SK288552B6

SK288552B6 - Magnetic field-controlled transistor and method of measuring the magnitude of the switching current of the power electronic element

Info

Publication number: SK288552B6
Application number: SK5024-2011A
Authority: SK
Inventors: Martin Donoval; Juraj Marek; Martin Daříček; Daniel Donoval; Viera Stopjaková
Original assignee: Slovenská Technická Univerzita V Bratislave; Nanodesign, S. R. O.
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2018-05-02
Also published as: SK50242011A3

Abstract

A magnetic field-controlled transistor (1) for measuring the magnitude of the switching current of the power electronic element by means of a magnetic field generated by the switched current with the regions (3a) and (3)b, the emitter region (10) and the gate (6) for controlling the collector current IK, (3a) and (3b) of the drowned collectors are separated from each other and comprise a conducting channel (8) oriented vertically with respect to the plane of the epitaxial layer interface (4) and the region P of the crater (5) and the drift region located in the epitaxial layer to deflect the charge carriers by the magnetic field. In measuring of the magnitude of the switching current, the individual components of the vertical collector current are sensed by a magnetic field of the transistor (1) located in the vicinity of the power element (13) separated by a deep passage (14) flowing through one area (3a) of the drooping collector at least a second region (3b) of the drooped collector into the emitter (10), and subsequently evaluating the ratios of these vertical streams. The magnetic field B generated by the vertical power element (13) directed perpendicularly to a plane defined by the cross-section of the magnetic field of the transistor (1) is sensed with respect to the substrate (2) along the conducting channel (8) across to two regions (3a) and (3b) of dropped collectors.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka magnetickým poľom ovládaného tranzistora na meranie veľkosti spínaného prúdu výkonového elektronického prvku pomocou magnetického poľa a spôsobu merania veľko stí spínaného prúdu týmto tranzistoromBACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a magnetic field-controlled transistor for measuring the magnitude of the switched current of a power electronic element by means of a magnetic field, and to a method for measuring the magnitude of the switched current through the transistor.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Magnetické senzory sú využívané v mnohých oblastiach priemyslu. V oblasti elektroniky a elektrotechniky sú magnetické senzory využívané najčastejšie na meranie magnetických polí, vytvorených elektrickým prúdom Mnohé elektronické zariadenia využívajú detekciu prítomnosti magnetického poľa.Magnetic sensors are used in many areas of industry. In the field of electronics and electrical engineering, magnetic sensors are most commonly used to measure magnetic fields created by electric currents. Many electronic devices utilize magnetic field detection.

Na meranie magnetického toku a magnetického poľa sa využíva množstvo typov integrovaných senzorov. Magnetické senzory premieňajú magnetický tok na signál vo forme diferenčného napätia, ktoré môže byť následne spracované pomocou dostupných metód spracovania signálu. Magnetické poľom ovládané tranzis tory sú dobre známe a veľmi efektívne pri určovaní sily magnetického poľa.Many types of integrated sensors are used to measure magnetic flux and magnetic field. Magnetic sensors convert the magnetic flux into a signal in the form of a differential voltage, which can then be processed using available signal processing methods. Magnetic field-controlled transistors are well known and very effective in determining the strength of a magnetic field.

