DE102014106294B4

DE102014106294B4 - Schaltkomponente mit einem Steuerelement und einer integrierten Schaltung, System mit einem Controller und einer integrierten Schaltung und Leistungsversorgungssystem mit einem Leistungsversorgungselement

Info

Publication number: DE102014106294B4
Application number: DE102014106294.9A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Noebauer; Christoph Kadow; Donald Dibra; Robert Illing
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: CN104143973B; CN104143973A; DE102014106294A1; US9105470B2; US20140332877A1

Abstract

Schaltkomponente (200) mit einem Steuerelement (240) und einer Halbleitervorrichtung, wobei die Halbleitervorrichtung aufweist:ein erstes Transistorelement (2100) mit ersten Transistoren (210), deren Gateelektroden (215) in ersten Trenches (115) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines Halbleitersubstrats angeordnet sind,ein zweites Transistorelement (2200), das elektrisch parallel zu dem ersten Transistorelement (2100) verbunden ist, wobei das zweite Transistorelement (2200) aufweist:zweite Transistoren (220), deren Gateelektroden (225) in zweiten Trenches (125) in der ersten Hauptoberfläche (110) angeordnet sind, undeine zweite leitende Gateleitung (235) in Kontakt mit den Gateelektroden (225) in den zweiten Trenches (125),wobei das erste Transistorelement (2100) und das zweite Transistorelement (2200) elektrisch mit einem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und einem gemeinsamen Drainanschluss (254) gekoppelt sind und die Halbleitervorrichtung ferner einen Gateanschluss aufweist, der mit einer ersten leitenden Gateleitung, die mit den Gateelektroden des ersten Transistorelements (2100) verbunden ist, verbunden ist,wobei das Steuerelement (240) ein an die zweite leitende Gateleitung (235) angelegtes Potential aufgrund wenigstens einer Größe aus einem Signal zwischen zwei der Anschlüsse der Halbleitervorrichtung, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung, steuert

Description

HINTERGRUND
MOS-(Metall-Oxid-Halbleiter-)Leistungstransistoren oder MOS-Leistungsvorrichtungen, die gewöhnlich in Automobil- und Industrie-Elektroniken verwendet werden, werden üblicherweise gemäß den Anwendungen, für die sie eingesetzt werden, optimiert. Beispielsweise sollten sie einen niedrigen Einschaltwiderstand (R_on·A) haben, wenn sie eingeschaltet werden. Weiterhin gibt es Anwendungen, in welchen die Leistungstransistoren als Schutzelemente verwendet werden. Wenn ein Einsatz als Schutzelemente erfolgt, dann sollte die Fähigkeit zum Abführen von Leistung gesteigert sein.
Versuche werden gegenwärtig unternommen, um weiter die Eigenschaften eines Leistungstransistors zu verbessern, damit dessen Betriebsverhalten in verschiedenen Anwendungen optimiert wird.
Weitere Halbleitervorrichtungen sind aus DE 11 2010 002 754 T5 , DE 102 46 960 A1 , US 2010 / 0 232 081 A1 , US 2008 / 0 217 684 A1 , US 2010 / 0 289 982 A1 , US 2010 / 0 007 217 A1 und US 2012 / 0 217 540 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltkomponente, ein System sowie ein Leistungsversorgungssystem bereitzustellen, bei dem eine Regulierung des fließenden Stroms in verbesserter Weise ausgeführt ist.
Gemäß Ausführungsform wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche definiert. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Schaltkomponente ein Steuerelement und eine integrierte Schaltung. Die integrierte Schaltung umfasst ein erstes Transistorelement, das erste Transistoren, aufweist, wobei Gateelektroden der ersten Transistoren in ersten Trenches bzw. Gräben in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, und ein zweites Transistorelement. Das zweite Transistorelement ist elektrisch parallel mit dem ersten Transistorelement verbunden. Das zweite Transistorelement umfasst zweite Transistoren, wobei Gateelektroden der zweiten Transistoren in zweiten Trenches bzw. Gräben in der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches. Das Steuerelement ist gestaltet, um ein an der zweiten leitenden Gateleitung liegendes Potential zu steuern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein System einen Controller bzw. eine Steuer- bzw. Regeleinheit und eine integrierte Schaltung. Die integrierte Schaltung umfasst ein erstes Transistorelement, das erste Transistoren aufweist, wobei Gateelektroden der ersten Transistoren in ersten Trenches bzw. Gräben in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind. Die integrierte Schaltung umfasst weiterhin ein zweites Transistorelement, das elektrisch parallel zu dem ersten Transistorelement verbunden ist. Das zweite Transistorelement umfasst zweite Transistoren, wobei Gateelektroden der zweiten Transistoren in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung im Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches. Das System umfasst außerdem ein Steuerelement, das gestaltet ist, um das an die zweite leitende Gateleitung angelegte Potential aufgrund eines von dem Controller empfangenen Signales zu steuern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Strom- bzw. Spannung- bzw. Leistungsversorgungssystem ein Leistungsspeiseelement, das einen Schaltungsunterbrecher umfasst, der einen Controller und eine Schaltkomponente aufweist. Die Schaltkomponente umfasst ein Steuerelement und eine integrierte Schaltung, wobei die integrierte Schaltung ein erstes Transistorelement umfasst, das erste Transistoren aufweist, wobei Gateelektroden der ersten Transistoren in ersten Trenches bzw. Gräben in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind. Die integrierte Schaltung umfasst außerdem ein zweites Transistorelement, das elektrisch parallel zu dem ersten Transistorelement verbunden ist. Das zweite Transistorelement umfasst zweite Transistoren, wobei Gateelektroden der zweiten Transistoren in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches, wobei das Steuerelement gestaltet ist, um ein Potential, das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegt, aufgrund eines durch den Controller zugeführten Signals zu steuern.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
Weitere Aspekte der Erfindung sind im Folgenden definiert.

1. Eine Halbleitervorrichtung, umfassend:
- eine Transistoranordnung, die erste Transistoren und zweite Transistoren aufweist, wobei Gateelektroden der ersten Transistoren in ersten Trenches in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats und Gateelektroden der zweiten Transistoren in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche vorgesehen sind,
- eine erste leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den ersten Trenches,
- eine zweite leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches, und
- ein Steuerelement, das gestaltet ist, um das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegende Potential zu steuern.
2. Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt ist das Steuerelement gestaltet, um das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegende Potential aufgrund wenigstens einer Größe aus einem zwischen zwei Anschlüssen der Halbleitervorrichtung anliegendem Signal, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung zu steuern.
3. Die Halbleitervorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst weiterhin:
- einen Sourceanschluss und
- einen Drainabschluss,
- wobei das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegende Potential gestaltet ist, um aufgrund eines Signals zwischen dem Sourceanschluss und dem Drainanschluss gesteuert zu sein.
4. Die Halbleitervorrichtung nach dem ersten Aspekt umfasst außerdem:
- einen Gateanschluss, der mit der ersten leitenden Gateleitung verbunden ist,
- einen Sourceanschluss, und
- einen Drainanschluss,
- wobei das Steuerelement gestaltet ist, um das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegende Potential aufgrund eines Signals zwischen dem Gateanschluss und dem Drainanschluss zu steuern.
5. Die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt umfasst außerdem einen Gateanschluss, der mit der ersten leitenden Gateleitung verbunden ist.
6. Das im vierten Aspekt genannte Steuerelement ist ausgeführt, um das an dem Gateanschluss liegende Potential an die zweite leitende Gateleitung anzulegen.
7. Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt sind die ersten und zweiten Trenches in einer abwechselnden Weise angeordnet.
8. Weiterhin ist bei einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt die Anzahl der ersten Trenches ungefähr gleich zu einer Anzahl von zweiten Trenches.
9. Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt ist eine Anzahl der ersten Trenches kleiner als eine Anzahl der zweiten Trenches, wobei die ersten und zweiten Trenches so angeordnet sind, dass einer der zweiten Trenches auf jeder Seite von einem der ersten Trenches angeordnet ist.
10. Dabei kann die Anzahl der zweite Trenches ungefähr das Fünffache der Anzahl der ersten Trenches oder mehr betragen.
11. Bei der Halbleiteranordnung gemäß dem ersten Aspekt ist das Steuerelement gestaltet, um das an der ersten leitenden Gateleitung anliegende Potential zu steuern.
12. Bei der Halbleiteranordnung gemäß dem ersten Aspekt sind die ersten und zweiten leitenden Gateleitungen in einer abwechselnden Weise vorgesehen, so dass sie sich in einer Richtung senkrecht bezüglich einer Ausdehnungsrichtung der ersten und zweiten Trenches erstrecken.
13. Bei der Halbleitervorrichtung nach dem ersten Aspekt sind die ersten und zweiten Trenches in ihrer Struktur identisch.
14. Schließlich sind bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt Komponenten des Steuerelements in dem Halbleitersubstrat ausgebildet.
15. Eine Halbleitervorrichtung, umfassend:
- eine Transistoranordnung mit ersten und zweiten Transistoren, wobei jeder ersten und zweiten Transistoren eine Gateelektrode aufweist, wobei die Gateelektroden der ersten Transistoren in ersten Trenches in einer ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats vorgesehen sind, die Gateelektroden der zweiten Transistoren in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche vorgesehen sind und die ersten und zweiten Trenches parallel zueinander gelegen sind,
- eine erste leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den ersten Trenches,
- eine zweite leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches,
- einen Sourceanschluss,
- einen Drainanschluss,
- einen ersten Gateanschluss in Kontakt mit der ersten leitenden Gateleitung, und
- einen zweiten Gateanschluss in Kontakt mit der zweiten leitenden Gateleitung.
16. Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem fünfzehnten Aspekt sind die ersten und zweiten Trenches in einer abwechselnden Weise angeordnet.
17. Weiterhin ist bei der Halbleiteranordnung gemäß dem fünfzehnten Aspekt eine Anzahl der ersten Trenches ungefähr gleich zu einer Anzahl der zweiten Trenches.
18. Bei der Halbleiteranordnung nach dem fünfzehnten Aspekt ist eine Anzahl der ersten Trenches kleiner als eine Anzahl der zweiten Trenches, wobei die ersten und zweiten Trenches so angeordnet sind, dass einer der zweiten Trenches auf jeder Seite von einem der ersten Trenches gelegen ist.
19. Bei der Halbleitervorrichtung nach dem fünfzehnten Aspekt sind die ersten und zweiten leitenden Gateleitungen in einer abwechselnden Weise angeordnet, um sich in einer Richtung senkrecht bezüglich einer Ausdehnungsrichtung der ersten und zweiten Trenches zu erstrecken.
20. Schließlich sind bei der Halbleitervorrichtung nach dem fünfzehnten Aspekt die ersten und zweiten Trenches in der Struktur identisch.
21. Eine integrierte Schaltung, umfassend:
- eine Halbleitervorrichtung, die eine Transistoranordnung mit ersten Transistoren und zweiten Transistoren aufweist, wobei Gateelektroden der ersten Transistoren in ersten Trenches in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats und Gateelektroden der zweiten Transistoren in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind,
- eine erste leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den ersten Trenches,
- eine zweite leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches, und
- ein Steuerelement, das gestaltet ist, um das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegende Potential zu steuern.
22. Bei der integrierten Schaltung gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt ist das Steuerelement gestaltet, um das an der zweiten leitenden Gateleitung anliegende Potential aufgrund wenigstens einer Größe aus einem Signal zwischen zwei Anschlüssen der Halbleitervorrichtung, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung zu steuern.
23. Bei der integrierten Schaltung gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt ist das Steuerelement gestaltet, um wenigstens eine Größe aus einem Stromsignal eines über die Halbleitervorrichtung fließenden Stromes, einem Spannungssignal einer an zwei Anschlüssen der Halbleitervorrichtung anliegenden Spannung und einem Temperatursignal einer Temperatur der Halbleitervorrichtung zu empfangen.
24. Bei der integrierten Schaltung gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt ist das Steuerelement als eine Mischsignalschaltung ausgeführt, die wenigstens 100 Transistoren aufweist.
25. Das Steuerelement kann aber auch wenigstens einen Transistor aufweisen.

Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu liefern, und sie sind in der Offenbarung der Erfindung beinhaltet und stellen einen Teil von dieser Offenbarung dar. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele, und sie dienen zusammen mit der Beschreibung zum Erläutern der Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zu einander. Gleiche Bezugszeichen geben einander entsprechende ähnliche Teile an.

1A zeigt eine schematische Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B zeigt eine schematische Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
1C zeigt eine Draufsicht einer Halbleitervorrichtung gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine Draufsicht eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt einen sicheren Betriebsbereich einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 5A bis 5G zeigen Beispiele von Ersatzschaltungen, die die Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen repräsentieren.
6A zeigt ein Beispiel eines I-V-Diagrammes einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6B zeigt ein weiteres Diagramm, das Elemente einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
7 veranschaulicht ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel.

DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug genommen auf die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen für Veranschaulichungszwecke spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. In dieser Hinsicht wird eine Richtungsterminologie, wie „Oberseite“, „Unterseite“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „vorne“, „hinten“ usw. in Bezug auf die Orientierung der gerade beschriebenen Figuren verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen der Erfindung in einer Anzahl von verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsterminologie für Zwecke der Veranschaulichung verwendet, und sie ist in keiner Weise begrenzend. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem durch die Patentansprüche definierten Bereich abzuweichen.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht begrenzend. Insbesondere können Elemente der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele mit Elementen von verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Die Begriffe „Wafer“, „Substrat“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf einem Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie Silizium, Silizium-auf-Isolator (SOI), Silizium-auf-Saphir (SOS), dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Schichten von Silizium, das durch eine Basishalbleiterunterlage getragen ist, und andere Halbleiterstrukturen umfassen. Der Halbleiter braucht nicht auf Silizium zu beruhen. Der Halbleiter kann ebenso Silizium-Germanium, Germanium oder Galliumarsenid sein. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist allgemein Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) ein weiteres Beispiel des Halbleitersubstratmaterials.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie diese in der vorliegenden Anmeldung verwendet sind, sollen eine Orientierung parallel zu einer ersten Oberfläche eines Halbleitersubstrats oder eines Halbleiterkörpers beschreiben. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips bzw. einer Die sein.
Der Begriff „vertikal“, wie dieser in der vorliegenden Anmeldung verwendet ist, soll eine Oberfläche beschreiben, die senkrecht zu der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder Halbleiterkörpers angeordnet ist.
Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe „gekoppelt“ und/oder „elektrisch gekoppelt“ sollen nicht bedeuten, dass die Elemente direkt miteinander gekoppelt sein müssen; vielmehr können dazwischenliegende Elemente zwischen den „gekoppelten“ oder „elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sein. Der Begriff „elektrisch verbunden“ soll eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den elektrisch miteinander verbundenen Elementen beschreiben.
Die Figuren und die Beschreibung veranschaulichen relative Dotierungskonzentrationen durch Angabe von „^-“ oder „⁺“ nächst zu dem Dotierungstyp „n“ oder „p“. beispielsweise bedeutet „n^-“ eine Dotierungskonzentration, die niedriger ist als die Dotierungskonzentration eines „n“-Dotierungsbereiches, während ein „n⁺“-Dotierungsbereich eine höhere Dotierungskonzentration als ein „n“-Dotierungsbereich hat. Dotierungsbereiche der gleichen relativen Dotierungskonzentration haben nicht notwendigerweise die gleiche absolute Dotierungskonzentration. Beispielsweise können zwei verschiedene „n“-Dotierungsbereiche die gleiche oder verschiedene absolute Dotierungskonzentrationen haben. In den Figuren und der Beschreibung sind für ein besseres Verständnis oft die dotierten Teile als „p“- oder „n“-dotiert bezeichnet. Wie klar zu verstehen ist, ist diese Bezeichnung keinesfalls als begrenzend zu verstehen. Der Dotierungstyp kann beliebig sein, solange die beschriebene Funktionalität erzielt wird. Weiterhin können in allen Ausführungsbeispielen die Dotierungstypen umgekehrt werden.
Die hier verwendeten Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, die das Vorhandensein der festgestellten Elemente oder Merkmale angeben, jedoch nicht zusätzliche Elemente oder Merkmale ausschließen. Die unbestimmten und bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
1A zeigt ein Beispiel einer Schaltkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Schaltkomponente 200 umfasst eine Transistoranordnung, die erste Transistoren und zweite Transistoren aufweist (weiter in 2 gezeigt). Die in 1A dargestellte Schaltkomponente 200 umfasst eine Vielzahl von ersten Trenches bzw. Gräben 115 und eine Vielzahl von zweiten Trenches bzw. Gräben 125. Die ersten und zweiten Trenches 115, 125 sind in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet. Mesas 120 sind zwischen benachbarten Trenches angeordnet. Komponenten der ersten und zweiten Transistoren sind in der Mesa 120 und in den ersten und zweiten Trenches 115, 125 in einer Weise angeordnet, wie dies weiter in 2 gezeigt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die ersten und zweiten Trenches 115, 125 parallel zueinander sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der ersten Trenches 115 gleich zu der Anzahl der zweiten Trenches 125 sein. Die ersten und zweiten Trenches können in einer abwechselnden Reihenfolge angeordnet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die ersten Trenches 115 und die zweiten Trenches 125 in der Struktur identisch sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der zweiten Trenches 125 größer als die Anzahl der ersten Trenches 115 sein. In diesem Fall kann, wie in 1A gezeigt ist, ein erster Trench 115 durch einige der zweiten Trenches 125 gefolgt sein. Beispielsweise können die ersten und zweiten Trenches gleichmäßig oder homogen verteilt sein.
Erste Gateelektroden 215 der ersten Transistoren sind in den ersten Trenches 115 angeordnet, und zweite Gateelektroden 225 der zweiten Transistoren sind in den zweiten Trenches 125 angeordnet. Die in den ersten Trenches 115 angeordneten ersten Gateelektroden 215 können mit einer ersten leitenden Gateleitung 230 mittels erster Kontakte 245 verbunden sein. Weiterhin können die in den zweiten Gatetrenches 125 angeordneten zweiten Gateelektroden 225 mit einer zweiten leitenden Gateleitung 235 mittels zweiter Kontakte 247 verbunden sein. Beispielsweise können die ersten und zweiten leitenden Gateleitungen 230, 235 in einer Richtung senkrecht bezüglich der Ausdehnungsrichtung der ersten und zweiten Trenches 115, 125 angeordnet sein. Die ersten und zweiten Kontakte 245, 247 und die ersten und zweiten leitenden Gateleitungen 230, 235 können auf entgegengesetzten Seiten der ersten und zweiten Trenches 115, 125 angeordnet sein, um eine zwischenverschachtelte bzw. -verschränkte Gatestruktur zu bilden. Dennoch sind verschiedene Anordnungen möglich. Beispielsweise können die ersten und zweiten leitenden Gateleitungen 230, 235 auf einer Seite der ersten und der zweiten Trenches 114, 125 vorgesehen sein.
