EP1444780A1 - Semiconductor circuit, especially for ignition purposes, and the use of the same - Google Patents

Semiconductor circuit, especially for ignition purposes, and the use of the same

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EP1444780A1
EP1444780A1 EP02774426A EP02774426A EP1444780A1 EP 1444780 A1 EP1444780 A1 EP 1444780A1 EP 02774426 A EP02774426 A EP 02774426A EP 02774426 A EP02774426 A EP 02774426A EP 1444780 A1 EP1444780 A1 EP 1444780A1
Authority
EP
European Patent Office
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semiconductor
voltage
switch device
control
connection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02774426A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Topp
Horst Meinders
Wolfgang Feiler
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02P3/02Other installations having inductive energy storage, e.g. arrangements of induction coils
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    • F02P3/05Layout of circuits for control of the magnitude of the current in the ignition coil
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/2065Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit the control being related to the coil temperature
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor circuit arrangement, in particular for ignition applications.
  • the IGBTs are used as circuit breakers in the range from a few hundred to a few thousand volts reverse voltage.
  • a vertical IGBT is similar to that of a VDMOS transistor, but with the difference that a p + emitter is arranged on its anode side instead of an n + substrate in the VDMOS transistor.
  • a vertical MOSFET component with the basic structure of a vertical IGBT is known from DE 31 10 230 C3.
  • two types of vertical IGBT or V-IGBT can be distinguished, namely the so-called punch-through IGBT (PT) and the so-called non-punch-through IGBT (NPT), as described for example in Laska et al. , Solid State Electronics, Volume 35, No. 5, pages 681-685.
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional illustration of a known PT or NPT IGBT, which generally bears the reference symbol 100.
  • a PT-IGBT is usually produced on a thick, p + -doped substrate with an epitaxially applied n buffer layer 140 and an likewise epitaxially applied n ⁇ drift region 104. Since the thickness of the n " drift region 104 is chosen to be as small as possible for a forward voltage drop that is as small as the width of the space charge zone in the n " drift region 104 requires for the desired blocking capability, the n buffer layer 140 serves to reach through the space charge zone to avoid the p + emitter 105 provided in the substrate.
  • the carrier lifetime is kept short by means of life-time killing, for example by means of radiation, and / or the doping of the n-buffer layer 140 is chosen to be correspondingly high. Since the forward voltage with increasing doping dose of the n-buffer layer 140, a good compromise between pass-through and switch-off behavior can be achieved with a highly doped thin n-buffer layer 140.
  • An NPT-IGBT can be derived from the PT-IGBT in that the n-buffer layer 140 is omitted and the thickness of the drift region 104 is chosen to be larger than the width of the space charge zone requires for the desired blocking capacity.
  • the NPT-IGBT is usually produced on a low-doped substrate with a long charge carrier lifetime, whereby after the diffusion profiles have been introduced on the front of the wafer, a flat p + emitter 105 with only a few ⁇ m penetration depth (very much less than 20 ⁇ m) and poor emitter efficiency on the Wafer back is manufactured.
  • Such a transparent p + emitter 105 serves to ensure that the current is quickly switched off during dynamic operation of the component with the aim of keeping the switch-off losses small.
  • the carrier lifetime in the n " drift region 104 must be chosen as high as possible, and furthermore the thickness of the n ⁇ drift region 104 must be chosen as small as possible, taking into account the desired blocking capability of the component ,
  • a PT or NPT IGBT is composed of an active region 130 and an edge termination region 150, the latter ensuring the desired blocking capability towards the edge of the chip.
  • the active area 130 sets consist of a large number of parallel-connected cell or strip-shaped MOS control heads 106, 107, 108. These MOS control heads 106, 107, 108 will be explained in more detail later in connection with the functioning of vertical IGBTs.
  • the MOS control heads 106, 107, 108 are obtained by continuously mirroring the half cell shown in FIG. 6 between the sections AA 'and BB' at the section AA '.
  • field plate structures are customary to achieve the desired blocking ability. These usually consist of a cathode 101 designed as a metal field plate, a polysilicon field plate 153a electrically connected to it via the third dimension, not shown, a metallization 152 connected to an n + channel stopper 155, and a polysilicon field plate electrically connected to the metallization 152 via the third dimension, not shown 153b.
  • reference numeral 159 denotes a field oxide and reference numeral 110 denotes an intermediate dielectric which, apart from targeted contacts, serves to electrically isolate the metallization level from the polysilicon level.
  • a gate 103 which is usually insulated from the semiconductor body by means of a thin gate oxide layer 109 and is usually made of polysilicon, is applied to the cathode 101 Potential brought above the threshold voltage of the MOS control heads 106, 107, 108.
  • An inversion channel is then generated on the semiconductor surface under the gate 103 in the region of the p-body region 108, whereupon the semiconductor surface in the region of the n ⁇ drift region 104 is in the state of accumulation. If the anode 102 has a positive voltage relative to the cathode 101, electrons are injected into the n " drift region 104 via the n + source region 106, the influenced MOS channel and the accumulation layer.
  • the p + emitter 105 on the anode side is then injected Holes, through which the n ⁇ drift region 104 is flooded by charge carriers in such a way that its conductivity is increased in the active region 130 and adjacent parts of the edge termination 150. These parts are in high injection at normal forward current densities 150 - 200 V is able to carry higher current densities with a smaller voltage drop between anode and cathode than a MOS transistor with the same breakdown voltage. In the forward case, the current flows from anode 102 to cathode 101.
  • the gate 103 is brought to a voltage below the threshold voltage with respect to the cathode 101. If the anode 102 is now brought to a positive potential, the space charge zone formed at the boundary between the p-body region 108 and the n ⁇ drift region 104 almost exclusively extends into the n ⁇ drift region 104.
  • the thickness of the n " drift zone 104 is chosen to be greater than the width which the space charge zone has given the maximum blocking capability of the component. This leads to the triangular shape (dashed line) of the electrical indicated in FIG. 6 Field strength
  • the thickness of the n " drift zone 104 is selected to be smaller than the width which the space charge zone has for a given maximum blocking capability of the component would.
  • the n-doped buffer layer 140 is introduced here with the aim of avoiding the punch-through. This leads to the trapezoidal course (solid line) of the electric field strength
  • the maximum of the field strength is also in the area of the MOS control heads 106, 107, 108.
  • FIG. 7 shows a conventional circuit topology in which a vertical IGBT 100 according to FIG. 6 is used as an ignition transistor in the primary circuit of an ignition coil for an internal combustion engine.
  • a V-IGBT with a necessary blocking capacity of approx. 400 - 600 V has so far been used.
  • the V-IGBT 100 which has the main connections 101 corresponding to the cathode, 102 corresponding to the anode and the control connection 103 corresponding to the gate, is via a
  • the V-IGBT 100 is integrated in a circuit arrangement 200 which has the connection nodes 201, 202 and 203.
  • the connection node 202 is directly connected to the first main terminal 102 of the V-IGBT 100 connected and the connection node 203, which is connected to ground GND, directly connected to the second main terminal 101 of the V-IGBT 100.
  • the further circuit components within the circuit arrangement 200 serve to control and clamp the V-IGBT 100.
  • diode 204 serves to protect the gate 103, which is connected to it, against overvoltages.
  • the diode 206 prevents a current flow from the control connection 103 to the main connection 102, which flows through the
  • the elements 204, 205, 206, 207 and 208 are usually monolithically integrated with the V-IGBT, and in addition to the element 205, the diodes 204, 206 also normally consist of polysilicon.
  • the clamp diode device 205 is not directly connected to the metallization of the anode 102, since this is located on the underside of the chip and is difficult to access. Rather, it is in contact with the metallization 152 of the channel stopper 155, which except for one Forward voltage has the same potential as the anode 102.
  • the circuit arrangement 200 can be operated by a control unit directly via the connection node 201. For this purpose, a control signal ST with a positive voltage of, for example, 5 V is applied to the connection node 201, whereupon a current rise is initiated by the ignition coil 211.
  • the voltage at the connection node 201 is reduced to approximately 0 V, whereupon the voltage at the metallization 152 and at the main connection 102 and thus at the connection node 202 rises steeply.
  • the voltage rise is stepped up on the secondary side of the ignition coil 211 and leads to an ignition spark at the spark plug 212.
  • the clamp diode chain 205 has the
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the time course of the bracketing of the anode voltage in the conventional circuit arrangement 200.
  • the voltage V A at the first main connection 102 rises steeply. Without a voltage limitation, the voltage V A at the first main connection 102 would rise up to the breakdown value of the V-IGBT 100 and destroy it. This is prevented by means of the clamp diode device 205 in that when the preselected clamp voltage V K is reached at the time t r (t r is typically a few ⁇ s), the gate 103 of the V-IGBT 100 is driven just enough to exceed the clamp voltage V ⁇ ⁇ is avoided at the main connection 102.
  • the high clamp voltage of approximately 400 V remains until the time t, and the current flowing through the ignition coil 211 and the V-IGBT 100 consequently increases linearly over time until time t 4 .
  • the coil energy is reduced, ie converted in the form of heat in the circuit arrangement 200, and the voltage V A at the connection 102 drops steeply to the battery voltage V Bat .
  • the time period t 4 - t r only lasts a few hundred ⁇ s, but due to the high level of power implemented, this operating case still places high demands on the pulse strength of the IGBT 100, which cannot always be guaranteed to a sufficient degree. In the worst case, this results in the destruction of the IGBT 100.
  • the component becomes very hot, in particular in the area of the cathode 101, whereupon there is an electron leakage current from the MOS control heads 106, 107, 108.
  • the electrons run in the direction of the anode 102 and control the p + emitter 105. They therefore act as an additional control of the IGBT 100.
  • the control of the gate 103 is correspondingly reduced via the clamp diode chain 205.
  • the activation by the thermally induced electron leakage current is so strong that the V-IGBT 100 can carry the load current without gate activation. Its controllability is lost. Thereupon the temperature and the leakage current of the component continue to rise. Eventually there is thermal positive feedback and the V-IGBT 100 is destroyed.
  • the problem on which the present invention is based is therefore to create an improved semiconductor circuit arrangement, in particular for ignition applications, with a semiconductor power switch device which can be better protected against the pulse case.
  • the semiconductor circuit arrangement according to the invention in particular for ignition applications, with the features of claim 1 and the use according to claim 9 have the advantage that the semiconductor circuit breaker device can be better protected in a predeterminable operating phase without its clamp voltage being predefinable in another - reduce their time phase.
  • the circuits necessary for the control according to the invention for determining the time phases can advantageously be monolithically integrated into the semiconductor power switch device.
  • the clamp diode device widens a first part with a first clamp voltage and a second part with a second clamp voltage, the second part being connected in series with the first part. Furthermore, a controllable semiconductor switch device, which is connected in parallel with the first part, is provided for controllably bridging the first part, so that either the sum voltage of the first and second clamp voltage or the second clamp voltage for clamping the external ones present at the first main connection Voltage is provided.
  • a control circuit is used to control the controllable semiconductor switch device as a function of a predetermined operating state of the semiconductor power switch device.
  • the predetermined operating state is an operating temperature of the semiconductor circuit breaker device.
  • a temperature sensor for detecting the operating temperature is the
  • Semiconductor circuit breaker device is provided and the control circuit is designed such that it controls the semiconductor switch device for bridging when the operating temperature of the semiconductor circuit breaker device exceeds a predetermined temperature.
  • the predetermined operating state is a state that is present after a predetermined time delay after a change in state of a control signal present at the control connection.
  • control circuit has a timing element for detecting the time delay after the change of state and is designed in such a way that it controls the semiconductor switch device for bridging when the detected time delay exceeds the predetermined time delay.
  • controllable semiconductor switch device is a second NMOS transistor, the control connection of which is connected to the first main connection via a resistance device and parts of the semiconductor chip.
  • a voltage conversion device is provided between the control circuit and the controllable semiconductor switch device, which has a first NMOS transistor, the first main connection of which is connected to the control connection of the second NMOS transistor via two diodes connected in series and via the second main connection and Control connection, the control circuit is connected.
  • the semiconductor circuit breaker device is a vertical IGBT, which has: a rear emitter region of a second line type, a drift region of the first line type and a rear anode contact as the first main connection; an optional buffer area between the drift area and the rear emitter area; a front-side MOS control structure with a front-side source region and a body region, which are introduced into the drift region, and a control contact, which is insulated above the body region and over an adjoining part of the drift region, as a control connection; a front cathode contact which is connected to the front source area and the body area; being the Clamping diode device, the semiconductor switch device and the control circuit are integrated on the front side between an active region and an edge metallization of the semiconductor power switch device.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a semiconductor circuit arrangement for ignition uses according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of a control and switch part of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the time course of the bracketing of the anode voltage of the semiconductor power switch device in the conventional semiconductor circuit arrangement for ignition Phrases and in the embodiments of the invention
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of a circuit integration solution of the
  • FIG. 5 shows a schematic top view of the circuit integration solution of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to the embodiments of the invention
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional illustration of a known NPT-IGBT or PT-IGBT
  • Fig. 7 shows a conventional circuit topology in which a vertical IGBT is used as an ignition transistor in the primary circuit of an ignition coil for an internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional illustration of a semiconductor circuit arrangement for ignition uses according to a first embodiment of the present invention.
