DE10109172B4

DE10109172B4 - Strombegrenzungseinrichtung

Info

Publication number: DE10109172B4
Application number: DE10109172A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Yamaguchi; Takeaki Asaeda; Katsumi Satoh; Noritoshi Hirano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: CH695521A8; DE10109172A1; US6479882B2; CH695521A5; JP4213329B2; JP2001358306A; US20020011647A1

Abstract

Strombegrenzungseinrichtung (1) mit einem Siliziumsubstrat (2), wobei das Siliziumsubstrat (2) folgendes aufweist:
– eine N-leitende Schicht (4);
– zwei N⁺-Schichten (5), die jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht (4) gebildet sind; und
– zwei Elektroden (3), die auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats (2) aufgebracht sind, und mit denen eine Spannung an das Siliziumsubstrat (2) angelegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Siliziumsubstrat (2) ferner zumindest zwei P-Schichten (6) aufweist, daß zumindest eine P-Schicht (6) mit ihrer äußeren Oberfläche an jeweils eine Elektrode (3) angrenzt,
und daß die jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht (4) gebildeten N⁺-Schichten (5) und die mit ihren äußeren Oberflächen an jeweils eine Elektrode (3) angrenzenden P-Schichten (6) bezüglich der jeweiligen Elektroden (3) symmetrisch angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung mit einem Siliziumsubstrat, wobei das Siliziumsubstrat folgendes aufweist:

– eine N-leitende Schicht;
– zwei N⁺-Schichten, die jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht gebildet sind; und
– zwei Elektroden, die auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats aufgebracht sind und mit denen eine Spannung an das Siliziumsubstrat angelegt wird.

Ein Standardwiderstand besteht im allgemeinen aus einem Widerstandsmaterial, wie beispielsweise Metall, Email oder Kohlenstoff, das einen vorbestimmten Widerstandswert aufweist. Ein Sicherung, die dahingehend wirksam ist, daß sie eine Schaltung öffnet, wenn in einer solchen Schaltung ein momentaner Überstrom fließt, wird im allgemeinen verwendet, um eine solche Schaltung vor dem Überstrom zu schützen.
Wenn jedoch ein Überstrom erzeugt wird und die Schaltung infolge des Durchbrennens der Sicherung öffnet, sind komplizierte Vorgänge erforderlich, um die Schaltung wieder in den ursprünglichen Betriebszustand zurückzusetzen. Häufig wird zwar ein leicht rückstellbarer Leistungsschalter in die Schaltung eingefügt, er ist jedoch nicht in der Lage, auf einen Überstrom einer Dauer von weniger als einigen Millisekunden anzusprechen.
Außerdem hat der Standardwiderstand einen konstanten Widerstandswert für die angelegte Spannung, und daher kann der Widerstand allein den Überstrom nicht steuern; das gilt insbesondere für ein elektrisches Leistungssteuerungssystem, in dem eine hohe Spannung verwendet wird und ein hoher Strom fließt. Daher muß in einem solchen elektrischen Leistungssteuerungssystem der Widerstand in Kombination mit einer Sicherung verwendet werden.
Ferner hat der Widerstand im allgemeinen einen Widerstandswert, der sich ändert, wenn der Widerstand durch den Durchfluß eines relativ großen Stroms erwärmt wird, und erfordert daher eine Kühlung, damit der Widerstand eine vorbestimmte Widerstandscharakteristik aufweisen kann. Diese Kühlung ist aber bei den meisten Standardwiderständen nur unter Schwierigkeiten erreichbar.
Die Temperatur des Widerstands steigt abrupt an, wenn ein relativ großer Strom durch ihn fließt, auch wenn dieser nur momentan ist. Um den Überstrom zu unterdrücken, ohne die Schaltung zu öffnen, wird es jedoch als notwendig erachtet, den Überstrom auch dann zu unterdrücken, wenn sich als Folge des Temperaturanstiegs des Widerstands eine hohe Temperatur entwickelt.
In dem elektrischen Leistungssteuerungssystem wird davon ausgegangen, daß der darin verwendete Widerstand im Hinblick auf den Wert des in dem elektrischen Leistungssteuerungssystem verwendeten Stroms auf ca. 120 °C erwärmt wird, und somit muß garantiert sein, daß der Widerstand eine maximale Betriebstemperatur von bis zu ca. 200 °C hat. Andererseits wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß der Widerstand im Fall einer Ab normalität, bei der ein Überstrom durch ihn fließt, auf ca. 230 °C (500K) erwärmt wird.
Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines Halbleiterelements als Widerstand in einer Schaltung wohlbekannt ist. Beispielsweise zeigen die offengelegten JP-Patentveröffentlichungen 10-70289 und 6-21349 einen unsymmetrischen Überspannungsschutzwiderstand bzw. ein amorphes Halbleiterbauelement.
Dabei zeigt die offengelegte JP-Patentveröffentlichung 10-70289 einen unsymmetrischen Überspannungsschutzwiderstand, der Überspannungsschutz-Widerstandsbereiche und Überspannungsschutz-Diodenbereiche aufweist. Die Überspannungsschutz-Widerstandsbereiche haben infolge der Unsymmetrie eine Richtungsfähigkeit und können die in den Überspannungsschutz-Kondensator eingebaute Ladung entladen.
Die offengelegte JP-Patentveröffentlichung 6-21349 dagegen zeigt einen amorphen Halbleiter, der eine Chalkogenverbindung aufweist, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode sandwichartig angeordnet ist. Ein Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ändert sich kontinuierlich, so daß sich die elektrische Feldstärke zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kontinuierlich ändert, so daß der Phasenübergang zwischen einem kristallinen Zustand und einem amorphen Zustand steuerbar ist, so daß der Halbleiter einen gewünschten Widerstandswert aufweist.

