DE102014117954B4 - Halbleitervorrichtungen mit Transistorzellen und thermoresistivem Element - Google Patents

Halbleitervorrichtungen mit Transistorzellen und thermoresistivem Element Download PDF

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Abstract

Leistungshalbleiterschaltvorrichtung, umfassend:eine erste Lastelektrode (310), die elektrisch mit einer Sourcezone (110) einer Transistorzelle (TC) gekoppelt ist,einen Gateleiter (330), der elektrisch mit einer Gateelektrode (155) gekoppelt ist, die kapazitiv mit einer Bodyzone (115) der Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, wobei die Source- und Bodyzonen (110, 115) in einem Halbleiterteil (100) gebildet sind, undein thermoresistives Element (400), das thermisch mit dem Halbleiterteil (100) verbunden ist, direkt an die erste Lastelektrode (310) und an den Gateleiter (330) oder die Gateelektrode (155) angrenzt und elektrisch zwischen dem Gateleiter (330) und der ersten Lastelektrode (310) gekoppelt ist, und wobei über einer maximalen Betriebstemperatur (TJMax), die für die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) um wenigstens zwei Größenordnungen innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Kelvin abnimmt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Im Fall eines Kurzschlusses nimmt der Laststrom einer Leistungshalbleiterschaltvorrichtung bis zu einem Sättigungsstrom Isat(Vge) zu und heizt stark die Halbleiterschaltvorrichtung auf. Typischerweise erfasst eine Entsättigungsschaltung eine Kurzschlussbedingung durch Vergleichen eines Spannungsabfalls über der Halbleitervorrichtung mit einer Schwellenspannung. Wenn der Spannungsabfall die Schwellenspannung überschreitet, schaltet die Entsättigungsschaltung das Gatesignal der Halbleiterschaltvorrichtung ab, um deren thermische Zerstörung zu vermeiden.
  • Die Druckschrift US 2010 / 0 254 425 A1 beschreibt ein mit einer Drain eines Transistors thermisch gekoppeltes PCM-Material. Ein Reset-Transistor und ein Widerstandsmessschaltkreis sind mit dem PCM-Material verbunden. Der Reset-Transistor kann das PCM-Material in einen amorphen Zustand versetzen. Die Druckschrift US 2011 / 0 018 054 A1 beschreibt ein ESD-Schutzmodul bestehend aus einer Serienschaltung von Zenerdioden. Das ESD-Schutzmodul verbindet ein Gatekontaktmetall mit einem Sourcekontaktmetall und leitet Überspannungen ab. Die Druckschrift DE 10 2013 004 464 A1 zeigt einen Gate-Überspannungsschutz für HEMTs (high-electron-mobilitytransistor). Die Druckschrift KR 10 1 446 994 B1 bezieht sich auf einen CTS (critical temperature switch), der zusammen mit einem Überwachungs-IC auf der rückseitigen Drainelektrode eines MOSFETs angeordnet sein kann.
  • Es ist wünschenswert, die Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiterschaltvorrichtungen bei Kurzschlüssen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf weitere Ausführungsbeispiele.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungshalbleiterschaltvorrichtung eine erste Lastelektrode, die elektrisch mit einer Sourcezone einer Transistorzelle gekoppelt ist. Ein Gateleiter ist elektrisch mit einer Gateelektrode gekoppelt, die kapazitiv mit einer Bodyzone der Transistorzelle gekoppelt ist. Die Source- und Bodyzonen sind in einem Halbleiterteil gebildet. Ein thermoresistives Element ist thermisch mit dem Halbleiterteil verbunden, grenzt direkt an die erste Lastelektrode und an den Gateleiter oder an die Gateelektrode an und ist elektrisch zwischen dem Gateleiter und der ersten Lastelektrode gekoppelt. Über einer maximalen Betriebstemperatur, die für die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, nimmt ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Grad Kelvin um wenigstens zwei Größenordnungen ab.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst eine Leistungshalbleiterschaltvorrichtung eine erste Lastelektrode, die elektrisch mit einer Sourcezone einer Transistorzelle gekoppelt ist. Ein Gateleiter ist elektrisch mit einer Gateelektrode gekoppelt, die kapazitiv mit einer Bodyzone der Transistorzelle gekoppelt ist. Die Source- und Bodyzonen sind in einem Halbleiterteil gebildet, wobei die Gateelektrode sich von einer ersten Oberfläche in den Halbleiterteil erstreckt. Ein thermoresistives Element ist thermisch mit dem Halbleiterteil verbunden, grenzt direkt an die Sourcezonen und an die Gateelektrode an und ist elektrisch zwischen dem Gateleiter und der ersten Lastelektrode gekoppelt. Über einer maximalen Betriebstemperatur, die für die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, nimmt ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Grad Kelvin um wenigstens zwei Größenordnungen ab.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein elektrisches System eine Leistungshalbleiterschaltvorrichtung. Die Leistungshalbleiterschaltvorrichtung weist eine erste Lastelektrode auf, die elektrisch mit einer Sourcezone einer Transistorzelle gekoppelt ist. Ein Gateleiter ist elektrisch mit einer Gateelektrode gekoppelt, die kapazitiv mit einer Bodyzone der Transistorzelle gekoppelt ist. Die Source- und Bodyzonen sind in einem Halbleiterteil ausgebildet.
  • Ein thermoresistives Element ist thermisch mit dem Halbleiterteil verbunden, grenzt direkt an die erste Lastelektrode und an den Gateleiter an und ist elektrisch zwischen dem Gateleiter und der ersten Lastelektrode gekoppelt. Über einer maximalen Betriebstemperatur, für die die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, nimmt ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Grad Kelvin um wenigstens zwei Größenordnungen ab.
  • Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Zeichnungen sind beigeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu liefern, und sie sind in die Offenbarung einbezogen und bilden einen Teil von dieser.
  • Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibbung zum Erläutern von Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung und beabsichtigte Vorteile werden sofort gewürdigt, da sie unter Hinweis auf die folgende Detailbeschreibung besser verstanden werden.
    • 1A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein thermoresistives Element zwischen einem ersten Lastanschluss und einem Gateanschluss betrifft.
    • 1B ist ein schematisches Diagramm, das eine Widerstand/Temperatur-Kennlinie des thermoresistiven Elementes in der Halbleitervorrichtung von 1A gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 1C ist ein schematisches Diagramm, das die zweite Ableitung der Widerstand/Temperatur-Kennlinie des thermoresistiven Elementes in der Halbleitervorrichtung von 1A gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt.
    • 2A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein thermoresistives Element betrifft, das sandwichartig zwischen einer ersten Lastelektrode und einem Gateleiter über einer ersten Oberfläche eines Halbleiterteiles vorgesehen ist.
    • 2B ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein thermoresistives Element betrifft, das sandwichartig zwischen einer ersten Lastelektrode und einer Gateelektrode vorgesehen ist.