  • reference numeral 400 generally designates a semiconductor circuit arrangement for ignition uses according to the first embodiment with a special circuit 401 in the region of the clamp diode device 205a, 205b, which is connected between the first main connection 102 and the control connection 103 via the metallization 152.
  • Reference numerals 404, 405, 406, 407 in FIG. 1 denote certain circuit nodes, which will be referred to later.
  • the clamp diode device 205a, 205b has a first chain part 205a with a first clamp voltage between the circuit nodes 404, 405 and a second chain part 205b with a second clamp voltage, the second part 205b being connected in series with the first part 205a.
  • a controllable semiconductor switch device 402 is provided, which is connected in parallel to the first part 205a and is used for controllably bridging the first part 205a, so that either the sum voltage of the first and second clamp voltage or the second clamp voltage for clamping the at the first main connection 102 applied external voltage V A is provided.
  • a control circuit 403 serves to control the controllable semiconductor switch device 402 as a function of a a predetermined operating state of the semiconductor power switch device in the form of the V-IGBT 100.
  • circuit arrangement according to the present embodiment can be provided with a bracket behavior by this special wiring, as is shown by the dashed curve 303 in FIG. 3.
  • This lower clamp voltage V KL ' is preferably above the back-transformed operating voltage V B in order not to disturb the burning process in standard operation.
  • the time t 2 should preferably be chosen as shortly as possible after the spark generation at time t f .
  • the reduction in the clamp voltage after the spark has been generated on the one hand ensures reliable spark generation by maintaining the high clamp voltage V KL in the spark generation phase.
  • the dissipation of the energy stored in the ignition coil 211 is distributed over a larger time interval that ends at time t 5 .
  • this behavior can be generated in that the known clamp diode chain 205 according to FIG. 7 is divided into a high-blocking part 205a with a breakdown voltage of, for example, 350 V and a low-blocking part 205b with a breakdown voltage of, for example, 50 V, whereby the high-blocking part 205a can be bridged with the semiconductor switch device 402.
  • the switching state of the switch device 402 can be selected by a correspondingly designed control circuit 403 according to predetermined criteria.
  • temperature control is based on the chip temperature using a temperature sensor TS.
  • the temperature sensor TS required for such a temperature-dependent control can be represented, for example, by means of polysilicon diodes, the temperature-dependent forward voltage of which is evaluated. See Z. J. Shen et al., PCIM '96, Conf. Proc. , Pp. 11-16.
  • the evaluation of the temperature-dependent reverse current of PN junctions or the temperature-dependent threshold voltage of MOS transistors is generally conceivable as a temperature sensor TS.
  • the temperature sensor TS should preferably be arranged in the middle of the active region 130, since the chip becomes the hottest there. If a specific temperature gradient is taken into account, a placement away from the chip center or from the active region 130 is also possible with a suitable design of the evaluation in the control circuit 403.
  • the voltage supply of the temperature sensor TS together with the associated control circuit 403 can be derived, for example, from the anode voltage or the circuit nodes 405, 406 according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of the control and switch part 401 of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to a second embodiment of the present invention.
  • a time-controlled selection of the switching state of the switch device 402 takes place according to 1, which is realized here by the NMOS transistor 650 with the control terminal 653, the further circuit part outside the block 403 representing a voltage level converter.
  • a predetermined time t 2 after switching off the voltage of the control signal ST at the connection node 201 at t 0, the switch device 402 is closed and the clamp voltage is reduced to V KL '.
  • the special control circuit 403 comprises an RC timer consisting of a resistor 510 and a capacitor 511, the latter being able to be formed from a polysilicon electrode which is only separated from the semiconductor by the thin gate oxide 109.
  • the RC timer is charged during t ⁇ 0 from the positive voltage of the control signal ST present at the connection node 201 via the diode 509 and the decoupling resistor 514 to a maximum of the voltage defined by the diode 504.
  • a first NMOS transistor 570 with a first and second main connection 571 and 572 and a control connection 573 is thereby switched on during t ⁇ 0.
  • the V-IGBT 100 is switched off by applying 0 V to the connection node 201.
  • the circuit node 406 is then also at 0 V and the diode 509 prevents it a sudden discharge of the RC timer, which is why the first NMOS transistor 570 initially remains switched on.
  • the voltage V A at the main connection 102 rises to the high clamp voltage V KL of 400 V.
  • This clamp voltage V K L is also approximately at the metallization 152 and consequently at the circuit node 404, while approximately the lower clamp voltage V K 'is present at the node 405 and at the node 513.
  • the breakdown voltage of the diode 505 is to be chosen to be identical to that of the second partial diode chain 205b.
  • gate protection diodes 507a, 507b are provided for a second NMOS transistor 650 which is arranged in the edge region of the IGBT chip and initially remains blocked.
  • the high-voltage-resistant polysilicon resistor 659 which is arranged, for example, in a meandering manner in the V-IGBT edge region, the voltage at node 513 rises and turns on the second NMOS transistor 650. Since this corresponds to the switch element 402 in FIG. 1, the high blocking part 205a of the clamp diode chain is then bridged and the clamp voltage is consequently reduced to V K '.
  • all of the components used can be integrated monolithically with the V-IGBT 100 from the circuit arrangement explained according to the first or second embodiment.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of a circuit-technical integration solution of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to the embodiments of the invention.
  • 600 generally designates an integrated circuit arrangement with the active region 130, a logic circuit region 670 and an edge termination region 150 ⁇ , the n-buffer layer 140 being optional.
  • the known edge termination with the components 152, 153b, 155 according to FIG. 6 is supplemented by the high-voltage-resistant polysilicon meander resistor 659 and the second NMOS transistor 650 according to FIG. 2.
  • the second NMOS transistor 650 consists of a source metalization 651, which is equipped with a field plate to represent a high blocking capability, just like an associated polysilicon gate 653.
  • 656 denotes an n + source region, 657 a p + contact diffusion and 658 a Bo - dy area, on the surface of which is located under the gate 653, an inversion channel can be formed.
  • the first NMOS transistor 570 is represented in the logic area with the p-logic well 577, which is arranged between the cuts BB ′ and CC, and is representative of the other components that can be represented. This consists of a source metallization 571, an n + drain region 576, an n + drain metallization 572, an n + drain region 575 and a gate electrode 573. 577 denotes an associated p-well.
  • the n + source region 576 can be contacted individually via the source metallization 521 and is not short-circuited with the p-well 577.
  • the p-well 577 is at the same potential as the cathode region 101, 107, 108 of the V-IGBT. As a result, it captures holes emitted by the anode-side emitter 105. To be as trouble-free as possible
  • the p-logic trough 577 should be connected to the cathode 101 at as many points as possible via the p + contact diffusion 107.
  • An optimal solution is to completely enclose each individual NMOS transistor with p + contact diffusions and body diffusions 107, 108 connected to 101, as is sketched in the cross section according to FIG. 4.
  • FIG. 5 shows a schematic top view of the circuit-technical integration solution of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to the embodiments of the invention.
  • 703 denotes an area in which the polysilicon diode chains 205a, 205b, 505, 506 are arranged.
  • 702 denotes a metallic gate bondland electrically connected to the gate 103.
  • 701 denotes a cathode bondland, which is a partial area of the cathode metallization of the cathode 101 in the active part 130 of the V-IGBT.
  • planar n-channel PT-IGBT planar n-channel PT-IGBT
  • planar NPT-IGBTs planar NPT-IGBTs
  • trench-PT-IGBTs trench-NPT-IGBTs
  • SPT-IGBTs MOS transistors with planar gate or trench gate etc.
  • the types of doping and the signs of the voltage to be applied are obtained from the n-channel IGBT and a corresponding p-channel IGBT. In general, this is superior to the n-channel NPT-IGBT in terms of latch-up strength, but inferior in terms of avalanche strength.
  • the voltage state can be queried by the node 405 or the gate connection 103. If this is above a certain threshold value, so that it indicates a pulse case according to curve 303 of FIG. 3, either the next positive control signal at node 406 can be suppressed directly or an entry into an error counter which only takes place when a certain number is reached of pulses according to curve 303 of FIG. 3 prevents further positive control signals at node 406.
  • the necessary logic and the necessary error counter can be done in the usual way can also be integrated monolithically or arranged externally.

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Abstract

The invention relates to a semiconductor circuit, especially for ignition purposes, comprising a semiconductor circuit-breaker device (100) provided with a first main connection (102), a second main connection (101) and a control connection (103); a clamping diode device (205a, 205b) which is arranged between the first main connection (102) and the control connection (103) and is used to clamp an external voltage (VA) applied to the first main connection, said clamping diode device (205a, 205b) comprising a first part (205a) having a first clamping voltage and a second part (205b) having a second clamping voltage, the second part (205b) being connected in series to the first part (205a); a controllable semiconductor switch device (402) which is arranged parallel to the first part (205a), for bridging the first part (205a) in a controllable manner in such a way that either the total voltage of the first and second clamping voltages, or the second clamping voltage, is used to clamp the external voltage (VA) applied to the first main connection (102); and a control circuit (403) for controlling the controllable semiconductor switch device (402) according to a pre-determined operating state of the semiconductor circuit-breaker device (100).

Description

Halbleiter-Schaltungsanordnung, insbesondere für Zündungs- Verwendungen, und VerwendungSemiconductor circuitry, particularly for ignition uses, and use
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schal- tungsanordnung, insbesondere für Zündungsverwendungen.The present invention relates to a semiconductor circuit arrangement, in particular for ignition applications.
Obwohl auch auf andere ähnliche Halbleiterbauelemente anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen vertikalen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) für Zündungsverwendungen erläutert.Although also applicable to other similar semiconductor components, the present invention and the underlying problem with regard to a vertical IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) for ignition uses are explained.
Allgemein werden die IGBTs als Leistungsschalter im Bereich von einigen hundert bis einigen tausend Volt Sperrspannung eingesetzt. Insbesondere ist der Einsatz von solchen IGBTs als Zündtransistor, d.h. als Schalter auf der Primärseite einer Zündspule, von besonderem Interesse.In general, the IGBTs are used as circuit breakers in the range from a few hundred to a few thousand volts reverse voltage. In particular, the use of such IGBTs as an ignition transistor, i.e. as a switch on the primary side of an ignition coil, of particular interest.
Die Struktur eines vertikalen IGBT ist ähnlich derjenigen eines VDMOS-Transistors, allerdings mit dem Unterschied, dass auf seiner Anodenseite ein p+-Emitter anstelle eines n+-Substrats bei dem VDMOS-Transistor angeordnet ist. Aus der DE 31 10 230 C3 ist ein vertikales MOSFET-Bauelement mit der Grundstruktur eines vertikalen IGBT bekannt. Prinzipiell lassen sich dabei zwei Typen des vertikalen IGBT bzw. V-IGBT unterscheiden, nämlich der sog. Punch- Through-IGBT (PT) und der sog. Non-Punch-Through-IGBT (NPT) , wie beispielsweise in Laska et al., Solid-State- Electronics, Band 35, Nr. 5, Seiten 681-685, beschrieben.The structure of a vertical IGBT is similar to that of a VDMOS transistor, but with the difference that a p + emitter is arranged on its anode side instead of an n + substrate in the VDMOS transistor. A vertical MOSFET component with the basic structure of a vertical IGBT is known from DE 31 10 230 C3. In principle, two types of vertical IGBT or V-IGBT can be distinguished, namely the so-called punch-through IGBT (PT) and the so-called non-punch-through IGBT (NPT), as described for example in Laska et al. , Solid State Electronics, Volume 35, No. 5, pages 681-685.
Anhand von Fig. 6 werden nachstehend die Grundeigenschaften dieser beiden IGBT-Typen beschrieben.The basic properties of these two IGBT types are described below with reference to FIG. 6.
Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines bekannten PT- bzw. NPT-IGBT, welcher allgemein das Bezugszeichen 100 trägt.FIG. 6 shows a schematic cross-sectional illustration of a known PT or NPT IGBT, which generally bears the reference symbol 100.
