DE19823768A1 - Smartpower-Bauelement - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Leistungsbauelement vorgeschlagen, das zum sicheren Schalten von induktiven Lasten dient und ein Stromerfassungselement zur Erfassung des Stroms durch die induktive Last aufweist. Das Bauelement umfaßt ein Schutzelement, das mit den Sourceanschlüssen des Senseelements und des Stellglieds verbunden ist. Das Schutzelement dient zum Schutz vor parasitären Effekten zwischen dem Senseelement und dem Stellglied.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Leistungsbauelement nach
der Gattung des Hauptanspruches. Leistungsbauelemente mit
einem Stellglied, dem ein Meßelement benachbart ist, sind in
Form von Sensefet-Transistoren bereits bekannt.
Das erfindungsgemäße Leistungsbauelement mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem
gegenüber den Vorteil, einen sicheren und zuverlässigen
Betrieb auch bei hohen Strömen durch das Stellglied zu
gewährleisten sowie einen Schutz vor Ausfallgefahr zu
bieten.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen
Leistungsbauelements möglich. Insbesondere bei Smartpower-
Bauelementen wie Sensefet-Transistoren (beispielsweise in
DMOS-Ausführung) oder bei IGBT-Transistoren mit integriertem
Senseelement wird ein sicherer Schutz vor Überspannung und
Durchbrüchen zwischen Sensezelle und benachbarter DMOS-Zelle
gewährleistet. Insbesondere in der Anwendung als
Highsideschalter sind kritische Betriebsbedingungen wie
beispielsweise Masse- und/oder Batterieabriß, ISO-Pulse
(Störpulse aus dem Versorgungsnetz) oder bei induktiven
Lasten bzw. Kabelinduktivitäten ohne Ausfallgefahr des
Leistungsbauelements überstehbar. Darüber hinaus erweist es
sich als vorteilhaft, daß im Normalbetrieb keine
Beeinträchtigung der Stromerfassung durch das Senseelement
in Folge des vorgesehenen Mittels erfolgt. Darüber hinaus
ist die Anordnung monolithisch integrierbar.
Verhindert das Mittel ein Aktivieren vorhandener parasitärer
Bipolar-Transistoren beispielsweise durch Verhindern des
Aufschwemmens des Basispotentials, so wird sicher die Gefahr
eines zweiten Durchbruchs mit folgender Aufschmelzung
abgewendet.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den in den weiteren
Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Sensefet-Transistor in
Querschnittsseitenansicht,
Fig. 2 ein erstes
Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 ein zweites
Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel
und
Fig. 5 ein viertes und ein fünftes Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt einen Transistor mit Senseelement in
Querschnittsseitenansicht. Auf einem p-dotierten Substrat 1
ist eine schwach n-dotierte Halbleiterschicht 2 angeordnet.
In die Halbleiterschicht 2 sind schwach p-dotierte Gebiete 3
angeordnet, die voneinander durch Bereiche der
Halbleiterschicht 2 getrennt sind. In der Mitte der Gebiete
3 ist jeweils ein stark p-dotiertes Gebiet 4 angeordnet, das
von der Oberfläche des Halbleiterbauelements bis in eine
Tiefe reicht, in der das Gebiet 4 jeweils direkt mit der
Halbleiterschicht 2 in Kontakt steht. In die stark
p-dotierten Gebiete 4 sind stark n-dotierte Gebiete 5
randständig eingebracht, die am Rand der stark p-dotierten
Gebiete 4 jeweils etwas in das schwach p-dotierte Gebiet 3
hineinragen. Ebenfalls in die Halbleiterschicht 2
eingebracht ist ein schwach p-dotiertes Gebiet 30, analog
zum Gebiet 5. Analog zum Gebiet 4 ist in das schwach
p-dotierte Gebiet 30 ein stark p-dotiertes Gebiet 40
eingebracht; analog zu den stark n-dotierten Gebieten 5 sind
in das stark p-dotierte Gebiet 40 stark n-dotierte Gebiet 29
eingebracht. Oberhalb der Bereiche der Halbleiterschicht 2,
die bis an die Oberfläche des Halbleiterbauelements ragen,
sind, durch eine Isolatorschicht von der
Halbleiteroberfläche isoliert, Gateelektroden 6 angeordnet.
