DE10109172A1

DE10109172A1 - Strombegrenzungseinrichtung

Info

Publication number: DE10109172A1
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: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP4213329B2; US6479882B2; US20020011647A1; CH695521A5; DE10109172B4; JP2001358306A; CH695521A8

Abstract

Eine Strombegrenzungseinrichtung (1) weist ein Siliziumsubstrat (2) mit zwei gegenüberliegenden Oberflächen auf, und zwei Elektroden (3) sind jeweils auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats (2) aufgebracht. Das Siliziumsubstrat (2) hat eine Dreischichtenstruktur mit einer N·-·-Schicht (4) mit niedriger Störstellendichte und N·+·-Schichten (5) mit hoher Störstellendichte, die jeweils auf gegenüberliegenden Oberflächen der N·-·-Schicht (4) gebildet sind. Die Elektroden (3) sind jeweils auf eine von der N·-·-Schicht (4) entfernte äußere Oberfläche der N·+·-Schichten (5) aufgebracht. In der Strombegrenzungseinrichtung fließt im wesentlichen ein Konstantstrom, wenn die angelegte Spannung höher als ein vorbestimmter Wert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzungseinrichtung zur Unterdrückung eines Überstroms in einer elektrischen Schal tung, wie beispielsweise einer elektrischen Leistungssteue rungsanlage, in der im Fall einer Abnormalität die Tendenz be steht, daß ein momentaner Überstrom fließt.

Ein Standardwiderstand besteht im allgemeinen aus einem Wider standsmaterial, wie beispielsweise Metall, Email oder Kohlen stoff, das einen vorbestimmten Widerstandswert aufweist. Ein Sicherung, die dahingehend wirksam ist, daß sie eine Schaltung öffnet, wenn in einer solchen Schaltung ein momentaner Über strom fließt, wird im allgemeinen verwendet, um eine solche Schaltung vor dem Überstrom zu schützen.

Wenn jedoch ein Überstrom erzeugt wird und die Schaltung in folge des Durchbrennens der Sicherung öffnet, sind kompli zierte Vorgänge erforderlich, um die Schaltung wieder in den ursprünglichen Betriebszustand zurückzusetzen. Häufig wird zwar ein leicht rückstellbarer Leistungsschalter in die Schal tung 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 Wider standswert für die angelegte Spannung, und daher kann der Wi derstand allein den Überstrom nicht steuern; das gilt insbe sondere für ein elektrisches Leistungssteuerungssystem, in dem eine hohe Spannung verwendet wird und ein hoher Strom fließt. Daher muß in einem solchen elektrischen Leistungssteuerungs system der Widerstand in Kombination mit einer Sicherung ver wendet werden.

Ferner hat der Widerstand im allgemeinen einen Widerstands wert, 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 Wider standscharakteristik aufweisen kann. Diese Kühlung ist aber bei den meisten Standardwiderständen nur unter Schwierigkeiten erreichbar.

Die Temperatur des Widerstands steigt abrupt an, wenn ein re lativ großer Strom durch ihn fließt, auch wenn dieser nur mo mentan ist. Um den Überstrom zu unterdrücken, ohne die Schal tung 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 ent wickelt.

In dem elektrischen Leistungssteuerungssystem wird davon aus gegangen, 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 Betriebstem peratur von bis zu ca. 200°C hat. Andererseits wird im allge meinen davon ausgegangen, daß der Widerstand im Fall einer Ab normalität, bei der ein Überstrom durch ihn fließt, auf ca. 230°C (500 K) erwärmt wird.

Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines Halbleiter elements als Widerstand in einer Schaltung wohlbekannt ist. Beispielsweise zeigen die offengelegten JP-Patentveröffent lichungen 10-70289 und 6-21349 einen unsymmetrischen Überspan nungsschutzwiderstand bzw. ein amorphes Halbleiterbauelement.

