DE102016115805B4

DE102016115805B4 - Transistorbauelement mit hoher lawinen-festigkeit

Info

Publication number: DE102016115805B4
Application number: DE102016115805.4A
Authority: DE
Inventors: Björn Fischer; Armin Willmeroth; Giulio Fragiacomo; René Mente
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: CN107785410B; US20200044020A1; US20180061938A1; KR20180023854A; KR20190071635A; KR102085259B1; KR101983319B1; CN107785410A; US10950691B2; US10475880B2; DE102016115805A1; CN112786706A

Abstract

Transistorbauelement, das aufweist:einen Drainknoten (D), einen Sourceknoten (S) und einen Gateknoten (G);mehrere Drift- und Kompensationszellen (20), von denen jede ein Driftgebiet (21) von einem ersten Dotierungstyp und ein Kompensationsgebiet (22) von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp aufweist;eine Steuerstruktur (1), die zwischen das Driftgebiet (21) einer jeden der Drift- und Kompensationszellen (20) und den Sourceknoten geschaltet ist,wobei das Driftgebiet (21) einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) mit dem Drainknoten (D) gekoppelt ist, und wobei das Kompensationsgebiet (22) einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) mit dem Sourceknoten (S) gekoppelt ist, undwobei eine Konzentration Neiner Dotierung vom ersten Typ des Driftgebiets (21) höher ist, als ein erstes Dotierungsniveau L, und wobei eine Konzentration Neiner Dotierung vom zweiten Typ des Kompensationsgebiets (22) höher ist, als ein zweites Dotierungsniveau L,wobeiund wobei εdie Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials des Driftgebiets (21) und des Kompensationsgebiets (22) ist, Ec das kritische elektrische Feld für einen Lawinendurchbruch des Halbleitermaterials ist, q die Elementarladung ist, weine erste Breite des Driftgebiets (21) in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist, und weine zweite Breite des Kompensationsgebietes (22) in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist.

Description

Diese Offenbarung betrifft allgemein ein Transistorbauelement, insbesondere ein Superjunction-Transistorbauelement.
Ein Superjunction-Transistorbauelement, das oft als Kompensations-Transistorbauelement bezeichnet wird, weist ein Bauelementgebiet mit zumindest einem Gebiet von einem ersten Dotierungstyp (Leitfähigkeitstyp) und zumindest einem Gebiet von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp (Leitfähigkeitstyp) auf. Das zumindest eine Gebiet vom ersten Dotierungstyp wird oft als Driftgebiet bezeichnet, und das zumindest eine Gebiet vom zweiten Dotierungstyp wird oft als Kompensationsgebiet bezeichnet (obwohl es auch Publikationen gibt, in denen das Gesamtgebiet mit dem zumindest einen Gebiet vom ersten Dotierungstyp und zumindest einem Gebiet vom zweiten Dotierungstyp als Driftgebiet bezeichnet wird). Das Driftgebiet ist mit einem Drainknoten und das Kompensationsgebiet ist mit einem Sourceknoten des Transistorbauelements gekoppelt.
Ein Superjunction-Transistorbauelement weist ferner eine Steuerstruktur mit einem Sourcegebiet und einem Bodygebiet, von denen jedes mit dem Sourceknoten gekoppelt ist, und eine Gateelektrode, die durch ein Gatedielektrikum gegenüber dem Bodygebiet dielektrisch isoliert ist, auf. Diese Steuerstruktur bestimmt einen Betriebszustand des Transistorbauelements. In einem Ein-Zustand liegt in dem Bodygebiet ein leitender Kanal entlang des Gatedielektrikums zwischen dem Sourcegebiet und dem Driftgebiet vor. Im Aus-Zustand ist der leitende Kanal unterbrochen. Wenn im Aus-Zustand zwischen dem Sourceknoten und dem Drainknoten eine externe Spannung, die einen pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet und dem Driftgebiet und einem pn-Übergang zwischen dem Kompensationsgebiet und dem Driftgebiet in Rückwärtsrichtung polt, angelegt wird, breitet sich in jedem von dem Driftgebiet und dem Kompensationsgebiet ein Raumladungsgebiet (Verarmungsgebiet) aus.
Im Aus-Zustand verhindert das Transistorbauelement einen Stromfluss zwischen dem Drainknoten und dem Sourceknoten, sofern die Spannung zwischen dem Sourceknoten und dem Drainknoten nicht einen Spannungspegel erreicht, der üblicherweise als Durchbruchsspannungspegel oder, kürzer, als Durchbruchsspannung bezeichnet wird. Wenn die Spannung die Durchbruchsspannung erreicht, tritt ein Lawinendurchbruch auf, der bewirkt, dass ein Lawinenstrom fließt. Der Lawinendurchbruch ist mit einer Beschleunigung von Ladungsträgern in dem Driftgebiet derart, dass sie durch Stoßionisation Elektron-Loch-Paare erzeugen, verbunden. Ladungsträger, die durch Stoßionisation erzeugt werden, erzeugen neue Ladungsträger, so dass es zu einem Multiplikationseffekt kommt.
Superjunction-Bauelemente können so ausgelegt sein, dass sie einem Lawinenstrom für eine gewisse Zeit widerstehen. Im Lawinenzustand kann eine hohe Menge an Leistung in dem Transistorbauelement dissipiert werden, was letztlich in einer Zerstörung aufgrund von Überhitzung resultieren kann, wenn der Lawinenstrom länger anhält, als die Zeit, die erforderlich ist, um das thermische Limit zu erreichen, das heißt, das Transistorbauelement zu überhitzen.
Superjunction-Bauelemente sind beispielsweise beschrieben in den nachveröffentlichten Dokumenten DE 10 2016 115 558 A1 und DE 10 2016 115 559 A1 und in folgenden weiteren Veröffentlichungen: DE 10 2008 061 962 A1 , DE 10 2014 111 062 A1 , DE 10 2012 216 648 A1 , US 2008 0 017 897 A1 , DE 10 2006 061 994 A1 .
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Superjunction-Transistorbauelement mit einem geringen Ein-Widerstand und einer hohen Lawinenfestigkeit bei einem gegebenen Spannungssperrvermögen und einen Spannungswandler mit einem solchen Halbleiterbauelement bereitzustellen. Diese Aufgabe wird jeweils durch ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 und ein Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 und durch einen Spannungswandler nach Anspruch 26 gelöst.
Ein Beispiel betrifft ein Transistorbauelement. Das Transistorbauelement weist einen Drainknoten, einen Sourceknoten und einen Gateknoten, mehrere Drift- und Kompensationszellen, von denen jede ein Driftgebiet von einem ersten Dotierungstyp und ein Kompensationsgebiet von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären Leitungstyp aufweist, und eine Steuerstruktur, die zwischen dem Driftgebiet einer jeden der Drift- und Kompensationszellen und dem Sourceknoten angeschlossen ist, auf. Das-Driftgebiet einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen ist mit dem Drainknoten gekoppelt, und das Kompensationsgebiet einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen ist mit dem Sourceknoten gekoppelt. Eine Konzentration N₁ einer Dotierung des Driftgebiets vom ersten Typ ist höher, als ein erstes Dotierungsniveau L1, und eine Konzentration N₂ einer Dotierung des Kompensationsgebiets vom zweiten Typ ist höher, als ein zweites Dotierungsniveau L2, wobei $L_{1} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}, L_{2} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}},$
, wobei ε_S die Dielektrizitätskonstante eines Halbleitermaterials des Driftgebiets und des Kompensationsgebiets ist, Ec das kritische elektrische Feld für einen Lawinendurchbruch des Halbleitermaterials ist, q die Elementarladung ist, w₁ eine Breite des Driftgebiets in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist, und w₂ eine Breite des Kompensationsgebiets in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist.
Ein weiteres Beispiel betrifft ein Transistorbauelement. Das Transistorbauelement weist einen Drainknoten, einen Sourceknoten und einen Gateknoten auf, mehrere Drift- und Kompensationszellen, von denen jede ein Driftgebiet von einem ersten Dotierungstyp und ein Kompensationsgebiet von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären Leitungstyp aufweist, und eine Steuerstruktur, die zwischen dem Driftgebiet einer jeden der Drift- und Kompensationszellen und dem Sourceknoten angeschlossen ist. Das Driftgebiet einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen ist mit dem Drainknoten gekoppelt, und das Kompensationsgebiet einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen ist mit dem Sourceknoten gekoppelt. Von den mehreren Drift- und Kompensationszellen besitzt jede in der Stromflussrichtung des Transistorbauelements ein erstes Ende, ein dem ersten Ende entgegengesetztes zweites Ende, eine vom ersten Ende und vom zweiten Ende beabstandete erste Zwischenposition, und eine vom ersten Ende und vom zweiten Ende beabstandete zweite Zwischenposition. Ein erster Dotierungsparameter eines ersten Dotierungsprofils, der die Dotierungskonzentration des Driftgebiets in der Stromflussrichtung repräsentiert, steigt zwischen der ersten Zwischenposition und dem ersten Ende monoton an, und ein zweiter Dotierungsparameter eines zweiten Dotierungsprofils, der die Dotierungskonzentration des Kompensationsgebiets in der Stromflussrichtung repräsentiert, steigt zwischen der zweiten Zwischenposition und dem zweiten Ende monoton an.
Nachfolgend werden Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen dazu, bestimmte Prinzipien zu veranschaulichen, so dass nur die zum Verständnis dieser Prinzipien erforderlichen Aspekte gezeigt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 zeigt schematisch eine vertikale Querschnittsansicht eines Superjunction-Transistorbauelements, das eine Steuerstruktur und mehrere Drift- und Kompensationszellen aufweist;
2 zeigt ein Beispiel einer Steuerstruktur, die mehrere Steuerzellen aufweist;
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Steuerstruktur, die mehrere Steuerzellen aufweist;
4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines Abschnitts eines Superjunction-Transistorbauelements gemäß einem Beispiel;
die 5 bis 8 zeigen Drift- und Kompensationszellen gemäß verschiedenen Beispielen;
9 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Drift- und Kompensationszelle;
10 zeigt ein Beispiel eines Dotierungsprofils des in 9 gezeigten Kompensationsgebiets 22;
11 zeigt ein Beispiel eines Dotierungsprofils des in 9 gezeigten Driftgebiets;
12 zeigt ein Beispiel eines Dotierungsprofils des in 9 gezeigten Kompensationsgebiets 22;
13 zeigt ein Beispiel eines Dotierungsprofils des in 9 gezeigten Driftgebiets;
14 zeigt ein Beispiel eines Dotierungsprofils des in 9 gezeigten Kompensationsgebiets 22;
15 zeigt ein Beispiel eines Dotierungsprofils des in 9 gezeigten Driftgebiets;
16 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer Drift- und Kompensationszelle, die basierend auf mehreren Epitaxieschichten gebildet ist;
17 zeigt Beispiele von Dotierungsprofilen eines Driftgebiets und eines Kompensationsgebiets einer Drift- und Kompensationszelle des in 16 gezeigten Typs;
18 zeigt ein Blockdiagramm einer Leistungswandlerschaltung;
19 zeigt eine Leistungswandlerschaltung mit einer Sperrwandlertopologie; und
die 20A bis 20C zeigen Beispiele dafür, wie ein elektronischer Schalter in der Leistungswandlerschaltung ein Steuersignal empfangen kann.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen anhand von Abbildungen konkrete Ausgestaltungen, wie die Erfindung umgesetzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele, sofern nicht anders erwähnt, miteinander kombiniert werden können.
