DE102015122520A1

DE102015122520A1 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE102015122520A1
Application number: DE102015122520.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Georg Laven; Christian Kegler; Joachim Mahler; Günther Ruhl; Hans-Joachim Schulze
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: US9515243B2; CN105716734B; US20160181496A1; CN105716734A; US20170082502A1; US10670474B2; DE102015122520B4

Abstract

Temperatursensorvorrichtungen und entsprechende Verfahren werden bereitgestellt. Ein Temperatursensor kann eine erste Schicht aufweisen, die im Wesentlichen in einem Temperaturbereich nicht leitend ist, und eine zweite Schicht, die einen variierenden Widerstand in dem Temperaturbereich aufweist.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Anmeldung betrifft Temperatursensoren und entsprechende Verfahren.
Allgemeiner Stand der Technik
Temperatursensoren werden generell in vielen Anwendungen verwendet, um eine Temperatur zu messen. Für die exakte Temperaturmessung ist es generell wünschenswert, dass die Sensoren selbst eine geringere Verlustleistung insbesondere an der Position des Sensors aufweisen, da Verlustleistung eine Erwärmung bewirken kann, die wiederum die Messung selbst beeinflussen kann. Bei einigen Anwendungen ist es zudem wünschenswert, dass der Temperatursensor gegenüber Magnetfeldern unempfindlich ist.
Konventionelle Temperatursensoren können beispielsweise auf pn-Dioden oder auf Messwiderständen basieren, die beispielsweise aus Platin hergestellt werden. Beide Arten von Sensoren erfordern einen Dauerstrom und bewirken daher eine entsprechende Verlustleistung. Des Weiteren werden kapazitive Temperatursensoren verwendet, die im Wesentlichen keine Verlustleistung am Sensor selbst aufweisen. Konventionelle kapazitive Temperatursensoren basieren auf Dielektrika, deren Dielektrizitätskonstante eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Es ist daher eine Aufgabe, Temperatursensorvorrichtungen und Vorrichtungen bereitzustellen, bei welchen beispielsweise eine Verlustleistung verringert ist.
Kurzfassung
Es werden eine Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 15 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen. Die Temperatursensorvorrichtung oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15–31 kann dabei entsprechend einem der Ansprüche 1–14 ausgebildet sein. Ein Graben wird im Englischen als „trench“ bezeichnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Temperatursensors zusammen mit einem Messstromkreis gemäß einer Ausführungsform.
2 veranschaulicht eine schematische Ersatzschaltung eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform.
3 veranschaulicht einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform.
4 veranschaulicht ein Dotierprofil eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Schaltplan, der verwendet wird, um eine Funktion von Temperatursensoren gemäß einigen Ausführungsformen zu veranschaulichen.
Die 6 bis 11 sind verschiedene Diagramme, die die eine mögliche Materialauswahl für Temperatursensoren gemäß einigen Ausführungsformen veranschaulichen.
12 ist eine schematische Darstellung einer Transistorvorrichtung, die einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform aufweist.
13 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.
14 ist ein Diagramm, das einen Sensor veranschaulicht, der in eine Vorrichtung und deren Steuerung gemäß einer weiteren Ausführungsform integriert ist.
15 veranschaulicht einen Sensor, der in eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform integriert ist.
16 veranschaulicht eine Ersatzschaltung eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform.
Die 17 und 18 zeigen beispielhafte Signale, wie sie bei einigen Ausführungsformen verwendbar sind.
19 ist eine schematische Seitenansicht, die einen Temperatursensor veranschaulicht, der in eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform integriert ist.
20 veranschaulicht eine Ersatzschaltung eines Temperatursensors, der in eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform integriert ist.
21 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren veranschaulicht, um einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform zu lesen.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass diese Ausführungsformen nur Veranschaulichungszwecken dienen und nicht als den Umfang der vorliegenden Anmeldung einschränkend auszulegen sind.
Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsformen wie im Folgenden beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt, können, sofern es nicht ausdrücklich anders angegeben ist, miteinander kombiniert werden. Außerdem kann eine Modifikation oder Variation, wie sie in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben ist, auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein, es sei denn, dass das Gegenteil angegeben ist.
Während Ausführungsformen als mehrere verschiedene Merkmale oder Elemente aufweisend beschrieben sein können, können bei anderen Ausführungsformen einige dieser Elemente oder Merkmale ausgelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt sein. Bei anderen Ausführungsformen können, zusätzlich oder alternativ weitere Merkmale oder Elemente bereitgestellt sein, abgesehen von denjenigen, die explizit beschrieben und gezeigt sind.
Verschiedene in den Zeichnungen gezeigte Elemente sind nicht unbedingt maßstäblich zueinander und die räumliche Anordnung der verschiedenen in den Zeichnungen gezeigten Elemente ist nicht als eingrenzend auszulegen, sondern soll nur als ein Beispiel dienen. Jegliche angegebenen numerischen Werte dienen Veranschaulichungszwecken und können abhängig von der speziellen Implementierung variieren.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein Temperatursensor, der Schichtabschnitte aufweist, bereitgestellt. Schichtabschnitte können in einigen Fällen getrennte unterscheidbare Schichten sein, können aber in anderen Fällen auch Abschnitte sein, die eine bestimmte Eigenschaft aufweisen, welche sich dann beispielsweise allmählich von einem ersten Schichtabschnitt zu einem zweiten Schichtabschnitt ändern. In solchen Fällen gibt es einen allmählichen Übergang von einem Schichtabschnitt zum anderen.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Temperatursensor für einen Temperaturbereich ausgelegt sein. In dem Temperaturbereich kann bei einigen Ausführungsformen der erste Schichtabschnitt im Wesentlichen ein dielektrisches (elektrisch isolierendes) Verhalten aufweisen, während der zweite Schichtabschnitt einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisen kann. Beispielsweise kann sich der Widerstand des zweiten Schichtabschnitts abhängig von der Temperatur über den Temperaturbereich um mindestens eine Größenordnung ändern, während er einen spezifischen Widerstand aufweist, der kleiner ist als 10 kΩcm, wie z. B. kleiner als 5 kΩcm. Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Schichtabschnitt ein Dielektrikum und/oder ein undotiertes oder niedrig dotiertes Halbleitermaterial aufweisen und kann einen spezifischen Widerstand größer als 10 kΩcm aufweisen, wie z. B. größer als 20 kΩcm. Der zweite Schichtabschnitt kann ein dotiertes Halbleitermaterial aufweisen, das beispielsweise eine Dotierkonzentration aufweist, die mindestens in Teilen davon höher ist als der erste Schichtabschnitt. Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial des ersten Schichtabschnitts und/oder zweiten Schichtabschnitts ein Material mit großer Bandlücke wie beispielsweise ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von mehr als 1,5 eV aufweisen, wie beispielsweise mehr als 2 eV. Bei anderen Ausführungsformen können andere Materialien oder Techniken eingesetzt werden, wie beispielsweise Halbleitermaterialien, die ein Band von mehr als 1,1 eV aufweisen, wie z. B. Silizium. Bei noch weiteren Ausführungsformen können jedoch Halbleitermaterialien verwendet werden, die eine sogar noch niedrigere Bandlücke aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine Temperatursensorvorrichtung bereitgestellt, die aufweist: eine erste Elektrode, eine Halbleiterschicht und
eine zweite Elektrode, wobei die Halbleiterschicht einen ersten Schichtabschnitt mit einer Dotierkonzentration unter 1 × 10¹¹ cm–3 und einen zweiten Schichtabschnitt mit einer Spitzendotierkonzentration von mindestens 5 × 10¹² cm^–3 oder mindestens 1 × 10¹³ cm^–3 aufweist.
Eine Dotierkonzentration in dem zweiten Schichtabschnitt kann sich von dem ersten Schichtabschnitt in Richtung auf die zweite Elektrode erhöhen.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Halbleiterschicht ferner einen dritten Schichtabschnitt angrenzend an die zweite Elektrode, wobei eine Dotierkonzentration in dem dritten Schichtabschnitt bei mindestens 1 × 10¹⁷ cm^–3 liegt.
Die Halbleiterschicht kann bei einigen Ausführungsformen einen Halbleiter mit großer Bandlücke aufweisen.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren bereitgestellt sein, das aufweist:
Vorsehen einer ersten Elektrode,
Vorsehen eines ersten Schichtabschnitts, wobei der erste Schichtabschnitt im Wesentlichen in einem Temperaturbereich nicht leitend ist,
Vorsehen eines zweiten Schichtabschnitts, wobei der zweite Schichtabschnitt einen temperaturabhängigen Widerstand in dem Temperaturbereich aufweist, und
Vorsehen einer zweiten Elektrode.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Vorsehen des ersten Schichtabschnitts und/oder das Vorsehen des zweiten Schichtabschnitts das Abscheiden eines Halbleitermaterials aufweisen, ist aber nicht darauf begrenzt.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung bereitgestellt sein, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Halbleitervorrichtung, die einen Feldeffekttransistor aufweist, und
eine Temperatursensorvorrichtung, wobei die Temperatursensorvorrichtung einen ersten Schichtabschnitt aufweist, der im Wesentlichen in einem Temperaturbereich elektrisch nicht leitend ist und einen zweiten Schichtabschnitt, der einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand im Temperaturbereich aufweist,
wobei die Halbleitervorrichtung und die Temperatursensorvorrichtung mindestens einen Anschluss von einem Sourceanschluss oder einem Drainanschluss des Feldeffekttransistors teilen,
wobei das Verfahren aufweist:
Verwenden eines Gatesteuersignals zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss und Verwenden eines weiteren Signals zwischen Gateanschluss und Sourceanschluss.
Das weitere Signal kann eine höhere Frequenz aufweisen als das Gatesteuersignal.
Die Frequenz des weiteren Signals kann bei einigen Ausführungsformen mindestens eine Größenordnung höher sein als die Frequenz des Gatesteuersignals.
