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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Halbleitervorrichtung, die einen Gate-Bereich umfasst.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In bekannten Typen von Halbleitervorrichtungen ändert eine Anpassung einer Spannung, die an einen Gate-Bereich angelegt wird, einen Widerstand zwischen dem Emitterbereich und dem Kollektorbereich oder zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich. Beispielsweise in dem Fall einer IGBT-Vorrichtung verringert das Anlegen einer Spannung an dem Gate-Bereich einen Widerstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor, was zu einem Stromfluss zwischen dem Emitter und dem Kollektor führt. In diesem Fall einer MOS-Vorrichtung verringert das Anlegen einer Spannung an den Gate-Bereich den Widerstand zwischen der Source und dem Drain, was zu einem Strom, der zwischen der Source und dem Drain fließt, führt. Der Gatebereich, der in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, kann als Basisbereich bezeichnet werden.
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Eine Halbleitervorrichtung der oben beschriebenen Typen kann in einem Inverter umfasst sein, der einen Strom steuert, der einen Motor durchfließt. Ein solcher Inverter umfasst eine Parallelschaltung, die Serienschaltungen umfasst, die parallel geschaltet verbunden sind, wobei jede Serienschaltung eine Halbleitervorrichtung eines oberen Zweigs und eine Halbleitervorrichtung eines unteren Zweigs umfasst, die in Serie geschaltet verbunden sind. In diesem Fall kann eine Anomalität, beispielsweise ein Kurzschluss einer Spule in dem Motor zu einem übermäßigen Strom führen, der durch die Halbleitervorrichtungen fließt. Wenn der Betrieb des Inverters normal ist, schalten eine Halbleitervorrichtung des oberen Zweigs und eine Halbleitervorrichtung des unteren Zweigs nicht simultan ein. Falls jedoch eine Anomalität auftritt, die verursacht, dass beide von diesen simultan einschalten, fließt ein übermäßiger Strom durch die Halbleitervorrichtungen.
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Falls eine Anomalität beliebiger Art auftritt, die verursacht, dass ein übermäßiger Strom durch eine Halbleitervorrichtung fließt, erfährt die Halbleitervorrichtung einen Temperaturanstieg. Es besteht Bedarf nach einer Technik, um eine Halbleitervorrichtung vor einer Überhitzung zu schützen. In einem Versuch diesem Bedarf zu begegnen, sind Techniken zum Schützen einer Halbleitervorrichtung vor einem Überhitzen durch Wärmeableitung oder Kühlung entwickelt worden und eine Technik, die in einem Patentdokument 1 entwickelt worden ist.
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Die Technik in dem Patentdokument 1 verbindet einen Leiterrahmen oder eine Sammelschiene mit einer Oberflächenelektrode, die auf der Oberfläche einer Halbleitervorrichtung ausgebildet ist. Es wird davon ausgegangen, dass ein solcher Aufbau ermöglicht, dass Wärme, die in der Halbleitervorrichtung erzeugt wird, durch die Oberflächenelektrode auf den Leiterrahmen oder dergleichen übertragen wird, um dadurch die Halbleitervorrichtung vor einer Überhitzung zu schützen.
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ZITIERUNGSLISTE
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PATENTDOKUMENT
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- Patentdokument 1: JP 2008-305948 A
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN
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In einigen Fällen kann eine Halbleitervorrichtung selbst mit der Technik in dem Patentdokument 1 nicht vor einer Überhitzung geschützt werden. Aufgrund einer Toleranz, wie sie bei der Ausrichtung der Halbleitervorrichtung zu dem Leiterrahmen oder dergleichen auftritt, kann beispielsweise der Abstand zu dem Leiterrahmen oder dergleichen zu einem Punkt in dem Umgebungsbereich der Halbleitervorrichtung vergrößert werden, und es kann eine Zeit dauern, um die Wärme zu übertragen, die in dem Punkt der Halbleitervorrichtung zu dem Leiterrahmen oder dergleichen erzeugt wird. Aus diesem Grund kann selbst mit der Technik aus dem Patentdokument 1 in dem Umgebungsbereich der Halbleitervorrichtung ein Überhitzungsphänomen auftreten.
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Es besteht ebenfalls eine bekannte Technik zum Schützen einer Halbleitervorrichtung vor einer Überhitzung durch ein Ausschalten der Halbleitervorrichtung, wenn ein übermäßiger Strom, der durch die Halbleitervorrichtung fließt, erfasst wird. Selbst durch die kombinierte Verwendung dieser Technik und der Technik zum Übertragen einer Wärme auf einen Leiterrahmen oder dergleichen, kann eine Halbleitervorrichtung in einigen Fällen nicht vor einer Überhitzung geschützt werden. Dies liegt daran, dass ein Überhitzungsphänomen der Halbleitervorrichtung in einer Zeitdauer ab der Erfassung eines übermäßigen Stroms bis zu dem Ausschalten der Halbleitervorrichtung auftreten kann. Genauer genommen neigt der Umgebungsbereich der Halbleitervorrichtung dazu, ein Überhitzungsphänomen zu erfahren, da es eine Zeit dauert, um die erzeugte Wärme auf den Leiterrahmen oder dergleichen zu übertragen, wie obenstehend beschrieben ist.
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Es ist ein Beispielfall obenstehend beschrieben worden, bei dem verschiedene Phänomene in verschiedenen Bereichen innerhalb einer Halbleitervorrichtung auftreten. Es gibt viele andere Fälle, bei denen verschiedene Phänomene in unterschiedlichen Bereichen innerhalb einer Halbleitervorrichtung auftreten. Wenn beispielsweise eine Halbleitervorrichtung normal betrieben wird, ist es wahrscheinlicher, dass die Temperatur in einem mittleren Bereich der Halbleitervorrichtung als in dem Umgebungsbereich auftritt. In anderen Fällen kann eine Halbleitervorrichtung einen Bereich aufweisen, der einfach zu kühlen ist, und einen Bereich, der schwierig zu kühlen ist, was von einer Art des Verhältnisses abhängt, wie ein Kühlmittel fließt.
