DE102017105713B4 - Transistorbauelement - Google Patents

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Abstract

Transistorbauelemente werden beschrieben, die einen ersten Transistor (10) und einen zweiten Transistor (11) umfassen. Der zweite Transistor (11) basiert auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke. Der zweite Transistor besitzt eine niedrigere Durchbruchspannung als der erste Transistor über einen vorbestimmten Arbeitsbereich hinweg. Der vorbestimmte Arbeitsbereich umfasst mindestens einen Arbeitsbereich, für den das Transistorbauelement spezifiziert ist.

Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft Transistorbauelemente.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • In vielen Anwendungen werden Transistorbauelemente verwendet. Beispielsweise können Transistorbauelemente als Schalter in elektronischen Leistungsanwendungen verwendet werden. Verschiedene Transistortypen sind als Schalter verwendet worden, beispielsweise Bipolartransistoren wie etwa BJTs (Bipolar Junction Transistors) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder Unipolartransistoren wie Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Solche Transistoren und entsprechende Transistorbauelemente einschließlich eines oder mehrerer Transistoren und einer möglichen zusätzlichen Schaltungsanordnung sind in verschiedenen Designs verfügbar, um verschiedene Spannungen und/oder Ströme zu unterstützen.
  • Viele elektronische Leistungsanwendungen arbeiten über die meiste Zeit unter Teillast und erfordern einen Betrieb unter einer Höchstlast (beispielsweise größter Strom oder Höchstleistung) nur für einen Teil der Zeit. Ein Beispiel für eine derartige Anwendung sind Schaltnetzteile (SMPS - Switched Mode Power Supplies), bei denen typischerweise während etwa 80% der Arbeitszeit höchstens 20% einer Höchstleistung benötigt wird. Dennoch müssen solche Bauelemente so ausgelegt werden, dass sie eine größte mögliche Leistung tolerieren, um Ausfälle zu verhindern. Außerdem existieren für höhere Spannungsbereiche, beispielsweise Spannungen über 1700 V, viele Anwendungen, die zwischen Volllast und Teillast schalten, beispielsweise Wandler für Solar- oder Windkraftanlagen oder eine Anwendung in Kraftantrieben von Fahrzeugen, wo zum Starten eines Motors Volllast erforderlich ist, wohingegen während des normalen Fahrens nur ein Teil der Vollleistung benötigt wird.
  • Verschiedene Transistortypen können beim Einsatz in solchen Anwendungen unterschiedliche Nachteile und Vorteile besitzen. Beispielsweise sind IGBTs für starke Ströme vorteilhaft, leiden aber unter Teillast oftmals unter einer vergleichsweise niedrigen Effizienz. Andererseits können einige Unipolartransistorschalter wie MOSFETs unter Volllast eine niedrigere Effizienz besitzen und/oder können große Chipflächen erfordern.
  • Zudem können Silizium-basierte IGBTs oder andere Silizium-basierte Transistoren unerwünschte Eigenschaften bezüglich Überspannungsrobustheit besitzen, d.h. eine Robustheit, wenn eine eine normale Arbeitsspannung übersteigende Spannung angelegt wird. Eine Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Transistorbauelements mit verbesserten Eigenschaften bezüglich des Betriebs in Volllast und Teillast und bezüglich Überspannungstoleranz.
  • Die Druckschrift US 2015 / 0 348 961 A1 offenbart eine Parallelschaltung von zwei Transistoren. Die Transistoren können dabei auf einem Halbleitermaterial hoher Bandlücke beruhen.
  • KURZE DARSTELLUNG
  • Ein Transistorbauelement nach Anspruch 1 wird bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen des Transistorbauelements sowie einen Spannungswandler, der ein derartiges Bauelement umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Transistorbauelement bereitgestellt, umfassend:
    • einen ersten Transistor, der zwischen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss gekoppelt ist,
    • einen zweiten Transistor, der parallel zu dem ersten Transistor zwischen den ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Transistor auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke basiert und ausgelegt ist, eine niedrigere Durchbruchspannung als der erste Transistor für einen vorbestimmten Arbeitsbereich, einschließlich eines spezifizierten Arbeitsbereichs, zu haben, d.h. einen Arbeitsbereich, in dem zu arbeiten das Transistorbauelement durch einen Hersteller genehmigt ist. Ein Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke, wie hierin verwendet, ist ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke größer oder gleich 2,0 eV, beispielsweise Siliziumcarbid.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Spannungswandler bereitgestellt, umfassend mindestens einen Schalter, wobei der mindestens eine Schalter ein Transistorbauelement wie oben beschrieben umfasst.
  • Die obige kurze Darstellung soll lediglich einen kurzen Überblick über einige Merkmale von einigen Ausführungsformen vermitteln und ist nicht als beschränkend auszulegen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockdiagramm eines Transistorbauelements gemäß einer Ausführungsform.
    • 2A bis 2C sind Schaltungsdiagramme, die Transistorbauelemente gemäß verschiedenen Ausführungsformen darstellen.
    • 3 ist ein Diagramm, das beispielhafte Kennlinien von in Transistorbauelementen gemäß einigen Ausführungsformen enthaltenen Transistoren zeigt.
    • 4 ist ein Diagramm, das beispielhafte Kennlinien von Transistoren für verschiedene Temperaturen darstellt.
    • 5 ist ein Diagramm, das Ströme und Spannungen während eines Klemmereignisses darstellt.
    • 6 ist ein Schaltungsdiagramm einer beispielhaften Anwendung für Transistorbauelemente von einigen Ausführungsformen.
    • 7 stellt ein Beispiel zum Steuern von Transistorbauelementen gemäß einer Ausführungsform dar.