Eine Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 5 747 841 A bekannt. Dort ist eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Last mittels einer Speisespannung beschrieben, die Eingangsklemmen zum Anschluß an Pole einer Speisespannungsquelle aufweist. Ferner ist ein Schaltungsabschnitt als Strombegrenzerelement zum Begrenzen eines Eingangsstromes vorgesehen, der während des Betriebes infolge der Speisespannung durch die Eingangsklemmen fließt. Das Strombegrenzerelement weist dabei einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor auf, der zwischen den Hauptelektroden angeordnet ist und aus einem Halbleiterkörper gebildet ist, der aus Silizium bestehen kann und im wesentlichen vom N-Typ ist, wobei der Halbleiterkörper hauptsächlich von zwei verhältnismäßig hochohmigen N-Gebieten gebildet ist.

An der oberen Fläche und an der unteren Fläche des Halbleiterkörpers sind bei der herkömmlichen Anordnung stark dotierte N-Kontaktzonen vorgesehen, die mit Metallelektroden verbunden sind. Die Kontaktzonen und die Elektroden erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Halbleiterkörpers und bilden den Source-Anschluß und Drain-Anschluß des Sperrschicht-Feldeffekttransistors. Der Gate-Anschluß des Transistors ist in Form von stark dotierten vergrabenen P-Zonen an der Grenze zwischen den hochohmigen Gebieten vorgesehen.

Bei einer speziellen Ausführungsform der herkömmlichen Strombegrenzungseinrichtung weist die Halbleiteranordnung einen Halbleiterkörper auf, der vollständig aus Silizium vom N-Typ gebildet und an der Oberseite und der Unterseite mit zwei Kontakten versehen ist, mit denen die Einrichtung mit der Spannungsversorgung verbunden werden kann. Um gute ohmsche Kontakte zu erhalten, ist der Halbleiterkörper ferner an beiden Seiten mit stark dotierten N-Kontaktzonen versehen. Diese Zonen sind voneinander durch ein verhältnismäßig schwach dotiertes Gebiet getrennt, das vollständig vom N-Typ ist. Dabei ist die Dicke des Gebietes so gewählt, daß bei Spannungen, die in einer bestimmten Anwendung auftreten können, infolge einer Sättigung der Driftgeschwindigkeit der Elektronen in dem Gebiet eine Strombegrenzung in dem Halbleiterkörper stattfindet.

Bei einer anderen speziellen Ausführungsform der herkömmlichen Strombegrenzungseinrichtung wird ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor verwendet, der wiederum einen schwach dotierten Siliziumkörper vom N-Typ aufweist, welcher mit einer stark dotierten Drainzone und einem Drainkontakt an der Unterseite versehen ist. Die Sourcezone umfaßt eine Anzahl von stark dotierten N-Oberflächenzonen. Die Gateelektrode wird dort nicht von vergrabenen Zonen gebildet, sondern umfaßt eine Anzahl von hochdotierten P-Oberflächenzonen, die zwischen Sourcezonen angebracht sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen definierten Widerstandsbereich und Strombegrenzungsbereich aufweist, wobei die Temperaturabhängigkeit des über die Strombegrenzungseinrichtung fließenden Stromes in dem Strombegrenzungsbereich klein ist und wobei die Strombegrenzungseinrichtung die gleiche Charakteristik für Wechselstrom wie für Gleichstrom zeigt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Strombegrenzungseinrichtung mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 1 anzugeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strombegrenzungseinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung finden sich Widerstands- und Strombegrenzungsbereiche im Diagramm des Stroms über der angelegten Spannung. In dem Widerstandsbereich ist der Strom nahezu proportional zu der Spannung, und der Konstantwiderstandswert wird erhalten, wenn die angelegte Spannung gleich dem vorbestimmten Wert oder niedriger ist. In dem Strombegrenzungsbereich ist der Strom für den Strombegrenzungseffekt nahezu konstant, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist, so daß die Schaltung vor Überstrom geschützt wird.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung, etwa die N-leitende Schicht, kann kostengünstig hergestellt werden, und gleichzeitig kann die obige Wirkung erzielt werden.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung ist im Gebrauch bei minimaler Wärmeabhängigkeit im Strombegrenzungsbereich stabil, weil darin die P-Schichten vorgesehen sind.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann auch in anderen Ausführungsformen aufgrund der darin vorgesehenen P-Schichten bei minimaler Wärmeabhängigkeit im Strombegrenzungsbereich im Gebrauch stabil sein.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann aufgrund der gesteuerten Lebensdauer der Ladungsträger auf einen niedrigen Widerstandswert im Widerstandsbereich (im normalen Betriebszustand) gesteuert werden.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann die Schaltung vor einem Überstrom bei 500K und darunter schützen.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann einen niedrigen Kontaktwiderstandswert haben, weil die Elektroden direkt auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen sind.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann guten elektrischen Kontakt und gute Wärmeleitfähigkeit bieten, und sie kann durch das Vorhandensein der Metallelektroden eine stabile Charakteristik des Widerstandswerts haben.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung ist an die Metallelektroden angepreßt, und eine große Fläche der Metallelektroden ist für die Kühlwirkung vorgesehen, so daß eine Änderung der Charakteristik des Widerstandswerts infolge einer Erwärmung verhindert werden kann und die Einrichtung eine stabile Charakteristik des Widerstandswerts haben kann. Die Strombegrenzungseinrichtung kann eine große Kühlwirkung haben, weil sie ohne Klebstoff, der eine Wärmeleitung verhindern könnte, gegen die Metallelektroden gepreßt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

