DE102006043485B4 - Power semiconductor module and method for operating a power semiconductor module with at least one controllable by field effect semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls, mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen
eines Leistungshalbleitermoduls, das wenigstens ein durch Feldeffekt über einen
Steueranschluss (13, 23) steuerbares Halbleiterbauelement (1, 2)
mit einem Halbleiterkörper
(50) aufweist, wobei der Halbleiterkörper (50) mittels eines Dielektrikums
(5) gegenüber
dem Steueranschluss (13, 23) elektrisch isoliert ist,
– Durchführen einer
Schaltbetriebsphase (61), in der das steuerbare Halbleiterbauelement
(1, 2) abwechselnd zwischen einem leitenden Zustand und einem sperrenden
Zustand umgeschalten wird, wobei das Aufsteuern des Halbleiterbauelements
durch Anlegen einer ersten Spannung (UGS1)
an den Steueranschluss (13, 23) erfolgt,
– Injizieren von Elektronen
in das Dielektrikum (5) während einer
Injektionsbetriebsphase (62), in der dem Steueranschluss (13, 23)
eine zweite Spannung (UGS2) zugeführt wird,
die höher
ist, als die erste Spannung (UGS1), so dass eine
in dem Gate-Dielektrikum durch Strahlung ionisierender Teilchen
erzeugte positive Gesamtladung reduziert oder vollständig abgebaut
wird.Method for operating a power semiconductor module, comprising the following steps:
Providing a power semiconductor module which has at least one semiconductor component (1, 2) with a semiconductor body (50) which can be controlled by field effect via a control terminal (13, 23), the semiconductor body (50) being connected to the control terminal (13) by means of a dielectric (5) , 23) is electrically isolated,
- Performing a switching operation phase (61), in which the controllable semiconductor component (1, 2) is alternately switched between a conductive state and a blocking state, wherein the driving of the semiconductor device by applying a first voltage (U GS1 ) to the control terminal (13, 23),
- injecting electrons into the dielectric (5) during an injection operating phase (62) in which the control terminal (13, 23) is supplied with a second voltage (U GS2 ) which is higher than the first voltage (U GS1 ) that a positive total charge generated in the gate dielectric by radiation of ionizing particles is reduced or completely degraded.
Description
Die Erfindung betrifft Leistungshalbleitermodule mit einem oder mehreren durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen. Solche Halbleiterbauelemente weisen einen Steueranschluss auf, sowie eine anzusteuernde Halbleiterzone, die mittels eines Dielektrikums gegenüber dem Steueranschluss elektrisch isoliert ist. Das Dielektrikum wird üblicherweise auch als Gate-Dielektrikum bezeichnet.The The invention relates to power semiconductor modules having one or more field effect controllable semiconductor devices. Such semiconductor devices have a control connection, as well as a semiconductor zone to be controlled, the by means of a dielectric to the control terminal electrically is isolated. The dielectric is usually also used as a gate dielectric designated.
Infolge eines elektrischen Potenzials des Steueranschlusses bildet sich ein von diesem ausgehendes elektrisches Feld aus, das durch das Gate-Dielektrikum hindurchreicht und die elektrische Leitfähigkeit der anzusteuernden Halbleiterzone beeinflusst. Durch Veränderung des elektrischen Potenzials des Steueranschlusses lässt sich die Leitfähigkeit der anzusteuernden Halbleiterzone gezielt beeinflussen.As a result an electrical potential of the control terminal is formed an outgoing from this electric field, through the gate dielectric passes through and the electrical conductivity of the to be controlled Semiconductor zone influenced. By changing the electrical potential of the control terminal leaves the conductivity selectively influence the semiconductor zone to be triggered.
Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es beim Betrieb derartiger Halbleiterbauelemente zu einer positiven Aufladung des Gate-Dielektrikums des Halbleiterbauelements kommen.Under certain operating conditions, it may be in the operation of such semiconductor devices to a positive charge of the gate dielectric of the semiconductor device come.
Ursache hierfür kann beispielsweise ionisierende Strahlung sein, wie sie in Kernkraftwerken, Krankenhäusern oder im Weltraum verstärkt auftritt. Durch die ionisierende Strahlung werden in dem Dielektrikum Elektron-Loch-Paare erzeugt. Während die Elektronen infolge ihrer verhältnismäßig hohen Beweglichkeit das Gate-Dielektrikum fast instantan verlassen, wird ein signifikanter Anteil der Löcher von Störstellen des Gate-Dielektrikums eingefangen und verbleibt dort, so dass sich das Gate-Dielektrikum positiv auflädt.reason therefor can be, for example, ionizing radiation, as in nuclear power plants, hospitals or reinforced in space occurs. By the ionizing radiation are in the dielectric Electron-hole pairs generated. While the electrons due to their relatively high mobility Leaving gate dielectric almost instantaneously becomes a significant one Proportion of holes of impurities of the gate dielectric captured and remains there, so that the gate dielectric positively charged.
