DE69320749T2 - Strommessschaltung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strommeßschaltung, im besonderen auf eine Strommeßschaltung zur Messung des Stromes durch eine Leistungshalbleiteranordnung, wie zum Beispiel einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT).
• US-A-4990978 und EP-A-390485 beschreiben Strommeßschaltungen, welche jeweils einen ersten und zweiten Anschluß vorsehen und eine Leistungshalbleiteranordnung mit einem hauptstromführenden Teil, welcher aus einer Anzahl parallelgeschalteter, aktiver Bauelementzellen mit einer an den ersten beziehungsweise zweiten Anschluß der Schaltung angekoppelten, ersten und einer zweiten Hauptelektrode sowie einer Steuerelektrode besteht, sowie mit einem meßstromführenden Teil aufweisen, welcher zumindest eine, den Bauelementzellen gleichende Meßzelle sowie eine, mit dem ersten Anschluß gekoppelte, erste Hauptelektrode und eine zweite Hauptelektrode sowie eine Strommeßanordnung mit einem, die zweite Hauptelektrode des meßstromführenden Teiles mit der zweiten Versorgungsleitung koppelnden, ersten Widerstand vorsieht.
• Bei diesen Schaltungen folgt der Strom durch den meßstromführenden Teil diesem durch den hauptstromführenden Teil, wobei die durch den Strom durch den meßstromführenden Teil erzeugte Spannung an dem ersten Widerstand zum Beispiel mit einer, durch einen Bandgap-Referenzgenerator vorgesehenen Referenzspannung verglichen werden kann, um das Erreichen eines vorgegebenen Strompegels zu signalisieren. Schaltungen dieser Art stellen jedoch insofern Probleme dar, als jede Veränderung des absoluten Wertes des Widerstandes des ersten Widerstandselementes oder Temperaturänderungen, welche den Widerstand beeinflussen können, selbstverständlich die für einen vorgegebenen Strom gemessene Spannung beeinträchtigen. Folglich können Veränderungen zwischen verschiedenen Bearbeitungsgruppen oder Veränderungen infolge äußerer Einflüsse, wie zum Beispiel Temperaturänderungen, auftreten.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strommeßschaltung vorzusehen, bei welcher die obenerwähnten Probleme vermieden oder zumindest reduziert werden.
• Anspruch 2 definiert eine Kombination aus einem Strommeßschaltungselement gemäß Anspruch 1 und einer Stromquelle.
• Anspruch 3 definiert eine Strommeßschaltung mit einem Strommeßschaltungselement gemäß Anspruch 1.
• Somit wird bei einer Schaltung gemäß der Erfindung die Spannung bzw. das Potential an dem ersten Widerstand mit der Spannung verglichen, welche durch einen Referenzstrom an einem zweiten Widerstand erzeugt wird, der dem ersten Widerstand gleicht, das heißt, welcher unter Anwendung der gleichen Verfahrenstechnik und im allgemeinen zur gleichen Zeit wie der erste Widerstand hergestellt wurde. Folglich ist das Verhältnis zwischen den Widerständen des ersten und zweiten Widerstandselementes sehr genau vorherzusagen, und deren Absolutwerte sind nicht mehr signifikant, so daß weder beide Widerstände beeinflussende Verfahrensabweichungen noch Änderungen der Umgebungstemperatur den vorgegebenen Wert, bei welchem der Komparator ein Ausgangssignal vorsieht, beeinträchtigen. Unter absolut idealen Bedingungen können der erste und zweite Widerstand identische Widerstandswerte aufweisen. Im allgemeinen stehen der erste und zweite Widerstand in einem vorgegebenen Verhältnis, welches relativ gering sein sollte, da Verfahrensabweichungen zwischen den Widerständen mit Wachsen des Wertunterschiedes zunehmen können. Typischerweise kann das Verhältnis zwischen dem ersten und zweiten Widerstand 1 : 10 oder weniger betragen. Der Komparator bringt somit den Strom durch das Bauelement, wie durch den Meßstrom dargestellt, mit dem Referenzstrom direkt in Verbindung. Zudem wird der vorgegebene Wert, bei welchem der Komparator ein Ausgangssignal vorsieht, durch den Referenzstrom bestimmt, und obgleich die Referenzstromquelle an die Leistungshalbleiteranordnung angeformt ausgebildet werden könnte, wird diese vorzugsweise außerhalb der Leistungshalbleiteranordnung vorgesehen, wodurch der Referenzstrom so eingestellt bzw. getrimmt werden kann, daß geringfügige Abweichungen bei den Spezifikationen der Schaltung bzw. der Endanwendung aufgefangen oder für eine neue Anwendung signifikant verändert werden können. Typischerweise kann die Referenzstromquelle durch einen Festwertwiderstand dargestellt sein, welcher an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen ist, bei welcher es sich um eine Spannungsquelle handeln kann, die bei dem Leistungshalbleiter bereits vorhanden ist oder auf geeignete, bekannte Weise abgeleitet werden könnte, wie zum Beispiel unter Verwendung einer oder mehrerer Zenerdioden, um die Spannung zu definieren. Als mögliche Alternative könnte eine Feststromquelle unter Verwendung aktiver Bauelemente auf bekannte Weise abgeleitet werden. Zudem kann die Stromquelle so ausgeführt sein, daß sie verschiedene Referenzströme unter der Kontrolle eines geeigneten Regelungssystemes vorsieht, zum Beispiel, um unter bestimmten spezifischen Bedingungen, wie diese bei Kaltwetterverhältnissen herrschen können, bei welchen die Halbleiteranordnung in einem Kraftfahrzeugzündsytem verwendet wird, einen höheren Strom zuzulassen.