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Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Technik zur Behebung eines Nachteils, der in einem bestimmten Bereich durch unterschiedliche Phänomene verursacht wird, die in unterschiedlichen Bereichen innerhalb einer Halbleitervorrichtung auftreten.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Die vorliegende Technik soll an einer Halbleitervorrichtung angewendet werden, die einen Gatebereich umfasst, der sich auf einer Oberfläche von dessen Halbleitersubstrat erstreckt.
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Der Gatebereich, der hierbei verwendet wird, ist ein Bereich, der auf einem Teil des Halbleitersubstrats oder einem Bereich, der zu dem Halbleitersubstrat hinzugefügt ist, ausgebildet ist, und es ist ein Bereich, der aus einem Halbleitermaterial mit verbesserter Leitfähigkeit besteht. Manche Halbleitervorrichtungen umfassen einen Gatebereich, der sich in einer Draufsicht auf das Halbleitersubstrat auf einer Oberfläche von dessen Halbleitersubstrat erstreckt, beispielsweise umfasst ein bekannter Typ einer IGBT-Vorrichtung Gatebereiche, die sich linear erstrecken und parallel über eine große Fläche auf dem Substrat angeordnet sind. Dieser Typ einer Halbleitervorrichtung benötigt eine Gateleitungsführung zum Übertragen einer Spannung, die an den Gatebereichen angelegt werden soll, und sie benötigt ebenso ein Pad bzw. Feld, das mit der Gateleitungsführung verbunden ist. Ein solches Pad bzw. Feld kann auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sein. Das Feld und die Gateleitungsführung bestehen aus metallischen Materialien. In der vorliegenden Anmeldung wird eine leitfähige Komponente, die mit dem Feld verbunden ist, als eine Gateleitungsführung bezeichnet, falls diese aus einem metallischen Material besteht; eine leitfähige Komponente, die mit dem Feld verbunden ist, wird als ein Gatebereich bezeichnet, falls diese aus einem Halbleitermaterial mit verbesserter Leitfähigkeit besteht.
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Eine Halbleitervorrichtung, die in der vorliegenden Beschreibung offenbart ist, umfasst einen Gatebereich, der sich auf einer Oberfläche von dessen Substrat erstreckt und mit einer Gateleitungsführung an zwei oder mehr Punkten in dem Gatebereich verbunden ist, wobei jede Gateleitungsführung mit einem einzigartigen Feld verbunden ist. Ein Punkt, der den Gatebereich und eine erste Gateleitungsführung verbindet, wird als ein erster Punkt bezeichnet und ein Punkt, der den Gatebereich und eine zweite Gateleitungsführung verbindet, wird als ein zweiter Punkt bezeichnet. Der erste Punkt und der zweite Punkt befinden sich an verschiedenen Positionen an der Oberfläche des Substrats.
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Die Halbleitervorrichtung, die obenstehend beschrieben ist, umfasst zwei oder mehr Felder (beispielsweise ein erstes Feld und ein zweites Feld). Hierdurch besteht die Möglichkeit ein Feld auszuwählen, an welches die Spannung übertragen werden soll. Ein Vergleich zwischen einer Gateleitungsführung, die aus einem metallischen Material besteht, und einem Gatebereich, der aus einem Halbleitermaterial besteht, verdeutlicht, dass die Gatespannungsübertragungsgeschwindigkeit in dem letzteren niedriger als in der zuvor genannten ist. Die Gatespannungsübertragungsgeschwindigkeit, die in dem Gatebereich niedriger ist, führt zu einem Phänomen, das die Zeit zur Erreichung der Gatespannung in einer Weise verteilt ist, die von Positionen innerhalb der Halbleitervorrichtung abhängt.
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Beispielsweise wird ein Punkt, der die erste Gateleitungsführung, die sich von dem ersten Feld aus erstreckt, und den Gatebereich verbindet, als der erste Punkt bezeichnet und ein Punkt, der die zweite Gateleitungsführung, die sich von dem zweiten Feld aus erstreckt, und den Gatebereich verbindet, wird als der zweite Punkt bezeichnet. Derselbe Gatebereich ist über den ersten Punkt mit dem ersten Feld verbunden, und ebenso über den zweiten Punkt mit dem zweiten Feld verbunden.
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Zudem wird eine Position, die nahe bei dem ersten Punkt und entfernt von dem zweiten Punkt liegt, als eine erste Position bezeichnet und eine Position, die entfernt von dem ersten Punkt und nahe bei dem zweiten Punkt liegt, wird als eine zweite Position bezeichnet. Da die Gatespannungsübertragungsgeschwindigkeit in dem Gatebereich niedrig ist, werden Phänomene, die in 1 beschrieben sind, dadurch verursacht, dass ein Feld ausgewählt wird, an dem die Gatespannung angelegt werden soll.
- (1a) Das erste Feld ist ausgewählt und eine Einschaltspannung ist an dieses angelegt. In diesem Fall erfolgt das Einschalten an der ersten Position, die nahe an dem ersten Punkt liegt, früh, und das Einschalten einer zweiten Position, die von dem ersten Punkt entfernt liegt, ist verzögert.
- (1b) Das zweite Pad ist ausgewählt und die Einschaltspannung ist an diesem angelegt. In diesem Fall ist das Einschalten an der zweiten Position, die nahe an dem zweiten Punkt liegt, früh, und das Einschalten an der ersten Position, die von dem zweiten Punkt entfernt liegt, ist verzögert.
- (2a) Das erste Feld ist ausgewählt und eine Ausschaltspannung ist an diesem angelegt. In diesem Fall folgt das Ausschalten an der ersten Position, die nahe an dem ersten Punkt liegt, früh, und das Ausschalten an der zweiten Position, die von dem ersten Punkt entfernt liegt, ist verzögert.