Die Halbleitervorrichtung von 1A umfasst weiterhin ein Steuerelement 240 zum Steuern eines an der zweiten leitenden Gateleitung 235 liegenden Potentials. Das Steuerelement 240 ist gestaltet, um das an der zweiten leitenden Gateleitung 235 liegende Potential zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 gestaltet sein, um das Potential aufgrund wenigstens einer Größe aus einem Signal zwischen zwei Anschlüssen der Halbleitervorrichtung, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung zu steuern.
Beispielsweise kann, wie in 1A gezeigt ist, die Halbleitervorrichtung einen Sourceanschluss 252 und einen Drainanschluss 254 aufweisen. Eine Drain-Source-Spannung kann zwischen den Drainanschluss 254 und den Sourceanschluss 252 gelegt sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 beispielsweise das an die zweite leitende Gateleitung 235 gelegte Potential aufgrund der Drain-Source-Spannung steuern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das an die zweite leitende Gateleitung 235 gelegte Potential aufgrund des Drain-Source-Stromes gesteuert werden. Die Halbleitervorrichtung kann weiterhin einen Gateanschluss 250 aufweisen. Die erste leitende Gateleitung 230 kann mit dem Gateanschluss 250 verbunden sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 mit dem Gateanschluss 250 verbunden sein. Das Steuerelement 240 kann auch gestaltet sein, um ein an die erste leitende Gateleitung 230 gelegtes Potential zu steuern.
1B zeigt ein Ausführungsbeispiel der Halbleitervorrichtung 200. Die Halbleitervorrichtung von 1B unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung von 1A dadurch, dass gemäß 1B das Steuerelement 240 gestaltet ist, um das an die zweite leitende Gateleitung 235 angelegte Potential aufgrund eines Signales zwischen dem Gateanschluss 250 und dem Drainanschluss 254, beispielsweise aufgrund der Gate-Drain-Spannung, zu steuern. Die weiteren Elemente des Ausführungsbeispiels von 1B sind ähnlich zu entsprechenden Elementen der Halbleitervorrichtung von 1A.
1C veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel der 1A und 1B wird ein Messsignal 260 zu dem Steuerelement 240 gespeist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Signal innerhalb der Halbleitervorrichtung 200 gemessen. Beispielsweise kann, wie dies in mehr Einzelheiten unten anhand der 5 erläutert werden wird, die Spannung zwischen dem Drain- und Sourceanschluss (V_DS) gemessen und in das Steuerelement 240 eingegeben werden. Weiterhin kann der Drainstrom I_D gemessen und in das Steuerelement 240 gespeist werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuerelement 240 gestaltet, um das an der zweiten leitenden Gateleitung 235 liegende Potential aufgrund des zwischen zwei Anschlüssen der Halbleitervorrichtung gemessenen Messsignals 260 zu steuern.
Wie oben erläutert wurde, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel das Steuerelement 240 gestaltet, um ein an die zweite leitende Gateleitung 235 gelegtes Potential aufgrund wenigstens einer Größe von einem Signal zwischen zwei Anschlüssen der Halbleitervorrichtung, einem Strom, der über die Halbleitervorrichtung fließt, und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung zu steuern. Beispielsweise kann das Steuerelement 240 das an die zweite leitende Gateleitung 235 angelegte Potential aufgrund einer Drain-Source-Spannung oder eines an die Halbleitervorrichtung 200 angelegten Drainstroms steuern. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 das an die zweite leitende Gateleitung 235 angelegte Potential aufgrund einer Gate-Drain-Spannung steuern, die zwischen der ersten leitenden Gateleitung 230 und einem Drainanschluss 254 liegt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 mit einem Temperatursensor verbunden oder integriert sein, und das an der zweiten leitenden Gateleitung 235 anliegende Potential kann aufgrund der erfassten Temperatur gesteuert sein.
Wie weiter unten anhand der 5A bis 5G erläutert werden wird, kann das Steuerelement 240 einen Transistor oder mehrere bzw. einige Transistoren, d.h. aktive Vorrichtungen, umfassen, die ein Ausgangssignal mit mehr Leistung bzw. Energie in ihm als dem Eingangssignal erzeugen können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuerelement 240 in zwei Zuständen betreibbar, nämlich in einem „Ein-Zustand“, in welchem eine Spannung größer als eine Schwellenspannung des zweiten Transistors verursacht ist, an die zweite Gateelektrode 225 gelegt zu sein, und in einem „Aus-Zustand“, in welchem eine Spannung kleiner als die Schwellenspannung des zweiten Transistors verursacht ist, an die zweite Gateelektrode 225 gelegt zu sein.
2 veranschaulicht eine Schnittdarstellung der integrierten Schaltung, die eine Komponente der in den 1A bis 1C gezeigten Schaltkomponente, zwischen I und I ist. Die integrierte Schaltung umfasst eine Transistoranordnung, die erste Transistoren 210 und zweite Transistoren 220 umfasst. Eine erste Gateelektrode 215 des ersten Transistors 210 ist in ersten Trenches 115 angeordnet, und eine zweite Gateelektrode 225 des zweiten Transistors 220 ist in zweiten Trenches 125 angeordnet. Eine Gatedielektrikumschicht 273, beispielsweise Siliziumoxid, ist an den Seitenwänden von jedem der ersten Trenches 115 und der zweiten Trenches 125 vorgesehen, um so die Gateelektroden 215, 225 von dem benachbarten Halbleitermaterial zu isolieren. Eine Feldplatte 276 ist in dem unteren Teil von jedem der Trenches 115, 125 vorgesehen. Die Feldplatte 276 kann von dem benachbarten Halbleitermaterial durch eine Felddielektrikumschicht 277 isoliert sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Feldplatte 276 von den ersten oder zweiten Gateelektroden 215, 225 isoliert sein.
Ein Sourcebereich 270 von jedem der ersten und zweiten Transistoren 210, 220 ist neben der ersten Hauptoberfläche 110 des Halbleitersubstrats angeordnet. Eine Sourcemetallisierungsschicht 264 ist über den Sourcebereichen 270 vorgesehen. Die Sourcemetallisierungsschicht 264 kann mit dem Sourceanschluss 252 verbunden sein. Demgemäß kann der Sourcebereich 270 mit dem Sourceanschluss 252 verbunden sein. Der Sourcebereich 270 kann beispielsweise mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sein. Weiterhin ist ein Bodybereich 272 benachbart zu dem Sourcebereich 270 angeordnet. Der Bodybereich 272 kann mit Dotierstoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps dotiert sein. Ein Driftbereich 274 ist zwischen dem Bodybereich 272 und der Rückseite des Halbleitersubstrats angeordnet. Der Driftbereich 274 ist mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert. In einem Ein- bzw. Einschaltzustand wird, wenn eine geeignete Spannung an die erste oder zweite Gateelektrode 215, 225 angelegt ist, ein leitender Kanal an der Zwischenfläche zwischen dem Bodybereich 272 und der benachbarten Gatedielektrikumschicht 273 gebildet. In diesem Fall kann ein Strom von dem Sourcebereich 270 über den leitenden Kanal und den benachbarten Driftbereich 274 zu dem Rückseitenanschluss der Vorrichtung fließen.
Beispielsweise ist, wie in 2 gezeigt ist, ein Drainbereich 268 an einer Rückseite des Halbleitersubstrats vorgesehen. Eine Drainelektrode 266 ist benachbart zu dem Drainbereich 268 angeordnet. Beispielsweise kann der Drainbereich 268 mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sein. Die ersten und zweiten Transistoren 210, 220 sind als Leistungs-MOSFETs ausgeführt. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können die Transistoren 210, 220 stattdessen als eine alternative Vorrichtung, wie beispielsweise als ein IGBT („Bipolartransistor mit isoliertem Gate“) oder in anderer Weise gebildet sein. Die Drainelektrode 266 kann mit dem Drainanschluss 254 verbunden sein. Die ersten Gateelektroden 215 können mit der ersten leitenden Gateleitung 230 beispielsweise in der in den 1A bis 1C dargestellten Weise verbunden sein. Weiterhin können die zweiten Gateelektroden 225 mit der zweiten leitenden Gateleitung 235 beispielsweise in der in den 1A bis 1C gezeigten Weise verbunden sein. Die erste leitende Gateleitung 230 kann mit dem Gateanschluss 250 verbunden sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die erste leitende Gateleitung 230 mit dem Steuerelement 240 verbunden sein. Darüber hinaus ist die zweite leitende Gateleitung 235 mit dem Steuerelement 240 verbunden. Der vorliegenden Leistungstransistor wird auch als ein „Split-Gate-Leistungstransistor“ oder als „Split-Gate-Leistungs-MOSFET“ bezeichnet, da die Gateelektroden zwischen verschiedenen Transistorvorrichtungen gespalten sind. Im Allgemeinen bezieht sich ein „Split-Gate-Leistungs-MOSFET“ auf einen Leistungs-MOSFET mit gemeinsamer Drain, gemeinsamer Source und Mehrfach-Gates, in welchen jede Gateelektrode einen Bruchteil der Leistungs-MOSFET-Kanalbreite, nämlich W_i, steuert.
