DE19802402A1

DE19802402A1 - Festkörperschalter

Info

Publication number: DE19802402A1
Application number: DE1998102402
Authority: DE
Inventors: Jin-Shown Shie
Original assignee: Shie Jin Shown
Current assignee: INTEGRATED CRYSTAL TECHNOLOGY CORP., HSIN CHU, TW
Priority date: 1997-08-10
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1999-02-18
Also published as: TW345751B; US6013935A

Description

Die Erfindung betrifft Festkörperschalter, wie sie derzeit in großem Umfang auf verschiedenen Gebieten in der Industrie angewandt werden.

Derartige Festkörperelemente haben Vorteile wie fehlende me chanische Kontakte, wodurch Funkenbildung fehlt und schnel les Triggern möglich ist, und wenn derartige Elemente zum Ein- und Ausschalten von Systemen hoher Leistung verwendet werden, sind sie sicher und beständig. Heutzutage sind sie für moderne elektrische Leistungsregelung unabdingbar. Unter derartigen Elementen sind die derzeit am häufigsten verwen deten der gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCR = Silicon Controlled Rectifier) und der TRIAC, der durch antiparalle les Verbinden zweier SCRs erhalten wird.

Wenn ein SCR zum Triggern eines großen Stroms verwendet wird, bestehen die folgenden Nachteile: (1) die Transimpe danz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluß eines SCR ist klein, weswegen die zwei Anschlüsse nicht voneinan der isoliert sind; wenn am Ausgang eine hohe Spannung auf tritt, ist es wahrscheinlich, daß im Eingangsschaltkreis ein Durchschlag auftreten kann; (2) jedes SCR-Element weist nach dem Triggern den Latch-up-Effekt auf, und wenn ein SCR einmal in den leitenden Zustand getriggert ist, wird dieser nicht beendet, bevor nicht die Potentialdifferenz zwischen der Anode und der Kathode auf Null geschaltet wird, oder so lange nicht ein Umkehrstrom am Gate eingegeben wird. Dies sind Unterschiede zu einem herkömmlichen mechanischen Schal ter mit hoher Transimpedanz, d. h., daß die elektrische Isolierung zwischen dem Eingang und dem Ausgang vollständig ist und daß der Latch-up-Effekt fehlt. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei der Verwendung eines SCR von Natur aus Nachteile bestehen.

Um die Funktionen eines herkömmlichen mechanischen Schalters zu erzielen, ohne die Vorteile der Kontaktfreiheit und der fehlenden Funkenbildung zu verlieren, existiert ein anderer, neuer Typ von Festkörperschaltern, wie sie in den letzten Jahren zunehmend verwendet werden. Dabei wird das elektri sche Ansteuern des Bauteils durch Anreicherungs-MOS-Transi storen, die normalerweise ausgeschaltet sind, mit hoher Spannung und hoher Leistung erzielt. Da ein MOS-Transistor ein zweiseitiges Bauteil mit sehr hoher Eingangsimpedanz am Eingangsgate ist, verhält er sich ähnlich wie ein herkömm licher mechanischer Schalter. Wenn das Bauteil einschaltend angesteuert wird, muß nur eine Schwellenspannung an das Gate angelegt werden. Bei einem MOS-Leistungstransistor be trägt die Schwellenspannung ungefähr 3 V, und da ein MOS- Transistor eine sehr große Eingangsimpedanz aufweist, sind sowohl der erforderliche Strom als auch die Leistung zum An steuern dieses Elements klein. Ein MOS-Transistor kann ein schaltend dadurch angesteuert werden, daß sein Gatekonden sator geladen wird, dessen Kapazität sehr klein ist; wenn die externe Ansteuerspannung weggenommen wird, nimmt die Gate-Streuladung aufgrund einer gewissen Leckschleife all mählich ab, und der MOS-Transistor schaltet aus, wenn die Spannung unter die Schwellenspannung fällt. Außerdem kann ein MOS-Transistor, da er ein zweiseitiges Element ist, dazu verwendet werden, eine Wechselspannung bei geeignetem Design zu steuern. Auf diese Weise verhält er sich ähnlich wie ein mechanischer Schalter.

Um für einen MOS-Leistungstransistor den getriggerten Lei tungszustand zu erreichen, muß eine Schaltung vorhanden sein, die ausreichendes Potential über dem Schwellenwert er zeugt, das zwischen dem Gate und der Source angelegt wird. Ferner muß sehr gute elektrische Isolierung zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß existieren, da mit die obengenannten Nachteile eines SCR vermieden werden können. Derzeit ist es üblich, den "photovoltaischen Effekt" einer Dioden-Photozelle zu verwenden, wie es in Fig. 1 dar gestellt ist. In Fig. 1 liegen mehrere Siliziumphotodioden in Reihe vor dem Gate G eines MOS-Leistungstransistors Q, die durch eine Lichtemissionsdiode LED beleuchtet werden, wodurch eine Photospannung erzeugt wird. Im allgemeinen be trägt die durch eine Siliziumdiode erzeugte Photospannung ungefähr 0,3-0,6 V, so daß eine Konstruktion mit zehn in Reihe geschalteten Siliziumdioden eine Spannung über der Schwellenspannung (ungefähr 3 V) eines MOS-Leistungstransis tors erzeugen kann, wodurch dieser eingeschaltet werden kann. Der "photovoltaische-Generator" (PVG)-Schalter vom Typ mit derartiger photoelektrischer Kopplung ist einem Opto koppler oder einem Optoisolator, wie bei der Kommunikations elektronik verwendet, ähnlich. Da zwischen der Lichtemissi onsdiode und den Siliziumdioden keine Schaltungsverbindung existiert, weist ein PVG-Schalter eine sehr hohe Transimpe danz auf. Dieser Typ eines photovoltaischen Generator-Schal ters kann eine Ausgangslast mit sehr hoher Spannung und ho hem Strom am Ausgangsende des MOS-Transistors unter Verwen dung kleiner Lichtleistung seitens der Lichtemissionsdiode ansteuern, was zu keinem elektrischen Durchbruch auf der Eingangsseite führt. Es handelt sich um einen neuen und her vorragenden elektronischen Festkörperschalter, wie man ihn in den Produktkatalogen vieler Firmen finden kann.

