DE3540250A1

DE3540250A1 - SEMICONDUCTOR SWITCH FOR HIGH BLOCKING VOLTAGES

Info

Publication number: DE3540250A1
Application number: DE19853540250
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Sautter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-11-13
Filing date: 1985-11-13
Publication date: 1987-05-14
Also published as: JPS63502787A; KR880701022A; WO1987003141A1

Abstract

A semiconductor switch for high inverse voltages, in which the substrate (1) carries on one side the drain (2), the source (3) and their interconnecting semiconductor channel (4), whereas on the other side is arranged the gate electrode (7). With this semiconductor switch very high inverse voltages can be obtained. A ring-shaped or disk-shaped design has also the advantage of avoiding to a large extent the spray or spark discharges which are otherwise produced at the corners of other designs.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs. Bekannte Halbleiterschalter, die als Thyristoren oder Transistoren ausgebildet sind, erreichen maximale Sperrspannungen von ungefähr 5 kV. Für manche Anwendungen, wie z. B. die Verteilung der Zündspannung im Kraftfahrzeug, sind jedoch Bauelemente erforderlich, die Sperrspannungen von über 10 kV zulassen. Für derartige Anwendungen schieden Halbleiterschalter bisher aus, weil in der bekannten Technologie derart hohe Sperrspannungen nicht realisiert werden konnten. Dünnschicht-Transistoren erscheinen für diesen Zweck geeignet, da sie ohne pn-Übergang arbeiten und ähnlich wie MOS-Transistoren als durch eine Steuerspannung veränderbare Widerstände betrachtet werden können. Die bekannten Dünnschicht- Transistoren besitzen auf einem Substrat aufgebrachte Elektroden und eine zwischen diesen liegenden Kanal aus halbleitendem Material, über dem eine Isolierschicht und darüber die Substratelektrode angeordnet sind. Die Isolierschicht wird in einer der bekannten Dünnschicht-Technologien hergestellt und ist so dünn, daß sie die tragende Funktion des Substrats nicht übernehmen kann. Es ist auch nicht möglich, die Dicke mit den dem Stand der Technik entsprechenden Technologien mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu erhöhen. Wegen der geringen Isolatordicke ist auch die Durchschlagsfestigkeit zwischen Steuerelektrode und Halbleiterkanal für die vorliegende Anwendung zu gering («1 kV).The invention relates to a semiconductor switch according to the preamble of the main claim. Known semiconductor switches that act as thyristors or transistors are formed, reach maximum reverse voltages of approximately 5 kV. For some applications, such as B. the distribution of the ignition voltage in the motor vehicle, however, are components required to allow the blocking voltages of over 10 kV. Semiconductor switches have so far been ruled out for such applications, because in the known technology not such high blocking voltages could be realized. Thin film transistors appear for suitable for this purpose since they work without a pn junction and the like like MOS transistors as changeable by a control voltage Resistances can be considered. The well-known thin-film Transistors have electrodes applied to a substrate and a channel between these made of semiconducting Material with an insulating layer over it and the substrate electrode over it are arranged. The insulating layer is in one of the known Thin-film technology is manufactured and is so thin that it cannot take on the supporting function of the substrate. It is also not possible to match the thickness with the prior art appropriate technologies with economically justifiable effort to increase. Because of the small insulator thickness, the Dielectric strength between control electrode and semiconductor channel too low for the present application («1 kV).