- (2b) Das zweite Feld ist ausgewählt und die Ausschaltspannung ist an diesem angelegt. In diesem Fall erfolgt das Ausschalten an der zweiten Position, die nahe an dem zweiten Punkt liegt, früh, und das Ausschalten an der ersten Position, die von dem zweiten Punkt entfernt liegt, ist verzögert.
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Die Halbleitervorrichtung, die obenstehend beschrieben ist, verschafft die Möglichkeit, ein Feld auszuwählen, an dem die Gatespannung angelegt werden soll, und dadurch wird verhindert, dass das in einem bestimmten Bereich in der Halbleitervorrichtung durch verschiedene Phänomene, die in verschiedenen Bereichen in der Halbleitervorrichtung auftreten, verursacht wird.
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Beispielsweise kann in einem Fall, bei dem wahrscheinlich eine Überhitzung an der zweiten Position auftritt, dem Problem, dass wahrscheinlich eine Überhitzung an der zweiten Position auftritt, dadurch begegnet werden, indem die Einschaltspannung in das erste Feld übertragen wird und die Ausschaltspannung an das zweite Feld übertragen wird (d. h. durch Umsetzen von „1a” und „2b” in 1). In einem Fall, bei dem wahrscheinlich eine Überhitzung an der ersten Position auftritt, kann dem Problem, dass wahrscheinlich eine Überhitzung an der ersten Position auftritt, dadurch begegnet werden, indem die Einschaltspannung an das zweite Feld übertragen wird und die Ausschaltspannung an das erste Feld übertragen wird (d. h. durch Umsetzen von „1b” und „2a” in 1).
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Mit der Möglichkeit unter zwei oder mehr Feldern ein Feld auszuwählen, an dem die Gatespannung angelegt werden soll, sind verschiedene Optionen verfügbar, aus denen ausgewählt werden kann. Beispielsweise ist es in einigen Fällen wirkungsvoll, Felder an denen die Gatespannung angelegt werden soll, von einem, das zum Anlegen der Einschaltspannung verwendet werden soll, auf ein anderes, das zum Anlegen der Ausschaltspannung verwendet werden soll, umzuschalten. In anderen Fällen ist es wirkungsvoll, Felder, an denen die Gatespannung angelegt werden soll, von einem, das für eine Dauer verwendet werden soll, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, auf ein anderes, das verwendet werden soll, wenn ein übermäßiger Strom, der durch die Halbleitervorrichtung fließt, erfasst wird, umzuschalten. Insbesondere kann es wirkungsvoll sein, Felder zum Anlegen der Ausschaltspannung umzuschalten.
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Durch ein Anordnen des ersten Punkts in einem mittleren Bereich des Halbleitersubstrats und durch ein Anordnen des zweiten Punkts in einem Umgebungsbereich des Halbleitersubstrats kann dem Problem, dass der Umgebungsbereich leichter überhitzt, oder andersherum, das Problem, dass der mittlere Bereich leichter überhitzt, begegnet werden.
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Falls der Umgebungsbereich leichter überhitzt, ist ein Übertragen der Einschaltspannung auf das erste Feld und ein Übertragen der Ausschaltspannung auf das zweite Feld wirkungsvoll. Genauer genommen kann durch ein Umsetzen „1a” und „2b” in 1 dem Phänomen begegnet werden, bei dem der Umgebungsbereich, in dem sich der zweite Punkt befindet, leichter überhitzt.
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Obwohl die Gatespannungsübertragungsgeschwindigkeit in dem Gatebereich niedrig ist, ist der Zeitunterschied zwischen den Einschaltzeiten an der ersten Position und an der zweiten Position oder der Zeitunterschied zwischen den Ausschaltzeiten an diesen Positionen klein. Die Bruchzahl, die das Verhältnis der Zeitunterschiede zwischen den Einschaltzeiten zu einer Einschaltdauer ausdrückt oder die Bruchzahl, die das Verhältnis der Zeitunterschiede zwischen den Ausschaltzeiten zu einer Ausschaltdauer ausdrückt, ist klein. Dennoch ist in dem Fall, bei dem die Technik zum Ausschalten einer Halbleitervorrichtung, wenn ein übermäßiger Strom durch die Halbleitervorrichtung fließt, und die Technik zum Übertragen einer Wärme auf einen Leiterrahmen oder dergleichen in Kombination verwendet werden, um ein Überhitzen zu verhindern. Ein Übertragen der Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld, bei dem sich der erste Punkt in dem mittleren Bereich des Halbleitersubstrats befindet und sich der zweite Punkt in dem Umgebungsbereich des Halbleitersubstrats befindet, wirkungsvoll. Die Rate, mit welcher die Temperatur aufgrund eines übermäßigen Stroms, der durch die Halbleitervorrichtung fließt, ansteigt, ist extrem hoch und somit ist die Übertragung der Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld wirkungsvoll, um die Ausschaltzeit des Umgebungsbereichs vorzuverlegen. In dem oben beschriebenen Fall ist die Wirkung zum Verhindern eines Überhitzens bemerkenswert, obwohl der Zeitunterschied zwischen der Ausschaltzeit, die durch die Übertragung der Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld vorverlegt ist, und der Ausschaltzeit, die aus der Übertragung der Ausschaltspannung zu dem ersten Feld resultiert, klein ist.
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Eine Technik zum Übertragen der Ausschaltspannung zu dem ersten Feld in einer Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom durch die Halbleitervorrichtung fließt, und zum Übertragen der Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld, wenn ein übermäßiger Strom, der durch die Halbleitervorrichtung fließt, erfasst wird, ist ebenso wirkungsvoll.
