DE102006043485B4

DE102006043485B4 - Leistungshalbleitermodul und Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls mit wenigstens einem durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102006043485B4
Application number: DE102006043485A
Authority: DE
Inventors: Gerald Josef Dr. Sölkner; Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz Dr. Auerbach
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2026-09-16
Also published as: DE102006043485A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls, mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das wenigstens ein durch Feldeffekt über einen Steueranschluss (13, 23) steuerbares Halbleiterbauelement (1, 2) mit einem Halbleiterkörper (50) aufweist, wobei der Halbleiterkörper (50) mittels eines Dielektrikums (5) gegenüber dem Steueranschluss (13, 23) elektrisch isoliert ist,
– Durchführen einer Schaltbetriebsphase (61), in der das steuerbare Halbleiterbauelement (1, 2) abwechselnd zwischen einem leitenden Zustand und einem sperrenden Zustand umgeschalten wird, wobei das Aufsteuern des Halbleiterbauelements durch Anlegen einer ersten Spannung (U_GS1) an den Steueranschluss (13, 23) erfolgt,
– Injizieren von Elektronen in das Dielektrikum (5) während einer Injektionsbetriebsphase (62), in der dem Steueranschluss (13, 23) eine zweite Spannung (U_GS2) zugeführt wird, die höher ist, als die erste Spannung (U_GS1), so dass eine in dem Gate-Dielektrikum durch Strahlung ionisierender Teilchen erzeugte positive Gesamtladung reduziert oder vollständig abgebaut wird.

Description

Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule mit einem oder mehreren durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen. Solche Halbleiterbauelemente weisen einen Steueranschluss auf, sowie eine anzusteuernde Halbleiterzone, die mittels eines Dielektrikums gegenüber dem Steueranschluss elektrisch isoliert ist. Das Dielektrikum wird üblicherweise auch als Gate-Dielektrikum bezeichnet.
Infolge eines elektrischen Potenzials des Steueranschlusses bildet sich ein von diesem ausgehendes elektrisches Feld aus, das durch das Gate-Dielektrikum hindurchreicht und die elektrische Leitfähigkeit der anzusteuernden Halbleiterzone beeinflusst. Durch Veränderung des elektrischen Potenzials des Steueranschlusses lässt sich die Leitfähigkeit der anzusteuernden Halbleiterzone gezielt beeinflussen.
Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es beim Betrieb derartiger Halbleiterbauelemente zu einer positiven Aufladung des Gate-Dielektrikums des Halbleiterbauelements kommen.
Ursache hierfür kann beispielsweise ionisierende Strahlung sein, wie sie in Kernkraftwerken, Krankenhäusern oder im Weltraum verstärkt auftritt. Durch die ionisierende Strahlung werden in dem Dielektrikum Elektron-Loch-Paare erzeugt. Während die Elektronen infolge ihrer verhältnismäßig hohen Beweglichkeit das Gate-Dielektrikum fast instantan verlassen, wird ein signifikanter Anteil der Löcher von Störstellen des Gate-Dielektrikums eingefangen und verbleibt dort, so dass sich das Gate-Dielektrikum positiv auflädt.
Diese Aufladung bewirkt eine Verschiebung der Einsatzspannung des Halbleiterbauelements. Als Einsatzspannung wird dabei die Spannung verstanden, die an den Steueranschluss anzulegen ist, damit die anzusteuernde Halbleiterzone eine bestimmte Mindestleitfähigkeit aufweist. Die Mindestleitfähigkeit kann beispielsweise durch einen vorgegebenen Drain-Source-Schwellstrom, z. B. 1 mA, in Verbindung mit einer vorgegebenen Drain-Source-Spannung, z. B. 10 V, eingestellt werden.
Eine positive Aufladung des Gate-Dielektrikums bewirkt bei n-Kanal Halbleiterbauelementen ein Absinken, bei p-Kanal Halbleiterbauelementen ein Ansteigen der Einsatzspannung. Daher kann es bei n-Kanal Halbleiterbauelementen im Extremfall sogar zu einem unerwünschten Aufsteuern des Halbleiterbauelements kommen.
Zwar ist es möglich, eine derartige positive Aufladung durch eine Wärmebehandlung des Bauelements rückgängig zu machen, allerdings ist dieses Verfahren wegen der dazu erforderlichen hohen Temperaturen von etwa 500°C nicht praktikabel, da es bei den erforderlichen Temperaturen auch zu einer Änderung von anderen Eigenschaften des Halbleiterbauelements kommen kann.
Aus C. Picard, C. Brisset, O. Quittard und A. Hoffmann: "Radiation Hardening of Power MOSFETs using Electrical Stress", IEEE Transac. an Nucl. Sc., Vol. 47, No. 3, (2000) pp. 641–646 ist es bekannt, dass die Injektion von Elektronen in das Gate-Oxid eines MOSFETs durch einen Fowler-Nordheim-Tunnelmechanismus die Einsatzspannung des MOSFETs erhöht. In dieser Veröffentlichung wurde zur Strahlungshärtung die Anhebung der Einsatzspannung eines MOSFETs durch eine einmalige Elektroneninjektion in das Gate-Oxid vorgeschlagen. Diese Maßnahme hat den Nachteil, dass sich die Rate der Abnahme der Einsatzspannung mit der Strahlungsdosis nicht wesentlich verringert und sich die Strahlungshärte dadurch nicht grundlegend verbessert.
Aus der US 6548839 B1 ist es bekannt, dass bei LDMOS-Transistoren unter bestimmten Bedingungen heiße Elektronen auftreten, die eine Verringerung der Einsatzspannung des Transistors bewirken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls bereitzustellen, mit dem eine unerwünscht hohe positive Gesamtladung im Gate-Dielektrikum eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements des Leistungshalbleitermoduls reduziert oder abgebaut werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines derartigen Leistungshalbleitermoduls zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß den Patenansprüchen 1 und 23 sowie durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 25 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Leistungshalbleitermodul bereitgestellt, das wenigstens ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement aufweist. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um ein beliebiges durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere um einen MOSFET oder einen IGBT handeln.