Meranie veľkosti pretekajúcich prúdov vo výkonových aplikáciách predstavuje problém Vo výkonových aplikáciách dochádza ku využívaniu výkonových MOS tranzistorov vďaka ich známym vlastnostiam, akými sú vysoká vstupná impedancia, krátke spínacie časy a tepelná stabilita. Výkonové tranzistory plnia funkciu výkonového spínača. Súčasné integrované výkonové elektronické prvky dosahujú veľmi nízky odpor v zopnutom stave a riadia prúdy jednotiek až desiatok ampérov. Vzhľadom na lepšie využitie plochy čipu sú v súčasnosti v praxi často využívané vertikálne výkonové štruktúry. Vznik lokálneho defektu takejto štruktúry môže pod vplyvom veľkého spínaného prúdu prerásť do celkovej deštrukcie, čo má v praxi vážne následky. Zavedenie prúdového senzora priamo do prúdovej cesty pri veľkých prúdoch spôsobuje neželaný nárast odporu a výkonovej straty na prvku, zaradenie paralelného senzora vnáša nežiaduci šum Meranie veľkosti spínaného prúdu preto predstavuje vážnu otázku. Na základe toho vzniká dopyt po citlivom a bezúbytkovom senzore veľkosti pretekajúceho prúdu.Measuring current flow rates in power applications poses a problem Power MOS transistors are used in power applications due to their known properties such as high input impedance, short switching times and thermal stability. Power transistors act as a power switch. Today's integrated power electronic components achieve very low on-state resistance and drive unit currents of up to tens of amperes. Due to better utilization of the chip area, vertical power structures are often used in practice today. The occurrence of a local defect of such a structure can, under the influence of a large switched current, grow into a total destruction, which in practice has serious consequences. The introduction of a current sensor directly into the current path at high currents causes an unwanted increase in resistance and power loss on the element, the inclusion of a parallel sensor brings unwanted noise Measuring the size of the switched current is therefore a serious issue. As a result, there is a demand for a sensitive and lossless flow current sensor.

V doterajšom stave techniky nie je známy a využívaný žiadny elektronický prvok, ktorý by spĺňal parametre, vhodné na snímanie veľkosti prúdu. Existujúce prvky, vhodné na realizáciu meraní, sú navrhnuté iba pre laterálny smer. Takouto štruktúrou je napríklad senzor magnetickým poľom ovládaný tranzistor, ktorý je dosiaľ taktiež navrhnutý iba na fungovanie v laterálnom smere.In the prior art, no electronic element that meets the parameters suitable for sensing the magnitude of the current is known and used. Existing elements suitable for carrying out measurements are designed only for lateral direction. Such a structure is, for example, a magnetic field-actuated transistor, which so far has also been designed only to function in the lateral direction.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Nedostatky doterajšieho stavu techniky sú odstránené magnetickým poľom ovládaným tranzistorom na meranie veľkosti spínaného prúdu výkonového elektronického prvku pomocou magnetického poľa, generovaného spínaným prúdom, obsahujúcim oblasti utopených kolektorov, oblasť emitora a hradia, na riadenie kolektorového prúdu Ik, pričom oblasti utopených kolektorov sú navzájom oddelené, ktorého podstata spočíva v tom, že ďalej obsahuje kanál orientovaný vertikálne vzhľadom na rovinu rozhrania epitaxnej vrstvy a oblasti jamy. Epitaxná vrstvaje driftovou oblasťou na odklon nosičov elektrického náboja.The drawbacks of the prior art are overcome by a magnetic field-actuated transistor for measuring the magnitude of the switched current of a power electronic element using a switched current generated magnetic field comprising drowned collector areas, emitter and damper regions for collector current control Ik. characterized in that it further comprises a channel oriented vertically with respect to the interface plane of the epitaxial layer and the pit area. The epitaxial layer is drifted to deflect the electric charge carriers.

Predložený vynález rieši aj spôsob merania veľkosti spínaného prúdu výkonového elektronického prvku magnetickým poľom ovládaným tranzistorom, ktorého podstata spočíva v tom, že magnetickým poľom ovládaný tranzistor je umiestnený v tesnej blízkosti výkonového prvku oddelený hlbokou priepasťou a snímajú s a jednotlivé zložky vertikálneho kolektorového prúdu, pretekajúce cez jeden utopený kolektor a najmenej druhý utopený kolektor do emitorovej oblasti a vyhodnocujú s a pomery týchto vertikálnych prúdov.The present invention also provides a method of measuring the magnitude of the switched current of a power electronic element by a magnetic field transistor, which is characterized in that the magnetic field transistor is located in close proximity to the power element separated by a deep gap. the drowned collector and at least the second drowned collector into the emitter region and the ratios of these vertical currents are evaluated.

