DE19721655C1 - Thyristor mit Selbstschutz - Google Patents

Thyristor mit Selbstschutz

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit Selbstschutz nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Ein derartiger Thyristor ist z. B. aus der DE 44 02 877 C2 be­ kannt.
Bauelemente, die den Strom durch ihre Charakteristik selbst begrenzen, wie der Bipolartransistor, der Leistungs-MOSFET und der Insulated-Gate-Bipolartransistor (IGBT), können im Überstromfall durch eine äußere Abschaltelektronik vor Zerstö­ rung geschützt werden. Eine solche Abschaltelektronik ist aufwendig und nimmt viel Platz in Anspruch. Sie ist außerdem oft nicht anwendbar, weil der Sättigungsstrom der Bauelemente in vielen Fällen zu hoch ist. Durch integrierten, schnell anspre­ chenden Überstromschutz können die Nachteile vermieden werden. Leistungs- MOSFETs mit integriertem Überstromschutz werden von R. Reinmuth und L. Lo­ renz: Intelligent Low Side Switch Provides Full Protection in High Current Applica­ tions. PCIM, Jan. 1997, S. 41-49 vorgeschlagen. Ein IGBT mit integrierten Schutz­ funktionen ist aus der Veröffentlichung von R. Redl et al. Smart Driver IC Protects High-Speed IGBTs and MOSFET Against Short Circuits. PCIM, Feb. 1997, S. 28- 39 bekannt.
Da Thyristoren normalerweise im Hochleistungsbereich Verwendung finden, sind Schutzmaßnahmen im Kurzschlußfall von großer Bedeutung. Normalerweise wer­ den Thyristoren durch externe passive Sicherungen bei Überlastung abgeschaltet. Diese und andere Methoden sind wegen der externen Beschaltungsweise aufwen­ dig, auch was den Platzbedarf angeht und relativ teuer.
Selbstschutz bedeutet im Folgenden eine in den Thyristor integrierte Schutzfunkti­ on gegen Überstrom und gegen Übertemperatur. Bisher wurden solche Schutz­ maßnahmen gelegentlich schon mit Hybrid-Anordnungen verwirklicht, die allerdings kompliziert und teuer sind. Sie erfordern viel Raum und sind auch wegen der ma­ kroskopischen Verbindungen unvorteilhaft. Thyristoren mit integriertem Überstrom- und Übertemperaturschutz sind bisher nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnell ansprechenden und ein­ fach zu realisierenden Überlast- und Übertemperaturschutz für MOS-gesteuerte Thyristoren zu schaffen.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß bei einem MOS-Thyristor, der durch einen Serien-MOSFET gesteuert wird, zwischen Gate und Source des Serien- MOSFETs ein zusätzlicher MOSFET angeordnet ist, der seinerseits durch die Drain-Sourcespannung des Serien-MOSFETs gesteuert wird und den Serien- MOSFET bei Überschreiten einer bestimmten Spannung abschaltet. Dadurch erhält das Bauelement eine I-U-Kennlinie, bei der der Strom mit steigender Spannung nicht nur einem Sättigungswert zustrebt, sondern ab einer einstellbaren Spannung deutlich abnimmt.
Der Vorteil dieser Strombegrenzung ist der, daß keine externe Schutzschaltung erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch beim Überschreiten der normalen Arbeitstemperatur von 20-80°C die Stromstärke sofort stark absinkt und die im Bauelement dissipierte Energie auf einen unkritischen Wert heruntergeht.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind alle MOS-gesteuerten Thyristoren in Kas­ kodenschaltung und ESTs. Dazu zählen auch Bauelemente auf der Basis von SiC oder III-V-Verbindungen, wie beispielsweise GaAs.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Silizium­ technologie, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 einen durch SIMOX-Technologie herstellbaren MOS-Thyristor
Fig. 2 das zugehörige Prinzipschaltbild
Fig. 3a den Strom durch den MOSFET M1 in Abhängigkeit von der Drain-Source- Spannung UM1 mit der Temperatur als Parameter
Fig. 3b die Strom-Spannungs-Charakteristik bei zwei verschiedenen Vorwiderstän­ den Rg
Fig. 4 einen MOS-Thyristor mit 5 Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps
Fig. 5 eine Ausführungsform mit 4 vertikal übereinanderfolgenden Schichten ab­ wechselnd entgegengesetzten Leitungstyps
Fig. 6 eine mit der SOI-Technologie hergestellte laterale Ausführung und
Fig. 7 eine laterale Ausführungsform ohne dielektrische Isolation.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bauelements ist wie folgt zu verste­ hen:
Bei einem MOS-Thyristor mit einem in Serie mit dem Thyristor liegenden MOSFET M1, der durch ein externes Gate gesteuert wird, ist ein weiterer MOSFET M4 inte­ griert, der zwischen Gate und Source des Serien-MOSFETs liegt und dessen Gate mit dem Drainkontakt des Serien-MOSFET verbunden ist. Der MOSFET M4 wird also durch die Drain-Source-Spannung des Serien-MOSFETs M1 gesteuert.
