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Diese
Erfindung betrifft einen zweipoligen Halbleiter-Überstrombegrenzer, der einen
elektrischen Verbraucher, wie z. B. elektronische Geräte, vor
einem unerwünschten
Ausfall auch dann schützt, wenn Überstrom
hindurchfließt.
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Zum
Schutz des elektrischen Verbrauchers vor dem Ausfall durch hindurchfließenden Überstrom ist
realisiert worden, dass ein Stromkreisunterbrecher in Reihe mit
dem elektrischen Verbraucher geschaltet ist, um den Überstrom
elektromechanisch zu unterbrechen. Sobald der Überstrom jedoch einmal unterbrochen
ist, muss der Stromkreisunterbrecher betätigt werden, um diesen wieder
in einen ursprünglichen
Zustand zurückzusetzen.
Da der Stromkreisunterbrecher außerdem groß ist, würde er nicht in Form von integrierten
Schaltkreisen bereitgestellt werden.
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Um
eine derartige Schutzvorrichtung für einen integrierten Schaltkreis
anzuwenden, ist ein Halbleiter-Überstrombegrenzer
vorgeschlagen worden, der Halbleiterelemente enthält. In einer
derartigen Halbleitervorrichtung wird ein Spannungsabfall infolge
des Überstroms
ermittelt und der Überstrom wird
durch eine Gate-Spannung unterbrochen, wenn er hindurchfließt. Als
solches Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung KOKAI,
Veröffentlichung
Nr. 11-97623, veröffentlicht
am 9. April 1999, eine Schutzvorrichtung für elektrische Überlast
und eine Stromversorgungsschaltung mit der Schutzvorrichtung. Die
Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass der Überstrom hindurchfließt, weil
er nicht sofort unterbrochen wird.
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Die Überstromschutzvorrichtung
mit zwei Polen 31 und 32, die in der japanischen
Patentanmeldung Nr. 11-97623 offenbart ist, ist ferner mit drei MOSFETs 33 bis 35 und
einer Zenerdiode 36, wie in der 5 gezeigt
ist, versehen. Da die Schutzvorrichtung jedoch eine vergleichsweise
mäßige Unterbrechungseigenschaft
aufweist, wie in der 4 gezeigt ist, kann sie nicht
auf eine schnelle Veränderung
des Überstroms
reagieren. Dadurch wird die zu schützende Vorrichtung erwärmt und
fällt aus.
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Die
EP 0 820 135 A1 offenbart
einen Halbleiter-Überstrombegrenzer,
der zwei NMOS-Transistoren, einen PMOS-Transistor und eine Zenerdiode aufweist.
Jeder der zwei NMOS-Transistoren ist erforderlich, um unabhängig voneinander
den Stromfluss zu unterbrechen. Der zweite NMOS-Transistor ist erforderlich,
um das Gate eines PMOS-Transistors zu steuern, um die Stromkreisunterbrechung
zu realisieren. Die Begrenzerschaltung trennt folglich eine erste
Funktion zum Begrenzen des Stromflusses und eine zweite Funktion
für eine
Stromkreisunterbrechung basierend auf der gemessenen Spannung.