Dabei zeigt die offengelegte JP-Patentveröffentlichung 10-70289 einen unsymmetrischen Überspannungsschutzwiderstand, der Überspannungsschutz-Widerstandsbereiche und Überspannungs schutz-Diodenbereiche aufweist. Die Überspannungsschutz-Wider standsbereiche haben infolge der Unsymmetrie eine Richtungsfä higkeit 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 Elek trode sandwichartig angeordnet ist. Ein Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ändert sich kontinuier lich, so daß sich die elektrische Feldstärke zwischen der er sten 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.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strombegrenzungseinrichtung anzugeben, die als Widerstand ver wendbar ist, der in einem Normalzustand einen vorbestimmten konstanten Widerstandswert hat, jedoch den Überstrom selbst bei einer Umgebungstemperatur von ca. 500 K im Fall einer Ab normalität, d. h. wenn ein Überstrom fließt, begrenzen kann.

Ein Vorteil der Erfindung ist dabei die Angabe einer Strombe grenzungseinrichtung, die zufriedenstellend funktioniert, ohne daß irgendeine Sicherung verwendet werden muß, und die auf einfache Weise gekühlt werden kann, so daß sie während eines normalen Betriebszustands jede mögliche temperaturabhängige Änderung des Widerstandswerts unterdrückt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Strombegrenzungs einrichtung angegeben, die ein Siliziumsubstrat und zwei Elek troden aufweist. Das Siliziumsubstrat weist seinerseits eine N-leitende Schicht und zwei N⁺-Schichten auf, die jeweils auf gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht gebil det sind. Die beiden Elektroden sind auf die gegenüberliegen den Oberflächen des Siliziumsubstrats aufgebracht. Der Kon stantstrom fließt in der Strombegrenzungseinrichtung, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann das Siliziumsub strat eine N-leitende Schicht und zwei N⁺-Schichten aufweisen. Die beiden N⁺-Schichten sind auf den gegenüberliegenden Ober flächen der N-leitenden Schicht gebildet.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Siliziumsub strat eine N-leitende Schicht, zwei N⁺-Schichten und eine Vielzahl von P-Schichten aufweisen. Die beiden N⁺-Schichten sind auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht gebildet. Die P-Schichten sind in jeder der N⁺-Schich ten teilweise ausgebildet.

Das Siliziumsubstrat kann eine N-leitende Schicht, zwei N⁺-Schichten und P-Schichten aufweisen. Die beiden N⁺-Schichten sind auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht gebildet. Die P-Schichten sind zwischen der N⁺-Schicht und der Elektrode gebildet.

Die P-Schichten können einer lokalen Lebensdauerkontrolle der Ladungsträger unterzogen werden. Der Strombegrenzungseffekt kann zwischen 0 K und 500 K wirksam sein. Die beiden Elektroden können auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsub strats aufgebracht sein. Die Strombegrenzungseinrichtung kann ferner zwei Metallelektroden aufweisen, zwischen denen das Siliziumsubstrat unter Druck eingeschlossen ist.

Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann die Strombegren zungseinrichtung weiterhin die beiden Metallelektroden aufwei sen, zwischen denen das Siliziumsubstrat unter Druck einge schlossen ist.

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 Strombegren zungseffekt nahezu konstant, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist, so daß die Schaltung vor Über strom 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 an deren Ausführungsformen aufgrund der darin vorgesehenen P-Schichten bei minimaler Wärmeabhängigkeit im Strombegren zungsbereich im Gebrauch stabil sein.

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann aufgrund der gesteuerten Lebensdauer der Ladungsträger auf einen nied rigen Widerstandswert im Widerstandsbereich (im normalen Be triebszustand) gesteuert werden.

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

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

Die Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung kann guten elek trischen 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 Me tallelektroden angepreßt, und eine große Fläche der Metall elektroden ist für die Kühlwirkung vorgesehen, so daß eine Än derung der Charakteristik des Widerstandswerts infolge einer Erwärmung verhindert werden kann und die Einrichtung eine sta bile 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, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausfüh rungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfin dung;

Fig. 2 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen in der Strombegrenzungseinrichtung gezeigt ist;

Fig. 3 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen gezeigt ist, wenn die Dichte des Dotierungsstoffs der N^--Schicht geändert wird;

Fig. 4 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen gezeigt ist, wenn die Dicke der N^--Schicht geändert wird;

