vergleichbare Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen auf Siliziumbasis, bei denen es sich in der Regel um selbstsperrende Vorrichtungen handelt. Da der Stromfluss in diesen Vorrichtungen parallel zu einer Substratfläche erfolgt, können diese Vorrichtungen mit einem Sourceanschluss auf der Rückseite und Gate-/Drainanschlüssen auf der Vorderseite des Substrats eingerichtet sein. Bei höheren Frequenzen und effizienter Kühlung während des Betriebs mit großen Strömen sind kurze Verbindungen mit geringer Induktivität, große Anschlussflächen zwischen Komponenten mit unterschiedlichen Funktionen sowie eine große Packdichte wünschenswert.
  • Angesichts der vorstehenden Ausführungen besteht Bedarf zur Verbesserung der Treiberkonfiguration für Hochspannungsschalter.
  • KURZFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform weist eine Halbleiter-Schaltvorrichtung einen Hochspannungsschalttransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate auf, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass eine Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals geschaltet wird, sowie eine Schalt-Treiberschaltung, die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor verbunden ist, wobei die Schalt-Treiberschaltung einen Niederspannungstreibertransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate aufweist, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor geschaltet und so angepasst ist, dass das Schaltsignal zum Hochspannungsschalttransistor übertragen wird, wobei der Hochspannungsschalttransistor in Source-Down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors angeordnet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist eine Halbleiter-Schaltvorrichtung einen Hochspannungsschalttransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate auf, wobei die Vorrichtung so angepasst ist, dass eine Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals geschaltet wird, sowie eine integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung, die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor verbunden ist, wobei die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung eine Logikschaltung aufweist, die so angepasst ist, dass sie ein Schaltsignal für den Hochspannungsschalttransistor erzeugt, sowie eine Schalt-Treiberschaltung, einschließlich eines Niederspannungstreibertransistors mit einer Source, einem Drain und einem Gate, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor geschaltet und so angepasst ist, dass das Schaltsignal zum Hochspannungsschalttransistor übertragen wird, wobei der Hochspannungsschalttransistor in Source-Down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors angeordnet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein Halbbrücken-Schalkreis mindestens zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltvorrichtungen auf, wobei jede Schaltvorrichtung einen Hochspannungsschalttransistor aufweist, der so angepasst ist, dass eine Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals geschaltet wird, und eine Schalt-Treiberschaltung, die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor verbunden ist, wobei die Schalt-Treiberschaltung einen Niederspannungstreibertransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate aufweist, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor geschaltet und so angepasst ist, dass das Schaltsignal zum Hochspannungsschalttransistor übertragen wird, wobei der Hochspannungsschalttransistor in Source-Down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors angeordnet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Schalten einer Hochspannung das Erzeugen eines Schaltsignals auf, das Anlegen dieses Schaltsignals an einen Niederspannungstreibertransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate, das Übertragen des Schaltsignals an einen Hochspannungsschalttransistor und das Schalten der Hochspannung auf der Basis des übertragenen Schaltsignals mit Hilfe des Hochspannungsschalttransistors, der in Reihe mit dem Niederspannungsschalttransistor geschaltet und in Source-Down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors angeordnet ist.
  • Fachleute auf diesem Gebiet werden zahlreiche zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen, wenn sie die folgende ausführliche Beschreibung lesen und die beigefügten Zeichnungen betrachten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, sondern sollen vielmehr die Prinzipien der Erfindung verdeutlichen. Zudem werden gleiche Referenznummern durchgängig für gleiche Teile benutzt. In den Zeichnungen wird Folgendes dargestellt:
  • 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Schaltvorrichtung mit getrennten Logik- und Treiberschaltungen und dient zur Erläuterung des Schaltens von Hochspannung;
  • 2 veranschaulicht ein Blockschaltbild einer Schaltung, bei der die Logikschaltung und die Treiberschaltung zur Erläuterung des Schaltens von Hochspannung in einer integrierten Logik-/Treiber-Schaltung kombiniert sind;
  • 3 veranschaulicht ein Prinzipschaltbild einer Kaskodenschaltung eines Niederspannungstreibertransistors und eines Hochspannungsschalttransistors gemäß Ausführungsformen;
  • 4 veranschaulicht eine integrierte Logik-/Treiberschaltung zur Steuerung eines Hochspannungsschalttransistors gemäß Ausführungsformen;
  • 5 veranschaulicht eine Schalt-Treiberschaltung, die mit einer Logikschaltung verbunden und für die Steuerung eines Hochspannungsschalttransistors gemäß Ausführungsformen angepasst ist;
  • 6 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines Chip-Gehäuses mit der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung gemäß Ausführungsformen;
  • 7 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines anderen Chip-Gehäuses mit den integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltungen für die Low-Side- und High-Side-Schaltkreise einer Halbbrückenschaltung gemäß Ausführungsformen;
  • 8 veranschaulicht ein Detailschaltbild einer Halbbrückenschaltung gemäß Ausführungsformen;
  • 9 veranschaulicht ein Detailschaltbild einer Halbbrückenschaltung gemäß Ausführungsformen; und
  • 10 veranschaulicht ein Schaltungsdetail im Zusammenhang mit einer aktiven Driftzone.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Bestandteil der Beschreibung sind und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Erfindung realisiert werden kann. In dieser Hinsicht werden Richtungsangaben wie „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „Vorderkante“, „Hinterkante“, „seitlich“, „senkrecht“ usw. unter Bezugnahme auf die Ausrichtung in der oder den beschriebenen Zeichnung(en) benutzt. Da die Komponenten der Ausführungsformen in einer Reihe von verschiedenen Ausrichtungen positioniert sein können, werden die Richtungsangaben zu Veranschaulichungszwecken verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Es sollte davon ausgegangen werden, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehen, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche definiert. In der Beschreibung der Ausführungsformen wird eine spezifische Sprache benutzt, die nicht so ausgelegt werden sollte, als schränke sie den Schutzbereich der angehängten Ansprüche ein.
  • Nachstehend wird im Einzelnen auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein Beispiel oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht werden. Jedes Beispiel wird zu Erläuterungszwecken angeführt und ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Beispielsweise können Merkmale, die als Bestandteil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben werden, in anderen oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen benutzt werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Variationen mit einschließt. In der Beschreibung der Beispiele wird eine spezifische Sprache benutzt, die nicht so ausgelegt werden sollte, als schränke sie den Schutzbereich der angehängten Ansprüche ein. Die Zeichnungen sind nicht maßstabgetreu und sollen lediglich Veranschaulichungszwecken dienen. Wenn nicht anders angegeben, werden aus Gründen der Klarheit gleiche Elemente oder Fertigungsschritte in verschiedenen Zeichnungen mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet.
  • Im Zusammenhang mit der vorliegenden Patentschrift ist „MOS“ (Metalloxid-Halbleiter / Metal-Oxide-Semiconductor) so zu verstehen, dass dieser Begriff den allgemeineren Begriff „MIS“ (Metall-Isolator-Halbleiter / Metal-Insulator-Semiconductor) mit einschließt. Beispielsweise ist der Begriff MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor / Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) so zu verstehen, dass er FETs mit einschließt, die einen anderen Gate-Isolator als ein Oxid aufweisen – d. h., der Begriff MOSFET wird in einer allgemeineren Bedeutung verwendet, die IGFET (Feldeffekttransistor mit isolierter Gateelektrode / Insulated-Gate Field-Effect Transistor) bzw. MISFET (Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor / Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor) meint. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass das Elektrodenmaterial nicht auf ein Metall beschränkt ist; vielmehr kann jedes andere leitfähige Material wie amorphes oder Polysiliziummaterial, Kohlenstoff oder jedes andere Halbleitermaterial benutzt werden.