Wenn jedoch dieser Typ eines durch einen photovoltaischen Generator angesteuerten MOS-Leistungsschalters am Anfang seines Ausschaltvorgangs steht, d. h., wenn das Licht der LED abgeschaltet wird, existiert eine im Gatekondensator C_G (≈ 220 pF) gespeicherte parasitäre Ladung des MOS-Leistungs transistors, die auslecken muß, damit der Transistor ab schalten kann. Da sich die Diode dann jedoch unter hoher Im pedanz bei negativer Vorspannung befindet, kann die Ladung nicht leicht auslecken. Daher kann der MOS-Transistor nicht momentan reagieren und abschalten. Bei einem elektrischen Schalter ist eine derartige Abschaltverzögerung sehr uner wünscht, wenn sie so lang ist, daß sie den Schaltvorgang beeinträchtigen kann. Um diesen Nachteil zu überwinden, ist Schaltkreis unabdingbar, der zwischen dem Gate und dem Ausgang der Photozelle des aktuellen MOS-Schalters mit pho tovoltaischem Generator für einen Entladungspfad sorgt, wie es durch den Block S in Fig. 2 dargestellt ist. Das Vorhan densein eines derartigen Schaltkreises führt nicht zu einer Zunahme der Gesamtkosten aufgrund erhöhter Chipfläche und eines komplizierteren Prozesses, sondern auch zu erhöhtem Bedarf an zu erzeugender photovoltaischer Leistung, was be deutet, daß die Anzahl von Lichtemissionsdioden erhöht wer den muß oder die Chipfläche der Photozellen vergrößert wer den muß, um die zusätzliche Leistung zu liefern, was erneut einer Kostenzunahme führt. Ferner ist es schwierig, dafür sorgen, daß das Licht einer LED die Oberflächen der Pho tozellen gleichmäßig beleuchtet.

Außerdem ist, betreffend die Gehäusestruktur eines Festkör perschalters mit photovoltaischem Generator, wie es in Fig. 3A dargestellt ist, da die Lichtemissionsdiode und die Pho tozelle einander zugewandt sein müssen, damit direkte opti sche Kopplung möglich ist, die Gehäusestruktur komplizierter als die planare Gehäusestruktur eines gewöhnlichen IC, wie in Fig. 3B dargestellt, weswegen die Gehäusekosten beträcht lich höher sind. Außerdem muß das Epoxid des Gehäuses zwi schen den zwei Elementen bei der Wellenlänge des LED-Lichts transparent sein, andernfalls es kaum zu Lichtkopplung käme. Hinsichtlich des aktuellen Epoxidmaterials, wie es für IC- Gehäuse verwendet wird, muß als Lichtquelle eine Infrarot- LED verwendet werden, die Licht bei einer Wellenlänge um 900 nm herum emittiert, damit das Licht durch das Epoxidma terial strahlen kann, um die Kopplung zu erzielen. Eine Si liziumphotozelle, die ziemlich billig ist, weist in diesem spektralen Abschnitt höheren photoelektrischen Wandlungswir kungsgrad auf.

Die Verwendung einer Ein-Chip-Siliziumphotozelle hat die folgenden Nachteile. Da Silizium-Photodioden, wie sie bei einem Schalter mit photovoltaischem Generator verwendet wer den, in Reihe geschaltet werden müssen, um eine ausreichende photovoltaische Spannung zum Ansteuern eines MOS-Leistungs transistors zu erzeugen, bestehen Schwierigkeiten, wenn die Elemente auf einem Siliziumchip ausgebildet werden, wie dies im folgenden erläutert wird: (1) es muß sehr hohe elektri sche Isolierung zwischen benachbarten Dioden bestehen, damit die Reihenschaltung stattfindet; andernfalls kommt es zu Lecks und induzierter Spannung, und der Strom nimmt ab; (2) die Absorptionslänge einkristallinen Siliziums ist bei der Wellenlänge von 900 nm ziemlich groß, weswegen die Photodio den auf dem Siliziumchip tiefe Übergänge aufweisen müssen, damit der photoelektrische Wandlungswirkungsgrad auf ein vernünftiges Niveau erhöht werden kann, was zu noch tieferer Isolierung zwischen benachbarten Elementen führt. Diese tie fe Isolierung kann auf normalen Siliziumchips kaum reali siert werden. Um diese Aufgabe zu lösen, wird bei vielen Er zeugnissen ein Silizium-auf-Isolator (SOI = silicon-on-insu lator) verwendet, damit Isolierung zwischen benachbarten Elementen erzielt werden kann, wie dies in Fig. 4 darge stellt ist. Jedoch ist ein SOI-Wafer teurer als ein Wafer aus normalem einkristallinem Silizium, und es ist auch der Herstellprozeß bei einem SOI-Chip komplizierter. Außerdem kann die Dicke von Silizium auf der Isolationsschicht nicht stark erhöht werden, andernfalls V-Gräben zu tief wären, als daß sie flach ausgebildet werden könnten, was zu einer Verringerung des Lichtabsorptions-Wirkungsgrads führen wür de.

Kurz gesagt, sind derzeit zwar MOS-Festkörper-Leistungs schalter mit photovoltaischem Generator dem praktischen Ge brauch zugeführt, jedoch machen, wie es vorstehend beschrie ben ist, die Nachteile in Zusammenhang mit dem verwendeten Material, der Herstellung und der Gehäusestruktur der Ele mente insgesamt derartige Festkörperschalter teuer, oder es liegen nicht vernachlässigbare andere Nachteile vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Festkörper schalter zu schaffen, der auf einem anderen physikalischen Prinzip beruht und die folgenden Vorteile aufweist: kleine Chipfläche, Standard-IC-Herstellprozeß, einfache Gehäuse herstellung und geringe Kosten.

Diese Aufgabe ist durch den Festkörperschalter gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Festkör perschalter beruht auf dem physikalischen Effekt thermoelek trischer Übertragung, bei dem die Eigenschaft hoher Transim pedanz durch thermische Kopplung statt optische Kopplung mittels des photoelektrischen Effekts erzielt wird.