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Laur
J.P., Sanchez, J.L., Marmouget M., Austin P., Jalade J., Breil M.,
Roy M.: „A
New Circuit-Breaker Integrated Device for Protection Applications" in: Proceedings
of 11 th international symposium on power semiconductor devices
and IC's. ISPSD99,
Toronto (26-05-1999), Seiten 315 bis 318 offenbart ein integriertes
Stromkreisunterbrechergerät,
das drei MOSFET-Transistoren und wiederum eine Zenerdiode umfasst,
wobei der Aufbau des Stromkreisunterbrechers zwei separate Funktionen bereitstellt,
eine zum Begrenzen des Stromdurchflusses und eine zur Stromkreisunterbrechung.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiter-Überstrombegrenzer
mit zwei Polen zu schaffen, der fähig ist, den Überstromdurchfluss
durch einen mit ihm in Reihe geschalteten elektrischen Verbraucher
sofort zu unterbrechen.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen integrierten
Halbleiter-Überstrombegrenzer
mit einer hohen Durchbruchspannung zu schaffen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiter-Überstrombegrenzer bereitzustellen,
um einen damit in Reihe geschalteten elektrischen Verbraucher zu
schützen,
wenn ein vorbestimmter Strom hindurchfließt, um seine Impedanz zu erhöhen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweipoliger Halbleiter-Überstrombegrenzer bereitgestellt,
der nur aus einem vertikalen MOSFET, einem lateralen MOSFET und
einer Zenerdiode besteht, die in einem Halbleiter-Substrat mit ersten
und zweiten Oberflächen
gebildet sind; der vertikale MOSFET hat erste Source- und Gate-Elektroden,
die an der ersten Oberfläche
angeordnet sind, und eine erste Drain-Elektrode, die an der zweiten
Oberfläche
angeordnet ist, um einen ersten Pol bereitzustellen; der mit dem
vertikalen MOSFET in Reihe geschaltete laterale MOSFET hat zweite
Source-, Drain- und Gate-Elektroden, die an der ersten Oberfläche angeordnet
sind, und eine rückwärtige Gate-Elektrode;
die Zenerdiode hat eine Anoden-Elektrode, die mit der ersten Gate-Elektrode
verbunden und gemeinsam mit der zweiten Drain-Elektrode gebildet
ist, um einen zweiten Pol bereitzustellen, und eine Kathoden-Elektrode,
die sowohl mit der zweiten Source-Elektrode als auch der zweiten Gate-Elektrode
verbunden ist.
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In
diesem Fall werden die einen Verarmungsmodus aufweisenden vertikalen
und lateralen MOSFETs eingesetzt, und der vertikale MOSFET ist von
einem ersten Leitfähigkeitstyp,
während
der laterale MOSFET von einem zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
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Die
zweiten Source- und Gate-Elektroden des lateralen MOSFETs sind mit
der ersten Source-Elektrode des vertikalen MOSFETs verbunden, um
einen Verbindungsknoten bereitzustellen, und die rückwärtige Gate-Elektrode
des lateralen MOSFETs ist an der zweiten Oberfläche gemeinsam mit der ersten
Drain-Elektrode des vertikalen MOSFETS angeordnet.
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Da
der laterale MOSFET einen flachen Kanalbereich hat, wird ein durch
den lateralen MOSFET vom zweiten Leitfähigkeitstyp fließender Strom
oder Überstrom
infolge eines Spannungsabfalls dort hinüber durch eine an dem rückwärtigen Gate
angelegte Spannung gesteuert und unterbrochen, mit dem Ergebnis,
dass eine Gate-Spannung
des vertikalen MOSFETS vom ersten Leitfähigkeitstyp über eine Schwellenspannung
ansteigt, wodurch der dort durchfließende Strom unterbrochen wird.
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Der
vertikale MOSFET vom ersten Leitfähigkeitstyp ist ein Hochspannungs-MOSFET
mit einer hohen Durchbruchspannung, um den Strom zu trennen oder
zu unterbrechen. Es kann ebenfalls ein bipolarer Transistor mit
einem isolierten Gate eingesetzt werden.
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Die
Zenerdiode kann gleichzeitig mit dem lateralen MOSFET in dem Verfahren
zur Herstellung des Halbleiter-Überstrombegrenzers
erzeugt werden.
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Daher
hat die Zenerdiode eine Durchbruchspannung, die ähnlich oder niedriger als die
des lateralen MOSFETS vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist, wodurch die
Gate-Strukturen der lateralen und vertikalen MOSFETs geschützt sind,
wenn eine hohe Spannung an dem Überstrombegrenzer
anliegt.
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Weiterhin
sind, dem Überstrombegrenzer entsprechend,
zwei MOSFETs und die Zenerdiode in dem Halbleiter-Substrat derart
bereitgestellt, dass die Anoden-Elektrode die rückwärtige Gate-Elektrode bzw. die
Kathoden-Elektrode l Anode der Zenerdiode gemeinsam gebildet sind.