    • 8A und 8B sind Schaltungsdiagramme, die Transistorbauelemente gemäß einigen Ausführungsformen zeigen.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht eines in einigen Ausführungsformen verwendbaren Transistors.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Nachfolgend werden Transistorbauelemente beschrieben. Transistorbauelemente, wie sie hierin verwendet werden, enthalten einen oder mehrere Transistoren. Ein Transistor kann ein Bipolartransistor (beispielsweise unter Verwendung von n-dotierten oder p-dotierten aktiven Gebieten für die Implementierung) oder ein Unipolartransistor (unter Verwendung von im Wesentlichen aktiven Gebieten nur vom n-Typ oder nur vom p-Typ für die Implementierung) sein. Zu Beispielen für Bipolartransistoren zählen IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) mit einem Gateanschluss als einen Steueranschluss und Kollektor- und Emitteranschlüsse oder ein BJT (Bipolar Junction Transistor) mit einem Basisanschluss als einen Steueranschluss und ebenfalls Emitter- und Kollektoranschlüsse. Zu Beispielen für Unipolartransistoren zählen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder JFETs (Junction Field Effect Transistors), die einen Gateanschluss als Steueranschluss und Source- und Drainanschlüsse enthalten.
  • Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Transistorbauelement eine Parallelschaltung aus einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor. Der zweite Transistor basiert auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke, d.h. einem Halbleitermaterial mit einer Bandlücke größer oder gleich 2,0 eV, beispielsweise Siliziumcarbid (SiC). Zu weiteren Beispielen zählen Galliumnitrid (GaN) oder Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN). Der zweite Transistor ist so ausgelegt, dass er eine niedrigere Durchbruchspannung als der erste Transistor über einen Arbeitsbereich (z.B. einen Bereich von Strömen und/oder Spannungen) besitzt, wobei der Arbeitsbereich einen vollständigen spezifizierten Arbeitsbereich beinhaltet, d.h. einen Bereich von Arbeitsbedingungen, unter denen das Transistorbauelement beabsichtigt ist und durch einen Hersteller garantiert ist, dass es arbeiten kann. Bei einigen Implementierungen basiert der erste Transistor auf einem Halbleitermaterial ohne hohe Bandlücke, d.h. mit einer Bandlücke unter 2,0 eV, beispielsweise Silizium (Si). Bei einigen Ausführungsformen ist der erste Transistor ein Bipolartransistor wie etwa ein Si-basierter IGBT. Bei einigen Ausführungsformen ist der zweite Transistor ein Unipolartransistor, beispielsweise ein SiC-basierter MOSFET. Bei anderen Ausführungsformen kann der zweite Transistor ein Bipolartransistor wie etwa ein SiC-basierter IGBT sein.
  • In dieser Hinsicht besitzen Halbleiterbauelemente wie Transistoren oder Transistorbauelemente gewisse Spezifikationen, die unter anderem festlegen, für welchen spezifizierten Arbeitsbereich, beispielsweise Temperaturbereich, Strombereich, Spannungsbereich, sie arbeiten sollen. Außerhalb dieses spezifizierten Bereichs wird durch einen Hersteller kein zuverlässiger Betrieb des Halbleiterbauelements garantiert. Deshalb ist der spezifizierte Arbeitsbereich eine gut definierte Eigenschaft für jedes herkömmlich hergestellte Halbleiterbauelement.
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren stellt 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Transistorbauelements gemäß einer Ausführungsform dar.
  • Das Transistorbauelement von 1 umfasst einen ersten Transistor 10 und einen zweiten Transistor 11, die parallel zwischen einen ersten Knoten 12 und einen zweiten Knoten 13 gekoppelt sind. Der zweite Transistor 11 in der Ausführungsform von 1 basiert auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke, z.B. SiC. Der erste Transistor 10 kann auf einem Halbleitermaterial ohne hohe Bandlücke wie etwa Si basieren. „Parallel gekoppelt“ bedeutet in diesem Fall, dass einer des Emitter- oder Kollektoranschlusses oder des Source- oder Drainanschlusses des ersten Transistors 10 an den Knoten 12 gekoppelt ist, und der andere des Kollektor- oder Emitteranschlusses oder des Source- und Drainanschlusses des ersten Transistors 10 an den Knoten 13 gekoppelt ist. Gleicherweise ist einer des Emitter- oder Kollektoranschlusses oder des Source- oder des Drainanschlusses des zweiten Transistors 11 an den Knoten 12 gekoppelt, und der andere des Emitter- oder Kollektoranschlusses oder des Source- oder Drainanschlusses des zweiten Transistors 11 ist an den zweiten Knoten 13 gekoppelt. Bei einigen Implementierungen kann der erste Transistor 10 ein Bipolartransistor wie etwa ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) wie etwa ein Si-basierter IGBT sein. Bei einigen Implementierungen kann der zweite Transistor 11 ein Unipolartransistor wie etwa ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der zweite Transistor 11 ein Bipolartransistor wie etwa ein IGBT sein. Bei einigen Ausführungsformen kann der zweite Transistor 11 ein Siliziumcarbid (SiC) -basierter Transistor sein.
  • Bei der Ausführungsform von 1 besitzt der zweite Transistor 11 eine niedrigere Durchbruchspannung als der erste Transistor 10 unter einem Bereich von Arbeitsbedingungen einschließlich einem spezifizierten Arbeitsbereich für ein in 1 gezeigtes Transistorbauelement. Beispielsweise kann die Bedingung, dass die Durchbruchspannung des zweiten Transistors 11 unter der Durchbruchspannung des ersten Transistors 10 liegt, für einen Temperaturbereich zwischen -20°C und 100°C oder -40°C und 150°C oder 200°C und/oder in einem Durchbruchstrombereich (d.h. ein Strom, der nach einem LawinenDurchbruch gemäß einem post-Lawinenzweig der I-V-Kennlinien des Transistorbauelements gehandhabt werden kann) bis zu dem Drei- oder Fünffachen eines Nennstroms Inom des ersten Transistors 10 und/oder des zweiten Transistors 11 gültig sein. Der Nennstrom ist der Strom, den kontinuierlich zu unterstützen ein Bauelement wie etwa der erste Transistor 10 ausgelegt ist.
