DE102018214618B4

DE102018214618B4 - Transistor, short circuit and device

Info

Publication number: DE102018214618B4
Application number: DE102018214618.7A
Authority: DE
Inventors: Joachim Joos; Walter von Emden
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2038-08-30
Also published as: DE102018214618A1

Abstract

Transistor (3), wobei der Transistor (3) in Antwort auf einen Zündpuls von einem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu einem elektrisch leitenden Zustand umschaltbar eingerichtet ist, wobei der Transistor (3) dafür eingerichtet ist, dass in Antwort auf den Zündpuls ein Erwärmen von Teilen des Transistors (3) bewirkt wird und der Transistor (3) durch das Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umschaltet, wobei der Transistor (3) ein Halbleitermaterial (4) und einen oder mehrere Heizbereiche (5a-f), die in Bezug auf das Halbleitermaterial (4) elektrisch isoliert sind, aufweist, wobei der eine oder die mehreren Heizbereiche (5a-f) dafür eingerichtet sind, sich selbst und dadurch das Halbleitermaterial (4) des Transistors (3) zu erwärmen, wenn ein Umschaltstrom durch die Heizbereiche (5a-f) fließt, sodass das Halbleitermaterial (4) durch das Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umschaltet.

Transistor (3), the transistor (3) being set up to be switchable from an electrically self-locking state to an electrically conductive state in response to an ignition pulse, the transistor (3) being set up so that parts are heated in response to the ignition pulse of the transistor (3) is effected and the transistor (3) switches from the electrically normally-off state to the electrically conductive state by heating, the transistor (3) having a semiconductor material (4) and one or more heating areas (5a-f), which are electrically insulated with respect to the semiconductor material (4), wherein the one or more heating regions (5a-f) are set up to heat themselves and thereby the semiconductor material (4) of the transistor (3) when a Switching current flows through the heating areas (5a-f), so that the semiconductor material (4) switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state as a result of the heating .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transistor.The present invention relates to a transistor.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Kurzschlussschaltung, die der Transistor zur Herstellung eines Kurzschlusses aufweist.The present invention further relates to a short circuit which the transistor has for producing a short circuit.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung, die eine mit der Vorrichtung wirkverbundene Batterie und die mit der Batterie wirkverbundene Kurzschlussschaltung aufweist.The present invention further relates to a device which has a battery that is operatively connected to the device and the short-circuit circuit that is operatively connected to the battery.

Stand der TechnikState of the art

Eine sichere und hochbelastbare Akkumulator- oder Batterietechnik wird als eines der Schlüsselelemente zukünftiger Elektromobilitätskonzepte angesehen. Neben der Erhöhung der Speicherdichte der Batterie und der gleichzeitigen Reduktion der Kosten ist die funktionale Sicherheit der Batterien von entscheidender Bedeutung für den flächendeckenden Einsatz, insbesondere in einem Automobil.Safe and highly resilient accumulator or battery technology is seen as one of the key elements of future electromobility concepts. In addition to increasing the storage density of the battery and reducing costs at the same time, the functional safety of the batteries is of crucial importance for widespread use, especially in an automobile.

Kommt es zu einem internen Kurschluss der Batterie, sei es beispielsweise durch mechanische Beschädigung oder Dendritenwachstum, ist eine kontrollierte Entladung der Batterie wünschenswert, damit die unkontrollierte Energiefreisetzung nicht zu Explosionen, Rauch- oder Flammentwicklung führt. Im Umfeld der Batterie-Sicherheit sind beispielsweise Kurzschlussschaltungen einsetzbar, um Batteriezellen im Fehlerfall schnell und auch zuverlässig zu entladen.If there is an internal short circuit in the battery, for example due to mechanical damage or dendrite growth, a controlled discharge of the battery is desirable so that the uncontrolled release of energy does not lead to explosions, smoke or flames. In the field of battery safety, for example, short-circuit circuits can be used to discharge battery cells quickly and reliably in the event of a fault.

Der Transistor schaltet häufig schnell und zuverlässig über hohe Schaltzyklenzahlen und kommt daher grundsätzlich als elektrisches Bauteil in der Kurzschlussschaltung infrage. Transistoren werden allerdings in der Regel elektrisch (zum Beispiel über Influenz/ Feldeffekt oder bipolar) gesteuert. Dies kann einen komplexen (und kostenintensiven) Aufbau des Transistors zur Folge haben, was hohe Kosten bei der Kurzschlussschaltung und somit auch der damit geschützten Vorrichtung, die die mit der Vorrichtung wirkverbundene Batterie aufweist, verursachen kann.The transistor often switches quickly and reliably over a high number of switching cycles and is therefore fundamentally an electrical component in the short-circuit circuit. However, transistors are usually controlled electrically (for example via influence / field effect or bipolar). This can result in a complex (and cost-intensive) structure of the transistor, which can result in high costs for the short-circuit circuit and thus also for the device protected therewith, which has the battery that is operatively connected to the device.

Das Dokument DE 10 2016 222 213 A1 beschreibt ein MOS-Bauelement, eine elektrische Schaltung, sowie eine Batterieeinheit für ein Kraftfahrzeug.The document DE 10 2016 222 213 A1 describes a MOS component, an electrical circuit and a battery unit for a motor vehicle.

Die Schrift DE 10 2012 005 979 A1 offenbart ein elektrisches Überbrückungselement und einen Energiespeicher mit dem Überbrückungselement.The font DE 10 2012 005 979 A1 discloses an electrical bridging element and an energy store with the bridging element.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird ein Transistor nach Anspruch 1, eine Kurzschlussschaltung nach Anspruch 8 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.According to the invention, a transistor according to claim 1, a short-circuit circuit according to claim 8 and a device according to claim 10 are provided.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Transistor hat den Vorteil, dass er in einer Kurzschlussschaltung Batteriezellen im Fehlerfall schnell und zuverlässig, in Antwort auf den kurzen Zündpuls, entladen kann. Zudem ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit und eine sehr hohe Stromtragfähigkeit. Außerdem ermöglicht der Transistor eine leichte Integrierbarkeit (vergleichbar zu Leistungshalbleitern) in elektronische Schaltungen, wie in Kurzschlussschaltungen und insbesondere Vorrichtungen mit Batterien. Die Erfindung kann somit beispielsweise als Alternative zu reaktiven Folien zur Herstellung eines Kursschlusses oder als Alternative zu Standard- (Power-) MOSFET verwendet werden.The transistor according to the invention has the advantage that in a short-circuit circuit it can discharge battery cells quickly and reliably in response to the short ignition pulse in the event of a fault. In addition, it is easy and inexpensive to manufacture and has a very high current-carrying capacity. In addition, the transistor enables easy integration (comparable to power semiconductors) in electronic circuits, such as in short-circuit circuits and in particular devices with batteries. The invention can thus be used, for example, as an alternative to reactive foils for producing a course end or as an alternative to standard (power) MOSFETs.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are given in the subclaims and described in the description.