    • 2C ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein thermoresistives Element betrifft, das sandwichartig zwischen einer Gateelektrode und einer Sourcezone vorgesehen ist.
    • 3A ist ein schematisches Ersatzschaltungsdiagramm einer Gateschaltung einer Leistungshalbleiterschaltvorrichtung mit einem thermoresistiven Element gemäß einem Ausführungsbeispiel.
    • 3B ist ein schematisches Diagramm, das eine Gatespannung und einen Gateleckstrom als eine Funktion eines Widerstandes des thermoresistiven Elementes gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, das sich auf einen Gatewiderstand von 10 Ω bezieht.
    • 3C ist ein schematisches Diagramm, das eine Gatespannung und einen Gateleckstrom als eine Funktion eines Widerstandes des thermoresistiven Elementes gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, das auf einen Gatewiderstand von 33 Ω bezogen ist.
    • 4 ist ein schematisches Diagramm eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein thermoresistives Element betrifft, das auf einer Bimetallstruktur beruht.
    • 5 ist ein schematisches Diagramm eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein thermoresistives Element betrifft, das auf Diodenelementen mit negativen Temperaturkoeffizienten beruht.
    • 6A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das thermoresistive Elemente betrifft, die auf metallischen Partikeln beruhen, die in einer dielektrischen Schale in einem hochleitenden Zustand eingeschlossen sind.
    • 6B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 6A in einen niedrigleitenden Zustand.
    • 7A ist eine schematische Schnittdarstellung eines Teiles einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das thermoresistive Elemente betrifft, die auf plastoelastischen metallischen Partikeln in einem hochleitenden Zustand beruhen.
    • 7B ist eine schematische Schnittdarstellung des Halbleitervorrichtungsteiles von 7A in einem niedrigleitenden Zustand.
    • 8A ist ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Übertemperaturerfassung betrifft.
    • 8B ist ein schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein Rücksetzen eines nicht selbst rücksetzbaren thermoresistiven Elementes betrifft.
    • 8C ist ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, das auf ein externes Rücksetzen eines nicht selbst rücksetzbaren thermoresistiven Elementes bezogen ist.
  • 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 ausgestaltet werden kann. Es ist zu verstehen, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die für ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, um zu noch einem weiteren Ausführungsbeispiel zu gelangen. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung derartige Modifikationen und Veränderungen einschließt. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und dienen nur für Veranschaulichungszwecke. Entsprechende Elemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen versehen, falls nicht etwas anderes festgestellt wird.
  • Die Ausdrücke „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und ähnliche Ausdrücke sind offene Ausdrücke, und diese Ausdrücke geben das Vorhandensein der festgestellten Strukturen, Elemente oder Merkmale an, schließen jedoch zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht aus. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel sollen sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, falls sich aus dem Zusammenhang nicht klar etwas anderes ergibt.
  • Der Ausdruck „elektrisch verbunden“ beschreibt eine permanente niederohmige Verbindung zwischen elektrisch verbundenen Elementen, beispielsweise einen direkten Kontakt zwischen den betreffenden Elementen oder eine niederohmige Verbindung über ein Metall und/oder einen hochdotierten Halbleiter. Der Ausdruck „elektrisch gekoppelt“ umfasst, dass ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, die für eine Signalübertragung angepasst sind, zwischen den elektrisch gekoppelten Elementen vorgesehen sein können, beispielsweise Widerstände oder Elemente, die steuerbar sind, um zeitweise eine niederohmige Verbindung in einem ersten Zustand und eine hochohmige Entkopplung in einem zweiten Zustand vorzusehen.
  • Die 1A bis 1C beziehen sich auf eine Halbleitervorrichtung 500, die eine Vielzahl von identischen Feldeffekttransistorzellen TC mit isoliertem Gate umfasst. Die Halbleitervorrichtung 500 kann ein IGFET, beispielsweise ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-FET) in der üblichen Bedeutung einschliesslich FETs mit Metallgates sowie FETs mit Nicht-Metallgates sein oder einen solchen umfassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Halbleitervorrichtung 500 ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) sein.
  • Die Halbleitervorrichtung 500 beruht auf einem Halbleiterteil 100 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium (Si), Siliziumcarbid (SiC), Germanium (Ge), einem Silizium-Germanium-Kristall (SiGe), Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs) oder irgendeinem anderen AIIIBV-Halbleiter. Der Halbleiterteil 100 hat eine erste Oberfläche 101 an einer Vorder- bzw. Frontseite und eine zweite Oberfläche 102 an einer entgegengesetzten Rückseite. Richtungen orthogonal bzw. senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 sind vertikale Richtungen, und Richtungen parallel zu den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 sind horizontale Richtungen.
  • Ein Mindestabstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 hängt von der Spannungssperrfähigkeit ab, für die die Halbleitervorrichtung 500 ausgelegt bzw. spezifiziert ist. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den ersten und zweiten Oberflächen 101, 102 in einem Bereich von 90 µm bis 200 µm für eine Halbleitervorrichtung 500 sein, die für eine Sperrspannung von etwa 1200 V ausgelegt bzw. spezifiziert ist.
  • Halbleitervorrichtungen 500 mit höherer Sperrfähigkeit können eine Halbleiterteil 100 mit einer Dicke von einigen hundert µm umfassen, während Halbleiterteile 100 von Halbleitervorrichtungen 500 mit geringerer Sperrfähigkeit eine Dicke von 35 µm bis 90 µm haben können. In einer Ebene parallel zu der ersten Oberfläche 101 kann der Halbleiterteil 100 eine angenähert rechteckförmige Gestalt mit einer Randlänge in einem Bereich von einigen Millimetern haben oder kann eine kreisförmige Gestalt mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern aufweisen.
  • In dem Halbleiterteil 100 bilden Bodyzonen 115 der Transistorzellen TC erste pn-Übergänge pn1 mit einer Drift- und Rückseitenstruktur 120 und zweite pn-Übergänge pn2 mit Sourcezonen 110 der Transistorzellen TC.
  • Längs der zweiten Oberfläche 102 umfasst die Drift- und Rückseitenstruktur 120 eine stark n-dotierte oder p-dotierte Kontaktschicht 129, die ein Basissubstrat oder eine stark dotierte Schicht sein kann. Längs der zweiten Oberfläche 102 ist eine Dotierstoffkonzentration in der Kontaktschicht 129 ausreichend hoch, um einen ohmschen Kontakt mit einem direkt an die zweite Oberfläche 102 angrenzenden Metall zu bilden. Falls der Halbleiterteil 100 auf Silizium beruht, kann in einer n-leitenden Kontaktschicht 129 die Dotierstoffkonzentration längs der zweiten Oberfläche 102 wenigstens 1E18 cm-3, beispielsweise wenigsten 5E19 cm-3, sein. In einer p-leitenden Kontaktschicht 129 kann die Dotierstoffkonzentration wenigstens 1E16 cm-3, beispielsweise wenigstens 2E17 cm-3, sein.
