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Die vorliegende Erfindung betrifft diskrete Halbleiterbauelemente und insbesondere das Messen der Temperatur von diskreten Halbleiterbauelementen.
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Einige diskrete Leistungshalbleiterbauelemente wie etwa IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), JFETs (Junction Field Effect Transistors), Leistungsdioden usw. enthalten eine integrierte Polysiliziumdiode als Temperatursensor. Ein bekannter fester Strom wird durch die Polysiliziumdiode gesteuert und der absolute Durchlassspannungsabfall der Diode wird gemessen. Idealerweise nimmt der absolute Durchlassspannungsabfall der Diode linear mit der Temperatur ab. Somit kann auf die Sperrschichttemperatur der Diode direkt aus dem gemessenen Durchlassspannungsabfall geschlossen werden, wobei eine bekannte Beziehung zwischen dem Durchlassspannungsabfall und der Diodensperrschichttemperatur verwendet wird. Die bei der Halbleiterherstellung inhärente Produktvariation verursacht jedoch eine große Variation bei dem Durchlassspannungsverhalten von Polysiliziumdioden. Infolgedessen ist die Genauigkeit von auf einer Polysiliziumdiode basierenden Temperatursensoren relativ niedrig.
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Außerdem erhöht der Widerstandswert von Leiterbahnen innerhalb des Halbleiter-Die (Chip) von dem externen Anschluss zur Polysiliziumdiode und zurück zum Anschluss den Fehler. Ein durch die Diode fließender Strom erzeugt nicht nur einen Durchlassspannungsabfall an der pn-Sperrschicht der Diode, sondern auch einen Spannungsabfall innerhalb der Leiterbahnen. Somit ist die gemessene Diodenspannung größer als die tatsächliche pn-Sperrschichtspannung. Wenngleich das Vorzeichen des Fehlers bekannt ist, ist es die absolute Größe nicht, was den Messfehler weiter vergrößert.
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Zudem führen auch Variationen des durch die Diode gesteuerten Teststroms einen Fehler ein. Falls beispielsweise der Teststrom zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen oder von Änderungen dieser Testschaltung von Charge zu Charge zunimmt, nimmt die Durchlassspannung der Dioden zu und dies wird irrtümlicherweise als niedrigere Temperatur ausgelegt. Angesichts der obigen und anderer Überlegungen wie etwa geringerer Kosten und Komplexität sind ein genauerer Temperatursensor und eine Temperaturerfassungstechnik für diskrete Leistungshalbleiter erwünscht.
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Gemäß einer Ausführungsform einer Schaltung umfasst die Schaltung einen Halbleiter-Die, der ein diskretes Halbleiterbauelement und wenigstens eine Diode umfasst. Die Schaltung umfasst weiterhin: eine integrierte Schaltung, die dazu bereit ist, einen ersten Durchlassspannungsabfall der wenigstens einen Diode unter einer ersten Testbedingung zu messen, einen zweiten Durchlassspannungsabfall der wenigstens einen Diode unter einer zweiten Testbedingung zu messen, und die Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements auf der Basis der Differenz zwischen der ersten und zweiten Durchlassspannungsabfallmessung zu schätzen.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur eines diskreten Halbleiterbauelements, das in einem Halbleiter-Die enthalten ist, der auch wenigstens eine Diode umfasst, umfasst das Verfahren: Messen eines ersten Durchlassspannungsabfalls der wenigstens einen Diode unter einer ersten Testbedingung, Messen eines zweiten Durchlassspannungsabfalls der wenigstens einen Diode unter einer zweiten Testbedingung und Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements auf der Basis der Differenz zwischen der ersten und zweiten Durchlassspannungsabfallmessung.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Halbleiter-Die umfasst der Die einen diskreten Transistor, eine erste Diode oder Kette erster Dioden und eine zweite Diode oder eine Kette zweiter Dioden. Der Halbleiter-Die umfasst weiterhin einen ersten Anschluss, der an ein Gate des diskreten Transistors angeschlossen ist, einen zweiten Anschluss, der an einen Kollektor oder einen Drain des diskreten Transistors angeschlossen ist, einen dritten Anschluss, der an einen Emitter oder eine Source des diskreten Transistors angeschlossen ist, einen vierten Anschluss, der an eine Anode der ersten Diode oder Kette von ersten Dioden angeschlossen ist und einen fünften Anschluss, der an eine Anode der zweiten Diode oder Kette von zweiten Dioden angeschlossen ist.
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Der Fachmann erkennt bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei der Betrachtung der beiliegenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile.
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Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie einander nicht ausschließen. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der Beschreibung, die folgt, detailliert beschrieben.
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1 zeigt ein Schemadiagramm einer Ausführungsform eines diskreten Halbleiter-Die mit einem integrierten diodenbasierten Temperatursensor.
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2 veranschaulicht ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur eines diskreten Halbleiterbauelements auf der Basis von Durchlassspannungsabfallmessungen für einen integrierten diodenbasierten Temperatursensor.