Bevorzugt ist der Transistor dafür eingerichtet, dass in Antwort auf den Zündpuls ein Erwärmen von Teilen des Transistors bewirkt wird und der Transistor durch das Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umschaltet. So kann ohne Influenz, Feldeffekt oder Bipolarität der Transistor von selbstsperrendem Zustand in elektrisch leitenden Zustand umgeschaltet werden, was den Aufbau des Transistors vereinfacht. Vorzugsweise ist der elektrisch leitende Zustand ein elektrisch selbsthaltender leitender Zustand, sodass der Transistor dafür eingerichtet ist, den leitenden Zustand selbständig beizubehalten, also, mit anderen Worten, niederohmig ohne externes Steuersignal zu funktionieren.The transistor is preferably set up so that parts of the transistor are heated in response to the ignition pulse and the transistor switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state as a result of the heating. In this way, the transistor can be switched from the self-locking state to the electrically conductive state without any influence, field effect or bipolarity, which simplifies the structure of the transistor. The electrically conductive state is preferably an electrically self-maintaining conductive state, so that the transistor is set up to maintain the conductive state independently, that is to say, in other words, to function with low resistance without an external control signal.

Der Transistor weist vorzugsweise ein Halbleitermaterial und einen oder mehrere Heizbereiche, die in Bezug auf das Halbleitermaterial elektrisch isoliert sind, auf. Vorzugsweise sind der eine oder die mehreren Heizbereiche dafür eingerichtet, sich selbst und dadurch das Halbleitermaterial des Transistors zu erwärmen, wenn ein Umschaltstrom durch die Heizbereiche fließt, sodass das Halbleitermaterial durch das Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umschaltet. Der Umschaltstrom dient also vorzugsweise dazu, die Leitfähigkeit des Transistors durch eine vom Umschaltstrom hervorgerufene Abwärme der Heizbereiche zu erhöhen. So kann auf eine herkömmliche Ansteuerung des Transistors verzichtet werden. Das Halbleitermaterial ist in manchen Ausführungsformen ein undotiertes Halbleitermaterial. In anderen Ausführungsformen ist das Halbleitermaterial ein schwach n-dotiertes Halbleitermaterial. Ein bevorzugtes Halbleitermaterial ist ein intrinsisches Halbleitermaterial, besonders vorzugsweise Silizium. Vorzugsweise ist eine Quelle des Zündpulses eine Spannungs- und/oder Stromquelle, vorzugsweise eine externe Spannungs- und/oder Stromquelle. Diese ist vorzugsweise dafür eingerichtet, den Umschaltstrom, auch Zündstrom genannt, durch den oder die Heizbereiche zu treiben, sodass sich der oder die Heizbereiche stark erwärmen.The transistor preferably has a semiconductor material and one or more heating regions which are electrically insulated with respect to the semiconductor material. The one or more heating regions are preferably set up to heat themselves and thereby the semiconductor material of the transistor when a switching current flows through the heating regions, so that the semiconductor material switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state as a result of the heating. The switching current is therefore preferably used to increase the conductivity of the transistor by the waste heat of the heating areas caused by the switching current. Conventional control of the transistor can thus be dispensed with. The semiconductor material is in some Embodiments an undoped semiconductor material. In other embodiments, the semiconductor material is a lightly n-doped semiconductor material. A preferred semiconductor material is an intrinsic semiconductor material, particularly preferably silicon. A source of the ignition pulse is preferably a voltage and / or current source, preferably an external voltage and / or current source. This is preferably set up to drive the switching current, also known as the ignition current, through the heating area (s), so that the heating area (s) heat up considerably.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind an dem Halbleitermaterial mehrere Ableitelektroden angeordnet, die ermöglichen, im elektrisch leitenden Zustand einen Ableitstrom durch das Halbleitermaterial hindurch abzuleiten. Der Ableitstrom ist der Strom, der von der fehlerhaften Batterie schnell und sicher abgeleitet werden soll. Zwischen den Ableitelektroden sind in bevorzugten Ausführungsformen der eine oder die mehreren Heizbereiche angeordnet. Die Ableitelektroden sind vorzugsweise metallische Ableitelektroden. So kann eine gute Leitfähigkeit zwischen Batterie und Halbleitermaterial erreicht werden.In a preferred embodiment, a plurality of discharge electrodes are arranged on the semiconductor material, which electrodes make it possible to discharge a discharge current through the semiconductor material in the electrically conductive state. The leakage current is the current that is to be diverted quickly and safely from the faulty battery. In preferred embodiments, the one or more heating areas are arranged between the discharge electrodes. The lead electrodes are preferably metallic lead electrodes. In this way, good conductivity can be achieved between the battery and the semiconductor material.

Der eine oder die mehreren Heizbereiche besitzen in bevorzugten Ausführungsformen eine Widerstandsleitfähigkeit, sodass der Umschaltstrom eine thermische Verlustleistung der Heizbereiche bewirkt, die ausreichend groß ist, um den Transistor von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umzuschalten. So kann der Umschaltstrom direkt die Erwärmung der Heizbereiche bewirken, ohne eine Strom-Wärme-Umwandlung durch zusätzliche zwischengeschaltete Heizelemente.In preferred embodiments, the one or more heating areas have a resistivity, so that the switching current causes a thermal power loss in the heating areas that is sufficiently large to switch the transistor from the electrically self-blocking state to the electrically conductive state. In this way, the switchover current can directly cause the heating areas to be heated without any current-heat conversion through additional interposed heating elements.