Ein erfindungsgemäßer Festkörperschalter weist im wesentli chen die folgenden Bestandteile auf: ein Siliziumsubstrat, eine Thermofläche, einen Dünnfilm-Heizwiderstand und eine Thermosäule. Die Thermofläche wird dadurch hergestellt, daß eine aufgehängte Membran in einem Teilbereich des Silizium substrats durch eine Mikrobearbeitungstechnik ausgebildet wird. Der auf der Thermofläche hergestellte Dünnfilm-Heizwi derstand wird als Eingang des Festkörperschalters verwendet. Die aus einer Halbleitermembran bestehende Thermosäule be steht aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen, wobei die heißen Übergänge der Thermoelemente innerhalb des Bereichs der Wärmefläche nahe am Dünnfilm-Heizwiderstand angeordnet sind, während die kalten Übergänge der Thermoele mente außerhalb des Bereichs der Wärmefläche entfernt von dieser angeordnet sind. Der Ausgang der Thermosäule wird als Ausgang des Festkörperschalters verwendet.

Wenn eine Eingangsspannung an den Eingang des Wärmewider stands angelegt wird, so daß Joulesche Wärme erzeugt wird, fließt diese Wärme vom Heizwiderstand zum Substratbereich, was eine geeignete Temperaturdifferenz zwischen den heißen und den kalten Übergängen der Thermosäule aufgrund ungleich mäßiger Wärmeverteilung erzeugt. So wird am Ausgang der Thermosäule ein thermoelektrisches Potential erzeugt, das mit dem Ausgang der Thermosäule verbundenen MOS-Transis tor einschaltet. Andererseits schaltet der Heizwiderstand ab, wenn die an seinen Eingang angelegte Eingangsspannung weggenommen wird, so daß die heißen und kalten Übergänge aufgrund des Wärmegleichgewichts dieselbe Temperatur errei chen, so daß das am Ausgang der Thermosäule auftretende thermoelektrische Potential verschwindet, wodurch der MOS- Transistor abgeschaltet wird.

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzug ten, jedoch nicht beschränkenden Ausführungsbeispiele er sichtlich. Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine schematische Schaltung eines bekannten, durch einen photovoltaischen Generator angesteuerten Fest körperschalters;

Fig. 2 veranschaulicht die beim in Fig. 1 dargestellten Schalter verwendete Abschalt-Leckschaltung;

Fig. 3A zeigt eine dreidimensionale Gehäusestruktur eines bekannten, durch einen photovoltaischen Generator gesteuer ten Halbleiterschalters;

Fig. 3B zeigt eine planare DIP-Gehäusestruktur eines her kömmlichen IC;

Fig. 4 zeigt einen durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten bekannten Schalter, der auf einem SOI-Chip aus gebildet ist;

Fig. 5A-5D zeigen zusammen den Aufbau eines erfindungsge mäßen, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalters;

Fig. 6 zeigt den Aufbau eines Festkörperschalters, der durch einen thermovoltaischen Generator mit aufgehängter Wärmeflä che gesteuert wird;

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines Festkörperschalters, der durch einen thermovoltaischen Generator mit nicht aufgehängter Wärmefläche gesteuert wird;

Fig. 8A und 8B zeigen zwei Gehäuse eines Festkörperschalters gemäß Fig. 6, wobei es sich um ein Metallbechergehäuse bzw. DIP-Gehäuse handelt; und

Fig. 9 zeigt das Gehäuse eines Festkörperschalters gemäß Fig. 7.

Die Fig. 5A-5C zeigen einen erfindungsgemäßen, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalter von oben, von der Seite bzw. perspektivisch, und Fig. 5D ist ein schematisches Diagramm, das veranschaulicht, wie der MOS-Transistor Q in diesen Figuren durch den thermovoltai schen Generator gesteuert wird. In Fig. 5A repräsentiert das Element R einen Dünnfilm-Heizwiderstand, dessen zwei Enden ii' die Eingangsenden des erfindungsgemäßen Festkörperschal ters sind. Wenn ein Strom in den Eingang fließt, wird Joule sche Wärme erzeugt, und in der Nähe tritt eine örtliche Tem peraturerhöhung auf. Dieses elektrische Heizelement liegt innerhalb einer Zone T (Fig. 5A), die einer örtlichen Wärme fläche M auf dem Siliziumsubstrat S entspricht (Fig. 5B). Die Wärmefläche M hat den Effekt einer Verstärkung des Tem peraturanstiegs. Gemäß Fig. 5 wird die Wärmefläche M unter Verwendung eines anisotropen Rückseiten-Ätzvorgangs gemäß einer Volumen-Mikrobearbeitungstechnik in Form einer aufge hängten Membran M (Fig. 5B) ausgebildet, wie dies später de taillierter beschrieben wird. Wenn elektrische Wärmeleistung P auf der Wärmefläche M zum Substrat S (Fig. 5B) fließt, dessen Temperatur niedriger ist, wobei wegen des dazwischen existierenden erheblichen Wärmewiderstands diese Temperatur differenz entsteht. Außerdem ist in Fig. 5A eine Thermosäule dargestellt, die aus einer Anzahl in Reihe geschalteter Dünnfilm-Thermoelemente besteht, von denen jedes durch zwei Materialien a und b gebildet ist. Die heißen Übergänge h des Thermoelements hängen mit dem obengenannten Heizwiderstand r zusammen und sind in der Zone T der Wärmefläche angeordnet, weswegen ihre Temperatur sehr nahe an der des Heizwider stands r liegt. Andererseits sind die kalten Übergänge c des Thermoelements auf dem nicht aufgehängten Substrat S ange ordnet, das entfernt von der Zone T der Wärmefläche liegt. Da die kalten Übergänge c unmittelbar an das Siliziumsub strat S angrenzen, ist die Wärmeableitung sehr hoch. Daher ist die Temperatur der kalten Übergänge im wesentlichen die jenige des Substrats S, also die Raumtemperatur. Aus dieser Konstruktion ist ersichtlich, daß die Wärmeableitung am Substrat S ungleichmäßig ist, nachdem an den Anschlüssen ii' elektrische Leistung zugeführt wurde, wodurch zwischen jedem Paar aus einem kalten und einem heißen Übergang eine vorbe stimmte Temperaturdifferenz erzeugt wird. Diese Temperatur differenzen führen insgesamt zu einer aufsummierten thermo elektrischen Spannung zwischen den Ausgängen oo' des Thermo elements. Wie es in Fig. 5D dargestellt ist, wird das Poten tial an das Gate und den Drain (Masse) des MOS-Leistungs transistors Q angelegt, wodurch dieser eingeschaltet werden kann, ähnlich wie beim obengenannten Festkörperschalter, der durch einen photovoltaischen Generator gesteuert wird. Je doch ist zu beachten, daß diese zwei Schalter hinsichtlich der physikalischen Grundlage und der Technik der Erzeugung der Potentialdifferenz völlig verschieden sind, da der eine Licht als Kopplungsmedium verwendet, der andere dagegen Wär me. Wenn die elektrische Eingangsleistung weggenommen wird, beginnt die Temperatur der Wärmefläche zu sinken, und sie stimmt bald mit der der kalten Übergänge, also der Raumtem peratur, überein. Inzwischen verschwindet die thermoelektri sche Spannung gleichzeitig, und der MOS-Transistor Q, der normalerweise ausgeschaltet ist, kehrt in den "AUS"-Zustand zurück. D. h., daß die Aktivierungsenergie, die dazu erfor derlich ist, den MOS-Transistor auf EIN oder AUS zu schal ten, durch thermoelektrische Kopplung mittels thermoelektri scher Effekte durch Joulesche Wärme erzeugt wird. Als elek tronischer Festkörper-Leistungsschalter liegen die folgenden Vorteile vor:

(1) da der Heizwiderstand r und das Thermoelement durch ein Material mit guter elektrischer Isolierung, wie Siliziumdi oxid oder Siliziumnitrid, gegeneinander isoliert sind, exis tiert keine direkte elektrische Kopplung oder Verbindung zwischen ihnen. Daher weist der erfindungsgemäße Festkörper schalter extrem hohe Transimpedanz auf, die dieselbe wie bei einem durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalter ist;
(2) das Thermoelement ist ein aus Widerstandsmaterial herge stelltes Dünnfilmelement, und obwohl der Reihenwiderstand bei bestimmten praktischen Anwendungen bis zu 100 kΩ errei chen kann, ist er klein im Vergleich mit der Impedanz einer Photodiode in Sperrichtung (im allgemeinen bis zu mehr als 10¹²). Wenn angenommen wird, daß der Gatekondensator C_G eines typischen MOS-Hochleistungstransistors herkömmlicher weise höchstens 150 pF beträgt, übersteigt die Lade/Entlade- Zeitkonstante des erzeugten RC-Kreises den Bereich einiger 10 Mikrosekunden nicht. Demgemäß wird die Ladung des Gate kondensators des erfindungsgemäßen Festkörperschalters sehr schnell entladen.

Daraus sind die folgenden Tatsachen erkennbar: (1) ein Leck schaltkreis, wie er bei einem durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalter erforderlich ist, ist beim erfindungsgemäßen Festkörperschalter nicht mehr er forderlich, weswegen sowohl die Leistung zum Steuern des Schalters als auch die erforderliche Chipfläche verringert werden kann; (2) der Herstellprozeß, der vollständig durch Standard-Siliziumhalbleiter-Technologie realisiert werden kann, ist einfacher. Demgemäß bestehen bei einem erfindungs gemäßen Festkörperschalter gegenüber einem durch einen pho tovoltaischen Generator gesteuerten Schalter Verbesserungen sowohl hinsichtlich der Funktion als auch der Kosten.

In der Praxis wird die Einschalt/Ausschalt-Geschwindigkeit eines erfindungsgemäßen Festkörperschalters durch die ther mische Zeitkonstante des Temperaturanstiegs/-abfalls dieses Schalters dominiert. Diese thermische Zeitkonstante ist durch das Produkt H.Z bestimmt, wobei H die Wärmekapazität der Wärmefläche des Schalters repräsentiert und Z den Wärme widerstand des Wärmepfads repräsentiert, der von der Wärme fläche zum Substrat führt. Die Wärmefläche kann durch IC- Herstelltechnologie sehr klein, im Bereich von einigen Mil limetern, ausgebildet werden, so daß ihre Wärmekapazität sehr klein ist. Bei geeignetem Design der Struktur der Wär mefläche kann die thermische Zeitkonstante im Bereich von 0,1-1 Millisekunden oder noch kleiner liegen. Daher weist der erfindungsgemäße Festkörperschalter eine Einschalt/Aus schalt-Geschwindigkeit auf, die höher ist als die herkömm licher mechanischer Schalter (ungefähr 1,25 Millisekunden). Außerdem steht diese Geschwindigkeit derjenigen eines durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Schalters nicht nach, was nahelegt, daß die Erfindung hohen praktischen Wert zeigt.

Wie beschrieben, sind, da der Eingangswiderstand des MOS- Transistors sehr hoch ist, der Strom und die Leistung, wie sie zum Einschalten des MOS-Transistors erforderlich sind, sehr klein. Betreffend die thermoelektrische Spannung, die das Thermoelement erzeugen muß, um den MOS-Leistungstran sistor anzusteuern, kann folgendes angegeben werden:

emf = α_ab.N.ΔT = m.V_th (1),

wobei
emf das von der Thermosäule erzeugte thermoelektrische Potential ist;
α_ab als Differenz des Seebeckkoeffizienten (oder als thermoelektrische Leistung) zwischen den zwei Materialien a (α_a) und b (α_b) definiert ist, die zusammen ein Thermoele ment bilden;
N die Anzahl der Thermoelemente der Thermosäule ist;
ΔT die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den kalten und heißen Übergängen ist;
V_th die Schwellenspannung des MOS-Anreicherungstransi stors ist;
m ein Sicherheitskoeffizient ist, der etwas größer als 1 sein sollte.

Gemäß dem Fouriergesetz wird der Temperaturanstieg in bezug auf die Substrattemperatur oder die Umgebungstemperatur wie folgt ausgedrückt:

ΔT = P.R_T = i².r.R_T = i.V.R_T (2),

wobei
r den Widerstand des Jouleschen Heizwiderstands am Ein gang repräsentiert;
P, i und V die elektrische Leistung, den Strom bzw. die Spannung am Eingang repräsentieren;
R_T den Wärmewiderstand (°C/W) vom Heizwiderstand zum Substrat repräsentiert.

Gemäß den Gleichungen (1) + (2) beträgt die erforderliche Anzahl von Thermoelementen:

N = m.V_th/α_ab.ΔT = m.V_th/α_ab.i².rR_T = m.V_th/α_ab.i.V.R_T (3).

