DE102019006764A1 - Diode mit Stromsensor - Google Patents

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Hao Wang
Thomas Neyer
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Abstract

Es wird eine Diode mit einem Stromsensor offenbart. Die Diode schließt einen Anodenbereich, einen Kathodenbereich und einen Kanalstoppbereich ein. Die Diode schließt ferner einen Abtastwiderstand ein, der zwischen dem Kanalstoppbereich und dem Kathodenbereich geschaltet ist. Wenn die Diode vorwärts vorgespannt ist, fließt ein Abtaststrom durch den Abtastwiderstand, der dem durch die Diode fließenden Durchlassstrom entspricht. Wenn die Diode rückwärts vorgespannt ist, hilft der Kanalstoppbereich, einen Durchbruch in der Diode zu verhindern.

Description

  • GEBIET DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Leistungselektronik und insbesondere auf einen Stromsensor zum genauen Abtasten des Stroms durch eine Diode.
  • HINTERGRUND
  • Die Leistungselektronik kann anfällig für Fehlerbedingungen (z. B. Überstrom, Kurzschluss usw.) sein. Wenn eine Fehlerbedingung nicht genau erkannt und schnell behoben wird (z. B. 1-10 Mikrosekunden), kann dies zu Schäden führen. Dementsprechend werden neue Vorrichtungen und Techniken zum Erfassen von Bedingungen in der Leistungselektronik benötigt.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In einem allgemeinen Gesichtspunkt beschreibt die vorliegende Offenbarung eine Diode. Die Diode schließt ein Substrat ein. Ein Kathoden-Pad ist auf einer unteren Oberfläche des Substrats angeordnet. Ein Anoden-Pad ist auf einem ersten Abschnitt einer oberen Oberfläche (d. h. gegenüber der unteren Oberfläche) des Substrats angeordnet, während ein Kanalstopp-Pad auf einem zweiten Abschnitt der oberen Oberfläche angeordnet ist. Die Diode schließt ferner einen Abtastwiderstand ein, der zwischen dem Kanalstopp-Pad und dem Kathoden-Pad geschaltet ist. Der Abtastwiderstand ist zwischen dem Kathoden-Pad und dem Kanalstopp-Pad geschaltet.
  • Der Abtastwiderstand kann verwendet werden, um einen Durchlassstrom durch die Diode zu bestimmen. Dementsprechend beschreibt die vorliegende Offenbarung in einem weiteren allgemeinen Gesichtspunkt ein Verfahren zum Bestimmen eines Durchflussstroms durch eine Diode. Das Verfahren schließt das Anbringen eines Abtastwiderstands zwischen einem Kathoden-Pad und einem Kanalstopp-Pad der Diode ein. Das Verfahren schließt ferner das Anlegen einer Durchlassspannung zwischen einem Anoden-Pad der Diode und dem Kathoden-Pad ein, um die Diode vorzuspannen. Ein Abtaststrom wird dann durch den Abtastwiderstand gemessen, und basierend auf der Messung wird der Durchlassstrom durch die Diode bestimmt.
  • Die Messung des Durchlassstroms durch die Diode wird in Systemen (z. B. Leistungselektroniksystemen) verwendet, um Schaltungszustände zu erfassen (d. h. zu überwachen). Dementsprechend wird in einem weiteren allgemeinen Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung ein Leistungselektroniksystem beschrieben. Das Leistungselektroniksystem schließt einen Induktor ein, der mit einer Schaltvorrichtung gekoppelt ist. Wenn sich die Schaltvorrichtung in einem EIN-Zustand befindet, wird der Induktor geladen, und wenn sich die Schaltvorrichtung in einem AUS-Zustand befindet, wird der Induktor entladen. Das Leistungselektroniksystem schließt eine Diode ein, die mit dem Induktor gekoppelt ist, der beim Entladen des Induktors einen Durchlassstrom leitet. Die Diode schließt einen Abtastwiderstand ein, der zwischen einem Kathoden-Pad und einem Kanalstopp-Pad der Diode geschaltet ist. Der Abtastwiderstand ist mit einer Überwachungsschaltung gekoppelt, die zum Messen des durch die Diode abgegebenen Stroms basierend auf einer Abtastspannung über dem Abtastwiderstand konfiguriert ist.
  • Die vorstehende veranschaulichende Kurzdarstellung sowie andere beispielhafte Ziele und/oder Vorteile der Offenbarung und die Art und Weise, in der dieselben erreicht werden, werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen weiter erklärt.
  • Figurenliste
    • 1A ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Diode mit einem Stromsensor, der nach dem Haupt-PN-Übergang der Diode konfiguriert ist.
    • 1B ist eine Grafik des Stroms gegen die Spannung eines erfassten Stroms und eines Durchlassstroms für die Konfiguration des Stromsensors von 1A.
    • 2A ist ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Diode mit einem Stromsensor, der vor dem Haupt-PN-Übergang der Diode konfiguriert ist.
    • 2B ist eine Grafik des Stroms gegen die Spannung eines erfassten Stroms und eines Durchlassstroms für die Konfiguration des Stromsensors von 2A.
    • 3A ist eine Querschnittsseitenansicht einer Leistungshalbleiterdiode mit einem Stromsensor, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einem Kanalstopp-Pad gekoppelt ist.
    • 3B ist ein Schaltplan der äquivalenten Schaltung der Leistungshalbleiterdiode mit einem Stromsensor, der mit einem Kanalstopp-Pad gekoppelt ist, wie in 3A gezeigt.
    • 4 ist eine Draufsicht auf die in 3A gezeigte Leistungshalbleiterdiode.
    • 5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 4A, die das Kanalstopp-Pad und das Anoden-Pad zeigt.
    • 6 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Durchlassstroms durch eine Diode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 ist ein Schaltplan eines exemplarischen Leistungselektroniksystems, das eine Diode zum Erfassen eines Schaltungszustands einschließt.
