一種功率電晶體、功率電晶體電路以及其操作方法

2023-05-31 02:34:36 2

一種功率電晶體、功率電晶體電路以及其操作方法
【專利摘要】一種功率電晶體、功率電晶體電路以及其操作方法。功率電晶體具有半導體本體，其具有底面以及在垂直方向上與該底面遠離隔開的頂面。該半導體本體包括多個電晶體單元、第一導電類型的源極區、第二導電類型的本體區、第一導電類型的漂移區、漏極區和具有在n摻雜的陰極區和p摻雜的陽極區之間的pn結的溫度傳感器二極體。該功率電晶體還具有頂面上的漏極接觸端子、底面上的源極接觸端子、柵極接觸端子、和頂面上的溫度感測接觸端子。根據第一和第二導電類型，陽極或陰極區電連接到源極接觸端子並且另一二極體區被電連接到溫度感測接觸端子。
【專利說明】一種功率電晶體、功率電晶體電路以及其操作方法

【技術領域】
[0001] 本發明的實施例涉及具有集成溫度傳感器的功率電晶體、功率電晶體電路、用於 操作功率電晶體的方法和用於操作功率電晶體電路的方法。

【背景技術】
[0002] 諸如M0SFET或IGBT等等之類的電晶體被廣泛地用於控制或切換在不同種類的應 用中的負載，諸如在變換器（inverter )、電壓調節器、電流調節器或用於驅動電負載(諸如 燈、閥、電動機等）的驅動電路中。這種電晶體通常是具有在電晶體單元場中布置並且並聯 電連接的多個同樣的電晶體單元的η或p溝道功率電晶體。
[0003] 在操作期間，通過將控制電壓施加到接觸端子來使通過電晶體負載路徑的電流接 通或斷開或調整到某一值。負載路徑被形成在一方面的源極或發射極電極和另一方面的漏 極或集電極電極之間。
[0004] 根據在其中使用功率電晶體的特定應用，負載路徑通常與要被控制的負載或在正 和負電力供應電勢之間的另一功率電晶體(例如作為橋式配置）串聯連接。在這樣的布置 中，功率電晶體被用作高側（HS，high-side)電晶體或低側（LS，low-side)電晶體。在HS 電晶體的情況下，其負載路徑被電連接在正供應電勢和負載或另一功率電晶體之間。因此， 在LS電晶體的情況下，其負載路徑被電連接在負供應電勢和負載或另一功率電晶體之間。
[0005] 當前可用的功率電晶體可以被操作在高溫下，例如在多於150°C下、在多於175°C 下、或甚至在多於200°C下。然而，如果功率電晶體的溫度超過最大可允許溫度，則晶體 管可能被損壞或毀壞。因此，為了檢測電晶體的溫度，許多現代功率電晶體（比如在US 6, 876, 043 B1中或在US 7, 835, 129 B2中所描述的那些)具有通過漏極-體-二極體形成 的集成溫度傳感器元件，其中漏極-體-二極體的陰極連接到漏極。在η溝道電晶體的情 況下，在HS配置中使用是不成問題的。然而，在LS配置中，如果功率電晶體的負載路徑被 接通並且電流通過它，則總是存在加熱。在該導通狀態下，功率電晶體的漏極電勢和源極電 勢之間的差總計僅大約l〇〇mV，這不足以合理地評估信號。因此，在這樣的配置中，只有功率 電晶體被斷開（即在其中電晶體冷卻的狀態下)，合理的溫度測量結果才是可用的。
[0006] 因此，存在一種對考慮到即使在其中功率電晶體被接通的狀態下檢測功率電晶體 的溫度的解決方案的需要。


【發明內容】

[0007] 第一實施例涉及一種功率電晶體，該電晶體具有半導體本體，該半導體本體具有 底面並且具有在垂直方向上與該底面遠離隔開的頂面。多個電晶體單元被布置在該半導體 本體中。此外，在半導體本體中形成第一導電類型的源極區、與該第一導電類型互補的第二 導電類型的本體區、第一導電類型的漂移區、漏極區和溫度傳感器二極體，該溫度傳感器二 極管具有形成在η摻雜的陰極區和p摻雜的陽極區之間的pn結。然後，該功率電晶體具有 布置在頂面上的漏極接觸端子、布置在底面上的源極接觸端子、柵極接觸端子和布置在頂 面上並且與該漏極接觸端子介電絕緣的溫度感測接觸端子。如果（I)第一導電類型是'η' 並且第二導電類型是'Ρ'，則陽極區電連接到源極接觸端子並且陰極區電連接到溫度感測 接觸端子；或者，否則，如果（II)第一導電類型是'Ρ'並且第二導電類型是'η'，則陰極區電 連接到源極接觸端子，並且陽極區電連接到溫度感測接觸端子。
[0008] 該功率電晶體可以是任何種類的功率電晶體，特別地具有電絕緣柵的任何種類的 場效應電晶體，比如M0SFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體）或IGBT (絕緣柵雙極型晶 體管)。進一步要注意的是，就本發明的意義而言，術語"源極"還包括"發射極"，並且術語 "漏極"還包括"集電極"。因此，術語"源極接觸端子"還包括"發射極接觸端子"，並且術語 "漏極接觸端子"包括"集電極接觸端子"。
[0009] 第二實施例涉及一種用於操作根據第一實施例的這種功率電晶體的方法，在該方 法中檢測ρη結（18)兩端與溫度有關的電壓降。
[0010] 第三實施例涉及具有根據第一實施例的功率電晶體以及被配置成評估ρη結兩端 與溫度有關的電壓降的評估單元的功率電晶體電路。該評估單元具有電連接到溫度感測接 觸端子的輸入端。
[0011] 第四實施例涉及具有根據第一實施例的功率電晶體，以及具有第一評估單元和第 二評估單元的電子電路的功率電晶體電路。該第一評估單元被設計成評估ρη結兩端與溫 度有關的電壓降。因此，該第二評估單元被設計成評估ρη結兩端與溫度有關的電壓降。該 電子電路還具有第一開關、第二開關、第一電流源和第二電流源。該第一電流源和第二電流 源串聯電連接在第一開關和第二開關之間。該第一開關具有閉合狀態，在該閉合狀態中它 將第一電流源和溫度感測接觸端子電連接。該第一開關還具有打開狀態，在該打開狀態中 第一電流源與溫度感測接觸端子電斷開。因此，該第二開關具有閉合狀態，在該閉合狀態中 它將第二電流源和溫度感測接觸端子電連接。該第二開關還包括打開狀態，在該打開狀態 中第二電流源與溫度感測接觸端子電斷開。