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In der Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom durch die Halbleitervorrichtung fließt, ist in einigen Fällen ein Übertragen der Einschaltspannung zu dem zweiten Feld und ein Übertragen der Ausschaltspannung zu dem ersten Feld wirkungsvoll, und ein Übertragen von sowohl der Einschaltspannung als auch der Ausschaltspannung zu dem ersten Feld ist in anderen Fällen wirkungsvoll. In jedem beliebigen der Fälle ist die Technik nützlich, die Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld zu übertragen, wenn ein übermäßiger Strom, der durch die Halbleitervorrichtung fließt, erfasst wird, um dadurch die Überhitzung zu verhindern.
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WIRKUNG DER ERFINDUNG
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Die Halbleitervorrichtung, die in der vorliegenden Beschreibung offenbart ist, schafft die Möglichkeit ein Feld auszuwählen, an das die Gatespannung angelegt werden soll, wodurch einem Nachteil begegnet wird, der in einem bestimmten Bereich durch verschiedene Phänomene, die in verschiedenen Bereichen in der Halbleitervorrichtung auftreten, verursacht werden kann.
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Insbesondere kann bei dem ersten Punkt, der den Gatebereich und die erste Gateleitungsführung verbindet, und der sich in dem mittleren Bereich des Substrats befindet, und dem zweiten Punkt, der den Gatebereich und die zweite Gateleitungsführung verbindet und der sich in dem Umgebungsbereich des Substrats befindet, ein Zeitunterschied zwischen der Einschaltzeit in dem mittleren Bereich und der Einschaltzeit in dem Umgebungsbereich eingestellt werden, oder es kann ein Zeitunterschied zwischen der Ausschaltzeit in dem mittleren Bereich und der Ausschaltzeit in dem Umgebungsbereich eingestellt werden. Auf diese Weise kann einem Nachteil begegnet werden, der in dem mittleren Bereich oder in dem Umgebungsbereich verursacht werden kann.
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Durch Anlegen der Einschaltspannung an dem ersten Feld und Anlegen der Ausschaltspannung an dem zweiten Feld kann ein Überhitzen des Umgebungsbereichs verhindert werden, selbst wenn der Umgebungsbereich in einem Umfeld liegt, das eine Überhitzung begünstigt. Wenn ein übermäßiger Strom erzeugt wird, kann darüber hinaus die Erzeugung von Wärme in dem Umgebungsbereich unterdrückt werden, der aufgrund eines übermäßigen Stroms leicht überhitzt. Auf diese Weise kann die Wirkung zum Schutz einer Halbleitervorrichtung vor einem Überhitzen geschaffen werden.
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Durch ein Übertragen der Ausschaltspannung zu dem ersten Feld in einer Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, und ein Übertragen der Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld, wenn ein übermäßiger Strom erfasst wird, kann die Erzeugung von Wärme in dem Umgebungsbereich unterdrückt werden, der aufgrund eines übermäßigen Stroms leicht überhitzt. Auf diese Weise kann die Wirkung zum Schutz der Halbleitervorrichtung vor einem Überhitzen geschaffen werden
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In der Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, können sowohl die Einschaltspannung als auch die Ausschaltspannung auf das erste Feld übertragen werden. Auf diese Weise können die Einschaltdauer in dem mittleren Bereich und die Einschaltdauer in dem Umgebungsbereich nach der Zeitdauer ausgerichtet sein, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird. Anderenfalls kann in der Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, die Einschaltspannung an dem zweiten Feld angelegt werden und die Ausschaltspannung an dem zweiten Feld angelegt werden. Auf diese Weise, die obenstehend beschrieben ist, kann ein Überhitzen in dem mittleren Bereich verhindert werden, falls der mittlere Bereich leicht überhitzt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm zum Beschreiben von Begebenheiten, die durch ein Auswählen eines Felds, an dem die Gatespannung angelegt werden soll, verursacht werden.
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2 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines Schaltungsaufbaus und einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats übereinstimmend mit einer Ausführungsform.
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3 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Vorderseite des Halbleitersubstrats.
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4 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Auswählen eines Felds übereinstimmend mit einer ersten Ausführungsform und resultierenden Begebenheiten.
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5 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Auswählen des Felds übereinstimmend mit einer zweiten Ausführungsform und resultierenden Begebenheiten.
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6 ist ein Diagramm zur Beschreibung eines Verfahrens zum Auswählen des Felds übereinstimmend mit einer dritten Ausführungsform und resultierenden Begebenheiten.
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7 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats übereinstimmend mit einer anderen Ausführungsform.
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ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Es werden zunächst die Merkmale der Ausführungsformen beschrieben, die nachstehend erklärt werden sollen. Wie nachstehend verwendet, wird ein Feld, das mit einer Gateleitungsführung verbunden ist, die einen Punkt aufweist, der in der Mitte des Halbleitersubstrats eine Verbindung zu einem Gatebereich herstellt, als ein erstes Feld bezeichnet; ein Feld das mit einer Gateleitungsführung verbunden ist, die einen Punkt aufweist, der in der Umgebung der Halbleitervorrichtung eine Verbindung zu dem Gatebereich herstellt, wird als ein zweites Feld bezeichnet.
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Merkmal 1: Das erste Pad bzw. Feld ist zur Anlegungszeit eines Einschaltsignals ausgewählt worden und das zweite Pad bzw. Feld ist zur Einschaltzeit eines Ausschaltsignals ausgewählt worden.
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Merkmal 1A: Während eine Gatespannungsanpassungsvorrichtung eine Einschaltspannung ausgibt, ist das zweite Feld mit der Gatespannungsanpassungsvorrichtung verbunden, wobei das erste Feld variabel bzw. potentialfrei gelassen wird.
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Merkmal 1B: Während die Gatespannungsanpassungsvorrichtung eine Ausschaltspannung ausgibt, ist das erste Feld mit der Gatespannungsanpassungsvorrichtung verbunden, wobei das zweite Feld variabel bzw. potentialfrei gelassen wird.
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Merkmal 2: In einer Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, ist das zweite Feld zu der Anlegungszeit eines Einschaltsignals ausgewählt worden und das erste Feld ist zu der Anlegungszeit eines Ausschaltsignals ausgewählt worden. Wenn ein übermäßiger Strom erfasst wird, wird das zweite Feld ausgewählt.