• Das Ausgangssignal des Komparators kann als Eingangssignal für eine geeignete Systemsteuerungsform für die Leistungshalbleiteranordnung eingesetzt werden. So kann zum Beispiel das Ausgangssignal zum Abschalten der Leistungshalbleiteranordnung verwendet werden, wenn eine Überlast einen Überstrom verursacht. Die Schaltung kann somit zur Strombegrenzung verwendet werden und soll dazu beitragen, Probleme, wie zum Beispiel einen Lawinendurchschlag, welcher bei zu großer Stromzunahme sonst erfolgen könnte, zu verhindern. Die Schaltung könnte ebenfalls verwendet werden, um einen Unterstrom zu erfassen, welcher sich zum Beispiel ergeben könnte, wenn die an die Leistungshalbleiteranordnung angeschlossene Last leerlaufend wird. Es kann in der Tat die gleiche Schaltung verwendet werden, um sowohl Überströme als auch Unterströme zu erfassen, indem zwei separate, zwei unterschiedliche Referenzströme vorsehende Stromquellen vorgesehen werden und der gemessene Strom mit jedem Referenzstrom einzeln verglichen wird.
• Die zweite Hauptelektrode der Leistungshalbleiteranordnung kann durch einen, dem ersten und zweiten Widerstand gleichenden, dritten Widerstand an den zweiten Anschluß angekoppelt sein.
• Obgleich die Widerstände aus der Leistungshalbleiteranordnung einzeln ausgebildet werden könnten, weisen die Widerstände vorzugsweise Halbleiterwiderstände auf, die von einem Halbleiterkörper getragen werden, in welchem die aktiven Bauelementzellen ausgebildet sind. Die Widerstände können Halbleiterwiderstände, wie zum Beispiel Dünnschichtwiderstände, z. B. aus dotiertem, polykristallinem Silicium, aufweisen, welche auf der Oberseite der Leistungshalbleiteranordnung und von dieser isoliert vorgesehen sind. Dadurch können die Widerstände zusammen mit der Leistungshalbleiteranordnung integriert, Probleme, wie zum Beispiel parasitäre, bipolare Einwirkung, welche bei Verwendung diffundierter Transistoren entstehen kann, jedoch vermieden werden. In den Fällen, in denen die parasitäre, bipolare Einwirkung kein Problem darstellt bzw. vermieden werden kann, können die Widerstände als mögliche Alternative durch Diffusionsbereiche innerhalb des Halbleiterkörpers der Leistungshalbleiteranordnung gebildet werden.
• Die Leistungshalbleiteranordnung kann einen Halbleiterkörper vorsehen, in welchem die aktiven Bauelementzellen einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate aufweisen, wobei jede Bauelementzelle innerhalb einer gemeinsamen Driftzone des einen Leitfähigkeitstyps eine Körperzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sowie eine Emitterzone des einen Leitfähigkeitstyps aufweist, welche von der gemeinsamen Driftzone getrennt und durch die zweite Hauptelektrode gegen die Körperzone, die einen Leitungskanalbereich definiert, neben welchem ein isoliertes Gate zur Ausbildung der Steuerelektrode vorgesehen ist, um eine gatesteuerbare, leitfähige Bahn für Ladungsträger des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der Emitterzone und der gemeinsamen Driftzone mit zumindest einer Injektorzone vorzusehen, welche die erste Hauptelektrode kontaktiert, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die gemeinsame Driftzone zu injizieren, kurzgeschlossen ist.
• In einem solchen Fall kann die minimal eine Meßzelle eine Körperzone aufweisen, welche den Körperzonen der aktiven Bauelementzelle gleicht und in der gemeinsamen Driftzone ausgebildet ist, bei welcher auf die Anordnung der Emitterzone jedoch verzichtet wurde, wobei die zweite Hauptelektrode des meßstromführenden Teiles die Körperzone der minimal einen Meßzelle kontaktiert und die erste Hauptelektrode des meßstromführenden Teiles durch die erste Hauptelektrode des hauptstromführenden Teiles vorgesehen ist. Eine Anordnung diese Art besitzt insofern Vorteile, als, da der meßstromfübrende Teil lediglich durch ein Bipolarelement (den pnp-Transistor im Falle eines N-Kanal IGBTs) dargestellt wird, sie nicht den inneren Widerstand des MOS-Bauelementes aufweist und eine gute Stromquelle vorsieht. Darüber hinaus ist der meßstromführende Teil nicht auf die Source-(Emitter)-Spannung des IGBTs begrenzt und wird durch Änderungen in den I-V-Charakteristiken des IGBTs, wie diese zum Beispiel auftreten können, wenn der IGBT in einem Kraftfahrzeugzündsystem verwendet wird und dieser von einem Zustand, in welchem sich der MOS-Teil der Struktur in der linearen Zone befindet, in einen aktiven Zustand versetzt wird, in welchem der MOS-Teil des IGBTs gesättigt ist, nicht beeinträchtigt.
• Der meßstromführende Teil könnte aus einer oder mehreren Zellen bestehen, welche mit den aktiven Bauelementzellen identisch sind, obgleich unter solchen Umständen die oben erwähnten Probleme im Hinblick auf den Einfluß des Innenwiderstandes des MOS-Bauelementes und die Tatsache, daß der meßstromführende Teil mit der IGBT-Source-(Emitter)-Spannung gekoppelt wäre, auftreten würden. Unter solchen Umständen kann ein dritter Widerstand zwischen der zweiten Hauptelektrode des IGBTs und dem zweiten Anschluß angeschlossen werden, damit die Spannung an dem meßstromführenden Teil dieser an dem hauptstromführenden Teil auf Kosten einer Erhöhung der Spannung an dem Bauelement genauer folgen kann.
• Die Leistungshalbleiteranordnung könnte möglicherweise besser durch einen Leistungs-MOSFET als durch einen IGBT oder sogar einen Bipolartransistor dargestellt sein, obgleich es, aufgrund der Tatsache, daß die Meßzellen im allgemeinen mit den aktiven Bauelementzellen identisch wären und der meßstromführende Teil mit der Source-(Emitter)-Spannung des hauptstromführenden Teiles gekoppelt wäre, wahrscheinlich in jedem Falle wünschenswert wäre, den obenerwähnten dritten Widerstand vorzusehen.