[0012] 第五實施例涉及一種用於操作功率電晶體電路的方法，在該方法中，提供根據第 四實施例的功率電晶體電路。該方法還包括下述步驟中的一個或兩者： (cl)在第一開關處於其閉合狀態的情況下並且在第二開關處於其打開狀態的情況下 檢測ρη結兩端與溫度有關的電壓降；以及 (c2)在第二開關處於其閉合狀態的情況下並且在第一開關處於其打開狀態的情況下 檢測ρη結兩端與溫度有關的電壓降。
[0013] 本領域技術人員在閱讀了下面的詳細描述時並且在查看了附圖時將認識到附加 的特徵和優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 現在將參考附圖來解釋示例。附圖用來說明基本原理，以便僅說明對理解該基本 原理所必需的方面。附圖沒有按照比例。在附圖中，相同的參考字符表示相似的特徵。
[0015] 圖1是說明半導體本體中溫度傳感器二極體的位置的功率電晶體的實施例的頂 視圖。
[0016] 圖2是通過圖1的功率電晶體在截面平面Ε1-Ε1中的截面的垂直截面視圖。
[0017] 圖3是通過圖1的功率電晶體在截面平面Ε2-Ε2中的截面的垂直截面視圖。
[0018] 圖4是圖1的功率電晶體在截面平面E4-E4中的水平截面視圖。
[0019] 圖5是圖1的功率電晶體在截面平面E3-E3中的垂直截面視圖。
[0020] 圖6是說明圖1的功率電晶體的摻雜輪廓（doping profile)的示圖。
[0021] 圖7是通過與圖1的功率電晶體相對應的功率電晶體的截面的垂直截面視圖，其 中差異是半導體區的導電類型被交換。
[0022] 圖8是用於確定依賴於反向偏置pn結上的電壓降的圖1的功率電晶體的溫度傳 感器二極體的pn結處的溫度的第一電路的電路圖。
[0023] 圖9是用於確定依賴於正向偏置pn結上的電壓降的圖1的功率電晶體的溫度傳 感器二極體的pn結處的溫度的第二電路的電路圖。
[0024] 圖10是用於確定依賴於反向偏置pn結上的電壓降的圖1的功率電晶體的溫度傳 感器二極體的pn結處的溫度的第三電路的電路圖。
[0025] 圖11是用於確定依賴於反向偏置pn結上的電壓降的圖1的功率電晶體的溫度傳 感器二極體的pn結處的溫度的第四電路的電路圖。
[0026] 圖12是描述用於操作圖1的功率電晶體的方法的示圖。

【具體實施方式】
[0027] 在下面的詳細描述中，參考形成其一部分的附圖，並且在附圖中通過說明示出可 以在其中實行本發明的具體實施例。就這一點而言，參考所描述的圖的取向來使用諸如 "頂"、"底"、"前"、"後"、"前面的"、"後面的"等等之類的方向術語。因為可以以多個不同取 向來定位實施例的部件，所以為了說明的目的使用該方向術語並且決不對其進行限制。要 理解的是，可以利用其它實施例並且可以在不偏離本發明範圍的情況下作出結構或邏輯改 變。因此，不應以限制的意義來理解下面的詳細描述，並且本發明的範圍由所附權利要求限 定。要理解的是，本文描述的各種示例性實施例的特徵可以彼此組合，除非以其它方式具體 指出。
[0028] 圖1是功率電晶體100的頂視圖。該電晶體100具有半導體本體10,其包括比如 矽（Si)、碳化矽（SiC)、砷化鎵（GaAs)、磷化鎵（GaP)或者任何其它IV-IV、III-V、II-VI半 導體材料的任意半導體材料。半導體本體10具有頂面11，在該頂面11上漏極（D)接觸端 子21、柵極（G)接觸端子23和溫度感測接觸端子24被布置成彼此電絕緣。漏極接觸端子 21可以是不具有通孔的連續層。溫度傳感器二極體50位於半導體本體10中，遠離半導體 本體10的側向邊緣101、102、103、104。溫度傳感器二極體50的位置由虛線來指示，因為它 被隱藏在漏極接觸端子21下面看不見了。
[0029] 在圖2到5的截面視圖中圖示圖1的功率電晶體100的內部結構。圖2是通過圖 1的功率二極體100在截面平面E1-E1 (參見圖1、4和5)中的截面的垂直截面視圖。半導 體本體10的頂面11被布置成在垂直方向v上遠離底面12。垂直方向v可以垂直於底面 12延伸。
[0030] 如可以從圖2中看到的，功率電晶體100是具有布置在一個或多個有源電晶體單 元區域3中的多個電晶體單元30的垂直電晶體。例如，各個電晶體單元30可以被實現為 彼此平行延伸的條帶單元。然而，單個電晶體單元30還可以具有比如矩形、正方形、六邊形 或任意多邊形的任何其它單元結構。
[0031] 第一導電類型(在這裡：'η'）的漂移區15和與該第一導電類型互補的第二導電類 型(在這裡：'Ρ'）的本體區14被形成在半導體本體10中。布置在漂移區15和底面12之 間的本體區14接觸布置在底面12上的源極（S)接觸端子22。此外，形成在半導體本體10 中的漏極區16被布置在頂面11和漂移區15之間並且直接鄰接漂移區15。如果功率晶體 管100是M0SFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體)，則漏極區16是第一導電類型(在這 裡：'η'），或者如果功率電晶體100是IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)，則漏極區16是第二導 電類型(在這裡：'Ρ'）。在兩種情況下，漏極區16具有比漂移區15的摻雜濃度更高的摻雜 濃度。在本發明的意義中，"摻雜濃度"涉及電有源摻雜物的濃度，也就是說涉及在被引入半 導體本體10中之後引起η-導電性或ρ-導電性的摻雜物的濃度。
[0032] 此外，電晶體單元30中的每個具有第一導電類型(在這裡：'η'）的一個或多個重 摻雜的源極區13。