  • Der erste Transistor 10 und der zweite Transistor 11 können die gleiche Spannungsklasse besitzen, d.h. sie können für den Betrieb in einem gleichen Spannungsbereich oder bis zu einer gleichen Spannungsgrenze ausgelegt sein (beispielsweise bis zu 100 V, bis zu 500 V, bis zu 1400 V, bis zu 2000 V, bis zu 3500 V oder sogar bis zu 6500 V oder 7000 V usw.).
  • Bei einer derartigen Ausführungsform ist der erste Transistor 10 vor Überspannungen, d.h. Spannungen außerhalb eines spezifizierten Bereichs an den Knoten 12, 13, durch den zweiten Transistor 11 geschützt. Da die Durchbruchspannung des zweiten Transistors 11 unter der Durchbruchspannung des ersten Transistors 10 liegt, erfolgt ein Durchbruch in dem zweiten Transistor 11, bevor der erste Transistor 10 seine Durchbruchspannung erreicht. Der Durchbruch des zweiten Transistors 11 reduziert dann die Spannung zwischen den Knoten 12, 13 um einen entsprechenden Stromfluss. Da der zweite Transistor 11 auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke basiert, besitzt er eine höhere Toleranz für Lawinenströme und einen Durchbruch als zum Beispiel Silizium-basierte Transistoren und wird deshalb mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch einen Durchbruch beschädigt. Dies wird später unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 ausführlicher erläutert werden.
  • Vor diesen Erläuterungen werden unter Bezugnahme auf die 2A bis 2C einige Implementierungsbeispiele für Transistorbauelemente gemäß Ausführungsformen erörtert. In den nachfolgenden erörterten Ausführungsformen wird ein Unipolartransistor, z.B. ein SiC-MOSFET, als ein Beispiel für einen zweiten Transistor auf Basis eines Halbleitermaterials mit hoher Bandlücke verwendet, und ein Bipolartransistor, z.B. ein Si-IGBT, wird als ein Beispiel für einen durch den zweiten Transistor zu schützenden ersten Transistor verwendet. Wie aus den obigen Erläuterungen z.B. unter Bezugnahme auf 1 hervorgeht, ist dies lediglich ein veranschaulichendes Beispiel und ist nicht als beschränkend auszulegen. In den 2A bis 2C tragen die gleichen oder ähnliche Elemente die gleichen Bezugszahlen und werden nicht wiederholt im Detail beschrieben.
  • Die Bauelemente der 2A bis 2C enthalten jeweils einen IGBT 20 und einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor 21, die parallel zwischen einen ersten Knoten 22 und einen zweiten Knoten 23 gekoppelt sind. Der MOSFET 21 kann bei Ausführungsformen ein SiC-MOSFET sein, und der IGBT 20 kann ein auf Silizium (Si) basierender IGBT sein. Ein MOSFET 21 ist mit einer integrierten Body-Diode 24 ausgestattet.
  • In 2B sind nur der IGBT 20 und der MOSFET 21 zusammen mit der integrierten Body-Diode 24 dargestellt. Bei der Ausführungsform von 2A ist zusätzlich eine Silizium-Freilaufdiode 25 zwischen die Knoten 22 und 23 gekoppelt vorgesehen, und in der Ausführungsform von 2C ist zusätzlich eine Siliziumcarbid (SiC)-Schottky-Diode 26 zwischen den Knoten 22 und 23 vorgesehen. Deshalb können, wie ersichtlich, Freilaufdioden oder andere Schaltungselemente wie Schottky-Dioden zusätzlich zu dem IGBT 20 und dem MOSFET 21 vorgesehen sein.
  • Es sei angemerkt, dass die Ausführungsformen der 2A und 2C kombiniert werden können, d. h. eine Silizium-Freilaufdiode und eine Siliziumcarbid-Schottky-Diode können beide vorgesehen sein. Solche Dioden können zum Reduzieren von Schwingungen beim Schalten des Transistorbauelements in einigen Ausführungsformen dienen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können für eine Hochspannungsanwendung Peripheriegebiete des Bipolartransistors (beispielsweise IGBT) so ausgelegt sein, dass sie während Stromkommutierungsprozessen geschützt sind. Insbesondere kann eine Emittereffizienz in einem Peripheriegebiet eines IGBT-Chips durch eine reduzierte Emitter-Dotierung oder eine erhöhte Feldstoppdotierung im Vergleich zu einem zentralen Gebiet reduziert werden.
  • Es sei angemerkt, dass der IGBT auch ein SiC-basierter IGBT sein kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der IGBT ein in Sperrrichtung leitender IGBT sein, d. h. eine integrierte Freilaufdiode enthalten, insbesondere ein sogenannter RCDC (Reverse Conducting Diode Controlled)-IGBT. Bei solchen RCDC-IGBTs können Kennlinien über den Gateanschluss des RCDC-IGBT auch dann gesteuert werden, wenn sich der RCDC-IGBT in einem Diodenmodus befindet (d.h. einen Strom im Wesentlichen über die Diode leitet). Bei einigen Ausführungsformen ist ein derartiger in Sperrrichtung leitender RC (Reverse Conducting) -IGBT möglicherweise nicht steuerbar. In einem derartigen Fall kann der RC-IGBT sowohl in einem Vorwärtsbiasmodus als auch einem Freilaufdiodenmodus als ein Bipolarbauelement betrieben werden, und der Unipolartransistor kann in beiden Modi als ein Unipolarbauelement betrieben werden. Bei solchen Ausführungsformen kann die Steuerung des Transistorbauelements vereinfacht werden.