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Halbleiterschalter mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die zwischen Gate und der Steuerelektrode angeordnete Isolierschicht eine derartige Dicke aufweist, daß diese als Substrat ausgebildete Isolierschicht sowohl tragende Funktion als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hat. Die Isolierschicht kann aus Keramik, Bariumtitanat oder einem entsprechenden Isolator bestehen.The semiconductor switch according to the invention with the features the main claim has the advantage that the insulating layer arranged between the gate and the control electrode has such a thickness that this as Substrate-formed insulating layer both load-bearing Function as well as high dielectric strength. The insulating layer can be made of ceramic, barium titanate or a corresponding insulator.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolierschicht die Form einer Scheibe oder eines Ringes hat, da dadurch die Gefahr von Funken- und Sprühentladungen an den Ecken des Halbleiterkanals und der Elektroden wesentlich verringert wird. Man erhält dadurch auch eine kompakte Bauform, wobei der Keramikisolator entsprechend herkömmlichen Herstellungsverfahren gefertigt werden kann. Ist die Isolierschicht in Form einer Scheibe oder eines Ringes ausgebildet, kann auf deren einer Stirnseite der Halbleiterkanal und die an diesen angrenzenden Elektroden für Drain und Source in Form konzentrischer Ringe aufgebracht sein, während auf der gegenüberliegenden Stirnseite die Steuerelektrode angeordnet ist. Bei der ringförmigen Isolierschicht kann der Halbleiterkanal und die benachbarten, ringförmigen Elektroden für Drain und Source auf der äußeren Mantelfläche angeordnet sein, während die innere Mantelfläche die Steuerelektrode bildet. Bei der letztgenannten, ringförmigen Anordnung erreicht die durch die Gate-Spannung im Innern des Gate-Isolators erzeugte Feldstärke ihren Maximalwert an der Oberfläche der Gatemetallisierung, die bezüglich unerwünschter Entladungseffekte weit weniger empfindlich ist als die die Gegenelektrode bildende Halbleiterschicht des Halbleiterkanals zwischen Drain und Source.It when the insulating layer is particularly advantageous Has the shape of a disc or a ring, because that Danger of spark and spray discharges at the corners of the Semiconductor channel and the electrodes significantly reduced becomes. This also gives a compact design, whereby the ceramic insulator according to conventional manufacturing processes can be manufactured. Is the insulating layer in the form of a disc or a ring, can on one end of the semiconductor channel and the electrodes for drain and Source in the form of concentric rings, while on the opposite end the control electrode is arranged. With the ring-shaped insulation layer can the semiconductor channel and the adjacent, ring-shaped Electrodes for drain and source on the outer The lateral surface can be arranged while the inner lateral surface forms the control electrode. In the latter, annular arrangement achieved by the gate voltage Field strength generated inside the gate insulator their maximum value on the surface of the gate metallization, those regarding unwanted discharge effects is far less sensitive than the counter electrode forming semiconductor layer of the semiconductor channel between Drain and source.

drawing

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterschalters, Fig. 1 a first embodiment of the invention constructed according to the semiconductor switch,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform, Fig. 2 shows another embodiment,

Fig. 3 eine Ausführung mit ringförmigen Isolator, bei dem die Elektroden auf den Stirnseiten angebracht sind, Fig. 3 shows an embodiment with annular insulator in which the electrodes are mounted on the end faces,

Fig. 4 den in Fig. 3 dargestellten Halbleiterschalter im Querschnitt, Fig. 4 shows the semiconductor switch in FIG. 3 shown in cross-section,

Fig. 5 einen ringförmigen Halbleiterschalter, dessen Elektroden auf den Mantelflächen aufgebracht sind, und Fig. 5 is a ring-shaped semiconductor switch whose electrodes are applied to the lateral surfaces, and

Fig. 6 den in Fig. 5 dargestellten Halbleiterschalter im Querschnitt. Fig. 6 shows the semiconductor switch shown in Fig. 5 in cross section.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiterschalter befinden sich auf dem Substrat 1 die Elektroden Drain 2 und Source 3 sowie ein das Gate bildender Halbleiterkanal 4. Darüber befindet sich als Isolator eine Isolatorplatte 5, die mit dem Halbleiterkanal 4 und den Elektroden 2, 3 verklebt ist. Die dabei entstehenden Fugen 6 sind mit Kitt oder Kleber ausgefüllt. Auch die oben auf der Isolatorplatte 5 aufgebrachte Gate-Elektrode 7 ist mit der Isolatorplatte 5 verklebt, die tragende Funktion hat.In the semiconductor switch shown in FIG. 1, the electrodes drain 2 and source 3 and a semiconductor channel 4 forming the gate are located on the substrate 1 . An insulator plate 5 , which is glued to the semiconductor channel 4 and the electrodes 2, 3, is located above it. The resulting joints 6 are filled with putty or glue. Also, the force applied to the insulator plate 5 above the gate electrode 7 is bonded to the insulation plate 5, the supporting function.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Halbleiterschalter wird die tragende Funktion ausschließlich von dem als Isolator dienenden Substrat 1 übernommen. Drain, Source, der Halbleiterkanal und die Gate-Elektrode sind mit den entsprechenden Bezugszahlen von Fig. 1 versehen.In the semiconductor switch shown in FIG. 2, the supporting function is carried out exclusively by the substrate 1 serving as an insulator. Drain, source, the semiconductor channel and the gate electrode are provided with the corresponding reference numbers from FIG. 1.

Bei der in Fig. 3 dargestellten ringförmigen Ausführungsform befinden sich Drain 2, Source 3 und das Gate 7 auf den beiden Stirnseiten 8 und 9, wobei der Halbleiterkanal 4 zwischen Drain 2 und Source 3 auf der Stirnseite 8 angeordnet ist. Die Linien 10 zeigen den Verlauf der Feldstärke.In the ring-shaped embodiment shown in FIG. 3, the drain 2 , source 3 and the gate 7 are located on the two end faces 8 and 9 , the semiconductor channel 4 being arranged between the drain 2 and source 3 on the end face 8 . Lines 10 show the course of the field strength.

