DE4429903A1 - Leistungs-Halbleiterbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Leistungs-MOSFET′s und insbe­ sondere auf einen MOSFET, bei dem auf dem gleichen Halbleiter­ plättchen neuartige Übertemperatur- und Überstrom-Schutzschal­ tungen integriert sind.

Leistungs-MOSFET′s (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttran­ sistoren) sind in der Technik gut bekannt. Ein besonders gut bekannter Leistungs-MOSFET wird von der Firma International Rectifier Corporation unter dem Warenzeichen "HEXFET" vertrie­ ben. Derartige Leistungs-MOSFET′s sind in der Lage, elektrische Leistung mit zumindestens ungefähr 1 Watt zu verarbeiten, und sie können dadurch ein- und ausgeschaltet werden, daß ein Niederspannungs-Steuersignal zwischen den Gate- und Source- Elektroden des Bauteils angelegt wird. Diese MOSFET′s sind in verschiedenen Gehäuseformen angeordnet, beispielsweise in einem TO-220-Gehäuse, das typischerweise drei Anschlüsse, nämlich Gate, Source und Drain, für die Verbindung mit einer elektrischen Schaltung aufweist.

Es ist bekannt, daß es wünschenswert ist, einen Leistungs-MOSFET abzuschalten oder die Schaltung, in der dieser angeordnet ist, auf andere Weise zu steuern, wenn der Stromfluß zwischen den Source- und Drain-Elektroden einen bestimmten Wert übersteigt, beispielsweise den fünffachen Nennstrom, oder wenn die Temperatur einen bestimmten Wert übersteigt, beispielsweise 150°C. Einige bekannte Bauelemente bewirken ein Abschalten eines Leistungs-MOSFET′s sowohl in Abhängigkeit von hohen Strömen als auch hohen Temperaturen, während andere nur auf einen dieser Zustände ansprechen.

Beispielsweise verwendet ein bekanntes Bauelement ein kleines bipolares Thyristor-Halbleiterplättchen, das mit dem Leistungs- MOSFET-Halbleiterplättchen verklebt ist und durchgeschaltet wird, um die MOSFET-Gate-Elektrode mit der MOSFET-Source-Elek­ trode zu verbinden, wenn die Temperatur des MOSFET-Halbleiter­ plättchens einen vorgegebenen Wert übersteigt. Dieses Bauelement weist jedoch eine zu lange thermische Zeitkonstante auf, um einen Kurzschlußschutz zu bieten.

Ein weiteres bekanntes Bauelement verwendet ein kleines Bipolar­ transistor-Halbleiterplättchen mit Emitter- und Kollektor- Elektroden, die zwischen den Leistungs-MOSFET-Gate- und Source- Anschlüssen eingeschaltet sind. Der Basis-Emitter-Kreis des bipolaren Transistors ist längs eines Spannungsabfall-Wider­ standes in dem Leistungs-MOSFET-Sourcekreis angeschaltet, so daß der bipolare Transistor unter Kurzschlußbedingungen durch­ schaltet, um die Leistungs-MOSFET-Gate- und Source-Elektroden kurzzuschließen und den Strom zu begrenzen. Wenn jedoch der Leistungs-MOSFET einem hohen Strom ausgesetzt ist, der kleiner als der Kurzschlußstrom ist, so verringert der bipolare Steuertransistor lediglich die Ansteuerung an den Leistungs- MOSFET, so daß eine sehr hohe Verlustleistung und eine mögliche Zerstörung des Bauelementes hervorgerufen wird. Weiterhin über­ wacht diese Schaltung nicht die Temperatur des Leistungs-MOSFET- Halbleiterplättchens.

Ein drittes bekanntes Bauelement verwendet einen Strommeß- Leistungs-MOSFET, bei dem eine begrenzte Anzahl von Zellen des MOSFET′s für die Erzeugung eines Ausgangssignals bestimmt ist, das den Haupt-Leistungsstrom darstellt, wobei dieses Bauelement weiterhin eine Temperaturüberwachungsschaltung zur Überwachung der Temperatur des MOSFET-Halbleiterplättchens aufweist. Die Schaltungen für diese Funktionen sind in das Leistungs-MOSFET-Halbleiterplättchen integriert, erfordern jedoch eine Hilfsleistungsquelle zur Leistungsversorgung dieser Schaltungen. Diese Hilfsleistung wird dem Leistungs-MOSFET über einen vierten Anschluß zusätzlich zu den Source-Drain- und Gate- Anschlüssen zugeführt. Entsprechend ist dieses Bauteil nicht stiftkompatibel mit vorhandenen Leistungs-MOSFET′s.