  • 3 veranschaulicht einen Durchbruchstrom oder einen anderen Sperrstrom IR für einen SiC-MOSFET und einen IGBT, die in Ausführungsformen verwendet werden können, über der an dem jeweiligen Transistor angelegten Spannung (Kollektor-Emitter-Spannung VCE im Fall des IGBT und Drain-Source-Spannung VDS im Fall des MOSFET). Eine Kurve 30 veranschaulicht das Verhalten für einen in einigen Ausführungsformen verwendbaren SiC-MOSFET, und eine Kurve 31 veranschaulicht das Verhalten für einen in einigen Ausführungsformen verwendbaren IGBT. Es sei angemerkt, dass die Kurven lediglich zu Veranschaulichungszwecken dienen und die genaue Gestalt und Form der Kurven je nach der Implementierung des Transistors variieren können. Der Durchbruchstrom IR stellt einen Strom dar, der in dem Fall fließt, dass sich die Transistoren 20, 21 in einem Aus-Zustand befinden, auch als ein offener Zustand bezeichnet. Wie zu sehen ist, liegt eine Durchbruchspannung VBR, SiC-MOS des SiC-MOSFET, unter einer Durchbruchspannung VBR, IGBT des IGBT. Im Fall einer Überspannungsbedingung wird die Durchbruchspannung des SiC-MOSFET früher erreicht als die Durchbruchspannung des IGBT, und somit wird der SiC-MOSFET bei einigen Ausführungsformen leitend und leitet die Überspannung ab, bevor der IGBT beschädigt werden kann.
  • Wie bereits erwähnt, liegt in hierin beschriebenen Ausführungsformen die Durchbruchspannung des Unipolartransistors, beispielsweise des SiC-MOSFET, unter der Durchbruchspannung des Bipolartransistors, beispielsweise des IGBT, über einen breiten Bereich von Arbeitsbedingungen einschließlich des spezifizierten Bereichs von Arbeitsbedingungen für das Transistorbauelement, beispielsweise über einen breiten Bereich von Temperaturen. Für variierende Temperaturen ist dies in 4 dargestellt.
  • 4 veranschaulicht den Durchbruchstrom IR über VCE/VDS ähnlich 3. Die Kurven 40A bis 40C zeigen das Verhalten für einen in einigen Ausführungsformen verwendbaren SiC-MOSFET, und die Kurven 41A bis 41C veranschaulichen die Kurven für den Beispiel-IGBT. Wieder dienen die spezifischen Kurven lediglich als nichtbeschränkende Beispiele zur besseren Veranschaulichung.
  • Die Kurven 40A, 41A veranschaulichen ein beispielhaftes Verhalten bei Raumtemperatur (z.B. 20°C), die Kurven 40B, 41B ein beispielhaftes Verhalten bei -40°C und die Kurven 40C, 41C ein beispielhaftes Verhalten bei +175°C. Wie ersichtlich ist, liegt die Durchbruchspannung für den SiC-MOSFET (Kurven 40A bis 40C) immer unter der Durchbruchspannung für den IGBT (Kurven 41A bis 41C) ungeachtet der Temperatur. Während in dem dargestellten Beispiel von 4 die Kurven für den IGBT einen negativen Differenzialwiderstand (NDR) aufweisen, liegt zudem für den SiC-MOSFET kein derartiger NDR vor. Beim Betrieb im NDR-Gebiet kann das jeweilige Bauelement aufgrund eines Stromverdrängungsphänomens in vielen Fällen zerstört werden. Schließlich kann der SiC-MOSFET in einigen Ausführungsformen, wie in 4 dargestellt, so ausgelegt sein, dass er eine kleinere Temperaturvariation seiner Durchbruchspannung als der IGBT und einen steileren Anstieg beim Strom in der Spannung, wenn die Durchbruchspannung überschritten wird, als der IGBT besitzen. Die niedrigeren Temperaturvariationen für SiC-basierte Transistoren sind auf eine geringere Temperaturabhängigkeit von Ionisierungsraten im SiC zurückzuführen. Auf diese Weise wird ein Schutz des IGBT vor Überspannungen durch den SiC-MOSFET über einen großen Temperaturbereich sichergestellt, beispielsweise mindestens von -40°C bis 175°C im Beispiel von 4. Dieser Temperaturbereich kann je nach einer Anwendung variieren und deckt, wie erwähnt, einen spezifizierten Temperaturbereich ab, d.h. einen Temperaturbereich, für den das Transistorbauelement ausgelegt ist.
  • Bei einigen Implementierungen kann durch Implementieren des Unipolartransistorbauelements als Siliziumcarbid-basiertes Bauelement eine Temperatur- und Stromabhängigkeit der Durchbruchspannung reduziert werden und eine höhere Durchbruchspannung kann erhalten werden. Durch Abschirmen der Gatestrukturen gegenüber elektrischen Feldern, wie später als ein nichtbeschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf 9 beschrieben, kann eine vergleichsweise kleine Differenz zwischen der Durchbruchspannung und einer Nennspannung (Spannung, für die der SiC-MOSFET ausgelegt ist) erzielt werden (z.B. eine Differenz zwischen 100 V und 500 V oder unter 10%, 20% oder 30% der Nennspannung) bei einer vorbestimmten Temperatur, insbesondere Raumtemperatur (z.B. 20°C), was das Auslegen der Durchbruchspannung des SiC-MOSFET, damit sie unter der Durchbruchspannung des IGBT oder eines anderen Bipolartransistors liegt, erleichtert, während der SiC-MOSFET immer noch in der Lage ist, unter einer Nennspannung zu arbeiten, für die das Transistorbauelement ausgelegt ist.
