Titel

VERFAHREN ZUM BESTIMMEN DER TEMPERATURCHARAKTERISTIK DES DRAIN-SOU RCE-DURCHGANGSWIDERSTANDS EINES MOSFET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Temperaturcharakteristik des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines MOSFET und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Stand der Technik

Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET: metal-oxide- semiconductor field-effect transistor) ist ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate. Hierunter fällt im Folgenden auch ein sogenannter MISFET (Metall- Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor), bei dem ein nicht oxidisches Dielektrikum verwendet wird.

Bei einem MOSFET erfolgt die Steuerung eines Stromflusses in einem Halbleiterbereich zwischen den beiden Anschlüssen Drain und Source über eine Steuerspannung, die Gate-Source-Spannung, bzw. über ein Steuerpotential an einem dritten Anschluss, dem sogenannten Gate. Für das Verhalten des MOSFET sind eine Reihe von Größen verantwortlich, von diesen wird hierin der Drain-Source-Durchlasswiderstand bzw. Drain-Source-Durchgangswiderstand näher betrachtet, der wiederum u. a. von der Temperatur abhängig ist.

Das Temperaturverhalten eines Drain-Source-Durchgangswiderstands eines MOSFET wird üblicherweise bei definierten Testrandbedingungen, insbesondere betreffend die Gate-Source-Spannung, anhand seiner typischen Temperatureigenschaften beschrieben, in vielen Fällen normiert auf seinen typischen Wert bei 25 °C. Die Beschreibung wird zusätzlich ergänzt durch die Spezifikation der typischen und maximalen Grenzwerte bei einer Temperatur von 25 °C und bei einer maximalen Betriebstemperatur. Dies wird jedoch weniger häufig bei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen. Eine Spezifikation der minimalen Werte des Drain-Source-Durchgangswiderstands findet noch seltener statt, insbesondere bei mehreren Temperaturen. Es wird in diesem Zusammenhang auf Figur 1 verwiesen.

Eine genauere Spezifikation des Temperaturverhaltens des Drain-Source- Durchgangswiderstands eines MOSFET, welche es erlauben würde, dass dieser als Stromsensor für eine genaue Strommessung verwendet werden könnte, ist gegenwärtig nicht verfügbar.

Die Hauptgründe hierfür liegen im wirtschaftlich nicht zu vertretenden Aufwand einer mehrfachen Vermessung jedes einzelnen Transistors bei unterschiedlichen Temperaturen bei einer Massenfertigung und im Fehlen einer Methode, die es erlaubt, das Temperaturverhalten des Drain-Source-Durchgangswiderstands genau zu beschreiben bzw. zu analysieren, basierend auf den Analyse- bzw. Charakterisierungsdaten von wenigen repräsentativen Proben.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung nach Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Das vorgestellte Verfahren zum Bestimmen der Temperaturcharakteristik des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines MOSFET umfasst folgende Schritte: Bestimmen der temperaturspezifischen Linearisierungskoeffizienten einer Differenz aus einem ersten Wert des Drain-Source-Durchgangswiderstands bei einer ersten Temperatur und einem zweiten Wert des Drain-Source- Durchgangswiderstands bei einer für die MOSFET-Typ-Charakterisierung festgelegten Referenztemperatur in Abhängigkeit von einer Differenz aus einem ersten Wert des Drain-Source-Durchgangswiderstands bei der gleichen Referenztemperatur und dem Mittelwert des Drain-Source- Durchgangswiderstands bei der gleichen Referenztemperatur aus den Messungen bei der Produktion, insbesondere Massenproduktion, für eine Anzahl von MOSFET-Proben desselben Typs, Bestimmen der Temperaturabhängigkeit der im ersten Schritt ermittelten temperaturspezifischen Linearisierungskoeffizienten, um einen für den charakterisierten MOSFET-Typ spezifischen temperaturabhängigen Deltawiderstand (TDDR) zu bestimmen und Anwenden des MOSFET-Typ spezifischen TDDR für eine Rekonstruktion der Temperaturabhängigkeit des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines individuellen MOSFET oder einer Schaltung von mehreren MOSFETdesselben MOSFET-Typs.

Das beschriebene Verfahren wird im Folgenden in Verbindung mit einem MOSFET beschrieben. Es ist zu beachten, dass hierin unter die Bezeichnung MOSFET auch ein sogenannter MISFET (Metall-Isolator-Halbleiter- Feldeffekttransistor), bei dem ein nicht oxidisches Dielektrikum verwendet wird, fällt.