1 zeigt schematisch eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Transistorbauelements, insbesondere eines Superjunction-Transistorbauelements. Bezug nehmend auf 1 weist das Transistorbauelement einen Halbleiterkörper 100 und mehrere Drift- und Kompensationszellen 20 in dem Halbleiterkörper 100 auf. Jede der mehreren Drift- und Kompensationszellen 20 weist zumindest ein Driftgebiet 21 von einem ersten Dotierungstyp (Leitfähigkeitstyp), zumindest ein Kompensationsgebiet 22 von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Leitfähigkeitstyp auf. Der erste Dotierungstyp ist einer von einem Typ n und einem Typ p, und der zweite Dotierungstyp ist der andere von dem Typ n und dem Typ p. Das zumindest eine Driftgebiet 21 und das zumindest eine Kompensationsgebiet 22 einer jeden Drift- und Kompensationszelle grenzen aneinander an, so dass jede der mehreren Drift- und Kompensationszellen 20 zumindest einen pn-Übergang zwischen dem zumindest einen Driftgebiet 21 und dem zumindest einen Kompensationsgebiet aufweist. Lediglich zum Zweck der Darstellung weist jede der in 1 und den nachfolgend erläuterten Beispielen gezeigte Drift- und Kompensationszelle 20 ein Driftgebiet 21, ein Kompensationsgebiet 22 und einen pn-Übergang auf. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel. Eine Drift- und Kompensationszelle kann ebenso gut mehr als ein Driftgebiet und mehr als ein Kompensationsgebiet aufweisen. Ferner werden bei dem in 1 gezeigten Beispiel die Driftgebiete 21 benachbarter Drift- und Kompensationszellen 20 durch ein Halbleitergebiet 23 vom ersten Dotierungstyp gebildet, und die Kompensationsgebiete 22 benachbarter Drift- und Kompensationszellen 20 werden durch ein Halbleitergebiet 24 vom zweiten Dotierungstyp gebildet. Ein Pitch p der Halbleiterstruktur mit den Halbleitergebieten 23, 24 vom ersten und zweiten Dotierungstyp ist durch einen Mittenabstand zwischen zwei benachbarten Halbleitergebieten 23 vom ersten Typ bzw. einem Mittenabstand zwischen zwei benachbarten Halbleitergebieten 24 vom zweiten Typ gegeben. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel, bei dem eine Breite eines jeden Driftgebiets 21 in einer ersten lateralen Richtung x des Halbleiterkörpers 100 im Wesentlichen 50% einer Breite eines Halbleitergebiets 23 vom ersten Dotierungstyp ist und bei dem eine Breite eines jeden Kompensationsgebiets 22 in der ersten lateralen Richtung x des Halbleiterkörpers 100 im Wesentlichen 50% einer Breite eines Halbleitergebiets 24 vom zweiten Dotierungstyp ist, ist eine Breite einer jeden Drift- und Kompensationszelle 20 in der ersten lateralen Richtung im Wesentlichen 50% des Pitches p.
Bezug nehmend auf 1 ist das zumindest eine Driftgebiet 21 einer jeden Drift- und Kompensationszelle 20 mit einem Drainknoten D des Transistorbauelements verbunden, und das zumindest eine Kompensationsgebiet 22 einer jeden Drift- und Kompensationszelle 20 ist mit einem Sourceknoten S des Transistorbauelements verbunden. Eine elektrische Verbindung zwischen den Kompensationszellen 22 und dem Sourceknoten S ist in 1 nur schematisch dargestellt. Beispiele dafür, wie diese elektrischen Verbindungen implementiert werden können, werden unter Bezugnahme auf nachfolgende Beispiele erläutert. Die Driftgebiete 21 der einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 sind über ein Draingebiet 11 vom ersten Dotierungstyp mit dem Drainknoten D verbunden. Das Draingebiet 11 kann an die Driftgebiete 21 angrenzen. Allerdings ist dies in 1 nicht gezeigt. Optional ist, wie in 1 gezeigt, ein Puffergebiet 12 vom ersten Dotierungstyp zwischen dem Draingebiet 11 und den Driftgebieten 21 der einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 angeordnet. Das Puffergebiet 12 weist den ersten Dotierungstyp, welches der Dotierungstyp der Driftgebiete 21 und des Draingebiets 11 ist, auf. Gemäß einem Beispiel ist eine Dotierungskonzentration des Puffergebiets 12 geringer, als eine Dotierungskonzentration des Draingebiets 11. Die Dotierungskonzentration des Draingebiets 11 ist zum Beispiel aus einem Bereich zwischen 1E17 cm^-3 und 1E20 cm^-3 ausgewählt, und die Dotierungskonzentration des Puffergebiets 12 ist zum Beispiel aus einem Bereich zwischen 1E14 cm^-3 und 1E176 cm^-3 ausgewählt. Gemäß einem Beispiel weist das Puffergebiet 12 zwei oder mehr unterschiedlich dotierte Teilgebiete (nicht gezeigt) auf. Eines dieser Teilgebiete kann eine Dotierungskonzentration zwischen 1E14 cm^-3 und 1E15 cm^-3 aufweisen, und das andere dieser Teilgebiete kann eine Dotierungskonzentration zwischen 1E15 cm^-3 und 1E16 cm^-3 aufweisen.
Bezug nehmend auf 1 weist das Transistorbauelement ferner eine Steuerstruktur 1, die zwischen dem Sourceknoten S und dem zumindest einen Driftgebiet 21 einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen 20 angeschlossen ist, auf. Die Steuerstruktur 1 ist zumindest teilweise in einen Halbleiterkörper 100 integriert. Beispiele dafür, wie die Steuerstruktur 1 implementiert werden kann, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Beispiele erläutert. Die Steuerstruktur weist ferner einen Gateknoten G auf und ist dazu ausgebildet, einen leitenden Kanal zwischen dem Sourceknoten S und den Driftgebieten 21 der einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 abhängig von einer Spannung V_GS zwischen dem Gateknoten G und dem Sourceknoten S zu steuern. Diese Funktion der Steuerstruktur 1 wird bei dem in 1 gezeigten Beispiel durch einen zwischen dem Sourceknoten S und den Driftgebieten 21 angeschlossenen Schalter repräsentiert. Ferner weist die Steuerstruktur 1 einen pn-Übergang zwischen den Driftgebieten 21 und dem Sourceknoten S auf. Dieser pn-Übergang wird bei dem in 1 gezeigten Beispiel durch eine bipolare Diode repräsentiert.
Der Halbleiterkörper 100 kann ein herkömmliches Halbleitermaterial wie zum Beispiel Silizium (Si) oder Siliziumkarbid (SiC) aufweisen.
Das Transistorbauelement besitzt eine Stromflussrichtung, bei der es sich um eine Richtung handelt, in der ein Strom innerhalb des Halbleiterkörpers zwischen dem Sourceknoten S und dem Drainknoten D fließen kann. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Stromflussrichtung eine vertikale Richtung z des Halbleiterkörpers 100. Die vertikale Richtung z ist eine Richtung senkrecht zu einer ersten Oberfläche (in 1 nicht gezeigt) und einer zweiten Oberfläche 102, die durch das Draingebiet 11 gebildet ist. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht, welche eine Schnittansicht in einer Schnittebene senkrecht zur ersten und zweiten Oberfläche und parallel zu der vertikalen Richtung z ist, der Drift- und Kompensationszellen 20, des Driftgebiets 11, und des optionalen Puffergebiets 12. Schnittebenen senkrecht zu der in 1 gezeigten vertikalen Schnittebene werden nachfolgend als horizontale Schnittebenen bezeichnet.
2 zeigt ein Beispiel der Steuerstruktur 1 detaillierter. Neben der Steuerstruktur 1 werden Teile der an die Steuerstruktur 1 angrenzenden Drift- und Kompensationszellen 20 gezeigt. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel weist die Steuerstruktur 1 mehrere Steuerzellen 10, die auch als Transistorzellen bezeichnet werden können, auf. Jede dieser Steuerzellen 10 weist ein Bodygebiet 13 vom zweiten Dotierungstyp, ein Sourcegebiet 14 vom ersten Dotierungstyp, eine Gateelektrode 15 und ein Gatedielektrikum 16 auf. Das Gatedielektrikum 16 isoliert die Gateelektrode 15 dielektrisch von dem Bodygebiet 13. Das Bodygebiet 13 einer jeden Steuerzelle 10 trennt das entsprechende Sourcegebiet 14 der Steuerzelle von einem Driftgebiet 21 von zumindest einer der mehreren Drift- und Kompensationszellen. Das Sourcegebiet 14 und das Bodygebiet 13 einer jeden der mehreren Steuerzellen 10 ist elektrisch an den Sourceknoten S angeschlossen. „Elektrisch angeschlossen“ bedeutet in diesem Kontext ohmsch verbunden, das heißt, es gibt keinen gleichrichtenden Übergang zwischen dem Sourceknoten S und dem Sourcegebiet 14 bzw. dem Bodygebiet 13. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem Sourceknoten S und dem Sourcegebiet 14 und dem Bodygebiet 13 der einzelnen Steuerzellen sind in 2 nur schematisch dargestellt. Die Gateelektrode 15 einer jeden Steuerzelle 10 ist elektrisch mit dem Gateknoten G verbunden.
Bezug nehmend auf das Obige grenzt das Bodygebiet 13 einer jeden Steuerzelle an das Driftgebiet 21 von zumindest einer Drift- und Kompensationszelle 20 an, so dass zwischen dem Bodygebiet 13 und dem zumindest einen Driftgebiet 21 ein pn-Übergang gebildet ist. Diese pn-Übergänge bilden den pn-Übergang der Steuerstruktur 1, der bei dem Ersatzschaltbild der in 1 gezeigten Steuerstruktur 1 durch die Bipolardiode repräsentiert wird.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Gateelektrode 15 einer jeden Steuerstruktur 10 um eine planare Elektrode, die auf der ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet und durch das Gatedielektrikum 16 gegenüber dem Halbleiterkörper 100 dielektrisch isoliert ist. Bei diesem Beispiel erstrecken sich Abschnitte der Driftgebiete 21 der Drift- und Kompensationszellen 20 benachbart zu den einzelnen Bodygebieten 13 zu der ersten Oberfläche 101.