Eine Amplitude des weiteren Signals kann niedriger sein als eine Amplitude des Gatesteuersignals, ist aber nicht darauf beschränkt.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer Temperatur basierend auf einer Antwort der Temperatursensorvorrichtung zu dem weiteren Signal aufweisen.
Das Verfahren kann ferner das Modifizieren des Gatesteuersignals basierend auf der bestimmten Temperatur aufweisen, um beispielsweise einen Temperaturschutz oder Temperaturkompensation zu implementieren.
Das Erzeugen des weiteren Signals kann das Erzeugen des weiteren Signals nur während Teilen des Gatesteuersignals aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen kann das weitere Signal kontinuierlich erzeugt werden.
Unter jetziger Bezugnahme auf die Figuren ist in 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Temperatursensors 10 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, die mit einem Messstromkreis 16 gekoppelt ist. Der Temperatursensor 10 kann eine erste Elektrode 11 und eine zweite Elektrode 12 aufweisen. Zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 können ein erster Schichtabschnitt 13 und ein zweiter Schichtabschnitt 14 vorgesehen sein. Eine Begrenzung oder ein Grenzflächenbereich 15 zwischen dem ersten Schichtabschnitt 13 muss keine abrupte Grenzfläche sein, sondern kann auch ein allmählicher Übergang sein. Die erste Elektrode 11 und die zweite Elektrode 12 können jeweils Metallelektroden sein, aber sie können jeweils auch jedes andere elektrisch leitende Material aufweisen, wie z. B. dotiertes Halbleitermaterial.
Der erste Schichtabschnitt kann ein dielektrisches Verhalten in einem Temperaturbereich von Interesse aufweisen, d. h., einem Temperaturbereich, für den der Temperatursensor 10 beabsichtigt ist. Im Wesentlichen kann dielektrisches Verhalten in dieser Hinsicht bedeuten, dass der erste Schichtabschnitt 13 als ein Isolator agiert beispielsweise mit einem Widerstand, der 10 kΩcm überschreitet.
Beispielsweise kann der erste Schichtabschnitt 13 ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke mit einer Dotierkonzentration unter 10¹² cm^–3, wie beispielsweise unter 10¹¹ cm^–3, aufweisen, obwohl es nicht darauf begrenzt ist. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial nominell undotiert sein, wobei nur Hintergrundverunreinigungen vorhanden sind, oder es kann eine niedrige Dotierkonzentration aufweisen, wie beispielsweise eine Größenordnung über einer Hintergrundverunreinigungskonzentration, um ein klar definiertes Verhalten bereitzustellen.
Bei anderen Ausführungsformen können andere Arten von Dielektrika wie beispielsweise ein Oxidmaterial wie Siliziumdioxid oder ein Nitridmaterial wie Siliziumnitrid verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen können andere Materialien verwendet werden.
Der zweite Schichtabschnitt 14 kann ein Material aufweisen, das seinen Widerstand in einem Temperaturbereich von Interesse erheblich verändert. Bei einigen Ausführungsformen kann sich der Widerstand des zweiten Schichtabschnitts 14 um eine Größenordnung oder mehr über den Temperaturbereich von Interesse ändern. Der zweite Schichtabschnitt 14 kann beispielsweise ein dotiertes Halbleitermaterial aufweisen. Eine Dotierkonzentration kann variieren oder innerhalb des zweiten Schichtabschnitts 14 konstant sein. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die Dotierkonzentration in Richtung auf die Elektrode 12 erhöhen, um einen guten elektrischen Kontakt an die zweite Elektrode 12 bereitzustellen. Es können abhängig von einem Temperaturbereich von Interesse ein Halbleitermaterial, ein Dotierstoffmaterial und eine Dotierkonzentration ausgewählt werden. Bei einigen Ausführungsformen können Dotierstoffe mit tiefen Dotierniveaus, wie beispielsweise tiefe Donatorniveaus oder Akzeptorniveaus verwendet werden. Beispielsweise kann eine Energiedifferenz zwischen Dotierniveau und Leitungsband (oder Valenzband) 0,2 eV, 0,3 eV oder sogar mehr betragen. Es sollte beachtet werden, dass bei einigen Ausführungsformen mehr als ein Dotierstoff verwendet werden kann. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsformen ein Halbleiter mit großer Bandlücke verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das gleiche Halbleitermaterial wie für den ersten Schichtabschnitt 13, aber mit höherer Dotierkonzentration, mindestens in Teilen des zweiten Schichtabschnitts 14 verwendet werden. Beispiele für geeignete Halbleiter und Dotierstoffe werden nachfolgend ausführlicher angegeben.
2 veranschaulicht eine vereinfachte Ersatzschaltung für den Temperatursensor 10 von 1. Es sollte beachtet werden, dass die Ersatzschaltung von 2 nicht zwangsläufig eine genaue Darstellung der elektrischen Funktionen des Temperatursensors 10 ist, sondern eine Annäherung sein kann, die ausreichend ist, um grundlegende Funktionsprinzipien zu veranschaulichen.
In 2 kann ein Anschluss 20 der ersten Elektrode 11 von 1 entsprechen, und ein Anschluss 21 kann der zweiten Elektrode 12 von 1 entsprechen.
Der erste Schichtabschnitt 13, der ein dielektrisches Verhalten aufweist, arbeitet im Wesentlichen als ein Kondensator 22. Der zweite Schichtabschnitt 14, der im Temperaturbereich von Interesse einen klar definierten temperaturabhängigen Widerstand aufweist, kann grundlegend als ein temperaturabhängiger Widerstand 24 parallel zu einem temperaturabhängigen Kondensator 23 angesehen werden. Der Kondensator 22 ist wie in 2 veranschaulicht in Reihe zur Parallelschaltung des temperaturabhängigen Widerstandes 24 und des temperaturabhängigen Kondensators 23 geschaltet.
Wenn die Temperatur variiert, variieren der temperaturabhängige Kondensator 23 und der temperaturabhängige Widerstand 24 ihre Kapazität und ihren Widerstandswert entsprechend. Dies ändert die gesamte Kapazität der Ersatzschaltung von 2 und kann beispielsweise durch Anlegen einer veränderlichen Spannung an den Anschlüssen 20, 21 und Messen eines Stroms, der als Reaktion darauf fließt, detektiert werden. Jede andere konventionelle Kapazitätsmessung kann ebenfalls verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Messstromkreis wie Messstromkreis 16 von 1 verwendet werden, um solch eine Messung zu implementieren. Bei Ausführungsformen kann der Messstromkreis 16 mit dem Temperatursensor 10 auf einem gleichen Chip integriert sein, obwohl das nicht der Fall sein muss.
Daher kann im Wesentlichen unter Verwendung einer konventionellen Kapazitätsmessung eine Temperatur bestimmt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Temperatursensor 10 kalibriert werden, um eine Beziehung zwischen Kapazität und Temperatur zu erhalten.
In 3 ist eine Querschnittansicht eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Die Ausführungsform von 3 kann als eine nicht begrenzende beispielhafte Implementierung des Temperatursensors 10 von 1 angesehen werden. Der Temperatursensor von 3 weist einen ersten Anschluss 30 auf gekoppelt mit einer ersten Elektrode 31 und einen zweiten Anschluss 33 gekoppelt mit einer zweiten Elektrode 32. Die ersten und zweiten Anschlüsse 30, 33 können dann beispielsweise mit einem Messstromkreis wie Messstromkreis 16 gekoppelt werden, um eine Temperatur beispielsweise durch Messen einer Kapazität des in 3 veranschaulichten Temperatursensors zu messen. Die ersten und zweiten Elektroden 31, 32 können jeweils aus Metall oder irgendeinem anderen leitfähigen Material wie beispielsweise dotiertes kristallines oder polykristallines Halbleitermaterial hergestellt werden.
Bei der Ausführungsform von 3 ist angrenzend an die erste Elektrode 31 eine Dielektrikumschicht 34 vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dielektrikumschicht 34 einen Halbleiter, wie beispielsweise einen Halbleiter mit großer Bandlücke mit einer niedrigen Dotierkonzentration, die beispielsweise kleiner als 10¹² cm^–3 oder kleiner als 10¹¹ cm^–3 ist, oder einen nominell intrinsischen Halbleiter aufweisen. In einem Temperaturbereich, der durch den Temperatursensor von 3 zu messen ist, kann der erste Schichtabschnitt 34 im Wesentlichen elektrisch nicht leitend sein, d. h., ein dielektrisches Verhalten aufweisen. Bei anderen Ausführungsformen können andere dielektrische Materialien verwendet sein.
Oben auf dem ersten Schichtabschnitt 34 ist ein zweiter Schichtabschnitt 35 vorgesehen. In der Ausführungsform von 3 weist der zweite Schichtabschnitt 35 ein Halbleitermaterial mit einer allmählich zunehmenden Dotierkonzentration C_DL auf. Der allmähliche Anstieg beginnt beispielsweise bei einer Ebene, die durch 37 in 3 angegeben ist. Ein Beispiel für eine allmählich zunehmende Dotierkonzentration ist durch eine Kurve 39 in 3 angegeben. Eine Spitzendotierkonzentration in dem zweiten Schichtabschnitt 35 kann mindestens 5 × 10¹² cm^–3, beispielsweise mindestens 1 × 10¹³ cm^–3 betragen, ist aber nicht darauf begrenzt.
Ein geeigneter Dotierstoff kann ein vergleichsweise tiefes Dotierniveau aufweisen. Geeignete Dotierstoffe und Halbleitermaterialien werden nachfolgend beschrieben. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Halbleitermaterial, das als eine Basis für den Schichtabschnitt 35 verwendet wird, ein Halbleitermaterial sein, das ebenfalls für den ersten Schichtabschnitt 34 verwendet wird. Der zweite Schichtabschnitt 35 kann einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand in einer Temperaturregion von Interesse aufweisen. Durch die allmählich variierende Dotierkonzentration wie gezeigt in Kurve 39, variiert der Widerstand und seine temperaturabhängige Variation außerdem räumlich in der Richtung auf die Variation (vertikale Richtung in der Darstellung von 3). Diese Richtung wird auch als Tiefenrichtung bezeichnet.