V ďalšom výhodnom uskutočnení sa sníma magnetické pole B, generované vertikálnym výkonovým prvkom, smerujúce kolmo na rovinu, pretínajúcu oba utopené kolektory v kolmom smere.In a further preferred embodiment, the magnetic field B generated by the vertical power element directed perpendicularly to the plane intersecting both drowned collectors in a perpendicular direction is sensed.

V ďalšom výhodnom uskutočnení sa vertikálny výkonový prvok a magnetickým poľom ovládaný tranzistor navzájom izolujú na zabezpečenie izolácie nízkonapäťových častí integrovaného obvodu od výkonového spínacieho prvku a zabránenie vzniku tzv. latch-up efektu.In a further preferred embodiment, the vertical power element and the magnetic field transistor are insulated from each other to isolate the low voltage parts of the integrated circuit from the power switching element and prevent the formation of a so-called transistor. latch-up effect.

Pretože táto štruktúra je kompatibilná so štandardnými CMOS a BiCMOS technológiami, takýto druh senzora je možné využívať ako štandardný knižničný prvok pri návrhu integrovaných obvodov. Integrácia prúdových monitorov, založených na princípe magnetickým poľom ovládaného tranzistora a elektrického obvodu pripraveného CMOS technológiou na jednom čipe si nevyžaduje žiadne špeciálne a dodatočné technologické operácie.Because this structure is compatible with standard CMOS and BiCMOS technologies, this kind of sensor can be used as a standard library element in IC design. The integration of current monitors based on the principle of a magnetic field controlled transistor and an electrical circuit prepared by CMOS technology on a single chip does not require any special and additional technological operations.

S K 288552 B6N K 288552 B6

Prehľad obrázkov na výkresochBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Príklady vynálezu, ilustrujúce vynález, sú zobrazené na priložených nákresoch, na ktorých:Examples of the invention illustrating the invention are shown in the accompanying drawings, in which:

obrázok la zobrazuje pohľad zboku na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora;Figure 1a shows a side view of the structure of a vertical magnetic field-actuated transistor;

obrázok lb zobrazuje pohľad zhora na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora s vyznačenými osami virtuálnych rezov, zobrazených na ďalších obrázkoch;Figure 1b shows a top view of the structure of a vertical magnetic field-actuated transistor with the axes of virtual sections shown in the other figures;

obrázok lc zobrazuje pohľad na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora v reze, vedenom podľa roviny A-A, zobrazenom na obrázku lb;Figure 1c shows a cross-sectional view of the structure of the vertical magnetic field-actuated transistor taken along line A-A shown in Figure 1b;

obrázok ld zobrazuje pohľad na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora v reze, vedenom podľa roviny B-B, zobrazenom na obrázku lb;Figure 1d shows a cross-sectional view of the structure of the vertical magnetic field-actuated transistor taken along line B-B shown in Figure 1b;

obrázok le zobrazuje pohľad na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora v reze, vedenom podľa roviny C-C, zobrazenom na obrázku lb;Figure 1e shows a cross-sectional view of the vertical magnetic field-actuated transistor taken along the plane C-C shown in Figure 1b;

obrázok 2a schematicky zobrazuje princíp činnosti magnetického poľom ovládaného tranzistora za prítomnosti nulového magnetického poľa podľa obrázka la;Figure 2a schematically illustrates the principle of operation of a magnetic field controlled transistor in the presence of a zero magnetic field of Figure 1a;

obrázok 2b schematicky zobrazuje princíp činnosti magnetického poľom ovládaného tranzistora za prítomnosti nenulového magnetického poľa podľa obrázka la;Figure 2b schematically illustrates the principle of operation of a magnetic field controlled transistor in the presence of the non-zero magnetic field of Figure 1a;

obrázok 3 ilustratívne zobrazuje spôsob merania prúdu príkladného vertikálneho výkonového polovodičového prvku pomocou integrácie vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora.Figure 3 illustratively illustrates a current measurement method of an exemplary vertical power semiconductor element by integrating a vertical magnetic field-controlled transistor.