Das steuerbare Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, sowie einen Steueranschluss zur Ansteuerung des Halbleiterbauelements, der mittels eines Gate-Dielektrikums, beispielsweise mittels eines Halbleiteroxids wie z. B. Siliziumdioxid, gegenüber dem Halbleiterkörper elektrisch isoliert ist.
Das Leistungshalbleitermodul und/oder das steuerbare Halbleiterbauelement werden regulär in einer Schaltbetriebsphase betrieben, in der das steuerbare Halbleiterbauelement abwechselnd zwischen einem leitenden Zustand und einem Sperrzustand umgeschaltet wird. Die Schaltbetriebsphase kann beispielsweise einem herkömmlichen Umrichterbetrieb entsprechen.
Zusätzlich zur Schaltbetriebsphase ist eine Injektionsbetriebsphase vorgesehen, während der Elektronen in das Gate-Dielektrikum injiziert werden. Die injizierten Elektronen rekombinieren mit den positiven Landungen (den "Löchern") an de ren Haftstellen, so dass die in dem Gate-Dielektrikum vorhandene positive Gesamtladung reduziert oder vollständig abgebaut wird.
Die in einem Gate-Dielektrikum gespeicherte Ladung beträgt typischer Weise einige nC. Die injizierte Ladung muss allerdings deutlich größer sein, bevorzugte Werte hierfür liegen im Bereich von 6 μC und 6 mC, entsprechend einem über einen Zeitraum von 1 Minute bis 10 Minuten zugeführten Injektionsstrom von 0,1 μA–10 μA.
Die Schaltbetriebsphase und die Injektionsbetriebsphase können parallel zueinander durchgeführt werden, vorzugsweise wird jedoch die Schaltbetriebsphase während der Injektionsbetriebsphase unterbrochen. Anstelle einer Unterbrechung der Schaltbetriebsphase kann auch eine anderweitig bedingte Pause in der Schaltbetriebsphase für die Durchführung eines Injektionsbetriebs genutzt werden.
Das Injizieren von Elektronen erfolgt bevorzugt mittels eines Injektionsstromes, der durch ein elektrisches Feld im Gate-Dielektrikum generiert wird, welches sich infolge einer an dem Gate-Dielektrikum abfallenden Spannung im Gate-Dielektrikum ausbildet. Die Injektionsstromdichte im Gate-Dielektrikum beträgt dabei vorzugsweise 0,1 μA/cm² bis 10 μA/cm².
Die Stärke dieses elektrischen Feldes im Gate-Dielektrikum ist vorzugsweise größer oder gleich 7 MV/cm auf. Besonders bevorzugt ist das elektrische Feld so gewählt, dass sich im Gate-Dielektrikum ein vorzugsweise konstant gehaltener Fowler-Nordheim-Tunnelstrom ausbildet. Der Tunnelstrom beträgt bevorzugt zwischen 0,1 μA/cm² und 10 μA/cm².
Die Häufigkeit, mit der eine solche Injektion von Elektronen vorgenommen werden soll, um die Ausbildung einer unerwünscht hohen positiven Gesamtladung im Gate-Dielektrikum zu verhindern, hängt insbesondere von der Intensität der Strahlung io nisierender Teilchen ab und kann bei typischen Anwendungen derartiger Halbleiterbauelemente im Bereich von einigen Wochen oder mehreren Monaten liegen.
Der Injektionsstrom kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Steueranschluss einerseits und den Halbleiterkörper andererseits bewirkt werden.
Das Anlegen der elektrischen Spannung am Halbleiterkörper kann insbesondere im Bereich der anzusteuernden Halbleiterzone, eines n-Emitters, einer Body-Zone, einer Drift-Zone, einer Feldstoppzone oder eines p-Emitters an den Halbleiterkörper erfolgen.
Optional kann das Anlegen der elektrischen Spannung auch mittels eines separaten Anschlusses erfolgen, der an einem der voranstehend genannten Bereiche des Halbleiterkörpers angeschlossen ist und der vorzugsweise aus einem Gehäuse des Halbleiterbauelements herausgeführt ist.
Dabei ist die Polarität der am Gate-Dielektrikum anliegenden elektrischen Spannung für eine erfolgreiche Injektion von Elektronen grundsätzlich unerheblich. Allerdings sind im Übergangsbereich des Gate-Dielektrikums zum Halbleiterkörper Rekombinationsstellen für freie Ladungsträger ("Traps") lokalisiert, welche Elektronen binden können. Daher ist eine positive Spannung der Gate-Elektrode vorzuziehen, um eine Elektroneninjektion aus dem Substrat in das Gate-Dielektrikum zu bewirken und die dortigen Traps zu füllen. Abgesehen davon würde eine Elektroneninjektion aus der Gate-Elektrode rasch zur Zerstörung des Gate-Dielektrikums führen.
In Abhängigkeit von der Wahl der Stelle, an die die Spannung an den Halbleiterkörper angelegt wird, und/oder in Abhängigkeit von einer äußeren Beschaltung des Halbleiterbauelements, können sich bei bestimmten Polaritäten schaltungstechnische Vorteile ergeben.
Beispielsweise kann eine Spannung zur Erzeugung des Injektionsstromes mit der gleichen Polarität an die gleichen Anschlusspunkte des Halbleiterbauelements angeschlossen werden wie die im normalen Schaltbetrieb zum Aufsteuern des Halbleiterbauelements in den leitenden Zustand verwendete Spannung.
Entscheidend dabei ist, dass im Gate-Dielektrikum infolge der angelegten Spannung ein elektrisches Feld entsteht, das einen Injektionsstrom bewirkt, durch den Elektronen in das Gate-Dielektrikum injiziert werden. Dieses elektrische Feld zur Erzeugung eines Injektionsstromes weist eine Feldstärke auf, die höher ist als die Feldstärke des elektrischen Feldes, welches sich während der Schaltbetriebsphase aufgrund einer zum Aufsteuern des Halbleiterbauelements in den leitenden Zustand verwendeten Spannung im Dielektrikum etabliert.
Sofern das durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelement eine Body-Zone, eine Drift-Zone, eine Feldstoppzone oder einen p-Emitter aufweist, kann die Spannung zur Erzeugung eines Injektionsstromes auch an den Steueranschluss einerseits und an die Body-Zone, die Drift-Zone, die Feldstoppzone bzw. den p-Emitter andererseits angelegt werden.