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3 veranschaulicht ein Diagramm, das zeigt, wie die Temperatur eines diskreten Halbleiter-Die auf der Basis der Differenz zwischen zwei Durchlassspannungsabfallmessungen für den integrierten diodenbasierten Temperatursensor von 1 bestimmt wird.
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4 veranschaulicht ein Schemadiagramm einer weiteren Ausführungsform eines diskreten Halbleiter-Die mit einem integrierten diodenbasierten Temperatursensor, der als eine Kette von Dioden mit einem Kraft- und Erfassungsanschluss implementiert ist.
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5 veranschaulicht ein Schemadiagramm nach einer weiteren Ausführungsform eines diskreten Halbleiter-Die mit einem integrierten diodenbasierten Temperatursensor, der als zwei parallele Ketten von Dioden implementiert ist.
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6 veranschaulicht ein Diagramm, das zeigt, wie die Temperatur eines diskreten Halbleiter-Die auf der Basis der Differenz zwischen zwei Durchlassspannungsabfallmessungen für den integrierten diodenbasierten Temperatursensor von 5 bestimmt wird.
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7 veranschaulicht ein Schemadiagramm einer Ausführungsform einer Schaltung, die einen Halbleiter-Die mit einem diskreten Halbleiterbauelement und einem integrierten diodenbasierten Temperatursensor enthält, und eine integrierte Schaltung zum Bestimmen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements auf der Basis von Durchlassspannungsabfallmessungen für den integrierten diodenbasierten Temperatursensor.
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Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen werden Temperatursensoren und Temperaturerfassungstechniken für diskrete Leistungshalbleiterbauelemente mit hoher Gesamtgenauigkeit bereitgestellt. Die hierin beschriebenen Temperatursensoren und Temperaturerfassungstechniken sind weniger anfällig für Fehler, die durch Herstellungsschwankungen, Spannungsabfall aufgrund von Widerstandswerten von Leiterbahnen innerhalb des Die (Chip) und/oder Bonddrähten und/oder Verbindern und Stromquellenvariationen verursacht werden. Die hierin beschriebenen Temperatursensoren und Temperaturerfassungstechniken können mit diskreten Transistoren wie etwa IGBTs, MOSFETs, JFETs usw. und diskreten Dioden verwendet werden. Im Kontext der vorliegenden Patentschrift sollte der Ausdruck „MOSFET“ so verstanden werden, dass er den allgemeineren Ausdruck „MIS-FET“ (Metal-Insulator-Semiconductor FET) beinhaltet. Beispielsweise sollte der Ausdruck MOSFET so verstanden werden, dass er FETs mit einem Gateisolator beinhaltet, der kein Oxid ist, das heißt, der Ausdruck MOSFET wird in der allgemeineren Bedeutung des Ausdrucks IGFET (Insulated-Gate Field-Effect Transistor) bzw. MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor) verwendet.
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1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Halbleiter-Die 100 mit einem integrierten Temperatursensor zur Verwendung beim Erfassen der Temperatur eines diskreten Leistungshalbleiterbauelements 102. Das diskrete Leistungshalbleiterbauelement 102 ist in 1 als diskreter IGBT lediglich zu Veranschaulichungszwecken dargestellt und besitzt ein Gate (G), einen Kollektor (C) und einen Emitter (E), könnte aber auch ein diskreter MOSFET oder ein diskreter JFET sein, wo sich der Kollektor anstelle eines Drain (D) befindet und der Emitter sich anstelle einer Source (S) befindet, oder eine diskrete Diode. Im Fall eines diskreten MOSFET besitzt der MOSFET eine intrinsische Body-Diode oder Reverse-Diode (d.h. Anode angeschlossen an Source, Kathode angeschlossen an Drain), die in 1 nicht gezeigt ist, um eine Verwirrung zu vermeiden. Der Ausdruck „diskret“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Elektronikkomponente mit nur einem Schaltungselement wie etwa einem Transistor oder eine Diode aber nicht auf eine integrierte Schaltung. Im Vergleich enthält eine integrierte Schaltung typischerweise hunderte bis Milliarden von Schaltungselementen auf einem einzelnen Chip.
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Der in den Halbleiter-Die 100 mit dem diskreten Leistungshalbleiterbauelement 2 integrierte diodenbasierte Temperatursensor 104 ist eine einzelne Erfassungsdiode 105 gemäß dieser Ausführungsform, wie etwa eine Polysiliziumdiode, Schottky-Diode usw. in unmittelbarer Nähe zum diskreten Halbleiterbauelement 102. Allgemein kann es sich bei der Diode 105 um eine beliebige Art von Diode handeln, die mit dem diskreten Halbleiterbauelement 102 integriert werden kann und einen bekannten Durchlassspannungsabfall (VF) über der Temperaturcharakteristik besitzt, was das Schätzen der Diodensperrschichttemperatur (Tj) aus der relativen Differenz (Delta) zwischen zwei Durchlassspannungsabfallmessungen für die Diode 105 gestattet. Das heißt, die Diode 105 besitzt eine definierte Beziehung des Durchlassspannungsabfalls zur Sperrschichttemperatur. Die Diode 105 wird nahe genug an dem diskreten Leistungshalbleiterbauelement 100 ausgebildet, so dass die Sperrschichttemperatur (Tj) der Diode 105 eine präzise Darstellung der Temperatur des diskreten Leistungshalbleiterbauelements 102 ist. Beispielsweise kann die Diode 105 in das Leistungshalbleiterbauelement 102 eingebettet sein, zum Beispiel nahe an seiner Oberfläche.