[0033] 對於M0SFET來說漂移區15的摻雜濃度在例如1015cnT3到10 17cnT3 (lE15cnT3到 lE17cnT3)的範圍內，源極區13的摻雜濃度在1019cnT3到10 2°cnT3 (lE19cnT3到lE20cnT3)的 範圍內，並且漏極區16的摻雜濃度在5*10 17cnT3到1021cnT3 (5E17cnT3到lE21cnT3)的範圍 內，且對於IGBT來說例如在10 17cnT3到1019cnT3 (lE17cnT3到lE19cnT3)的範圍內。
[0034] 為了控制源極接觸端子22和漏極接觸端子21之間的電流，電晶體單元30中的每 個具有柵極電極33,例如由比如多晶矽的摻雜多晶半導體材料組成或者包括其。柵極電介 質34 (例如半導體氧化物）鄰近柵極電極33布置以便將該柵極電極33與漂移區15和本 體區14電絕緣。
[0035] 電晶體單元30彼此並聯電連接。也就是說，對於電晶體單元30中的每個，源極區 13電連接到共同源極接觸端子22,漏極區16電連接到共同漏極接觸端子21，並且柵極電 極33電連接到共同柵極接觸端子23。換言之，所有電晶體單元30共享共同漏極接觸端子 21、共同源極接觸端子22、和共同柵極接觸端子23。
[0036] 此外，半導體本體10具有溫度傳感器二極體50,其具有η摻雜的陰極區15'、16' 和Ρ摻雜的陽極區14'。陽極區14'電連接到源極接觸端子22,並且陰極區15'、16'電連 接到溫度感測接觸端子24 (參見圖1)。此外，陽極區14'被漏極接觸端子21完全覆蓋。
[0037] 在η摻雜的陰極區15'、16'和ρ摻雜的陽極區14'之間形成ρη結18。該ρη結18 可以被用於感測功率電晶體100的溫度。為了確定溫度傳感器二極體50的溫度，可以在ρη 結18被操作為反向偏置的情況下測量和評估通過ρη結18的反向電流。這利用了這樣的 事實，即這種反向偏置ρη結18的反向電流隨著溫度以指數形式升高。可替換地，在ρη結 18被正向偏置時將電流外加到ρη結18中，並且測量和評估ρη結18兩端的正向電壓也是 可能的。這利用了這樣的事實，即這樣的反向偏置ρη結18的正向電壓也與溫度有關。
[0038] 為了避免溫度傳感器二極體50和（多個）有源電晶體單元區域3之間的電幹擾， 電介質41將溫度傳感器二極體50與（多個)有源電晶體單元區域3的（多個)本體區14、漂 移區15和漏極區16分離。電介質41是雙壁的，在其之間具有多晶半導體材料61以便降 低機械應力。然而，多晶半導體材料61是可選的並且可以被電介質(例如電介質41)替代。 也就是說，電介質41也可以佔用多晶半導體材料61的區域。
[0039] 此外，電介質42被提供在溫度傳感器二極體50之上。在產生漏極接觸端子21之 前將該電介質42沉積在半導體本體10的頂面11上，以便避免漏極接觸端子21引起溫度 傳感器二極體50和漏極區16之間的短路。
[0040] 該溫度傳感器二極體50可以與（多個）有源電晶體單元區域3的本體區14、漂移 區15和漏極區16並行產生。例如，漏極區16可以被提供為高度η摻雜（n+)半導體襯底， 在其上產生弱的η摻雜（n_)外延層。隨後，通過常規技術（比如掩蔽擴散或掩蔽注入等等） 以結構化方式產生從背對高度η摻雜（η+)半導體襯底的該側延伸到外延層中的ρ摻雜區 域。然後，產生功率電晶體100的剩餘部分。在完成的功率電晶體100中，陰極區的漏極區 16和子區16'是高度η摻雜半導體襯底，漂移區15的剩餘部分。陰極區的另一子區15'是 弱的η摻雜外延層的剩餘部分，並且本體區14和陽極區14'是ρ摻雜區域的剩餘部分。然 而，如果要被產生的功率電晶體1〇〇是IGBT，則替代高度η摻雜（η+)半導體襯底，可以用與 上文描述的相同的後續步驟來使用高度Ρ摻雜（Ρ+)半導體襯底。
[0041] 因此，使用這樣的生產方法，產生溫度傳感器二極體50的工藝可以被容易地整合 在產生功率電晶體100的工藝中。另一結果是漏極區16和子區16'可以在垂直方向V上具 有相同的摻雜輪廓。因此，漂移區15和另一子區15'可以在垂直方向ν上具有相同的摻雜 輪廓。以相同的方式，本體區14和陽極區14'可以在垂直方向ν上具有相同的摻雜輪廓。
[0042] 電晶體單元30的圖示結構是示例性的並且可以用電晶體單元30的任何其它單元 結構來實現本發明的原理。
[0043] 不同於所圖示的示例，還可能提供具有與被電介質41、42、43和源極接觸端子22 圍繞的區域內的電晶體單元30相同的結構的電晶體單元結構，但是沒有將該結構的'源極 區'電連接到源極接觸端子22,以及可選地沒有將該結構的'柵極電極'電連接到柵極接觸 端子23。這樣做，可以通過由電介質41、42、43將常規電晶體單元中的至少一個與其它晶 體管單元分離來簡單地修改用於產生常規源極向下（source-down) /共同源極電晶體的工 藝，以便使用所分離的電晶體單元中的至少一個作為溫度傳感器二極體50,並且例如使用 要被禁用的單元和源極接觸端子22之間布置的附加電介質來禁用所分離的電晶體單元中 的不需要的一個。然而，用作溫度傳感器二極體50的陽極區14'的所分開的電晶體單元的 '(多個）本體區'被電連接到如上文所描述的源極接觸端子22。
[0044] 圖3是圖1的功率電晶體100在橫斷柵極接觸端子23和溫度感測接觸端子24兩 者的截面平面E2-E2 (參見圖1、4和5)中的截面的垂直截面視圖。圖4是圖1的功率晶體 管100在特定地橫斷平行於底面12的漏極區16和子區16'的截面平面E4-E4 (參見圖2、 3和5)中的水平截面視圖。圖5是圖1的功率電晶體100在橫斷溫度傳感器二極體50和 溫度感測接觸端子24兩者的截面平面E3-E3 (見圖1至4)中的截面的垂直截面視圖。
