WO1987003141A1 - Semiconductor switch for high inverse voltages - Google Patents

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WO1987003141A1
WO1987003141A1 PCT/DE1986/000414 DE8600414W WO8703141A1 WO 1987003141 A1 WO1987003141 A1 WO 1987003141A1 DE 8600414 W DE8600414 W DE 8600414W WO 8703141 A1 WO8703141 A1 WO 8703141A1
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semiconductor switch
semiconductor
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drain
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PCT/DE1986/000414
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Inventor
Helmut Sautter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
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    • H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78696—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film characterised by the structure of the channel, e.g. multichannel, transverse or longitudinal shape, length or width, doping structure, or the overlap or alignment between the channel and the gate, the source or the drain, or the contacting structure of the channel

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor switch according to the preamble of the main claim.
  • Known semiconductor switches which are designed as thyristors or transistors, achieve maximum reverse voltages of approximately 5 kV.
  • the distribution of the ignition voltage in the motor vehicle however, components are required that allow reverse voltages of over 10 kV.
  • semiconductor switches have hitherto been ruled out because such high blocking voltages could not be achieved in the known technology.
  • Thin-film transistors appear suitable for this purpose, since they work without a pn junction and, similarly to MOS transistors, can be regarded as resistors that can be changed by a control voltage.
  • the known thin-film transistors have electrodes applied to a substrate and a channel made of semiconducting material lying between them, over which an insulating layer and the substrate electrode are arranged.
  • the insulating layer is produced in one of the known thin-film technologies and is so thin that it cannot take on the supporting function of the substrate. It is also not possible to increase the thickness with the state-of-the-art technologies with economically justifiable effort. Because of the small insulator thickness, the
  • the semiconductor switch according to the invention with the M kma len has the advantage that the insulating layer arranged between the gate and the control electrode has such a thickness that this insulating layer formed as a substrate has both a supporting function and a high dielectric strength.
  • the insulating layer can consist of ceramic, barium titanate or a corresponding insulator.
  • the insulating layer is in the form of a disk or a ring, since this significantly reduces the risk of spark and spray discharges at the corners of the semiconductor channel and the electrodes. This also results in a compact design, the ceramic insulator being able to be produced in accordance with conventional manufacturing processes.
  • the semiconductor channel and the electrodes for drain and source adjacent to it can be applied in the form of concentric rings on one end face, while the control electrode is arranged on the opposite end face.
  • the semiconductor channel and the adjacent, annular electrodes for drain and source can be arranged on the outer lateral surface, while the inner lateral surface forms the control electrode.
  • the field strength generated by the gate voltage inside the gate insulator reaches its maximum value on the surface of the gate metallization, which is far less sensitive to undesired discharge effects than the semiconductor layer of the semiconductor channel between the drain and source which forms the counterelectrode.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a semiconductor switch constructed according to the invention
  • FIG. 2 shows a further embodiment
  • FIG. 3 shows an embodiment with an annular insulator, in which the electrodes are attached to the end faces
  • FIG. 4 shows the semiconductor switch shown in FIG. 3 in cross section
  • FIG. 5 shows an annular semiconductor switch
  • Electrodes are applied to the lateral surfaces, and
  • FIG 6 shows the semiconductor switch shown in Figure 5 in cross section.
  • the electrodes drain 2 and source 3 and a semiconductor channel 4 forming the gate are located on the substrate 1. Above this there is an insulator plate 5 as an insulator, which is glued to the semiconductor channel 4 and the electrodes 2, 3 . The resulting joints 6 are filled with putty or glue. The gate electrode 7 applied on top of the insulator plate 5 is also glued to the insulator plate 5, which has a supporting function.
  • the supporting function is performed exclusively by the substrate 1 serving as an insulator. Drain, source, the semiconductor channel and the gate electrode are speaking reference numerals of Figure 1 provided.
  • drain 2, source 3 and gate 7 are located on the two end faces 8 and 9, the semiconductor channel 4 being arranged between drain 2 and source 3 on the end face 8.
  • Lines 10 show the course of the field strength.
  • FIG. 4 illustrates the structure of the semiconductor switch shown in FIG. 3.
  • the electrodes 2, 3, 7 are located on the outer lateral surface 11 and the inner lateral surface 12.
  • the lines 13, 14 illustrate the density of the field strength distribution in the region of the outer lateral surface 11 and the inner lateral surface 12.
  • FIG. 6 shows the cross section of the semiconductor switch shown in FIG. 5.