Deswegen können kompakte Überstrombegrenzer
erhalten und auch die Herstellungskosten reduziert werden, indem Halbleiterelemente
durch den gleichen Diffusionsprozess gebildet werden.
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Die
Erfindung ist anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen verständlicher,
in denen:
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1 – eine Querschnittsansicht
eines zweipoligen Halbleiter Überstrombegrenzers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 – ein äquivalenter
Schaltkreis des in der 1 gezeigten Halbleiter-Überstrombegrenzers ist;
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3 – ein Spannungs
VAK-Strom IAK-Diagramm
des Halbleiter-Überstrombegrenzers
zeigt;
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4 – ein Spannungs
VAK-Strom IAK-Diagramm
eines herkömmlichen
Halbleiter-Überstrombegrenzers
zeigt; und
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5 – ein äquivalenter
Schaltkreis des herkömmlichen
Halbleiter-Überstrombegrenzers
ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM
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Mit
Bezug auf die 1 ist ein Halbleiter-Überstrombegrenzer
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Der
Halbleiter-Überstrombegrenzer
umfasst einen vertikalen n-Kanal-Feldeftekt-Transistor 10 vom Verarmungstyp
(nachstehend als vertikaler MOSFET 10 bezeichnet), einen
lateralen p-Kanal-Feldeffekt-Transistor 20 vom Verarmungstyp (nachstehend
als lateraler MOSFET 20 bezeichnet), und eine Zenerdiode 4,
die in einem Halbleitersubstrat, das aus einer n-leitenden Halbleiterschicht 16 mit einer
n+-dotierten
Schicht 15 gebildet ist, bereitgestellt werden.
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Der
vertikale MOSFET 10 beinhaltet einen p-leitenden Bereich 17,
der in der n-leitenden Halbleiterschicht 16 vorgesehen
ist, einen n-leitenden Source-Bereich 18, der in dem p-leitenden
Bereich 17 ausgebildet ist, und einen n-Kanal-Bereich 14,
der zwischen der n-leitenden Halbleiterschicht 16 und dem
n-leitenden Source-Bereich 18 bereitgestellt
ist, eine Source-Elektrode 12, die auf dem Source-Bereich 18 bereitgestellt
ist, um die freiliegende Oberfläche
des p-leitenden Bereichs 17 abzudecken, eine Gate-Elektrode 13,
die auf einem Gate-isolierenden Film bereitgestellt ist, um den
n-Kanal-Bereich 14 abzudecken, und eine Drain-Elektrode 11 in
Kontakt mit der n+-dotierten Schicht 15,
die als ein Drain-Bereich des vertikalen MOSFETs 10 wirkt.
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Der
laterale MOSFET 20 beinhaltet andererseits p-leitende Source-
und Drain-Bereiche 26, 27, die
in der n-leitenden Halbleiterschicht 16 gebildet sind,
einen p-Kanal-Bereich 24, der zwischen den Source- und
Drain-Bereichen 26, 27 bereitgestellt ist, eine
Drain-Elektrode 21, die auf dem Drain-Bereich 27 bereitgestellt
ist, eine Source-Elektrode 22, die auf dem Source-Bereich 26 bereitgestellt
ist, eine Gate-Elektrode 23,
die auf einem gate-isolierenden Film bereitgestellt ist, um den
p-Kanal-Bereich 24 abzudecken und eine rückwärtige Gate-Elektrode 25, die
auf der n+-dotierten Schicht 15 gebildet
ist.
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Die
Zener-Diode 4 wird durch Bilden eines n-leitenden Bereichs 7 in
dem p-leitenden Drain-Bereich 27 bereitgestellt. In der
Zenerdiode wird die Drain-Elektrode 21 als eine Anoden-Elektrode
verwendet, und eine Elektrode 6, die auf dem n-leitenden
Bereich 7 vorgesehen ist, wird als eine Kathoden-Elektrode
eingesetzt.