[0045] 如可被看到的，當比較圖2到5時，陽極區14'僅被布置在半導體本體10的中心 區域中，在那裡通常會出現功率電晶體100的最大溫度。在圖4中，陽極區14'的位置由虛 線來指示，因為它被隱藏在子區15'和16'的下面看不見了。通過僅將陽極區14'布置在 半導體本體10的中心區域中，用於感測溫度的pn結18也被僅布置在半導體本體10的中 心區域中。因此，所測量的溫度與在功率電晶體100內出現的最大溫度很好地近似。
[0046] 如圖4和5中所圖示的，子區16'（以及可選地還有所隱藏的子區15'）具有將溫 度傳感器二極體50的陰極區15'、16'和溫度感測接觸端子24電互連的稍長截面161'。此 夕卜，再次參考圖3,例如摻雜的多晶半導體材料的導電層62、第一導電類型(在這裡：'η'）的 弱摻雜的半導體區15''和重摻雜的半導體區16''兩者互連柵極電極33和柵極接觸端子 23。為了避免導電層62和源極電極焊盤22以及布置在(多個)有源電晶體單元區域3中的 半導體本體10的該截面二者之間的短路，在導電層62和底面12之間以及在導電層62和 源極電極焊盤22之間分別提供電介質44。
[0047] 在圖3中，柵極電極33中的僅一個看來似乎被連接到柵極接觸端子23。然而，事 實上所有電晶體單元30的柵極電極33被圖3中隱藏的導電連接線互連。
[0048] 接觸端子21、22、23、24用來將功率電晶體100電連接到外部設備和/或電路，t匕 如電路板、電源、負載等等。因此，需要端子21、22、23、24具有低的電阻，可以通過將端子 21、22、23、24形成為由金屬組成或者包括金屬和/或由摻雜的多晶半導體材料（比如矽等） 組成或包括該摻雜的多晶半導體材料的層來實現所述低的電阻，所述金屬例如鋁、銅、鎢、 鈦、鑰、具有這些金屬中的至少一個的合金。
[0049] 現在參考圖6,圖示了圖1到5的功率電晶體100的摻雜輪廓。該實施例說明溫 度傳感器二極體50和電晶體單元30可以可選地具有對功率電晶體100的生產有利的相同 均勻摻雜輪廓，因為溫度傳感器二極體50和電晶體單元30可以共享共同生產工藝。如圖 6中示例性圖示的這樣的均勻摻雜輪廓可以沿著垂直於底面12延伸的兩條平行直線g3和 g50兩者看起來是相同的，其中直線g50橫斷包括陽極區14'和陰極區15'、16'的溫度傳感 器二極體50。直線g3橫斷包括本體區14、漂移區15和漏極區16的電晶體單元30。
[0050] 在上面的圖中，已經作為示例針對η溝道電晶體（即針對其中第一導電類型是'η' 且第二導電類型是'Ρ'的電晶體）解釋了根據本發明的功率電晶體100。然而，還可以在Ρ 溝道電晶體中（即在其中第一導電類型是'Ρ'且第二導電類型是'η'的電晶體中）實現相同 的原理。在圖7中針對ρ溝道電晶體100圖示了這一點，該ρ溝道電晶體100具有與參考 圖1到6解釋的η溝道電晶體100相同的結構，除了導電類型被交換之外。
[0051] 現在參考圖8,圖示了用於確定已經如上文解釋的功率電晶體100的溫度傳感器 二極體50的溫度狀態的第一實施例。根據該第一實施例，溫度傳感器二極體50的ρη結18 在其中確定溫度傳感器二極體50的溫度狀態的時段期間被反向偏置。由此，功率電晶體 100是η溝道電晶體並且以低側配置操作。
[0052] 源極接觸端子22被直接連接到地電勢GND1或者可以與GND1相同的負供應電勢 Vs_。負載70被連接在第一正供應電勢（Vs+)和漏極接觸端子21之間。也就是說，負載70 與電晶體100的負載路徑串聯連接，所述負載路徑被形成在源極接觸端子22和漏極接觸端 子21之間。可以通過將適當的電勢施加到柵極接觸端子23來控制負載路徑的電氣導電性。
[0053] 此外，電流源80 (例如恆定電流源）被連接在第二正供應電勢（VDD)和溫度感測接 觸端子24之間。溫度評估單元90 (例如比較器、Schmitt觸發器、模數轉換器、閾值開關、 變換器等等）的輸入端被連接到在電流源80和溫度感測接觸端子24之間的電路節點N1。
[0054] 根據通過電流源80的電流和溫度傳感器二極體50的溫度，作為對溫度傳感器二 極管50的溫度的度量的電勢出現在溫度評估單元90的輸入端處並且可以由溫度評估單元 90來進一步評估。根據溫度評估單元90的類型，溫度評估單元90的輸出端93可以提供與 溫度傳感器二極體50的溫度相對應的模擬或數字控制信號's'（例如電壓或電流信號)，或 者指示溫度傳感器二極體50的溫度是否超過預定義值的數字控制信號's'。
[0055] 在該電路中，溫度傳感器二極體50的ρη結18被反向偏置，並且與溫度有關的反 向電流流動通過ρη結18。如果ρη結18的溫度增加，則反向電流也將增加，並且在某一時 間超過由電流源80提供的電流Is，且電路節點N1處的電勢將從約VDD向GND1和/或Vs-電 勢下降。溫度測量可以獨立於電晶體單元30的共同切換狀態而發生，也就是說，可以在其 中電晶體單元30接通（導通狀態）的時段期間，也可以在其中電晶體單元30斷開（阻斷狀 態）的時段期間來實施溫度測量。
[0056] 現在參考圖9,圖示了用於確定已經如上文參考圖1到6解釋的功率電晶體100的 溫度傳感器二極體50的溫度狀態的第二實施例。根據該第二實施例，溫度傳感器二極體50 的pn結18在其中確定溫度傳感器二極體50的溫度狀態的時段期間被正向偏置。再次，功 率電晶體100是η溝道電晶體但是這次以高側配置操作。
[0057] 漏極接觸端子21被直接連接到正供應電勢（Vs+)。負載70被連接在源極接觸端 子22和地電勢GND1之間或者被連接到可以等同於GND1的負供應電勢Vs-。也就是說，負 載70與電晶體100的負載路徑串聯連接。