1 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform einer Strombegrenzungseinrichtung;

2 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen in der Strombegrenzungseinrichtung gezeigt ist;

3 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen gezeigt ist, wenn die Dichte des Dotierungsstoffs der N^–-Schicht geändert wird;

4 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen gezeigt ist, wenn die Dicke der N^–-Schicht geändert wird;

5A ein Diagramm, das ein Simulationstestergebnis wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen bei Änderung der Temperatur gezeigt ist;

5B ein Diagramm, das ein Simulationstestergebnis wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen bei Änderung der Temperatur gezeigt ist;

6 eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung;

7 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen in der Strombegrenzungseinrichtung gezeigt ist;

8 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wiedergibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Spannungen und Strömen gezeigt ist, wenn Änderungen der P-Schicht/des P-Bereichs und der Temperatur der Strombegrenzungseinrichtung vorliegen;

9 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung;

10 eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung;

11 eine seitliche Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung; und

12 eine seitliche Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung.

Gemäß 1 weist eine Strombegrenzungseinrichtung 1 ein Siliziumsubstrat 2 mit einander gegenüberliegenden Oberflächen und mit Elektroden 3 auf, die jeweils auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats aufgebracht sind.
Das in 1 gezeigte Siliziumsubstrat 2 ist eine Dreischichtstruktur mit einer N^–-Schicht 4 niedriger Störstellendichte und N⁺-Schichten 5 hoher Störstellendichte, die jeweils auf gegenüberliegenden Oberflächen der N^–-Schicht 4 gebildet sind. Die Elektroden 3, die bevorzugt aus Aluminium hergestellt sind, sind auf eine von der N^–-Schicht 4 ferne äußere Oberfläche jeder der N⁺-Schichten 5 aufgebracht.
Das aus den Schichten 4 und 5 bestehende Siliziumsubstrat 2 hat eine Dicke von 1,6 mm, und die Dicke jeder der N⁺-Schichten 5 auf den jeweiligen Seiten der N^–-Schicht 4 ist 30 μm. Es ist also ohne weiteres ersichtlich, daß die N^–-Schicht 4 des Siliziumsubstrats 2 eine Dicke von 1540 μm hat.
Die Strombegrenzungseinrichtung mit der in 1 gezeigten Struktur kann durch die folgenden Schritte hergestellt werden. Zuerst wird auf irgendeine bekannte Weise als Ausgangsmaterial ein im allgemeinen scheibenförmiges Siliziummaterial, das in seiner Gesamtheit niedrige Störstellendichte hat (d. h. eine N^–-Siliziumscheibe) und ferner eine Dicke von 1,6 mm aufweist, hergestellt.
In jeden der gegenüberliegenden Oberflächenbereiche der Siliziumscheibe wird dann Phosphor eindiffundiert, während die Scheibe in einem Ofen erwärmt wird, so daß die N⁺-Schichten 5 in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe gebildet werden können, wobei eine N^–-Siliziumschicht 4 zwischen den resultierenden N⁺-Schichten 5 verbleibt. Danach werden die Aluminiumelektroden 3 auf die jeweiligen äußeren Oberflächen der N⁺-Schichten 5 unter Anwendung eines Vakuumbedampfungsverfahrens aufgebracht.
Es ist zu beachten, daß zwar eine N^–-Siliziumscheibe als Ausgangsmaterial beschrieben wird, eine N-Siliziumscheibe jedoch ebenso gut verwendet werden kann; in diesem Fall sollte die Dotierstoffdichte so eingestellt werden, daß die Zwischenschicht zwischen den N⁺-Schichten 5 zu einer N^–-Schicht gemacht wird.
Bei der Durchführung eines Simulationstests zur Bestimmung der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem zwischen den beiden Elektroden in der Strombegrenzungseinrichtung gemäß 1 fließenden Strom wurde das Diagramm gemäß 2 auf einem Bildschirm erhalten.
In diesem Diagramm gibt es Widerstandsbereiche und Strombegrenzungsbereiche. In dem Widerstandsbereich des Diagramms ist der Strom zu der Spannung nahezu proportional, und ein konstanter Widerstandswert wird erhalten, wenn die angelegte Spannung gleich einem vorbestimmten Wert oder niedriger ist.
In dem Strombegrenzungsbereich des Diagramms ist der Strom nahezu konstant und wird somit begrenzt, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist. Da der Überstrom in einer Schaltung auftritt, wenn die angelegte Spannung ca. 3000 V ist, wird der Strombegrenzungsbereich im allgemeinen bei ca. 3000 V benötigt, um die Schaltung vor dem Überstrom zu schützen.
Dagegen ist in einem Normalbetriebszustand, in dem die Strombegrenzungseinrichtung zufriedenstellend funktioniert, ohne beschädigt zu werden, ein Widerstandsbereich bis zu ca. 1000 V erforderlich. Wenn ferner die angelegte Spannung über 3000 V ansteigt, kann es sein, daß der Strom ansteigt, und daher ist der Strombegrenzungsbereich bevorzugt breiter.