  • 5 veranschaulicht den Effekt des Klemmens einer Überspannung (d.h. Reduzieren der Überspannung durch Leitfähigwerden) durch den SiC-MOSFET, um eine den IGBT potenziell zerstörende Überspannung zu verhindern. In 5 veranschaulicht eine Kurve 51 einen über einen IGBT in einem Bauelement gemäß einer Ausführungsform fließenden Strom über der Zeit, und eine Kurve 52 veranschaulicht eine Spannung über der Zeit. Eine horizontale Linie 50 zeigt eine potenziell zerstörerische Spannung für den IGBT.
  • In dem gezeigten Beispiel fällt der Strom 51 an einem gewissen Punkt ab, weil beispielsweise die Transistoren (IGBT und MOSFET) des Transistorbauelements abgeschaltet werden. Dies kann bei einer gewissen Konfiguration, beispielsweise durch an das Transistorbauelement gekoppelte Induktivitäten, zu einer hohen Spannung an führen, was, wie durch eine Kurve 52B angezeigt, dazu führen kann, dass eine Spannung die durch eine horizontale Linie 50 angezeigte destruktive Spannung übersteigt, wodurch der IGBT potenziell beschädigt wird. Mit dem Klemmen durch einen SiC-MOSFET, wie durch eine Kurve 52A angegeben, wird die Spannung so verringert, dass die durch die horizontale Linie 50 gegebene Grenze nicht erreicht wird, wodurch der IGBT geschützt wird. Entsprechend fällt der Strom ohne das Klemmen durch einen SiC-MOSFET oder ein anderes Unipolarbauelement schneller ab als mit dem Klemmen, wie durch eine Kurve 51A im Gegensatz zu einer Kurve 51B angezeigt.
  • Ohne den Unipolartransistor wie etwa den erörterten SiC-MOSFET würde ein langsameres Schalten notwendig sein, um eine durch die horizontale Linie 50 angegebene Spannung zu vermeiden, z.B. unter Verwendung eines zweiten Gateabschalttransistors. Einige hier erörterte Techniken stellen ein selbstgeschütztes Schalten bereit. Deshalb können einige Ausführungsformen, wie hierin beschrieben, in einigen Fällen ein schnelleres Schalten bei starken Strömen ermöglichen, was beispielsweise in Motorantriebsanwendungen, Hochspannungs-DC/DC-Wandlern, die beispielsweise als Stromladegeräte für Elektrofahrzeuge verwendet werden können, oder beliebigen anderen Anwendungen wünschenswert sein kann, wo Überspannung kritisch sein kann, insbesondere Anwendungen, wo hohe Lastvariationen existieren.
  • Wie erwähnt besitzen zwar sowohl der Unipolar- als auch der Bipolartransistor die oben erörterten Eigenschaften, doch können sie etwa die gleiche Nennspannung (Spannungsklasse) besitzen, was bei einigen Ausführungsformen eine kleine Chipgröße ermöglicht. Die Nennspannung kann einer Spannung entsprechen, die die Transistoren tatsächlich verwenden sollen oder dafür genehmigt sind (z.B. 1200-V-Klasse oder 1700-V-Klasse oder bis zu 6,5-kV-Klasse, aber nicht darauf beschränkt).
  • Bei einigen Ausführungsformen kann außerdem eine Schwellenspannung des Unipolartransistors unter einer Schwellenspannung für den Bipolartransistor liegen, so dass für niedrigere Ströme der größte Teil des Stroms durch den Unipolartransistor unterstützt wird.
  • 6 veranschaulicht ein Anwendungsbeispiel für Transistorbauelemente gemäß einer Ausführungsform. Insbesondere veranschaulicht 6 ein einfaches Schaltungsdiagramm eines Gleichstrom (DC/DC) - Vorwärtswandlers mit Spannungseingangsanschlüssen 70A, 70B und Spannungsausgangsanschlüssen 71A, 71B. Auf einer Eingangsseite koppelt ein Schalter 72 den Anschluss 70A schaltbar an einen Transformator 73. Der Schalter 72 kann unter Verwendung eines Transistorbauelements wie oben unter Bezugnahme auf die 1-6 erörtert ausgelegt sein. Auf einer Ausgangsseite sind Dioden 74, 75, eine Induktivität 76 und eine Kapazität 77 vorgesehen.
  • Beim Schalten des Schalters 72 in einen Aus-Zustand wird ein Magnetfeld im Transformator 73 und/oder Induktor 76 abgeleitet, was zu hohen Spannungen führen kann, insbesondere für schnelle Schaltgeschwindigkeiten. In derartigen Fällen können Überspannungen auftreten, die unter Verwendung des Unipolartransistors des Schalters 21 abgeleitet werden können, wodurch der Bipolartransistor (beispielsweise IGBT) geschützt wird.