Diese Gleichung wird durch das folgende Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Es sei angenommen, daß ein erfindungsgemäßer Festkörper schalter die folgenden Parameter aufweist:

R_T = 10³°C/W; i = 5 mA
V = 10 Volt; α_ab = 200 µV/°C (für den Fall eines metal lischen Bi-Sb-Thermoelements);
V_th= 3 Volt; m = 1,5;
dann beträgt die erforderlich Anzahl von Thermoelementen:
N = 1,5 × 3/200 × 10^-6 × 5 × 10^-3 × 10 × 10³ = 450.

Demgemäß ist eine Thermosäule erforderlich, die aus 450 in Reihe geschalteten Thermoelementen besteht. Wenn gemäß der Thermoelement-Designregel eine Leitungslänge von 300 µm vor liegt, wobei der gegenseitige Abstand und die Leitungsbreite jeweils 10 µm betragen, weist jedes Thermoelement eine Schrittweite von 40 µm auf. Daher beträgt die erforderliche aktive Fläche für die Thermosäule ungefähr:

0,3 × 0,04 × 450 mm² = 5,4 mm².

Wenn der für den Heizwiderstand erforderlich Bond-Kontakt fleck und die Randfläche von 0,4 mm² (für eine Breite von 400 µm und eine Breite von 1000 µm) mitberücksichtigt wer den, weist der erfindungsgemäße Festkörperschalter, ohne den MOS-Leistungstransistor, eine Fläche nicht über 6 mm² auf. Diese Fläche ist kleiner als die eines durch einen photovol taischen Generator gesteuerten Schalters, wie oben beschrie ben. Ferner kann eine monolithische Gehäusestruktur für den erfindungsgemäßen Schalter durch einen normalen Standard- CMOS-IC-Prozess gemäß der üblichen Siliziumtechnologie rea lisiert werden, wodurch geringere Kosten als bei einem durch einen SOI-Prozeß realisierten Gehäuse bestehen, wie er bei einem durch einen photovoltaischen Generator gesteuerten Schalter erforderlich ist.

Beim obigen Ausführungsbeispiel beträgt der Temperaturan stieg des Elements:

ΔT = P.R_T = (5 × 10^-3 × 10) × 10³ = 50°C.

Der Temperaturanstieg zuzüglich der Substrattemperatur (Raumtemperatur) ist die Temperatur der Wärmefläche, die un ter 100°C liegt, wodurch die thermische Stabilität der Ele mente und des Gehäusematerials nicht zerstört wird. Tatsäch lich ist der Wert des thermischen Widerstands mit 10³°C/W zu niedrig abgeschätzt; durch sorgfältiges Design der Struktur der Wärmefläche kann ohne Schwierigkeit eine Größenordnung höher erzielt werden. Daher kann in der Praxis ein geringe rer Temperaturanstieg erreicht werden.

Wenn ein Thermoelement mit einem pn-Übergang unter Verwen dung von Polysilizium als Material hergestellt wird, kann sein Seebeckkoeffizient α_ab ungefähr 1-2 mV/°C erreichen, was das Fünffache des Werts eines Bi-Sb-Thermoelements ist. Wenn alle anderen Bedingungen gleich wie beim vorigen Aus führungsbeispiel gehalten werden, kann die Anzahl N der Thermoelemente auf unter 90 verringert werden, was bewirkt, daß die so ausgebildeten Elemente eine Größe unter 2 mm² aufweisen. Wahlweise wird die Anzahl der Thermoelemente auf 450 gehalten, wodurch der erforderliche Temperaturanstieg der Wärmefläche lediglich 10°C beträgt, wodurch auch der Eingangsstrom in die Größenordnung von 1 mA verringert wer den kann. Dieser Strom ist viel kleiner als derjenige, der Normalfall bei einem durch einen photovoltaischen Genera tor gesteuerten Schalter erforderlich ist, der eine LED ver wendet (20 mA).

Hinsichtlich der Herstellung eines erfindungsgemäßen Fest körperschalters kann der Dünnfilm-Heizwiderstand aus einem beliebigen wärmebeständigen Material mit Ti, W oder einem Aluminiummaterial mit niedrigem Widerstand oder einem Poly siliziummaterial mit hohem Widerstand bestehen, das auch die Thermosäule bildet, was in einem Prozeß erfolgen kann. Alle diese Materialien werden in üblicher Weise zum Herstellen verschiedener mikroelektronischer Halbleiterelemente derzeit verwendet, so daß sie mit IC-Standardprozessen vollständig verträglich sind. Betreffend das Thermoelement ist, abgese hen von einem "Halbmetall" wie Bi, Te und Sb, die als Mate rial einer herkömmlichen Thermosäule verwendet werden, Poly silizium ein anderes wählbares Material, das zum Herstellen der Thermosäule verwendet werden kann. Genauer gesagt, kann Polysilizium dazu verwendet werden, ein Halbleiterbauteil mit pn-Übergang auszubilden, das ein Thermoelement dar stellt. Ein Thermoelement aus Polysilizium weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß die Empfindlichkeit der thermo elektrischen Leistung bis zu 1 mV/°C beträgt, wobei voll ständige Verträglichkeit mit einem IC-Standardherstellprozeß besteht. Diese Techniken sind wohlbekannt und befinden sich in allgemeinem Gebrauch, wie es z. B. im einzelnen im Buch "Silicon Sensors" von S. Middelhoek und S. A. Audet be schrieben ist, wobei ein Verfahren zum Herstellen eines Wär mestrahlungs-Mikrosensors erläutert ist. Daher existiert keine praktische Schwierigkeit beim Herstellen eines erfin dungsgemäßen Festkörperschalters.

Kurz gesagt, besteht bei einem erfindungsgemäßen, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerten Festkörper schalter nicht nur der Vorteil, daß die Transimpedanz sehr hoch ist, wie bei einem durch einen photovoltaischen Genera tor gesteuerten Festkörperschalter, sondern es bestehen auch die Vorteile, daß die Chipfläche kleiner ist, der Herstellprozeß einfacher ist und das Gehäuse durch eine billige, planare DIP(dual-in-line)-Standardstruktur (wie in Fig. 3B dargestellt) oder eine ähnliche Struktur realisiert werden kann, da die Steuerungs- und passiven Elemente alle auf der selben Ebene eines Siliziumchips, d. h. als monolithisches Bauteil, ausgebildet sind.

