DE8006555U1 - Halbleiteranordnung - Google Patents
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Description
s ε μ ι κ·R φ η· j ·.' · '.->', · i
Gesellschaft für Gleiclifichterbati unS* Elektronik m.b.H.
8 500 Nürnberg, Sigmundstr. 200 Telefon 0911 / 65591 - Telex 06 - 22155
157911/022 7.03.1980 PA- Bu/ga
HALBLEITERANORDNUNG
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit wennigstens einem Halbleiterbauelement und mit einem dessen
Funktion überwachenden Kontrollelement.
Um eine unzulässige Überlastung von Halbleiterbauelementen
hoher Strombelastbarkeit im Betrieb zu vermeiden, · müssen die Betriebskenngrößen, insbesondere der Laststrom
und die Temperatur, überwacht werden. Beispielsweise werden als thermische Sensoren Bimetallschalter oder PPC-Widerstände
oder NTC-Widerstände verwendet, die am Halbleiterbauelement befestigt sind und bei Erreichen einer maximal
zulässigen Betriebstemperatur des letzteren dessen Abschaltung bewirkt. Derartige Kontrollelemente können jedoch
nicht unmittelbar am Halbleiterkörper der Bauelemente angebracht werden. Infolge der zwischen dem Halbleiterkörper
und dem Kontrollelement vorhandenen Wärmewiderstände entsteht eine Ansprechverzögerung, welche häufig einen
wirksamen Schutz der Halbleiterbauelemente durch solche thermischen Sensoren verhindert.
Bekannt ist weiterhin auch die Verwendung von speziellen Halbleitersensoren. Ihr Einsatz bringt jedoch zusätzliche
Spannungs- und Wärmeverluste mit sich und erfordert einen teilweise bedeutenden zusätzlichen Platzbedarf.
Be-i entsprechenden Uberlastfallen werden die relativ
teueren Sicherungselemente dennoch zerstört, und schließlich sind dieselben nicht in allen Fällen zuverlässig.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungseinrichtung für Halbleiterbauelemente anzugeben,
welche eine in jedem Falle sichere und möglichst schnell ansprechende Kontrolle des elektrischen bzw. thermischen
Betriebsverhaltens von Halbleiterbauelementen ermöglicht. Die Erfindung 7 eht von der Erkenntnis aus, daß beim
Stromfluß durch einen Halbleiterkörper in diesem eine sogenannte Rekoinbinationsstrahlurg entsteht, daß es sich
bei dieser Strahlung um eine Infrarotstrahlung handelt, und daß diese Infrarotstrahlung dem Stromfluß proportional
ist.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art darin, daß sie als
Kontrol i.element ein Bauelement mit innerem photoelektrischen
Effekt zur Aufnahme der beim Stromdurchgang durch das Halbleiterbauelement in dessen Halbleitermaterial entstehenden
Rekombinationsstrahlung aufweist. Das Kontrollelement ist gleichzeitig zur überwachung des
Laststroms und der Temperatur des Halbleiterbauelements vorgesehen.
Es können Kontrollelemente auf Halbleiterbasis sowohl mit wenigstens einem pn-übergang und zur Temperaturüberwachung
mit Hilfe ihres Durchlaßverhaltens oder mit Hilfe ihres
DunkelStromverhaltens, oder aber Kontrollelemente auf Halbleiterbasis
ohne pn-übergang und zur Temperaturüberwachung mit Hilfe ihrer Dunkelwiderstandsänderung, jeweils in der
Sperrphase des Halbleiterbauelements, vorgesehen sein. Anhand der in den Figuren 1-4 dargestellten Ausführungsbeispiele wird der Gegenstand der Erfindung aufgezeigt und
erläutert.