Diese Aufladung bewirkt eine Verschiebung der Einsatzspannung des Halbleiterbauelements. Als Einsatzspannung wird dabei die Spannung verstanden, die an den Steueranschluss anzulegen ist, damit die anzusteuernde Halbleiterzone eine bestimmte Mindestleitfähigkeit aufweist. Die Mindestleitfähigkeit kann beispielsweise durch einen vorgegebenen Drain-Source-Schwellstrom, z. B. 1 mA, in Verbindung mit einer vorgegebenen Drain-Source-Spannung, z. B. 10 V, eingestellt werden.These Charging causes a shift in the threshold voltage of the semiconductor device. As a threshold voltage is understood to mean the voltage at the Control connection is created so that the semiconductor zone to be controlled a certain minimum conductivity having. The minimum conductivity can for example, by a given drain-source threshold current, z. 1 mA, in conjunction with a given drain-source voltage, z. B. 10 V, can be adjusted.
Eine positive Aufladung des Gate-Dielektrikums bewirkt bei n-Kanal Halbleiterbauelementen ein Absinken, bei p-Kanal Halbleiterbauelementen ein Ansteigen der Einsatzspannung. Daher kann es bei n-Kanal Halbleiterbauelementen im Extremfall sogar zu einem unerwünschten Aufsteuern des Halbleiterbauelements kommen.A positive charging of the gate dielectric causes n-channel semiconductor devices Decrease, with p-channel semiconductor devices an increase in the threshold voltage. Therefore, with n-channel semiconductor devices, in extreme cases, even to an undesirable Aufsteuern the semiconductor device come.
Zwar ist es möglich, eine derartige positive Aufladung durch eine Wärmebehandlung des Bauelements rückgängig zu machen, allerdings ist dieses Verfahren wegen der dazu erforderlichen hohen Temperaturen von etwa 500°C nicht praktikabel, da es bei den erforderlichen Temperaturen auch zu einer Änderung von anderen Eigenschaften des Halbleiterbauelements kommen kann.Though Is it possible, such a positive charge by a heat treatment of the device to reverse However, this procedure is because of the required high temperatures of about 500 ° C not practical, as it is at the required temperatures too to a change may come from other properties of the semiconductor device.
Aus C. Picard, C. Brisset, O. Quittard und A. Hoffmann: "Radiation Hardening of Power MOSFETs using Electrical Stress", IEEE Transac. an Nucl. Sc., Vol. 47, No. 3, (2000) pp. 641–646 ist es bekannt, dass die Injektion von Elektronen in das Gate-Oxid eines MOSFETs durch einen Fowler-Nordheim-Tunnelmechanismus die Einsatzspannung des MOSFETs erhöht. In dieser Veröffentlichung wurde zur Strahlungshärtung die Anhebung der Einsatzspannung eines MOSFETs durch eine einmalige Elektroneninjektion in das Gate-Oxid vorgeschlagen. Diese Maßnahme hat den Nachteil, dass sich die Rate der Abnahme der Einsatzspannung mit der Strahlungsdosis nicht wesentlich verringert und sich die Strahlungshärte dadurch nicht grundlegend verbessert.Out C. Picard, C. Brisset, O. Quittard and A. Hoffmann: "Radiation Hardening of Power MOSFETs using Electrical Stress, IEEE Transac., Nucl. Sc., Vol. No. 3, (2000) pp. 641-646 It is known that the injection of electrons into the gate oxide of a MOSFET through a Fowler-Nordheim tunnel mechanism the strike voltage of the MOSFET increases. In this publication became radiation hardening raising the threshold voltage of a MOSFET by a one-off Electron injection into the gate oxide proposed. This measure has the disadvantage that the rate of decrease of the threshold voltage with the radiation dose is not significantly reduced and the radiation hardness not fundamentally improved.
Aus
der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls bereitzustellen, mit dem eine unerwünscht hohe positive Gesamtladung im Gate-Dielektrikum eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements des Leistungshalbleitermoduls reduziert oder abgebaut werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines derartigen Leistungshalbleitermoduls zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The The object of the present invention is a method to provide for the operation of a power semiconductor module, with the one undesirable high overall positive charge in the gate dielectric of a field effect controllable semiconductor device of the power semiconductor module can be reduced or reduced. Another object of the invention consists in the provision of such a power semiconductor module for execution of such a procedure.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß den Patenansprüchen 1 und 23 sowie durch ein Leistungshalbleitermodul gemäß Patentanspruch 25 gelöst.These The object is achieved by methods according to the patent claims 1 and 23 and solved by a power semiconductor module according to claim 25.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Leistungshalbleitermodul bereitgestellt, das wenigstens ein durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement aufweist. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich um ein beliebiges durch Feldeffekt steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere um einen MOSFET oder einen IGBT handeln.According to the invention a first Power semiconductor module provided, the at least one through Field effect controllable semiconductor device has. In the semiconductor device it may be any field effect controllable semiconductor device, in particular to act a MOSFET or an IGBT.
Das steuerbare Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper, sowie einen Steueranschluss zur Ansteuerung des Halbleiterbauelements, der mittels eines Gate-Dielektrikums, beispielsweise mittels eines Halbleiteroxids wie z. B. Siliziumdioxid, gegenüber dem Halbleiterkörper elektrisch isoliert ist.The controllable semiconductor device comprises a semiconductor body, as well a control terminal for driving the semiconductor device, the by means of a gate dielectric, for example by means of a semiconductor oxide such as As silica, compared the semiconductor body is electrically isolated.