  • the semiconductor channel 4 runs on the outer circumferential surface 11.
  • the substrate 1 can consist of a sintered ceramic body, for example of 8arium titanate.
  • the substrate can have a thickness of 0.2 to 12 mm, for example, so that the disk-shaped or ring-shaped semiconductor switches are given high mechanical stability.
  • an ignition circuit for motor vehicles can be implemented which does not require any mechanically rotating parts.

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Description

Halbleiterschalter für hohe Sperrspannungen
Stand der Technik Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Bekannte Halbleiterschalter, die als Thyristoren oder Transistoren ausgebildet sind, erreichen maximale Sperrspannungen von ungefähr 5 kV. Für manche Anwendungen, wie z. B. die Verteilung der Zündspannung im Kraftfahrzeug, sind jedoch Bauelemente erforderlich, die Sperrspannungen von über 10 kV zulassen. Für derartige Anwendungen schieden Halbleiterschalter bisher aus, weil in der bekannten Technologie derart hohe Sperrspannungen nicht realisiert werden konnten. Dünnschicht-Transistoren erscheinen für diesen Zweck geeignet, da sie ohne pn-Übergang arbeiten und ähnlieh wie MOS-Transistoren als durch eine Steuerspannung veränderbare Widerstände betrachtet werden können. Oie bekannten Dünnschicht-Transistoren besitzen auf einem Substrat aufgebrachte Elektroden und eine zwischen diesen liegenden Kanal aus halbleitendem Material, über dem eine Isolierschicht und darüber die Substratelektrode angeordnet sind. Die Isolierschicht wird in einer der bekannten Dünnschicht-Technologien hergestellt und ist so dünn, daß sie die tragende Funktion des Substrats nicht übernehmen kann. Es ist auch nicht möglich, die Dicke mit den dem Stand der Technik entsprechenden Technologien mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu erhöhen. Wegen der geringen Isolatordicke ist auch die
Durchschlagsfestigkeit zwischen Steuerelektrode und Halbleiterkanal für die vorliegende Anwendung zu gering (« 1 kV).
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Halbleiterschalter mit den M er kma l e n des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die zwischen Gate und der Steuerelektrode angeordnete Isolierschicht eine derartige Dicke aufweist, daß diese als Substrat ausgebildete Isolierschicht sowohl tragende Funktion als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hat.
Die Isolierschicht kann aus Keramik, Bariumtitanat oder einem entsprechenden Isolator bestehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolierschicht die Form einer Scheibe oder eines Ringes hat, da dadurch die Gefahr von Funken- und Sprühentladungen an den Ecken des Halbleiterkanals und der Elektroden wesentlich verringert wird. Man erhält dadurch auch eine kompakte Bauform, wobei der Keramikisolator entsprechend herkömmlichen Herstellungsverfahren gefertigt werden kann. Ist die Isolierschicht in Form einer Scheibe oder eines Ringes ausgebildet, kann auf deren einer Stirnseite der Halbleiterkanal und die an diesen angrenzenden Elektroden für Drain und Source in Form konzentrischer Ringe aufgebracht sein, während auf der gegenüberliegenden Stirnseite die Steuerelektrode angeordnet ist. Bei der ringförmigen Isolierschicht kann der Halbleiterkanal und die benachbarten, ringförmigen Elektroden für Drain und Source auf der äußeren Mantelfläche angeordnet sein, während die innere Mantelfläche die Steuerelektrode bildet. Bei der letztgenannten, ringförmigen Anordnung erreicht die durch die Gate-Spannung im Innern des Gate-Isolators erzeugte Feldstärke ihren Maximalwert an der Oberfläche der Gatemetallisierung, die bezüglich unerwünschter Entladungseffekte weit weniger empfindlich ist als die die Gegenelektrode bildende Halbleiterschicht des Halbleiterkanals zwischen Drain und Source.
Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterschalters,
Figur 2 eine weitere Ausführungsform,
Figur 3 eine Ausführung mit ringförmigem Isolator, bei dem die Elektroden auf den Stirnseiten angebracht sind,
Figur 4 den in Figur 3 dargestellten Halbleiterschalter im Querschnitt,
Figur 5 einen ringförmigen Halbleiterschalter, dessen
Elektroden auf den Mantelflächen aufgebracht sind, und
Figur 6 den in Figur 5 dargestellten Halbleiterschalter im Querschnitt.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Halbleiterschalter befinden sich auf dem Substrat 1 die Elektroden Drain 2 und Source 3 sowie ein das Gate bildender Halbleiterkanal 4. Darüber befindet sich als Isolator eine Isolatorplatte 5, die mit dem Halbleiterkanal 4 und den Elektroden 2, 3 verklebt ist. Die dabei entstehenden Fugen 6 sind mit Kitt oder Kleber ausgefüllt. Auch die oben auf der Isolatorplatte 5 aufgebrachte Gate-Elektrode 7 ist mit der Isolatorplatte 5 verklebt, die tragende Funktion hat.