• · · I
• · · I
Fi'gur 1 zeigt im Querschnitt den Halbleiterkörper eines zu überwachenden Thyristors mit einem unmittelbar
daran befestigten Kontrollelement. In Figur 2 ist schematisch die Halbleiteranordnung nach der Erfindung
und eine zur Auswertung der Funktion des Kontrollelements geeignete Schaltungsanordnung dargestellt. Figur 3 zeigt
teilweise im Querschnitt und teilweise in Seitenansicht den Aufbau eines Halbleiterbauelements mit Teilen seines
Gehäuses und mit einem thermisch am Gehäuse befestigten Kontrollelement. In Figur 4 ist schematisch ein mit einer
Überwachungsschaltung verbundener Photowiderstand gezeigt, der in entsprechender Weise an einem Halbleiterbauelement
zu befertigen ist.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezeichnungen versehen.
Der einf Thyristorstruktur bildende Halbleiterkörper 10
nach Fi?ur 1 besteht aus einer hochohmigen, n-leitendett
Mittelzone 1, aus je einer an jeder Seite derselben angrenzenden, höherdotierten p-leitenden Zone 2 bzw. 3,
aus einer in die obere Zone eingebrachten, hochdotierten, η-leitenden' Zone 5, sowie aus auf die äußeren Zonen 2 bzw.
5 aufgebrachten Kontaktelektroden 4 bzw. 7 für den Laststromanschluß und aus einer auf die p-leitende Zone 3 aufgebrachten
Steuerelektrode 6 für den Steueranschluß. Dieser Schichtenaufbau ist zwischen Leiterteilen 15 bzw. 17
fest angeordnet. -··
Erfindungsgemäß weist der Halbleiterkörper 10 eine von
einer Oberfläche, beispielsweise von der Kontaktelektrode 7, sich bis in die p-leitende Zone 3 erstreckende öffnung
auf, die als Strahlungsfenster für die im Halbleiterkörper bei Stromfluß entstehende Rekombinationsstrahlung dient.
Wegen der Neigung von hochdotiertem Halbleitermaterial zur Absorption der Rekombinationsstrahlung genügt es nicht,
—••4 *-·
lediglich die Halbleiteroberfläche zur Herstellung einer
Strahlungsfläche freizulegen, sondern es ist eine öffnung
mit einer Tiefe bis in eine der höherohmigen Zonen erforderlich. Der Querschnitt der öffnung 8 ist der Belichtungsfläche
des vorgesehenen Kontrollelements angepaßt. Die Lage der öffnung 8 ist im wesentlichen beliebig.
Aus technologischen Gründen befindet sie sich jedoch vorzugsweise am Rande der durch die Kontaktelektrode 7 bestimmten
Fläche, beispielsweise in einer Aussparung des Stromleiters 17. Grundsätzlich muß die Rekombinationsstrahlung
aus dem Halbleitermaterial austreten und auf die zu belichtende Fläche des Kontrollelements auftreffen. Demzufolge
ist auch das Kontrollelement mit dem für die Belichtung vorgesehenen Flächenabschnitt in entsprechender Weise
auf dem Halbleiterkörper angebracht.
Gemäß d'-.r Darstellung in Figur 1 ist das Kontrollelement
über eine elektrisch isolierende Schicht 20 auf dem entsprechend vorbereiteten Oberflächenabschnitt des Halbleiterkörpers
10 befestigt. Die Befestigung sowohl des Isolierstoffkörpers 20 als auch des Kontrollelements 30 kann beispielsweise
durch Kleben oder auch durch Löten erfolgen. Als Isolierstoffkörper kann z.B. eine angepaßt ringförmige
Scheibe aus Oxidkeramik dienen, die an ihren Flächen mit den angrenzenden Bauteilen verbunden ist und in ihrem zentralen
Bereich eine Aussparung aufweist zum Durchtritt der Strahlung auf die zu belichtende Fläche des überwachungs- '
elements.
