專利名稱：尤其在短路情況下限制交流電流的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種限制交流電流的設(shè)備。
為給用電器(設(shè)備)供應(yīng)交流電流，用電器要通過一個開關(guān)設(shè)備與電網(wǎng)的一條支線連接。為保護用電器不流過過大的電流，尤其是在短路情況下，在低壓開關(guān)技術(shù)中開關(guān)設(shè)備使用保護支線用的熔斷保護斷路器和開關(guān)時間明顯大于1毫秒(1ms)的機械式功率開關(guān)。如果在一個電力支線中同時驅(qū)動多個用電器，而只有一個用電器出現(xiàn)短路的話，那么當未出現(xiàn)短路的用電器不受影響繼續(xù)工作，只切斷短路的用電器，將具有極大優(yōu)點。為此目的，需要在每一用電器前面直接接入限流組件(限流器)，該限流器在釋放為該電力支線配置的斷路器(線路保護開關(guān))之前，在顯著小于1ms的時間內(nèi)把電流從可能的短路電流可靠地限制到一個預(yù)先規(guī)定的非臨界的過電流值。
這種限流器必須能夠在限流情況下經(jīng)受在組件上存在的高電壓，其通常達到700V，間或達到1200V，視電網(wǎng)而定。因為其時在組件上存在的損耗功率非常高，因此當限流器在接受另外的電壓時自動輔助地把該電流減小到顯著低于預(yù)先規(guī)定的過電流值時，將特別具有優(yōu)點(自保護組件)。
在市場上唯一可得到的無源、亦即無控制功能的限流器是BA公司以PROLIM名字銷售的設(shè)備，它建立在該設(shè)備中所使用材料晶界的與電流有關(guān)導(dǎo)電性上面。然而該設(shè)備在頻繁使用于限流時可能出現(xiàn)電流飽和值(電流限制值)改變的情況。
此外，通常只使用有源、亦即有控制功能的限流器，它采集電流并在超過一個預(yù)先給定的最大電流值時通過有源控制器限制電流。DE-A-4330459公知了一種基于半導(dǎo)體的有源限流器。該有源限流半導(dǎo)體開關(guān)具有一個預(yù)先規(guī)定導(dǎo)通型的第一半導(dǎo)體區(qū)，給它在彼此相對的表面上各安置一個電極?，F(xiàn)在在第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)，在兩個電極之間彼此相距安置其他的相反導(dǎo)通型的半導(dǎo)體區(qū)。在其他各個半導(dǎo)體區(qū)之間分別構(gòu)造第一半導(dǎo)體區(qū)的通道區(qū)，它垂直于第一半導(dǎo)體區(qū)的兩個表面(垂直通道)。在兩個電極之間的豎直電流由該通道區(qū)引導(dǎo)并加以限制。為控制在這兩個電極之間的電流流通，在第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)相反摻雜的半導(dǎo)體區(qū)上施加一個柵電壓，通過該柵電壓可以控制通道區(qū)的電阻。
DE-A-19548443公知了一個半導(dǎo)體裝置，它具有一個預(yù)先規(guī)定導(dǎo)通型的第一半導(dǎo)體區(qū)，一個在第一半導(dǎo)體區(qū)的一個表面上安置的接觸區(qū)和一個在第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)接觸區(qū)下安置的、具有和第一半導(dǎo)體區(qū)相反導(dǎo)通型的第二半導(dǎo)體區(qū)。第二半導(dǎo)體區(qū)在所有方向上平行于第一半導(dǎo)體區(qū)的表面超過接觸區(qū)繼續(xù)延伸，使得在第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)至少構(gòu)造出一個通道區(qū)，它向下以在第一半導(dǎo)體區(qū)和第二半導(dǎo)體區(qū)之間構(gòu)造的p-n結(jié)的耗盡區(qū)為界，并在導(dǎo)通狀態(tài)下承載來自接觸區(qū)或者流向接觸區(qū)的電流。因此至少一個通道區(qū)在第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)橫向設(shè)置并因此具有一個良好的飽和特性。在與第一半導(dǎo)體區(qū)的上述表面相對的第一半導(dǎo)體區(qū)的另一表面上安置另一個接觸區(qū)。然后可以在該接觸區(qū)和在第一半導(dǎo)體區(qū)的另一表面上的接觸區(qū)之間施加一個該半導(dǎo)體裝置用的操作電壓。
該通道區(qū)在由DE-A-19548443公知的半導(dǎo)體裝置的一個改進方案中以另一p-n結(jié)的一個耗盡區(qū)與第二半導(dǎo)體區(qū)對立的一側(cè)為界，該p-n結(jié)由第一半導(dǎo)體區(qū)和至少一個與第一半導(dǎo)體區(qū)相反導(dǎo)通型的第三半導(dǎo)體區(qū)所構(gòu)造。給第三半導(dǎo)體區(qū)配置一個控制電極，通過施加控制電壓來控制所述通道區(qū)的電阻。在另一個改進方案中，該通道區(qū)以至少一個肖特基觸點的耗盡區(qū)的與第二半導(dǎo)體區(qū)對立的一側(cè)為界。在該實施例中還可在肖特基觸點上施加控制電壓，以控制所述通道區(qū)的電阻。
本發(fā)明的目的在于，提供一種限制交流電流的設(shè)備，它能承受短路情況下快速重現(xiàn)的交變電壓，并能夠可靠限制相應(yīng)的交流電流。
本發(fā)明的目的是通過權(quán)利要求1所述的特征來實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明，在要限制的交流電流的電流路徑中至少接入一個半導(dǎo)體裝置，它如此構(gòu)造或者可如此控制，使得它在施加一個具有預(yù)先規(guī)定極性(正向，導(dǎo)通方向)的正向電壓時有正向電流導(dǎo)通，該電流隨從零電壓增加的正向電壓單調(diào)地、優(yōu)選基本線性(歐姆特性曲線)地增長，在一相應(yīng)的飽和電壓下增長到飽和電流，并在超過該飽和電壓的正向電壓時被限制在一個小于飽和電流的限制電流，優(yōu)選小于飽和電流的約五分之一。然而，該半導(dǎo)體裝置可以在相反極性(反向)下不限制電流(無對稱特性曲線)。在施加反向電壓時，一個反向電流大量流過該半導(dǎo)體裝置，它隨從零電壓增加的反向電壓單調(diào)地增長到一個預(yù)先規(guī)定的反向擊穿電壓，并在超過該反向擊穿電壓時由于載流子擊穿而急劇增長。然而在載流子擊穿時該半導(dǎo)體裝置很容易損壞。
因此，按照本發(fā)明為一個或者多個半導(dǎo)體裝置另外提供一個保護電路，它防止每一半導(dǎo)體裝置在交流電流的反向極化半波中達到甚或超過反向擊穿電壓，特別是在過電流或者短路情況下，此時會出現(xiàn)大電流。亦即通過該保護電路減小在無保護電路的交流電流的半波中通常存在于半導(dǎo)體裝置上的反向電壓，或者實際可行地完全避免該半導(dǎo)體裝置在反方向運行。
通過有利地組合這些措施，首次提供一個只用半導(dǎo)體組件構(gòu)造的交流限流器，它同樣有力地、在很大程度上不依賴于后接的負載且和用機械式開關(guān)構(gòu)造的交流限流器同樣可靠地把在過電流或者短路情況下的交流電流限制到一個可接受的電流值，即限制電流。
本發(fā)明設(shè)備的有利實施方案和改進方案由與權(quán)利要求1相關(guān)的權(quán)利要求給出。
在3個基本實施例中，各保護電路分別借助于二極管，尤其是(雙極)p-n結(jié)二極管或者(單極)肖特基二極管實現(xiàn)，這些二極管可以使用低成本的硅基標準功率二極管。
在這3個基本實施例的第一個實施例中，保護電路用兩個各由一個半導(dǎo)體裝置和一個二極管組成的反并聯(lián)電路實現(xiàn)，這兩個反并聯(lián)電路彼此反串聯(lián)接入交流電流的電流路徑中。