Ein viertes bekanntes Bauelement ergibt eine Strom- und Tempera­ turmessung und weist lediglich drei Anschlußstifte (Gate, Source und Drain) auf, doch verwendet dieses Bauelement einen 4-Kiloohm Spannungsabfall-Widerstand, der zwischen dem Gate-Anschlußstift und der Gateelektrode eingeschaltet ist, um den Eingangsstrom im Fall eines Fehlers zu begrenzen. Die Schutzschaltung bewirkt dann das Einschalten eines Hilfs-MOSFET, der zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen des Leistungs-MOSFET′s eingeschaltet ist, um den Leistungs-MOSFET unter vorgegebenen Überstrom- oder Übertemperatur-Bedingungen abzuschalten.

Der Spannungsabfall-Widerstand bei dem vorstehend beschriebenen Bauelement unterliegt schwierigen Konstruktionskompromissen. Wenn der Widerstandswert zu niedrig ist, so wird ein hoher Anschlußstiftstrom durch den Abschalt-MOSFET gezogen. Wenn der Widerstandswert zu hoch ist, so wird die Schaltzeit des Haupt- Leistungs-MOSFET vergrößert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schutzschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der keine zusätzlichen Anschlußstifte erforderlich sind, und die ein einwandfreies Abschalten sowohl bei Überstrom- als auch bei Übertemperatur-Bedingungen ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Gate-Anschlußstift und die Eingangsspannung für den Leistungs-MOSFET mit der Gate- Elektrode über einen ersten in Serie geschalteten Steuer-MOSFET verbunden. Ein zweiter Steuer-MOSFET ist zwischen den Gate- und Source-Elektroden des Leistungs-MOSFET eingeschaltet. Die Gate- Elektroden der ersten und zweiten MOSFET′s werden durch die Ausgänge der Schutzschaltung derart gesteuert, daß in Abhängig­ keit von einem vorgegebenen Fehlerzustand der erste MOSFET ab­ geschaltet und der zweite eingeschaltet wird. Die Schutz­ schaltung wird durch die Eingangs-Soure-Spannung an den Serien- MOSFET mit Leistung versorgt. Im eingeschalteten Zustand kann der zweite MOSFET einen Widerstand von ungefähr 200 Ohm haben. Daher ist die Schaltzeit des Haupt-Leistungsbauteils ungefähr gleich zwanzigmal schneller als bei dem bekannten Bauteils unter Verwendung eines 4-Kiloohm-Widerstandes. Der von dem Gate Anschlußstift und durch den Serien-MOSFET gezogene Strom beträgt typischerweise 660 Mikroampere, kann jedoch in Abhängigkeit von der Konstruktion der Schutzschaltung, die diesen Strom zieht, niedriger sein.

Die Schutzschaltung arbeitet derart, daß wenn ein Überstrom oder eine Übertemperatur von der Schutzschaltung gemessen wird, der erste MOSFET abschaltet, um das Gate von der Eingangs­ spannung zu trennen und um den Strom zu begrenzen, der von dem Gate-Anschlußstift gezogen wird, während der zweite MOSFET einschaltet, um die Gate-Elektrode des Leistungs-MOSFET mit dessen Source-Elektrode kurzzuschließen, so daß das Bauteil mit hoher Geschwindigkeit abgeschaltet wird.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist für beliebige Lei­ stungs-MOSFET-Bauteiltypen über alle Spannungs- und Strom­ bereiche anwendbar. Dies schließt Bauteile unter Verwendung eines MOS-Gates zur Steuerung des Einschaltens und Abschaltens des Bauteils ein, und schließt ausdrücklich IGBT′s, integrierte Leistungsschaltungen, MOS-Gate-gesteuerte Thyristoren (NCT) und Leistungsfeldeffekttransistoren wie zum Beispiel das vorstehend beschriebene HEXFET-Bauteil ein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine neuartige "Boot-Strap"-Schaltung zur Erzeugung einer Gate-Spannung für den vorstehend beschriebenen Serien-MOSFET geschaffen, die höher als die Eingangs-Gate-Spannung des Leistungs-MOSFET ist. Im einzelnen muß, wenn der Leistungs-MOSFET ein N-Kanal-Bauteil ist, und der Serien-MOSFET ebenfalls ein N-Kanal-Bauteil ist, die Gate-Spannung zum Einschalten des Serien-MOSFET höher sein, als die Eingangs-Gate-Spannung. Die neuartige Boot-Strap- Schaltung verwendet vollständig N-Kanal-MOSFET′s und enthält einen Kondensator, der im aufgeladenen Zustand die Spannung an dem Gate des Serien-MOSFET auf einen Wert oberhalb der Spannung an dem Gate-Anschlußstift vergrößert, so daß der Serien-MOSFET einschalten kann, wenn ein Potential an den Gate- Anschlußstift des Leistungs-MOSFET angelegt wird.