Bevorzugt ist, dass der eine oder die mehreren Heizbereiche jeweils eine Widerstandsschicht aufweisen, die von einem Isolator umgeben ist. Die Widerstandsschicht ist vorzugsweise Teil eines Umschaltstromkreises und ist dafür eingerichtet, sich durch ihren elektrischen Widerstand zu erhitzen, wenn der Umschaltstrom durch den Umschaltstromkreis und somit durch die Widerstandsschicht strömt. Der Isolator verhindert vorzugsweise, dass der Umschaltstrom von der Widerstandsschicht des Heizbereichs in das Halbleitermaterial des Transistors übergeht und umgekehrt. Dies verringert insbesondere eine Erwärmung der Heizbereiche durch den Ableitstrom, speziell einen Leckstrom, im Halbleitermaterial. Ein Ableitstromkreis, der aus den Ableitelektroden und dem Halbleitermaterial gebildet ist, ist also durch den Isolator vom Umschaltstromkreis elektrisch getrennt. Wird der Umschaltstromkreis vom Umschaltstrom durchflossen, erhitzt die Widerstandsschicht durch den Isolator hindurch das Halbleitermaterial, das bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur aus dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand übergeht. Sobald genügend thermisch generierte Elektron/Loch-Paare im Halbleitermaterial erzeugt worden sind, sodass eine hohe Zahl von Elektronen in einem Leitungsband des Halbleitermaterials verfügbar ist, wird das Halbleitermaterial leitfähig und es kommt vorzugsweise zu intrinsischer Leitung oder Eigenleitung des Halbleitermaterials. Im elektrisch leitenden Zustand des Halbleitermaterials kann dann der Ableitstrom über die Ableitelektroden durch das Halbleitermaterial fließen. Die Batterie wird daraufhin schnell und zuverlässig über das Halbleitermaterial des Transistors entladen.It is preferred that the one or more heating areas each have a resistance layer which is surrounded by an insulator. The resistance layer is preferably part of a switching circuit and is designed to heat up due to its electrical resistance when the switching current flows through the switching circuit and thus through the resistance layer. The insulator preferably prevents the switching current from passing from the resistance layer of the heating region into the semiconductor material of the transistor and vice versa. In particular, this reduces heating of the heating areas due to the leakage current, especially a leakage current, in the semiconductor material. A discharge circuit, which is formed from the discharge electrodes and the semiconductor material, is therefore electrically separated from the switching circuit by the insulator. If the switching current flows through the switching circuit, the resistance layer heats the semiconductor material through the insulator, which changes from the electrically self-locking state to the electrically conductive state when a predetermined temperature is exceeded. As soon as enough thermally generated electron / hole pairs have been generated in the semiconductor material so that a high number of electrons are available in a conduction band of the semiconductor material, the semiconductor material becomes conductive and intrinsic conduction of the semiconductor material preferably occurs. In the electrically conductive state of the semiconductor material, the discharge current can then flow through the semiconductor material via the discharge electrodes. The battery is then quickly and reliably discharged via the semiconductor material of the transistor.

Durch die möglichen hohen Ströme und eine Verlustleistung im elektrisch leitenden Zustand des Halbleitermaterials erwärmt sich das Halbleitermaterial vorzugsweise noch weiter und hält dann selbständig die zur Eigenleitung notwendige Temperatur (selbsthaltend auch ohne äußeres Signal). Durch das Auslösen des elektrisch leitenden Zustands mittels Heizbereich kann eine homogene Erwärmung des Halbleitermaterials erreicht werden, sodass eine sogenannte Hotspot-Bildung (durchlegieren) vermieden werden kann. Dadurch, dass das Halbleitermaterial vorzugsweise so eingerichtet ist, dass eine höhere Temperatur einen niedrigeren Widerstand des Halbleitermaterials bewirkt und darum wiederum die Verlustleistung absinkt, kann der Transistor zusätzlich selbstlimitierend eingerichtet sein.Due to the possible high currents and a power loss in the electrically conductive state of the semiconductor material, the semiconductor material preferably heats up even further and then independently maintains the temperature required for self-conduction (self-sustaining even without an external signal). By triggering the electrically conductive state by means of the heating area, homogeneous heating of the semiconductor material can be achieved, so that so-called hotspot formation (alloying through) can be avoided. Because the semiconductor material is preferably set up in such a way that a higher temperature brings about a lower resistance of the semiconductor material and therefore the power loss in turn decreases, the transistor can also be set up to be self-limiting.

Ausführungsformen sehen vor, dass die Widerstandsschicht mindestens einer der Heizbereiche polykristallines Silizium aufweist. Polykristallines Silizium wird auch Poly-Silizium, kurz Poly-Si, genannt. Poly-Silizium kann aufgrund seiner Widerstandseigenschaften ein besonders geeignetes Material sein, um durch den Umschaltstrom erwärmt zu werden, wenn der Umschaltstrom durch die Widerstandsschicht fließt. Die Widerstandsschicht kann insbesondere durch insitu dotiertes polykristallines Silizium gebildet sein. Vorzugsweise liegt die Widerstandsschicht parallel zu einer Flussrichtung des Ableitstroms durch das Halbleitermaterial.Embodiments provide that the resistance layer has at least one of the heating areas polycrystalline silicon. Polycrystalline silicon is also called poly-silicon, or poly-Si for short. Due to its resistance properties, polysilicon can be a particularly suitable material for being heated by the switching current when the switching current flows through the resistance layer. The resistance layer can in particular be formed by in-situ doped polycrystalline silicon. The resistance layer preferably lies parallel to a direction of flow of the leakage current through the semiconductor material.

In manchen Ausführungsformen weist der Isolator bei mindestens einem der Heizbereiche SiO₂ auf. SiO₂, Siliziumdioxid, ist ein bekannter Isolator und wird insbesondere in Transistoren häufig verwendet. Statt SiO₂ können aber für den Isolator auch andere Isolatormaterialien verwendet werden, die geeignet sind, einen Stromfluss zwischen Halbleitermaterial und Widerstandsschicht zu verhindern. Der Isolator, insbesondere das SiO₂, kann vorzugsweise thermisch oder durch Abscheiden zwischen dem Halbleitermaterial und der Widerstandsschicht angeordnet werden.In some embodiments, the insulator has SiO ₂ in at least one of the heating regions. SiO ₂ , silicon dioxide, is a well-known insulator and is widely used, particularly in transistors. Instead of SiO ₂ , however, other insulator materials can also be used for the insulator which are suitable for preventing a current flow between the semiconductor material and the resistance layer. The insulator, in particular the SiO ₂ , can preferably be arranged thermally or by deposition between the semiconductor material and the resistance layer.

An einem bevorzugten Transistor sind mehrere Umschaltelektroden angeordnet, über die der eine oder die mehreren Heizbereiche mit dem Umschaltstrom versorgbar sind. Umschaltelektroden, die von den Ableitelektroden separat sind, stellen sicher, dass Umschaltstrom und Ableitstrom in voneinander getrennt gebildeten Stromkreisen fließen können. Vorzugsweise sind die Umschaltelektroden als Platten ausgebildet. Vorzugsweise sind die Umschaltelektroden senkrecht zu den Ableitelektroden angeordnet. Bevorzugte Umschaltelektroden begrenzen seitliche Enden der Widerstandsschicht. A plurality of switchover electrodes, via which the one or more heating areas can be supplied with the switchover current, are arranged on a preferred transistor. Switching electrodes, which are separate from the discharge electrodes, ensure that switching current and discharge current can flow in separate circuits. The switching electrodes are preferably designed as plates. The switchover electrodes are preferably arranged perpendicular to the discharge electrodes. Preferred switching electrodes delimit lateral ends of the resistance layer.

Erfindungsgemäß wird zudem die Kurzschlussschaltung bereitgestellt, die der Transistor zur Herstellung des Kurzschlusses aufweist, wobei der Transistor in Antwort auf den Zündpuls von einem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu einem elektrisch leitenden Zustand umschaltbar eingerichtet ist.According to the invention, the short-circuit circuit is also provided which the transistor has for producing the short-circuit, the transistor being configured to be switchable from an electrically self-locking state to an electrically conductive state in response to the ignition pulse.