Im Fall eines n-Kanal Bauelements, erfolgt das Anlegen der elektrischen Spannung zum Injizieren von Elektronen vorzugsweise derart, so dass die Gate-Elektrode auf ein höheres elektrisches Potential gelegt wird als der externe Anschluss der Body-Zone.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass es auf einfache Weise in den normalen Betrieb eines solchen Halbleiterbauelements integriert werden kann. In jedem Fall werden dabei wiederholt Elektronen in das Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements injiziert.
Im einfachsten Fall kann das Injizieren von Elektronen in bestimmten zeitlichen – vorzugsweise äquidistanten – Intervallen vorgenommen werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Zeit bekannt ist, nach der die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums einen vorgegebenen maximal zulässigen Wert überschreiten wird. Erfolgt eine ausreichend starke Injektion von Elektronen vor Ablauf dieser Aufladezeit und damit vor Erreichen einer unzulässig hohen positiven Gesamtladung des Gate-Dielektrikums, so kann ein ungewolltes Aufschalten der Laststrecke des steuerbaren Halbleiterbauelements vermieden werden.
Das Injizieren von Elektronen wird vorzugsweise erst dann vorgenommen, wenn zuvor eine Veränderung der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements festgestellt wurde. Dazu muss die Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements in vorgegebenen, vorzugsweise äquidistanten zeitlichen Intervallen überwacht werden.
Eine Veränderung – insbesondere ein Absinken – der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements kann beispielsweise durch Vergleich der Einsatzspannung mit einer vorangehend ermittelten Einsatzspannung oder durch Vergleich des Wertes einer sich korrespondierend mit der Einsatzspannung verändernden Größe mit einem vorangehend ermittelten Wert dieser Größe ermittelt werden.
Ebenso kann die Feststellung einer Veränderung – insbesondere eines Absinkens – der Einsatzspannung durch Vergleich der Einsatzspannung mit einem vorgegebenen Wert der Einsatzspannung oder durch Vergleich des Wertes einer sich korrespondierend mit der Einsatzspannung verändernden Größe mit einem vorgegebenen Wert dieser Größe erfolgen.
Bevorzugt wird eine Veränderung der Einsatzspannung dadurch festgestellt, dass dem Steueranschluss des steuerbaren Halbleiterbauelements eine vorgegebene Spannung angelegt und ein sich daraus ergebender Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements ermittelt wird.
Der Laststrom kann durch den Spannungsabfall an einem in den Lastkreis des steuerbaren Halbleiterbauelementes geschalteten Messwiderstand ermittelt werden.
Wie bereits eingangs erläutert, ist eine positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements insbesondere bei n-Kanal Halbleiterbauelementen als kritisch anzusehen, da es infolge eines Absinkens von dessen Einsatzspannung im Extremfall zu einem unerwünschten Aufsteuern des Halbleiterbauelements kommen kann.
Ein Ansteigen der Einsatzspannung ist hingegen als weitaus weniger kritisch anzusehen. Daher wird bei n-Kanal Bauelementen eine Injektion von Elektronen in das Gate-Dielektrikum vorzugsweise dann vorgenommen, wenn zuvor ein Absinken der Einsatzspannung des n-Kanal Bauelements festgestellt wurde, z. B. dann, wenn zuvor festgestellt wurde, dass die aktuell ermittelte Einsatzspannung einen vorgegebenen Wert unterschritten hat.
Das Absinken der aktuellen Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements kann dadurch ermittelt werden, dass an die Gate-Elektrode eine vorgegebene Spannung angelegt und ein sich daraus ergebener Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements gemessen und mit einem vorgegebenen Soll-Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements verglichen wird. Die Ermittlung des Laststroms kann z. B. durch Messung des Spannungsabfalls an einem in den Lastkreis des steuerbaren Halbleiterbauelements geschalteten Messwiderstand erfolgen.
Entsprechend kann der Injektionsstrom durch Messung des Spannungsabfalls bestimmt werden, den dieser Injektionsstrom an einem anderen Messwiderstand erzeugt.
Durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente der genannten Art werden häufig in Leistungshalbleitermodule integriert. Solche Leistungshalbleitermodule können erfindungsgemäß auch eine oder mehrere Kontrollschaltungen zur Injektion von Elektronen in die Gate-Dielektrika eines oder mehrerer der steuerbaren Halbleiterbauelemente des Leistungshalbleitermoduls aufweisen. Mittels einer derartigen Kontrollschaltung kann eines der voran stehend genannten Verfahren auf einfache Weise realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines vertikalen n-Kanal IGBTs mit einem eine positive Gesamtladung aufweisenden Gate-Dielektrikum, wobei zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode eine elektrische Spannung zur Erzeugung eines Injektionsstromes anlegbar ist,
2 einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines n-Kanal IGBTs mit einem separaten Anschluss zur Zuführung eines Injektionsstromes, dessen Anschlusspunkt am Halbleiterkörper im Bereich einer in der Body-Zone ausgebildeten, p-dotierten Wanne gewählt ist,
3 ein Schaltbild eines Halbleitermoduls, das eine Halbbrücke aus zwei n-Kanal IGBTs sowie eine Kontrollschaltung zur Erzeugung eines vorgegebenen, über die Gate-Elektrode einzuspeisenden Injektionsstromes aufweist,
4 ein Beispiel für einen möglichen zeitlichen Verlauf der Gate-Source-Spannung eines n-Kanal IGBTs gemäß den 1 bis 3 während einer Injektionsbetriebsphase, und
5 ein Schaltbild eines Halbleitermoduls, das eine Halbbrücke aus zwei n-Kanal IGBTs sowie eine Kontrollschaltung zur Erzeugung eines vorgegebenen, über die Gate-Elektrode einzuspeisenden Injektionsstromes aufweist, wobei jeder der IGBTs einen separaten externen Anschluss zum Einspeisen eines Injektionsstromes in das Gate-Dielektrikum aufweist.