3 zeigt eine Steuerstruktur 1 gemäß einem weiteren Beispiel. Die in 3 gezeigte Steuerstruktur 1 unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Steuerstruktur 1 dadurch, dass es sich bei der Gateelektrode 15 einer jeden Steuerzelle 10 der in 3 gezeigten Steuerstruktur 1 um eine Grabenelektrode handelt. Diese Gateelektrode 15 ist in einem Graben angeordnet, der sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterkörper 100 hinein erstreckt, wobei, wie bei dem in 2 gezeigten Beispiel, ein Gatedielektrikum 16 die Gateelektrode 15 von dem entsprechenden Bodygebiet 13 dielektrisch isoliert. Das Bodygebiet 13 und das Sourcegebiet 14 einer jeden Steuerzelle 10 ist elektrisch mit dem Sourceknoten S verbunden, und das Bodygebiet 13 grenzt an das Driftgebiet 21 von zumindest einer Drift- und Kompensationszelle an und bildet mit dem entsprechenden Driftgebiet 21 einen pn-Übergang.
Bei jedem der in den 2 und 3 gezeigten Beispiele grenzt ein Bodygebiet 13 an ein Kompensationsgebiet 22 an, so dass die Kompensationsgebiete 22 der einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 über die Bodygebiete 13 der Steuerzellen 10 der Steuerstruktur 1 elektrisch mit dem Sourceknoten S verbunden sind.
Bei den in den 2 und 3 gezeigten Beispielen weist jede der Steuerstrukturen 10 eine Gateelektrode 15 auf, wobei die Gateelektrode 15 einer jeden Steuerzelle 10 dazu ausgebildet ist, einen leitenden Kanal zwischen dem Sourcegebiet 14 der betreffenden Steuerzelle 10 und dem Driftgebiet 21 einer Drift- und Kompensationszelle 20 zu steuern, so dass jede Steuerzelle 10 einer Drift- und Kompensationszelle 20 zugeordnet ist. Weiterhin bildet bei den in den 1 und 2 gezeigten Beispielen ein dotiertes Gebiet vom ersten Dotierungstyp die Sourcegebiete 14 von zwei (oder mehr) benachbarten Steuerzellen 10, ein dotiertes Gebiet vom zweiten Dotierungstyp bildet die Bodygebiete 13 von zwei (oder mehr) benachbarten Steuerzellen, und eine Elektrode bildet die Gateelektrode 15 von zwei oder mehr Steuerzellen. Die Gateelektrode 15 kann dotiertes Polysilizium, ein Metall, oder dergleichen aufweisen. Gemäß einem Beispiel ist eine Dotierungskonzentration des Sourcegebiets 14 ausgewählt aus einem Bereich zwischen 1E18 cm^-3 und 1E21 cm^-3, und eine Dotierungskonzentration des Bodygebiets 13 ist ausgewählt aus einem Bereich zwischen 1E15 cm^-3 und 1E19 cm^-3.
Die Zuordnung einer Steuerzelle 10 der mehreren Steuerzellen zu einer Drift- und Kompensationszelle 20 der mehreren Drift- und Kompensationszellen, wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist, ist lediglich ein Beispiel. Die Implementierung und die Anordnung der Steuerzellen 10 der Steuerstruktur 1 ist weitgehend unabhängig von der konkreten Implementierung und Anordnung der Drift- und Kompensationszellen 20.
Ein Beispiel, das zeigt, dass die Implementierung und Anordnung der Steuerstruktur 1 weitgehend unabhängig von der Implementierung und Anordnung der Drift- und Kompensationszellen 20 ist, ist in 4 dargestellt. Bei diesem Beispiel sind die Driftgebiete 21 und Kompensationsgebiete 22 in einer ersten lateralen Richtung x des Halbleiterkörpers 100 langgestreckt, während die Sourcegebiete 14, die Bodygebiete 13 und die Gateelektroden 15 der einzelnen Steuerzellen 10 der Steuerstruktur 1 in einer zur ersten lateralen Richtung x senkrechten zweiten lateralen Richtung y langgestreckt sind. Bei diesem Beispiel grenzt das Bodygebiet 13 einer Steuerzelle 10 an die Driftgebiete 21 mehrerer Drift- und Kompensationszellen 20 an.
Die Drift- und Kompensationszellen können auf eine Vielzahl unterschiedlicher Arten implementiert werden. Einige Beispiele dafür, wie die Drift- und Kompensationszellen 20 implementiert werden können, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5, 6 und 7 erläutert. Jede dieser Figuren zeigt eine Schnittansicht in einer in 1 dargestellten Schnittebene A-A eines Gebiets des Halbleiterkörpers 100, in den die Drift- und Kompensationszellen 20 implementiert sind.
Bei dem in 5 gezeigten Beispiel sind die Driftgebiete 21 und die Kompensationsgebiete 22 der einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 langgestreckt. Lediglich zum Zweck der Darstellung handelt es sich bei dieser lateralen Richtung um die zweite laterale Richtung y. In der ersten lateralen Richtung x sind Halbleitergebiete vom ersten Dotierungstyp und Halbleitergebiete vom zweiten Dotierungstyp abwechselnd angeordnet, wobei jedes der Halbleitergebiete vom ersten Dotierungstyp die Driftgebiete 21 von zwei benachbarten Drift- und Kompensationszellen 20 bildet, und wobei jedes der Halbleitergebiete vom zweiten Dotierungstyp die Kompensationsgebiete 22 von zwei benachbarten Drift- und Kompensationszellen 20 bildet.
Bei dem in 6 gezeigten Beispiel weist das Transistorbauelement mehrere Halbleitergebiete vom zweiten Dotierungstyp auf, wobei jedes dieser Halbleitergebiete eine rechteckige, insbesondere quadratische, Form besitzt. Diese rechteckigen Gebiete vom zweiten Dotierungstyp sind von einem zusammenhängenden Halbleitergebiet vom ersten Typ, das die Form eines Gitters aufweist, umgeben. Bei dieser Topologie bildet jedes der Halbleitergebiete vom zweiten Typ die Kompensationsgebiete 22 von vier benachbarten Drift- und Kompensationszellen 20. Die Driftgebiete 21 der einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 werden durch das gitterförmige Halbleitergebiet vom ersten Typ gebildet. Die einzelnen Drift- und Kompensationszellen besitzen bei diesem Ausführungsbeispiel eine rechteckige, insbesondere eine quadratische, Form.
Bei der Implementierung der Drift- und Kompensationszellen 20 mit einer rechteckigen Form handelt es sich lediglich um ein Beispiel. 7 zeigt eine Modifikation der in 6 gezeigten Drift- und Kompensationszellen 20. Bei dem in 7 gezeigten Beispiel weisen die Halbleitergebiete vom zweiten Typ, die die Kompensationsgebiete 22 mehrerer Drift- und Kompensationszellen 20 bilden, eine hexagonale Form auf, so dass die einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 eine dreieckige Form aufweisen. Allerdings handelt es sich hierbei lediglich um ein weiteres Beispiel. Die Halbleitergebiete vom zweiten Typ, die die Kompensationsgebiete 22 mehrerer Drift- und Kompensationszellen bilden, können mit jeder anderen Art polygonaler, elliptischer oder kreisförmiger Form implementiert werden. Darüber hinaus können die Form und die Positionen der Driftgebiete 21 und der Kompensationsgebiete 22 gegenseitig vertauscht werden.
Bei den oben erläuterten Beispielen besitzen die einzelnen Drift- und Kompensationszellen 20 im Wesentlichen dieselbe Größe. Die Größe einer Drift- und Kompensationszelle 20 ist ihre Größe in der vorangehend erläuterten horizontalen Schnittebene A-A. Allerdings handelt es sich bei der Implementierung der Drift- und Kompensationszellen 20 mit derselben Größe lediglich um ein Beispiel. Gemäß einem anderen, in 8 gezeigten Beispiel können in einem Transistorbauelement Drift- und Kompensationszellen 20 mit unterschiedlichen Größen implementiert sein. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel sind die Drift- und Kompensationszellen längliche Zellen des unter Bezugnahme auf 5 erläuterten Typs. Allerdings kann das, was in 8 im Hinblick auf längliche Drift- und Kompensationszellen 20 gezeigt ist, ebenso gut auf jede andere Art von Drift- und Kompensationszellen angewandt werden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des vorangehend erläuterten Transistorbauelements erläutert. Das Transistorbauelement kann in einem in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand und einem in Rückwärtsrichtung gepolten Zustand betrieben werden. Ob sich das Bauelement im in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand oder im in Rückwärtsrichtung gepolten Zustand befindet, hängt ab von einer Polarität einer Drain-Source-Spannung V_DS zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S. Im in Rückwärtsrichtung gepolten Zustand ist die Polarität der Drain-Source-Spannung V_DS dergestalt, dass die pn-Übergänge zwischen den Bodygebieten 13 und dem Driftgebiet 21 in Vorwärtsrichtung gepolt sind, so dass das Transistorbauelement in diesem Betriebszustand einen Strom unabhängig von einem Betriebszustand der Steuerstruktur 1 leitet. Im in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand ist die Polarität der Drain-Source-Spannung V_DS dergestalt, dass die pn-Übergänge zwischen den Bodygebieten 13 und den Driftgebieten 21 in Rückwärtsrichtung gepolt sind. In diesem in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand kann das Transistorbauelement durch die Steuerstruktur 1 in einem Ein-Zustand oder einem Aus-Zustand betrieben werden. Im Ein-Zustand erzeugt die Steuerstruktur 1 einen leitenden Kanal zwischen dem Sourceknoten S und den Driftgebieten 21, und im Aus-Zustand ist dieser leitende Kanal unterbrochen. Genauer gesagt gibt es, Bezug nehmend auf die 2 und 3, durch die Gateelektrode 15 gesteuerte, leitende Kanäle in den Bodygebieten 13 zwischen den Sourcegebieten 14 und dem Driftgebieten 21. Im Aus-Zustand sind diese leitenden Kanäle unterbrochen. Die Gateelektroden 15 werden durch eine Gate-Source-Spannung V_GS zwischen dem Gateknoten G und dem Sourceknoten S gesteuert.