Die Kurzschlussschaltung weist vorzugsweise eine Auslöseschaltung auf, die zum Auslösen der Kurzschlussschaltung eingerichtet ist. So kann die Kurzschlussschaltung durch die integrierte Auslöseschaltung in den elektrisch leitenden Zustand umgeschaltet werden, was eine externe Auslöseschaltung überflüssig macht. Die Auslöseschaltung stellt vorzugsweise den Zündpuls bereit. Die Auslöseschaltung ist vorzugsweise dafür eingerichtet, den Zündpuls von außen auf den Transistor einzuprägen. Eine bevorzugte Auslöseschaltung weist eine integrierte Schaltung, auch ASIC genannt, auf. Die Auslöseschaltung umfasst vorzugsweise eine Kleinsignal-Spannungs- und/oder Stromquelle. Vorzugsweise ist die Auslöseschaltung dafür eingerichtet, den Umschaltstrom durch die Heizbereiche zu treiben. Besonders bevorzugt ist, dass die Auslöseschaltung dafür eingerichtet ist, den Zündpuls bereitzustellen, um den Umschaltstrom zu bewirken.The short-circuit circuit preferably has a trigger circuit which is set up to trigger the short-circuit circuit. The short-circuit circuit can be switched to the electrically conductive state by the integrated trigger circuit, which makes an external trigger circuit superfluous. The trigger circuit preferably provides the ignition pulse. The trigger circuit is preferably set up to impress the ignition pulse on the transistor from the outside. A preferred trigger circuit has an integrated circuit, also called an ASIC. The trigger circuit preferably comprises a small-signal voltage and / or current source. The trigger circuit is preferably set up to drive the switching current through the heating areas. It is particularly preferred that the trigger circuit is set up to provide the ignition pulse in order to bring about the switching current.

Die Auslöseschaltung ist vorzugsweise mit dem Transistor verbunden, um einen oder mehrere Heizbereiche des Transistors, die in Bezug auf ein Halbleitermaterial des Transistors elektrisch isoliert sind, mit einem Umschaltstrom versorgen zu können, um dadurch den Transistor zur Herstellung des Kurzschlusses von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umzuschalten. Dies erlaubt eine einfache Konstruktion der Kurzschlussschaltung.The trigger circuit is preferably connected to the transistor in order to be able to supply one or more heating areas of the transistor, which are electrically insulated with respect to a semiconductor material of the transistor, with a switching current in order to thereby switch the transistor from the electrically self-locking state to produce the short circuit to switch to the electrically conductive state. This allows a simple construction of the short circuit.

Der eine oder die mehreren Heizbereiche des Transistors sind vorzugsweise dafür eingerichtet, sich selbst und dadurch das Halbleitermaterial des Transistors zu erwärmen, wenn der Umschaltstrom durch die Heizbereiche fließt, sodass das Halbleitermaterial durch Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umschaltet. So kann ein Ableitstrom im Fehlerfall besonders schnell und zuverlässig über den Transistor abgeleitet werden. Auch kann durch das Umschalten des Halbleitermaterials durch Erwärmen auf eine herkömmliche Ansteuerung des Transistors verzichtet werden.The one or more heating regions of the transistor are preferably set up to heat themselves and thereby the semiconductor material of the transistor when the switching current flows through the heating regions, so that the semiconductor material switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state by heating. In this way, a leakage current can be diverted particularly quickly and reliably via the transistor in the event of a fault. By switching the semiconductor material by heating, conventional control of the transistor can also be dispensed with.

Erfindungsgemäß ist zudem die Vorrichtung vorgesehen, die eine Batterie und damit wirkverbunden eine Ausführungsform der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltung aufweist. So kann die Batterie der Vorrichtung im Fehlerfall schnell und zuverlässig entladen werden.According to the invention, the device is also provided which has a battery and, in operative connection therewith, an embodiment of the above-described short-circuit circuit according to the invention. In this way, the battery of the device can be discharged quickly and reliably in the event of a fault.

Durch die erreichbaren Vorteile ist die Erfindung insbesondere relevant für solche Vorrichtungen, die insbesondere Lithium-Ionen-Batterien (für EV, HEV, aber auch PowerTools, Consumer, etc.), Bleiakkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Energiespeicher, im Bereich Elektromobilität, Sekundärzellen und Leistungselektronik aufweisen, sowie für Vorrichtungen für funktionale Sicherheit in der Batterietechnik. Beispielsweise kann der Transistor als Batteriesicherheitsschalter im Rahmen von Robert Bosch-Batteriezellen und in der Systementwicklung verwendet werden. Darüber hinaus kann der Transistor auch für alle Vorrichtungen mit dauerhaft eingeschalteten Leistungsanwendungen, welche nicht getaktet werden müssen (Relais- und Schütz-Ersatz) verwendet werden. Eine bevorzugte Vorrichtung ist ein Transportmittel, insbesondere ein Fahrrad, ein Motorrad, ein Automobil, ein Schiff, ein Flugzeug oder ein Weltraumfahrzeug. Allerdings kann auch die Batterie selbst die Vorrichtung sein, mit der die Kurzschlussschaltung wirkverbunden ist.Due to the advantages that can be achieved, the invention is particularly relevant for devices that use lithium-ion batteries (for EV, HEV, but also PowerTools, Consumer, etc.), lead-acid batteries, lithium-polymer batteries, lithium-iron-phosphate batteries. Accumulators, lithium titanate accumulators, energy storage, in the field of electromobility, secondary cells and power electronics, as well as for devices for functional safety in battery technology. For example, the transistor can be used as a battery safety switch in the context of Robert Bosch battery cells and in system development. In addition, the transistor can also be used for all devices with permanently switched-on power applications that do not have to be clocked (relay and contactor replacement). A preferred device is a means of transport, in particular a bicycle, a motorcycle, an automobile, a ship, an airplane or a spacecraft. However, the battery itself can also be the device to which the short-circuit circuit is operatively connected.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung,
2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltung schematisch in einer seitlichen Querschnittsansicht, und
3 die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltung schematisch in einer teilweisen Querschnittsansicht schräg von oben.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description. Show it:

1 a first embodiment of the invention in a schematic representation,
2 a second embodiment of the short-circuit circuit according to the invention schematically in a lateral cross-sectional view, and
3 the second embodiment of the short-circuit circuit according to the invention schematically in a partial cross-sectional view obliquely from above.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gezeigt, die eine mit der Vorrichtung wirkverbundene Batterie 2 aufweist. Die Vorrichtung 1 weist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kurzschlussschaltung auf, die einen erfindungsgemäßen Transistor 3 aufweist. Die Kurzschlussschaltung ist mit der Batterie 2 wirkverbunden und dafür eingerichtet, die Batterie 2 der Vorrichtung 1 im Fehlerfall schnell und zuverlässig zu entladen. Bei der Vorrichtung 1 handelt es sich hier beispielhaft um ein Automobil, das zur Vereinfachung nicht weiter dargestellt ist.In the 1 is schematically a device according to the invention 1 shown, the one operatively connected to the device battery 2 having. The device 1 has a first embodiment of the short-circuit circuit according to the invention, which is a transistor according to the invention 3 having. the Short circuit is with the battery 2 Operationally connected and set up for this, the battery 2 the device 1 to discharge quickly and reliably in the event of a fault. At the device 1 This is an example of an automobile, which is not shown any further for the sake of simplicity.

