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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bauelementanordnung mit einem Transistor und einem Lastunterbrechungsdetektor.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor T und einer in Reihe zu einer Laststrecke des Transistors geschalteten Last Z.
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Die Funktion des Transistors T wird bestimmt durch eine an dessen Steueranschluss angeschlossene Ansteuerschaltung CC. So kann der Transistor T als einfaches Schaltelement zum Anlegen der Last Z an eine über der Reihenschaltung mit dem Transistor T und der Last Z anliegenden Eingangsspannung Vin dienen. Die Ansteuerschaltung CC ist in diesem Fall dazu ausgebildet, den Schalter wahlweise leitend anzusteuern, um die Last an die Eingangsspannung Vin anzulegen, oder sperrend anzusteuern. Der Transistor kann auch Teil eines linearen Spannungsreglers sein, der dazu dient die über der Reihenschaltung mit dem Transistor T und der Last anliegende Eingangsspannung Vin in eine geregelte Ausgangsspannung Vout zur Versorgung der Last zu wandeln. Ein derartiger linearer Spannungsregler ist beispielsweise in dem Datenblatt TLE4287G, Rev. 1.3, 2004-01-01, der Infineon Technologies AG, München, beschrieben.
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Tritt bei eingeschaltetem Transistor T eine Lastunterbrechung (open load) auf, d. h. wir die Verbindung zwischen dem Transistor T und der Last Z unterbrochen, so kann es zu einer Beschädigung des Transistors T oder gegebenenfalls weiterer an den Transistor angeschlossener Schaltungskomponenten (nicht dargestellt) kommen. Das Erkennen einer solchen Lastunterbrechung ist für Schaltungsanordnungen mit einem in Reihe zu einer Last anschließbaren Transistor ein wesentlicher Aspekt.
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Um eine Unterbrechung der Verbindung zwischen einem Transistor und einer Last, die nachfolgend als Lastverbindung bezeichnet ist, zu erkennen, könnte beispielsweise permanent ein die Last durchfließender Ausgangsstrom des Transistors ermittelt und mit einem Referenzstrom verglichen werden. Eine Unterbrechung der Lastverbindung würde dann angenommen, wenn der Ausgangsstrom Iout unter den Referenzstrom absinkt. Die Erfassung des Ausgangsstromes könnte beispielsweise mittels einer nach dem ”Stromsense”-Prinzip funktionierenden Messanordnung erfolgen. Eine solche Messanordnung ist beispielsweise in der
DE 195 20 735 A1 beschrieben. Nachteilig bei diesem Vorgehen ist der erhebliche Schaltungsaufwand, der für die Messanordnung und für eine Schaltung zur Bereitstellung des Referenzstromes erforderlich ist. Darüber hinaus fließt bei einer nach dem Stromsense-Prinzip arbeitenden Strommessanordnung permanent ein zu dem Laststrom proportionaler Messstrom, der die Verlustleistung der Anordnung erhöht.
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Darüber hinaus könnte zur Unterbrechung der Lastverbindung auch die über der Last anliegende Ausgangsspannung permanent mit einer Referenzspannung verglichen werden, wobei eine Lastunterbrechung dann angenommen würde, wenn die Ausgangsspannung den Wert der Referenzspannung übersteigt. Auch bei dieser Lösung ist ein erheblicher Schaltungsaufwand für die Realisierung der Referenzspannungsquelle und die Realisierung einer geeigneten Vergleicheranordnung erforderlich. Eine Schaltungsanordnung zur Detektion einer Lastunterbrechung, die nach diesem Prinzip funktioniert, ist beispielsweise in der
US 5 438 286 A beschrieben.
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Die
DE 101 30 081 A1 beschreibt eine Bauelementanordnung mit einem IGBT der zwei Emitter aufweist, von denen einer in einen Laststromkreis mit einer Last geschaltet ist, während ein anderer an eine Strommessanordnung zur Erfassung eines Laststromes durch den Laststromkreis angeschlossen ist.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor und einem Lastunterbrechungsdetektor zur Verfügung zu stellen, bei welcher der Lastunterbrechungsdetektor platzsparend und mit geringem Schaltungsaufwand realisierbar ist.