Als Isolierstoffkörper 20 kann jedoch auch eine Scheibe aus
Quarz vorgesehen sein, da Quarz für die Rekombinationsstrahlung uneingeschränkt durchlässig ist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, für die Anordnung des Kontrollelements 30 eine entsprechende Fassung vorzusehen,.
•die auf dem Isolierstoffkörper 20 in gewünschter Weise
befestigt werden kann, und in welcher das Kontrollelement gehaltert ist.
Die gesamte freiliegende Fläche der Öffnung 8 kann mit
einer Schicht aus dem Oxid des Halbleitermaterials als schützendem Überzug versehen sein.
Die Herstellung der öffnung 8 kann durch Ätzen oder durch andere bekannte abtragende Verfahren erfolgen.
Das Kontrollelement 30 ist wie beschrieben thermisch mit
dem Halbleiterkörper 10 gekoppelt. Das gestattet optimal sowohl die Stromüberwachung im Halbleiterbauelement als
auch die überwachung der Betriebstemperatur desselben, die beispielsweise durch Ausfall der Kühlung des Halbleiterbauelements
oder aber durch Verschlechterung eines Wärmeübergangs im Aufbau desselben in unerwünschter Weise
zunehmen kann.
Es sind Kontrollelemente auf Halbleiterbasis ohne pn-"übergang,
d.h. sogenannte Photowiderstände, und solche auf Halbleiterbasis mit wenigstens einem pn-übergang, d.h.
Photodioden und Phototransistoren vorgesehen. Wie bereits oben ausgeführt, ist die Rekombinationsstrahlung
im Halbleiterkörper dem Stromfluß durch denselben in weiten Bereichen proportional. Von dieser Tatsache, sowie
davon, daß bei Kontrollelementen mit pn-übergang das Durchlaßverhalten derselben sowie ihr Dunkelstrom und bei Photowiderständen
deren Dunkelwiderstand jev?eils zur Betriebstemperatur
des Kontrollelements und damit auch des zu überwachenden Halbleiterbauelements in Beziehung gesetzt werden
kann, macht die Erfindung in vorteilhafterweise Gebrauch.
Dadurch ist überraschend einfach eine im wesentlichen leistungs-
und trägheitslose sowie phasentreue Überwachung von Kenngrößen bei Halbleiterbauelementen erzielbar.
η" β.
Aus Figur 2 ist zu erkennen, daß beispielsweise eine Photodiode 30 über einen Schalter 3 1 einerseits mit
einem Meßkreis 32 zur Feststellung des Durchlaßspannungsabfalls der Photodiode und andererseits mit einem Meßkreis
33 zur Messung des Photostromes verbunden ist. Dabei ist der Schalter vorzugsweise mit Hilfe eines netzsynchronen
Taktgenerators im Takt der Netzfrequenzhalbwellen umschaltbar. Einmal wird durch einen Stromgenerator
im Meßkreis 32 der Photodiode 30 ein konstanter Durchlaßstrom der letzteren eingeprägt, und in Abhängigkeit
von der thermischen Kopplung der Photodiode an das zu schützende Bauelement wird der Durchlaßspannungsabfall
der Photodiode festgestellt. Dieser verändert sich umgekehrt proportional zur Umgebungstemperatur, so daß ein direkter
Vergleich der gemessenen Werte mit der zu überwachenden Betriebstemperatur möglich ist.
Zum anderen wird die Photodiode 30 mit Hilfe einer Spannungsquelle
im Meßkreis 33 in Sperrichtung beaufschlagt, und der Photostrom stellt sich als Funktion der Beleuchtungsstärke
auf der belichteten Fläche des Kontrollelementes dar. Die Schaltkreise als solche sowie die Maßnahmen zur Messung
von elektrischen Größen des Kontrollelementes 30 und bedarfsweise zur Verstärkung derselben sind hinlänglich bekannt
und nicht Gegenstand der Erfindung.