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Der Halbleiter-Die 100 enthält weiterhin einen ersten Anschluss 106 wie etwa ein Bondpad, das an das Gate des IGBT oder das Gate des MOSFET/JFET angeschlossen ist, einen zweiten Anschluss 108, der an den Kollektor des IGBT oder den Drain des MOSFET/JFET angeschlossen ist, einen dritten Anschluss 110, der an den Emitter des IGBT oder die Source des MOSFET/JFET angeschlossen ist, und einen vierten Anschluss 112, der an die Kathode der Temperaturerfassungsdiode 105 angeschlossen ist. Alternativ kann der vierte Anschluss 112 an die Anode der Temperaturerfassungsdiode 105 angeschlossen sein, und seine Kathode kann an den dritten Anschluss 110 angeschlossen sein (z.B. mit der gleichen, in 4 und 5 gezeigten Orientierung). Die Anschlüsse 106–112 können an die entsprechenden Knoten des diskreten Halbleiterbauelements 102 und der Temperaturerfassungsdiode 105 durch eine von Metallschichten, dotierten Halbleitergebieten, dotierten Polysiliziumgebieten usw. angeschlossen sein. Mit anderen Worten kann „angeschlossen“, wie es hierin verwendet wird, entweder eine direkte elektrische Verbindung (keine dazwischenliegenden Strukturen oder Gebiete) oder eine indirekte elektrische Verbindung (eine oder mehrere dazwischenliegende Strukturen oder Gebiete) bedeuten. Der Halbleiter-Die 100 kann auch einen in 1 nicht gezeigten fünften Anschluss enthalten, der an die Anode der Temperaturerfassungsdiode 105 angeschlossen ist. Alternativ kann die Anode der Diode 105 intern an den Emitter des IGBT oder die Source des MOSFET/JFET angeschlossen sein, wie in 1 gezeigt, oder an die Anode oder Kathode einer diskreten Diode und der fünfte Anschluss kann entfallen.
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In jedem Fall wird die Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 durch Messen des Durchlassspannungsabfalls der Temperaturerfassungsdiode 105 unter unterschiedlichen Testbedingungen und Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 auf der Basis der Differenz (Delta) zwischen den Durchlassspannungsabfallmessungen gemessen. Eine derartige relative Durchlassspannungstemperaturmesstechnik ist für die zuvor hierin beschriebenen Fehler weniger anfällig, im Vergleich zu herkömmlichen absoluten Durchlassspannungstemperaturmesstechniken.
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2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102. Das Verfahren beinhaltet das Messen eines ersten Durchlassspannungsabfalls (VF1) der Temperaturerfassungsdiode 105 unter einer ersten Testbedingung (Block 200) und Messen eines zweiten Durchlassspannungsabfalls (VF2) der Diode 105 unter einer zweiten Testbedingung (Block 210). Im Fall der Ausführungsform von 1 beinhaltet die erste Testbedingung das Ansteuern eines ersten bekannten Stroms IF1 durch die Temperaturerfassungsdiode 105 zum Beispiel über den an die Anode der Diode 105 angeschlossenen Anschluss 110 des Halbleiter-Die 100, und die zweite Testbedingung beinhaltet das Ansteuern eines von IF1 verschiedenen zweiten bekannten Stroms IF2 durch die Diode 105 zum Beispiel über den gleichen Die-Anschluss 110. Die verschiedenen Durchlassspannungsabfallmessungen VF1, VF2 können über den an die Kathode der Diode 105 angeschlossenen Anschluss 112 des Halbleiter-Die 100 erfolgen.
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Die Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 wird dann auf der Basis von ∆VF = (VF1 – VF2), d.h. die Differenz zwischen der ersten und zweiten Durchlassspannungsabfallmessung, geschätzt (Block 220). Die Durchlassspannungen VF1 und VF2 können nacheinander über die Die-Anschlüsse 110, 112, die an die Anode und Kathode der Temperaturerfassungsdiode 105 angeschlossen sind, gemessen werden.
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Die Messung des Durchlassspannungsabfalls VF der Temperaturerfassungsdiode
105 ist eine relative Messung, d.h. eine ∆VF-Messung, wobei ∆VF gegeben ist durch:
und wobei:
- ν
- ein Emissionsfaktor oder ein Qualitätsfaktor ist,
- k
- die Boltzmann-Konstante ist,
- q
- die Elementarladung ist,
- T
- die Absoluttemperatur der Diode ist.
