一种功率晶体管、功率晶体管电路以及其操作方法

一种功率晶体管、功率晶体管电路以及其操作方法
【专利摘要】一种功率晶体管、功率晶体管电路以及其操作方法。功率晶体管具有半导体本体，其具有底面以及在垂直方向上与该底面远离隔开的顶面。该半导体本体包括多个晶体管单元、第一导电类型的源极区、第二导电类型的本体区、第一导电类型的漂移区、漏极区和具有在n掺杂的阴极区和p掺杂的阳极区之间的pn结的温度传感器二极管。该功率晶体管还具有顶面上的漏极接触端子、底面上的源极接触端子、栅极接触端子、和顶面上的温度感测接触端子。根据第一和第二导电类型，阳极或阴极区电连接到源极接触端子并且另一二极管区被电连接到温度感测接触端子。
【专利说明】一种功率晶体管、功率晶体管电路以及其操作方法

【技术领域】
[0001] 本发明的实施例涉及具有集成温度传感器的功率晶体管、功率晶体管电路、用于 操作功率晶体管的方法和用于操作功率晶体管电路的方法。

【背景技术】
[0002] 诸如M0SFET或IGBT等等之类的晶体管被广泛地用于控制或切换在不同种类的应 用中的负载，诸如在变换器（inverter )、电压调节器、电流调节器或用于驱动电负载(诸如 灯、阀、电动机等）的驱动电路中。这种晶体管通常是具有在晶体管单元场中布置并且并联 电连接的多个同样的晶体管单元的η或p沟道功率晶体管。
[0003] 在操作期间，通过将控制电压施加到接触端子来使通过晶体管负载路径的电流接 通或断开或调整到某一值。负载路径被形成在一方面的源极或发射极电极和另一方面的漏 极或集电极电极之间。
[0004] 根据在其中使用功率晶体管的特定应用，负载路径通常与要被控制的负载或在正 和负电力供应电势之间的另一功率晶体管(例如作为桥式配置）串联连接。在这样的布置 中，功率晶体管被用作高侧（HS，high-side)晶体管或低侧（LS，low-side)晶体管。在HS 晶体管的情况下，其负载路径被电连接在正供应电势和负载或另一功率晶体管之间。因此， 在LS晶体管的情况下，其负载路径被电连接在负供应电势和负载或另一功率晶体管之间。
[0005] 当前可用的功率晶体管可以被操作在高温下，例如在多于150°C下、在多于175°C 下、或甚至在多于200°C下。然而，如果功率晶体管的温度超过最大可允许温度，则晶体 管可能被损坏或毁坏。因此，为了检测晶体管的温度，许多现代功率晶体管（比如在US 6, 876, 043 B1中或在US 7, 835, 129 B2中所描述的那些)具有通过漏极-体-二极管形成 的集成温度传感器元件，其中漏极-体-二极管的阴极连接到漏极。在η沟道晶体管的情 况下，在HS配置中使用是不成问题的。然而，在LS配置中，如果功率晶体管的负载路径被 接通并且电流通过它，则总是存在加热。在该导通状态下，功率晶体管的漏极电势和源极电 势之间的差总计仅大约l〇〇mV，这不足以合理地评估信号。因此，在这样的配置中，只有功率 晶体管被断开（即在其中晶体管冷却的状态下)，合理的温度测量结果才是可用的。
[0006] 因此，存在一种对考虑到即使在其中功率晶体管被接通的状态下检测功率晶体管 的温度的解决方案的需要。


【发明内容】

[0007] 第一实施例涉及一种功率晶体管，该晶体管具有半导体本体，该半导体本体具有 底面并且具有在垂直方向上与该底面远离隔开的顶面。多个晶体管单元被布置在该半导体 本体中。此外，在半导体本体中形成第一导电类型的源极区、与该第一导电类型互补的第二 导电类型的本体区、第一导电类型的漂移区、漏极区和温度传感器二极管，该温度传感器二 极管具有形成在η掺杂的阴极区和p掺杂的阳极区之间的pn结。然后，该功率晶体管具有 布置在顶面上的漏极接触端子、布置在底面上的源极接触端子、栅极接触端子和布置在顶 面上并且与该漏极接触端子介电绝缘的温度感测接触端子。如果（I)第一导电类型是'η' 并且第二导电类型是'Ρ'，则阳极区电连接到源极接触端子并且阴极区电连接到温度感测 接触端子；或者，否则，如果（II)第一导电类型是'Ρ'并且第二导电类型是'η'，则阴极区电 连接到源极接触端子，并且阳极区电连接到温度感测接触端子。
[0008] 该功率晶体管可以是任何种类的功率晶体管，特别地具有电绝缘栅的任何种类的 场效应晶体管，比如M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT (绝缘栅双极型晶 体管)。进一步要注意的是，就本发明的意义而言，术语"源极"还包括"发射极"，并且术语 "漏极"还包括"集电极"。因此，术语"源极接触端子"还包括"发射极接触端子"，并且术语 "漏极接触端子"包括"集电极接触端子"。
[0009] 第二实施例涉及一种用于操作根据第一实施例的这种功率晶体管的方法，在该方 法中检测ρη结（18)两端与温度有关的电压降。
[0010] 第三实施例涉及具有根据第一实施例的功率晶体管以及被配置成评估ρη结两端 与温度有关的电压降的评估单元的功率晶体管电路。该评估单元具有电连接到温度感测接 触端子的输入端。
[0011] 第四实施例涉及具有根据第一实施例的功率晶体管，以及具有第一评估单元和第 二评估单元的电子电路的功率晶体管电路。该第一评估单元被设计成评估ρη结两端与温 度有关的电压降。因此，该第二评估单元被设计成评估ρη结两端与温度有关的电压降。该 电子电路还具有第一开关、第二开关、第一电流源和第二电流源。该第一电流源和第二电流 源串联电连接在第一开关和第二开关之间。该第一开关具有闭合状态，在该闭合状态中它 将第一电流源和温度感测接触端子电连接。该第一开关还具有打开状态，在该打开状态中 第一电流源与温度感测接触端子电断开。因此，该第二开关具有闭合状态，在该闭合状态中 它将第二电流源和温度感测接触端子电连接。该第二开关还包括打开状态，在该打开状态 中第二电流源与温度感测接触端子电断开。