In den Figuren bezeichnen – sofern nicht anders angegeben – gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines vertikalen n-Kanal IGBTs 1. Der IGBT 1 umfasst einen Halbleiterkörper 50 mit einem p-Emitter 55, einer optionalen Feldstoppzone 54, einer Driftzone 53, einer Body-Zone 52 sowie mit n-Emittern bzw. mit einem n-Source-Gebiet 51. Auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers 50 sind Gate-Dielektrika 5 angeordnet, welche Gate-Elektroden 6 gegenüber dem Halbleiterkörper 50 elektrisch isolieren.
Des Weiteren sind auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers 50 eine Source-Elektrode 7 sowie auf der Rückseite des Halbleiterkörpers 50 eine Drain-Elektrode 8 angeordnet. Die Gate-Elektrode 6, die Source-Elektrode 7 und die Drain-Elektrode 8 können beispielsweise aus Aluminium oder Polysilizium gebildet sein oder diese Materialien enthalten. Die Source-Elektrode 7 kontaktiert sowohl die Source-Zone 51 als auch die Body-Zone 52 an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 50 und schließt diese kurz. Zur äußeren Beschaltung weist der IGBT 1 einen ersten Lastanschluss 11 (S = Source), einen zweiten Lastanschluss 12 (D = Drain) sowie einen Steueranschluss 13 (G = Gate) auf.
Das Gate-Dielektrikum 5 weist eine unerwünschte positive Gesamtladung auf, welche die Einsatzspannung des IGBTs 1 in unerwünschter Weise herabsetzt.
Um einen solchen im Gate-Dielektrikum 5 befindlichen positiven Ladungsüberschuss ganz oder teilweise abzubauen, ist eine Spannungsquelle 9 vorgesehen. Die von dieser Spannungsquelle 9 bereitgestellte elektrische Spannung kann mittels eines Schalters 10 einerseits an den Steueranschluss 13 und andererseits an den ersten Lastanschluss 11 angelegt werden. Hierdurch entsteht ein Injektionsstrom, durch den dem Gate-Dielektrikum 5 Elektronen zugeführt werden, die die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums 5 ganz oder teilweise ausgleichen und somit ein weiteres Absinken der Einsatzspannung des IGBTs 1 verhindern.
Die Funktion des Schalters 10 wird vorzugsweise mittels einer nicht dargestellten Kontrollschaltung für den IGBT 1 realisiert. Die Position des Schalters 10 kann an beliebiger Stelle gewählt werden. Entscheidend ist, dass infolge der Betätigung des Schalters 10 ein Injektionsstrom erzeugt wird, durch den Elektronen in das Gate-Dielektrikum 5 eingebracht werden.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines IGBT 1 mit einem externen Anschluss 14, der aus einem nur schematisch dargestellten Gehäuse 1a des IGBT 1 herausgeführt und über eine Metallisierung 70 einer im Bereich der Body-Zone 52 ausgebildeten, p-dotierten Anschlusszone 56 mit dem Halbleiterkörper 50 verbunden ist. Die Anschlusszone 56 ist vom gleichen Leitungstyp wie die Bodyzone 52, vorzugsweise jedoch stärker als diese dotiert.
Die Source-Elektrode 7 kontaktiert die Source-Zone 51, nicht jedoch die Body-Zone 52, so dass die Source-Zone 51 und die Body-Zone 52 im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 nicht durch die Source-Elektrode 7 kurzgeschlossen sind.
Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann auch bei dieser Anordnung mittels eines Schalters 10 die Spannung einer Spannungsquelle 9 an den Steueranschluss 13 einerseits und an den externen Anschluss 14 andererseits angelegt werden.
Die Polarität der Spannungsquelle 9 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so gewählt, dass die Gate-Elektrode 6 eine gegenüber dem Halbleiterkörper 50, insbesondere gegenüber der Anschlusszone 56, positive Spannung aufweist. Grundsätzlich kann die Polarität der Spannungsquelle 9 jedoch sowohl bei diesem als auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 auch umgekehrt gewählt werden.
3 zeigt das Schaltbild eines Leistungshalbleitermoduls mit einem ersten durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelement 1 und einem zweiten durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelement 2. Das Halbleiterbauelement 1 weist einen ersten Lastanschluss 11, einen zweiten Lastanschluss 12 sowie einen Steueranschluss 13 auf. Entsprechend weist das zweite Halbleiterbauelement 2 einen ersten Lastanschluss 21, einen zweiten Lastanschluss 22 sowie einen Steueranschluss 23 auf. Die Laststrecken der Halbleiterbauelemente 1 und 2 sind elektrisch zu einer Halbbrücke in Reihe geschaltet. Antiparallel zu den Laststrecken der Halbleiterbauelemente 1 und 2 ist jeweils eine Freilaufdiode 3 bzw. 4 geschaltet.
Die Spannungsversorgung der Halbbrücke erfolgt über eine positive Versorgungsspannung P, welche dem zweiten Lastanschluss 22 des zweiten Halbleiterbauelements 2 zugeführt wird, sowie über eine negative Versorgungsspannung N, welche dem ersten Lastanschluss 11 des ersten Halbleiterbauelements 1 zugeführt wird.
Zur Ansteuerung der Halbbrücke ist eine Kontrollschaltung 40 vorgesehen. Über einen Eingang 49 der Kontrollschaltung 40 wird dieser einen pulsweitenmoduliertes Rechteck-Ansteuersignal zugeführt. Dieses Ansteuersignal wird von einer Einheit 41 zur Signalaufbereitung verarbeitet und einer Gate-Ansteuerung 42 zugeführt. Die Einheit 41 zur Signalaufberei tung kann beispielsweise Maßnahmen zu Pegelanpassung, zur galvanischen Entkopplung, zur Signalinvertierung oder dergleichen umfassen.
Die Gate-Ansteuerung 42 ist über einen Gatewiderstand 31 mit dem Steueranschluss 13 des ersten Halbleiterbauelements 1 verbunden. Im Normalbetrieb wird das erste steuerbare Halbleiterbauelement 1 über den Gatewiderstand 31 von der Gate-Ansteuerung 42 ein- oder ausgeschaltet.
Weiterhin kann dem Steueranschluss 13 des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements 1 ein in einem Injektionsstromtreiber 46 erzeugter Injektionsstrom I zugeführt werden. Der Injektionsstromtreiber 46 ist Bestandteil einer Einheit 45 zur Injektionsstrombehandlung.