  • Feldeffektgesteuerte Schaltvorrichtungen wie Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistors – MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors – IGBTs) wurden in unterschiedlichen Anwendungen verwendet, unter anderem als Schalter in Netzteilen und Leistungswandlern, Elektroautos, Klimaanlagen und sogar in Stereoanlagen. Insbesondere in Bezug auf Leistungsvorrichtungen, die große Ströme schalten und/oder mit höheren Spannungen betrieben werden können, ist vielfach ein niedriger Widerstand im Durchlasszustand wünschenswert. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Spannung bei einem bestimmten zu schaltenden Strom über den eingeschalteten FET abfällt, d. h., es wäre wünschenswert, wenn die Source-Drain-Spannung niedrig wäre. Andererseits müssen Verluste, die während des Ausschaltens oder Kommutierens des FET auftreten, vielfach niedrig gehalten werden, um die Gesamtverluste zu minimieren.
  • Der Begriff „Halbleiter-Leistungsschalter“, wie er in dieser Patentschrift verwendet wird, soll eine Halbleitervorrichtung mit Hochspannungs- und/oder Hochstromschaltfähigkeiten beschreiben. Anders ausgedrückt sind Leistungshalbleiter-Vorrichtungen für Hochstrom vorgesehen, typischerweise im Amperebereich oder darüber. In dieser Patentschrift werden die Begriffe „Halbleiter-Leistungsschalter“, „Halbleiter-Schaltvorrichtung“ und „Leistungshalbleiter-Vorrichtung“ gleichbedeutend benutzt.
  • Im Zusammenhang mit dieser Erfindung wird ein Halbleitergebiet, in dem ein Inversionskanal ausgebildet und/oder vom Feldeffekt gesteuert werden kann, auch als Bodygebiet bezeichnet. Der Begriff „Chip-Gehäuse“, wie er hier benutzt wird, soll eine Gesamtheit (interner) Schaltungselemente verkörpern, z. B. Schaltungskomponenten, von denen jede auf einem einzelnen Halbleitersubstrat integriert ist. Dadurch können diese Schaltungskomponenten dergestalt in einem Gehäuse angeordnet sein, dass nur wenig Raum verbraucht wird und nur wenige Anschlüsse für interne und externe Verbindungen vorgesehen werden müssen.
  • Der Begriff „Feldeffekt“, wie er in dieser Patentschrift benutzt wird, soll die durch ein elektrisches Feld vermittelte Bildung eines „Inversionskanals“ und/oder die Steuerung der Leitfähigkeit und/oder die Form des Inversionskanals in einem Halbleitergebiet beschreiben. Der Leitfähigkeitstyp des Kanalgebiets wird typischerweise geändert, d. h. invertiert, um entweder einen unipolaren Strompfad zwischen zwei Halbleitergebieten des invertierten Leitfähigkeitstyps auszubilden, die benachbart zum Kanalgebiet liegen (selbstsperrender Transistor), oder um eine Unterbrechung des unipolaren Strompfads zwischen zwei Halbleitergebieten des gleichen Leitfähigkeitstyps auszubilden, die benachbart zum Kanalgebiet liegen (selbstleitender Transistor).
  • Oberhalb einer Einsatzspannung Vth zwischen der Gateelektrode und dem Bodygebiet wird der Inversionskanal aufgrund des Feldeffekts in einem Kanalgebiet des Bodygebiets, das benachbart zum dielektrischen Gebiet oder zur dielektrischen Schicht liegt, ausgebildet und/oder gesteuert. Die Einsatzspannung Vth bezieht sich typischerweise auf die Gatemindestspannung, die für das Einsetzen eines unipolaren Stromflusses zwischen den beiden Halbleitergebieten des ersten Leitfähigkeitstyps erforderlich ist, welche die Source und den Drain einer Transistorstruktur ausbilden können. Bei selbstleitenden Transistoren kann die Einsatzspannung durch eine Spannung zwischen der Gateelektrode und dem Bodygebiet definiert werden, die aufrecht erhalten wird, um einen Leitungspfad zwischen zwei Halbleitergebieten des ersten Leitfähigkeitstyps sicherzustellen, d. h. eine Source und ein Drain einer Transistorstruktur. Das Anlegen einer Spannung, die unterhalb der Einsatzspannung für selbstleitende Transistoren liegt, führt zu einer Unterbrechung des Leitungspfads.
  • Im Zusammenhang mit dieser Erfindung soll der Begriff „Feldeffektstruktur“ eine Struktur beschreiben, die in einem Halbleitersubstrat oder einer Halbleitervorrichtung ausgebildet wird und eine Gateelektrode aufweist, die mindestens vom Bodygebiet durch ein dielektrisches Gebiet oder eine dielektrische Schicht isoliert ist. Als Beispiele für dielektrische Materialien zum Ausbilden eines dielektrischen Gebiets oder einer dielektrischen Schicht zwischen der Gateelektrode und dem Bodygebiet sind u. a. Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumoxinitrid (SiOxNy), Zirkoniumoxid (ZrO2), Tantaloxid (Ta2O5), Titanoxid (TiO2) und Hafniumoxid (HfO2) zu nennen.
  • Im Zusammenhang mit dieser Erfindung soll der Begriff „Gateelektrode“ eine Elektrode beschreiben, die sich direkt neben dem Bodygebiet befindet und von diesem isoliert und so konfiguriert ist, dass sie ein Kanalgebiet ausbildet und/oder steuert, das typischerweise den Inversionskanal durch das Bodygebiet mit umfasst. Die Begriffe „elektrische Verbindung“ und „elektrisch verbunden“ beschreiben eine Ohmsche Verbindung zwischen den Elementen.
  • Die Begriffe „Halbbrücke“ oder „Halbbrückenschaltung“ sollen eine Schaltungskonfiguration verkörpern, bei der zwei Halbleiter-Leistungsschalter in Reihe geschaltet sind, wobei der Verbindungsanschluss ein Halbbrücken-Ausgangsanschluss ist. Eine an dem Ausgangsanschluss anliegende Ausgangsspannung kann dann geschaltet werden, z. B. zwischen einem Hochspannungspotenzial und einem Massepotenzial. Dieser Schaltmodus kann erreicht werden, indem beide Halbleiter-Leistungsschalter mit Hilfe eines Schaltsignals wechselseitig gesteuert werden. Ein Steuerverfahren stellt sicher, dass nur einer der beiden Halbleiter-Leistungsschalter eingeschaltet ist, während der andere der beiden Halbleiter-Leistungsschalter ausgeschaltet ist, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
  • Der Begriff „Kaskodenschaltung“, wie er hier verwendet wird, soll eine Schaltungskonfiguration verkörpern, bei der zwei Transistoren in Reihe geschaltet sind und bei welcher der Gateanschluss der beiden Transistoren als Steueranschluss zum Schalten durch einen Leitungspfad benutzt werden kann, der durch die Reihenschaltung der beiden Transistoren dargestellt wird.
  • Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen ist die Schaltvorrichtung in der Lage, hohe Spannungen und Ströme zu schalten. Die Schaltvorrichtung kann durch eine kombinierte Logik-/Treiberschaltung gesteuert werden. Der Begriff „integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung“, wie er hier verwendet wird, soll einen integrierten Schaltkreis verkörpern, der Schaltungskomponenten sowohl einer Logikschaltung als auch einer Schalt-Treiberschaltung aufweist.
  • Gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen kann die Logik-/Treiberschaltung in einem Niederspannungsbereich betrieben werden, wobei der mit der Logik-/Treiberschaltung verbundene Hochspannungsschalttransistor bei hohen Spannungen betrieben werden kann. Auf diese Weise können für niedrige Spannungen konstruierte Schaltungskomponenten in der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung kombiniert werden.
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Blockschaltbild einer Schaltvorrichtung mit getrennten Logik- und Treiberschaltungen veranschaulicht, das zur Erläuterung des Schaltens von Hochspannung dienen soll. Ein n-Kanal-Hochspannungsschalttransistor 101´ vom Anreicherungstyp, der mit seinem Drainanschluss an ein Drainpotenzial am Drainanschluss 401 und mit seinem Sourceanschluss an Masse 105 angeschlossen ist, wird durch eine Gatespannung 402 gesteuert. Die Gatespannung 402 wird durch eine gesonderte Treiberschaltung 102 bereitgestellt. Bei einer positiven Gatespannung 402, die in Bezug auf das Massepotenzial 105 und oberhalb eines vordefinierten Einsatzwerts bereitgestellt wird, kann der n-Kanal-Hochspannungsschalttransistor 101´ so eingeschaltet werden, dass ein Leitungspfad zwischen seinem Drainanschluss (Schaltanschluss 401) und seinem Sourceanschluss (Masse 105) hergestellt wird.
  • Gemäß den in 1 veranschaulichten Schaltungskonfigurationen ist der n-Kanal-Hochspannungsschalttransistor 101´ ein Feldeffekttransistor (FET) vom Anreicherungstyp, d. h. ein selbstsperrendes Transistorelement. Die in 1 dargestellte Treiberschaltung 102 ist mit einer Logikschaltung 103 verbunden, die so angepasst ist, dass sie ein Schaltsignal an den Hochspannungsschalttransistor 101´ legt. Dadurch kann eine Hochspannung auf der Basis des Schaltsignals geschaltet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird das Blockschaltbild einer Schaltung veranschaulicht, bei der die Logikschaltung und die Treiberschaltung zur Erläuterung des Schaltens von Hochspannung kombiniert sind. Wie dargestellt, sind die Treiberschaltung 102 und die Logikschaltung 103 zu einer einzelnen Logik-/Treiberschaltung 300 integriert. Wiederum wird eine Gatespannung 402 als Steuersignal für den Hochspannungsschalttransistor 101´ benutzt, wobei das Steuersignal in Form eines geeigneten Spannungspegels vorliegt, der oberhalb einer vordefinierten Einsatzspannung Vth liegt. Oberhalb der Einsatzspannung Vth zwischen einer Gateelektrode und einem Bodygebiet des Transistors wird aufgrund des Feldeffekts in einem Kanalgebiet des Bodygebiets ein Inversionskanal ausgebildet und/oder gesteuert.
  • Die in den 1 und 2 veranschaulichten Schaltungskonfigurationen hängen mit der Steuerung von Hochspannungsschalttransistoren vom Anreicherungstyp zusammen. So werden die Steuerspannungen dieser Art von n-Kanal-Feldeffekttransistoren mit einem positiven Gatepotenzial in Bezug zur Masse 105 bereitgestellt.
  • Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Kaskodenschaltung 200 mit zwei Feldeffekttransistoren gemäß Ausführungsformen veranschaulicht, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind. Die Kaskodenschaltung 200 weist einen Hochspannungsschalttransistor 101 und einen Niederspannungstreibertransistor 104 auf. Der Hochspannungsschalttransistor 101 ist in Reihe mit dem Niederspannungstreibertransistor 104 geschaltet. Auf diese Weise ist der Drainanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104 an einem Zwischenanschluss 106 mit dem Sourceanschluss des Hochspannungsschalttransistors 101 verbunden. Der Drainanschluss des Hochspannungsschalttransistors 101 ist mit einem Schaltanschluss 401 verbunden, der mit einer zu schaltenden Hochspannung verbunden werden kann. Der Gateanschluss des Hochspannungsschalttransistors 101 ist mit der Masse 105 verbunden, und der Gateanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104 ist mit einem Steueranschluss 107 verbunden, über den das Steuersignal 113 bereitgestellt werden kann. Wie hier weiter unten unter Bezugnahme auf 4 erläutert, kann das Steuersignal 113 durch eine Schalt-Treiberschaltung erzeugt werden, die in einem Niederspannungsbereich betrieben wird.
  • In der in 3 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist der Niederspannungstreibertransistor 104 ein Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp. Auf diese Weise ist der Niederspannungstreibertransistor 104 gemäß der Ausführungsform im selbstsperrenden Zustand und kann durch Anlegen einer positiven Gate-Sourcespannung Vgs1 an den Steueranschluss 107 eingeschaltet werden. Wenn der Niederspannungstreibertransistor 104 eingeschaltet wird, erreicht eine Drain-Sourcespannung Vds1 dieses Transistors ein Minimum. So liegt ein Potenzial am Zwischenanschluss 106 nahe am Massepotenzial 105. Dies wiederum führt zu einer Gate-Sourcespannung Vgs2 des Hochspannungsschalttransistors 101 von etwa null. Typischerweise weist ein Niederspannungsbereich für Logikschaltungen einen Spannungsbereich von bis zu 5 Volt auf, und ein Niederspannungsbereich, das für Treiberschaltungen bereitgestellt wird, weist einen Bereich von 10 Volt bis 20 Volt auf, während der Hochspannungsbereich einen Bereich von 40 Volt bis 1000 Volt und mehr erreichen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist, kann der Hochspannungsschalttransistor 101 als Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp, d. h. als selbstleitender Transistor, bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Modifikation wird der Hochspannungsschalttransistor 101 aus einer Gruppe ausgewählt, die aus einem MOSFET, MISFET, IGFET, IGBT, JFET, HEMT, FINFET oder einer Nanoröhrenvorrichtung besteht.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen, die mit den in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind, kann der Hochspannungsschalttransistor 104 eines der folgenden Materialien oder Mischungen aus diesen aufweisen: Si, SiO, SiN, Ge, Ga, Al, GaAs, GaN, C, In, InP, SiC, HfO.
  • Der Hochspannungsschalttransistor 101 gemäß einer Ausführungsform kann ausgeschaltet werden, indem eine negative Gate-Sourcespannung Vgs2 an seinen Gateanschluss angelegt wird, d. h., der als Transistor vom Verarmungstyp bereitgestellte Hochspannungsschalttransistor 101 geht in seinen AUS-Zustand über, wenn das an seinen Gateanschluss angelegte Potenzial negativ in Bezug auf das an seinen Sourceanschluss angelegte Potenzial ist. Obwohl der Gateanschluss des Transistors 101 auf diese Weise mit der Masse 105 verbunden bleibt, kann der Hochspannungstransistor 101 ausschalten, da der Sourceanschluss, d. h. der Zwischenanschluss 106, auf ein Potenzial angehoben wird, das positiv in Bezug zur Masse 105 ist.