這樣調(diào)整這些二極管在半導(dǎo)體裝置中的特性，即，交流電流在標準工作狀態(tài)(Nennbetrieb)至少絕大部分，優(yōu)選實際上全部流過兩個反串聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置，并在過電流或者短路情況下在交流電流的每一半波內(nèi)單調(diào)地，優(yōu)選基本線性(歐姆特性曲線)地增長到在該半波內(nèi)正向極化的半導(dǎo)體裝置處于飽和電壓時的飽和電流，在處于超過飽和電壓的正向電壓時由該半導(dǎo)體裝置限制到小于飽和電流的限制電流，以及實際上只通過位于正向的半導(dǎo)體裝置，并且至少絕大部分通過第二二極管流過。
在每一反并聯(lián)電路中，所屬二極管的最大截止電壓(擊穿電壓)優(yōu)選至少和在限制電流時的最大正向電壓一樣大，并優(yōu)選和所屬半導(dǎo)體裝置的正向擊穿電壓一樣大。由此保證，在所屬半導(dǎo)體裝置正向運行、假定是標稱電流運行或者過電流運行時的二極管不會比半導(dǎo)體裝置更早擊穿，亦即至少和該半導(dǎo)體裝置一樣好地截止。此外，每一二極管的導(dǎo)通閾值電壓(門限電壓，勢壘電壓)在數(shù)值上小于所屬反并聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置的反向擊穿電壓，而且分別小于和另一二極管反并聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置的飽和電壓。在各另一反并聯(lián)電路中接入的半導(dǎo)體裝置處于飽和電流時，每一二極管的導(dǎo)通電壓還優(yōu)選小于該半導(dǎo)體裝置的飽和電壓，使得在過載或者短路情況下盡可能多的電流通過該二極管。
亦即通過該限流設(shè)備第一基本實施例的電流在標準工作狀態(tài)時是一種情況、在過電流或者短路狀態(tài)下是另一種情況。亦即該交流限流器作為不需控制(無源實現(xiàn))、尤其不需要測量電流的“智能限制器”“確認”電流強度并相應(yīng)地開斷電流，以便實現(xiàn)最優(yōu)作用。在標準工作狀態(tài)，二極管中僅有很少或者完全沒有電流流過，使得導(dǎo)通損耗最小化。相反，在過電流或者短路情況下，保護那個處于反方向的半導(dǎo)體裝置免除流過電流以及由此產(chǎn)生的反向電壓升高，而那個處于反并聯(lián)的二極管承載所述處于正向的半導(dǎo)體裝置的限制電流。
所述交流限流器的第二基本實施例同樣具有兩個半導(dǎo)體裝置和兩個二極管。然而在此每一個二極管和一個半導(dǎo)體裝置串聯(lián)，而所形成的兩個串聯(lián)電路反并聯(lián)連接。每一二極管的最大截止電壓(反向擊穿電壓)在數(shù)值上至少和所屬串聯(lián)的半導(dǎo)體裝置的最大反向電壓(反向擊穿電壓)一樣大。由此保證，在所屬半導(dǎo)體裝置反向運行時的二極管在過電流或者短路狀態(tài)時不會比該半導(dǎo)體裝置更早擊穿，亦即至少和該半導(dǎo)體裝置一樣好地截止，可以接受該半導(dǎo)體裝置的反向電壓。
所述第一和第二實施例的一個確定的缺點在于，具有所述特性的半導(dǎo)體裝置通常貴于簡單二極管，使得由于使用兩個半導(dǎo)體裝置相對來說必須承受高的總成本。
所述交流限流器的一種低成本方案是第三基本實施例，它只用單一半導(dǎo)體裝置即可，它接入由4個二極管組成的格列茨橋作為半導(dǎo)體裝置的保護電路。其如此布線，使得在兩種極性中的每一種極性時的交流電流以其正向流過該半導(dǎo)體裝置，其中，在該半導(dǎo)體裝置前和后各有一個在導(dǎo)通方向上接入的二極管處在電流路徑中。
每一二極管的最大截止電壓一般優(yōu)選至少和該半導(dǎo)體裝置在限制電流時的最大正向電壓一樣大，優(yōu)選和其正向擊穿電壓一樣大。
在迄今說明的限流設(shè)備的每一實施例的一個有利改進方案中，每一半導(dǎo)體裝置至少部分由一種能帶寬度至少為2eV的半導(dǎo)體材料組成。該半導(dǎo)體具有與“通用半導(dǎo)體”硅相比顯著高的耐擊穿性，因此該限流器可以用于更高的交流電壓。這種用于每一半導(dǎo)體裝置的優(yōu)選半導(dǎo)體材料是碳化硅(SiC)，尤其是3C-或者4H-或者6H-多型單晶碳化硅，因為SiC具有突出的電氣和熱特性。
一個或者多個半導(dǎo)體可以單獨或者共同與一個或者多個在一個特別由硅或者碳化硅制成的半導(dǎo)體基片上的二極管集成，但也可以作為離散組件彼此連接。
在一個有利的改進方案中，所述交流電流限流器設(shè)備的至少一個半導(dǎo)體裝置的第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)可以具有一個第一電極、一個第二電極和一個通道區(qū)，第一電極作為歐姆觸點優(yōu)選安置在至少一個安置在第一半導(dǎo)體區(qū)的一個第一表面上的接觸區(qū)上，第二電極安置在第一半導(dǎo)體區(qū)的第一表面上或者優(yōu)選在一個與第一半導(dǎo)體區(qū)的第一表面相對的第二表面上，而通道區(qū)以電方式存在于第一電極和第二電極之間或可在其間產(chǎn)生，該通道區(qū)在達到飽和電流時由至少一個耗盡區(qū)(載流子耗盡的區(qū)域并因此具有高電阻)所夾斷。
限制或者夾斷該通道區(qū)的至少一個耗盡區(qū)優(yōu)選由一個在第一半導(dǎo)體區(qū)和第二半導(dǎo)體區(qū)之間的p-n結(jié)構(gòu)造，所述第二半導(dǎo)體區(qū)安置在第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)接觸區(qū)下面，并在平行于第一半導(dǎo)體區(qū)的第一表面的所有方向上延伸超出該接觸區(qū)。該半導(dǎo)體裝置的這一實施例由于所述橫向通道特別耐擊穿，由于在埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的載流子存儲和由于由此產(chǎn)生的、并隨兩個電極上的電壓減小時在半波末端處駐留的通道區(qū)的夾斷，能夠在超過一個預(yù)先規(guī)定的限制時間(截止時間)基本保持限制電流(截止電流)為可接受的電流值。
在此，當在第一半導(dǎo)體的第一表面配置多個接觸區(qū)時，那么可以在每一接觸區(qū)下面安置一個附屬的第二半導(dǎo)體區(qū)，或者在所有接觸區(qū)下面安置一個關(guān)聯(lián)的第二半導(dǎo)體區(qū)，它在平行于第一半導(dǎo)體區(qū)的第一表面的所有方向上超出最小的并包括所有接觸區(qū)的平面繼續(xù)向外延伸。于是第一半導(dǎo)體區(qū)的各通道區(qū)通過在分開的第二半導(dǎo)體區(qū)之間的空隙或者通過在關(guān)聯(lián)的第二半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)的開孔，它們分別至少與分配給該接觸區(qū)的一個通道區(qū)電串聯(lián)。
在另一實施例中，該通道區(qū)至少在一側(cè)以一個肖特基觸點的至少一個耗盡區(qū)為界或被其夾斷。該肖特基觸點尤其可以由第一電極和在至少一個接觸區(qū)之外存在的第一半導(dǎo)體區(qū)的一個區(qū)域所構(gòu)造。這可以例如通過合適選擇這兩個區(qū)域的摻雜來實現(xiàn)。但是該肖特基觸點也可以用一個另外可在其上施加控制電壓的控制電極和在至少一個接觸區(qū)之外存在的第一半導(dǎo)體區(qū)的一個區(qū)域所構(gòu)造。
在一個特別有利的實施例中，至少一個在通道區(qū)上的耗盡區(qū)由一個附加的p-n結(jié)的耗盡區(qū)構(gòu)造，該p-n結(jié)位于第一半導(dǎo)體區(qū)和第三半導(dǎo)體區(qū)之間，后者安置在第一半導(dǎo)體區(qū)的第一表面上。
在具有至少一個第三半導(dǎo)體區(qū)的實施例的第一個改進方案中，第三半導(dǎo)體區(qū)與一個控制電極相接觸。通過在該控制電極上施加一個控制電壓，可以控制p-n結(jié)的耗盡區(qū)的擴展，從而控制通道區(qū)的電阻。在該改進方案中所述通道區(qū)也可能常規(guī)性地被夾斷，只有在施加控制電壓時才可能被打開(產(chǎn)生)。使用這種可控半導(dǎo)體裝置可以實現(xiàn)有源交流限流器。