  • Die Komponenten in den Zeichnungen sind in Bezug zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung beschreibt eine Diode, die mit einem leitfähigen Pad auf einem Kanalstoppbereich eines Substrats (d. h. einem Kanalstopp-Pad) konfiguriert ist. Ein Abtastwiderstand (RABTASTEN ) kann mit der Diode zwischen dem Kanalstopp-Pad und dem Kathoden-Pad der Diode gekoppelt werden, sodass ein Abtaststrom (IABTASTEN ) durch den Abtastwiderstand fließt, wenn die Diode vorwärts vorgespannt ist. Anschließend kann durch Messen von IABTASTEN (oder einer Abtastspannung, VABTASTEN ), ein Durchlassstrom (IF ) durch die Diode geschätzt werden. Da der Abtastwiderstand zwischen dem Kanalstopp-Pad und dem Kathoden-Pad (z. B. Masse) geschaltet ist, ist die Spannung (und der Strom) am Haupt-(PN)-Übergang der Diode von der Messung relativ unbeeinflusst. Dementsprechend kann die Schätzung des IF über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen (z. B. einen weiten Bereich des IF ) sehr genau sein.
  • 1A veranschaulicht grafisch ein Beispiel einer Diode mit einem Stromsensor 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Diode schließt ein Substrat (z. B. Silicium) ein, das mit einem Material (z. B. Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut) dotiert ist, um einen N-Typ Kathodenbereich 110 zu definieren (z. B. herzustellen), und das mit einem Material (z. B. Bor, Aluminium, Gallium, Indium) dotiert ist, um einen P-Typ Anodenbereich 120 zu definieren (z. B. herzustellen). Der Hauptübergang 130 an der Grenze zwischen den P-Typ und N-Typ-Materialien kann durch eine Durchlassspannung (VF ) 135, die an ein leitfähiges Pad angelegt wird, das zusammenhängend (z. B. direkt gekoppelt) mit dem Anodenbereich (z. B. ein Anoden-Pad 140) ist, und eine Spannung kleiner als VF (z. B. Null Volt, Masse 150), die an ein leitfähiges Pad angelegt wird, das an den Kathodenbereich (z. B. ein Kathoden-Pad 160) angrenzend (z. B. direkt gekoppelt) angeordnet ist, vorwärts vorgespannt werden. Wenn die Diode vorwärts vorgespannt ist (z. B. durch VF ), leitet sie einen Durchlassstrom IF 105. Bei einigen Implementierungen kann das auf dem Anodenbereich und/oder dem Kathodenbereich angeordnete leitfähige Pad jeweils eine Metallschicht sein.
  • Die in 1A gezeigte Diode ist zum Messen des Durchlassstroms IF unter Verwendung eines Abtastwiderstands, RABTASTEN 155, konfiguriert. Wenn eine Durchlassspannung VF 135 zwischen dem Anoden-Pad 140 und dem Kathoden-Pad 160 der Diode 100 angelegt wird, fließt ein Durchlassstrom, IF 105, in die Diode und über den Haupt-(PN)-Übergang 130 der Diode. Im N-dotierten Bereich 110 der Diode wird ein Abtastpad 170 verwendet, um einen Abschnitt des Durchlassstroms in RABTASTEN zu koppeln. Mit anderen Worten, nach dem Hauptübergang 130 können Träger von IF einem von zwei verschiedenen Strompfaden folgen: einem ersten Pfad 180, der sich zwischen dem Anoden-Pad 140 und dem Kathoden-Pad 160 befindet, und einem zweiten Pfad 190, der sich zwischen dem Anoden-Pad 140 und dem Sensor-Pad 170 befindet. Die Strommenge, die jedem Pfad folgt, wird durch den Widerstand des Pfads bestimmt. Abhängig vom Widerstand von RABTASTEN wird beispielsweise eine gewisse Menge von IABTASTEN 115 von IF 105 entnommen. Der Reststrom, IHAUPT , 125 wird über das Kathoden-Pad 160 zur Masse 150 geleitet. Da RABTASTEN 155 zwischen dem Abtastpad 170 und dem Kathoden-Pad 160 verbunden ist, fließt der Strom IF 105 schließlich zur Masse 150.
  • Der Abtaststrom, IABTASTEN , kann als eine Probe von IF betrachtet werden, nachdem IF den Hauptübergang 130 passiert hat. IABTASTEN kann durch eine direkte Messung (z. B. Stromsonde) oder durch eine Messung der Spannung, VABTASTEN , über RABTASTEN (d. h. IABTASTEN = VABTASTEN/RABTASTEN) bestimmt werden. Der in den Abtastwiderstand fließende Abtaststrom IABTASTEN beeinflusst nicht die Spannung und/oder den Strom des Haupt-(PN)-Übergangs 130, da IF nach dem Überqueren des Haupt-(PN)-Übergangs 130 geteilt wird. Mit anderen Worten, RABTASTEN ist nach dem Haupt-(PN)-Übergang 130 in Bezug auf die Fließrichtung des Durchlassstroms, IF , positioniert (z. B. elektrisch positioniert). Ebenso beeinflusst die Abtastspannung VABTASTEN über dem Abtastwiderstand nicht die Spannung und/oder den Strom des Haupt-(PN)-Übergangs 130, da die Spannung über den Bereich des Haupt-(PN)-Übergangs im Wesentlichen konstant ist (d. h. VF ). Mit anderen Worten, der Haupt-(PN)-Übergang 130 wird von RABTASTEN nicht vorgespannt (d. h. er weist keine Spannung auf, die über die Spannweite des Übergangs variiert), da die über RABTASTEN induzierte Abtastspannung 195 zwischen dem Kathoden-Pad 160 und dem Abtastpad 170 auftritt, die physisch entfernt (z. B. getrennt) vom Haupt-(PN)-Übergang liegen kann. Darüber hinaus kann, wie im Folgenden beschrieben, das Abtastpad 170 mit Funktionen integriert werden, die in Dioden für andere Zwecke verwendet werden, wodurch die Funktionalität ohne zusätzliche Komplexität erweitert wird.