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Gemäß dieser Relativmesstechnik ist das Messergebnis signifikant weniger anfällig gegenüber einer Produktvariation der Erfassungsdioden sowie einer Produktvariation (und temperaturbasierten Änderungen) der Stromquellen IF, IF1, IF2. Das Ergebnis ist ein Temperaturschätzwert, der nicht direkt auf einer absoluten VF-Messung basiert, sondern vielmehr auf einer relativen ∆VF-Berechnung basiert. Das heißt, der Durchlassspannungsabfall VF einer Diode wird zweimal gemessen: einmal wird bei einem niedrigen Strom z.B. IF1 und VF1 gemessen; und einmal wird bei einem größeren Strom z.B. IF2 und VF2 gemessen. Die Differenz von VF1 und VF2 ist direkt proportional zu der in Kelvin gemessenen Absoluttemperatur, wie in 3 gezeigt, wobei die in 1 gezeigte Temperaturerfassungsdiode 105 als „Diode“ D in 3 bezeichnet wird (in 3 ist IF1 der größere Strom und IF2 ist der kleinere Strom, somit ist VF1 größer als VF2).
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Gemäß Gleichung (1) nimmt ∆VF linear mit der Absoluttemperatur T zu, d.h. ∆VF = (VF1 – VF2) ~ Absoluttemperatur T. Außerdem ist ∆VF unabhängig von einem Sättigungsstrom und deshalb nicht anfällig für durch eine Produktvariation verursachte Fehler. Stattdessen bestimmt das Stromverhältnis IF1/IF2 die Gesamtgenauigkeit des diodenbasierten Temperatursensors. Die Durchlassspannungsabfalldifferenz ∆VF kann direkt zum Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 verwendet werden. Im Fall des diodenbasierten Temperatursensors 104 mit einer einzelnen Temperaturerfassungsdiode 105 wie in 1 gezeigt, ist die resultierende Signalgröße klein. Beispielsweise ist ∆VF/∆Temperatur < 1mV/Kelvin für eine einzelne Polysiliziumdiode und typischerweise zwischen 0,2 und 0,4 mV/K. Zur Vergrößerung der Signalgröße kann der diodenbasierte Temperatursensor mehr als eine Diode enthalten.
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4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des diodenbasierten Temperatursensors 104 zur Verwendung beim Erfassen der Temperatur eines diskreten Leistungshalbleiterbauelements 102. Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der Ausführungsform von 1. Der diodenbasierte Temperatursensor 104 enthält jedoch eine einzelne Kette von Dioden 300. 4 zeigt vier Dioden in der Diodenkette 300 lediglich zu Veranschaulichungszwecken. Allgemein gilt: falls „n“ Dioden in Reihe geschaltet sind (d.h. in einer Kette), dann steigt die Spannungsdifferenz auf n·∆VF. Außerdem besitzt gemäß dieser Ausführungsform der Halbleiter-Die 100 separate Kraft- und Erfassungsanschlüsse 302, 304 zum Ansteuern der Testströme IF1 und IF2 durch die Kette von Dioden 300 und Messen der entsprechenden Durchlassspannungsabfälle VF1 bzw. VF2. Der Durchlassspannungsabfall VFx wird zwischen den Anschlüssen 304 und 110 gemessen, während der Strom IFx in den Anschluss 302 gesteuert wird.
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Allgemein hängt der Verstärkungsfaktor oder die Empfindlichkeit (in Milivolt/Kelvin gemessen) des diodenbasierten Temperatursensors 104 von dem Verhältnis IF1/IF2 der Testströme ab und liegt typischerweise zwischen etwa 0,2 und 0,4 mV/K. Dies wird mit herkömmlichen Temperatursensoren verglichen, die einen Verstärkungsfaktor oder eine Empfindlichkeit besitzen, die im Bereich zwischen 1,4 und 1,6 mV/K liegen. Die Genauigkeit (der Fehler) des Temperatursensors 104 wird durch ln (IF1/IF2) bestimmt. Der Ausdruck ln (IF1/IF2) nimmt den gleichen pn-Sperrschichtbereich für die erste und zweite Durchlassspannungsabfallmessung VF1 und VF2 an. Im Fall des Temperatursensors 104 mit zwei Diodenketten zum Messen von VF1 und VF2 ist die Stromdichte relevant. Somit ist ln(JF1·Fläche1/JF2·Fläche2) ein allgemeinerer Ausdruck, wobei „Fläche 1“ die pn-Sperrschichtfläche der ersten Kette von Dioden bezeichnet und „Fläche 2“ die pn-Sperrschichtfläche der zweiten Kette von Dioden bezeichnet (z.B. wie in 5 gezeigt). Somit kann für die gleiche pn-Sperrschichtfläche ∆VF ausgedrückt werden durch ln(JF1/JF2).
