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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor
und mit dessen Ansteuerschaltung.
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Bei
Ein- und Ausschalten bzw. der leitenden und sperrenden Ansteuerung
von Leistungstransistoren, die zur Spannungsversorgung einer Last
eingesetzt werden, besteht zur Vermeidung von Schaltverlusten einerseits
das Ziel, die Schaltvorgänge,
d. h. die Übergangsphasen
zwischen den zwei Schaltzuständen,
möglichst
kurz zu halten. Andererseits gilt es, steile Schaltflanken der über dem
Leistungstransistor anliegenden Spannung bzw. des den Leistungstransistor
durchfließenden
Stromes zu vermeiden, um eine während
der Schaltvorgänge
auftretende elektromagnetische Störstrahlung zu reduzieren.
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Eine
Optimierung der Schaltvorgänge
unter Berücksichtigung
dieser beiden Bedingungen kann erreicht werden, indem eine Gateelektrode
des Leistungstransistors bevor eine Gate-Source-Spannung den Wert der Einsatzspannung
(Schwellenspannung, Threshold Voltage) des Transistors erreicht
mit einem anderen Steuerstrom geladen wird, wie nach dem Erreichen
dieser Schwellenspannung. Ein solches Verfahren ist beispielsweise
in der
US 5,656,960
A beschrieben.
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Eine
solche Ansteuerung erfordert eine Information über den Wert der Einsatzspannung
des Leistungstransistors. Diese Einsatzspannung ist allerdings maßgeblich
vom Herstellungsprozess des Leistungstransistors abhängig und
unterliegt darüber hinaus
einer nicht unerheblichen prozessbedingten Streuung sowie einer
Temperaturabhängigkeit.
Die Abspeicherung einer Information über die Einsatzspannung in
der Ansteuerschaltung ist deshalb herstellerseitig nicht oder nur
mit erheblichem Aufwand möglich.
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Einen
möglichen
Lösungsansatz
beschreibt die
DE
103 46 307 B3 , in der ein adaptives Ansteuerverfahren für einen
MOS-Transistor vorgeschlagen wird.
Bei diesem Verfahren wird ein Ansteuerstrom des Transistors über der
Zeit abhängig
von dem Schaltverhalten des Transistors während vorangehender Schaltvorgänge angepasst.
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Die
US 5,543,632 beschreibt
eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor und einem oder
mehreren sogenannten Pilottransistoren, die im selben Halbleiterkörper wie
der Lasttransistor integriert sind. Während eines Betriebs der Schaltungsanordnung
werden die Pilottransistoren mit einem konstanten Strom beaufschlagt,
und ein Spannungsabfall über
der Laststrecke der Pilottransistoren wird ermittelt. Ein Laststrompfad,
in dem die Laststrecke des Lasttransistors angeordnet ist, wird
dabei abhängig
von einem Spannungsabfall über
der Laststrecke der Pilottransistoren unterbrochen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit
einem Leistungstransistor und einer Ansteuerschaltung für den Leistungstransistor
zur Verfügung
zu stellen, bei der insbesondere die Ansteuerschaltung einfach und
kostengünstig
realisierbar ist und dazu ausgebildet ist, den Leistungstransistor
abhängig
von dessen Einsatzspannung anzusteuern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Diese
Schaltungsanordnung umfasst einen Leistungstransistor mit einem
Ansteueranschluss und einer Laststrecke, der in einem ersten Halbleiterkörper integriert
ist, und eine erste Sensoranordnung mit einem Sensortransistor,
der in dem ersten Halbleiterkörper
integriert ist. Diese erste Sensoranordnung stellt ein von einer
Einsatzspannung des Sensortransistor abhängiges erstes Sensorsignal
zur Verfügung,
das einer Ansteuerschaltung zugeführt ist, die dazu ausgebildet
ist, den Leistungstransistor über
dessen Ansteueranschluss abhängig
von dem ersten Sensorsignal anzusteuern.
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Die
Erfindung macht sich zu Nutze, dass eine Einsatzspannung des Leistungstransistors
und eine Einsatzspannung des Sensetransistors durch die Integration
in einem gemeinsamen Halbleiterkörper
den gleichen prozessbedingten Schwankungen un terliegen, so dass
die Einsatzspannung des Sensetransistors unmittelbar ein Maß für die Einsatzspannung
des Leistungstransistors darstellt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Schaltungsanordnung, die
einen Leistungstransistor, eine Sensoranordnung mit einem Sensortransistor
und eine Ansteuerschaltung für
den Leistungstransistor aufweist.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die eine weitere Sensoranordnung mit einem Temperatursensor aufweist.