第二個改進方案的特征在于，在第三半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)還另外充分利用一種電荷存儲器效應(yīng)。這一點通過在其表面帶有絕緣體的第三半導(dǎo)體區(qū)的電氣絕緣實現(xiàn)。
但是在第三改進方案中，第一電極除與第一半導(dǎo)體區(qū)的至少一個接觸區(qū)接觸之外，還在第三半導(dǎo)體區(qū)的不與第一半導(dǎo)體區(qū)為界的表面上接觸第三半導(dǎo)體區(qū)，從而使接觸區(qū)和第三半導(dǎo)體區(qū)電氣短接。
在第四改進方案中，第一電極另外與每一第二半導(dǎo)體區(qū)一般通過一個電氣阻抗如此電氣連接，使得能為第二半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)存儲的電荷設(shè)定一個預(yù)先規(guī)定的弛豫時間。
在充分利用電荷存儲器效應(yīng)的所有實施例中，具有至少2eV高能帶寬度的半導(dǎo)體材料特別合適，因為其本征載流子濃度(無摻雜的載流子濃度)極低，它促進或者允許電荷存儲。
為進一步解釋本發(fā)明，參考附圖，其中，

圖1表示一種按照本發(fā)明的交流限流器，它帶有兩個反串接的半導(dǎo)體裝置和兩個分別反并接的保護二極管，圖2表示一種交流限流器，它具有一個接入由四個保護二極管組成的格列茨整流電路中的半導(dǎo)體裝置，圖3表示一種交流限流器，它具有兩個反并接的串聯(lián)電路，它們各由一個半導(dǎo)體裝置和一個保護二極管組成，圖4表示一個半導(dǎo)體裝置，它具有一個橫向通道區(qū)，其下面以一個p-n結(jié)、其上面以一個肖特基觸點為界，圖5表示一個半導(dǎo)體裝置，它具有一個橫向通道區(qū)，其上面和下面以兩個p-n結(jié)為界，圖6表示一個具有橫向和豎直通道區(qū)以及一個控制電極的半導(dǎo)體裝置的實施例，圖7表示一個具有橫向和豎直通道區(qū)以及一個位于表面的絕緣區(qū)的半導(dǎo)體裝置的實施例，圖8為一個具有單元設(shè)計的半導(dǎo)體裝置的俯視圖。
圖9表示一個具有在邊緣電接觸的埋置式半導(dǎo)體區(qū)的半導(dǎo)體裝置，圖10表示一個用于一個用電器的具有交流限流器的開關(guān)設(shè)備。
彼此對應(yīng)的部分在圖1到圖10中用同一附圖標記表示。
圖1表示一個交流限流設(shè)備13，其為了在短路或在高的過電流場合保護用電器12而串接在用電器12的前面。限流設(shè)備13和用電器12接入在交流相電壓R和地電位(零電位)Mp之間的用電器12用的一條支路中。在整個限流設(shè)備13上降落的運行交流電壓用Ug表示。限流設(shè)備13包括第一個反并聯(lián)電路75和第二個反并聯(lián)電路80，前者由第一個半導(dǎo)體裝置H1和第一個二極管D1組成，后者由第二個半導(dǎo)體裝置H2和第二個二極管D2組成。這兩個單極的和優(yōu)選基本同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體裝置H1和H2以及兩個二極管D1和D2分別具有一個正向(導(dǎo)通方向)和一個反向(截止方向)。反并聯(lián)電路是指半導(dǎo)體裝置H1或H2和所屬二極管D1或D2彼此并聯(lián)，并且在半導(dǎo)體裝置H1或H2和所屬二極管D1或D2上施加的電壓U1或U2對半導(dǎo)體裝置H1或H2以正向或反向，而對所屬二極管D1或D2正好相反，為反向或正向。在此這兩個反并聯(lián)電路75和80反串聯(lián)連接，使得對于在其上作為電壓網(wǎng)格而降落的電壓適用U1+U2＝Ug。具體說由此在交流相電壓R和用電器12之間，無論是兩個半導(dǎo)體裝置H1和H2還是兩個二極管D1和D2都彼此反串聯(lián)連接。限流設(shè)備13的運行電壓Ug分別降落在兩個半導(dǎo)體裝置H1和H2或者二極管D1和D2的兩個反串聯(lián)電路上。
圖2表示另一個交流限流設(shè)備13，其具有一個由四個二極管D3、D4、D5和D6組成的格列茨橋電路。在該格列茨電路的一條對角線上接入一個半導(dǎo)體裝置H3。加在半導(dǎo)體裝置H3上的電壓用U3表示。在另一條對角線上施加限流設(shè)備的運行電壓(交流電壓)Ug。
按照圖3的另一個交流限流設(shè)備具有兩個優(yōu)選為相同構(gòu)造的半導(dǎo)體裝置H4和H5。每一半導(dǎo)體裝置H4和H5分別以同樣極性與二極管D8或者D7串聯(lián)。這兩個分別由一個半導(dǎo)體裝置H4或者H5和一個二極管D8或者D7組成的串聯(lián)電路彼此反并聯(lián)，亦即以相反極性連接。在此，該反并聯(lián)電路與用電器12連接，該用電器12接在相電壓R和地電位Mp之間在故障情況下要限制交流電流的電流路徑中。
圖1中的兩個半導(dǎo)體裝置H1和H2、圖2中的半導(dǎo)體裝置H3和圖3中的兩個半導(dǎo)體裝置H4和H5中的每一個都具有下述特征在施加正向電壓例如+U1或者+U2時，每一半導(dǎo)體裝置H1、H2、H3、H4或者H5中分別流過一個正向電流+I，該電流在正向額定電流區(qū)域從在電壓0V(U1＝0V或者U2＝0V)時的I＝0A起，隨升高的正向電壓(U1或者U2)優(yōu)選以基本線性亦即按照歐姆特性向最大額定電流增長，并在一個大于最大額定電流的過電流區(qū)域單調(diào)地、優(yōu)選同樣以基本歐姆特性隨正向電壓(U1或者U2)上升，直到在所屬飽和電壓Usat時取飽和電流Isat。如果現(xiàn)在正向電流繼續(xù)增長，例如在用電器12短路的場合，在所屬半導(dǎo)體裝置(H1和H2)上的正向電壓(U1或U2)也繼續(xù)增長超過飽和電壓，則每一半導(dǎo)體裝置(H1和H2)限制正向電流在達到飽和電流Isat后為一個限制電流IB，其顯著小于飽和電流Isat、優(yōu)選至少小于其五分之一。此時，每一半導(dǎo)體裝置H1到H5能夠在一個大于飽和電壓直到各自正向擊穿電壓的正向電壓區(qū)域中保持限制電流。在正向擊穿電壓時出現(xiàn)載流子擊穿，由于載流子擊穿電流又迅速增長，并在持續(xù)電壓時很快導(dǎo)致?lián)p壞半導(dǎo)體裝置H1到H5。
與此相反，在施加一個與正向電壓相反的反向電壓(-U1或者-U2)時，每一半導(dǎo)體裝置(H1和H2)中流過一個反相電流-I，該電流在反向額定電流區(qū)域從在電壓0V(U1＝0V或者U2＝0V)時的I＝0A起，隨數(shù)值升高(在選擇的符號下絕對下降)的反向電壓(-U1或者-U2)再次優(yōu)選以基本線性亦即按照歐姆特性向最大反向額定電流增長，并在一個按數(shù)值大于最大額定電流的過電流區(qū)域單調(diào)地、優(yōu)選同樣以基本歐姆特性隨數(shù)值上繼續(xù)升高的反向電壓(U1或者U2)上升，直到一個預(yù)先規(guī)定的反向擊穿電壓，此時出現(xiàn)載流子擊穿，而半導(dǎo)體裝置H1或H2或H3或H4或H5不再顯示任何控制特性。
以下述方式按照所屬半導(dǎo)體裝置H1到H5的特性來調(diào)整圖1到3中的設(shè)備13中特別構(gòu)造為p-n整流二極管或者肖特基二極管的二極管D1到D8的特性。