Der Transistor 3 ist in Antwort auf einen Zündpuls von einem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu einem elektrisch leitenden Zustand umschaltbar eingerichtet, wie im Folgenden im Detail erläutert werden wird. In Antwort auf den Zündpuls wird ein Erwärmen von Teilen des Transistors 3 bewirkt und der Transistor 3 schaltet durch das Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand um.The transistor 3 is set up to be switchable from an electrically self-locking state to an electrically conductive state in response to an ignition pulse, as will be explained in detail below. In response to the ignition pulse, parts of the transistor are heated 3 causes and the transistor 3 switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state due to the heating.

Genauer gesagt, weist der in 1 veranschaulichte Transistor 3 ein Halbleitermaterial 4 und einen Heizbereich 5a auf. Der Heizbereich 5a ist in Bezug auf das Halbleitermaterial 4 elektrisch isoliert. Der Heizbereich 5a ist im ersten Ausführungsbeispiel dem Halbleitermaterial 4 benachbart angeordnet. Das Halbleitermaterial ist im ersten Ausführungsbeispiel ein undotierter Halbleiter. Bei „normalen“ Betriebstemperaturen zum Beispiel im Automobilumfeld wirkt das Halbleitermaterial 4 isolierend, ist also hochohmig, und ein Ableitstrom durch das Halbleitermaterial 4 hindurch ist vernachlässigbar gering. Der Transistor 3 sperrt also im Normalfall, bei üblichen vorbestimmten Betriebstemperaturen.More precisely, the in 1 illustrated transistor 3 a semiconductor material 4th and a heating area 5a on. The heating area 5a is in terms of the semiconductor material 4th electrically isolated. The heating area 5a is the semiconductor material in the first embodiment 4th arranged adjacent. In the first exemplary embodiment, the semiconductor material is an undoped semiconductor. The semiconductor material works at “normal” operating temperatures, for example in the automotive environment 4th insulating, so it has a high resistance, and a leakage current through the semiconductor material 4th through is negligibly small. The transistor 3 So locks in the normal case, at the usual predetermined operating temperatures.

Der Heizbereich 5a ist jedoch dafür eingerichtet, sich selbst und dadurch das Halbleitermaterial 4 des Transistors 3 zu erwärmen, wenn ein Umschaltstrom durch den Heizbereich 5a fließt, sodass das Halbleitermaterial 4 durch das Erwärmen von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umschaltet. Der Heizbereich 5a weist eine Widerstandsschicht 6 auf. Der Heizbereich 5a weist weiter einen Isolator 7 auf. Die Widerstandsschicht 6 ist durch den Isolator 7 vom Halbleitermaterial 4 elektrisch isoliert. Zu diesem Zweck ist der Isolator 7 zwischen der Widerstandsschicht 6 und dem Halbleitermaterial 4 angeordnet. Im ersten Ausführungsbeispiel ist die Widerstandsschicht 6 aus polykristallinem Silizium gebildet. Im ersten Ausführungsbeispiel ist der Isolator 7 aus SiO₂ gebildet. Das polykristalline Silizium verleiht der Widerstandsschicht 6 des Heizbereichs 5a eine Widerstandsleitfähigkeit, sodass der Umschaltstrom eine thermische Verlustleistung des Heizbereichs 5a bewirkt, die ausreichend groß ist, um den Transistor 3 von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umzuschalten.The heating area 5a however, it is set up to itself and thereby the semiconductor material 4th of the transistor 3 to heat up when a switching current through the heating area 5a flows so that the semiconductor material 4th switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state by heating. The heating area 5a has a resistive layer 6th on. The heating area 5a further has an insulator 7th on. The resistance layer 6th is through the isolator 7th from semiconductor material 4th electrically isolated. For this purpose is the isolator 7th between the resistive layer 6th and the semiconductor material 4th arranged. In the first embodiment, the resistive layer is 6th formed from polycrystalline silicon. In the first embodiment is the isolator 7th formed from SiO ₂ . The polycrystalline silicon gives the resistive layer 6th of the heating area 5a a resistivity, so that the switching current a thermal power dissipation of the heating area 5a causes that is large enough to run the transistor 3 to switch from the electrically self-locking state to the electrically conductive state.

An dem Halbleitermaterial 4 sind mehrere Ableitelektroden 8a, 8b angeordnet, die ermöglichen, im elektrisch leitenden Zustand den Ableitstrom durch das Halbleitermaterial 4 hindurch abzuleiten. Die Ableitelektroden 8a, 8b sind metallisch und an gegenüberliegenden Seiten des Halbleitermaterials 4 vorgesehen. An dem Transistor 3, genauer an dem Heizbereich 5a, sind weiterhin mehrere Umschaltelektroden 9a, 9b angeordnet, über die der Heizbereich 5a mit dem Umschaltstrom versorgbar ist. Die Ableitelektroden 8a, 8b und die Umschaltelektroden 9a, 9b sind separat voneinander, also voneinander getrennt. Die Ableitelektroden 8a, 8b und das Halbleitermaterial 4 sind also Teil eines Ableitstromkreises 10, während die Umschaltelektroden 9a, 9b und die Widerstandsschicht 6 Teil eines Umschaltstromkreises 11 sind. Der Abschaltstromkreis 10 und der Umschaltstromkreis 11 werden durch den Isolator 7 voneinander elektrisch isoliert und durch den Isolator 7 miteinander thermisch gekoppelt.On the semiconductor material 4th are several lead electrodes 8a , 8b arranged that allow the leakage current through the semiconductor material in the electrically conductive state 4th to derive through. The lead electrodes 8a , 8b are metallic and on opposite sides of the semiconductor material 4th intended. On the transistor 3 , more precisely on the heating area 5a , are still several switching electrodes 9a , 9b arranged over which the heating area 5a can be supplied with the switching current. The lead electrodes 8a , 8b and the switching electrodes 9a , 9b are separate from each other, i.e. separate from each other. The lead electrodes 8a , 8b and the semiconductor material 4th are therefore part of a leakage circuit 10 while the switching electrodes 9a , 9b and the resistive layer 6th Part of a switching circuit 11 are. The shutdown circuit 10 and the switching circuit 11 are through the isolator 7th electrically isolated from each other and by the insulator 7th thermally coupled to each other.