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Dieses Ziel wird durch eine Bauelementanordnung nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Bauelementanordnung umfasst einen Lasttransistor mit einer in einem Halbleiterkörper angeordneten ersten Transistorzone, einer in dem Halbleiterkörper angeordneten zweiten Transistorzone und einer zwischen der ersten und der zweiten Transistorzone angeordneten dritten Transistorzone. Diese dritte Transistorzone ist dabei komplementär zu der ersten und zweiten Transistorzone dotiert.
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Der Lasttransistor ist vorzugsweise ein Bipolartransistor. Die dritte Transistorzone bildet dabei die Basiszone dieses Transistors, und die ersten und zweiten Transistorzonen bilden die Emitter- und Kollektorzonen dieses Transistors.
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Die Bauelementanordnung umfasst weiterhin einen Lastunterbrechungsdetektor mit einer in der dritten Transistorzone angeordneten Messzone eines zu der dritten Transistorzone komplementären Leitungstyps und mit einer an die Messzone angeschlossenen Auswerteschaltung.
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Die Messzone ist in dem Halbleiterkörper vorzugsweise beabstandet zu der ersten Transistorzone angeordnet, wobei der Abstand zwischen der ersten Transistorzone und der Messzone größer ist als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Transistorzone. Die Messzone bildet mit der ersten und dritten Transistorzone des Lasttransistors einen weiteren Transistor, wobei dieser Transistor aufgrund der räumlichen Anordnung der Messzone in Bezug auf die erste Transistorzone des Lasttransistors im wesentlichen nur dann einen Strom leitet, wenn eine Lastunterbrechung auftritt, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.
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Die an die Messzone angeschlossene Auswerteschaltung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, einen in die Messzone hineinfließenden oder aus der Messzone herausfließenden Strom zu detektieren.
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Die an die Messzone angeschlossene Auswerteschaltung ist vorzugsweise wenigstens teilweise in demselben Halbleiterkörper wie der Transistor und die Messzone integriert.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 zeigt eine Reihenschaltung eines Transistors und einer Last nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt Querschnitte durch einen Halbleiterkörper, in dem Transistorzonen eines Bipolartransistors und eine Messzone vorgesehen sind, in einer ersten Schnittebene (2a) und in einer zweiten Schnittebene (2b).
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3 zeigt ein elektrisches Schaltsymbol des in 2 dargestellten Bauelements mit den Transistorzonen und der Messzone.
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4 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels.
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5 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Bauelementbereiche und gleiche Bauelemente mit gleicher Bedeutung.
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Bezug nehmend auf 2 besteht ein Aspekt der erfindungsgemäßen Anordnung, die einen Lasttransistor und einen Lastunterbrechungsdetektor aufweist, darin, eine Messzone 25, die Teil des Unterbrechungsdetektors ist, in demselben Halbleiterkörper 100 wie Transistorzonen 22–23 des Lasttransistors anzuordnen. 2a zeigt einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper 100 mit den darin angeordneten Transistorzonen 22–23 und der Messzone 25 in einer ersten Schnittebene B-B, und 2b zeigt den Halbleiterkörper 100 im Querschnitt in einer senkrecht zu der ersten Schnittebene B-B verlaufenden zweiten Schnittebene A-A.
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Der Halbleiterkörper 100 weist in dem Beispiel eine erste Halbleiterschicht 10 eines ersten Leitungstyps, beispielsweise ein Halbleitersubstrat, und eine auf die erste Halbleiterschicht 10 aufgebrachte zweite Halbleiterschicht 20 eines zweiten Leitungstyps, beispielsweise eine Epitaxieschicht, auf. Die erste Halbleiterschicht 10 bildet in dem Beispiel eine Rückseite des Halbleiterkörpers 100, während die zweite Halbleiterschicht 20 dessen Vorderseite 101 bildet.