• Die Leistungshalbleiteranordnung kann durch eine vertikale Anordnung dargestellt sein, wobei die erste und zweite Hauptelektrode des hauptstromführenden Teiles auf gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers vorgesehen sind. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 - ein elektrisches Schaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung mit einer schematisch dargestellten Last; sowie
• Fig. 2 - ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung, welches einen Teil der Leistungshalbleiteranordnung im Querschnitt darstellt.
• Es versteht sich von selbst, daß es sich bei den Figuren nicht um maßstabsgetreue Darstellungen handelt und daß, besonders im Hinblick auf Fig. 2, bestimmte Dimensionen, wie zum Beispiel die Dicke der Schichten bzw. Zonen, zum Zwecke einer deutlicheren Darstellung übertrieben wiedergegeben sein können. Gleiche Teile wurden stets mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
• Wenden wir uns nun der Zeichnung zu, welche eine Strommeßschaltung 1 mit einem ersten und einem zweiten Anschluß 2 und 3 und einer Leistungshalbleiteranordnung 4 darstellt, wobei ein hauptstromführender Teil 4a eine Anzahl parallelgeschalteter, aktiver Bauelementzellen 5 und eine, an den ersten Anschluß 2 angekoppelte, erste Hauptelektrode 6, eine, an den zweiten Anschluß 3 angekoppelte, zweite Hauptelektrode 7 sowie eine Steuerelektrode 8 aufweist, wobei ein meßstromführender Teil 4b zumindest eine, den aktiven Bauelementzellen 5 gleichende Meßzelle 5a und eine, an den ersten Anschluß 2 angekoppelte, erste Hauptelektrode 6 sowie eine zweite Hauptelektrode 9 vorsieht und wobei eine Strommeßanordnung 10 einen ersten Widerstand R1 aufweist, welcher die zweite Hauptelektrode 9 des meßstromführenden Teiles 4b mit dem zweiten Anschluß 3 verbindet. Erfindungsgemäß weist die Strommeßanordnung 10 weiterhin einen, dem ersten Widerstand R1 gleichenden, zweiten Widerstand R2, eine, mit dem zweiten Widerstand R2 in Reihe an den zweiten Anschluß 3 gekoppelte Stromquelle 11, um über den zweiten Widerstand R2 einen Referenzstrom Ir zuzuführen, sowie einen Komparator 12 auf, um die Spannungen an dem ersten und zweiten Widerstand R1 und R2 zu vergleichen und ein Ausgangssignal 0 vorzusehen, um zu signalisieren, daß der Strom durch den hauptstromführenden Teil 4a einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
• In einer Schaltung gemäß der Erfindung wird die Spannung bzw. das Potential an dem ersten Widerstand R1 mit der durch den Referenzstrom Ir an dem zweiten Widerstand R2 erzeugten Spannung verglichen. Der zweite Widerstand R2 gleicht dem ersten Widerstand R1, das heißt, der zweite Widerstand R2 wird unter Anwendung der gleichen Verfahrenstechnik und im allgemeinen zur gleichen Zeit wie der erste Widerstand R1 hergestellt. Folglich ist das Verhältnis zwischen den Widerständen des ersten und zweiten Widerstandselementes R1 und R2 sehr genau vorherzusagen, und deren Absolutwerte sind nicht signifikant, so daß weder beide Widerstände beeinflussende Verfahrensabweichungen noch Änderungen der Umgebungstemperatur den vorgegebenen Wert, bei welchem der Komparator ein Ausgangssignal vorsieht, beeinträchtigen. Der Komparator 12 bringt somit den Strom Im durch das Bauelement, wie durch den Meßstrom Is dargestellt, mit dem Referenzstrom Ir direkt in Verbindung. Der vorgegebene Wert, bei welchem der Komparator 12 ein Ausgangssignal 0 vorsieht, wird durch den Referenzstrom Ir bestimmt.
• In dem durch die Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leistungshalbleiteranordnung 4 durch einen n-Kanal-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) dargestellt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten elektrischen Schaltbild ist der IGBT 4 nicht durch dessen konventionelles Schaltzeichen, sondern durch eine Kombination aus einem Schaltzeichen eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate und einem Bipolartransistor-Schaltzeichen dargestellt, um die Wirkungsweise der Anordnung zu erläutern. Somit ist der hauptstromführende Teil 4a in Fig. 1 durch Phantomlinien begrenzt und als n-Kanal-Anreicherungsfeldeffekttransistor Q1 mit isoliertem Gate in Verbindung mit einem pnp-Bipolartransistor B1 dargestellt. Die Source des Transistors Q1 ist mit der zweiten Hauptelektrode 7 des IGBTs 4 gekoppelt. Diese zweite Hauptelektrode 7 wird normalerweise selbstverständlich als Emitter bzw. Kathode C eines n-Kanal-IGBTs identifiziert. Die Emitterelektrode 7 selbst ist mit dem zweiten Anschluß 3 (möglicherweise über einen, durch Phantomlinien in Fig. 1 dargestellten, optionalen Widerstand R3) gekoppelt. Der Drain des Transistors Q1 ist mit der Basis des Bipolartransistors B1 zusammengeschaltet. Der Emitter des pnp-Bipolartransistors B1 ist mit der ersten Hauptelektrode 6 des IGBTs gekoppelt. Die erste Hauptelektrode 6 ist normalerweise als Anodenelektrode A eines n-Kanal-IGBTs bekannt. Der Kollektor des Bipolartransistors B1 ist mit dem rückseitigen Gate des Transistors Q1 und durch den normalen Kurzschluß der Source mit rückseitigem Gate somit mit der Source des Transistors Q1 zusammengeschaltet. Das isolierte Gate des Transistors Q1 sieht die Steuerelektrode 8 des IGBTs vor.
• Aus aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlichen Gründen ist der meßstromführende Teil 4b lediglich durch einen pnp-Bipolartransistor B2 dargestellt, dessen Basis und Emitter jeweils an die Basis und den Emitter des Bipolartransistors B1 angeschlossen sind. Der Kollektor des Bipolartransistors B2 sieht die zweite Hauptelektrode 9 des meßstromführenden Teiles 4b vor und ist über den ersten Widerstand R1 mit dem zweiten Anschluß 3 gekoppelt.