Die Kurzschlussschaltung weist zudem eine Auslöseschaltung auf, die zum Auslösen der Kurzschlussschaltung eingerichtet ist. Die Auslöseschaltung weist eine integrierte Schaltung 12, auch ASIC genannt, auf. Die integrierte Schaltung 12 ist mit den Umschaltelektroden 9a, 9b des Transistors 3 elektrisch verbunden, um den Heizbereich 5a des Transistors 3 mit dem Umschaltstrom versorgen zu können. Die integrierte Schaltung 12 ist dafür eingerichtet, den Zündpuls bereitzustellen, um den Umschaltstrom über die Umschaltelektroden 9a, 9b durch die Widerstandsschicht 6 hindurch auszulösen. Durch den Umschaltstrom wird der Transistor 3 zur Herstellung des Kurzschlusses durch das Erwärmen der Widerstandsschicht 6 von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umgeschaltet. Die Auslöseschaltung ist also, mit anderen Worten, mit dem Transistor 3 verbunden, um den Heizbereich 5a des Transistors 3 mit dem Umschaltstrom versorgen zu können, um dadurch den Transistor 3 zur Herstellung des Kurzschlusses von dem elektrisch selbstsperrenden Zustand zu dem elektrisch leitenden Zustand umzuschalten. Die Auslöseschaltung ist also dem Umschaltstromkreis zugeordnet.The short-circuit circuit also has a trigger circuit which is set up to trigger the short-circuit circuit. The trigger circuit has an integrated circuit 12th , also called ASIC. The integrated circuit 12th is with the switching electrodes 9a , 9b of the transistor 3 electrically connected to the heating area 5a of the transistor 3 to be able to supply the switching current. The integrated circuit 12th is set up to provide the ignition pulse in order to control the switching current via the switching electrodes 9a , 9b through the resistive layer 6th trigger through it. The switching current turns the transistor 3 to create the short circuit by heating the resistance layer 6th switched from the electrically self-locking state to the electrically conductive state. So, in other words, the trigger circuit is with the transistor 3 connected to the heating area 5a of the transistor 3 to be able to supply the switching current to thereby the transistor 3 to switch from the electrically self-locking state to the electrically conductive state to produce the short circuit. The trigger circuit is therefore assigned to the switching circuit.

Die 2 und 3 zeigen eine weitere Ausführungsform der Kurzschlussschaltung gemäß der Erfindung, wie sie auch in Ausführungsformen der Vorrichtung aus 1 zum Einsatz kommen kann. Hier sind mehrere Heizbereiche 5a-f vorgesehen. Zwischen den Ableitelektroden 8a, 8b sind die mehreren Heizbereiche 5a-f angeordnet. Die Heizbereiche 5a-f sind also radial, senkrecht zu einer Flussrichtung des Umschaltstroms, abschnittsweise von dem Halbleitermaterial 4 umgeben. Der jeweilige Isolator 7 trennt elektrisch die jeweils zugeordnete Widerstandsschicht 6 von dem Halbleitermaterial 4. Der Isolator 7 koppelt jede Widerstandsschicht 6 jedoch thermisch mit dem Halbleitermaterial 4. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in 2 nur für einen gewissen Heizbereich 5c die Widerstandsschicht 6 und der Isolator 7 mit Bezugszeichen veranschaulicht. Es ist jedoch klar, dass die übrigen Heizbereiche 5a, 5b, 5d-f ebenfalls jeweils eine Widerstandsschicht 6 und einen Isolator 7 aufweisen.the 2 and 3 show a further embodiment of the short circuit according to the invention, as it is also in embodiments of the device from 1 can be used. There are several heating areas here 5a-f intended. Between the lead electrodes 8a , 8b are the multiple heating areas 5a-f arranged. The heating areas 5a-f are therefore radial, perpendicular to a flow direction of the switching current, in sections of the semiconductor material 4th surround. The respective isolator 7th electrically separates the respectively assigned resistance layer 6th of the semiconductor material 4th . The isolator 7th couples each resistive layer 6th but thermally with the semiconductor material 4th . To simplify the representation, in 2 only for a certain heating area 5c the resistive layer 6th and the isolator 7th illustrated with reference numerals. It however, it is clear that the remaining heating areas 5a , 5b , 5d-f also a resistance layer each 6th and an isolator 7th exhibit.

Alle Widerstandsschichten 6 im zweiten Ausführungsbeispiel bestehen aus polykristallinem Silizium. Alle Isolatoren 7 im zweiten Ausführungsbeispiel bestehen aus Siliziumdioxid, SiO₂ In nicht gezeigten Ausführungsformen haben manche Heizbereiche 5a-f jeweils verschiedene Materialien, die die Widerstandsschichten 6 und Isolatoren 7 bilden. Auch sind im zweiten Ausführungsbeispiel genau sechs Heizbereiche 5a-f gezeigt. Es können jedoch auch mehr als sechs oder, wie im ersten Ausführungsbeispiel, weniger als sechs Heizbereiche 5a-f vorgesehen sein, solange die Heizbereiche 5a-f das Halbleitermaterial 4 ausreichend erwärmen können, damit das Halbleitermaterial 4 in den leitenden Zustand umschalten kann.All resistance layers 6th in the second embodiment are made of polycrystalline silicon. All isolators 7th in the second exemplary embodiment consist of silicon dioxide, SiO _2. In embodiments not shown, some have heating areas 5a-f each different materials that make up the resistive layers 6th and isolators 7th form. There are also exactly six heating areas in the second exemplary embodiment 5a-f shown. However, more than six or, as in the first exemplary embodiment, fewer than six heating areas can also be used 5a-f be provided as long as the heating areas 5a-f the semiconductor material 4th can heat sufficiently so that the semiconductor material 4th can switch to the conductive state.

Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 ist bei niedrigen Temperaturen das in diesem Ausführungsbeispiel schwach n-dotierte Halbleitermaterial 4 des Transistors 3 hochohmig und nur ein sehr geringer Ableitstrom fließt durch den Transistor 3, auch als Leckstrom bezeichnet. Ein Erwärmen des Halbleitermaterials 4 durch die Heizbereiche 5a-f, wenn die Heizbereiche 5a-f vom Umschaltstrom durchflossen sind, bewirkt das gleichzeitige Erwärmen des Halbleitermaterials 4. Bei Temperaturen von >500°C setzt Eigenleitung n_i ein, die proportional zu e^(kT) ist, und der Ableitstrom durch die Ableitelektroden 8a, 8b steigt. Eine Eigenerwärmung des Halbleitermaterials 4, durch Verlustwärme, hält den Transistor 3 in einem Eigenleitungszustand. Der Eigenleitungszustand ist selbsthaltend bei fortwährendem Stromfluss. Deshalb ist der gezeigte Transistor 3 sehr gut für die Kurzschlussschaltung geeignet.In the second embodiment according to the 2 and 3 is the weakly n-doped semiconductor material in this exemplary embodiment at low temperatures 4th of the transistor 3 high resistance and only a very low leakage current flows through the transistor 3 , also known as leakage current. A heating of the semiconductor material 4th through the heating areas 5a-f when the heating areas 5a-f are traversed by the switching current, causes the simultaneous heating of the semiconductor material 4th . At temperatures of> 500 ° C, intrinsic conduction n _i sets in, which is proportional to e ^(kT) , and the leakage current through the lead electrodes 8a , 8b increases. Self-heating of the semiconductor material 4th , through heat loss, holds the transistor 3 in an intrinsic state. The intrinsic conduction state is self-sustaining when there is a continuous flow of current. This is why the transistor shown is 3 very suitable for short circuit switching.