Oben auf dem zweiten Schichtabschnitt 35 ist ein stark dotierter Kontaktschichtabschnitt 36 vorgesehen. Degeneriertes Dotieren mittels eines Dotierstoffs mit einem seichten Dotierniveau kann beispielsweise verwendet werden, um einen guten elektrischen Kontakt (beispielsweise ohmschen elektrischen Kontakt) mit der zweiten Elektrode 32 herzustellen. Eine Dotierkonzentration im Kontaktschichtabschnitt 36 kann z. B. 1 × 10¹⁷ cm^–3 oder mehr betragen. Der Dotierstoff, der im Kontaktschichtabschnitt 36 verwendet wird, kann sich von dem Dotierstoff unterscheiden, der im zweiten Schichtabschnitt 35 verwendet wird, und kann beispielsweise ein flacheres Dotierniveau aufweisen. In solch einem Fall, bei dem unterschiedliche Dotierstoffe in den Abschnitten 35 und 36 wie angegeben durch die Kurve 39 verwendet werden, kann die Konzentration des im zweiten Schichtabschnitt verwendeten Dotierstoffs im Wesentlichen an einer Grenzfläche zwischen den Abschnitten 35 und 36 auf nominell Null abfallen. „Nominell“ gibt hier an, dass eine gewisse Nichtnullkonzentration z. B. aufgrund von Hintergrundverunreinigungen verbleiben kann, aber im Wesentlichen kein absichtliches Dotieren mit diesem Dotierstoff erfolgt.
Als eine Annäherung für den Temperatursensor von 3 kann ebenfalls die Ersatzschaltung von 2 verwendet werden und die Funktion des Temperatursensors von 3 kann im Wesentlichen der Funktion entsprechen, wie sie unter Bezugnahme auf 2 erklärt wurde.
Bei der Ausführungsform von 3 erhöht sich die Konzentration wie dargestellt durch die Kurve 39 innerhalb des zweiten Schichtabschnitts 35 allmählich. Bei anderen Ausführungsformen können andere Dotierkonzentrationsprofile verwendet werden. 4 zeigt als ein Beispiel ein alternatives Profil 40 mit einem schrittweisen Anstieg von x1 (das beispielsweise einer Position der Ebene 37 entsprechen kann) zu x0 (das beispielsweise einer Position einer Ebene 38 entsprechen kann). Während in 4 ein einzelner Schritt veranschaulicht ist, kann bei anderen Ausführungsformen mehr als ein Schritt verwendet werden. Bei anderen Ausführungsformen kann beispielsweise ein konstantes Dotierprofil verwendet werden. Andere Dotierprofile sind ebenfalls möglich.
Bei einigen Implementierungen können Ausführungsformen konzipiert werden, um einen vergleichsweise großen Bereich von beispielsweise bis zu einigen mm² abzudecken, obwohl kleinere oder größere Bereiche ebenfalls möglich sind. Bei einigen Ausführungsformen kann, selbst wenn beispielsweise nur ein vergleichsweise kleiner Abschnitt des durch solch einen Temperatursensor abgedeckten Bereichs erwärmt wird, dies durch den Temperatursensor detektiert werden. Um dies zu veranschaulichen, wird Bezug genommen auf 5.
Eine Implementierung eines Temperatursensors, wie sie beispielsweise in 1 oder 3 veranschaulicht ist, kann als mehrere Kondensatoren 52A bis 52E angesehen werden, die parallel zwischen den Anschlüssen 50, 51 gekoppelt sind. Die Anzahl von fünf Kondensatoren 52A bis 52E dient lediglich Veranschaulichungszwecken und tatsächlich kann eine Ausführungsform, wie sie in 1 oder 3 gezeigt ist, im Wesentlichen als jegliche Anzahl an Kapazitäten dargestellt werden, wobei jede Kapazität einen entsprechenden Anteil eines durch den Temperatursensor abgedeckten Gesamtbereichs abdeckt. Jede der Kapazitäten 52A bis 52E kann wiederum für Veranschaulichungszwecke als durch eine Ersatzschaltung wie veranschaulicht in 2 dargestellt angesehen werden.
Wenn jetzt beispielsweise die Temperatur in einem Abschnitt eines Bereichs ansteigt, der durch den Temperatursensor abgedeckt ist, erhöht sich beispielsweise die Kapazität des entsprechenden Kondensators 52A bis 52E, der diesem Abschnitt entspricht. Aufgrund der Parallelschaltung führt dies zu einem entsprechenden Anstieg der Gesamtkapazität, die an den Anschlüssen 50, 51 erfasst werden kann. Daher kann beispielsweise ein größerer Bereich überwacht werden, um ein Erwärmen oder andere Temperaturanstiege zu detektieren.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 6 bis 11 werden verschiedene Möglichkeiten für verwendbare Materialien und Dotierstoffe bei Ausführungsformen beschrieben. In 6 sind die Ladungsträgerkonzentrationen gegenüber der Temperatur für undotiertes Silizium und mit unterschiedlichen Dotierstoffen dotiertes Silizium veranschaulicht. Eine Bandlücke von Silizium beträgt ca. 1,12 eV.
Eine Kurve 60 veranschaulicht die Ladungsträgerkonzentration für undotiertes Silizium (innere Ladungsträger, die durch Erregung von Trägern über die Bandlücke erzeugt sind). Eine Kurve 61 veranschaulicht die Ladungsträgerkonzentration (cm^–3) für mit Thallium (Tl) dotiertes Silizium. Eine Kurve 62 veranschaulicht die Ladungsträgerkonzentration über der Temperatur für Schwefel (S) als ein Dotierstoff, und eine Kurve 63 veranschaulicht die Ladungsträgerkonzentration über der Temperatur für Beryllium (Be) als ein Dotierstoff. Die Dotierkonzentration für Kurve 61 bis 63 beträgt in jedem Fall 3 × 10¹³ cm^–3. Bei Thallium beträgt ein Energieabstand zwischen dem Donatorniveau und dem Leitungsband ca. 0,3 eV und ein verwendbarer Temperaturbereich (d. h., ein Temperaturbereich, bei dem der spezifische Widerstand variiert), der auch als Temperaturbereich von Interesse bezeichnet wird, beträgt ca. 150 bis 260 K. Für Schwefel beträgt eines von zwei Energieniveaus 0,26 eV unter dem Leitungsband und ein verwendbarer Temperaturbereich beträgt ca. 150 bis 260 K. Für Beryllium (Be) betragen die relevanten Energien 0,17 eV und 0,42 eV und der Temperaturbereich, in dem die Ladungsträgerkonzentration erheblich mit der Temperatur variiert, beträgt ca. 170 bis 260 K. Über den vorstehend näher bezeichneten Bereichen ist ein Plateau in 6 sichtbar, bevor die Kurven 61 bis 63 der Kurve 60 bei höheren Temperaturen entsprechen. Daher kann beispielsweise nominell undotiertes Silizium oder niedrig dotiertes Silizium für einen Temperatursensor für einen Temperaturbereich unter ca. 260 K als Dielektrikum verwendet werden (beispielsweise Schichtabschnitt 13 von 1 oder der erste Schichtabschnitt 34 von 3). Dotiertes Silizium (das beispielsweise abhängig von einem Bereich der gewünschten Temperatur mit Thallium, Schwefel oder Beryllium dotiert ist) kann als dotiertes Halbleitermaterial verwendet werden, um beispielsweise den zweiten Schichtabschnitt 14 von 1 oder den zweiten Schichtabschnitt 35 von 3 zu bilden.
Unter jetziger Bezugnahme auf die 7 und 8 werden Beispiele unter Verwendung von Siliziumkarbid und insbesondere kristallinem 4H-SiC beschrieben. Eine Bandlücke eines solchen Siliziumkarbids beträgt ca. 3,26 eV. 7 veranschaulicht Ladungsträgerkonzentrationen gegenüber der Temperatur ähnlich dem Beispiel von 6. Eine Kurve 70 zeigt das Verhalten für undotiertes Siliziumkarbid, eine Kurve 71 zeigt das Verhalten für Siliziumkarbid, das mit Tantal (Ta) dotiert ist, und eine Kurve 72 zeigt das Verhalten von Siliziumkarbid, das mit Gallium (Ga) dotiert ist. Die Dotierkonzentration im Fall der Kurven 71 und 72 beträgt erneut 3 × 10¹³ cm^–3. Wie hier ersichtlich zeigt mit Tantal dotiertes Siliziumkarbid (Kurve 71) eine signifikante Ladungsträgerkonzentrations-Temperaturabhängigkeit für einen Temperaturbereich von ca. 330 K bis zu ca. 540 K, und für Galliumdotierung ist eine signifikante Temperaturabhängigkeit zwischen ca. 150 K und 230 K vorhanden. In diesen Bereichen ist undotiertes Siliziumkarbid (Kurve 70) im Wesentlichen nicht leitend und kann beispielsweise als Dielektrikum z. B. in dem ersten Schichtabschnitt 13 von 1 oder dem ersten Schichtabschnitt 35 von 3 dienen. Dotiertes Siliziumkarbid kann dann jeweils als zweiter Schichtabschnitt 14 oder zweiter Schichtabschnitt 35 in den 1 und 3 dienen.
In 8 veranschaulicht eine Kurve 80 die Ladungsträgerkonzentration (cc) in cm^–3 gegenüber der Temperatur und gegenüber dem Donatorniveau. In 8 ist das Donatorniveau als eine Differenz E_C – E_DL zwischen der Energie des Leitungsbandes des Halbleiters (E_C) und der Energie des Donatorniveaus (E_DL) angegeben. Das Donatorniveau hängt von dem als ein Dotierstoff verwendeten Material ab. Beispielsweise beträgt für Gallium (Ga; Kurve 72 von 7) E_C – E_DL ca. 0,3 eV und für Tantal (Ta, Kurve 78 in 7) beträgt E_C – E_DL ca. 0,68 eV.
