DE2846698A1 - Festkoerper-strombegrenzer - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Strombegrenzer.
Gemäß der Erfindung wird ein Festkörper-Strombegrenzer
vorgeschlagen, welcher ein Substrat aus Halbleitermaterial mit einer Anzahl von darin ausgebildeten und durch
einen inaktiven Bereich getrennten aktiven Punktbereichen umfaßt/ wobei die aktiven Punktbereiche Leitungskanäle bilden, durch welche ein begrenzter Strom fließt,
wenn über dem Substrat ein oberhalb eines bestimmten Wertes liegendes elektrisches Feld angelegt wird, und wobei
der inaktive Bereich dazu dient, einen Stromfluß durch ihn zu verhindern und einen Kühlkörper um die einzelnen
aktiven Punktbereicbszu bilden.
Eine im folgenden beschriebene bevorzugte Ausführungsform schafft einen Strombegrenzer, welcher auf einem einzelnen
Chip sowohl eine Anzahl von aktiven Punktbereichen hoher Leistungsdichte als auch eine angemessene Kühlkörpereinrichtung
integriert, um die Erscheinung des "streuungsbegrenzten
Geschwindigkeitseffekts11 für Strombegrenzungszwecke oberhalb eines bestimmten angelegten elektrischen
Feldes ohne zerstörenden thermischen Durchbruch ausnützen zu können. Die Ausführungsform weist einen verhältnismäßig
einfachen Aufbau mit verhältnismäßig großen Abmessungen und damit erleichterter Herstellung auf und
ermöglicht außerdem die Anwendung von Standard-Herstellungstechniken. Sie kann als diskrete Komponente oder integriert
mit anderen Komponenten auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt sein.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
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— D ~
Auf dieser ist bzw. sind
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Trägergeschwindigkeit
als Funktion des elektrischen Feldes
bei einem typischen Halbleiter;
Fig. 2 eine Draufsicht mit entfernter Metallisierung
einer Ausführungsform der Erfindung,
10
Fig. 3 eine Schnittansicht längs Linie 3-3 der Fig. 2 und
Fig. 4 ein Schaltbild, welches eine von vielen vorteilhaften
Anwendungen des Strombegrenzers der
Fign. 2 und 3 wiedergibt.
Die bekannte Erscheinung des "streuungsbegrenzten Geschwindigkeitseffekts"
ist in allen Halbleitermaterialien vorhanden. Bei Raumtemperatur bewegen sich freie Elektronen
(ungebundene Elektronen außerhalb der äußeren Schale der Atone im Gitter) regellos mit hoher Geschwindigkeit. Anlegen
eines elektrischen Felds über das Halbleitermaterial ändert die regellose Geschwindigkeit der Elektronen und resultiert
in einem Stromfluß.
Die Größe des Stromflusses kann über statistische Verteilungen, basierend auf Newtonscher Stoßmechanik zwischen
den Elektronen und dem Gitter, berechnet werden. Mit Zunahme des angelegten elektrischen Felds nimmt die Geschwindigkeit
der freien Elektronen zu, und unter der Annahme, daß der Abstand zwischen Stoßen konstant bleibt, gilt weiterhin das
Ohmsche Gesetz, d.h., der Strom (mittlere Geschwindigkeit der freien Elektronen) nimmt linear mit dem angelegten
elektrischen Feld zu.
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Bei einem bestimmten Wert E-j dss angelegten elektrischen
Feldes nimmt die Geschwindigkeit der freien Elektronen nicht weiter zu, sondern bleibt, wie in Fig. 1 gezeigt,
konstant. Dies ist die Erscheinung des "streuungsbegrenzten Geschwindigkeitseffekts". Eine weitere Zunahme
des Feldes über E-j hinaus erhöht die Geschwindigkeit der
freien Elektronen nicht und damit auch nicht die Stärke des elektrischen Stroms. Oberhalb E1 folgt also das Material
nicht mehr dem Ohmschen Gesetz.
Diese Erscheinung wird theoretisch mit dem Gesetzen quantenmechanischer Wellenbewegung erklärt. Unterhalb von
E-] haben die Elektronen Energien, die quantenmechanischen
Wellen bestimmter Frequenzen entsprechen, die eine hohe Stoßwahrscheinlichkeit mit Atomen eines bestimmten Vibrationsschwingungstyps
innerhalb des Gitters haben, was zur Emission eines sogenannten akustischen Phonons führt.