Als weiteres Merkmal der Erfindung wird eine neuartige Tempera­ tur-Abschaltschaltung und eine neuartige Abgleichschaltung zum Abgleich der Solltemperatur geschaffen. Die neuartige Tempera­ tur-Abschaltschaltung weist eine erste Transistorschaltung auf, die so ausgebildet ist, daß sie eine Gate-Spannung für einen Steuer-MOSFET liefert, die mit der Temperatur ansteigt und sie weist eine zweite Transistorschaltung (Inverter) auf, die einen Eingangs-Schwellenwert mit einem negative Temperatur­ koeffizienten aufweist. Diese beiden Ausgangscharakteristiken werden derart kombiniert, daß ihr Schnittpunkt eine Schwellen­ wert-Temperatur festlegt, bei deren Erreichen ein Ausgangssignal zum Triggern des Abschaltens des Haupt-Leistungs-MOSFET erzeugt wird. Der exakte Wert des Schnittpunktes kann durch Abgleich des Arbeitsbereiches eines Transistors in einem Null-Tempera­ turkoeffizienten-Segment der Schaltung abgeglichen werden.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine neu­ artige Konstruktion und Schaltung zum Verhindern des Leitens der P-Senke, die die Steuerbauteile für den Leistungs-MOSFET enthält, wenn das N(-)-Substrat ein negatives Potential gegen­ über der Source des Leistungs-MOSFET annimmt. Im einzelnen ist ein neuartiger bipolarer Schalttransistor in das Substrat benachbart zur P-Senke eingebaut. Dieser Transistor weist einen mit der P-Senke verbundenen Kollektor auf, so daß, wenn das N(-)-Substrat gegenüber der Source engativ wird, der bipolare Transistor die P-Senke gegenüber dem N(-)-Substrat kurzschließt und eine Leitfähigkeit der Diode verhindert, die an der Grenz­ schicht der P-Senke und des N(-)-Körpers gebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Überstrom- und Übertemperatur- Steuerschaltung für einen Leistungs-MOSFET,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Schaltung zur Ableitung der Steuerschaltungs- Leistung aus der Gate-Speiseschaltung,

Fig. 3 eine neuartige Boot-Strap-Schaltung, die mit der Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, um die Ver­ wendung von N-Kanal-Steuer-MOSFET′s in einem N-Kanal-Leistungs- MOSFET zu ermöglichen,

Fig. 4 eine Ausführungsform einer Temperatur-Abschalt- Schaltung zur Verwendung mit den Schaltungen nach Fig. 2 und 3,

Fig. 4a und 4b Kennlinien für die Schaltung nach Fig. 4,

Fig. 5 einen Querschnitt eines Leistungs-MOSFET-Halb­ leiterplättchens mit einer P-Senke zur Aufnahme der Steuer­ schaltungen, die in das Halbleiterplättchen integriert sind, wobei weiterhin eine neuartige Schaltung zur Verhinderung einer Durchlaß-Vorspannung der P-Senken-/N(-)-Substrat-Grenzschicht gezeigt ist.

In Fig. 1 ist ein bekannter Leistungs-MOSFET mit Übertemperatur- und Überstrom-Schutzschaltungen gezeigt. Der Leistungs-MOSFET weist einen üblichen Leistungsabschnitt mit Gate-, Drain- und Source-Anschlüssen 10, 11 und 12 auf. In das gleiche Halbleiter­ plättchen, das den Leistungsabschnitt enthält, ist ein Steuer­ abschnitt integriert, der einen 4-Kiloohm-Widerstand 13, einen Steuer-MOSFET 14 und die Schutzschaltungen 15 einschließt. Es sei bemerkt, daß die Source als Erde für die internen Schutzschaltungen wirkt. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann der Leistungs-MOSFET-Abschnitt einen Strommeßabschnitt auf­ weisen, der eine Sourcestrom-Information an die Schutzschal­ tungen 15 liefert. Ein Eingangsanschluß 16 (der in manchen Fällen als der Gate- oder Eingangs-Anschlußstift bezeichnet wird) ist der dritte Anschlußstift des Bauteils zusammen mit den Anschlußstiften 11 und 12. Somit ist dieses Bauteil stift­ kompatibel mit Leistungs-MOSFETS ohne integrierte Schutz­ schaltungen.

Im Betrieb wird die Betriebsleistung für die Schutzschaltungen von dem Eingangsanschluß 16 abgeleitet, der auf zwischen 5 bis 10 Volt liegt. Bei Fehlen eines Fehlers ist der MOSFET 14 ab­ geschaltet, und es fließt kein Strom in dem Widerstand 13. Wenn ein Fehlerzustand auftritt, so schaltet der MOSFET 1 durch, und bei einem Einschaltwiderstand des MOSFET′s von 200 Ohm wird ein Strom von 1250 µA bis 2500 µA durch den Widerstand 13 für eine 5-Volt- bzw. 10-Volt-Spannung am Anschlußstift 16 gezogen.

