DE10220587A1 - Temperatursensor für MOS-Schaltungsanordnung - Google Patents

Temperatursensor für MOS-Schaltungsanordnung

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor für eine MOS-Schaltungsanordnung, bei der Gate eines MOS-Transistors (1) als Zweipol mit Gate-Eingang (Gin) und Gate-Ausgang (Gout) ausgebildet ist. Durch Messung des Spannungsabfalls über Gate (G) kann die Temperatur an dessen Ort bestimmt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor für eine MOS-Schaltungsanordnung mit mindestens einem MOS-Transistor.
  • Endstufen von beispielsweise Steuerschaltungen, wie beispielsweise sogenannte "Low-Side-"(Niedervolt-) oder "High- Side-"(Hochvolt-)Schalter werden bevorzugt in MOS-Technologie realisiert. Solche Endstufen bzw. Schalter benötigen einen Temperatursensor, der die Temperatur der Endstufe erfassen sollte, um diese abzuschalten, wenn die Temperatur einen gewissen Grenzwert überschreitet. Denn es muss unbedingt vermieden werden, dass die Übergangs- bzw. "Junction"-Temperatur der Endstufe diesen Grenzwert überschreitet, der abhängig von der eingesetzten Technologie einen vorgegebenen Wert hat und beispielsweise bei 200°C liegt.
  • Für einen solchen Temperatursensor wird derzeit gewöhnlich ein Bipolartransistor eingesetzt. Dessen Basis-Emitter-Spannung ist nämlich temperaturabhängig und kann so als Temperaturreferenz zur Messung der Temperatur herangezogen werden.
  • Bei Endstufen mit größeren Abmessungen stellt es ein gewisses Problem dar, an welcher Stelle der Endstufe der Temperatursensor im Layout der die Endstufe bildenden MOS-Schaltungsanordnung platziert wird. Dabei ist es möglich, den Temperatursensor in die Endstufe zu integrieren, was deren Verdrahtungsaufwand erhöht, oder aber den Temperatursensor neben der Endstufe separat anzuordnen. Bei beiden Möglichkeiten lässt sich ein gewisser Abstand zwischen dem Temperatursensor und der temperaturempfindlichsten Stelle der Endstufe nicht vermeiden. Mit anderen Worten, zwischen dieser temperaturempfindlichsten Stelle in der MOS-Schaltungsanordnung und dem Temperatursensor besteht notwendigerweise ein selbst im Idealfall kleiner Temperaturgradient. Dieser Temperaturgradient ist nicht vernachlässigbar, da, wie Untersuchungen gezeigt haben, in praktischen Endstufen mit Temperatursensoren Temperaturen gemessen werden, die einige 10° unter der Temperatur der temperaturempfindlichsten Stelle, der sogenannten Endstufentemperatur, liegen.
  • Bei einer dynamischen Betrachtungsweise ist außerdem zu beachten, dass bei einer Temperaturmessung immer eine gewisse Zeit berücksichtigt werden muss, bis zu der der Temperatursensor die Endstufentemperatur ermitteln kann. Mit anderen Worten, bei Schwankungen der Endstufentemperatur werden diese Schwankungen nicht sofort dem Temperatursensor mitgeteilt. Dieser erfährt also nur mit einer gewissen Zeitverzögerung von diesen Schwankungen.
  • Um die oben aufgezeigten Schwierigkeiten zu überwinden, werden daher derzeit aufwändige Simulationen (sogenannte FEM- Simulationen) vorgenommen, die berücksichtigen, dass der Temperatursensor nicht an der temperaturempfindlichsten Stelle der MOS-Schaltungsanordnung liegt und dynamisch verzögert die Temperatur misst. Diese Simulationen sind aufwändig und sollten so weit als möglich vermieden werden.
  • Die Verwendung von Bipolartransistoren zur Temperaturmessung ist noch mit einem weiteren Nachteil verbunden: solche Bipolartransistoren sind in ihrer Messempfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Substratpotentials oder Querströmen infolge beispielsweise eines parasitären NPN-Transistors zwischen zwei N-dotierten epitaktischen Wannen äußerst empfindlich.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperatursensor für eine MOS-Schaltungsanordnung anzugeben, der einfach aufgebaut ist und eine möglichst genaue Messung der Temperatur in einer MOS-Schaltungsanordnung an deren temperaturkritischsten Stelle ohne aufwändige Simulationen erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Temperatursensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Gate des MOS-Transistors als Zweipol mit Gate-Eingang und Gate-Ausgang so ausgebildet ist, dass der Spannungsabfall zwischen Gate- Eingang und Gate-Ausgang bestimmbar ist.
  • Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensor wird das Gate des an der temperaturempfindlichsten Stelle der MOS-Schaltungsanordnung gelegenen MOS-Transistors als Temperatursensor benützt, indem der Widerstandswert des vorzugsweise das Gate bildenden polykristallinen Siliziums für die Temperaturmessung herangezogen wird. Es wird also in vorteilhafter Weise ausgenutzt, dass das Gatematerial des MOS- Transistors einen Temperaturkoeffizienten aufweist, so dass aus dem Widerstandswert zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang auf die Temperatur am Gate des MOS-Transistors geschlossen werden kann.
  • Damit ist es möglich, den Temperatursensor direkt bei der kritischen Wärmequelle, also der temperaturempfindlichsten Stelle, anzuordnen, indem lediglich der MOS-Transistor mit Gate-Eingang und Gate-Ausgang, der am nächsten zur temperaturempfindlichsten Stelle der MOS-Schaltungsanordnung liegt, als Temperatursensor betrieben wird. Auf diese Weise sind sehr genaue Temperaturmessungen möglich, da sich der Widerstandswert von speziell polykristallinem Silizium praktisch linear mit der Temperatur verändert. Für das Gate können aber anstelle von polykristallinem Silizium auch andere Materialien gewählt werden. Wichtig ist lediglich, dass diese Materialien einen gewissen Temperaturkoeffizienten ihres Widerstandswertes im Bereich der zu überwachenden Temperaturen besitzen.
  • Während gewöhnlich ein MOS-Transistor als Vierpol mit Drain, Source, Gate und Bulk dargestellt werden kann, wird bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensor ein "Fünfpol"-MOS-Transistor verwendet, bei dem Gate einen Gate-Eingang und einen Gate-Ausgang hat, wobei das Gate des MOS-Transistors zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang liegt. Fließt dann ein konstanter Strom zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang, so wird über dem Gate ein Spannungsabfall erhalten, der proportional zum Widerstandswert des Gate ist. Besteht das Gate aus einem Material, wie beispielsweise polykristallinem Silizium, dessen Widerstandswert sich in weiten interessierenden Temperaturbereichen praktisch linear mit der Temperatur verändert, so ist die Änderung des Spannungsabfalls zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang linear proportional zu der Temperatur am Ort des Gates.
  • Allerdings ist zu beachten, dass bei einem MOS-Transistor gewöhnlich die Gate-Spannung als Steuerspannung des Transistors eingesetzt wird. Der Spannungsabfall zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang kann aber in Kauf genommen werden, wenn dieser Spannungsabfall relativ gering bleibt, was bei polykristallinem Silizium aufgrund seiner relativ hohen Leitfähigkeit ohne weiteres gewährleistet ist.
  • Da, wie bereits erwähnt wurde, das in vorzugsweise als Gatematerial verwendete polykristalline Silizium relativ niederohmig ist, wird Gate zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang in bevorzugter Weise streifenförmig gestaltet, damit der zur Temperaturmessung gewünschte, wenn auch relativ kleine Spannungsabfall zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang erhalten werden kann.
  • Die Funktion des Temperatursensors sollte dann ausgeblendet sein, wenn der im Temperatursensor zur Temperaturmessung verwendete MOS-Transistor einen Schaltvorgang ausübt. Denn ein zwischen Gate-Eingang und Gate-Ausgang fließender Strom würde infolge der durch ihn bedingten zusätzlichen Gateladung den Schaltvorgang beeinträchtigen. Da meistens die Temperaturmessung dazu dient, ein logisches Signal zu liefern, das einen hohen Pegel (High-Level) annimmt, wenn eine bestimmte Temperatur Tref überschritten wird, und für eine gemessene Temperatur T, die kleiner als die bestimmte Temperatur Tref ist, ein niedriger Pegel (Low-Level) vorliegt, kann dieses Ausblenden geschehen, indem zum Beispiel eine UND-Verknüpfung zwischen diesem Signal (T > Tref) und einem zweiten logischen Signal vorgenommen wird, das einen hohen Pegel während einer Zeit hat, die größer als die Schaltzeit des MOS Transistors ist.