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3 veranschaulicht
schematisch eine Integration des Leistungstransistors, des Sensortransistors
und des Temperatursensors der Schaltung gemäß 2 in einem
gemeinsamen Halbleiterkörper.
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4 zeigt
eine Abwandlung der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die eine Diode als Temperatursensor aufweist.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die einen Widerstand als Temperatursensor aufweist.
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7 veranschaulicht
eine Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Chip-on-Chip-Technologie.
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8 veranschaulicht
eine Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Chip-by-Chip-Technologie.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen
gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die einen Leistungstransistor 11, eine Sensoranordnung mit
einem Sensortransistor 12 sowie eine Ansteuerschaltung 6 für den Leistungstransistor 11 aufweist. Der
Leistungstransistor 11 ist in dem Beispiel als MOS-Transistor,
speziell als n-Kanal-MOSFET, realisiert und weist einen Gateanschluss 111 als
Steueranschluss sowie einen Drain- und einen Sourceanschluss 112, 113 als
Lastanschlüsse
auf. Eine Laststrecke dieses Transistors 11 verläuft zwischen
dem Drain- und Sourceanschluss 112, 113.
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Der
Leistungstransistor 11 ist in einem ersten Halbleiterkörper bzw.
Halbleiterchip 1 integriert, der in 1 schematisch
durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist, und der Anschlusskontakte
bzw. Anschlusspads 13, 14, 15 für den Gateanschluss 111 und
die Drain- und Sourceanschlüsse 112, 113 des Leistungstransistors 11 aufweist.
Der Sensortransistor 12 ist gemeinsam mit dem Leistungstransistor 11 in
dem ersten Halbleiterkörper 1 integriert
und ein Transistor des gleichen Transistortyps wie der Leistungstransistor,
in dem dargestellten Beispiel also ein n-Kanal-MOSFET. Dieser Sensortransistor
weist einen Gateanschluss 121, einen Drainanschluss 122 und
einen Sourceanschluss 123 auf und ist als sogenannte MOS-Diode
verschaltet, indem der Gateanschluss 121 an den Drainanschluss 122 angeschlossen
ist. Die Laststrecke bzw. Drain-Source-Strecke 122–123 dieses
Sensortransistors 12 ist in dem Beispiel zwischen Anschlusspads 16, 17 des
ersten Halbleiterchips 1 geschaltet.
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Die
erste Sensoranordnung weist außer
dem Sensortransistor 12 eine Auswerteschaltung 31 auf, die
an den Drain- und Sourceanschluss 122, 123 des Sensortransistors 12 angeschlossen
ist und die während
des Betriebs der Schaltungsanordnung ein erstes Sensorsignal S3
zur Verfügung
stellt, das abhängig
ist von einer über
der Drain-Source-Strecke des Sensortransistors 12 anfallenden
Spannung V12. Unter der Annahme, dass der Leistungstransistor 11 und
der Sensortransistor 12 des ersten Halbleiterchips 1 durch
gleichzeitig erfolgende identische Prozessschritte hergestellt wurden
und dass diese beiden Transistoren während des Betriebs gleichen Temperaturen
unterliegen, kann davon ausgegangen werden, dass eine Einsatzspannung
des Leistungstransistors 11 einer Einsatzspannung des Sensortransistors 12 entspricht.
Bei einem Stromfluss durch den Sensortransistor 12 entspricht
die über
diesem Sensortransistor 12 anliegende Laststreckenspannung
V12 der Einsatzspannung des Sensortransistors 12 und damit
der Einsatzspannung des Leistungstransistors 11.
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Die
Auswerteschaltung 3 der ersten Sensoranordnung umfasst
eine Spannungsmessanordnung 31, die zwischen den Drain-
und Sourceanschluss 122, 123 des Sensortransistors 12 geschaltet
ist und die die zwischen diesen Anschlüssen 122, 123 anliegende
Spannung V12 erfasst und das von dieser Spannung V12 abhängige erste
Sensorsignal S3 erzeugt. Um dem Sensortransistor 12 einen Stromfluss
einzuprägen,
der die der Einsatzspannung entsprechende Spannung V12 über dessen Laststrecke
hervorruft, weist die Auswerteschaltung 3 eine Stromquelle 32 auf,
die an einen der Lastanschlüsse,
in dem Beispiel an den Sourceanschluss 123, des Sensortransistors 12 angeschlossen
und damit in Reihe zu der Laststrecke dieses Sensortransistors 12 geschaltet
ist.