Ein PT-IGBT wird üblicherweise auf einem dicken, p+-dotier- ten Substrat mit einer epitaktisch aufgebrachten n- Bufferschicht 140 und einem ebenfalls epitaktisch aufgebrachten n~-Driftgebiet 104 hergestellt. Da die Dicke des n"-Driftgebiets 104 für einen möglichst geringen Durchlass- Spannungsabfall geringer gewählt wird, als es die Weite der Raumladungszone im n"-Driftgebiet 104 bei der gewünschten Sperrfähigkeit erfordert, dient die n-Bufferschicht 140 dazu, ein Durchgreifen der Raumladungszone zum im Substrat vorgesehenen rückseitigen p+-Emitter 105 zu vermeiden. Um trotz eines guten p+-Emitters 105 ein schnelles Abschalten des Stromes zu erzielen, wird die Trägerlebensdauer über ein life-time-killing, beispielsweise mittels Bestrahlung, klein gehalten und/oder die Dotierung der n-Bufferschicht 140 entsprechend hoch gewählt. Da die Durchlassspannung mit zunehmender Dotierungsdosis der n-Bufferschicht 140 größer wird, ist ein guter Kompromiss zwischen Durchlass- und Abschaltverhalten mit einer hochdotierten dünnen n-Buffer- schicht 140 zu erzielen.A PT-IGBT is usually produced on a thick, p + -doped substrate with an epitaxially applied n buffer layer 140 and an likewise epitaxially applied n ~ drift region 104. Since the thickness of the n " drift region 104 is chosen to be as small as possible for a forward voltage drop that is as small as the width of the space charge zone in the n " drift region 104 requires for the desired blocking capability, the n buffer layer 140 serves to reach through the space charge zone to avoid the p + emitter 105 provided in the substrate. In order to achieve a rapid shutdown of the current despite a good p + emitter 105, the carrier lifetime is kept short by means of life-time killing, for example by means of radiation, and / or the doping of the n-buffer layer 140 is chosen to be correspondingly high. Since the forward voltage with increasing doping dose of the n-buffer layer 140, a good compromise between pass-through and switch-off behavior can be achieved with a highly doped thin n-buffer layer 140.
Ein NPT-IGBT lässt sich aus dem PT-IGBT dadurch ableiten, dass die n-Bufferschicht 140 entfällt und die Dicke des Driftgebiets 104 größer gewählt wird, als es die Weite der Raumladungszone bei der gewünschten Sperrfähigkeit erfor- dert. Der NPT-IGBT wird üblicherweise auf einem niedrigdotierten Substrat mit hoher Ladungsträgerlebensdauer hergestellt, wobei nach Einbringen der Diffusionsprofile auf der Wafervorderseite ein flacher p+-Emitter 105 mit nur wenigen μm Eindringtiefe (sehr viel kleiner als 20 μm) und schlech- tem Emitterwirkungsgrad auf der Waferrückseite hergestellt wird. Ein derartiger transparenter p+-Emitter 105 dient dazu, ein schnelles Abschalten des Stroms im dynamischen Betrieb des Bauelements mit dem Ziel zu gewährleisten, die Abschaltverluste klein zu halten. Um trotz des schlechten p+-Emitters 105 befriedigende Durchlasseigenschaften zu erzielen, muss die Trägerlebensdauer im n"-Driftgebiet 104 möglichst hoch gewählt werden, und ferner ist die Dicke des n~-Driftgebiets 104 unter Berücksichtigung der gewünschten Sperrfähigkeit des Bauelements möglichst gering zu wählen.An NPT-IGBT can be derived from the PT-IGBT in that the n-buffer layer 140 is omitted and the thickness of the drift region 104 is chosen to be larger than the width of the space charge zone requires for the desired blocking capacity. The NPT-IGBT is usually produced on a low-doped substrate with a long charge carrier lifetime, whereby after the diffusion profiles have been introduced on the front of the wafer, a flat p + emitter 105 with only a few μm penetration depth (very much less than 20 μm) and poor emitter efficiency on the Wafer back is manufactured. Such a transparent p + emitter 105 serves to ensure that the current is quickly switched off during dynamic operation of the component with the aim of keeping the switch-off losses small. In order to achieve satisfactory transmission properties in spite of the poor p + emitter 105, the carrier lifetime in the n " drift region 104 must be chosen as high as possible, and furthermore the thickness of the n ~ drift region 104 must be chosen as small as possible, taking into account the desired blocking capability of the component ,
Vorderseitig setzen sich ein PT- bzw. NPT-IGBT aus einem aktiven Gebiet 130 und einem Randabschlussgebiet 150 zusammen, wobei letzteres die gewünschte Sperrfähigkeit zum Rand des Chips hin gewährleistet. Das aktive Gebiet 130 setzt sich aus einer Vielzahl parallel geschalteter zellen- oder streifenförmiger MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108 zusammen. Diese MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108 werden später im Zusammenhang mit der Funktionsweise von vertikalen IGBTs näher erläutert.At the front, a PT or NPT IGBT is composed of an active region 130 and an edge termination region 150, the latter ensuring the desired blocking capability towards the edge of the chip. The active area 130 sets consist of a large number of parallel-connected cell or strip-shaped MOS control heads 106, 107, 108. These MOS control heads 106, 107, 108 will be explained in more detail later in connection with the functioning of vertical IGBTs.
Die MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108 erhält man durch fortgesetzte Spiegelung der in Fig. 6 zwischen den Schnitten AA' und BB' dargestellten Halbzelle am Schnitt AA' . Im Randbe- reich 150 sind zum Erreichen der gewünschten Sperrfähigkeit Feldplattenstrukturen üblich. Diese bestehen üblicherweise aus einer als Metallfeldplatte ausgebildeten Kathode 101, einer über die nicht gezeigte dritte Dimension damit elektrisch verbundenen Polysiliziumfeldplatte 153a, einer mit einem n+-Kanalstopper 155 verbundenen Metallisierung 152 und einer über die nicht gezeigte dritte Dimension mit der Metallisierung 152 elektrisch verbundenen Polysiliziumfeldplatte 153b. Weiterhin bezeichnet Bezugszeichen 159 ein Feldoxid und Bezugszeichen 110 ein Zwischendielektrikum, das abgesehen von gezielten Kontaktierungen dazu dient, die Metallisierungsebene elektrisch von der Polysiliziumebene zu isolieren.The MOS control heads 106, 107, 108 are obtained by continuously mirroring the half cell shown in FIG. 6 between the sections AA 'and BB' at the section AA '. In the edge area 150, field plate structures are customary to achieve the desired blocking ability. These usually consist of a cathode 101 designed as a metal field plate, a polysilicon field plate 153a electrically connected to it via the third dimension, not shown, a metallization 152 connected to an n + channel stopper 155, and a polysilicon field plate electrically connected to the metallization 152 via the third dimension, not shown 153b. Furthermore, reference numeral 159 denotes a field oxide and reference numeral 110 denotes an intermediate dielectric which, apart from targeted contacts, serves to electrically isolate the metallization level from the polysilicon level.
Nachfolgend wird zunächst die Funktionsweise eines NPT- bzw. PT-IGBT im Durchlassfall näher erläutert.The mode of operation of an NPT or PT IGBT in the case of transmission is first explained in more detail below.
Ein nur mittels einer dünnen Gateoxidschicht 109 vom Halbleiterkörper isoliertes, üblicherweise aus Polysilizium bestehendes Gate 103 wird gegenüber der Kathode 101 auf ein Potential oberhalb der Schwellspannung der MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108 gebracht. Daraufhin wird im Bereich des p- Bodygebiets 108 ein Inversionskanal an der Halbleiteroberfläche unter dem Gate 103 erzeugt, woraufhin sich die Halb- leiteroberfläche im Bereich des n~-Driftgebiets 104 im Zustand der Akkumulation befindet. Bei einer gegenüber der Kathode 101 positiven Spannung an der Anode 102 werden Elektronen über das n+-Sourcegebiet 106, den influenzierten MOS-Kanal und die Akkumulationsschicht in das n"-Drift- gebiet 104 injiziert. Daraufhin injiziert der anodenseitige p+-Emitter 105 Löcher, wodurch das n~-Driftgebiet 104 derart von Ladungsträgern überschwemmt wird, dass seine Leitfähigkeit im aktiven Gebiet 130 und benachbarten Teilen des Randabschlusses 150 erhöht wird. Diese Teile befinden sich bei üblichen Durchlassstromdichten in Hochinjektion. Dadurch ist ein IGPT mit einer Sperrfähigkeit ab ca. 150 - 200 V in der Lage, höhere Stromdichten mit einem kleineren Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode zu führen als ein MOS-Transistor mit gleicher Durchbruchspannung. Der Strom fließt im Durchlassfall von der Anode 102 zur Kathode 101. Er wird von Elektronen getragen, die in das n"-Drift- gebiet 104 injiziert werden und über den anodenseitigen p+- Emitter 105 zur Anode 102 abfließen und von Löchern, die von dem anodenseitigen p+-Emitter ins n"-Driftgebiet 104 injiziert werden und über die p-Gebiete 107, 108 zur Kathode 101 hin abfließen.A gate 103, which is usually insulated from the semiconductor body by means of a thin gate oxide layer 109 and is usually made of polysilicon, is applied to the cathode 101 Potential brought above the threshold voltage of the MOS control heads 106, 107, 108. An inversion channel is then generated on the semiconductor surface under the gate 103 in the region of the p-body region 108, whereupon the semiconductor surface in the region of the n ~ drift region 104 is in the state of accumulation. If the anode 102 has a positive voltage relative to the cathode 101, electrons are injected into the n " drift region 104 via the n + source region 106, the influenced MOS channel and the accumulation layer. The p + emitter 105 on the anode side is then injected Holes, through which the n ~ drift region 104 is flooded by charge carriers in such a way that its conductivity is increased in the active region 130 and adjacent parts of the edge termination 150. These parts are in high injection at normal forward current densities 150 - 200 V is able to carry higher current densities with a smaller voltage drop between anode and cathode than a MOS transistor with the same breakdown voltage. In the forward case, the current flows from anode 102 to cathode 101. It is carried by electrons which be injected into the n " drift region 104 and via the anode-side p + emitter 105 to the anode 10 2 flow away and from holes which are injected from the anode-side p + emitter into the n " drift region 104 and flow away via the p regions 107, 108 to the cathode 101.
Neben den hier diskutierten planaren vertikalen IGBT- Strukturen gibt es außerdem vertikale IGBTs mit so genann- tem Trench-Gate, bei denen das Gate in Form eines Grabens in die Halbleiteroberfläche eingelassen ist. Siehe dazu I. Omura et al . , ISPSD '97, Conf. Proc . , S. 217-220. Die Funktionsweise dieser vertikalen IGBTs mit Trench-Gate ist völlig analog zu den vorstehend diskutierten Strukturen, sie bieten jedoch den Vorteil eines geringeren Durchlassspannungsabfalls .In addition to the planar vertical IGBT structures discussed here, there are also vertical IGBTs with so-called trench gate, in which the gate is embedded in the form of a trench in the semiconductor surface. See I. Omura et al. , ISPSD '97, Conf. Proc. , Pp. 217-220. The operation of these vertical trench gate IGBTs is completely analogous to the structures discussed above, but they offer the advantage of a lower forward voltage drop.
Nachstehend soll die Funktionsweise des NPT- bzw. PT-IGBTs im Sperrfall erörtert werden. Im Sperrfall wird das Gate 103 gegenüber der Kathode 101 auf eine Spannung unterhalb der Schwellspannung gebracht. Bringt man nun die Anode 102 auf ein positives Potential, so dehnt sich die an der Grenze zwischen dem p-Bodygebiet 108 und dem n~-Driftgebiet 104 ausgebildete Raumladungszone fast ausschließlich in das n~- Driftgebiet 104 aus.The mode of operation of the NPT or PT-IGBT in the event of a block is to be discussed below. In the blocking case, the gate 103 is brought to a voltage below the threshold voltage with respect to the cathode 101. If the anode 102 is now brought to a positive potential, the space charge zone formed at the boundary between the p-body region 108 and the n ~ drift region 104 almost exclusively extends into the n ~ drift region 104.
Beim NPT-IGBT ist die Dicke der n"-Driftzone 104 größer gewählt als die Weite, die die Raumladungszone bei einer ge- gebenen maximalen Sperrfähigkeit des Bauelements aufweist. Dies führt zu dem in Fig. 6 angedeuteten dreieckförmigen Verlauf (gestrichelte Linie) der elektrischen Feldstärke |E| entlang der Dickenrichtung y des Bauelements. Das Maximum der Feldstärke |E| befindet sich dabei im Bereich der MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108.In the case of the NPT-IGBT, the thickness of the n " drift zone 104 is chosen to be greater than the width which the space charge zone has given the maximum blocking capability of the component. This leads to the triangular shape (dashed line) of the electrical indicated in FIG. 6 Field strength | E | along the thickness direction y of the component, the maximum field strength | E | being in the region of the MOS control heads 106, 107, 108.