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5 veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform des diodenbasierten Temperatursensors 104 zur Verwendung beim Erfassen der Temperatur eines diskreten Leistungshalbleiterbauelements 102. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich den Ausführungsformen von 1 und 4. Der Temperatursensor 104 enthält jedoch zwei Ketten von Dioden 400, 402 zum Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 anstelle einer Diodenkette (4) oder einer einzelnen Diode (1). Jede Diodenkette 400, 402 besitzt mehr als eine Diode in 5. Allgemein kann jede Diodenkette 400, 402 eine oder mehrere Dioden in Reihe enthalten. Allgemein gibt es zwei parallele Dioden (oder zwei Ketten von Dioden), und IF1 und IF2 können gleichzeitig fließen. Als solches kann ∆VF sofort gemessen und direkt abgelesen werden. Der Messprozess kann schnell durchgeführt werden, sogar bei Verwendung von einfachen und preiswerten (analogen) Schaltungen. Sogar die Verarbeitung wie etwa das Vergleichen von ∆VF (=Temperatur) mit einem Schwellwert, um zu bestimmen, ob ein Temperaturschwellwert erreicht ist (z.B. ein Übertemperaturwarnungsschwellwert oder ein Übertemperaturabschaltschwellwert), können sofort und mit nur wenig zusätzlicher Schaltungsanordnung erfolgen. Im Gegensatz dazu fließen in 1 IF1 und IF2 sequentiell und somit wird VF1 zuerst gemessen, digitalisiert und gespeichert und danach kann VF2 gemessen, digitalisiert und gespeichert werden und schließlich kann ∆VF berechnet werden wie hier zuvor beschrieben.
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Der Halbleiter-Die 100 kann einen in 5 nicht gezeigten separaten Anschluss enthalten, der an die Kathode (CA1, CA2) jeder Diodenkette 400, 402 angeschlossen ist. Alternativ kann die Kathode jeder Diodenkette 400, 402 intern an den Emitter des IGBT oder die Source des MOSFET/JFET angeschlossen sein, wie in 5 gezeigt, oder an die Anode oder Kathode einer diskreten Diode, und dieser zusätzliche Anschluss kann entfallen. Weiterhin ist gemäß dieser Ausführungsform die Anode (A1, A2) jeder Diodenkette 400, 402 an einen anderen Anschluss 404, 406 des Halbleiters 100 zum Ansteuern von Testströmen durch den diodenbasierten Temperatursensor 104 angeschlossen. Die Temperatur des diskreten Leistungshalbleiterbauelements 102 wird bestimmt durch Messen eines ersten Durchlassspannungsabfalls (VF1) als Reaktion auf einen über den entsprechenden Die-Anschluss 404 durch die erste Diodenkette 400 gesteuerten ersten Strom (IF1), Messen eines zweiten Durchlassspannungsabfalls (VF2) als Reaktion auf einen über den entsprechenden Die-Anschluss 406 durch die zweite Diodenkette 402 gesteuerten zweiten Strom (IF2) und Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 auf der Basis der Differenz zwischen VF1 und VF2.
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Die Durchlassspannung VF1 kann über die Die-Anschlüsse 404, 110 gemessen werden, die an die Anode A1 und die Kathode CA1 der ersten Diodenkette 400 angeschlossen sind. Die Durchlassspannung VF2 kann über die Die-Anschlüsse 406, 110 gemessen werden, die an die Anode A2 und Kathode CA2 der zweiten Diodenkette 402 angeschlossen sind. Bei einer Ausführungsform wird der erste Strom IF1 durch die erste Diodenkette 400 gleichzeitig mit dem durch die zweite Diodenkette 402 angesteuerten zweiten Strom IF2 angesteuert. Die Differenz zwischen VF1 und VF2 kann in Echtzeit ausgewertet werden und ohne dass VF1 und VF2 gespeichert werden müssen, um die Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 zu schätzen. Auf diese Weise sind Speicher und digitale Schaltungsanordnung nicht notwendigerweise erforderlich, können aber, falls gewünscht, bereitgestellt werden. Außerdem gibt es keine Zeitverzögerungen, das heißt, eine Echtzeittemperaturmessung ist zu einem beliebigen einzelnen Zeitpunkt verfügbar. IF1 und IF2 können gleichzeitig angesteuert werden, wie hierin zuvor beschrieben. Jedoch kann das Leistungshalbleiterbauelement 102 selbst (IGBT/MOSFET/JFET/Diode) zu dieser Zeit ausgeschaltet werden, d.h. kein Strom durch den zweiten Anschluss 108, kein signifikanter Strom durch den dritten Anschluss 110 (außer einem kleinen IFx). Normalerweise schalten die Leistungshalbleiter in Leistungselektronikschaltungen mit mehreren Kilohertz bis mehreren Megahertz periodisch ein und aus. Falls VFx-Messungen während der Aus-Perioden durchgeführt werden, werden Quellen von Fehlern weiter minimiert.