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Der
Sensortransistor 12 und die Auswerteschaltung 3 der
ersten Sensoranordnung sind in getrennten Halbleiterkörpern angeordnet.
Der Sensortransistor 12 ist zusammen mit dem Lasttransistor 11 in
dem ersten Halbleiterkörper
integriert, während
die Auswerteschaltung 3 in einem zweiten Halbleiterkörper integriert
ist, der in 1 schematisch durch eine strichpunktierte
Linie dargestellt ist. Die Auswerteschaltung 3 der ersten
Sensoranordnung ist hierbei an Anschlusspads 26, 27 des
zweiten Halbleiterkörpers 2 angeschlossen,
die über
Leitungsverbindungen, beispielsweise Bonddrähte, an die Anschlusspads 16, 17 der
Laststrecke des Sensortransistors 12 angeschlossen sind.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst zur Ansteuerung des Lasttransistors 11 eine
Ansteuerschaltung 6, die in dem zweiten Halbleiterkörper 2 integriert
ist und der das erste Sensorsignal S3 über einen ersten Eingang 64 zugeführt ist
und die an einem Ausgang 65 ein Ansteuersignal S6 für den Lasttransistor 11 bereitstellt.
Der Ausgang 65 der Ansteuerschaltung 6 ist hierbei
an ein Ausgangspad 23 des zweiten Halbleiterchips 2 angeschlossen,
das über eine
Leitungsverbindung, beispielsweise einen Bonddraht an ein Eingangspad 13 des
ersten Halbleiterchips 1 angeschlossen ist. Der Gateanschluss 111 des
Lasttransistors 11 ist hierbei an dieses Eingangspad 13 des
ersten Halbleiterchips 1 angeschlossen. Die Ansteuerschaltung 6 kann
eine herkömmliche Ansteuerschaltung
sein, die dazu ausgebildet ist, den Lasttransistor 11 unter
Berücksichtigung
der Einsatzspannung des Lasttransistors 11 anzusteuern,
mit dem Unterschied, dass die Information über die Einsatzspannung des
Lasttransistors 11 nicht in der Ansteuerschaltung 6 bereits
im Voraus abgespeichert ist, sondern dass diese Information der
Ansteuerschaltung 6 über
das erste Sensorsignal S3 zugeführt
ist.
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Die
Bezugszeichen 61, 63 der Ansteuerschaltung 6 in 1 bezeichnen
Versorgungsanschlüsse
zum Anlegen einer Versorgungsspannung an die Ansteuerschaltung 6.
Diese Versorgungs anschlösse 61, 63 sind
beispielsweise an Versorgungspads 24, 25 des zweiten
Halbleiterchips 2 angeschlossen. Während des Betriebs der Schaltungsanordnung
liegt an diesen Versorgungspads 24, 25 eine Versorgungsspannung
an, indem beispielsweise ein erstes Versorgungspad 24 an
ein positives Versorgungspotential V+ und ein zweites Versorgungspad 25 an
ein negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND angeschlossen
wird. Die Stromquelle 32 der Auswerteschaltung 3 ist
hierbei an dieses zweite Versorgungspad 25 angeschlossen.