Príklady uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Magnetickým poľom ovládaný tranzistor je prvok, ktorý funguje ako magneticky citlivý MOSFET tranzistor, pričom sníma magnetické pole a zabezpečuje na výstupe príslušný elektrický signál, obvykle napätie alebo prúd. Fyzikálna štruktúra tohto senzora je založená na rozdelených priľahlých kolektoroch MOS tranzistora. Magnetickým poľom ovládaný tranzistor sníma magnetické pole, kolmé na kanál tranzistora.A magnetic field-controlled transistor is an element that functions as a magnetically sensitive MOSFET transistor, sensing the magnetic field and providing the appropriate electrical signal, usually a voltage or current. The physical structure of this sensor is based on split adjacent collectors of the MOS transistor. The magnetic field-controlled transistor senses a magnetic field perpendicular to the transistor channel.

Základným charakteristickým prvkom vynálezu je vertikálna realizácia senzora štruktúry magnetického poľom ovládaného tranzistora na snímanie magnetického poľa, vytváraného prúdom, spínaným vertikálne orientovaným výkonovým prvkom Vertikálny magnetickým poľom ovládaný tranzistor obsahuje najmenej dve rozdelené oblasti utopených kolektorov a, umiestnené v dopovanej vrstve, driftovú oblasť, vznikajúcu v epitaxnej vrstve pod hradlom, umiestneným medzi oblasťami emitora a oblasťami utopených kolektorov. Hradlo ovláda kolektorový prúd, smerujúci od emitora ku najmenej jednému z kolektorov. Pomocou takejto konštrukcie je štruktúra schopná snímania magnetického poľa, rovnobežného s rovinou povrchu substrátu. Na rozdiel od laterálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora tak dochádza ku snímaniu magnetického poľa kolmého na rovinu, ktorá v kolmom smere pretína oba utopené kolektory.An essential feature of the invention is a vertical realization of a current-sensed magnetic field transistor structure sensor generated by a vertically oriented power element. The vertical magnetic field transistor comprises at least two subdivided areas of drowned collectors and, located in the doped layer, a drift area an epitaxial layer below the gate, located between the emitter areas and the drowned collector areas. The gate controls a collector current directed from the emitter to at least one of the collectors. With such a construction, the structure is capable of sensing a magnetic field parallel to the plane of the substrate surface. Unlike the lateral magnetic field-controlled transistor, the magnetic field perpendicular to the plane intersecting both drowned collectors is perpendicular.

Ďalším charakteristickým znakom vynálezu je neinvazívny spôsob merania prúdu vo vertikálnych výkonových polovodičových prvkoch pomocou snímania veľkosti magnetického poľa, generovaného spínaným prúdom, pretekajúcim cez výkonový prvok. Spôsob zahŕňa umiestnenie snímacieho prvku s dopovanou oblasťou najmenej dvoch rozdelených ohlastíkolektora, driftovou oblasťou, oblasťou kanála, dopovanou oblasťou emitora, ovládaného hradlomtak, aby bola dosiahnutá potrebná citlivosť na snímanie uvedenéhoparametra.Another feature of the invention is a non-invasive method of measuring current in vertical power semiconductor elements by sensing the magnitude of the magnetic field generated by the switched current flowing through the power element. The method comprises positioning a sensor element having a doped region of at least two divided collector heater areas, a drift region, a channel region, a gate-controlled doped region, so as to achieve the necessary sensitivity to the sensing of said parameter.