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Die Gleichung ln((JF1·Area1)/(JF2·Area2)), die hierin zuvor beschrieben wurde, liefert eine Option zum weiteren Abstimmen von ∆VF mit Hilfe einer anderen pn-Sperrschichtfläche für Diodenketten 1 oder 2. Unterschiedliche Testströme IF1 ≠ IF2 können unter Verwendung von JF1 ≠ JF2 für die gleiche pn-Sperrschichtfläche oder durch Verwenden von JF1 = JF2 und Fläche1 ≠ Fläche2 und verschiedene Kombinationen aus „JF“ und „Fläche“ erhalten werden. Bei einer Ausführungsform ist die pn-Sperrschichtfläche der ersten Diodenkette 400 von der pn-Sperrschichtfläche der zweiten Diodenkette 402 verschieden. Gemäß dieser Ausführungsform kann der in die erste Diodenkette 400 gesteuerte erste Strom (IF1) der gleiche sein wie der in die zweite Diodenkette 402 gesteuerte Strom (IF2). Bei einer weiteren Ausführungsform besitzen die erste und zweite Diodenkette 400, 402 die gleiche pn-Sperrschichtfläche und IF1 ≠ IF2. In diesem Fall besitzt der in die erste Diodenkette 400 gesteuerte erste Strom (IF1) eine andere Größe als der in die zweite Diodenkette 402 gesteuerte zweite Strom (IF2). In jedem Fall ist VF1 ≠ VF2 und die Sperrschichttemperatur des diodenbasierten Temperatursensors 104 ist proportional zu ∆VF = VF1 – VF2. Das heißt, die Differenz zwischen VF1 und VF2 ist direkt proportional zu der in Kelvin gemessenen Absoluttemperatur, wie in 6 gezeigt, wobei die erste Diodenkette 400 als „D1“ bezeichnet wird, die zweite Diodenkette 402 als „D2“ bezeichnet wird, IF1 ≠ IF2 und Fläche1 = Fläche2.
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Die Temperaturerfassungsdiode oder Kette von Temperaturerfassungsdioden oder Erfassungsdioden oder Ketten von Temperaturerfassungsdioden, die hierin beschrieben werden, sind in den Halbleiter-Die 100 integriert und thermisch mit dem diskreten Halbleiterbauelement 102 gekoppelt, so dass die Sperrschichttemperatur des diodenbasierten Temperatursensors 104 eine genaue Darstellung der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 ist. Der diodenbasierte Temperatursensor 104 kann elektrisch von dem diskreten Halbleiterbauelement 102 isoliert sein, das heißt, weder die Anode noch die Kathode sind elektrisch an irgendwelche Knoten (Gate, Kollektor/Drain, Emitter/Source, Anode, Kathode) der diskreten Einrichtung 102 angeschlossen. Stattdessen sind die Anode und Kathode des diodenbasierten Temperatursensors 104 elektrisch von den diskreten Bauelementknoten 102 isoliert. Alternativ können die Anode oder Kathode oder der Erfassungs- oder Kraftanschluss des diodenbasierten Temperatursensors 104 elektrisch an einen oder mehrere der diskreten Bauelementknoten angeschlossen sein, beispielsweise an den Emitteranschluss eines diskreten IGBT oder den Sourceanschluss eines diskreten MOSFET/JFET oder an die Anode oder Kathode einer diskreten Leistungsdiode. Eine derartige interne Anordnung reduziert die Kosten und Komplexität (die Terminal-/Pad-Anzahl des Die ist reduziert, die Anzahl an Bonddrähten ist reduziert, die Pinanzahl des Package oder Moduls ist reduziert). Beispielsweise kann eine einzelne Temperaturerfassungsdiode mit einem diskreten Halbleiterbauelement 102 integriert sein und die Anode der Diode kann elektrisch an den Emitter eines diskreten IGBT oder die Source eines diskreten MOSFET/JFET angeschlossen sein, z.B. wie in 1 gezeigt. Bei einem weiteren Beispiel kann eine einzelne Kette aus zwei oder mehr Temperaturerfassungsdioden in Reihe elektrisch an den Emitter eines diskreten IGBT oder die Source eines diskreten MOSFET/JFET angeschlossen sein, wobei der Temperatursensor separate Kraft- und Erfassungsanschlüsse besitzt, z.B. in 4 gezeigt. Bei noch einem weiteren Beispiel können zwei Ketten aus Temperaturerfassungsdioden, jeweils mit einer oder mehreren Dioden in Reihe, elektrisch an den Emitter eines diskreten IGBT oder die Source eines diskreten MOSFET/JFET angeschlossen sein, z.B. wie in 5 gezeigt.
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7 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Schaltung, die einen Halbleiter-Die 100 enthält, der ein diskretes Halbleiterbauelement 102 und einen diodenbasierten Temperatursensor 104 umfasst, und eine integrierte Schaltung 500 zum Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 auf der Basis von Durchlassspannungsmessungen für den diodenbasierten Temperatursensor 104. Das diskrete Leistungshalbleiterbauelement 102 ist in 7 als diskretes IGBT lediglich zu Veranschaulichungszwecken dargestellt und besitzt ein Gate (G), einen Kollektor (C) und einen Emitter (E), es könnte aber auch ein diskreter MOSFET oder ein diskreter JFET sein, wobei der Kollektor stattdessen ein Drain (D) ist und der Emitter stattdessen eine Source (S) ist, oder eine diskrete Diode. Je nach der Die-Technologie können verschiedene Arten von parasitären Bauelementen P1, P2 vorliegen. Der Widerstandswert der Transistordriftzone (RDRIFT) und des Body (RBODY) sind ebenfalls in 7 gezeigt.