[0012] 第五实施例涉及一种用于操作功率晶体管电路的方法，在该方法中，提供根据第 四实施例的功率晶体管电路。该方法还包括下述步骤中的一个或两者： (cl)在第一开关处于其闭合状态的情况下并且在第二开关处于其打开状态的情况下 检测ρη结两端与温度有关的电压降；以及 (c2)在第二开关处于其闭合状态的情况下并且在第一开关处于其打开状态的情况下 检测ρη结两端与温度有关的电压降。
[0013] 本领域技术人员在阅读了下面的详细描述时并且在查看了附图时将认识到附加 的特征和优点。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 现在将参考附图来解释示例。附图用来说明基本原理，以便仅说明对理解该基本 原理所必需的方面。附图没有按照比例。在附图中，相同的参考字符表示相似的特征。
[0015] 图1是说明半导体本体中温度传感器二极管的位置的功率晶体管的实施例的顶 视图。
[0016] 图2是通过图1的功率晶体管在截面平面Ε1-Ε1中的截面的垂直截面视图。
[0017] 图3是通过图1的功率晶体管在截面平面Ε2-Ε2中的截面的垂直截面视图。
[0018] 图4是图1的功率晶体管在截面平面E4-E4中的水平截面视图。
[0019] 图5是图1的功率晶体管在截面平面E3-E3中的垂直截面视图。
[0020] 图6是说明图1的功率晶体管的掺杂轮廓（doping profile)的示图。
[0021] 图7是通过与图1的功率晶体管相对应的功率晶体管的截面的垂直截面视图，其 中差异是半导体区的导电类型被交换。
[0022] 图8是用于确定依赖于反向偏置pn结上的电压降的图1的功率晶体管的温度传 感器二极管的pn结处的温度的第一电路的电路图。
[0023] 图9是用于确定依赖于正向偏置pn结上的电压降的图1的功率晶体管的温度传 感器二极管的pn结处的温度的第二电路的电路图。
[0024] 图10是用于确定依赖于反向偏置pn结上的电压降的图1的功率晶体管的温度传 感器二极管的pn结处的温度的第三电路的电路图。
[0025] 图11是用于确定依赖于反向偏置pn结上的电压降的图1的功率晶体管的温度传 感器二极管的pn结处的温度的第四电路的电路图。
[0026] 图12是描述用于操作图1的功率晶体管的方法的示图。

【具体实施方式】
[0027] 在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过说明示出可 以在其中实行本发明的具体实施例。就这一点而言，参考所描述的图的取向来使用诸如 "顶"、"底"、"前"、"后"、"前面的"、"后面的"等等之类的方向术语。因为可以以多个不同取 向来定位实施例的部件，所以为了说明的目的使用该方向术语并且决不对其进行限制。要 理解的是，可以利用其它实施例并且可以在不偏离本发明范围的情况下作出结构或逻辑改 变。因此，不应以限制的意义来理解下面的详细描述，并且本发明的范围由所附权利要求限 定。要理解的是，本文描述的各种示例性实施例的特征可以彼此组合，除非以其它方式具体 指出。
[0028] 图1是功率晶体管100的顶视图。该晶体管100具有半导体本体10,其包括比如 硅（Si)、碳化硅（SiC)、砷化镓（GaAs)、磷化镓（GaP)或者任何其它IV-IV、III-V、II-VI半 导体材料的任意半导体材料。半导体本体10具有顶面11，在该顶面11上漏极（D)接触端 子21、栅极（G)接触端子23和温度感测接触端子24被布置成彼此电绝缘。漏极接触端子 21可以是不具有通孔的连续层。温度传感器二极管50位于半导体本体10中，远离半导体 本体10的侧向边缘101、102、103、104。温度传感器二极管50的位置由虚线来指示，因为它 被隐藏在漏极接触端子21下面看不见了。
[0029] 在图2到5的截面视图中图示图1的功率晶体管100的内部结构。图2是通过图 1的功率二极管100在截面平面E1-E1 (参见图1、4和5)中的截面的垂直截面视图。半导 体本体10的顶面11被布置成在垂直方向v上远离底面12。垂直方向v可以垂直于底面 12延伸。
[0030] 如可以从图2中看到的，功率晶体管100是具有布置在一个或多个有源晶体管单 元区域3中的多个晶体管单元30的垂直晶体管。例如，各个晶体管单元30可以被实现为 彼此平行延伸的条带单元。然而，单个晶体管单元30还可以具有比如矩形、正方形、六边形 或任意多边形的任何其它单元结构。
[0031] 第一导电类型(在这里：'η'）的漂移区15和与该第一导电类型互补的第二导电类 型(在这里：'Ρ'）的本体区14被形成在半导体本体10中。布置在漂移区15和底面12之 间的本体区14接触布置在底面12上的源极（S)接触端子22。此外，形成在半导体本体10 中的漏极区16被布置在顶面11和漂移区15之间并且直接邻接漂移区15。如果功率晶体 管100是M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)，则漏极区16是第一导电类型(在这 里：'η'），或者如果功率晶体管100是IGBT (绝缘栅双极型晶体管)，则漏极区16是第二导 电类型(在这里：'Ρ'）。在两种情况下，漏极区16具有比漂移区15的掺杂浓度更高的掺杂 浓度。在本发明的意义中，"掺杂浓度"涉及电有源掺杂物的浓度，也就是说涉及在被引入半 导体本体10中之后引起η-导电性或ρ-导电性的掺杂物的浓度。
[0032] 此外，晶体管单元30中的每个具有第一导电类型(在这里：'η'）的一个或多个重 掺杂的源极区13。