Obrázky la-le zobrazujú príklad štruktúry snímacieho vertikálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora T Vertikálny magnetickým poľom ovládaný tranzistor 1 môže byť technologicky vytvorený v substráte 2 polovodiča p-typu alebo n-typu. Z hľadiska funkčnosti sú štruktúry, vytvorené v iných typoch polovodičového substrátu 2 takmer identické, líšia sa iba rozdielom konečnej citlivosti. Príklad uskutočnenia vynálezu bude obmedzený iba na jeden typ základného substrátu 2 (p-typ) a odvíjajúcej sa štruktúry magnetickým poľom ovládaného tranzistora T Osobe poznajúcej problematiku je zrejmé, že je rovnako možný návrh a realizácia štruktúry, vytvorenej v opačnom type substrátu 2 (n-typ).Figures 1a-1e show an example of the structure of the sensing vertical magnetic field-controlled transistor T The vertical magnetic field-operated transistor 1 can be technologically formed in the substrate 2 of the p-type or n-type semiconductor. In terms of functionality, the structures formed in other types of semiconductor substrate 2 are almost identical, differing only by the difference in final sensitivity. The exemplary embodiment of the invention will be limited to only one type of base substrate 2 (p-type) and the unfolding structure of a magnetic field-actuated transistor T It will be apparent to those skilled in the art that design and implementation of a structure formed in the opposite type of substrate 2 (n- Type).

Ako je zobrazené na obrázkoch la-le, magnetickým poľom ovládaný tranzistor J. je vytvorený v substráte 2 p-typu. V rámci substrátu 2 sú vytvorené oblasti 3a a 3b utopených kolektorov pomocou implantácie a následnou difúziou v difúznej peci (nezobrazenej). Na takto pripravený substrát 2 je narastená epitaxná vrstva 4 tvoriaca driftovú oblasť toku prúdu tečúceho cez tranzistor. Do epitaxnej vrstvy 4 je pomocou implantácie a difúzie vytvorená oblasť 5 P jamy a hradlo 6 z polykryštalického kremíka, oddeleného izolačnou vrstvou 7 hradlového oxidu. Pri aplikácii napätia na hradlo 6 dochádza k indukovaniu vodivého kanála 8 v oblasti 5 P jamy v tesnej blízkosti izolačnej vrstvy 7 hradlového oxidu. Prúd preteká z oblastí 9a a 9b povrchových kolektorov do oblastí 3a a 3b utopených kolektorov, a potom cez epitaxnú vrstvu 4 a vodivý kanál 8 do emitora 10. Oblasti 9a a 9b povrchových kolektorov, ako aj oblasti 3a a 3b utopených kolektorov, sú mimo aktívnej oblasti JT senzora oddelené izolačnou vrstvou vytvorenou vyleptaním izolačnej priepasti 12.As shown in Figures 1a-1e, the magnetic field-actuated transistor J is formed in a β-type substrate. Within the substrate 2, drowned collector regions 3a and 3b are formed by implantation and subsequent diffusion in a diffusion furnace (not shown). The epitaxial layer 4 forming the drift region of the current flowing through the transistor is grown on the substrate 2 thus prepared. In the epitaxial layer 4, by means of implantation and diffusion, a region 5 of the pit and a gate 6 of polycrystalline silicon separated by an insulating layer 7 of the gate oxide is formed. Applying voltage to the gate 6 induces a conductive channel 8 in the region 5 of the pit in close proximity to the gate oxide insulation layer 7. The current flows from the surface collector areas 9a and 9b to the drowned collector areas 3a and 3b, and then through the epitaxial layer 4 and the conductive channel 8 to the emitter 10. The surface collector areas 9a and 9b as well as the drowned collector areas 3a and 3b are outside the active areas of the JT sensor separated by an insulating layer formed by etching the insulation gap 12.

Obrázok 2a zobrazuje prípad, kedy je magnetické pole nulové. Magnetickým poľom ovládaný tranzistor 1 fúnguje ako bežný vertikálny poľom ovládaný tranzistor MOSFET. Napätie privedené na hradlo 6 otváraFigure 2a shows a case where the magnetic field is zero. The magnetic field-controlled transistor 1 functions as a conventional vertical field-controlled MOSFET. The voltage applied to the gate 6 opens