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Das
Bezugszeichen 62 der Ansteuerschaltung 6 bezeichnet
einen Signaleingang zur Zuführung
eines Steuersignals, nach dessen Maßgabe die Ansteuerschaltung 6 den
Lasttransistor 11 leitend oder sperrend ansteuert. Dieses
Steuersignal kann dem zweiten Halbleiterchip 2 über ein
weiteres Eingangspad 22 zugeführt sein, dieses Steuersignal kann
beispielsweise ein zweiwertiges Signal sein, wobei die Ansteuerschaltung
dazu ausgebildet ist, den Lasttransistor 11 bei einem ersten
Signalpegel dieses Steuersignals leitend und bei einem zweiten Signalpegel
dieses Steuersignals sperrend anzusteuern. Die Schaltgeschwindigkeit,
d. h. die Geschwindigkeit, mit welcher die Ansteuerschaltung 6 den
Lasttransistor 11 von einem Schaltzustand in einen anderen
Schaltzustand überführt, ist
hierbei von dem ersten Sensorsignal S3 und damit von der Einsatzspannung
des Sensortransistors 12 abhängig. So kann die Ansteuerschaltung
beispielsweise dazu ausgebildet sein, bei einer leitenden Ansteuerung des
Lasttransistors 11 die Gateelektrode zunächst mit
einem ersten Ladestrom zu laden, bis eine Gate-Source-Spannung des
Transistors 11 den Wert der Einsatzspannung erreicht oder
einen Wert erreicht, der um einen vorgegebenen Wert unterhalb der
Einsatzspannung liegt, die Gateelektrode dann mit einem zweiten
Ladestrom, der kleiner als der erste Ladestrom ist, zu laden, bis
die Gate-Source-Spannung
einen Wert erreicht, der um einen vorgegebenen Wert oberhalb der
Einsatzspannung liegt, und die Gateelektrode anschließend mit
dem ersten Ladestrom oder einem anderen, im Vergleich zu dem zweiten
Ladestrom größeren Ladestrom
zu laden.
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Eine
sperrende Ansteuerung erfolgt beispielsweise in umgekehrter Richtung,
d. h. zunächst mit
einem ersten Entladestrom bis zum Erreichen eines vorgegebenen Wertes
oberhalb der Einsatzspannung, dann mit einem kleineren zweiten Entladestrom
bis zum Erreichen eines vorgegebenen Wertes unterhalb der Einsatzspannung
und anschließend
mit einem im Vergleich zum zweiten Entladestrom größeren dritten
Entladestrom. Zur Erfassung der Gate-Source-Spannung des Lasttransistors
kann die Ansteuerschaltung einen weiteren Eingang 66 aufweisen,
der über
ein weiteres Anschlusspad des zweiten Halbleiterchips 2 an
den Sourceanschluss des Transistors 11 bzw. das Sourceanschlusspad 15 des
ersten Halbleiterchips 1 angeschlossen ist.
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In 1 ist
die Verwendung der erläuterten Schaltungsanordnung
zur Spannungsversorgung einer Last Z dargestellt. Der Lasttransistor 11 ist
hierbei als High-Side-Schalter verschaltet, dessen Laststrecke zwischen
eine Klemme für
positives Versorgungspotential V+ und die Last Z geschaltet ist.
Die Last Z liegt hierbei mit ihrem dem Lasttransistor abgewandten
Anschluss an einer Klemme für
negatives Versorgungspotential bzw. Bezugspotential GND. Die Lastanschlusspads 14, 16,
die an die Drainanschlüsse
des Lasttransistors 11 und des Sensortransistors 12 angeschlossen
sind, können
hierbei als ein gemeinsamer Anschluss realisiert sein, was in 1 gepunktet
dargestellt ist.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese
Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 1 dargestellten
durch das Vorhandensein einer zweiten Sensoranordnung 18, 4,
die ein zweites Sensorsignal S4 zur Verfügung stellt, das von einer Temperatur
in dem ersten Halbleiterchip 1 abhängig ist. Diese zweite Sensoranordnung
weist einen Temperatursensor auf, der in dem Beispiel als Bipolartransistor 18 mit
einem Basisanschluss 181, einem Kollektoranschluss 182 und
einem Emitteranschluss 183 realisiert ist. Eine Temperaturmessung
mittels dieses Bipolartransistors 18 basiert darauf, dass
sich die Basis-Emitter-Spannung eines Bipolartransistors, dem ein
konstanter Emitterstrom eingeprägt
ist, mit der Temperatur ändert.
Die zweite Sensoranordnung umfasst hierbei eine Auswerteschaltung 4 mit
einer Spannungsmessanordnung 41 und einer Stromquelle 42.
Die Stromquelle 42 ist in Reihe zu der Kollektor-Emitter-Strecke
des Bipolartransistors 18 geschaltet und dient dazu, den
Bipolartransistor 18 während
eines Betriebs der Schaltungsanordnung einen konstanten Emitterstrom
einzuprägen.