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Wie
aus der 1 ersichtlich ist, sind die Drain-Elektrode 11 des
vertikalen MOS-FETs 10 und die
rückwärtige Gate-Elektrode 25 des
lateralen MOSFETs 20 durch eine gemeinsame Metallisierung erbracht,
d. h. sie sind elektrisch verbunden, um einen Eingangspol (Anoden-Pol) 1 bereitzustellen. Weiterhin
sind die Source-Elektrode 12 des
vertikalen MOSFETs 10, die Source- und Gate-Elektroden 22, 23 des
lateralen MOSFETs 20 und die Kathoden-Eiektrode 6 der
Zenerdiode 4 miteinander verbunden, um einen Verbindungsknoten 3 zu
schaffen.
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Weiterhin
sind die Gate-Elektrode 13 des MOSFETs 10, die
Drain-Elektrode 21 des lateralen MOSFETs 20 und
die Anoden-Elektrode 5 der Zenerdiode 4 elektrisch
verbunden, um einen Ausgangspol (Kathoden-Pol) 2 bereitzustellen.
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2 zeigt
einen äquivalenten
Schaltkreis des Halbleiter-Überstrombegrenzers,
der in 1 gezeigt ist.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist die Source-Elektrode 12 des
vertikalen MOSFETs 10 mit der Source-Elektrode 22 des
lateralen MOSFETs 20 zwischen den Polen 1 und 2 verbunden.
Das heißt,
der vertikale MOSFET 10 und der laterale MOSFET 20 sind
in Reihe geschaltet, während
die Zenerdiode 4 in Parallelschaltung mit dem lateralen
MOSFET 20 verbunden ist. Die Anoden-Elektrode 5 der
Zenerdiode 4 ist mit der Drain-Elektrode 21 des
lateralen MOSFETs 20 verbunden und ist weiterhin mit der Gate-Elektrode 13 des
vertikalen MOSFETs 10 verbunden. Die Kathoden-Elektrode 6 der
Zenerdiode 4 ist mit der Source-Elektrode 12 des
vertikalen MOS-FETs 10 und
den Source- und Gate-Elektroden 22, 23 des lateralen
MOSFETs 20 verbunden, d. h. sie ist mit dem Verbindungsknoten 3 verbunden.
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Nachstehend
wird die Funktion des zweipoligen Halbleiter-Überstrombegrenzers beschrieben.
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Da
der vertikale n-Kanal-MOSFET 10 und der laterale p-Kanal-MOSFET 20 einen
Verarmungsmodus aufweisen, haben deren Gate-Schwellenspannungen
entspre chende negative bzw. positive Werte. Deshalb sind die MOSFETs 10 und 20 im Durchlasszustand,
wenn eine Spannung zwischen entsprechenden Gate- und Source-Elektroden
Null ist, wodurch ein Strom hindurchfließt, bis die Spannung zwischen
den Gate- und Source-Elektroden deren Schwellenspannung überschreitet.
Da der Gate-Schwellenwert des vertikalen MOSFETs 10 negativ
ist, fließt
kein Strom zwischen der Drain-Elektrode 11 und der Source-Elektrode 12,
um zu einem Sperrzustand zu gelangen, wenn die Gate-Spannung den
Schwellenwert überschreitet,
wodurch die hohe Durchschlagspannung davon infolge des vertikalen Aufbaus
beibehalten wird.
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Der
laterale MOSFET 20 mit einem im Vergleich zu dem vertikalen
MOSFET 10 hohen Einschaltwiderstand wird verwendet. Mit
dem Ansteigen eines elektrischen Potentials an dem Eingangspol 1 erhöht sich
daher das elektrische Potential an dem Verbindungsknoten 3 mit
einem Potentialwert, der dem elektrischen Potential des Eingangspols 1 nahe ist.
Gleichzeitig liegt das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 zwischen
der Gate-Elektrode 13 und der Source-Elektrode 12 als
eine negative Spannung an.