Der Widerstandswert des Widerstandes 13 stellt einen Kompromiß zwischen der Schaltzeit des Leistungs-MOSFET, die mit höherem Widerstand ansteigt, und dem Stromfluß von dem Eingangsanschluß 16 dar, der zunimmt, wenn der Widerstandswert des Widerstandes 13 abnimmt. Ein Widerstandswert von 4000 Ohm ergibt eine Schaltzeit von ungefähr 15 µs und einen Stromfluß von dem Eingang vom 3 bis 4 mA (bei einer Eingangsspannung von 10 Volt).

Die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 2 liefert die notwen­ dige V_cc zur Leistungsversorgung der Schutzschaltungen, hält jedoch eine wesentlich höhere Schaltgeschwindigkeit aufrecht und ergibt einen wesentlich niedrigeren Stromfluß von dem Ein­ gangsanschluß. Im einzelnen weisen in Fig. 2 Bauteile, die denen nach Fig. 1 ähnlich sind, die gleichen Bezugsziffern auf, obwohl in Fig. 2 der Leistungs-MOSFET irgendein MOS-Gate- Bauteil sein kann, beispielsweise ein IGBT oder ein MOS-Gate- Transistor oder dergleichen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der Widerstand 13 nach Fig. 1 durch einen MOSFET 20 ersetzt, der ähnlich wie der MOSFET 14 durch ein Ausgangssignal von den Schutzschaltungen 15 gesteuert ist. Die MOSFET′s 14 und 20 werden gegenphasig betrieben.

Wenn somit eine Spannung am Anschluß 16 zum Einschalten des Haupt-Leistungs-MOSFET′s auftritt, so ist der MOSFET 14 abge­ schaltet und der MOSFET 20 schaltet ein, um das Gate am Anschluß 10 des Leistungs-MOSFET′s zu laden. Der MOSFET 20 ist so ausgelegt, daß er einen Widerstand von ungefähr 200 Ohm ergibt. Daher hat er lediglich eine geringe Auswirkung auf die Einschalt- und Abschalt-Zeiten des Leistungs-MOSFET′s, die zwanzigmal schneller sind, als mit dem 4000-Ohm-Widerstand nach Fig. 1.

Um die Schaltung nach Fig. 2 in einem einfachen Verfahren aus­ zubilden, ist es wünschenswert, daß der Leistungs-MOSFET ein N-Kanal-Bauteil ist, und daß der MOSFET 20 ebenfalls ein N- Kanal-MOSFET ist. Die Gate-Spannung zum Einschalten des MOSFET 20 ist jedoch dann höher als die Spannung am Anschlußstift 16.

Gemäß der Erfindung wird eine neuartige in Fig. 3 gezeigte "Boot-Strap"-Schaltung vorgesehen um eine ausreichend hohe Gate-Spannung zum Betrieb des MOSFET 20 zu erzeugen, wenn dieser ein N-Kanal-Bauteil ist.

In Fig. 3 sind Bauteile ähnlich denen nach Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Entsprechend ist der Anschlußstift 16 in Serie mit dem MOSFET 20 mit dem Gate 10 des Leistungs-MOSFET-Abschnittes verbunden, und der MOSFET 14 verbindet den Anschlußstift 16 und den MOSFET 20 mit dem Anschlußstift 12.

Weiterhin ist in Fig. 3 ein Boot-Strap-Kondensator 30 vorge­ sehen, der zwischen dem Knoten zwischen den MOSFET′s 14 und 20 und dem Knoten 31 zwischen der Gate-Elektrode des MOSFET 20 und einem MOSFET 32 vom Verarmungstyp eingeschaltet ist. Der MOSFET 32 vom Verarmungstyp ist zwischen der Gate- und Source- Elektrode eines MOSFET 33 vom Verarmungstyp eingeschaltet. Der Knoten 31 ist weiterhin mit einem Abschalt-Treiber-MOSFET 34 verbunden, der eine Gate-Elektrode aufweist, die mit dem Anschluß 35 verbunden ist, an den "intelligente" Schaltungen, die eine Abschaltinformation erzeugen, ein Eingangssignal liefern, um das Abschalten des Leistungs-MOSFET zu bewirken.

In Fig. 3 ist weiterhin ein zusätzlicher MOSFET 36 vom Ver­ armungstyp vorgesehen der einen zusätzlichen Strompfad bildet, um ein dauerndes Abschalten des Leistungsabschnittes sicher­ zustellen, und es ist weiterhin ein MOSFET 37 vorgesehen, der als Diode wirkt, um ein Abschalten des Leistungsabschnittes in Abhängigkeit von einem Signal am Anschluß 16 sicherzustellen.