Daher sind die Kurven 71 und 72 von 7 im Wesentlichen Querschnitte der Kurve 80 für die entsprechenden Werte E_C – E_DL. Wie aus 8 ersichtlich, kann durch Auswählen eines geeigneten Dotierstoffs ein Temperaturbereich für den Temperatursensor ausgewählt werden. Es sollte beachtet werden, dass bei einigen Ausführungsformen auch Kombinationen von zwei oder mehr unterschiedlichen Dotierstoffen eingesetzt werden können, um die Temperaturabhängigkeit genauer einzustellen.
Ein weiteres beispielhaftes Material ist Diamant, das unter Bezugnahme auf die 9 und 10 beschrieben wird. Eine Bandlücke von Diamant beträgt ca. 5,5 eV. 9 zeigt eine Darstellung der Ladungsträgerkonzentration gegenüber der Temperatur ähnlich den Darstellungen der 6 und 7. Eine Kurve 90 veranschaulicht das Verhalten für undotierten Diamant. Wie ersichtlich ist für Temperaturen unter ca. 1400 K die Ladungsträgerkonzentration niedrig, wie beispielsweise unter 10¹¹ cm^–3. Eine Kurve 91 veranschaulicht das Verhalten für Stickstoff (N) als ein Dotierstoff. Der Stickstoff in Diamant führt ein Donatorniveau von ca. 1,7 eV unter dem Leitungsband ein und kann verwendet werden, um einen Temperatursensor für einen Temperaturbereich von beispielsweise 775 K bis 1.250 K zu konzipieren. Eine Kurve 92 zeigt das Verhalten für Phosphor als einen Donator. Phosphor führt ein Donatorniveau von ca. 0,6 eV unter dem Leitungsband ein und kann geeignet sein, einen Temperatursensor für einen Bereich von ca. 300 bis 500 K zu konzipieren. Eine Kurve 93 zeigt das Verhalten für Bor (B) als ein Donator, das ein Akzeptorniveau von ca. 0,377 eV über dem Valenzband einführt. Solch ein Temperatursensor kann beispielsweise für einen Temperaturbereich von ca. 200 bis zu ca. 300 K geeignet sein. Die Dotierkonzentrationen für die Kurven 91 bis 93 von 9 betragen erneut 3 × 10¹³. Bei anderen Ausführungsformen können andere Dotierkonzentrationen verwendet werden.
10 veranschaulicht ein Diagramm, das dem Diagramm von 8 ähnlich ist, im Fall von 10 für Diamant. Eine Kurve 100 veranschaulicht die Ladungsträgerkonzentration (CC) gegenüber der Temperatur und dem Dotierniveau unter dem Leitungsband (E_C – E_DL). Die Kurven 91 bis 93 von 9 bilden im Wesentlichen Querschnitte der Kurve 100 bei den entsprechenden Dotierniveaus von jeweils Stickstoff, Phosphor und Bor. Da Bor ein Akzeptor ist, entspricht in diesem Fall die Energie einem Energieniveau über dem Valenzband.
Wie ersichtlich kann abhängig von einem verwendeten Dotierstoff bei einigen Ausführungsformen ein Temperatursensor für einen gewünschten oder erforderlichen Temperaturbereich konzipiert sein. In einigen Fällen können zwei oder mehr unterschiedliche Dotierstoffe mit unterschiedlichen Konzentrationsprofilen oder im Wesentlichen dem gleichen Konzentrationsprofil kombiniert werden, um ein gewünschtes Verhalten, wie beispielsweise eine gewünschte Temperaturabhängigkeit, zu erlangen.
Daher kann durch Auswählen von Material, Dotierstoff und/oder Dotierkonzentration ein für einen gewünschten Temperaturbereich geeigneter Temperatursensor implementiert werden.
Dies wird weiter unter Bezugnahme auf 11 veranschaulicht. 11 veranschaulicht erneut die Ladungsträgerkonzentration gegenüber der Temperatur. Eine Kurve 110 veranschaulicht das Verhalten für mit Thallium dotiertes Silizium und entspricht Kurve 61 von 6. Wie durch die Pfeile 111 und 112 angegeben, kann mit Thallium dotiertes Silizium für einen Temperatursensor beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen ca. 150 K und 260 K verwendet werden.
Eine Kurve 113 veranschaulicht das Verhalten für mit Tantal dotiertes kristallines Siliziumkarbid und entspricht Kurve 71 von 7. Wie durch die Pfeile 114 und 115 angegeben, kann mit Tantal dotiertes Siliziumkarbid in einem Temperaturbereich zwischen ca. 330 K und 540 K verwendet werden. Eine Kurve 116 veranschaulicht das Verhalten für mit Stickstoff dotiertem Diamant und kann beispielsweise der Kurve 91 von 9 entsprechen. Wie durch die Pfeile 117 und 118 angegeben, kann dieses Material beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 775 K und 1250 K verwendet werden. In dem gezeigten Beispiel wurde die Untergrenze des geeigneten Temperaturbereichs als der Punkt ausgewählt, bei dem eine Ladungsträgerkonzentration von 10¹¹ cm^–3 erreicht wird. Bei anderen Ausführungsformen können andere Kriterien angewandt werden.
Es ist zu beachten, dass die Materialien und insbesondere Halbleitermaterialien und Dotierstoffe, die unter Bezugnahme auf die 6 bis 11 beschrieben werden, lediglich als Beispiele dienen und andere Materialien ebenfalls verwendet werden können. Andere geeignete Materialien können beispielsweise Bornitrid (BN) in verschiedenen Modifikationen (beispielsweise amorphes Bornitrid (a-BN), hexagonales Bornitrid (h-BN), kubisches Bornitrid (c-BN) oder Wurtzit-Bornitrid (w-BN)), amorphen hydrierten Kohlenstoff (a-C:H), amorphes Silizium (a-Si), andere Modifikationen von Siliziumkarbid, Galliumnitrid (GaN), Aluminiumnitrid (AlN) oder Galliumarsenid (GaAs) aufweisen. Generell können verwendete Halbleitermaterialien amorphe, polykristalline Kristalle oder Einkristalle sein. Während bei einigen Ausführungsformen für den ersten (dielektrischen) Schichtabschnitt ein gleiches Halbleitermaterial wie für den entsprechenden zweiten Schichtabschnitt verwendet werden kann, der seinen spezifischen elektrischen Widerstand abhängig von der Temperatur ändert, können bei anderen Ausführungsformen unterschiedliche Halbleitermaterialien verwendet oder andere Materialien als Halbleitermaterialien eingesetzt werden, wie beispielsweise für die ersten Schichtabschnitte (dielektrische Abschnitte). Andere Techniken können beispielsweise unter Verwendung von zusätzlichen Schichtabschnitten eingesetzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen können Temperatursensoren wie zuvor beschrieben als dedizierte selbstständige Geräte für die Temperaturerfassung eingesetzt werden. Bei anderen Ausführungsformen können Temperatursensoren wie vorstehend beschrieben zusammen mit anderen Vorrichtungen integriert werden, um beispielsweise eine Temperatur der anderen Vorrichtungen zu detektieren. In einigen Fällen kann dies in Sicherheitsanwendungen verwendet werden, um eine Überhitzung von diesen anderen Vorrichtungen zu detektieren. Ein Beispiel für die Integration eines Temperatursensors in andere Vorrichtungen wird jetzt unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. Im Beispiel von 12 kann eine Leistungstransistorvorrichtung 120, wie beispielsweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) oder ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET), verwendet werden. In der beispielhaften Implementierung, die in 12 gezeigt ist, sind mehrere Gräben 121 gebildet, um die Vorrichtung zu implementieren. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Temperatursensor, wie er vorstehend beschrieben wurde, wie veranschaulicht in einem oder mehreren von den Gräben gebildet werden. Der Temperatursensor von 12 weist eine erste Elektrode 121 auf, die in einem oder mehreren von den Gräben gebildet ist. Auf der ersten Elektrode 121 ist ein erster Schichtabschnitt 126 mit einem dielektrischen Verhalten in einem gewünschten Temperaturbereich gefolgt von einem zweiten Schichtabschnitt 127, der im Temperaturbereich von Interesse einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, vorgesehen. Die ersten und zweiten Schichtabschnitte 126, 127, können wie zuvor beschrieben beispielsweise unter Bezugnahme auf die 1, 3 und 4 implementiert werden, und Modifikationen und die vorstehend beschriebenen Materialien können auch bei dem Temperatursensor von 12 angewandt werden. Dem zweiten Schichtabschnitt 127 im Beispiel von 12 folgt ein Kontaktabschnitt 128 wie beispielsweise aus einem stark dotierten Halbleitermaterial, um eine zweite Elektrode 123 zu kontaktieren. Die erste Elektrode 122 (die einem Substrat oder einer anderen Halbleiterregion entsprechen kann) und die zweite Elektrode 123 können dann durch die elektrischen Kontakte 124, 125 kontaktiert werden, um Temperaturmessungen wie vorstehend beschrieben auszuführen. Wie ersichtlich aus 12 müssen die Schichten eines Temperatursensors keine ebene Form oder Konfiguration wie veranschaulicht in den 1 und 3 aufweisen, sondern können auch in einer gebogenen Form bereitgestellt werden, um beispielsweise die Form eines Grabens wie veranschaulicht in 12 aufzunehmen. Andere Profile und Formen können ebenfalls möglich sein, solange die grundlegende elektrische Funktion der verschiedenen Schichtabschnitte im Wesentlichen bewahrt wird. Die Implementierung eines Temperatursensors in Gräben einer Leistungstransistorvorrichtung in 12 dient nur als ein Beispiel und Temperatur gemäß Ausführungsformen kann auch zusammen mit anderen Arten von Vorrichtungen verwendet werden.