Zur Entkopplung der beiden in der Gate-Ansteuerung 42 und dem Injektionsstromtreiber 46 erzeugten Ansteuersignale sind Entkopplungsdioden 34 bzw. 35 hervorgesehen.
Die Ermittlung des Injektionsstromes I erfolgt über den Spannungsabfall, den der Injektionsstrom I an einem zwischen den Injektionsstromtreiber 46 und den Steueranschluss 13 geschalteten Messwiderstand 33 erzeugt. Der Spannungsabfall wird einer Einheit 47 zur Ermittlung des Injektionsstromes I bestimmt wird.
Der Injektionsstromtreiber 46 und die Einheit 47 zur Ermittlung des Injektionsstromes bilden zusammen eine Einheit 45 zur Injektionsstrombehandlung. Die Kontrollschaltung 40 umfasst des Weiteren einen Unterspannungsschutz 43 sowie eine Einheit 44 zum Kurzschluss-Schutz und zur Anpassung der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements 1.
Kommt es infolge ionisierender Strahlung zu einer positiven Gesamtladung im Gate-Dielektrikum des steuerbaren Halbleiterbauelements 1, so bewirkt diese ein Absinken der Einsatzspan nung des steuerbaren n-Kanal Halbleiterbauelements 1. Im Extremfall kann die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums ein Aufsteuern der Laststrecke des Halbleiterbauelements 1 selbst dann bewirken, wenn kein Aufsteuersignal der Gate-Ansteuerung 42 am Steueranschluss 13 vorliegt. Im Falle einer gleichzeitig aufgesteuerten Laststrecke des steuerbaren Halbleiterbauelements 2 käme es dann zu einem Kurzschluss der Halbbrücke.
Um dies zu vermeiden ist es vorteilhaft, wenn ein derartiges Absinken der Einsatzspannung rechtzeitig erkannt wird, so dass dem steuerbaren Halbleiterbauelement 1 ein Injektionsstrom zugeführt und die Einsatzspannung wieder angehoben werden kann.
Um ein Absinken der Einsatzspannung festzustellen, ist ein in den Lastkreis geschalteter niederohmiger Messwiderstand 32 vorgesehen, an dem ein laststromabhängiger Spannungsabfall entsteht, welcher mittels der Einheit 44 zum Kurzschluss-Schutz und zur Anpassung der Einsatzspannung ermittelt wird.
Baut sich im Lauf des regulären Betriebs der Halbbrücke im Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements 1 eine positive Gesamtladung auf und kommt es damit einhergehend zu einem Abfall der Einsatzspannung, so bewirkt dies bei gleich bleibender Ansteuerung des Halbleiterbauelements 1 über die Gate-Ansteuerung 42 einen Anstieg des Laststroms. Dieser Anstieg kann in einer Messbetriebsphase, während der der reguläre Betrieb der Halbbrücke unterbrochen wird, mit der Einheit 44 zum Kurzschluss-Schutz und zur Anpassung der Einsatzspannung detektiert werden. In einer solchen Messbetriebsphase ist es erforderlich, dass das Halbleiterbauelement 1 außerhalb seiner Sättigung betrieben wird, da in der Sättigung ein Absinken der Einsatzspannung nicht notwendiger Weise eine signifikante Veränderung des Laststromes hervorruft. Während der Messbetriebsphase wird die Gate-Spannung, d. h. die zwischen dem Steueranschluss 13 und dem ersten Lastanschluss 11 anliegende Spannung, vorzugsweise kleiner gewählt als 15 V.
Stellt die Einheit 44 einen derartigen Abfall der Einsatzspannung fest, so veranlasst sie die Gate-Ansteuerung 42, den regulären Schaltungsbetrieb des Leistungshalbleitermoduls vorübergehend auszusetzen und statt dessen die Einheit 45 zur Injektionsstrombehandlung zu aktivieren, um dem Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements 1 wie erläutert einen definierten, vorzugsweise konstanten Injektionsstrom I zuzuführen.
Die im Gate-Dielektrikum gespeicherte Ladung beträgt typischer Weise einige nC. Die injizierte Ladung muss allerdings deutlich größer sein, bevorzugte Werte hierfür liegen im Bereich von 6 μC und 6 mC, entsprechend einem über einen Zeitraum von 1 Minute bis 10 Minuten zugeführten Injektionsstrom von 0,1 μA–10 μA.
Um zu überprüfen, ob und inwieweit der Injektionsstrom I wie gewünscht einen Anstieg der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements 1 bewirkt, kann die Veränderung der Einsatzspannung während der Injektionsbetriebsphase überprüft werden.
Ein Anstieg der Einsatzspannung bewirkt bei gleich bleibender Ansteuerspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements 1 im Allgemeinen eine Erhöhung des Widerstandes der Laststrecke des steuerbaren Halbleiterbauelements 1. Da das steuerbare Halbleiterbauelement 1 bei der Injektion vorzugsweise weit im Sättigungsbereich betrieben wird, wirkt sich ein Anstieg der Einsatzspannung kaum auf den Widerstand der Laststrecke aus. Dadurch kann aus einer Beobachtung des die Laststrecke des steuerbaren Halbleiterbauelements 1 während der Injektion durchfließenden Stromes nur schwer auf eine Veränderung der Einsatzspannung geschlossen werden.
Um diese Schwierigkeit zum umgehen, kann der Injektionsstrom während der Injektionsbetriebsphase unterbrochen und das steuerbare Halbleiterbauelement 1 mit einer Mess-Ansteuerspannung angesteuert werden, die geringer ist als die zur Erzeugung eines Injektionsstromes I erforderliche Ansteuerspannung und die eine Ansteuerung des Halbleiterbauelements 1 außerhalb seiner Sättigung sicherstellt.
Nachfolgend werden die verschiedenen Betriebsphasen anhand von 4 näher erläutert. 4 zeigt beispielhaft einen möglichen zeitlichen Verlauf der Gate-Source-Spannung U_GS eines steuerbaren Halbleiterbauelements 1 gemäß 3.
Das steuerbare Halbleiterbauelement wird zunächst in einer Schaltbetriebsphase 61 mittels einer pulsweitenmodulierten Gate-Source-Rechteck-Spannung mit einem Maximalwert U_GS1 angesteuert.