Die Spannungsmessanordnung 41 dient zur Messung der sich aufgrund
des Emitterstroms einstellenden Basis-Emitter-Spannung V18, die von der Temperatur abhängig ist,
und zur Bereitstellung eines von dieser Spannung V18 abhängigen zweiten
Sensorsignals S4. Der Bipolartransistor 18 dieser zweiten
Sensoranordnung ist in dem ersten Halbleiterchip 1 mit
dem Lasttransistor 11 und dem Sensortransistor 12 integriert,
während
die Auswerteschaltung 4 mit der Spannungsmessanordnung 41 und
der Stromquelle 42 in dem zweiten Halbleiterchip 2 integriert
ist.
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Der
Kollektoranschluss 182 des als Temperatursensor eingesetzten
Bipolartransistors 18 ist an den Drainanschluss des Sensortransistors 12 angeschlossen,
und der Basisanschluss 181 dieses Bipolartransistors 18 ist
an den Sourceanschluss 123 des Sensortransistors 12 angeschlossen.
Zur Erfassung der Basis-Emitter-Spannung V18 des Bipolartransistors 18 durch
die Spannungsmessanordnung 41 wird somit lediglich ein
zusätzliches
Anschlusspad 19 an dem ersten Halbleiterchip 1 benötigt, an
welches der Emitteranschluss des Bipolartransistors 18 angeschlossen
ist. Die Spannungsmessanordnung 41 erfasst hierbei die
Spannung zwischen dem dem Sourceanschluss des Sensortransistors 12 und
dem Basisanschluss 181 des Bipolartransistors 18 gemeinsamen
Anschlusspad 17 und dem Emitter-Anschlusspad 19 des
ersten Halbleiterchips 1. Die Span nungsmessanordnung 41 der
zweiten Sensoranordnung ist gemeinsam mit der Spannungsmessanordnung 31 der
ersten Sensoranordnung an das Anschlusspad 27 angeschlossen.
Zum Anschließen
der Spannungsmessanordnung 41 der zweiten Sensoranordnung
an das Emitter-Anschlusspad 19 des ersten Halbleiterchips 1 ist
ein weiteres Anschlusspad 28 des zweiten Halbleiterchips 2 vorhanden,
das mittels einer Leitungsverbindung, beispielsweise eines Bonddrahts,
an das Emitter-Anschlusspad 19 angeschlossen ist.
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Das
eine Temperatur in dem ersten Halbleiterchip 1 anzeigende
zweite Sensorsignal S4 ist der Ansteuerschaltung 6 zugeführt, die
den Lasttransistor 11 abhängig von diesem zweiten Sensorsignal
S4 ansteuert. Die Ansteuerschaltung 6 kann beispielsweise
dazu ausgebildet sein, den Lasttransistor 11 sperrend anzusteuern,
wenn das zweite Sensorsignal S4 ein Ansteigen einer Temperatur in
dem ersten Halbleiterchip 1 über einen vorgegebenen Schwellenwert
anzeigt.
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Wie
in 2 gestrichelt dargestellt ist, kann der zweite
Halbleiterchip mit den darin integrierten Auswerteschaltungen 3, 4 und
der Ansteuerschaltung 6 eine Spannungsversorgungsschaltung 5 aufweisen,
die an eines der Versorgungspads 24 des zweiten Halbleiterchips 2 angeschlossen
ist und die dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung für die in
dem zweiten Halbleiterchip 2 integrierten Schaltungskomponenten
zur Verfügung
zu stellen. Repräsentativ
für diese
Schaltungskomponenten ist diese Spannungsversorgungsschaltung 5 bei
der Schaltung gemäß 2 an
die Ansteuerschaltung 6 angeschlossen.
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Eine
Realisierung des Lasttransistors 11, des Sensortransistors 12 sowie
des als Temperatursensor dienenden Bipolartransistors 18 in
einem gemeinsamen Halbleiterchip 1 wird nachfolgend anhand
von 3 erläutert. 3 zeigt
den Halbleiterkörper 1 schematisch
im Querschnitt in einer vertikalen Schnittebene. Die Bezugszeichen 101, 102 bezeichnen
eine ers te Seite, die nachfolgend als Vorderseite bezeichnet wird,
und eine zweite Seite, die nachfolgend als Rückseite bezeichnet wird, dieses Halbleiterkörpers 1.