Der in dem Halbleiter fließende Strom wird im allgemeinen durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückt. (Siehe Andrew S. Grove, "Physics and Technology of Semiconductor Devices", John Wiley & Sons, Inc., 1967.)
In der obigen Gleichung (1) ist q die elektrische Elementarladung (1,6·10^–19C) , n ist die Elektronendichte, ν_d _rift ist die mittlere Driftgeschwindigkeit von Elektronen, A ist die Querschnittsfläche einer Probe, V ist die an die Probe angelegte Spannung, und L ist die Probenlänge.
Wenn bei der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der vorstehenden Ausführungsform die angelegte Spannung gleich einer vorbestimmten Spannung oder niedriger ist, ist die Driftgeschwindigkeit der Elektronen zu der angelegten Spannung nahezu proportional, und somit steigt der Strom proportional zu der angelegten Spannung an. Wenn jedoch die angelegte Spannung die vorbestimmte Spannung überschreitet, nimmt die Driftgeschwindigkeit der Elektronen nicht proportional zu der angelegten Spannung zu, und es wird erwartet, daß der Strombegrenzungseffekt wirksam ist.
3 zeigt, wie die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Strom durch die Dichte eines Dotiermaterials in der N^–-Schicht 4 in der Strombegrenzungseinrichtung beeinflußt wird, was in einem Simulationstest aufgezeigt wurde.
In 3 erhält man eine Kurve a, wenn die Dotiermaterialdichte (Anzahl von Dotierstoffelementen je 1 cm³) 7,9 × 10¹³/cm³ ist; man erhält Kurve b, wenn die Dotiermaterialdichte 5,0 × 10¹³/cm³ ist; man erhält Kurve c, wenn die Dotiermaterialdichte 4,0 × 10¹³/cm³ ist; man erhält Kurve d, wenn die Dotiermaterialdichte 3,0 × 10¹³/cm³ ist; Kurve e wird erhalten, wenn die Dotiermaterialdichte 2,0 × 10¹³/cm³ ist; und Kurve f wird erhalten, wenn die Dotiermaterialdichte 7,9 × 10¹²/cm³ ist.
Unter Bezugnahme auf 3 ergibt sich, daß mit steigender Dotiermaterialdichte im Normalbetriebszustand der Widerstandswert der Strombegrenzungseinrichtung abnimmt und der Strom ansteigt. Daher ist die Dotiermaterialdichte der N^–-Schicht bevorzugt innerhalb des Bereichs von 10¹² bis 10¹⁵/cm³, stärker bevorzugt 10¹³ bis 10¹⁵/cm³.
4 zeigt, wie die Gesamtdicke des Siliziumsubstrats 2 die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Strom beeinflußt, was in einem Simulationstest gezeigt wurde. In
4 erhält man eine Kurve a, wenn die Dicke des Siliziumsubstrats 2 200 μm ist; eine Kurve b erhält man, wenn die Substratdicke 400 μm ist; eine Kurve c erhält man, wenn die Substratdicke 600 μm ist; eine Kurve d erhält man, wenn die Substratdicke 800 μm ist; eine Kurve e erhält man, wenn die Substratdicke 1000 μm ist; und eine Kurve f erhält man, wenn die Substratdicke 1600 μm ist.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ersichtlich, daß mit zunehmender Dicke des Siliziumsubstrats 2 das Plateau des Strombegrenzungsbereichs verbreitert werden kann. Daher ist die Substratdicke bevorzugt nicht kleiner als 600 μm, stärker bevorzugt nicht kleiner als 800 μm und am meisten bevorzugt nicht kleiner als 1000 μm. Außerdem ist der Widerstandswert um so höher, je größer die Substratdicke ist, und somit ist die Substratdicke bevorzugt 1 cm oder kleiner, stärker bevorzugt 5 mm oder kleiner.
Die Stromdichte ist bevorzugt nicht höher als 100 A/cm². Daher muß das Siliziumsubstrat 2 eine Oberfläche von ca. 20 cm² oder größer haben, damit der Strom von 2000 A über die Strombegrenzungseinrichtung fließen kann. Somit ist bei einer Strombegrenzungseinrichtung, die einen Strom mit jedem beliebigen Wert I unterstützt, die Substratfläche bevorzugt nicht kleiner als I/100 cm².
Die Dichte des Dotierstoffelements in jeder der N⁺-Schichten 5 ist bevorzugt 10¹⁹/cm³ oder höher, stärker bevorzugt 10¹⁵/cm³ oder höher und noch stärker bevorzugt 10¹⁸/cm³ oder höher und am meisten bevorzugt 10¹⁷/cm³ oder höher.
Die Dicke jeder der N⁺-Schichten 5 ist bevorzugt innerhalb des Bereichs von 1 bis 100 μm, stärker bevorzugt innerhalb des Bereichs von 5 bis 60 μm.
5A zeigt ein Simulationstestergebnis, das wiedergibt, wie die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Strom durch eine Temperaturänderung beeinflußt wird, wenn der Strom durch ein N^–-Siliziumsubstrat fließt, bei dem eine Elektrode auf jede der gegenüberliegenden Oberflächen des N^–-Silizium substrats aufgebracht ist, wobei jedoch keine N⁺-Schicht vorgesehen ist.
5B ist ein ähnliches Simulationstestergebnis, das zeigt, wie die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Strom durch eine Temperaturänderung beeinflußt wird, wenn der Strom durch die Strombegrenzungseinrichtung fließt, die den in 1 gezeigten Aufbau hat. Gemäß 5A erscheint der Strombegrenzungsbereich in dem N^–-Siliziumsubstrat bei 400K, verschwindet jedoch bei 500K.