Das Transistorbauelement kann als Transistorbauelement vom Typ n oder als Transistorbauelement vom Typ p implementiert sein. Bei einem Transistorbauelement vom Typ n ist der erste Dotierungstyp, bei dem es sich um den Dotierungstyp der Driftgebiete 21, der Sourcegebiete 14, des Draingebiets 11 und des optionalen Puffergebiets 12 handelt, vom Typ n, und der zweite Dotierungstyp, bei dem es sich um den Dotierungstyp der Kompensationsgebiete 22 und der Bodygebiete 13 handelt, vom Typ p. Bei einem Transistorbauelement vom Typ p sind die Dotierungstypen der vorangehend erläuterten Bauelementgebiete komplementär zu den Dotierungstypen der entsprechenden Bauelementgebiete bei einem Transistorbauelement vom Typ n. Beispielsweise befindet sich ein Transistorbauelement vom Typ n in dem in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand, wenn es sich bei der Drain-Source-Spannung V_DS um eine positive Spannung handelt. Ferner befindet sich ein Transistorbauelement vom Typ n im Ein-Zustand, wenn die Gate-Source-Spannung V_GS positiv und höher als eine Schwellenwertspannung des Transistorbauelements ist. Nachfolgend bedeutet Drain-Source-Spannung eine Drain-Source-Spannung, die das Transistorbauelement in Vorwärtsrichtung polt, und Ein-Zustand und Aus-Zustand bezeichnen Betriebszustände im in Vorwärtsrichtung gepolten Zustand.
Es ist wünschenswert, ein Transistorbauelement mit einem niedrigen spezifischen Ein-Widerstand R_ON·A bei einem gegebenen Spannungssperrvermögen und einer hohen Lawinenfestigkeit zu besitzen. Bei dem spezifischen Ein-Widerstand R_ON·A handelt es sich um den elektrischen Widerstand zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S in einem Ein-Zustand multipliziert mit der Größe des Halbleiterkörpers 100, in den das Transistorbauelement integriert ist. Bei den vorangehend erläuterten Beispielen ist die „Größe“ des Halbleiterkörpers beispielsweise die Fläche der ersten Oberfläche 101. Der spezifische Ein-Widerstand und die Lawinenfestigkeit des Transistorbauelements werden hauptsächlich durch die Auslegung der Drift- und Kompensationszellen 20 bestimmt. Beispiele für Drift- und Kompensationszellendesigns, die zu einem geringen spezifischen Ein-Widerstand und einer hohen Lawinenfestigkeit führen, werden nachfolgend erläutert.
9 zeigt schematisch eine vertikale Querschnittsansicht einer Drift- und Kompensationszelle 20 und eines an das Driftgebiet 21 und das Kompensationsgebiet 22 der Drift- und Kompensationszelle 20 angrenzenden Abschnitts eines Bodygebiets 13. Das Draingebiet und andere Teile außer dem Bodygebiet 13 der Steuerstruktur 1 sind in 9 nicht gezeigt. Im Aus-Zustand polt die Drain-Source-Spannung V_DS zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S (siehe 1) den pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 13 und dem Driftgebiet 21 und ebenso den pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet 21 und dem Kompensationsgebiet 22 in Rückwärtsrichtung. Das Polen dieser pn-Übergänge in Rückwärtsrichtung geht mit einer Ausbreitung von Verarmungsgebieten (Raumladungsgebieten) in diesen Bauelementgebieten einher. Die Ausbreitung von Verarmungsgebieten geht mit einer Ionisierung von Dotierstoffatomen in den betreffenden Bauelementgebieten einher. Lediglich zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei dem Transistorbauelement um ein Transistorbauelement vom Typ n handelt, so dass das Driftgebiet 21 Dotierstoffe vom Typ n aufweist, und von dem Bodygebiet 13 und dem Kompensationsgebiet 21 ein jedes Dotierstoffe vom Typ p aufweist. Hiermit führt die Ionisierung von Dotierstoffen vom Typ n in dem Driftgebiet 21 zu positiven Ladungen in dem Driftgebiet 21, und die Ionisierung von Dotierstoffen vom Typ p in dem Bodygebiet 13 und dem Kompensationsgebiet 21 führt zu negativen Ladungen in dem Kompensationsgebiet 21 bzw. dem Bodygebiet. Jede positive oder negative Ladung in einem dieser Bauelementgebiete besitzt in einem anderen der Bauelementgebiete eine entsprechende Gegenladung. Das heißt, positive Ladungen in dem Driftgebiet 21 besitzen entweder Gegenladungen in dem Bodygebiet 13 oder dem Kompensationsgebiet 22. Verarmungsgebiete, die sich in dem Driftgebiet 21, dem Kompensationsgebiet 22 und dem Bodygebiet 13 ausbreiten, gehen mit einem elektrischen Feld einher.
Wenn sich das Transistorbauelement im Aus-Zustand befindet, tritt ein Lawinendurchbruch auf, wenn das Maximum des elektrischen Felds einen kritischen Wert erreicht, der üblicherweise als kritische elektrische Feldstärke Ec bezeichnet wird. Die Drain-Source-Spannung, bei der ein Lawinendurchbruch auftritt, das heißt, bei dem der Betrag des elektrischen Feldes das kritische Niveau E_CRIT erreicht, ist die Durchbruchspannung oder das Spannungssperrvermögen des Transistorbauelements. Bei dem Niveau des kritischen elektrischen Feldes E_CRIT handelt es sich um eine Materialkonstante des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers 100. Ein Lawinendurchbruch tritt auf, wenn das durch ionisierte Dotierstoffatome in dem Driftgebiet 21 und zugehörige Gegenladungen in dem Bodygebiet 13 erzeugte elektrische Feld das kritische elektrische Feld erreicht. Ohne das Kompensationsgebiet 22 hängt das Niveau der Drain-Source-Spannung V_DS, bei dem das kritische elektrische Feld erreicht wird, von der Dotierungskonzentration des Driftgebiets 21 ab, und, deshalb, von der Anzahl von Dotierstoffatomen, die ionisiert werden können, wenn der pn-Übergang zwischen dem Bodygebiet 13 und dem Driftgebiet 21 in Rückwärtsrichtung gepolt ist. Wenn es jedoch, wie bei dem vorangehend erläuterten Transistorbauelement, ein Kompensationsgebiet 22 gibt, das an das Driftgebiet 21 angrenzt, finden ionisierte Dotierstoffatome in dem Driftgebiet 21 zugehörige Gegenladungen nicht nur in dem Bodygebiet 13, sondern auch in dem Kompensationsgebiet 22. Hierdurch kann die Dotierungskonzentration des Driftgebiets 21 erhöht werden, ohne das Spannungssperrvermögen des Transistorbauelements zu verringern. Das Erhöhen der Dotierungskonzentration in dem Driftgebiet 21 ist jedoch im Hinblick auf den Ein-Widerstand und insbesondere auf den spezifischen Ein-Widerstand des Transistorbauelements vorteilhaft.
Wenn sich das Transistorbauelement im Aus-Zustand befindet und die Drain-Source-Spannung V_DS das Durchbruchsspannungsniveau erreicht, tritt ein Lawinendurchbruch auf. Ein Lawinendurchbruch kann beispielsweise auftreten, wenn eine zu dem Transistorbauelement in Reihe geschaltete Last im Aus-Zustand einen Strom durch das Transistorbauelement treibt. Bei einer Last, die dazu in der Lage ist, im Aus-Zustand einen Strom durch das Transistorbauelement zu treiben, handelt es sich zum Beispiel um eine induktive Last. Nachdem der Lawinendurchbruch aufgetreten ist, kann zwischen dem Drainknoten und der Source ein Drain-Source-Strom durch das Transistorbauelement fließen, bis die Drain-Source-Spannung V_DS unter das Durchbruchsspannungsniveau fällt. Ein Betriebszustand des Transistorbauelements, nachdem ein Lawinendurchbruch aufgetreten ist, wird nachfolgend als Lawinenzustand bezeichnet. Ein Strom, der im Lawinenzustand durch das Transistorbauelement fließt, wird nachfolgend als Lawinenstrom bezeichnet.
Im Lawinenzustand des Transistorbauelements gibt es in dem Driftgebiet 21 und in dem Kompensationsgebiet 22 ein Ladungsträgerplasma mit Ladungsträgern vom Typ p (Löchern) und Ladungsträgern vom Typ n (Elektronen). Zu Beginn des Lawinendurchbruchs werden Ladungsträger an einer Stelle erzeugt, an der das elektrische Feld ein Maximum (einen Peak) aufweist. Diese Ladungsträger werden durch das elektrische Feld beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation neue Ladungsträger. „Stoßionisation“ bedeutet, dass eine kinetische Energie eines beschleunigten Ladungsträgers, wenn er mit einem Atom in dem Kristallgitter des Driftgebiets 21 kollidiert, höher ist, als eine Ionisierungsenergie des Halbleitermaterials (der Bandlücke), so dass durch die Übertragung eines Elektrons aus dem Valenzband in das Leistungsband ein Elektron-Loch-Paar erzeugt wird.
Es ist wünschenswert, dass das Transistorbauelement dem Lawinenzustand für eine gewisse Zeit widersteht, ohne dass es beschädigt oder zerstört wird, und, nachdem die Drain-Source-Spannung V_DS unter die Durchbruchspannung abgefallen ist, in einen Aus-Zustand zurückkehrt, in dem höchstens ein Leckstrom fließt und aus dem das Transistorbauelement in den Ein-Zustand geschaltet werden kann.
Gemäß einem Beispiel ist eine Konzentration N1 einer Dotierung des Driftgebiets 21 vom ersten Typ höher als ein erstes Dotierungsniveau L₁, und eine Konzentration N₂ einer Dotierung des Kompensationsgebiets 22 vom zweiten Typ ist höher als ein zweites Dotierungsniveau L₂, wobei $L_{1} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}$
$L_{2} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}}$
und wobei ε_S die Dielektrizitätskonstante eines Halbleitermaterials des Driftgebiets und des Kompensationsgebiets ist, Ec das kritische elektrische Feld für einen Lawinendurchbruch des Halbleitermaterials ist, q die Elementarladung ist, w₁ eine Breite des Driftgebiets 21 in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist, und w₂ eine Breite des Kompensationsgebiets 22 in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist. Nachfolgend wird die Breite w₁ des Driftgebiets 21 als erste Breite w₁ bezeichnet, und die Breite w₂ des Kompensationsgebiets 22 wird als zweite Breite w₂ bezeichnet. Bezug nehmend auf die obige Erläuterung können die Driftgebiete 21 benachbarter Drift- und Kompensationszellen 20 durch ein Halbleitergebiet 23 vom ersten Dotierungstyp gebildet sein, und die Kompensationsgebiete benachbarter Drift- und Kompensationszellen 20 können durch ein Halbleitergebiet 24 vom zweiten Dotierungstyp gebildet sein. Gemäß einem Beispiel besitzen die Driftgebiete 21 und die Kompensationsgebiete 22 in der ersten lateralen Richtung im Wesentlichen dieselbe Breite. In diesem Fall können die erste Breite w₁ und die zweite Breite w₂ wie folgt ausgedrückt werden: $w_{1} = w_{2} = p / 4$
wobei p der unter Bezugnahme auf 1 erläuterte Pitch ist.