• Der Übergang J1 zwischen dem Widerstand R1 und der zweiten Hauptelektrode 9 des meßstromführenden Teiles 4b ist mit einem Eingang 12a des Komparators 12 zusammengeschaltet, wobei der andere Eingang 12b des Komparators 12 über den zweiten Widerstand R2 an einem Übergang J2 mit dem zweiten Anschluß 3 gekoppelt ist. Wie oben angegeben, wird durch eine Referenzstromquelle 11 ein Referenzstrom Ir für den zweiten Widerstand R2 zugeführt. Obgleich in diesem Ausführungsbeispiel die Referenzstromquelle 11 über den zweiten Widerstand R2 mit dem zweiten Anschluß 3 gekoppelt ist, ist es für Fachkundige naheliegend, die Positionierungen dieser beiden Bauelemente zu reversieren.
• Der Komparator 12 kann durch einen geeigneten, konventionellen Typ, wie zum Beispiel einen Hochleistungsdifferenzverstärker, welcher durch Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate gebildet wird, die mit der Leistungshalbleiteranordnung auf bekannte Weise integriert werden können, dargestellt sein. Obgleich die Referenzstromquelle 11 an die Leistungshalbleiteranordnung 4 angeformt ausgebildet werden könnte, wird sie vorzugsweise außerhalb der Leistungshalbleiteranordnung 4 vorgesehen, wodurch der Referenzstrom Ir so eingestellt bzw. getrimmt werden kann, daß geringfügige Abweichungen bei den Spezifikationen der Schaltung bzw. der Endanwendung aufgefangen oder für eine neue Anwendung signifikant verändert werden können. Die Referenzstromquelle 11 kann durch einen Festwertwiderstand dargestellt sein, wobei ein bestimmter Wert, zum Beispiel im Bereich von 1 bis 5 Kiloohm, mit einer Konstantspannungsquelle gekoppelt ist, bei welcher es sich um eine Spannungsquelle handeln kann, die bei dem Leistungshalbleiter 4 bereits vorhanden ist oder von einer geeigneten Stromversorgung auf geeignete, bekannte Weise abgeleitet werden könnte, wie zum Beispiel unter Verwendung einer oder mehrerer Zenerdioden. Als mögliche Alternative könnte eine Feststromquelle unter Verwendung aktiver Bauelemente auf bekannte Weise abgeleitet werden. Zudem kann die Stromquelle 11 so ausgeführt sein, daß sie verschiedene Referenzströme unter der Kontrolle eines geeigneten Regelungssystemes vorsieht, zum Beispiel, um unter bestimmten spezifischen Bedingungen, wie diese bei Kaltwetterverhältnissen herrschen können, bei welchen die Halbleiteranordnung in einem Kraftfahrzeugzündsytem verwendet wird, einen höheren Strom zuzulassen.
• Fig. 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, wobei ein Teil des IGBTs 4 im Querschnitt dargestellt ist, um typische Strukturbeispiele für die aktiven Bauelementzellen 5 und die Meßzelle 5a zu zeigen. Der Querschnitt von Fig. 2 verläuft durch einen Teil des Halbleiters in Angrenzung an dessen Randbereich und zeigt somit eine der vielen parallelgeschalteten, normalen, aktiven Bauelementzellen 5 und eine periphere Bauelementzelle 5b.
• Der IGBT weist einen Halbleiterkörper 13 mit einem relativ stark dotierten, monokristallinen Substrat 14, im allgemeinen aus Silicium, auf, auf welchem eine relativ schwach dotierte, epitaktische Schicht 15 vorgesehen ist. Wird der Leistungshalbleiter 4, wie in diesem Ausführungsbeispiel, durch einen IGBT dargestellt, bildet das Substrat 14 die Anodenzone und weist einen anderen Leitfähigkeitstyp als die die Driftzone bildende, epitaktische Schicht 15, in diesem Ausführungsbeispiel den p- Leitfähigkeitstyp, auf. Obgleich nicht dargestellt, können sich bei einer IGBT-Struktur diskrete Zonen des einen Leitfähigkeitstyps, in diesem Ausführungsbeispiel des n- Leitfähigkeitstyps, durch das Substrat 14 erstrecken, um eine anodenkurzgeschlossene Struktur vorzusehen. Die erste Hauptelektrode 6 ist in ohmschem Kontakt mit dem Substrat 14 vorgesehen.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist die Leistungshalbleiteranordnung 4 durch einen DMOS-Typ dargestellt, wobei jede aktive Bauelementzelle 5 eine jeweilige Sourcezone 16 des einen Leitfähigkeitstyps aufweist, welche in der gemeinsamen Driftzone 15 ausgebildet und von dieser durch eine zugeordnete, die Leitungskanalzone definierende Körperzone 17 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps getrennt ist. Source- und Drainzone 16 und 17 werden zu einer Struktur 18 mit isoliertem Gate auf bekannte Weise automatisch justiert, so daß eine Leitungskanalzone 19 jeder Körperzone 17 unter einem jeweiligen Teil der Struktur 18 mit isoliertem Gate vorgesehen ist. Im allgemeinen weist die Struktur 18 mit isoliertem Gate eine Schicht aus thermischem Oxid auf, auf welcher eine dotierte, polykristalline Siliciumschicht vorgesehen ist.
• Wie für Fachkundige naheliegend, bildet bei Vergleichen der Fig. 1 und 2 das p-leitende Substrat 14 die Anode des IGBTs und die Sourcezonen 16 die Kathode des IGBTs 4. Fig. 1 zeigt den IGBT 4 selbstverständlich als eine Kombination aus einem NMOS-Transistor Q1 und den Bipolartransistoren B 1 und B2. In Bezug auf den hauptstromführenden Teil 4a des IGBTs werden die Source, das rückseitige Gate und der Drain des in Fig. 1 dargestellten NMOS-Transistors Q 1 selbstverständlich jeweils durch die Sourcezonen 16, die Körperzonen 17 und die gemeinsame Driftzone 15 gebildet, während Kollektor, Basis und Emitter des pnp-Bipolartransistors B1 jeweils durch die Körperzonen 17, die gemeinsame Driftzone 13 und das Substrat 14 gebildet werden.