S K 288552 B6 tranzistor a riadi veľkosť prúdu, pretekajúceho cez vodivý kanál 8. Prúd elektrónov (označený opačnou šípkou), vteká rovnomerne do jednotlivých oblastí 3a a 3b utopených kolektorov, odkiaľ smeruje ďalej do oblastí 9a a 9b povrchových kolektorov, zobrazených na obr. 1. Smer toku elektrónov je opačný v/hľadom na medzinárodne dohodnuté a uznávané značenie smeru prúdu.With K 288552 B6, the transistor a controls the magnitude of the current flowing through the conducting channel 8. The electron current (indicated by the opposite arrow) flows uniformly into the individual drown collector regions 3a and 3b from where it is directed further to the surface collector regions 9a and 9b shown in FIG. 1. The direction of electron flow is opposite in view of internationally agreed and recognized current direction markings.

Obrázok 2b rozoberá prípad nenulového magnetického poľa B, smerujúceho kolmo na rovinu pretínajúcu obe oblasti 3a a 3b utopených kolektorov v kolmom smere, kedy dochádza v driftovej oblasti epitaxnej vrstvy 4 ku vplyvu Lorentzovej sily na elektróny, tečúce z emitora 10 do oblastí 3a a 3b utopených kolektorov a odtiaľ do oblasti 9a a 9b povrchových kolektorov (zobrazených na obr. lb). Elektróny sú vplyvom Lorentzovej sily vychyľované a vtekajú do oblasti 9a a 9b povrchových kolektorov v nerovnovážnom množstve a prúd, pretekajúci cez jednu oblasť povrchového kolektora, je väčší ako prúd, pretekajúci cez druhú oblasť povrchového kolektora. Ku odklonu elektrónov dochádza predovšetkým v epitaxnej vrstve 4, v ktorej je koncentrácia elektrónov v jednej polovici oblasti väčšia ako koncentrácia elektrónov v druhej polovici oblasti.Figure 2b discusses a case of a non-zero magnetic field B directed perpendicularly to a plane intersecting both drowned collector regions 3a and 3b in a perpendicular direction where Lorentz force on electrons flowing from emitter 10 to drowned regions 3a and 3b occurs in the drift region of epitaxial layer 4 and from there to the surface collector regions 9a and 9b (shown in FIG. 1b). The electrons are deflected by Lorentz force and flow into the surface collector regions 9a and 9b in an unbalanced amount, and the current flowing through one surface collector region is greater than the current flowing through the other surface collector region. In particular, the electron deflection occurs in the epitaxial layer 4, in which the electron concentration in one half of the region is greater than the electron concentration in the other half of the region.

V závislosti od smeru vektora magnetického poľa, vstupujúceho kolmo na určenú rovinu magnetickým poľom ovládaného tranzistora 1 dochádza ku odklonu prúdu ku jednotlivým oblastiam 9a a 9b povrchových kolektorov. Veľkosť rozdielu jednotlivých prúdov, pretekajúcich cez oblasti 9a a 9b povrchových kolektorov, je úmerná veľkosti externého magnetického poľa a môže byť využitá na vyhodnotenie veľkosti externého magnetického poľa. Na obrázku 3 je zobrazený spôsob využitia snímacieho vertikálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora 1 na neinvazívne meranie prúdu vertikálnych výkonových polovodičových prvkov.Depending on the direction of the magnetic field vector entering perpendicular to the determined plane of the magnetic field transistor 1, the current is diverted to the individual surface collector regions 9a and 9b. The magnitude of the difference of the individual currents flowing through the surface collector regions 9a and 9b is proportional to the size of the external magnetic field and can be used to evaluate the size of the external magnetic field. Fig. 3 shows a method of using a sensing vertical magnetic field-controlled transistor 1 for non-invasively measuring the current of vertical power semiconductor elements.