Gemäß einem Beispiel handelt es sich bei dem Halbleitergebiet des Driftgebiets 21 und des Kompensationsgebiets 22 um Silizium (Si). Bei diesem Beispiel ist das kritische elektrische Feld Ec 2,5E5 V/cm, und die Dielektrizitätskonstante ε_S ist 1,04·1E-12 As/Vcm. Gemäß einem Beispiel sind die erste Breite w₁ und die zweite Breite w₂ ausgewählt aus einem Bereich zwischen 0,2 Mikrometer und 5 Mikrometer, insbesondere zwischen 0,2 Mikrometer und 2 Mikrometer. Gemäß einem Beispiel sind w₁ und w₂ im Wesentlichen gleich.
Durch Auswahl der Dotierungskonzentrationen N₁ und N₂ des Driftgebiets 21 und des Kompensationsgebiets 22 gemäß den Gleichungen (1a) und (1b) können ein niedriger Widerstand insbesondere des Driftgebiets 21 und, deshalb, ein niedriger spezifischer Ein-Widerstand erzielt werden. Gemäß einem Beispiel sind das erste Dotierungsniveau Li und das zweite Dotierungsniveau L₂ höher als durch die Gleichungen (1a) und (1b) gegeben, und wie folgt gegeben: $L_{1} > 1,5 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}$
$L_{2} > 1,5 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}}$
Bezug nehmend auf 9 besitzt die Drift- und Kompensationszelle in der Stromflussrichtung z ein erstes Ende 20₁ und ein dem ersten Ende entgegengesetztes zweites Ende 20₂. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem ersten Ende 20₁ um das dem Bodygebiet 13 zugewandte Ende der Drift- und Kompensationszelle 20. Bei dem zweiten Ende 20₂ handelt es sich um das dem Draingebiet 11 oder dem optionalen Puffergebiet 12 (die in 9 nicht gezeigt sind) zugewandte Ende der Drift- und Kompensationszelle 20. Insbesondere befinden sich das erste Ende 20₁ und das zweite Ende 20₂ an Stellen, an denen der pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet 21 und dem Kompensationsgebiet 22 in der Stromflussrichtung, welche bei dem in 9 gezeigten Beispiel die vertikale Richtung ist, endet. Bei einer Länge L der Drift- und Kompensationszelle 20 handelt es sich um einen Abstand zwischen dem ersten Ende 20₁ und dem zweiten Ende 20₂. In 9 bezeichnet z1 eine Stelle des ersten Endes 20₁ in dem Halbleiterkörper 100, und z2 bezeichnet eine Stelle des zweiten Endes 20₂. Die Länge L ist gegeben durch L= | z2-z1 | . Gemäß einem Beispiel ist die Länge L ausgewählt aus einem Bereich zwischen 30 Mikrometer (µm) und 100 Mikrometer. Basierend darauf kann das Transistorbauelement so ausgelegt sein, dass es ein Spannungssperrvermögen zwischen 400 V und 1200 V besitzt.
Bezug nehmend auf 9 weist die Drift- und Kompensationszelle 20 ferner eine erste Zwischenposition z3, die von dem ersten Ende 201 und dem zweiten Ende 20₂ beabstandet ist, und eine zweite Zwischenposition z4, die von dem ersten Ende 20₁ und dem zweiten Ende 20₂ beabstandet ist, auf. Bei diesem Beispiel befindet sich die erste Zwischenposition z3 näher an dem ersten Ende 20₁ (bei der Stelle z1) als an dem zweiten Ende 20₂ (an der Stelle z2), und die zweite Zwischenposition z4 befindet sich näher an dem zweiten Ende 20₂ als das erste Ende 20₁. Gemäß einem Beispiel ist ein Abstand zwischen dem ersten Ende 20₁ und der ersten Zwischenposition z3, das heißt | z3-z1 | , ausgewählt aus zwischen 40% und 60% der Länge L, und ein Abstand zwischen der zweiten Zwischenposition z4 und dem zweiten Ende 20₂, das heißt | z4-z2 1 , ist ausgewählt aus zwischen 40% und 60% der Länge L der Drift- und Kompensationszelle.
Von dem Driftgebiet 21 und dem Kompensationsgebiet 22 besitzt jedes in der Stromflussrichtung z ein Dotierungsprofil. Das Dotierungsprofil repräsentiert die Dotierungskonzentration des betreffenden Gebiets 21 oder 22 an jeder Stelle in der Stromflussrichtung z. Die „Dotierungskonzentration“ ist beispielsweise die Dotierungskonzentration in der Mitte des betreffenden Gebiets 21, 22. Die „Mitte“ des Driftgebiets 21 befindet sich an einer Position in der ersten lateralen Richtung x, die um 50% der ersten Breite w1 von dem pn-Übergang zwischen dem Driftgebiet 21 und dem Kompensationsgebiet beabstandet ist, und die „Mitte“ des Kompensationsgebiets 22 ist eine Position in der ersten lateralen Richtung x, die um 50% der zweiten Breite w2 von dem pn-Übergang beabstandet ist. Gemäß einem weiteren Beispiel handelt es sich bei der durch das Dotierungsprofil repräsentierten Dotierungskonzentration um die durchschnittliche Dotierungskonzentration des entsprechenden Gebiets 21, 22 entlang der entsprechenden Breite. In diesem Fall bezeichnet Ni(z0) beispielsweise die durchschnittliche Dotierungskonzentration des Driftgebiets 21 über die erste Breite w₁ an der vertikalen Position z0.
Gemäß einem Beispiel steigt die Dotierungskonzentration N₂ des Kompensationsgebiets 22 zwischen der ersten Zwischenposition z3 und dem ersten Ende 201 monoton an. Dieser Parameter wird nachfolgend als Dotierungsparameter bezeichnet. Gemäß einem Beispiel ist dieser Parameter die Dotierungskonzentration selbst, so dass die Dotierungskonzentration N₂ des Kompensationsgebiets 22 zwischen der ersten Zwischenposition z3 und dem ersten Ende 20₁ monoton ansteigt. Dies ist in 10, die die Dotierungskonzentration N₂ des Kompensationsgebiets 22 zwischen dem ersten Ende 20₁ und dem zweiten Ende 20₂, das heißt, zwischen den Positionen z1 und z2, zeigt, veranschaulicht. Zwischen der ersten Zwischenposition z3 und dem zweiten Ende 20₂ ist die Dotierungskonzentration N₂ des Kompensationsgebiets 22 gemäß einem Beispiel im Wesentlichen konstant.
Die unter Bezugnahme auf 10 erläuterten Dotierungsprofile und die anderen, nachfolgend erläuterten Dotierungsprofile können zusätzlich oder alternativ zu dem, dass sie Konzentrationen aufweisen, wie sie durch die Gleichungen (1a) und (1b) oder (2a) und (2b) definiert sind, implementiert werden. „Zusätzlich“ bedeutet, dass bei den Dotierungsprofilen die minimale Dotierungskonzentration durch die Gleichungen (1a) und (1b) oder (2a) und (2b) gegeben ist. „Alternativ“ bedeutet, dass die minimale Dotierungskonzentration geringer ist als sie zum Beispiel durch diese Gleichungen gegeben ist: $L_{1} > 1,0 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}$
und $L_{2} > 1,0 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}} .$
Gemäß einem Beispiel steigt ein Dotierungsparameter des Dotierungsprofils, das die Dotierungskonzentration N₁ des Driftgebiets 21 repräsentiert, zwischen der zweiten Zwischenposition z4 und dem zweiten Ende 20₂ monoton an. Gemäß einem Beispiel handelt es sich bei diesem Parameter um die Dotierungskonzentration selbst, so dass die Dotierungskonzentration N₁ des Driftgebiets 21 zwischen der zweiten Zwischenposition z4 und dem zweiten Ende 20₂ monoton ansteigt. Dies ist in 11, die schematisch die Dotierungskonzentration N₁ des Driftgebiets 21 zwischen dem ersten Ende 20₁ und dem zweiten Ende 20₂ zeigt, veranschaulicht. Gemäß einem Beispiel ist die Dotierungskonzentration N₁ des Driftgebiets 21 zwischen der zweiten Zwischenposition z4 und dem ersten Ende 20₁ im Wesentlichen konstant.
Gemäß einem Beispiel ist die Konzentration N₂ der Dotierung des Kompensationsgebiets 22 vom zweiten Typ am ersten Ende 20₁ (bei Position z1) zwischen 3% und 20%, insbesondere zwischen 3% und 10%, höher als die Dotierungskonzentration des Kompensationsgebiets 22 vom zweiten Typ an der ersten Zwischenposition z3. Das heißt, N₂(z1) = a·N₂(z3), wobei N₂(z1) die Dotierungskonzentration an dem ersten Ende 20₁ ist, N₂(z3) die Dotierungskonzentration an der ersten Zwischenposition z3 ist, und „a“ ausgewählt ist aus zwischen 1,03 und 1,20, insbesondere zwischen 1,03 und 1,10. Gemäß einem Beispiel ist die Konzentration N₁ der Dotierung des Driftgebiets 21 vom ersten Typ am zweiten Ende 20₂ zwischen 3% und 20%, insbesondere zwischen 3% und 10%, höher als die Konzentration N₁ der Dotierung an der zweiten Zwischenposition z4. Das heißt, N₁(z2) = b·N₁(z4), wobei N₁(z2) die Konzentration der Dotierung am zweiten Ende 20₂ ist, N₁(z4) die Konzentration der Dotierung an der zweiten Zwischenposition z4 ist, und „b“ ausgewählt ist aus zwischen 1,03 und 1,20, insbesondere aus zwischen 1,03 und 1,10.
12 zeigt ein Dotierungsprofil des Kompensationsgebiets 22 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei dem in 12 gezeigten Dotierungsprofil handelt es sich um eine Abwandlung des in 10 gezeigten Dotierungsprofils und es weist einen Peak der Dotierungskonzentration zwischen der ersten Zwischenposition z3 und der zweiten Zwischenposition z4 auf. Gemäß einem Beispiel ist die Peakkonzentration zwischen 3% und 20%, insbesondere zwischen 3% und 10%, höher als die Dotierungskonzentration zwischen der zweiten Zwischenposition z4 und dem zweiten Ende 20₂.
13 zeigt ein Dotierungsprofil der Dotierungskonzentration N₁ des Driftgebiets 21 gemäß einem weiteren Beispiel. Das in 13 gezeigte Dotierungsprofil ist eine Abwandlung des in 11 gezeigten Dotierungsprofils und es weist zwischen der ersten Zwischenposition z3 und der zweiten Zwischenposition z4 einen Peak der Dotierungskonzentration auf. Gemäß einem Beispiel ist die Peakkonzentration zwischen 3% und 20%, insbesondere zwischen 3% und 10%, höher als die Dotierungskonzentration zwischen dem ersten Ende 201 und der ersten Zwischenposition z3.