Die Gateelektroden 6 sind miteinander elektrisch verbunden
und über den Gateanschluß 11 elektrisch kontaktierbar. Die
stark n-dotierten Gebiete 5 und die stark p-dotierten
Gebiete 4 sind miteinander elektrisch verbunden und
gemeinsam über den Source-/Lastanschluß 10 elektrisch
kontaktierbar. Die Gebiete 40 und 29 sind ebenfalls
elektrisch miteinander verbunden und über den Senseanschluß
12 elektrisch kontaktierbar. In der Fig. 1 sind
Oxidschichten und erforderliche Metallisierungen auf der
Oberfläche des Halbleiterbauelements aus Gründen der
Einfachheit der Darstellung nicht eingezeichnet. Ist das
Bauelement nach Fig. 1 als DMOS-Leistungstransistor
ausgebildet, so ist beispielsweise noch ein stark n-dotiertes Draingebiet in die schwach n-dotierte
Halbleiterschicht 2 eingebracht. Dieses Draingebiet ist in
Fig. 1 nicht eingezeichnet. Dieses Draingebiet ist über
einen ebenfalls nicht eingezeichneten vorderseitigen
Drainanschluß elektrisch kontaktierbar und stellt neben dem
Lastanschluß 10, dem Gateanschluß 11 und dem Senseanschluß
12 den vierten Anschluß eines Sensefet-Transistors dar.
Das p-Gebiet 3, das p-Gebiet 30 und der zwischen diesen
beiden p-Gebieten liegende Bereich der Halbleiterschicht 2
bildet einen parasitären PMOS-Transistor. Dieser parasitäre
PMOS-Transistor hat bei einem Gatepotential, das niedriger
ist als das Potential am Senseanschluß 12, eine
Schwellenspannung zwischen Sourceanschluß 10 und
Senseanschluß 12, die beispielsweise 4 Volt beträgt. Liegt
dann das Gebiet 30, das das Sourcegebiet des parasitären
PMOS-Transistors darstellt, auf einen Potential, das
mindestens 4 Volt über dem Potential des p-Gebiets 3 liegt,
so wird in der Halbleiterschicht 2 ein parasitärer p-Kanal
aktiviert. Der parasitäre PMOS-Transistor schiebt Strom in
das Gebiet 3 der benachbarten DMOS-Zelle, die zugleich als
Basis eines vertikalen npn-Bipolar-Transistors wirkt. Dieser
parasitäre npn-Transistor wird durch die Gebiete 5, 3/4 und
die Halbleiterschicht 2 gebildet. Im normalen
Betriebszustand ist ein Durchschalten dieses parasitären
npn-Bipolar-Transistors durch einen Kurzschluß zwischen dem
stark n-dotierten Gebiet 5 und stark p-dotierten Gebiet 4
wirkungsvoll unterdrückt. Der Strom des parasitären PMOS-
Transistors läßt das Basisgebiet des parasitären Bipolar-
Transistors aber im Potential aufschwemmen, so daß der
npn-Bipolar-Transistor aktiviert wird und die Gefahr eines
zweiten Durchbruchs mit Aufschmelzung besteht.
Fig. 2 zeigt einen Sensefet-Transistor 41, 42 mit einem
Senseelement 41 und einem Stellglied 42, das beispielsweise
in DMOS-Technik ausgeführt ist. Die Gate-Elektroden von
Senseelement 41 und Stellglied 42 sind mit einer
Ansteuerschaltung 47 verbunden, die ihrerseits zur
Energieversorgung mit dem Masseanschluß 45 einerseits und
mit der Spannungsversorgung 46 andererseits verbunden ist.
Die Spannungsversorgung 46 ist ebenfalls mit den
Drainanschlüssen von Senseelement und Stellglied verbunden.
Zwischen Masse 45 und dem Sourceanschluß des Senseelements
41 ist eine Auswerteschaltung 49 geschaltet. Zwischen dem
Sourceanschluß 10 des Stellglieds 42 und Masse 45 ist eine
induktive Last 50 angeschlossen. Zwischen dem Sourceanschluß
10 des Stellglieds 42 und dem Sourceanschluß des
Senseelements 41 ist eine Schutzdiode 48 geschaltet, wobei
der Minuspol der Schutzdiode mit dem Sourceanschluß 10 des
Stellglieds 42 verbunden ist.