3 veranschaulicht in der schrägen teilweisen Querschnittsansicht zudem, dass die Heizbereiche 5a-f sich im rechten Winkel zu den Ableitelektroden 8a, 8b erstrecken und durch einen mit einem Pfeil angedeuteten Heizstrom I₁, den Umschaltstrom, erwärmt werden. Der mit einem weiteren Pfeil angedeutete Ableitstrom I₂, auch Zellstrom genannt, fließt ganzflächig über die äußeren Elektroden, die Ableitelektroden 8a, 8b. Die Signalelektroden für die Heizleistung, also die Umschaltelektroden 9a, 9b, sind zur Vereinfachung in den 2 und 3 nicht dargestellt und liegen in der Betrachtungsebene von 2, also senkrecht zu den Ableitelektroden 8a, 8b. 3 also illustrates in the oblique partial cross-sectional view that the heating areas 5a-f at right angles to the lead electrodes 8a , 8b _{and are heated by a heating current I 1} , the switching current, indicated by an arrow. The leakage current I ₂ indicated by another arrow, also called cell current, flows over the entire surface via the outer electrodes, the discharge electrodes 8a , 8b . The signal electrodes for the heating power, i.e. the switchover electrodes 9a , 9b , are in the 2 and 3 not shown and are in the viewing plane of 2 , i.e. perpendicular to the lead electrodes 8a , 8b .

Die vorliegenden Ausführungsformen der 1 bis 3 zeigen somit, mit anderen Worten, einen thermisch aktivierten Transistor 3, welcher als Kurzschlussschalter (Antifuse) in einer Kurzschlussschaltung eingesetzt werden kann und eine entsprechend kritische Zelle kontrolliert entladen kann. Hierbei ist der Transistor 3 erfindungsgemäß so gestaltet, dass ein kurzer Puls, ein „Zündpuls“, ausreicht, um den Transistor 3 von einem elektrisch selbstsperrenden zu einem vorzugsweise selbstelektrisch leitenden beziehungsweise intrinsisch elektrisch leitenden Transistor 3 „umzuschalten“. Auf Englisch kann der Transistor 3 daher auch als „Thermally triggered intrinsic conduction transistor“ bezeichnet werden.The present embodiments of the 1 until 3 thus, in other words, show a thermally activated transistor 3 , which can be used as a short-circuit switch (antifuse) in a short-circuit circuit and can discharge a correspondingly critical cell in a controlled manner. Here is the transistor 3 designed according to the invention in such a way that a short pulse, an “ignition pulse”, is sufficient to activate the transistor 3 from an electrically self-locking to a preferably self-electrically conductive or intrinsically electrically conductive transistor 3 "To switch". The transistor can speak in English 3 therefore also referred to as "Thermally triggered intrinsic conduction transistor".

Das Halbleitermaterial 4 des Transistors, das an zwei Seiten die Ableitelektroden 8a, 8b aufweist, weist - in der zweiten gezeigten Ausführungsform zwischen den Ableitelektroden 8a, 8b - die vom Halbleitermaterial 4 elektrisch isolierten Heizbereiche 5a-f auf. Die Heizbereiche 5a-f, die beispielsweise durch den Isolator aus SiO₂ vom Halbleitermaterial 4 getrennt sind, besitzen eine (zum Beispiel bei Raumtemperatur) (Widerstands-) Leitfähigkeit, sodass bei Stromfluss des Umschaltstroms durch die Heizbereiche 5a-f hindurch eine endliche thermische Verlustleistung entsteht. Die von den Ableitelektroden 8a, 8b separaten Umschaltelektroden 9a, 9b zum elektrischen Anschluss der isolierten Widerstandsbereiche, der Heizbereiche 5a-f, sind am Transistor 3 vorgesehen.The semiconductor material 4th of the transistor that has the lead electrodes on two sides 8a , 8b has, has - in the second embodiment shown between the lead electrodes 8a , 8b - those of the semiconductor material 4th electrically isolated heating areas 5a-f on. The heating areas 5a-f which, for example, by the insulator made of SiO ₂ from the semiconductor material 4th are separated, have a (for example at room temperature) (resistance) conductivity, so that when current flows through the heating areas, the switching current 5a-f a finite thermal power loss arises through this. The ones from the lead electrodes 8a , 8b separate switching electrodes 9a , 9b for the electrical connection of the isolated resistance areas, the heating areas 5a-f , are on the transistor 3 intended.

Zum Aufbau des Sicherheitsschalters ist in der Kurzschlussschaltung zusätzlich die Auslöseschaltung, die insbesondere eine externe Kleinsignal-Spannungsbeziehungsweise Stromquelle oder auch beispielsweise den ASIC 12 aufweist, zur Bestromung der Heizbereiche 5a-f zum Auslösen des Transistors 3 vorgesehen, sodass bei Auslösen des Transistors 3 das Halbleitermaterial 4 vom elektrisch selbstsperrenden, hochohmigen Zustand zum elektrisch leitenden, niederohmigen Zustand übergeht. Die Auslöseschaltung ist vorzugsweise Quelle des Zündpulses. Die Auslöseschaltung treibt damit einen Zündstrom, den Umschaltstrom, durch die Poly-Si-Bahnen des Bauelementes, also die Heizbereiche 5a-f, sodass sich diese räumlich begrenzten Gebiete stark erwärmen. Die Poly-Si Bahnen sind elektrisch vom „Kanalbereich“ (Hochstrompfad) getrennt (beispielsweise durch ein SiO₂). Die Wärmefront überwindet die dünne Oxidschicht jedoch sofort und erhitzt den angrenzenden Halbleiterbereich des Transistors 3, also das Halbleitermaterial 4, stark. Oberhalb einer bestimmten Temperatur wird dieses Gebiet des Halbleitermaterials 4 „intrinsisch“, es werden also durch thermische Anregung so viele Elektronen/Lochpaare erzeugt, sodass die (bewegliche) Elektronendichte im Leitungsband in die Größenordnung von Ladungsträgerdichte von Metallen steigt. Durch den verbleibenden, endlichen Widerstand im Kanalbereich erhitzt sich dieser weiter. Durch den jetzt einsetzenden Kanalstrom (Hochstrom) und die elektrische Verlustleistung erwärmt sich das Halbleitermaterial 4 jetzt mehr und mehr homogen (und nicht nur unmittelbar an den Polybahnen, also den Heizbereichen 5a-f). Diese positive Rückkopplung führt zum niederohmigen thermischen „Durchschalten“ des gesamten Halbleitermaterials 4. Das Halbleitermaterial 4 wird erst wieder hochohmig, wenn die speisende Stromquelle zusammenbricht, zum Beispiel die Batterie zunehmend entladen wird. Der Umschaltstrom bewirkt also die Vergrößerung der niederohmigen Fläche, das heißt, es wird ein vollständiges Durchschalten durch Mitkopplung, und das Halten des Halbleitermaterials 4 im heißen beziehungsweise niederohmig instrinsischen Zustand bewirkt.To set up the safety switch, the short-circuit circuit also contains the trigger circuit, which in particular is an external small-signal voltage or current source or, for example, the ASIC 12th has, for energizing the heating areas 5a-f to trigger the transistor 3 provided so that when the transistor is triggered 3 the semiconductor material 4th changes from the electrically self-locking, high-resistance state to the electrically conductive, low-resistance state. The trigger circuit is preferably the source of the ignition pulse. The trigger circuit thus drives an ignition current, the switching current, through the poly-Si tracks of the component, i.e. the heating areas 5a-f so that these spatially limited areas warm up considerably. The poly-Si tracks are electrically separated from the “channel area” (high current path) (for example by an SiO ₂ ). However, the thermal front immediately overcomes the thin oxide layer and heats the adjacent semiconductor area of the transistor 3 , so the semiconductor material 4th , strong. Above a certain temperature, this area becomes the semiconductor material 4th “Intrinsic”, i.e. so many electron / hole pairs are generated by thermal excitation that the (mobile) electron density in the conduction band rises to the order of magnitude of the charge carrier density of metals. Due to the remaining, finite resistance in the duct area, the duct continues to heat up. The semiconductor material heats up as a result of the channel current (high current) that now sets in and the electrical power loss 4th now more and more homogeneous (and not just directly on the poly webs, i.e. the heating areas 5a-f) . This positive feedback leads to the low-resistance thermal “switching through” of the entire semiconductor material 4th . The semiconductor material 4th only becomes high-resistance again when the supplying power source breaks down, for example the battery is increasingly discharged. The switching current thus causes the low-resistance area to be enlarged, that is to say, there is complete switching through by positive feedback, and the holding of the semiconductor material 4th in the hot or low-ohmic instrinsic state.