Die meisten der diskutierten Transistoren innerhalb dieser Anmeldung sind NMOS-Vorrichtungen, d.h. Transistoren mit n-dotierten Source/Drain-Bereichen und p-dotierten Bodybereichen. In diesen Vorrichtungen fließt ein Strom von dem Drainbereich zu dem Sourcebereich. Wie klar zu verstehen ist, können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen die Transistoren durch PMOS-Vorrichtungen ausgeführt sein, in welchen der Strom von dem Sourcebereich zu dem Drainbereich fließt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in verschiedenen Arten ausgeführt sein. Beispielsweise können das Steuerelement 240 und die Transistoranordnung in einem einzigen Halbleitersubstrat 100 gebildet sein, wie dies auch in 1 veranschaulicht ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 in einer Vorrichtung ausgeführt sein, die von der Transistoranordnung getrennt ist. Beispielsweise kann der Controller des Leistungstransistors, wie beispielsweise ein Hot-Swap-Controller das Steuerelement 240 umfassen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Schaltkomponente eine Komponente eines Systems sein, das weiterhin einen Controller umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Controller das Steuerelement 240 umfassen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Steuerelement 240 als eine getrennte Vorrichtung, beispielsweise ein Adapter, ausgeführt sein, der zwischen einem Controller, wie beispielsweise einem Hot-Swap-Controller, und dem Leistungstransistor angeordnet ist.
3 zeigt ein Beispiel für das Layout bzw. die Gestaltung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Wie dargestellt ist, umfasst die Halbleitervorrichtung eine Vielzahl von ersten und zweiten leitenden Gateleitungen 230, 235, die in einer abwechselnden Weise angeordnet sind. Aufgrund des Vorhandenseins einer Vielzahl der leitenden ersten Gateleitungen 230 und der leitenden zweiten Gateleitungen 235 kann der Widerstand der Gateelektroden weiter reduziert werden. In dem Ausführungsbeispiel von 3 ist die zweite Anzahl von zweiten Trenches 125 größer als die erste Anzahl von ersten Trenches 115. Beispielsweise kann die Anzahl der zweiten Trenches 125 angenähert das Fünffache der Anzahl der ersten Trenches 115 oder mehr sein. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der zweiten Trenches 125 angenähert das Neun-fache der Anzahl der ersten Trenches 115.
Im Folgenden werden spezifische Ausführungen der in den 1 bis 3 veranschaulichten Basishalbleitervorrichtung in Einzelheiten erläutert.
Beispiel 1
Gemäß Beispiel 1 kann das Steuerelement 240 gestaltet sein, um das an die zweite leitende Gateleitung 235 angelegte Potential aufgrund eines Signals zwischen dem Sourceanschluss 252 und dem Drainanschluss 254 oder eines Signales zwischen dem Gateanschluss 250 und dem Drainanschluss 254 zu steuern. Abhängig von diesem Signal werden die zweiten Transistoren 220 ein- oder ausgeschaltet.
Im Allgemeinen kann ein Leistungstransistor als ein Schalter in sogenannten SMPS-(geschaltete Modus-Leistungs- bzw. Power-Versorgung- bzw. Supply)-Topologien. In diesen Schaltungen mit relativ hoher Frequenz bzw. Hochfrequenzschaltungen ist der Schalter in einem Ein-Zustand oder in einem Aus-Zustand. Versuche wurden unternommen, um Schaltverluste zu vermindern. Zu diesem Zweck wird ein Schalten von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand oder umgekehrt in einer raschen Weise vorgenommen. Weiterhin kann ein Leistungstransistor als ein dissipatives bzw. Verbrauchselement verwendet werden. Ein solches dissipatives Element minimiert Leistungsverluste in einem Ein-Zustand und schützt weitere Schaltungselemente oder die Schaltungsplatte bei speziellen Ereignissen. Dies kann nützlich sein, wenn beispielsweise Systemkomponenten während eines Betriebes ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird auch als „Hot-Swap“ (heißer Austausch) bezeichnet. Wenn beispielsweise für Wartungs- oder Reparaturzwecke ein Modul, wie z.B. ein RAID-Antrieb, ausgetauscht wird, können hohe Spitzenströme in die tragenden Kondensatoren an dem Eingangsanschluss des Moduls fließen, nachdem der Antrieb in den Hauptrahmen eingesetzt wurde. In einem derartigen Fall würde der Strom lediglich durch den spezifischen Widerstand der Leitungen der Schaltungsplatte begrenzt werden. Als ein Ergebnis würden Ströme bis zu einigen hundert Amperes möglich werden. Damit könnte der Modul zerstört und das gesamte System einem Risiko ausgesetzt werden. Um ein derartiges Problem zu vermeiden, kann der Strom entsprechend begrenzt werden. Um den Strom zu begrenzen, kann ein Leistungs-MOSFET als ein Strombegrenzer in einem linearen Betrieb verwendet werden.
Aufgrund von Verbesserungen von Leistungstransistoren, beispielsweise Leistungs-MOSFETs wurde, um den Widerstand R_ON zu reduzieren, die Steilheit der I-V-Kennlinien des Leistungstransistors je Chipfläche beträchtlich vergrößert. Aufgrund dieser Steigerung wurde die Fähigkeit, Leistung in einem linearen Betrieb abzuführen bzw. zu verbrauchen, vermindert. In diesem Betriebsbereich ist der Temperaturkoeffizient ∂I_D/∂T, das heißt, die Veränderung des Stromes bei einer Veränderung der Temperatur, positiv. Als ein Ergebnis kann dieser Zustand instabil sein. Beispielsweise wird ein heißerer Fleck innerhalb des Chips mehr Strom leiten, was in einer Temperaturzunahme resultiert. Aufgrund dieser Effekte kann der Chip lokal schmelzen und er kann zerstört werden. Es wird daher versucht, die Bildung von heißen Flecken („Hotspots“) innerhalb einer Halbleitervorrichtung zu begrenzen.
Wie oben anhand der 1A bis 1C erläutert wurde, steuert gemäß einem Ausführungsbeispiel das Steuerelement 240 ein Potential, das an der zweiten leitenden Gateleitung 235 anliegt. Als eine Folge können die zweiten Transistoren 220 abhängig von der angelegten Drain-Source-Spannung ein- und ausgeschaltet werden. Bei einer niedrigen Drain-Source-Spannung sind beide Transistoren 210, 220 eingeschaltet, was in einem reduzierten Einschaltwiderstand resultiert. Weiterhin ist bei einer Drain-Source-Spannung oberhalb einer gewissen Grenze der zweite Transistor 220 ausgeschaltet, was in einer reduzierten Steilheit der Transistorkennlinien resultiert. Im Folgenden wird diese Grenze, bei welcher die zweiten Transistoren 220 eingeschaltet werden, als „Schaltspannung“ bezeichnet. Es mag eine gewisse Hysterese für diesen Schaltprozess geben. Demgemäß können die zweiten Transistoren 220 ausgeschaltet werden, wenn das Potential zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss und dem gemeinsamen Drainanschluss größer ist als eine erste Schaltspannung. Wenn weiterhin das Potential zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss und dem gemeinsamen Drainanschluss kleiner ist als eine zweite Schaltspannung, werden die zweiten Transistoren 220 eingeschaltet, wobei die erste Schaltspannung von der zweiten Schaltspannung verschieden ist. Beispielsweise kann die erste Schaltspannung größer als die zweite Schaltspannung sein. Wie klar zu verstehen ist, können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die erste und die zweite Schaltspannung auch identisch sein. In ähnlicher Weise kann eine Hysterese vorliegen, wenn ein Schalten aufgrund des Potentiales zwischen dem ersten Gateanschluss und dem gemeinsamen Drainanschluss vorgenommen wird.