Beim PT-IGBT ist die Dicke der n"-Driftzone 104 kleiner gewählt als die Weite, die die Raumladungszone bei einer gegebenen maximalen Sperrfähigkeit des Bauelements aufweisen würde. Um ein Auflaufen der Raumladungszone auf den rückseitigen p+-Emitter 105 zu verhindern, wird hier die n- dotierte Bufferschicht 140 mit dem Ziel eingebracht, den Punch-Through zu vermeiden. Dies führt zu dem in Fig. 6 angedeuteten trapezförmigen Verlauf (durchgezogene Linie) der elektrischen Feldstärke |E| entlang der Dickenrichtung y des Bauelements. Das Maximum der Feldstärke befindet sich dabei ebenfalls im Bereich der MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108.In the PT-IGBT, the thickness of the n " drift zone 104 is selected to be smaller than the width which the space charge zone has for a given maximum blocking capability of the component would. In order to prevent the space charge zone from running onto the rear p + emitter 105, the n-doped buffer layer 140 is introduced here with the aim of avoiding the punch-through. This leads to the trapezoidal course (solid line) of the electric field strength | E | indicated in FIG. 6 along the thickness direction y of the component. The maximum of the field strength is also in the area of the MOS control heads 106, 107, 108.
Fig. 7 zeigt eine übliche Schaltungstopologie, in der ein vertikaler IGBT 100 gemäß Fig. 6 als Zündtransistor im Primärkreis einer Zündspule für eine Brennkraftmaschine verwendet wird. Für diese Anwendung als Zündtransistor wird bisher ein V-IGBT mit einer notwendigen Sperrfähigkeit von ca. 400 - 600 V verwendet.FIG. 7 shows a conventional circuit topology in which a vertical IGBT 100 according to FIG. 6 is used as an ignition transistor in the primary circuit of an ignition coil for an internal combustion engine. For this application as an ignition transistor, a V-IGBT with a necessary blocking capacity of approx. 400 - 600 V has so far been used.
Gemäß Fig. 7 ist der V-IGBT 100, der die Hauptanschlüsse 101 entsprechend Kathode, 102 entsprechend Anode und den Steueranschluss 103 entsprechend Gate aufweist, über eine7, the V-IGBT 100, which has the main connections 101 corresponding to the cathode, 102 corresponding to the anode and the control connection 103 corresponding to the gate, is via a
Primärwicklung einer Zündspule 211 mit der Batteriespannung VBat am Knoten 210 verbunden. Auf der Sekundärwicklungsseite der Zündspule 211 sind eine Zündkerze 212, ein Schutzwiderstand 214 von 1-2 kΩ und eine Diode 213 zur Unterdrückung des Einschaltfunkens angeschlossen.Primary winding of an ignition coil 211 connected to the battery voltage V Ba t at node 210. On the secondary winding side of the ignition coil 211, a spark plug 212, a protective resistor 214 of 1-2 kΩ and a diode 213 for suppressing the switch-on spark are connected.
Der V-IGBT 100 ist integriert in einer Schaltungsanordnung 200, welche die Verbindungsknoten 201, 202 und 203 aufweist. Dabei ist der Verbindungsknoten 202 direkt mit dem ersten Hauptanschluß 102 des V-IGBT 100 verbunden und der Verbindungsknoten 203, der auf Masse GND liegt, direkt mit dem zweiten Hauptanschluß 101 des V-IGBT 100 verbunden.The V-IGBT 100 is integrated in a circuit arrangement 200 which has the connection nodes 201, 202 and 203. The connection node 202 is directly connected to the first main terminal 102 of the V-IGBT 100 connected and the connection node 203, which is connected to ground GND, directly connected to the second main terminal 101 of the V-IGBT 100.
Die weiteren Schaltungskomponenten innnerhalb der Schaltungsanordnung 200 dienen zur Ansteuerung und Klammerung des V-IGBT 100. Dabei dient Diode 204 dem Schutz des Gates 103, welches damit verbunden ist, vor Überspannungen. Die Diode 206 verhindert im Durchlassfall einen Stromfluss vom Steueranschluss 103 zum Hauptanschluss 102, der über dasThe further circuit components within the circuit arrangement 200 serve to control and clamp the V-IGBT 100. In this case, diode 204 serves to protect the gate 103, which is connected to it, against overvoltages. In the case of transmission, the diode 206 prevents a current flow from the control connection 103 to the main connection 102, which flows through the
Halbleitermaterial des V-IGBT mit dem Anschluß 152 verbunden ist. Die Widerstände 207 mit beispielsweise 1 kΩ und 208 mit beispielsweise 10-25 kΩ legen einerseits den Eingangswiderstand der Schaltungsanordnung 200 am Verbindungs- knoten 201 für ein Steuersignal ST fest und bilden andererseits die Last einer Klammerdiodeneinrichtung 205, die üblicherweise als eine Klammerdiodenkette aus einer Mehrzahl in Sperrrichtung gepolter Polysilizium-Zenerdioden ausgeführt ist. Die Elemente 204, 205, 206, 207 und 208 sind üb- licherweise monolithisch mit dem V-IGBT integriert, wobei außer dem Element 205 auch die Dioden 204, 206 normalerweise aus Polysilizium bestehen.Semiconductor material of the V-IGBT is connected to the terminal 152. The resistors 207 with, for example, 1 kΩ and 208 with, for example, 10-25 kΩ, on the one hand determine the input resistance of the circuit arrangement 200 at the connection node 201 for a control signal ST and, on the other hand, form the load of a clamp diode device 205, which usually consists of a plurality of clamp diodes Reverse direction of poled silicon zener diodes is executed. The elements 204, 205, 206, 207 and 208 are usually monolithically integrated with the V-IGBT, and in addition to the element 205, the diodes 204, 206 also normally consist of polysilicon.
Wie skizziert, ist die Klammerdiodeneinrichtung 205 nicht direkt mit der Metallisierung der Anode 102 verbunden, da sich diese auf der Chipunterseite befindet und schlecht zugänglich ist. Vielmehr steht sie mit der Metallisierung 152 des Kanalstoppers 155 in Kontakt, welche bis auf eine Flussspannung das gleiche Potential wie die Anode 102 aufweist. Die Schaltungsanordnung 200 ist von einem Steuergerät direkt über den Verbindungsknoten 201 betreibbar. Dazu wird an den Verbindungsknoten 201 ein Steuersignal ST mit einer positiven Spannung von beispielsweise 5 V gelegt, woraufhin ein Stromanstieg durch die Zündspule 211 initiiert wird.As outlined, the clamp diode device 205 is not directly connected to the metallization of the anode 102, since this is located on the underside of the chip and is difficult to access. Rather, it is in contact with the metallization 152 of the channel stopper 155, which except for one Forward voltage has the same potential as the anode 102. The circuit arrangement 200 can be operated by a control unit directly via the connection node 201. For this purpose, a control signal ST with a positive voltage of, for example, 5 V is applied to the connection node 201, whereupon a current rise is initiated by the ignition coil 211.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird die Spannung am Verbin- dungsknoten 201 auf ca. 0 V reduziert, woraufhin die Spannung an der Metallisierung 152 und am Hauptanschluss 102 und somit am Verbindungsknoten 202 steil ansteigt. Der Spannungsanstieg wird auf die Sekundärseite der Zündspule 211 hochtransformiert und führt zu einem Zündfunken an der Zündkerze 212. Die Klammerdiodenkette 205 hat dabei dieAt a certain point in time, the voltage at the connection node 201 is reduced to approximately 0 V, whereupon the voltage at the metallization 152 and at the main connection 102 and thus at the connection node 202 rises steeply. The voltage rise is stepped up on the secondary side of the ignition coil 211 and leads to an ignition spark at the spark plug 212. The clamp diode chain 205 has the
Aufgabe, den Spannungsanstieg an dem Hauptanschluss 102 auf die so genannte Klammerspannung VL von ca. 400 V zu begrenzen, um einerseits den V-IGBT 100 und andererseits die übrigen Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung 200 zu schützen. Dies ist insbesondere im so genannten Impulsfall von Bedeutung.Task to limit the voltage rise at the main connection 102 to the so-called clamp voltage V L of approximately 400 V in order to protect the V-IGBT 100 on the one hand and the other circuit components of the circuit arrangement 200 on the other hand. This is particularly important in the so-called impulse case.
Der Impulsfall tritt auf, wenn z.B. infolge eines abgefallenen Zündkabels kein Zündfunke erzeugt wird. Dann nämlich muss die mit 200 bezeichnete Schaltungsanordnung einschließlich des V-IGBT 100 die sonst im Funken umgesetzte Energie aufnehmen. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Zeitverlaufs der Klammerung der Anodenspannung bei der üblichen Schaltungsanordnung 200.The pulse occurs when, for example, a spark is not generated due to a dropped ignition cable. Then namely the circuit arrangement designated 200 including the V-IGBT 100 must absorb the energy otherwise converted into the spark. FIG. 3 shows a schematic illustration of the time course of the bracketing of the anode voltage in the conventional circuit arrangement 200.
Ein zeitlicher Verlauf der Spannung VA am ersten Hauptanschluß 102 bzw. am Verbindungsknoten 202 ist in Fig. 3 mit der gepunkteten Kurve 302 angedeutet. Dabei wird angenommen, dass der Zündschalter für t < 0 eine gewisse Zeit eingeschaltet war, so dass zum Zeitpunkt t = 0 ein Strom von typischerweise 7-20 A durch den V-IGBT 100 und die Zündspule 211 fließt. Wird der V-IGBT 100 durch die Reduktion der Spannung des Ansteuersignais ST am Verbindungsknoten 201 auf 0 V bei t = 0 abgeschaltet, so zwingt die Zündspule 211 ihm zunächst noch den vollen Strom auf.A time course of the voltage V A at the first main connection 102 or at the connection node 202 is indicated in FIG. 3 with the dotted curve 302. It is assumed that the ignition switch was switched on for a certain time for t <0, so that a current of typically 7-20 A flows through the V-IGBT 100 and the ignition coil 211 at the time t = 0. If the V-IGBT 100 is switched off by reducing the voltage of the control signal ST at the connection node 201 to 0 V at t = 0, the ignition coil 211 initially forces the full current on it.
Daraufhin steigt die Spannung VA am ersten Hauptanschluß 102 steil an. Ohne eine Spannungsbegrenzung würde die Spannung VA am ersten Hauptanschluß 102 hierbei bis zum Durchbruchswert des V-IGBTs 100 ansteigen und diesen zerstören. Dies wird mittels der Klammerdiodeneinrichtung 205 dadurch verhindert, dass beim Erreichen der vorgewählten Klammerspannung VK zum Zeitpunkt tr (tr beträgt typischerweise einige μs) das Gate 103 des V-IGBTs 100 gerade so stark angesteuert wird, dass ein Überschreiten der Klammerspannung Vκι am Hauptanschluß 102 vermieden wird.Thereupon, the voltage V A at the first main connection 102 rises steeply. Without a voltage limitation, the voltage V A at the first main connection 102 would rise up to the breakdown value of the V-IGBT 100 and destroy it. This is prevented by means of the clamp diode device 205 in that when the preselected clamp voltage V K is reached at the time t r (t r is typically a few μs), the gate 103 of the V-IGBT 100 is driven just enough to exceed the clamp voltage V κ ι is avoided at the main connection 102.
Läge kein Impulsfall, sondern der Standardbetriebsfall gemäß der durchgezogenen Kurve 301 in Fig. 3 vor, dann würde die Spannung VA am ersten Hauptanschluß 102 nach ca. ti - tr = 15 μs einbrechen und nach weiteren ca. 15 μs bei tf den Zündfunken an der Zündkerze 212 erzeugen. Die Folge wäre ein Umsatz der in der Zündspule 211 gespeicherten Energie in der Brennkammer während der Funkenbrenndauer t3 - tf, in der am ersten Hauptanschluß 102 für die meiste Zeit nur die rücktransformierte Brennspannung von ca. VB = 30 V anliegt. Am Ende der Funkenbrenndauer t - tf wird die Spannung VA am Hauptanschluss 102 wieder auf die Batteriespannung Vßat = 14 V absinken.There would be no pulse case but the standard operating case shown by the solid curve 301 in Figure 3 is present, then the voltage V A at the first main terminal 102 would after about ti -. T r = Break in for 15 μs and generate the spark at spark plug 212 after another approx. 15 μs at tf. The result would be a conversion of the energy stored in the ignition coil 211 in the combustion chamber during the spark burning time t 3 - tf, in which for the most part only the back-transformed operating voltage of approx. V B = 30 V is present at the first main connection 102. At the end of the spark burning time t - t f , the voltage V A at the main connection 102 will drop again to the battery voltage Vβat = 14 V.
