DE19527486C2 - MOS-Transistor für hohe Leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen MOS-Transistor für hohe Leistung, bestehend aus einer großen Anzahl von parallel­ geschalteten Teiltransistoren.

MOS-Transistoren für hohe Leistung werden dadurch herge­ stellt, daß Teiltransistoren, die jeweils für eine kleinere Leistung ausgelegt sind, parallelgeschaltet werden. Durch die Parallelschaltung der Source-, Drain- und Gate-An­ schlüsse der Teiltransistoren verhält sich der Leistungs- MOS-Transistor in einer Anwendungsschaltung wie ein Bau­ element mit den drei üblichen Anschlüssen, nämlich einem Source-Anschluß, einem Drain-Anschluß und einem Gate- Anschluß. Ein Beispiel für einen solchen Leistungs­ transistoraufbau ist in "POWER MOSFETS" von Duncan A. Grant, S. 139-143, Wiley & Sons, 1989 beschrieben.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie nach diesem Stand der Technik die Parallelschaltung von Teiltransistoren zur Bildung eines Leistungs-MOS-Transistors durchgeführt ist. In dieser Figur sind nur sechs Teiltransistoren T1 bis T6 dargestellt, ob­ wohl ein Leistungs-MOS-Transistor aus einer wesentlich höheren Anzahl von Teiltransistoren zusammengesetzt sein kann. Herstellungsbedingt liegt in der Verbindung zum jeweiligen Gate-Anschluß jeweils ein Widerstand R1 bis R6, der durch den Widerstand des aus polykristallinem Silicium bestehenden Gatematerials gebildet ist. Außerdem ist zwi­ schen dem jeweiligen Gate-Anschluß und dem zugehörigen Source-Anschluß eine Kapazität CGS1 bis CGS6 vorhanden, die in Fig. 2 zur Verdeutlichung dargestellt ist. Wenn an den Gate-Anschluß G eines solchen Leistungs-MOS-Transistors eine Durchlaß-Vorspannung angelegt wird, dann schalten nicht alle Teiltransistoren gleichzeitig in den Durchlaßzustand um, da die Vorspannung durch die von den Widerständen R1 bis R6 und den Kondensatoren CGS1 bis CGS6 gebildete Verzögerungslei­ tung jeweils um eine Zeitkonstante aus dem Gate-Widerstand und der Gate-Source-Kapazität verzögert an die Gate-Elek­ troden der aufeinanderfolgenden Teiltransistoren gelangt, was zur Folge hat, daß die Einschaltflanke des Leistungs- MOS-Transistors abgeflacht wird. Auch das Ausschalten des Leistungs-MOS-Transistors kann nicht mit steiler Flanke durchgeführt werden, sondern es ergibt sich ebenfalls eine abgeflachte Ausschaltflanke. Dieses verzögerte Einschalten und Ausschalten des Leistungs-MOS-Transistors kann zwar in gewissen Anwendungsfällen erwünscht sein, doch stellt es eine Einschränkung dar, die störend ist, wenn steile Ein­ schalt- und Ausschaltflanken erzielt werden sollen. Insbe­ sondere dann, wenn beispielsweise eine von dem Leistungs- MOS-Transistor gesteuerte Last sehr schnell in den strom­ losen Zustand geschaltet werden soll, dann kann ein solches schnelles Ausschalten wegen der erwähnten Verzögerung nicht erreicht werden.

Ein weiterer Nachteil des anhand von Fig. 2 erläuterten Leistungs-MOS-Transistors besteht darin, daß er in seiner Gesamtheit unbrauchbar wird, wenn das Gate-Oxid an einem Transistor durchbricht und einen Kurzschluß erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen MOS- Transistor für hohe Leistung zu schaffen, der schnelle Einschalt- und Abschaltflanken ermöglicht und nicht unbrauchbar wird, wenn es zu einem Gate-Oxid-Durchbruch kommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gate-Elektroden der Teiltransistoren über steuerbare Strom­ quellen einzeln ansteuerbar sind, die so ausgebildet sind, daß sie der jeweils mit ihr verbundenen Gate-Elektrode Strom zuführen oder von dieser Gate-Elektrode Strom ableiten.

Aufgrund dieser einzelnen Ansteuerbarkeit der Gate-Elek­ troden ist es möglich, die das Durchschalten oder Abschalten der Teiltransistoren bewirkenden Vorspannungen gleichzeitig, also verzögerungsfrei, an alle Gate-Elektroden anzulegen, so daß der Leistungs-MOS-Transistor sehr schnell den gewünsch­ ten Zustand (gesperrt oder durchgeschaltet) annimmt. Die einzelne Ansteuerbarkeit der Gate-Elektroden ermöglicht aber auch, die Vorspannungen zur Erzielung eines gewünschten Einschalt- oder Ausschaltverhaltens an die Gate-Elektroden anzulegen, so daß der Transistor geeignet ist, auch in Anwendungsfällen eingesetzt zu werden, in denen bestimmte Einschalt- und Ausschaltflanken erwünscht sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil der Einzeltransistoren eines aus vielen derartigen Transistoren aufgebauten MOS-Transistors für große Leistung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen MOS-Transistor für große Leistung nach dem Stand der Technik, und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen MOS-Transistors.