4 zeigt ein Beispiel eines sicheren Betriebsbereiches bzw. -gebietes eines Leistungstransistors. Das in 4 dargestellte Diagramm veranschaulicht Schwellenwerte oder obere Grenzen des Stromes in Abhängigkeit von der Source-Drain-Spannung bei verschiedenen Impulsdauern. Der Zweck dieses Diagrammes ist es, die Schwelle des Stromes zu bestimmen, um zu verhindern, dass die Vorrichtung beispielsweise aufgrund eines Überhitzens ausfällt. Das in 4 gezeigte Diagramm stellt verschiedene Betriebszustände dar. Beispielsweise nimmt in dem linken Teil bis zu einer Drain-Source-Spannung V_DS von ungefähr 1 V der Strom mit der angelegten Spannung zu. Dieser Teil des Diagrammes bezieht sich auf den Einschaltbetrieb, der einen Zustand wiedergibt, in welchem der Leistungstransistor eingeschaltet ist. Der rechte Teil, der bei einer Spannung V_DS von ungefähr 1 V beginnt, bezieht sich auf den linearen Betrieb, in welchem der Leistungstransistor als ein dissipatives bzw. Verbrauchselement verwendet wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird abhängig von der angelegten Drain-Source-Spannung oder der angelegten Drain-Gate-Spannung lediglich der erste Transistor 210 betrieben, oder es werden der erste und der zweite Transistor 210, 220 betrieben. Das heißt, bei niedrigen Drain-Source-Spannungen werden die ersten und zweiten Transistoren 210, 220 betrieben, während bei einer Spannung über einer vorbestimmten Schaltspannung der zweite Transistor 220 ausgeschaltet ist. Als eine Folge ist bei einer Drain-Source-Spannung über einer Schaltspannung die Steilheit des Transistors reduziert, um die Bildung von heißen Flecken zu verhindern. Eine Abnahme der Transistorsteilheit resultiert in einer gesteigerten Fähigkeit, Leistung zu verbrauchen bzw. abzuführen. Andererseits ist bei niedrigen Drain-Source-Spannungen der Einschaltwiderstand stark reduziert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl an zweiten Trenches 125, in welchen die zweiten Gateelektroden 225 angeordnet sind, ungefähr bzw. angenähert das Fünffache, beispielsweise das Neunfache der Anzahl der ersten Trenches 115, in denen die ersten Gatetrenches 215 vorgesehen sind. Dadurch kann das Verhalten der Vorrichtung in den verschiedenen Spannungsbereichen genauer eingestellt werden.
Demgemäß kann durch Trennen der zwei Betriebszustände abhängig von der Drain-Source-Spannung die Gesamtperformance bzw. das Gesamtverhalten der Leistungsvorrichtung verbessert werden. Beispielsweise sind in dem in 4 gezeigten Diagramm bei einer gegebenen Drain-Source-Spannung V_DS und einer gegebenen Impulsdauer höhere Ströme I_D erlaubt. Folglich kann eine größere Menge an Leistung verbraucht werden.
Aufgrund der speziellen Konfiguration, in welcher der Transistor in einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor getrennt ist, die in einer „kammähnlichen“ Weise angeordnet sind, kann der Herstellungsprozess dieses Transistors einfach gemacht werden. Weiterhin können aufgrund dieser Konfiguration die ersten und zweiten Gateelektroden so verteilt werden, dass eine der ersten Gateelektroden durch zweite Gateelektroden umgeben ist. Dadurch ist die thermische Widerstandsfähigkeit um jede beliebige der Gateelektroden verbessert, und die Bildung von heißen Flecken kann verhindert werden. Insbesondere wirken die Trenches, in denen kein Strom fließt, als Wärmesenken für die Trenches, in denen ein Strom fließt. Die Wärmeabfuhr bzw. Wärmesenke ist wirksamer, je mehr fein strukturiert das Gate ist. Aus diesen Gründen kann bei Verwenden des oben diskutierten spezifischen Layouts bei einer Drain-Source-Spannung oberhalb der Schaltspannung mehr Leistung durch den Leistungstransistor verbraucht bzw. abgeführt werden.
5A zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm der Schaltkomponente 200 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. In 5A umfasst die Schaltkomponente 200 eine integrierte Schaltung mit einem ersten Transistorelement 2100 und einem zweiten Transistorelement 2200. Das erste Transistorelement 2100 umfasst eine Vielzahl von ersten Transistoren, beispielsweise in der Weise, wie dies in den 1A bis 1C und 2 gezeigt ist. Das zweite Transistorelement 2200 umfasst eine Vielzahl von zweiten Transistoren, beispielsweise in der Weise, wie dies in den 1A bis 1C und 2 gezeigt ist. Die Schaltkomponente 200 umfasst weiterhin einen Sourceanschluss 252, einen Drainanschluss 254, einen Gateanschluss 250 und ein Steuerelement 240. Das Steuerelement 240 ist gestaltet, um ein an dem zweiten Transistorelement 2200 anliegendes Potential zu steuern. Das Steuerelement 240 ist mit dem Sourceanschluss 252 und dem Drainanschluss 254 verbunden. In Abhängigkeit von dem zwischen dem Sourceanschluss 252 und dem Drainanschluss 254 gemessenen Potential wird ein Potential an das zweite Transistorelement 2200 gelegt. Das an das erste Transistorelement 2100 angelegte Potential ist angenähert unabhängig von dem Potential zwischen dem Sourceanschluss 252 und dem Drainanschluss 254.
Gemäß der Konfiguration von 5B ist das Steuerelement 240 der Schaltkomponente 200 mit dem Gateanschluss 250 und dem Drainanschluss 254 verbunden. Gemäß dieser Konfiguration ist das Steuerelement 240 gestaltet, um das an das zweite Transistorelement 2200 angelegte Gatepotential aufgrund eines Signals zu steuern, das zwischen dem Gateanschluss 250 und dem Drainanschluss 254 gemessen ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können diese beiden Ausführungen kombiniert werden. Das heißt, die Drain-Source-Spannung und die Drain-Gate-Spannung können beide als ein Eingang bzw. Eingangssignal des Steuerelements 240 verwendet werden.
Die 5C bis 5G veranschaulichen spezifische Ausführungen mittels Ersatzschaltungsdiagrammen des Steuerelements 240. Gemäß einer Ausführung kann das Steuerelement 240 als eine Vorrichtung ausgeführt werden, die mit der Transistoranordnung integriert oder von dieser getrennt ist. Mit anderen Worten, die Ersatzschaltung von 5C, die das Steuerelement 240 darstellt, kann auf dem gleichen Halbleitersubstrat wie die Transistoranordnung ausgeführt werden, um die Schaltkomponente 200 auszuführen. Beispielsweise können Widerstände als leitende Pfade, wie beispielsweise Polysilizium-Schaltungspfade, ausgeführt werden, die einen gewissen spezifischen Widerstand haben, der durch Einstellen einer Dotierungskonzentration justiert werden kann. Weitere Elemente können durch entsprechend dotierte Bereiche ausgeführt werden. Wie klar zu verstehen ist, können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen Komponenten des Steuerelements 240, z.B. Kondensatoren, Widerstände, mit jedem beliebigen Element der ersten und zweiten Transistorelemente 2100, 2200 integriert werden.
Alternativ kann die integrierte Schaltung durch lediglich eine Transistoranordnung ausgeführt werden, die weiterhin ein Steuerelement 240 aufweist, das beispielsweise mit einem Controller oder einer anderen Vorrichtung integriert ist oder sie kann als ein Adapter ausgeführt sein, der zwischen dem Controller und der Transistoranordnung angeordnet ist.
Die integrierte Schaltung 400, die in den 5C bis 5G gezeigt ist, umfasst eine Transistoranordnung, wie diese in den 1A bis 1C und 2 gezeigt ist. Die Schaltkomponente 200 umfasst eine erste leitende Gateleitung 450 in Kontakt mit einer Gateelektrode des ersten Transistorelements 2100 und eine zweite leitende Gateleitung 455 in Kontakt mit einer Gateelektrode des zweiten Transistorelements 2200. Die Schaltkomponente 200 umfasst weiterhin einen lokalen Sourceanschluss 401, einen lokalen Drainanschluss 404, einen ersten Gateanschluss 403 in Kontakt mit der ersten leitenden Gateleitung 450 und einen zweiten Gateanschluss 402 in Kontakt mit der zweiten leitenden Gateleitung 455. Der lokale Sourceanschluss 401 kann mit einem Sourceanschluss 252 der vollständigen Schaltkomponente 200 über das Steuerelement 240 verbunden sein. Der lokale Drainanschluss 404 kann mit dem Drainanschluss 254 der Schaltkomponente 200 über das Steuerelement 240 verbunden sein. Der erste Gateanschluss 403 kann mit der Gateelektrode 250 der vollständigen Schaltkomponente 200 über das Steuerelement 240 verbunden sein. Weiterhin ist das Steuerelement 240 gestaltet, um die Spannung zu steuern, die an dem zweiten Gateanschluss 402 liegt.
In dem Ausführungsbeispiel von 5C kann das Steuerelement 240 einen Transistor 410, Dioden 431, 432 und Widerstände 433, 434, 435 aufweisen. Die Elemente des Steuerelements 240 führen die Funktionalität aus, gemäß welcher das an dem zweiten Gateanschluss 402 anliegende Potential aufgrund eines Signales gesteuert ist, das zwischen dem Drainanschluss 254 und dem Sourceanschluss 252 gemessen ist.
In dem Ausführungsbeispiel von 5C kann der Transistor 410 als ein NMOS-Transistor ausgeführt sein. Das Steuerelement 240 von 5C umfasst einen Inverter, an den ein Signal über einen Spannungsteiler (Widerstände 433, 434) eingegeben ist. Beispielsweise sind die Widerstandswerte der Widerstände derart gewählt, dass auf einer Seite der Transistor 410 bei einer Spannung über einer Schaltspannung zwischen Drain und Source eingeschaltet ist. Beispielsweise können die Widerstandswerte der Widerstände 433, 434, 435 in einem Bereich von ungefähr bzw. angenähert 100 bis 1000 kΩ sein. Dennoch kann die maximale Gate-Source-Spannung des Transistors 410 nicht überschritten sein. Optional können Dioden in Reihe mit dem Widerstand 434 angeordnet sein. Der Widerstandswert des Widerstandes 433 und die Eingangskapazität des Transistors 410 können die Schaltdynamik bestimmen. Beispielsweise kann der Eingangswiderstand des Transistors 410 sehr klein sein, und der spezifische Widerstand des Widerstandes 433 kann groß gewählt werden. Als eine Folge kann ein Leckstrom zwischen Drain und Source reduziert werden.