Der dargestellte Halbleiterkörper umfasst
zwei Halbleiterschichten, eine höher
dotierte erste Halbleiterschicht 103 und eine auf die erste Halbleiterschicht 103 aufgebrachte
niedriger dotierte zweite Halbleiterschicht 104. Die erste
Halbleiterschicht 103 ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat, und
die zweite Halbleiterschicht 104 ist beispielsweise eine
auf das Substrat 103 aufgebrachte Epitaxieschicht. Es sei
darauf hingewiesen, dass die Abmessungen dieser Halbleiterschichten
in 3 nicht maßstäblich dargestellt
sind.
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Der
Halbleiterkörper 1 ist
mit seiner Rückseite 102 auf
einen elektrisch leitfähigen
Träger 5,
beispielsweise ein Leadframe, aufgebracht und elektrisch leitend
mit diesem Träger
verbunden.
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Der
Lasttransistor 11 und der Sensortransistor 12 sind
als vertikale Transistoren realisiert, die eine gemeinsame Drainzone
aufweisen, die in dem Beispiel durch die hochdotierte erste Halbleiterschicht 103 gebildet
ist. Der Träger 5 bildet
hierbei die Drainanschlüsse 112, 122 des
Lasttransistors 11 und des Sensortransistors 12.
Sourcezonen, Bodyzonen und Gate-Elektroden dieser Transistoren 11, 12 sind in
der zweiten Halbleiterschicht 104 integriert, die abschnittsweise
die Driftzone dieser Transistoren bildet. Diese Bauelementzonen
der beiden Transistoren 11, 12 sind in 3 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit lediglich
in Form elektrischer Schaltsymbole dargestellt.
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Die
beiden Transistoren können
herkömmliche
vertikale Transistoren, insbesondere DMOS-Transistoren mit einer
planaren Gate-Elektrode oder einer in einem Graben angeordneten Gate-Elektrode (Trench-Elektrode)
sein. Der Lasttransistor 11 und der Sensortransistor 12 weisen
hierbei, wie in 3 dargestellt ist, separate
Sourceanschlüsse 113, 123 und
separate Gateanschlüsse 111, 121 auf.
Um den Gateanschluss 121 mit dem Drainanschluss 122 des
Sensortransistors zu verbinden, kann beispielsweise eine Leitungsverbindung
in Form eines Bonddrahtes vorhanden sein, die den Leadframe 5 mit
dem Gateanschluss 121 des Sensortransistors 12 kurzschließt. Der
Leadframe 5 reicht in dem dargestellten Beispiel hierzu
in lateraler Richtung über
den Halbleiterkörper 1 hinaus.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu dem Vorsehen einer Leitungsverbindung zwischen dem Drainanschluss 122 und
dem Gateanschluss 121 besteht die Möglichkeit, den Gateanschluss 121 über die
erste und zweite Halbleiterschicht 103, 104 an
den Drainanschluss 122 anzuschließen. Die Gateelektrode 121 ist
hierzu an eine höher
als die zweite Halbleiterschicht 104 dotierte Anschlusszone 124 (gestrichelt dargestellt)
angeschlossen, was in Figur lediglich schematisch dargestellt ist.
Diese Anschlusszone 124 ermöglicht einen niedrigen Anschlusswiderstand der
Gateelektrode 121 an die zweite Halbleiterschicht 104.
Der mit dem Bezugszeichen 125 in 3 bezeichnete
ohmsche Widerstand repräsentiert
einen ohmschen Widerstand zwischen dem Gateanschluss 121 und
dem Drainanschluss 122, der hauptsächlich durch den ohmschen Widerstand der
niedriger dotierten zweiten Halbleiterschicht 104 bedingt
ist. Ein Überstand
der Drainelektrode 5 über den
Halbleiterkörper 1 ist
bei dieser Variante nicht erforderlich.
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Ein
Anschluss der in dem Halbleiterkörper 1 integrierten
Sensorbauelemente an das Versorgungspotential (V+ in den 1 und 2)
kann über
den Gateanschluss 121 und/oder den Drainanschluss 122 erfolgen,
indem der jeweilige Anschluss über
das Leadframe 5 oder einen Bonddraht an eine von außen zugängliche
Anschlussklemme (nicht dargestellt) des Halbleiterchips 1 angeschlossen
wird.