Das Leistungshalbleitermodul und/oder das steuerbare Halbleiterbauelement werden regulär in einer Schaltbetriebsphase betrieben, in der das steuerbare Halbleiterbauelement abwechselnd zwischen einem leitenden Zustand und einem Sperrzustand umgeschaltet wird. Die Schaltbetriebsphase kann beispielsweise einem herkömmlichen Umrichterbetrieb entsprechen.The Power semiconductor module and / or the controllable semiconductor component become regular operated in a Schaltbetriebsphase in which the controllable semiconductor device alternately switched between a conductive state and a blocking state becomes. The Schaltbetriebsphase can, for example, a conventional Inverter operation correspond.
Zusätzlich zur Schaltbetriebsphase ist eine Injektionsbetriebsphase vorgesehen, während der Elektronen in das Gate-Dielektrikum injiziert werden. Die injizierten Elektronen rekombinieren mit den positiven Landungen (den "Löchern") an de ren Haftstellen, so dass die in dem Gate-Dielektrikum vorhandene positive Gesamtladung reduziert oder vollständig abgebaut wird.In addition to Schaltbetriebsphase an injection operating phase is provided while the electrons in the gate dielectric be injected. The injected electrons recombine with the positive landings (the "holes") at their detention centers, such that the positive total charge present in the gate dielectric reduced or completely degraded becomes.
Die in einem Gate-Dielektrikum gespeicherte Ladung beträgt typischer Weise einige nC. Die injizierte Ladung muss allerdings deutlich größer sein, bevorzugte Werte hierfür liegen im Bereich von 6 μC und 6 mC, entsprechend einem über einen Zeitraum von 1 Minute bis 10 Minuten zugeführten Injektionsstrom von 0,1 μA–10 μA.The Charge stored in a gate dielectric is more typical Way some nC. The injected charge, however, must be clear be bigger, preferred Values for this are in the range of 6 μC and 6 mC, corresponding to one over a period of 1 minute to 10 minutes supplied injection current of 0.1 uA-10 uA.
Die Schaltbetriebsphase und die Injektionsbetriebsphase können parallel zueinander durchgeführt werden, vorzugsweise wird jedoch die Schaltbetriebsphase während der Injektionsbetriebsphase unterbrochen. Anstelle einer Unterbrechung der Schaltbetriebsphase kann auch eine anderweitig bedingte Pause in der Schaltbetriebsphase für die Durchführung eines Injektionsbetriebs genutzt werden.The Switching operation phase and the injection operating phase can be parallel performed to each other However, preferably the Schaltbetriebsphase during the Injection operating phase interrupted. Instead of an interruption the Schaltbetriebsphase may also be otherwise conditional break in the switching operation phase for the implementation an injection operation are used.
Das Injizieren von Elektronen erfolgt bevorzugt mittels eines Injektionsstromes, der durch ein elektrisches Feld im Gate-Dielektrikum generiert wird, welches sich infolge einer an dem Gate-Dielektrikum abfallenden Spannung im Gate-Dielektrikum ausbildet. Die Injektionsstromdichte im Gate-Dielektrikum beträgt dabei vorzugsweise 0,1 μA/cm2 bis 10 μA/cm2.The injection of electrons is preferably carried out by means of an injection current which is generated by an electric field in the gate dielectric, which forms as a result of a voltage drop across the gate dielectric in the gate dielectric. The injection current density in the gate dielectric is preferably 0.1 μA / cm 2 to 10 μA / cm 2 .
Die Stärke dieses elektrischen Feldes im Gate-Dielektrikum ist vorzugsweise größer oder gleich 7 MV/cm auf. Besonders bevorzugt ist das elektrische Feld so gewählt, dass sich im Gate-Dielektrikum ein vorzugsweise konstant gehaltener Fowler-Nordheim-Tunnelstrom ausbildet. Der Tunnelstrom beträgt bevorzugt zwischen 0,1 μA/cm2 und 10 μA/cm2.The strength of this electric field in the gate dielectric is preferably greater than or equal to 7 MV / cm. Particularly preferably, the electric field is selected such that a preferably constant Fowler-Nordheim tunnel current is formed in the gate dielectric. The tunnel current is preferably between 0.1 μA / cm 2 and 10 μA / cm 2 .
Die Häufigkeit, mit der eine solche Injektion von Elektronen vorgenommen werden soll, um die Ausbildung einer unerwünscht hohen positiven Gesamtladung im Gate-Dielektrikum zu verhindern, hängt insbesondere von der Intensität der Strahlung io nisierender Teilchen ab und kann bei typischen Anwendungen derartiger Halbleiterbauelemente im Bereich von einigen Wochen oder mehreren Monaten liegen.The Frequency, with which such an injection of electrons are made intended to training an undesirably high overall positive charge in the gate dielectric depends in particular on the intensity of the radiation io nisierender Particles and can in typical applications of such semiconductor devices in the range of a few weeks or several months.
Der Injektionsstrom kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Steueranschluss einerseits und den Halbleiterkörper andererseits bewirkt werden.Of the Injection current can be applied by applying an electrical voltage the control terminal on the one hand and the semiconductor body on the other be effected.
Das Anlegen der elektrischen Spannung am Halbleiterkörper kann insbesondere im Bereich der anzusteuernden Halbleiterzone, eines n-Emitters, einer Body-Zone, einer Drift-Zone, einer Feldstoppzone oder eines p-Emitters an den Halbleiterkörper erfolgen.The Applying the electrical voltage to the semiconductor body can in particular in the field the semiconductor zone to be controlled, an n-type emitter, a body zone, a drift zone, a field stop zone or a p-emitter to the Semiconductor body respectively.