• In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Körperzone 17 eine relativ stark dotierte, verhältnismäßig tiefe Zusatzzone 17a auf, welche unter Verwendung einer geeigneten Maske vor Ausbildung der Struktur 18 mit isoliertem Gate vorgesehen wird. Obgleich nicht dargestellt, kann jede Körperzone 17 ebenfalls eine weitere, relativ stark dotierte Zusatzzone aufweisen, welche nach Ausbildung der Struktur 18 mit isoliertem Gate, jedoch während sich die zur Ausbildung der Struktur 10 mit isoliertem Gate verwendete, fotoempfindliche Fotolackmaske (nicht dargestellt) noch am richtigen Platz befindet, durch Einbringen von Störstellen so vorgesehen wird, daß die weitere, relativ stark dotierte Zusatzzone zu der Maske ausgerichtet, jedoch infolge von Unterätzung bei Ausbildung der Struktur mit isoliertem Gate geringfügig von dem Rand der Struktur 18 mit isoliertem Gate beabstandet ist.
• Jede Körperzone 17 weist eine relativ schwach dotierte Zusatzzone 17b auf, welche, wie die Sourcezone 16, nach Ausbildung der Struktur 18 mit isoliertem Gate durch Einbringen von Störstellen so vorgesehen wird, daß diese zu der Struktur 18 mit isoliertem Gate ausgerichtet ist.
• Die peripheren Bauelementzellen 5b gleichen den verbleibenden, aktiven Bauelementzellen 5, mit der Ausnahme, daß die Sourcezonen 16 im äußeren Teil der Zelle nicht vorgesehen (bzw. überdotiert) sind und der äußere Randbereich der Zelle durch eine relativ tiefe, verhältnismäßig stark dotierte, p-leitende Zone 17c gebildet wird. Über der Struktur 18 mit isoliertem Gate wird eine Isolationsschicht 20 vorgesehen, und es werden sodann Fenster geöffnet, um eine anschließende Metallisierung zu ermöglichen und eine, die Struktur 18 mit isoliertem Gate kontaktierende Gateelektrode (nicht dargestellt) sowie die, die Emitterzonen 16 kontaktierende, zweite Hauptelektrode 7 vorzusehen. Die zweite Hauptelektrode 7 schließt die Körperzonen 17 gegen die Sourcezonen 16 ebenfalls elektrisch kurz. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses durch Ätzung eines Grabens durch die Mittelpunkte der Sourcezonen 16 unter Anwendung konventioneller, fotolithografischer Prozesse und Ätzverfahren erreicht, um einen mittleren Bereich 17 der Körperzonen 17 freizulegen.
• Die Leistungshalbleiteranordnung weist typischerweise viele tausend, von peripheren aktiven Bauelementzellen 5b umgebene, aktive Bauelementzellen 5 auf, welche mit Hilfe der ersten und zweiten Hauptelektrode 6 und 7 und der isolierten Gateelektrode 8 parallelgeschaltet sind.
• Obgleich in Fig. 2 nicht dargestellt, ist der äußere Randbereich (wie durch die peripheren Bauelementzellen 5b definiert) der Halbleiteranordnung, wie vom Stand der Technik her bekannt, von einer Art Randabschluß, wie zum Beispiel Feldreliefringen (Kao's) und/oder Feldelektroden, umgeben.
• In diesem Ausführungsbeispiel wird der meßstromführende Teil 4b durch eine oder mehrere Bauelementzellen 5a gebildet, welche den aktiven Bauelementzellen 5 gleichen, jedoch keine Sourcezonen 16 aufweisen. Obgleich Fig. 2 lediglich eine Meßzelle 5a dieser Art zeigt, kann der tatsächliche IGBT 4 mehrere solcher Meßzellen 5a aufweisen. Die erste Hauptelektrode des meßstromführenden Teiles 4b ist an die erste Haupt- bzw. Anodenelektrode 6 des hauptstromführenden Teiles 4a angeformt, wohingegen die zweite Hauptelektrode 9 des meßstromführenden Teiles mit der zweiten Haupt- bzw. Kathodenelektrode 7 des hauptstromführenden Teiles 4a, jedoch von dieser getrennt so ausgebildet ist, daß sie die Körperzonen 17a der Meßzellen 5a kontaktiert.
• Obgleich nicht dargestellt, werden der erste und zweite Widerstand R1 und R2 (und der dritte Widerstand R3, sofern vorhanden) vorzugsweise von dem Halbleiterkörper 13 getragen. Somit können zum Beispiel die Widerstände R1 und R2 (sowie R3, sofern vorhanden) unter Anwendung der Dünnschichttechnik, im allgemeinen unter Verwendung von dotiertem, polykristallinem Silicium, auf der Oberseite einer, auf der Leistungshalbleiteranordnung 4 vorgesehenen Isolationsschicht oder, als mögliche Alternative, falls eine parasitäre, bipolare Einwirkung kein Problem darstellt oder vermieden werden kann, als Diffusionsbereiche in dem Halbleiterkörper 13 ausgebildet werden. Als weitere Alternative könnten die Widerstände als externe Bauelemente vorgesehen werden.