Das hierin vorgestellte Analyseverfahren ermöglicht eine genaue Beschreibung der Temperaturabhängigkeit des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines jeden individuellen MOSFET des mittels dieses Verfahrens charakterisierten MOSFET-Typs anhand des für diesen MOSFET-Typ bestimmten spezifischen temperaturabhängigen Deltawiderstands (TDDR) und des Werts des Drain- Source-Durchgangswiderstands des individuellen MOSFET bei der im Analyseverfahren festgelegten Referenztemperatur, die zweckmäßigerweise jedoch nicht zwingend gleich der Charakterisierungstemperatur des Drain- Source-Durchgangswiderstands in der MOSFET-Massenfertigung oder gleich der Kalibrierungstemperatur des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines als Stromsensor zu verwendenden MOSFET oder einer MOSFET-Gruppe in der Steuergeräteproduktion ist. Das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein MOSFET oder eine Schaltung aus mehreren MOSFET desselben Typs als exakter bzw. genauer Stromsensor verwendet wird. Die Bestimmung des MOSFET-Typ spezifischen TDDR erfolgt zweckmäßigerweise auf Basis der Charakterisierungsdaten bzw. Analysedaten einer kleinen Anzahl von repräsentativen Proben. Auf diese Weise kann der Stand der Technik bereichert werden. Die Verwendung des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines MOSFET als ein genauer Stromsensor ermöglicht eine signifikante Kostenverringerung bei der Implementierung der redundanten Strommessungen, die insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen, wie bspw. bei einem autonomen oder automatisierten Fahren, erforderlich sind. Dabei ist es nicht notwendig, besondere Komponenten, wie bspw. Messwiderstände oder andere Stromsensoren basierend auf dem Hall-Effekt, magneto-resistiven oder anderen Effekten, für die Strommessung zu verwenden. Außerdem können die Eigenschaften von Komponenten, wie bspw. von verwendeten MOSFET, die bereits im System installiert sind, genutzt werden. Darüber hinaus kommt es nicht zu zusätzlichen Leistungsverlusten. Dies vereinfacht die thermische Gestaltung von Steuergeräten und verringert die Produktkosten. Zudem kann die Betriebstemperatur der Steuereinheiten verringert werden, was die Zuverlässigkeit dieser Steuereinheiten hinsichtlich der Fehlermechanismen, die mit hohen Betriebstemperaturen einhergehen, erhöht.

Die beschriebene Anordnung ist zum Durchführen des vorgestellten Verfahrens eingerichtet und ist bspw. in einer Hardware und/oder Software implementiert. Diese Software kann als Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium abgelegt sein.

Die Anordnung kann zudem in eine Messanordnung für die Charakterisierung der MOSFET in der MOSFET-Produktion integriert oder als solche ausgebildet sein.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt in einem Graphen die am häufigsten anzutreffende Spezifikationsart einer normierten typischen Temperaturabhängigkeit des Drain-Source- Durchgangswiderstands.

Figuren 2 bis 19 zeigen in Graphen Verläufe unterschiedlicher Größen in Zusammenhang mit dem eindimensionalen bzw. dem zweidimensionalen TDDR.

Figur 20 zeigt in stark vereinfachter, rein schematischer Form eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt in einem Graphen 10, an dessen Abszisse 12 die Temperatur T _J [°C] und an dessen Abszisse der normierte Drain-Source-Durchgangswiderstand R _{DS(on), norm} = R _DS(on) /R _DS(on) @25°C aufgetragen ist, die Temperaturabhängigkeit des Drain-Source-Durchgangswiderstands. Es gilt:

T _j bezeichnet dabei die Sperrschichttemperatur (junction temperature).

Wie bereits ausgeführt wurde, steht eine genaue Spezifikation des Temperaturverhaltens des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines jeden individuellen MOSFET, die es erlauben würde, dass dieser als Stromsensor für eine genaue Strommessung verwendet werden könnte, bislang nicht zur Verfügung. Auf den sogenannten temperaturabhängigen Deltawiderstand (TDDR: temperature dependent delta resistance) wird nachstehend eingegangen. Dabei wird das vorgestellte Verfahren näher erläutert.