Oberhalb von E-j haben die Elektronen höhere Energien, die
quantenmechanischen Wellen höherer Frequenz entsprechen, welche die zusätzliche Wahrscheinlichkeit von Stoßen mit anderen
Atomen eines anderen Vibrationsschwingungstyps innerhalb des Gitters haben, was zur Emission eines sogenannten
optischen Phonons führt. Diese zusätzlichen Stöße begrenzen die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen und damit die
Strommenge. Ein Erhöhen des angelegten elektrischen Felds über den Wert von E-j hinaus erhöht die Stoßwahrscheinlichkeit,
und die erhöhte Anzahl von Stoßen errichtet eine Obergrenze für die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen
trotz deren erhöhter Energie.
Die Fign. 2 und 3 zeigen die bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Strombegrenzers,
der die Ausnutzung der Erscheingung des "streuungsbegrenzten
Geschwindigkeitseffekts11 ermöglicht. Ein N+-Substrat
weist eine darauf ausgebildete epitaxiale N-Schicht 4 auf.
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Eine perforierte P-Schicht 6 ist zur Bildung einer Anzahl von N-Punktbereichen oder Kanälen 8 in die Schicht 4 eindiffundiert.
Zusätzlich sind Metallisierungen 10 und 12 und Anschlüsse 14 und 16 als Schaltungsanschluß vorgesehen.
Ein bezüglich des Anschlusses 14 an den Anschluß 16 angelegtes positives Potential bewirkt einen Stromfluß
durch die Kanäle 8. Sperr-PN-Übergänge 18, die durch die
Grenzzone der Schichten 4 und 6 gebildet werden, verhindern, daß Strom durch die Schicht 6 fließt. Es liegt also
eine Anzahl von aktiven Punktbereichen oder Leitungskanälen 8 vor, die getrennt und umgeben von einem einschließenden
inaktiven Bereich 6 sind.
Anlegen eines über E1 liegenden elektrischen Feldes
zwischen den Anschlüssen 16 und 14 führt zu einer extrem hohen Stromdichte in den Kanälen 8, die eine große Wärmemenge
erzeugen, die abgeführt werden muß, um den zerstörenden thermischen Durchbruch zu vermeiden. Die P-Schicht 6
wirkt als Kühlkörper, der diese Wärme abführt. Anstelle der P-Schicht 6 könnte auch eine einfache dielektrische Isolation
verwendet werden. Eine andere Abwandlung bestünde darin, eine begrabene P-Schicht anstelle der oberflächlichen
P-Schicht 6 vorzusehen, wodurch ein bipolares Arbeiten möglich würde. Ebenso könnte, falls gewünscht, anstelle des
N-Substrats ein P-Substrat verwendet werden, weil auch P-Material den "streuungsbegrenzten Geschwindigkeitseffekt11
zeigt.
Die krisbische Notwendigkeit ist die angemessener
Wärmeabfuhr. Wäre beispielsweise in den Fign. 2 und 3 die Schicht 6 weggelassen, würde Strom extrem hoher Dichte über
die gesamte Fläche der Schichten 3 und 4 bei Anlegen eines oberhalb von E-j liegenden elektrischen Feldes fließen, und
die Vorrichtung würde ausbrennen, weil die Fläche zu groß ist, als daß angemessene herkömmliche Kühlkörper, wie-etwa
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aufgesetzte Kühlrippen usw., vorgesehen werden könnten. Wenn der Oberflächenbereich beispielsweise auf die Größe
eines einzelnen Punkts reduziert wäre, wäre die Menge des Stromflusses für praktische Anwendungen zu gering.
Die Ausführungsform der Fign. 2 und 3 bietet eine ausreichende Fläche für eine brauchbare Strommenge und
außerdem die notwendige Kühlkörpereinrichtung. Die Erfindung ermöglicht daher beide bislang unvereinbare Resultate/
und dies auf einem einzigen Chip, indem viele voneinander getrennte Hochleistungsstromdichte-Punkte zu einem einzigen
Aufbau integriert sind. Die Leistungsdichte in den Kanälen ist sehr hoch, die Kühlkörperwirkung der Schicht 6 hält
aber die mittlere Leistungsdichte an der Oberfläche auf einem gemäßigten Wert, so daß ein Ausbrennen der Vorrichtung
vermieden ist. Der kumulative Stromflüß durch die vielen Kanäle schafft eine für praktische Anwendungen
brauchbare Strommenge.