Die Betriebsweise der Boot-Strap-Schaltung nach Fig. 3 ist wie folgt: Wenn eine Spannung V_cc an den Anschluß 16 angelegt wird, so folgt das Potential am Knoten 38 der Spannung Vcc, weil der MOSFET 39 abgeschaltet ist. Der Transistor 32 schaltet als nächstes ein, und der Knoten 31 beginnt sich auf V_cc aufzuladen. Weil der Knoten 31 auf V_cc liegt, schaltet der MOSFET 20 teilweise ein und beginnt, das Gate des Leistungs- MOSFET am Anschluß 10 zu laden. Wenn der Anschluß 10 die Schwellenwertspannung des MOSFET 39 erreicht, so schaltet dieser ein. Der Knoten 38 sinkt dann auf Erdpotential ab, und der MOSFET 32 schaltet ab. Der Knoten 31 ist nunmehr schwimmend, und der Kondensator 30 bleibt geladen, und der MOSFET 20 bleibt vollständig eingeschaltet. Am Ende dieses Schaltvorganges beträgt die Spannung am Knoten 31 theoretisch 2×V_cc (doch ist sie in der Praxis aufgrund von Leckströmen und Ladungs­ verteilungen kleiner). Der Boot-Strap-Kondensator 30 ist ein 1-pF-Kondensator.

Um den Leistungsabschnitt in Abhängigkeit von einem Ausgangs­ signal von dem "intelligenten" Abschnitt der Schaltung abzu­ schalten, wird ein Signal an den Anschluß 35 angelegt, um den MOSFET 34 einzuschalten und um das Abschalten des MOSFET 14 und der Leistungsschaltung zu bewirken.

Es sei darauf hingewiesen, daß alle Bauteile nach Fig. 3 N-Kanal-Bauteile sind, die in dem gleichen Silizium-Halbleiter­ plättchen integriert sind, wie der Leistungsabschnitt.

Fig. 4 zeigt eine der "intelligenten" Schaltungen, die an der Spannung V_cc nach den Fig. 2 und 3 betrieben wird, und die ein Abschaltsignal am Anschluß 35 liefert, wenn ein vorgegebener Übertemperatur-Zustand gemessen wird. In Fig. 4 ist der An­ schlußstift 16 mit einem MOSFET 40, der eine Konstantstrom­ quelle ist, und dann mit einem MOSFET 41 verbunden. Der MOSFET 41 ist parallel zu anderen MOSFET′s 42 bis 46 geschaltet, die Abgleichbereiche darstellen, die aus der Schaltung entfernt werden können, wie dies weiter unten erläutert wird.

Der Knoten 50 soll einen Temperaturkoeffizienten von Null auf­ weisen, so daß das Potential an diesem Knoten, vorzugsweise ungefähr 1,6 Volt für ein ausgewähltes Verfahren, durch Abglei­ chen des Bereiches des Transistors 41 und seiner parallelen Transistoren 42 bis 46 festgelegt wird. Der Knoten 50 weist eine konstante Spannung auf, weil sein Potential V_gON als die Summe der Schwellenwertspannung V_TH des Transisistors 41 (ein negativer Temperaturkoeffizient) und der Größe I_d/g_m aus­ gedrückt werden kann, worin I_d der Drainstrom des Transistors 41 und g_m der g_m-Wert des Transistors 41 ist. Weil g_m einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, weist die Größe I_d/g_m einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.

Dies in in Fig. 4a dargestellt, in der V_gON ein fester Wert für einen vorgegebenen Drainstrom für den Transistor 41 ist.

Im einzelnen hat die in Fig. 4a gezeigte Kurve die Form:

I_d = K_TH (V_gs - V_TH)²

Die Größe von V_gON kann wie folgt ausgedrückt werden:

worin K_P einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Weil K_P einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, ist der Temperaturkoeffizient von √ positiv.

Bei einem niedrigen Strom I_d überwiegt der Wert V_TH, wodurch ein negativer Gesamt-Temperaturkoeffizient erzeugt wird. Bei hohen Werten von I_d überwiegt der Wert von √ wodurch ein positiver Koeffizient hervorgerufen wird.

Es gibt jedoch lediglich einen Wert von I_d, für den

ist.

Dieser Wert stellt den Abgleichpunkt für die Schaltung dar, wie dies weiter unten beschrieben wird.

Das Potential am Knoten 50 nach Fig. 4 ist mit einem MOSFET 51 verbunden, der in Serie mit einem MOSFET 52 geschaltet ist, der als Stromquelle betrieben wird. Die Spannung am Knoten 53 weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, und sie wird dem Gate eines MOSFET 54 zugeführt. Der MOSFET 54 ist mit dem MOSFET 55 verbunden.