  • Da andererseits der Niederspannungstreibertransistor 104 als Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp, d. h. als selbstsperrender Transistor bereitgestellt wird, kann der Steuerschluss 107 der Kaskodenschaltung 200 zur Steuerung des Hochspannungsschalttransistors 101 benutzt werden. Der Steueranschluss der Kaskodenschaltung 200 wird an den Gateanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104 angeschlossen. Der Gateanschluss des Hochspannungsschalttransistors 101 ist mit dem Sourceanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104 und dem Massepotenzial 105 verbunden.
  • 4 veranschaulicht eine Schaltvorrichtung 100 mit einer Treiberschaltungskonfiguration gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist. Die Schaltungskonfiguration weist den Hochspannungsschalttransistor 101 und den Niederspannungstreibertransistor 104 auf, die oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurden.
  • Der Niederspannungstreibertransistor 104 kann eine Schutzdiode 108 (Bodydiode) aufweisen, die parallel zu seinem Source-Drain-Leitungspfad geschaltet ist, wobei der Anodenanschluss A der Diode mit der Source des Treibertransistors 104 und der Kathodenanschluss C mit dem Drain des Treibertransistors 104 verbunden ist. Die Schutzdiode 108 kann durch eine Zenerdiode verkörpert werden und dem Schutz des Niederspannungstreibertransistors 104 gegen Überspannungen dienen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist, kann die Schutzdiode als Bodydiode des Niederspannungstreibertransistors 104 ausgebildet sein.
  • Die sogenannte Bodydiode 108 kann dann durch einen pn-Übergang zwischen einem jeweiligen Driftgebiet und einem Bodygebiet des Feldeffekttransistors (FET) ausgebildet sein. Aufgrund der intrinsischen Bodydiode kann ein FET einen Strom nur in einer Richtung, jedoch nicht in beiden Richtungen sperren.
  • Weiterhin weist die in 4 dargestellte Schaltungskonfiguration eine integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302, die im Niederspannungsbereich betrieben werden kann, und den Hochspannungsschalttransistor 101 auf. Der Begriff „integriert“ ist im Zusammenhang mit dieser Beschreibung als Anordnung von Schaltungselementen zu verstehen, die auf demselben Chip vorgesehen sind, z. B. auf demselben Siliziumstück, z. B. auf einem einzelnen Halbleitersubstrat. Wie unter Bezugnahme auf 3 in diesem Dokument beschrieben wurde, kann der Hochspannungsschalttransistor 101, bei dem es sich um einen selbstleitenden Transistor handeln kann und der eine negative Gate-Source-Spannung zum Sperren seines Source-Drain-Leitungspfads benötigen kann, gesondert in Bezug auf die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 angeordnet sein. Gemäß einer weiteren Modifikation können die in 5 dargestellte Schalt-Treiberschaltung 301, die Logikschaltung 103 und/oder der Niederspannungstreibertransistor 104 monolithisch zu einer einzelnen Halbleiterkomponente integriert sein, z. B. auf einem einzelnen Halbleitersubstrat.
  • Die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 kann den Niederspannungstreibertransistor 104 auf demselben Chip aufweisen. Das Steuersignal 113 für den Niederspannungstreibertransistor kann so intern innerhalb der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 erzeugt werden. Auf diese Weise kann eine Spannung in einem Niederspannungsbereich an den Steueranschluss 107 angelegt werden, d. h. Niederspannungen können als positives Gate-Source-Potenzial angelegt werden, das für das Schalten des Niederspannungstreibertransistors 104 angepasst ist. Obwohl dies nicht in 4 dargestellt ist, kann die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 weiterhin Logikschaltkreise aufweisen, um das Steuersignal 113 zur Steuerung des Niederspannungstreibertransistors 104 bereitzustellen.
  • 5 veranschaulicht eine Hochspannungsschaltvorrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist. Ähnlich wie die weiter oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebene Schaltvorrichtung 100 weist die in 5 dargestellte Hochspannungsschaltvorrichtung 100 eine integrierte Schaltungskomponente auf, die im Niederspannungsbereich betrieben wird, d. h. eine integrierte Schalt-Treiberschaltung 301. Als Modifikation der in 4 dargestellten Schaltungskonfiguration ist eine Logikschaltung 103 gesondert von der Schalt-Treiberschaltung 301 angeordnet und operativ mit der Schalt-Treiberschaltung 301 verbunden. Außerdem oder alternativ können die Schalt-Treiberschaltung 301, die Logikschaltung 103 und/oder der Niederspannungstreibertransistor 104 monolithisch in einer einzelnen Halbleiterkomponente integriert sein.
  • An den Steueranschluss 107, der mit dem Gateanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104 verbunden ist, kann ein geeignetes Steuersignal 113, das von der integrierten Schalt-Treiberschaltung 301 bereitgestellt wird, angelegt werden. Das Erzeugen des Steuersignals 113 kann auf Signalen basieren, die mit Hilfe der Logikschaltung 103 erzeugt werden. Die übrige Schaltungsfunktion des in 5 dargestellten Aufbaus ist der Funktion der Schaltungsanordnung ähnlich, wie sie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, was zur Vermeidung von Redundanzen hier nicht weiter ausgeführt werden soll.
  • 6 veranschaulicht eine Querschnittansicht durch ein Halbleiterchip-Gehäuse 400 gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist. Eine Basis des Halbleiterchip-Gehäuses 400 wird durch einen Leitungsrahmen LF bereitgestellt, auf dem die Schalt-Treiberschaltung 301 oder die integrierte Logik-Schalt-Treiberschaltung 302 angeordnet ist.
  • Die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 und/oder der Niederspannungstreibertransistor 104 der Halbleiter-Schaltvorrichtung 100 kann monolithisch in einer einzelnen Halbleiterkomponente integriert sein. Der Begriff „Halbleiter-Schaltvorrichtung“ bezeichnet einen elektrischen Leistungsschalter und soll eine Halbleitervorrichtung auf einem einzelnen Halbleitersubstrat mit Hochspannungs- und/oder Hochstromschaltfähigkeiten beschreiben. Leistungshalbleiter-Vorrichtungen sind für Hochstrom vorgesehen, typischerweise im Amperebereich oder darüber. In dieser Patentschrift werden die Begriffe „Halbleiter-Leistungsschalter“, „Halbleiter-Schaltvorrichtung“ und „Leistungshalbleiter-Vorrichtung“ gleichbedeutend benutzt.
  • Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist, können die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 und der Hochspannungsschalttransistor 101 einen lateralen Aufbau aufweisen. Auf diese Weise kann ein Halbleiterchip-Gehäuse 400 mit zwei lateralen Schaltungselementen, die übereinander angeordnet sind, bereitgestellt werden. Bei der Lateraltechnologie können Schaltungselemente mit einem Sourceanschluss bereitgestellt werden, der sich unten an einer Seite des Elements befindet. Diese Anordnung erlaubt die Konstruktion einer Stapelkonfiguration, bei der ein oberes Schaltungselement in „Source-down“-Struktur auf einem unteren Schaltungselement befestigt sein kann. Auf diese Weise können ein Drain-Pad DP der Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302, ein Source-Pad SP des Hochspannungsschalttransistors 101, der Transistorkörper und das Drain-Pad DP des Hochspannungsschalttransistors 101 in vertikaler Richtung übereinander angeordnet werden. Anders ausgedrückt können die Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 und der Hochspannungsschalttransistor 101 als Stapel bereitgestellt werden, d. h. als einzelnes Halbleitersubstrat. Die Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 ist direkt auf einem Leitungsrahmen LF angeordnet. Das Gate G des Hochspannungsschalttransistors 101 ist mit einem Gate-Pad GP verbunden, das auf der Oberseite der Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 vorgesehen ist. Anders ausgedrückt kann eine Art „Huckepack“-Konfiguration für den Hochspannungsschalttransistor auf der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 vorgesehen werden. Die Sourcemetallisierung (Source-Pad) SP des Hochspannungsschalttransistors 101 kann in direktem elektrischem Kontakt mit dem Drain-Pad DP bereitgestellt werden, das auf der Oberseite der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 vorgesehen ist. Die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 kann einen oder mehrere Eingangsanschlüsse 303 aufweisen, die für den Eingang eines elektrischen Signals und/oder eines Bitstroms angepasst sind, das/der dann von der Logikschaltung in der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 verarbeitet wird. Auf diese Weise können das Steuersignal 113 und der Eingang zum Steueranschluss des Niederspannungstreibertransistors 104 erzeugt werden (siehe 5).
  • So ist ein Vorteil der in 6 dargestellten Chipkonfiguration, dass nur zwei Pads auf dem Chip der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 erforderlich sind, d. h. das Gate-Pad GP, um das Gate des Hochspannungsschalttransistors 101 anzuschließen, und das Drain-Pad DP des Niederspannungstreibertransistors 104, mit der das Source-Pad des Hochspannungsschalttransistors 101 verbunden werden kann. Dadurch kann der Hochspannungsschalttransistor 101 direkt auf der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 mit dem Niederspannungstreibertransistor 104 montiert werden. Anders ausgedrückt kann – wie in 6 verdeutlicht wird – der Hochspannungsschalttransistor 101 als eine Art „Source-down“-Schaltungselement direkt oben auf dem Drain-Pad DP des Niederspannungstreibertransistors 104 angeordnet sein. Zudem kann die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 als „Source-down“-Schaltungselement so bereitgestellt werden, dass zwei „Source-down“-Schaltungselemente, die beide in Lateraltechnologie bereitgestellt werden, übereinander angeordnet sind.
  • Obwohl dies nicht in 6 dargestellt ist, kann die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 durch die Schalt-Treiberschaltung 301 alleine ersetzt werden, die in 5 dargestellt wurde. Die Schalt-Treiberschaltung 301 kann dann mit einem oder mehreren zusätzlichen Verbindungsanschlüssen wie den Eingangsanschlüssen 303 ausgestattet sein. Als Beispiel wird ein Eingangsanschluss 303, der für das Anschließen, z. B. einer in 5 dargestellten gesonderten Logikschaltung 103, angepasst ist, in 6 gezeigt. Es wird hier darauf hingewiesen, dass der Hochspannungsschalttransistor 101 und die Schalt-Treiberschaltung 301 oder die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 ein einzelnes Halbleiterchip-Gehäuse 400 bilden, z. B. eine einteilige elektronische Schaltungskomponente, z. B. eine Komponente auf einem einzelnen Halbleitersubstrat. Das einzelne Halbleiterchip-Gehäuse 400 weist extern zugängliche Verbindungsanschlüsse auf, die unter anderem durch die Drainelektrode DE, den an Masse angeschlossenen Leitungsrahmen LF und eine optionale Ausgangselektrode OE (Ausgangs-Pad) verkörpert werden. Hier wird darauf hingewiesen, dass die Schalt-Treiberschaltung 301, die Logikschaltung 103 und/oder der Niederspannungstreibertransistor 104 monolithisch in einer einzelnen Halbleiterkomponente integriert sein können.
  • Aufgrund der für die Chip-Gehäuseeinrichtung benutzten Lateraltechnologie müssen nur das Gate-Pad GP und das Drain-Pad DP an der Schalt-Treiberschaltung 301 bzw. der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302, für die Verbindung der Schaltungen 301, 302 mit dem Hochspannungsschalttransistor 101 bereitgestellt werden. Die Schalt-Treiberschaltung 301 bzw. die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 können auf denselben Leitungsrahmen LF gebondet sein.
  • 7 veranschaulicht eine Querschnittansicht eines anderen Halbleiterchip-Gehäuses gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist. Das in 7 dargestellte Halbleiterchip-Gehäuse 500 weist Schaltungskomponenten eines Halbbrücken-Schaltkreises auf, d. h. zwei Hochspannungsschalttransistoren 101 sind auf einem einzelnen Halbleitersubstrat bereitgestellt. Dadurch weist das Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuse 500 Low-Side-Schaltungskomponenten auf, die auf der Halbbrücken-Low-Side LS angeordnet sind, sowie High-Side-Schaltungskomponenten, die auf der Halbbrücken-High-Side LS angeordnet sind. Hier wird darauf hingewiesen, dass – aufgrund der lateralen Chipauslegungs-Technologie – ein kompletter Halbbrücken-Schaltkreis als System-in-a-Package-Komponente (SiP) realisierbar ist. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist, können die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 und der Hochspannungsschalttransistor 101 einen lateralen Aufbau aufweisen. Auf diese Weise kann ein Halbleiterchip-Gehäuse 500 mit lateralen Schaltungselementen, die übereinander angeordnet sind, bereitgestellt werden. Die Sourcemetallisierung (Sourceanschlussinsel) SP der jeweiligen Hochspannungsschalttransistoren 101 kann so in direktem elektrischem Kontakt mit den jeweiligen Drain-Pads DP vorgesehen werden, die auf der Oberseite der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 vorgesehen sind, die wiederum auf einem einzelnen Halbleitersubstrat bereitgestellt sein kann.
  • Sowohl die Low-Side-Schaltungskomponenten LS als auch die High-Side-Schaltungskomponenten HS können entweder auf gesonderten Leitungsrahmen LF oder einem gemeinsamen Leitungsrahmen LF angeordnet sein. Ein Drain-Pad DP des Low-Side-Chip-Gehäuseanteils LS ist mit der Ausgangselektrode OE verbunden, die von der Außenseite des Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuses 500 zugänglich ist, wobei ein Drain-Pad DP des High-Side-Chip-Gehäuseanteils HS mit einer Drainelektrode DE verbunden ist, die ebenfalls von der Außenseite des Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuses 500 zugänglich ist.
  • Wie in 7 dargestellt, ist ein lateraler Aufbau eines Halbleiterchip-Gehäuses 500 vorgesehen, d. h., ein Drain-Pad DP der Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302, ein Source-Pad SP der Hochspannungsschalttransistoren 101, die Transistorkörper sowie die Drain-Pads DP der Hochspannungsschalttransistoren 101 sind in vertikaler Richtung übereinander angeordnet. Die Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 ist direkt auf dem Leitungsrahmen LF angeordnet. Gate G des Hochspannungsschalttransistors 101 ist mit einem Gate-Pad GP verbunden, das auf der Oberseite der Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 vorgesehen ist.