Im folgenden wird nun ein spezifisches Beispiel angegeben. Unter Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial
und für eine vernünftig hohe Arbeitstemperatur, beispielsweise 473 K (200° C), beträgt die niedrigste Dotierungsmenge,
die das Silizium zu einem Fremdhalbleiter macht, ungefähr N (Dichte der freien Elektronen) = 10^5 Elektronen/cm3.
Ein Satz von empirisch bestimmten Werten für die Geschwindigkeit
und das elektrische Feld im Punkt 20 der Fig. 1 ist
E = 105 V/cm
Geschwindigkeit = 107 cm/sec.
E = 105 V/cm
Geschwindigkeit = 107 cm/sec.
(Ferner siehe hierzu Physics of Semiconductor Devices, S.M. Sze, John Wiley and Sons, Inc., 1969, Seiten 56-59,
insbesondere Fig. 29, hinsichtlich anderer Werte für das elektrische Feld und die Trägergeschviindigkeit.)
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- ίο -
Mit den obigen Werten läßt sich folgende Rechnung aufstellen:
Leistungsdichte = E{V/cm) · I (A/cm2)
= E(V/cm) * N(Elektronen/cm3) ·
• qo(Cb/Elektron) · ν (cm/sec)
= 105 V/cm · 1015 Elektronen/cm3 ·
• 1,6 * 10~19 Cb/Elektron - 107 cm/see
= 1,6 · 1O8 W/cm3.
In einer besonderen Ausführungsform zur Verwendung in einen 30-Volt-Spannungssystem für Flugzeuge wurde eine
Schicht einer Dicke von 3 Mikron verwendet. Mit einer Punktfläche von 1O-4 cm2 läßt sich die folgende Rechnung aufstellen:
Leistung für einzelnen Punkt = Leistungsdichte (W/cm3) ·
* Punktfläche (cm2) · Punktdicke
(cm)
' = 1,6 * 108 W/cm3 - 10~4 cm2 -
' = 1,6 * 108 W/cm3 - 10~4 cm2 -
- 3 * 10~4 cm =4,8 W/Punkt.
Eine bekannte Vorrichtung, welche bei ähnlich hohen Leistungsdichten
wie die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet ist eine Impatt-Diode (Lawinen-Laufzeit-Diode). Eine Impatt-Diode
mit einer Fläche von 1 0""4 cm2 kann bei einer Temperaturerhöhung
von 200° C ungefähr 20 Watt ableiten. (Weiteres hierzu siehe obige Literaturstelle, Seiten 256
bis 257, insbesondere Fig. 36.) Basierend auf obiger Berechnung von 4,8 W/Punkt, wird das besondere beschriebene
Beispiel des Strombegrenzers eine Punkttemperaturerhöhung von 100° C zeigen.
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Das obige Verfahren zur Berechnung der Temperatur lokaler heißer Punkte gilt so lange, als die Punkte
wenigstens einige Durchmesser voneinander getrennt liegen. Eine solche Anordnung hinsichtlich der Abstände wird, ohne
Einschränkung der Erfindung , bevorzugt, insbesondere für hohe Stromdaten. Bei dem spezifischen beschriebenen Beispiel
beschränkt die Vorrichtung den Strom auf 3OA für 0,3 Sekunden bei 30V (zwischen den Anschlüssen 16 und 14)
und führt 10A bei 1V für eine unbeschränkte Zeit. Im allgemeinen
wird der Abstand der Punkte bei der Auslegung des Strombegrenzers durch die ihm auferlegten Leistungsund
Zeiterfordernisse bestimmt. Größere Abstände der Punkte erhöhen die Zeitdauer, während der Strom begrenzt
wird. Ausreichend große Abstände der Punkte ergeben eine kontinuierliche Begrenzung des Stroms.