  • 1B ist eine Grafik, die die I-V-Eigenschaften einer Diode mit Stromsensor (z. B. RABTASTEN ) nach dem Hauptübergang zeigt (siehe 1A). In der Grafik ist IABTASTEN 115 ungefähr linear abhängig von (z. B. proportional zu) IF 105. Da beispielsweise VF in einem Bereich von 0 bis 2 Volt variieren kann, kann IF von 0 bis 250 Ampere gemäß den I-V-Eigenschaften des Haupt-(PN)-Übergangs variieren. IABTASTEN kann mit IF durch ein Abtastverhältnis von IF/IABTASTEN in einem Bereich von 100-500 in Beziehung gesetzt werden. Bei einigen Implementierungen kann das Abtastverhältnis konstant oder relativ konstant sein, sodass die Kurven 105, 115 über einen relativ großen Betriebsbereich 106 des Spannungs-VF ausgerichtet sind, wie in 1B gezeigt. Dementsprechend kann IABTASTEN über einen Bereich von 0 bis 0,6 Ampere variieren, da IF über den Bereich von 0 bis 250 Ampere variiert. Das Abtastverhältnis basiert auf dem Widerstand des zweiten Pfads 190 im Vergleich zum ersten Pfad 180. In der Praxis kann das Abtastverhältnis durch Einstellen von RABTASTEN gesteuert werden und, wie erwähnt, in einem Bereich von etwa (z. B. innerhalb 10 % von) 100 bis 500 liegen. Mindestens ein Vorteil eines Diodenstromsensors, der nach dem Hauptübergang 130 konfiguriert (z. B. angeordnet) ist, ist die Steuerung und Vielseitigkeit des Tastverhältnisses. Ein Grund dafür ist, dass der Widerstand von RABTASTEN eine Spannung 195 zwischen dem Kathoden-Pad 160 und dem Abtastpad 170 anlegt, und diese Spannung den Hauptübergang 130 nicht wesentlich entzerrt.
  • Die bisher beschriebenen Prinzipien und Techniken können zum Abtasten von Strom durch einen Halbleiter-(PN)-Übergang verwendet werden. Obwohl Diodenvorrichtungen in Betracht gezogen werden, ist die vorliegende Offenbarung in der Theorie nicht auf diese Vorrichtungen beschränkt, sondern schließt alle Vorrichtungen mit einem Halbleiterübergang ein. Darüber hinaus stehen auf der Grundlage der Material- und Fertigungstechnik (z. B. Dotierungstechnik) Diodenvariationen zur Verfügung (z.B. Fast-Recovery, Soft-Recovery, Schottkey, Zener, Signaldiode, Leistungsdiode, usw.). Die vorliegende Offenbarung und die hierin beschriebenen Prinzipien können auf alle diese Diodenvariationen angewendet werden.
  • Zum Vergleich und zur Veranschaulichung einer Variation ist in 2A eine alternative Diode mit einer Stromsensorausführungsform gezeigt. Wie die Ausführungsform von 1A schließt die Diode mit einem Stromsensor 200 ein Substrat mit einem P-Typ-Bereich 220 und einem N-Typ-Bereich 210 ein, die an einer Grenze dazwischen einen Haupt-(PN)-Übergang 230 definieren (z. B. bilden). Ein Kathoden-Pad (d. h. Elektrode) 260 ist auf dem N-Typ-Bereich 210 angeordnet, während ein Anoden-Pad 240 auf dem P-Typ-Bereich angeordnet ist.
  • Im Gegensatz zur Ausführungsform von 1A ist auf dem P-Typ-Material 220 eine Abtastpad 270 für die in 2A gezeigte Ausführungsform angeordnet. Während das Abtastpad in ein Standard-Diodendesign integriert werden kann (z. B. einen Abschnitt, den das Anoden-Pad auf dem Substrat elektrisch isoliert ist), kann die Aufteilung des Anoden-Pads auf diese Weise den Betrieb der Diode negativ beeinflussen. So kann beispielsweise eine Reduzierung des Anodenpadbereichs (d. h. eine Verringerung des Wirkungsgrads der Trägerinjektion) letztendlich den Strombereich beeinflussen, in dem die Diode betrieben werden kann.
  • Wie in 2A gezeigt, ist ein Abtastwiderstand 255 zwischen dem Andoden-Pad 240 und dem Abtastpad 270 verbunden, um einen Durchlassstrom, IF , 205 durch die Diode 200 abzutasten, wenn die Diode durch eine Vorwärtsspannung, VF , 235, die zwischen dem Andoden-Pad 240 und dem Kathoden-Pad 260 geschaltet ist, vorgespannt ist. Wie hierin gezeigt und beschrieben, ist der Stromsensor (z. B. RABTASTEN ) für die Ausführungsform von 2A vor dem Haupt- PN-Übergang 230 der Diode konfiguriert. Somit erfolgt die Aufteilung des Stroms in zwei Komponenten (d. h. IABTASTEN , IHAUPT ) vor dem Haupt-(PN)-Übergang 230, und die Trägerinjektion erfolgt im P-Typ-Bereich 220 am Anoden-Pad 240 und am Abtastpad 270, das sich unterscheidet. Anders ausgedrückt bewirkt eine durch den Spannungsabfall von RABTASTEN erzeugte Spannung 295 eine räumlich variierende Spannung über dem Haupt-PN-Übergang 230 (d. h. der Hauptübergang wird entzerrt).