Der Schaltbetriebsphase 61 folgt eine Injektionsbetriebsphase 62, in der Phasen 62a und 62b abwechselnd aufeinander folgen.
Während der Phasen 62a wird ein Injektionsbetrieb durchgeführt, indem die Gate-Source-Spannung U_GS zur Erzeugung eines Injektionsstromes auf einen Wert U_GS2 erhöht wird, der höher gewählt ist als der Wert U_GS1, welcher vorzugsweise 10 V bis 15 V beträgt.
In den Phasen 62b, in denen sich das Leistungshalbleiterbauelement in einem Messbetriebzustand befindet, soll festgestellt werden, ob eine erhöhte Einsatzspannung des Halbleiterbauelements vorliegt und/oder ob es erforderlich ist, eine Injektion von Elektronen in das Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements zu veranlassen.
Im Messbetrieb wird das Halbleiterbauelement mit einer Gate-Source-Spannung U_GS3 angesteuert, die kleiner ist als die Spannung U_GS2. Die Spannung U_GS2 ist so gewählt, dass das steuerbare Halbleiterbauelement außerhalb der Sättigung betrieben wird. Die Spannung U_GS2 ist bevorzugt gleich oder besonders bevorzugt kleiner der Spannung U_GS1 im normalen Schaltbetrieb gewählt.
Überschreitet der Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements bei anliegender Gate-Source-Spannung U_GS3 einen vorgegebenen, geeignet gewählten Referenzwert, so kann daraus auf ein durch eine positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums hervorgerufenes Absinken der Einsatzspannung geschlossen werden.
Ebenso kann ein Absinken der Einsatzspannung auch dadurch festgestellt werden, dass zwei oder mehr nacheinander in verschiedenen Messbetriebsphasen 62b ermittelte Lastströme eine ansteigende Tendenz aufweisen.
Nachdem festgestellt wurde, dass ein Absinken der Einsatzspannung vorliegt, kann eine Injektionsphase 62a von vorgegebener zeitlicher Dauer eingeleitet werden, in der das Halbleiterbauelement mit einer Spannung U_GS2 angesteuert wird. Die Spannung U_GS2 ist so gewählt, dass dem Gate-Dielektrikum des steuerbaren Halbleiterbauelementes infolge eines Injektions-Tunnelstroms Elektronen zugeführt werden und die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums dadurch ganz oder teilweise neutralisiert wird.
Nach Abschluss der Injektionsphase 62a kann die Auswirkung des Injektions-Tunnelstromes im Rahmen einer weiteren Messphase 62b überprüft und – falls erforderlich – noch eine weitere Injektionsphase 62a eingeleitet werden.
Dieses Verfahren mit abwechselnden Messphasen 62b und Injektionsphasen 62a kann solange fortgesetzt werden, bis in einer Messphase 62b eine Unterschreitung des vorgegebenen Laststrom-Wertes festgestellt wird, was gleichbedeutend ist damit, dass sich die Einsatzspannung des Halbleiterbauelements in einem zulässigen Bereich befindet. Anschließend kann wieder die reguläre Schaltbetriebsphase 61 des Halbleiterbauelements aufgenommen werden.
Die dem Halbleiterbauelement zugeführte Mess-Ansteuerspannung U_GS3 kann dabei vom Injektionsstromtreiber 46 oder bevorzugt von der Gate-Ansteuerung 42 bereitgestellt werden.
In 3 ist beispielhaft nur die Eingangsbeschaltung des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements 1 gezeigt. In gleicher Weise kann auch das zweite steuerbare Halbleiterbauelement 2 durch eine mit der Kontrollschaltung 40 identische weitere Kontrollschaltung angesteuert und entsprechend einem der vorangehend beschriebenen Verfahren betrieben werden.
Zusätzlich müssen für die Ansteuerung des zweiten Halbleiterbauelements 2 den Widerständen 31 und 33 bzw. den Dioden 34 bzw. 35 entsprechende Widerstände und Dioden vorgesehen werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, diese Widerstände und/oder Dioden nicht nur für die Ansteuerung der Anordnung im Injektionsbetrieb sondern auch zur Ansteuerung der Anordnung im normalen Schaltbetrieb einzusetzen. Der Messwiderstand 32 im Laststromkreis kann ebenso wie die Einheit 44 sowohl von der Kontrollschaltung 40 als auch von der weiteren Kontrollschaltung genutzt werden.
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 der vom Injektionsstromtreiber 46 erzeugte Injektionsstrom I dem steuerbaren Halbleiterbauelement 1 nicht über dessen Steueranschluss 13 sondern über einen separaten externen Injektionsanschluss 14 zugeführt. Der externe Injektionsanschluss 14 kann beispielsweise wie bei dem steuerbaren Halbleiterbauelement 1 gemäß 2 mittels einer Anschlusszone 56 am Halbleiterkörper 50 angeschlossen sein.
In der Schaltbetriebsphase wird dieser externe Steueranschluss 14 auf das Potenzial des ersten Lastanschlusses 11 gelegt, insbesondere kann der externe Steueranschluss 14 mittels eines Schalters mit dem ersten Lastanschluss 11 elektrisch verbunden werden.
In der Injektionsbetriebsphase wird an den Anschluss 14 ein Potenzial angelegt, das kleiner ist als das Potenzial des ersten Lastanschlusses 11. Zwischen den Injektionsstromtreiber 46 und den Injektionsanschluss 14 sind noch ein Widerstand 33 und eine Diode 36 in Reihe geschaltet.
Das zweite steuerbare Halbleiterbauelement 2 weist ebenfalls einen Injektionsanschluss 24 auf. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 kann die Ansteuerung des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelements 2 eine Kontrollschaltung aufweisen, die so aufgebaut ist, wie die Kontrollschaltung 40. Außerdem müssen für das zweite steuerbare Halbleiterbauelement 2 den Widerständen 31 und 33 bzw. den Dioden 34 und 36 entsprechende Widerstände und Dioden vorgesehen werden.
Das anhand von 4 erläuterte Verfahren kann entsprechend angepasst auch für beliebige andere Bauelemente eingesetzt werden. Dabei tritt in den Phasen 62a an die Stelle der Gate-Source-Ansteuerspannung U_GS die Spannung, die zur Erzeugung eines Injektionsstroms im Gate-Dielektrikum an das Halbleiterbauelement angelegt wird.
