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Selbstüberwachung des Durchbruchs von integrierten Halbleiterbauelementen

Kurzfassung

Die Erfindung ermöglicht eine Durchbruchüberwachung in Echtzeit von pn-Übergängen an integrierten Halbleiterbauelementen. Die schon vor dem Durchbruch entstandene schwache Lichtemission an einem pn-Übergang wird von einer in unmittelbarer Nähe integrierten Photodiode erfasst und abhängig davon die angelegte Spannung/der Strom geregelt. Mit Hilfe dieser Überwachung lässt sich der Betriebsbereich ohne die Gefahr einer Zerstörung ausweiten und die Leistungsausbeute erhöhen.

Hintergrund

Schnelle integrierte Schaltungen weisen einen frühen Durchbruch an pn-Übergängen auf. Der Durchbruch tritt ab einer kritischen Feldstärke auf. Die integrierte Schaltung wird zerstört. Um die Zerstörung zu vermeiden, können die Schaltungen nur in einem sehr eingeschränkten Betriebsbereich eingesetzt werden.

Problemstellung

Bislang kann der Durchbruch nur durch eine externe Spannungs- oder Strombegrenzung verhindert werden. Um individuelle Schwankungen des Bauelements und Temperatureffekte zu berücksichtigen, schränken bisherige Lösungen den Betriebsbereich stark ein, wodurch als Folge die Leistungsausschöpfung stark verringert wird. 

Lösung

Die Durchbruchüberwachung der Erfindung wird in Echtzeit durch eine in das Halbleiterbauteil 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 kann dann die an den pn-Übergang angelegte Spannung oder Strom geregelt werden. Bei Ansteigen der Lichtemission des pn-Übergangs über einen Grenzwert, wird der Strom (Spannung) am pn-Übergang verringert bis die optische Emission wieder unter dem Grenzwert liegt. Über diese Regelung wird ein vollständiger Durchbruch verhindert. Die Regelungseinheit kann ebenfalls in das Halbleiterbauteil integriert werden. Es ist möglich, in einer Integrierten Schaltung mehrere pn-Übergänge mit mehreren integrierten Photodioden zu überwachen. Der Arbeitspunkt eines Transistors zum Beispiel kann somit unmittelbar vor den Durchbruch oder aber direkt in den Durchbruch gelegt werden. Mit Hilfe dieser Überwachung lässt sich der Betriebsbereich ausweiten und die Leistungsausbeute erhöhen, ohne die Gefahr einer Zerstörung.

Bauteil mit integrierter Diode.
Bauteil mit integrierter Diode.

Vorteile

  • Mehr Leistung der Transistoren z. B. in Oszillator-Schaltungen (Radar, etc.), da die Transistoren im Durchbruch betrieben werden können
  • Eine höhere Zuverlässigkeit von IC-s durch die Möglichkeit einer kontinuierlichen Überwachung von Schwachstellen und einer entsprechenden Regelung
  • Vergrößerung des Betriebsbereiches und eine höhere Leistung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen
  • Größerer Temperaturbereich im Betrieb
  • Akzeptanz von Bauelementstreuungen
  • Schutz vor Zerstörung und somit vor Ausfall

Anwendungsbereiche

Durchbruchüberwachung von integrierten Schaltungen.

Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Emmerich Somlo
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
somlo(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Konzept / TRL2
Patentsituation
DE 102007002820 B3 erteilt
EP 2126972 B1 erteilt,
GB, FR validiert
US 8,519,732 B2 erteilt
Referenznummer
057/06TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.