Der TDDR bezeichnet einen von dem anteiligen MOSFET-individuellen Drain- Source-Durchgangswiderstanswert bei der Referenztemperatur unabhängigen temperaturabhängigen Anteil des Drain-Source- Durchgangswiderstands. Die Summe aus beiden ergibt die resultierende Temperaturabhängigkeit des Drain-Source-Durchgangswiderstands für jeden individuellen MOSFET desselben Typs, welcher mittels dieser Methode anhand einer repräsentativen Anzahl von Mustern charakterisiert wurde, und zwar in Verbindung mit seinem individuellen Drain-Source-Durchgangswiderstand bei der Referenztemperatur . Das bedeutet, dass für eine vollständige Beschreibung der Temperaturabhängigkeit des Drain-Source- Durchgangswiderstands jedes individuellen MOSFET des charakterisierten MOSFET-Typs lediglich sein individueller Drain-Source-Durchgangswiderstand bei der Referenztemperatur , bspw. RDS(on) @25 sowie der für diesen MOSFET-Typ bestimmte spezifische TDDR benötigt werden. Die Randbedingungen betreffend die Gate-Source-Steuerspannung im Betrieb müssen denen während der Charakterisierung gleichen, z. B. Vgs = 10 V.

Schritt 1: Bestimmung der temperaturspezifischen Linearisierungskoeffizienten der Differenz als eine Funktion der Differenz für die repräsentative Anzahl von MOSFET-Proben desselben Typs.

(1)

(2) - Referenztemperatur, üblicherweise 25 °C

- Mittelwert des Widerstands bei üblicherweise bei 25 °C, bei Massenproduktion i-te Charakterisierungstemperatur

- Charakterisierungswiderstand der k-ten Probe bei i-ter Charakterisierungstemperatur

Linearisierungskoeffizienten für i-te Charakterisierungstemperatur

Schritt 2: Bestimmung der Temperaturabhängigkeit höherer Ordnung, insbesondere zweiter Ordnung, der Linearisierungskoeffizienten über den interessierenden Temperaturbereich bzw. Bestimmung der MOSFET-Typ spezifischen Temperaturabhängigkeit des Delta-Widerstands (TDDR).

(4) (5)

(6)

(7) zweidimensionaler TDDR

(8) eindimensionaler TDDR

(9)

Schritt 3: Anwendung des TDDR für die Rekonstruktion der Temperaturabhängigkeit des Drain-Source-Durchgangswiderstands eines konkreten MOSFET desselben MOSFET-Typs wie charakterisiert bzw. verwendet er die Bestimmung des MOSFET-Typ spezifischen temperaturabhängigen Delta-Widerstands (TDDR) basierend auf dem Wert des Drain-Source-Durchgangswiderstands gemessen bei der Referenztemperatur , üblicherweise bei 25 °C, und dem Mittelwert des typischen Widerstands , bei derselben Referenztemperatur, erhalten anhand der Messungen bei der Massenproduktion.

(10) Figur 2 zeigt in einem Graphen 30, an dessen Abszisse 32 R(25°C) - R25 [Rx10 ^-6 ] und an dessen Ordinate 34 R(T)-R(25°C) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, die Temperaturabhängigkeit des TDDR für einen MOSFET Typ 1 für unterschiedliche Sperrschichtcharakterisierungstemperaturen in einer Parameterdarstellung, wobei Sperrschichtcharakterisierungstemperatur als Parameter verwendet wird.

Figur 3 zeigt in einem Graphen 70, an dessen Abszisse 72 R(25°C) - R25 [R x 10 ^-6 ] und an dessen Ordinate 74 R(T)-R(25°C) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, die Temperaturabhängigkeit des TDDR für einen MOSFET Typ 2 für unterschiedliche Sperrschichtcharakterisierungstemperaturen in einer Parameterdarstellung, wobei Sperrschichtcharakterisierungstemperatur als Parameter verwendet wird.

Figur 4 zeigt in einem Graphen 100, an dessen Abszisse 102 T [°C] und an dessen Ordinate 104 R(T)-R(25°C) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, den Verlauf des eindimensionalen TDDR für den MOSFET Typ 1.

Figur 5 zeigt in einem Graphen 130, an dessen Abszisse 132 T [°] und an dessen Ordinate 134 R(T)-R(25°C) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, den Verlauf des eindimensionalen TDDR für den MOSFET Typ 2.

Figur 6 zeigt in einem Graphen 150, an dessen Abszisse 152 T [°C] und an dessen Ordinate 154 R(T)-R(25°C) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, den zweidimensionalen TDDR für den MOSFET Typ 1.