  • Bei einigen Implementierungen wirkt sich die Entzerrung des Haupt-(PN)-Übergangs durch den Abtastwiderstand 255 auf die Genauigkeit von IABTASTEN aus. 2B ist eine Grafik, die die I-V-Eigenschaften einer Diode mit Stromsensor (z. B. RABTASTEN ) vor dem Hauptübergang zeigt (siehe 2A). Wie zu beobachten ist, ist IABTASTEN 215 für den Bereich des Durchlassstroms nicht linear von IF 205 abhängig (z. B. proportional). Da beispielsweise VF in einem Bereich von 0 bis 2 Volt variiert, kann IF von 0 bis 350 Ampere gemäß den I-V-Eigenschaften des Haupt-(PN)-Übergangs variieren. Die Entzerrung ist stark vom Widerstand von RABTASTEN abhängig. Um die Entzerrung in der Ausführungsform von 2A zu reduzieren, kann der Wert von RABTASTEN reduziert werden. Dementsprechend kann IABTASTEN über einen Bereich von 0 bis 0,025 Ampere variieren, da IF über den Bereich von 0 bis 350 Ampere variiert. Dieser Ansatz ist jedoch praktisch begrenzt, da Spannungen (VABTASTEN ), die über einen kleinen Widerstand erfasst werden, rauschempfindlich sind (z. B. thermisches Rauschen in einer Schaltung zur Erkennung von VABTASTEN ). Darüber hinaus sind IF und IABTASTEN nicht durch ein konstantes Abtastverhältnis über diesen Bereich voneinander abhängig.
  • Bei einigen Implementierungen kann die offenbarte Diode mit Stromsensor von 1A (d. h. Stromsensor nach dem Hauptübergang) Vorteile gegenüber der Ausführungsform von 2A (d. h. Stromsensor vor dem Hauptübergang) aufweisen. Die Ausführungsform von 1A ist über einen großen Betriebsbereich genauer und ermöglicht einen größeren Bereich von Abtastverhältnissen (z. B. RABTASTEN ). So kann beispielsweise RABTASTEN in einem Bereich von etwa (z. B. innerhalb von 10 % von) 1 Ohm bis etwa (z. B. innerhalb von 10 % von) 20 Ohm liegen. Die Zweckmäßigkeit der Diodenausführungsform von 1A basiert auf der einfachen Integration des Abtastpads in ein Standard-Diodendesign. Dementsprechend ist ein Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung die Integration des Abtastpads mit Funktionen, die in einem Design für Leistungshalbleiterdioden implementiert werden können. Nach der Integration werden diese Merkmale doppelt genutzt. Das heißt, ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung ist eine Leistungshalbleiterdiode mit Merkmalen, die mit einem ersten Zweck funktionieren, wenn die Diode vorwärts vorgespannt ist, und die mit einem zweiten Zweck funktionieren, wenn die Diode rückwärts vorgespannt ist.
  • 3A veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht einer Leistungshalbleiterdiode (d. h. Diode) mit einem Stromsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Leistungsdiode schließt einen hochdotierten P-Typ- (d. h. P+) Anodenbereich 310, einen hochdotierten N-Typ- (d. h. N+) Kathodenbereich 320 und einen leichtdotierten N-Typ- (d. h. N-) Driftbereich (d. h. Driftschicht) ein. Die Anordnung des Driftbereichs 330 zwischen dem Anodenbereich 310 und dem Kathodenbereich 320 gleicht die Anforderungen an eine hohe Durchschlagsspannung und einen geringen Durchgangswiderstand aus, was in zumindest einigen Hochleistungsanwendungen wünschenswert oder notwendig sein kann.
  • Die Diode 300 schließt auch leicht dotierte P-Typ- (d. h. P-) Bereiche 360 ein, die angrenzend an eine Oberseite 350 der Diode angeordnet sind und entlang einer Richtung vom Anodenbereich 310 zu einer Kantenfläche 352 des Substrats angeordnet (d. h. beabstandet) sind. Diese Bereiche werden zusammenfassend als Kantenabschluss 360 der Diode bezeichnet. Obwohl in 3A nur eine Kantenfläche (d.h. die linke Kante) gezeigt wird, kann die Diode zusätzliche Kantenflächen (z. B. vier Kantenflächen für ein rechteckiges Substrat) einschließen, und die Ausrichtung des Kantenabschlusses kann in Bezug auf jede Kantenfläche gleich sein.
  • Die Diode 300 schließt auch einen hochdotierten N-Typ (d. h. N+) Bereich (außer dem Kathodenbereich), der als Kanalstoppbereich (d. h. Kanalstopper, Kanalstopp) bezeichnet wird, ein. Der Kanalstoppbereich 370 liegt angrenzend an die Oberseite 350 und die Kantenfläche 352 (d. h. jede Kantenfläche der Vorrichtung).
  • Bei einigen Implementierungen schützen der Kantenabschluss 360 und der Kanalstoppbereich 370 die Diode (z. B. vor einem Durchbruch), wenn eine Rückwärts-Vorspannung (VR ) über den Haupt-(PN)-Übergang 380 der Diode angelegt wird. Wenn die Diode rückwärts vorgespannt ist (d. h. eine an den Kathodenbereich 320 angelegte Spannung ist höher als eine an den Anodenbereich 310 angelegte Spannung), wird eine Verarmungszone im Driftbereich 330 gebildet. Die Verarmungszone weist eine Größe auf, die proportional zur Rückwärts-Vorspannung ist. Der Kantenabschluss und der Kanalstopper beeinflussen die Größe/Form der Verarmungszone, sodass sie nicht größer wird als die Driftschicht (z. B. Dicke) und die Diode aufbricht (z. B. durchstoßen wird). Der Kantenabschluss 360 und der Kanalstoppbereich 370 weisen keine Funktion auf, wenn die Diode vorwärts vorgespannt ist (z. B. durch VF ).