Im Beispiel von 12 kann beispielsweise Schichtabschnitt 126 bis 128 aus Diamant hergestellt werden, der beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden werden kann. Da Diamant eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann bei einigen Ausführungsformen ein schnelles Erkennen einer Überhitzung der Vorrichtung 120 möglich sein. Bei anderen Ausführungsformen können andere Materialien verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, kann außerdem eine Messschaltung, wie diejenige von 1, bei einigen Ausführungsformen ebenfalls in der gleichen Vorrichtung integriert sein. Die Messschaltung kann auch angepasst werden, sodass sie auf die gemessene Temperatur anspricht. Wenn beispielsweise eine Überhitzung detektiert wird, können abhängig von der Situation und der Anwendung Gegenmaßnahmen wie beispielsweise Erhöhen von Belüftung oder einer anderen Kühlung, Warnen eines Benutzers oder selbst Abschalten der Vorrichtung vorgenommen werden.
13 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. Das Verfahren von 13 kann beispielsweise verwendet werden, um Temperatursensoren, wie sie unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 beschrieben sind, herzustellen, und Variationen und Modifikationen, die unter Bezugnahme auf die 1 bis 12 beschrieben sind, können auch auf das Verfahren von 13 anwendbar sein. Jedoch kann das Verfahren von 13 auch verwendet werden, um andere Temperatursensoren herzustellen.
Während das Verfahren von 13 als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht ist, soll die Reihenfolge, in der die Handlungen oder Ereignisse beschrieben und dargestellt werden, nicht als eingrenzend ausgelegt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Reihenfolge der Handlungen oder Ereignisse beispielsweise umgekehrt werden. Beispielsweise kann die Reihenfolge von Handlungen oder Ereignissen, die unter Bezugnahme auf 131 und 132 beschrieben werden, ausgetauscht werden.
Bei 130 weist das Verfahren von 13 das Vorsehen einer ersten Elektrode auf. Die erste Elektrode kann beispielsweise durch irgendwelche konventionellen Metallabscheidungstechniken abgeschieden werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Elektrode in einem Graben abgeschieden werden, oder die erste Elektrode kann durch ein Substrat oder ein anderes Halbleitermaterial gebildet werden.
Bei 131 wird ein Dielektrikumschichtabschnitt vorgesehen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Dielektrikumschichtabschnitt aus einem Halbleitermaterial mit einer niedrigen Dotierkonzentration hergestellt werden, wie beispielsweise unter 10¹¹ cm^–3 oder unter 10¹⁰ cm^–3. Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial ein Material mit breiter Bandlücke sein, das beispielsweise eine Bandlücke von mehr als 1,5 eV oder von mehr als 2,0 eV aufweist. Bei anderen Ausführungsformen können Halbleitermaterialien wie Silizium mit einer niedrigeren Bandlücke verwendet werden. Bei noch weiteren Ausführungsformen können andere Dielektrika als Halbleitermaterialien verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Dielektrikumschichtabschnitt im Wesentlichen in einem Temperaturbereich, für den der Temperatursensor konzipiert ist, elektrisch nicht leitend sein.
Bei 132 wird ein Schichtabschnitt mit einem temperaturabhängigen Widerstand in dem Temperaturbereich, für den der Temperatursensor konzipiert ist, vorgesehen. Der temperaturabhängige Schichtabschnitt kann beispielsweise aus einem dotierten Halbleitermaterial wie vorstehend beschrieben hergestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Halbleitermaterial des Schichtabschnitts, der bei 132 vorgesehen wird, das gleiche Halbleitermaterial, wie es für das Vorsehen des Dielektrikumschichtabschnitts bei 131 verwendet wurde, sein, obwohl dies nicht der Fall sein muss. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Spitzendotierkonzentration bei 132 10¹³ cm^–3 oder mehr betragen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dotierkonzentration ein Stufenprofil oder ein Rampenprofil aufweisen.
Bei 133 wird eine zweite Elektrode vorgesehen. Die zweite Elektrode kann beispielsweise durch konventionelle Metallabscheidung vorgesehen werden, oder auch durch Abscheidung anderer Materialien mit einer hohen Leitfähigkeit. Bei einigen Ausführungsformen kann vor dem Vorsehen der zweiten Elektrode eine stark dotierte Halbleiterschicht, wie beispielsweise eine entartet dotierte Halbleiterschicht, vorgesehen werden, um den elektrischen Kontakt zu verbessern.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Vorsehen bei 131 und/oder 132 das Abscheiden eines Halbleitermaterials, wie beispielsweise eines Halbleitermaterials mit großer Bandlücke, durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) aufweisen. Andere Techniken können ebenfalls verwendet werden. Wenn beispielsweise Diamant als ein Material verwendet wird, können Abscheidungstemperaturen zwischen 500 °C und 1.200 °C in einem CVD-Prozess bei einem Druck bei oder unterhalb von Atmosphärendruck verwendet werden. Als Vorläufergas können bei einigen Ausführungsformen Kohlenstoffhydride, wie beispielsweise Methan in Kombination mit einem Überschuss an Wasserstoffradikalen, verwendet werden. Wasserstoffradikale können durch Abgrenzung von Wasserstoffmolekülen in einem Plasma beispielsweise durch Mikrowellenerregung oder unter Verwendung eines erhitzten Wolframdrahts erzeugt werden. Die Abscheidung von Diamant kann durch das Vorsehen von Diamantimpfkristallen oder Dotierstoffen/Defekten auf bereitgestellten Substraten wie beispielsweise auf der ersten Elektrode unterstützt werden. Abhängig von dem verwendeten Material, können jedoch jegliche konventionellen Abscheidungstechniken eingesetzt werden.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurden Temperatursensoren als eigenständige Vorrichtungen oder als integriert innerhalb einer anderen Vorrichtung beschrieben. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen weist der Temperatursensor zugeordnete Anschlüsse (beispielsweise die Anschlüsse 30, 33 von 3 oder die Anschlüsse 125, 124 von 12) auf, um den Temperatursensor auszulesen. Bei anderen Ausführungsformen, die als Nächstes beschrieben werden, kann der Temperatursensor in eine Vorrichtung integriert sein, sodass die Vorrichtung oder der Teil davon als eine Elektrode dienen und/oder der Temperatursensor einen oder mehrere Anschlüsse mit der Vorrichtung teilen kann. Beispiele für solche Ausführungsformen werden nächst unter Bezugnahme auf 14 bis 21 beschrieben. Abgesehen von Differenzen, die nachfolgend explizit erwähnt werden, können Temperatursensoren, die in den Ausführungsformen der 14 bis 21 verwendet werden, wie beschrieben unter Bezugnahme auf die 1 bis 13 konzipiert und konfiguriert sein, und Variationen oder Modifikationen unter Bezugnahme auf die 1 bis 13 können ebenfalls auf die Ausführungsformen der 14 bis 21 anwendbar sein.
Während ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate nachfolgend als ein Beispiel für eine Integration eines Temperatursensors in eine Vorrichtung verwendet wird, soll dies nicht als eingrenzend ausgelegt werden und ein Temperatursensor kann auch in andere Vorrichtungen, wie beispielsweise andere Arten von Feldeffekttransistoren, integriert werden.
In der Ausführungsform von 14 ist ein Temperatursensor 140, wie er bereits in 12 veranschaulicht ist, in einem Graben einer Halbleitervorrichtung, wie beispielsweise dem Graben eines Bipolartransistors mit isolierter Steuerelektrode (IGBT) oder von anderen Feldeffekttransistoren (FET) vorgesehen. Im Falle der Ausführungsform von 14 ist eine erste Elektrode des Temperatursensors nicht explizit begünstigt und kontaktiert und ein Teil der Vorrichtung, der z. B. einen Sourceanschluss aufweist, dient als erste Elektrode, und die zweite Elektrode des Temperatursensors kann zur gleichen Zeit als Gateelektrode des Bipolartransistors mit isolierter Steuerelektrode dienen. In 14 bezeichnet 141 beispielsweise eine als eine Elektrode dienende Sourceregion, die als eine erste Elektrode des Temperatursensors 140 dient. Die Elektrode 147 bezeichnet eine Elektrode, die beispielsweise einer zweiten Elektrode des Temperatursensors 140 entspricht.
Die Elektrode 147 ist mit einem Gateanschluss 148 über einen optionalen Widerstand 142 gekoppelt. Die Sourceregion 141 ist mit einem Sourceanschluss 149 gekoppelt. Der Widerstand 142 kann bei einigen Ausführungsformen einen temperaturabhängigen Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweisen. Bei Ausführungsformen kann im Allgemeinen die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 142 verglichen mit dem temperaturabhängigen Widerstand des zweiten Schichtabschnitts des Temperatursensors 140 das entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, sodass, wenn einer der Widerstände mit der Temperatur zunimmt, der andere sich verringert und umgekehrt. Bei einigen Ausführungsformen dient der Widerstand 142 dazu Änderungen des Widerstandes eines zweiten Schichtabschnitts des Temperatursensors 140 zu kompensieren, um z. B. einen Einfluss auf das Verhalten des IGBT abzuschwächen, was als Reaktion auf eine Gate-Source-Spannung, die zwischen den Anschlüssen 148, 149 angelegt ist, gezeigt ist.
Der Widerstand 142 kann insbesondere konfiguriert sein, Variationen des gesamten RC-Produktes des Widerstandes 142 und des Temperatursensors 140 zu minimieren, d. h., um R(T) × C(T) in einem Temperaturbereich von Interesse annähernd konstant zu halten. R(T) bezeichnet den temperatur-(T)-abhängigen Widerstand und C(T) bezeichnet die temperaturabhängige Kapazität der Kombination aus Widerstand 142 und Temperatursensor 140. Beispielsweise kann eine Änderung von R(T) × C(T) unter 50 %, unter 20 % oder unter 10 % in einem Temperaturbereich von Interesse gehalten werden (beispielsweise zwischen 0 und 150 ° Celsius bei einigen Ausführungsformen, die einen IGBT einsetzen).
Bei einigen Ausführungsformen kann der Widerstand 142 beispielsweise als eine Widerstandsanordnung gebildet werden, die individuelle Widerstände wären, die abhängig von der durch den Temperatursensor 140 gemessenen Temperatur beispielsweise durch die Signalerzeugungsschaltung 144 aktiviert werden, um Änderungen in der gesamten RC-Konstante zu reduzieren.