[0058] 此外，電流源80 (例如恆定電流源）被連接在溫度感測接觸端子24和另一地電勢 GND2或者可以等同於GND2的另一負供應電勢Vss之間。溫度評估單元90 (例如比較器、 Schmitt觸發器、模數轉換器、閾值開關、變換器等等）的第一輸入端91被連接在源極接觸 端子22和電路節點N2之間，電路節點N2在電流源80和溫度感測接觸端子24之間的。提 供參考電壓V KEF的參考電壓源94被連接在溫度評估單元90的第二輸入端92和源極接觸 端子22之間。
[0059] 在該電路中，溫度傳感器二極體50的pn結18被正向偏置，並且與溫度有關的正 向電流流動通過pn結18。在該配置中，溫度傳感器二極體50兩端的正向電壓以及與其相 關聯的源極接觸端子22和電路節點N2之間的電壓的絕對值隨著pn結18的溫度增大而下 降。
[0060] 在溫度評估單元90的輸入端91和92處的電勢之間的差是對溫度傳感器二極體 50的溫度的度量。根據溫度評估單元90的類型，溫度評估單元90的輸出端93可以提供與 溫度傳感器二極體50的溫度相對應的模擬或數字控制信號's'（例如電壓或電流信號）或 者指示溫度傳感器二極體50的溫度是否超過預定義的值的數字控制信號's'。
[0061] 現在參考圖10,圖示了用於確定已經如上文參考圖1到6解釋的功率電晶體100 的溫度傳感器二極體50的溫度狀態的第三實施例。根據該第三實施例，溫度傳感器二極體 50的pn結18在其中確定溫度傳感器二極體50的溫度狀態的時段期間被反向偏置。再次， 功率電晶體100是以高側配置操作的η溝道電晶體。
[0062] 漏極接觸端子21被直接連接到正供應電勢（Vs+)。負載70被連接在源極接觸端 子22和地電勢GND1或可以等同於GND1的負供應電勢V s-之間。也就是說，負載70與晶 體管100的負載路徑串聯連接。
[0063] 此外，電流源80 (例如恆定電流源）被連接在柵極接觸端子23和溫度感測接觸端 子24之間。如在溫度傳感器二極體50被反向偏置的該配置中，施加到柵極接觸端子23的 控制電壓基本上不被電流源80的影響。溫度評估單元90 (例如比較器、Schmitt觸發器、 模數轉換器、閾值開關、變換器等等）的輸入端被連接到電流源80和溫度感測接觸端子24 之間的電路節點N3。
[0064] 在該電路中，溫度傳感器二極體50的pn結18被反向偏置，並且與溫度有關的反 向電流流動通過pn結18。如果pn結18的溫度增大，則反向電流也將增大並且改變可以被 檢測且由溫度評估單元90評估的電路節點N3處出現的電勢。
[0065] 在溫度評估單元90的輸入端處的電勢是對溫度傳感器二極體50的溫度的度量。 根據溫度評估單元90的類型，溫度評估單元90的輸出端93可以提供與溫度傳感器二極體 50的溫度相對應的模擬或數字控制信號's'（例如電壓或電流信號）或者指示溫度傳感器 二極體50的溫度是否超過預定義值的數字控制信號's'。
[0066] 如圖11中進一步圖示的，參考圖9和10解釋的電路的原理可以彼此組合從而共 享相同的功率電晶體100,使得可以使用以正向偏置的ΡΠ 結18測量溫度的第一子電路或 者使用以反向偏置的pn結18測量溫度的第二子電路來測量pn結18處的溫度。在兩種情 況下，功率電晶體100可以是以高側配置操作的η溝道電晶體。即使在功率電晶體100的 負載路徑被接通(導電狀態)的情況下，而且還在功率電晶體100的負載路徑被斷開(阻斷狀 態)的情況下，可以使用第一子電路進行測量溫度。可以在功率電晶體100的負載路徑被斷 開(阻斷狀態）的情況下，使用第二子電路來進行測量溫度。
[0067] 為了使用第一子電路來確定溫度狀態，溫度感測接觸端子24可經由第一開關S1 電連接到第一子電路。因此，為了使用第二子電路來確定溫度狀態，溫度感測接觸端子24 可經由第二開關S2電連接到第二子電路。第一和第二開關S1和S2意圖代表比如例如晶 體管之類的任意開關。
[0068] 在相同的時間點處，第一和第二開關S1和S2的切換狀態可以如下：S1和S2兩者 打開（阻斷狀態）；或者S1閉合(導通狀態）且S2打開（阻斷狀態）；或者S1打開(導通狀態） 且S2閉合(阻斷狀態)。也就是說，在每個時間點處至多開關S1和S2中的一個被閉合。
[0069] 在圖11的示例中，漏極接觸端子21被直接連接到正供應電勢（Vs+)。負載70被 連接在源極接觸端子22和地電勢GND1或可以等同於GND1的負供應電勢V s-之間。也就 是說，負載70與電晶體100的負載路徑串聯連接。
[0070] 第一子電路包括電流源80、參考電壓源94和溫度評估單元90。因此，第二子電路 包括第二電流源80'、第二參考電壓源94'、和第二溫度評估單元90'。第一電流源80和第 二電流源80'串聯電連接在第一開關S1和第二開關S2之間。
[0071] 在第一子電路中，電流源80(例如恆定電流源)被連接在第一開關S1和另一地電勢 GND2或可以等同於GND2的負供應電勢Vss'之間。溫度評估單元90 (例如比較器、Schmitt 觸發器、模數轉換器、閾值開關、變換器等等)的第一輸入端91在電路節點N2處被電連接到 溫度感測接觸端子24。電流源80電連接在第一開關SW1和GND2/V SS之間。如果第一開關 SW1被閉合（SW1的導通狀態)，則電流源80電連接在電路節點N2和GND2/VSS之間並且提供 電流I s。根據該電流Is和溫度傳感器二極體50的溫度，在溫度評估單元90的第一輸入端 91處出現電勢。
[0072] 此外，提供參考電壓VKEF的參考電壓源94被連接在溫度評估單元90的第二輸入 端92和源極接觸端子22之間，使得第二輸入端92具有相對於源極接觸端子22的明確定 義的電勢。因此，在溫度評估單元90的輸入端91和92處的電勢之間的電勢差是對溫度傳 感器二極體50的溫度的度量並且可以由溫度評估單元90來評估。