Fig. 5A ein Diagramm, das ein Simulationstestergebnis wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen bei Änderung der Temperatur ge zeigt ist;

Fig. 5B ein Diagramm, das ein Simulationstestergebnis wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen bei Änderung der Temperatur ge zeigt ist;

Fig. 6 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausfüh rungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfin dung;

Fig. 7 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen in der Strombegrenzungseinrichtung gezeigt ist;

Fig. 8 ein Diagramm, das Simulationstestergebnisse wieder gibt, wobei die Beziehung zwischen angelegten Span nungen und Strömen gezeigt ist, wenn Änderungen der P-Schicht/des P-Bereichs und der Temperatur der Strombegrenzungseinrichtung vorliegen;

Fig. 9 eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausfüh rungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfin dung;

Fig. 10 eine seitliche Schnittansicht einer vierten Ausfüh rungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfin dung;

Fig. 11 eine seitliche Schnittansicht einer fünften Ausfüh rungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfin dung; und

Fig. 12 eine seitliche Schnittansicht einer sechsten Ausfüh rungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfin dung.

Gemäß Fig. 1 weist eine Strombegrenzungseinrichtung 1 ein Si liziumsubstrat 2 mit einander gegenüberliegenden Oberflächen und mit Elektroden 3 auf, die jeweils auf die gegenüberliegen den Oberflächen des Siliziumsubstrats aufgebracht sind.

Das in Fig. 1 gezeigte Siliziumsubstrat 2 ist eine Drei schichtstruktur mit einer N^--Schicht 4 niedriger Stör stellendichte 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 Siliziumsub strat 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 Fig. 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 Sili ziumscheibe wird dann Phosphor eindiffundiert, während die Scheibe in einem Ofen erwärmt wird, so daß die N⁺-Schichten 5 in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Silizium scheibe 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 Vakuum bedampfungsverfahrens aufgebracht.

Es ist zu beachten, daß zwar eine N^--Siliziumscheibe als Aus gangsmaterial beschrieben wird, eine N-Siliziumscheibe jedoch ebenso gut verwendet werden kann; in diesem Fall sollte die Dotierstoffdichte so eingestellt werden, daß die Zwischen schicht zwischen den N⁺-Schichten 5 zu einer N^--Schicht ge macht wird.

Bei der Durchführung eines Simulationstests zur Bestimmung der Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem zwischen den beiden Elektroden in der Strombegrenzungseinrichtung gemäß Fig. 1 fließenden Strom wurde das Diagramm gemäß Fig. 2 auf einem Bildschirm erhalten.

In diesem Diagramm gibt es Widerstandsbereiche und Strombe grenzungsbereiche. In dem Widerstandsbereich des Diagramms ist der Strom zu der Spannung nahezu proportional, und ein kon stanter Widerstandswert wird erhalten, wenn die angelegte Spannung gleich einem vorbestimmten Wert oder niedriger ist.

In dem Strombegrenzungsbereich des Diagramms ist der Strom na hezu 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 Strom begrenzungseinrichtung 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 Elementar ladung (1,6.10^-19C), n ist die Elektronendichte, V_drift ist die mittlere Driftgeschwindigkeit von Elektronen, A ist die Querschnittsfläche einer Probe, V ist die an die Probe ange legte Spannung, und L ist die Probenlänge.

Wenn bei der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der vorstehen den Ausführungsform die angelegte Spannung gleich einer vorbe stimmten Spannung oder niedriger ist, ist die Driftgeschwin digkeit der Elektronen zu der angelegten Spannung nahezu pro portional, und somit steigt der Strom proportional zu der an gelegten Spannung an. Wenn jedoch die angelegte Spannung die vorbestimmte Spannung überschreitet, nimmt die Driftgeschwin digkeit der Elektronen nicht proportional zu der angelegten Spannung zu, und es wird erwartet, daß der Strombegrenzungs effekt wirksam ist.