Bei der erhöhten Temperatur, die sich während eines abnormalen Zustands entwickelt, in dem der Überstrom auftritt, kann daher das N^–-Siliziumsubstrat ohne N⁺-Schicht in der Praxis nicht als Strombegrenzungselement verwendet werden und ist nicht in der Lage, den Überstrom zu unterdrücken, so daß er durch das N^–-Siliziumsubstrat fließen kann.
Wie 5B zeigt, erscheint dagegen bei der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der Erfindung das Plateau des Strombegrenzungsbereichs bei ca. 500K. Daher kann die Strombegrenzungseinrichtung bis zu 650K stabil eingesetzt werden; bei dieser Temperatur ändert sich der Halbleiter und wird zu einem Eigenhalbleiter. Für einen stabilen Gebrauch kann die Strombegrenzungseinrichtung bevorzugt bis zu 500K verwendet werden.
Wenn die N⁺-Schichten 5 jeweils in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe in einer im wesentlichen symmetrischen Beziehung zu den gegenüberliegenden Elektroden ausgebildet sind, zeigt die Strombegrenzungseinrichtung den gleichen charakteristischen Wechselstrom und hat die Strombegrenzungswirkung, und daher kann die Strombegrenzungs einrichtung nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom benutzt werden.
Gemäß 6, die eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, unterscheidet sich die Strombegrenzungseinrichtung 1a von der Strombegrenzungseinrichtung der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, daß bei der Strombegrenzungseinrichtung 1a von 6 eine Vielzahl von P-Schichten in jeder der N⁺-Schichten 5 teilweise ausgebildet ist.
Dabei weist die Strombegrenzungseinrichtung 1a das Siliziumsubstrat 2 und die Elektroden 3 auf. Das Siliziumsubstrat 2 hat die N^–-Schicht 4 niedriger Dotiermaterialdichte und die N⁺-Schichten 5 hoher Dotiermaterialdichte auf den jeweiligen Oberflächenbereichen der N^–-Schicht 4.
Ferner sind die P-Schichten in jeder N⁺-Schicht 5 in regelmäßigen Abständen ihrer äußeren Oberfläche angrenzend an die Elektrode 3 ausgebildet. Die Aluminiumelektroden 3 sind jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats 2, also auf jeweiligen äußeren Oberflächen der N⁺-Schichten 5 fern von der dazwischen befindlichen N^–-Schicht 4 ausgebildet.
Die Dicke des Siliziumsubstrats 2 ist 1,6 mm, die Dicke jeder der N⁺-Schichten 5 ist 40 μm, und die maximale Tiefe jeder P-Schicht 6 unterhalb der Elektrodenoberfläche ist 30 μm. Die Dicke der N^–-Schicht 4 in dem Siliziumsubstrat 2 ist daher 1520 μm.
Die Strombegrenzungseinrichtung 1a wird gemäß den nachstehenden Schritten hergestellt. Zuerst wird auf irgendeine bekannte Weise als Ausgangsmaterial ein im allgemeinen scheibenförmiges Siliziummaterial mit einer in seiner Gesamtheit niedrigen Störstellendichte (also eine N^–-Siliziumscheibe), die ferner eine Dicke von 1,6 mm hat, hergestellt.
Dann wird in jeden von gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe Phosphor eindiffundiert, während die Siliziumscheibe in einem Ofen erwärmt wird, so daß die N⁺-Schichten 5 in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe ausgebildet werden können und eine N^–-Siliziumschicht 4 zwischen den resultierenden N⁺-Schichten 5 verbleibt.
Danach wird in die jeweiligen äußeren Oberflächen der N⁺-Schichten 5 Bor teilweise eindiffundiert, während das Siliziumsubstrat 2 gleichzeitig in einem Ofen erwärmt wird, so daß die den verteilten Dotierungsstoff bildenden P-Schichten 6 mit jeweils Halbkugelform in den entsprechenden äußeren Oberflächenbereichen der N⁺-Schichten 5 gebildet werden können.
Schließlich werden die Aluminiumelektroden 3 auf die jeweiligen äußeren Oberflächen der N⁺-Schichten 5 unter Anwendung eines Vakuumbedampfungsverfahrens aufgebracht. Die P-Schichten 6 können gebildet werden, indem das Dotierungselement, wie etwa Bor oder Gallium usw., in das Siliziumsubstrat eindiffundiert wird.
Die Fläche der gesamten P-Schichten 6 beträgt bevorzugt 50 oder weniger der Gesamtoberfläche der Elektroden. Die Tiefe jeder P-Schicht 6 ist bevorzugt 50 μm oder kleiner. Ferner liegt die Dichte des Dotierungselements in jeder P-Schicht 6 bevorzugt innerhalb des Bereichs von 10¹⁶/cm³ bis 10¹⁹/cm³.
Die Elektroden 3, die auf den jeweiligen äußeren Oberflächen der N⁺-Schichten 5 gebildet sind, können aus jedem geeigneten Material bestehen, wobei allerdings Aluminium wegen seiner Verformbarkeit bevorzugt wird. Bei Verwendung der Aluminiumelektroden 3 können diese unter Anwendung eines bekannten Vakuumbedampfungs- oder Sputterverfahrens gebildet werden.
