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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung, eine Schaltungsanordnung mit mindestens zwei integrierten Halbleiterschaltungen, sowie eine Verwendung der Schaltungsanordnung zur Temperatursensierung.
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In Leistungsendstufen beispielsweise zum Betreiben von elektrischen Motoren dürfen vorgegebene Temperaturen nicht überschritten werden. Die tatsächliche Temperatur des Leistungsbauelements im Feld ist aufgrund von fertigungsbedingten Streuungen und vorher nicht genau bestimmbaren Betriebszuständen unbekannt. Daher ist es bekannt, Pufferbereiche im Aufbau der Leistungsendstufe vorzusehen, um auftretende Temperaturspitzen im Leistungsbauelement zu vermeiden. Nachteilig ist hierbei, dass durch zusätzliche Halbleiterfläche Kosten entstehen und Bauraum verschwendet wird.
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In der Schrift
DE 19904575 C1 werden Dioden beschrieben, die als monolithisch integrierte Temperatursensoren fungieren.
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Die Schrift
DE 10 2011 050 122 A1 beschreibt Leistungshalbleiter, die einen Temperatursensor umfassen und in einem Lenksystem eingesetzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die integrierte Halbleiterschaltung weist ein flächiges Substrat auf. Auf dem flächigen Substrat ist eine Isolationsschicht angeordnet. Auf der Isolationsschicht ist eine Halbleiterschicht angeordnet. Die Halbleiterschicht weist wenigstens drei Abschnitte auf, die aneinander angrenzen. Die direkt aneinanderangrenzenden Abschnitte weisen entgegengesetzte Ladungsträger bzw. Dotierungen auf. Dadurch bilden sich abwechselnd ein p/n-Übergang bzw. ein n/p-Übergang, sodass die drei aneinandergrenzende Abschnitte eine Diode in Durchlassrichtung und eine Diode in Sperrrichtung aufweisen, wenn die Halbleiterschicht elektrisch kontaktiert ist. Eine Kontaktschicht ist bereichsweise auf den Abschnitten angeordnet, die die Diode in Sperrrichtung repräsentieren. Die Kontaktschicht erstreckt sich dabei in lateraler Richtung bereichsweise auf dem zweiten Abschnitt und dem dritten Abschnitt. Die Kontaktschicht schliesst die Diode in Sperrrichtung kurz. Auf der Kontaktschicht ist eine Metallschicht angeordnet. Die Metallschicht bedeckt die Kontaktschicht vollständig und verbindet die Kontaktschicht elektrisch. Die Metallschicht ist lateral wenigstens bereichsweise in einem vertikalen Abstand über den drei aneinandergrenzenden Abschnitten angeordnet.
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Der Vorteil ist hierbei, dass eine Reihenschaltung von Dioden in Durchlassrichtung auf einfache Weise realisiert werden kann und mit dieser Reihenschaltung die Flussspannung und der Temperaturkoeffizient in Abhängigkeit der Anzahl der Dioden einstellbar ist. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass durch die bereichsweise Abdeckung dreier angrenzender Abschnitte mittels der Metallschicht eine geringere Lebensdauerdrift der Dioden erzeugt wird. Zusätzlich schützt die Metallschicht durch die Abdeckung vor Diffusion von Fremdstoffen, beispielsweise Ionen, und vor Lichteinfall.
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In einer Weiterbildung erfolgt die Kontaktierung der Halbleiterschicht mittels einer ersten Kontaktstruktur und einer zweiten Kontaktstruktur, wobei die erste Kontaktstruktur als Kathode und die zweite Kontaktstruktur als Anode ausgestaltet ist.