Fig. 3 zeigt, wie die Beziehung zwischen der angelegten Span nung 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 Fig. 3 erhält man eine Kurve a, wenn die Dotiermaterial dichte (Anzahl von Dotierstoffelementen je 1 cm³) 7,9 × 10¹³/cm³ ist; man erhält Kurve b, wenn die Dotiermateri aldichte 5,0 × 10¹³/cm³ ist; man erhält Kurve c, wenn die Do tiermaterialdichte 4,0 × 10¹³/cm³ ist; man erhält Kurve d, wenn die Dotiermaterialdichte 3,0 × 10¹³/cm³ ist; Kurve e wird er halten, wenn die Dotiermaterialdichte 2,0 × 10¹³/cm³ ist; und Kurve f wird erhalten, wenn die Dotiermaterialdichte 7,9 × 10¹²/cm³ ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ergibt sich, daß mit steigender Dotiermaterialdichte im Normalbetriebszustand der Widerstands wert der Strombegrenzungseinrichtung abnimmt und der Strom an steigt. Daher ist die Dotiermaterialdichte der N^--Schicht be vorzugt innerhalb des Bereichs von 10¹² bis 10¹⁵/cm³, stärker bevorzugt 10¹³ bis 10¹⁵/cm³.

Fig. 4 zeigt, wie die Gesamtdicke des Siliziumsubstrats 2 die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Strom be einflußt, was in einem Simulationstest gezeigt wurde. In Fig. 4 erhält man eine Kurve a, wenn die Dicke des Silizium substrats 2200 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 Fig. 4 ist ersichtlich, daß mit zunehmen der Dicke des Siliziumsubstrats 2 das Plateau des Strombegren zungsbereichs verbreitert werden kann. Daher ist die Substrat dicke bevorzugt nicht kleiner als 600 µm, stärker bevorzugt nicht kleiner als 800 µm und am meisten bevorzugt nicht klei ner als 1000 µm. Außerdem ist der Widerstandswert um so höher, je größer die Substratdicke ist, und somit ist die Substrat dicke 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 Strombegren zungseinrichtung fließen kann. Somit ist bei einer Strombe grenzungseinrichtung, 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 10¹⁴/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 Be reichs von 5 bis 60 µm.

Fig. 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 vor gesehen ist.

Fig. 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 Fig. 1 gezeigten Aufbau hat. Gemäß Fig. 5A erscheint der Strombegrenzungsbereich in dem N^--Siliziumsubstrat bei 400 K, verschwindet jedoch bei 500 K.

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 Fig. 5B zeigt, erscheint dagegen bei der Strombegrenzungs einrichtung gemäß der Erfindung das Plateau des Strombegren zungsbereichs bei ca. 500 K. Daher kann die Strombegrenzungs einrichtung bis zu 650 K stabil eingesetzt werden; bei dieser Temperatur ändert sich der Halbleiter und wird zu einem Eigen halbleiter. Für einen stabilen Gebrauch kann die Strombegren zungseinrichtung bevorzugt bis zu 500 K verwendet werden.

Wenn die N⁺-Schichten 5 jeweils in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Siliziumscheibe in einer im wesentli chen symmetrischen Beziehung zu den gegenüberliegenden Elek troden 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 Wech selstrom benutzt werden.

Gemäß Fig. 6, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt, unterscheidet sich die Strombegrenzungseinrichtung 1a von der Strombegrenzungseinrichtung der ersten Ausführungsform dadurch, daß bei der Strombegrenzungseinrichtung 1a von Fig. 6 eine Vielzahl von P-Schichten in jeder der N⁺-Schichten 5 teilweise ausgebildet ist.

Dabei weist die Strombegrenzungseinrichtung 1a das Silizium substrat 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 regelmä ßigen Abständen ihrer äußeren Oberfläche angrenzend an die Elektrode 3 ausgebildet. Die Aluminiumelektroden 3 sind je weils auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Silizium substrats 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 nachstehen den 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 Sili ziumscheibe in einem Ofen erwärmt wird, so daß die N⁺-Schich ten 5 in den gegenüberliegenden Oberflächenbereichen der Sili ziumscheibe ausgebildet werden können und eine N^--Silizium schicht 4 zwischen den resultierenden N⁺-Schichten 5 ver bleibt.