Nachdem der Dunkelstrom ebenfalls als Funktion der Umgebungstemperatur
darstellbar ist, ist es möglich, im Hinblick auf die Verwendbarkeit der vorgesehenen Kontrollelemente auch
bei hohen Frequenzen die Temperaturüberwachung mit Hilfe des Dunkelstromes vorzunehmen. Im Zusammenhang mit der Ermittlung
von Meßwerten kann beispielsweise auch eine geeignete Fehlermeldung mit verbunden sein, ferner kann für
den Zündkreis des zu überwachenden Bauelements, wenn es
sich um einen Thyristor handelt auch ein Signal für eine Zündsperre erfolgen.
—· ■ «ι ιιι·
Die Auswertung der Meßergebnisse ist somit in an sich bekannter und aus der Elektronik bekannter Weise durchführbar.
Die in Figur 2 dargestellte Blockschaltung ist nicht auf die Verbindung mit nur einem Kontrollelement beschränkt.
Vielmehr lassen sich beispielsweise für eine Halbleitergleichrichterschaltung mit sechs Gleichrichterbauelementen
sämtliche sechs Kontrollelemente mit der einen dargestellten überwachungsschaltung verbinden.
In Figur 3 ist eine andere Möglichkeit für die Anbringung eines Kontrollelements dargestellt. Ein vorzugsweise
aus Kupfer bestehender Trägerkörper 24, der gleichzeitig als Stromleiter und als Gehäuseunterteil mit einem
Schraubstutzen 24 b dient, weist an seiner oberen Fläche einen Ansatz 24 a zur Anbringung des Halbleiterkörpers
auf. rer letztere ist mit einer Öffnung 8 versehen. ,An
der Innenfläche des nur teilweise dargestellten Gehäuseoberteiles 15 ist das Kontrollelement 30 über einen Isolierstoffkörper
20 an einer Haltevorrichtung 15 a so angebracht,, daß die aus der Öffnung 8 des Halbleiterkörpers
10 austretende Rekombinationsstrahlung die zu belichtende Fläche jedes Kontrollelements trifft. Es versteht
sich, daß der Zusammenbau einer solchen Anordnung besondere Kennzeichnungen der Gehäuseteile zu deren Lage bestimmter
gegenseitiger räumlicher Zuordnung zur Sicher- ' Stellung der Euhktionsfähigkeit des Kontrollelements erfordert.
Die Halterung 15 a besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall zur optimalen thermischen Ankopplung
des Kontrollelements an das Gehäuse 15 und ist so angebracht, daß ein möglichst geringer Abstand des Kontrollelementf;
zum Halbleiterkörper 10 besteht.
Eine solche thermische Kopplung bringt wohl gegenüber der unmittelbaren Verbindung mit dem Halbleiterkörper
wegen des längeren Weges der Verlustwärme zum Kontrollelement eine gewisse Trägheit der Überwachungsfunktion
mit sich, erscheint jedoch besonders vorteilhaft zur überwachung der Wärmewiderstände im Aufbau des zu überwachenden
Bauelements bzw. der Funktion der Kühleinrichtung. Selbstverständlich kann die Befestigung des Kontrollelementes
30 auch an geeigneter Stelle des Grundkörpers 24 erfolgen.
Die Anschlußleitungen des Kontrollelements können beispielsweise mit Hilfe eines Keramikrohres durch das Gehäuse
oben eingeführt sein.
Nach der Darstellung in Figur 4 ist ein Photowiderstand 30 einer lediglich durch Pfeile symbolisiert angedeuteten
Strahlung des Halbleiterkörpers ausgesetzt. Entsprechend dem Zusammenhang zwischen Photostrom und Beleuchtungsstärke
z. B. bei einer Photodiode ist der sogenannte helle Widerstand
des Kontrollelements 30 eine Funktion der Beleuchtungsstärke.