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Merkmal 2A: Während die Spannungsanpassungsvorrichtung eine Einschaltspannung ausgibt, ist das erste Feld mit der Gatespannungsanpassungsvorrichtung verbunden, wobei das zweite Feld potentialfrei gelassen wird.
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Merkmal 2B: Während die Gatespannungsanpassungsvorrichtung die Ausschaltspannung ausgibt, ist das zweite Feld mit der Gatespannungsanpassungsvorrichtung verbunden, wobei das erste Feld spannungsfrei gelassen wird.
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Merkmal 3: In einer Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, wird das erste Feld ausgewählt. Wenn ein übermäßiger Strom erfasst wird, wird das zweite Feld ausgewählt.
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Merkmal 3A: Wenn ein übermäßiger Strom erfasst wird, gibt die Gatespannungsanpassungsvorrichtung die Ausschaltspannung aus.
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Ausführungsform
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In 2 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform durch das Bezugszeichen 36 angezeigt. Ein erstes Feld 22 und ein zweites Feld 26 sind auf einer Oberfläche eines Substrats 32 ausgebildet. Eine erste Gateleitungsführung 24 ist mit dem ersten Feld 22 verbunden. Die erste Gateleitungsführung 24 ist mit einem horizontalen Abschnitt 24a, der eine mittlere Position des Substrats 32 und das erste Feld 22 verbindet, und zwei diagonalen Abschnitten 24b und 24c, die sich in diagonalen Richtungen des Substrats 32 erstrecken, ausgebildet. Eine zweite Gateleitungsführung 28 ist mit dem zweiten Feld 26 verbunden. Die zweite Gateleitungsführung 28 erstreckt sich entlang des Umfangs des Substrats 32. Das Bezugszeichen 34 zeigt einen Schutzring zur Verbesserung eines Hochspannungswiderstands der Halbleitervorrichtung an deren Umgebungsbereich an. Die Halbleitervorrichtung 36, die eine IGBT-Vorrichtung ist, weist IGBT-Aufbauten auf, die in einem Bereich innerhalb des Schutzrings 34 ausgebildet sind. Die Gateleitungsführung 28 erstreckt sich in einer Schleife um die Außenseite des Bereichs, in dem die IGBT-Zellen ausgebildet sind.
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Die Bezugszeichen 30a, 30b, 30c usw. zeigen Gatebereiche an. Zur Klarheit der Figuren sind lediglich einige der Gatebereiche mit Bezugszeichen versehen, diese sind 30a, 30b und 30c. Jede dünne Linie in der Figur stellt einen Gatebereich dar, der sich auf der Oberfläche des Substrats 32 erstreckt.
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Die Gatebereiche 30a, 30b, 30c usw. erstrecken sich linear auf der Oberfläche des Substrats 32 und sind parallel zueinander angeordnet. Zur Klarheit der Figur sind die Lücken zwischen benachbarten Gatebereichen in 2 vergrößert. Die tatsächlichen Lücken zwischen den Gatebereichen, die parallel angeordnet sind, sind enger. Die Gatebereiche 30a, 30b, 30c usw. erstrecken sich weit bis in einen Bereich innerhalb des Schutzrings 34, um die IGBT-Zellen über eine große Fläche in dem Bereich innerhalb des Schutzrings 34 zu bilden.
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Jeder Gatebereich ist sowohl mit der ersten Gateleitungsführung 24 als auch der zweiten Gateleitungsführung 28 verbunden. Beispielsweise ist der Gatebereich 30c mit dem diagonalen Abschnitt 24c der ersten Gateleitungsführung 24 und der zweiten Gateleitungsführung 28 verbunden. Die Gatebereiche werden nachstehend gemeinsam als ein Gatebereich 30 bezeichnet. Da sich die zweite Gateleitungsführung 28 entlang des Umfangs des Substrats 32 erstreckt, ist ein zweiter Punkt, der den Gatebereich 30 und die zweite Gateleitungsführung 28 verbindet, an einer Position entlang des Umfangs des Substrats 32 angeordnet. Im Gegensatz hierzu befindet sich ein erster Punkt, der den Gatebereich 30 und die erste Gateleitungsführung 24 verbindet, in einem Bereich an der inneren Seite in Bezug auf den zweiten Punkt, da die erste Gateleitungsführung 24 in einer Fläche ausgebildet ist, die von der zweiten Gateleitungsführung 28 umgeben ist. Derartige erste Punkte sind in einem Bereich 42 verteilt (s. 3), der sich in der Mitte des Substrats 32 befindet. Derartige zweite Punkte sind in einem Bereich 40 verteilt, der sich in der Umgebung des Substrats 32 befindet.
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2 stellt eine Anordnung unterhalb eines Schutzfilms dar, der auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 32 ausgebildet ist. Die Oberfläche des Halbleitersubstrats 32 ist tatsächlich mit einem Schutzfilm überdeckt. 3 ist eine Ansicht, die einen Überblick über die Vorderseite der Halbleitervorrichtung 36 gibt, wobei die Halbleitervorrichtung 36 mit Ausnahme des ersten Felds 22 und des zweiten Felds 26 mit einem Schutzfilm 44 überdeckt ist. Eine Emitterelektrode 38 ist auf einer Oberfläche des Schutzfilms 44 ausgebildet. Die Emitterelektrode 38 ist mit einem Emitterbereich verbunden, der in dem Halbleitersubstrat 32 ausgebildet ist. Die Emitterelektrode 38 ist durch den Schutzfilm 44 von dem Gatebereich 30 isoliert. Eine nicht dargestellte Kollektorelektrode ist an der Rückseite des Halbleitersubstrats 32 ausgebildet.
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In 3 sind die Bereiche 42, in der die ersten Punkte verteilt sind, und der Bereich 40, in dem die zweiten Punkte verteilt sind, durch gestrichelte Linien markiert.