Der in Fig. 4 dargestellte Querschnitt verdeutlicht den Aufbau des in Fig. 3 dargestellten Halbleiterschalters.The cross section shown in FIG. 4 illustrates the structure of the semiconductor switch shown in FIG. 3.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Halbleiterschalter, der ebenfalls ringförmig ausgebildet ist, befinden sich die Elektroden 2, 3, 7 auf der äußeren Mantelfläche 11 und der inneren Mantelfläche 12. Die Linien 13, 14 veranschaulichen die Dichte der Feldstärkeverteilung im Bereich der äußeren Mantelfläche 11 und der inneren Mantelfläche 12.In the semiconductor switch shown in FIG. 5, which is also ring-shaped, the electrodes 2, 3, 7 are located on the outer lateral surface 11 and the inner lateral surface 12 . Lines 13, 14 illustrate the density of the field strength distribution in the area of the outer lateral surface 11 and the inner lateral surface 12 .

In Fig. 6 ist der Querschnitt des in Fig. 5 dargestellten Halbleiterschalters dargestellt. Der Halbleiterkanal 4 verläuft auf der äußeren Mantelfläche 11. Als tragendes und isolierendes Element kann das Substrat 1 aus einem gesinterten Keramikkörper, beispielsweise aus Bariumtitanat, bestehen. Das Substrat kann beispielsweise eine Dicke von 0,2 bis 12 mm haben, so daß die scheiben- oder ringförmigen Halbleiterschalter eine hohe mechanische Stabilität erhalten. Zur Realisierung einer mehrere Halbleiterschalter aufweisenden Schaltung können beispielsweise mehrere ringförmige Halbleiterschalter übereinander röhrenförmig angeordnet werden. Soweit erforderlich können die aneinandergrenzenden Elektroden gegeneinander isoliert sein. FIG. 6 shows the cross section of the semiconductor switch shown in FIG. 5. The semiconductor channel 4 runs on the outer lateral surface 11 . As a supporting and insulating element, the substrate 1 can consist of a sintered ceramic body, for example of barium titanate. The substrate can have a thickness of 0.2 to 12 mm, for example, so that the disk-shaped or ring-shaped semiconductor switches are given high mechanical stability. In order to implement a circuit having a plurality of semiconductor switches, it is possible, for example, to arrange a plurality of ring-shaped semiconductor switches one above the other in a tube shape. If necessary, the adjacent electrodes can be insulated from one another.

Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter kann insbesondere eine Zündschaltung für Kraftfahrzeuge realisiert werden, die keine mechanisch rotierenden Teile benötigt.In particular, with the semiconductor switch according to the invention an ignition circuit for motor vehicles that do not require any mechanically rotating parts.

Claims

1. A semiconductor switch for high reverse voltages with a substrate and with a semiconductor channel located between drain and source, over which an insulating layer is arranged which carries a control electrode, characterized in that the insulating layer is an insulator ( 1, 5 ) with a thickness of 0, 2 to 12 mm, which also serves as a carrier element.

2. Semiconductor switch according to claim 1, characterized in that the substrate ( 1 ) forms the insulator.

3. Semiconductor switch according to one of claims 1 or 2, characterized in that the insulator ( 1 ) has the shape of a disc or a ring, on one end face ( 8 ) of the semiconductor channel ( 4 ) and the electrodes for drain which are annularly adjacent thereto ( 2 ) and source ( 3 ) are applied, and that the control electrode ( 7 ) is arranged on the opposite end face ( 9 ).

4. Semiconductor switch according to one of claims 1 or 2, characterized in that the insulator ( 1 ) is annular, that the semiconductor channel ( 4 ) and the adjacent annular electrodes for drain ( 2 ) and source ( 3 ) on the outer lateral surface ( 11 ) are applied, and that the inner lateral surface ( 12 ) carries the control electrode ( 7 ).

5. Semiconductor switch according to one of the preceding claims, characterized in that the insulator ( 1 ) consists of barium titanate or a corresponding ceramic insulator.

6. Semiconductor switch according to one of the preceding claims, characterized in that the insulator ( 1 ) with the adjacent electrodes ( 2, 3, 7 ) and the semiconductor channel ( 4 ) is glued.

7. Semiconductor switch according to one of the preceding claims, characterized in that several semiconductor switches are arranged on a common substrate.

8. A semiconductor switch according to claim 4, characterized in that that several ring-shaped semiconductor switches one above the other, in the form of a tube.