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Wenn
das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 ansteigt,
wodurch die Spannung zwischen der Gate-Elektrode 13 und
der Source-Elektrode 12 des vertikalen MOSFETs 10 die Schwellenspannung überschreitet,
gelangt der vertikale MOSFET 10 in einen Sperrzustand,
um das Ansteigen des elektrischen Potentials des Verbindungsknotens 3 zu
steuern. Dementsprechend erhält
die Spannung zwischen der Gate-Elektrode 13 und der Source-Elektrode 12 eine
Rückkoppelung,
so dass der vertikale MOSFET 10 ein Sättigungsmerkmal bei einem bestimmten
Wert zeigt, um einen Konstantstrombetrieb zu erhalten.
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Da
das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 durch
den Betrieb des vertikalen MOSFETs 10 gesättigt ist,
liegt eine konstante Spannung zwischen der Drain-Elektrode 21 und der Source-Elektrode 22 des
lateralen MOSFETs an. Weil desweiteren die Gate-Elektrode 23 und
die Source-Elektrode 22 des lateralen MOSFETs 20 kurzgeschlossen
sind, zeigt die dazwischen liegende Spannung ein Sättigungsmerkmal
bei 0 Volt.
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Der
Verbindungsknoten 3 wird auf ein konstantes elektrisches
Potential durch die Funktion des vertikalen MOSFETs 10 gesteuert.
Wenn das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 jedoch weiter
zunimmt, um die Durchschlagspannung der Zenerdiode 4 zu überschreiten,
wird er auf deren Durchbruchspannung gehalten. Der Betrieb der Zenerdiode
schützt
sowohl die lateralen als auch die vertikalen MOS-FETs 20, 10 vor dem
Ansteigen der Spannung zwischen der Drain-Elektrode 21 und
der Source-Elektrode 22, und der Spannung zwischen der
Gate-Elektrode 23 und der Source-Elektrode 22 des
lateralen MOSFETs 20, und weiter der Spannung zwischen
der Gate-Elektrode 13 und der Source-Elektrode 12 des
vertikalen MOSFETs 10. Deshalb wird die an dem Halbleiter-Überstrombegrenzer angelegte
Spannung hauptsächlich
an dem vertikalen MOSFET 10 angelegt, dem die Durchschlagspannung
zugeordnet ist.
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Das
elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 reagiert
schnell auf die an dem Eingangspol 1 des Überstrombegrenzers
anliegende Anoden-Spannung, da der laterale MOSFET 20 einen verglichen
mit dem vertikalen MOSFET 10 relativ hohen Einschaltwiderstand
hat, wie vorstehend beschrieben ist. Wenn Strom durch den Überstrombegrenzer
fließt,
wird ein Spannungsabfall durch den Einschaltwiderstand des lateralen
MOSFETs 20 erzeugt, um eine negative Vorspannung darüber zu schaffen,
wobei die Gate-Spannung des vertikalen MOSFETs 10 reduziert
wird. Wenn der laterale MOSFET 20 getrennt ist, liegt die
negative Vorspannung an der Gate-Elektrode 13 des vertikalen
MOSFETs 10 an, wodurch er getrennt wird. Das heißt, die
negative Vorspannung liegt zwischen der Gate-Elektrode 13 und
der Source-Elektrode 12 des vertikalen MOSFETs 10 an.
Wenn sich die Spannung zwischen der Gate-Elektrode 13 und
der Source-Elektrode 12 der Schwellenspannung annähert, wird
der durch den vertikalen MOSFET 10 fließende Drain-Strom begrenzt,
um den durch den Überstrombegrenzer
fließenden
Strom zu sättigen.
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Die
Spannung zwischen der Gate-Elektrode 23 und der Source-Elektrode 22 ist
Null Volt, weil sie miteinander kurzgeschlossen sind. Jedoch wird
die Spannung zwischen der Drain-Elektrode 21 und der Source-Elektrode 22 gleich
der zwischen der Gate-Elektrode 23 und
der Drain-Elektrode 21, weil der laterale MOSFET 20 vom
Verarmungstyp ist, wodurch die Gate-Elektrode 23 den Sperrbetrieb
ausführt.