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Die Halbleitervorrichtung 36 ist mit der Kollektorelektrode an der Rückseite, die an ein anderes Substrat gelötet ist, der Emitterelektrode 38 an der Vorderseite, die an eine Sammelschiene gelötet ist, und den Feldern 22 und 26, die mit einer Gatespannungsanpassungsvorrichtung verbunden sind, bereitgestellt. Wenn ein übermäßiger Strom durch die Halbleitervorrichtung 36 fließt, der wiederrum Wärme erzeugt, wird die Wärme hauptsächlich an der Vorderseite des Halbleitersubstrats 32 erzeugt. Es liegt eine gestalterische Überlegung vor, dass diese Wärme durch die Emitterelektrode 38 an die Sammelschiene übertragen wird. Allerdings tritt in der Realität aufgrund einer Toleranz, wie der Ausrichtung der Sammelschiene zu der Emitterelektrode 38 leicht ein Problem auf, dass es in einem Umgebungsbereich des Substrats 32, d. h. nahe zu dem Bereich 40, wo die zweiten Punkte verteilt sind, eine Zeit dauert, um die Wärme abzuleiten, da der Abstand zu der Sammelschiene in diesem Bereich lang sein kann. Die Zeit, die es aufgrund des langen Abstands zu der Sammelschiene dauert, um die Wärme abzuleiten, kann einen erheblichen Einfluss haben, da im Falle der Wärmeerzeugung, die aus dem Fluss eines übermäßigen Stroms resultiert, eine Rate, mit der die Temperatur ansteigt, extrem hoch ist. Die Halbleitervorrichtung 36 gemäß der Ausführungsform neigt in dem Umgebungsbereich zur Überhitzung, wenn ein übermäßiger Strom durch diesen fließt.
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Diese Ausführungsform, welche die zwei Felder umfasst, die eine Gatespannung auf den Gatebereich 30 übertragen, begegnet den oben beschriebenen Problemen durch ihre Möglichkeit, ein Feld zur Übertragung der Gatespannung auszuwählen.
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In 2 zeigt ein Anschluss 2 einen Anschluss an, der von einer anderen Vorrichtung eine Signalspannungsausgabe empfängt. Der Anschluss 2 empfängt eine hohe Spannung während einer Zeitdauer, in der die Halbleitervorrichtung (die IGBT-Vorrichtung) 36 eingeschaltet ist, und eine niedrige Spannung während einer Zeitdauer, in der die Halbleitervorrichtung 36 ausgeschaltet ist. Wenn der Anschluss 2 die hohe Spannung empfängt, werden ein Transistor 4 und ein Transistor 6, die in einer cMOS-Schaltung 8 umfasst sind, jeweils ein- und ausgeschaltet, wodurch die Spannung an der Position, die mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist, auf eine VG-Spannung erhöht wird. Die Zunahmerate ist durch einen Einschaltwiderstand 10 eingestellt. Wenn der Anschluss 2 die niedrige Spannung empfängt, werden der Transistor 4 und der Transistor 6, die in der tMOS-Schaltung 8 umfasst sind, jeweils aus- und eingeschaltet, wodurch die Spannung an der Position, die mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist, auf eine Erdungsspannung bzw. Massespannung verringert wird. Die Abnahmerate ist durch einen Ausschaltwiderstand 12 angepasst. Die cMOS-Schaltung 8 oder dergleichen ist in einer Gatespannungsanpassungsvorrichtung 1 umfasst.
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Bei dieser Ausführungsform ist eine Schaltung 15 zum Auswählen eines Felds, zudem die Gatespannung, die von der Gatespannungsanpassungsvorrichtung 1 ausgegeben wird, übertragen werden soll, zwischen der Position, die mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist, und dem ersten Feld 22 und zwischen der Position, die mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist, und dem zweiten Feld 26 angeordnet.
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Ein Anschluss 20 empfängt eine hohe Spannung während einer Zeitdauer, in der das erste Feld 22 mit der Gatespannungsanpassungsvorrichtung 1 verbunden ist, wobei das zweite Feld 26 potentialfrei gelassen wird, und eine niedrige Spannung während einer Zeitdauer, in der das zweite Feld 26 mit der Gatespannungsanpassungsvorrichtung 1 verbunden ist, wobei das erste Feld 22 potentialfrei gelassen wird. Wenn der Anschluss 20 die hohe Spannung empfängt, wird der Transistor 16 eingeschaltet und der Transistor 18 ausgeschaltet, wodurch verursacht wird, dass die Ausgangsspannung der Gatespannungsanpassungsvorrichtung 1 in das erste Feld 22 eingegeben wird, wobei das zweite Feld 26 potentialfrei gelassen wird. Wenn der Anschluss 20 die niedrige Spannung empfängt, wird der Transistor 16 ausgeschaltet und der Transistor 18 eingeschaltet, wodurch bewirkt wird, dass die Ausgangsspannung der Gatespannungsanpassungsvorrichtung 1 in das zweite Feld 26 eingegeben wird, wobei das erste Feld 22 potentialfrei gelassen wird.
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4(a) zeigt ein Beispiel einer Eingangsspannung an dem Anschluss 2. 4(b) zeigt eine Eingangsspannung an dem Anschluss 20. Wie der Vergleich zwischen (a) und (b) klar zeigt, ist ein Verhältnis derart angepasst, dass vor einer Zeit t1, zu der ein Einschaltsignal eingegeben wird, das erste Feld 22 ausgewählt wird, wobei das zweite Feld 26 potentialfrei gelassen wird. Zudem ist ein Verhältnis derart angepasst, dass vor einer Zeit t2, zu der ein Ausschaltsignal ausgegeben wird, das zweite Feld 26 ausgewählt wird, wobei das erste Feld 22 potentialfrei gelassen wird. Diese Verhältnisse sind (e) zusammengefasst.