[0033] 对于M0SFET来说漂移区15的掺杂浓度在例如1015cnT3到10 17cnT3 (lE15cnT3到 lE17cnT3)的范围内，源极区13的掺杂浓度在1019cnT3到10 2°cnT3 (lE19cnT3到lE20cnT3)的 范围内，并且漏极区16的掺杂浓度在5*10 17cnT3到1021cnT3 (5E17cnT3到lE21cnT3)的范围 内，且对于IGBT来说例如在10 17cnT3到1019cnT3 (lE17cnT3到lE19cnT3)的范围内。
[0034] 为了控制源极接触端子22和漏极接触端子21之间的电流，晶体管单元30中的每 个具有栅极电极33,例如由比如多晶硅的掺杂多晶半导体材料组成或者包括其。栅极电介 质34 (例如半导体氧化物）邻近栅极电极33布置以便将该栅极电极33与漂移区15和本 体区14电绝缘。
[0035] 晶体管单元30彼此并联电连接。也就是说，对于晶体管单元30中的每个，源极区 13电连接到共同源极接触端子22,漏极区16电连接到共同漏极接触端子21，并且栅极电 极33电连接到共同栅极接触端子23。换言之，所有晶体管单元30共享共同漏极接触端子 21、共同源极接触端子22、和共同栅极接触端子23。
[0036] 此外，半导体本体10具有温度传感器二极管50,其具有η掺杂的阴极区15'、16' 和Ρ掺杂的阳极区14'。阳极区14'电连接到源极接触端子22,并且阴极区15'、16'电连 接到温度感测接触端子24 (参见图1)。此外，阳极区14'被漏极接触端子21完全覆盖。
[0037] 在η掺杂的阴极区15'、16'和ρ掺杂的阳极区14'之间形成ρη结18。该ρη结18 可以被用于感测功率晶体管100的温度。为了确定温度传感器二极管50的温度，可以在ρη 结18被操作为反向偏置的情况下测量和评估通过ρη结18的反向电流。这利用了这样的 事实，即这种反向偏置ρη结18的反向电流随着温度以指数形式升高。可替换地，在ρη结 18被正向偏置时将电流外加到ρη结18中，并且测量和评估ρη结18两端的正向电压也是 可能的。这利用了这样的事实，即这样的反向偏置ρη结18的正向电压也与温度有关。
[0038] 为了避免温度传感器二极管50和（多个）有源晶体管单元区域3之间的电干扰， 电介质41将温度传感器二极管50与（多个)有源晶体管单元区域3的（多个)本体区14、漂 移区15和漏极区16分离。电介质41是双壁的，在其之间具有多晶半导体材料61以便降 低机械应力。然而，多晶半导体材料61是可选的并且可以被电介质(例如电介质41)替代。 也就是说，电介质41也可以占用多晶半导体材料61的区域。
[0039] 此外，电介质42被提供在温度传感器二极管50之上。在产生漏极接触端子21之 前将该电介质42沉积在半导体本体10的顶面11上，以便避免漏极接触端子21引起温度 传感器二极管50和漏极区16之间的短路。
[0040] 该温度传感器二极管50可以与（多个）有源晶体管单元区域3的本体区14、漂移 区15和漏极区16并行产生。例如，漏极区16可以被提供为高度η掺杂（n+)半导体衬底， 在其上产生弱的η掺杂（n_)外延层。随后，通过常规技术（比如掩蔽扩散或掩蔽注入等等） 以结构化方式产生从背对高度η掺杂（η+)半导体衬底的该侧延伸到外延层中的ρ掺杂区 域。然后，产生功率晶体管100的剩余部分。在完成的功率晶体管100中，阴极区的漏极区 16和子区16'是高度η掺杂半导体衬底，漂移区15的剩余部分。阴极区的另一子区15'是 弱的η掺杂外延层的剩余部分，并且本体区14和阳极区14'是ρ掺杂区域的剩余部分。然 而，如果要被产生的功率晶体管1〇〇是IGBT，则替代高度η掺杂（η+)半导体衬底，可以用与 上文描述的相同的后续步骤来使用高度Ρ掺杂（Ρ+)半导体衬底。
[0041] 因此，使用这样的生产方法，产生温度传感器二极管50的工艺可以被容易地整合 在产生功率晶体管100的工艺中。另一结果是漏极区16和子区16'可以在垂直方向V上具 有相同的掺杂轮廓。因此，漂移区15和另一子区15'可以在垂直方向ν上具有相同的掺杂 轮廓。以相同的方式，本体区14和阳极区14'可以在垂直方向ν上具有相同的掺杂轮廓。
[0042] 晶体管单元30的图示结构是示例性的并且可以用晶体管单元30的任何其它单元 结构来实现本发明的原理。
[0043] 不同于所图示的示例，还可能提供具有与被电介质41、42、43和源极接触端子22 围绕的区域内的晶体管单元30相同的结构的晶体管单元结构，但是没有将该结构的'源极 区'电连接到源极接触端子22,以及可选地没有将该结构的'栅极电极'电连接到栅极接触 端子23。这样做，可以通过由电介质41、42、43将常规晶体管单元中的至少一个与其它晶 体管单元分离来简单地修改用于产生常规源极向下（source-down) /共同源极晶体管的工 艺，以便使用所分离的晶体管单元中的至少一个作为温度传感器二极管50,并且例如使用 要被禁用的单元和源极接触端子22之间布置的附加电介质来禁用所分离的晶体管单元中 的不需要的一个。然而，用作温度传感器二极管50的阳极区14'的所分开的晶体管单元的 '(多个）本体区'被电连接到如上文所描述的源极接触端子22。
[0044] 图3是图1的功率晶体管100在横断栅极接触端子23和温度感测接触端子24两 者的截面平面E2-E2 (参见图1、4和5)中的截面的垂直截面视图。图4是图1的功率晶体 管100在特定地横断平行于底面12的漏极区16和子区16'的截面平面E4-E4 (参见图2、 3和5)中的水平截面视图。图5是图1的功率晶体管100在横断温度传感器二极管50和 温度感测接触端子24两者的截面平面E3-E3 (见图1至4)中的截面的垂直截面视图。