  • 7 veranschaulicht ein Beispiel zum Steuern von Transistorbauelementen gemäß Ausführungsformen. In 7 ist ein erstes Transistorbauelement, das einen RC-IGBT 82 und einen MOSFET 83 umfasst, zwischen einen ersten Anschluss 86, beispielsweise einen Anschluss zum Empfangen einer positiven Versorgungsspannung, und einen Knoten 88 gekoppelt. Ein zweites Transistorbauelement, das einen RC-IGBT 84 und einen MOSFET 85 umfasst, ist zwischen den Knoten 88 und einen zweiten Anschluss 87 gekoppelt, der beispielsweise ausgelegt sein kann zum Empfangen einer negativen Versorgungsspannung oder zum Koppeln an Masse. Das erste und zweite Transistorbauelement können wie zuvor erörtert implementiert sein. Auf diese Weise wirkt in dem Beispiel von 7 das erste Transistorbauelement als ein Hochspannungsschalter und das zweite Transistorbauelement wirkt als ein Niederspannungsschalter. Der RC-IGBT 82 und der MOSFET 83 werden beispielsweise durch ein Signal 80 gesteuert, und ein RC-IGBT 84 und ein MOSFET 85 werden durch ein Signal 81 gesteuert, um das erste Transistorbauelement und das zweite Transistorbauelement abwechselnd zu öffnen und zu schließen, um eine Last 89 und einen Anschluss 88 abwechselnd an den Anschluss 86 oder den Anschluss 87 zu koppeln. Bei den beispielhaften Steuersignalen 80, 81, die gezeigt sind, gibt es eine Zeit td1, td3, wo beide Transistorbauelemente offen (ausgeschaltet) sind, um beim Schalten einen Kurzschluss zwischen Anschlüssen 86, 87 zu verhindern. Das in 8 dargestellte Steuerschema und die Signale 80, 81 dienen lediglich als Beispiele.
  • Die 8A und 8B veranschaulichen Transistorbauelemente gemäß weiteren Ausführungsformen, einschließlich einer zusätzlichen induktiven (8A) oder resistiven (8B) Gatekopplung in einem Transistorbauelement. Die Ausführungsformen der 8A und 8B umfassen jeweils einen Bipolartransistor 91, beispielsweise einen IGBT, und einen Unipolartransistor 92, beispielsweise einen MOSFET (z. B. SiC-MOSFET), die zwischen einen ersten Anschluss 90 und einen zweiten Anschluss 95 gekoppelt sind. Eine durch einen Treiber 93 generierte Steuerspannung (Gate-Emitter-/Gate-Source-Spannung) Vge steuert die Transistoren 91, 92. In 8A ist eine zusätzliche Kopplung über eine SiC-Diode 94 und eine Induktivität 96 (die beispielsweise durch Bonddrähte realisiert sein kann) vorgesehen, und in 8B ist eine zusätzliche Kopplung über eine SiC-Diode 94 und einen Widerstand 96 realisiert. Im Fall eines Überspannungsereignisses geht die Diode 94 in einen LawinenDurchbruch. Deshalb fließt bei einem derartigen Ereignis ein Strom durch den Widerstand/Induktor 96. Durch angemessene Dimensionierung kann in diesem Fall der Bipolartransistor 91 wenigstens teilweise schließen, um einen Teil des Stroms zu leiten. Eine angemessene Dimensionierung kann in diesem Fall das Auslegen der Diode 94 mit einer niedrigeren Durchbruchspannung als Bipolartransistor 91 und Unipolartransistor 92 beinhalten. Ansonsten lassen sich die Überlegungen für das Design von Transistoren 91, 92 beispielsweise bezüglich unter Bezugnahme auf 1-7 erörterten Durchbruchspannungen und Schwellenspannungen auch auf die 8A und 8B anwenden.
  • 9 veranschaulicht eine beispielhafte Implementierung eines SiC-MOSFET mit einer integrierten Diode gemäß einigen Ausführungsformen. 9 veranschaulicht eine Querschnittsansicht durch eine einen MOSFET mit einem Sourceanschluss S, einem Gateanschluss G und einem Drainanschluss D implementierende Halbleiterstruktur.
  • Der Transistor von 9 umfasst einen Halbleiterkörper 100 mit einer ersten Oberfläche 101. Das Bauelement 100 umfasst zwei Transistorzellen 10101 , 10102 , wenngleich mehr als zwei Bauelementzellen vorgesehen werden können. Jede Transistorzelle 10101 , 10102 umfasst ein Driftgebiet 1011, ein Sourcegebiet 1012 und ein Körpergebiet 1013. Das Körpergebiet 1013 ist zwischen dem Sourcegebiet 1012 und dem Driftgebiet 1011 angeordnet. Jede Transistorzelle 10101 , 10102 umfasst weiterhin ein Diodengebiet 1030 und einen PN-Übergang zwischen dem Diodengebiet 1030 und dem Driftgebiet 1011. Bei der Ausführungsform von 9 teilen sich die beiden Transistorzellen 10101 , 10102 das Driftgebiet 11.
  • Jede Transistorzelle 10101 , 10102 umfasst eine Grabengateelektrode 1021, die in einem Graben angeordnet ist und die durch ein Gatedielektrikum elektrisch von dem Körpergebiet 1013, dem Diodengebiet 1030 und dem Driftgebiet 1011 isoliert ist. Die Grabengateelektrode 1021 jeder Transistorzelle enthält eine erste Seitenwand 1101 , eine zweite Seitenwand 1102 und einen Boden 1103 . Das Körpergebiet 1030 jeder Transistorzelle befindet sich bei einer ersten Seitenwand 1101 des jeweiligen Grabens, das Diodengebiet 1030 befindet sich bei der jeweiligen zweiten Seitenwand 1102 des jeweiligen Grabens und der PN-Übergang zwischen dem Driftgebiet und dem Diodengebiet 1030 befindet sich bei dem Boden 1103 des jeweiligen Grabens.