Da die Gate-Elektrode 23 jedoch mit dem Verbindungsknoten 3 verbunden
ist, zeigt der latera le MOSFET 20 nur die Sättigungseigenschaft,
wenn das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 konstant
wird. In dem Fall, wo die Schwellenspannung des vertikalen MOSFETs 10 höher als
die Sättigungsspannung
des Verbindungsknotens 3 ist, wird der laterale MOSFET 20 nicht
betrieben. Daher wird das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 derart
eingestellt, dass es höher
ist als der Schwellenwert des vertikalen MOSFETs 10, um
eine gute Unterbrechungsleistung bereitzustellen.
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Weiterhin
wird, so weit wie das elektrische Potential des Verbindungsknotens 3 ansteigt,
der Überstrom
gesättigt,
aber nicht unterbrochen. Der Schwellenwert des rückwärtigen Gates 25 des
lateralen MOSFETs 20 gleicht ungefähr dem des Überstrombegrenzers.
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Um
den durch den lateralen MOSFET 20 fließenden Strom zu unterbrechen,
ist es daher wirkungsvoll, dass der Kanalbereich 24 flach
ist und das elektrische Potential des rückwärtigen Gates 25 erhöht ist.
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Das
heißt,
dass die Unterbrechungseigenschaft des Überstrombegrenzers größtenteils
von dem Kanalbereich 24 des lateralen MOSFETs 20 abhängt. Wenn
der Kanalbereich 24 tief wird, ist eine Sperrfunktion wegen
der Gate-Elektrode 23 reduziert und die Sperrfunktion ist
wegen des rückwärtigen Gates 25 ebenfalls
vermindert, wodurch sich der Unterbrechungseffekt des Überstrombegrenzers
verschlechtert.
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Wenn
der Kanalbereich 14 des vertikalen MOSFETs 10 tief
ist, nimmt gleichermaßen
ein unerwünschter
Stromverlust im Sperrzustand zu, und ein Durchbruch tritt ein.
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Daher
ist es erforderlich, den Kanalbereich 14 so flach wie möglich herzustellen,
um eine gewünschte
Durchbruchspannung zu erhalten.
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Die 3 zeigt
ein Spannungs-FAK-Strom IAK-Diagramm
des Halbleiter-Überstrombegrenzers, nämlich eine
Unterbrechungscharakteristik davon. Verglichen mit der in der 4 gezeigten
herkömmlichen
Unterbrechungseigenschaft wird der Überstrom schnell gesteuert
und begrenzt, wenn er einen gewissen Wert überschreitet. Daher wird dem
elektrischen Verbraucher keine unerwünschte elektrische Energie
aufgrund des Überstroms
zugeführt,
um dessen Erwärmung
und Ausfall zu verhindern.
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Die
Ausführungsform
ist ein Beispiel und es ist ersichtlich, dass der n-leitende Bereich
und der p-leitende Bereich vertauscht sein können, was zu gleichen Vorteilen
führt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie vorstehend beschrieben, ist der Halbleiter-Überstrombegrenzer bereitgestellt,
der den vertikalen n-Kanal-MOSFET 10, den lateralen p-Kanal-MOSFET 20 und
die Zenerdiode 4 mit monolithischem Aufbau enthält. Der
vertikale MOSFET 10 und der laterale MOSFET 20 sind
in Reihe geschaltet und der Spannungsabfall, der durch Steuerung
des rückwärtigen Gates des
lateralen MOSFETs 20 bewirkt wird, liegt an der Gate-Elektrode 13 des
vertikalen MOSFET 10 an, wodurch der durch den Begrenzer
fließende Überstrom
unterbrochen wird, und ferner die Gate-Strukturen der lateralen
und vertikalen MOSFETs durch die Zenerdiode geschützt sind.