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Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren
zum Ermitteln einer Betriebstemperatur eines Halbleiterbauelements,
das ein Halbleitersubstrat mit mehreren unterschiedlich dotierten
Bereichen umfaßt,
die für
die Funktion des Halbleiterbauelements erforderlich sind. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen von Wärmewiderständen von integrierten
Leistungstransistoren.
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Mit integrierten Leistungstransistoren
wie z.B. DMOS- Transistoren und Smart-Power-FETs kann eine große elektrische
Leistung mit einer typischen Spannung von 12 V und einem Schaltstrom von
10 A geschaltet werden. Hierdurch fällt in dem Bauelement eine
große
elektrische Verlustleistung an, die u.U. zur Zerstörung des
Bauelements führen kann.
Dabei wird die Temperatur im Bauelement durch thermische Impedanzen
des Halbleiter-Chips, des Gehäuses
etc. bestimmt. Für
Abschätzungen, die
in das Design der Leistungsschaltung eingehen, ist daher eine Bestimmung
der thermischen Widerstände
und Kapazitäten
notwendig. Treten darüber hinaus
im Betrieb zu hohe Temperaturen in dem Bauelement auf, so muß eine Schutzschaltung
das Bauelement abschalten (Übertemperaturerkennung).
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Bisher werden diese Probleme dadurch
gelöst,
daß in
das Zellenfeld des Leistungstransistors eine Diode integriert wird.
In diese Diode wird ein Strom eingeprägt, und die abfallende Spannung,
also typisch 0,7 V bei einer Si-Diode, wird gemessen. Der Temperaturgang
der Spannung liegt für
Si typischerweise bei 1 – 2
mV/°C. Die
Temperaturmessung erfolgt bei diesem Stand der Technik in Abhängigkeit von
der eingespeisten Leistung. Ein Nachteil dieses Meßverfahrens
besteht jedoch darin, daß separate Komponenten
bzw. Teststrukturen aufgebaut bzw. in dem Bauelement integriert
werden müssen,
was einen erhöhten
Platzbedarf im Bauelement zur Folge hat.
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Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Temperatur
des Bauelements über
optische Verfahren zu messen (Infrarot- Kamera, Mikrofluoreszenzthermographie).
Neben dem materiellen Aufwand haben diese Verfahren den Nachteil,
daß ihre
Durchführung
vergleichsweise zeitaufwendig sind.
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Weitere Verfahren zur Ermittlung
der Temperatur eines Halbleiterbauelements mittels Dioden sind beispielsweise
aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 36, no. 08, August 1993,
Seiten 489 bis 491 oder der
DE 196 52 046 A1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren mit dem eine Temperaturmessung in einem Bauelement kontinuierlich
ohne zusätzlichen schaltungstechnischen
Aufwand schnell und zuverlässig
möglich
ist, sowie seine Verwendung zur Bestimmung der thermischen Impedanz
eines Bauelements anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem
Verfahren nach Anspruch 1 sowie der Verwendung nach Anspruch 3.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
daß bereits
vorhandene, nicht genutzte Halbleiterübergänge für die Temperaturmessung genutzt
werden können.
So kann z.B. die durch den Drain-Substrat-Übergang gebildete Diode eines
DMOS-Transistors zur Bestimmung der Chiptemperatur herangezogen
werden. Dabei wird die Diode in Sperrichtung betrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln
einer Betriebstemperatur eines Halbleiterbauelements, das ein Halbleitersubstrat
mit mehreren unterschiedlich dotierten Bereichen umfaßt, die
für die
Funktion des Halbleiterbauelements erforderlich sind, ist gekennzeichnet
durch Erfassen eines Sperrstromes durch einen in Sperrichtung betriebenen Halbleiterübergang
zwischen zwei der unterschiedlich dotierten Bereiche und Ermitteln
der Betriebstemperatur des Halbleiters in Abhängigkeit von dem erfaßten Sperrstrom.
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Insbesondere kann die thermische
Impedanz von Halbleiterbauelementen bestimmt werden, indem die elektrischen
Leistung des Halbleiterbauelements erfaßt wird, die erfaßte elektrischen
Leistung mit der Betriebstemperatur verglichen wird und aus dem
Vergleichsergebnis die thermische Impedanz des Bauelements ermittelt
wird.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Ausnutzung von Si-Strukturen auf demselben Chip, auf dem
die Temperatur überwacht
werden soll und damit aufgrund der physikalischen Eigenschaften
von Halbleitern eine hervorragende thermische Kopplung zwischen
Meßobjekt
und Sensor besteht. Ferner ist die Messung ohne einen eigentlichen,
separaten Sensor durchführbar,
so daß kein
zusätzlicher
Platz auf dem Chip verbraucht wird und das erfindungsgemäße Verfahren
ohne weiteres an "normalen" Transistoren durchgeführt werden kann.