Im Impulsfall, gezeigt durch die gepunktete Kurve 302 in Fig. 3, hingegen bleibt die hohe KlammerSpannung von ca. 400 V bis zum Zeitpunkt t bestehen, und der durch die Zündspule 211 und den V-IGBT 100 fließende Strom nimmt folglich linear über der Zeit bis zum Zeitpunkt t4 ab. Zum Zeitpunkt t ist die Spulenenergie abgebaut, d.h. in der Schaltungsanordnung 200 in Form von Wärme umgesetzt, und die Spannung VA am Anschluss 102 sinkt steil auf die Batteriespannung VBat ab. Die Zeitspanne t4 - tr dauert zwar nur einige Hundert μs, aber dennoch stellt dieser Betriebsfall durch die hohe umgesetzte Leistung eine hohe Anforderung an die Impulsfestigkeit des IGBTs 100 dar, die nicht immer in ausreichendem Maße zu gewährleisten ist. Die Folge davon ist im schlimmsten Fall eine Zerstörung des IGBTs 100.In the pulse case, shown by the dotted curve 302 in FIG. 3, on the other hand, the high clamp voltage of approximately 400 V remains until the time t, and the current flowing through the ignition coil 211 and the V-IGBT 100 consequently increases linearly over time until time t 4 . At time t, the coil energy is reduced, ie converted in the form of heat in the circuit arrangement 200, and the voltage V A at the connection 102 drops steeply to the battery voltage V Bat . The time period t 4 - t r only lasts a few hundred μs, but due to the high level of power implemented, this operating case still places high demands on the pulse strength of the IGBT 100, which cannot always be guaranteed to a sufficient degree. In the worst case, this results in the destruction of the IGBT 100.
In J. Yedinak et al., ISPSD '98, Conf. Proc, S. 399-402, wird am Beispiel eines PT-IGBTs gezeigt, dass ein Ausfall folgendermaßen zustande kommt: Im Impulsfall hat die Raumladungszone das gesamte n"-Driftgebiet 104 erfasst. Über eine mittels der Klammerdioden 205 kontrollierte Ansteuerung des Gates 103 werden Elektronen über den ausgebildeten MOS-Kanal ins n"-Driftgebiet 104 injiziert, die den rückseitigen p+-Emitter 105 ansteuern. Infolge der hohen Strom- dichte, der hohen elektrischen Feldstärke und der damit verbundenen hohen Verlustleistung im Bereich der MOS- Steuerköpfe 106, 107, 108 wird das Bauelement insbesondere im Bereich der Kathode 101 sehr heiß, woraufhin es zu einem Elektronenleckstrom aus den MOS-Steuerköpfen 106, 107, 108 kommt. Die Elektronen laufen in Richtung Anode 102 und steuern den p+-Emitter 105 auf. Sie wirken also wie eine zusätzliche Ansteuerung des IGBTs 100.In J. Yedinak et al., ISPSD '98, Conf. Proc, pp. 399-402, using the example of a PT-IGBT, it is shown that a failure occurs as follows: In the event of a pulse, the space charge zone has covered the entire n " drift region 104 When the gate 103 is controlled by means of the clamp diodes 205, electrons are injected into the n " drift region 104 via the MOS channel that is formed, which drive the rear p + emitter 105. As a result of the high current density, the high electric field strength and the resultant associated high power loss in the area of the MOS control heads 106, 107, 108, the component becomes very hot, in particular in the area of the cathode 101, whereupon there is an electron leakage current from the MOS control heads 106, 107, 108. The electrons run in the direction of the anode 102 and control the p + emitter 105. They therefore act as an additional control of the IGBT 100.
Um die Spannung auf dem Wert der Klammerspannung zu halten, wird über die Klammerdiodenkette 205 die Ansteuerung des Gates 103 entsprechend reduziert. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist die Aufsteuerung durch den thermisch bedingten Elektronenleckstrom so stark, dass der V-IGBT 100 den Laststrom ohne Gateaufsteuerung führen kann. Seine Steuerbarkeit geht verloren. Daraufhin steigen die Temperatur und der Leckstrom des Bauelements weiter an. Es kommt schließlich zu einer thermischen Mitkopplung und der V-IGBT 100 wird zerstört. In einer Untersuchung zur Abhängigkeit der Impulsfestigkeit der V-IGBTs von der Klammerspannung gemäß Z. J. Shen et al., IEEE Electron Device Letters, Band 21, Nr. 3, März 2000, S. 119-122, zeigt sich, dass die Impulsfestigkeit mit abnehmender Klammerspannung stark zunimmt. Der Grund dafür ist die Reduzierung der im V-IGBT 100 umgesetzten Leistung infolge der abgesenkten Klammer- Spannung, wodurch die während des Impulsfalls im Bereich der MOS-Steuerköpfe 106, 107, 108 auftretende Maximaltemperatur reduziert wird.In order to keep the voltage at the value of the clamp voltage, the control of the gate 103 is correspondingly reduced via the clamp diode chain 205. Under certain operating conditions, the activation by the thermally induced electron leakage current is so strong that the V-IGBT 100 can carry the load current without gate activation. Its controllability is lost. Thereupon the temperature and the leakage current of the component continue to rise. Eventually there is thermal positive feedback and the V-IGBT 100 is destroyed. An investigation of the dependence of the pulse strength of the V-IGBTs on the clamp voltage according to ZJ Shen et al., IEEE Electron Device Letters, Volume 21, No. 3, March 2000, pp. 119-122, shows that the pulse strength decreases with decreasing Clamp tension increases sharply. The reason for this is the reduction in the power implemented in the V-IGBT 100 due to the lower bracket Voltage, whereby the maximum temperature occurring in the area of the MOS control heads 106, 107, 108 during the pulse drop is reduced.
Betrachtet man standardmäßige Zündanlagen von Kraftfahrzeugen, so stellt man fest, dass in diesen die Klammerspannung nicht frei wählbar und insbesondere nicht deutlich reduzierbar ist. Eine deutlich abgesenkte Klammerspannung würde nämlich eine zuverlässige Erzeugung des Zündfunkens gefähr- den.If one looks at standard ignition systems of motor vehicles, one finds that in these the clamp voltage cannot be freely selected and in particular cannot be reduced significantly. A significantly reduced clamp voltage would endanger the reliable generation of the ignition spark.
In Z. J. Shen et al., PCIM '96, Conf. Proc, S. 11-16, ist ein intelligenter V-IGBT mit Strombegrenzung und Übertempe- raturabschaltung offenbart, bei dem Polysiliziumdioden als Temperatursensor genutzt werden. Im eingeschalteten Zustand wird der IGBT bei Erreichen einer bestimmten Schwelltemperatur abgeschaltet, indem die monolithisch integrierte Steuerschaltung die Gatespannung reduziert. Als Zündtransistor ist dieser IGBT jedoch ungeeignet, da ihm eine Klamme- rung fehlt. Außerdem wäre eine Übertemperaturabschaltung durch die Reduktion der Gatespannung im Impulsfall kontraproduktiv, da sie die ebenfalls über die Gatespannung eingreifende Klammerung unwirksam machen würde.In Z. J. Shen et al., PCIM '96, Conf. Proc, pp. 11-16, discloses an intelligent V-IGBT with current limitation and overtemperature cut-off, in which polysilicon diodes are used as a temperature sensor. When switched on, the IGBT is switched off when a certain threshold temperature is reached by the monolithically integrated control circuit reducing the gate voltage. However, this IGBT is unsuitable as an ignition transistor because it lacks a bracket. In addition, an overtemperature shutdown would be counterproductive due to the reduction of the gate voltage in the event of a pulse, since it would render the bracketing also effective via the gate voltage ineffective.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problematik besteht also darin, eine verbesserte Halbleiter-Schaltungsanordnung, insbesondere für Zündungsverwendungen, mit einer gegenüber dem Impulsfall besser schützbaren Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung zu schaffen. VORTEILE DER ERFINDUNGThe problem on which the present invention is based is therefore to create an improved semiconductor circuit arrangement, in particular for ignition applications, with a semiconductor power switch device which can be better protected against the pulse case. ADVANTAGES OF THE INVENTION
Die erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltungsanordnung, insbe- sondere für Zündungsverwendungen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. die Verwendung nach Anspruch 9 weisen den Vorteil auf, daß die Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung in einer vorgebbaren Betriebsphase besser schützbar ist, ohne seine Klammerspannung in einer anderen vorggebba- ren Zeitphase zu reduzieren. Die zur erfindungsgemäßen Ansteuerung zur Bestimmung der Zeitphasen nötigen Schaltungen können vorteilhafterweise monolithisch in die Halbleiter- Leistungsschaltereinrichtung integrierbar sein.The semiconductor circuit arrangement according to the invention, in particular for ignition applications, with the features of claim 1 and the use according to claim 9 have the advantage that the semiconductor circuit breaker device can be better protected in a predeterminable operating phase without its clamp voltage being predefinable in another - reduce their time phase. The circuits necessary for the control according to the invention for determining the time phases can advantageously be monolithically integrated into the semiconductor power switch device.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß die Klammerdiodeneinrichtung einen ersten Teil mit einer ersten Klammerspannung und einen zweiten Teil mit einer zweiten Klammerspannung aufweit, wobei der zweite Teil in Serie zum ersten Teil geschaltet ist. Wei- terhin ist eine steuerbare Halbleiter-Ξchaltereinrichtung, welche parallel zum ersten Teil geschaltet ist, zum steuerbaren Überbrücken des ersten Teils vorgesehen, so daß entweder die Summenspannung der ersten und zweiten Klammerspa- nung oder die zweite Klammerspannung zum Klammern der am ersten Hauptanschluß anliegenden externen Spannung vorgesehen ist. Eine Steuerschaltung dient zum Steuern der steuerbaren Halbleiter-Schaltereinrichtung in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Betriebszustand der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes der Erfindung.The idea on which the present invention is based is that the clamp diode device widens a first part with a first clamp voltage and a second part with a second clamp voltage, the second part being connected in series with the first part. Furthermore, a controllable semiconductor switch device, which is connected in parallel with the first part, is provided for controllably bridging the first part, so that either the sum voltage of the first and second clamp voltage or the second clamp voltage for clamping the external ones present at the first main connection Voltage is provided. A control circuit is used to control the controllable semiconductor switch device as a function of a predetermined operating state of the semiconductor power switch device. Advantageous developments and improvements of the subject matter of the invention can be found in the subclaims.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der vorbestimmte Betriebszustand eine Betriebstemperatur der Halbleiter- Leistungsschaltereinrichtung.According to a preferred development, the predetermined operating state is an operating temperature of the semiconductor circuit breaker device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Tem- peratursensor zur Erfassung der Betriebstemperatur derAccording to a further preferred development, a temperature sensor for detecting the operating temperature is the
Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung vorgesehen ist und ist die Steuerschaltung derart gestaltet, daß sie die Halbleiter-Schaltereinrichtung dann zum Überbrücken ansteuert, wenn die Betriebstemperatur der Halbleiter-Leistungs- schaltereinrichtung eine vorbestimmte Temperatur überschreitet .Semiconductor circuit breaker device is provided and the control circuit is designed such that it controls the semiconductor switch device for bridging when the operating temperature of the semiconductor circuit breaker device exceeds a predetermined temperature.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der vorbestimmte Betriebszustand ein Zustand, der nach einer vor- bestimmten Zeitverzögerung nach einem Zustandswechsel eines am Steueranschluß anliegenden Steuersignals vorliegt.According to a further preferred development, the predetermined operating state is a state that is present after a predetermined time delay after a change in state of a control signal present at the control connection.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Steuerschaltung ein Zeitglied zur Erfassung der Zeitverzö- gerung nach dem Zustandswechsel auf und ist derart gestaltet, daß sie die Halbleiter-Schaltereinrichtung dann zum Überbrücken ansteuert, wenn die erfaßte Zeitverzögerung die vorbestimmte Zeitverzögerung überschreitet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die steuerbare Halbleiter-Schaltereinrichtung ein zweiter NMOS- Transistor, dessen Steueranschluß über eine Widerstandseinrichtung und Teile des Halbleiterchips mit dem ersten Hauptanschluß verbunden ist.According to a further preferred development, the control circuit has a timing element for detecting the time delay after the change of state and is designed in such a way that it controls the semiconductor switch device for bridging when the detected time delay exceeds the predetermined time delay. According to a further preferred development, the controllable semiconductor switch device is a second NMOS transistor, the control connection of which is connected to the first main connection via a resistance device and parts of the semiconductor chip.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist zwischen der Steuerschaltung und der steuerbaren Halbleiter- Schaltereinrichtung eine Spannungsumsetzungseinrichtung vorgesehen, welche einen ersten NMOS-Transistor, dessen erster Hauptanschluß über zwei antiseriell geschaltete Dioden mit dem Steueranschluß des zweiten NMOS-Transistors verbunden ist und über dessen zweitem Hauptanschluß und Steueranschluß die Steuerschaltung angeschlossen ist, aufweist.According to a further preferred development, a voltage conversion device is provided between the control circuit and the controllable semiconductor switch device, which has a first NMOS transistor, the first main connection of which is connected to the control connection of the second NMOS transistor via two diodes connected in series and via the second main connection and Control connection, the control circuit is connected.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung ein vertikaler IGBT, der aufweist: einen rückseitigen Emitterbereich eines zweiten Leitungstyps, ein Driftgebiet des ersten Leitungs- typs und einen rückseitigen Anodenkontakt als ersten Hauptanschluß; ein optionales Buffergebiet zwischen dem Driftgebiet und dem rückseitigen Emitterbereich; eine vorderseitige MOS-Steuerstruktur mit einem vorderseitigen Sourcebe- reich und einem Bodybereich, welche in das Driftgebiet ein- gebracht sind, und einen über dem Bodybereich und über einem daran angrenzenden Teil des Driftgebiets isoliert angeordneten Steuerkontakt als Steueranschluß; einen vorderseitigen Kathodenkontakt, welcher mit dem vorderseitigen Sour- cebereich und dem Bodybereich verbunden ist; wobei die Klammerdiodeneinrichtung, die Halbleiter-Schaltereinrichtung und die Steuerschaltung vorderseitig zwischen einem aktiven Bereich und einer Randabschlußmetallisierung der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung integriert sind.According to a further preferred development, the semiconductor circuit breaker device is a vertical IGBT, which has: a rear emitter region of a second line type, a drift region of the first line type and a rear anode contact as the first main connection; an optional buffer area between the drift area and the rear emitter area; a front-side MOS control structure with a front-side source region and a body region, which are introduced into the drift region, and a control contact, which is insulated above the body region and over an adjoining part of the drift region, as a control connection; a front cathode contact which is connected to the front source area and the body area; being the Clamping diode device, the semiconductor switch device and the control circuit are integrated on the front side between an active region and an edge metallization of the semiconductor power switch device.