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In einer Weiterbildung weist ein Quotient aus einer Weite, die sich parallel zu einem Kontaktbereich der Abschnitte erstreckt und einer Länge des Abschnitts, die als Abstand zwischen einem p/n-Übergang und einem nächsten p/n-Übergang bzw. einem n/p-Übergang und einem nächsten n/p-Übergang definiert ist, mindestens einen Wert größer drei auf.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die elektrische Durchschlagsfestigkeit hoch ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung entspricht der vertikale Abstand der Metallschicht der Schichtdicke der Kontaktschicht.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Feldstärke auf der Oberfläche der Halbleiterschicht der integrierten Halbleiterschaltung gering ist.
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In einer Weiterbildung weist die Isolationsschicht Siliziumdioxid auf.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die Halbleiterschaltung monolithisch in verschiedene Halbleiterprozesse integrierbar ist, z. B. PowerMOSFETS, IGBT oder ASICs.
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Die Schaltungsanordnung weist mindestens zwei erfindungsgemäße integrierte Halbleiterschaltungen auf, wobei die mindestens zwei integrierten Halbleiterschaltungen in einem Abstand zueinander in mindestens einer Substraterstreckungsrichtung auf einer Isolationsschicht auf einem flächigen Substrat angeordnet sind, wobei die beiden Halbleiterschaltungen eine gegensätzliche Dotierungsreihenfolge aufweisen.
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Der Vorteil ist hierbei, dass die Schaltungsanordnung eine niedrige Drift aufweist, da die Dioden nicht in den Durchbruch getrieben werden können.
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In einer Weiterbildung sind in der ersten Halbleiterschaltung eine Diode in Durchlassrichtung und eine Diode in Sperrrichtung angeordnet. In der zweiten Halbleiterschaltung ist ebenfalls eine Diode in Durchlassrichtung und eine Diode in Sperrrichtung angeordnet. Die Diode der ersten Halbleiterschaltung, die in Sperrrichtung angeordnet ist, und die Diode der zweiten Halbleiterschaltung, die in Durchlassrichtung angeordnet ist, sind mit einer gemeinsamen Metallschicht elektrisch verbunden. Die Metallschicht ist wenigstens bereichsweise in einem vertikalen Abstand lateral über den jeweils drei aneinanderangrenzenden Abschnitten der Halbleiterschichten der zwei integrierten Halbleiterschaltungen angeordnet.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Antiparallelschaltung der Diodenketten und die Verbindung der in Sperrrichtung gepolten Dioden mit der Metallschicht eine homogene Spannungsverteilung über den einzelnen Dioden erfolgt, da der Spannungsabfall über jeder einzelnen Sperrdiode nie über den Wert der Flussspannung ihrer antiparallel geschalteten Diode steigen kann.
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Die integrierte Halbleiterschaltung oder Schaltungsanordnung wird zur Temperatursensierung verwendet. Die integrierte Halbleiterschaltung ist dabei mit einer Spannungsquelle bzw. Stromquelle verbunden. Beim Überschreiten einer Temperaturschwelle wird ein Signal erzeugt. Die Temperaturschwelle ist dabei in Abhängigkeit einer Flussspannung der integrierten Halbleiterschaltung bzw. der Schaltungsanordnung einstellbar. Der Wert der Flussspannung wird in Abhängigkeit der Anzahl der p/n-Übergänge und der n/p-Übergänge eingestellt.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass die System- und Abgleichkomplexität zur Bestimmung der Temperatur gering ist.
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In einer Weiterbildung wird der Wert der Flussspannung in Abhängigkeit der Dotierungen der n- bzw. p-Gebiete eingestellt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1a eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer Halbleiterschicht, die mindestens drei Abschnitte aufweist, und einer beispielhaften Kontaktierung der Halbleiterschicht,
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1b das Ersatzschaltbild der integrierten Halbleiterschaltung aus 1a,
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1c die integrierte Halbleiterschaltung aus 1a im Schnitt durch die x-z-Ebene,
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1d ein weiteres Ausführungsbeispiel der integrierten Halbleiterschaltung, bei der die Kontaktschicht unterhalb der Halbleiterschicht angeordnet ist,
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2a eine Schaltungsanordnung mit zwei integrierten Halbleiterschaltungen,
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2b das Ersatzschaltbild der Schaltungsanordnung aus 2a,
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3a eine Schaltung zur Temperatursensierung,
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3b das Ersatzschaltbild der Schaltung aus 3a,
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3c eine weitere Schaltung zur Temperatursensierung mit kurvenförmig ausgestalteten dotierten Bereichen und
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3d eine weitere Schaltung zur Temperatursensierung mit kreisförmig ausgestalteten dotierten Bereichen.