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Wenn das Verfahren im Labor zu Testzwecken
angewendet wird, so ist es ein weiterer Vorteil des Verfahrens,
daß bei
Messungen zu Testzwecken die üblichen
Spitzenmeßplätze mit
nur 4 Strom-Spannungsquellen verwendet werden können. Dabei können auch
die thermischen Widerstände
und Kapazitäten
von dem gesamten Systems aus Chip, Gehäuse etc. erfaßt werden,
da das Gehäuse nicht
geöffnet
werden muß.
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Darüber hinaus kann die Erfindung
unmittelbar und ohne großen
Mehraufwand für
die Übertemperaturerkennung
in Bauelementen wie Hochstromschaltern Anwendung finden, ohne daß das Design der
Bauelemente geändert
werden muß.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung, wobei bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen.
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1 zeigt
einen integrierten DMOS-Transistor, auf den das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet werden kann.
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2 zeigt
einen p+-Bahnwiderstand in einem n-Substrat,
auf den das Verfahren angewendet werden kann.
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3 zeigt
einen bipolaren Transistor, auf den das erfindungsgemäße Verfahren
angewendet werden kann.
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4 zeigt
schematisch ein Meßergebnis des
Substratstroms, der die Temperatur gegenüber der Verlustleistung angibt.
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Der in 1 dargestellte
DMOS-Transistor hat auf einem n+-Substrat 1 eine
n–-Schicht 2.
An deren Oberfläche
sind mehrere p–-Wannen 3 angeordnet,
die einen Kanal zwischen einer Source 4 und der n–-Schicht 2 definieren.
Die Ladungsträger
wandern durch diesen Kanal, die n–-Schicht 2 und
das Substrat 1 zu einem Drain 6 auf der Rückseite
des Substrats 1. Die Source 4 umfaßt zwei
n+-Dotierungen 5 in der p–-Wanne 3.
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Bei integrierten DMOS-Transistoren
ist die obige Schichtfolge auf einem p-Substrat 8 aufgebracht,
und der Drainanschluß 6 ist über eine
n+-Verbindung 9 seitlich von dem
DMOS- Transistor auf die Vorderseite, d.h. neben Source 4 und
Gate 7 gelegt. Der Übergang
von p-Substrat 8 und Drain 6 wird in Sperrichtung
betrieben, damit über
diesen Halbleiterübergang
kein unerwünschter
Strom fließt.
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Im Betrieb des DMOS-Transistors wird
durch die Ladungsträger
Wärme erzeugt,
insbesondere im Bereich des Kanals. Die Wärme verteilt sich in dem gesamten
Bauelement über
das Kristallgitter des Halbleiters. Ist daher ein Wärmesensor
für mehrere DMOS-Transistoren
an einer Seite des Chips, auf dem sich die DMOS-Transistoren befinden,
angeordnet, so kann es sein, daß er
sich in relativ großem
Abstand von dem DMOS-Transistor befindet, dessen Betriebstemperatur
gefährlich
ansteigt. Damit kann der unzulässige
Anstieg der Temperatur eines der DMOS-Elemente auf dem Chip u.U. zu spät erkannt werden.
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Erfindungsgemäß wird der Halbleiterübergang
zwischen dem p-Substrat 8 und
dem Drainanschluß 6 zur
Bestimmung der Temperatur des Bauelements genutzt. Das hat den Vorteil,
daß der "Sensor" sich direkt unter
dem Kanal also unter der gefährdeten
Zone des DMOS-Transistors befindet und damit ein Ansteigen der Betriebstemperatur
eines DMOS-Transistors schnell erkannt wird. Dazu wird der Strom,
der durch den Halbleiterübergang
zwischen den unterschiedlich dotierten Bereichen fließt, gemessen.
Dieser "Sperrstrom" ist sehr klein,
verdoppelt sich aber mit jeder Temperaturerhöhung um 10°C, so daß sich der Sperrstrom bei einem
Temperaturanstieg von 100°C
etwa um den Faktor Tausend erhöht
hat.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Bestimmen der Betriebstemperatur eines Leistungshalbleiters
wird also bei einem DMOS-Transistor der Strom erfaßt, der
durch den Übergang
zwischen den unterschiedlich dotierten Bereichen fließt. Überschreitet
der Strom einen vorgegebenen Grenzwert, so bedeutet dies, daß die Umgebungstemperatur
des Übergangs
zwischen den unterschiedlich dotierten Bereichen zu hoch ist, und
es können
geeignete Gegenmaßnahmen
ergriffen werden.