Figur 7 zeigt in einem Graphen 180, an dessen Abszisse 182 T [°C] und an dessen Ordinate 184 R(T)-R(25°C) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, den zweidimensionalen TDDR für den MOSFET Typ 2.

Figur 8 zeigt in einem Graphen 200, an dessen Abszisse 202 T [°C] und an dessen Ordinate 204 R(T) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, die beispielhafte Anwendung des eindimensionalen TDDR auf den MOSFET Typ 1 für unterschiedliche MOSFET dieses Typs. Figur 9 zeigt in einem Graphen 230, an dessen Abszisse 232 T [°C] und an dessen Ordinate 234 R(T) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, die beispielhafte Anwendung des eindimensionalen TDDR auf den MOSFET Typ 2 für unterschiedliche MOSFET dieses Typs.

Figur 10 zeigt in einem Graphen 250, an dessen Abszisse 252 T [°C] und an dessen Ordinate 254 R(T) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, die beispielhafte Anwendung des zweidimensionalen TDDR auf den MOSFET Typ 1 für unterschiedliche MOSFET dieses Typs.

Figur 11 zeigt in einem Graphen 280, an dessen Abszisse 282 T [°C] und an dessen Ordinate 284 R(T) [Rx10 ^-3 ] aufgetragen ist, die beispielhafte Anwendung des zweidimensionalen TDDR auf den MOSFET Typ 2 für unterschiedliche MOSFET dieses Typs.

Figur 12 zeigt in einem Graphen 300, an dessen Abszisse 302 T [°C] und an dessen Ordinate 304 AR(T) [Rx10 ^-6 ] aufgetragen ist, den absoluten Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 1 unter Verwendung des eindimensionalen TDDR.

Figur 13 zeigt in einem Graphen 330, an dessen Abszisse 332 T [°C] und an dessen Ordinate 334 AR(T) [Rx10 ^-6 ] aufgetragen ist, den absoluten Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 2 unter Verwendung des eindimensionalen TDDR.

Figur 14 zeigt in einem Graphen 350, an dessen Abszisse 352 T [°C] und an dessen Ordinate 354 AR(T)/R(T) [%] aufgetragen ist, den relativen Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 1 unter Verwendung des eindimensionalen TDDR.

Figur 15 zeigt in einem Graphen 380, an dessen Abszisse 382 T [°C] und an dessen Ordinate 384 AR(T)/R(T) [%] aufgetragen ist, den relativen Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 2 unter Verwendung des eindimensionalen TDDR.

Figur 16 zeigt in einem Graphen 400, an dessen Abszisse 402 T [°C] und an dessen Ordinate 404 AR(T) [Rx10 ^-6 ] a6 ufgetragen ist, den absoluten Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 1 unter Verwendung des zweidimensionalen TDDR. Figur 17 zeigt in einem Graphen 430, an dessen Abszisse 432 T [°C] und an dessen Ordinate 434 AR(T) [Rx10 ^-6 ] aufgetragen ist, den absoluten Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 2 unter Verwendung des zweidimensionalen TDDR.

Figur 18 zeigt in einem Graphen 450, an dessen Abszisse 452 T [°C] und an dessen Ordinate 454 AR(T)/R(T) [%] aufgetragen ist, den relativen Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 1 unter Verwendung des zweidimensionalen TDDR.

Figur 19 zeigt in einem Graphen 480, an dessen Abszisse 482 T [°C] und an dessen Ordinate 484 AR(T)/R(T) [%] aufgetragen ist, den relativen Fehler des Rds(3) für den MOSFET Typ 2 unter Verwendung des zweidimensionalen TDDR.

Figur 20 zeigt rein schematisch und stark vereinfacht eine Anordnung zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens, die insgesamt mit der Bezugsziffer 500 bezeichnet ist. Diese Anordnung 500 kann in eine Messanordnung für die Charakterisierung der MOSFET in der MOSFET-Produktion integriert oder als solche ausgebildet sein. Mit der Anordnung 500 kann ein MOSFET 502 bzw. eine beliebige Anzahl von MOSFET unterschiedlichen Typs untersucht werden. Dieser MOSFET 502 weist einen Gate-Anschluss 504, ein Drain-Anschluss 506 und einen Source-Anschluss 508 auf. Bestimmt wird die Temperaturcharakteristik eines Drain-Source-Durchgangswiderstands 510 des MOSFET 502.