  • Die Drift- und Rückseitenstruktur 120 umfasst weiterhin eine Driftzone 121, die die ersten pn-Übergänge pn1 mit den Bodyzonen 115 bildet. In der Driftzone 121 kann eine Dotierstoffkonzentration graduell oder in Stufen mit zunehmendem Abstand zu der ersten Oberfläche 101 wenigstens in Teilen ihrer vertikalen Ausdehnung bzw. Erstreckung zunehmen oder abnehmen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 angenähert gleichmäßig in vertikaler Richtung sein. Eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 kann zwischen 5E12 cm-3 und 1E17 cm-3, das heißt in einem Bereich von 1E13 cm-3 bis 5E14 cm-3, sein.
  • Die Drift- und Rückseitenstruktur 120 kann weiterhin dotierte Zonen umfassen, beispielsweise eine Feldstoppschicht 128, die die Driftzone 121 von der Kontaktschicht 129 trennt, wobei eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Feldstoppschicht 128 wenigstens fünfmal so hoch wie eine mittlere Dotierstoffkonzentration in der Driftzone 121 und höchstens ein Fünftel einer maximalen Dotierstoffkonzentration in der Kontaktschicht 129 sein kann.
  • Eine Gatestruktur 150 ist an der Vorderseite gebildet. Die Gatestruktur 150 kann planare Gates, die außerhalb der Kontur bzw. des Umfanges des Halbleiterteiles 100 gebildet sind, oder Trench- bzw. Grabengates, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100 erstrecken, umfassen.
  • Die Gatestruktur 150 umfasst eine leitende Gateelektrode 155, die eine stark dotierte polykristalline Siliziumschicht und/oder eine Metall enthaltende Schicht umfassen oder aus einer solchen bestehen kann. Die Gateelektrode 155 ist vollständig gegenüber dem Halbleiterteil 100 isoliert, wobei ein Gatedielektrikum 151 die Gateelektrode 155 wenigstens von den Bodyzonen 115 trennt. Das Gatedielektrikum 151 koppelt kapazitiv die Gateelektrode 155 mit Kanalteilen der Bodyzonen 115. Das Gatedielektrikum 151 kann weiterhin ein Halbleiteroxid, beispielsweise ein thermisch gewachsenes oder aufgetragenes bzw. abgeschiedenes Siliziumoxid, ein Halbleiternitrid, beispielsweise ein aufgetragenes bzw. abgeschiedenes oder thermisch gewachsenes Siliziumnitrid, ein Halbleiteroxinitrid, beispielsweise ein Silizumoxinitrid, oder eine Kombination hiervon umfassen oder aus solchen bestehen.
  • In den dargestellten Ausführungsbeispielen und für die folgende Beschreibung sind die Transistorzellen TC n-Kanal-IGFET-Zellen mit p-dotierten Bodyzonen 115 und n-dotierten Source- und Driftzonen 110, 121. Ähnliche Überlegungen, wie unten angegeben, gelten auch für Ausführungsbeispiele, die p-Kanal-IGFET-Zellen mit einer komplementären Dotierung umfassen. Die Kontaktschicht 129 kann n-dotiert sein, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein n-FET ist oder einen solchen umfasst, oder sie kann p-dotiert sein, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein n-Kanal-IGBT ist oder einen solchen umfasst.
  • Wenn eine an der Gateelektrode 150 anliegende Spannung eine voreingestellte Schwellenspannung überschreitet, sammeln sich Elektronen in Kanalteilen der Bodyzonen 115 direkt angrenzend an das Gatedielektrikum 151 und bilden Inversionskanäle, die die zweiten pn-Übergänge pn2 aufbauen, die für Elektronen durchlässig bzw. permeabel sind.
  • Die Gateelektrode 155 ist elektrisch mit einem Gateanschluss G der Halbleitervorrichtung 500 verbunden oder gekoppelt.
  • Die Sourcezonen 110 und die Bodyzonen 115 der Transistorzellen TC sind elektrisch mit einem ersten Lastanschluss L1 verbunden, der ein Sourceanschluss, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGFET ist, oder ein Emitteranschluss, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGBT ist, sein kann. Die Kontaktschicht 129 ist elektrisch mit einem zweiten Lastanschluss L2 verbunden, der ein Drainanschluss, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGFET ist, oder ein Kollektoranschluss, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGBT ist, sein kann.
  • Ein thermoresistives Element 400 ist thermisch mit dem Halbleiterteil 100 verbunden und elektrisch mit dem Gateanschluss G und dem ersten Lastanschluss L1, also beiden Anschlüssen, gekoppelt oder verbunden. Ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes 400 nimmt wenigstens um zwei Größenordnungen, drei Größenordnungen oder sogar wenigstens vier Größenordnungen innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Kelvin, beispielsweise höchstens 30 Kelvin oder sogar höchstens 15 Kelvin ab, wobei die kritische Temperaturspanne von einer eingestellten Temperatur TSet beginnt. Die eingestellte Temperatur TSet ist höchstens 50 Kelvin, beispielsweise höchstens 30 Kelvin oder sogar höchstens 15 Kelvin über einer maximalen Betriebstemperatur TJMax, die für die Halbleitervorrichtung 500 spezifiziert ist. Typischerweise definieren Datenblätter von IGFETs und IGBTs eine maximale Junction- bzw. Übergangstemperatur als die maximale Betriebstemperatur TJMax.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die maximale Betriebstemperatur TJMax 175 Grad Celsius. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist die maximale Betriebstemperatur TJMax 200 Grad Celsius. Die kritische Temperaturspanne kann höchstens 30 Kelvin, beispielsweise höchstens 15 Kelvin, sein. Die eingestellte Temperatur TSet kann höchstens 30 Kelvin über der maximalen Betriebstemperatur TJMax sein.
  • Innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches, der für die Halbleitervorrichtung 500 unterhalb der maximalen Betriebstemperatur TJMax spezifiziert ist, ändert sich der elektrische Widerstand des thermoresistiven Elementes 400 beispielsweise um höchstens vier Größenordnungen oder sogar mehr oder um höchstens drei Größenordnungen. Der Betriebstemperaturbereich kann von -40 Grad Celsius oder von 25 Grad Celsius bis TJMax als Beispiel sein.