Die Spannung am Knoten 56 kann nunmehr betrachtet werden, und es ist zu erkennen, daß für eine Temperatur, die höher als ein vorgegebener fester Wert ist, der MOSFET 54 einschaltet, während er für eine Temperatur, die niedriger als dieser Wert ist, ab­ geschaltet bleibt. Diese Betriebsweise ist in Fig. 4b gezeigt, in der die Kurve V₅₃ die Spannung am Knoten 53 ist (ein posi­ tiver Temperaturkoeffizient), während V_TH die Schwellenwert­ spannung des Transistors 54 (ein negativer Koeffizient) ist. Der Schnittpunkt dieser Kurven definiert die Abschalttemperatur, weil eine Temperatur, die höher als dieser Wert T_ABSCHALT ist, den MOSFET 54 einschaltet, während eine Temperatur, die niedri­ ger als dieser Wert ist, den MOSFET 54 abgeschaltet läßt.

Die Spannung am Knoten 56 wird dann über eine logische Inver­ terschaltung dem Abschalt-Eingangsanschluß 35 nach Fig. 3 zuge­ führt. Wenn daher die Temperatur des Halbleiterplättchens, das den Leistungs-FET enthält, die Temperatur T_ABSCHALT in Fig. 4b überschreitet, so wird der Leistungsabschnitt abgeschaltet. Der MOSFET 52 bildet eine positive Rückführungsschaltung und ergibt eine gewisse Hysterese für den Wert T_ABSCHALT.

Wie dies weiter oben erwähnt wurde, muß die Größe der Transi­ storen 41 bis 46 so abgeglichen werden, daß eine Temperatur­ konstante von Null am Knoten 50 sichergestellt wird. Dieser Abgleich wird dadurch erreicht, daß unterschiedliche Bereiche den Transistoren 41 bis 46 zugeordnet werden, und daß dann diese Transistoren unterbrochen werden, die entfernt werden müssen, um die gewünschte Temperaturkompensation am Knoten 50 zu erzielen. Als Beispiel können Sonden-Anschlußkissen 60 bis 64 für die jeweiligen Transistoren 46 bis 42 vorgesehen werden. Diese Anschlußkissen können mit jeweiligen nicht gezeigten Zenerdioden verbunden werden, die in einer Kurzschlußschaltung durch ein an das Anschlußkissen angelegtes Potential durchge­ brannt werden können, um einen oder mehrere der Transistoren 42 bis 46 aus der Schaltung zu entfernen. Um den Abgleichvor­ gang durchzuführen, wird das Halbleiterplättchen auf einer Temperatur von 160°C gehalten, und es wird eine binäre Suche durchgeführt, um festzustellen, welche Transistorbereiche ent­ fernt werden müssen, damit sich eine gute Temperaturkompen­ sation ergibt. Die erforderlichen Zenerdioden werden dann zer­ stört, um ihre jeweiligen Transistoren in gut bekannter Weise kurzzuschließen.

In Fig. 5 ist ein Querschnitt eines Grenzschichtmusters eines kleinen Teils eines Leistungs-MOSFET′s sowie der P-Senke dar­ gestellt, die die Steuerschaltungen trägt, die vorstehend be­ schrieben wurden. Entsprechend ist in Fig. 5 ein Abschnitt des Halbleiterplättchens gezeigt, der eine Vielzahl von P+-Basis­ zellen enthält, die in einen N(-)-Epitaxialkörper eindiffundiert sind. Der Epitaxialkörper ist in üblicher Weise auf einem N+- Substrat gebildet, das eine Drain-Elektrode 74 an der Unterseite aufweist. Eine große Anzahl von Zellen kann verwendet werden, häufig mehr als mehrere tausend, die symmetrisch über der Ober­ fläche des N(-)-Körpers verteilt sind. Die Topologie dieser Zellen kann eine gewünschte Form aufweisen, und sie können irgendeine vieleckige Form aufweisen, wie z. B. Sechsecke, lang­ gestreckte Rechtecke oder Quadrate. Der Leistungsabschnitt kann weiterhin eine interdigitalisierte Topologie verwenden.

Jede der Basiszellen enthält einen jeweiligen N+-Source-Bereich, um invertierbare Kanalbereiche in den P-Körpern zu bilden, die durch ein Gate-Oxid und dann durch Polysilizium-Gateelektroden überdeckt sind. Die Gates sind isoliert und eine Source-Elek­ trode 79 liegt über den Gates und dem Leistungsabschnitt.

Die anderen Bauteile, unter Einschluß aller vorstehend be­ schriebenen MOSFET′s, sind vorzugsweise in einer oder mehreren P-Senken ausgebildet, die als P-Senke 80 gezeigt sind.