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1a zeigt eine integrierte Halbleiterschaltung 1, die mittels zweier Kontaktstrukturen 14 und 15 mit weiteren Bauelementen bzw. Spannungs- oder Stromquellen verbindbar ist. Die integrierte Halbleiterschaltung 1 weist ein flächiges Substrat 2 auf, auf dem eine Isolationsschicht 3 angeordnet ist. Auf der Isolationsschicht 3 ist eine Halbleiterschicht 4 angeordnet, die drei Abschnitte 5, 6 und 7 aufweist, die aneinandergrenzen. Der erste Abschnitt 5 und der dritte Abschnitt 7 weisen eine erste Dotierung auf. Der zweite Abschnitt 6 weist eine zweite Dotierung auf. Die erste Dotierung und die zweite Dotierung weisen entgegengesetzte Ladungsträger auf, d. h. der erste Abschnitt 5 und der dritte Abschnitt 7 sind beispielsweise p-dotiert und der zweite Abschnitt n-dotiert. Der zweite Abschnitt 6 ist zwischen dem ersten Abschnitt 5 und dem dritten Abschnitt 7 angeordnet. Da der erste Abschnitt 5 direkt an den zweiten Abschnitt 6 angrenzt und der zweite Abschnitt 6 direkt an den dritten Abschnitt 7 angrenzt, bilden sich aufgrund der entgegengesetzten Ladungsträger der Abschnitte 5, 6 und 7 Kontaktbereiche an den Abschnittsübergängen bzw. Ladungsträgerübergangen aus, die einen p/n-Übergang 10 bzw. einen n/p-Übergang bilden. Der Bereich, der in 1a mit dem Bezugszeichen 13 gekennzeichnet ist, umfasst somit eine Diode 11 in Durchlassrichtung und eine Diode 12 in Sperrrichtung wie im Ersatzschaltbild in 1b gezeigt. Um eine hohe Durchschlagfestigkeit der Dioden zu erzielen, ist eine Weite des p/n-Übergangs bzw. des n/p-Übergangs, die parallel zum p/n-Übergang bzw. n/p-Übergang definiert ist, zur Länge des Bahngebiets des Abschnitts, der an den Kontaktbereich angrenzt derart ausgelegt, dass der Quotient der Weite zur Länge einen Wert von mindestens drei aufweist. Eine Kontaktschicht 8 ist zumindest bereichsweise oberhalb bzw. auf dem zweiten Abschnitt 6 und dem dritten Abschnitt 7 angeordnet und verbindet diese elektrisch. Die Kontaktschicht 8 stellt somit einen gemeinsamen Kontakt der beiden Abschnitte 6 und 7 dar, d. h. sie überbrückt den Kontaktbereich und schließt somit in diesem Ausführungsbeispiel die Diode 12, die in Sperrrichtung angeordnet ist, kurz. Es wird erfindungsgemäß immer die Diode kurzgeschlossen, die sich in Sperrichtung befindet. Die Kontaktschicht 8 ist hochdotiert entartet bzw. metallisch, sodass sich ein niederohmiger ohmscher Kontakt zum zweiten Abschnitt 6 und zum dritten Abschnitt 7 ausbildet. Eine Metallschicht 9 ist auf der Kontaktschicht 8 angeordnet und bedeckt die Kontaktschicht 8 vollständig. Die Metallschicht 9 kontaktiert die Kontaktschicht 8. Optional sind die Kontaktschicht 8 und die Metallschicht 9 als eine Schicht ausgestaltet. Die Metallschicht 9 ist wenigstens bereichsweise in einem vertikalen Abstand lateral über den drei Abschnitten 5, 6 und 7 angeordnet und schützt somit die bereichsweise bedeckte Halbleiterschicht vor Lichteinfall und Diffusion von Fremdatomen. Die Metallschicht 9 weist