Die (extern ansteuerbare) Ansteuerschaltung 47 regelt den
Strom durch das Stellglied 42. Die Auswerteschaltung 49
wertet den Strom durch das Senseelement 41 aus, das als
Stromerfassungselement dient. Die Auswerteschaltung 49 ist
je nach Anwendung mit anderen elektronischen Schaltungen
oder mit der Ansteuerschaltung 47 verbunden, um die
Information über die Größe des Laststroms durch das
Stellglied 42 den anderen Schaltungsteilen bzw. der
Ansteuerschaltung 47 zur Verfügung zu stellen. Erfolgt an
der induktiven Last 50 ein Masseabriß oder ein Abriß der
Spannungsversorgung, so wird aufgrund der magnetischen
Induktion das Potential des Sourceanschlusses 10 negativ.
Dadurch wird die Schutzdiode 48 in den leitenden Zustand
versetzt, wodurch garantiert wird, daß der Sourceanschluß
des Senseelements 41 ein Potential hat, das lediglich eine
Flußspannung über dem Potential des Sourceanschlusses 10
liegt. Dadurch wird wirksam ein Aktivieren des parasitären
PMOS-Transistors unterdrückt. Im Normalbetrieb läßt die
Diode hingegen die Funktion des Senseelements 41
unbeeinflußt, da im Normalbetrieb das Schutzelement 48 in
Sperrichtung geschaltet ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem
gleiche Bestandteile mit gleichem Bezugszeichen wie in Fig.
2 bezeichnet sind und nicht nochmals beschrieben werden.
Statt der Schutzdiode 48 in Fig. 2 ist ein PMOS-Transistor
480 mit den Sourceanschlüssen von Senseelement 41 und
Stellglied 42 verbunden, wobei der Transistor als Diode
geschaltet ist derart, daß bei negativem Potential des
Sourceanschlusses 10 des Stellglieds 42 der PMOS-Transistor
durchschaltet.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem
anstelle eines Schutzelementes 48 eine Schutzbeschaltung 490
angeordnet ist. Diese Schutzbeschaltung 490 weist einen
NMOS-Transistor 62, einen ersten Widerstand 63 und einen
zweiten Widerstand 64 auf. Der erste Widerstand 63 ist mit
dem Sourceanschluß des Stellglieds 42 verbunden. Der erste
Widerstand 63 ist ferner mit dem zweiten Widerstand 64
verbunden. Der zweite Widerstand 64 ist mit Masse 45
verbunden. Erster wie zweiter Widerstand sind an der
Gateelektrode des NMOS-Transistors 62 angeschlossen. Der
Sourceanschluß des Transistors 62 ist mit dem Sourceanschluß
20 des Stellglieds 42 verbunden. Der Drainanschluß des
Transistors 62 ist mit dem Sourceanschluß des Senseelements
41 verbunden.
Der NMOS-Transistor 62 schaltet bei negativem
Sourcepotential des Stellglieds 42 durch. Der Betrag des
negativen Potentials, bei dem der NMOS-Transistor 62
durchschaltet, kann über die Widerstandswerte des ersten
Widerstands 63 und des zweiten Widerstands 64 eingestellt
werden.
Fig. 5a zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines
Bauelements nach Fig. 1 mit einer integrierten Schutz
diode 48. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 werden hier nicht
nochmals beschrieben. Die Schutzdiode 48 weist ein in die
Halbleiterschicht 2 eingebrachtes schwach p-dotiertes Gebiet
72 auf, in das wiederum, umgeben vom p-dotierten Gebiet 72,
ein stark p-dotiertes Gebiet 71 eingebracht ist. In das
stark p-dotierte Gebiet 71 wiederum ist ein stark
n-dotiertes Gebiet 70 eingebracht. Das stark n-dotierte Gebiet
70 ist elektrisch mit dem Sourceanschluß 10 verbunden, das
stark p-dotierte Gebiet 71 ist mit den Senseanschluß 12
verbunden. Ebenso wie in Fig. 1 sind elektrische
Isolationsschichten sowie Metallisierungen in der Zeichnung
zur vereinfachten Darstellung weggelassen. Dadurch erklärt
sich auch beispielsweise die Stufe der rechten der drei
dargestellten Gateelektroden 6, die mit einer
Isolationsschicht unterlegt ist. Fig. 5b zeigt ein
Leistungsbauelement nach Fig. 1 mit einem als PMOS-Tran
sistor ausgestalteten Schutzelement 480. Das
Schutzelement 480, das in Nachbarschaft zum Senseelement
angeordnet ist, weist zwei in die Halbleiterschicht 2
eingebrachte schwach p-dotierte Gebiete 76 und 78 auf, in
die wiederum stark p-dotierte Gebiete 77 und 78 eingebracht
sind, die die p-dotierten Gebiete 76 bzw. 79 vollständig
durchdringen und direkt mit der Halbleiterschicht 2 in
Kontakt stehen. Die Gateelektrode 75 des Schutzelements 480
ist mit dem Sourceanschluß 10 verbunden, das stark
p-dotierte Gebiet 77 ist mit dem Senseanschluß 12 verbunden,
und das stark p-dotierte Gebiet 79 ist ebenfalls wie die
Gateelektrode 75 mit dem Sourceanschluß 10 verbunden.