  • Schließlich weist der erfindungsgemäße Temperatursensor in bevorzugter Weise zusätzlich zu dem MOS-Transistor mit Gate- Eingang und Gate-Ausgang noch einen Referenzwiderstand auf, der es erlaubt, geringfügige Temperaturunterschiede festzulegen und den Temperatursensor Differenztemperaturen messen zu lassen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Temperatursensors,
  • Fig. 2 eine Draufsicht auf einen als Temperatursensor dienenden MOS-Transistor mit einer streifenförmigen Gate-Elektrode,
  • Fig. 3 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für den erfindungsgemäßen Temperatursensor und
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels für den Temperatursensor von Fig. 2 in einer Schaltung von Fig. 3.
  • Fig. 1 zeigt den Temperatursensor mit einem MOS-Transistor 1, der Drain D, Gate G, Source S und Bulk B aufweist. Gate G ist nun hier mit einem Gate-Eingang Gin und einem Gate-Ausgang Gout versehen. Besteht Gate G aus einem Material mit einem Temperaturkoeffizienten TK, wie beispielsweise polykristallinem Silizium, so dass eine Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes RGate von der Temperatur in einem interessierenden bzw. kritischen Temperaturbereich zwischen beispielsweise 0°C und 300°C vorliegt, dann kann der zwischen dem Gate-Eingang Gin und dem Gate-Ausgang Gout gemessene Spannungsabfall zur Temperaturbestimmung am Ort von Gate G des MOS-Transistors 1 herangezogen werden. Wird der MOS-Transistor 1 an die Stelle der Wärmequelle gebracht, so ist es möglich, direkt und praktisch ohne Zeitverzögerung die Temperatur der Wärmequelle festzustellen, so dass Simulationen eingespart werden können. Auch treten keine Störungen durch Schwankungen des Substratpotentials oder Querströme auf, da bei einem konstanten Strom zwischen Gate-Eingang Gin und Gate-Ausgang Gout ein Spannungsabfall über dem Gate G auftritt, der proportional zu dem sich linear mit der Temperatur ändernden Widerstandswert RGate von Gate G ist.
  • Fig. 2 zeigt einen MOS-Transistor 1 als Temperatursensor in Draufsicht mit einem aus polykristallinem Silizium bestehenden, streifenförmigen Gate G aus Gatestreifen G1, G2 und G3, von denen lediglich der Gatestreifen G1 zwischen einem Gate- Eingang Gin und einem Gate-Ausgang Gout liegt, wobei beispielsweise aus Aluminium bestehende Leiterbahnen L an Gate- Eingang und Gate-Ausgang über Kontaktpads P mit dem Gate G verbunden sind. Die Aufspaltung des Gates G in die Gatestreifen G1, G2, G3 wird vorgenommen, um den elektrischen Widerstand zu erhöhen. Dies wird in einfacher Weise erreicht, indem lediglich der Gatestreifen G1 zwischen Gate-Eingang Gin und Gate-Ausgang Gout angeschlossen wird. Außerdem zeigt Fig. 2 schematisch Drain D mit einer Elektrode aus beispielsweise polykristallinem Silizium oder Aluminium und Source S.
  • Für den Gatestreifen G1 kann gegebenenfalls anstelle der in Fig. 2 gezeigten geraden Strecke zwischen dem Pad P von Gate- Eingang Gin und dem Pad P von Gate-Ausgang Gout auch eine mäanderförmige oder sonstige Gestalt gewählt werden, wenn eine weitere Erhöhung des Widerstandswertes Rate des Gates G gewünscht ist. Eine solche mäanderförmige Gestalt eines Gatestreifens G1' ist in Fig. 2 unten schematisch angedeutet.
  • Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für den Temperatursensor mit dem MOS-Transistor 1, einem Transistor 2, der es erlaubt, mit einer von Temperaturschwankungen unabhängigen Versorgungsspannung Vcc von beispielsweise 5 V eine Ladung auf Gate G des MOS-Transistors 1 zu bringen, und einen Stromerzeuger 7 aus einem Referenzwiderstand R1 aus insbesondere dem gleichen Material wie Gate G des MOS-Transistors 1, also aus vorzugsweise polykristallinem Silizium, einem Spannungsteiler mit Widerständen R2 und R3, einem Differenzverstärker V, einem Bipolartransistor 3 und einer Ausgangsstufe 4 mit zwei weiteren MOS-Transistoren 5 bzw. 6.