Optional kann das Anlegen der elektrischen Spannung auch mittels eines separaten Anschlusses erfolgen, der an einem der voranstehend genannten Bereiche des Halbleiterkörpers angeschlossen ist und der vorzugsweise aus einem Gehäuse des Halbleiterbauelements herausgeführt ist.optional can the application of electrical voltage also by means of a separate Connection made at one of the above areas of the semiconductor body is connected and preferably from a housing of the Led out semiconductor device is.
Dabei ist die Polarität der am Gate-Dielektrikum anliegenden elektrischen Spannung für eine erfolgreiche Injektion von Elektronen grundsätzlich unerheblich. Allerdings sind im Übergangsbereich des Gate-Dielektrikums zum Halbleiterkörper Rekombinationsstellen für freie Ladungsträger ("Traps") lokalisiert, welche Elektronen binden können. Daher ist eine positive Spannung der Gate-Elektrode vorzuziehen, um eine Elektroneninjektion aus dem Substrat in das Gate-Dielektrikum zu bewirken und die dortigen Traps zu füllen. Abgesehen davon würde eine Elektroneninjektion aus der Gate-Elektrode rasch zur Zerstörung des Gate-Dielektrikums führen.there is the polarity the voltage applied to the gate dielectric for a successful Injection of electrons in principle irrelevant. However, in the transition area of the gate dielectric to the semiconductor body recombination sites for free charge carrier ("Traps") located which Can bind electrons. Therefore, a positive voltage is preferable to the gate electrode, to electron injection from the substrate into the gate dielectric to effect and fill the traps there. Apart from that, one would Electron injection from the gate electrode rapidly destroys the Lead gate dielectric.
In Abhängigkeit von der Wahl der Stelle, an die die Spannung an den Halbleiterkörper angelegt wird, und/oder in Abhängigkeit von einer äußeren Beschaltung des Halbleiterbauelements, können sich bei bestimmten Polaritäten schaltungstechnische Vorteile ergeben.In dependence the choice of the location where the voltage is applied to the semiconductor body, and / or depending from an external circuit of the semiconductor device at certain polarities circuit advantages.
Beispielsweise kann eine Spannung zur Erzeugung des Injektionsstromes mit der gleichen Polarität an die gleichen Anschlusspunkte des Halbleiterbauelements angeschlossen werden wie die im normalen Schaltbetrieb zum Aufsteuern des Halbleiterbauelements in den leitenden Zustand verwendete Spannung.For example can be a voltage to generate the injection current with the same polarity connected to the same connection points of the semiconductor device be like the normal switching operation for aufsteuern of the semiconductor device voltage used in the conducting state.
Entscheidend dabei ist, dass im Gate-Dielektrikum infolge der angelegten Spannung ein elektrisches Feld entsteht, das einen Injektionsstrom bewirkt, durch den Elektronen in das Gate-Dielektrikum injiziert werden. Dieses elektrische Feld zur Erzeugung eines Injektionsstromes weist eine Feldstärke auf, die höher ist als die Feldstärke des elektrischen Feldes, welches sich während der Schaltbetriebsphase aufgrund einer zum Aufsteuern des Halbleiterbauelements in den leitenden Zustand verwendeten Spannung im Dielektrikum etabliert.What matters is that an electric field is created in the gate dielectric due to the applied voltage, causing an injection current through which electrons are injected into the gate dielectric. This electric field for generating an injection current has a field strength which is higher than the field strength of the electric field, which during the Schaltbetriebsphase due to a for controlling the semiconductor established in the conductive state voltage used in the dielectric.
Sofern das durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelement eine Body-Zone, eine Drift-Zone, eine Feldstoppzone oder einen p-Emitter aufweist, kann die Spannung zur Erzeugung eines Injektionsstromes auch an den Steueranschluss einerseits und an die Body-Zone, die Drift-Zone, die Feldstoppzone bzw. den p-Emitter andererseits angelegt werden.Provided the field effect controllable semiconductor device a body zone, a drift zone, a field stop zone or a p-emitter may the voltage for generating an injection current also to the control terminal on the one hand and to the body zone, the drift zone, the field stop zone or the p-emitter on the other hand be created.
Im Fall eines n-Kanal Bauelements, erfolgt das Anlegen der elektrischen Spannung zum Injizieren von Elektronen vorzugsweise derart, so dass die Gate-Elektrode auf ein höheres elektrisches Potential gelegt wird als der externe Anschluss der Body-Zone.in the Case of an n-channel device, the application of the electrical Voltage for injecting electrons, preferably such that the gate electrode to a higher one electrical potential is placed as the external connection of the Body zone.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass es auf einfache Weise in den normalen Betrieb eines solchen Halbleiterbauelements integriert werden kann. In jedem Fall werden dabei wiederholt Elektronen in das Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements injiziert.The Procedure has the advantage that it is easy to normal Operation of such a semiconductor device can be integrated. In In each case, electrons are repeatedly injected into the gate dielectric of the semiconductor device injected.