Steigt nun der Strom durch das Bauelement stark an, so daß die Drain-Source- Spannung von M1 die Schwellenspannung von M4 überschreitet, so schaltet der MOSFET M4 ein. Dadurch wird das Gate von M1, das über einen Vorwiderstand mit der Gatespannungsquelle verbunden ist, entladen, und die Gatespannung von M1 nimmt ab. Damit wird der Strom durch das gesamte Bauelement reduziert. Als Sensorsignal für den Überstrom wird also die Drain-Source-Spannung des Serien- MOSFETs M1 verwendet.
In Fig. 1 ist die Anwendung der Erfindung auf einen kaskoden-geschalteten MOS- Thyristor nach der Anmeldung DE 196 27 122 A1 dargestellt. Gegenüber dem be­ kannten MOS-Thyristor ist der MOSFET M4 hinzugefügt (siehe auch Fig. 2). Die MOSFETs sind n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp. Das Source-Gebiet S4 von M4 ist mit dem äußeren Kathodenschluß KA verbunden, der zu dem Source- Gebiet S1 des Serien-MOSFETs M1 führt. Das Draingebiet D4 von M4 ist mit der Gateelektrode G1 und M1 verbunden. Zwischen dem äußeren Gateanschluß GA und der Gateelektrode G1 bzw. dem Drain von M4 ist ein Vorwiderstand Rg ange­ ordnet. Das Gate von M4 ist über den floatenden Emitterkontakt FE mit dem Drain von M1 verbunden, so daß der MOSFET M4 durch die Drain-Source-Spannung des Serien-MOSFETs M1 gesteuert wird.
Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild des Bauelements nach Fig. 1. Hier sind der in Se­ rie liegende MOSFET M1, der Abschalt-MOSFET M2, der Einschalt-MOSFET M3, sowie der Schutz-MOSFET M4 in ihrer elektrischen Zuordnung dargestellt. Die Funktionsweise der MOSFETs wurde bereits beschrieben. Das Ersatzschaubild in Fig. 2 gilt exakt nur für die in Fig. 1 dargestellte Anordnung. Bei allen späteren Bei­ spielen ist das Schaltbild - allerdings unwesentlich - zu modifizieren. Alle besitzen jedoch einen Serien-MOSFET, dessen Drain-Spannung dem Gate eines MOSFET M4 zugeführt wird, er zwischen Gate und Source des Serien-MOSFET liegt.
Die Spannung am Bauelement setzt sich aus der Thyristorspannung UTh zwischen dem Anodenanschluß AA und der floatenden Kathode FE einerseits und der Span­ nung UM1 an dem Serien-MOSFET M1 zwischen FE und der äußeren Kathode KA andererseits zusammen. Im Durchlaßzustand ist bei normalen Betriebsströmen zum Beispiel UTh = 1,2-1,3 V und UM1 = 0,4-0,6 V. Steigt nun der Durchlaßstrom durch das Bauelement durch einen Störfall oder Kurzschluß auf große Werte an, so steigt auch die Drain-Source-Spannung des Serien-MOSFETs M1 an. Bei einem bestimmten Strom überschreitet UM1 die Schwellenspannung des MOSFETs M4, so daß der MOSFET M4 einschaltet. Damit fließt positive Ladung vom Gate G1 über den MOSFET M4 zur äußeren Kathode KA ab, so daß die Gate-Source-Spannung von M1 abnimmt. Bei konstantem Strom steigt daher die Drain-Source-Spannung von M1 und damit die Gate-Source-Spannung von M4 an. Dadurch nimmt der Wi­ derstand des eingeschalteten MOSFETs M4 weiter ab, und die Gatespannung des Serien-MOSFETs fällt noch schneller ab, so daß der Strom durch den Serien- MOSFET reduziert wird. Damit schützt sich das Bauelement selbst.
Die erfindungsgemäße Struktur bietet aber auch einen Schutz vor zu hohen Tem­ peraturen.
Wegen der Hintereinanderschaltung von Hauptthyristor und MOSFET M1, addieren sich, wie bereits erwähnt, die dazugehörigen Spannungsabfälle im eingeschalteten Zustand zur Anodenspannung:
UA = UTh + UM1.