  • 1B zeigt eine spezifische Kennlinie 401 des spezifischen elektrischen Widerstandes/Temperatur für ein thermoresistives Element 400, das auf Germaniumtellurid GeTe beruht. Gemäß dem dargestellten Beispiel ist die maximale Betriebstemperatur TJMax 175 Grad Celsius, und die eingestellte Temperatur TSet ist angenähert 190 Grad Celsius. Die kritische Temperaturspanne TRlx-TSet ist etwa 40 Kelvin. Zwischen TSet und TRlx nimmt der spezifische Widerstand von einem ersten Wert r1 bei etwa 0,3 Ωm auf einen zweiten Wert r2 bei etwa 6E-06 Ωm ab. Innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches zwischen T0 = 25 Grad Celsius und TJMax nimmt der spezifische elektrische Widerstand um nicht mehr als zwei Größenordnungen ab.
  • Gemäß 1C umfasst die zweite Ableitung 403 einer Widerstand/Temperatur-Kennlinie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zwei lokale Extremwerte, die eine erste Temperatur T1 nahe bei TSet, bei welchem eine Zunahme einer Verminderungsrate des elektrischen Widerstandes einen Maximalwert hat, und eine zweite Temperatur T2 nahe bei TRlx, bei welchem eine Verminderungsrate des elektrischen Widerstandes einen Maximalwert hat, anzeigen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Temperaturdifferenz zwischen T2 und T1 höchstens 30 Kelvin, beispielsweise höchstens 20 Kelvin.
  • Innerhalb des Betriebstemperaturbereiches der Halbleitervorrichtung 500 hat das thermoresistive Element 400 beständig einen hohen Widerstandswert, so dass ein Gatetreiber das an den Gateelektroden 155 anliegende Gatepotential ohne Störung bzw. Interferenz mit dem Potential an dem ersten Lastanschluss L1 ansteuern kann. Wenn der Halbleiterteil 100 der Halbleitervorrichtung 500 sich bis jenseits der spezifizierten maximalen Betriebstemperatur TJMax aufheizt, nimmt der Widerstandswert des thermoresistiven Elementes 400 scharf bzw. deutlich ab und schließt plötzlich bzw. unverzüglich das an dem Gateanschluss G liegende Signal mit dem Potential des ersten Lastanschlusses L1 kurz. Die Transistorzellen TC schalten ab, und die Halbleitervorrichtung 500 kann herabkühlen, bevor sie durch eine Übertemperaturbedingung zerstört wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das thermoresistive Element 400 selbst-rücksetzbar sein und automatisch den hohen Impedanzzustand wieder aufnehmen, wenn der Halbleiterteil 100 unter die eingestellte Temperatur TSet herabkühlt. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das thermoresistive Element 400 nicht selbst-rücksetzbar und nimmt den hohen Impedanzzustand nur wieder auf, nachdem es einer Rücksetztemperatur TRes höher als die gesetzte Temperatur TSet für eine kurze Zeit ausgesetzt war.
  • Gewöhnliche Entsättigungsschaltungen erfassen eine Kurzschlussbedingung durch Vergleichen des Spannungsabfalles über dem Halbleiterteil 100 mit einer Referenz- bzw. Bezugsspannung. Wenn der Spannungsabfall über dem Halbleiterteil 100 die Referenzspannung überschreitet, schaltet die Entsättigungsschaltung das Gatesignal ab. Die Entsättigungsschaltung umfasst typischerweise eine Überspannungsschutzschaltung, die die Gatetreiberschaltung gegenüber Hochspannungen schützt, und eine Ausfallzeit- bzw. Stillstandzeitschaltung, die die Entsättigungsschaltung während eines Einschaltens der Halbleitervorrichtung 500 abschaltet, um eine Fehlinterpretation des Einschaltens als die Entsättigungsbedingung zu vermeiden. Weiterhin verbindet eine zusätzliche Drahtverbindung einen Sensorausgangsanschluss der Halbleitervorrichtung 500 mit einem Sensoreingangsanschluss der Entsättigungsschaltung. Zusätzlich verzögern parasitäre Induktivitäten auf den Verbindungsleitungen signifikant eine Erfassung des Entsättigungszustandes. Stattdessen erfasst das thermoresistive Element 400 sofort den Entsättigungszustand und reagiert auf diesen ohne den Bedarf von Sensoranschlüssen, einer zusätzlichen Sensorverdrahtung und einer komplexen Entsättigungsschaltung.
  • Verglichen mit üblichen NTC-(negativer Temperaturkoeffizient-)Widerständen mit weniger steilen Widerstand/Temperatur-Kennlinien vermeidet das thermoresistive Element 400, dass der Gatetreiber das Gatesignal gegenüber einer langsam abnehmenden Ausgangsimpedanz ansteuert, um dadurch den Gatetreiber und aufgrund des zunehmenden Gatestromes durch den NTC-Widerstand einen Bereich des Halbleiterteiles 100 beide aufzuheizen, mit welchem der NTC-Widerstand in thermischer Verbindung ist. Ein Aufheizen bzw. Erwärmen des NTC-Widerstandes durch den Gatetreiber kann in einer asymmetrischen und zerstörenden Temperaturverteilung in dem Halbleiterteil 100 resultieren.
  • Die 2A bis 2C beziehen sich auf eine Anordnung und thermische Kopplung des thermoresistiven Elementes 400. Das thermoresistive Element 400 kann direkt an den Halbleiterteil 100 angrenzen, so dass das thermoresistive Element 400 und der Halbleiterteil 100 direkt thermisch gekoppelt sind. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen sind das thermoresistive Element 400 und der Halbleiterteil 100 indirekt thermisch durch eine zwischenliegende, thermisch und elektrisch leitende Struktur gekoppelt, die eine Halbleiter- oder eine Metallstruktur sein kann.
  • In 2A ist eine erste Lastelektrode 310 an einer Vorderseite der Halbleitervorrichtung 500 gebildet. Ein Zwischenschichtdielektrikum 200 trennt die erste Lastelektrode 310 von dem Halbleiterteil 100. Erste Kontaktstrukturen 315a erstrecken sich von der ersten Lastelektrode 310 durch das Zwischenschichtdielektrikum 200 in den Halbleiterteil 100 und verbinden elektrisch die erste Lastelektrode 310 mit den Sourcezonen 110 und den Bodyzonen 115 der Transistorzellen TC in einem Transistorzellbereich 610. In einem Randbereich 690 zwischen dem Transistorzellbereich 610 und einer Seitenoberfläche 103 des Halbleiterteiles 100 verbinden zweite Kontakte 315b elektrisch Feldringe 340 mit dotierten Bereichen 140, die längs der ersten Oberfläche 101 gebildet sind.
  • Dritte Kontaktstrukturen 315c können elektrisch einen Gateleiter 330, der in der Ebene der ersten Lastelektrode 310 gebildet ist, mit einer Gateelektrode 155 verbinden, die in einem Teil der Gatestruktur 150 gebildet ist, der sich aus den Transistorzellbereich 610 erstreckt. Der Gateleiter 330 kann ein Gatekissen bzw. -pad für einen Bond- bzw. Verbindungsdraht, einen die erste Lastelektrode 310 umgebenden Gatering und einen sich von einem Randgebiet in ein Transistorzellbereich erstreckenden Gatefinger umfassen.