Bei steuerbaren Halbleiterbauelementen, deren Laststrecken beispielsweise wie bei den steuerbaren Halbleiterbauelementen 1 und 2 gemäß den 3 bzw. 5 zu einer Halbbrücke in Reihe geschaltet sind, kann eine Injektion von Elektronen in das Gate-Dielektrikum zur Anhebung der Einsatzspannung nicht nur durch Anlegen einer externen Spannung an das Gate-Dielektrikum erfolgen, sondern zusätzlich oder alternativ auch dadurch, dass gezielt ein Kurzschluss der Halbbrücke erzeugt wird.
Bei einem solchen Kurzschluss der Halbbrücke kommt es in den steuerbaren Halbleiterbauelementen zu Lastströmen, die wesentlich höher sind als die Lastströme der betreffenden steuerbaren Halbleiterbauelemente im Normalbetrieb.
Die bei derart erhöhten Lastströmen entstehenden schnellen Elektronen ("heiße Elektronen") dringen aus dem Halbleiterkörper in das Dielektrikum ein und bewirken dort einen Verringerung oder einen Abbau der dort vorliegenden positiven Gesamtladung. Ein solcher Kurzschluss der Halbbrücke kann durch eine gezieltes gleichzeitiges Aufsteuern der steuerbaren Halbleiterbauelemente der Halbbrücke erfolgen.
Um eine thermische Überlastung der steuerbaren Halbleiterbauelemente zu vermeiden, muss ein solcher Kurzschluss zeitlich begrenzt sein. Vorzugsweise werden mehrere solcher kurzzeitiger Kurzschlüsse der Halbbrücke in vorgegebenen zeitlichen Intervallen herbeigeführt. Der zeitliche Abstand aufeinander folgender Kurzschlüsse muss so gewählt sein, dass eine thermische Überlastung der Halbleiterbauelemente zuverlässig vermieden wird.
Selbstverständlich kann ein dem Kurzschlussbetrieb entsprechender Betrieb auch bei einzelnen steuerbaren Halbleiterbauelementen durchgeführt werden, indem dessen Laststrecke aufgesteuert und an die Lastanschlüsse eine ausreichend hohe Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird.
Die Erfindung wurde in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 beispielhaft anhand von IGBTs erläutert. Grundsätzlich kann die Erfindung jedoch auf beliebige durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente, insbesondere auf MOSFETs, angewendet werden.
Weiterhin ist es nicht notwendiger Weise erforderlich, dass die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums durch ionisierende Strahlung hervorgerufen wurde.
Die beschriebenen Verfahren zur Detektion der Unterschreitung der Einsatzspannung und der Steuerung der Elektroneninjektion in das Gate-Dielektrikum kann auf Chipebene, vorzugsweise jedoch auf Systemebene umgesetzt werden. Vorteilhafter Weise können die dazu gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen wie z. B. so genannten Smart-Power-Modulen (SPMs) zusätzlich erforderlichen Komponenten in die bestehenden Kontrollschaltungen integriert werden. SPMs kombinieren in der Regel mehrere steuerbare Halbleiterbauelemente, beispielsweise in Halb- oder Vollbrückenschaltungen. Daher ist es zweckmäßig, auch die Detektion verringerter Einsatzspannungen und die Steuerung der Elektroneninjektion mit den Funktionen eines SPM zu verbinden.

1: erstes steuerbares Halbleiterbauelement
1a: Gehäuse des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements
2: zweites steuerbares Halbleiterbauelement
3: erste Freilaufdiode
4: zweite Freilaufdiode
5: Gate-Dielektrikum
6: Gate-Elektrode
7: Source-Elektrode
8: Drain-Elektrode
9: Spannungsquelle
10: Schalter
11: Erster Lastanschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements
12: Zweiter Lastanschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements
13: Steueranschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements
14: Externer Injektionsanschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelements
21: Erster Lastanschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelements
22: Zweiter Lastanschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelements
23: Steueranschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelements
24: Externer Injektionsanschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelements
31: Gatewiderstand
32: Nebenschlusswiderstand
33: Messwiderstand zur Bestimmung des Injektionsstroms (Fowler-Nordheim-Tunnelstrom)
34: erste Entkopplungsdiode
35: zweite Entkopplungsdiode
36: Diode
40: Kontrollschaltung
41: Einheit zur Signalaufbereitung
42: Gate-Ansteuerung
43: Unterspannungsschutz
44: Einheit zum Kurzschluss-Schutz und zur Anpassung der Einsatzspannung
45: Einheit zur Injektionsstrombehandlung
46: Injektionsstromtreiber
47: Einheit zur Ermittlung des Injektionsstromes
49: Eingang für Ansteuersignal
50: Halbleiterkörper
51: n-Emitter
52: Bodyzone
53: Driftzone
54: Feldstoppzone
55: p-Emitter
56: Anschlusszone
61: Schaltbetriebsphase
62: Injektionsbetriebsphase
62a: Injektionsbetrieb
62b: Messbetrieb
70: Elektrode für Anschlusszone
I: Injektionsstrom
N: Negative Versorgungsspannung der Halbbrücke (?)