Wie oben beschrieben, reicht es zum Erhöhen der Empfindlich keit der Thermosäule aus, eine Wärmefläche mit guter Wärme isolierung in einem örtlichen Bereich des Substrats auszu bilden, auf der die heißen Übergänge des Thermoelements und der Heizwiderstand angeordnet werden. Die Wärmefläche des erfindungsgemäßen Festkörperschalters kann hauptsächlich durch die folgenden zwei Strukturen realisiert werden: bei der einen handelt es sich um eine Struktur mit aufgehängter Membran, während es sich bei der anderen um eine solche mit nicht aufgehängter Membran handelt. Die erste Struktur wird dadurch realisiert, daß eine örtlich aufgehängte Silizium membran oder eine Glasmembran auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wird, auf der der Wärmewiderstand und die heißen Übergänge hergestellt werden. Eine derartige Struktur zeigt hervorragende Wärmewiderstandseigenschaften; z. B. kann bei normalem Atmosphärendruck im Fall des obengenannten Ausfüh rungsbeispiels mit einer Chipfläche von 4,5 mm² die thermi sche Impedanz bis zu 10⁴°C/W betragen. Ferner kann die ther mische Impedanz bis zu 10⁵°C/W betragen, wenn ein evakuier tes Gehäuse dazu verwendet wird, die Wärmeleitung durch Um gebungsgas zu behindern. Die zweite Struktur wird dadurch realisiert, daß eine Oxidkissenschicht mit guter Wärmeiso lierung auf dem Siliziumsubstrat unmittelbar angrenzend an dieses ausgebildet wird. Obwohl die zweite Struktur kleine ren thermischen Widerstand als die erste aufweist, beträgt der thermische Widerstand mindestens 100°C/W. Im Vergleich mit der ersten Struktur benötigt die zweite Struktur eine hohe Verdichtung der Elementdichte, jedoch sind sowohl die Herstellung als auch die Gehäuseausbildung einfacher.

Es existieren verschiedene Verfahren zum Herstellen der Struktur mit aufgehängter Membran, von denen eines in Fig. 6 dargestellt ist. Dieses wird dadurch realisiert:, daß der untere Teil des Siliziumsubstrats unter Verwendung der Tech nik des anisotropen Rückseitenätzens (Prozeß mit verlorenem Wafer) entfernt wird. Typischerweise hat der nicht entfernte Teil die Struktur einer stark mit Bor dotierten (< 5 × 10¹⁹) Siliziummembran mit einer darauf befindlichen Isolierschicht aus Siliziumdioxid, oder mit einer spannungsfreien Membran aus Siliziumnitrid, wie es in einer Veröffentlichung (A me thod of fabricating a thin, and low-stress dielectric film for microsensors applications, Proceeding of Eurosensors X, S. 287-290, 8.-11. September 1996, Belgien, vom Erfinder al.)) und einem Patent (Taiwan-Anmeldung Nr. 85109746) beschrieben ist, die von der Rechtsnachfolgerin in der vor liegenden Anmeldung veröffentlicht sind. Ferner existieren viele Mikrobearbeitungstechniken zum Herstellen einer aufge hängten Membran, von denen es jede auf einfache Weise ermög licht, die Wärmefläche herzustellen, wie sie bei der Erfin dung erforderlich ist. Diese Mikrobearbeitungstechniken sind dem Fachmann wohlbekannt, weswegen hier Einzelheiten wegge lassen werden.

Fig. 7 veranschaulicht ein Beispiel einer Struktur mit nicht aufgehängter Wärmefläche, bei der eine Schicht aus porösem Silizium (Bereich p in Fig. 7) mit einer Dicke von einigen 10 Mikrometern unter Verwendung eines herkömmlichen Elektro ätzverfahrens auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet wird. Diese poröse Siliziumschicht, die durch eine allgemein be kannte Halbleiter-Mikrobearbeitungstechnik hergestellt wer den kann - p-Halbleiter-Einkristall mit einer Konzentration über 10¹⁶/cm³ - wird einem Elektroätzvorgang in einer Fluor wasserstoffsäure-Lösung unterzogen, wobei auf der künstli chen Schicht eine Struktur in Form von Regenwurm-Gängen er zeugt wird, mit der Eigenschaft niedriger Wärmeleitung und hoher Oxidationsgeschwindigkeit, vergleichbar denjenigen von Siliziumdioxid. Nachdem die Schicht aus porösem Silizium hergestellt wurde, wird darauf eine örtliche und schnelle Oxidation ausgeführt, um eine Glasschicht mit einigen Mikro metern zu erzeugen, so daß eine örtliche Wärmefläche ausge bildet ist, die thermisch und elektrisch gegen das darunter liegende Substrat aus porösem Silizium isoliert ist, um den Bereich T in Fig. 5A auszubilden, auf dem der Heizwiderstand und die Thermosäule hergestellt werden.

Wahlweise kann, bevor der Wärmewiderstand und die Thermosäu le auf der nicht aufgehängten Wärmefläche hergestellt wer den, Polyimid, das wärmebeständig ist, durch eine Standard- Lithographietechnik mit einigen Mikrometern auf die Wärme fläche aufgetragen werden, woraufhin der Wärmewiderstand und die heißen Übergänge der Thermosäule auf der Polyimidschicht hergestellt werden. Da die Wärmeleitfähigkeit von Polyimid 1/5 derjenigen von reinem Siliziumdioxid ist und auch 1/600 derjenigen von Silizium, ist der Wärmeisolierungseffekt wei ter verbessert, und die Herstellung ist einfacher. Jedoch müssen die folgenden Prozesse unter Verwendung chemischer Dampfabscheidung bei niedriger Temperatur (LTCVD) bei einer Temperatur unter 400°C ausgeführt werden, was mit derzeiti gen Techniken möglich ist.