Der Transistor 3 weist in den gezeigten Ausführungsformen eine sehr hohe Stromtragfähigkeit auf. Ein positiver Temperatur-Koeffizient bedeutet einen selbständigen Ausgleich in Richtung homogene Stromleitung. Eine höhere Temperatur bewirkt niedrigere Widerstände im Halbleitermaterial 4 und niedrigere Verluste. Dadurch ist der gezeigte Transistor 3 zusätzlich selbstlimitierend. Je nach Design sind niedrigere Triggerenergien erforderlich, um beispielsweise das Silizium des Halbleitermaterials 4 durch ein dünnes Oxid des Isolators hindurch aufzuheizen. Transistor 3, Kurzschlussschaltung und Vorrichtung 1 erlauben im Fehlerfall somit eine schnelle und zuverlässige Ableitung des Ableitstroms. Hierzu sind nämlich selbsthaltende Schalter vorteilhaft, welche niederohmig ohne externe Steuersignale funktionieren. Der vorgeschlagene Transistor 3 funktioniert niederohmig ohne externes Steuersignal und erfüllt somit die Anforderungen für Kurzschlussschalter, insbesondere in Kurzschlussschaltungen für Batterien.The transistor 3 has a very high current carrying capacity in the embodiments shown. A positive temperature coefficient means an independent compensation towards a homogeneous power line. A higher temperature results in lower resistances in the semiconductor material 4th and lower losses. This is the transistor shown 3 additionally self-limiting. Depending on the design, lower trigger energies are required, for example around the silicon of the semiconductor material 4th through a thin oxide of the insulator. transistor 3 , Short circuit and device 1 allow the leakage current to be diverted quickly and reliably in the event of a fault. For this purpose, self-holding switches are advantageous, which function with low resistance without external control signals. The proposed transistor 3 works with low resistance without an external control signal and thus meets the requirements for short-circuit switches, especially in short-circuit circuits for batteries.

Claims

Transistor (3), the transistor (3) being set up to be switchable from an electrically self-locking state to an electrically conductive state in response to an ignition pulse, the transistor (3) being set up so that parts are heated in response to the ignition pulse of the transistor (3) is effected and the transistor (3) switches from the electrically normally-off state to the electrically conductive state by heating, the transistor (3) having a semiconductor material (4) and one or more heating areas (5a-f), which are electrically isolated with respect to the semiconductor material (4), wherein the one or more heating regions (5a-f) are set up to heat themselves and thereby the semiconductor material (4) of the transistor (3) when a Switching current flows through the heating areas (5a-f), so that the semiconductor material (4) switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state as a result of the heating .

Transistor (3) Claim 1 , wherein a plurality of discharge electrodes (8a, 8b) are arranged on the semiconductor material (4), which make it possible to discharge a discharge current through the semiconductor material (4) in the electrically conductive state, wherein between the discharge electrodes (8a, 8b) the one or more Heating areas (5a-f) are arranged.

Transistor (3) Claim 1 or 2 , wherein the one or more heating areas (5a-f) have a resistivity, so that the switching current causes a thermal power loss of the heating areas (5a-f) that is sufficiently large to switch the transistor (3) from the electrically self-locking state to the to switch electrically conductive state.

Transistor (3) according to one of the Claims 1 until 3 wherein the one or more heating areas (5a-f) each have a resistance layer (6) which is surrounded by an insulator (7).

Transistor (3) Claim 4 wherein the resistance layer (6) comprises at least one of the heating areas (5a-f) polycrystalline silicon.

Transistor (3) according to one of the Claims 4 or 5 wherein the insulator (7) has at least one of the heating areas (5a-f) SiO ₂ .

Transistor (3) according to one of the Claims 1 until 6th , wherein a plurality of switchover electrodes (9a, 9b) are arranged on the transistor (3), via which the one or more heating areas (5a-f) can be supplied with the switchover current.

Short-circuit circuit which has a transistor (3) for producing a short-circuit, the transistor (3) being configured to be switchable from an electrically self-locking state to an electrically conductive state in response to an ignition pulse, the short-circuit circuit having a trigger circuit which is used to trigger the Transistor (3) is set up and wherein the trigger circuit is connected to the transistor (3) to one or more heating areas (5a-f) of the transistor (3), which with respect to a semiconductor material (4) of the transistor (3) electrically are isolated, to be able to be supplied with a switching current in order to thereby switch the transistor (3) from the electrically self-locking state to the electrically conductive state in order to produce the short circuit.

Short circuit after Claim 8 wherein the one or more heating areas (5a-f) are set up to heat themselves and thereby the semiconductor material (4) of the transistor (3) when the switching current flows through the heating areas (5a-f), so that the semiconductor material (4) switches from the electrically self-locking state to the electrically conductive state by heating.

Device (1) which has a battery (2) operatively connected to the device (1) and one with the Battery (2) actively connected short-circuit after Claim 8 having.