Der in Fig. 1 dargestellte MOS-Transistor für hohe Leistung besteht aus einer großen Anzahl von Teiltransistoren, von denen aus Platzgründen in Fig. 1 nur die Transistoren T1 bis T6 dargestellt sind. Wie zu erkennen ist, sind die Source- und Drain-Elektroden der Teiltransistoren miteinander ver­ bunden und über einen Source-Anschluß S bzw. einen Drain- Anschluß D zugänglich. Die Gate-Elektroden sind jeweils über ein steuerbares Schaltelement SW1 bis SW6 mit einer gemein­ samen Gate-Leitung GL verbunden, die über den Gate-Anschluß G zugänglich ist. Es sei darauf hingewiesen, daß diese ge­ meinsame Verbindung der Gate-Elektroden über die Schaltele­ mente SW1 bis SW6 nur eine Möglichkeit darstellt, die Gate- Elektroden anzusteuern. Es ist ohne weiteres auch möglich, jeden einzelnen Teiltransistor oder ausgewählte Gruppen von Teiltransistoren einzeln oder gruppenweise durch Anlegen entsprechender Spannungen an die Gate-Elektroden zu steuern.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 können die Teiltransisto­ ren T1 bis T6 durch Anlegen einer entsprechenden Vorspannung an den Gate-Anschluß G nahezu verzögerungsfrei entweder in den leitenden oder in den gesperrten Zustand versetzt wer­ den. Sollte bei einem der Teiltransistoren das Gate-Oxid durchgebrochen sein, dann ist es möglich, mit Hilfe des steuerbaren Schaltelements die Gate-Elektrode dieses Tran­ sistors an ein geeignetes Potential, beispielsweise an Masse, zu legen, das diesen Teiltransistor unwirksam macht, so daß er keinen Einfluß mehr auf das Gesamtverhalten des durch alle Teiltransistoren gebildeten MOS-Transistors hat. Beim Teiltransistor T2 ist angenommen, daß er einen Gate- Oxid-Durchbruch aufweist; das Schaltelement SW2 ist daher so umgeschaltet, daß Masse an die Gate-Elektrode angelegt wird.

Eine weitere Ausführungsform des zu beschreibenden MOS- Transistors für hohe Leistung ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei wird der Einfachheit halber angenommen, daß der MOS- Leistungstransistor aus fünf Teiltransistoren T1 bis T5 besteht und dazu verwendet wird, den durch einen Verbraucher 10 fließenden Strom zu steuern. Durch die in Fig. 3 darge­ stellte Verbindung zwischen der Gate-Elektrode des Tran­ sistors T2 und der gemeinsamen Source-Leitung ist angegeben, daß bei diesem Teiltransistor T2 ein Durchbruch des Gate- Oxids vorhanden ist.

Die Ansteuerung der Gate-Elektroden der Teiltransistoren erfolgt im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 über steuerbare Stromquellen SQ1 bis SQ5. Je nachdem von einer Ansteuer­ schaltung 12 gelieferten Steuersignal führen diese Strom­ quellen SQ1 bis SQ5 den Gate-Elektroden Strom zu oder leiten Strom von diesen Gate-Elektroden ab.

Wie dem Fachmann bekannt ist, handelt es sich bei Stromquel­ len um Elemente mit sehr hohem Innenwiderstand, so daß im Ansteuerweg der Gate-Elektroden Elemente mit hoher Impedanz vorhanden sind. Wegen dieser hochohmigen Ansteuerung der Gate-Elektroden bleibt ein Durchbruch des Gate-Oxids, der zu einem Kurzschluß zwischen der Gate-Elektrode und der Source- Leitung führt, ohne nachteilige Auswirkung auf das Gesamt­ verhalten des MOS-Leistungstransistors. Der Kurzschluß hat lediglich eine geringfügige Herabsetzung des Durchlaßwider­ standes des MOS-Transistors zur Folge, beispielsweise um 1%, wenn der MOS-Leistungstransistor aus insgesamt 100 Teiltransistoren zusammengesetzt ist.

Dieses vorteilhafte Verhalten hat günstige Auswirkungen auf die Ausbeute bei der Herstellung der MOS-Leistungstran­ sistoren, da selbst bei Ausfall eines oder mehrerer Teil­ transistoren der hergestellte MOS-Transistor immer noch für die meisten Anwendungszwecke eingesetzt werden kann. Auch wenn im Verlauf des Betriebs ein Durchbruch des Gate-Oxids eintritt, wird der MOS-Transistor nicht sofort unbrauchbar, sondern kann weiterhin seine Steuerfunktionen ausüben.

Für den Fachmann ist erkennbar, daß zur Steuerung der Tran­ sistoren T1 bis T5 die Stromquellen so ausgebildet sein müssen, daß sie den Gate-Elektroden Strom zuführen können und auch von diesen Gate-Elektroden Strom ableiten können.

Die Stromzuführung und Stromableitung kann über eine in Fig. 3 nicht dargestellte Ladungspumpe erfolgen, die mit dem gemeinsamen Anschluß aller Stromquellen SQ1 bis SQ5 verbun­ den ist. Der Aufbau einer solchen Ladungspumpe und der Auf­ bau von geeigneten Stromquellen sind dem Fachmann bekannt und bedürfen hier keiner näheren Erläuterung.

Claims (2)

1. MOS-Transistor für hohe Leistung, bestehend aus einer großen Anzahl von parallelgeschalteten Teiltransistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektroden der Teiltransistoren über steuerbare Stromquellen einzeln ansteuerbar sind, die so ausgebildet sind, daß sie der jeweils mit ihr verbundenen Gate-Elektrode Strom zuführen oder von dieser Gate-Elektrode Strom ableiten können.

2. MOS-Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen über eine gemeinsame Ansteuerleitung gemeinsam oder über getrennte Steueranschlüsse getrennt voneinander steuerbar sind.