Im einfachsten Fall kann das Injizieren von Elektronen in bestimmten zeitlichen – vorzugsweise äquidistanten – Intervallen vorgenommen werden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Zeit bekannt ist, nach der die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums einen vorgegebenen maximal zulässigen Wert überschreiten wird. Erfolgt eine ausreichend starke Injektion von Elektronen vor Ablauf dieser Aufladezeit und damit vor Erreichen einer unzulässig hohen positiven Gesamtladung des Gate-Dielektrikums, so kann ein ungewolltes Aufschalten der Laststrecke des steuerbaren Halbleiterbauelements vermieden werden.in the The simplest case is the injection of electrons into certain temporal - preferably equidistant - intervals be made. This is useful, for example, if the time is known after the positive total charge of the gate dielectric a predetermined maximum allowable Exceed value becomes. If there is a sufficiently strong injection of electrons Expiration of this charging time and thus before reaching an inadmissibly high positive total charge of the gate dielectric, so may be an unintentional Connecting the load path of the controllable semiconductor device be avoided.
Das Injizieren von Elektronen wird vorzugsweise erst dann vorgenommen, wenn zuvor eine Veränderung der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements festgestellt wurde. Dazu muss die Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements in vorgegebenen, vorzugsweise äquidistanten zeitlichen Intervallen überwacht werden.The Injecting electrons is preferably done only then if before a change the threshold voltage of the controllable semiconductor device detected has been. For this purpose, the threshold voltage of the controllable semiconductor device in predetermined, preferably equidistant monitored over time intervals become.
Eine Veränderung – insbesondere ein Absinken – der Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements kann beispielsweise durch Vergleich der Einsatzspannung mit einer vorangehend ermittelten Einsatzspannung oder durch Vergleich des Wertes einer sich korrespondierend mit der Einsatzspannung verändernden Größe mit einem vorangehend ermittelten Wert dieser Größe ermittelt werden.A Change - in particular a sinking - the Tail voltage of the controllable semiconductor device can, for example by comparing the threshold voltage with a previously determined Threshold voltage or by comparing the value of a corresponding with the threshold voltage changing Size with one previously determined value of this size are determined.
Ebenso kann die Feststellung einer Veränderung – insbesondere eines Absinkens – der Einsatzspannung durch Vergleich der Einsatzspannung mit einem vorgegebenen Wert der Einsatzspannung oder durch Vergleich des Wertes einer sich korrespondierend mit der Einsatzspannung verändernden Größe mit einem vorgegebenen Wert dieser Größe erfolgen.As well may be the finding of a change - especially a sinking - the Tension by comparing the threshold voltage with a given Value of the threshold voltage or by comparing the value of a Corresponding to the threshold voltage changing size with a predetermined value of this size.
Bevorzugt wird eine Veränderung der Einsatzspannung dadurch festgestellt, dass dem Steueranschluss des steuerbaren Halbleiterbauelements eine vorgegebene Spannung angelegt und ein sich daraus ergebender Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements ermittelt wird.Prefers becomes a change the breakdown voltage thereby determined that the control terminal the controllable semiconductor device a predetermined voltage applied and a resulting load current of the controllable Semiconductor device is determined.
Der Laststrom kann durch den Spannungsabfall an einem in den Lastkreis des steuerbaren Halbleiterbauelementes geschalteten Messwiderstand ermittelt werden.Of the Load current can be due to the voltage drop at one in the load circuit the controllable semiconductor device connected measuring resistor be determined.
Wie bereits eingangs erläutert, ist eine positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements insbesondere bei n-Kanal Halbleiterbauelementen als kritisch anzusehen, da es infolge eines Absinkens von dessen Einsatzspannung im Extremfall zu einem unerwünschten Aufsteuern des Halbleiterbauelements kommen kann.As already explained at the beginning, is a positive total charge of the gate dielectric through Field effect controllable semiconductor device, in particular at n-channel Semiconductor devices considered to be critical, since it due to a Falling of its threshold voltage in an extreme case to an undesirable Aufsteuern the semiconductor device can come.
Ein Ansteigen der Einsatzspannung ist hingegen als weitaus weniger kritisch anzusehen. Daher wird bei n-Kanal Bauelementen eine Injektion von Elektronen in das Gate-Dielektrikum vorzugsweise dann vorgenommen, wenn zuvor ein Absinken der Einsatzspannung des n-Kanal Bauelements festgestellt wurde, z. B. dann, wenn zuvor festgestellt wurde, dass die aktuell ermittelte Einsatzspannung einen vorgegebenen Wert unterschritten hat.One Increasing the threshold voltage, however, is far less critical to watch. Therefore, in n-channel devices, an injection of electrons preferably made in the gate dielectric, if before a drop in the threshold voltage of the n-channel device found was, z. B. if it was previously determined that the current determined threshold voltage falls below a predetermined value Has.
Das Absinken der aktuellen Einsatzspannung des steuerbaren Halbleiterbauelements kann dadurch ermittelt werden, dass an die Gate-Elektrode eine vorgegebene Spannung angelegt und ein sich daraus ergebener Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements gemessen und mit einem vorgegebenen Soll-Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements verglichen wird. Die Ermittlung des Laststroms kann z. B. durch Messung des Spannungsabfalls an einem in den Lastkreis des steuerbaren Halbleiterbauelements geschalteten Messwiderstand erfolgen.The Decrease of the current threshold voltage of the controllable semiconductor device can be determined by the fact that to the gate electrode a predetermined Voltage applied and a resulting load current of the controllable semiconductor device measured and with a predetermined target load current of the controllable Semiconductor device is compared. The determination of the load current can z. B. by measuring the voltage drop at one in the load circuit the controllable semiconductor device connected measuring resistor respectively.