ZEICHNUNGENDRAWINGS
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;1 shows a schematic cross-sectional illustration of a semiconductor circuit arrangement for ignition uses according to a first embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Steuer- und Schalterteils der Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;2 shows a schematic cross-sectional illustration of a control and switch part of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to a second embodiment of the present invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Zeitverlaufs der Klammerung der Anodenspannung der Halbleiter- Leistungsschaltereinrichtung bei der üblichen Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsver- Wendungen und bei den Ausführungsformen der Erfindung;3 shows a schematic illustration of the time course of the bracketing of the anode voltage of the semiconductor power switch device in the conventional semiconductor circuit arrangement for ignition Phrases and in the embodiments of the invention;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer schaltungstechnischen Integrationslösung derFig. 4 is a schematic cross-sectional view of a circuit integration solution of the
Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung;Semiconductor circuitry for ignition uses according to the embodiments of the invention;
Fig. 5 eine schematische Aufsicht der schaltungstechnischen Integrationslösung der Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung;5 shows a schematic top view of the circuit integration solution of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to the embodiments of the invention;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bekannten NPT-IGBT bzw. PT-IGBT; und6 shows a schematic cross-sectional illustration of a known NPT-IGBT or PT-IGBT; and
Fig. 7 eine übliche Schaltungstopologie, in der ein vertikaler IGBT als Zündtransistor im Primärkreis einer Zündspule für eine Brennkraftmaschine verwendet wird.Fig. 7 shows a conventional circuit topology in which a vertical IGBT is used as an ignition transistor in the primary circuit of an ignition coil for an internal combustion engine.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.In the figures, identical reference symbols designate identical or functionally identical components.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.1 shows a schematic cross-sectional illustration of a semiconductor circuit arrangement for ignition uses according to a first embodiment of the present invention.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 400 allgemein eine Halb- leiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß der ersten Ausführungsform mit einer speziellen Beschaltung 401 im Bereich der Klammerdiodeneinrichtung 205a, 205b, welche über die Metallisierung 152 zwischen dem ersten Hauptanschluß 102 und den Steueranschluß 103 geschaltet ist. Bezugszeichen 404, 405, 406, 407 in Fig. 1 bezeichen bestimmte Schaltungsknoten, auf die später Bezug genommen wird.In FIG. 1, reference numeral 400 generally designates a semiconductor circuit arrangement for ignition uses according to the first embodiment with a special circuit 401 in the region of the clamp diode device 205a, 205b, which is connected between the first main connection 102 and the control connection 103 via the metallization 152. Reference numerals 404, 405, 406, 407 in FIG. 1 denote certain circuit nodes, which will be referred to later.
Die Klammerdiodeneinrichtung 205a, 205b weist einen ersten Kettenteil 205a mit einer ersten Klammerspannung zwischen den Schaltungsknoten 404, 405 und einen zweiten Kettenteil 205b mit einer zweiten Klammerspannung auf, wobei der zweite Teil 205b in Serie zum ersten Teil 205a geschaltet ist.The clamp diode device 205a, 205b has a first chain part 205a with a first clamp voltage between the circuit nodes 404, 405 and a second chain part 205b with a second clamp voltage, the second part 205b being connected in series with the first part 205a.
Weiterhin ist eine steuerbare Halbleiter-Schaltereinrichtung 402 vorgesehen, welche parallel zum ersten Teil 205a geschaltet ist und zum steuerbaren Überbrücken des ersten Teils 205a dient, so daß entweder die Summenspannung der ersten und zweiten Klammerspanung oder die zweite Klammer- Spannung zum Klammern der am ersten Hauptanschluß 102 anliegenden externen Spannung VA vorgesehen ist.Furthermore, a controllable semiconductor switch device 402 is provided, which is connected in parallel to the first part 205a and is used for controllably bridging the first part 205a, so that either the sum voltage of the first and second clamp voltage or the second clamp voltage for clamping the at the first main connection 102 applied external voltage V A is provided.
Eine Steuerschaltung 403 dient zum Steuern der steuerbaren Halbleiter-Schaltereinrichtung 402 in Abhängigkeit von ei- nem vorbestimmten Betriebszustand der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung in Form des V-IGBT 100.A control circuit 403 serves to control the controllable semiconductor switch device 402 as a function of a a predetermined operating state of the semiconductor power switch device in the form of the V-IGBT 100.
Insbesondere kann der Schaltungsanordnung gemäß der vorlie- genden Ausführungsform durch diese spezielle Beschaltung ein Klammerverhalten vermittelt werden, wie es durch die gestrichelte Kurve 303 in Fig. 3 dargestellt ist.In particular, the circuit arrangement according to the present embodiment can be provided with a bracket behavior by this special wiring, as is shown by the dashed curve 303 in FIG. 3.
Der Kerngedanke bei dieser ersten Ausführungsform besteht darin, die Klammerspannung zu einem Zeitpunkt t2 > tf nach der Funkenerzeugung von dem hohen Niveau von VKL = 400 V auf ein deutlich niedrigeres Niveau VK ' umzuschalten. Diese niedrigere Klammerspannung VKL' liegt vorzugsweise oberhalb der rücktransformierten Brennspannung VB, um im Stan- dardbetrieb den Brennvorgang nicht zu stören. Beispielsweise ist ein Wert VKL' = 50 V ein sinnvoller Wert. Der Zeitpunkt t2 ist vorzugsweise möglichst kurz nach der Funkenerzeugung zur Zeit tf zu wählen. Die Reduktion der Klammerspannung nach Erzeugung des Funkens gewährleistet einer- seits eine sichere Funkenerzeugung durch Beibehalten der hohen Klammerspannung VKL in der Funkenerzeugungsphase. Andererseits setzt sie die im V-IGBT 100 auftretende Verlustleistung und Wärmegeneration im Impulsfall deutlich herab und erhöht dadurch seine Impulsfestigkeit. Wie Fig. 3 deut- lieh zeigt, wird der Abbau der in der Zündspule 211 gespeicherten Energie auf ein größeres Zeitintervall verteilt, das zum Zeitpunkt t5 endet. Dieses Verhalten ist gemäß dieser Ausführungsform dadurch erzeugbar, dass die an sich bekannte Klammerdiodenkette 205 gemäß Fig. 7 in einen hochsperrenden Teil 205a mit einer Durchbruchspannung von beispielsweise 350 V und einen nied- rigsperrenden Teil 205b mit einer Durchbruchspannung von beispielsweise 50 V aufgeteilt ist, wobei der hochsperrende Teil 205a mit der Halbleiter-Schaltereinrichtung 402 überbrückbar ist. Bei offener Schaltereinrichtung 402 liegt die volle Klammerspannung VKL = 400 V vor, während bei ge- schlossener Schaltereinrichtung 402 die reduzierte Klammerspannung VKL' vorliegt.The main idea in this first embodiment is to switch the clamp voltage at a time t 2 > t f after the spark generation from the high level of V KL = 400 V to a significantly lower level V K '. This lower clamp voltage V KL 'is preferably above the back-transformed operating voltage V B in order not to disturb the burning process in standard operation. For example, a value V KL '= 50 V is a useful value. The time t 2 should preferably be chosen as shortly as possible after the spark generation at time t f . The reduction in the clamp voltage after the spark has been generated on the one hand ensures reliable spark generation by maintaining the high clamp voltage V KL in the spark generation phase. On the other hand, it significantly reduces the power loss and heat generation occurring in the V-IGBT 100 in the event of a pulse, thereby increasing its pulse strength. As clearly shown in FIG. 3, the dissipation of the energy stored in the ignition coil 211 is distributed over a larger time interval that ends at time t 5 . According to this embodiment, this behavior can be generated in that the known clamp diode chain 205 according to FIG. 7 is divided into a high-blocking part 205a with a breakdown voltage of, for example, 350 V and a low-blocking part 205b with a breakdown voltage of, for example, 50 V, whereby the high-blocking part 205a can be bridged with the semiconductor switch device 402. When the switch device 402 is open, the full clamp voltage V KL = 400 V is present, while when the switch device 402 is closed, the reduced clamp voltage V KL 'is present.
Die Wahl des Schaltzustandes der Schaltereinrichtung 402 kann durch eine entsprechend gestaltete Steuerschaltung 403 nach vorbestimmten Kriterien geschehen. Beispielsweise erfolgt bei der ersten Ausführungsform eine Temperatursteuerung basierend auf der Chiptemperatur unter Verwendung eines Temperatursensors TS.The switching state of the switch device 402 can be selected by a correspondingly designed control circuit 403 according to predetermined criteria. For example, in the first embodiment, temperature control is based on the chip temperature using a temperature sensor TS.
Bei der temperaturgesteuerten Schaltungsversion ist die Schaltereinrichtung 402 bei t = 0 zunächst offen. Übersteigt die durch den Temperatursensor erfaßte Chiptemperatur wegen des Vorliegens des Impulsfalls einen vorgegebenen Temperaturwert, wird die Schaltereinriuchtung 402 durch die Steuerschaltung 403 geschlossen, wodurch die Klammerspannung auf die Spannung VKL' bis zum Ende des Impulsfalls herabgesetzt wird. Dieses Ende kann entweder ebenfalls über die Temperatur erfaßt werden, z.B. Unterschreiten eines vorgegebenen Temperaturwerts, oder es kann automatisch nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit festgelegt werden.In the temperature-controlled circuit version, the switch device 402 is initially open at t = 0. If the chip temperature detected by the temperature sensor exceeds a predetermined temperature value due to the presence of the pulse case, the switch device 402 is closed by the control circuit 403, whereby the clamp voltage is reduced to the voltage V KL 'until the end of the pulse case. This end can either also be detected via the temperature, for example falling below one predetermined temperature value, or it can be set automatically after a predetermined time.
Der für eine solche temperaturabhängige Steuerung notwendi- ge Temperatursensor TS kann beispielsweise mittels Polysi- liziumdioden dargestellt werden, deren temperaturabhängige Flussspannung ausgewertet wird. Siehe dazu Z. J. Shen et al., PCIM '96, Conf. Proc. , S. 11-16. Außerdem ist generell die Auswertung des temperaturabhängigen Sperrstroms von PN- Übergängen oder der temperaturabhängigen Schwellspannung von MOS-Transistoren als Temperatursensor TS denkbar. Der Temperatursensor TS ist vorzugsweise in der Mitte des aktiven Gebiets 130 anzuordnen, da der Chip dort am heißesten wird. Berücksichtigt man einen bestimmten Temperaturgra- dienten, so ist jedoch eine von der Chipmitte bzw. vom aktiven Gebiet 130 entfernte Platzierung mit geeigneter Auslegung der Auswertung in der Steuerschaltung 403 ebenfalls möglich. Die Spannungsversorgung des Temperatursensors TS samt zugehöriger Steuerschaltung 403 kann beispielsweise aus der Anodenspannung oder den Schaltungsknoten 405, 406 gemäß dem Stand der Technik abgeleitet werden.The temperature sensor TS required for such a temperature-dependent control can be represented, for example, by means of polysilicon diodes, the temperature-dependent forward voltage of which is evaluated. See Z. J. Shen et al., PCIM '96, Conf. Proc. , Pp. 11-16. In addition, the evaluation of the temperature-dependent reverse current of PN junctions or the temperature-dependent threshold voltage of MOS transistors is generally conceivable as a temperature sensor TS. The temperature sensor TS should preferably be arranged in the middle of the active region 130, since the chip becomes the hottest there. If a specific temperature gradient is taken into account, a placement away from the chip center or from the active region 130 is also possible with a suitable design of the evaluation in the control circuit 403. The voltage supply of the temperature sensor TS together with the associated control circuit 403 can be derived, for example, from the anode voltage or the circuit nodes 405, 406 according to the prior art.
Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung des Steuer- und Schalterteils 401 der Halbleiter-Schaltungs- anordnung für Zündungsverwendungen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of the control and switch part 401 of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to a second embodiment of the present invention.
Bei der zweiten Ausführzungsform findet eine zeitgesteuerte Wahl des Schaltzustandes der Schaltereinrichtung 402 gemäß gemäß Fig 1 statt, welche hier durch den NMOS-Transistor 650 mit dem Steueranschluß 653 realisiert ist, wobei der weitere Schaltungsteil außerhalb des Blocks 403 einen Spannungspegelumsetzer darstellt.In the second embodiment, a time-controlled selection of the switching state of the switch device 402 takes place according to 1, which is realized here by the NMOS transistor 650 with the control terminal 653, the further circuit part outside the block 403 representing a voltage level converter.
Allgemein ist bei der zeitgesteuerten Wahl die Schaltereinrichtung 402 zum Zeitpunkt t = 0 ebenfalls offen. Eine vorgegebene Zeit t2 nach Abschalten der Spannung des Ansteuersignais ST am Verbindungsknoten 201 bei t = 0 wird die Schaltereinrichtung 402 geschlossen und die Klammerspannung auf VKL' reduziert.In general, in the time-controlled selection, the switch device 402 is also open at the time t = 0. A predetermined time t 2 after switching off the voltage of the control signal ST at the connection node 201 at t = 0, the switch device 402 is closed and the clamp voltage is reduced to V KL '.
Die spezielle Steuerschaltung 403 gemäß Fig. 2 umfasst ein RC-Zeitglied bestehend aus einem Widerstand 510 und einem Kondensator 511, wobei letzterer aus einer nur durch das dünne Gateoxid 109 vom Halbleiter getrennten Polysilizium- elektrode gebildet werden kann. Das RC-Zeitglied wird während t < 0 von der an dem Verbindungsknoten 201 anliegenden positiven Spannung des Ansteuersignais ST über die Diode 509 und den Entkopplungswiderstand 514 maximal bis zu der durch die Diode 504 definierten Spannung aufgeladen.The special control circuit 403 according to FIG. 2 comprises an RC timer consisting of a resistor 510 and a capacitor 511, the latter being able to be formed from a polysilicon electrode which is only separated from the semiconductor by the thin gate oxide 109. The RC timer is charged during t <0 from the positive voltage of the control signal ST present at the connection node 201 via the diode 509 and the decoupling resistor 514 to a maximum of the voltage defined by the diode 504.
Ein erster NMOS-Transistor 570 mit einem ersten und zweiten Hauptanschlluß 571 bzw. 572 und einem Steueranschluß 573 ist dadurch während t < 0 eingeschaltet. Zum Zeitpunkt t = 0 wird durch Anlegen von 0 V an den Verbindungsknoten 201 der V-IGBT 100 ausgeschaltet. Der Schaltungsknoten 406 liegt dann ebenfalls auf 0 V, und die Diode 509 verhindert eine schlagartige Entladung des RC-Zeitgliedes, weshalb der erste NMOS-Transistor 570 zunächst eingeschaltet bleibt.A first NMOS transistor 570 with a first and second main connection 571 and 572 and a control connection 573 is thereby switched on during t <0. At time t = 0, the V-IGBT 100 is switched off by applying 0 V to the connection node 201. The circuit node 406 is then also at 0 V and the diode 509 prevents it a sudden discharge of the RC timer, which is why the first NMOS transistor 570 initially remains switched on.
Durch das Abschalten der Spannung am Verbindungsknoten 201 steigt die Spannung VA am Hauptanschluß 102 bis auf die hohe Klammerspannung VKL von 400 V an. Diese Klammerspannung VKL liegt ungefähr auch an der Metallisierung 152 und demzufolge am Schaltungsknoten 404, während am Knoten 405 und am Knoten 513 ungefähr die niedrigere Klammerspannung VK ' anliegt. Hierzu ist die Durchbruchspannung von der Diode 505 identisch zu derjenigen der zweiten Teildiodenkette 205b zu wählen. Weiterhin sind Gateschutzdioden 507a, 507b für einen im Randbereich des IGBT-Chips angeordneten zweiten NMOS-Transistor 650 vorgesehen, der zunächst gesperrt bleibt.By switching off the voltage at the connection node 201, the voltage V A at the main connection 102 rises to the high clamp voltage V KL of 400 V. This clamp voltage V K L is also approximately at the metallization 152 and consequently at the circuit node 404, while approximately the lower clamp voltage V K 'is present at the node 405 and at the node 513. For this purpose, the breakdown voltage of the diode 505 is to be chosen to be identical to that of the second partial diode chain 205b. Furthermore, gate protection diodes 507a, 507b are provided for a second NMOS transistor 650 which is arranged in the edge region of the IGBT chip and initially remains blocked.
Der Kondensator 511 des RC-Zeitglieds entlädt sich in der Folgezeit über den Widerstand 510, was zum vorgegebenen Zeitpunkt t = t2 ein Abschalten des ersten NMOS-Transistors 570 zur Folge hat. Infolge des Stromflusses über den hochspannungsfesten Polysiliziumwiderstand 659, der beispielsweise mäanderförmig im V-IGBT-Randbereich angeordnet ist, steigt die Spannung am Knoten 513 an und steuert den zweiten NMOS-Transistor 650 auf. Da dieser dem Schalterelement 402 in Fig. 1 entspricht, wird daraufhin der hochsperrende Teil 205a der Klammerdiodenkette überbrückt und demzufolge die Klammerspannung auf VK ' reduziert. Von der erläuterten Schaltungsanordnung gemäß der ersten bzw. zweiten Ausführungsform sind prinzipiell alle verwendeten Komponenten monolithisch mit dem V-IGBT 100 integrierbar.The capacitor 511 of the RC timer then discharges through the resistor 510, which results in the first NMOS transistor 570 being switched off at the predetermined time t = t 2 . As a result of the current flow through the high-voltage-resistant polysilicon resistor 659, which is arranged, for example, in a meandering manner in the V-IGBT edge region, the voltage at node 513 rises and turns on the second NMOS transistor 650. Since this corresponds to the switch element 402 in FIG. 1, the high blocking part 205a of the clamp diode chain is then bridged and the clamp voltage is consequently reduced to V K '. In principle, all of the components used can be integrated monolithically with the V-IGBT 100 from the circuit arrangement explained according to the first or second embodiment.
Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer schaltungstechnischen Integrationslösung der Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung.FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration of a circuit-technical integration solution of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to the embodiments of the invention.
In Fig. 4 bezeichnet 600 allgemein eine integrierte Schaltungsanordnung mit dem aktiven Gebiet 130, einem Logikschaltungsbereich 670 und einem Randabschlussbereich 150 \ wobei die n-Bufferschicht 140 optional ist.In FIG. 4, 600 generally designates an integrated circuit arrangement with the active region 130, a logic circuit region 670 and an edge termination region 150 \, the n-buffer layer 140 being optional.
Der bekannte Randabschluss mit den Bestandteilen 152, 153b, 155 gemäß Fig. 6 wird um den hochspannungsfesten Polysili- ziummäanderwiderstand 659 und den zweiten NMOS-Transistor 650 gemäß Fig. 2 ergänzt.The known edge termination with the components 152, 153b, 155 according to FIG. 6 is supplemented by the high-voltage-resistant polysilicon meander resistor 659 and the second NMOS transistor 650 according to FIG. 2.
Der zweite NMOS-Transistor 650 besteht aus einer Sourceme- tallisierung 651, die zur Darstellung einer hohen Sperrfähigkeit ebenso mit einer Feldplatte ausgerüstet ist wie ein zugehöriges Polysiliziumgate 653. 656 bezeichnet ein n+- Sourcegebiet, 657 eine p+-Kontaktdiffusion und 658 ein Bo- dygebiet, an dessen unter dem Gate 653 gelegenen Oberfläche ein Inversionskanal ausbildbar ist. Im zwischen den Schnitten BB ' und CC angeordneten Logikbereich mit der p-Logikwanne 577 ist stellvertretend für die anderen darstellbaren Komponenten der erste NMOS-Transistor 570 dargestellt. Dieser besteht aus einer Sourcemetallisie- rung 571, einem n+-Sourcegebiet 576, einer n+-Drainmetalli- sierung 572, einem n+-Draingebiet 575 und einer Gateelektrode 573. 577 bezeichnet eine zugehörige p-Wanne.The second NMOS transistor 650 consists of a source metalization 651, which is equipped with a field plate to represent a high blocking capability, just like an associated polysilicon gate 653. 656 denotes an n + source region, 657 a p + contact diffusion and 658 a Bo - dy area, on the surface of which is located under the gate 653, an inversion channel can be formed. The first NMOS transistor 570 is represented in the logic area with the p-logic well 577, which is arranged between the cuts BB ′ and CC, and is representative of the other components that can be represented. This consists of a source metallization 571, an n + drain region 576, an n + drain metallization 572, an n + drain region 575 and a gate electrode 573. 577 denotes an associated p-well.
Um eine größere Freiheit bei der Verschaltung zu haben, ist das n+-Sourcegebiet 576 über die Sourcemetallisierung 521 einzeln kontaktierbar und nicht mit der p-Wanne 577 kurzgeschlossen. Die p-Wanne 577 befindet sich auf gleichem Potenzial wie der Kathodenbereich 101, 107, 108 des V-IGBT. Dadurch fängt sie wie dieser vom anodenseitigen Emitter 105 emittierte Löcher ein. Um eine möglichst störungsfreieIn order to have greater freedom in the interconnection, the n + source region 576 can be contacted individually via the source metallization 521 and is not short-circuited with the p-well 577. The p-well 577 is at the same potential as the cathode region 101, 107, 108 of the V-IGBT. As a result, it captures holes emitted by the anode-side emitter 105. To be as trouble-free as possible
Funktion der Logik sicherzustellen, sollte die p-Logikwanne 577 an möglichst vielen Stellen über die p+-Kontakt- diffusion 107 an die Kathode 101 angebunden werden. Eine optimale Lösung stellt das vollständig ringförmige Um- schließen jedes einzelnen NMOS-Transistors mit an 101 angeschlossenen p+-Kontaktdiffusionen und Bodydiffusionen 107, 108 dar, wie es im Querschnitt gemäß Fig. 4 skizziert ist.To ensure the function of the logic, the p-logic trough 577 should be connected to the cathode 101 at as many points as possible via the p + contact diffusion 107. An optimal solution is to completely enclose each individual NMOS transistor with p + contact diffusions and body diffusions 107, 108 connected to 101, as is sketched in the cross section according to FIG. 4.
Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht der schaltungstech- nischen Integrationslösung der Halbleiter-Schaltungsanordnung für Zündungsverwendungen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung. In Fig. 5 bezeichnet zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 703 ein Gebiet, in dem die Polysiliziu dio- denketten 205a, 205b, 505, 506 angeordnet sind. 702 bezeichnet ein metallisches Gatebondland, das mit dem Gate 103 elektrisch verbunden ist. 701 bezeichnet ein Kathoden- bondland, das ein Teilbereich der Kathodenmetallisierung der Kathode 101 im aktiven Teil 130 des V-IGBT ist.FIG. 5 shows a schematic top view of the circuit-technical integration solution of the semiconductor circuit arrangement for ignition applications according to the embodiments of the invention. In FIG. 5, in addition to the reference numerals 703 already introduced, denotes an area in which the polysilicon diode chains 205a, 205b, 505, 506 are arranged. 702 denotes a metallic gate bondland electrically connected to the gate 103. 701 denotes a cathode bondland, which is a partial area of the cathode metallization of the cathode 101 in the active part 130 of the V-IGBT.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described above on the basis of a preferred exemplary embodiment, it is not restricted to this but can be modified in a variety of ways.
Obwohl die Erfindung an einem planaren n-Kanal-PT-IGBT er- läutert wurde, ist sie prinzipiell auf andere Leistungsschalter, wie z.B. planare p-Kanal-PT-IGBTs, planare NPT- IGBTs, Trench-PT-IGBTs, Trench-NPT-IGBTs, SPT-IGBTs, MOS- Transistoren mit planarem Gate oder Trench-Gate etc. übertragbar.Although the invention was explained on a planar n-channel PT-IGBT, it is in principle applicable to other circuit breakers, e.g. planar p-channel PT-IGBTs, planar NPT-IGBTs, trench-PT-IGBTs, trench-NPT-IGBTs, SPT-IGBTs, MOS transistors with planar gate or trench gate etc. can be transferred.
Vertauscht man z.B. die Dotierungsarten und die Vorzeichen der anzulegenden Spannung, erhält man aus dem n-Kanal-IGBT einen entsprechenden p-Kanal-IGBT. Allgemein ist dieser dem n-Kanal-NPT-IGBT hinsichtlich der Latch-up-Festigkeit über- legen, aber hinsichtlich der Avalanche-Festigkeit unterlegen.If you swap e.g. the types of doping and the signs of the voltage to be applied are obtained from the n-channel IGBT and a corresponding p-channel IGBT. In general, this is superior to the n-channel NPT-IGBT in terms of latch-up strength, but inferior in terms of avalanche strength.