Wenn V_DS unter eine gewisse Grenze oder die Schaltspannung abgesenkt wird, wird der Transistor 410 in einen Aus-Zustand gesetzt, und die zweiten Gateelektroden des zweiten Transistorelements 2200 werden über den Widerstand 435 und den zweiten Gateanschluss 402 aufgeladen. Beispielsweise kann der Widerstandswert des Widerstandes 435 relativ hoch gewählt werden, so dass ein Steuerelement 340 zusammen mit gewöhnlich verwendeten Hot-Swap-Controllern verwendet werden kann, die einen Strom in einem gewissen Bereich liefern. Beispielsweise kann die Diode 432 rasch die an dem lokalen zweiten Gateanschluss 402 anliegende Spannung entladen. Wenn der Controller eine negative Gatespannung ausgibt, verhindert die Diode 431 das Auftreten von Leckströmen. Gemäß der in 5C gezeigten Konfiguration ist das Steuerelement 240 betreibbar, um die zweiten Transistorelemente 2200 bei niedrigen Werten von V_DS zu schalten, um damit ein niedriges R_DS,ON zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Modifikation, die in 5D gezeigt ist, kann das Steuerelement 240 einen NPN-Bipolartransistor 420 anstelle des NMOS-Transistors 410 umfassen. Die weiteren Elemente von 5D sind ähnlich zu denjenigen, die gemäß 5C verwendet sind. In dem Ausführungsbeispiel von 5D kann die Diode 431 weggelassen werden.
5E zeigt noch ein weiteres Beispiel, in welchem der Transistor 430 als ein p-Kanal-MOSFET ausgeführt werden kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 5E ist der zweite Gateanschluss 402 mit dem Drainbereich des Transistors 430 verbunden. Gemäß einer Modifikation kann ein weiterer hochohmiger Widerstand zwischen der Sourceelektrode und der Gateelektrode des zweiten Transistorelements 2200 angeordnet sein. In diesem Fall kann beispielsweise die Gateelektrode des zweiten Transistorelements 2200 entladen, wenn das erste Transistorelements 2100 eingeschaltet ist oder falls die Drain-Source-Spannung bei einer bereits positiven Gatespannung mit einer Rampe versehen ist.
5F zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das einen PNP-Bipolartransistor 440 aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können Leckströme I_DSS reduziert werden. Weiterhin kann ein Widerstand zwischen dem zweiten Gateanschluss 402 und dem Sourceanschluss 401 vorgesehen sein. Beispielsweise kann dadurch die Gateelektrode des zweiten Transistorelements 2200 an einem Laden gehindert werden, wenn das erste Transistorelement 2100 eingeschaltet ist. Der Widerstand 435 ist optional und kann den Strom des Transistors 440 begrenzen.
In den obigen Beispielen kann durch Einstellen von beispielsweise der Schaltspannung der Transistoren 410, 420, 430, 440 die Schalt-Drain-Source-Spannung bestimmt werden, bei welcher das zweite Transistorelement 2200 ein- oder ausgeschaltet wird.
5G zeigt ein weiteres Beispiel einer Konfiguration des Steuerelements 240. Gemäß dieser Konfiguration kann das Steuerelement 240 zwei Dioden 431, 432, zwei Kondensatoren 447, 446, einen PMOS-Transistor 430 und einen NMOS-Transistor 445 aufweisen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der PMOS-Transistor 430 das Hauptschaltelement. Der Gateanschluss des PMOS-Transistors 430 ist mit dem Mittelknoten eines kapazitiven Spannungsteilers zwischen dem Drain- und Sourceanschluss verbunden. Der kapazitive Spannungsteiler umfasst Kondensatoren 447, 446. Dioden 431, 432 sind parallel zu jeweils den Kondensatoren 447, 446 verbunden, was ein rasches Laden und Entladen der Gate-Source-Kapazität des PMOS-Transistors 430 erlaubt. Der NMOS-Transistor 445, der in der Größe sehr klein kann, erlaubt ein Entladen von Gate des Transistors 2200 ohne den Nachteil von Leckströmen während eines Ein-Zustandes bei niedrigen V_DS-Spannungen.
Wie oben erläutert wurde, umfasst eine Schaltkomponente 200 ein Steuerelement 240 und eine integrierte Schaltung 400. Die integrierte Schaltung 400 umfasst ein erstes Transistorelement 2100 mit ersten Transistoren, deren Gateelektroden in ersten Trenches in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, und ein zweites Transistorelement 2200. Das zweite Transistorelement 2200 ist elektrisch parallel mit dem ersten Transistorelement 2100 verbunden. Das zweite Transistorelement 2200 umfasst zweite Transistoren, deren Gateelektroden in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung 455 in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches, wobei das Steuerelement 240 gestaltet ist, um ein an der zweiten leitenden Gateleitung liegendes Potential zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Hot-Swap-Controller eine Schaltkomponente aufweisen, wie dies oben beschrieben ist.
Beispiel 2
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine integrierte Schaltung oder eine Halbleitervorrichtung, in welcher ein Leistungstransistor mit weiteren Schaltungselementen, beispielsweise Stromsensoren, Temperatursensoren und anderen Bauelementen integriert ist. In einer derartigen Halbleitervorrichtung kann eine Strombegrenzung durch Messen des Stromes in dem Leistungs-MOSFET auf einem Chip bzw. On-Chip mit dem Stromsensor und durch Einstellen der Gate-Source-Spannung V_GS zum Regulieren des Stroms auf I_CL ausgeführt werden.
Beispielsweise kann der Grenzwert des Stromes, nämlich I_CL, in einem Bereich von ungefähr 10 A bis 100 A liegen. Aufgrund dieser Begrenzung kann der Chip vor einer Zerstörung aufgrund eines Selbstüberhitzens während Fehlbedingungen, wie beispielsweise eines Kurzschlusses und einer Überlast, geschützt werden. Selbst mit einer derartigen Strombegrenzung kann der Chip noch während Fehlbedingungen aufheizen, jedoch mit einer geringeren Rate als ohne diese. Sobald einmal eine kritische Maximaltemperatur erreicht ist, kann die Übertemperatur-Schutzschaltung den Transistor ausschalten. Beispielsweise kann eine derartige maximale Temperatur ungefähr 170°C betragen.
Wenn der Leistungstransistor oberhalb des Temperaturkompensationspunktes TCP betrieben wird, wird der Drainstrom I_D durch den und stark homogen über dem Leistungs-MOSFET verteilt. Unterhalb des Punktes TCP ist der Drainstrom inhomogen verteilt. Als eine Folge werden Strom- und Temperaturfäden bzw.-filamentierungen gebildet. Das heißt, bei einer Temperatur oberhalb des Temperaturkompensationspunktes ist der Strom homogen über dem Leistungs-MOSFET-Gebiet verteilt, und die Platzierung des Stromsensors für eine Strommessung ist unkritisch. Während eines Kurzschlussereignisses ist der Drainstrom auf I_CL begrenzt, und die Temperatur in dem Leistungs-MOSFET steigt an. Da dI_D/dT negativ ist, nimmt bei ansteigender Temperatur V_GS zu.
Jedoch ist bei einer Temperatur unterhalb des Temperaturkompensationspunktes eine derartige Begrenzung des Drainstromes schwierig zu erzielen. Insbesondere ist die Stromverteilung in dem Leistungs-MOSFET nicht homogen. Es wurde beobachtet, dass Stromdichtedifferenzen zwischen Mitte und Rand des Leistungs-MOSFET bis zu einem Faktor von 3 vorliegen. Weiterhin entwickelt sich eine Konzentration an Strom und Leistungsdichte und den heißen Fleck. Einerseits resultiert dies in einem rascheren Temperaturanstieg als von dem gemessenen Temperatursensorsignal und von rein thermischen Modellen zu erwarten ist. Andererseits ist das Stromsensorsignal nicht proportional zu I_D. Wenn beispielsweise der Stromsensor an dem Rand der Leistungs-MOSFET-Vorrichtung angebracht ist, ist das tatsächliche Signale I_D merklich höher als das Signal, das aus dem gemessenen Sensorsignal bestimmt ist. Damit nimmt der Leistungsverbrauch bzw. die Leistungsabfuhr während des Impulses zu und die Temperatur steigt rascher an als beabsichtigt. Wenn die Anordnung schwach ist, kann die Strombegrenzung überhaupt nicht arbeiten.
Beispielsweise wird die Strombegrenzung mit mehreren Schritten ausgeführt. Bei höherem V_DS ist I_CL niedriger, was den Leistungsverbrauch bei hohem V_DS begrenzt. Dies ist schematisch in 6A gezeigt. Produktanforderungen können I_CL unter den Temperaturkompensationspunkt bei hohem V_DS für Produkte mit niedrigem Einschaltwiderstand bei vergleichsweise niedrigen Strombegrenzungsanforderungen zwingen. Auch können die in 6A veranschaulichten Kennlinien einer Hysterese unterworfen sein. Insbesondere kann ein Einschalten bei einem Drain-Source-Potential vorgenommen werden, das von dem Drain-Source-Potential eines Ausschaltens verschieden ist.