  • Der Kanalstoppbereich 370 der Diode ist ähnlich dem Kathodenbereich 320 der Diode (z. B. sind beide stark dotierte N-Typenbereiche). Dementsprechend ist ein Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung das Erkennen, dass ein Kanalstopp-Pad 375 auf dem Kanalstoppbereich 370 der Diode (d. h. auf einem Abschnitt der Oberseite 350 der Diode) angeordnet werden kann, um als Abtastpad zu fungieren, was mit Bezug auf 1A erläutert wurde.
  • Wie in 1A, wenn eine Durchlassspannung, VF, zwischen einem leitfähigen (z. B. metallischen) Anoden-Pad 315, das auf einem Abschnitt einer Oberseite 350 des Substrats angeordnet ist, und einem Kathoden-Pad, das auf (mindestens einem Abschnitt) einer Unterseite 355 des Substrats angeordnet ist (z. B. VF , das auf ein Anoden-Pad aufgebracht ist, und einer Masse, die auf ein Kathoden-Pad aufgebracht ist), angelegt wird. Dann wird der Haupt-(PN)-Übergang 380 der Diode vorwärts vorgespannt, und ein Durchlassstrom, IF , wird durch die Diode zur Masse geleitet.
  • Wie in 3A gezeigt, wird der Durchlassstrom 385 (IF ) nach dem Haupt-(PN)-Übergang 380 in zwei Teile unterteilt. Ein Hauptstrom 384 (IHAUPT ) fließt durch den Driftbereich 330 zwischen dem Anodenbereich 310 und dem Kathodenbereich 320, und ein Abtaststrom 382 (IABTASTEN ) fließt durch den Driftbereich 330 zwischen dem Anodenbereich 310 und dem Kanalstoppbereich 370. Dementsprechend leitet ein Abtastwiderstand, RABTASTEN , der zwischen einem Kanalstopp-Pad 375 und einem Kathoden-Pad 325 (d. h. Masse) angebracht ist, einen Teil des Durchflussstroms (d. h. tastet ab). Wie bereits beschrieben, ist der Abtaststrom, IABTASTEN , durch RABTASTEN 390 eine genaue Darstellung des Durchlassstroms, IF , über einen großen Bereich von Betriebswerten, da die Stromteilung nach dem Haupt-(PN)-Übergang 380 erfolgt und da die abgetastete Spannung zwischen dem Kanalstopp und der Kathode (und nicht den Hauptübergang 380 durchquert) liegt. Mit anderen Worten, durch die Verwendung eines Abtastwiderstands, der zwischen dem Kanalstoppbereich 370 und dem Kathodenbereich 32 angebracht ist, wird der Haupt-(PN)-Übergang 380 nicht entzerrt.
  • Die Genauigkeit des Abtaststroms kann durch eine äquivalente Schaltung der in 3A gezeigten Diode veranschaulicht werden. Die äquivalente Schaltung wird in 3B als Beispiel gezeigt. Die äquivalente Schaltung schließt den Haupt-(PN)-Übergang 380 ein, der durch eine Durchlassspannung, VF , vorwärts vorgespannt ist. Nach dem Hauptübergang 380 wird der Pfad des Durchlassstroms 385 in zwei Pfade unterteilt. Ein Hauptstrom IHAUPT 384 fließt durch den Driftbereich entlang eines ersten Pfades (d. h. zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich), der einen Ersatzwiderstand von RDRIFT 394 aufweist. Ein Abtaststrom IABTASTEN 382 fließt durch den Driftbereich entlang eines zweiten Pfades (d. h. zwischen dem Anodenbereich und dem Kanalstopp), der einen Ersatzwiderstand von RBEGRIFF 392 aufweist. Der Abtaststrom, IABTASTEN , 382, wird mit dem Abtastwiderstand RABTASTEN gemessen, der mit dem RTERM Widerstand in Reihe geschaltet ist. Bei einigen Implementierungen, ist RDRIFT viel kleiner als RTERM . So kann beispielsweise RDRIFT im Bereich von 0,5 - 6,0 Ohm und RTERM im Bereich von 70 - 220 Ohm liegen. Zusätzlich kann RABTASTEN viel größer sein, um eine gute Abtastung zu gewährleisten. Dementsprechend ist der Einfluss von RABTASTEN auf den Betrieb des PN-Übergangs 380 begrenzt.
  • Die Beziehungen zwischen den in 3B gezeigten Widerständen lassen sich durch das physikalische Design der Diode veranschaulichen. Eine Draufsicht auf ein beispielhaftes Leistungshalbleitersubstrat ist in 4 veranschaulicht. Die Substratlänge 410 und die Breite 420 sind jeweils größer als die Substrathöhe. Wie gezeigt, schließt die Oberseite des Substrats einen Anodenbereich ein, der den größten Teil der oberen Oberfläche ausmacht. Der Anodenbereich 310 ist von einem Kantenabschlussbereich 360 umgeben, der sich um den Umfang des Anodenbereichs 310 erstreckt. Der Kantenabschlussbereich 360 ist von einem Kanalstoppbereich 370 umgeben, der sich bis zu jeder Kante des Substrats erstreckt. Basierend auf den relativen Abmessungen weist der durch den Anodenbereich fließende Strom einen wesentlich geringeren Widerstand auf als der durch den Kanalstoppbereich fließende Strom.