  • Die erste Lastelektrode 310 kann einen ersten Lastanschluss L1 bilden oder elektrisch mit einem solchen verbunden oder gekoppelt sein, welcher ein Sourceanschluss, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGFET ist, oder ein Emitteranschluss, falls die Halbleitervorrichtung 500 ein IGBT ist, sein kann. Der Gateleiter 330 kann einen Gateanschluss G bilden oder elektrisch mit einem Gateanschluss G verbunden oder gekoppelt sein. Die Feldringe 340 können elektrisch mit der ersten Lastelektrode 310 gekoppelt sein oder können elektrisch mit Netzwerkknoten mit verschiedenen elektrischen Potentialen verbunden sein.
  • Jede Einheit aus der ersten Lastelektrode 310, dem Gateleiter 330 und den Feldringen 340 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen oder ein solches bzw. eine solche enthalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält wenigstens die erste Lastelektrode 310 als Hauptbestandteil Kupfer Cu oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer, beispielsweise AlCu oder AlSiCu.
  • Das thermoresistive Element 400 grenzt direkt an die erste Lastelektrode 310 und den Gateleiter 330 an und kann in einem Spalt gebildet sein, der die erste Lastelektrode 310 und den Gateleiter 330 über dem Zwischenschichtdielektrikum 200 trennt. Das thermoresistive Element 400 kann ein Einzelteilelement oder ein Mehrteilelement einschließlich einer Vielzahl von räumlich getrennten Teilen sein. Mit der Anordnung bzw. Anbringung des thermoresistiven Elementes 400 zwischen einem Gateleiter 330 und einer ersten Lastelektrode 310 kann sich das thermoresistive Element 400 über ein vergleichsweise großes Gebiet erstrecken, so dass Anforderungen hinsichtlich des spezifischen Widerstandes des thermoresistiven Elementes 400 signifikant entspannt sind.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das thermoresistive Element 400 elektrisch mit einer ersten Struktur, an welcher ein Potential der Sourcezonen 110 anliegt, und einer zweiten Struktur, an welcher das Gatepotential anliegt, verbunden, wobei die ersten und zweiten Strukturen in einem kritischen Teil des Transistorzellbereiches 610 gebildet sind, in welchem ein starkes Aufheizen bzw. Erwärmen des Halbleiterteiles 100 erwartet werden kann.
  • In 2B ist das thermoresistive Element 400 sandwichartig zwischen der Gateelektrode 155 und der ersten Lastelektrode 310. Das thermoresistive Element 400 kann ein Mehrteilelement mit mehreren räumlich getrennten Teilen sein, wobei wenigstens einige der Teile in dem Transistorzellbereich 610 so angeordnet sind, dass das thermoresistive Element 400 stark thermisch mit dem Halbleiterteil 100 in dem Transistorzellbereich 610 gekoppelt ist. Für selbst-rücksetzbare thermoresistive Elemente 400 kann die Anordnung der thermoresistiven Elemente 400 zwischen einer Gateelektrode 155 und der ersten Lastelektrode 310 ein selektives Abschalten von Transistorzellen TC in Gebieten erlauben, wo die Temperatur die maximale Betriebstemperatur TJMax überschreitet.
  • 2C bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung 500 mit Gatestrukturen und Feldelektrodenstrukturen 160, die sich von einer ersten Oberfläche 101 in einem Halbleiterteil 100 erstrecken. Das thermoresistive Element 400 ist sandwichartig zwischen einer Sourcezone 110 und einer Gateelektrode 155 in der Gatestruktur 150. Beispielsweise kann das thermoresistive Element 400 einen Teil einer dielektrischen Schicht ersetzen, die die Gateelektrode 155 und das Halbleitermaterial des Halbleiterteiles 100 trennt und ein Gatedielektrikum 151 bildet. Das thermoresistive Element 400 kann in der vertikalen Projektion eines Teiles des Gatedielektrikums 151 zwischen dem betreffenden Teil des Gatedielektrikums 151 und der ersten Oberfläche 101 gebildet sein.
  • Das thermoresistive Element 400 kann ein Mehrteilelement mit einer Vielzahl von räumlich getrennten Teilen sein, die in einer starken thermischen Kopplung mit dem Halbleiterteil 100 innerhalb des Transistorzellbereiches 610 und nahe zu Bereichen des Halbleiterteiles 100 angeordnet sein können, in welchen eine starke dynamische Last wirksam ist und ein signifikanter Anstieg der Temperatur stattfindet. Im Fall einer begrenzten lateralen Ausdehnung des thermoresistiven Elementes 400 ist der Abstand zwischen den thermoresistiven Elementen 400 kleiner als 500 µm, kleiner als 50 µm, kleiner als 20 µm oder sogar kleiner als 5 µm. Für selbst-rücksetzbare thermoresistive Elemente 400 kann die Anordnung der thermoresistiven Elemente 400 zwischen einer Gateelektrode 155 und Sourcezonen 110 ein lokales Abschalten von lediglich solchen Transistorzellen TC erlauben, in welchen die Temperatur die maximale Betriebstemperatur TJMax überschreitet.
  • Die 3A bis 3C beziehen sich auf ein Ersatzschaltungsdiagramm der Gateschaltung 550 der Halbleitervorrichtung 500. Ein Gatetreiber steuert einen Gatestrom IGE. Ein Gateeingangswiderstand RG umfasst einen externen Teil RG,ext, der den Widerstand der Verbindungsleitung zwischen Gatetreiber und der Halbleitervorrichtung 500 umfasst. Ein interner Gatewiderstand RG,int ist innerhalb der Halbleitervorrichtung 500 zwischen dem Gateanschluss G und der Gateelektrode wirksam. Die Gateelektrode stellt die Gate-Emitter-Kapazität CGE dar, über der die effektive Gatespannung VGE abfällt. Das thermoresistive Element 400 ist als ein temperaturabhängiger Widerstand RTCR(T) parallel zu der Gate-Emitter-Kapazität CGE wirksam.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der interne Gatewiderstand RG,int einen polykristallinen Siliziumwiderstand, der zwischen dem Gateleiter und der Gateelektrode gebildet ist. Der Widerstandswert von RG,int wird so bestimmt, dass eine Zeitkonstante t=1/(RG * CGE) einen vorbestimmten Wert hat. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Widerstandswert von RG,int in einem Bereich von 1 Ω bis 10 Ω.