Fig. 5a und b stellen einfache Realisierungen der
Schaltungen nach Fig. 2 bzw. 3 dar. Zur Realisierung der
Schutzelemente 48 bzw. 480 ist kein wesentlicher
zusätzlicher Aufwand erforderlich, da die Gebiete 71, 72,
76, 77, 78 und 79 zusammen mit den für das Stellglied und
das Senseelement erforderlichen Halbleitergebieten
hergestellt werden können. Die Schutzelemente 48 und 480
sind natürlich ebenfalls bei rückseitig kontaktierten, d. h.
vertikalen Leistungsbauelementen oder auch IGBT-Bauelementen
einsetzbar.
Claims (12)
1. Leistungsbauelement mit einem Stellglied (42) und einem
benachbarten Meßelement (41), mit einem ersten Anschluß (10) für
das Stellglied und einem zweiten Anschluß (12) für das
Meßelement, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und
dem zweiten Anschluß ein Mittel (48; 480; 490) zum Schutz vor
parasitären Strömen zwischen dem Stellglied und dem Meßelement
geschaltet ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
eine Halbleiterschicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps
aufweist, in der ein erstes (3,4) und ein zweites Gebiet (30,40)
eines zweiten Leitfähigkeitstyps eingebettet sind, wobei das
erste und das zweite Gebiet nebeneinander und voneinander
getrennt angeordnet sind und jeweils mindestens ein drittes (5)
beziehungsweise viertes Gebiet (29) des ersten
Leitfähigkeitstyps in das erste beziehungsweise zweite Gebiet
eingebettet ist, wobei das erste Gebiet (3, 4) mit dem ersten
Anschluß (10) und das zweite Gebiet (30, 40) mit dem zweiten
Anschluß (12) verbunden ist, wobei das erste Gebiet, das zweite
Gebiet und der zwischen dem ersten und dem zweiten Gebiet
liegende Bereich der Halbleiterschicht (2) einen parasitären
MOS-Transistor bildet, und daß das Mittel ein Erreichen eines
Schwellwerts einer zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß
anliegenden Spannung, das zu einer Aktivierung des parasitären
MOS-Transistors führen würde, verhindert.
3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
erste (3,4) und das dritte (5) Gebiet und die Halbleiterschicht
(2) einen parasitären Bipolartransistor bilden, wobei das erste
Gebiet mit dem dritten Gebiet kurzgeschlossen ist und die Basis
des parasitären Bipolartransistors bildet, und daß das Mittel
ein Aktivieren des parasitären Bipolartransistors unterbindet.
4. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Schutzelement gesperrt ist, solange der Schwellwert
nicht erreicht ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel eine Diode aufweist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel einen als Diode geschalteten
MOS-Transistor aufweist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel eine Schutzschaltung mit
mindestens einem Widerstand aufweist, wobei durch die Wahl des
Widerstandswerts die Bedingung an die Spannung zwischen dem
ersten und dem zweiten
Anschluß zur Aktivierung der Schutzschaltung einstellbar ist.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es als MOS-Bauelement ausgebildet ist.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß es als IGBT-Bauelement ausgebildet ist.
10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel monolithisch mit dem Stellglied
und dem Meßelement integriert ist.
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es ohne Ausfallgefahr zum Schalten einer
induktiven Last, insbesondere als Highside-Schalter, einsetzbar
ist.
12. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Mittel einen ungestörten Betrieb des
Meßelements gewährleistet, solange es nicht aktiviert ist.
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