14 zeigt ein Dotierungsprofil der Dotierungskonzentration N₂ des Kompensationsgebiets 22 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel besitzt die Dotierungskonzentration N₂ nahe dem zweiten Ende 20₂ einen Peak der Dotierungskonzentration. In diesem Zusammenhang bedeutet „nahe dem“, dass ein Abstand zwischen dem Peak und dem zweiten Ende 20₂ geringer ist als 10% eines Abstandes zwischen dem zweiten Ende 20₂ und der zweiten Zwischenposition z4. Gemäß einem Beispiel ist die Peakkonzentration zwischen 3% und 20%, insbesondere zwischen 30% und 10%, höher als eine Dotierungskonzentration in verbleibenden Abschnitten zwischen der zweiten Zwischenposition z4 und dem zweiten Ende 202. Bei dem in 14 gezeigten Beispiel ist der Peak nahe dem zweiten Ende 20₂ zusätzlich zu dem Peak zwischen der ersten Zwischenposition z3 und der zweiten Zwischenposition z4 vorhanden. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um ein Beispiel. Gemäß einem anderen (nicht gezeigten) Beispiel wird der Peak zwischen den Zwischenpositionen z3 und z4 weggelassen.
15 zeigt ein Dotierungsprofil der Dotierungskonzentration N₁ des Driftgebiets 21 gemäß einem weiteren Beispiel. Bei diesem Beispiel weist die Dotierungskonzentration N₁ nahe dem ersten Ende 20₁ einen Peak der Dotierungskonzentration auf. In diesem Zusammenhang bedeutet „nahe dem“, dass ein Abstand zwischen dem Peak und dem ersten Ende 20₁ geringer ist als 10% eines Abstandes zwischen dem ersten Ende 20₁ und der ersten Zwischenposition z3. Gemäß einem Beispiel ist die Peakkonzentration zwischen 3% und 20%, insbesondere zwischen 3% und 10%, höher als eine Dotierungskonzentration in einem verbleibenden Abschnitt zwischen dem ersten Ende 20₁ und der ersten Zwischenposition z3.
Die Drift- und Kompensationszellen 20 können durch einen herkömmlichen Mehrfach-Epitaxieprozess erzeugt werden. In diesem Prozess werden mehrere Epitaxieschichten aufeinander erzeugt. Diese Epitaxieschichten können auf einem Halbleitersubstrat, das das Draingebiet 11 bildet, erzeugt werden, oder auf einer Epitaxieschicht, die auf dem Substrat erzeugt wird und die das optionale Puffergebiet 12 bildet. 16 zeigt schematisch eine Drift- und Kompensationszelle 20, die basierend auf mehreren Epitaxieschichten 100₁-100_n gebildet ist, wobei diese Epitaxieschichten 100₁-100_n aufeinander entweder auf dem Draingebiet 11 oder dem optionalen Puffergebiet 12 erzeugt werden. Die einzelnen Epitaxieschichten 100₁-100_n sind in 16 anhand gestrichelter und gepunkteter Linien dargestellt.
Das Driftgebiet 21 und das Kompensationsgebiet 22 einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen können durch die Implantation von Dotierstoffatomen in die Epitaxieschichten 100₁-100_n und einen Diffusionsprozess erzeugt werden. Die Dotierstoffatome in jeder der Epitaxieschichten werden implantiert, nachdem die betreffende Schicht erzeugt wurde und bevor eine weitere Epitaxieschicht auf der entsprechenden Schicht erzeugt wurde. Der Diffusionsprozess kann durchgeführt werden, nachdem die mehreren Epitaxieschichten 1001-100" erzeugt und Dotierstoffatome implantiert wurden. Der Diffusionsprozess, bei dem die mehreren Epitaxieschichten 100₁-100_n für eine vorgegebene Dauer wärmebehandelt wurden, dient dazu, die implantierten Dotierstoffatome in den Epitaxieschichten 100₁-100_n zu diffundieren und die implantierten Dotierstoffatome elektrisch zu aktivieren. Das Implantieren der Dotierstoffatome vom ersten Typ in die einzelnen Epitaxieschichten 100₁-100_n zur Erzeugung der Driftgebiete 21 und das Implantieren der Dotierstoffatome vom zweiten Typ in die einzelnen Epitaxieschichten 100₁-100_n zur Erzeugung der Kompensationsgebiete 22 kann die Verwendung von Implantationsmasken umfassen, so dass Dotierstoffatome vom ersten Typ nur in jene Gebiete der Epitaxieschichten 100₁-100_n implantiert werden, in denen Driftgebiete erzeugt werden sollen, und dass Dotierstoffatome vom zweiten Typ nur in jene Gebiete der Epitaxieschichten 100₁-100_n implantiert werden, in denen Kompensationsgebiete 22 erzeugt werden sollen. Diese Art von Prozess ist allgemein bekannt, so dass in dieser Hinsicht keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind.
Ein Driftgebiet 21, das basierend auf einem Mehrfach-Epitaxieprozess erzeugt wird, weist mehrere Driftgebietabschnitte auf, wobei jeder dieser Driftgebietabschnitte in einer der mehreren Epitaxieschichten 100₁-100_n enthalten ist. Entsprechend weist ein Kompensationsgebiet 22, das basierend auf einem Mehrfach-Epitaxieprozess erzeugt wird, mehrere Kompensationsgebietsabschnitte auf, wobei jeder dieser Abschnitte in einer der Epitaxieschichten enthalten ist. Eine Dotierungskonzentration eines jeden dieser Driftgebietabschnitte und Kompensationsgebietabschnitte ist im Wesentlichen durch eine Dotierstoffdosis von Dotierstoffatomen, die in die betreffende Epitaxieschicht implantiert werden, geteilt durch die Dicke der Epitaxieschicht bestimmt. Im Folgenden bezeichnet 21_i einen Driftgebietabschnitt in einer beliebigen 100_i der mehreren Epitaxieschichten 1001-100", und 22_j bezeichnet einen Kompensationsgebietabschnitt in einer beliebigen 100_j der mehreren Epitaxieschichten 100₁-100_n. D_1,i bezeichnet eine Dotierstoffdosis von zur Erzeugung des Driftgebietabschnitts 21_i in die Epitaxieschicht 100_i implantierten Dotierstoffatomen vom ersten Typ, und D_2,j bezeichnet die Dotierstoffdosis von zur Erzeugung des Kompensationsgebietsabschnitts 22_j in die Epitaxieschicht 100_j implantierten Dotierstoffatome vom zweiten Typ. Weiterhin bezeichnet di eine Dicke der Epitaxieschicht 100_i, und d_j bezeichnet eine Dicke der Epitaxieschicht 100_j. Eine durchschnittliche Dotierungskonzentration N_1,i des Driftgebietsabschnitts 21_i in der Epitaxieschicht 100_i ist gegeben durch $N_{1, i} = D_{1, i} / d_{i}$
und eine durchschnittliche Konzentration N_2,j des Kompensationsgebietsabschnitts 22_j in der Epitaxieschicht 100_j ist gegeben durch $N_{2, j} = D_{2, j} / d_{j}$
Wie aus den Gleichungen (3a) und (3b), ersichtlich ist, können ein Dotierungsprofil des Driftgebiets 21 und ein Dotierungsprofil des Kompensationsgebiets 22 durch geeignete Auswahl der Dotierstoffdosen der in die betreffenden Epitaxieschichten implantierten Dotierstoffatome vom ersten Typ und Dotierstoffatome vom zweiten Typ eingestellt werden. Ein monotoner Anstieg der Dotierstoffkonzentration vom zweiten Typ in dem Kompensationsgebiet 22 hin zum ersten Ende 20₁, wie in 10 dargestellt, lässt sich zum Beispiel dadurch erzielen, dass Epitaxieschichten 100₁-100_n im Wesentlichen mit derselben Dicke erzeugt werden und die Dotierstoffdosis der Dotierstoffatome vom zweiten Typ von Epitaxieschicht zu Epitaxieschicht beginnend mit der Epitaxieschicht, die die erste Zwischenposition z3 enthält, erhöht wird. Entsprechend kann ein Anstieg der Dotierstoffkonzentration N₁ des Driftgebiets 21 hin zum zweiten Ende 20₂ dadurch erreicht werden, dass die Dotierstoffdosis der Dotierstoffatome vom ersten Typ beginnend mit der ersten Epitaxieschicht 100₁ hin zu der Epitaxieschicht, die die zweite Zwischenposition z4 enthält, verringert wird. Peaks der Dotierstoffkonzentration, wie unter Bezugnahme auf die 12 bis 15 erläutert, lassen sich dadurch erzielen, dass in eine Epitaxieschicht eine Dotierstoffdosis implantiert wird, die höher ist als die in die benachbarten Epitaxieschichten implantierten Dotierstoffdosen.
Der oben erläuterte Mehrfach-Epitaxieprozess kann zu einer inhomogenen Dotierungskonzentration in den betreffenden Epitaxieschichten führen. Das heißt, die Dotierungskonzentration kann als Resultat des Implantations- und Diffusionsprozesses in der Stromflussrichtung innerhalb der epitaktischen Schichten variieren. Dies ist in 17 dargestellt. 17 zeigt die Konzentration N₁ der Dotierung eines Driftgebiets vom ersten Typ und die Konzentration N₂ der Dotierung vom zweiten Typ eines Kompensationsgebiets einer Drift- und Kompensationszelle, die basierend auf einem Mehrfach-Epitaxieprozess erzeugt wurde. Wie aus 17 ersichtlich ist, variieren die Dotierungskonzentrationen periodisch, so dass jedes der Dotierungsprofile N₁, N₂ mehrere lokale Minima und lokale Maxima aufweist, wobei sich jedes dieser lokalen Minima in einer der mehreren Epitaxieschichten befindet, und wobei sich jedes dieser lokalen Maxima an einer Grenze zwischen zwei benachbarten Epitaxieschichten befindet.
Gemäß einem Beispiel repräsentiert der oben erläuterte Dotierungsparameter lokale Maxima bei einem veränderlichen Dotierungsprofil. In diesem Zusammenhang bedeutet einen Peak der Dotierungskonzentration, dass ein lokales Maximum der Dotierungskonzentration an einer Stelle höher ist als benachbarte lokale Maxima. Darüber hinaus beinhaltet, wenn der Dotierungsparameter lokale Maxima der Dotierungskonzentration repräsentiert, ein monotoner Anstieg des Dotierungsparameters, dass lokale Maxima in einer bestimmten Richtung von Epitaxieschicht zu Epitaxieschicht anwachsen. Zum Beispiel steigen in 17 die lokalen Maxima des Dotierungsprofils der zweiten Dotierungskonzentration N₂ beginnend bei der ersten Zwischenposition z3 hin zu dem ersten Ende 20₁ monoton an. Gemäß einem weiteren Beispiel repräsentiert der Dotierungsparameter die Dotierungsdosis oder die durchschnittliche Dotierungskonzentration des Driftgebiets 21 oder des Kompensationsgebiets 22 in einer Epitaxieschicht. In diesem Fall beinhaltet ein monotoner Anstieg des Dotierungsparameters, dass die Dotierungsdosis oder die durchschnittliche Dotierungskonzentration in einer bestimmten Richtung von Epitaxieschicht zu Epitaxieschicht ansteigt.