6B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung. Gemäß dem in 6B dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedes Gate der ersten und zweiten Transistoren 210, 220 durch seinen eigenen Gatetreiber 540, 545 angetrieben bzw. angesteuert. Die Gatetreiber 540, 545 sind durch den Steuerschaltungsblock oder das Steuerelement 240 gesteuert, das das Eingangssignal, das an dem Eingangsanschluss 510 eingegeben ist, das Signal eines I_D-Sensors 530, eines V_DS-Sensors 520 und den Status einer Schutzschaltung 550 bewertet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzielt das Steuerelement 240 eine komplexe Funktionalität einschließlich verschiedenen Funktionen des Steuerns der Halbleitervorrichtung, beispielsweise durch Steuern der Gatetreiber 540, 545. Dies kann aufgrund einer Vielzahl von Signalen bewirkt werden, wie beispielsweise des Signales des I_D-Sensors 530, des V_DS-Sensors 520, der Schutzschaltung 550 und beispielsweise eines Temperatursensors. Beispielsweise kann das Steuerelement 240 als eine Mischsignalschaltung ausgeführt werden, das heißt es kann analoge und digitale Schaltungen auf einem einzigen Halbleiterchip umfassen. Beispielsweise kann das Steuerelement 240 eine Vielzahl von Transistoren, z.B. mehr als 100, aufweisen, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Die in 6B gezeigte Halbleitervorrichtung umfasst außerdem einen Drainanschluss 254, der mit einer Batterie verbunden sein kann, und einen Sourceanschluss 252, der den Ausgangsanschluss bilden kann.
Die ersten und zweiten Transistoren 210, 220 haben den Aufbau, der oben anhand der 1 und 2 erläutert wurde. In diesen Konfigurationen kann die Anzahl der ersten Trenches ungefähr gleich zu der Anzahl der zweiten Trenches sein. Während eines regulären Betriebes sind die ersten und die zweiten Gateelektroden in einer identischen Weise angesteuert, und die ersten und die zweiten Transistoren haben die gleiche Vorrichtungsfläche, Kanallänge und Vorrichtungseigenschaften wie der reguläre Leistungs-MOSFET. Weiterhin sind die ersten und zweiten Transistoren 210, 220 angenähert gleich zueinander. Der Einschaltwiderstand (R_on·A) ist so niedrig für die vorliegende Vorrichtung wie für einen regulären Leistungs-MOSFET. Jedoch sind während Strombegrenzungen die zwei Gateelektroden, insbesondere die zwei leitenden Gateleitungen 230, 235 nicht länger in einer identischen Weise angesteuert. Für eine mittlere Kurzschlussstromdichte j_CL = I_CL/w unterhalb der Stromdichte des Temperaturkompensationspunktes, nämlich j_TCP = I_TCP/w, ist eine der zwei Gateelektroden vollständig ausgeschaltet. Die andere Gateelektrode wird verwendet, um den Strom durch Einstellen seiner V_GS zu regulieren. Aufgrund des Merkmals, dass das Steuerelement ein an der zweiten Gateelektrode liegendes Potential steuert, ist das Steuerelement betreibbar, um die effektive Kanalbreite w zu reduzieren, falls bestimmte V_DS-Stufen überschritten werden. Da die Kanalbreite des vorliegenden Leistungstransistors merklich im Vergleich mit einem regulären Leistungstransistor der gleichen Fläche reduziert ist, sind die Stromdichte in dem Kanal des vorliegenden Leistungstransistors und das zugeordnete V_GS merklich höher. Als eine Konsequenz beeinträchtigen eine Stromfilamentierung und alle zugeordneten Folgen nicht den Split-Gate-Leistungstransistor. Die Steuerschaltung 240 kann I_D durch Steuern des V_GS regulieren. Durch Reduzieren der Kanalbreite kann V_GS über dem Temperaturkompensationspunkt selbst für große MOSFET-Flächen bzw. - Gebiete stehen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Split-Gate-Leistungs-MOSFET wenigstens zwei Bereiche, die ineinander verflochten bzw. zwischenverschachtelt sein können. Jeder derartige Bereich hat einen Gatetreiber 540, 545, die durch die Steuerlogik oder das Steuerelement 240 gesteuert sind. Das Steuerelement 240 stellt die Gate-Source-Spannungen der verschiedenen Bereiche so ein, dass alle Bereiche zu dem R_ON während eines normalen Betriebes beitragen. Während einer Strombegrenzung ist das Steuerelement gestaltet, um den zweiten Transistor abzuschalten, wodurch die aktive Kanalbreite des MOSFET reduziert wird. Als eine Konsequenz arbeiten die aktiven Bereiche des MOSFET oberhalb des Temperaturkompensationspunktes TCP.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann jeder n-te Trench mit einer der leitenden Gateleitungen verbunden sein. In diesem Fall ist die Kanalbreite W₁ des Transistors gegeben durch W₁ = W/n. Eine Schätzung erster Ordnung der Gate-Source-Spannung in einem derartigen Fall ist gegeben durch die folgende Gleichung: $(V_{g s, s p l i t - g a t e} - V_{t h}) = \sqrt{n} \cdot (V_{g s, r e g u l a r} - V_{t h}) \geq (V_{T C P} - V_{t h})$
Damit wird die Gateübersteuerung während einer Strombegrenzung erhöht um einen Faktor von $\sqrt{n},$
wenn irgendein n-tes Gate aktiv ist. Das Quadratwurzelverhalten beruht auf der Nichtlinearität der Transferkennlinien des MOSFET. Der Faktor n muss so gewählt werden, dass die Gateübersteuerung ausreichend ist, um den MOSFET über seinem Temperaturkompensationspunkt zu betreiben.
Die Halbleitervorrichtung hat eine kammähnliche Struktur, was in verbesserten Wärmetransfereigenschaften resultiert, wie dies oben erläutert wurde.
Gemäß einer Ausführung kann die Split-Gate-Leistungsvorrichtung in zwei Vorrichtungen, d.h. die ersten und die zweiten Transistoren 210, 220 durch das Steuerelement 240 getrennt sein, das beide Gates identisch während eines normalen Betriebes ansteuert. In einem Strombegrenzungsmodus kann der Strom des Leistungs-MOSFET gemessen werden. Abhängig von dem Strom kann die Gatespannung V_GS des Leistungs-MOSFET auf einen konstanten Wert reguliert werden, der in einem konstanten Ausgangsstrom resultiert.
Um den Gesamtleistungsverbrauch bzw. die Gesamtleistungsabfuhr zu begrenzen, kann der Strombegrenzungswert über V_ds reduziert werden, wie dies auch in 6A dargestellt ist. Wenn beispielsweise Vds kleiner als eine vorbestimmte Spannung ist, können beide Gateelektroden identisch angesteuert werden. Falls Vds größer als die vorbestimmte Spannung ist, wird der zweite Transistor 220 ausgeschaltet. Weiterhin kann der erste Transistor 210 in einem Strombegrenzungsmodus betrieben werden. Gemäß einem weiteren Beispiel kann eine an die erste Gateelektrode 215 des ersten Transistors 210 angelegte Spannung reduziert sein. Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Schaltkomponente 200 eine Strombegrenzungskomponente ausführen. Beispielsweise kann ein Schaltungsunterbrecher eine derartige Strombegrenzungskomponente umfassen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Konzept der vorliegenden Ausführungsbeispiele wiederholt werden. Beispielsweise kann die Halbleitervorrichtung eine dritte Gateelektrode umfassen, die in einem dritten Trench angeordnet ist und die ersten, zweiten und dritten Trenches können unabhängig voneinander gesteuert werden. Weitere Gateelektroden können vorhanden sein.
7 veranschaulicht ein System 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System 700 umfasst einen Controller 710 und eine integrierte Schaltung 720. Die integrierte Schaltung 720 kann in einer Weise ausgeführt sein, wie dies oben erläutert wurde. Beispielsweise kann die integrierte Schaltung ein erstes Transistorelement mit ersten Transistoren, deren Gateelektroden in ersten Trenches in einer ersten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, und ein zweites Transistorelement umfassen. Das zweite Transistorelement kann elektrisch parallel mit dem ersten Transistorelement verbunden sein. Das zweite Transistorelement kann zweite Transistoren aufweisen, deren Gateelektroden in zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung in Kontakt mit den Gateelektroden in den zweiten Trenches umfassen. Das System umfasst außerdem ein Steuerelement 730, das gestaltet ist, um das an der zweiten leitenden Gateleitung liegende Potential aufgrund eines von dem Controller 710 empfangenen Signals zu steuern. Beispielsweise kann das Steuerelement 730 eine Komponente der integrierten Schaltung 720 sein. Alternativ kann das Steuerelement 730 eine Komponente des Controllers 710 sein. Gemäß einer weiteren Ausführung kann das Steuerelement 730 getrennt von dem Controller 710 und der integrierte Schaltung 720 vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Steuerelement 730 eine Komponente eines Adapters zwischen dem Controller 710 und der integrierten Schaltung 720 sein. Das System kann einen Schaltungsunterbrecher bilden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das System einen Hot-Swap-Controller bilden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das System eine Strom- bzw. Spannungsversorgung oder ein Strom- bzw. Spannungsversorgungssystem bilden. Beispielsweise kann das Strom- bzw. Spannungsversorgungssystem einen Schaltungsunterbrecher aufweisen, wobei der Schaltungsunterbrecher die Schaltkomponente, wie oben erläutert, und einen Controller umfasst. Der Controller kann einen Strom messen, der zwischen den Source- und Drainanschlüssen fließt. Wenn der zwischen den Source- und Drainanschlüssen fließende Strom einen Maximalwert überschreitet, der zuvor durch die Schaltkomponente bestimmt wurde, veranlasst der Controller das Steuerelement den zweiten Transistor auszuschalten. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Strom- bzw. Spannungsversorgungssystem ein erstes und ein zweites Strom- bzw. Spannungsversorgungselement umfassen, wobei wenigstens eines der Strom- bzw. Spannungsversorgungselemente als ein Schaltungsunterbrecher ausgeführt ist, wie dies oben erläutert wurde. Gewöhnlich umfassen Strom- bzw. Spannungsversorgungssysteme oder andere Systeme, die auf einem Redundanzprinzip beruhen, zwei Elemente, beispielsweise Strom- bzw. Spannungsversorgungselemente, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Wenn eines der zwei Elemente ausfällt, wird es außer Betrieb gesetzt, und das andere Element übernimmt dessen Funktionalität. Falls eines der Elemente als ein Schaltungsunterbrecher ausgeführt ist, sind für diesen Prozess die speziellen Eigenschaften des Schaltungsunterbrechers oder der Schaltkomponente, wie diese oben beschrieben sind, für das System vorteilhaft.