在按照圖1的方案中，在每一個反并聯(lián)電路75和80中，所屬二極管D1或者D2的反向擊穿電壓至少和所屬半導(dǎo)體裝置H1或者H2的導(dǎo)通擊穿電壓一樣大，而二極管D1或者D2的導(dǎo)通電壓(在二極管的正向)在每另一反并聯(lián)電路80或者75的半導(dǎo)體裝置H2或者H1處于飽和電流Isat時小于半導(dǎo)體裝置H2或者H1的飽和電壓。每一二極管D1和D2的門限電壓小于所屬半導(dǎo)體裝置H1或者H2的反向擊穿電壓，以使在半導(dǎo)體裝置H1或者H2“擊穿”前有足夠的電流流過二極管D1或者D2。這樣在R和Mp之間的電流在額定電流區(qū)域(表示為額定電流IN)內(nèi)基本上流過兩個半導(dǎo)體裝置H1和H2的串聯(lián)電路，而不流過由于其門限電壓，導(dǎo)通電阻比半導(dǎo)體裝置H1和H2顯著高的二極管D1和D2。因此，二極管D1和D2在標準工作狀態(tài)實際上不消耗設(shè)備13的功率。與此相反，在過載或者短路情況下，取決于交流電壓的極性，各個在導(dǎo)通方向接入的二極管D1或者D2分別承載另一反并聯(lián)電路80或者75的、以正向驅(qū)動被驅(qū)動進入截止狀態(tài)的半導(dǎo)體裝置H2或者H1的限制電流(表示為限制短路電流IK)。在此限制電流IK分別流過一個半導(dǎo)體裝置H1或者H2和一個二極管D2或者D1。這樣，平行于導(dǎo)通電流的二極管D2或者D1的半導(dǎo)體裝置H2或者H1不受另一半導(dǎo)體裝置H1或者H2的限制電流IK驅(qū)動而轉(zhuǎn)為高電壓，并避免由載流子擊穿引起半導(dǎo)體裝置H2或者H1的“燒毀”。圖1表示的交流電流限流電路即便在沒有控制的無源半導(dǎo)體裝置H1和H2的場合也自動作為“智能限流器”，識別過載或短路情況，而且無須測量電流。
在按照圖2的交流限流設(shè)備13的實施例中，對在整流器橋電路(格列茨橋)中的四個二極管D3到D6進行選擇，使得每一二極管D3到D6的最大截止電壓優(yōu)選至少和半導(dǎo)體裝置H3在限制電流時的最大正向電壓一樣大，以及優(yōu)選至少和半導(dǎo)體裝置H3的正向擊穿電壓一樣大和優(yōu)選大于半導(dǎo)體裝置H3的正向擊穿電壓。此外，二極管D3到D6中的每一個如此構(gòu)造，即它能在其導(dǎo)通方向上能夠承載半導(dǎo)體裝置H3的限制電流。在施加運行交流電壓Ug時，在一個半波中的交變電流作為以I1表示的電流首先沿導(dǎo)通方向流過二極管D6，然后沿正向流過半導(dǎo)體裝置H3，最后沿導(dǎo)通方向流過二極管D3，而在另一半波中，作為以I2表示的電流首先流過二極管D4，然后正向流過半導(dǎo)體裝置H3，最后流過二極管D5。因此其導(dǎo)通方式為交流電流在兩個極性中的每一個上都正向流過半導(dǎo)體裝置H3，因此半導(dǎo)體裝置H3從不反向被驅(qū)動。圖2所示的實施例比圖1所示的實施例來說一般成本較低，但是與此相對應(yīng)的缺點是；在電流路徑上始終存在兩個二極管的導(dǎo)通電阻，因此在額定電流運行時的導(dǎo)通損失增大。
在圖3所示的設(shè)備13中，每一二極管D7和D8的最大截止電壓(反向擊穿電壓)在數(shù)值上至少和所屬串聯(lián)的半導(dǎo)體裝置H5或者H4的最大反向電壓(反向擊穿電壓)一樣大。由此保證二極管D7或者D8在所屬半導(dǎo)體裝置H5或者H4反向運行時，在過電流或短路運行時不比半導(dǎo)體裝置H5或者H4更早擊穿，亦即至少和半導(dǎo)體裝置H5或者H4一樣好地截止，以及至少能相當程度上承受半導(dǎo)體裝置H5或者H4的反向電壓。通過這種保護電路還能保護反向的半導(dǎo)體裝置H4和H5。但是按照圖3的交流限流器的缺點是必須籌集兩個半導(dǎo)體裝置H4和H5的資金，以及在交變電壓的每一極性下在電流路徑中存在一個二極管，因此增加損耗功率。
作為具有在圖1到圖3所示的實施例中所說明的特性的限流半導(dǎo)體裝置H1到H5，可以使用例如在開始時提及的和在與本申請關(guān)聯(lián)的DE-A-19548443的內(nèi)容中公開的半導(dǎo)體裝置，其相應(yīng)于一種具有橫向通道的JFET。該半導(dǎo)體裝置的極性要通過選擇半導(dǎo)體裝置的導(dǎo)通型來調(diào)整。在半導(dǎo)體裝置的控制電極上在一種無源實施方式中施加一個固定(常量)控制電壓(準確地說是控制電位)，而在有源實施方式中施加一個可變控制電壓。
下面根據(jù)圖4到圖9詳細說明顯示所述特性的半導(dǎo)體裝置H1到H5的其它實施例。
在圖4和圖5中表示的半導(dǎo)體裝置分別包括一個n導(dǎo)通型(電子導(dǎo)通)的第一半導(dǎo)體區(qū)2和一個p導(dǎo)通型(空穴導(dǎo)通)的第二半導(dǎo)體區(qū)3。第一半導(dǎo)體區(qū)2具有一個優(yōu)選為平面的表面20。第二半導(dǎo)體區(qū)3安置(埋置)在第一半導(dǎo)體區(qū)2內(nèi)部的表面20的下面，并且至少在其朝向第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的一側(cè)橫向、亦即基本平行于第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20而延伸。第二半導(dǎo)體區(qū)3優(yōu)選通過將小摻雜物質(zhì)離子植入第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20來產(chǎn)生。一種希望的摻雜曲線通過借助離子能量進行離子植入時的滲透曲線并考慮可能的植入掩模來建立。尤其是由此產(chǎn)生植入的半導(dǎo)體區(qū)3的深度，亦即該第二半導(dǎo)體區(qū)3距第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的距離以及第二半導(dǎo)體區(qū)3在豎置方向，亦即垂直于第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20測量的長度D。但是，為建立半導(dǎo)體區(qū)2和3，還可以使用相應(yīng)于半導(dǎo)體層的外延生長和最終對該半導(dǎo)體層進行成形。第二半導(dǎo)體區(qū)3的豎直長度D尤其在大約0.1μm到1.0μm之間。第二半導(dǎo)體區(qū)3平行于第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的橫向長度在所表示的斷面中用B表示，通常在大約10μm到30μm之間選取。在第一半導(dǎo)體區(qū)2和與之相對的摻雜的第二半導(dǎo)體區(qū)3之間構(gòu)成一個p-n結(jié)，其耗盡區(qū)(空間電荷區(qū)，載流子耗盡的區(qū)域)用23表示，并用虛線示出。該p-n結(jié)的耗盡區(qū)23包圍整個第二半導(dǎo)體區(qū)3。在此可以知道，在p區(qū)和n區(qū)的一個p-n結(jié)的耗盡區(qū)的長度由按照泊松定律和電荷守恒定律而從摻染濃度得出的載流子濃度值以及加在該p-n結(jié)上的電壓(電位差)所決定。
根據(jù)圖4和圖5，在第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20上配置一個用于歐姆接觸的接觸區(qū)5。該歐姆接觸區(qū)5優(yōu)選更高地被摻雜并且是和第一半導(dǎo)體區(qū)2同樣的導(dǎo)通型，在所示實施例中用n+表示。接觸區(qū)5的橫向長度在所示斷面圖中用b表示，并在平行于第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的所有方向上小于第二半導(dǎo)體區(qū)3的橫向長度B。通常該接觸區(qū)的橫向長度b在大約6μm到28μm之間。第二半導(dǎo)體區(qū)3和接觸區(qū)5彼此相對布置，使得在垂直于第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的投影中接觸區(qū)5的投影完全處于第二半導(dǎo)體區(qū)3的投影內(nèi)。在接觸區(qū)5的自由表面50上安置一個由一種導(dǎo)電材料制成的第一電極7，尤其是由多晶硅或者一種金屬，優(yōu)選鎳(Ni)、鉭(Ta)、鈦(Ti)或者鎢(W)制成的第一電極。第一電極7還延伸越過相鄰的半導(dǎo)體表面。