Es wurde festgestellt, daß im Betrieb des Leistungsabschnittes das N(-)-Substrat negativ gegenüber der Source-Elektrode 79 vorgespannt sein kann. Wenn daher die P-Senke 80 direkt mit der Elektrode 79 (Source 12 in Fig. 2) verbunden ist, so wird die Grenzschicht 81 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Dies er­ zeugt eine Minoritätsträger-Injektion in die P-Senke, die die Betriebsweise der Bauteile in der P-Senke stört.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine bipolare Transistoreinrichtung 90 in dem N(-)-Substrat ausgebildet, die aus einer P-Basis 91 und einem N+-Kollektor 92 besteht. Das N(-)-Substrat ist der Emitter des Transistors. Die Basis 91 weist einen Kontakt 93 auf, der mit dem Source-Anschluß 12 verbunden ist, und die P-Senke weist einen Kontakt 94 auf, der ebenfalls mit der Source 12 über einen 10-Ohm-Widerstand 95 verbunden ist. Der tatsächlich verwendete Wert muß so niedrig sein, daß der Vorstrom der Steuerschaltung nicht zu stark das Erdpotential der Steuerschaltung gegenüber der Source 12 ausgleicht. Der N+-Bereich 92 ist mit dem Kontakt 94 über einen Leiter 96 verbunden.

Wenn im Betrieb der N(-)-Bereich relativ zur Source 12 negativ wird, so schaltet der Transistor 90 ein. Das Potential des N+- Bereiches und damit das Potential der P-Senke 80 wird dann auf das Potential des N(-)-Substrates heruntergezogen, um eine Durchlaßvorspannung der Grenzschicht 81 zu verhindern.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von speziellen Aus­ führungsformen beschrieben wurde, sind vielfältige andere Abänderungen und Modifikationen sowie andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich.

Claims (16)

1. Leistungs-Halbleiterbauteil mit einem MOS-Gate, das eine auf einen Fehlerzustand ansprechende Steuerschaltung aufweist, die in das gleiche Halbleiterplättchen integriert ist, das den Leistungsabschnitt des Bauteils enthält, wobei das Bauteil ein Halbleiterplättchen mit ersten und zweiten Hauptelektroden (D, S) und eine Gate-Elektrode (G) zur Steuerung der Stromleitung zwischen den ersten und zweiten Hauptelektroden (D, S) aufweist und das Bauteil zumindestens erste (11), zweite (12) und dritte (16) Anschlußstifte aufweist, von denen der erste (11) und der zweite (12) Anschlußstift mit der ersten bzw. zweiten Haupt­ elektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Fehlerzustand an­ sprechende Steuerschaltung (13-15) in zumindestens einem getrennten Senkenbereich in dem Halbleiterplättchen ausge­ bildet ist, daß die auf den Fehlerzustand ansprechende Steuer­ schaltung betreibbar ist, um ein Signal an die Gate-Elektrode (G) bei einem vorgegebenen Fehlerzustand abzuschalten, um das Bauteil abzuschalten, daß die Steuerschaltung einen Eingangs­ anschluß (16) für eine Steuerspannung (V_cc) aufweist, die für die Vorspannung und den Betrieb der Bauteile der Steuerschaltung erforderlich ist, daß die Steuerschaltung einen ersten Steuer- MOSFET (20), der zwischen dritten Anschlußstift (16) und der Gate-Elektrode eingeschaltet ist, und einen zweiten Steuer- MOSFET (14) einschließt, der zwischen der Gate-Elektrode (G) und einem (S) der ersten und zweiten Hauptelektroden (D, S) eingeschaltet ist, daß der Eingangsanschluß der Steuerschaltung mit der Spannung an dem Knoten zwischen dem dritten Anschluß­ stift (16) und dem ersten Steuer-MOSFET (20) verbunden ist, und daß die Steuerschaltung betreibbar ist, um den ersten Steuer- MOSFET (20) abzuschalten und um den zweiten Steuer-MOSFET (14) einzuschalten, wenn ein Fehlerzustand festgestellt wird.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den ersten Steuer-MOSFET (20) gebildete Widerstand wesentlich kleiner als 4000 Ohm ist, und daß der von dem Gate-Anschlußstift (16) gezogene Strom kleiner als ungefähr 1 mA im Normalbetrieb des Bauteils ist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Fehlerzustand an­ sprechende Schaltung auf einen vorgegebenen Überstrom zwischen den ersten und zweiten Hauptanschlüssen und auf eine Halb­ leiterplättchen-Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Wertes anspricht.