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Die integrierte Schaltung 500 zum Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 kann als eine unabhängige Schaltung separat von einer anderen Schaltungsanordnung implementiert werden, die die normale funktionale Operation des diskreten Halbleiterbauelements 102 steuert. Alternativ kann die integrierte Schaltung 500 ein integraler Teil der Schaltungsanordnung sein, die die Operation des diskreten Halbleiterbauelements 102 steuert. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung 500 als Teil eines Controllers oder Treibers implementiert sein, der programmiert oder ausgelegt ist, um die normale funktionale Operation des diskreten Halbleiterbauelements 102 zu steuern und auch die Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 auf der Basis von Durchlassspannungsmessungen für den diodenbasierten Temperatursensor 104 zu schätzen. Die integrierte Schaltung 500 enthält eine Analyseeinheit 502 zum Messen eines ersten Durchlassspannungsabfalls VF1 des diodenbasierten Temperatursensors 104 unter einer ersten Testbedingung, Messen eines zweiten Durchlassspannungsabfalls VF2 des diodenbasierten Temperatursensors 104 unter einer zweiten Testbedingung und Schätzen der Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements 102 auf der Basis der Differenz zwischen VF1 und VF2, wie hierin zuvor beschrieben.
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Gemäß der in 7 gezeigten Ausführungsform enthält der diodenbasierte Temperatursensor 104 zwei Temperaturerfassungsdioden DP1, DP2, die in den Halbleiter-Die 100 (z.B. einen Leistungstransistor-Die oder einen Leistungsdioden-Die) integriert sind. Die integrierte Schaltung 500 besitzt eine erste Stromquelle 504 zum Generieren eines ersten Stroms IF1 und eine zweite Stromquelle 506 zum Generieren eines zweiten Stroms IF2. Die zweite Stromquelle 506 ist insofern an die erste Stromquelle 504 angepasst, als dass das Verhältnis IF1/IF2 eine kleine Temperaturvariation besitzt und auch eine kleine Variation zwischen Chargen (d.h. eine sehr kleine IF/IF2-Verteilung über die Produktion hinweg). Bei einer Ausführungsform ist die zweite Stromquelle 506 derart an die erste Stromquelle 504 angepasst, dass das Verhältnis IF1/IF2 über einen Temperaturbereich von –40ºC bis 175ºC um +/–1% variiert. Allgemein ist eine Anpassung < 1% leicht auf der Basis der hierin beschriebenen Techniken erzielbar, sogar 0,25%, und somit ist die Temperaturmessung ohne größeren Aufwand sehr genau.
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Die Analyseeinheit 502 legt den Strom IF1 an einen ersten Kraftanschluss (F1) des Halbleiter-Die 100 und den Strom IF2 an einen zweiten Kraftanschluss (F2) des Die 100 an. Der erste Kraftanschluss F1 ist an die Anode der ersten Temperaturerfassungsdiode DP1 angeschlossen, und der zweite Kraftanschluss F2 ist an die Anode der zweiten Temperaturerfassungsdiode DP2 angeschlossen. Parasitäre Widerstandswerte RA1, RA2, mit den jeweiligen Verbindungswegen assoziiert, sind in 7 gezeigt. Der Halbleiter-Die 100 enthält auch einen ersten und zweiten Erfassungsanschluss S1, S2 und einen gemeinsamen Kathodenanschluss CD zum Messen von Durchlassspannungsabfällen an den Temperaturerfassungsdioden DP1, DP2. Die Kathoden der Temperaturerfassungsdioden DP1, DP2 sind intern innerhalb des Die 100 mit einem gemeinsamen Anschluss CD des Die 100 in 7 verbunden. Alternativ können die Kathoden der Temperaturerfassungsdioden DP1, DP2 mit in 7 nicht gezeigten verschiedenen Anschlüssen des Die verbunden sein und deshalb nicht intern innerhalb des Die 100 verbunden sein. In jedem Fall misst die Analyseeinheit 502 den Durchlassspannungsabfall VF1 der ersten Temperaturerfassungsdiode DP1 als Reaktion auf einen Strom IF1 zwischen dem Erfassungsanschluss S1 und dem Kathodenanschluss CD des Die 100. Die Analyseeinheit 502 misst analog den Durchlassspannungsabfall VF2 an der zweiten Temperaturerfassungsdiode DP2 als Reaktion auf den Strom I2 zwischen dem Erfassungsanschluss S2 und dem Kathodenanschluss CD des Die 100. Ein niederohmiger Weg kann zwischen den Erfassungsanschlüssen S1, S2 des Halbleiter-Die 100 und der integrierten Schaltung 500 vorgesehen werden, um eine genaue Erfassung sicherzustellen. Allgemein ist der Strom durch die Erfassungsanschlüsse S1, S2 standardmäßig sehr klein, viel kleiner als IF1 und IF2, und somit ist der Spannungsabfall an dem niederohmigen Weg sehr klein. Außerdem zählt nur ∆VF (= VF1 – VF2), und somit hebt sich der fehlerhafte Spannungsabfall in S1 und S2 auf, solange der Strom durch S1 und S2 der gleiche ist. Dies ist eine Schlüsselqualität der hierin beschriebenen relativen Messtechniken, dass sich die meisten Fehler aufheben.
