Verbesserung des Betriebsbereichs und Erhöhung der Zuverlässigkeit von Integrierten Schaltungen

 

Photodioden-gesteuerte Regelung verhindert den Durchbruch der pn-Übergänge

Die Erfindung ist besonders für Oszillator-Schaltungen sehr vorteilhaft, die beispielsweise in Radargeräten für automobile Assistenzsysteme eingebaut sind.

Die Erfindung ist besonders für Oszillator-Schaltungen sehr vorteilhaft, die beispielsweise in Radargeräten für automobile Assistenzsysteme eingebaut sind.

Schnelle integrierte Schaltungen (IC) werden in der angewandten Elektronik vielfach eingesetzt. Bei besonders belasteten schnellen oder leistungsstarken Komponenten in der Schaltung besteht jedoch oft die Gefahr des Durchbruchs, z. B. in Oszillator-Schaltungen (Radaranlagen, etc.) oder „smart power“ Schaltungen. An den in allen Bauelementen vorhandenen pn-Übergängen tritt der Durchbruch ab einer kritischen Feldstärke auf. Die Schaltung wird dadurch zerstört oder unbrauchbar. Um dies zu verhindern, entwickelten Professor Erich Kasper und Michael Morschbach am Institut für Halbleitertechnik der Universität Stuttgart eine neue Lösung. Damit wird die Echtzeitüberwachung der Bauteile ermöglicht und durch eine integrierte Regelungseinheit ein Durchbruch verhindert.

 

Zurzeit kann der Durchbruch nur durch eine externe Spannungs- oder Strombegrenzung der ganzen Schaltung (IC) verhindert werden. Um individuelle Schwankungen des Bauelements und Temperatureffekte zu berücksichtigen, schränken bisherige Lösungen den sicheren Betriebsbereich (SOA safe operating area) aber stark ein. Dadurch kann wiederum die Leistung nicht voll ausgeschöpft werden.

Die Durchbruchüberwachung der Erfindung wird in Echtzeit durch eine in das Halbleiterbauteil (IC) integrierte Photodiode realisiert. Ein pn-Übergang emittiert während eines Durchbruchs immer optische Strahlung. Diese Lichtemission wird durch die in der unmittelbaren Nähe integrierte Photodiode erfasst. In Abhängigkeit dieser erfassten Strahlung wird dann die an den pn-Übergang angelegte Spannung bzw. der Strom geregelt. Bei Ansteigen der Lichtemission des pn-Übergangs über einen Grenzwert wird der Strom (Spannung) verringert, bis die optische Emission wieder unter dem Grenzwert liegt. Über diese Regelung wird ein vollständiger Durchbruch verhindert. Der Arbeitspunkt eines Transistors zum Beispiel kann somit unmittelbar vor den Durchbruch gelegt werden. Es ist möglich, in einer integrierten Schaltung mehrere durchbruchgefährdete pn-Übergänge zu überwachen. Die Regelungseinheit kann ebenfalls in das Halbleiterbauteil (IC) integriert werden.

Mithilfe dieser Überwachung lässt sich - ohne die Gefahr einer Zerstörung - der Betriebsbereich ausweiten und die Leistungsausbeute erhöhen. Neben einer höheren Zuverlässigkeit von IC-s ist somit auch eine Vergrößerung des Betriebsbereichs der Transistoren und der integrierten Schaltungen möglich. Die Streuung der  Bauelementedaten verursacht ebenfalls keine Probleme,  weil ein bevorstehender Durchbruch erkannt und vermieden bzw. jeder Transistor an seine Durchbruchgrenze individuell gesteuert werden kann. Dadurch werden eine optimale Ausnutzung der Schaltungen, ein höherer Betriebstemperaturbereich, eine höhere Leistung und eine längere Lebensdauer möglich.

Die Erfindung ist besonders für Oszillator-Schaltungen sehr vorteilhaft. Solche Schaltungen sind heutzutage in Radargeräte für automobile Assistenzsysteme von verschieden Herstellern eingebaut. Eine sehr hohe Zuverlässigkeit ist aus Sicherheitsgründen hier unvermeidbar. Zuverlässigkeit ist auch ein Kernthema für Anwendungen in der Luftfahrt-, Raumfahrt Technologie sowie für „smart power“ in der Elektromobilität.

 

Die Patente für die Erfindung wurden bereits in Deutschland (DE 102007002820B3), USA (US8519732B2) und in Frankreich und Großbritannien (EP Patent) erteilt. Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. TLB ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung dieser zukunftsweisenden Technologie beauftragt und bietet Unternehmen Möglichkeiten der Lizenzierung bzw. Kauf der Patente.

Für weitere Informationen: Innovationsmanager Dipl.-Ing. Emmerich Somlo (esomlo(at)tlb.de).