  • Das Diodengebiet 1030 jeder Transistorzelle erstreckt sich von einer ersten Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 bei einem Sourcebereich 1012 und Körpergebiet 1013 einer benachbarten Transistorzelle. Eine elektrisch isolierende Schicht 1051 bedeckt die erste Oberfläche 101 und Gateelektroden 1021. Eine Isolationsschicht 1051 enthält eine Kontaktöffnung 1052, in der das Diodengebiet 1032 und die Source 1012 der individuellen Transistorzellen frei von der Isolationsschicht 1051 sind. Eine Sourceelektrode 1041 ist auf der Isolationsschicht 1051 und in Kontaktöffnungen 1052 vorgesehen. Die Sourceelektrode 1041 ist bezüglich der Gateelektrode 1021 durch die Isolationsschicht 1051 elektrisch isoliert und koppelt die verschiedenen Diodenbereiche 1030 und die verschiedenen Sourcegebiete 1012 elektrisch an den Sourceanschluss S. Das Draingebiet 1014 ist an den Drainanschluss D gekoppelt. Die erste Transistorzelle ist allgemein in 9 mit 10101 und die zweite Transistorzelle mit 10102 bezeichnet.
  • Die Sourceelektrode 1041 kann bei einigen Ausführungsformen eine erste Sourceelektrodenschicht 10411 und eine zweite Sourceelektrodenschicht 10412 umfassen.
  • Im Fall eines MOSFET besitzt das Draingebiet 1014 eine gleiche Dotierart (N oder P) wie das Sourcegebiet 1012 und das Driftgebiet 1011. Die Diodengebiete 1030 besitzen eine gleiche Dotierart wie die Körpergebiete 1013 und eine andere Dotierart als das Driftgebiet 1011. Bei einigen Ausführungsformen besitzt jedes Diodengebiet 1030 zwei verschieden dotierte Halbleitergebiete, nämlich ein erstes Gebiet 1031 bei dem Driftgebiet 1011 und den PN-Übergang mit dem Driftgebiet 1011 bildend und ein zweites Gebiet 1032, das das erste Gebiet 1031 an die Sourceelektrode 1041 koppelt.
  • Das zweite Gebiet 1032 kann eine höhere Dotierkonzentration als das erste Gebiet 1031 besitzen.
  • Bei Ausführungsformen stellt das Gebiet 1031 eine Abschirmung bereit. Durch diese Abschirmung ist es möglich, das Bauelement von 9 mit kleinen Abmessungen mit dünnen Schichten zu implementieren, was bewirken kann, dass eine Durchbruchspannung nahe an einer Nennspannung liegt, ohne das Gatedielektrikum 1022 zu sehr zu beanspruchen. Beispielsweise kann ein Siliziumcarbid-MOSFET mit einer Nennspannung von 1200 V und einer Durchbruchspannung von 1300 V so ausgelegt werden, wenngleich die Spannungen in Abhängigkeit von dem Design variieren können.
  • Es sei angemerkt, dass das Transistordesign von 9 lediglich ein Beispiel ist und auch andere Transistordesigns verwendet werden können, um Unipolar- und Bipolartransistoren mit gewünschten Kennlinien wie oben erörtert zu erhalten, insbesondere den Unipolartransistor mit einer niedrigeren Durchbruchspannung als der Bipolartransistor in einem einen spezifizierten Bereich umfassenden vorbestimmten Bereich, wie erörtert.
  • Beispielsweise kann bei einigen Implementierungen der IGBT mit lokal stark p-dotierten Gebieten auf einer Rückseite davon implementiert werden, um einen hohen p-Emitter insbesondere bei stärkeren Strömen zu implementieren. Je nach den lateralen Abmessungen dieser stark p-dotierten Gebiete kann dies zu einer verbesserten Weichheit beim Abschalten oder einer verbesserten Kurzschlussrobustheit führen.
  • Weiterhin können bei einigen Ausführungsformen der Bipolartransistor (z.B. IGBT) und/oder der Unipolartransistor (z.B. MOSFET) Kompensationsbauelemente sein, d.h. sie können Gebiete enthalten, wo zum Beispiel eine n-Dotierung durch Gebiete mit (z.B. Säulen aus) p-Dotierung oder umgekehrt kompensiert wird. Als ein Beispiel kann der Unipolartransistor ein Superjunction-MOSFET sein.
  • Die folgenden Ausführungsformen sind Ausführungsbeispiele.
    • Beispiel 1: Transistorbauelement, umfassend:
      • einen ersten Transistor, der zwischen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss gekoppelt ist,
      • einen zweiten Transistor, der parallel zu dem ersten Transistor zwischen dem ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Transistor auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke basiert und ausgelegt ist, für einen vorbestimmten Arbeitsbereich eine niedrigere Durchbruchspannung als der erste Transistor zu haben, einschließlich eines spezifizierten Arbeitsbereichs für das Transistorbauelement.
    • Beispiel 2. Bauelement von Beispiel 1, wobei der erste Transistor eine gleiche Nennspannung wie der zweite Transistor besitzt.
    • Beispiel 3. Bauelement von Beispiel 1, wobei der vorbestimmte Arbeitsbereich einen Temperaturbereich von mindestens -20°C bis mindestens 100°C umfasst.
    • Beispiel 4. Bauelement von Beispiel 3, wobei der vorbestimmte Arbeitsbereich einen Temperaturbereich von mindestens -40°C bis mindestens 200°C umfasst.
    • Beispiel 5. Bauelement von Beispiel 1, wobei der vorbestimmte Arbeitsbereich einen Strombereich unter einer Durchbruchbedingung bis zu mindestens dem Dreifachen eines Nennstroms des Bauelements umfasst.
    • Beispiel 6. Bauelement von Beispiel 5, wobei der Strombereich, der unter der Durchbruchbedingung bis zu mindestens dem Fünffachen des Nennstroms toleriert werden kann.
    • Beispiel 7. Bauelement von Beispiel 1, wobei eine Schwellenspannung des ersten Transistors über einer Schwellenspannung des zweiten Transistors liegt.