Als Nächstes wird die Gatesteuerung für den IGBT gezeigt und der Betrieb des Temperatursensors 140 beschrieben.
Beispielsweise dient bei der Ausführungsform von 14 eine erste Signalerzeugungsschaltung 144 zum Erzeugen einer Gate-Source-Spannung, um den IGBT beispielsweise ein- und auszuschalten. Solch ein Steuersignal kann im Wesentlichen ein rechteckiges Signal mit sich ändernder Impulsbreite sein, wie es durch eine Kurve 145 in 14 dargestellt ist. Die Impulsbreite kann von einer abgeleiteten Gatesteuerung abhängen. Eine Frequenz dieses Rechtecksignals, die beispielsweise einer Schaltfrequenz des IGBT entspricht, kann im Kilohertz-Bereich beispielsweise zwischen 0,1 kHz und 100 kHz liegen.
Des Weiteren dient eine zweite Signalerzeugungsschaltung 143 dazu, ein Lesesignal zwischen Gateanschluss 148 und Sourceanschluss 149 anzulegen, um Temperatursensor 140 zu lesen (z. B. durch Anlegen eines Spannungssignal als das Lesesignal und Messen einer Stromantwort auf die Spannung oder umgekehrt). Ein Beispiel für solch ein Signal ist in 14 mit 146 bezeichnet. Das Signal 146 kann bei einigen Ausführungsformen eine Sinusform aufweisen. Eine Amplitude des Lesesignals, das durch die zweite Signalerzeugungsschaltung 143 (beispielsweise Signal 146) erzeugt wird, kann eine Amplitude aufweisen, die kleiner ist als und/oder eine Frequenz, die höher ist als die Amplitude oder Frequenz eines Signals, das durch die erste Signalerzeugungsschaltung 144 erzeugt wird. Beispielsweise kann eine Frequenz eines Signals, das durch die zweite Signalerzeugungsschaltung 143 erzeugt wird, bei einigen Ausführungsformen im Megahertz-Bereich liegen. Eine Frequenz des Signals 146 kann beispielsweise eine Größenordnung, wie z. B. zwei Größenordnungen höher als eine Frequenz des Signals 145 sein. Während bei der Ausführungsform von 14 und bei anderen Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben werden, zwei unterschiedliche Signalerzeugungsschaltungen (z. B. 143, 144 in 14) gezeigt und beschrieben sind, kann bei anderen Ausführungsformen die Funktionalität des Bereitstellens von ersten und zweiten Signalen (z. B. 145, 146 in 14) in einer einzelnen Schaltung implementiert werden. Solch eine einzelne Schaltung kann beispielsweise einen Multifrequenzgenerator aufweisen. Der Begriff „Signalerzeugungsschaltungen“ kann hier verwendet sein, um allgemein auf eine oder mehrere Schaltungen zu verweisen, die konfiguriert sind, ein erstes Signal und ein zweites Signal bereitzustellen.
Es sollte beachtet werden, dass bei Ausführungsformen die Signalerzeugungsschaltung 143 das Lesesignal nicht die ganze Zeit erzeugen muss, sondern nur während Zeiten, zu denen die Temperatur tatsächlich über Temperatursensor 140 zu messen ist. Beispielsweise kann ein Signal wie Signal 146 nur während bestimmter Phasen des Signals 145 (beispielsweise nur, wenn das Signal 145 hoch ist, oder nur, wenn das Signal 145 niedrig ist), während Teilen von solchen Phasen, nur außerhalb von Flanken des Signals 145, in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen und/oder gemäß irgendwelchen anderen Kriterien erzeugt werden. Daher kann die Signalerzeugungsschaltung 143 ein Signal während Zeiten erzeugen, zu denen der IGBT (oder eine andere Vorrichtung) ausgeschaltet ist (beispielsweise, wenn das Signal 145 niedrig ist) oder sie kann Abstand davon nehmen, ein Signal an oder um Flanken des Signals 145 herum zu erzeugen, d. h., während des Schaltens des IGBT (oder einer anderen Vorrichtung).
Bei Ausführungsformen kann, wie bereits veranschaulicht in Bezug auf die 2 und wie nachfolgend ausführlicher veranschaulicht, der Temperatursensor als ein Netzwerk von Widerständen (R) und Kapazitäten (C) angesehen werden. Bei Ausführungsformen ist eine RC-Konstante des Temperatursensors klein genug, sodass ein Einfluss des Temperatursensors auf die Gatesteuerung (beispielsweise die Gatesteuerung, die durch das Signal 145 ausgeführt wird), vernachlässigbar ist. Zum Lesen der Temperatur wie vorstehend bei Ausführungsformen beschrieben, werden höhere Frequenzsignale (beispielsweise im Megahertz-Bereich) verwendet und eine Antwort auf diese Signale kann durch den Temperatursensor derart beeinflusst werden, dass ein Lesen des Temperatursensors möglich ist, ohne die Gatesteuerung erheblich zu stören.
Bei einigen Ausführungsformen empfängt die erste Signalerzeugungsschaltung 144 die Antwort auf das Lesesignal, das durch die zweite Signalerzeugungsschaltung 143 erzeugt wird, und kann abhängig von der Antwort eine Temperatur beispielsweise basierend auf einer Phasenverschiebung und/oder einer Amplitude eines Stroms als Reaktion auf das Lesesignal bestimmen (beispielsweise als Reaktion auf Signal 146). Bei einigen Ausführungsformen kann die erste Signalerzeugungsschaltung 144 dann die Gatesteuerung (beispielsweise Signal 145) abhängig von der Temperatur anpassen. Wenn beispielsweise eine Übertemperatur detektiert wird, kann eine Vorrichtung wie der als ein Beispiel verwendete IGBT abgeschaltet oder alternative Gatewiderstände können temperaturabhängig aktiviert werden.
Um dies weiter zu veranschaulichen, veranschaulicht 15 eine Schnittdarstellung eines Teils eines Feldeffekttransistors (IGBT), der als eine beispielhafte Vorrichtung dient, die in einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform integriert ist. Die in 5 veranschaulichte Struktur kann ein Beispiel zum Implementieren einer Kombination aus Temperatursensor und IGBT sein, die in der Ausführungsform von 14 verwendbar ist, aber die Struktur von 15 kann auch unabhängig von der Ausführungsform von 14 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform von 15 werden ein Temperatursensor 153, der mindestens einen im Wesentlichen dielektrischen (elektrisch isolierenden) Schichtabschnitt aufweist, und ein Schichtabschnitt mit einem temperaturabhängigen Widerstand in einem Temperaturbereich von Interesse beispielsweise wie erklärt unter Bezugnahme auf 1, 3 oder 12 vorgesehen. Bei der Ausführungsform von 15 weist der Temperatursensor 153 eine Elektrode 1512 auf, die mit einem Gateanschluss 151 gekoppelt ist und sowohl als Gateelektrode für den Transistor als auch als eine Elektrode zum Lesen des Temperatursensors 153 dient. Die Bezugsnummer 152 bezeichnet einen Sourceanschluss, der mit einer Sourcekontaktregion 1510 des Transistors gekoppelt ist. Die Nummer 1513 bezeichnet eine p-Bodyregion und 1514 bezeichnet eine n-Sourceregion des IGBT. 1511 bezeichnet eine n-Driftregion des Transistors. 154 ist eine optionale n-Feldstoppschicht des Transistors und 156 ist eine optionale p-Emitterregion, im Falle dass der Transistor ein IGBT ist. Im Falle anderer Arten von Feldeffekttransistoren kann die p-Emitterschicht 156 ausgelassen werden. Die Nummer 157 bezeichnet eine Drainelektrode oder eine andere Lastelektrode, die mit einem Drainanschluss 158 gekoppelt ist. Während eine spezifische Struktur eines Transistors wie ein IGBT in 15 gezeigt ist, dient dies lediglich als ein Beispiel, und bei anderen Ausführungsformen können andere konventionelle Strukturen zum Implementieren von Transistoren oder anderen Vorrichtungen verwendet werden. Die Nummer 154 bezeichnet ein Gatedielektrikum, wie beispielsweise ein Gateoxid wie Siliziumdioxid (SiO₂), welches das Gate und den Temperatursensor 153 von der verbleibenden Struktur elektrisch isoliert. Es sollte beachtet werden, dass das Gatedielektrikum 154 als dielektrischer Abschnitt (erster Schichtabschnitt) des Temperatursensors 153 oder als Teil davon dienen kann.
Der zweite Schichtabschnitt des Temperatursensors 153 kann mit einem variierenden Dotierkonzentrationsprofil ausgestattet werden, wie es unter Bezugnahme auf 3 (beispielsweise Kurve 39) beschrieben ist.
Im Falle des Variierens des Dotierkonzentrationsprofils kann der zweite Schichtabschnitt annähernd als eine Reihe von Parallelkopplungen von Widerständen und Kapazität mit variablen Widerständen (abhängig von der Dotierkonzentration) dargestellt werden. Ein Beispiel für solch eine Ersatzschaltung ist in 16 veranschaulicht. In 16 ist der erste Schichtabschnitt (der ein Gatedielektrikum aufweisen kann) des Temperatursensors durch einen Kondensator C1 dargestellt. Ein zweiter Schichtabschnitt, der einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, ist durch die Widerstände R1 bis R4 und die Kondensatoren C2 bis C5 dargestellt, die wie veranschaulicht in 16 gekoppelt sind. Die Nummer 160 stellt einen Gateanschluss dar (wie Gateanschluss 148 von 14 oder Gateanschluss 151 von 15) und Nummer 161 stellt beispielsweise einen Sourceanschluss dar (wie Anschluss 149 von 14 oder Anschluss 152 von 15). Mit einem Dotierkonzentrationsprofil wie es in 3 in dem zweiten Schichtabschnitt veranschaulicht ist, gilt R4 > R3 > R2 > R1. Bei anderen Ausführungsformen können andere Beziehungen gelten. Die Widerstände R1 bis R4 variieren in einem Temperaturbereich von Interesse mit der Temperatur. Es sollte beachtet werden, dass, während in der Ersatzschaltung von 16 vier Widerstände R1 bis R4 in vier Kondensatoren C2 bis C5 verwendet werden, um den zweiten Schichtabschnitt zu modellieren, bei anderen Ausführungsformen unterschiedliche Nummern beispielsweise abhängig von einer gewünschten Genauigkeit des Modellierens verwendet werden können. Für Modellierungszwecke kann C2 = C3 = C4 = C5 verwendet werden. V1 ist eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Gate-Source-Spannung, um einen Transistor wie einen IGBT zu steuern. V1 kann der ersten Signalerzeugungsschaltung 144 entsprechen oder in dieser beinhaltet sein. V2 entspricht einer Spannungsquelle, die zum Anlegen eines Signals mit einer höheren Frequenz verwendet wird, das für Temperaturmessung verwendet wird, z. B. entsprechend der zweiten Signalerzeugungsschaltung 143 oder darin aufweist. Wie bereits beschrieben unter Bezugnahme auf 14, kann das durch V2 erzeugte Signal eine höhere Frequenz und/oder eine kleinere Amplitude aufweisen als das durch V1 erzeugte Signal. Das durch V2 erzeugte Signal kann im Wesentlichen ein Sinussignal sein und das durch V1 erzeugte Signal kann im Wesentlichen ein Rechtecksignal sein.