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Die Analyseeinheit 502 misst oder berechnet ∆VF = VF1 – VF2, was direkt proportional zur Sperrschichtabsoluttemperatur (Tj) der Temperaturerfassungsdioden ist (Tj ~ ∆VF/Tj ~ VF1 – VF2). Die Messung oder Einschätzung von ∆VF kann innerhalb der gleichen integrierten Schaltung durchgeführt werden, die die Stromquellen 504, 506 enthält. Die ∆VF-Messung ist eine Relativmessung im Vergleich zu einer herkömmlichen Absolutmessung, wo die Temperatur auf der Basis einer einzelnen VF-Messung geschätzt wird. Bezüglich der Schaltungszeitsteuerung können die Stromquellen 504, 506, die Analyseeinheit 502, der ADC 510 usw. so synchronisiert sein, dass die Messung und Berechnung usw. des Stroms IFx und von VF miteinander synchronisiert sind. Außerdem kann die Temperaturmessung mit dem periodischen Schaltübergang des diskreten Halbleiterbauelements 102 im Fall eines diskreten IGBT/MOSFET/JFET synchronisiert sein. Die integrierte Schaltung 500 kann auch eine vorbestimmte Aktion für den Fall durchführen, dass ein (Temperatur-)Schwellwert erreicht ist, z.B. Setzen eines Warnflags, Erhöhen eines Fehlerzählers, Abschalten des (überhitzten) diskreten Halbleiterbauelements 102 (z.B. kann die integrierte Schaltung Teil eines Treiber-IC des diskreten Halbleiterbauelements 102 sein), Signalisieren, dass eine Übertemperaturbedingung erreicht worden ist, zu einer anderen Schaltung wie etwa einem Treiber-IC oder DSP/Microcontroller usw.
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Die in 7 gezeigte integrierte Schaltung kann zur Verwendung mit irgendeiner der hierin beschriebenen diodenbasierten Temperatursensorausführungsformen ausgelegt sein. Beispielsweise kann bezüglich der einzelnen Temperaturerfassungsdiodenausführungsform von 1 die integrierte Schaltung 500 einen Schalter oder Multiplexer (zur Erleichterung der Darstellung in 7 nicht gezeigt) zum Wählen der ersten Stromquelle 504 zum Ansteuern des Teststroms I1 durch die einzelne Diode 105 und dann Wählen der zweiten Stromquelle 506 zum Ansteuern des Teststroms I2 durch die Diode 105 enthalten. Alternativ kann die integrierte Schaltung 500 eine einzelne programmierbare Stromquelle enthalten, die programmiert sein kann, um zwei verschiedene Ströme IF1, IF2 durch die einzelne Diode 105 zu unterschiedlichen Zeiten anzusteuern. In jedem Fall ist die Analyseeinheit 502 von zumindest teilweise digitaler Natur und kann einen Speicher 508 zum Speichern der resultierenden Durchlassspannungsmessungen VF1, VF enthalten. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung 502 eine ADC-Schaltungsanordnung (Analogto-Digital Converter – Analog-Digital-Wandler) 510 zum Umwandeln analoger Durchlassspannungsmesswerte in entsprechende digitale Darstellungen zur Speicherung im Speicher 508 enthalten. Die Analyseeinheit 502 schätzt die Temperatur des diskreten Halbleiterbauelements auf der Basis der Differenz zwischen den im Speicher 508 gespeicherten Durchlassspannungsabfallmessungen zum Beispiel auf der Basis von Gleichung (1). In diesem Fall der einzelnen Temperaturerfassungsdiodenausführungsform von 1 benötigt der Halbleiter-Die 100 nur einen Kraftanschluss und einen Erfassungsanschluss zum Messen der Durchlassspannungsabfälle VF1, VF2, wie hierin zuvor beschrieben.
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Bezüglich der Ausführungsform mit einzelner Temperaturerfassungsdiodenkette von 4 kann die integrierte Schaltung 500 das gleiche oder ein ähnliches Design wie für die Ausführungsform mit einzelner Temperaturerfassungsdiode von 1 besitzen, weil die einzelne Kette von Dioden 300 unter der Perspektive der integrierten Schaltung 500 bezüglich des Messens der Durchlassspannungsabfälle VF1, VF2 als eine Diode betrachtet werden kann. Bezüglich der Ausführungsform mit doppelter Temperaturerfassungsdiodenkette von 5 kann die integrierte Schaltung das gleiche oder ein ähnliches Design wie in 7 gezeigt besitzen, weil jede Kette von Dioden 400, 402 unter der Perspektive der integrierten Schaltung 500 bezüglich des Messens der Durchlassspannungsabfälle VF1, VF2 als eine Diode angesehen werden kann. In jedem Fall besitzt die integrierte Schaltung 500 einen relativ niedrigen Temperaturmessfehler.