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Der Transistor der Bauelementanordnung ist in dem Beispiel gemäß 2 als Bipolartransistor ausgebildet. Hierzu sind in der zweiten Halbleiterschicht 20 im Bereich der Vorderseite 101 erste und zweite Transistorzonen 23, 24 angeordnet, die komplementär zu der zweiten Halbleiterschicht 20 dotiert sind und die die Emitterzone 23 und die Kollektorzone 24 des Bipolartransistors bilden. Die Emitterzone 23 und die Kollektorzone 24 sind in dem Beispiel so ausgebildet, dass die Kollektorzone 24 die Emitterzone 23 in dem Halbleiterkörper 100 ringförmig umgibt. Zwischen der Emitterzone 23 und der Kollektorzone 24 ist eine dotierte Halbleiterzone 21 angeordnet, die eine dritte Halbleiterzone, in dem Beispiel die Basiszone des Bipolartransistors, bildet. Die Dotierung dieser Basiszone 21 kann der Grunddotierung der Halbleiterschicht 20 entsprechen.
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Zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Basiszone 21 weist diese eine stärker dotierte Anschlusszone 22 desselben Leitungstyps auf. Mit B ist in 2a der Basisanschluss des Transistors, mit E der Emitteranschluss des Transistors und mit C der Kollektoranschluss des Transistors bezeichnet. Diese Anschlüsse sind in 2a lediglich schematisch als Leitungsverbindungen zu den jeweiligen Transistorzonen dargestellt.
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Die Basiszone 21 ist bei einem pnp-Bipolartransistor n-dotiert und bei einem npn-Bipolartransistor p-dotiert. Entsprechend sind die Emitter- und Kollektorzonen 23, 24 bei einem pnp-Bipolartransistor p-dotiert und bei einem npn-Bipolartransistor n-dotiert.
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Beabstandet zu der Emitterzone 23 und der Kollektorzone 24 ist in der Basiszone 21 eine Messzone 25 angeordnet, die komplementär zu der Basiszone 21 dotiert ist. Diese Messzone 25 ist in dem Beispiel räumlich zwischen der Basis-Anschlusszone 22 und den Emitter- und Kollektorzonen 23, 24 angeordnet. Die Messzone 25 ist dabei so angeordnet, dass ein räumlicher Abstand zwischen der Messzone 25 und der Emitterzone 23 größer ist als ein räumlicher Abstand zwischen der Emitterzone 23 und der Kollektorzone 24.
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Die Funktionsweise der Anordnung mit den Transistorzonen und der Messzone wird nachfolgend für eine in 2a schematische dargestellte Verschaltung des Bipolartransistors mit einer Last Z erläutert. Der Bipolartransistor ist in diesem Beispiel als High-Side-Schalter zur Ansteuerung der Last Z verschaltet. Der Emitteranschluss E ist dabei an ein positives Versorgungspotential Vin angeschlossen und der Kollektoranschluss C ist über eine Last Z an ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND angeschlossen. Zur leitenden Ansteuerung des Bipolartransistors wird an den Basisanschluss B ein geeignetes Ansteuerpotential angelegt, welches bei einem pnp-Bipolartransistor wenigstens um den Wert der Einsatzspannung des Bipolartransistors unterhalb des Potentials an dem Emitteranschluss E und bei einem npn-Bipolartransistor wenigstens um den Wert der Einsatzspannung oberhalb des Potentials an dem Emitteranschluss E liegen muss.