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die 17 und 18 einige nicht begrenzende beispielhafte Signale zur weiteren Veranschaulichung beschrieben.
Die beispielhaften Signale wurden unter Verwendung von Simulationen, die auf der Ersatzschaltung von 16 basieren, erzeugt. Als ein Beispiel für Simulationszwecke wurden C1 bis C5 auf 1 pF eingestellt. R4 liegt für die Simulation in der Größenordnung von 1 kΩ, R3 in der Größenordnung von 10 kΩ, R2 in der Größenordnung von 100 kΩ und R1 in der Größenordnung von 1 MΩ (alle variieren mit der Temperatur). In 17 veranschaulicht eine Kurve 170 ein rechteckiges Gatesteuersignal, das durch V1 von 16 erzeugt wird. Nummer 171 bezeichnet ein Signal, das durch den Spannungsgenerator V2 erzeugt wird und Signal 170 überlagert ist. In dem Beispiel von 17 wird das Signal 171 nur erzeugt, wenn das Signal 170 niedrig ist, was beispielsweise einen Transistor wie einen IGBT veranlasst, abgeschaltet zu werden. Bei anderen Beispielen kann das Signal 171 während anderer Zeiträume von Signal 170, wie bereits in Bezug auf die 14 beschrieben erzeugt werden. In dem Simulationsbeispiel weist das Signal 170 einen niedrigen Wert von –8 V und einen hohen Wert von +15 V auf, während das Signal 171 eine Amplitude von ca. 200 mV aufweist. Diese Werte dienen nur als Beispiele und bei anderen Ausführungsformen können andere Werte verwendet werden. Beispielsweise können kleinere Amplituden für das Signal 171 verwendet werden, wie beispielsweise ca. 10 mV.
In 18 ist ein Abschnitt des Signals 171 in vergrößerter Form veranschaulicht. Die Kurven 182 und 183 veranschaulichen Stromantworten auf Signal 171 für zwei unterschiedliche Temperaturen, wobei die Temperatur im Fall der Kurve 183 höher ist als im Fall der Kurve 182. Wie ersichtlich unterscheiden sich die Kurven 182 und 183 sowohl bezüglich ihrer Phasenverschiebung als auch bezüglich ihrer Amplitude in Bezug auf die Kurve 171. Daher kann bei Ausführungsformen die Phasenverschiebung und/oder die Amplitude einer Antwort auf ein Lesesignal verwendet werden, um die Temperatur zu bestimmen. Insbesondere kann bei Ausführungsformen ein Spannungssignal angelegt und eine Stromantwort einer Temperatursensorvorrichtung verwendet werden, um eine Temperatur zu bestimmen.
Die in den 17 und 18 gezeigten Signale dienen lediglich für weitere Veranschaulichungszwecke und sind nicht als eingrenzend auszulegen. Insbesondere können bei anderen Ausführungsformen andere Signalformen, Signalfrequenzen und/oder Signalamplituden Anwendung finden.
In den Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf die 14 bis 18 beschrieben werden, wird ein Temperatursensor als Teil einer Gateelektrode verwendet, der sich beispielsweise in einem Gategraben befindet. Bei anderen Ausführungsformen kann der Temperatursensor beispielsweise in einem Sourcegraben oder in einem „inaktiven“ Gategraben vorgesehen werden. Ein entsprechendes Beispiel ist in 19 veranschaulicht. 19 veranschaulicht eine Schnittdarstellung einer Halbleiterstruktur, die der Schnittdarstellung von 15 ähnlich ist. In der Darstellung von 19 wurden eine n-Driftregion, ein n-Feldstopp, ein optionaler p-Emitter und eine Drainelektrode, die in 15 veranschaulicht sind, ausgelassen, können aber dessen ungeachtet bei einigen Ausführungsformen vorhanden sein.
In 19 ist ein Temperatursensor 190 in einem Graben vorgesehen. Der Temperatursensor 190 kann eine Elektrode 191 und eine Dielektrikumschicht 192 aufweisen, die unter Verwendung eines Materials gebildet sein können, das auch als ein Gatedielektrikum 193 in einem Gategraben verwendet wird. Die Nummer 194 gibt leitfähiges Material, wie beispielsweise polykristallines Silizium oder Metall an, das als eine Gateelektrode dient und mit einem Gateanschluss 198 gekoppelt ist. Die Elektrode 191 des Temperatursensors 190 ist ebenfalls mit der Gateelektrode 198 gekoppelt. Der Temperatursensor 190 kann wie zuvor beschrieben konfiguriert sein und insbesondere einen Dielektrikumschichtabschnitt (der die Dielektrikumschicht 192 aufweisen oder durch diese gebildet werden kann) und einen zweiten Schichtabschnitt verwendet, der wie zuvor beschrieben einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist.
Des Weiteren bezeichnet in 19 die Nummer 195 eine p-Bodyregion und die Nummer 196 bezeichnet eine n-Sourceregion. Die n-Sourceregion 196 ist mit einem Sourceanschluss 197 über eine Kontaktregion 199 gekoppelt. Eine weitere Kontaktregion 1910 ist in der Nähe von Temperatursensor 190 vorgesehen und ist auch mit dem Sourceanschluss 197 gekoppelt. Wie durch die Linien 1911 gekennzeichnet, ist der Abstand zwischen Gate 193, 194 und Temperatursensor 190 auf keinen spezifischen Abstand begrenzt.
In der Ausführungsform von 19 sind der Temperatursensor 190 und das Gate 193, 194 parallel gekoppelt. Um dies zu veranschaulichen, zeigt 20 eine schematische Ersatzschaltung für die Vorrichtung von 19. In 20 bezeichnet 202 einen Gateanschluss (der beispielsweise dem Gateanschluss 198 von 19 entspricht) und 203 bezeichnet einen Sourceanschluss (der beispielsweise dem Sourceanschluss 197 von 19 entspricht). Ein Kondensator 206 stellt eine Gatekapazität (beispielsweise von Gate 193, 194 von 19) dar. Ein Kondensator 205 stellt eine Kapazität eines ersten (dielektrischen) Schichtabschnitts eines Temperatursensors dar (der beispielsweise die Dielektrikumschicht 192 von 19 aufweist) und 204 ist eine Reihenschaltung von Widerständen und Kondensatoren, die repräsentativ für einen zweiten Schichtabschnitt sind, der von Temperatur abhängig ist. Die Nummer 204 stellt eine Reihenschaltung von mehreren Kapazitäten und Widerständen dar, die ähnlich der Darstellung von 16 (Widerstände R1 bis R4 und Kondensatoren C2 bis C5) parallel gekoppelt sind. Die Anzahl an verwendeten Widerständen und Kondensatoren kann von einer gewünschten Genauigkeit der Ersatzschaltung abhängen.
Die Nummer 200 in 20 bezeichnet eine erste Signalerzeugungsschaltung, um eine Gate-Source-Spannung zu erzeugen und beispielsweise einen Feldeffekttransistor wie einen IGBT ähnlich der ersten Signalerzeugungsschaltung 144 von 14 zu steuern. Die Nummer 201 bezeichnet eine zweite Signalerzeugungsschaltung, um ein Lesesignal zu erzeugen und den Temperatursensor auszulesen, die z. B. der zweiten Signalerzeugungsschaltung 143 von 14 ähnlich ist. Insbesondere können die Signalerzeugungsschaltungen 201, 200 wie bereits erklärt für die Signalerzeugungsschaltungen 144, 143 von 14 oder für die Spannungsquellen V1, V2 von 16 konzipiert sein, und werden daher nicht erneut im Detail beschrieben.
Mit anderen Worten kann das Auslesen des Temperatursensors in der Ausführungsform von 19 und 20 ähnlich dem Auslesen des Temperatursensors sein, wie es in Bezug auf die 14 bis 18 beschrieben ist, obwohl aufgrund der Parallelschaltung des Kondensators 206 die genaue Abhängigkeit der Antwort auf Signal, das durch die Signalerzeugungsschaltung 200 erzeugt wird, unterschiedlich sein kann als im Fall der Ausführungsformen der 14 bis 18.
21 veranschaulicht ein Steuerungsverfahren, das beispielsweise verwendet werden kann, um Temperatur für die Ausführungsformen der 14 bis 20 zu steuern und zu lesen. Während das Verfahren von 21 als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht ist, soll die Reihenfolge in der solche Handlungen oder Ereignisse beschrieben werden, nicht als eingrenzend ausgelegt werden. Insbesondere können die Handlungen und Ereignisse, die im Folgenden unter Bezugnahme auf 210 bis 212 beschrieben werden, gleichzeitig ausgeführt werden. Während das Verfahren auf die beschriebenen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 14 bis 20 angewandt werden kann, ist die Anwendung des Verfahrens von 21 nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt. Dessen ungeachtet wird aus Gründen einer vereinfachten Darstellung die Ausführungsform von 21 unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen von 14 bis 20 beschrieben.