Der Spannungsabfall (Drain-Source-Spannung) UM1 über M1 steigt bei konstantem Strom mit der Temperatur an, wie man aus Fig. 3a entnehmen kann. Der Span­ nungsabfall UM1 bei 25°C ist beispielsweise bei einem bestimmten Strom IM1 U1 = 0,6 V (Punkt 1 in Fig. 3a). Bei 200°C steigt der Spannungsabfall auf 1,35 V (s. Punkt 2). Das führt zu einem Potentialanstieg an der floatenden Kathode FE und damit auch am Gate G4 von M4. Andererseits nimmt die Schwellenspannung von NMOS-Transistoren mit steigender Temperatur ab. Wenn das Potential FE die Schwellenspannung von M4 überschreitet, schaltet M4 ein. Dadurch wird das Gate G1 von M1 entladen und die Gate-Vorspannung von M1 reduziert. Damit erhöht sich aber der Spannungsabfall UM1 und das Potential am Punkt FE steigt weiter. Das hat einen niedrigen Kanalwiderstand am Gate-MOSFET M4 zur Folge. Daher wird die Gate-Vorspannung des Serien MOSFETs M1 noch weiter reduziert und sein Innenwiderstand stark erhöht. Damit wird der Strom durch das Bauelement reduziert und das Bauelement schützt sich selbst.
Die Spannung Umax, bei der die Stromstärke ihren maximalen Wert erreicht, wird durch Wahl des Vorwiderstands Rg vom Benutzer nach seinen Wünschen einge­ stellt. Ein kleiner Widerstand Rg bedeutet einen großen maximalen Wert des Stroms; ein großer Wert des Widerstandes Rg macht den Maximalwert klein. Dieser Sachverhalt wird durch die Fig. 3b verdeutlicht. Ein Beispiel mit Zahlenwerten soll den Sachverhalt zusätzlich erläutern. Sei bei einer Kanallänge von 5 µm für M4 und einer Breite von 1 mm der Widerstand beispielsweise Rg2 = 900 Ω, so ist das Ma­ ximum der Stromdichte stets niedriger als bei Rg1 = 400 Ω und wird bei Umax,2 < Umax,1 früher erreicht. Die Widerstand Rg kann ein normaler ohmscher Wi­ derstand sein, vorzugsweise wird man aber einen im Widerstand einstellbaren Ka­ nal eines MOSFETs verwenden.
Der MOSFET M4 braucht nicht in jeder Einheitszelle vorhanden zu sein, sondern ist zweckmäßigerweise in einem separaten Flächenbereich des Bauelements an­ geordnet. Da er nur einen kleinen Strom zur Entladung des Gates des Serien- MOSFETs führen muß, ist der Flächenbedarf gering. Ein Vorteil der beispielsweise in Fig. 1 gezeigten Bauelemente ist, daß der MOSFET M4 gleichzeitig mit den MOSFETs M1 und M2 ohne zusätzliche Prozeßschritte herstellbar ist.
In Fig. 4 ist ein weiteres Beispiel eines MOS-kontrollierten Thyristors mit integrier­ tem Überstromschutz dargestellt. Der MOS-Thyristor an sich hat wieder eine Kas­ kodenkonfiguration (s. Patentschrift DE 44 02 877 C2).
Die Thyristorstruktur 1, 3, 4, 5 enthält in der n-Emitterzone 5 einen PMOSFET M1, dessen Sourcegebiet S1 durch einen floatenden Kontakt FK mit der n-Emitterzone 5 des Thyristors und dessen Draingebiet D1 mit der äußeren Kathode KA verbun­ den ist. Der MOSFET M1 liegt daher in Serie mit dem Thyristor. Am Rand der n- Emitterzone 5 befindet sich ein MOSFET M2, dessen Sourcegebiet S2 von der Oberflächenregion der p-Basis-Zone 4 des Thyristors gebildet wird während das Draingebiet D2 mit dem Draingebiet D1 des MOSFETs M1 zusammenfällt. Durch den MOSFET M2 steht somit die p-Basis 4 des Thyristors mit der äußeren Kathode KA in Verbindung.
In diese MOS-Thyristorstruktur ist nun erfindungsgemäß ein MOSFET M4 inte­ griert, und zwar als PMOSFET in der n-Emitterzone 5. Das Source-p+-Gebiet S4 dieses MOSFETs ist mit dem Sourcegebiet S1 des Serien-MOSFETs M1 verbun­ den, das Draingebiet S4 von M4 ist mit dem Gate G1 von M1 verbunden. Der MOSFET M4 liegt also zwischen dem Gate und der Source von M1. Das Gate G4 von M4 ist mit der äußeren Kathode KA verbunden. Die Gate-Source-Spannung des MOSFETs M4 wird somit durch die Drain-Source-Spannung des Serien- MOSFETs M1 geliefert. Außer dem MOSFET M4 ist bei zu großem Durchlaßstrom auch der MOSFET M2 eingeschaltet. Der Selbstschutz des Bauelements funktio­ niert unverändert. Er wurde bereits anhand der Fig. 1 umfassend beschrieben.