• Die Meßzellen 5a könnten, wie zum Beispiel in US-A-4783690 beschrieben, von der Struktur her den aktiven Bauelementzellen 5 gleichen, wobei jedoch, wie zum Beispiel in US-A-4990978 beschrieben, das Weglassen der IGBT- Source- bzw. Emitterzonen 16 von Vorteil sein kann. An den Stellen, an welchen die Meßzellen die gleiche Struktur wie die aktiven Bauelementzellen aufweisen und deshalb einen Strom Is führen sollten, welcher eine typische Fraktion des gesamten IGBT- Stromes darstellt, weist eine solche Anordnung infolge der Tatsache, daß das Potential an den Meßzellen nicht mehr dem des hauptstromführenden Teiles entspricht, nicht die erforderliche Präzision auf. Dieses Problem kann gemildert werden, indem der erste Widerstand R1 lediglich in den Kollektorkreis des pnp-Transistorelementes des IGBTs aufgenommen wird, da, vorausgesetzt, daß das Potential an dem ersten Widerstand R1 gering ist, zum Beispiel nicht mehr als zwei- bis dreihundert Millivolt beträgt, der Kollektor eine gute Stromquelle vorsieht und das Maß des Bipolarteiles des Stromes, welcher dem Gesamtstrom folgen soll, völlig präzise ist. Der pnp-Transistor der Meßzelle 5a bleibt mit den aktiven Bauelementzellen 5 eng verbunden und sieht somit nach wie vor eine gute Indikation des gesamten Bauelementstromes Im vor. Diese könnte allein durch Nichtkontaktierung der Sourcezonen 16 der Meßzellen 5a erreicht werden. Das Auslassen dieser Sourcezonen 16 aus den Meßzellen 5a weist jedoch insofern Vorteile auf, als es dazu beitragen soll, die wachsende Wahrscheinlichkeit parasitärer, bipolarer Einwirkung aufgrund der, durch die Aufnahme des ersten Widerstandes R1 bewirkte Zunahme der Leistungsverstärkung des inhärenten Thyristors zu verhindern.
• Unter absolut idealen Bedingungen können der erste und zweite Widerstand R1 und R2 identische Widerstandswerte aufweisen. Im allgemeinen stehen der erste und zweite Widerstand R1 und R2 jedoch in einem vorgegebenen Verhältnis, welches recht gering sein sollte, da Verfahrensabweichungen zwischen den Widerständen mit Ansteigen des Wertunterschiedes zunehmen können. Das Verhältnis zwischen dem ersten und zweiten Widerstand R1 : R2 kann 1 : 10 oder weniger betragen. Bei einem konventionellen IGBT mit 10000 typisch aktiven Bauelementzellen kann der erste Widerstand R1 einen Wert von 15 Ω (Ohm), der zweite Widerstand R2 dagegen einen Wert von 50 Ω (Ohm) aufweisen.
• Bei Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ist der Anschluß 2 im allgemeinen über eine Last L mit einer, eine positive Spannung aufweisenden Versorgungsleitung 2a gekoppelt, während der zweite Anschluß 3 im allgemeinen die andere Stromversorgungsleitung 2 bildet und in der Regel an Erde bzw. Masse gelegt ist, obgleich eine geeignete Spannung unterhalb dieser der Stromversorgungsleitung 2a, welche eine positive Spannung aufweist, verwendet werden könnte. Zur Leitfähigmachung des IGBTs wird die Steuerelektrode 80 an dem Anschluß G mit einer geeigneten Positivspannung gekoppelt. Die Referenzstromquelle 11 sieht über den zweiten Widerstand R2 einen Referenzstrom Ir vor, um an diesem eine Spannung V2 zu erzeugen, welche mit Hilfe des Komparators 12 mit der an dem ersten Widerstand R1 durch den Strom Is durch den meßstromführenden Teil 4b erzeugten Spannung V 1 verglichen wird. Der Referenzstrom Ir wird so gewählt, daß, sobald der Strom durch den hauptstromführenden Teil 4a des IGBTs einen maximal wünschenswerten Wert überschreitet, zum Beispiel infolge des Verhaltens der Last L, welche durch eine induktive Last, wie zum Beispiel eine Kraftfahrzeugzündspule, dargestellt sein kann, der Komparator 12 ein Ausgangssignal 0 vorsieht, welches einem Regelkreis (nicht dargestellt), welcher sodann zum Abschalten des IGBTs 4 dient, zugeführt werden kann. Der Regelkreis könnte einfach aus einem aktiven Bauelement, wie zum Beispiel in diesem Ausführungsbeispiel einem lateralen NMOS-Transistor, bestehen, dessen Hauptstrombahn zwischen der Gate- 8 und Kathodenelektrode 7 des IGBTs 4 und dessen Steuerelektrode an den Ausgang des Komparators 12 angeschlossen ist, so daß das Ausgangssignal 0 des Komparators 12 den Transistor einschaltet, wodurch bewirkt wird, daß der Strom durch den IGBT auf einem, durch das Signal des Meßstromes Is, den Referenzstrom Ir und den Komparator 12 bestimmten Schwellenpegel gehalten wird. Durch Hinzufügen einer geeigneten Hystereseschaltung eines bekannten Typs kann der Transistor zum Erden der Steuerelektrode verwendet werden, um den IGBT 4 abzuschalten, sobald der erfaßte Strom das gewünschte Limit überschreitet.
• Das gewünschte Limit wird auf relativ einfache Weise durch Einstellen des Referenzstromes Ir bestimmt, welcher, da dieser durch ein Bauelement außerhalb der Leistungshalbleiteranordnung zugeführt werden kann, so eingestellt werden kann, daß er den Bedürfnissen des Endanwenders entspricht und nicht seitens des Herstellers der Leistungshalbleiteranordnung eingestellt werden braucht.
• Das Ausgangssignal 0 des Komparators 12 kann als Eingangssignal für eine geeignete Form einer Systemsteuerung für die Leistungshalbleiteranordnung 4 verwendet werden. So kann zum Beispiel in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal zum Abschalten der Leistungshalbleiteranordnung 4 verwendet werden, wenn durch eine Überlast ein Überstrom erzeugt wird. Die Schaltung kann somit zur Strombegrenzung benutzt werden und soll dazu beitragen, Probleme, wie zum Beispiel einen Lawinendurchschlag, welcher bei zu hohem Strom sonst erfolgen könnte, zu verhindern. Die Schaltung könnte ebenfalls dazu verwendet werden, einen Unterstrom zu erfassen, wie sich dieser zum Beispiel ergeben könnte, wenn die an die Leistungshalbleiteranordnung angeschlossene Last leerlaufend ist, zum Beispiel, wenn bei Verwendung der Leistungshalbleiteranordnung 4 in einem Kraftfahrzeugzündsystem die Zündspule ausfällt. Es kann in der Tat die gleiche Schaltung sowohl zur Erfassung von Überströmen als auch zur Erfassung von Unterströmen verwendet werden, indem zwei, zwei unterschiedliche Referenzströme vorsehende, getrennte Stromquellen vorgesehen werden und der gemessene Strom mit jedem Referenzstrom Ir getrennt verglichen wird.