beispielsweise hochdotiertes bzw. entartetes n++-Polysilizium oder AlCu auf. Optional kann die Metallschicht 9 aus mehreren Schichten bestehen, insbesondere aus Metallschichten, die als Barriere wirken beispielsweise Ti, TiN oder Wolfram. Die Isolationsschicht 3 umfasst Siliziumdioxid, TEOS oder BSPG. Alternativ umfasst die Isolationsschicht 3 Siliziumnitrid. Das flächige Substrat 2 umfasst Silizium, Poly-Silizium oder andere Halbleitermaterialien. Die Kontaktstruktur 14 ist als Kathode und die Kontaktstruktur 15 als Anode ausgestaltet. Die Abschnitte der Kontaktstrukturen 14 und 15 weisen entgegengesetzte Ladungsträger auf. Die elektrische Kontaktierung erfolgt mit Hilfe einer Kontaktschicht, wobei diese Kontaktschicht auf den jeweiligen Abschnitten und nicht auf den Übergängen angeordnet ist.
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Somit ist die Kathode 17 im Ersatzschaltbild aus 1b direkt mit den Dioden 11 und 12 verbunden. Da zur Bildung der Anode 16 ein weiterer Abschnittsübergang notwendig ist, wird prozessbedingt eine weitere Diode 18 in Durchlassrichtung erzeugt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Kontaktschicht 8 als Kontaktloch ausgestaltet. Die Metallisierung des Kontaktlochs und die Metallschicht 9 können somit als eine Schicht ausgestaltet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Bahnwiderstände und/ oder die Widerstandstemperaturkoeffizienten der drei Abschnitte 5, 6 und 7 durch die geometrische Ausgestaltung im Wesentlichen gleich groß.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Halbleiterschicht 4 mehrere Abschnitte auf, die aneinander angrenzen. Dabei weisen die direkt aneinanderangrenzenden Abschnitte entgegengesetzte Ladungsträger auf. Daraus ergeben sich mehrere p/n-Übergange bzw. n/p-Übergänge. Sind die äußeren Abschnitte der Halbleiterschicht 4 bzw. die Kontakstrukturen mit einer Spannungsquelle bzw. Stromquelle verbunden, ergibt sich eine flächenoptimierte Reihenschaltung von Dioden in Durchlassrichtung bzw. Dioden in Sperrrichtung, d. h. eine Diodenkette. Da die Dioden in Sperrrichtung prozessbedingt auftreten, müssen sie beispielsweise für eine Anwendung zur Temperatursensierung kurzgeschlossen werden. Dies erfolgt mit Hilfe einer Kontaktschicht, die bereichsweise auf den Abschnitten angeordnet ist, die die Diode in Sperrrichtung erzeugen. Dadurch lässt sich eine vorgegebene Flussspannung der integrierten Halbleiterschaltung einstellen, aus der sich eine Temperatur herleiten lässt.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Weite, die sich parallel zum p/n-Übergang bzw. n/p-Übergang erstreckt und die Länge des Bahngebiets, gleich groß. Das bedeutet die Abschnitte der Halbleiterschicht sind quadratisch.
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1c zeigt die integrierte Halbleiterschaltung im Schnitt durch die x-z-Ebene. Der vertikale Abstand der Metallschicht 9 zur Halbleiterschicht 2 entspricht der Schichtdicke der Kontaktschicht 8 bzw. der Tiefe der Kontaktlochätzung.