在圖4的實施例中第一電極7在接觸區(qū)5上形成一個歐姆接觸，在第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20上形成一個肖特基接觸，其耗盡區(qū)(截止層)用70表示，并用虛線示出。這可以例如在摻雜時通過適當?shù)卣{(diào)整接觸區(qū)5和第一半導(dǎo)體區(qū)2的載流子濃度實現(xiàn)。當?shù)谝话雽?dǎo)體區(qū)2和接觸區(qū)5分別由特別具有優(yōu)點的半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)組成時，特別選擇接觸區(qū)5的摻雜材料濃度高于大約1·1019cm-3，第一半導(dǎo)體區(qū)2的摻雜材料濃度低于約2·1016cm-3。一種用于第一電極6的有利材料是鎳(Ni)。
與此相反，在圖5的實施例中，在第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20上安置一個第三半導(dǎo)體區(qū)4，其具有與第一半導(dǎo)體區(qū)2相反的導(dǎo)通型，亦即在所示實施例中由p導(dǎo)通型，優(yōu)選同樣通過離子植入而產(chǎn)生。在第一半導(dǎo)體區(qū)2和第三半導(dǎo)體區(qū)4之間形成一個p-n結(jié)，其耗盡區(qū)用24表示，并用虛線示出。第一電極7也延伸越過第三半導(dǎo)體區(qū)4，既在接觸區(qū)5上又在第三半導(dǎo)體區(qū)4上形成歐姆接觸。
在圖4中第一半導(dǎo)體區(qū)2的第一表面20上安置的、由第一電極7構(gòu)成的肖特基觸點或者在圖5中第三半導(dǎo)體區(qū)4和埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)3之間，分別在第一半導(dǎo)體區(qū)2內(nèi)形成一個橫向延伸的半導(dǎo)體通道區(qū)22。該通道區(qū)22在接觸區(qū)5的兩側(cè)的橫向長度L1和L2可以相等，也可以不等。通道長度L1和L2的典型值在大約1μm到5μm之間。通道22的豎直長度，亦即在基本垂直于表面20方向上的長度一般在大約0.1μm到1μm之間選取。因為圖4中在通道22中延伸的耗盡區(qū)23和70和圖5中的耗盡區(qū)23和24由于載流子的強耗盡而具有比第一半導(dǎo)體區(qū)2高許多的電阻，因此基本上僅僅通道區(qū)22的內(nèi)部區(qū)域可以導(dǎo)電，在圖4中該內(nèi)部區(qū)域下面以耗盡區(qū)23、上面以耗盡區(qū)70為界，在圖5中下面以耗盡區(qū)23、上面以耗盡區(qū)24為界。該通道區(qū)22的內(nèi)部導(dǎo)電區(qū)域的豎直長度用d表示。
在圖5中，第三半導(dǎo)體區(qū)4相對于第二半導(dǎo)體區(qū)3橫向錯置，使得半導(dǎo)體區(qū)3和4兩者沿一側(cè)的通道長度L1、另一側(cè)的通道長度L2在對第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的投影方向上重疊。第三半導(dǎo)體區(qū)4橫向包圍接觸區(qū)5，并在所示實施例中直接與接觸區(qū)5相鄰，于是對于橫向長度L1、L2、b和B成立L1+b+L2＝B。但是接觸區(qū)5也可以與第三半導(dǎo)體區(qū)4橫向隔開一段距離。
在按照圖4和5的兩個實施例中，配置另一個僅在圖5中表示出的第二電極6，其如此安置，使得通道區(qū)22處于這兩個電極之間的電流路徑內(nèi)。該第二電極可以例如安置在第一半導(dǎo)體區(qū)2的第一表面20上(水平構(gòu)造)，或者如圖5所示安置在與第一半導(dǎo)體區(qū)2的第一表面20相對的第一半導(dǎo)體區(qū)2的另一表面21上(豎直構(gòu)造)。在第二電極6和第一電極7之間施加一個該半導(dǎo)體裝置的工作電壓。在圖4和圖5的實施例中，第一電極7和第二電極6分別與工作電壓源的陰極和陽極相連接。在交換半導(dǎo)體區(qū)的導(dǎo)通型時相應(yīng)交換工作電壓的極性。
在此，在導(dǎo)通方向(正向)上施加一個工作電壓時，半導(dǎo)體裝置的性能取決于流過該半導(dǎo)體裝置的電極6和7之間的電流I。該電流I在兩個電極6和7之間在由箭頭表示的電流方向上首先基本橫向地流過第一半導(dǎo)體區(qū)2的通道區(qū)22，然后在圖5所示實施例中比較豎直地流過第一半導(dǎo)體區(qū)2的體積區(qū)。隨著電流強度I增加，電極6和7之間的正向電壓降增加，以致第二半導(dǎo)體區(qū)3和圖4中的肖特基觸點或者圖5中的第三半導(dǎo)體區(qū)4相對于第二電極6為負壓。升高的導(dǎo)通電壓降使第一半導(dǎo)體區(qū)2和第二半導(dǎo)體區(qū)3之間的p-n結(jié)和圖4中的肖特基觸點或者圖5中的第三半導(dǎo)體區(qū)4的截止電壓升高，并因此使耗盡區(qū)23和70或者24放大。這使得通道區(qū)22的半導(dǎo)體區(qū)域的橫截面減小，電阻相應(yīng)升高。在達到一個規(guī)定的臨界電流值(飽和電流)Isat時耗盡區(qū)23和70或者24相互接觸而完全夾斷通道區(qū)22。由于此時通道區(qū)22的電阻極高，電流趨于飽和，而在電極6和7之間電壓恒定時保持在飽和電流值Isat。該半導(dǎo)體裝置的飽和電流Isat通過通道區(qū)22的幾何尺寸，特別是其橫向長度L1和L2和豎直長度d，以及通過由摻雜確定的通道區(qū)22的載流子濃度調(diào)整到一個希望的值。
如果與此相反，例如在短路情況下，在電流I已經(jīng)達到其飽和電流值Isat之后在電極6和7之間的正向電壓繼續(xù)增加，則在通道區(qū)22中的電功率損耗增加，通道區(qū)22變熱。隨著通道區(qū)22內(nèi)部溫度升高，留在覆蓋通道區(qū)22的耗盡區(qū)23和70或者24中的載流子的遷移率減小。因此通道區(qū)22的導(dǎo)電性繼續(xù)下降，其結(jié)果是，由于在電極6和7之間產(chǎn)生的高導(dǎo)通電壓降，活動的載流子從通道區(qū)22內(nèi)的耗盡區(qū)23和70或者24中加速騰空。由于這一反饋效應(yīng)，該半導(dǎo)體裝置也將象短路情況下急劇增加的電流很快限制到一個非臨界電流值(限制電流)IB，它顯著低于飽和電流Isat，例如最高為其0.2倍(Isat≥5IB)，并且在達到高的正向電壓時基本相應(yīng)于該半導(dǎo)體裝置對于一個希望的正向擊穿電壓的截止電流，所述希望的正向擊穿電壓通?？梢栽诖蠹s60V到1200V之間(例如為700V)。
在圍繞埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)3的空間電荷區(qū)23中，取決于半導(dǎo)體的本征載流子濃度所積累的空間電荷保持存儲狀態(tài)。通過該電荷存儲，第二半導(dǎo)體區(qū)3上的電位即便在兩個電極6和7之間的電壓再次減小時仍相當程度地保持不變，通道區(qū)22保持閉鎖。這樣采用該半導(dǎo)體裝置能夠快速可靠地限制電流I為截止電流IB。如果作為該半導(dǎo)體裝置的半導(dǎo)體區(qū)2、3和4的半導(dǎo)體材料采用能帶寬度至少為2eV的半導(dǎo)體，例如金鋼石、鎵氮化合物(GaN)或者磷化銦(InP)和優(yōu)選碳化硅(SiC)，電荷存儲效應(yīng)特別大，因為這樣的半導(dǎo)體和尤其是SiC具有一個極低的本征載流子濃度和很小的導(dǎo)通損失。這些半導(dǎo)體和尤其是SiC的另一優(yōu)點是其很高的耐擊穿性。SiC優(yōu)選的同質(zhì)多型是4H-、6H-和3C同質(zhì)多型。SiC的優(yōu)選摻雜材料對p摻雜為硼和鋁，對n摻雜為氮。
當在兩個電極6和7之間在截止方向上施加一個電壓時，第一半導(dǎo)體區(qū)2、第二半導(dǎo)體區(qū)3和第三半導(dǎo)體區(qū)4的摻雜確定該半導(dǎo)體裝置的截止性能。