Basierend auf einer oder mehr der oben erläuterten Maßnahmen ist ein Transistorbauelement mit bemerkenswert geringem spezifischem Ein-Widerstand, wie beispielsweise geringer als 0,6 Ohm·mm² oder sogar geringer als 0,45 Ohm·mm² bei einem Spannungssperrvermögen von 600 V erzielbar.
Das vorangehend erläuterte Transistorbauelement eignet sich insbesondere zur Verwendung als elektronischer Schalter in einer Leistungswandlerschaltung (getaktete Leistungsversorgung; engl.: „switched mode power supply“; SMPS). Ein Blockdiagramm einer Leistungswandlerschaltung gemäß einem Beispiel ist in 18 dargestellt. In 18 weist der Leistungswandler einen Eingang, der dazu ausgebildet ist, eine Eingangsspannung V_IN und einen Eingangsstrom I_IN zu empfangen, und einen Ausgang, der dazu ausgebildet ist, eine Ausgangsspannung V_OUT und einen Ausgangsstrom I_OUT auszugeben, auf. Der Eingang kann einen ersten Eingangsknoten 211 und einen zweiten Eingangsknoten 212 aufweisen, und der Ausgang kann einen ersten Ausgangsknoten 213 und einen zweiten Ausgangsknoten 214 aufweisen. Eine Last Z (in 18 anhand gestrichelter Linien dargestellt) kann die Ausgangsspannung V_OUT und den Ausgangsstrom I_OUT, die an dem Ausgang 213, 214 verfügbar sind, empfangen.
Eine Spule-und-Gleichrichter-Schaltung 220 empfängt die Eingangsspannung V_IN und den Eingangsstrom I_IN und stellt die Ausgangsspannung V_OUT und den Ausgangsstrom I_OUT basierend auf der Eingangsspannung V_IN und dem Eingangsstrom I_IN bereit. Die Spule-und-Gleichrichter-Schaltung 220 weist eine zu einem elektronischen Schalter 222 in Reihe geschaltete Spule 221 und eine Gleichrichterschaltung auf. Bei dem elektronischen Schalter 222 handelt es sich um ein Transistorbauelement gemäß einem der vorangehend erläuterten Beispiele, und er ist in 18 durch sein Schaltzeichen repräsentiert. Die Tatsache, dass das Transistorbauelement 222 zu der Spule 221 in Reihe geschaltet ist, beinhaltet, dass sein Drain-Source-Pfad D-S zwischen dem Drainknoten D und dem Sourceknoten S zu der Spule 221 in Reihe geschaltet ist. Der zu der Spule 221 in Reihe geschaltete elektronische Schalter 222 wird durch ein Steuersignal S_DRV, das von einem Controller 230 erzeugt wird, gesteuert. Bezug nehmend auf 18 kann der Controller 230 das Steuersignal S_DRV basierend auf einem Spulenstromsignal S_IL und einem Rückkopplungssignal S_FB, das durch eine Rückkopplungsschaltung 240 erzeugt wird, erzeugen.
Das Spulenstromsignal S_IL repräsentiert einen Strom IL durch die Spule 221. Gemäß einem Beispiel ist das Spulenstromsignal S_IL proportional zu dem Spulenstrom I_L. Das Spulenstromsignal S_IL kann basierend auf dem Spulenstrom I_L durch eine beliebige Art von Strommessschaltung (nicht gezeigt), die dazu ausgebildet ist, den Strom IL durch die Spule 221 zu messen, erzeugt werden.
Gemäß einem Beispiel ist die Rückkopplungsschaltung 240 dazu ausgebildet, das Rückkopplungssignal S_FB basierend auf einem Steuersignal S_CTRL zu erzeugen. Das Steuersignal S_CTRL repräsentiert zumindest einen zu regelnden Parameter der Leistungswandlerschaltung. Gemäß einem Beispiel ist die Leistungswandlerschaltung dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung V_OUT zu regeln. In diesem Fall repräsentiert das Steuersignal S_CTRL die Ausgangsspannung V_OUT. Gemäß einem Beispiel ist das Steuersignal S_CTRL proportional zu dem zu regelnden Parameter. Das Steuersignal S_CTRL kann unter Verwendung einer Messschaltung (nicht gezeigt) beliebigen Typs, die dazu in der Lage ist, den zu regelnden Parameter zu messen, erzeugt werden.
Bei dem Steuersignal S_DRV handelt es sich gemäß einem Beispiel um ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal, so dass der Eingangsstrom I_IN und damit die Eingangsleistung, bei der es sich um die Eingangsspannung V_IN multipliziert mit dem Eingangsstrom I_IN handelt, durch Veränderung eines Tastverhältnisses des Steuersignals S_DRV gesteuert werden kann, um den zumindest einen zu steuernden Parameter wie beispielsweise die Ausgangsspannung V_OUT zu regeln. Ein PWM-Steuersignal umfasst mehrere aufeinanderfolgende Steuerzyklen, wobei jeder Steuerzyklus eine Ein-Periode aufweist, in der der elektronische Schalter 222 eingeschaltet ist, und eine Aus-Periode, in der der elektronische Schalter 222 ausgeschaltet ist. Bei dem Tastverhältnis handelt es sich um das Verhältnis zwischen einer Dauer T_ON der Ein-Periode und einer Dauer T des Steuerzyklus, wobei T = T_ON + T_OFF, wobei T_OFF eine Dauer der Aus-Periode bezeichnet.
18 zeigt nicht im Detail, wie die Spule 221 und der elektronische Schalter 222 mit dem Eingang 211, 212 verbunden sind. Die Art, wie die Spule 221 und der elektronische Schalter 222 mit dem Eingang 211, 212 verbunden sind, hängt von der konkreten Topologie der Spule-und-Gleichrichter-Schaltung 220 ab. Ein Beispiel einer Topologie ist in 19 dargestellt.
Bei dem in 19 gezeigten Beispiel ist die Spule-und-Gleichrichter-Schaltung 220 mit einer Sperrwandlertopologie implementiert. Bei dieser Topologie handelt es sich bei der Spule 221 um einen Transformator mit einer Primärwicklung 221_P und einer Sekundärwicklung 221_S. Die Primärwicklung 221_P ist zu dem elektronischen Schalter 221 in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung zwischen dem ersten Eingangsknoten 211 und dem zweiten Eingangsknoten 212 angeschlossen ist. Eine Reihenschaltung mit der Sekundärwicklung 221s und dem Gleichrichterelement 223 ist parallel zu dem Kondensator 224 geschaltet, wobei der Kondensator 224 zwischen dem ersten Ausgangsknoten 213 und dem zweiten Ausgangsknoten 214 angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung V_OUT steht über dem Kondensator 224 zur Verfügung. Die Primärwicklung 221_P und die Sekundärwicklung 221s weisen entgegengesetzte Wicklungssinne auf. Das Wicklungsverhältnis zwischen der Anzahl von Windungen der Primärwicklung 221_P und der Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung 221s ist durch n:1 gegeben, das heißt, die Anzahl der Windungen der Primärwicklung 221 ist das n-Fache der Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung 221s. Bei der Sperrwandlertopologie fließt während der Ein-Periode ein Strom durch die Primärwicklung 221_P, während der Strom durch die Sekundärwicklung 221s Null ist. Während der Aus-Periode ist der Strom durch die Primärwicklung 221_P Null, und ein Strom fließt durch die Sekundärwicklung. Der Strom durch die Primärwicklung steigt während der Ein-Periode an, und der Strom durch die Sekundärwicklung 221s fällt während der Aus-Periode ab.
Die 19A bis 19C zeigen drei verschiedene Beispiele dafür, wie der Gateknoten G des Transistorbauelements 222 das Steuersignal S_DRV empfangen kann. Zum Zweck der Erläuterung wird angenommen, dass es sich bei dem Transistorbauelement 222 um ein Bauelement vom Typ n handelt, das einschaltet, wenn das Steuersignal ein Signalniveau aufweist, der höher ist, als eine Schwellenwertspannung des Transistorbauelements, und das ausschaltet, wenn das Steuersignal ein Signalniveau aufweist, der geringer ist, als die Schwellenwertspannung des Transistorbauelements. Genauer gesagt schaltet das Transistorbauelement ein, wenn eine interne Gate-Source-Kapazität (nicht gezeigt) auf über die Schwellenwertspannung aufgeladen wurde, und es ausschaltet aus, wenn die interne Gate-Source-Kapazität (nicht gezeigt) auf unter die Schwellenwertspannung entladen wurde.
Gemäß einem in 19A gezeigten Beispiel empfängt der Gateknoten das Steuersignal S_DRV über einen einzelnen Widerstand 425. Bei diesem Beispiel wird die Gate-Source-Kapazität über den Widerstand 425 geladen und entladen, so dass das Transistorbauelement im Wesentlichen mit derselben Geschwindigkeit ein- und ausschaltet.
Bei dem in 19B gezeigten Beispiel ist eine Reihenschaltung mit einem Gleichrichterelement 426 wie beispielsweise eine Diode und einem weiteren Widerstand 427 parallel zu dem Widerstand 425 geschaltet. Eine Polarität des Gleichrichterelements 426 ist dergestalt, dass die interne Gate-Source-Kapazität über den anderen Widerstand 427 entladen aber nicht geladen werden kann. Bei dieser Schaltung bestimmt der Widerstand 425 das Einschalten, und eine Parallelschaltung mit dem Widerstand 425 und dem anderen Widerstand 427 bestimmt das Ausschalten, so dass das Transistorbauelement mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ein- und ausschaltet.
Das in 19C gezeigte Beispiel basiert auf dem in 19B gezeigten Beispiel und weist zusätzlich ein Gleichrichterelement 428 wie beispielsweise eine Diode, das mit dem Widerstand 425 in Reihe geschaltet ist, auf. Eine Polarität des weiteren Gleichrichterelements 428 ist dergestalt, dass die interne Gate-Source-Kapazität über den Widerstand 425 geladen aber nicht entladen werden kann. Bei dieser Schaltung bestimmt der Widerstand 425 das Einschalten, und der andere Widerstand 427 bestimmt das Ausschalten, so dass das Transistorbauelemente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ein- und ausschaltet.