4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabschnitt einen Leistungs-MOSFET bildet.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabschnitt ein MOS-Gate­ gesteuertes Halbleiterbauteil bildet.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabschnitt ein N(-)- Kanal-Bauteil ist, und daß die ersten und zweiten Steuer- MOSFET′s (20, 14) N-Kanal-Bauteile sind.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Fehlerzustand an­ sprechende Schaltung eine Boot-Strap-Schaltung einschließt, die Kondensatorelemente einschließt, die auf eine Spannung aufgeladen werden, die höher als die Spannung an dem dritten Anschlußstift (16) ist, um eine Spannung zu erzeugen, die betreibbar ist, um den ersten Steuer-MOSFET (20) im Normal­ betrieb einzuschalten.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine abgleichbare Temperatur-Abschalt-Schaltung in der auf den Fehlerzustand ansprechenden Schaltung einschließt, daß die Temperatur- Abschalt-Schaltung eine einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Schaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das mit zunehmender Halbleiterplättchen-Temperatur ansteigt, eine einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisende Vergleicher­ schaltung, die einen Eingangsschwellenwert aufweist, der mit zunehmender Halbleiterplättchen-Temperatur absinkt, und Schaltungseinrichtungen einschließt, um ein Ausgangssignal zum Abschalten des Leistungsabschnittes zu erzeugen, wenn die Halbleiterplättchen-Temperatur die Bezugs-Temperatur übersteigt.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine abgleichbare Temperatur-Abschalt-Schaltung in der auf den Fehlerzustand ansprechenden Schaltung einschließt, daß die Temperatur- Abschalt-Schaltung einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Schaltungseinrichtungen zur Erzeugung eines Aus­ gangssignals, das mit zunehmender Halbleiterplättchen-Temperatur ansteigt eine einen negativen Temperaturkoeffizienten auf­ weisende Schaltung, die ein Ausgangssignal erzeugt, das mit zunehmender Halbleiterplättchen-Temperatur absinkt, Schaltungs­ einrichtungen zum Vergleich der Ausgänge der einen positiven und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Schaltungen zur Festlegung einer festen Bezugstemperatur- Anzeige und Schaltungseinrichtungen zur Erzeugung eines Ausgangssignals zum Abschalten des Leistungsabschnittes einschließt, wenn die Halbleiterplättchen-Temperatur die Bezugstemperatur übersteigt.

10. Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelleneinrichtung mit den einen positiven und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Schaltungen verbunden ist, um einen festen Bezugs­ ausgang festzulegen, der temperaturunveränderlich ist, und daß die Stromquelleneinrichtungen ein MOSFET-Bauteil mit abgleich­ barer Kanalbreite einschließen, um den Wert des festen Bezugs­ ausganges einzustellen.

11. Abgleichbare Abschalt-Schaltung, die mit dem Gate eines Leistungsbauteils mit MOS-Gate verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur-Abschalt-Schaltung einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Schaltungs­ einrichtungen zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das mit einer ansteigenden Halbleiterplättchen-Temperatur ansteigt, eine einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisende Vergleicherschaltung, die ein Eingangsschwellenwertsignal auf­ weist, das mit zunehmender Halbleiterplättchen-Temperatur verringert wird, und Schaltungseinrichtungen zur Erzeugung eines Ausgangssignals zum Abschalten des Bauteils mit MOS- Gate umfaßt.

12. Abschalt-Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Stromquelleneinrichtung einschließt, die mit den einen positiven und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisenden Schaltungen verbunden ist, um einen festen Bezugsausgang festzulegen, der temperatur­ unveränderlich ist, und daß die Stromquelleneinrichtung ein MOSFET-Bauteil mit abgleichbarer Kanalbreite zur Einstellung des Wertes des festen Bezugsausganges einschließt.

13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der getrennte Senkenbereich eine Senke vom P-Typ in einem N-Substrat ist, und daß eine Steuer­ transistoreinrichtung in das N-Substrat integriert ist und erste und zweite Hauptelektroden, die mit dem N-Substrat bzw. der P-Senke verbunden sind, und eine Steuerelektrode auf dem Potential der ersten Hauptelektrode des Bauteils aufweist, derart, daß wenn die P-Senke positiv gegenüber dem Substrat vorgespannt wird, die Steuertransistoreinrichtung einschaltet, um die P-Senke mit dem Potential des Substrates zu verbinden, um ein Einschalten der P-Senken-/Substrat-Grenzschicht zu verhindern.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuertransistoreinrichtung ein bipolarer Transistor ist.

15. Bauteil mit MOS-Gate, mit einem Leistungsabschnitt und einem auf Fehler ansprechenden Steuerabschnitt, die in ein gemeinsames Halbleiterplättchen integriert sind, wobei der Leistungsabschnitt eine Source-Elektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerabschnitt in einer P- Senke in einem N-Substrat ausgebildet ist, daß eine Transistor­ einrichtung in das N-Substrat integriert ist und erste und zweite Hauptelektroden, die mit dem N-Substrat bzw. der P- Senke verbunden sind, und eine Steuerelektrode auf dem Potential der Source-Elektrode derart aufweist, daß wenn die P-Senke positiv gegenüber dem Substrat vorgespannt ist, die Transistoreinrichtung einschaltet, um die P-Senke mit dem Potential des Substrates zu verbinden, so daß ein Einschalten der Grenzschicht zwischen der P-Senke und dem Substrat ver­ hindert wird.

16. Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoreinrichtung ein bipolarer Transistor ist.