[0045] 如可被看到的，当比较图2到5时，阳极区14'仅被布置在半导体本体10的中心 区域中，在那里通常会出现功率晶体管100的最大温度。在图4中，阳极区14'的位置由虚 线来指示，因为它被隐藏在子区15'和16'的下面看不见了。通过仅将阳极区14'布置在 半导体本体10的中心区域中，用于感测温度的pn结18也被仅布置在半导体本体10的中 心区域中。因此，所测量的温度与在功率晶体管100内出现的最大温度很好地近似。
[0046] 如图4和5中所图示的，子区16'（以及可选地还有所隐藏的子区15'）具有将温 度传感器二极管50的阴极区15'、16'和温度感测接触端子24电互连的稍长截面161'。此 夕卜，再次参考图3,例如掺杂的多晶半导体材料的导电层62、第一导电类型(在这里：'η'）的 弱掺杂的半导体区15''和重掺杂的半导体区16''两者互连栅极电极33和栅极接触端子 23。为了避免导电层62和源极电极焊盘22以及布置在(多个)有源晶体管单元区域3中的 半导体本体10的该截面二者之间的短路，在导电层62和底面12之间以及在导电层62和 源极电极焊盘22之间分别提供电介质44。
[0047] 在图3中，栅极电极33中的仅一个看来似乎被连接到栅极接触端子23。然而，事 实上所有晶体管单元30的栅极电极33被图3中隐藏的导电连接线互连。
[0048] 接触端子21、22、23、24用来将功率晶体管100电连接到外部设备和/或电路，t匕 如电路板、电源、负载等等。因此，需要端子21、22、23、24具有低的电阻，可以通过将端子 21、22、23、24形成为由金属组成或者包括金属和/或由掺杂的多晶半导体材料（比如硅等） 组成或包括该掺杂的多晶半导体材料的层来实现所述低的电阻，所述金属例如铝、铜、钨、 钛、钥、具有这些金属中的至少一个的合金。
[0049] 现在参考图6,图示了图1到5的功率晶体管100的掺杂轮廓。该实施例说明温 度传感器二极管50和晶体管单元30可以可选地具有对功率晶体管100的生产有利的相同 均匀掺杂轮廓，因为温度传感器二极管50和晶体管单元30可以共享共同生产工艺。如图 6中示例性图示的这样的均匀掺杂轮廓可以沿着垂直于底面12延伸的两条平行直线g3和 g50两者看起来是相同的，其中直线g50横断包括阳极区14'和阴极区15'、16'的温度传感 器二极管50。直线g3横断包括本体区14、漂移区15和漏极区16的晶体管单元30。
[0050] 在上面的图中，已经作为示例针对η沟道晶体管（即针对其中第一导电类型是'η' 且第二导电类型是'Ρ'的晶体管）解释了根据本发明的功率晶体管100。然而，还可以在Ρ 沟道晶体管中（即在其中第一导电类型是'Ρ'且第二导电类型是'η'的晶体管中）实现相同 的原理。在图7中针对ρ沟道晶体管100图示了这一点，该ρ沟道晶体管100具有与参考 图1到6解释的η沟道晶体管100相同的结构，除了导电类型被交换之外。
[0051] 现在参考图8,图示了用于确定已经如上文解释的功率晶体管100的温度传感器 二极管50的温度状态的第一实施例。根据该第一实施例，温度传感器二极管50的ρη结18 在其中确定温度传感器二极管50的温度状态的时段期间被反向偏置。由此，功率晶体管 100是η沟道晶体管并且以低侧配置操作。
[0052] 源极接触端子22被直接连接到地电势GND1或者可以与GND1相同的负供应电势 Vs_。负载70被连接在第一正供应电势（Vs+)和漏极接触端子21之间。也就是说，负载70 与晶体管100的负载路径串联连接，所述负载路径被形成在源极接触端子22和漏极接触端 子21之间。可以通过将适当的电势施加到栅极接触端子23来控制负载路径的电气导电性。
[0053] 此外，电流源80 (例如恒定电流源）被连接在第二正供应电势（VDD)和温度感测接 触端子24之间。温度评估单元90 (例如比较器、Schmitt触发器、模数转换器、阈值开关、 变换器等等）的输入端被连接到在电流源80和温度感测接触端子24之间的电路节点N1。
[0054] 根据通过电流源80的电流和温度传感器二极管50的温度，作为对温度传感器二 极管50的温度的度量的电势出现在温度评估单元90的输入端处并且可以由温度评估单元 90来进一步评估。根据温度评估单元90的类型，温度评估单元90的输出端93可以提供与 温度传感器二极管50的温度相对应的模拟或数字控制信号's'（例如电压或电流信号)，或 者指示温度传感器二极管50的温度是否超过预定义值的数字控制信号's'。
[0055] 在该电路中，温度传感器二极管50的ρη结18被反向偏置，并且与温度有关的反 向电流流动通过ρη结18。如果ρη结18的温度增加，则反向电流也将增加，并且在某一时 间超过由电流源80提供的电流Is，且电路节点N1处的电势将从约VDD向GND1和/或Vs-电 势下降。温度测量可以独立于晶体管单元30的共同切换状态而发生，也就是说，可以在其 中晶体管单元30接通（导通状态）的时段期间，也可以在其中晶体管单元30断开（阻断状 态）的时段期间来实施温度测量。
[0056] 现在参考图9,图示了用于确定已经如上文参考图1到6解释的功率晶体管100的 温度传感器二极管50的温度状态的第二实施例。根据该第二实施例，温度传感器二极管50 的pn结18在其中确定温度传感器二极管50的温度状态的时段期间被正向偏置。再次，功 率晶体管100是η沟道晶体管但是这次以高侧配置操作。
[0057] 漏极接触端子21被直接连接到正供应电势（Vs+)。负载70被连接在源极接触端 子22和地电势GND1之间或者被连接到可以等同于GND1的负供应电势Vs-。也就是说，负 载70与晶体管100的负载路径串联连接。