  • In 3B zeigt eine Linie 561 die effektive Gatespannung VGE,on, und eine Linie 562 zeigt den Gateleckstrom IGE,on für den Nennbetriebsbereich unterhalb TJMax. Eine Linie 571 zeigt die effektive Gatespannung VGE,off, und eine Linie 572 zeigt den entsprechenden Gateleckstrom IGE,off für ein sicheres Abschalten über TJMax für einen Gatewiderstand RG von 10 Ω als eine Funktion des Widerstandswertes RTCR(T) des thermoresistiven Elementes bei einer abnehmenden Rate des Widerstandswertes des thermoresistiven Elementes 400 von zwei Größenordnungen innerhalb der kritischen Temperaturspanne. Das markierte Gebiet 581 veranschaulicht den nutzbaren Widerstandsbereich des thermoresistiven Elementes 400, in welchem VGE,on oberhalb 14,5 V ist und VGE,off für den sicheren Aus-Zustand unterhalb 6 V ist. In dem markierten Gebiet 581 steigt IGE,off signifikant auf jenseits 1 A an und IGE,on zu etwa 50 mA. Die erhöhten Gateleckströme können verwendet werden, um eine Übertemperaturbedingung zu erfassen, wie dies in 8A veranschaulicht ist.
  • Die in dem thermoresistiven Element 400 in dem sicheren Aus-Zustand verbrauchte thermische Energie kann etwa 2 %, 0,5 % oder sogar weniger der elektrischen Leistung bzw. Power sein, die während eines Überganges von dem Ein-Zustand der Halbleitervorrichtung zu dem Aus-Zustand verbraucht wird.
  • 3C zeigt die gleichen Linien 561, 562, 571, 572 und das entsprechende markierte Gebiet 581 für einen Gatewiderstand von 33 Ω.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die thermoresistiven Elemente 400 in den vorangehenden Figuren PCMs (Phasenänderungsmaterialien) mit einem amorphen Zustand hoher Impedanz und einer niedrig geordneten Impedanz, beispielsweise einem kristallinen Zustand. Die PCMs können selbst-rücksetzbar sein und den Zustand niedriger Impedanz annehmen, indem sie unter die voreingestellte Temperatur TSet abkühlen, wobei ein an die Gateelektrode angelegter Rücksetzimpuls den Erholungsprozess des PCM steigern kann. Beispielsweise können die thermoresistiven Elemente 400 auf einem Nickel-Eisen-Sauerstoff-(Ni-Fe-O-)Pulver mit einer reversiblen Änderung des spezifischen Widerstandes um etwa zwei Größenordnungen bei 250 Grad Celsius beruhen. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen umfasst das thermoresistive Element 400 wenigstens einen Stoff aus Ti2(1-x)V2xO3, LaxEu1-xCoO3, GdCoO3, GdCoO3, SmCoO3, NdCoO3, PrCoO3 mit 0 ≤ x ≤ 1.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel sind die thermoresistiven Elemente 400 in den vorangehenden Figuren nicht selbst-rücksetzbar und können den Zustand geringer Impedanz nur bei einer Rücksetztemperatur oberhalb der eingestellten Temperatur TSet wieder aufnehmen. Beispielsweise kann das thermoresistive Element 400 auf einem Tellurid oder einem Chalcogenid PCM beruhen. Das thermoresistive Element 400 kann auf Germaniumtellurid beruhen, dessen Eigenschaften nur zu einem geringen Grad eine Funktion einer Abscheidungsdicke sind.
  • Jenseits TSet kann der Widerstandswert des thermoresistiven Elementes 400 angenähert konstant bleiben oder kann geringfügig zunehmen, so dass ein Gatetreiber, der elektrisch mit dem Gateanschluss G der Halbleitervorrichtung 500 gekoppelt ist, gestaltet werden kann, um einen Rücksetzimpuls mit einem ausreichenden Impulsstrom und Impulsdauer zum Aufheizen des thermoresistiven Elementes 400 über die Rücksetztemperatur TRes hinaus zu erwärmen bzw. aufzuheizen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Halbleitervorrichtung 500 einen oder mehrere Service- bzw. Bedienungsanschlüsse aufweisen, die elektrisch mit dem thermoresistiven Element 400 verbunden sind, um durch Anlegen einer geeigneten Spannung über dem thermoresistiven Element 400 eine Aktivierung der Halbleitervorrichtung 500 vor einem Versand und einem Rücksetzen der Halbleitervorrichtung 500 nach einer thermischen Stilllegung zu erlauben, während gleichzeitig die Halbleitervorrichtung 500 zusammen mit herkömmlichen Gatetreibern betrieben werden kann.
  • Die folgenden Figuren beziehen sich auf weitere Ausführungsbeispiele des thermoresistiven Elementes 400.
  • In 4 umfasst das thermoresistive Element 400 eine bimetallische Vorrichtung 410, die wenigstens zwei Teile von verschiedenen Metallen aufweist, die sich mit verschiedenen Raten mit zunehmender Temperatur ausdehnen. Die zwei Teile von verschiedenen Metallen sind miteinander längs einer Zwischenfläche zwischen ihnen verbunden. Ein erster Endteil des Bimetalles ist entweder mit der ersten Lastelektrode 310 oder dem Gateleiter 330 festgelegt. Ein zweiter Endteil ist frei zu bewegen. Bei einer Temperatur unterhalb der eingestellten Temperatur TSet ist die erste Lastelektrode 310 oder der Gateleiter 330 von der bimetallischen Vorrichtung 410 getrennt. Mit steigender bzw. zunehmender Temperatur biegt sich die bimetallische Vorrichtung 410 in Richtung des Teiles mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, und bei der eingestellten Temperatur TSet ist die bimetallische Vorrichtung 410 in Berührung mit dem Gateleiter 330 und der ersten Lastelektrode 310, also mit beiden. Eine Widerstandsstruktur 411 kann in Reihe mit der bimetallischen Vorrichtung 410 angeordnet sein.
  • 5 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel mit einer oder mehreren in Reihe verbundenen NTC-Dioden 420 mit negativem Temperaturkoeffizienten, beispielsweise geeignet dotierten Zener-Dioden oder Tunnel-Dioden, die elektrisch zwischen der ersten Lastelektrode 310 und dem Gateleiter 330 verbunden sind. Die NTC-Dioden 420 können in Trenches bzw. Gräben realisiert werden, die sich von der ersten Oberfläche 101 in den Halbleiterteil 100 erstrecken, beispielsweise in Trenches bzw. Gräben, die in der Abmessung gleich oder ähnlich sind zu den Gatestrukturen 150. Der negative Temperaturkoeffizient kann durch eine geeignete Dotierung der NTC-Dioden abgestimmt sein.
  • Ein Parallelwiderstand 421 kann elektrisch parallel mit der NTC-Diode bzw. den NTC-Dioden 420 angeordnet sein.
  • In 6A und 6B ist das thermoresistive Element 400 wenigstens teilweise zwischen die erste Lastelektrode 310 und den Gateleiter 330 eingepasst und umfasst metallische Partikel 431, beispielsweise metallische Kugeln die in Schalen 432 eines dielektrischen Materials mit einer Schmelztemperatur bei oder nahe bei der eingestellten Temperatur TSet eingeschlossen sind. Beispielsweise ist das Metall Silber (Ag) oder Kupfer (Cu), und das dielektrische Schalenmaterial ist ein Polymer, wie Polycarbonat, Polyimid, Polysulfon oder hochpolymerisiertes Polyvinylacetat.
