SK288552B6 - Magnetickým poľom ovládaný tranzistor a spôsob merania veľkosti spínaného prúdu výkonového eletronického prvku - Google Patents

Abstract

Magnetickým poľom ovládaný tranzistor (1) na meranie veľkosti spínacieho prúdu elektronického výkonového prvku pomocou magnetického poľa generovaného spínaným prúdom s oblasťami (3a) a (3b) utopených kolektorov, oblasťou emitora (10) a hradla (6) na riadenie kolektorového prúdu Ik, pričom oblasti (3a) a (3b) utopených kolektorov sú navzájom oddelené, obsahuje vodivý kanál (8) orientovaný vertikálne vzhľadom na rovinu rozhrania epitaxnej vrstvy (4) a oblasti (P) jamy (5) a driftovú oblasť nachádzajúcu sa v epitaxnej vrstve (4) na odklon nosičov náboja vplyvom magnetického poľa. Pri meraní veľkosti spínaného prúdu sa snímajú jednotlivé zložky vertikálneho kolektorového prúdu magnetickým poľom ovládaného tranzistora (1) umiestneného v tesnej blízkosti výkonového prvku (13) oddeleného hlbokou priepasťou (14) pretekajúce cez jednu oblasť (3a) utopeného kolektora a najmenej druhú oblasť (3b) utopeného kolektora do emitora (10) a následne sa vyhodnocujú pomery týchto vertikálnych prúdov. Magnetické pole B, generované vertikálnym výkonovým prvkom (13) smerujúce kolmo na rovinu definovanú priečnym rezom magnetickým poľom ovládaného tranzistora (1) sa sníma vzhľadom na substrát (2) pozdĺž vodivého kanála (8) naprieč oboma oblasťami (3a) a (3b) utopených kolektorov.

Description

Oblasť techniky

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 tranzistorom

Doterajší stav techniky

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.

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.

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.

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.

Podstata vynálezu

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.

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.

V ďalšom výhodnom uskutočnení sa sníma magnetické pole B, generované vertikálnym výkonovým prvkom, smerujúce kolmo na rovinu, pretínajúcu oba utopené kolektory v kolmom smere.

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.

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.

S K 288552 B6

Prehľad obrázkov na výkresoch

Príklady vynálezu, ilustrujúce vynález, sú zobrazené na priložených nákresoch, na ktorých:

obrázok la zobrazuje pohľad zboku na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora;

obrázok lb zobrazuje pohľad zhora na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora s vyznačenými osami virtuálnych rezov, zobrazených na ďalších obrázkoch;

obrázok lc zobrazuje pohľad na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora v reze, vedenom podľa roviny A-A, zobrazenom na obrázku lb;

obrázok ld zobrazuje pohľad na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora v reze, vedenom podľa roviny B-B, zobrazenom na obrázku lb;

obrázok le zobrazuje pohľad na štruktúru vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora v reze, vedenom podľa roviny C-C, zobrazenom na obrázku lb;

obrázok 2a schematicky zobrazuje princíp činnosti magnetického poľom ovládaného tranzistora za prítomnosti nulového magnetického poľa podľa obrázka la;

obrázok 2b schematicky zobrazuje princíp činnosti magnetického poľom ovládaného tranzistora za prítomnosti nenulového magnetického poľa podľa obrázka la;

obrázok 3 ilustratívne zobrazuje spôsob merania prúdu príkladného vertikálneho výkonového polovodičového prvku pomocou integrácie vertikálneho magnetického poľom ovládaného tranzistora.

Príklady uskutočnenia vynálezu

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.

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.

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.

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).

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.

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 otvára

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Tento vynález ďalej nie je limitovaný využitím vertikálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora, nárokovaného v patentových nárokoch, výhradne na snímanie magnetického poľa, generovaného výkonovými prvkami.

Osobe poznajúcej problematiku je zrejmé, že v rámci využitia vynálezu je možná akákoľvek kombinácia uvedených i neuvedených variantov použitia vertikálneho magnetickým poľom ovládaného tranzistora.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Magnetickým poľom ovládaný tranzistor (1) na meranie veľkosti spínaného prúdu elektronického výkonového prvku pomocou magnetického poľa, generovaného spínaným prúdom, obsahujúci oblasti (3a, 3b)

   5 utopených kolektorov, oblasť emitora (10) a hradia (6), na riadenie kolektorového prúdu Ik, pričom oblasti (3a, 3b) utopených kolektorov sú navzájom oddelené, vyznačujúci sa tým, že obsahuje vodivý kanál (8) orientovaný vertikálne vzhľadom na rovinu rozhrania epitaxnej vrstvy (4) a oblasti (5) P jamy a driftovú oblasť nachádzajúcu sa v epitaxnej vrstve (4) na odklon nosičov náboja vplyvom magnetického poľa.

   10
2. 2. Spôsob merania veľkosti spínaného prúdu výkonového elektronického prvku magnetickým poľom ovládaným tranzistorom podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že sa snímajú jednotlivé zložky vertikálneho kolektorového prúdu magnetickým poľom ovládaného tranzistora (1), umiestneného v tesnej blízkosti výkonového prvku (13) oddeleného hlbokou priepasťou (14), pretekajúce cez jednu oblasť (3a) utopeného kolektora a najmenej druhú oblasť (3b) utopeného kolektora do emitora (10) a vyhodnocujú sa pome15 ry týchto vertikálnych prúdov.
3. 3. Spôsob merania veľkosti spínaného prúdu výkonového elektronického prvku magnetickým poľom ovládaným tranzistorom podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, žesa sníma magnetické pole B, generované vertikálnym výkonovým prvkom (13), smerujúce kolmo na rovinu, definovanú priečnym rezom magnetickým poľom ovládaného tranzistora (1) vzhľadom na substrát (2) pozdĺž vodivého kanála (8)

   20 naprieč oboma oblasťami (3a, 3b) utopených kolektorov.