圖6和圖7分別表示一個半導(dǎo)體裝置，其中第一半導(dǎo)體區(qū)2由一個基片27和一個在其上安置的、由例如和基片27具有同樣導(dǎo)通型和一般較低載流子濃度的材料外延生長的半導(dǎo)體層26組成。在半導(dǎo)體層26的表面20上彼此相隔一定距離安置多個相同、但是優(yōu)選高于半導(dǎo)體層26摻雜的接觸區(qū)5，圖中只表示出兩個。在接觸區(qū)5的下面在半導(dǎo)體層26中分別埋置一個與半導(dǎo)體層26相反摻雜的第二半導(dǎo)體區(qū)3或者一個相互關(guān)聯(lián)的第三半導(dǎo)體區(qū)3的一部分。在接觸區(qū)5之間在半導(dǎo)體層26的表面20上分別以一定橫向間距、優(yōu)選以相等間距a安置一個與半導(dǎo)體層26相反摻雜的第三半導(dǎo)體區(qū)4。接觸區(qū)5距第三半導(dǎo)體區(qū)4的橫向距離a一般在大約1μm到3μm之間。各接觸區(qū)5通過一個優(yōu)選由金屬或者多晶硅制成的作為第一電極7的導(dǎo)電層被接觸。
每一半導(dǎo)體區(qū)3和4基本上橫向于第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20延伸。每一半導(dǎo)體區(qū)4在其沿垂直于表面20的方向的投影上分別與半導(dǎo)體區(qū)3中的兩個重疊，而每一半導(dǎo)體區(qū)3分別與半導(dǎo)體區(qū)4中的兩個重疊。由此如圖4和圖5所示，又一次在半導(dǎo)體層26中在每一第二半導(dǎo)體區(qū)3和每一第三半導(dǎo)體區(qū)4之間建立起橫向通道長度為L1或者L2的橫向延伸的通道區(qū)22。埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)3的橫向長度B為B＝b+2a+L1+L2。在作為第一半導(dǎo)體區(qū)2的第二表面21、基片27背離半導(dǎo)體層26的一側(cè)又安置一個第二電極6。在電極6和電極7之間施加半導(dǎo)體裝置的工作電壓。埋置的半導(dǎo)體區(qū)3橫向彼此隔開，優(yōu)選以等距A隔開，或者在一個關(guān)聯(lián)的第二半導(dǎo)體區(qū)3內(nèi)形成橫向長度各為A的開孔。由此在第二半導(dǎo)體區(qū)3之間分別形成一個第一半導(dǎo)體區(qū)2的具有橫向長度A和豎直長度D的通道區(qū)29，其基本垂直于表面20延伸。在每一通道區(qū)29中的半導(dǎo)電區(qū)域在橫向以未示出的由半導(dǎo)體層26和第二半導(dǎo)體區(qū)3形成的p-n結(jié)的耗盡區(qū)為界。豎直通道區(qū)29的橫向長度A優(yōu)選選擇得這樣小，使得在兩個電極6和7之間可施加的最大截止電壓(反向電壓)至少盡可能相應(yīng)于最大體積阻擋電壓，其可以承載在第二半導(dǎo)體區(qū)3的底面處的半導(dǎo)體區(qū)2和3之間的p-n結(jié)。這相應(yīng)于一個至少盡可能平的截止情況下的等位線曲線(減低的電壓跨路)。橫向長度A的典型值位于1μm到10μm之間。在正向施加一個極化的工作電壓時，在電極7和電極6之間沿所示箭頭流過一個電流I，它首先流過橫向通道區(qū)22，接著在實際上垂直于表面20的方向上流過半導(dǎo)體層26中的豎直通道區(qū)29，然后基本垂直地流過半導(dǎo)體層26和基片27到第二電極6。
在圖6中每一第三半導(dǎo)體區(qū)4與一個控制電極(柵極)99接觸，該控制電極99埋置在絕緣區(qū)11的下面，而絕緣區(qū)11使得一個或者多個控制電極99和第一電極7絕緣。通過在該控制電極99上施加一個控制電位可以改變在第三半導(dǎo)體區(qū)4和第一半導(dǎo)體區(qū)2之間的p-n結(jié)的耗盡區(qū)的長度，從而控制通道區(qū)22的導(dǎo)電能力。
與按照圖6的有源(可控)實施例相對，在按照圖7的無源(不可控)半導(dǎo)體裝置中，在完全空的、未與第一半導(dǎo)體區(qū)2相鄰的第三半導(dǎo)體區(qū)4的表面40上安置一個絕緣區(qū)11，它還覆蓋相鄰的接觸區(qū)5的邊緣區(qū)。這絕緣區(qū)11電絕緣第三半導(dǎo)體區(qū)4，并阻止從p-n結(jié)的耗盡區(qū)向在第三半導(dǎo)體區(qū)4中的一個空間電荷區(qū)擴散的電荷(在所示場合為電子)從第三半導(dǎo)體區(qū)4流走。絕緣區(qū)11的泄漏電流應(yīng)該盡可能小，以便保證在第三半導(dǎo)體區(qū)4中有一個良好的電荷存儲能力。絕緣區(qū)11的另一個功能是使第三半導(dǎo)體區(qū)4與第一電極7電絕緣。無論用SiC還是Si作為半導(dǎo)體，對于絕緣區(qū)11優(yōu)選使用電介質(zhì)二氧化硅(SiO2)，它尤其能熱增長。熱氧化物具有突出的絕緣特性，并可以在SiC上通過干或濕氧化反應(yīng)在溫度超過大約1000℃時產(chǎn)生。
圖8為一張顯示無電極和絕緣體的半導(dǎo)體表面的俯視圖，表示出一個特別可以按照圖6或者圖7橫截面圖構(gòu)造的半導(dǎo)體裝置的實施形式。在一種基元設(shè)計中配置多個至少近似的正方形基元，它們分別由一個邊長為b的正方形結(jié)構(gòu)的、作為接觸區(qū)5的n++摻雜的源區(qū)，一個以一定間距a包圍n++接觸區(qū)5的p摻雜的第三半導(dǎo)體區(qū)4和一個在接觸區(qū)5下面通過植入所埋置的p摻雜的第二半導(dǎo)體區(qū)3(以虛線表示)組成，接觸區(qū)5植入作為一個第一半導(dǎo)體區(qū)2的n摻雜半導(dǎo)體層中。具有表面40的第三半導(dǎo)體區(qū)4優(yōu)選在第一半導(dǎo)體區(qū)2的整個表面20上植入，例外部分是對于具有表面50的接觸區(qū)5的正方形空隙和包圍接觸區(qū)5的第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20的部分區(qū)域。在寬度為L1或者L2的正方環(huán)形重疊區(qū)域，在第三半導(dǎo)體區(qū)4下面和在第二半導(dǎo)體區(qū)3上面又分別形成一個通道區(qū)22。為使埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)3處于公共電位，這些第二半導(dǎo)體區(qū)3通過特別是十字形延伸的p摻雜連線8和9在第一半導(dǎo)體區(qū)2中相互連接。在連線8和9與相鄰的第三半導(dǎo)體區(qū)3之間，在第三半導(dǎo)體區(qū)4下面的第一半導(dǎo)體區(qū)2內(nèi)分別安置一個連續(xù)的、以大約寬度為A的菱形和垂直于表面40和20延伸的通道區(qū)29。電流I從源區(qū)(接觸區(qū))5首先大體橫向(水平)地流過橫向通道區(qū)22，隨后近似豎直地流過相鄰的豎直通道區(qū)29。
代替基元設(shè)計，也可以配置一種梳式拓樸結(jié)構(gòu)。按照圖4到圖8的實施例也可以作必要的修正后彼此結(jié)合。
圖9表示組合圖5和圖7的實施例的一種改進方案。該半導(dǎo)體層26在其邊緣通過去掉半導(dǎo)體材料，例如通過蝕刻，向下相連貫地一直清除到埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)3。在第二半導(dǎo)體區(qū)3的顯露表面上安裝一個觸點60。該觸點60通過電連接線61與第一電極7電氣連接。第二半導(dǎo)體區(qū)3通過該電連接線61與在表面20上的第三半導(dǎo)體區(qū)4耦合。電連接線61可以集成在該半導(dǎo)體裝置上，或者也可以是一根外部接線，特別是一根通過一個開關(guān)電路的外部接線。通過選擇該電連接線61的電阻抗可以調(diào)整在第二半導(dǎo)體區(qū)3中存儲的電荷在短路情況下的一個確定的弛豫時間(電荷流出時間)。在該阻抗的歐姆部分(實阻抗)較高時電荷存儲時間較長，從而該半導(dǎo)體裝置的限制電流IB較小。在連線61的電阻較小時電荷存儲時間較短，在短路后可以較快接通，然而限制電流較高。通常，電連接線61的電阻比第一電極7的電阻高，為此可以包含一個高阻值多晶硅導(dǎo)線線段。在連接顯露的第二半導(dǎo)體區(qū)3時配置一個具有和第二半導(dǎo)體區(qū)3同樣導(dǎo)通型、然而一般載流子濃度較低的平的邊緣端子33以減小表面的場強。在圖9的改進方案中，埋置的第二半導(dǎo)體區(qū)3的接觸也可以在該半導(dǎo)體裝置的一個內(nèi)部區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)。具有肖特基觸點的實施形式和具有連接在第一半導(dǎo)體區(qū)2的表面20上的第三半導(dǎo)體區(qū)4的附加p-n結(jié)的實施形式也可以彼此結(jié)合，其中為限制對第一電極7的電滲透，在第一半導(dǎo)體區(qū)2的同一表面20上相鄰配置多個肖特基觸點和多個附加的p-n結(jié)。