Während oben Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind, ist es selbstverständlich, dass weitere Ausführungsbeispiele ausgeführt werden können. Beispielsweise können weitere Ausführungsbeispiele jegliche Unterkombination von in den Patentansprüchen angegebenen oder jegliche Unterkombination von in den obigen Beispielen beschriebenen Elementen umfassen. Demgemäß sollen der Kern und der Bereich der beigefügten Patentansprüche nicht auf die Beschreibung der hier enthaltenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein.

Claims

Schaltkomponente (200) mit einem Steuerelement (240) und einer Halbleitervorrichtung, wobei die Halbleitervorrichtung aufweist: ein erstes Transistorelement (2100) mit ersten Transistoren (210), deren Gateelektroden (215) in ersten Trenches (115) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, ein zweites Transistorelement (2200), das elektrisch parallel zu dem ersten Transistorelement (2100) verbunden ist, wobei das zweite Transistorelement (2200) aufweist: zweite Transistoren (220), deren Gateelektroden (225) in zweiten Trenches (125) in der ersten Hauptoberfläche (110) angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung (235) in Kontakt mit den Gateelektroden (225) in den zweiten Trenches (125), wobei das erste Transistorelement (2100) und das zweite Transistorelement (2200) elektrisch mit einem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und einem gemeinsamen Drainanschluss (254) gekoppelt sind und die Halbleitervorrichtung ferner einen Gateanschluss aufweist, der mit einer ersten leitenden Gateleitung, die mit den Gateelektroden des ersten Transistorelements (2100) verbunden ist, verbunden ist, wobei das Steuerelement (240) ein an die zweite leitende Gateleitung (235) angelegtes Potential aufgrund wenigstens einer Größe aus einem Signal zwischen zwei der Anschlüsse der Halbleitervorrichtung, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung, steuert
Schaltkomponente nach Anspruch 1, bei der das Steuerelement (240) das an die zweite leitende Gateleitung (235) angelegte Potential aufgrund eines Potentials zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) steuert.
Schaltkomponente nach Anspruch 2, bei der das Steuerelement (240) das zweite Transistorelement (2200) ausschaltet, wenn das Potential zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) größer ist als eine erste Schaltspannung, und das zweite Transistorelement (2200) einschaltet, wenn das Potential zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) kleiner ist als eine zweite Schaltspannung.
Schaltkomponente nach Anspruch 1, bei der das Steuerelement (240) das an der zweiten leitenden Gateleitung (235) liegende Potential aufgrund eines Potentials zwischen der ersten Gateelektrode (215) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) steuert.
Schaltkomponente nach Anspruch 4, bei der das Steuerelement (240) das zweite Transistorelement (2200) ausschaltet, wenn das Potential zwischen dem ersten Gateanschluss (250) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) größer ist als eine erste Schaltspannung, und das zweite Transistorelement (2200) einschaltet, wenn das Potential zwischen dem ersten Gateanschluss (250) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) kleiner ist als eine zweite Schaltspannung.
Schaltkomponente nach Anspruch 1, bei der das Steuerelement (240) das an der zweiten leitenden Gateleitung (235) liegende Potential aufgrund eines Potentials zwischen der ersten Gateelektrode (215) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) und weiterhin aufgrund eines Potentials zwischen dem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und dem gemeinsamen Drainanschluss (254) steuert.
Schaltkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Steuerelement (240) und die Halbleitervorrichtung Komponenten einer integrierten Schaltung sind.
Schaltkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Steuerelement eine von einer integrierten Schaltung getrennte Komponente ist.
Schaltkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die ersten und zweiten Trenches (115, 125) in einer abwechselnden Weise angeordnet sind.
Schaltkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die ersten und zweiten Trenches (115, 125) in der Struktur identisch sind.
Schaltkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der Komponenten des Steuerelements (240) in dem Halbleitersubstrat gebildet sind.
Schaltkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend einen Stromsensor, wobei das Steuerelement (240) das an der zweiten leitenden Gateleitung (235) liegende Potential aufgrund eines von dem Stromsensor ausgegebenen Signals einstellt.
Schaltkomponente nach Anspruch 12, bei der das Steuerelement (240) gestaltet ist, um das zweite Transistorelement (2200) auszuschalten, wenn ein durch den Stromsensor gemessener Strom einen Schaltstrom überschreitet.
System mit einem Controller (710) und einer integrierten Schaltung (720), wobei die integrierte Schaltung (720) aufweist: ein erstes Transistorelement (2100) mit ersten Transistoren (210), deren Gateelektroden (215) in ersten Trenches (115) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, ein zweites Transistorelement (2200), das elektrisch parallel zu dem ersten Transistorelement (2100) verbunden ist, wobei das zweite Transistorelement (2200) aufweist: zweite Transistoren (220), deren Gateelektroden in zweiten Trenches (125) in der ersten Hauptoberfläche (110) angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung (235) in Kontakt mit den Gateelektroden (225) in den zweiten Trenches (125), wobei das erste Transistorelement (2100) und das zweite Transistorelement (2200) elektrisch mit einem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und einem gemeinsamen Drainanschluss (254) gekoppelt sind und die Halbleitervorrichtung ferner einen Gateanschluss aufweist, der mit einer ersten leitenden Gateleitung, die mit den Gateelektroden des ersten Transistorelements (2100) verbunden ist, verbunden ist, und ein Steuerelement (240), das ein an der zweiten leitenden Gateleitung (235) liegendes Potential aufgrund eines von dem Controller (710) empfangenen Signals, welches aufgrund wenigstens einer Größe aus einem Signal zwischen zwei der Anschlüsse der Halbleitervorrichtung, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung erzeugt wird, steuert.
System nach Anspruch 14, bei der das Steuerelement (240) eine Komponente der integrierten Schaltung (720) ist.
System nach Anspruch 14, bei der das Steuerelement (240) eine Komponente des Controllers (710) ist.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der der Controller (710) ein Hot-Swap-Controller ist.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der das System einen Schaltungsunterbrecher bzw. Leistungsschalter ausführt.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der das System einen Hot-Swap-Controller ausführt.
Leistungsversorgungssystem mit einem Leistungsversorgungselement, das einen Schaltungsunterbrecher oder Leistungsschalter umfasst, der einen Controller und eine Schaltkomponente aufweist, wobei die Schaltkomponente ein Steuerelement (240) und eine integrierte Schaltung umfasst, wobei die integrierte Schaltung aufweist: ein erstes Transistorelement (2100) mit ersten Transistoren (210), deren Gateelektroden (215) in ersten Trenches (115) in einer ersten Hauptoberfläche (110) eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, und ein zweites Transistorelement (2200), das elektrisch parallel zu dem ersten Transistorelement (2100) verbunden ist, wobei das zweite Transistorelement (2200) aufweist: zweite Transistoren (220), deren Gateelektroden (225) den zweiten Trenches in der ersten Hauptoberfläche (110) angeordnet sind, und eine zweite leitende Gateleitung (235) in Kontakt mit den Gateelektroden (225) in den zweiten Trenches (125), wobei das erste Transistorelement (2100) und das zweite Transistorelement (2200) elektrisch mit einem gemeinsamen Sourceanschluss (252) und einem gemeinsamen Drainanschluss (254) gekoppelt sind und die Halbleitervorrichtung ferner einen Gateanschluss aufweist, der mit einer ersten leitenden Gateleitung, die mit den Gateelektroden des ersten Transistorelements (2100) verbunden ist, verbunden ist, wobei das Steuerelement (240) ein an die zweite leitende Gateleitung (235) angelegtes Potential aufgrund eines durch den Controller zugeführten Signals, welches aufgrund wenigstens einer Größe aus einem Signal zwischen zwei der Anschlüsse der Halbleitervorrichtung, einem über die Halbleitervorrichtung fließenden Strom und einer Temperatur der Halbleitervorrichtung erzeugt wird, steuert.