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 entspre chenden äußeren Oberflächenbereichen der N⁺-Schichten 5 gebildet werden können.

Schließlich werden die Aluminiumelektroden 3 auf die jeweili gen 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 eindiffun diert 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 Aluminium elektroden 3 können diese unter Anwendung eines bekannten Vaku umbedampfungs- oder Sputterverfahrens gebildet werden.

Fig. 7 zeigt das Ergebnis von Simulationstests, die mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrich tung 1a durchgeführt wurden; ebenso wie im Fall der ersten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung erkennt man einen Widerstandsbereich und Strombegrenzungsbereiche in dem Diagramm.

In dem Widerstandsbereich ist der Strom zu der angelegten Spannung nahezu proportional, und ein konstanter Widerstands wert wird erhalten, wenn die angelegte Spannung gleich einem vorbestimmten Wert oder niedriger ist. In dem Strombegren zungsbereich ist der Strom nahezu konstant, so daß sich der Strombegrenzungseffekt einstellt, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist.

Das Diagramm von Fig. 8 ist das Ergebnis eines Simulations tests, 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 Strombegren zungseinrichtung beeinflußt wird.

Fig. 8 zeigt, daß eine Änderung des Stroms und eine Tempera turabhängigkeit des über die Strombegrenzungseinrichtung 1a fließenden Stroms kleiner als bei der Strombegrenzungseinrich tung ohne P-Schichten in dem Strombegrenzungsbereich sind. Da her kann die Temperaturabhängigkeit des über die Strombegren zungseinrichtung 1a fließenden Stroms in dem Strombegrenzungs bereich 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 der ersten Ausführungsform.

Wenn N⁺-Schichten 5 und P-Schichten 6 in den gegenüberliegen den Oberflächenbereichen des Siliziumsubstrats gebildet sind, sind die N⁺-Schichten und die P-Schichten im wesentlichen sym metrisch in bezug auf die Elektroden. Aufgrund der Symmetrie der N⁺-Schichten und der P-Schichten zeigt die Strombegren zungseinrichtung die gleiche Charakteristik bei Wechselstrom und hat auch den Strombegrenzungseffekt, so daß die Strombe grenzungseinrichtung nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom verwendet werden kann.

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Strombegrenzungs einrichtung der Erfindung. Diese Strombegrenzungseinrichtung gleicht im wesentlichen der Strombegrenzungseinrichtung der zweiten Ausführungsform. Gegenüber der zweiten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung unterscheidet sie sich jedoch dadurch, daß Bereiche 7, die von Strichlinien in Fig. 9 um schlossen 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 Wi derstandsbereich im Normalbetriebszustand verringert werden. Die lokale Lebensdauersteuerung der Ladungsträger kann auch durch Aufbringen von Strahlung erfolgen.

Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Strombegren zungseinrichtung. Gegenüber der zweiten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung der Erfindung unterscheidet sich die Strombegrenzungseinrichtung 1c dadurch, daß jede der N⁺-Schichten teilweise in den gegenüberliegenden Oberflächen bereichen der N^--Schicht 4 gebildet ist und eine P-Schicht 6 auf jeder der angrenzenden N⁺-Schichten 5 der Strombegren zungseinrichtung 1c gebildet ist.

Dabei weist die Strombegrenzungseinrichtung 1c das Silizium substrat 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 Aluminiumelek troden 3 sind auf jeweiligen äußeren Oberflächen der P-Schich ten 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 Be reichs von 1 µm bis 10 µm, stärker bevorzugt innerhalb des Be reichs von 3 µm bis 7 µm. Die Dicke jeder N⁺-Schicht 5 ist be vorzugt 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 Span nung im Normalbetriebszustand (Widerstandsbereich) zu niedrig ist. Daher ist in diesem Fall jede N⁺-Schicht bevorzugt parti ell 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 Silizium material mit einer in seiner Gesamtheit niedrigen Störstellen dichte (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 ver bleibt.

Die Fläche jeder N⁺-Schicht nimmt 80% der Gesamtoberfläche der Elektrode ein. Bor wird in die jeweiligen äußeren Oberflä chen 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 Oberflächenberei chen der N⁺- und N^--Schichten 5 und 4 gebildet werden können.