• Wie Fachkundigen bekannt, handelt es sich bei dem Kollektor eines pnp- Bipolartransistors um einen hochohmigen Anschluß, welcher einer idealen Stromquelle gleicht, während es sich bei der Source eines Feldeffekttransistors mit isoliertem Gate in der Tat um eine, mit einem, 1/gm entsprechenden Widerstand in Reihe geschaltete Spannungsquelle handelt. Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel, bei welchem die Zellen des meßstromführenden Teiles 4b lediglich aus dem pnp-Bipolartransistorelement des IGBTs 4 bestehen, weist, wie oben erwähnt, insofern Vorteile auf, als, da der meßstromführende Teil 4b lediglich durch ein Bipolartransistorelement gebildet wird, diese nicht den Widerstand des MOS-Bauelementes aufweist und eine gute Stromquelle vorsieht. Darüber hinaus ist der meßstromführende Teil nicht auf die Source-(Emitter)- Spannung des IGBTs 4 begrenzt und wird durch Änderungen in den I-V- Charakteristiken des IGBTs, wie diese zum Beispiel auftreten können, wenn der IGBT in einem Kraftfahrzeugzündsystem verwendet wird und dieser von einem Zustand, in welchem sich der MOS-Teil der Struktur in der linearen Zone befindet, in einen aktiven Zustand versetzt wird, in welchem der MOS-Teil des IGBTs gesättigt ist, nicht beeinträchtigt.
• Es kann jedoch jede andere geeignete Form eines integrierten, meßstromführenden Teiles, welcher folgt und somit eine Indikation des gesamten IGBT- Stromes vorsieht, verwendet werden. Der meßstromführende Teil 4b könnte somit aus einer oder mehreren Zellen bestehen, welche mit den aktiven Bauelementzellen identisch sind, obgleich unter solchen Umständen die oben erwähnten Probleme im Hinblick auf die Einwirkung des Innenwiderstandes des MOS-Bauelementes und die Tatsache, daß der meßstromführende Teil mit der IGBT-Source-(Emitter)-Spannung gekoppelt wäre, auftreten würden. Unter solchen Umständen kann, damit der Meßstrom Is dem Hauptstrom Im genauer folgen kann, ein dem ersten und zweiten Widerstand R1 und R2 gleichender, dritter Widerstand R3, welcher einen, in umgekehrter Proportionalität zu dem Verhältnis der Anzahl Zellen in dem haupt- und meßstromführenden Teil 4a und 4b skalierten Wert aufweist, wie durch Phantomlinien in Fig. 1 dargestellt, zwischen der zweiten Hauptelektrode 7 des hauptstromführenden Teiles 4a des IGBTs und der zweiten Stromversorgungsleitung 3 vorgesehen werden.
• In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Strommeßschaltung unter Verwendung eines einzelnen Halbleiterkörpers angeformt sein. Im allgemeinen ist die Stromquelle 11 jedoch vornehmlich durch einen separaten Teil dargestellt. Ebenso kann sich dieses Bauelement (das heißt die Schaltung ohne die Stromquelle 11), obgleich die Widerstände R1 und R2 (sowie R3, sofern vorhanden) sowie der Komparator durch ein integriertes Bauelement vorgesehen sein können, aus getrennten Teilen zusammensetzen, wobei Widerstände und Komparator von dem IGBT getrennt ausgebildet sind.
• Obwohl die vorliegende Erfindung oben in Bezug auf einen vertikalen IGBT beschrieben wurde, könnte diese auch auf laterale Bauelemente angewandt werden. Ferner kann die vorliegende Erfindung auf andere zellulare Leistungshalbleiteranordnungen als IGBTs angewandt werden. So kann die Leistungshalbleiteranordnung zum Beispiel durch einen Leistungs-MOSFET dargestellt sein, wenn bei dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt das Substrat und die gemeinsame Driftzone den gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen. Ebenso ist es vorstellbar, daß es sich bei der Leistungshalbleiteranordnung um einen Bipolartransistor handeln könnte. In jedem Falle wären die Meßzellen im allgemeinen mit den aktiven Bauelementzellen identisch, und es wäre wahrscheinlich wünschenswert, daß der dritte Widerstand so vorgesehen wird, daß, aufgrund der Tatsache, daß der meßstromführende Teil mit der Source-(Emitter)-Spannung des hauptstromführenden Teiles gekoppelt wäre, der Meßstrom dem Hauptstrom genauer folgen kann.
• Selbstverständlich könnten die oben angegebenen Leitfähigkeitstypen umgekehrt werden, so daß die Erfindung bei entsprechender Änderung der Spannungspolaritäten auf p-leitende bzw. n-leitende Bauelemente angewandt werden kann.
• Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls auf andere Halbleiteranordnungen als Siliciumhalbleiteranordnungen angewandt werden. Bei Lesen der vorliegenden Offenbarung werden sich für Fachkundige weitere Modifikationen und Variationen ergeben. Solche Modifikationen und Variationen können weitere Merkmale mit sich bringen, welche in der Halbleitertechnik bereits bekannt sind und welche anstelle oder zusätzlich zu den hier bereits beschriebenen Merkmalen verwendet werden können.
• Es wurde oben erwähnt, daß die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt. Um Mißverständnisse zu vermeiden, wird weiterhin erklärt, daß die in den nachfolgenden Patentansprüchen technischen Merkmalen zugeordneten Bezugsziffern, welche sich auf Merkmale in der Zeichnung beziehen und zwischen Klammern gesetzt sind, gemäß Regel 29(7) EPÜ zum alleinigen Zwecke der Vereinfachung des Patentanspruches unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel eingefügt sind.