V prípade, keď výkonovým prvkom 13 preteká spínaný prúd Is, vytvára sa veľké magnetické pole B. Spínané prúdy výkonových prvkov sa obvykle pohybujú v rozmedzí jednotiek až desiatok ampérov. Generované magnetické pole B dosahuje preto v minimálnej vzdialenosti od kanála výkonového prvku relatívne vysoké hodnoty. Pomocou hlbokej priepasti 14 je vytvorená tenká izolačná vrstva na okraji výkonového prvku 13. Táto hlboká priepasť je vytvorená v jednom technologickom kroku s izolačnou priepasťou 12 rozdeľujúcou oblasti 9a a 9b povrchových kolektorov magnetickým poľom ovládaného tranzistora E Pomocou integrácie magnetickým poľom ovládaného tranzistora J, v tesnej vzdialenosti výkonového prvku 13 je možné realizovať bezkontaktné a nerušivé meranie veľkosti pretekajúceho spínaného prúdu Is, generujúceho magnetické pole B. Hlboká priepasť 14 izoluje výkonový prvok 13 od magnetickým poľom ovládaného tranzistora 1 a vznikajúcich parazitných efektov.In the case where the switched current 13 is flowing through the power element 13, a large magnetic field B is generated. The switched currents of the power elements are usually in the range of units to tens of amperes. The generated magnetic field B therefore reaches relatively high values at a minimum distance from the channel of the power element. By means of a deep gap 14 a thin insulating layer is formed at the edge of the power element 13. This deep gap is formed in one technological step with an insulating gap 12 dividing the surface collector areas 9a and 9b of the magnetic field controlled transistor E By integrating the magnetic field controlled transistor J. For the distance of the power element 13 it is possible to realize non-contact and undisturbed measurement of the magnitude of the flowing switched current Is, generating the magnetic field B. The deep gap 14 isolates the power element 13 from the magnetic field transistor 1 and the resulting parasitic effects.

Pri pretekaní prúdu Is výkonovým prvkom 13 dochádza ku vytváraniu magnetického poľa B, znázorneného pomocou ilustratívny ch siločiar. Magnetické poleje generované okolo celého kompaktného prvku, prípadne okolo jednotlivých buniek, cez ktoré preteká parciálny spínaný prúd. Magnetickým poľom ovládaný tranzistor J, je umiestnený v takej polohe vzhľadom na výkonový prvok 13, že generované magnetické pole vstupuje v kolmom smere na rovinu, pretínajúcu obe oblasti 3a a 3b utopených kolektorov vo vertikálnom smere. Vektory smeru spínaného prúdu výkonového prvku 13 a kolektorového prúdu magnetickým poľom ovládaného tranzistora 1 sú rovnaké. Pri pretekaní spínaného prúdu cez výkonový prvok 13 dochádza na základe pôsobenia sily F k vytváraniu rozdielneho prúdu, pretekajúceho cez jednotlivé oblasti 3a a 3b utopených kolektorov. Jednotka na spracovanie signálu (nezobrazená), s ktorou sú vodivo prepojené výstupné kovové kontakty oblasti 9a a 9b povrchových kolektorov, ďalej spracováva a vyhodnocuje veľkosť rozdielu medzi jednotlivými hodnotami parciálnych prúdov, ktoré v súčte tvoria celkový pretekajúci kolektorový prúd Ik magnetickým poľom ovládaného tranzistora 1.When the current I s flows through the power element 13, the magnetic field B shown by the illustrative field lines is formed. Magnetic fields generated around the entire compact element, or around individual cells, through which a partial switched current flows. The magnetic field-operated transistor J is positioned in such a position with respect to the power element 13 that the generated magnetic field enters in a perpendicular direction to a plane intersecting both drowned collector regions 3a and 3b in the vertical direction. The directional current vectors of the power element 13 and the collector current of the magnetic field controlled transistor 1 are the same. When the switching current flows through the power element 13, a different current flowing through the individual areas 3a and 3b of the drowned collectors is generated by the force F. The signal processing unit (not shown), to which the output metal contacts of the surface collector regions 9a and 9b are conductively coupled, further processes and evaluates the magnitude of the difference between the individual partial current values, which in total constitute the total flow collector current Ik of the magnetic field transistor 1.