Bei 210 weist das Verfahren von 21 das Anlegen eines Niederfrequenzsignals für die Gatesteuerung, beispielsweise zwischen einem Sourceanschluss und einem Gateanschluss auf. Das Niederfrequenzsignal kann beispielsweise ein Signal sein, das durch die Signalerzeugungsschaltung 144 von 14, durch den Spannungsgenerator V1 von 16 oder durch die Signalerzeugungsschaltung 201 von 20 erzeugt wird. Das Niederfrequenzsignal kann ein Rechtecksignal mit variierender Impulsbreite sein, um beispielsweise einen Transistor wie zuvor beschrieben ein- und auszuschalten. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Frequenz des Niederfrequenzsignals im kHz-Bereich liegen.
Bei 211 weist das Verfahren das Anlegen eines Hochfrequenzsignals zwischen den gleichen Anschlüssen wie bei dem Niederfrequenzsignal von 210 auf. Das Anlegen des Hochfrequenzsignals kann während der gesamten Zeitdauer des Niederfrequenzsignals oder nur während Teilen der Zeitdauer des Niederfrequenzsignals ausgeführt werden, wobei während anderen Abschnitten des Niederfrequenzsignals das Hochfrequenzsignal ausgeblendet wird. Die Begriffe „Hochfrequenzsignal“ und „Niederfrequenzsignal“ sollen in dieser Beziehung als relative Begriffe betrachtet werden, d. h., eine Frequenz des Niederfrequenzsignals ist niedriger als eine Frequenz des Hochfrequenzsignals. Beispielsweise kann eine Frequenz des Hochfrequenzsignals im MHz-Bereich liegen und/oder kann mindestens eine Größenordnung, wie beispielsweise mindestens zwei Größenordnungen, höher sein als die Frequenz des Niederfrequenzsignals. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen eine Amplitude des Hochfrequenzsignals beispielsweise um mindestens eine Größenordnung niedriger sein als eine Amplitude des Niederfrequenzsignals. Bei einigen Ausführungsformen kann das Hochfrequenzsignal beispielsweise durch die zweite Signalerzeugungsschaltung 143 von 14, durch den Spannungsgenerator V2 von 16 oder durch die zweite Signalerzeugungsschaltung 200 von 20 ausgegeben werden. Jegliche beschriebenen Modifikationen oder Variationen für die Signalausgabe durch die Signalerzeugungsschaltungen 143, 144, 200, 201 oder durch die Spannungsgeneratoren V1, V2 und/oder wie beschrieben unter Bezugnahme auf die 17 und 18, können auch auf das Niederfrequenzsignal von 210 und das Hochfrequenzsignal von 211 anwendbar sein.
Bei 212 weist das Verfahren von 21 das Bestimmen einer Temperatur basierend auf einer Antwort auf das Hochfrequenzsignal wie beispielsweise basierend auf einer Stromantwort. Beispielsweise kann die Temperatur basierend auf einer Phasenverschiebung und/oder Amplitude der Antwort, wie, beispielsweise unter Bezugnahme auf 18 beschrieben, bestimmt werden. Es sollte beachtet werden, dass das Bestimmen der Temperatur nicht zwangsläufig das Bestimmen eines Wertes einer Temperatur von irgendeiner spezifischen Temperaturskala impliziert, sondern jegliches Messen von der Temperatur in irgendwelchen willkürlichen Einheiten unter den Begriff „Bestimmen einer Temperatur“ fallen soll.
Es sollte zudem beachtet werden, dass die Aktionen in Bezug auf 211 und 212 auch dazu verwendet werden können, um einen selbstständigen Temperatursensor wie beschrieben unter Bezugnahme auf die 1 bis 13 auszulesen, d. h., ein Temperatursensor, der zugehörige Anschlüsse aufweist.
Die vorstehend beschriebenen Temperatursensoren können in verschiedenen Anwendungen oder Raumfahrtanwendungen verwendet werden. Beispielsweise können wie vorstehend beschriebene Temperatursensoren für die Temperaturmessung in einem Brennraum oder einem Abgastrakt eines Motors, wie beispielsweise einem Motor einer Automobilanwendung, oder in einem Raketentriebwerk in Raumfahrtanwendungen verwendet werden. Andere Anwendungen aufweisen beispielsweise jegliche Produktion, um z. B. eine Temperatur eines Bohrers einer Bohrinsel zu erfassen oder von Solaranwendungen zum Erfassen einer Temperatur in einem Spiegel, der verwendet wird, um Solarstrahlung zu bündeln. Diese Anwendungen dienen jedoch nur als veranschaulichende Beispiele und die Verwendung von Temperatursensoren wie hier beschrieben ist auf keine spezielle Anwendung begrenzt.

Claims

Temperatursensorvorrichtung, umfassend: eine erste Elektrode, einen ersten Schichtabschnitt, wobei der erste Schichtabschnitt in einem Temperaturbereich elektrisch im Wesentlichen nicht leitend ist, einen zweiten Schichtabschnitt, wobei der zweite Schichtabschnitt in dem Temperaturbereich einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist, und eine zweite Elektrode.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Schichtabschnitt ein erstes Halbleitermaterial umfasst.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das erste Halbleitermaterial eine Dotierstoffkonzentration unter 1 × 10¹¹ cm^–3 aufweist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das erste Halbleitermaterial eine Bandlücke von mindestens 1,5 eV aufweist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der zweite Schichtabschnitt ein zweites Halbleitermaterial umfasst.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das zweite Halbleitermaterial mit mindestens einem Dotierstoff dotiert ist und eine maximale Dotierstoffkonzentration mindestens 5 × 10¹² cm^–3 beträgt.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Dotierstoffkonzentration in dem zweiten Halbleitermaterial in einer Tiefenrichtung variiert.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich die Dotierstoffkonzentration in dem zweiten Halbleitermaterial von einem Teil des zweiten Schichtabschnitts angrenzend an den ersten Schichtabschnitt in Richtung zu der zweiten Elektrode hin erhöht.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 6–8, wobei der Dotierstoff ein Donatorniveau mit einem Abstand von mindestens 0,2 eV von einem Leitungsband und/oder ein Akzeptorniveau mit einem Abstand von mindestens 0,2 eV von einem Valenzband erzeugt.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5–9, wobei der erste Schichtabschnitt ein erstes Halbleitermaterial umfasst, wobei das erste Halbleitermaterial auf einem gleichen Halbleiter wie das zweite Halbleitermaterial basiert.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–10, wobei der erste Schichtabschnitt und/oder der zweite Schichtabschnitt ein Halbleitermaterial umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Diamant, Bornitrid, amorphem hydriertem Kohlenstoff, amorphem Silizium, kristallinem Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Aluminiumnitrid oder Galliumarsenid.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, wobei die Temperatursensorvorrichtung in eine weitere Vorrichtung integriert ist, um die Temperatur der weiteren Vorrichtung zu messen.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, ferner umfassend einen Graben, wobei die erste Elektrode, der erste Schichtabschnitt, der zweite Schichtabschnitt und/oder die zweite Elektrode in dem Graben angeordnet sind.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–13, wobei der temperaturabhängige elektrische Widerstand des zweiten Schichtabschnitts über den Temperaturbereich um mindestens eine Größenordnung variiert.
Vorrichtung, umfassend: eine Halbleitervorrichtung und eine Temperatursensorvorrichtung, wobei die Temperatursensorvorrichtung einen ersten Schichtabschnitt, der im Wesentlichen in einem Temperaturbereich elektrisch nicht leitend ist, und einen zweiten Schichtabschnitt, der einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand in dem Temperaturbereich aufweist, umfasst, wobei die Halbleitervorrichtung und die Temperatursensorvorrichtung mindestens einen Anschluss teilen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, ferner umfassend eine Elektrode, die elektrisch mit dem zweiten Schichtabschnitt gekoppelt ist, wobei die Elektrode mit einem Anschluss des mindestens einen geteilten Anschlusses gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Elektrode eine Gateelektrode der Halbleitervorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15–17, wobei sich die Temperatursensorvorrichtung in einem Graben der Halbleitervorrichtung befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15–18, wobei die Halbleitervorrichtung einen Feldeffekttransistor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Halbleitervorrichtung einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei ein Gatedielektrikum des Feldeffekttransistors mindestens einen Teil des ersten Schichtabschnitts der Temperatursensorvorrichtung bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–21, wobei die Temperatursensorvorrichtung parallel zu einer Gatestruktur des Feldeffekttransistors bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19–22, wobei der mindestens eine geteilte Anschluss einen Gateanschluss und/oder einen Sourceanschluss umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 23, ferner umfassend eine Signalerzeugungsschaltung, die eingerichtet ist, ein Gatesteuersignal zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss anzulegen und ein weiteres Signal zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss anzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei das weitere Signal eine höhere Frequenz aufweist als das Gatesteuersignal.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Frequenz des weiteren Signals mindestens eine Größenordnung höher ist als die Frequenz des Gatesteuersignals.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24–26, wobei eine Amplitude des weiteren Signals niedriger ist als eine Amplitude des Gatesteuersignals.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24–27, wobei die Vorrichtung ferner eingerichtet ist, eine Temperatur basierend auf einer Antwort der Temperatursensorvorrichtung auf das weitere Signal zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Signalerzeugungsschaltung eingerichtet ist, das Gatesteuersignal basierend auf der bestimmten Temperatur zu modifizieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24–29, wobei die zweite Signalerzeugungsschaltung eingerichtet ist, das weitere Signal nur während Teilen des Gatesteuersignals zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15–30, ferner umfassend einen temperaturabhängigen Widerstand, der zwischen die Temperatursensorvorrichtung und einen Anschluss des mindestens einen geteilten Anschlusses gekoppelt ist, wobei ein Vorzeichen der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes einem Vorzeichen der Temperaturabhängigkeit des zweiten Schichtabschnitts entgegengesetzt ist.