Die Fig. 8A und 8B veranschaulichen zwei Gehäuseherstel lungsverfahren für die Struktur mit aufgehängter Wärmeflä che, wobei Fig. 8A die Struktur ergibt, wie sie sich bei einer Standard-TO-Metallbecher-Gehäusetechnik ergibt, wäh rend Fig. 8B die Struktur veranschaulicht, wie sie sich un ter Verwendung der Standard-DIP-Gehäusetechnik ergibt. Wenn die in Fig. 8A dargestellte Struktur ein evakuiertes Gehäuse (< 10^-2 Torr; 1 Torr = 1,33 hPa) verwendet, um die Wärmever luste durch Gas zu verringern, kann ein noch höherer Wärme wirkungsgrad erzielt werden. Hierzu wird auf die Veröffent lichung "High performance Pirani vacuum gauge", Journal of Vacuum Science & Technology A, Vol. 13, No. 6, Dezember 1995, veröffentlicht von der Rechtsnachfolgerin in der vor liegenden Erfindung, hingewiesen. Hinsichtlich der in Fig. 8B dargestellten Struktur wird zum Verringern von Wärmelei tung aufgrund der Oberkante des Elements, die mit dem Gehäu sematerial in Kontakt steht, eine Waferbondtechnik am Ele ment selbst in solcher Weise verwendet, daß vorab ein abge dichteter Hohlraum hergestellt wird, wodurch die aufgehängte Membran vom Kleber getrennt werden kann, also mit ihm nicht in Kontakt tritt, wie dies bei C in Fig. 8B dargestellt ist. Obwohl dieses Verfahren kompliziert ist, hat es den Vorteil, daß eine Struktur mit vakuumdichtem Hohlraum durch eine Waferbondtechnik erzielt werden kann, was zu hohem Wärmewi derstand führt, da keine Wärmeverluste durch Gas bestehen.

Ferner zeigt Fig. 9 ein Gehäuse eines Festkörperschalters mit nicht aufgehängter Wärmefläche. Die Struktur unterschei det sich von der eines herkömmlichen DIP-Gehäuses dahinge hend, daß nach den Schritten des Druckbondens und des Drahtbondens sowie vor dem Schritt des Spritzgießens von Epoxid die Chips mit einer dicken Schicht aus Siliconkau tschuk, bedeckt werden, der hervorragende Wärmeisolierung aufweist, um Wärmeableitung von der Wärmefläche zu unterbin den. Die Wärmeleitfähigkeit von bei elektronischen Anwendun gen verwendetem Siliconkautschuk ist sehr klein, mit unge fähr 1/2400 derjenigen eines Siliziumchips und ungefähr auch 1/10 derjenigen von spritzgegossenem Epoxid bei einem IC- Gehäuse. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit schützt die Thermo säule vor Wärmeverlusten an den heißen Übergängen, während sie aktiviert wird. Demgemäß existiert eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen den kalten und den heißen Über gängen.

Die obengenannten Verfahren können alle durch IC-Gehäuseher stellungs-Standardtechniken realisiert werden, so daß es leicht ist, automatische Massenherstellung und niedrige Kos ten zu erzielen.

Im Vergleich mit der Gehäusestruktur eines durch einen pho tovoltaischen Generator gesteuerten Festkörperschalters, wie Fig. 3A dargestellt, ist die Gehäusestruktur viel einfa cher, was ein anderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Fest körperschalters ist.

Zusammengefaßt gesagt, weist ein monolithischer, durch einen thermovoltaischen Generator gesteuerter Festkörper schalter, der ein MOS-Schaltbauteil ansteuert, nicht nur ho he Transimpedanz wie ein herkömmlicher mechanischer Schalter oder ein solcher mit photovoltaischem Generator auf, sondern es besteht auch der Vorteil, daß der Herstellprozeß als Mikroelektronik-Standardprozeß realisiert werden kann. Da her besteht Eignung zur Chargenherstellung, die erforderli che Chipfläche für das Element ist klein, das Gehäuse kann mit Standard-DIP oder TO-Metallbecher-Struktur realisiert werden, und die Kosten können stark verringert werden. Fer ner ist die steuernde elektrische Leistung am Eingang klei ner als bei einem herkömmlichen Element, und der Widerstand des Heizwiderstands kann so konzipiert werden, daß Anpas sung an verschiedene Eingangsströme oder -spannungen be steht. Folglich verfügt der erfindungsgemäße Festkörper schalter über hohen schöpferischen und praktischen Wert.

Bei der Erfindung bestehen die folgenden Vorteile:

(1) das thermoelektrische Element ist thermisch zwischen den Eingang und den Ausgang geschaltet, so daß vollständige elektrische Isolierung, anders gesagt, sehr hohe Transimpe danz, besteht, weswegen eine kleine Eingangsspannung dazu verwendet werden kann, einen MOSFET mit sehr hoher Ausgangs spannung und Leistung zu steuern;
(2) der Festkörperschalter ist aufgrund der Mikrobearbeitung eine monolithische Struktur, weswegen er chargenweise er zeugt werden kann, was viel besser als die Herstellung von Einzeleinheiten wie bei einem herkömmlichen mechanischen Schalter ist;
(3) wenn sich ein erfindungsgemäßer Festkörperschalter im ein- oder ausgeschalteten Zustand befindet, ist es nicht er forderlich, eine Ladungsausleckschaltung zu verwenden, wie sie bei einem derzeitigen MOS-Festkörperschalter mit photo elektrischer Steuerung erforderlich ist, weswegen die Chip fläche verringert werden kann;
(4) das Eingangssignal für einen erfindungsgemäßen Festkör perschalter, wie es zum Ansteuern des Heizwiderstands dient, kann wahlfrei als hohe oder niedrige Eingangsspannung konzi piert werden, was vom Fall bei einem Schalter mit photoelek trischer Kopplung abweicht, der eine festgelegte Eingangs spannung aufweist, damit eine Lichtemissionsdiode angesteu ert werden kann;
(5) das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Festkörperschalters kann eine herkömmliche Struktur, wie DIP (dual-in-line), aufweisen, weswegen die Struktur einfacher ist und die Kos ten niedriger sind als bei einem herkömmlichen Schalter mit Lichtkopplung, dessen Gehäuse dreidimensional ist.