  • Weitere Chip-Gehäuseanordnungen des Low-Side-Schaltkreises LS bzw. des High-Side-Schaltkreises HS entsprechen dem Halbleiterchip-Gehäuse 400, das in diesem Dokument unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird. Unter Bezugnahme auf 7 kann die Querschnittansicht des Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuses 500 als Einchip-Gehäuse mit integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltungen 302 für den Low-Side-Schaltkreis LS und den High-Side-Schaltkreis HS der elektrischen Halbbrückenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform konstruiert sein, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist. Die veranschaulichte Halbleiter-Schaltvorrichtung ist mit Ausnahme des Hochspannungsschalttransistors 101 in Form eines Einchip-Gehäuses herstellbar, d. h. auf dem Leitungsrahmen LF, einschließlich der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302. Anders ausgedrückt können die Schalt-Treiberschaltung 301, die Logikschaltung 103 und/oder der Niederspannungstreibertransistor 104 monolithisch zu einer einzelnen Halbleiterkomponente integriert sein, z. B. auf einem einzelnen Halbleitersubstrat.
  • Obwohl dies nicht in 7 dargestellt ist, kann die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 durch die Schalt-Treiberschaltung 301 alleine ersetzt werden, die in 5 dargestellt wurde. Die Schalt-Treiberschaltung 301 oder die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 kann dann mit einem oder mehreren zusätzlichen Eingangsanschlüssen 303 bereitgestellt werden, die für den Anschluss anderer Schaltungskomponenten angepasst sind.
  • Es wird hier darauf hingewiesen, dass der Hochspannungsschalttransistor 101 und die Schalt-Treiberschaltung 301 oder die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 ein einzelnes Halbleiterchip-Gehäuse 400 bilden, z. B. eine einteilige elektronische Schaltungskomponente. Das einzelne Halbleiterchip-Gehäuse 400 weist extern zugängliche Verbindungsanschlüsse auf, die unter anderem durch die Drainelektrode DE, den an Masse angeschlossenen Leitungsrahmen LF, die optionale Ausgangselektrode OE (Ausgangs-Pad) und den optionalen Eingangsanschluss oder die optionalen Eingangsanschlüsse 303 verkörpert werden.
  • Aufgrund der für den Chip-Gehäuseaufbau benutzten Lateraltechnologie müssen nur das Gate-Pad GP und das Drain-Pad DP an der Schalt-Treiberschaltung 301 bzw. der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302, für die Verbindung der Schaltungen 301, 302 mit den jeweiligen Hochspannungsschalttransistoren 101 bereitgestellt werden. Die Schalt-Treiberschaltung 301 bzw. die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 können auf den Leitungsrahmen LF gebondet sein.
  • 8 veranschaulicht in einem Detailschaltbild eine mögliche Anwendung einer Schaltvorrichtung 100 gemäß Ausführungsformen, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind. 8 zeigt ein Aufbau-Diagramm einer Halbbrückenschaltung 202, die einen High-Side-Schaltkreis HS und einen Low-Side-Schaltkreis LS aufweist. Die Low-Side/LS- und High-Side/HS-Schaltungskomponenten sind in ähnlicher Weise angeordnet. Weiterhin sind zwei Hochspannungsschalttransistoren 101-LS, 101-HS mit dem Low-Side-Schaltkreis LS bzw. dem High-Side-Schaltkreis HS über zweckbestimmte Anschlüsse, d. h. entsprechende Gate-Pads GP, Source-Pads SP bzw. Drain-Pads DP, verbunden. Der Schaltkreis innerhalb der gestrichelten Linie verkörpert das Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuse 500, das weiter oben unter Bezugnahme auf 7 beschrieben wurde.
  • Das Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuse 500 weist die Logikschaltung 103 und einen Pegelwandler 201 auf. Der Pegelwandler 201 verbindet die jeweiligen Gates der Niederspannungstreibertransistoren 104-LS, 104-HS elektrisch mit der Logikschaltung 103. Da die Logikschaltung 103 in Relation zur Masse 105 betrieben wird, die dem Sourcepotenzial des Low-Side-Treibertransistors 104-LS entspricht, wird der Pegelwandler 201 benutzt, um am Ausgang der Logikschaltung 103 anliegende Spannungen in die Spannungen zu wandeln, die an den jeweiligen Gates des Low-Side-Treibertransistors 104-LS und des High-Side-Treibertransistors 104-HS benötigt werden. Dadurch kann der Pegelwandler 201 geeignete Steuersignale 113 für die Niederspannungstreibertransistoren 104-LS, 104-HS sowohl in dem Low-Side-Schaltkreis LS als auch in dem High-Side-Schaltkreis HS liefern. Grund hierfür ist, dass die Gatespannungen in Relation zur Source des jeweiligen Transistors definiert werden sollten und die Spannung am Sourceanschluss signifikant von der Spannung am Drainanschluss abweichen kann.
  • Darüber hinaus weist das Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuse 500 einen aktiven Driftzonen-Schaltkreis ADZ sowohl auf der Low Side LS als auch der High Side HS auf. Die aktiven Driftzonen ADZ können eine vorgegebene Anzahl von Driftzonentransistoren aufweisen (in dem in 8 dargestellten Aufbau ist diese Anzahl gleich 3), wobei jeder von ihnen einen Lastpfad zwischen einem ersten und einem zweiten Verbindungsanschluss aufweist. Die jeweiligen Lastpfade der Driftzonentransistoren sind in Reihe mit dem Lastpfad der entsprechenden Niederspannungstreibertransistoren 104-LS für die Low Side LS und 104-HS für die High Side HS verbunden.
  • Bei jedem der Driftzonentransistoren ist der Gateanschluss mit dem Sourceanschluss des vorhergehenden Driftzonentransistors verbunden. Bei dem Driftzonentransistor, dessen Source mit dem Drainanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104-LS bzw. 104-HS verbunden ist, ist der Gateanschluss mit dem Sourceanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104-LS bzw. 104-HS verbunden.
  • Eine Spannungssperrfähigkeit und ein EIN-Widerstand (Ron) des Low-Side-LS und des High-Side-Schaltkreises HS sind somit basiert auf die Spannungssperrfähigkeit und einen EIN-Widerstand (Ron) der Hochspannungsschalttransistoren 101-LS, 101-HS bzw. der entsprechenden aktiven Driftzone ADZ.
  • Die Verbindungsanschlüsse des Halbbrücken-Halbleiterchip-Gehäuses 500 zu externen Schaltungskomponenten werden durch einen Masseanschluss 105 und die Verbindungsanschlüsse für die beiden Hochspannungsschalttransistoren 101-LS, 101-HS verkörpert, d. h. die beiden Gate-Pads GP, die beiden Source-Pads SP und die beiden Drain-Pads DP. Dadurch verkörpert das Gate-Pad GP des Low-Side-Schaltkreises LS einen Halbbrücken-Masseanschluss, das Drain-Pad DP des Low-Side-Schaltkreises LS einen Halbbrücken-Ausgangsanschluss 204 und das Drain-Pad DP des High-Side-Schaltkreises HS einen Halbbrücken-Hochspannungsanschluss 205.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 7 entspricht der Halbbrücken-Ausgangsanschluss 204 der weiter oben unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Ausgangselektrode OE, der Halbbrücken-Ausgangsanschluss 203 (Halbbrücken-Sourceanschluss) dem Anschluss des in 7 dargestellten Leitungsrahmen LF, und der Halbbrücken-Hochspannungsanschluss 205 entspricht der Drainelektrode DE in 7.