Claims (10)

1. Strommeßschaltungselement zur Verwendung zusammen mit einer Stromquelle, wobei das Bauelement einen ersten und einen zweiten Anschluß (2, 3) und eine Leistungshalbleiteranordnung (4) mit einem hauptstromführenden Teil (4a) und einem meßstromführenden Teil (4b) aufweist, wobei der hauptstromführende Teil (4a) eine Anzahl parallelgeschalteter, aktiver Bauelementzellen (5) und eine, mit dem ersten Anschluß (2) elektrisch gekoppelte, erste Hauptelektrode (6), eine, mit dem zweiten Anschluß (3) elektrisch gekoppelte, zweite Hauptelektrode (7) sowie eine Steuerelektrode (8) zur Steuerung der aktiven Bauelementzellen (5) aufweist, wobei der meßstromführende Teil (4b) zumindest eine Meßzelle (5a) vorsieht, welche den aktiven Bauelementzellen (5) insofern gleicht, als die stromführenden Teile der aktiven Bauelement- und Meßzellen jeweils zumindest drei, alternierende Leitfähigkeitstypen aufweisende Zonen (14, 15, 17, 16) zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (6, 7, 9) vorsehen, wobei die erste Hauptelektrode (6) der Meßzelle (5a) mit dem ersten Anschluß (2) elektrisch gekoppelt und die zweite Hauptelektrode (9) der Meßzelle (5a) von der zweiten Hauptelektrode (9) der aktiven Bauelementzelle (5) getrennt ist und wobei eine Strommeßanordnung (10) einen ersten Widerstand (R1) aufweist, welcher die zweite Hauptelektrode (9) des meßstromführenden Teiles (4b) mit dem zweiten Anschluß (3) elektrisch koppelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßanordnung (10) weiterhin einen, dem ersten Widerstand (R1) gleichenden, zweiten Widerstand (R2) aufweist, um eine Stromquelle (11) mit dem zweiten Anschluß (3) elektrisch hintereinanderzuschalten, um über den zweiten Widerstand (R2) einen Referenzstrom (Ir) zuzuführen, sowie einen Komparator (12) vorsieht, um die Spannungen an dem ersten und zweiten Widerstand (R1, R2) zu vergleichen und ein Ausgangssignal (0) vorzusehen, um zu signalisieren, daß der Strom durch den hauptstromführenden Teil (4a) einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

2. Kombination eines Strommeßschaltungselementes nach Anspruch 1 mit einer Stromquelle (11) zum Anschluß an den zweiten Anschluß (3) über den zweiten Widerstand (R2).

3. Strommeßschaltung mit einem Strommeßschaltungselement nach Anspruch 1, welche eine Stromquelle (11) aufweist, die in Reihe mit dem zweiten Widerstand (R2) an dem zweiten Anschluß (3) elektrisch angeschlossen ist, um über den zweiten Widerstand (R2) einen Referenzstrom (Ir) zuzuführen.

4. Schaltung nach Anspruch 3, bei welcher die zweite Hauptelektrode (7) der Leistungshalbleiteranordnung (4) über einen dritten Widerstand (R3) des gleichen Fertigungstyps wie der erste und zweite Widerstand (R1, R2) mit dem zweiten Anschluß (3) elektrisch gekoppelt ist.

5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher die Widerstände (R1, R2) Halbleiterwiderstände aufweisen, welche von einem Halbleiterkörper (13), in welchem die aktiven Bauelementzellen (5) der Leistungshalbleiteranordnung (4) ausgebildet sind, getragen werden.

6. Schaltung nach Anspruch 5, bei welcher die Widerstände (R1, R2) Halbleiterdünnschichtwiderstände aufweisen, welche auf der Leistungshalbleiteranordnung (4) und von dieser isoliert vorgesehen sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, bei welcher die Leistungshalbleiteranordnung (4) durch einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate dargestellt ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei welcher die Leistungshalbleiteranordnung (4) einen Halbleiterkörper (13) vorsieht, in welchem die aktiven Bauelementzellen (5) einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate aufweisen, wobei jede Bauelementzelle (S) innerhalb einer gemeinsamen Driftzone (15) des einen Leitfähigkeitstyps eine Körperzone (17) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sowie eine Emitterzone (16) des einen Leitfähigkeitstyps aufweist, welche von der gemeinsamen Driftzone (15) getrennt und durch die zweite Hauptelektrode (7) gegen die Körperzone (17), die einen Leitungskanalbereich (19) definiert, neben welchem ein isoliertes Gate (18) zur Ausbildung der Steuerelektrode vorgesehen ist, um eine gatesteuerbare, leitfähige Bahn für Ladungsträger des einen Leitfähigkeitstyps zwischen der Emitterzone (16) und der gemeinsamen Driftzone (15) mit zumindest einer Injektorzone (14) vorzusehen, welche die erste Hauptelektrode (6) kontaktiert, um Ladungsträger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in die gemeinsame Driftzone (15) zu injizieren, kurzgeschlossen ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, bei welcher die minimal eine Meßzelle (5a) eine Körperzone (17) aufweist, welche den Körperzonen (17) der aktiven Bauelementzellen gleicht und in der gemeinsamen Driftzone (15) ausgebildet ist, bei welcher auf die Anordnung der Emitterzone (16) jedoch verzichtet wurde, wobei die zweite Hauptelektrode (9) des meßstromführenden Teiles (4b) die Körperzone (17) der minimal einen Meßzelle kontaktiert und die erste Hauptelektrode (6) des meßstromführenden Teiles (4b) durch die erste Hauptelektrode (6) des hauptstromführenden Teiles (4a) vorgesehen ist.

10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher die Leistungshalbleiteranordnung (4) ein Vertikalelement aufweist, wobei die erste und zweite Hauptelektrode (6, 7) des hauptstromführenden Teiles (4a) auf sich gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Halbleiterkörpers vorgesehen sind.