Entsprechend kann der Injektionsstrom durch Messung des Spannungsabfalls bestimmt werden, den dieser Injektionsstrom an einem anderen Messwiderstand erzeugt.Corresponding the injection current can be determined by measuring the voltage drop This injecting current is applied to another measuring resistor generated.
Durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente der genannten Art werden häufig in Leistungshalbleitermodule integriert. Solche Leistungshalbleitermodule können erfindungsgemäß auch eine oder mehrere Kontrollschaltungen zur Injektion von Elektronen in die Gate-Dielektrika eines oder mehrerer der steuerbaren Halbleiterbauelemente des Leistungshalbleitermoduls aufweisen. Mittels einer derartigen Kontrollschaltung kann eines der voran stehend genannten Verfahren auf einfache Weise realisiert werden.Field effect controllable semiconductor devices of the type mentioned are often integrated into power semiconductor modules. Such power semiconductor modules according to the invention can also be one or more control circuits for injection of electrons in the gate dielectrics of one or more of the controllable semiconductor components of the power semiconductor module. By means of such a control circuit, one of the aforementioned methods can be realized in a simple manner.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:The Invention will now be described with reference to exemplary embodiments with reference closer to figures explained. Show it:
In den Figuren bezeichnen – sofern nicht anders angegeben – gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion.In denote the figures - if not stated otherwise - same Reference numerals like elements with the same function.
Des
Weiteren sind auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers
Das
Gate-Dielektrikum
Um
einen solchen im Gate-Dielektrikum
Die
Funktion des Schalters
Die
Source-Elektrode
Ebenso
wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Die
Polarität
der Spannungsquelle
Die
Spannungsversorgung der Halbbrücke erfolgt über eine
positive Versorgungsspannung P, welche dem zweiten Lastanschluss
Zur
Ansteuerung der Halbbrücke
ist eine Kontrollschaltung
Die
Gate-Ansteuerung
Weiterhin
kann dem Steueranschluss
Zur
Entkopplung der beiden in der Gate-Ansteuerung
Die
Ermittlung des Injektionsstromes I erfolgt über den Spannungsabfall, den
der Injektionsstrom I an einem zwischen den Injektionsstromtreiber
Der
Injektionsstromtreiber
Kommt
es infolge ionisierender Strahlung zu einer positiven Gesamtladung
im Gate-Dielektrikum des steuerbaren Halbleiterbauelements
Um
dies zu vermeiden ist es vorteilhaft, wenn ein derartiges Absinken
der Einsatzspannung rechtzeitig erkannt wird, so dass dem steuerbaren
Halbleiterbauelement
Um
ein Absinken der Einsatzspannung festzustellen, ist ein in den Lastkreis
geschalteter niederohmiger Messwiderstand
Baut
sich im Lauf des regulären
Betriebs der Halbbrücke
im Gate-Dielektrikum des Halbleiterbauelements
Stellt
die Einheit
Die im Gate-Dielektrikum gespeicherte Ladung beträgt typischer Weise einige nC. Die injizierte Ladung muss allerdings deutlich größer sein, bevorzugte Werte hierfür liegen im Bereich von 6 μC und 6 mC, entsprechend einem über einen Zeitraum von 1 Minute bis 10 Minuten zugeführten Injektionsstrom von 0,1 μA–10 μA.The charge stored in the gate dielectric is typically a few nC. The injected charge, however, must be significantly larger preferred values for this are in the range of 6 μC and 6 mC, corresponding to one over a period of 1 minute to 10 minutes supplied injection current of 0.1 uA-10 uA.
Um
zu überprüfen, ob
und inwieweit der Injektionsstrom I wie gewünscht einen Anstieg der Einsatzspannung
des steuerbaren Halbleiterbauelements
Ein
Anstieg der Einsatzspannung bewirkt bei gleich bleibender Ansteuerspannung
des steuerbaren Halbleiterbauelements
Um
diese Schwierigkeit zum umgehen, kann der Injektionsstrom während der
Injektionsbetriebsphase unterbrochen und das steuerbare Halbleiterbauelement
Nachfolgend
werden die verschiedenen Betriebsphasen anhand von
Das
steuerbare Halbleiterbauelement wird zunächst in einer Schaltbetriebsphase
Der
Schaltbetriebsphase
Während der
Phasen
In
den Phasen
Im Messbetrieb wird das Halbleiterbauelement mit einer Gate-Source-Spannung UGS3 angesteuert, die kleiner ist als die Spannung UGS2. Die Spannung UGS2 ist so gewählt, dass das steuerbare Halbleiterbauelement außerhalb der Sättigung betrieben wird. Die Spannung UGS2 ist bevorzugt gleich oder besonders bevorzugt kleiner der Spannung UGS1 im normalen Schaltbetrieb gewählt.In measuring operation, the semiconductor device is driven with a gate-source voltage U GS3 , which is smaller than the voltage U GS2 . The voltage U GS2 is chosen so that the controllable semiconductor device is operated out of saturation. The voltage U GS2 is preferably equal to or more preferably smaller than the voltage U GS1 selected in normal switching operation.
Überschreitet der Laststrom des steuerbaren Halbleiterbauelements bei anliegender Gate-Source-Spannung UGS3 einen vorgegebenen, geeignet gewählten Referenzwert, so kann daraus auf ein durch eine positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums hervorgerufenes Absinken der Einsatzspannung geschlossen werden.Exceeds the load current of the controllable semiconductor device with applied gate-source voltage U GS3 a predetermined, suitably selected reference value, it can be concluded that caused by a positive total charge of the gate dielectric lowering of the threshold voltage.