  • 9 veranschaulicht ein Detailschaltbild einer Halbbrückenschaltung 202 gemäß einer weiteren Ausführungsform, die mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar ist. Wie in 9 dargestellt, wird eine beispielhafte Anwendung von Hochspannungshalbleiter-Schaltvorrichtungen, die in der Halbbrückenschaltung 202 angeordnet sind, bereitgestellt. Die Halbbrückenschaltung 202 entspricht der in 8 gezeigten Schaltungskonfiguration.
  • Eine High-Side-Schaltvorrichtung HS und eine Low-Side-Schaltvorrichtung LS sind zu einer Halbbrückenschaltung 202 kombiniert. Wie bereits in 8 angegeben wurde, sind die beiden Hochspannungsschalttransistoren 101-LS und 101-HS, die das Schalten des Ausgangsanschlusses 204 der Halbbrückenschaltung 202 besorgen, extern in Bezug auf die in diesem Dokument unter Bezugnahme auf 7 besprochene integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 angeordnet. Dadurch werden der Drainanschluss, der Gateanschluss und der Sourceanschluss des Low-Side-Hochspannungsschalttransistors 101-LS sowie eine Verbindung des Drainanschlusses, des Gateanschlusses und des Sourceanschlusses des High-Side-Hochspannungsschalttransistors 101-HS mit der integrierten Logik-/Schalt-Treiberschaltung 302 mit Hilfe jeweiliger Kontaktdurchgangsstellen 109 sichergestellt. Auf diese Weise ist der Sourceanschluss des Hochspannungsschalttransistors 101-HS mit dem Drainanschluss des High-Side-Niederspannungstreibertransistors 104-HS, der Gateanschluss mit dem Halbbrücken-Ausgangsanschluss 204 und der Drainanschluss mit dem Halbbrücken-Hochspannungsanschluss 205 verbunden.
  • Die High-Side/HS- und Low-Side/LS-Verstärker-/Logikschaltungen 103´´ werden mit einer ersten Spannung 111 bzw. einer zweiten Spannung 112 versorgt. Die Low-Side-Schalt-Schaltung und die High-Side-Schalt-Schaltung können durch n-FETs vom Anreicherungstyp verkörpert werden. Weiterhin ist der Sourceanschluss des Hochspannungsschalttransistors 101-LS auf der Low-Side LS mit dem Drainanschluss des Low-Side-Hochspannungstreibertransistors 104-LS, der Gateanschluss mit dem Halbbrücken-Ausgangsanschluss 204 und der Drainanschluss mit dem Halbbrücken-Ausgangsanschluss 204 verbunden.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 7 entspricht der Halbbrücken-Ausgangsanschluss 204 der weiter oben unter Bezugnahme auf 7 beschriebenen Ausgangselektrode OE, der Halbbrücken-Masseanschluss 203 (Halbbrücken-Sourceanschluss) dem Anschluss des in 7 dargestellten Leitungsrahmen LF und der Halbbrücken-Hochspannungsanschluss 205 der Drainelektrode DE in 7.
  • 10 veranschaulicht ein Schaltungsdetail im Zusammenhang mit einer aktiven Driftzone ADZ gemäß Ausführungsformen. Die aktiven Driftzonen ADZ können eine vorgegebene Anzahl von Driftzonentransistoren aufweisen (in dem in 8 dargestellten Aufbau ist diese Anzahl gleich 3 und in dem in 10 dargestellten Aufbau ist diese Anzahl gleich 5), wobei jeder von ihnen einen Lastpfad zwischen einem ersten und einem zweiten Verbindungsanschluss aufweist. Unter Bezugnahme auf 9 und 10 kann die aktive Driftzone ADZ durch ein einzelnes Transistorschaltungssymbol ADZ verkörpert werden.
  • Die jeweiligen Lastpfade der Driftzonentransistoren sind in Reihe mit dem Lastpfad der in 9 dargestellten entsprechenden Niederspannungstreibertransistoren 104-LS, 104-HS geschaltet. Bei jedem der Driftzonentransistoren ist der Gateanschluss mit dem Sourceanschluss des vorhergehenden Driftzonentransistors verbunden. Bei dem Driftzonentransistor, dessen Source mit dem Drainanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104-LS bzw. 104-HS verbunden ist, ist der Gateanschluss mit dem Sourceanschluss des Niederspannungstreibertransistors 104-LS bzw. 104-HS verbunden.
  • Unter Bezugnahme auf 9 und 10 kann der Niederspannungsschalttransistor 104-LS, 104-HS weiterhin die Bodydiode 108 aufweisen, die parallel zu seinem Source-Drainpfad geschaltet ist, wobei die Anode der Bodydiode 108 mit der Source des Transistors 104-LS, 104-HS und die Kathode mit dem Drain des Transistors 104-LS, 104-HS verbunden ist. Die Kombinationsschaltung von Transistor und Bodydiode 108 kann durch ein einzelnes in 10 dargestelltes Schaltungssymbol mit dem Bezugszeichen 104 verkörpert werden.
  • Um den elektrischen Widerstand des Lastpfads zwischen dem Source-Pad SP und dem Drain-Pad DP zu reduzieren, sind die Hochspannungsschalttransistoren 101-LS, 101-HS parallel zu den Driftzonentransistoren ADZ geschaltet. Dadurch können die ADZ-Driftzonentransistoren zusammen mit den Niederspannungstransistoren 104-LS, 104-HS benutzt werden, um die relative Spannung an jedem Anschluss zu definieren und das Schaltverhalten zu steuern, während die Hochspannungsschalttransistoren 101-LS, 101-HS den Gesamtwiderstand der Schaltung reduzieren. Der Vorteil der Verwendung einer ADZ-Struktur besteht darin, dass sie als monolithisch integrierte Halbbrücke in einer lateralen Anordnung auf einem einzelnen Halbleitersubstrat, das z. B. aus Silizium hergestellt wird, implementierbar ist. Die Anordnung kann in einer Source-down-Konfiguration bereitgestellt werden. Die Transistoren 101-LS, 101-HS können als niederohmige Vorrichtungen bereitgestellt werden, während die ADZ-Transistoren von kleiner Größe sein können, d. h., sie können als hochohmige Vorrichtungen bereitgestellt werden, da der elektrische Widerstand und die Kapazität des Hochspannungspfads vor allem durch die Hochspannungstransistoren 101-LS, 101-HS definiert werden. Zudem können die Hochspannungstransistoren 101-LS, 101-HS als Halbleiter mit großer Energiebandlücke bereitgestellt werden, deren Größe im Vergleich zu ähnlichen niederohmigen Vorrichtungen auf Siliziumbasis reduziert ist. Die Reihenschaltung der Driftzonentransistoren ADZ kann ein- und ausgeschaltet werden, indem eine geeignete Spannung, d. h. ein geeignetes Steuersignal 113 an den Gateanschluss der jeweiligen Niederspannungstreibertransistoren 104-LS, 104-HS angelegt wird.
  • Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen weist also ein Verfahren zum Schalten einer Hochspannung das Erzeugen eines Schaltsignals auf, das Anlegen dieses Schaltsignals an einen Niederspannungstreibertransistor mit einer Source, einem Drain und einem Gate, das Übertragen des Schaltsignals an einen Hochspannungsschalttransistor und das Schalten der Hochspannung auf der Basis des übertragenen Schaltsignals mit Hilfe des Hochspannungsschalttransistors, der in Reihe mit dem Niederspannungsschalttransistor geschaltet und in Source-Down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors angeordnet ist.