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Sofern
der Gateanschluss 121 in der zuvor erläuterten Weise über den
Halbleiterkörper 1 an
den Drainanschluss 122 angeschlossen ist, genügt eine einzige
Bondverbindung auf dem Ga teanschluss 121 oder eine Verbindung
mit dem Drainanschluss 122, die diese Spannungsversorgung
gewährleistet.
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Die
beiden Transistoren 11, 12 können insbesondere in einem
gemeinsamen Zellenfeld integriert sein, das eine Vielzahl gleichartiger
Transistorstrukturen, sogenannte Transistorzellen, aufweist, von
denen eine erste Anzahl Transistorzellen parallel geschaltet ist,
um den Lasttransistor 11 zu bilden und von denen eine zweite
Anzahl von Transistorzellen 12 parallel geschaltet ist,
um den Sensortransistor 12 zu bilden. Die Anzahl der Transistorzellen,
die den Sensortransistor 12 bilden, können hierbei wesentlich geringer
sein als die Anzahl der Transistorzellen, die den Lasttransistor 11 bilden.
Für das
Verhältnis gilt
beispielsweise n1/n2 = 102 ... 105. n1 bezeichnet hierbei die Anzahl der Transistorzellen
des Lasttransistors 11, und n2 bezeichnet die Anzahl der
Transistorzellen des Sensortransistors 12.
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Davon
ausgehend, dass die Transistorzellen des Zellenfeldes durch gemeinsame
Herstellungsprozesse hergestellt werden, besitzen die einzelnen Transistorzellen
gleiche Einsatzspannungen, die den Einsatzspannungen des Lasttransistors 11 und
des Sensortransistor 12 entsprechen.
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Der
in dem ersten Halbleiterkörper 1 integrierte
Bipolartransistor ist ebenfalls als vertikales Bauelement realisiert,
dessen Kollektoranschluss durch die erste Halbleiterzone 103 gebildet
ist. Eine Basiszone 105 und eine Emitterzone 106 sind
hierbei im Bereich der Vorderseite 101 in der zweiten Halbleiterschicht 104 integriert.
Die Basiszone 105 ist durch eine Basiselektrode 181 und
die Emitterzone 106 ist durch eine Emitter-Elektrode 183 kontaktiert. Zwischen
der Basiselektrode 181 und der Basiszone 105 kann
eine höher
als die Basiszone 105 dotierte Kontaktzone 197 vorgesehen
sein, die einen ohmschen Kontakt zu der Basiselektrode 181 bildet.
Die Basiselektrode 181 ist elektrisch leitend mit der Source-Elektrode 123 des
Sensortransistors verbunden.
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4 zeigt
eine Abwandlung der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 4 erfolgt
die Spannungsversorgung der in dem zweiten Halbleiterchip 2 integrierten
Schaltungskomponenten über
eines der Anschlusspads 26, 27, über die
die Auswerteschaltung 3 der ersten Sensoranordnung die
Spannung über
dem Sensortransistor 12 abgreift. Als "Spannungsversorgungspad" dient bei der in 4 dargestellten
Schaltung das Anschlusspad 26, das an den Drainanschluss 122 des
Sensortransistors 12 angeschlossen ist. Dieser Drainanschluss
liegt während des
Betriebs der Schaltungsanordnung auf dem positiven Versorgungspotential
V+. Auf ein separates Anschlusspad zur Spannungsversorgung der Schaltungskomponenten
des zweiten Halbleiterchips 2 kann bei dieser Anordnung
verzichtet werden. In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, dass
die Anschlusspads 14, 16 für die Drainanschlüsse des Lasttransistors 11 und
des Sensortransistors 12 bei einer Realisierung dieser
Bauelemente gemäß 3 einen
gemeinsamen Anschluss in Form der Trägerplatte bzw. des Leadframes 5 bilden,
was in 4 und 2 gestrichelt dargestellt ist.
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Alternativ
zu dem an den Drainanschluss 122 des Sensortransistors 12 angeschlossenen
Anschlusspad 26 kann zur Spannungsversorgung des zweiten
Halbleiterchips 2 auch das an den Sourceanschluss 123 des
Sensortransistors 12 angeschlossene Anschlusspad 27 verwendet
werden, was in 4 nicht explizit dargestellt
ist. Diese Variante birgt allerdings den Nachteil, dass die Stromaufnahme
des Ansteuerchips 2 die Auswertung der Einsatzspannung des
Sensortransistors 12 verfälscht.