Der zum Zünden des Thyristors erforderliche Zünd-MOSFET M3 ist in der Einheits­ zelle, die in Fig. 4 dargestellt ist, nicht enthalten, da ein Zünd-MOSFET infolge der Selbstausbreitung des Zündimpulses mehrere Zellen gemäß Fig. 4 versorgen kann.
Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Struktur, mit integrierter Über­ stromsicherung ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses Bauelement kann mit dem her­ kömmlichen IGBT-Prozess hergestellt werden. Wie im Falle eines konventionellen EST wird ein NMOSFET M1 in Reihe mit dem Hauptthyristor geschaltet. Mit dem Ansteigen des Stroms im Hauptthyristor und NMOSFET M1 wächst der Span­ nungsabfall Drain-Source ebenfalls, wobei das Potential der p-Zone 4 und der n- Zone 7 angehoben wird. Dadurch wird der PMOSFET M2 eingeschaltet und ver­ bindet die Basis mit der Kathode des Bauelements. Der eingeschaltete Zustand des PMOSFET M2 hat zur Folge, daß Löcher von der p-Zone 4 zur Kathode KA wan­ dern und der Strom im Bauelement in die Sättigung geht.
Wenn der Strom durch den NMOSFET M1 weiter ansteigt, wächst auch der Span­ nungsabfall zwischen Drain und Source. Nachdem das Potential des Draingebiets D1 im NMOSFET M1 die Schwellspannung des NMOSFET M4 in Folge der Ver­ bindung des Gates G4 in M4 mit dem Draingebiet D1 in M1 übersteigt, schaltet der NMOSFET M4 ein. Der eingeschaltete Zustand des NMOSFET M4 zieht das Gate­ potential des NMOSFET M1 und M3 herunter. Dadurch wird der Strom durch M1 sehr stark reduziert und damit auch der Strom durch das gesamte Bauelement.
In der Fig. 6 ist eine laterale Struktur des erfindungsgemäßen Bauelements darge­ stellt, zu dessen Herstellung die MOSFETs M1 und M4 in einer isolierten Box und die MOSFETs M2 und M3 in einer zweiten isolierten Box hergestellt werden. Dazu dient einerseits die vergrabene Schicht I und andererseits die Zone 10, welche von der vergrabenen Schicht bis an die Oberfläche reicht und beide Teilgebiete oder Boxen voneinander isoliert. Dadurch ist die Gefahr vermieden, daß der parasitäre Thyristor einrasten kann.
In Fig. 7 ist eine weitere laterale Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Junction Isolation Technologie angewendet wurde. Die Funktionsweise ist ebenso wie im vorhergehenden Beispiel (Fig. 6). Das Prinzip ist bereits anhand der Fig. 1 ausführlich beschrieben worden. Die Isolationsschicht 10 in Fig. 6 ist hier nicht nötig, da der MOSFET M3 auf die andere Seite der Anordnung verlegt wurde.

Claims (4)

1. Thyristor mit Selbstschutz mit einem in Serie mit dem Thyristor liegenden MOSFET (M1) und einem zweiten, selbstgesteuerten MOSFET (M2) zwischen p-Basis des Thyristors und Kathodenanschluß (KA), wobei in einer Halbleiter­ scheibe mehrere Einheitszellen des Thyristors in Parallelschaltung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Source-Drain-Spannung am Serien-MOSFET (M1) als Indikator für Überstrom und Übertemperatur dient,
daß ein weiterer MOSFET (M4) vorgesehen ist, dessen Source(-Gebiet) mit der Source des Serien-MOSFETs (M1), dessen Drain mit dem Gate des Serien- MOSFETs (M1) und dessen Gate mit dem Drain des Serien-MOSFETs (M1) leitend verbunden ist und daß zwischen der Gateelektrode (G1) des Serien- MOSFETs (M1) und dem Gate-Anschluß (GA) ein Widerstand (Rg) vorgesehen ist.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (Rg) größer ist als der On-Widerstand des weiteren MOS- FETs (M4), der zur Strombegrenzung vorgesehen ist.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor in der Halbleiterscheibe vertikal aufgebaut sind.
4. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor in der Halbleiterscheibe lateral aufgebaut ist.
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