P: Positive Versorgungsspannung der Halbbrücke
t: Zeit
U: Ausgang der Halbbrücke
U_GS: Ansteuerspannung
U_GS1: Ansteuerspannung in der Schaltbetriebsphase
U_GS2: Ansteuerspannung während der Injektion
U_GS3: Ansteuerspannung während des Messbetriebes
V_D: Referenzspannung für Unterspannungsschutz

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Leistungshalbleitermoduls, das wenigstens ein durch Feldeffekt über einen Steueranschluss (13, 23) steuerbares Halbleiterbauelement (1, 2) mit einem Halbleiterkörper (50) aufweist, wobei der Halbleiterkörper (50) mittels eines Dielektrikums (5) gegenüber dem Steueranschluss (13, 23) elektrisch isoliert ist, – Durchführen einer Schaltbetriebsphase (61), in der das steuerbare Halbleiterbauelement (1, 2) abwechselnd zwischen einem leitenden Zustand und einem sperrenden Zustand umgeschalten wird, wobei das Aufsteuern des Halbleiterbauelements durch Anlegen einer ersten Spannung (U_GS1) an den Steueranschluss (13, 23) erfolgt, – Injizieren von Elektronen in das Dielektrikum (5) während einer Injektionsbetriebsphase (62), in der dem Steueranschluss (13, 23) eine zweite Spannung (U_GS2) zugeführt wird, die höher ist, als die erste Spannung (U_GS1), so dass eine in dem Gate-Dielektrikum durch Strahlung ionisierender Teilchen erzeugte positive Gesamtladung reduziert oder vollständig abgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Injizieren von Elektronen mittels eines Injektionsstromes (I) erfolgt, der in das Dielektrikum (5) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Injektionsstrom (I) durch ein elektrisches Feld im Dielektrikum (5) bewirkt wird, welches eine Stärke von wenigstens 7 MV/cm aufweist. aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem beim Injizieren von Elektronen ein Fowler-Nordheim-Tunnelstrom im Dielektrikum (5) auftritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Injektionsstrom (I) durch Anlegen einer elektrischen Spannung (U_GS) zwischen den Steueranschluss (13, 23) und den Halbleiterkörper (50) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die elektrische Spannung (U_GS) im Bereich der anzusteuernden Halbleiterzone (53), eines n-Emitters (51), einer Body-Zone (52), einer Drift-Zone (53), einer Feldstoppzone (54) oder eines p-Emitters (55) an den Halbleiterkörper (50) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Anlegen der elektrischen Spannung (U_GS) an den Halbleiterkörper (50) mittels eines separaten Anschlusses (14) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der separate Anschluss (14) aus einem Gehäuse (1a) des Halbleiterbauelements herausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das steuerbare Halbleiterbauelement ein n-Kanal Bauelement (1, 2) ist und bei dem während des Injizierens von Elektronen das elektrische Potenzial des Steueranschlusses (13, 23) höher ist als das elektrische Potenzial des Halbleiterkörpers (50).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Injizieren von Elektronen in das Dielektrikum (5) dadurch erfolgt, dass im Halbleiterkörper (50) ein hoher Strom erzeugt wird, der die Entstehung schneller Elektronen bewirkt, welche in das Dielektrikum (5) eindringen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Injizieren von Elektronen dann vorgenommen wird, wenn zuvor eine Veränderung der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements (1, 2) festgestellt wurde.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Veränderung der Einsatzspannung durch Vergleich der Einsatzspannung mit einer vorangehend ermittelten Einsatzspannung oder durch Vergleich des Wertes einer sich korrespondierend mit der Einsatzspannung verändernden Größe mit einem vorangehend ermittelten Wert dieser Größe ermittelt wurde.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Veränderung der Einsatzspannung durch Vergleich der Einsatzspannung mit einem vorgegebenen Wert der Einsatzspannung oder durch Vergleich des Wertes einer sich korrespondierend mit der Einsatzspannung verändernden Größe mit einem vorgegebenen Wert dieser Größe festgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Veränderung der Einsatzspannung dadurch festgestellt wird, dass an den Steueranschluss (13, 23) eine vorgegebene Spannung angelegt und ein sich daraus ergebender Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Laststrom durch den Spannungsabfall an einem in den Lastkreis des steuerbaren Halbleiterbauelementes geschalteten Messwiderstand (32) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem das Injizieren von Elektronen dann erfolgt, wenn zuvor ein Absinken der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements (1, 2) auf einen Wert von kleiner oder gleich 20% einer vorgegebenen oder einer vorangehend ermittelten Einsatzspannung festgestellt wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem an die Stelle des Feststellens einer Veränderung der Einsatzspannung das Feststellen eines Absinkens der Einsatzspannung tritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Injizieren von Elektronen in vorgegebenen zeitlichen Intervallen unabhängig von einer Veränderung der Einsatzspannung wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schaltbetriebsphase (61) während der Injektionsbetriebsphase (62) unterbrochen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Schaltbetriebsphase (61) während der Injektionsbetriebsphase (62) nicht unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das Injizieren der Elektronen durch eine gegenüber der Aufsteuerspannung (U_GS1) in der Schaltbetriebsphase (61) erhöhte, am Steueranschluss anliegende Aufsteuerspannung (U_GS2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das steuerbare Halbleiterbauelement (1, 2) ein MOSFET oder ein IGBT ist.
Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen eines Leistungshalbleitermoduls mit zwei durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen (1, 2), die jeweils einen Steueranschluss (13, 23) und eine Laststrecke aufweisen und deren Laststrecken zu einer Halbbrücke in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Halbleiterbauelement (1, 2) einen Halbleiterkörper (50) umfasst, der mittels jeweils eines Dielektrikums (5) gegenüber dem jeweiligen Steueranschluss (13) elektrisch isoliert ist, (b) Durchführen einer Schaltbetriebsphase (61), in der sich von den beiden steuerbaren Halbleiterbauelementen (1, 2) zu jedem Zeitpunkt keines oder genau eines in einem leitenden Zustand befinden, und (c) Durchführen einer Injektionsbetriebsphase, in der gezielt ein Kurzschluss der Halbbrücke durch gleichzeitiges Aufsteuern der beiden steuerbaren Halbleiterbauelemente (1, 2) erfolgt, so dass in den Halbleiterkörpern (50) hohe Ströme entstehen, die die Bildung schneller Elektronen bewirken, welche in die Dielektrika (5) eindringen, so dass eine in dem Gate-Dielektrikum durch Strahlung ionisierender Teilchen erzeugte positive Gesamtladung reduziert oder vollständig abgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem mehrere Injektionsbetriebsphasen gemäß Schritt (c) zeitlich voneinander beabstandet durchgeführt werden.
Leistungshalbleitermodul, das folgende Merkmale umfasst: – wenigstens ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement (1, 2), das einen Halbleiterkörper (50) aufweist, sowie einen Steueranschluss (13, 23), der mittels eines Dielektrikums (5) gegenüber einem Halbleiterbereich (51, 52, 53) des Halbleiterkörpers (50) elektrisch isoliert ist, – eine Ansteuereinheit (40), die dazu ausgebildet ist, den Betrieb des steuerbaren Halbleiterbauelementes (1, 2) gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche zu steuern.