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Die Gatespannung an den IGBT-Zellen, die in den mittleren Bereich des Substrats 32 ausgebildet sind, ist durch (c) angezeigt; die Gatespannung an den IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich des Substrats 32 ausgebildet sind, ist durch (d) angezeigt. Da die Einschaltspannung auf das erste Feld 22 übertragen wird, werden die IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich ausgebildet sind, früher eingeschaltet und die IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich ausgebildet sind, werden mit einer Verzögerung eingeschaltet. Im Gegensatz hierzu werden die IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich ausgebildet sind, mit einer Verzögerung ausgeschaltet, und die IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich ausgebildet sind, werden früher ausgeschaltet, da die Ausgangsspannung an das zweite Feld 26 übertragen wird. Die IGBT-Zellen erzeugen eine Wärme während der Dauer, in der sie eingeschaltet sind. Die Ausführungsform schafft die Möglichkeit die Wärme zu unterdrücken, die in dem Umgebungsbereich erzeugt wird, und dadurch wird dem Problem des Überhitzens in dem Umgebungsbereich begegnet.
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In der beschriebenen Ausführungsform empfängt nach der Erfassung eines übermäßigen Stroms, der durch die Halbleitervorrichtung 36 fließt, der Anschluss 2 die niedrige Spannung und der Anschluss 20 empfängt ebenso die niedrige Spannung. Demzufolge werden die IGBT-Zellen in dem Umgebungsbereich zunächst ausgeschaltet. Dem Problem, dass der Umgebungsbereich leicht überhitzt, wenn ein übermäßiger Strom fließt, kann demnach ebenso begegnet werden.
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Wie in 4(b) dargestellt ist, schaltet die Feldauswahlschaltung 15 die Auswahl zwischen dem ersten Feld 22 und dem zweiten Feld 26 um, wenn der Gatebereich 30 stabil ist, wobei die hohe Spannung an diesem angelegt wird, und wenn der Gatebereich 30 stabil ist, wobei die elektrische Ladung darin entladen wird. Während des Umschaltens wird kein Nachteil verursacht. Dies ist ähnlich in der Ausführungsform die nachstehend beschrieben wird.
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In 4 werden der Zeitunterschied zwischen den Einschaltzeiten in dem mittleren Bereich und dem Umgebungsbereich und der Zeitunterschied zwischen den Ausschaltzeiten in dem mittleren Bereich und dem Umgebungsbereich vergrößert. Die tatsächlichen Zeitunterschiede sind so klein, dass die längere Einschaltdauer des mittleren Bereichs und die kürzere Ausschaltdauer des Umgebungsbereichs praktisch keinen Einfluss auf ein Phänomen haben, das von einem Durchschnittswert über die Zeit abhängt. Allerdings haben die Zeitunterschiede eine Wirkung auf eine Übergangsbegebenheit wie ein Temperaturanstiegsphänomen, das verursacht wird, wenn ein übermäßiger Strom fließt. Dem Problem, dass der Umgebungsbereich leicht aufgrund eines übermäßigen Stroms überhitzt, wird durch das frühere Ausschalten in einem Umgebungsbereich als in dem mittleren Bereich begegnet.
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5(a) zeigt ein Beispiel einer Eingangsspannung an dem Anschluss 2 an. 5(b) zeigt eine Eingangsspannung an dem Anschluss 20 an. Ein Pfeil 46 zeigt einen beispielhaften Moment, wenn ein übermäßiger Strom fließt. Wie der Vergleich zwischen den (a) und (b) klar zeigt, ist ein Verhältnis derart angepasst, dass während einer Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom fließt, das zweite Feld 26 ausgewählt ist, wobei vor einer Zeit t1, zu der ein Einschaltsignal ausgegeben wird, das erste Feld 22 potentialfrei gelassen wird. Zudem ist ein Verhältnis derart angepasst, dass ein erstes Feld 22 ausgewählt ist, wobei vor einer Zeit t2, zu der ein Ausschaltsignal eingegeben wird, das zweite Feld 26 potentialfrei gelassen wird. Nach dem Fließen eines übermäßigen Stroms wird, wie an der Position des Pfeils 46 angezeigt ist, die Spannung, die an dem Anschluss 2 eingegeben wird, niedrig, und die Spannung die an dem Anschluss 20 eingegeben wird, wird ebenfalls niedrig. Wenn ein übermäßiger Strom fließt, wird ein Ausschaltsignal an das zweite Feld 26 übertragen. Diese Verhältnisse sind in (e) zusammengefasst.
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Die Gatespannung an den IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich des Substrats 32 ausgebildet sind, ist durch (c) angezeigt; die Gate-Spannung an den IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich des Substrats 32 ausgebildet sind, ist durch (d) angezeigt. Da die Einschaltspannung an das zweite Feld 26 übertragen wird, werden die IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich ausgebildet sind, früher eingeschaltet und die IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich ausgebildet sind, werden mit Verzögerung ausgeschaltet. Im Gegensatz hierzu werden die IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich ausgebildet sind, früher ausgeschaltet und die IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich ausgestaltet sind, werden mit Verzögerung ausgeschaltet, da die Ausschaltspannung an das erste Feld 22 übertragen wird. Die Ausführungsform schafft die Möglichkeit, die Wärmeerzeugung in dem mittleren Bereich zu unterdrücken und dadurch dem Problem der Überhitzung in dem mittleren Bereich zu begegnen.
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Nach der Erfassung eines übermäßigen Stroms, der die Halbleitervorrichtung 36 fließt, empfängt der Anschluss 2 die niedrige Spannung und der Anschluss 20 empfängt ebenso die niedrige Spannung. Demzufolge werden die IGBT-Zellen in dem Umgebungsbereich früher ausgeschaltet. Dem Problem, dass der Umgebungsbereich leichter überhitzt, wenn ein übermäßiger Strom fließt, kann demnach ebenso begegnet werden.