[0073] 根據溫度評估單元90的類型，溫度評估單元90的輸出端93可以提供與溫度傳感 器二極體50的溫度相對應的模擬或數字控制信號's'（例如電壓或電流信號）或者指示溫 度傳感器二極體50的溫度是否超過預定義值的數字控制信號's'。
[0074] 在該第一子電路中，溫度傳感器二極體50的pn結18被正向偏置，並且與溫度有 關的正向電流流動通過pn結18。在該配置中，溫度傳感器二極體50兩端的正向電壓以及 與其相關聯的源極接觸端子22和電路節點N2之間的電壓的絕對值隨著pn結18的溫度增 大而下降。
[0075] 在第二子電路中，電流源80'（例如恆定電流源）被連接在第二正供應電勢VDD和 第二開關S2之間。電流源80'和第二開關S2串聯連接在第二正供應電勢V DD和溫度感測 接觸端子24之間。如果第二開關S2被閉合，則電流源80'被連接在第二正供應電勢VDD和 溫度感測接觸端子24之間。
[0076] 提供參考電壓V' KEF的參考電壓源94'被連接在溫度評估單元90'（例如比較器、 Schmitt觸發器、模數轉換器、閾值開關、變換器等等)的第一輸入端91'和還有的另一地電 勢GND2'或可以等同於GND2'的負供應電勢V'ss之間。溫度評估單元90'的第二輸入端 92'被連接到溫度感測接觸端子24。由於參考電壓源94'，溫度評估單元90'的第一輸入端 91'具有相對於V' SS/GND2'的明確定義的電勢。
[0077] 如果在該第二子電路中第二開關S2被閉合，則通過電流源80'的電流I's建立， 並且依賴於該電流Γ s和溫度傳感器二極體50的溫度，作為對溫度傳感器二極體50的溫 度的度量的電勢差出現在溫度評估單元90的輸入端91'和92'之間。可以進一步通過溫 度評估單元90來評估該電勢差。根據溫度評估單元90的類型，溫度評估單元90的輸出端 93可以提供與溫度傳感器二極體50的溫度相對應的模擬或數字控制信號s'（例如電壓或 電流信號）或者指示溫度傳感器二極體50的溫度是否超過預定義值的數字控制信號s'。 [0078] 使用第二子電路，溫度傳感器二極體50的pn結18在其中確定溫度傳感器二極體 50的溫度狀態的時段期間是反向偏置的。
[0079] 可選地，第一子電路可以包括具有第一輸入端191、第二輸入端192、和輸出端193 的邏輯電路190。該第一輸入端191被連接到輸出端93以便接收由溫度評估單元90提供 的輸出控制信號s。如果將使能信號EN施加到邏輯電路190的第二輸入端192,則接收到 的輸出控制信號's'或對應的控制信號's'被提供在邏輯電路190的輸出端193處。如果 第一開關S1被閉合，則使能信號EN可以被提供給第二輸入端192。
[0080] 同樣可選地，第二子電路可以包括具有第一輸入端191'、第二輸入端192'、和輸 出端193'的另一邏輯電路190'。該第一輸入端191'被連接到輸出端93'以便接收由溫 度評估單元90'提供的輸出控制信號s'。如果將另一使能信號EN'施加到另一邏輯電路 190'的第二輸入端192'，則接收到的輸出控制信號s'或對應的控制信號s'被提供在另一 邏輯電路190'的輸出端193'處。如果第一開關S1被閉合，則另一使能信號EN'可以被提 供給第二輸入端192。
[0081] 在圖示的實施例中，邏輯電路190、190'被設計為邏輯與門。然而，還可以使用提 供相同功能的任何其它邏輯電路。
[0082] 在如先前參考上面的實施例所解釋的功率電晶體中，正向或反向偏置的pn結18 上的電壓降可以被用來確定pn結18處的溫度，和/或觸發操作，例如如果與電壓降相對應 的溫度達到或超過預定義值則將功率電晶體100的負載路徑斷開(過熱保護)。這在圖12 中通過解釋用於操作圖1的功率電晶體100的方法的示圖來說明。根據第一步驟200,提 供功率電晶體100。功率電晶體100可以具有上面解釋的結構中的任何一個。根據隨後的 步驟210,檢測該電晶體100的溫度傳感器二極體50的pn結18兩端的與溫度有關的電壓 降。基於該電壓降，可以確定pn結18處對應的溫度(參見步驟220)。可替換地或另外地， 如果電壓降達到或超過預定義的閾值則可以產生模擬和/或數字控制信號。在可選的另一 步驟230中，如果所確定的溫度達到或超過預定義的值和/或如果控制信號出現，則將功率 電晶體斷開。在該意義上，"斷開"意味著通過將適當的電氣控制電勢施加到柵極接觸端子 23來將源極接觸端子22和漏極接觸端子21之間的功率電晶體負載路徑切換到其高歐姆 (阻斷）狀態。
[0083] 當然，還可以確定pn結18處的溫度，以達到除了過熱保護以及除了將功率電晶體 的負載路徑斷開的目的。例如為了顯示和/或記錄溫度。
[0084] 如這裡所使用的，術語"具有"、"包含"、"包括"、"含有"等等是開放性的術語，其指 示所闡述的元件或特徵的存在，但不排除附加元件或特徵。冠詞"一"、"一個"和"該"意圖 包括複數以及單數，除非上下文清楚地另外指示。
[0085] 考慮到變化和應用的上述範圍，應該理解本發明不被前述描述來限制，也不被附 圖限制。更確切地說，本發明僅由所附權利要求和它們的法定等同物來限制。
【權利要求】
1. 一種功率電晶體，包括： 半導體本體，該半導體本體包括： 底面以及在垂直方向上與所述底面遠離隔開的頂面； 多個電晶體單元； 第一導電類型的源極區； 與所述第一導電類型互補的第二導電類型的本體區； 第一導電類型的漂移區； 漏極區； 溫度傳感器二極體，該溫度傳感器二極體包括形成在η摻雜的陰極區和p摻雜的陽極 區之間的ρη結； 布置在所述頂面上的漏極接觸端子； 布置在所述底面上的源極接觸端子； 柵極接觸端子；以及 布置在所述頂面上並且與所述漏極接觸端子介電絕緣的溫度感測接觸端子； 其中，或者 (I) 所述第一導電類型是'η'並且所述第二導電類型是'ρ'，所述陽極區電連接到所述 源極接觸端子，並且所述陰極區電連接到所述溫度感測接觸端子；或者 (II) 所述第一導電類型是'Ρ'並且所述第二導電類型是'η'，所述陰極區電連接到所 述源極接觸端子，並且所述陽極區電連接到所述溫度感測接觸端子。
2. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述陰極區通過第一電介質與所述漂移 區和漏極區兩者介電絕緣。
3. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述ρη結與所述底面之間的距離小於所 述ρη結與所述頂面之間的距離。
4. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述本體區在垂直方向上包括第一摻雜 輪廓，並且其中所述陽極區在垂直方向上包括與所述第一摻雜輪廓相同的第二摻雜輪廓。
5. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述漂移區在垂直方向上包括第一摻雜 輪廓，並且其中所述陰極區的第一子區在垂直方向上包括與所述第一摻雜輪廓相同的第二 摻雜輪廓。
6. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述漏極區在垂直方向上包括第一摻雜 輪廓，並且其中所述陰極區的第二子區在垂直方向上包括與所述第一摻雜輪廓相同的第二 摻雜輪廓。
7. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述漏極接觸端子是沒有通孔的連續連 接層。
8. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述陽極區被所述漏極接觸端子完全覆 蓋。
9. 根據權利要求1中所述的功率電晶體，其中所述柵極接觸端子被布置在所述頂面 上。
10. -種功率電晶體電路，包括： (a)功率電晶體，該功率電晶體包括： 半導體本體，該半導體本體包括： 底面以及在垂直方向上與所述底面遠離隔開的頂面； 多個電晶體單元； 第一導電類型的源極區； 與所述第一導電類型互補的第二導電類型的本體區； 第一導電類型的漂移區； 漏極區； 溫度傳感器二極體，該溫度傳感器二極體包括形成在η摻雜的陰極區和p摻雜的陽極 區之間的ρη結； 布置在所述頂面上的漏極接觸端子； 布置在所述底面上的源極接觸端子； 柵極接觸端子；以及 布置在所述頂面上並且與所述漏極接觸端子介電絕緣的溫度感測接觸端子； 其中，或者 (I) 所述第一導電類型是'η'並且所述第二導電類型是'ρ'，所述陽極區電連接到所述 源極接觸端子，並且所述陰極區電連接到所述溫度感測接觸端子；或者 (II) 所述第一導電類型是'Ρ'並且所述第二導電類型是'η'，所述陰極區電連接到所 述源極接觸端子，並且所述陽極區電連接到所述溫度感測接觸端子； 以及 (b)評估單元，其被配置成評估所述ρη結兩端與溫度有關的電壓降，所述評估單元包 括電連接到所述溫度感測接觸端子的輸入端。
11. 根據權利要求10中所述的功率電晶體電路，還包括電流源，其電連接到所述溫度 感測接觸端子和所述評估單元的輸入端之間的電路節點。
12. 根據權利要求11中所述的功率電晶體電路，其中所述電流源是恆定電流源。
13. 根據權利要求10中所述的功率電晶體電路，還包括： 第一供應電勢，其電連接到所述源極接觸端子； 第二供應電勢，其相對於所述第一供應電勢是正的； 第三供應電勢，其電連接到所述溫度感測接觸端子，所述第三供應電勢相對於所述第 一供應電勢是正的； 電負載，其電連接在所述漏極接觸端子和所述第二供應電勢之間；以及 電流源，其電連接在所述第三供應電勢和所述溫度感測接觸端子之間。
14. 根據權利要求13中所述的功率電晶體電路，還包括溫度評估單元，其包括電連接 到所述溫度感測接觸端子的第一輸入端。
15. 根據權利要求10中所述的功率電晶體電路，還包括： 第一供應電勢； 第二供應電勢； 第三供應電勢，其相對於所述第一和第二供應電勢兩者是正的； 電負載，其電連接在所述源極接觸端子和所述第一供應電勢之間；以及 電流源，其電連接在所述溫度感測接觸端子和所述第二供應電勢之間。
16. 根據權利要求15中所述的功率電晶體電路，還包括溫度評估單元，其包括電連接 到所述溫度感測接觸端子的第一輸入端。
17. 根據權利要求16中所述的功率電晶體電路，還包括參考恆定電壓源，其電連接在 所述溫度評估單元的第二輸入端和所述源極接觸端子之間。
18. 根據權利要求10中所述的功率電晶體電路，還包括： 第一供應電勢，其經由負載電連接到所述源極接觸端子； 第二供應電勢，其相對於所述第一供應電勢是正的；以及 電流源，其電連接在所述溫度感測接觸端子和所述功率電晶體的柵極接觸端子之間。
19. 根據權利要求18中所述的功率電晶體電路，還包括溫度評估單元，其包括電連接 到所述溫度感測接觸端子的輸入端。
20. 根據權利要求10中所述的功率電晶體電路，其中所述柵極接觸端子被布置在所述 頂面上。