[0058] 此外，电流源80 (例如恒定电流源）被连接在温度感测接触端子24和另一地电势 GND2或者可以等同于GND2的另一负供应电势Vss之间。温度评估单元90 (例如比较器、 Schmitt触发器、模数转换器、阈值开关、变换器等等）的第一输入端91被连接在源极接触 端子22和电路节点N2之间，电路节点N2在电流源80和温度感测接触端子24之间的。提 供参考电压V KEF的参考电压源94被连接在温度评估单元90的第二输入端92和源极接触 端子22之间。
[0059] 在该电路中，温度传感器二极管50的pn结18被正向偏置，并且与温度有关的正 向电流流动通过pn结18。在该配置中，温度传感器二极管50两端的正向电压以及与其相 关联的源极接触端子22和电路节点N2之间的电压的绝对值随着pn结18的温度增大而下 降。
[0060] 在温度评估单元90的输入端91和92处的电势之间的差是对温度传感器二极管 50的温度的度量。根据温度评估单元90的类型，温度评估单元90的输出端93可以提供与 温度传感器二极管50的温度相对应的模拟或数字控制信号's'（例如电压或电流信号）或 者指示温度传感器二极管50的温度是否超过预定义的值的数字控制信号's'。
[0061] 现在参考图10,图示了用于确定已经如上文参考图1到6解释的功率晶体管100 的温度传感器二极管50的温度状态的第三实施例。根据该第三实施例，温度传感器二极管 50的pn结18在其中确定温度传感器二极管50的温度状态的时段期间被反向偏置。再次， 功率晶体管100是以高侧配置操作的η沟道晶体管。
[0062] 漏极接触端子21被直接连接到正供应电势（Vs+)。负载70被连接在源极接触端 子22和地电势GND1或可以等同于GND1的负供应电势V s-之间。也就是说，负载70与晶 体管100的负载路径串联连接。
[0063] 此外，电流源80 (例如恒定电流源）被连接在栅极接触端子23和温度感测接触端 子24之间。如在温度传感器二极管50被反向偏置的该配置中，施加到栅极接触端子23的 控制电压基本上不被电流源80的影响。温度评估单元90 (例如比较器、Schmitt触发器、 模数转换器、阈值开关、变换器等等）的输入端被连接到电流源80和温度感测接触端子24 之间的电路节点N3。
[0064] 在该电路中，温度传感器二极管50的pn结18被反向偏置，并且与温度有关的反 向电流流动通过pn结18。如果pn结18的温度增大，则反向电流也将增大并且改变可以被 检测且由温度评估单元90评估的电路节点N3处出现的电势。
[0065] 在温度评估单元90的输入端处的电势是对温度传感器二极管50的温度的度量。 根据温度评估单元90的类型，温度评估单元90的输出端93可以提供与温度传感器二极管 50的温度相对应的模拟或数字控制信号's'（例如电压或电流信号）或者指示温度传感器 二极管50的温度是否超过预定义值的数字控制信号's'。
[0066] 如图11中进一步图示的，参考图9和10解释的电路的原理可以彼此组合从而共 享相同的功率晶体管100,使得可以使用以正向偏置的ΡΠ 结18测量温度的第一子电路或 者使用以反向偏置的pn结18测量温度的第二子电路来测量pn结18处的温度。在两种情 况下，功率晶体管100可以是以高侧配置操作的η沟道晶体管。即使在功率晶体管100的 负载路径被接通(导电状态)的情况下，而且还在功率晶体管100的负载路径被断开(阻断状 态)的情况下，可以使用第一子电路进行测量温度。可以在功率晶体管100的负载路径被断 开(阻断状态）的情况下，使用第二子电路来进行测量温度。
[0067] 为了使用第一子电路来确定温度状态，温度感测接触端子24可经由第一开关S1 电连接到第一子电路。因此，为了使用第二子电路来确定温度状态，温度感测接触端子24 可经由第二开关S2电连接到第二子电路。第一和第二开关S1和S2意图代表比如例如晶 体管之类的任意开关。
[0068] 在相同的时间点处，第一和第二开关S1和S2的切换状态可以如下：S1和S2两者 打开（阻断状态）；或者S1闭合(导通状态）且S2打开（阻断状态）；或者S1打开(导通状态） 且S2闭合(阻断状态)。也就是说，在每个时间点处至多开关S1和S2中的一个被闭合。
[0069] 在图11的示例中，漏极接触端子21被直接连接到正供应电势（Vs+)。负载70被 连接在源极接触端子22和地电势GND1或可以等同于GND1的负供应电势V s-之间。也就 是说，负载70与晶体管100的负载路径串联连接。
[0070] 第一子电路包括电流源80、参考电压源94和温度评估单元90。因此，第二子电路 包括第二电流源80'、第二参考电压源94'、和第二温度评估单元90'。第一电流源80和第 二电流源80'串联电连接在第一开关S1和第二开关S2之间。
[0071] 在第一子电路中，电流源80(例如恒定电流源)被连接在第一开关S1和另一地电势 GND2或可以等同于GND2的负供应电势Vss'之间。温度评估单元90 (例如比较器、Schmitt 触发器、模数转换器、阈值开关、变换器等等)的第一输入端91在电路节点N2处被电连接到 温度感测接触端子24。电流源80电连接在第一开关SW1和GND2/V SS之间。如果第一开关 SW1被闭合（SW1的导通状态)，则电流源80电连接在电路节点N2和GND2/VSS之间并且提供 电流I s。根据该电流Is和温度传感器二极管50的温度，在温度评估单元90的第一输入端 91处出现电势。
[0072] 此外，提供参考电压VKEF的参考电压源94被连接在温度评估单元90的第二输入 端92和源极接触端子22之间，使得第二输入端92具有相对于源极接触端子22的明确定 义的电势。因此，在温度评估单元90的输入端91和92处的电势之间的电势差是对温度传 感器二极管50的温度的度量并且可以由温度评估单元90来评估。