迄今說明的半導(dǎo)體裝置是單極構(gòu)造元件，它們十分適合限制短路直流電流，并且也不需要控制(無源)就能自保護地工作。通過將該半導(dǎo)體裝置配置為限(直)流器，可以調(diào)整希望的飽和電流Isat，使之高于一個額定電流區(qū)域，也高于一個常規(guī)的、還可以容忍的過電流區(qū)域，并且從該飽和電流起該半導(dǎo)體裝置在承受電壓時自動限制電流為低截止電流IB。
對于特別有利的半導(dǎo)體材料SiC，在所有實施例中一般選擇下述摻雜材料濃度對于第一半導(dǎo)體區(qū)2，特別是半導(dǎo)體層26，在大約2·1017cm-3(對于約為60V的截止電壓)，經(jīng)大約2·1016cm-3(對于約為700V的截止電壓)，到大約6·1015cm-3(對于約為1200V的截止電壓電壓)之間，對于基片27，還顯著大于1018m-3，對于第二半導(dǎo)體區(qū)3和第三半導(dǎo)體區(qū)4在大約1·1018cm-3和大約2·1019cm-3之間，優(yōu)選大約為5·1018cm-3，以及對于接觸區(qū)5超過大約1·1019cm-3。在硅中，這種摻雜濃度一般除以約100(小兩個數(shù)量級)。
圖10表示接在一個交流電網(wǎng)(例如一個建筑物用電網(wǎng))的一相R和地電位Mp之間的一條支線17中的用于用電器12的開關(guān)設(shè)備。該開關(guān)設(shè)備包括一個交流限流器13、一個過電壓斷路器16和一個配電繼電器14。交流限流器13特別可以按照圖1到圖3中的任一個結(jié)合圖4到圖9中的任一個來構(gòu)造，過電壓斷路器16量取在交流限流器13的兩個量取點13A和13B之間的電壓降，配電繼電器14與交流限流器13串聯(lián)接在支線17中的負載12之前。配電繼電器14在限流器13上超過一個限制電壓時由過電壓斷路器16釋放(打開)，以便在短路情況下把用電器12從電網(wǎng)(R)電氣隔離。在此，該配電繼電器14不必特別快，它的觸點在限流時也不會承受電弧，因為根據(jù)本發(fā)明的交流限流器13在顯著小于1毫秒內(nèi)極快地限制電流。
權(quán)利要求
1.一種限制交流電流的設(shè)備，其具有a)至少一個接入電流路徑中的半導(dǎo)體裝置(H1、H2、H3)，其如此構(gòu)造或者可如此控制，使得它們在施加具有預(yù)給定極性的正向電壓時有正向電流導(dǎo)通，該電流隨從電壓零起增加的正向電壓單調(diào)增加到在飽和電壓下的飽和電流，并在正向電壓超過該飽和電壓時被限制為一個低于飽和電流的限制電流；它們在施加具有與正向電壓相反極性的反向電壓時流過一個反向電流，該電流隨從電壓零起增加的反向電壓單調(diào)增加到一個預(yù)定的反向擊穿電壓，并在超過該反向擊穿電壓時由于載流子擊穿而急劇增加，b)一個保護電路，它防止半導(dǎo)體裝置(H1，H2，H3)在交流電流的反向極化的半波中，尤其是在過電流或者短路情況下，處于反向擊穿電壓下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有a)一個第一半導(dǎo)體裝置(H1)和一個第二半導(dǎo)體裝置(H2)，它們在要限制的交流電流的電流路徑中反串聯(lián)連接，其中，b)用于這兩個半導(dǎo)體裝置(H1，H2)的保護電路包括一個與第一半導(dǎo)體裝置(H1)反并聯(lián)連接的第一二極管(D1)和一個與第二半導(dǎo)體裝置(H2)反并聯(lián)連接的第二二極管(D2)，使得c)在一個額定電流范圍內(nèi)的交流電流至少絕大部分，優(yōu)選實際上全部流過兩個半導(dǎo)體裝置(H1，H2)，以及d)在一種過電流或者短路情況下，該交流電流在第一極性或者與第一極性相反的第二極性的每一半波內(nèi)單調(diào)增長到當在第一或者第二半導(dǎo)體裝置(H1或者H2)上的電壓飽和時的飽和電流；在第一或者第二半導(dǎo)體裝置(H1或者H2)上的第一或者第二極性的電壓超過相應(yīng)的飽和電壓時，由該第一或者第二半導(dǎo)體裝置(H1或者H2)將交流電流限制在限制電流上，在此，電流實際上只流過第一或者第二半導(dǎo)體裝置(H1或者H2)且至少絕大部分通過第二二極管(D2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的設(shè)備，其具有a)一個第一半導(dǎo)體裝置(H1)和一個第二半導(dǎo)體裝置(H2)，它們在要限制的交流電流的電流路徑中反串聯(lián)連接，其中，b)用于這兩個半導(dǎo)體裝置(H1，H2)的保護電路包括一個與第一半導(dǎo)體裝置(H1)反并聯(lián)連接的第一二極管(D1)和一個與第二半導(dǎo)體裝置(H2)反并聯(lián)連接的第二二極管(D2)，使得c)每一二極管(D1，D2)的最大截止電壓至少和在所述反并聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置(H1，H2)的限制電流下的最大正向電壓一樣大，以及d)每一二極管(D1，D2)的導(dǎo)通閾值電壓數(shù)值上小于所屬反并聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置(H1，H2)的反向擊穿電壓，而且小于與各另一二極管(D2，D1)反并聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置(H2，H1)的飽和電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有a)一個第一半導(dǎo)體裝置(H4)和一個第二半導(dǎo)體裝置(H5)，以及具有b)用于這兩個半導(dǎo)體裝置(H4，H5)的保護電路，它包括一個與第一半導(dǎo)體裝置(H4)串聯(lián)的第一二極管(D8)和一個與第二半導(dǎo)體裝置(H5)串聯(lián)的第二二極管(D7)，其中c)由第一二極管(D8)和第一半導(dǎo)體裝置(H4)組成的串聯(lián)電路與由第二二極管(D7)和第二半導(dǎo)體裝置(H5)所述的串聯(lián)電路反并聯(lián)連接，以及d)每一二極管(D8，D7)的最大截止電壓至少和所屬串聯(lián)的半導(dǎo)體裝置(H4，H5)的最大反向電壓一樣大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其具有a)一個單一的半導(dǎo)體裝置(H3)，它接入要限制交流電流的電流路徑中，其中b)用于該半導(dǎo)體裝置(H3)的保護電路包含兩個分別由兩個二極管(D3和D4，D5和D6)組成的串聯(lián)電路，它們分別與半導(dǎo)體裝置(H3)反并聯(lián)連接，使得c)在兩種極性的每一種下的交流電流基本上流過兩個在各極性下處于導(dǎo)通方向的二極管(D6，D4)中的一個、然后流過處于正向的半導(dǎo)體裝置(H3)、最后流過另一個處于導(dǎo)通方向上的二極管(D3，D5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的設(shè)備，其具有a)一個單一的半導(dǎo)體裝置(H3)，其中b)保護電路包括一個由4個二極管(D3，D4，D5，D6)組成的格列茨橋電路，在其對角線上接入半導(dǎo)體裝置(H3)，在另一個對角線上施加屬于待限制交流電流的交變電壓，其中c)每一二極管(D3到D6)的最大截止電壓至少和半導(dǎo)體裝置(H1，H2)在限制電流下的最大正向電壓一樣大。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6中任一項所述的設(shè)備，其中，至少一個二極管(D1到D8)是p-n整流二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求2到7中任一項所述的設(shè)備，其中，至少一個二極管(D1到D8)是肖特基二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求2到8中任一項所述的設(shè)備，其中，至少一個二極管(D1到D8)用硅構(gòu)造。