  • Die Benutzung raumbezogener Begriffe wie „unter“, „unterhalb“, „untere“, „ober“, „oberhalb“ und dergleichen soll die Beschreibung erleichtern, um die Platzierung eines Elemente in Relation zu einem zweiten Element zu erläutern. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung zusätzlich zu den anderen Ausrichtungen an den in den Zeichnungen gezeigten mit einschließen. Weiterhin werden Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und dergleichen auch benutzt, um verschiedene Elemente, Gebiete, Abschnitte usw. zu beschreiben, wobei sie nicht als einschränkend zu verstehen sind. Auf gleiche Elemente wird in der gesamten Beschreibung mit gleichen Begriffen Bezug genommen.
  • Die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „beinhalten“, „umfassen“ und dergleichen sind offene Begriffe, welche das Vorhandensein angegebener Elemente oder Merkmale aufzeigen, jedoch keineswegs zusätzliche Elemente oder Merkmale ausschließen. Die Artikel „ein, eine, einer“ und „der, die, das“ sind so zu verstehen, dass sie sowohl die Mehrzahl als auch die Einzahl mit einschließen, außer wenn der Kontext eindeutig etwas anderes angibt.
  • Ausgehend von dem vorstehend genannten Spektrum an Varianten und Anwendungen ist davon auszugehen, dass die vorliegende Erfindung weder auf die vorstehende Beschreibung beschränkt ist, noch durch die beigefügten Zeichnungen eingeschränkt wird. Vielmehr wird die vorliegende Erfindung ausschließlich durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Entsprechungen eingeschränkt.
  • Die vorstehende schriftliche Beschreibung verwendet spezifische Ausführungsformen, um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich des besten Modus, und um Fachleute auf diesem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung nachzuvollziehen und zu benutzen. Auch wenn die Erfindung in Form verschiedener Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass die Erfindung auch modifiziert gemäß dem Gedanken und dem Schutzumfang der Ansprüche umsetzbar ist. Insbesondere sich wechselseitig nicht ausschließende Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombinierbar. Der patentfähige Schutzumfang wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf diesem Gebiet in den Sinn kommen. Derartige andere Beispiele sollen sich im Schutzumfang der Ansprüche bewegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die nicht vom Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Abweichungen vom Wortlaut der Ansprüche aufweisen.
  • Es ist davon auszugehen, dass die Merkmale der in diesem Dokument beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen – außer wenn ausdrücklich anders angegeben oder technisch eingeschränkt – miteinander kombinierbar sind.
  • Obwohl hier spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, ist für durchschnittliche Fachleute erkennbar, dass vielfältige alternative und/oder äquivalente Implementierungen die veranschaulichten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen können, ohne dass vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die vorliegende Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Varianten der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Deshalb ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und ihre Äquivalente eingeschränkt wird.

Claims (20)

  1. Halbleiter-Schaltvorrichtung, umfassend: einen Hochspannungsschalttransistor (101’), der eine Source, einen Drain und ein Gate umfasst und für das Schalten einer Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals angepasst ist; und eine Schalt-Treiberschaltung (102), die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) verbunden ist, wobei die Schalt-Treiberschaltung (102) einen Niederspannungstreibertransistor (104) mit einer Source, einem Drain und einem Gate umfasst, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) geschaltet und für die Übertragung des Schaltsignals an den Hochspannungsschalttransistor (101’) angepasst ist, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) in Source-down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors (104) angeordnet ist.
  2. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Logikschaltung (103) umfasst, die operativ mit dem Niederspannungstreibertransistor (104) verbunden und so angepasst ist, dass sie das Schaltsignal bereitstellt.
  3. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) und der Niederspannungstreibertransistor (104) elektrisch in einer Kaskodenschaltung verbunden sind.
  4. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist.
  5. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem MOSFET, MISFET, IGFET, IGBT, JFET, HEMT, FINFET oder einer Nanoröhrenvorrichtung besteht.
  6. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Niederspannungstreibertransistor (104) ein Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp ist.
  7. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Niederspannungstreibertransistor (104) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem MOSFET, MISFET, IGFET, IGBT, JFET, HEMT, FINFET oder einer Nanoröhrenvorrichtung besteht.
  8. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schalt-Treiberschaltung (102) und der Hochspannungsschalttransistor (101’) als Stapel bereitgestellt sind.
  9. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schalt-Treiberschaltung (102) als einzelnes Halbleiterchip-Gehäuse bereitgestellt ist.
  10. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) eines der folgenden Materialien oder Mischungen aus diesen umfasst: Si, SiO, SiN, Ge, Ga, Al, GaAs, GaN, C, In, InP, SiC, HfO.
  11. Halbleiter-Schaltvorrichtung, umfassend: einen Hochspannungsschalttransistor (101’), der eine Source, einen Drain und ein Gate umfasst und für das Schalten einer Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals angepasst ist; und eine integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung (302), die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) verbunden ist, wobei die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung (302) eine Logikschaltung (103) umfasst, die so angepasst ist, dass sie das Schaltsignal für den Hochspannungsschalttransistor (101’) erzeugt, und eine Schalt-Treiberschaltung (102), die einen Niederspannungstreibertransistor (104) mit einer Source, einem Drain und einem Gate umfasst, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) geschaltet und für die Übertragung des Schaltsignals an den Hochspannungsschalttransistor (101’) angepasst ist, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) in Source-down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors (104) angeordnet ist.
  12. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) und der Niederspannungstreibertransistor (104) elektrisch in einer Kaskodenschaltung verbunden sind.
  13. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist.
  14. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem MOSFET, MISFET, IGFET, IGBT, JFET, HEMT, FINFET oder einer Nanoröhrenvorrichtung besteht.
  15. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Niederspannungstreibertransistor (104) ein Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp ist.
  16. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Niederspannungstreibertransistor (104) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem MOSFET, MISFET, IGBT, JFET, HEMT, FINFET oder einer Nanoröhrenvorrichtung besteht.
  17. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung (302) und der Hochspannungsschalttransistor (101’) als Stapel bereitgestellt sind.
  18. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die integrierte Logik-/Schalt-Treiberschaltung (302) als einzelnes Halbleiterchip-Gehäuse bereitgestellt ist.
  19. Halbbrückenschaltung, umfassend: mindestens zwei Halbleiter-Schaltvorrichtungen (100, HS, LS), die in Reihe geschaltet sind, wobei jede Schaltvorrichtung (100, HS, LS) aufweist: einen Hochspannungsschalttransistor (101’), der für das Schalten einer Hochspannung auf der Basis eines Schaltsignals angepasst ist; und eine Schalt-Treiberschaltung (102), die operativ mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) verbunden ist, wobei die Schalt-Treiberschaltung (102) einen Niederspannungstreibertransistor (104) mit einer Source, einem Drain und einem Gate umfasst, der in Reihe mit dem Hochspannungsschalttransistor (101’) geschaltet und für die Übertragung des Schaltsignals an den Hochspannungsschalttransistor (101’) angepasst ist, wobei der Hochspannungsschalttransistor (101’) in Source-down-Struktur auf dem Drain des Niederspannungstreibertransistors (104) angeordnet ist.
  20. Halbbrückenschaltung nach Anspruch 19, wobei mindestens eine der Halbleiter-Schaltvorrichtungen (100, HS, LS) eine aktive Driftzone (ADZ) umfasst.
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