[0073] 根据温度评估单元90的类型，温度评估单元90的输出端93可以提供与温度传感 器二极管50的温度相对应的模拟或数字控制信号's'（例如电压或电流信号）或者指示温 度传感器二极管50的温度是否超过预定义值的数字控制信号's'。
[0074] 在该第一子电路中，温度传感器二极管50的pn结18被正向偏置，并且与温度有 关的正向电流流动通过pn结18。在该配置中，温度传感器二极管50两端的正向电压以及 与其相关联的源极接触端子22和电路节点N2之间的电压的绝对值随着pn结18的温度增 大而下降。
[0075] 在第二子电路中，电流源80'（例如恒定电流源）被连接在第二正供应电势VDD和 第二开关S2之间。电流源80'和第二开关S2串联连接在第二正供应电势V DD和温度感测 接触端子24之间。如果第二开关S2被闭合，则电流源80'被连接在第二正供应电势VDD和 温度感测接触端子24之间。
[0076] 提供参考电压V' KEF的参考电压源94'被连接在温度评估单元90'（例如比较器、 Schmitt触发器、模数转换器、阈值开关、变换器等等)的第一输入端91'和还有的另一地电 势GND2'或可以等同于GND2'的负供应电势V'ss之间。温度评估单元90'的第二输入端 92'被连接到温度感测接触端子24。由于参考电压源94'，温度评估单元90'的第一输入端 91'具有相对于V' SS/GND2'的明确定义的电势。
[0077] 如果在该第二子电路中第二开关S2被闭合，则通过电流源80'的电流I's建立， 并且依赖于该电流Γ s和温度传感器二极管50的温度，作为对温度传感器二极管50的温 度的度量的电势差出现在温度评估单元90的输入端91'和92'之间。可以进一步通过温 度评估单元90来评估该电势差。根据温度评估单元90的类型，温度评估单元90的输出端 93可以提供与温度传感器二极管50的温度相对应的模拟或数字控制信号s'（例如电压或 电流信号）或者指示温度传感器二极管50的温度是否超过预定义值的数字控制信号s'。 [0078] 使用第二子电路，温度传感器二极管50的pn结18在其中确定温度传感器二极管 50的温度状态的时段期间是反向偏置的。
[0079] 可选地，第一子电路可以包括具有第一输入端191、第二输入端192、和输出端193 的逻辑电路190。该第一输入端191被连接到输出端93以便接收由温度评估单元90提供 的输出控制信号s。如果将使能信号EN施加到逻辑电路190的第二输入端192,则接收到 的输出控制信号's'或对应的控制信号's'被提供在逻辑电路190的输出端193处。如果 第一开关S1被闭合，则使能信号EN可以被提供给第二输入端192。
[0080] 同样可选地，第二子电路可以包括具有第一输入端191'、第二输入端192'、和输 出端193'的另一逻辑电路190'。该第一输入端191'被连接到输出端93'以便接收由温 度评估单元90'提供的输出控制信号s'。如果将另一使能信号EN'施加到另一逻辑电路 190'的第二输入端192'，则接收到的输出控制信号s'或对应的控制信号s'被提供在另一 逻辑电路190'的输出端193'处。如果第一开关S1被闭合，则另一使能信号EN'可以被提 供给第二输入端192。
[0081] 在图示的实施例中，逻辑电路190、190'被设计为逻辑与门。然而，还可以使用提 供相同功能的任何其它逻辑电路。
[0082] 在如先前参考上面的实施例所解释的功率晶体管中，正向或反向偏置的pn结18 上的电压降可以被用来确定pn结18处的温度，和/或触发操作，例如如果与电压降相对应 的温度达到或超过预定义值则将功率晶体管100的负载路径断开(过热保护)。这在图12 中通过解释用于操作图1的功率晶体管100的方法的示图来说明。根据第一步骤200,提 供功率晶体管100。功率晶体管100可以具有上面解释的结构中的任何一个。根据随后的 步骤210,检测该晶体管100的温度传感器二极管50的pn结18两端的与温度有关的电压 降。基于该电压降，可以确定pn结18处对应的温度(参见步骤220)。可替换地或另外地， 如果电压降达到或超过预定义的阈值则可以产生模拟和/或数字控制信号。在可选的另一 步骤230中，如果所确定的温度达到或超过预定义的值和/或如果控制信号出现，则将功率 晶体管断开。在该意义上，"断开"意味着通过将适当的电气控制电势施加到栅极接触端子 23来将源极接触端子22和漏极接触端子21之间的功率晶体管负载路径切换到其高欧姆 (阻断）状态。
[0083] 当然，还可以确定pn结18处的温度，以达到除了过热保护以及除了将功率晶体管 的负载路径断开的目的。例如为了显示和/或记录温度。
[0084] 如这里所使用的，术语"具有"、"包含"、"包括"、"含有"等等是开放性的术语，其指 示所阐述的元件或特征的存在，但不排除附加元件或特征。冠词"一"、"一个"和"该"意图 包括复数以及单数，除非上下文清楚地另外指示。
[0085] 考虑到变化和应用的上述范围，应该理解本发明不被前述描述来限制，也不被附 图限制。更确切地说，本发明仅由所附权利要求和它们的法定等同物来限制。
【权利要求】
1. 一种功率晶体管，包括： 半导体本体，该半导体本体包括： 底面以及在垂直方向上与所述底面远离隔开的顶面； 多个晶体管单元； 第一导电类型的源极区； 与所述第一导电类型互补的第二导电类型的本体区； 第一导电类型的漂移区； 漏极区； 温度传感器二极管，该温度传感器二极管包括形成在η掺杂的阴极区和p掺杂的阳极 区之间的ρη结； 布置在所述顶面上的漏极接触端子； 布置在所述底面上的源极接触端子； 栅极接触端子；以及 布置在所述顶面上并且与所述漏极接触端子介电绝缘的温度感测接触端子； 其中，或者 (I) 所述第一导电类型是'η'并且所述第二导电类型是'ρ'，所述阳极区电连接到所述 源极接触端子，并且所述阴极区电连接到所述温度感测接触端子；或者 (II) 所述第一导电类型是'Ρ'并且所述第二导电类型是'η'，所述阴极区电连接到所 述源极接触端子，并且所述阳极区电连接到所述温度感测接触端子。
2. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述阴极区通过第一电介质与所述漂移 区和漏极区两者介电绝缘。
3. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述ρη结与所述底面之间的距离小于所 述ρη结与所述顶面之间的距离。
4. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述本体区在垂直方向上包括第一掺杂 轮廓，并且其中所述阳极区在垂直方向上包括与所述第一掺杂轮廓相同的第二掺杂轮廓。
5. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述漂移区在垂直方向上包括第一掺杂 轮廓，并且其中所述阴极区的第一子区在垂直方向上包括与所述第一掺杂轮廓相同的第二 掺杂轮廓。
6. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述漏极区在垂直方向上包括第一掺杂 轮廓，并且其中所述阴极区的第二子区在垂直方向上包括与所述第一掺杂轮廓相同的第二 掺杂轮廓。
7. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述漏极接触端子是没有通孔的连续连 接层。
8. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述阳极区被所述漏极接触端子完全覆 盖。
9. 根据权利要求1中所述的功率晶体管，其中所述栅极接触端子被布置在所述顶面 上。
10. -种功率晶体管电路，包括： (a)功率晶体管，该功率晶体管包括： 半导体本体，该半导体本体包括： 底面以及在垂直方向上与所述底面远离隔开的顶面； 多个晶体管单元； 第一导电类型的源极区； 与所述第一导电类型互补的第二导电类型的本体区； 第一导电类型的漂移区； 漏极区； 温度传感器二极管，该温度传感器二极管包括形成在η掺杂的阴极区和p掺杂的阳极 区之间的ρη结； 布置在所述顶面上的漏极接触端子； 布置在所述底面上的源极接触端子； 栅极接触端子；以及 布置在所述顶面上并且与所述漏极接触端子介电绝缘的温度感测接触端子； 其中，或者 (I) 所述第一导电类型是'η'并且所述第二导电类型是'ρ'，所述阳极区电连接到所述 源极接触端子，并且所述阴极区电连接到所述温度感测接触端子；或者 (II) 所述第一导电类型是'Ρ'并且所述第二导电类型是'η'，所述阴极区电连接到所 述源极接触端子，并且所述阳极区电连接到所述温度感测接触端子； 以及 (b)评估单元，其被配置成评估所述ρη结两端与温度有关的电压降，所述评估单元包 括电连接到所述温度感测接触端子的输入端。
11. 根据权利要求10中所述的功率晶体管电路，还包括电流源，其电连接到所述温度 感测接触端子和所述评估单元的输入端之间的电路节点。
12. 根据权利要求11中所述的功率晶体管电路，其中所述电流源是恒定电流源。
13. 根据权利要求10中所述的功率晶体管电路，还包括： 第一供应电势，其电连接到所述源极接触端子； 第二供应电势，其相对于所述第一供应电势是正的； 第三供应电势，其电连接到所述温度感测接触端子，所述第三供应电势相对于所述第 一供应电势是正的； 电负载，其电连接在所述漏极接触端子和所述第二供应电势之间；以及 电流源，其电连接在所述第三供应电势和所述温度感测接触端子之间。
14. 根据权利要求13中所述的功率晶体管电路，还包括温度评估单元，其包括电连接 到所述温度感测接触端子的第一输入端。
15. 根据权利要求10中所述的功率晶体管电路，还包括： 第一供应电势； 第二供应电势； 第三供应电势，其相对于所述第一和第二供应电势两者是正的； 电负载，其电连接在所述源极接触端子和所述第一供应电势之间；以及 电流源，其电连接在所述温度感测接触端子和所述第二供应电势之间。
16. 根据权利要求15中所述的功率晶体管电路，还包括温度评估单元，其包括电连接 到所述温度感测接触端子的第一输入端。
17. 根据权利要求16中所述的功率晶体管电路，还包括参考恒定电压源，其电连接在 所述温度评估单元的第二输入端和所述源极接触端子之间。
18. 根据权利要求10中所述的功率晶体管电路，还包括： 第一供应电势，其经由负载电连接到所述源极接触端子； 第二供应电势，其相对于所述第一供应电势是正的；以及 电流源，其电连接在所述温度感测接触端子和所述功率晶体管的栅极接触端子之间。
19. 根据权利要求18中所述的功率晶体管电路，还包括温度评估单元，其包括电连接 到所述温度感测接触端子的输入端。
20. 根据权利要求10中所述的功率晶体管电路，其中所述栅极接触端子被布置在所述 顶面上。