10.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，每一半導(dǎo)體裝置(H1到H5)用一種半導(dǎo)體材料構(gòu)造，其具有至少2eV的能帶寬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，碳化硅(SiC)用作半導(dǎo)體材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求2到11中任一項所述的設(shè)備，其中，在半導(dǎo)體基片上集成至少一個半導(dǎo)體裝置(H1到H5)和至少一個二極管(D1到D8)。
13.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，每一半導(dǎo)體裝置(H1到H5)包括a)一個第一電極(7)和一個第二電極(6)，以及b)一個第一半導(dǎo)體區(qū)(2)，它具有至少一個位于第一電極(7)和第二電極(6)之間的電流路徑中的通道區(qū)(22)，該通道區(qū)在達到飽和電流時由至少一個耗盡區(qū)(23，24)夾斷。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中，a)第一電極(7)歐姆式接觸至少一個在第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的第一表面(20)上安置的接觸區(qū)(5)上的第一半導(dǎo)體區(qū)(2)，b)至少一個耗盡區(qū)(23，24)是一個在第一半導(dǎo)體區(qū)(2)和第二半導(dǎo)體區(qū)(3)之間的p-n結(jié)的耗盡區(qū)，c)第二半導(dǎo)體區(qū)(3)安置在第一半導(dǎo)體區(qū)(2)內(nèi)接觸區(qū)(5)的下面，其在各個方向上平行于第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的第一表面(20)超出接觸區(qū)(5)延伸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，a)第一半導(dǎo)體區(qū)(2)在其第一表面(20)上具有多個接觸區(qū)(5)，b)在接觸區(qū)(5)下面安置一個關(guān)聯(lián)的第二半導(dǎo)體區(qū)(3)，其在各個方向上平行于第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的第一表面(20)超出接觸區(qū)(5)整體延伸，c)第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的各通道區(qū)(29)通過在關(guān)聯(lián)的第二半導(dǎo)體區(qū)(3)內(nèi)的開孔延伸，所述通道區(qū)(29)存在于與至少一個屬于接觸區(qū)(5)的通道區(qū)(22)電串聯(lián)的電流路徑中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中，a)在每一接觸區(qū)(5)下面在第一半導(dǎo)體區(qū)(2)中安置一個所屬的第二半導(dǎo)體區(qū)(3)，b)在屬于接觸區(qū)(5)的各第二半導(dǎo)體區(qū)(3)之間延伸第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的附加通道(29)，它們在電流路徑中與至少一個屬于接觸區(qū)(5)的通道區(qū)(22)電氣串聯(lián)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13到16中任一項所述的設(shè)備，其中，至少一個耗盡區(qū)(70)是一個肖特基觸點的耗盡區(qū)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中，肖特基觸點由第一電極(7)和第一半導(dǎo)體區(qū)(2)位于至少一個接觸區(qū)(5)之外的一個區(qū)域所形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求13到18中任一項所述的設(shè)備，其中，至少一個耗盡區(qū)(24)是一個p-n-結(jié)的耗盡區(qū)，它在第一半導(dǎo)體區(qū)(2)和一個安置在第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的第一表面(20)上的第三半導(dǎo)體區(qū)(4)之間形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，第三半導(dǎo)體區(qū)(4)與一個通過施加一個控制電壓來控制通道區(qū)(22)中電阻的控制電極(99)接觸。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，第三半導(dǎo)體區(qū)(4)在其未與第一半導(dǎo)體區(qū)(2)相鄰的表面(40)上覆蓋一個絕緣區(qū)(11)，使得電荷可在第三半導(dǎo)體區(qū)(4)中存儲。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，第一電極(7)除第一半導(dǎo)體區(qū)(2)的至少一個接觸區(qū)(5)之外還接觸第三半導(dǎo)體區(qū)(4)不與第一半導(dǎo)體區(qū)(2)相鄰的表面(40)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，第一電極(7)另外與每一第二半導(dǎo)體區(qū)(3)電氣耦合，使得在第二半導(dǎo)體區(qū)(3)中為存儲的電荷產(chǎn)生一個預(yù)先規(guī)定的弛豫時間。
24.根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中，每一半導(dǎo)體裝置(H1到H5)的飽和電流至少為限制電流的5倍。
全文摘要
一種限制交流電流的設(shè)備,它包括:a)至少一個接入交流電流路徑中的半導(dǎo)體裝置(H1、H2、H3),它們?nèi)绱藰?gòu)造或者可如此控制,使得在施加一個正向電壓時有正向電流通過它們,該電流隨從電壓零起增加的正向電壓單調(diào)增長到在所屬飽和電壓下的飽和電流,并在超過該飽和電壓的正向電壓時被限制在一個低于飽和電流的限制電流上;在施加反向電壓時流過一個反向電流,它隨從電壓零起增加的反向電壓單調(diào)增長到一個預(yù)先規(guī)定的反向擊穿電壓,并在超過該反向擊穿電壓時由于載流子擊穿而急劇增長,b)一個保護電路,它防止半導(dǎo)體裝置(H1,H2,H3)在交流電流反向極化的半波中,尤其是在過電流或者短路情況下,處于反向擊穿電壓下。
文檔編號H02H9/02GK1253668SQ98804501
公開日2000年5月17日 申請日期1998年4月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月25日
發(fā)明者海因茨·米特萊納, 迪特里?！に沟俜? 沃爾夫?qū)ぐ吞叵?申請人:西門子公司