7 zeigt das Ergebnis von Simulationstests, die mit der in 6 gezeigten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung 1a durchgeführt wurden; ebenso wie im Fall der Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gemäß 1 erkennt man einen Widerstandsbereich und Strombegrenzungsbereiche in dem Diagramm.
In dem Widerstandsbereich ist der Strom zu der angelegten Spannung nahezu proportional, und ein konstanter Widerstandswert wird erhalten, wenn die angelegte Spannung gleich einem vorbestimmten Wert oder niedriger ist. In dem Strombegrenzungsbereich ist der Strom nahezu konstant, so daß sich der Strombegrenzungseffekt einstellt, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist.
Das Diagramm von 8 ist das Ergebnis eines Simulationstests, der zeigt, wie die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Strom durch die Anwesenheit der P-Schicht/des P-Bereichs und durch eine Temperaturänderung der Strombegrenzungseinrichtung beeinflußt wird.
8 zeigt, daß eine Änderung des Stroms und eine Temperaturabhängigkeit des über die Strombegrenzungseinrichtung 1a fließenden Stroms kleiner als bei der Strombegrenzungseinrichtung ohne P-Schichten in dem Strombegrenzungsbereich sind. Da her kann die Temperaturabhängigkeit des über die Strombegrenzungseinrichtung 1a fließenden Stroms in dem Strombegrenzungsbereich klein sein.
Die Dicke des gesamten Wafers und der N⁺-Schichten 5, die Dichte des Dotierungselements für die N^–-Schicht 4 und die N⁺-Schichten 5 sind im wesentlichen die gleichen wie bei der Strombegrenzungseinrichtung gemäß 1.
Wenn N⁺-Schichten 5 und P-Schichten 6 in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen des Siliziumsubstrats gebildet sind, sind die N⁺-Schichten und die P-Schichten im wesentlichen symmetrisch in bezug auf die Elektroden. Aufgrund der Symmetrie der N⁺-Schichten und der P-Schichten zeigt die Strombegrenzungseinrichtung die gleiche Charakteristik bei Wechselstrom und hat auch den Strombegrenzungseffekt, so daß die Strombegrenzungseinrichtung nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom verwendet werden kann.
9 zeigt eine zweite Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung. Diese Strombegrenzungseinrichtung gleicht im wesentlichen der Strombegrenzungseinrichtung der ersten Ausführungsform. Gegenüber der ersten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung unterscheidet sie sich jedoch dadurch, daß Bereiche 7, die von Strichlinien in 9 umschlossen sind, einer lokalen Steuerung der Lebensdauer der Ladungsträger unterzogen werden.
Die lokale Steuerung der Lebensdauer erfolgt durch Bestrahlen mit Protonen innerhalb der P-Schichten 6. Diese Bestrahlung mit Protonen in den P-Schichten 6 erfolgt unter Anwendung eines Zyklotrons. Die Bestrahlungstiefe der Protonen durch das Zyklotron kann 1 mm oder größer sein, und daher wird die Tiefe auf einige μm bis 30 μm eingestellt.
Durch die lokale Lebensdauersteuerung der P-Schichten 6 kann der Widerstandswert der Strombegrenzungseinrichtung in dem Widerstandsbereich im Normalbetriebszustand verringert werden. Die lokale Lebensdauersteuerung der Ladungsträger kann auch durch Aufbringen von Strahlung erfolgen.
10 zeigt eine dritte Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung. Gegenüber der ersten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung unterscheidet sich die Strombegrenzungseinrichtung 1c dadurch, daß jede der N⁺-Schichten teilweise in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der N^–-Schicht 4 gebildet ist und eine P-Schicht 6 auf jeder der angrenzenden N⁺-Schichten 5 der Strombegrenzungseinrichtung 1c gebildet ist.
Dabei weist die Strombegrenzungseinrichtung 1c das Siliziumsubstrat 2 und die Elektroden 3 auf, und das Siliziumsubstrat 2 weist die N^–-Schicht 4 mit niedriger Dotiermaterialdichte und die N⁺-Schichten 5 mit hoher Dotiermaterialdichte auf.
Jede N⁺-Schicht 5 ist teilweise auf dem Oberflächenbereich der N^–-Schicht 4 gebildet. Ferner ist jede P-Schicht 6 auf der N⁺-Schicht 5 und der N^–-Schicht 4 gebildet. Die Aluminiumelektroden 3 sind auf jeweiligen äußeren Oberflächen der P-Schichten 6 gebildet.
Die Dicke des gesamten Wafers (des Siliziumsubstrats 2) ist ca. 1,6 mm, die Dicke jeder N⁺-Schicht 5 ist 30 μm, und die Dicke jeder P-Schicht 6 ist 5 μm. Die Fläche der N⁺-Schicht 5 nimmt ca. 80% der Gesamtoberfläche der Elektrode ein. Die Dicke der N^–-Schicht 4 in dem Siliziumsubstrat 2 ist daher 1530 μm.
Die Dicke jeder P-Schicht 6 ist bevorzugt innerhalb des Bereichs von 1 μm bis 10 μm, stärker bevorzugt innerhalb des Bereichs von 3 μm bis 7 μm. Die Dicke jeder N⁺-Schicht 5 ist bevorzugt innerhalb des Bereichs von 1 μm bis 100 μm, stärker bevorzugt innerhalb des Bereichs von 5 μm bis 60 μm.