  • Bei einer Temperatur unterhalb der eingestellten Temperatur TSet trennen die dielektrischen Schalen elektrisch die metallen Partikel 431 voneinander, von der ersten Lastelektrode 310 und von dem Gateleiter 330, die an das thermoresistive Element 400 auf entgegengesetzten Seiten angrenzen, wie dies in 6A gezeigt ist.
  • Bei der eingestellten Temperatur TSet beginnen die dielektrischen Schalen 432 zu schmelzen, und benachbarte metallische Partikel 431 kommen in Kontakt miteinander, wie dies in 6B veranschaulicht ist. Der elektrische Widerstand nimmt um etwa zwei Größenordnungen ab. Wenn die Temperatur unterhalb die Schmelztemperatur fällt, erholen sich die dielektrischen Schalen 432 wieder, so dass die Anzahl von Kontakten und das gesamte Kontaktgebiet wieder abnimmt. Der Widerstand nimmt bis zu angenähert dem ursprünglichen Wert zu.
  • Die 7A und 7B beziehen sich auf ein Ausführungsbeispiel, bei dem das thermoresistive Element 400 wenigstens teilweise zwischen der ersten Lastelektrode 310 und dem Gateleiter 330 eingepasst ist. Das thermoresistive Element 400 umfasst metallische Partikel 441, beispielsweise metallische Kugeln.
  • Mit zunehmender Temperatur dehnen sich die metallischen Partikeln 441 aus, und Kontaktgebiete zwischen den metallischen Partikeln 441, zwischen den metallischen Partikeln 441 und der ersten Lastelektrode 310 sowie zwischen den metallischen Partikeln 441 und dem Gateleiter 330 wachsen an, wie dies in 7B dargestellt ist. Die Abmessung der metallischen Partikel 441, beispielsweise ein Durchmesser der metallischen Kugeln, ist so eingestellt, dass das gesamte Oberflächenkontaktgebiet bei der eingestellten Temperatur TSet signifikant anwächst. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die metallischen Partikel 441 elastisch deformierbare Ag- oder Cu-Kugeln.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das thermoresistive Element 400 ein zusammengesetztes System, das auf einer PCM-Matrix und metallischen Kugeln beruht, die mit einem dielektrischen Material beschichtet sein können.
  • Thermoresistive Elemente 400 der 6A bis 7B sowie thermoresistive Elemente, die auf PCMs beruhen, können durch Tintenstrahldrucken einer Dispersion gebildet werden, die die metallischen Kugeln und das PCM-Material sowie eine Flüssigkeit mit einer Siedetemperatur unterhalb der eingestellten Temperatur TSet, wie Cyclohexan und Glykol, umfasst. PCMs können auch durch einen Zerstäubungs- bzw. Sputterprozess aufgetragen bzw. abgeschieden werden.
  • Ein in 8A dargestelltes elektrisches System 901 umfasst eine Gatetreiberschaltung 580 mit einem Ausgangsanschluss, der elektrisch mit einem Gateanschluss G einer Leistungshalbleiterschaltvorrichtung 501 gekoppelt ist, die ein thermoresistives Element 400 umfasst, das elektrisch zwischen einem Emitteranschluss E und dem Gateanschluss G verbunden ist. Eine Übertemperaturerfassungsschaltung 581, die mit der Gatetreiberschaltung 580 integriert sein kann, kann Gateleckströme überwachen und kann ein Signal OT ausgeben, das das Vorliegen eine Übertemperaturzustandes in der Leistungshalbleiterschaltvorrichtung 501 anzeigt, wenn die Gateleckströme eine vorbestimmte Schwelle überschreiten. Das elektrische System 901 kann ein IGBT-Modul, eine Halbbrückenschaltung, eine Vollbrückenschaltung oder ein Schaltmodus-Netzteil als Beispiel sein.
  • In 8B umfasst ein elektrisches System 902 eine Gatetreiberschaltung 580, die geeignet ist, einen Rücksetzimpuls anzusteuern, um ein nicht selbst-rücksetzbares thermoresistives Element 400 in einer Leistungshalbleiterschaltvorrichtung 501 von einem niedrigleitenden Zustand zu einem hochleitenden Zustand rückzusetzen. Beispielsweise kann die Gatetreiberschaltung 580 einen Treiber- bzw. Ansteuerstrom von wenigstens 10 A liefern.
  • 8C zeigt eine Leistungshalbleiterschaltvorrichtung 501, die zwei Service- bzw. Bedienungsanschlüsse S1, S2 aufweist, um einen geeigneten Rücksetzimpuls anzulegen, um ein selbst nicht rücksetzbares thermoresistives Element 400 in der Leistungshalbleiterschaltvorrichtung 510 von einem niedrigleitenden Zustand zu einem hochleitenden Zustand rückzusetzen. Bei der Anwendung können die Serviceanschlüsse S1, S2 elektrisch mit einer steuerbaren Treiberschaltung verbunden oder für Servicepersonal zugänglich sein. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen umfasst die Leistungshalbleiterschaltvorrichtung 501 lediglich einen Serviceanschluss S1, und der Rücksetzimpuls liegt an mittels des Serviceanschlusses S1 und einem der anderen Anschlüsse G, E oder C.

Claims (25)

  1. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung, umfassend: eine erste Lastelektrode (310), die elektrisch mit einer Sourcezone (110) einer Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, einen Gateleiter (330), der elektrisch mit einer Gateelektrode (155) gekoppelt ist, die kapazitiv mit einer Bodyzone (115) der Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, wobei die Source- und Bodyzonen (110, 115) in einem Halbleiterteil (100) gebildet sind, und ein thermoresistives Element (400), das thermisch mit dem Halbleiterteil (100) verbunden ist, direkt an die erste Lastelektrode (310) und an den Gateleiter (330) oder die Gateelektrode (155) angrenzt und elektrisch zwischen dem Gateleiter (330) und der ersten Lastelektrode (310) gekoppelt ist, und wobei über einer maximalen Betriebstemperatur (TJMax), die für die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) um wenigstens zwei Größenordnungen innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Kelvin abnimmt.
  2. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine eingestellte Temperatur (TSet) an einem Beginn der kritischen Temperaturspanne höchstens 50 Kelvin über der maximalen Betriebstemperatur (TJMax) ist.
  3. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches, der für die Halbleitervorrichtung unterhalb der maximalen Betriebstemperatur (TJMax) spezifiziert ist, der elektrische Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) sich um weniger als vier Größenordnungen verändert.