  • 5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts 430 (d. h. eines punktierten Kastens) von 4A, der das Kanalstopp-Pad 375 und das Anoden-Pad 315 zeigt. Das Anoden-Pad ist auf einem ersten Abschnitt der oberen Oberfläche angeordnet, der mit dem Anodenbereich des Substrats zusammenhängt. Das Anoden-Pad kann den gesamten Anodenbereich abdecken, kann aber in einigen Ausführungsformen in der Größe und/oder Form anders sein als der Anodenbereich. So kann beispielsweise das Anoden-Pad kleiner als der Anodenbereich sein (z. B. 100 µm kleiner an jeder Kante des Anodenbereichs), um einen Raum für das Drahtbonden zu schaffen. Das Kanalstopp-Pad ist auf einem zweiten Abschnitt der oberen Oberfläche angeordnet, der mit dem Kanalstoppbereich des Substrats zusammenhängt. Der in 5 gezeigte Kanalstoppbereich ist so geformt, dass er das Kanalstopp-Pad aufnimmt. Die Abmessungen des Kanalstopp-Pads können aufgrund von Verpackungserwägungen ausgewählt werden. So kann beispielsweise das Kanalstopp-Pad eine Kopplungsverbindung (z. B. Drahtbonden) aufnehmen. Die Größe des Kanalstopp-Pads kann von der Kopplungsverbindung abhängen. So kann beispielsweise die Größe des Kanalstopp-Pads von der Größe eines Drahtes abhängig sein, der zum Koppeln mit dem Pad verbunden ist. Für die offenbarte Ausführungsform eignet sich ein Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,0015 Zoll (d. h. 1,5 mils) zur Kopplung des (kleinen) Abtaststroms. Basierend auf diesem Durchmesser ist ein Kanalstopp-Pad von mindestens 0,04 Millimetern × 0,04 Millimetern (mm) für das Koppeln geeignet.
  • Ein Gesichtspunkt der offenbarten Diode ist ein Kanalstopp-Pad, das an einen Kanalstoppbereich angrenzt oder anderweitig mit diesem gekoppelt ist. Dementsprechend kann das Kanalstopp-Pad auf jeder Oberfläche der Diode angeordnet werden. Für die offenbarte Ausführungsform ist das Kanalstopp-Pad auf der gleichen Oberfläche wie das Anoden-Pad angeordnet (d. h. der oberen Oberfläche), in einer Position am Umfang des Chips direkt über dem für den Kanalstopp dotierten Abschnitt des Substrats. Ein weiterer Gesichtspunkt der offenbarten Diode schließt einen Abtastwiderstand ein, der zwischen dem Kanalstopp-Pad und einem Kathoden-Pad geschaltet ist. Der Abtastwiderstand kann extern mit dem Substrat der Diode verbunden werden. Mit anderen Worten, die Diode und der Abtastwiderstand können diskrete Elemente sein. Bei einigen Implementierungen können der Abtastwiderstand und die Diode in oder auf demselben Substrat gebildet sein. Das Kanalstopppad kann direkt am Abtastwiderstand befestigt werden oder ein leitfähiges Element (z. B. eine Klemme) kann mit dem Abtastwiderstand gekoppelt sein. Das Anordnen des Kanalstopp-Pads und das Anbringen von RABTASTEN fügt die Funktionalität der Strommessung unter Vorwärts-Vorspannung hinzu, ohne die Funktionalität der Ausfallsicherheit unter Rückwärts-Vorspannung zu beeinträchtigen. Somit kann der Kanalstoppbereich 370 der Diode 300 bei einigen Implementierungen mit mindestens einem ersten Zweck (z. B. der Stromabtastung) in einem ersten Zustand (z.B. Vorwärts-Vorspannung) und einem zweiten Zweck (z. B. Durchstoßminderung) in einem zweiten Betriebszustand (z. B. Rückwärts-Vorspannung) funktionieren.
  • Ein Flussdiagramm des Verfahrens 600 zum Bestimmen eines Durchlassstroms durch eine Diode wird in 6 gezeigt. Das Verfahren kann das Anordnen 610 eines Kanalstopp-Pads an einer Diode (d. h. an einem Kanalstoppbereich einer Diode) einschließen. Anschließend wird ein Abtastwiderstand 620 zwischen dem Kanalstopp-Pad und einem Kathoden-Pad der Diode geschaltet (z. B. angebracht). Zwischen dem Anoden-Pad und dem Kathoden-Pad der Diode wird eine Vorwärts-Vorspannung angelegt, um die Diode vorwärts vorzuspannen, sodass die Diode einen Durchlassstrom leitet. Anschließend wird der Abtaststrom im Abtastwiderstand gemessen 640 (z. B. über eine Spannung am Abtastwiderstand). Der gemessene Abtaststrom ist proportional zum Durchlassstrom durch ein Abtastverhältnis 650. Dementsprechend schließt das Verfahren das Bestimmen 650 (z. B. unter Verwendung des Abtastverhältnisses) eines Durchlassstroms durch die Diode basierend auf der Messung des abgetasteten Stroms ein.
  • Das Verfahren zum Bestimmen eines Durchlassstroms durch eine Diode kann das Koppeln eines Abtastwiderstands zwischen einem Kathoden-Pad und einem Kanalstopp-Pad der Diode einschließen. Das Verfahren kann auch das Anlegen einer Durchlassspannung zwischen einem Andoden-Pad der Diode und dem Kathoden-Pad der Diode einschließen, um die Diode vorwärts vorzuspannen. Das Verfahren kann auch das Messen eines Abtaststroms durch den Abtastwiderstand und das Bestimmen eines Durchlassstroms durch die Diode basierend auf dem Messen des Abtaststroms einschließen.
  • Bei einer möglichen Implementierung des Verfahrens befindet sich das Kathoden-Pad auf einer Unterseite eines Substrats, das Anoden-Pad befindet sich auf einem ersten Abschnitt einer oberen Oberfläche des Substrats, und das Kanalsstop-Pad befindet sich auf einem zweiten Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats.
  • Bei einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens ist die Diode eine Leistungshalbleiterdiode.
  • Bei einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens schließt der Vorgang des Messens des Abtaststroms durch den Abtastwiderstand das Messen einer Abtastspannung über dem Abtastwiderstand und das Bestimmen eines Widerstands des Abtastwiderstands ein. Ferner ist die Durchlassspannung am Anoden-Pad bei einer möglichen Implementierung unbeeinflusst von der Abtastspannung am Abtastwiderstand.