Claims

Transistorbauelement, das aufweist: einen Drainknoten (D), einen Sourceknoten (S) und einen Gateknoten (G); mehrere Drift- und Kompensationszellen (20), von denen jede ein Driftgebiet (21) von einem ersten Dotierungstyp und ein Kompensationsgebiet (22) von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp aufweist; eine Steuerstruktur (1), die zwischen das Driftgebiet (21) einer jeden der Drift- und Kompensationszellen (20) und den Sourceknoten geschaltet ist, wobei das Driftgebiet (21) einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) mit dem Drainknoten (D) gekoppelt ist, und wobei das Kompensationsgebiet (22) einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) mit dem Sourceknoten (S) gekoppelt ist, und wobei eine Konzentration N₁ einer Dotierung vom ersten Typ des Driftgebiets (21) höher ist, als ein erstes Dotierungsniveau L₁, und wobei eine Konzentration N₂ einer Dotierung vom zweiten Typ des Kompensationsgebiets (22) höher ist, als ein zweites Dotierungsniveau L₂, wobei $L_{1} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}$
$L_{2} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}}$
und wobei ε_S die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials des Driftgebiets (21) und des Kompensationsgebiets (22) ist, Ec das kritische elektrische Feld für einen Lawinendurchbruch des Halbleitermaterials ist, q die Elementarladung ist, w₁ eine erste Breite des Driftgebiets (21) in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist, und w₂ eine zweite Breite des Kompensationsgebietes (22) in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das Halbleitermaterial Silizium ist.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Breite (w₁) im Wesentlichen gleich der zweiten Breite (w₂) ist.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) durch eine Halbleiterstruktur gebildet sind, die mehrere Halbleitergebiete (23) vom ersten Dotierungstyp und mehrere Halbleitergebiete vom zweiten Dotierungstyp aufweist und einen Pitch aufweist (p), und wobei von der ersten Weite (w₁) und der zweiten Weite (w₂) eine jede im Wesentlichen 25% des Pitches (p) beträgt.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem $L_{1} > 1,5 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}$
und $L_{2} > 1,5 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}} .$
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jedes der mehreren Drift- und Kompensationsgebiete (20) mehrere übereinander angeordnete Halbleiterschichten (100₁-100_n) aufweist, wobei jede der mehreren Halbleiterschichten (100₁-100_n) einen Abschnitt des Driftgebiets (21) und einen Abschnitt des Kompensationsgebiets (22) aufweist, wobei der Abschnitt des Driftgebiets (21) in jeder der mehreren Halbleiterschichten (100₁-100_n) eine Dosis der Dotierung vom ersten Dotierungstyp aufweist, und der Abschnitt des Kompensationsgebiets (22) in jeder der mehreren Halbleiterschichten (100₁-100_n) eine Dosis der Dotierung vom zweiten Dotierungstyp aufweist, bei dem die Tatsache, dass die Konzentration N₁ der Dotierung des Driftgebiets (21) höher ist als das erste Dotierungsniveau Li beinhaltet, dass die Dosis der Dotierung vom ersten Typ des Abschnitts des Driftgebiets (21) in jeder der mehreren Halbleiterschichten (100₁-100_n) höher ist als das Produkt aus dem ersten Dotierungsniveau L₁ und einer Dicke der betreffenden Halbleiterschicht (100₁-100_n), und bei dem die Tatsache, dass die Konzentration N₂ der Dotierung des Kompensationsgebiets (22) höher ist als das zweite Dotierungsniveau L₂ beinhaltet, dass die Dosis der Dotierung vom zweiten Typ des Abschnitts des Kompensationsgebiets (22) in jeder der mehreren Halbleiterschichten (100₁-100_n) höher ist als das Produkt aus dem zweiten Dotierungsniveau L₂ und einer Dicke der betreffenden Halbleiterschicht (100₁-100_n).
Transistorbauelement, das aufweist: einen Drainknoten (D), einen Sourceknoten (S) und einen Gateknoten (G); mehrere Drift- und Kompensationszellen (20), von denen jede ein Driftgebiet (21) von einem ersten Dotierungstyp und ein Kompensationsgebiet (22) von einem zum ersten Dotierungstyp komplementären zweiten Dotierungstyp aufweist; eine Steuerstruktur (1), die zwischen das Driftgebiet (21) einer jeden der Drift- und Kompensationszellen (20) und den Sourceknoten geschaltet ist, wobei das Driftgebiet (21) einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) mit dem Drainknoten (D) gekoppelt ist, und wobei das Kompensationsgebiet (22) einer jeden der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) mit dem Sourceknoten (S) gekoppelt ist, wobei von den mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) eine jede in der Stromflussrichtung des Transistorbauelements ein erstes Ende (20₁), ein dem ersten Ende (20₁) entgegengesetztes zweites Ende (20₂), eine von dem ersten Ende (20₁) und dem zweiten Ende (20₂) beabstandete erste Zwischenposition (z3) und eine von dem ersten Ende (20₁) und dem zweiten Ende (20₂) beabstandete zweite Zwischenposition (z4) aufweist, wobei ein erster Dotierungsparameter eines ersten Dotierungsprofils, das die Konzentration der Dotierung des Kompensationsgebiets (22) in der Stromflussrichtung repräsentiert, zwischen der ersten Zwischenposition (z3) und dem ersten Ende (20₁) monoton ansteigt, und wobei ein zweiter Dotierungsparameter eines zweiten Dotierungsprofils, das die Konzentration der Dotierung des Driftgebiets (21) in der Stromflussrichtung repräsentiert, zwischen der zweiten Zwischenposition (z4) und dem zweiten Ende (20₂) monoton ansteigt.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 7, bei dem ein Abstand zwischen der ersten Zwischenposition (z3) und dem ersten Ende (20₁) zwischen 40% und 60% eines Abstandes zwischen dem ersten Ende (20₁) und dem zweiten Ende (20₂) beträgt, und bei dem ein Abstand zwischen der zweiten Zwischenposition (z4 ) und dem zweiten Ende (20₂) zwischen 40% und 60% des Abstandes zwischen dem ersten Ende (20₁) und dem zweiten Ende (20₂) beträgt.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 und 8, bei dem der zweite Dotierungsparameter zwischen der ersten Zwischenposition (z3) und der zweiten Zwischenposition (z4) einen Peak aufweist.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der erste Dotierungsparameter zwischen der ersten Zwischenposition (z3) und der zweiten Zwischenposition (z4) einen Peak aufweist.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der erste Dotierungsparameter zwischen der ersten Zwischenposition (z3) und dem ersten Ende (20₁) einen Peak aufweist.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 11, bei dem sich der Peak näher an dem ersten Ende (20₁) als an der ersten Zwischenposition (z3) befindet.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem der zweite Dotierungsparameter zwischen der zweiten Zwischenposition (z4) und dem zweiten Ende (20₂) einen Peak aufweist.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 13, bei dem sich der Peak näher an dem zweiten Ende (20₂) als an der zweiten Zwischenposition (z4) befindet.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14, bei dem der erste Dotierungsparameter eines von Folgendem repräsentiert: die Dotierungskonzentration des Driftgebiets (21); lokale Maxima der Dotierungskonzentration des Driftgebiets (21); und eine Dotierungsdosis in jeder von mehreren Epitaxieschichten (100₁-100_n), die übereinander gebildet sind und von denen jede einen Abschnitt des Driftgebiets (21) aufweist.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem der zweite Dotierungsparameter eines von Folgendem repräsentiert: die Dotierungskonzentration des Kompensationsgebiets (22); lokale Maxima der Dotierungskonzentration des Kompensationsgebiets (22); und eine Dotierungsdosis in jeder von mehreren Epitaxieschichten (100₁-100_n), die übereinander gebildet sind und von denen jede einen Abschnitt des Kompensationsgebiets (22) aufweist.
Transistorbauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem eine Dotierungskonzentration N₁ vom ersten Typ des Driftgebiets (21) höher ist, als ein erstes Dotierungsniveau L₁, und bei dem eine Dotierungskonzentration N₂ vom zweiten Typ des Kompensationsgebiets (22) höher ist, als ein zweites Dotierungsniveau L₂, wobei $L_{1} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{1}}$
$L_{2} > 1,2 \cdot \frac{ε_{S} \cdot E_{C}}{2 \cdot q \cdot w_{2}}$
und wobei ε_S die Dielektrizitätskonstante eines Halbleitermaterials des Driftgebiets (21) und des Kompensationsgebiets (22) ist, Ec das kritische elektrische Feld für einen Lawinendurchbruch des Halbleitermaterials ist, q die Elementarladung ist, w₁ eine Breite des Driftgebiets (21) in einer Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist, und w₂ eine Breite des Kompensationsgebietes (22) in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung ist.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) derart angeordnet sind, dass das Driftgebiet (21) einer ersten der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) an das Driftgebiet (21) einer zweiten der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) angrenzt, und das Kompensationsgebiet (22) der ersten der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) an das Kompensationsgebiet (22) einer dritten der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) angrenzt.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem jede der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) ein Spannungssperrvermögen aufweist und bei dem die Spannungssperrvermögen der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) im Wesentlichen gleich sind.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Steuerstruktur (1) mehrere Steuerzellen (10) aufweist, von denen jede aufweist; ein Sourcegebiet (14) vom ersten Dotierungstyp, das an den Sourceknoten (S) angeschlossen ist; ein Bodygebiet (13) vom zweiten Dotierungstyp, das an den Sourceknoten (S) angeschlossen ist; und eine Gateelektrode (15), die durch ein Gatedielektrikum (16) dielektrisch von dem Bodygebiet (13) isoliert ist.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 20, bei dem das Bodygebiet (13) einer jeden der mehreren Steuerzellen (10 an das Driftgebiet (21) von zumindest einer der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) angrenzt.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 20 oder 21, bei dem das Bodygebiet (13) einer jeden der mehreren Steuerzellen (10) an das Kompensationsgebiet (22) von zumindest einer der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) angrenzt.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner aufweist: ein Draingebiet (11) vom ersten Dotierungstyp, das an den Drainknoten (D) angeschlossen und mit den Driftgebieten (21) der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) gekoppelt ist.
Transistorbauelement gemäß Anspruch 23, das ferner aufweist: ein Puffergebiet (12) vom ersten Dotierungstyp, das das Draingebiet (11) mit den Driftgebieten (21) der mehreren Drift- und Kompensationszellen (20) koppelt und das eine geringere Dotierungskonzentration als das Draingebiet (11) aufweist.
Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Breite (w₁) ausgewählt ist aus zwischen 0,2 Mikrometer und 5 Mikrometer, und die zweite Breite (w₂) ausgewählt ist aus zwischen 0,2 Mikrometer und 5 Mikrometer.
Leistungswandlerschaltung, die eine Spule (221) und einen zu der Spule (221) in Reihe geschalteten elektronischen Schalter (222) aufweist, wobei der elektronische Schalter (222) ein Transistorbauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.