Die Darstellung von RC-Zeitgliedern mit Zeitkonstanten im μs-Bereich ist platzintensiv. Eine ebenfalls integrierbare Alternative wäre die Verwendung eines Multivibrators mit nachgeschaltetem Frequenzteiler, beispielsweise in NMOS- Widerstands-Logik anstelle des RC-Zeitgliedes in der Steuerschaltung. Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele einer geschalteten Klammerung können in einer weiteren nicht illustrierten Ausführungsform noch verfeinert werden. Dazu betrachtet man den Fall, dass mehrere Funken in Folge nicht erzeugbar sind. In diesem Fall einer längeren Impulsfolge gemäß Kurve 303 von Fig. 3 steigt die mittlere Ver- lustleistung im Vergleich zu einer Kette von Impulsen gemäß Kurve 302 von Fig. 3 an. Um daraus resultierende Schäden in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Schaltungsanordnung zu vermeiden, sollte daher bei diesem Betrieb durch eine Zusatzlogik ein Warnsignal generiert werden, das die weite- re Endstufenansteuerung unterbindet.The representation of RC timers with time constants in the μs range is space-intensive. An also integrable An alternative would be to use a multivibrator with a frequency divider, for example in NMOS resistance logic, instead of the RC timer in the control circuit. The exemplary embodiments of a switched bracketing explained above can be refined in a further, not illustrated embodiment. To do this, consider the case where several sparks cannot be generated in succession. In this case of a longer pulse sequence according to curve 303 from FIG. 3, the average power loss increases compared to a chain of pulses according to curve 302 from FIG. 3. In order to avoid the resulting damage in the construction and connection technology of the circuit arrangement, a warning signal should be generated during this operation by an additional logic, which prevents further power stage control.
Beispielsweise kann zu einer Zeit t, welche zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t5 liegt, der Spannungs zustand von dem Knoten 405 oder dem Gateanschluss 103 abge- fragt werden. Liegt dieser über einem bestimmten Schwellenwert, so dass er auf einen Impulsfall gemäß Kurve 303 von Fig. 3 hindeutet, kann entweder direkt eine Unterdrückung des nächsten positiven Ansteuersignais an dem Knoten 406 oder ein Eintrag in einen Fehlerzähler erfolgen, der erst beim Erreichen einer bestimmten Zahl von Impulsen gemäß Kurve 303 von Fig. 3 weitere positive Ansteuersignale an den Knoten 406 unterbindet. Die nötige Logik und der gegebenenfalls nötige Fehlerzähler können in üblicher Weise ebenfalls monolithisch integriert werden bzw. extern angeordnet werden. For example, at a time t which lies between the time t 2 and the time t 5 , the voltage state can be queried by the node 405 or the gate connection 103. If this is above a certain threshold value, so that it indicates a pulse case according to curve 303 of FIG. 3, either the next positive control signal at node 406 can be suppressed directly or an entry into an error counter which only takes place when a certain number is reached of pulses according to curve 303 of FIG. 3 prevents further positive control signals at node 406. The necessary logic and the necessary error counter can be done in the usual way can also be integrated monolithically or arranged externally.
Halbleiter-Schaltungsanordnung, insbesondere für Zündungs- Verwendungen, und VerwendungSemiconductor circuitry, particularly for ignition uses, and use
BEZUGSZEICHENLISTE:LIST OF REFERENCE NUMBERS:

Claims

Halbleiter-Schaltungsanordnung, insbesondere für Zundungs- Verwendungen, und VerwendungPATENTANSPRÜCHE Semiconductor circuitry, particularly for ignition and use purposes
1. Halbleiter-Schaltungsanordnung, insbesondere für Zun- dungsverwendungen, mit:1. Semiconductor circuit arrangement, in particular for grit uses, with:
einer Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100), welche einen ersten Hauptanschluß (102), einen zweiten Hauptanschluß (101) und einen Steueranschluß (103) aufweist;a semiconductor power switch device (100) having a first main connection (102), a second main connection (101) and a control connection (103);
einer Klammerdiodeneinrichtung (205a, 205b) , welche zwischen der ersten Hauptanschluß (102) und den Steueranschluß (103) geschaltet ist, zum Klammern einer am ersten Hauptanschluß (202) anliegenden externen Spannung (VA) ;clamp diode means (205a, 205b), which is connected between the first main connection (102) and the control connection (103), for clamping an external voltage (V A ) present at the first main connection (202);
wobei die Klammerdiodeneinrichtung (205a, 205b) einen ersten Teil (205a) mit einer ersten Klammerspannung und einen zweiten Teil (205b) mit einer zweiten Klammerspannung (VK ) aufweit, wobei der zweite Teil (205b) in Serie zum ersten Teil (205a) geschaltet ist;the clamp diode device (205a, 205b) expanding a first part (205a) with a first clamp voltage and a second part (205b) with a second clamp voltage (V K ), the second part (205b) in series with the first part (205a) is switched;
einer steuerbaren Halbleiter-Schaltereinrichtung (402, 650), welche parallel zum ersten Teil (205a) geschaltet ist, zum steuerbaren Überbrücken des ersten Teils (205a) , so daß entweder die Summenspannung (VKL) der ersten und zweiten Klammerspanung oder die zweite Klammerspannung (Vκι ) zum Klammern der am ersten Hauptanschluß (202) anliegenden externen Spannung (VA) vorgesehen ist; unda controllable semiconductor switch device (402, 650), which is connected in parallel with the first part (205a), for controllably bridging the first part (205a), so that either the sum voltage (V KL ) of the first and second clamp voltage or the second clamp voltage (Vκι) is provided for clamping the external voltage (V A ) present at the first main connection (202); and
einer Steuerschaltung (403) zum Steuern der steuerbaren Halbleiter-Schaltereinrichtung (402) in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Betriebszustand der Halbleiter- Leistungsschaltereinrichtung (100) .a control circuit (403) for controlling the controllable semiconductor switch device (402) as a function of a predetermined operating state of the semiconductor power switch device (100).
2. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Betriebszustand eine Betriebstemperatur der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100) ist.2. Semiconductor circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the predetermined operating state is an operating temperature of the semiconductor power switch device (100).
3. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (TS) zur Erfassung der Betriebstemperatur der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100) vorgesehen ist und die Steuer- Schaltung derart gestaltet ist, daß sie die Halbleiter- Schaltereinrichtung (402, 650) dann zum Überbrücken ansteuert, wenn die Betriebstemperatur der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100) eine vorbestimmte Temperatur überschreitet .3. A semiconductor circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a temperature sensor (TS) is provided for detecting the operating temperature of the semiconductor power switch device (100) and the control circuit is designed such that it the semiconductor switch device (402, 650 ) is triggered to bridge if the operating temperature of the semiconductor power switch device (100) exceeds a predetermined temperature.
4. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Betriebszustand ein Zustand ist, der nach einer vorbestimmten Zeitverzöge- rung nach einem Zustandswechsel eines am Steueranschluß (103) anliegenden Steuersignals (ST) vorliegt.4. Semiconductor circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the predetermined operating state is a state which after a predetermined time delay tion after a change of state of a control signal (ST) present at the control connection (103) is present.
5. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss Anspruch 4, da- durch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (403) ein5. Semiconductor circuit arrangement according to claim 4, characterized in that the control circuit (403)
Zeitglied zur Erfassung der Zeitverzögerung nach dem Zustandswechsel aufweist und derart gestaltet ist, daß sie die Halbleiter-Schaltereinrichtung (402, 650) dann zum Überbrücken ansteuert, wenn die erfaßte Zeitverzögerung die vorbestimmte Zeitverzögerung überschreitet.Has a timing element for detecting the time delay after the change of state and is designed such that it controls the semiconductor switch device (402, 650) for bridging when the detected time delay exceeds the predetermined time delay.
6. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss einem der vorhergehenden Absprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Halbleiter-Schaltereinrichtung (402, 650) ein zweiter NMOS-Transistor (650) ist, dessen Steueranschluß6. Semiconductor circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the controllable semiconductor switch device (402, 650) is a second NMOS transistor (650), the control connection
(653) über eine Widerstandseinrichtung (659) mit dem ersten Hauptanschluß (102) verbunden ist.(653) is connected to the first main connection (102) via a resistance device (659).
7. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss Anspruch 6, da- durch gekennzeichnet, dass zwischen der Steuerschaltung7. Semiconductor circuit arrangement according to claim 6, characterized in that between the control circuit
(403) und der steuerbaren Halbleiter-Schaltereinrichtung (402, 650) eine Ξpannungsumsetzungseinrichtung vorgesehen ist, welche einen ersten NMOS-Transistor (570) , dessen erster Hauptanschluß (571) mit dem Steueranschluß (653) des zweiten NMOS-Transistors (650) verbunden ist und über dessen zweitem Hauptanschluß (572) und Steueranschluß (573) die Steuerschaltung (403) angeschlossen ist, aufweist. (403) and the controllable semiconductor switch device (402, 650) a voltage conversion device is provided which connects a first NMOS transistor (570), the first main connection (571) of which is connected to the control connection (653) of the second NMOS transistor (650) is and via the second main connection (572) and control connection (573) the control circuit (403) is connected.
8. Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss einem der vorhergehenden Absprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100) ein vertikaler IGBT ist, der aufweist:8. Semiconductor circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor power switch device (100) is a vertical IGBT, which has:
einen rückseitigen Emitterbereich (105) eines zweiten Leitungstyps (p+) , ein Driftgebiet (104) des ersten Leitungstyps (n~) und einen rückseitigen Anodenkontakt als ersten Hauptanschluß (102);a rear emitter region (105) of a second conductivity type (p + ), a drift region (104) of the first conductivity type (n ~ ) and a rear anode contact as the first main connection (102);
ein optionelles Buffergebiet (140) zwischen dem Driftgebiet (104) und dem rückseitigen Emitterbereich (105);an optional buffer area (140) between the drift area (104) and the rear emitter area (105);
eine vorderseitige MOS-Steuerstruktur mit einem vordersei- tigen Sourcebereich (106) und einem Bodybereich (108), welche in das Driftgebiet (104) eingebracht sind, und einen über dem Bodybereich (107, 108) und über einem daran angrenzenden Teil des Driftgebiets (104) isoliert angeordneten Steuerkontakt als Steueranschluß (103) ; unda front-side MOS control structure with a front-side source region (106) and a body region (108), which are introduced into the drift region (104), and one over the body region (107, 108) and over an adjacent part of the drift region ( 104) isolated control contact as control connection (103); and
einen vorderseitigen Kathodenkontakt (101) , welcher mit dem vorderseitigen Sourcebereich (106) und dem Bodybereich (108) verbunden ist;a front cathode contact (101) connected to the front source region (106) and the body region (108);
wobei die Klammerdiodeneinrichtung (205a, 205b) , die Halbleiter-Schaltereinrichtung (402, 650) und die Steuerschaltung (403) vorderseitig zwischen einem aktiven Bereich (130) und einer Randabschlußmetallisierung (152) der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100) integriert sind. wherein the clamp diode device (205a, 205b), the semiconductor switch device (402, 650) and the control circuit (403) are integrated on the front between an active region (130) and an edge metallization (152) of the semiconductor power switch device (100).
9. Verwendung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung gemäss einem der vorhergehenden Absprüche in einer Zündung, wobei der erste Hauptanschluß (102) an eine Primärwicklung einer Zündspule (211) angeschlossen wird und wobei der vorbestimmte Betriebszustand der Halbleiter-Leistungsschaltereinrichtung (100) derart gewählt wird, daß er zeitlich nach einem Zeitpunkt (tf) auftritt, der für die Erzeugung eines Zündfunkens an einer mit der Sekundärwicklung der Zündspule (211) verbundenen Zündkerze (212) vorgesehen ist.9. Use of a semiconductor circuit arrangement according to one of the preceding claims in an ignition, the first main connection (102) being connected to a primary winding of an ignition coil (211) and the predetermined operating state of the semiconductor power switch device (100) being selected such that it occurs after a point in time (t f ) which is provided for generating an ignition spark on a spark plug (212) connected to the secondary winding of the ignition coil (211).
10. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Summenspannung (VKL) zwischen 200 und 650 V liegt und die zweite Klammerspannung (VKL Λ) zwischen 35 und 75 V liegt. 10. Use according to claim 10, characterized in that the total voltage (V KL ) is between 200 and 650 V and the second clamp voltage (V KL Λ ) is between 35 and 75 V.
EP02774426A 2001-10-09 2002-09-30 Semiconductor circuit, especially for ignition purposes, and the use of the same Withdrawn EP1444780A1 (en)

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