In dem Basiskreis ist dem Photowiderstand 30 aus einer Batterie 35 eine Basisspannung eingeprägt. Der durch Bestrahlung
erzeugte Photostrom im Photowiderstand erzeugt eine Widerstandsänderung, die mit Hilfe des Spannungsabfalls an den
Meßwiderstand 36 und der zu diesem parallel geschalteten nicht erfindungswesentlichen Schaltung 37 ausgewertet wird.
Im wesentlichen mit derselben Grundschaltung kann auch der Dunkelwiderstanct des Kontrollelements 30 als Funktion der Betriebstemperatur
des letzteren und des zum Halbleiterbauelementes zu dessen Überwachung dienen.
Bei der Herstellung eines Aufbaus gemäß Figur 3 werden in an sich bekannter Weise zunächst auf dem vorbehandelten Trägerkörper
24 der Halbleiterkörper 10 und auf diesem der obere Anschlußleiter angebracht, wovon mit dem Bauteil 17 nur
ein Teil desselben angedeutet ist.
Die das Kontroilelement 30 tragende Haltevorrichtung 15 a kann mit dem Gehäuseoberteil 15 beispielsweise durch Löten
oder Schweißen oder mit Hilfe eines Metallklebers fest verbunden sein. Mit Hilfe einer geeigneten Markierung
wird anschließend das Gehäuseoberteil 15 auf dem Trägerkörper 24 befestigt.
Der Vorteil des Gegenstandes der Erfindung besteht in einer im wesentlichen leistungs- und trägheitslosen sowie phasentreuen
und frequenzunabhängigen überwachung von Kenngrößen bei Halbleiterbauelementen durch Anwendung bekannter
Bauelemente mit photoelektrischem Effekt.
Claims (3)
1. Halbleiteranordnung mit wenigstens einem Halbleiterbauelement und mit einem dessen Funktion überwachenden
KontrollelBment, dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich des Halbleiterkörpers des Halbleiterbauelements als Kontrollelement ein Bauelement mit innerem photoelektrischem
Effekt zur Aufnahme der beim Stromdurchgang durch das Halbleiterbauelement in dessen Halbleitermaterial entstehenden Rekombinationsstrahlung
angebracht ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kontrollelement auf Halbleiterbasis mit wenigstens einem pn-übergang angebracht ist, das zur Temperaturüberwachung
mit Hilfe seines Durchlaßverhaltens in der Sperrphase des Halbleiterbauelements vorgesehen ist.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontrollelement auf Halbleiterbasis mit wenigstens
einem pn-übergang angebracht ist, das zur Temperaturüberwachung mit Hilfe seines Dunkelstromverhaltens in der
Sperrphase des Halbleiterbauelements vorgesehen ist.
4„ Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kontrollelement auf Halbleiterbasis ohne pn-übergang angebracht ist, das zur Temperaturüberwachung
mit Hilfe seiner Dunkelwiderstandsänderung in der Sperrphase des Halbleiterbauelements vorgesehen ist.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE8006555U1 true DE8006555U1 (de) | 1981-02-05 |
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ID=1326388
Family Applications (1)
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DE8006555U Expired DE8006555U1 (de) | Halbleiteranordnung |
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DE (1) | DE8006555U1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19835453A1 (de) * | 1998-08-05 | 2000-02-17 | Siemens Ag | Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement |
DE19943345A1 (de) * | 1999-09-10 | 2001-03-15 | Hella Kg Hueck & Co | LED-Leuchte |
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- DE DE8006555U patent/DE8006555U1/de not_active Expired
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19835453A1 (de) * | 1998-08-05 | 2000-02-17 | Siemens Ag | Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement |
DE19835453B4 (de) * | 1998-08-05 | 2005-08-18 | Infineon Technologies Ag | Verfahren zum Messen der Temperatur eines Leistungshalbleiters und Bauelement |
DE19943345A1 (de) * | 1999-09-10 | 2001-03-15 | Hella Kg Hueck & Co | LED-Leuchte |
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