    • Beispiel 8. Bauelement von Beispiel 7, wobei eine Differenz zwischen der Schwellenspannung des ersten Transistors und der Schwellenspannung des zweiten Transistors mindestens 3 V beträgt.
    • Beispiel 9. Bauelement von Beispiel 8, wobei die Differenz mindestens 5 V beträgt.
    • Beispiel 10. Bauelement von Beispiel 1, wobei eine Differenz zwischen der Durchbruchspannung des zweiten Transistors und einer Nennspannung des zweiten Transistors bei einer vorbestimmten Temperatur unter 30% der Nennspannung liegt.
    • Beispiel 11. Bauelement von Beispiel 1, wobei der erste Transistor einen Bipolartransistor umfasst.
    • Beispiel 12. Bauelement von Beispiel 1, wobei der erste Transistor auf einem Halbleitermaterial, welches keine hohe Bandlücke aufweist, basiert.
    • Beispiel 13. Bauelement von Beispiel 1, wobei der erste Transistor eine reduzierte Dotierung an einem Peripheriebereich einer Chiprückseite aufweist.
    • Beispiel 14. Bauelement von Beispiel 1, wobei der zweite Transistor einen Unipolartransistor umfasst.
    • Beispiel 15. Bauelement von Beispiel 1, wobei der zweite Transistor einen Bipolartransistor umfasst.
    • Beispiel 16. Bauelement von Beispiel 1, wobei das Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke Siliziumcarbid umfasst.
    • Beispiel 17. Bauelement von Beispiel 1, weiterhin umfassend eine Freilaufdiode, die zwischen den ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist.
    • Beispiel 18. Bauelement von Beispiel 1, weiterhin umfassend eine Siliziumcarbiddiode, die zwischen den ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist.
    • Beispiel 19. Gleichstrom-Gleichstrom-Spannungswandler, umfassend mindestens einen Schalter, wobei der mindestens eine Schalter ein Transistorbauelement von Beispiel 1 umfasst.
    • Beispiel 20. Bauelement von Beispiel 19, wobei der Schalter mit einem Transformator gekoppelt ist.

Claims (18)

  1. Transistorbauelement, umfassend: einen ersten Transistor (10; 22; 82, 84; 91), der zwischen einen ersten Anschluss (12; 22) und einen zweiten Anschluss (13; 23) gekoppelt ist, einen zweiten Transistor (11; 21; 83, 85; 92), der parallel zu dem ersten Transistor (10; 22; 82, 84; 91) zwischen den ersten (12; 22) und zweiten (13; 23) Anschluss gekoppelt ist, wobei der zweite Transistor (11; 21; 83, 85; 92) auf einem Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke basiert und ausgelegt ist, für einen vorbestimmten Arbeitsbereich eine niedrigere Durchbruchspannung als der erste Transistor (10; 22; 82, 84; 91) zu haben, einschließlich eines spezifizierten Arbeitsbereichs für das Transistorbauelement.
  2. Transistorbauelement nach Anspruch 1, wobei der erste Transistor (10; 22; 82, 84; 91) eine gleiche Nennspannung wie der zweite Transistor besitzt.
  3. Transistorbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der vorbestimmte Arbeitsbereich einen Temperaturbereich von mindestens -20°C bis mindestens 100°C umfasst.
  4. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der vorbestimmte Arbeitsbereich einen Strombereich unter einer Durchbruchbedingung bis zu mindestens dem Dreifachen eines Nennstroms des Bauelements umfasst.
  5. Transistorbauelement nach Anspruch 4, wobei der Strombereich, der unter der Durchbruchbedingung bis zu mindestens dem Fünffachen des Nennstroms toleriert werden kann.
  6. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-5, wobei eine Schwellenspannung des ersten Transistors (10; 22; 82, 84; 91) über einer Schwellenspannung des zweiten Transistors (11; 21; 83, 85; 92) liegt.
  7. Transistorbauelement nach Anspruch 6, wobei eine Differenz zwischen der Schwellenspannung des ersten Transistors (10; 22; 82., 84; 91) und der Schwellenspannung des zweiten Transistors (11; 21; 83, 85; 92) mindestens 3 V beträgt.
  8. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-7, wobei eine Differenz zwischen der Durchbruchspannung des zweiten Transistors (11; 21; 83, 85; 92) und einer Nennspannung des zweiten Transistors (11; 21; 83, 85; 92) bei einer vorbestimmten Temperatur unter 30% der Nennspannung liegt.
  9. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der erste Transistor (10; 22; 82, 84; 91) einen Bipolartransistor umfasst.
  10. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der erste Transistor (10; 22; 82, 84; 91) auf einem Halbleitermaterial, welches keine hohe Bandlücke aufweist, basiert.
  11. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der erste Transistor (10; 22; 82, 84; 91) eine reduzierte Dotierung an einem Peripheriebereich einer Chiprückseite aufweist.
  12. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der zweite Transistor (11; 21; 83, 85; 92) einen Unipolartransistor umfasst.
  13. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der zweite Transistor (11; 21; 83, 85; 92) einen Bipolartransistor umfasst.
  14. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das Halbleitermaterial mit hoher Bandlücke Siliziumcarbid umfasst.
  15. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-14, weiterhin umfassend eine Freilaufdiode (94), die zwischen den ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist.
  16. Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-15, weiterhin umfassend eine Siliziumcarbiddiode, die zwischen den ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist.
  17. Gleichstrom-Gleichstrom-Spannungswandler, umfassend mindestens einen Schalter (72), wobei der mindestens eine Schalter ein Transistorbauelement nach einem der Ansprüche 1-16 umfasst.
  18. Gleichstrom-Gleichstrom-Spannungswandler nach Anspruch 17, wobei der Schalter (72) mit einem Transformator (73) gekoppelt ist.
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