  • Bei einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens schließt der Vorgang des Bestimmens des Durchlassstroms durch die Diode basierend auf dem Abtaststrom das Bestimmen des Durchlassstroms als proportional zum Abtaststrom durch ein Abtastverhältnis ein.
  • Bei einer weiteren möglichen Implementierung des Verfahrens schließt das Substrat einen Kathodenbereich, der an das Kathoden-Pad angrenzt, einen Driftbereich, einen Kanalstoppbereich, der an das Kanalstopppad angrenzt, und einen Anodenbereich, der an das Anoden-Pad angrenzt, ein. Ferner bewirkt das Anlegen einer Durchlassspannung zwischen einem Anoden-Pad der Diode und dem Kathoden-Pad der Diode eine Vorwärts-Vorspannung der Diode, wodurch ein Hauptstrom durch den Driftbereich zwischen dem Kathodenbereich und dem Anodenbereich fließt und ein Abtaststrom zwischen dem Kanalstoppbereich und der Anode fließt.
  • Die offenbarte Diode mit Stromsensor kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. So kann es beispielsweise in einigen Anwendungen wünschenswert sein, den von einer Diode im Vorwärts-Vorspannungszustand geführten Durchlassstrom zu messen, um eine Reaktion zum Schutz einer Vorrichtung vor Schäden auszulösen, wenn ein hoher Durchlassstrom erfasst wird.
  • 7 ist ein Schaltplan eines Leistungselektroniksystems, das eine Diode einschließt, die zum Abtasten eines Schaltungszustands konfiguriert ist. Die Schaltung schließt eine Schaltvorrichtung 710 (d. h. einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate, IGBT) ein, die so konfiguriert ist, dass sie vor hohen Strömen geschützt ist, um Schäden zu vermeiden. Eine Quelle 705 und ein Gate-Treiber 707 werden verwendet, um den IGBT in einen EIN- oder AUS-Zustand zu versetzen. Im EIN-Zustand lässt der IGBT 710 einen Strom zwischen einem Kollektor 712 und einem Emitter 714 des IGBT fließen, wodurch ein Induktor 720 geladen wird. Wenn der IGBT 710 in den AUS-Zustand geschaltet wird, wird durch die Energie des Induktors 720 eine Spannung erzeugt, die eine Diode 730 mit einem Stromsensor vorwärts vorspannt (d. h. einschaltet). Bei einer Vorwärts-Vorspannung leitet die Diode 730 einen Durchflussstrom, um den Induktor zu entladen. Die Diode schließt einen Abtastwiderstand 730 (RABTASTEN ) ein, der zwischen einem Abtastpad (z.B. Kanalstopp-Pad) und einem Kathoden-Pad angebracht ist. Ein Abschnitt des Durchlassstroms fließt durch den Abtastwiderstand, um eine Abtastspannung (VABTASTEN ) über den Abtastwiderstand zu erzeugen. Eine Überwachungsschaltung 750 empfängt die Spannung über dem Abtastwiderstand und vergleicht sie mit einer Referenzspannung (VREF ). Basierend auf dem Vergleich (z. B. VABTASTEN>VREF) kann die Überwachungsschaltung ein Überstrom-Fehlersignal bereitstellen, um eine Warnung zu erzeugen und/oder eine Maßnahme zu ergreifen (z. B. die Schaltung zu deaktivieren oder einen Abschnitt der Schaltung abzuschalten). Somit kann die Diode 730 mit Stromsensor dabei helfen, Fehlerzustände zu überwachen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Lebensdauer zu verlängern.
  • Die Schaltung von 7 wird als Beispiel dargestellt. Bei einigen Implementierungen können Variationen dieser Schaltung oder von neuen Schaltungen auf der Grundlage der offenbarten Diode ausgearbeitet werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. So ist beispielsweise die Schaltvorrichtung nicht auf einen IGBT beschränkt und könnte in möglichen Ausführungsformen ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder eine Elektronenvorrichtung, wie etwa eine Audion, sein. Daher versteht es sich, dass die Offenbarung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche von Fachleuten anders als hierin speziell beschrieben praktisch umgesetzt werden kann.
  • Es versteht sich, dass in der vorstehenden Beschreibung, wenn ein Element, wie etwa eine Schicht, ein Gebiet, ein Substrat oder eine Komponente als eingeschaltet, verbunden, elektrisch verbunden, gekoppelt mit oder elektrisch gekoppelt mit einem anderen Element bezeichnet wird, dieses direkt auf dem anderen Element angeordnet, verbunden oder gekoppelt sein kann oder ein oder mehrere dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden, wenn ein Element als direkt auf, direkt verbunden mit oder direkt gekoppelt mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird. Obwohl die Ausdrücke direkt auf, direkt verbunden mit oder direkt gekoppelt in der detaillierten Beschreibung möglicherweise nicht verwendet werden, können Elemente, die als direkt auf, direkt verbunden oder direkt gekoppelt gezeigt sind, als solche bezeichnet werden. Die Ansprüche der Anmeldung können gegebenenfalls geändert werden, um beispielhafte Beziehungen zu kennzeichnen, die in der Patentschrift beschrieben oder in den Figuren gezeigt sind.
  • Einige Umsetzungsformen können unter Verwendung verschiedener Halbleiterverarbeitungs- bzw. -verpackungstechniken implementiert werden. Manche Ausführungsformen können unter Verwendung von verschiedenen Arten von Halbleiterverarbeitungstechniken in Verbindung mit Halbleitersubstraten implementiert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, zum Beispiel Silicium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Siliciumcarbid (SiC) und/oder dergleichen.