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1d zeigt ein Ausführungsbeispiel in dem die Kontaktschicht 8 unterhalb der Halbleiterschicht 4 angeordnet ist. Die Kontaktschicht 8 schliesst auch hier die Diode in Sperrrichtung kurz. Die Metallschicht 9 ist unterhalb der Kontaktschicht 8 angeordnet. Sowohl die Metallschicht 9, als auch die Kontaktschicht 8 sind jeweils von einer Isolationsschicht umgeben.
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2a zeigt eine Schaltungsanordnung mit zwei integrierten Halbleiterschaltungen 31 und 32. 2b zeigt das dazugehörige Ersatzschaltbild. Im folgenden Abschnitt wird auf beide 2a und 2b Bezug genommen. Die Schaltungsanordnung 30 ist mit Kontaktstrukturen 41 und 42 versehen, die die Diodenkette kontaktieren. Hierbei ensteht in der ersten Halbleiterschaltung 31 am Anodenkontakt 42 bzw. 46 eine Diode in Durchlassrichtung und in der zweiten Halbleiterschaltung 32 am Kathodenkontakt 41 bzw. 45 eine Diode in Durchlassrichtung. Die Schaltungsanordnung 30 umfasst dabei zwei Halbleiterschichten, die jeweils drei Abschnitte umfassen. Die zwei Halbleiterschichten sind in y-Richtung zueinander beabstandet auf einer Isolationsschicht 33 eines flächigen Substrats 44 angeordnet sind. Die erste Halbleiterschicht weist eine Diode 40 in Durchlassrichtung und eine Diode 39 in Sperrrichtung auf. Die zweite Halbleiterschicht weist eine Diode 37 in Sperrrichtung und eine Diode 38 in Durchlassrichtung auf. In der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht werden jeweils die Dioden 37 und 39 in Sperrichtung mittels einer Kontaktschicht 34 bzw. 35 kurzgeschlossen. Auf den Kontaktschichten 34 und 35 ist eine gemeinsame Metallschicht 36 angeordnet, die die Kontaktschichten 34 und 35 vollständig bedeckt und elektrisch kontaktiert. Diese Metallschicht 36 weist einen vertikalen Abstand zur ersten Halbleiterschicht und zur zweiten Halbleiterschicht auf und ist bereichsweise über den drei Abschnitten der Halbleiterschichten angeordnet. Die Metallschicht 36 dient sowohl zur elektrischen Kontaktierung als auch zur Abschirmung vor Lichteinfall bzw. Diffusion von Fremdatomen. Die Metallschicht 36 ist in 2b als Verbindung 43 dargestellt.
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3a zeigt eine Schaltung zur Temperatursensierung in Form einer Draufsicht auf die x-y-Ebene der Schaltung. Die Draufsicht zeigt ein mögliches Layout der Schaltung. Pro Diodenkette sind jeweils fünf Dioden gezeigt. Eine erste Halbleiterschicht 31.1 ist parallel zu einer zweiten Halbleiterschicht 32.1 auf einer Isolationsschicht 3.1 angeordnet. Die erste Halbleiterschicht 31.1 und die zweite Halbleiterschicht 32.1 weisen abwechselnd p-dotierte Abschnitte 6.1 und n-dotierte Abschnitte 5.1 auf, wobei sich Abschnitte gleicher Ladungsträger gegenüberliegen. Die Dioden der ersten Halbleiterschicht 31.1 in Sperrrichtung und die Dioden der zweiten Halbleiterschicht 32.1 in Sperrrichtung, werden mit Hilfe von Kontaktschichten 8.1 kurzgeschlossen. Eine Metallschicht 9.1 ist jeweils über drei aneinandergrenzenden Abschnitten der ersten Halbleiterschicht 31.1 und der zweiten Halbleiterschicht 32.1 angeordnet, sodass die Metallschicht 9.1 beispielsweise ein Rechteck bildet. Im Bereich der Kontaktierungen mit der Anode bzw. Kathode weist die Metallschicht 9.1 eine andere Form auf.