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In einem anderen, in 2 dargestellten Bauelement, bei dem ein
(niederohmiger) Bahnwiderstand 11 in einem Substrat 10 des
Halbleiterbauelements vorgesehen ist, wird ebenfalls der vorhandene,
in Sperrichtung betriebene Halbleiterübergang zwischen dem Widerstand 11 und
dem Substrat 10 für
die Temperaturmessung genutzt. Ist der Widerstand 11 z.B.
in Form eines n+-dotierten Bereichs realisiert
und das Substrat 10 p-dotiert,
so wird der Sperrstrom zwischen dem Widerstand 11 und dem Substrat 10 erfaßt und aus
diesem wie oben bei dem DMOS- Transistor beschrieben die Temperatur
des Halbleiters, also insbesondere in dem Widerstand 11 selbst
ermittelt.
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Eine weitere Anwendung der Erfindung
bei einem bipolaren Leistungstransistor ist in 3 dargestellt. Bei dem bipolaren Leistungstransistor
befindet sich an einer ersten Oberfläche eines n–-dotierten Substrats 12 eine
p-Basiswanne 13 mit darin eingebettetem n+-Emitter 14.
Den Kollektor des Transistors bildet eine n+-Schicht 15 gegenüber der
ersten Oberfläche
des Substrats. Dieser Aufbau ist auf einem p-Substrat 17 angeordnet,
wobei der Kollektoranschluß seitlich
neben dem Transistor über
eine n+-Verbindung 16 an die Oberfläche des
Bipolartransistors geführt
wird. Dadurch sind einzelne Transistoren auf einem Chip unabhängig voneinander
anschließbar.
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Wie bei dem oben beschriebenen DMOS-Transistor
wird der Übergang
zwischen dem n+-Kollektor 15 und
dem p-Substrat 17 in Sperrichtung betrieben, um möglichst
geringe Leistungsverluste zu haben. Erfindungsgemäß wird der
Sperrstrom durch diesen pn-Übergang
erfaßt
und zur Bestimmung der Betriebstemperatur des bipolaren Leistungstransistors
herangezogen.
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In 4 ist
eine Messung des Substratstroms gegenüber der Temperatur bei einem pn-Übergang
in Sperrichtung gezeigt. Der μlogarithmisch
dargestellte Substratstrom ist z.B. der Strom, der durch den pn-Übergang
des DMOS-Transistors nach 1 vom
Drain 6 in das Substrat 8 fließt. Wie aus der 4 ersichtlich hat (abhängig von
der Verlustleistung des Bauelements) der Strom bei 100°C Betriebstemperatur
eine Größenordnung
von etwa 0,1 nA. Mit steigender Temperatur erreicht der Substratstrom
bei etwa 200°C
in dem dargestellten Beispiel einen Wert von etwa 1 μA. Mit anderen
Worten, der Temperaturverlauf eines Bauelements ist mit dem erfindgunsgemäßen Verfahren
sehr genau zu messen, die Auflösung
des Verfahrens ist insbesondere über
120°C sehr
hoch. Somit ist auch ein zuverlässiger
Schutz des Bauelements vor einer Überhitzung möglich, da
man rechtzeitig und genau über
die aktuelle Betriebstemperatur des Bauelements informiert ist und
entsprechende Schutzschaltkreise aktivieren kann oder das gefährdete Bauelements
abschalten kann.
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Ferner ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch thermische Impedanzen von Bauelementsystemen von Lei stungshalbleitern
etc. zu messen. Dazu wendet man das Verfahren bei einem Leistungshalbleiter
in seinem Gehäuse
an. Mit der Messung des Sperrstroms hat man, wie oben erläutert wurde,
eine genaue Information über
die Betriebstemperatur unmittelbar an dem Halbleitersubstrat. Da
die durch den Leistungshalbleiter erzeugte Wärme über das Gehäuse des Leistungshalbleiters nach
außen
abgegeben wird, muß das
Gehäuse
so ausgelegt werden, daß es
einen möglichst
geringen Wärmewiderstand
hat. Dazu müssen
u.U. mehrere Materialien oder Gehäuse-Designs erprobt werden und
ihr jeweiliger Wärmewiderstand
ermittelt werden. Dies kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sehr einfach dadurch erfolgen, daß man einerseits mit dem Verfahren
die Temperatur direkt an dem Halbleitersubstrat erfaßt und andererseits
die elektrische Leistung des Bauelements mißt. Aufgrund des Wertes des
Verhältnisses
der elektrischen Leistung zur Temperatur des Halbleiters erhält man ohne
großen
schaltungstechnischen Aufwand und sehr präzise eine zuverlässige Angabe über die thermische
Impedanz des Gehäuses.
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- 1
- n+-Substrat
- 2
- n–-Schicht
- 3
- p–-Wanne
- 4
- Source
- 5
- n+-Dotierung
- 6
- Drain
- 7
- Gate
- 8
- p-Substrat
- 9
- n+-Verbindung
- 10
- Substrat
- 11
- Bahnwiderstand
- 12
- n–-dotiertes
Substrat
- 13
- p-Basiswanne
- 14
- n+-Emitter
- 15
- n+-Schicht
- 16
- n+-Verbindung
- 17
- p-Substrat