Danach werden unter Anwendung eines Vakuumbedampfungsverfah rens 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 je der 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 glei che Charakteristik für Wechselstrom wie für Gleichstrom und hat die Strombegrenzungswirkung, so daß sie nicht nur mit Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstrom verwendet werden kann.

Fig. 11 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Strombegren zungseinrichtung der Erfindung. Die fünfte Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung gleicht im wesentlichen der vier ten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung, unter scheidet sich aber dadurch von ihr, daß Bereiche 7, die von den Strichlinien in Fig. 11 umschlossen sind, der lokalen Le bensdauersteuerung der Ladungsträger unterzogen werden, die auf die gleiche Weise wie im Zusammenhang mit der vorher be schriebenen 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 Lebensdauersteue rung der Ladungsträger der P-Schicht kann der Widerstand der Strombegrenzungseinrichtung in dem Widerstandsbereich im Nor malbetriebszustand verringert werden.

Fig. 12 zeigt eine sechste Ausführungsform der Strombegren zungseinrichtung der Erfindung. Die Strombegrenzungseinrich tung 10 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform da durch, daß sie unter Druck sandwichartig zwischen den Metall elektroden 12 eingeschlossen ist.

Dabei verwendet die Strombegrenzungseinrichtung 10 die Strom begrenzungseinrichtung 1 der ersten Ausführungsform, die sand wichartig 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 Wärmeleitfä higkeit und besteht daher beispielsweise aus Kupfer. Die Aus gleichsplatten 11 können vorgesehen sein, um eine Beschädigung des Siliziumsubstrats infolge der Wärmeausdehnung der Metall elektroden 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 sechsten Ausführungsform der Strombegrenzungseinrich tung 10 wird die Strombegrenzungseinrichtung 1 gegen die Me tallelektroden 12 gepreßt, und eine große Fläche der Metall elektrode ist für Kühlzwecke vorgesehen, so daß eine Änderung der Widerstandscharakteristik infolge einer Erwärmung verhin dert werden kann, und die Strombegrenzungseinrichtung 10 kann eine stabile Widerstandscharakteristik aufweisen. Die Strombe grenzungseinrichtung 10 kann eine starke Kühlwirkung haben, weil sie ohne Klebstoff, der eine Wärmeleitung verhindern würde, gegen die Metallelektroden 12 gepreßt wird.

Claims

1. Strombegrenzungseinrichtung, die folgendes aufweist:
ein Siliziumsubstrat (2), das folgendes aufweist:
eine N-leitende Schicht (4); und
zwei N⁺-Schichten (5), die jeweils auf den gegen überliegenden Oberflächen der N-leitenden Schicht gebildet sind; und
zwei Elektroden (3), die auf die gegenüberliegenden Oberflächen des Siliziumsubstrats (2) aufgebracht sind und mit denen eine Spannung an das Silizium substrat angelegt wird,
wobei ein Konstantstrom in der Strombegrenzungsein richtung fließt, wenn die angelegte Spannung höher als der vorbestimmte Wert ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (2) folgendes aufweist:
eine N^--Schicht (4); und
zwei N⁺-Schichten (5), die jeweils auf den gegenüberlie genden Oberflächen der N^--Schicht (4) gebildet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (2) ferner folgendes aufweist:
eine Vielzahl von P-Schichten (6), die in jeder der N⁺-Schichten (5) partiell ausgebildet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Schichten (6) einer lokalen Lebensdauersteue rung der Ladungsträger unterzogen werden.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat ferner folgendes aufweist:
zwei P-Schichten (6), die auf den gegenüberliegenden Oberflächen der N⁺-Schichten (5) ausgebildet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Schichten (6) der lokalen Lebensdauersteuerung der Ladungsträger unterzogen werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung bis zu 500 K einsetz bar ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Silizium substrats zwei Elektroden ausgebildet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch zwei Metallelektroden (12), mit denen das Siliziumsub strat unter Druck sandwichartig eingeschlossen ist.