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Bei leitend angesteuertem Bipolartransistor fließt ein Strom über die Emitter-Kollektor-Strecke des Bipolartransistors und die Last Z nach Bezugspotential GND. Die Messzone 25 bildet mit der Basiszone 21 und der Emitterzone 23 einen weiteren Bipolartransistor, der nachfolgend als Messtransistor bezeichnet ist. Eine Stromverstärkung β dieses Messtransistors ist jedoch wesentlich geringer als eine Stromverstärkung β des durch die Emitterzone 23, die Kollektorzone 24 und die Basiszone 21 gebildeten Lasttransistors. Grund für diese geringere Stromverstärkung des Messtransistors ist, dass die Messzone 25 weiter beabstandet zu der Emitterzone 23 angeordnet ist als die Kollektorzone 24 und dass darüber hinaus die Kollektorzone 24 in lateraler Richtung zwischen der Emitterzone 23 und der Messzone 25 angeordnet ist. Ladungsträger, die bei anliegender Versorgungsspannung Vin durch die Emitterzone 23 in die Basis 21 injiziert werden, werden bei ordnungsgemäß angeschlossener Last Z weitgehend von der Kollektorzone 24 aufgenommen, so dass kaum Ladungsträger an die Messzone 25 gelangen. Bei ordnungsgemäß verschalteter Last Z wird selbst dann nur ein vernachlässigbarer Strom über die Messzone 25 fließen, wenn diese über ihren Anschluss SC, der nachfolgend als Messkollektor (sense collector) bezeichnet ist an Bezugspotential GND angeschlossen würde.
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Anders stellt sich die Situation dar, wenn bei leitend angesteuertem Lasttransistor und anliegender Versorgungsspannung Vin die Lastverbindung unterbrochen wird. In diesem Fall steigt das Potential der Kollektorzone 24 annähernd auf den Wert des Versorgungspotentials Vin an und das Bauelement gerät in Sättigung, d. h. die Basis 21 wird mit Ladungsträgern (bei einem pnp-Transistor: Löcher, bei einem npn-Transistor: Elektronen) aus dem Emitter 23 überschwemmt. Da diese Ladungsträger nicht mehr durch den Kollektor 24 aufgenommen werden, gelangen Ladungsträger in nicht unerheblichem Umfang an die Messzone 25, so dass an der Messzone 25 bei Lastunterbrechung mittels einer geeigneten, anhand der 4 und 5 noch zu erläuternden Auswerteschaltung, ein auf die Lastunterbrechung hindeutender Messstrom detektierbar ist.
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Die Basiszone 21 mit den darin angeordneten Kollektor- und Emitterzonen 24, 23 und der Messzone 25 ist in dem Beispiel von einer Halbleiterzone 26 ringförmig umgeben, die komplementär zu der Basiszone 21 bzw. komplementär zu der Grunddotierung der zweiten Halbleiterschicht dotiert ist und die Basiszone 21 mittels eines pn-Übergangs gegenüber weiteren Bereichen der Halbleiterschicht 20 isoliert. Diese Halbleiterzone 26 reicht von der Vorderseite 101 bis an das Halbleitersubstrat 10.
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Das Halbleitersubstrat 10, das komplementär zu der Basis 21 dotiert ist, liegt üblicherweise auf dem niedrigsten Potential, welches in der Schaltung vorkommt, in welcher der Lasttransistor eingesetzt ist. Dieses Potential entspricht für die zuvor erläuterte Schaltungsanwendung beispielsweise dem Bezugspotential GND. Das Halbleitersubstrat 10 bildet mit der Basis 21 und der Emitterzone 23 einen weiteren Bipolartransistor. Die Stromverstärkung dieses weiteren Bipolartransistors ist bedingt durch einen vergleichsweise großen Abstand zwischen der Emitterzone 23 und dem Substrat 10, sowie bedingt durch eine stark dotierte Halbleiterzone 11, die komplementär zu dem Substrat 10 dotiert und zwischen der Basis 21 und dem Substrat 10 angeordnet ist, stark abgeschwächt. Während des normalen Betriebs, d. h. bei ordnungsgemäß angeschlossener Last fließt damit annähernd kein Strom über diesen parasitären Bipolartransistor. Bei Lastunterbrechung kann ein Strom über diesen parasitären Bipolartransistor fließen, wobei dieser Strom aufgrund der hochdotierten Halbleiterschicht 11 üblicherweise wesentlich geringer ist, als ein über den Messtransistor 25 fließender Strom.