Ebenso
kann ein Absinken der Einsatzspannung auch dadurch festgestellt
werden, dass zwei oder mehr nacheinander in verschiedenen Messbetriebsphasen
Nachdem
festgestellt wurde, dass ein Absinken der Einsatzspannung vorliegt,
kann eine Injektionsphase
Nach
Abschluss der Injektionsphase
Dieses
Verfahren mit abwechselnden Messphasen
Die
dem Halbleiterbauelement zugeführte Mess-Ansteuerspannung
UGS3 kann dabei vom Injektionsstromtreiber
In
Zusätzlich müssen für die Ansteuerung
des zweiten Halbleiterbauelements
Dabei
kann es vorteilhaft sein, diese Widerstände und/oder Dioden nicht nur
für die
Ansteuerung der Anordnung im Injektionsbetrieb sondern auch zur
Ansteuerung der Anordnung im normalen Schaltbetrieb einzusetzen.
Der Messwiderstand
Abweichend
von dem Ausführungsbeispiel gemäß
In
der Schaltbetriebsphase wird dieser externe Steueranschluss
In
der Injektionsbetriebsphase wird an den Anschluss
Das
zweite steuerbare Halbleiterbauelement
Das
anhand von
Bei
steuerbaren Halbleiterbauelementen, deren Laststrecken beispielsweise
wie bei den steuerbaren Halbleiterbauelementen
Bei einem solchen Kurzschluss der Halbbrücke kommt es in den steuerbaren Halbleiterbauelementen zu Lastströmen, die wesentlich höher sind als die Lastströme der betreffenden steuerbaren Halbleiterbauelemente im Normalbetrieb.at Such a short circuit of the half bridge occurs in the controllable Semiconductor devices to load currents that are much higher than the load currents the relevant controllable semiconductor devices in normal operation.
Die bei derart erhöhten Lastströmen entstehenden schnellen Elektronen ("heiße Elektronen") dringen aus dem Halbleiterkörper in das Dielektrikum ein und bewirken dort einen Verringerung oder einen Abbau der dort vorliegenden positiven Gesamtladung. Ein solcher Kurzschluss der Halbbrücke kann durch eine gezieltes gleichzeitiges Aufsteuern der steuerbaren Halbleiterbauelemente der Halbbrücke erfolgen.The increased in such a way load currents resulting fast electrons ("hot Electrons ") penetrate from the semiconductor body in the dielectric and cause a reduction there or a reduction of the positive overall charge present there. Such a Short circuit of the half bridge can be controlled by a targeted simultaneous control of the controllable Semiconductor semiconductor devices take place.
Um eine thermische Überlastung der steuerbaren Halbleiterbauelemente zu vermeiden, muss ein solcher Kurzschluss zeitlich begrenzt sein. Vorzugsweise werden mehrere solcher kurzzeitiger Kurzschlüsse der Halbbrücke in vorgegebenen zeitlichen Intervallen herbeigeführt. Der zeitliche Abstand aufeinander folgender Kurzschlüsse muss so gewählt sein, dass eine thermische Überlastung der Halbleiterbauelemente zuverlässig vermieden wird.Around a thermal overload To avoid the controllable semiconductor devices, such must Short circuit will be temporary. Preferably, several such short-term shorts the half bridge at predetermined time intervals. The time interval between each other following short circuits must be chosen be that a thermal overload the semiconductor devices reliable is avoided.
Selbstverständlich kann ein dem Kurzschlussbetrieb entsprechender Betrieb auch bei einzelnen steuerbaren Halbleiterbauelementen durchgeführt werden, indem dessen Laststrecke aufgesteuert und an die Lastanschlüsse eine ausreichend hohe Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird.Of course you can a short-circuit operation corresponding operation even with individual controllable semiconductor devices are performed by the load path controlled and to the load terminals a sufficiently high voltage in the forward direction is created.
Die
Erfindung wurde in den Ausführungsbeispielen
gemäß den
Weiterhin ist es nicht notwendiger Weise erforderlich, dass die positive Gesamtladung des Gate-Dielektrikums durch ionisierende Strahlung hervorgerufen wurde.Farther It is not necessary that the positive total charge is required of the gate dielectric caused by ionizing radiation has been.
Die beschriebenen Verfahren zur Detektion der Unterschreitung der Einsatzspannung und der Steuerung der Elektroneninjektion in das Gate-Dielektrikum kann auf Chipebene, vorzugsweise jedoch auf Systemebene umgesetzt werden. Vorteilhafter Weise können die dazu gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleitermodulen wie z. B. so genannten Smart-Power-Modulen (SPMs) zusätzlich erforderlichen Komponenten in die bestehenden Kontrollschaltungen integriert werden. SPMs kombinieren in der Regel mehrere steuerbare Halbleiterbauelemente, beispielsweise in Halb- oder Vollbrückenschaltungen. Daher ist es zweckmäßig, auch die Detektion verringerter Einsatzspannungen und die Steuerung der Elektroneninjektion mit den Funktionen eines SPM zu verbinden.The described method for detecting the undershooting of the threshold voltage and controlling electron injection into the gate dielectric can be implemented at the chip level, but preferably at the system level become. Advantageously, can the opposite conventional power semiconductor modules such as B. so-called smart power modules (SPMs) additionally required Components are integrated into the existing control circuits. SPMs typically combine multiple controllable semiconductor devices, for example, in half or full bridge circuits. thats why it useful, too the detection of reduced threshold voltages and the control of the To combine electron injection with the functions of an SPM.