  4. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Temperaturdifferenz zwischen einem Minimum und einem Maximum in der zweiten Ableitung einer Widerstand/Temperatur-Kennlinie des thermoresistiven Elementes (400) kleiner als 50 Kelvin ist.
  5. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die kritische Temperaturspanne höchstens 30 Kelvin ist.
  6. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 5, wobei die erste Lastelektrode (310) elektrisch mit einem ersten Lastanschluss (L1) verbunden und in einem Abstand zu dem Halbleiterteil (100) angeordnet ist, wobei das thermoresistive Element (400) unmittelbar zwischen der ersten Lastelektrode (310) und der Gateelektrode (150) ist.
  7. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Lastelektrode (310) elektrisch mit einem ersten Lastanschluss (L1) und der Gateleiter (330) elektrisch mit einem Gateanschluss (G) verbunden ist, wobei die erste Lastelektrode (310) und der Gateleiter (330) in einem Abstand zu dem Halbleiterteil (100) ausgebildet sind, wobei das thermoresistive Element (400) unmittelbar zwischen der ersten Lastelektrode (310) und dem Gateleiter (330) ist.
  8. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, weiterhin umfassend: ein Zwischenschichtdielektrikum (200), das unittelbar zwischen dem Halbleiterteil (100) und der ersten Lastelektrode (310) ist.
  9. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die erste Lastelektrode (310) aus Kupfer oder einer Kupfer enthaltenden Legierung hergestellt ist.
  10. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das thermoresistive Element (400) ein selbst-rücksetzbares Element ist und der elektrische Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) sich auf einen ursprünglichen Widerstandswert verändert, wenn es unter die eingestellte Temperatur (TSet) abkühlt.
  11. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das thermoresistive Element (400) ein bimetallisches System (410) umfasst, das gestaltet ist, den Gateanschluss (G) und den ersten Lastanschluss (L1) unterhalb der eingestellten Temperatur (TSet) zu trennen und elektrisch den Gateanschluss (G) und den ersten Lastanschluss (L1) über der eingestellten Temperatur (TSet) zu verbinden.
  12. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das thermoresistive Element (400) eine oder mehrere Zener- und/oder Tunnel-Dioden (420) mit negativem Temperaturkoeffizienten aufweist.
  13. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das thermoresistive Element (400) auf einem selbstrücksetzbaren Phasenänderungsmaterial beruht.
  14. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das thermoresistive Element (400) metallische Partikel (431) aufweist, die in Schalen (432) eines dielektrischen Materials mit einer Schmelztemperatur bei der eingestellten Temperatur (TSet) eingeschlossen sind.
  15. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das thermoresistive Element (400) elastisch deformierbare Partikel (441) umfasst.
  16. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 10, bei der das thermoresistive Element (400) ein zusammengesetztes System ist, das ein reversibles Phasenänderungsmaterial und wenigstens ein Material aus elastisch deformierbaren leitenden Partikeln und in Schalen eines dielektrischen Materials eingeschlossenen leitenden Partikeln mit einer Schmelztemperatur bei der eingestellten Temperatur aufweist.
  17. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das thermoresistive Element (400) ein Phasenänderungsmaterial umfasst, das gestaltet ist, um sich von einem niederohmigen Zustand zu einem hochohmigen Zustand durch Erwärmen über eine Rücksetztemperatur (TRes) höher als die eingestellte Temperatur (TSet) zu verändern.
  18. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: wenigstens einen Serviceanschluss (S1), der elektrisch mit dem thermoresistiven Element (400) verbunden ist.
  19. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: einen internen Gatewiderstand (250) zwischen dem Gateanschluss (G) und der Gateelektrode (155).
  20. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der der effektive Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) um wenigstens zwei Größenordnungen innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Kelvin abnimmt.
  21. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der ein Abstand zwischen benachbarten thermoresistiven Elementen (400) kleiner als 500 µm ist.
  22. Leistungshalbleiterschaltvorrichtung, umfassend: eine erste Lastelektrode (310), die elektrisch mit einer Sourcezone (110) einer Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, einen Gateleiter (330), der elektrisch mit einer Gateelektrode (155) gekoppelt ist, die kapazitiv mit einer Bodyzone (115) der Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, wobei die Source- und Bodyzonen (110, 115) in einem Halbleiterteil (100) gebildet sind, und die Gateelektrode (155) sich von einer ersten Oberfläche (101) in den Halbleiterteil (100) erstreckt, und ein thermoresistives Element (400), das thermisch mit dem Halbleiterteil (100) verbunden ist, direkt an die Sourcezonen (110) und an die Gateelektrode (155) angrenzt und elektrisch zwischen dem Gateleiter (330) und der ersten Lastelektrode (310) gekoppelt ist, und wobei über einer maximalen Betriebstemperatur (TJMax), die für die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) um wenigstens zwei Größenordnungen innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Kelvin abnimmt.
  23. Elektrisches System, das eine Leistungshalbleiterschaltvorrichtung aufweist, wobei die Leistungshalbleiterschaltvorrichtung umfasst: eine erste Lastelektrode (310), die elektrisch mit einer Sourcezone (110) einer Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, einen Gateleiter (330), der elektrisch mit einer Gateelektrode (155) gekoppelt ist, die kapazitiv mit einer Bodyzone (115) der Transistorzelle (TC) gekoppelt ist, wobei die Source- und Bodyzonen (110, 115) in einem Halbleiterteil (100) ausgebildet sind, und ein thermoresistives Element (400), das thermisch mit dem Halbleiterteil (100) verbunden ist, direkt an die erste Lastelektrode (310) und an den Gateleiter (330) angrenzt und elektrisch zwischen dem Gateleiter (330) und der ersten Lastelektrode (310) gekoppelt ist, und wobei über einer maximalen Betriebstemperatur (TJMax), die für die Halbleitervorrichtung spezifiziert ist, ein elektrischer Widerstand des thermoresistiven Elementes (400) um wenigstens zwei Größenordnungen innerhalb einer kritischen Temperaturspanne von höchstens 50 Kelvin abnimmt.
  24. Elektrisches System nach Anspruch 23, bei das thermoresistive Element (400) nicht selbst-rücksetzbar ist und das elektrische System außerdem aufweist: eine Gatetreiberschaltung, die elektrisch mit dem Gateanschluss (G) gekoppelt oder verbunden und gestaltet ist, um zu dem Gateanschluss (G) eine erste Gatespannung zum Abschalten der Transistorzelle (TC), eine zweite Gatespannung zum Einschalten der Transistorzelle (TC) und einen Rücksetzstrom zum Rücksetzen des thermoresistiven Elementes (400) zu speisen.
  25. Elektrisches System nach Anspruch 23 oder 24, weiterhin umfassend: eine Übertemperaturerfassungsschaltung (581), die gestaltet ist, um ein Signal (OT) auszugeben, das einen Übertemperaturzustand anzeigt, wenn ein zu dem Gateanschluss (G) gespeister Gatestrom eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
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