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Der Bipolartransistor kann insbesondere zellenartig aufgebaut sein, d. h. es können eine Vielzahl der in 2 dargestellten Bauelementstrukturen mit je einer Basiszone 21, einer Emitterzone 23 und einer Kollektorzone 24, die von einer pn-Isolationszone 26 umgeben sind, vorgesehen sein. Die einzelnen Transistorzellen, die jeweils für sich die Funktion eines Transistors erfüllen, sind dabei parallel geschaltet, d. h. die Basiszonen sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden, die Emitterzonen sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden und die Kollektorzonen sind jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden. In 2b sind zwei solcher Transistorzellen dargestellt, von denen eine eine Messzone aufweist. Die wenigstens eine Messzone ist vorzugsweise in einer Transistorzelle angeordnet, die sich am Rand eines durch die Transistorzellen gebildeten Zellenfeldes befindet.
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Um eine Lastunterbrechung detektieren zu können genügt es dabei, wenn eine Messzone 25 wenigstens für eine dieser Transistorzellen vorhanden ist.
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3 zeigt das Schaltsymbol der in 2 dargestellten Anordnung mit dem Lasttransistor T und der in der Basis des Lasttransistors angeordneten Messzone. Dieses Schaltsymbol stellt sich als Schaltsymbol eines Bipolartransistors dar, der einen zusätzlichen Kollektoranschluss (Messkollektor) SC besitzt, welcher durch die Messzone 25 in 2 gebildet ist. Das Schaltsymbol berücksichtigt nicht, dass die Stromverstärkung für den Strompfad vom dem Emitter zu dem ”Messkollektor” SC wesentlich geringer ist als der Strompfad von dem Emitter zu dem Kollektor C.
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4 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Bauelementanordnung, die einen Lastunterbrechungsdetektor mit einer an den Messkollektor SC angeschlossenen Auswerteschaltung EC aufweist. Diese Auswerteschaltung EC stellt ein Lastunterbrechungssignal OLS zur Verfügung. Das Lastunterbrechungssignal OLS ist vorzugsweise ein zweiwertiges Signal, das bei Detektion einer Lastunterbrechung einen ersten Zustand und bei Normalbetrieb einen zweiten Zustand annimmt.
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Die Auswerteschaltung EC umfasst in dem Beispiel einen Widerstand R, der zwischen den Messkollektor SC und ein Versorgungspotential, in dem Beispiel Bezugspotential GND, geschaltet ist. Ein Komparator K vergleicht eine über den Widerstand R anliegende Messspannung Vsc mit einer Referenzspannung Vref, um abhängig von diesem Vergleich das Lastunterbrechungssignal OLS, das am Ausgang des Komparators K anliegt, zur Verfügung zu stellen. Die Referenzspannung Vref ist so auf den Wert des Widerstandes R und einen an dem Messkollektor SC abgreifbaren Messstrom Isc abgestimmt, dass der Messstrom Isc bei Normalbetrieb nicht ausreicht, um an dem Widerstand R einen Spannungsabfall hervorzurufen, der größer als die Referenzspannung Vref ist.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Auswerteschaltung EC, bei der anstelle des Komparators K und der Referenzspannungsquelle Vref lediglich ein Bipolartransistor, in dem Beispiel ein npn-Bipolartransistor T2 vorgesehen ist. Die über dem Widerstand R anliegende Spannung Vsc steuert dabei die Basis-Emitter-Strecke dieses Bipolartransistors T2 an. Das Lastunterbrechungssignal OLS ist in dem Beispiel an dem Kollektoranschluss K des Bipolartransistors T2 abgreifbar. Das Signal OLS nimmt in diesem Beispiel eine Low-Pegel an, wenn der Spannungsabfall Vsc über dem Widerstand R ausreichend ist, um den Transistor T2 leitend anzusteuern. Der Widerstand R ist dabei so auf die Einsatzspannung des Tran- sistors T2 abgestimmt, dass der Spannungsabfall Vsc erst dann die Einsatzspannung des Bipolartransistors T2 übersteigt, wenn an dem Messkollektor SC ein auf eine Lastunterbrechung hinweisender ausreichend hoher Messstrom Isc abgreifbar ist.