Eine besonders nützliche Anwendung der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Ein Leistungsthyristor 22 mit einer
Anode A und einer Kathode K ist für einen Anschluß über einer Last (nicht gezeigt) vorgesehen, um den Stromfluß
durch diese zu steuern. Ein Tor-Anschluß G ist für das Anlegen eines Auslösesignals zur Zündung des Thyristors 22
vorgesehen. Ein thermisch empfindlicher Thyristor 24 ist zwischen G und K parallel zum Tor des Leistungsthyristors
22 elektrisch angeschlossen. Der Thyristor 24 spricht auf eine bestimmte Temperatur durch ein inneres Schalten zwischen
Zuständen an und kann entsprechend den in der US-Patentschrift
3 971 056 oder der US-Patentanmeldung 652 192 beschriebenen aufgebaut sein. Wie es die US-Patentschrift
4 050 083 lehrt, können die Thyristoren 22 und 24 auf einem einzigen Chip integriert sein, wobei das gemeinsame
Substrat die beiden Thyristoren thermisch koppelt. Ebenso könnten die Thyristoren 22 und 24 auch diskrete
Komponenten mit einer thermischen Koppeleinrichtung zwi-
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schon ihnen sein. Der Thyristor 24 iühlt Temperatur des
Thyristors 22 ab und spricht auf einen bestimmten Wert für diese mit einem inneren Schalten in dem Leitungszustand
an, wodurch der Tor-Strom durch diesen und weg vom Tor des Thyristors 22 nebengeschlossen wird. Ein veränderbarer
Widerstand 26 stellt die Schalttemperatur des Thyristors 24 ein. Damit ist diese Anordnung eine thermisch
selbstgeschützte Leistungsschaltvorrichtung, da der Thyristor 24 oberhalb einer bestimmten Temperatur des Leistungsthyristors
22 den Tor-Strom automatisch nebenschließt.
Wenn der Thyristor 24 den Tor-Strom weg vom Thyristor 22 nebenschließt, bleibt letzterer weiterhin leitend, bis
der Stromfluß durch ihn unter den Haltestrom abfällt. Wenn beispielsweise zwischen A und K eine Wechselstromquelle
eingeschaltet ist, bleibt der Thyristor 22 bis zum Ende des Zyklus, wo die angelegte Spannung durch Null geht
oder irgendeinen Haltewert absinkt, leitend; und der Thyristor 22 schaltet im nächsten Zyklus nicht wieder ein.
Somit liegt ein ungeschützter Teilzyklusabschnitt vor.
Der Strombegrenzer 2 kann in Reihe mit dem Leistungsthyristor 22 geschaltet sein, um den Schutz während des
Teilzyklusabschnitts durch Begrenzung des Stromflusses zu gewährleisten. Der Strombegrenzer 2 muß den Strom nur
für eine Zeit begrenzen, die gleich dem Rest einer einzelnen Periode bzw. eines einzelnen Zyklus der Spannungsversorgung
ist, weil der Thyristor 22 während der nachfolgenden Zyklen ausgeschaltet bleibt. Beispielsweise beträgt
bei einer Wechselspannungsquelle von 60 Hz die maximale
Zeitdauer, für die der Strom begrenzt werden muß, einen Halbzyklus bzw. 0,008 see. Die Stromdaten des Thyristors
22 bestimmen die Werte, auf welche der Strom durch den Strombegrenzer 2 begrenzt werden muß. Die Erfindung in
Kombination mit der Anordnung der Fig. 4 leistet daher einen vollständigen Schutz des Thyristors 22 ohne unge-
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schützten Teilzyklusabschnitt, während welchem sonst Kurzschluß,
sprunghafte Stromanstiege usw. den Thyristor 22 und/oder
eine darüberliegende Last beschädigen könnten.
Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäBen Vorrichtung
ist die Einfachheit ihrer Integration, entweder als Einzelkomponente oder zusammen mit anderen Komponenten.
Der erfindungsgemäße Strombegrenzer wird bevorzugt unter
Verwendung von Diffussionstechniken hergestellt, weil der verhältnismäßig einfache Aufbau nur wenige Diffusionsvorgänge
erfordert. Ein epitaxialer Aufbau wird bevorzugt, weil er einen gleichförmigen und hohen Widerstand im aktiven
Leistungsabführungspunkt bietet. Die Diffusionen sind seicht und damit die Diffusionszeiten kurz. Es sind verhältnismäßig
große Abmessungen im Spiel, was eine leichte Herstellung gewährleistet. Ferner können Standard-Herstellungstechniken
verwendet werden.