21. -種功率電晶體電路，包括： (a) 功率電晶體，該功率電晶體包括： 半導體本體，該半導體本體包括： 底面以及在垂直方向上與所述底面遠離隔開的頂面； 多個電晶體單元； 第一導電類型的源極區； 與所述第一導電類型互補的第二導電類型的本體區； 第一導電類型的漂移區； 漏極區； 溫度傳感器二極體，該溫度傳感器二極體包括形成在η摻雜的陰極區和p摻雜的陽極 區之間的ρη結； 布置在所述頂面上的漏極接觸端子； 布置在所述底面上的源極接觸端子； 柵極接觸端子；以及 布置在所述頂面上並且與所述漏極接觸端子介電絕緣的溫度感測接觸端子； 其中，或者 (I) 所述第一導電類型是'η'並且所述第二導電類型是'ρ'，所述陽極區電連接到所述 源極接觸端子，並且所述陰極區電連接到所述溫度感測接觸端子；或者 (II) 所述第一導電類型是'Ρ'並且所述第二導電類型是'η'，所述陰極區電連接到所 述源極接觸端子，並且所述陽極區電連接到所述溫度感測接觸端子； 以及 (b) 電子電路，該電子電路包括： 第一評估單元，其被配置成評估所述ρη結兩端與溫度有關的電壓降； 第二評估單元，其被配置成評估所述ρη結兩端與溫度有關的電壓降； 第一開關和第二開關；以及 串聯電連接在所述第一開關和第二開關之間的第一電流源和第二電流源， 其中 所述第一開關包括閉合狀態，在該閉合狀態中所述第一開關電連接所述第一電流源和 所述溫度感測接觸端子， 所述第一開關包括打開狀態，在所述打開狀態中所述第一電流源與所述溫度感測接觸 端子電斷開， 所述第二開關包括閉合狀態，在該閉合狀態中所述第二開關電連接所述第二電流源和 所述溫度感測接觸端子，並且 所述第二開關包括打開狀態，在所述打開狀態中所述第二電流源與所述溫度感測接觸 端子電斷開。
22. -種用於操作功率電晶體的方法，該方法包括： 提供功率電晶體，該功率電晶體包括： 半導體本體，該半導體本體包括： 底面以及在垂直方向上與所述底面遠離隔開的頂面； 多個電晶體單元； 第一導電類型的源極區； 與所述第一導電類型互補的第二導電類型的本體區； 第一導電類型的漂移區； 漏極區； 溫度傳感器二極體，該溫度傳感器二極體包括形成在η摻雜的陰極區和p摻雜的陽極 區之間的ρη結； 布置在所述頂面上的漏極接觸端子； 布置在所述底面上的源極接觸端子； 柵極接觸端子；以及 布置在所述頂面上並且與所述漏極接觸端子介電絕緣的溫度感測接觸端子； 其中，或者 (I) 所述第一導電類型是'η'並且所述第二導電類型是'ρ'，所述陽極區電連接到所述 源極接觸端子，並且所述陰極區電連接到所述溫度感測接觸端子；或者 (II) 所述第一導電類型是'Ρ'並且所述第二導電類型是'η'，所述陰極區電連接到所 述源極接觸端子，並且所述陽極區電連接到所述溫度感測接觸端子； 以及 檢測所述ρη結兩端與溫度有關的電壓降。
23. 根據權利要求22中所述的方法，其中根據所述電壓降來確定所述ρη結處的溫度。
24. 根據權利要求22中所述的方法，其中如果與所述電壓降相對應的溫度達到或超過 預定義的值，則產生控制信號。
25. 根據權利要求24中所述的方法，其中如果出現所述控制信號，則所述功率電晶體 被斷開。
26. 根據權利要求22中所述的方法，其中在所述ρη結被正向偏置操作的情況下，檢測 所述ρη結兩端與溫度有關的電壓降。
27. 根據權利要求22中所述的方法，其中在所述ρη結被反向偏置操作的情況下，檢測 所述ρη結兩端與溫度有關的電壓降。
28. 根據權利要求22中所述的方法，其中當形成在所述漏極接觸端子和所述源極接觸 端子之間的負載路徑處於電導通狀態時，檢測所述pn結兩端與溫度有關的電壓降。
29. -種用於操作功率電晶體電路的方法，該方法包括： (a)提供功率電晶體，該功率電晶體包括： 半導體本體，該半導體本體包括： 底面以及在垂直方向上與所述底面遠離隔開的頂面； 多個電晶體單元； 第一導電類型的源極區； 與所述第一導電類型互補的第二導電類型的本體區； 第一導電類型的漂移區； 漏極區； 溫度傳感器二極體，該溫度傳感器二極體包括形成在η摻雜的陰極區和p摻雜的陽極 區之間的pn結； 布置在所述頂面上的漏極接觸端子； 布置在所述底面上的源極接觸端子； 柵極接觸端子；以及 布置在所述頂面上並且與所述漏極接觸端子介電絕緣的溫度感測接觸端子； 其中，或者 (I) 所述第一導電類型是'η'並且所述第二導電類型是'p'，所述陽極區電連接到所述 源極接觸端子；並且所述陰極區電連接到所述溫度感測接觸端子；或者 (II) 所述第一導電類型是'Ρ'並且所述第二導電類型是'η'，所述陰極區電連接到所 述源極接觸端子，並且所述陽極區電連接到所述溫度感測接觸端子； 以及 (b )提供電子電路，該電子電路包括： 第一評估單元，其被配置成評估所述pn結兩端與溫度有關的電壓降； 第二評估單元，其被配置成評估所述pn結兩端與溫度有關的電壓降； 第一開關和第二開關；以及 串聯電連接在所述第一開關和第二開關之間的第一電流源和第二電流源， 其中 所述第一開關包括閉合狀態，在該閉合狀態中所述第一開關電連接所述第一電流源和 所述溫度感測接觸端子； 所述第一開關包括打開狀態，在所述打開狀態中所述第一電流源與所述溫度感測接觸 端子電斷開； 所述第二開關包括閉合狀態，在該閉合狀態中所述第二開關電連接所述第二電流源和 所述溫度感測接觸端子； 所述第二開關包括打開狀態，在所述打開狀態中所述第二電流源與所述溫度感測接觸 端子電斷開； 該方法還包括以下步驟中的一個或二者： (cl)在所述第一開關處於其閉合狀態的情況下並且在所述第二開關處於其打開狀態 的情況下檢測pn結兩端與溫度有關的電壓降； (c2)在所述第二開關處於其閉合狀態的情況下並且在所述第一開關處於其打開狀態 的情況下檢測pn結兩端與溫度有關的電壓降。
30.根據權利要求29中所述的方法，其中： 所述功率電晶體包括形成在所述源極接觸端子和所述漏極接觸端子之間的可控負載 路徑，其中所述可控負載路徑能夠從電導通狀態切換到電阻斷狀態；以及 在其中所述功率電晶體的可控負載路徑處於其電導通狀態中的狀態下，檢測與溫度有 關的電壓降。
【文檔編號】H01L29/78GK104157644SQ201410199328
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2013年5月13日
【發明者】A.邁澤, S.蒂勒 申請人:英飛凌科技股份有限公司