Claims

1. Festkörperschalter, dadurch gekennzeichnet, daß er durch einen thermovoltaischen Generator gesteuert wird und folgendes aufweist:

- ein Siliziumsubstrat (S);
- einen MOSFET, dessen Gate ein Signal empfängt, um eine Ausgangslast zu steuern;
- eine Wärmefläche (N), die in einem örtlichen Bereich des Siliziumsubstrats durch eine Mikrobearbeitungstechnik ange ordnet wurde, um thermische Isolierung zu erzielen;
- einen Dünnfilm-Heizwiderstand (r), der auf der Wärmeflä che angeordnet ist und den Eingang des Schalters bildet;
- eine Thermosäule mit einer Anzahl von Dünnfilm-Thermoele menten in Reihenverbindung aus einem Halbleiter mit pn-Über gang, wobei die heißen Übergänge (h) dieser Thermoelemente auf der Wärmefläche angeordnet sind und an den Dünnfilm- Heizwiderstand anschließen, wobei zwischen ihnen ausreichen de Durchschlagsfestigkeit besteht, und wobei die kalten Übergänge (c) der Thermoelemente, deren Temperatur mit der des Substrats übereinstimmt, in einem Substratbereich ent fernt von der Wärmefläche angeordnet sind, wobei der Ausgang der Thermosäule den Eingang des MOSFET bildet;
- eine Eingangsspannung, die an den Dünnfilm-Heizwiderstand angelegt wird, wodurch in diesem Joulesche Wärme erzeugt wird, so daß zwischen den heißen Übergängen und den kalten Übergängen der Thermosäule aufgrund ungleichmäßiger Wärme verteilung eine geeignete Temperaturdifferenz auftritt, die Ausgang der Thermosäule ein thermoelektrisches Potential zum Einschalten des MOSFET erzeugt; wobei dann, wenn die Eingangsspannung weggenommen wird, die Temperaturen der hei ßen und kalten Übergänge aufgrund der Herstellung des ther mischen Gleichgewichts gleich werden, so daß das am Ausgang der Thermosäule auftretende thermoelektrische Potential Null wird, wodurch der MOSFET ausgeschaltet wird.

2. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Heizwiderstand (r) und die Thermosäule unter Verwendung eines Mikroelektronik-Standardprozesses als einzelnes Chipelement hergestellt werden, wobei zwischen dem Heizwiderstand und der Thermosäule vollständige elektrische Isolierung und sehr hohe Transimpedanz bestehen, wodurch dem Eingang eine kleine Leistung zugeführt werden kann, um die hohe Spannung und die hohe Leistung am Ausgang des MOSFET zu steuern.

3. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Thermoelement der Thermosäule ein pn-Übergang in Polysilizium mit hervorragen dem Seebeckeffekt ist, und ein Mikroelektronikprozeß dazu verwendet wird, mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente auf dem Siliziumsubstrat (S) herzustellen, so daß die Ther mosäule ein Potential erzeugen kann, das den MOSFET ein schaltet.

4. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Thermoelement der Thermosäule aus herkömmlichen Halbmetallen, z. B. Te und Bi, besteht und ein Mikroelektronikprozeß dazu verwendet wird, die mehreren in Reihe geschalteten Thermoelemente auf dem Siliziumsubstrat (S) herzustellen, so daß die Thermosäule Potential erzeugen kann, das den MOSFET einschaltet.

5. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefläche (M), wie sie unter Verwendung verschiedener bekannter Mikrobearbei tungstechniken herstellbar ist, eine aufgehängte Membran aus Silizium oder Siliziumnitrid auf dem Siliziumsubstrat ist, wobei hervorragende thermische Isolierung besteht und wobei der Heizwiderstand (r) und die heißen Übergänge (h) der Thermosäule auf der aufgehängten Membran ausgebildet sind, während die kalten Übergänge (c) auf dem nicht aufgehängten Teil des Siliziumsubstrats ausgebildet sind.

6. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefläche (M) da durch hergestellt wird, daß zunächst eine Struktur aus po rösem Silizium mit einer Dicke von einigen 10 Mikrometern in einem örtlichen Bereich des Siliziumsubstrats (S) herge stellt wird, dann örtliche Oxidation in diesem Bereich aus geführt wird, so daß Siliziumdioxid mit einer Dicke mehre rer Mikrometer auf der Oberfläche des porösen Siliziums aus gebildet wird, wodurch eine aufgehängte Membran mit hervor ragender elektrischer und thermischer Isolierung zwischen Heizwiderstand und dem porösen Silizium sowie der Ther mosäule und dem porösen Silizium erzeugt wird.

7. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem her kömmlichen TO-Metallbecher besteht, wodurch Preßbonden und Drahtbonden ausführbar sind.

8. Festkörperschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch Ausführen von Pressbond- und Drahtbond-Standardvorgängen an einem Stan dard-IC-Leiterrahmen, durch Bedecken des Schalters mit einer dicken Siliconschicht mit hervorragender Wärmeisolierung und anschließendem Herstellen eines IC-Moduls durch ein Stan dard-DIP(dual-in-line)-Epoxidgehäuse realisiert wird, so daß eine Chargenerzeugung mit niedrigen Kosten erzielt wird.

9. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der innere Hohlraum der TO-Metallbecher-Ge häusestruktur evakuiert wird, um einen Zustand mit ungefähr 10^-3 Torr (1 Torr = 1,33 hPa) oder mit niedrigerem Luftdruck unter Abdichtung zu erzielen, wodurch Wärmeverluste durch Gas verringert sind, was die Temperaturdifferenz zwischen den kalten (c) und den heißen (h) Übergängen erhöht, wodurch der Aktivierungswirkungsgrad erhöht ist.

10. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm-Heizwider stand (r), die Wärmefläche (M), die Thermosäule und der Leistungs-MOSFET alle auf einem Siliziumchip integriert sind, wo daß ein monolithisches, integriertes Element vor liegt.

11. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm-Heizwider stand (r), die Wärmefläche (M) und die Thermosäule auf einem Siliziumchip integriert sind, während der Leistungs-MOSFET auf einem anderen Siliziumchip ausgebildet ist, wobei die zwei Siliziumchips in Form eines Moduls mit zwei Chips in ein Gehäuse eingeschlossen sind.

12. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteilchip dadurch realisiert wird, daß vor der Herstellung des Chipgehäuses ein evakuierter Mikrohohlraum unter Verwendung einer Wafer bondtechnik ausgebildet wird.

13. Festkörperschalter nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Struktur mit evakuiertem Mikrohohlraum unter Verwendung einer Waferbondtechnik im Vakuum erzielt wird, wodurch die Wärmeverluste von Gas verringert sind und die Temperaturdifferenz zwischen den heißen (h) und den kal ten (c) Übergängen der Thermosäule erhöht ist, was den Schaltwirkungsgrad verbessert.

14. Festkörperschalter nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal am Heizwiderstand (r) ein Gleich- oder ein Wechselspannungssi gnal von hoher oder niedriger Spannung ist, abhängig vom ge eigneten Wert des Heizwiderstands.