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Bei
den zuvor erläuterten
Ausführungsbeispielen
sind der Lasttransistor 11 und der Sensortransistor 12 jeweils
als n-MOSFET realisiert.
Dies ist lediglich als Beispiel zu verstehen. Diese Bauelemente
können
selbstverständlich
auch als p-MOSFET
realisiert werden, wobei die Versorgungsspannung gegenüber den
bisherigen Erläuterungen
dann zu verpolen ist.
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Als
Temperatursensor 18 kann bei dieser Variante ein pnp-Bipolartransistor
eingesetzt werden.
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Anstelle
des zuvor erläuterten
Bipolartransistors eignet sich als Temperatursensor 18 auch
eine Diode, die in Flussrichtung betrieben wird und deren Flussspannung
bei einem durch die Stromquelle 42 eingeprägten Strom
ermittelt wird. Ein Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung mit einer in Flussrichtung betriebenen
Diode als Temperatursensor ist in 5 dargestellt.
Die Diode ist in dem dargestellten Beispiel in Reihe zu der Laststrecke 122–123 des
Sensortransistors geschaltet und liegt zwischen einem 17 der
Anschlusspads des Sensortransistors 12 und dem Anschlusspad 19 des
Temperatursensors 12. Die in bereits erläuterter
Weise an diese Anschlusspads 17, 19 angeschlossene
Spannungsmessanordnung 41 der Auswerteschaltung erfasst
die zwischen diesen Anschlüssen 17, 19 anliegende
Spannung, die der Flussspannung der Diode 18 entspricht.
Diese Flussspannung stellt unmittelbar ein Maß für die Temperatur dar, wenn
davon ausgegangen wird, dass die Diode 18 von einem wenigstens
annäherungsweise
konstanten Strom durchflossen ist.
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Dieser
Strom wird bei der dargestellten Anordnung von einer dem Sensortransistor 12 und
der Diode 18 gemeinsamen Stromquelle 34 bereitgestellt,
die in Reihe zu der Reihenschaltung mit dem Sensortransistor 12 und
der Diode 18 geschaltet ist. Diese gemeinsame Stromquelle 34 ist
in dem zweiten Halbleiterchip 2 angeordnet und ist an das
Anschlusspad 19 der Temperaturmessanordnung angeschlossen.
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Die über dem
Sensortransistor anliegende Spannung wird bei der in 5 dargestellten
Schaltungsanordnung durch die bereits erläuterte Auswerteschaltung 3 des
Sensortransistors 12 ermittelt, die an die Anschlusspads 16, 17 des
Sensortransistors 12 angeschlossen ist.
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Als
Temperatursensor eignet sich ebenso ein Widerstand mit einem temperaturabhängigen Widerstandsverhalten,
der von dem eingeprägten
Strom durchflossen wird und an dem der durch diesen Strom hervorgerufene
Spannungsabfall als Temperaturmesswert ermittelt wird. Dieser Widerstand
kann einen positiven oder einen negativen Temperaturkoeffizienten
besitzen. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung
mit einem solchen Widerstand als Temperatursensor 18. Die
dargestellte Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung
durch das Vorhandensein eines Temperaturmesswiderstandes 18 anstelle
einer Temperaturmessdiode. Eine über
dem Messwiderstand anliegende Spannung, die durch die gemeinsame
Stromquelle 34 hervorgerufen wird und die zwischen den
Anschlusspads 17, 19 anliegt, stellt bei dieser
Schaltungsanordnung unmittelbar ein Maß für die Temperatur dar.
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Die
Schaltungsanordnung mit den beiden Halbleiterchips 1, 2 kann
bezugnehmend auf 7 in Chip-on-Chip-Technologie
realisiert werden. Der zweite Halbleiterchip 2 ist hierbei
auf die Vorderseite des Halbleiterchips 1 aufgebracht.
Der Halbleiterchip 1 sitzt hierbei auf einem Träger 10,
der identisch mit dem in 3 dargestellten elektrisch leitenden
Träger 5 bzw.
Leadframe sein kann.
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Bezugnehmend
auf 8 besteht auch die Möglichkeit, die Schaltungsanordnung
mit den zwei Halbleiterchips in Chip-by-Chip-Technologie zu realisierten. Die
beiden Chips werden hierbei in lateraler Richtung beabstandet zueinander
auf einem Träger 10 angeordnet.