Wenn die N⁺-Schicht 5 auf der gesamten Oberfläche jeder N^–-Schicht 4 und die P-Schicht 6 auf der gesamten Oberfläche jeder N⁺-Schicht 5 gebildet ist, kann der Strom nicht über die Strombegrenzungseinrichtung fließen, wenn die angelegte Spannung im Normalbetriebszustand (Widerstandsbereich) zu niedrig ist. Daher ist in diesem Fall jede N⁺-Schicht bevorzugt partiell ausgebildet. Die Fläche jeder N⁺-Schicht 5 nimmt bevorzugt 50 bis 95 % der Gesamtoberfläche der Elektrode ein.
Die Strombegrenzungseinrichtung 1c wird durch die folgenden Schritte hergestellt. Zuerst wird auf eine bekannte Weise als Ausgangsmaterial ein im allgemeinen scheibenförmiges Siliziummaterial mit einer in seiner Gesamtheit niedrigen Störstellendichte (d.h. eine N^–-Siliziumscheibe), die außerdem eine Dicke von 1,6 mm hat, vorbereitet.
Dann wird in jeden von gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe Phosphor eindiffundiert, während die Scheibe gleichzeitig in einem Ofen erwärmt wird, so daß die N+-Schichten in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe gebildet werden können und eine N^–-Sili ziumschicht 4 zwischen den resultierenden N⁺-Schichten 5 verbleibt.
Die Fläche jeder N⁺-Schicht nimmt 80% der Gesamtoberfläche der Elektrode ein. Bor wird in die jeweiligen äußeren Oberflächen der N⁺-Schichten 5 teilweise eindiffundiert, während das Siliziumsubstrat 2 in einem Ofen erwärmt wird, so daß die P-Schichten 6 auf den jeweiligen äußeren Oberflächenbereichen der N⁺- und N^–-Schichten 5 und 4 gebildet werden können.
Danach werden unter Anwendung eines Vakuumbedampfungsverfahrens die Aluminiumelektroden 3 teilweise auf die jeweiligen äußeren Oberflächen der P-Schichten 6 aufgebracht.
Wenn die N⁺-Schichten 5 und die P-Schichten 6 jeweils auf jeder der gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats gebildet sind, sind die N⁺-Schichten 5 und die P-Schichten 6 im wesentlichen symmetrisch in bezug auf ihre Lage zwischen den Elektroden. Infolge der Symmetrie der N⁺-Schichten und der P-Schichten 6 zeigt die Strombegrenzungseinrichtung die gleiche Charakteristik für Wechselstrom wie für Gleichstrom und hat die Strombegrenzungswirkung, so daß sie nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom verwendet werden kann.
11 zeigt eine vierte Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung. Die vierte Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gleicht im wesentlichen der dritten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung, unterscheidet sich aber dadurch von ihr, daß Bereiche 7, die von den Strichlinien in 11 umschlossen sind, der lokalen Lebensdauersteuerung der Ladungsträger unterzogen werden, die auf die gleiche Weise wie im Zusammenhang mit der vorher beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden kann.
Die Tiefe der Bestrahlung mit Protonen mittels des Zyklotrons kann 1 mm oder größer sein, daher wird die Tiefe auf einige μm bis 30 μm eingestellt. Aufgrund der lokalen Lebensdauersteuerung der Ladungsträger der P-Schicht kann der Widerstand der Strombegrenzungseinrichtung in dem Widerstandsbereich im Normalbetriebszustand verringert werden.
12 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung. Die Strombegrenzungseinrichtung 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß
1 dadurch, daß sie unter Druck sandwichartig zwischen den Metallelektroden 12 eingeschlossen ist.
Dabei verwendet die Strombegrenzungseinrichtung 10 die Strombegrenzungseinrichtung 1 der Ausführungsform gemäß 1, die sandwichartig zwischen den Metallelektroden 12 unter Druck mittels Ausgleichsplatten 11 eingeschlossen ist. Isolatoren 13 sind sandwichartig zwischen den Metallelektroden 12 angeordnet, um einen eventuellen Kurzschluß zu verhindern.
Jede Metallelektrode 12 hat bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und besteht daher beispielsweise aus Kupfer. Die Ausgleichsplatten 11 können vorgesehen sein, um eine Beschädigung des Siliziumsubstrats infolge der Wärmeausdehnung der Metallelektroden 12 zu verhindern.
Jede Ausgleichsplatte 11 hat bevorzugt eine Wärmedehnungszahl, die ungefähr gleich derjenigen des Siliziumsubstrats ist, und kann beispielsweise aus Molybdän bestehen. Der auf das Silizi umsubstrat aufgebrachte Druck ist bevorzugt 5,8 × 10⁶ bis 3,92 × 10⁷ Pa.
Bei der fünften Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung 10 wird die Strombegrenzungseinrichtung 1 gegen die Metallelektroden 12 gepreßt, und eine große Fläche der Metallelektrode ist für Kühlzwecke vorgesehen, so daß eine Änderung der Widerstandscharakteristik infolge einer Erwärmung verhindert werden kann, und die Strombegrenzungseinrichtung 10 kann eine stabile Widerstandscharakteristik aufweisen. Die Strombegrenzungseinrichtung 10 kann eine starke Kühlwirkung haben, weil sie ohne Klebstoff, der eine Wärmeleitung verhindern würde, gegen die Metallelektroden 12 gepreßt wird.