Na ďalšie spracovanie signálu môže byť využitý akýkoľvek dostupný spôsob z mnohých známych metód osobám poznajúcim problematiku. Jednotka spracovania signálu nie je predmetom tohto vynálezu. Integrácia na obrázku 3 predstavuje jedno z možných príkladných vyhotovení spôsobu na meranie prúdu vo vertikálnych výkonových polovodičových prvkoch.Any available method of a variety of known methods to those skilled in the art can be utilized to further process the signal. The signal processing unit is not an object of the present invention. The integration in Figure 3 represents one possible embodiment of a method for measuring current in vertical power semiconductor elements.

V ďalšom z možných príkladných vyhotovení (nezobrazené) je viacero magnetickým poľom ovládaných tranzistorov umiestnených v bezprostrednej vzdialenosti od výkonového prvku, pričom každý z magnetických poľom ovládaných tranzistorov je umiestnený na inom mieste v tesnej blízkosti s kolektorom výkonového prvku.In another possible embodiment (not shown), a plurality of magnetic field actuated transistors are located at a direct distance from the power element, each of the magnetic field actuated transistors being located at a different location in close proximity to the power element collector.

V ešte ďalšom z možných vyhotovení (nezobrazené) je viacero snímacích magnetickým poľom ovládaných tranzistorov umiestnených v rôznych vzdialenostiach od kolektora, napríklad paralelne vedľa seba. Takéto zapojenie sa vyznačuje väčším rozsahom citlivosti.In yet another embodiment (not shown), a plurality of magnetic field actuated transistors are located at different distances from the collector, for example, parallel to each other. Such a circuit is characterized by a greater sensitivity range.

Tento vynález nie je limitovaný rozmermi magnetickým poľom ovládaného tranzistora ani výkonového prvku. Ďalej tento vynález nie je limitovaný množstvom využitých magnetickým poľom ovládaných tranzistorov, integrovaných na jednom čipe s výkonovými prvkami.The present invention is not limited to the dimensions of the magnetic field controlled transistor or power element. Further, the present invention is not limited to the amount of magnetic field controlled transistors utilized on a single chip with power elements.

Tento vynález ďalej nie je limitovaný využitím vertikálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora, nárokovaného v patentových nárokoch, výhradne na snímanie magnetického poľa, generovaného výkonovými prvkami.Furthermore, the present invention is not limited to the use of the vertical magnetic field-controlled transistor claimed in the claims exclusively for sensing the magnetic field generated by the power elements.

Osobe poznajúcej problematiku je zrejmé, že v rámci využitia vynálezu je možná akákoľvek kombinácia uvedených i neuvedených variantov použitia vertikálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora.It will be apparent to those skilled in the art that any combination of the above and unspecified variants of using a vertical magnetic field-controlled transistor is possible within the scope of the invention.

Claims

PATENT CLAIMS

A magnetic field-actuated transistor (1) for measuring the magnitude of the switched current of an electronic power element by means of a magnetic field generated by the switched current, comprising regions (3a, 3b)

5 drowned collectors, an emitter region (10) and a dam (6) for controlling the collector current Ik, wherein the drowned collector regions (3a, 3b) are separated from each other, characterized in that it comprises a conductive channel (8) oriented vertically with respect to the interfaces of the epitaxial layer (4) and the β area (5) of the pit and the drift region located in the epitaxial layer (4) for deflecting the charge carriers under the magnetic field.

10

Method for measuring the magnitude of the switched current of a power electronic element by a magnetic field transistor controlled according to claim 1, characterized in that individual components of a vertical collector current of a magnetic field controlled transistor (1) located in close proximity to a power element (13) separated by a deep gap (14) flowing through one drowned collector area (3a) and at least the other drowned collector area (3b) into the emitter (10) and the rates of these vertical currents are evaluated.

Method for measuring the magnitude of the switched current of a power electronic element by a magnetic field transistor controlled according to claim 2, characterized in that the sensor senses a magnetic field B generated by a vertical power element (13) directed perpendicular to the plane defined by the cross section of the magnetic field of the transistor (1). ) with respect to the substrate (2) along the conductive channel (8)

20 across both drowned collector areas (3a, 3b).