  • Es sei angenommen, dass der Spannungsabfall über dem Referenzwiderstand R1 bei einer Temperatur T2 den Wert 2 V hat. Dann ist der durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Bipolartransistors 3 fließende Strom i gegeben durch:


    wobei R1 den Widerstandswert des Referenzwiderstandes R1 bedeutet und T0 eine Ausgangstemperatur angibt, bei der zuvor der Temperatursensor war. Sind die Transistoren 2, 3, 5 und 6 im leitenden Zustand, dann ist der Spannungsabfall U über dem MOS-Transistor 1 gegeben durch:


  • In beiden Gleichungen (1) und (2) bedeutet TK jeweils den Temperaturkoeffizienten des polykristallinen Siliziums für Gate G des MOS-Transistors 1 bzw. für den Referenzwiderstand R1. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperatur T2 am Ort des Referenzwiderstandes R1 als Referenz für die Temperatur T1 am Ort von Gate G des MOS-Transistors 1 heranzuziehen.
  • Ist der Transistor 2 im nicht-leitenden Zustand, so ist Gate G des MOS-Transistors nur noch über einen Pol angesteuert, so dass der MOS-Transistor 1 als Schalttransistor in der an Drain D bzw. Source S angeschlossenen (nicht gezeigten) Schaltung wirken kann.
  • Fig. 4 zeigt eine Anwendung des Temperatursensors 1 von Fig. 2 und der Schaltung von Fig. 3 mit diesem Temperatursensor 1 in einer Endstufe 8. Mit einem üblichen Temperaturfühler F wird die Temperatur T2 am Ort des Referenzwiderstandes R1 gemessen bzw. kalibriert. Hierzu sollte der Temperaturfühler F möglichst in der Nähe des Referenzwiderstandes R1 vorgesehen sein. Der Ort des Widerstandes R1 und damit des Temperaturfühlers F kann dabei unkritisch und leicht zugänglich sein. Damit liegt die Temperatur T2 fest. Mit dem Temperatursensor 1 wird sodann die Temperaturdifferenz T1 - T2 gemessen. Aus dieser Differenz kann dann die Temperatur T1 am kritischen Ort des Gates G bestimmt werden.
  • Der Temperaturfühler F kann ein "langsamer" Fühler sein, da er lediglich zum Kalibrieren des Referenzwiderstands R1 dient. Dagegen ist der Temperatursensor 1 ein schneller Fühler, der eine rasche und unmittelbare Temperaturmessung an kritischer Stelle erlaubt. Bezugszeichenliste 1 MOS-Transistor
    2 Schalttransistor
    3 Bipolartransistor
    4 Ausgangsstufe
    5 MOS-Transistor
    6 MOS-Transistor
    7 Stromerzeuger
    8 Endstufe
    R1 Referenzwiderstand
    R2, R3 Widerstände von Spannungsteiler
    V Differenzverstärker
    Vcc Versorgungsspannung
    i Strom
    U Spannungsabfall
    G Gate
    D Drain
    S Source
    Gin Gate-Eingang
    Gout Gate-Ausgang
    P Pad
    G1, G1', G2, G3 Gatestreifen
    L Leiterbahnen
    T1, T2 Temperaturen

Claims (9)

1. Temperatursensor für MOS-Schaltungsanordnung mit mindestens einem MOS-Transistor (1), dadurch gekennzeichnet, dass Gate (G) des MOS-Transistors (1) als Zweipol mit Gate- Eingang (Gin) und Gate-Ausgang (Gout) so ausgebildet ist, dass der Spannungsabfall (U) zwischen Gate-Eingang (Gin) und Gate-Ausgang (Gout) bestimmbar ist.
2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gate-Eingang (Gin) und Gate-Ausgang (Gout) ein konstanter Strom fließt.
3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gate (G) aus polykristallinem Silizium besteht.
4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gate (G) streifenförmig gestaltet ist.
5. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gate-Eingang (Gin) und/oder der Gate/Ausgang (Gout) mit einem Referenzwiderstand (R1) verbunden sind.
6. Temperatursensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwiderstand (R1) aus im Wesentlichen dem gleichen Material wie Gate (G) des MOS-Transistors (1) besteht.
7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gate-Eingang (Gin) und Gate-Ausgang (Gout) ein Transistor (2) und ein Stromerzeuger (7) vorgesehen sind.
8. Temperatursensor nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwiderstand (R1) im Stromerzeuger (7) vorgesehen ist.
9. Temperatursensor nach Anspuch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Gate (G) mäanderförmig gestaltet ist.
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