8ei dem in Figur 2 dargestellten Halbleiterscnaltar wird die tragende Funktion ausschließlich von dem als Isolator dienenden Substrat 1 übernommen. Drain, Source, der Halbleiterkanal und die Gate-Elektrode sind mit den ent- sprechenden Bezugszahlen von Figur 1 versehen.
Bei der in Figur 3 dargestellten ringförmigen Ausführungsform befinden sich Drain 2, Source 3 und das Gate 7 auf den beiden Stirnseiten 8 und 9, wobei der Halbleiterkanal 4 zwischen Drain 2 und Source 3 auf der Stirnseite 8 angeordnet ist. Die Linien 10 zeigen den Verlauf der Feldstärke.
Der in Figur 4 dargestellte Querschnitt verdeutlicht den Aufbau des in Figur 3 dargestellten Halbleiterschalters.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Halbleiterschalter, der ebenfalls ringförmig ausgebildet ist, befinden sich die Elektroden 2, 3, 7 auf der äußeren Mantelfläche 11 und der inneren Mantelfläche 12. Die Linien 13, 14 veranschaulichen die Dichte der Feldstärkeverteilung im Bereich der äußeren Mantelfläche 11 und der inneren Mantelfläche 12.
In Figur 6 ist der Querschnitt des in Figur 5 dargestellten Halbleiterschalters dargestellt. Der Halbleiterkanal 4 verläuft auf der äußeren Mantelfläche 11. Als tragendes und isolierendes Element kann das Substrat 1 aus einem gesinterten Keramikkörper, beispielsweise aus 8ariumtitanat, bestehen. Das Substrat kann beispielsweise eine Dicke von 0,2 bis 12 mm haben, so daß die scheibenoder ringförmigen Halbleiterschalter eine hohe mechanische Stabilität erhalten. Zur Realisierung einer mehrere Halbleiterschalter aufweisenden Schaltung können beispielsweise mehrere ringförmige Halbleiterschalter übereinander röhrenförmig angeordnet werden. Soweit erforderlich können die aneinandergrenzenden Elektroden gegeneinander isoliert sein.
Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter kann insbesondere eine Zündschaltung für Kraftfahrzeuge realisiert werden, die keine mechanisch rotierenden Teile benötigt.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschalter für hohe Sperrspannungen mit einem Substrat und mit einem zwischen Drain und Source befindlichen Halbleiterkanal, über dem eine Isolierschicht angeordnet ist, die eine Steuerelektrode trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht ein Isolator (1, 5) mit einer Dicke von 0,2 bis 12 mm ist, der auch als Trägerelement dient.
2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) den Isolator bildet.
3. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (1) die Form einer Scheibe oder eines Ringes hat, auf deren einer
Stirnseite (8) der Halbleiterkanal (4) und die an diesen ringförmig angrenzenden Elektroden für Drain (2) und Source (3) aufgebracht sind, und daß auf der gegenüberliegenden Stirnseite (9) die Steuerelektrode (7) angeordnet ist.
4. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (1) ringförmig ausgebildet ist, daß der Halbleiterkanal (4) und die benachbarten, ringförmigen Elektroden für Drain (2) und Source (3) auf der äußeren Mantelfläche (11) aufgebracht sind, und daß die innere Mantelfläche (12) die Steuerelektrode (7) trägt.
5. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (1) aus Bariumtitanat oder einem entsprechenden keramischen Isolator besteht.
6. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (1) mit den angrenzenden Elektroden (2, 3, 7) und dem Halbleiterkanal (4) verklebt ist.
7. Halbleiterschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterschalter auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
8. Halbleiterschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere ringförmige Halbleiterschalter übereinander, in Form einer Röhre angeordnet sind.
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DE19853540250 DE3540250A1 (de) 1985-11-13 1985-11-13 Halbleiterschalter fuer hohe sperrspannungen
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KR880701022A (ko) 1988-04-13
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