Claims

Strombegrenzungseinrichtung (1) mit einem Siliziumsubstrat (2), wobei das Siliziumsubstrat (2) folgendes aufweist: – eine N-leitende Schicht (4); – zwei N⁺-Schichten (5), die jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht (4) gebildet sind; und – zwei Elektroden (3), die auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats (2) aufgebracht sind, und mit denen eine Spannung an das Siliziumsubstrat (2) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (2) ferner zumindest zwei P-Schichten (6) aufweist, daß zumindest eine P-Schicht (6) mit ihrer äußeren Oberfläche an jeweils eine Elektrode (3) angrenzt, und daß die jeweils auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht (4) gebildeten N⁺-Schichten (5) und die mit ihren äußeren Oberflächen an jeweils eine Elektrode (3) angrenzenden P-Schichten (6) bezüglich der jeweiligen Elektroden (3) symmetrisch angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (2) eine Vielzahl von P-Schichten (6), die jeweils in regelmäßigen Abständen zueinander mit ihren äußeren Oberflächen angrenzend an die jeweilige Elektrode (3) ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Oberflächenbereiche der Vielzahl der P-Schichten (6), die nicht angrenzend an die jeweilige Elektrode (3) ausgebildet sind, vollständig an die jeweilige N⁺-Schicht (5) angrenzen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige, angrenzend an die jeweilige Elektrode (3) ausgebildete P-Schicht (6) vollständig zwischen dem Siliziumsubstrat (2) und den Elektroden (3) ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen P-Schichten (6) einer lokalen Lebensdauersteuerung der Ladungsträger unterzogen sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Dotierstoffelements in jeder der N+-Schichten (5) mindestens 10¹⁴/cm³ beträgt und die Dicke jeder der N+-Schichten (5) innerhalb eines Bereiches von 1 bis 100 μm liegt, daß die Dichte des Dotierstoffelements in jeder der P-Schichten (6) innerhalb eines Bereiches von 10¹⁶/cm³ bis 10¹⁹/cm³ liegt und die Dicke jeder der P-Schichten (6) 50 μm oder kleiner ist, und daß die Dicke der N^–-Schicht (4) etwa 1520 μm beträgt.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei Metallelektroden (12), mit denen das Siliziumsubstrat unter Druck sandwichartig eingeschlossen ist.