  • In der Patentschrift und/oder den Figuren wurden typische Ausführungsformen offenbart. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf solche beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Die Verwendung des Begriffs „und/oder“ schließt jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Elemente ein. Die Figuren sind schematische Darstellungen und sind daher nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Sofern nicht anderweitig angegeben, wurden spezifische Begriffe in einem Allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zu Zwecken der Einschränkung verwendet.

Claims (12)

  1. Diode umfassend: ein Substrat; ein Kathoden-Pad, das auf einer unteren Oberfläche des Substrats angeordnet ist; ein Anoden-Pad, das auf einem ersten Abschnitt einer oberen Oberfläche des Substrats angeordnet ist, wobei die obere Oberfläche der unteren Oberfläche gegenüberliegt; ein Kanalstopp-Pad, das auf einem zweiten Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet ist; und einen Abtastwiderstand, der elektrisch zwischen dem Kanalstopp-Pad und dem Kathoden-Pad verbunden ist.
  2. Diode nach Anspruch 1, wobei, wenn die Diode durch eine Vorwärtsspannung zwischen dem Anoden-Pad und dem Kathoden-Pad vorwärts vorgespannt ist, der Abtastwiderstand einen Abtaststrom einschließt, der einem Durchlassstrom durch die Diode entspricht.
  3. Diode nach Anspruch 2, wobei das Entspannen eines Haupt- PN-Übergangs der Diode nicht durch den zwischen dem Kanalstopp-Pad und dem Kathoden-Pad verbundenen Abtastwiderstand induziert wird.
  4. Diode nach Anspruch 2, wobei der Abtaststrom ein Teil des Durchflussstroms ist, der durch einen Hauptübergang der Diode fließt.
  5. Diode nach Anspruch 2, wobei der Abtaststrom durch ein Abtastverhältnis proportional zum Durchlassstrom ist.
  6. Diode nach Anspruch 1, wobei die Diode eine Leistungshalbleiterdiode ist.
  7. Diode nach Anspruch 1, wobei das Substrat einschließt: einen Kathodenbereich, der direkt mit dem Kathoden-Pad verbunden ist; einen Driftbereich; einen Kanalstoppbereich, der direkt mit dem Kanalstopp-Pad verbunden ist; und einen Anodenbereich, der direkt mit dem Anoden-Pad verbunden ist.
  8. Diode nach Anspruch 7, wobei die Diode, wenn sie durch eine Vorwärtsspannung zwischen dem Anoden-Pad und dem Kathoden-Pad vorwärts vorgespannt ist, einschließt: einen Hauptstrom, der durch den Driftbereich zwischen dem Kathodenbereich und dem Anodenbereich fließt, und einen Abtaststrom, der durch den Driftbereich zwischen dem Kanalstoppbereich und dem Anodenbereich fließt.
  9. Diode nach Anspruch 8, wobei ein Verhältnis des Durchlassstroms und des Abtaststroms in einem Bereich von etwa 100 bis 500 liegt.
  10. Diode nach Anspruch 1, wobei ein Widerstand des Abtastwiderstands in einem Bereich von etwa 1 Ohm bis etwa 20 Ohm liegt.
  11. Leistungselektroniksystem, umfassend: eine Schaltvorrichtung; einen Induktor, der mit der Schaltvorrichtung gekoppelt ist, sodass der Induktor geladen wird, wenn sich die Schaltvorrichtung in einem EIN-Zustand befindet, und entladen wird, wenn sich die Schaltvorrichtung in einem AUS-Zustand befindet; eine Diode, die mit dem Induktor gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie einen Durchlassstrom leitet, wenn der Induktor entladen wird, wobei die Diode einen Abtastwiderstand einschließt, der elektrisch zwischen einem Kathoden-Pad und einem Kanalstopp-Pad der Diode geschaltet ist; und eine Überwachungsschaltung, die mit dem Abtastwiderstand gekoppelt und zum Messen des durch die Diode entladenen Stroms basierend auf einer Abtastspannung über dem Abtastwiderstand konfiguriert ist.
  12. Leistungselektroniksystem nach Anspruch 11, wobei der Abtastwiderstand außerhalb eines Substrats der Diode liegt.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11579645B2 (en) * 2019-06-21 2023-02-14 Wolfspeed, Inc. Device design for short-circuitry protection circuitry within transistors
EP4086943A1 (de) * 2021-05-06 2022-11-09 Infineon Technologies AG Halbleiterbauelement mit anschlussstruktur und feldfreiem bereich

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6180966B1 (en) 1997-03-25 2001-01-30 Hitachi, Ltd. Trench gate type semiconductor device with current sensing cell
US6906362B2 (en) 2002-01-22 2005-06-14 Fairchild Semiconductor Corporation Method of isolating the current sense on power devices while maintaining a continuous stripe cell
JP3896590B2 (ja) 2002-10-28 2007-03-22 サンケン電気株式会社 電流検出装置
JP3831846B2 (ja) * 2003-06-09 2006-10-11 富士電機デバイステクノロジー株式会社 半導体装置の製造方法
US7390115B1 (en) * 2006-10-31 2008-06-24 Zhen Qiu Huang LED blinker load assembly
DE102008045410B4 (de) * 2007-09-05 2019-07-11 Denso Corporation Halbleitervorrichtung mit IGBT mit eingebauter Diode und Halbleitervorrichtung mit DMOS mit eingebauter Diode
US20100117725A1 (en) * 2008-11-12 2010-05-13 Infineon Technologies Austria Ag Semiconductor diode
US8294375B2 (en) * 2009-10-08 2012-10-23 Intersil Americas Inc Adaptive PWM controller for multi-phase LED driver
JP5563346B2 (ja) * 2010-03-29 2014-07-30 パナソニック株式会社 送電装置及びそれに用いられる波形モニタ回路
US10784382B2 (en) * 2017-10-11 2020-09-22 Duet Microelectronics Inc. Isolation PIN diode structure

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