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Die Auswerteschaltung ist vorzugsweise wenigstens teilweise in demselben Halbleiterkörper integriert, in dem die Transistorzonen des Lasttransistors angeordnet sind.
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Das Lastunterbrechungssignal OLS zeigt eine Lastunterbrechung an, wenn der Ausgangsstrom Iout bei leitend angesteuertem Lasttransistor T unter eine vorgegebene Schwelle absinkt. Die Ermittlung dieser Schwelle wird nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert. Es sei angenommen dass der Lasttransistor zellenartig aus N gleichen Transistorzellen aufgebaut ist, von denen bei leitend angesteuertem Transistor jede einen Strom Ic1 liefert, so dass für den Gesamtstrom Iout gilt: Iout = N·Ic1 (1).
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Es sei weiterhin angenommen, dass für das Verhältnis zwischen dem Laststromanteil Ic1 einer Zelle und dem bei Lastunterbrechung über den Messkollektor einer Zelle fließenden Messstrom Isc1 gilt: Isc1 = K·Ic1 (2).
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Isc1 stellt dabei den Anteil des Laststromes einer Zelle dar, der bei Lastunterbrechung über den Messkollektor abgeleitet wird. Der Proportionalitätsfaktor K ist dabei kleiner als 1.
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Sofern Messzonen in lediglich M Transistorzellen vorhanden sind, gilt für den Gesamt-Messstrom Isc: Isc = M·Isc1 = M·K·Ic1 = M·K·Iout/N (3).
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Es sei außerdem angenommen, dass das Lastunterbrechungssignal OLS dann einen auf eine Lastunterbrechung hinweisenden Pegel annimmt, wenn die Spannung über dem Widerstand R auf den Wert einer Schwellenspannung Vref ansteigt. Mit Iout_th sei nachfolgend eine Stromschwelle bezeichnet, unter welche der Ausgangsstrom Iout bei leitend angesteuertem Transistor T und einer (teilweisen) Lastunterbrechung absinken muss, damit eine Lastunterbrechung angezeigt wird. Für diesen Schwellenwert gilt: Iout_th = (Vref/R)/(M·K·/N) (4).
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Bezugszeichenliste
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- B
- Basisanschluss
- C
- Kollektoranschluss
- CC
- Ansteuerschaltung
- D
- Drain-Anschluss
- E
- Emitteranschluss
- EC
- Auswerteschaltung
- G
- Gate-Anschluss
- GND
- Bezugspotential
- Iout
- Ausgangsstrom des Transistors
- Isc
- Messstrom
- K
- Komparator
- OLS
- Lastunterbrechungssignal
- OUT
- Ausgangsklemme
- R
- Widerstand
- S
- Source-Anschluss
- SC
- Messkollektoranschluss
- T
- Transistor
- Vin
- Eingangsspannung, Versorgungspotential
- Vout
- Ausgangsspannung, Lastspannung
- Vref
- Referenzspannung
- Vsc
- Messspannung
- Z
- Last
- 10
- erste Halbleiterschicht, Halbleitersubstrat
- 11
- stark dotierte Halbleiterzone
- 20
- zweite Halbleiterschicht, Epitaxieschicht
- 21
- dritte Transistorzone, Basiszone, Body-Zone
- 22
- Anschlusszone
- 23
- erste Transistorzone, Emitterzone, Source-Zone
- 24
- zweite Transistorzone, Kollektorzone, Drain-Zone
- 25
- Messzone
- 26
- isolierende Halbleiterzone
- 31
- Gate-Isolation
- 32
- Gate-Elektrode
- 100
- Halbleiterkörper
- 101
- Vorderseite des Halbleiterkörpers
- 102
- Rückseite des Halbleiterkörpers