21. -种功率晶体管电路，包括： (a) 功率晶体管，该功率晶体管包括： 半导体本体，该半导体本体包括： 底面以及在垂直方向上与所述底面远离隔开的顶面； 多个晶体管单元； 第一导电类型的源极区； 与所述第一导电类型互补的第二导电类型的本体区； 第一导电类型的漂移区； 漏极区； 温度传感器二极管，该温度传感器二极管包括形成在η掺杂的阴极区和p掺杂的阳极 区之间的ρη结； 布置在所述顶面上的漏极接触端子； 布置在所述底面上的源极接触端子； 栅极接触端子；以及 布置在所述顶面上并且与所述漏极接触端子介电绝缘的温度感测接触端子； 其中，或者 (I) 所述第一导电类型是'η'并且所述第二导电类型是'ρ'，所述阳极区电连接到所述 源极接触端子，并且所述阴极区电连接到所述温度感测接触端子；或者 (II) 所述第一导电类型是'Ρ'并且所述第二导电类型是'η'，所述阴极区电连接到所 述源极接触端子，并且所述阳极区电连接到所述温度感测接触端子； 以及 (b) 电子电路，该电子电路包括： 第一评估单元，其被配置成评估所述ρη结两端与温度有关的电压降； 第二评估单元，其被配置成评估所述ρη结两端与温度有关的电压降； 第一开关和第二开关；以及 串联电连接在所述第一开关和第二开关之间的第一电流源和第二电流源， 其中 所述第一开关包括闭合状态，在该闭合状态中所述第一开关电连接所述第一电流源和 所述温度感测接触端子， 所述第一开关包括打开状态，在所述打开状态中所述第一电流源与所述温度感测接触 端子电断开， 所述第二开关包括闭合状态，在该闭合状态中所述第二开关电连接所述第二电流源和 所述温度感测接触端子，并且 所述第二开关包括打开状态，在所述打开状态中所述第二电流源与所述温度感测接触 端子电断开。
22. -种用于操作功率晶体管的方法，该方法包括： 提供功率晶体管，该功率晶体管包括： 半导体本体，该半导体本体包括： 底面以及在垂直方向上与所述底面远离隔开的顶面； 多个晶体管单元； 第一导电类型的源极区； 与所述第一导电类型互补的第二导电类型的本体区； 第一导电类型的漂移区； 漏极区； 温度传感器二极管，该温度传感器二极管包括形成在η掺杂的阴极区和p掺杂的阳极 区之间的ρη结； 布置在所述顶面上的漏极接触端子； 布置在所述底面上的源极接触端子； 栅极接触端子；以及 布置在所述顶面上并且与所述漏极接触端子介电绝缘的温度感测接触端子； 其中，或者 (I) 所述第一导电类型是'η'并且所述第二导电类型是'ρ'，所述阳极区电连接到所述 源极接触端子，并且所述阴极区电连接到所述温度感测接触端子；或者 (II) 所述第一导电类型是'Ρ'并且所述第二导电类型是'η'，所述阴极区电连接到所 述源极接触端子，并且所述阳极区电连接到所述温度感测接触端子； 以及 检测所述ρη结两端与温度有关的电压降。
23. 根据权利要求22中所述的方法，其中根据所述电压降来确定所述ρη结处的温度。
24. 根据权利要求22中所述的方法，其中如果与所述电压降相对应的温度达到或超过 预定义的值，则产生控制信号。
25. 根据权利要求24中所述的方法，其中如果出现所述控制信号，则所述功率晶体管 被断开。
26. 根据权利要求22中所述的方法，其中在所述ρη结被正向偏置操作的情况下，检测 所述ρη结两端与温度有关的电压降。
27. 根据权利要求22中所述的方法，其中在所述ρη结被反向偏置操作的情况下，检测 所述ρη结两端与温度有关的电压降。
28. 根据权利要求22中所述的方法，其中当形成在所述漏极接触端子和所述源极接触 端子之间的负载路径处于电导通状态时，检测所述pn结两端与温度有关的电压降。
29. -种用于操作功率晶体管电路的方法，该方法包括： (a)提供功率晶体管，该功率晶体管包括： 半导体本体，该半导体本体包括： 底面以及在垂直方向上与所述底面远离隔开的顶面； 多个晶体管单元； 第一导电类型的源极区； 与所述第一导电类型互补的第二导电类型的本体区； 第一导电类型的漂移区； 漏极区； 温度传感器二极管，该温度传感器二极管包括形成在η掺杂的阴极区和p掺杂的阳极 区之间的pn结； 布置在所述顶面上的漏极接触端子； 布置在所述底面上的源极接触端子； 栅极接触端子；以及 布置在所述顶面上并且与所述漏极接触端子介电绝缘的温度感测接触端子； 其中，或者 (I) 所述第一导电类型是'η'并且所述第二导电类型是'p'，所述阳极区电连接到所述 源极接触端子；并且所述阴极区电连接到所述温度感测接触端子；或者 (II) 所述第一导电类型是'Ρ'并且所述第二导电类型是'η'，所述阴极区电连接到所 述源极接触端子，并且所述阳极区电连接到所述温度感测接触端子； 以及 (b )提供电子电路，该电子电路包括： 第一评估单元，其被配置成评估所述pn结两端与温度有关的电压降； 第二评估单元，其被配置成评估所述pn结两端与温度有关的电压降； 第一开关和第二开关；以及 串联电连接在所述第一开关和第二开关之间的第一电流源和第二电流源， 其中 所述第一开关包括闭合状态，在该闭合状态中所述第一开关电连接所述第一电流源和 所述温度感测接触端子； 所述第一开关包括打开状态，在所述打开状态中所述第一电流源与所述温度感测接触 端子电断开； 所述第二开关包括闭合状态，在该闭合状态中所述第二开关电连接所述第二电流源和 所述温度感测接触端子； 所述第二开关包括打开状态，在所述打开状态中所述第二电流源与所述温度感测接触 端子电断开； 该方法还包括以下步骤中的一个或二者： (cl)在所述第一开关处于其闭合状态的情况下并且在所述第二开关处于其打开状态 的情况下检测pn结两端与温度有关的电压降； (c2)在所述第二开关处于其闭合状态的情况下并且在所述第一开关处于其打开状态 的情况下检测pn结两端与温度有关的电压降。
30.根据权利要求29中所述的方法，其中： 所述功率晶体管包括形成在所述源极接触端子和所述漏极接触端子之间的可控负载 路径，其中所述可控负载路径能够从电导通状态切换到电阻断状态；以及 在其中所述功率晶体管的可控负载路径处于其电导通状态中的状态下，检测与温度有 关的电压降。
【文档编号】H01L29/78GK104157644SQ201410199328
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2013年5月13日
【发明者】A.迈泽, S.蒂勒 申请人:英飞凌科技股份有限公司