- 11
- erstes steuerbares Halbleiterbauelementfirst controllable semiconductor device
- 1a1a
- Gehäuse des ersten steuerbaren HalbleiterbauelementsHousing of first controllable semiconductor device
- 22
- zweites steuerbares Halbleiterbauelementsecond controllable semiconductor device
- 33
- erste Freilaufdiodefirst Freewheeling diode
- 44
- zweite Freilaufdiodesecond Freewheeling diode
- 55
- Gate-DielektrikumGate dielectric
- 66
- Gate-ElektrodeGate electrode
- 77
- Source-ElektrodeSource electrode
- 88th
- Drain-ElektrodeDrain
- 99
- Spannungsquellevoltage source
- 1010
- Schalterswitch
- 1111
- Erster Lastanschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelementsfirst Load connection of the first controllable semiconductor device
- 1212
- Zweiter Lastanschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelementssecond Load connection of the first controllable semiconductor device
- 1313
- Steueranschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelementscontrol connection the first controllable semiconductor device
- 1414
- Externer Injektionsanschluss des ersten steuerbaren Halbleiterbauelementsexternal Injection port of the first controllable semiconductor device
- 2121
- Erster Lastanschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelementsfirst Load connection of the second controllable semiconductor device
- 2222
- Zweiter Lastanschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelementssecond Load connection of the second controllable semiconductor device
- 2323
- Steueranschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelementscontrol connection of the second controllable semiconductor device
- 2424
- Externer Injektionsanschluss des zweiten steuerbaren Halbleiterbauelementsexternal Injection port of the second controllable semiconductor device
- 3131
- Gatewiderstandgate resistor
- 3232
- NebenschlusswiderstandShunt resistor
- 3333
- Messwiderstand zur Bestimmung des Injektionsstroms (Fowler-Nordheim-Tunnelstrom)measuring resistor for determining the injection current (Fowler-Nordheim tunnel current)
- 3434
- erste Entkopplungsdiodefirst decoupling diode
- 3535
- zweite Entkopplungsdiodesecond decoupling diode
- 3636
- Diodediode
- 4040
- Kontrollschaltungcontrol circuit
- 4141
- Einheit zur Signalaufbereitungunit for signal conditioning
- 4242
- Gate-AnsteuerungGate drive
- 4343
- UnterspannungsschutzUndervoltage protection
- 4444
- Einheit zum Kurzschluss-Schutz und zur Anpassung der Einsatzspannungunit for short-circuit protection and adaptation of the threshold voltage
- 4545
- Einheit zur Injektionsstrombehandlungunit for injection current treatment
- 4646
- InjektionsstromtreiberInjection current driver
- 4747
- Einheit zur Ermittlung des Injektionsstromesunit for determining the injection current
- 4949
- Eingang für Ansteuersignalentrance for drive signal
- 5050
- HalbleiterkörperSemiconductor body
- 5151
- n-Emittern-emitter
- 5252
- BodyzoneBody zone
- 5353
- Driftzonedrift region
- 5454
- FeldstoppzoneField stop zone
- 5555
- p-Emitterp-emitter
- 5656
- Anschlusszonecontiguous zone
- 6161
- SchaltbetriebsphaseSwitch Operation phase
- 6262
- InjektionsbetriebsphaseInjection phase of operation
- 62a62a
- Injektionsbetriebinjection operation
- 62b62b
- Messbetriebmeasuring mode
- 7070
- Elektrode für Anschlusszoneelectrode for connection zone
- II
- Injektionsstrominjection current
- NN
- Negative Versorgungsspannung der Halbbrücke (?)negative Supply voltage of the half-bridge (?)
- PP
- Positive Versorgungsspannung der Halbbrückepositive Supply voltage of the half-bridge
- tt
- ZeitTime
- UU
- Ausgang der Halbbrückeoutput the half bridge
- UGS U GS
- Ansteuerspannungdriving voltage
- UGS1 U GS1
- Ansteuerspannung in der Schaltbetriebsphasedriving voltage in the switching operation phase
- UGS2 U GS2
- Ansteuerspannung während der Injektiondriving voltage while the injection
- UGS3 U GS3
- Ansteuerspannung während des Messbetriebesdriving voltage while of measuring operation
- VD V D
- Referenzspannung für Unterspannungsschutzreference voltage for undervoltage protection
Claims (25)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102006043485A DE102006043485B4 (en) | 2006-09-15 | 2006-09-15 | Power semiconductor module and method for operating a power semiconductor module with at least one controllable by field effect semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102006043485A DE102006043485B4 (en) | 2006-09-15 | 2006-09-15 | Power semiconductor module and method for operating a power semiconductor module with at least one controllable by field effect semiconductor device |
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DE102006043485A1 DE102006043485A1 (en) | 2008-03-27 |
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-
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- 2006-09-15 DE DE102006043485A patent/DE102006043485B4/en not_active Expired - Fee Related
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Picard, C., Brisset, C. et al.: Radiation Hard- ening of Power MOSFETs using Electrical Stress. In: IEEE Transac. on Nucl. Sc., 2000, Vol. 47, S. 641-646 |
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DE102006043485A1 (en) | 2008-03-27 |
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