Der Strombegrenzer 2, Fig. 4, kann zusammen mit den Thyristoren 22 und 24 auf dem gleichen Chip ausgebildet
sein. Der Strombegrenzer kann zusammen mit vielen anderen integrierten Schaltungen für Schutzzwecke hergestellt wer-'
den, oder aber er kann getrennt als Einzelkomponente verwendet werden.
Ein anderes Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß, weil der "streuungsbegrenzte Geschwindigkeitseffekt"
unabhängig von der Minoritätsträgerlebensdauer ist, ein weiter Bereich von Materialien und Aufbauten
möglich ist. Beispielsweise können Vielfachpunkte aus GaAs (Galliumarsenid) auf einer Siliziumeinkristallscheibe abgeschieden
v/erden, was zu einer niedrigeren Feldspannungsschwelle für die Strombegrenzung führt, als sie mit Silizium
erreichbar ist. Ein weiteres Beispiel wäre GaAsPh (Galliumarsenidphosphid).
Ki/fg
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Leerseite
Claims (10)
- PATENTANS PRÜCHEOi Festkörper-Strombegrenzer, g e k e η η zeichnet durch ein Substrat (3) aus Halbleitermaterial rait einer Anzahl von darin ausgebildeten und durch einen inaktiven Bereich (6) getrennten aktiven Punktbereichen (8), wobei die aktiven Punktbereiche Leitungskanäle bilden, durch welche mit Anlegen eines oberhalb einer bestimmten Stärke liegenden elektrischen Felds über das Halbleitersubstrat eine begrenzte Strommenge fließt,und der inaktive Bereich einen Stromfluß durch ihn selbst nicht erlaubt und als Kühlkörper um die aktiven Punktbereiche herum dient.809823/05 4 5ORIGINAL INSPECTED
- 2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er so aufgebaut ist, daß die Strommenge durch die Leitungskanäle mit zunehmender Stärke des über dem Substrat angelegten elektrischen Felds zunimmt, bis die bestimmte Stärke erreicht ist, wonach die durch die Leitungskanäle fließende Strommenge durch den streuungsbegrenzten Geschwindigkeitseffekt begrenzt ist.
- 3. Strombegrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die aktiven Punktbereiche (8) leicht dotiert sind, so daß der Effekt von Leitungsträger-Gitterstößen signifikant ist.
- 4. Strombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (3) einen bestimmten Leitungstyp hat und daß der inaktive Bereich (6) eine perforierte Schicht im Substrat umfaßt, wobei die Leitungskanäle Teile des Substrats sind, die sich durch die Perforationen dar Schicht erstrecken.
- 5. Strombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die perforierte Schicht den entgegengesetzten Leitungstyp hat. 25909823/05Λ5
- 6. Strombegrenzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die perforierte Schicht auf einer Außenfläche des Substrats (3) angeordnet ist, wodurch die aktiven Punktbereiche (8) an der Außenfläche und durch den inaktiven Bereich (6) umgeben und getrennt sind, wobei der Übergang (18) zwischen der Schicht und dem Substrat (3) den Strom durch die Schicht in der einen Richtung sperrt.
- 7. Strombegrenzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht im Substrat (3) durch eine Einzeldiffusion ausgebildet ist.
- 8. Strombegrenzer nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß die Schicht im Substrat(3) begraben ist, was die Möglichkeit des bipolaren Arbeitens des Strombegrenzers bietet.
- 9. Strombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch g e kennzeichnet, daß die perforierte Schicht dielektrisches Material aufweist.
- 10. Strombegrenzer nach einem der vorstehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß die aktiven Punktbereiche (8) um wenigstens einen Durchmesser voneinander getrennt sind, wodurch die mittlere909823/0545Leistungsdichte längs des Strombegrenzers trotz der hohen lokalen Leistungsdichte in den aktiven Punktbereichen durch die Kühlkörperwirkung des inaktiven Bereiches (6) auf einem mäßigen Wert gehalten wird, wodurch in einem Einzelchip eine angemessene Kühlkörpereinrichtung und eine für praktische Anwendungen brauchbare Strommenge geboten wird.809823/0S45
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