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6(a) zeigt ein Beispiel einer Eingangsspannung an dem Anschluss 2 an. 6(b) zeigt eine Eingangsspannung an dem Anschluss 20 an. Ein Pfeil 46 zeigt einen beispielgebenden Moment, wenn ein übermäßiger Strom fließt. Wie (b) zeigt, ist ein Verhältnis derart angepasst, dass während einer Zeitdauer in der kein übermäßiger Strom fließt, das erste Feld 22 ausgewählt ist, wobei das zweite Feld 26 potentialfrei gelassen wird. Nach einem Fließen eines übermäßigen Stroms wird, wie an der Position des Pfeils 46 angezeigt ist, die Spannung, die an dem Anschluss 2 eingegeben wird, niedrig und die Spannung, die an dem Anschluss 20 eingegeben wird, wird ebenfalls niedrig. Wenn ein übermäßiger Strom fließt, wird ein Ausschaltsignal an das zweite Feld 26 übertragen. Diese Verhältnisse sind in (e) zusammengefasst.
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Die Gatespannung an den IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich des Substrats 32 ausgebildet sind, wird durch (c) angezeigt. Die Gatespannung an den IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich des Substrats 32 ausgebildet sind, wird durch (d) angezeigt. Da während der Zeitdauer, in der kein übermäßiger Strom erfasst wird, sowohl die Einschaltspannung als auch die Ausschaltspannung an das erste Feld 22 übertragen werden, werden die IGBT-Zellen, die in dem mittleren Bereich ausgebildet sind, früher eingeschaltet und früher ausgeschaltet. Im Gegensatz hierzu werden die IGBT-Zellen, die in dem Umgebungsbereich ausgebildet sind, mit Verzögerung eingeschaltet und mit Verzögerung ausgeschaltet. Die Ausführungsform schafft die Möglichkeit, die Einschaltdauer in dem mittleren Bereich zu der Einschaltdauer in dem Umgebungsbereich auszurichten.
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Nach dem Erfassen eines übermäßigen Stroms, der durch die Halbleitervorrichtung 36 fließt, empfängt der Anschluss 2 die niedrige Spannung und der Anschluss 20 empfängt ebenfalls die niedrige Spannung. Demzufolge werden die IGBT-Zellen in dem Umgebungsbereich früher ausgeschaltet. Dem Problem, dass der Umgebungsbereich leichter überhitzt, wenn ein übermäßiger Strom fließt, kann demnach ebenso begegnet werden.
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In einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Bruchzahl, die das Verhältnis des Zeitunterschieds zwischen den Einschaltzeiten der verschiedenen Bereiche in der Halbleitervorrichtung zu einer Einschaltdauer, oder die Bruchzahl, die das Verhältnis des Zeitunterschieds zwischen den Ausschaltzeiten zu einer Ausschaltdauer, klein. Der Einfluss der Auswahl der Felder ist bei einer Begebenheit klein, bei der die Wirkung hierauf offensichtlich wird, wenn sie über eine Einschaltdauer oder eine Ausschaltdauer integriert wird. Im Gegensatz hierzu ist das Temperaturanstiegsphänomen, das auftritt, wenn ein übermäßiger Strom fließt, schnell; somit ist die Auswahl der Felder wirkungsvoll, um dem Problem, dass der Umgebungsbereich leicht überhitzt, wenn ein übermäßiger Strom fließt, zu begegnen, obwohl der Zeitunterschied zwischen der Ausschaltzeit, die durch die Übertragung der Ausschaltspannung zu dem zweiten Feld vorverlegt ist, und der Ausschaltzeit, die aus der Übertragung der Ausschaltspannung zu dem ersten Feld resultiert, klein ist.
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7 stellt eine andere Ausführungsform dar, die ein erstes Feld 22A, ein zweites Feld 26A, eine erste Gateleitungsführung 24A, eine zweite Gateleitungsführung 28A und einen Gatebereich 30A umfasst. Mit dieser Halbleitervorrichtung kann ein ähnliches Phänomen zu demjenigen in der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung ebenfalls erreicht werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf einige bestimmte Beispiele ausführlich beschrieben ist, sind diese lediglich zum Zwecke der Darstellung vorgesehen und sie sind nicht dazu vorgesehen, den Umfang der Ansprüche zu beschränken. Die Techniken, die in dem Umfang der Ansprüche beschrieben sind, umfassen verschiedene Änderungen und Modifikationen der bestimmten Beispiele, die obenstehend beschrieben sind.
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Zudem sind die technischen Elemente, die in der vorliegenden Anmeldung oder in den Zeichnungen beschrieben sind, technisch nützlich, wenn diese einzeln oder in verschiedenen Kombinationen verwendet werden, und deren Nutzen ist nicht durch die Kombination, die in den Ansprüchen zur Zeit der Anmeldung beschrieben ist, beschränkt.
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Darüber hinaus lösen die Techniken, die in der vorliegenden Anmeldung oder in den Zeichnungen beschrieben sind, mehr als eine Aufgabe gleichzeitig und sie haben ihren technischen Nutzen, wenn sie eine dieser Aufgaben lösen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gatespannungsanpassungsvorrichtung
- 2
- Anschluss
- 4
- Transistor
- 6
- Transistor
- 8
- cMOS
- 10
- Einschaltwiderstand
- 12
- Ausschaltwiderstand
- 15
- Feldauswahlschaltung
- 16
- Transistor
- 18
- Transistor
- 20
- Anschluss
- 22
- erstes Feld
- 24
- erste Gateleitungsführung
- 26
- zweites Feld
- 28
- zweite Gateleitungsführung
- 30
- Gatebereich
- 32
- Substrat
- 34
- Schutzring
- 36
- Halbleitervorrichtung
- 38
- Emitterelektrode
- 40
- Bereich, in dem zweite Punkte verteilt sind
- 42
- Bereich, in dem erste Punkte verteilt sind
- 44
- Schutzfilm
- 46
- Zeit der Erzeugung eines übermäßigen Stroms