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3b zeigt das zugehörige Ersatzschaltbild 50. Das Ersatzschaltbild 50 weist eine erste Diodenkette 53 und eine zweite Diodenkette 54 auf, die antiparallel geschaltet sind. Ein Anschluss 51 fungiert als Kathode und ein Anschluss 52 als Anode. Zusätzlich sind die sperrenden Dioden der ersten Diodenkette 53 mit den sperrenden Dioden der zweiten Diodenkette 54, wobei sich die sperrenden Dioden gegenüberliegen, elektrisch verbunden.
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3c zeigt eine weitere Ausgestaltung der Schaltung zur Temperatursensierung mit dem gleichen Ersatzschaltbild aus 3b. Dabei sind die dotierten Halbleiterabschnitte 5.2 und 6.2, die Kontaktschichten 8.2 und die Metallschichten 9.2 wellenförmig über einer Isolationsschicht 3 angeordnet. Optional ist die Geometrie der p/n-Übergänge bzw. der n/p-Übergänge zur Vergrößerung der effektiven p/n-Weite der Diode in Kurven- bzw. Wellenform ausgestaltet.
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3d zeigt eine weitere Ausgestaltung der Schaltung zur Temperatursensierung bei der die Isolationsschicht 3.3, die dotierten Halbleiterabschnitte 5.3 und 6.3, die Kontaktschichten 8.3 und die Metallschichten 9.3 kreisförmig angeordnet sind.
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Die Schaltungen aus den 3a, 3b, 3c und 3d sind aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Flussspannung der Dioden zur Temeratursensierung geeignet. Mit Hilfe dieser Schaltungen kann ein Temperaturkoeffizient der Diodenkette bestimmt werden. Dazu wird der Kathodenanschluss in einem Leistungshalbleiter beispielsweise mit Source, Emitter oder Masse verbunden. Wird in den Anodenanschluss ein Strom eingeprägt, so kann die temperaturabhängige Flussspannung der Dioden, die in Durchlassrichtung gepolt sind, bestimmt werden. Aus der temperaturabhängigen Flussspannung kann die Temperatur des Leistungsbauelements, in das die Schaltung integrierbar ist, bestimmt werden. Die Flussspannung ist abhängig vom Emissionsfaktor, der Thermospannung, dem Flussstrom, dem Sättigungsstrom und dem Serien- bzw. Bahnwiderstand. Um einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen der Flussspannung, dem Sättigungsstrom und der Temperatur herzustellen, müssen die Temperaturabhängigkeit des Emissionsfaktors und des Serienwiderstands reduziert werden. Der Emissionsfaktor wird reduziert, indem die Konzentration der Dotierungen in den Bereichen mit den entgegengesetzten Ladungsträgern derart eingestellt wird, dass die Bereiche mit entgegengesetzten Ladungsträgern im Wesentlichen einen gleichen Widerstand aufweisen. Dadurch wird der Gesamtwiderstand bzw. Bahnwiderstand verringert. Der Gesamtserienwiderstand wird zusätzlich durch das hohe Aspektverhältnis reduziert, da hierdurch die Länge der Bahngebiete, entlang der Stromrichtung, maximal verkürzt werden, während die Weite des p/n-Übergangs erhöht wird. Zusätzlich zu der geometrischen Auslegung der Schaltungsanordnung und den Dotierungen der p- und n-Gebiete dient auch der geteilte Kontakt zur Reduktion des Bahnwiderstands, da die Halbleiterschichten unterhalb des Kontakts niederohmig überbrückt sind. Die Flussspannung wird somit im Wesentlichen linear abhängig von der Temperatur. Durch die Anordnung bzw. Verschaltung der Dioden ist die Sperrspannung jeder einzelnen Diode auf die Flussspannung ihrer antiparallel geschalteten Diode begrenzt. Ein Auslesen der Flussspannung ist in beiden Richtungen möglich. Die Schaltung ist beispielsweise in PowerMOSFETS, IGBTs oder ASICs integrierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19904575 C1 [0003]
- DE 102011050122 A1 [0004]
