JP2001522528A - 特に短絡の際に交流電流を制限するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 交流電流を制限するための装置はａ）交流電流の電流経路の中に接続されている少なくとも１つの半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）を有し、この半導体デバイスが、予め定められた極性を有する順方向電圧を与えられている際には、順方向電圧が電圧零から上昇すると共に、対応する飽和電圧の際の飽和電流まで単調関数的に増大し、また飽和電圧の上側に位置する順方向電圧の際に飽和電流の下側の制限電流に制限される順方向電流がこの半導体デバイスを通って流れるように、また順方向電圧の極性と逆の極性を有する逆方向電圧を与えられている際には、逆方向電圧が電圧零から上昇すると共に、予め定められた逆方向降伏電圧まで単調関数的に増大し、また逆方向降伏電圧の超過の際にキャリア降伏に基づいて明らかにより強く上昇する逆方向電流がこの半導体デバイスを通って流れるように構成されており、または制御可能であり、さらにｂ）半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）がその逆方向の極性の交流電流の半波で、特に過電流または短絡の際に、逆方向降伏電圧に駆動されることを防止する保護回路を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 特に短絡の際に交流電流を制限するための装置 本発明は交流電流を制限するための装置に関する。 電気的負荷（機器）に交流電流を供給するため、負荷は開閉装置を介して給電 回路網の電線路分岐と接続される。特に短絡の場合の過度に大きい電流から負荷 を保護するため、低圧開閉技術では、分岐を保護する安全器、一般には溶融ヒュ ーズを使用するそれと、１ミリ秒（１ｍｓ）よりも明らかに長い開閉時間を有す る機械的な電力開閉器とを有する開閉装置が使用される。電線路分岐の中で多く の負荷が同時に運転され、またこれらの負荷のただ１つに短絡が生ずるときには 、短絡を生じていない負荷が擾乱されずに引き続いて動作し得ること、また短絡 を生じた負荷のみが切り離されることは大きな利点を有する。この目的で、各々 の負荷のすぐ前に接続されており、１ｍｓよりも明らかに短い時間のうちに、ま たこうして電線路分岐に対して設けられている負荷保護用開閉器の安全器の引き 外しの前に電流を見込まれる短絡電流から、予め定められた非臨界的な過電流値 に確実に制限する電流制限用構成要素（“リミッタ”）が必要である。 このような電流リミッタは電流制限の場合に、構成要素に生ずる通常７００Ｖ まで、場合によっては回路網に関係して１２００Ｖまでの高い電圧に耐えられな ければならない。その場合、構成要素の中に生ずる損失電力が非常に大きいので 、電流制限器が追加的に電流を予め定められた過電流値よりも明らかに低い値に 自動的に減ずることは特に有利である（本質安全な構成要素）。 市場で唯一入手可能な、受動的な、すなわち駆動なしで機能する電流制限器は ＢＡ社からＰＲＯＬＩＭと言う名称で販売されている装置であり、この装置はそ の中に使用される材料の粒界の電流に依存する伝導性を利用している。しかし、 電流制限のために装置を頻繁に使用すると、電流を制限する電流飽和値の変化が 生ずる。 さもなければ、能動的な、すなわち駆動により動作する一般的な電流制限器の みが使用され、これらの電流制限器は電流を検出し、また予め定められた最大電 流値を超過した際に、電流を能動的な制御により制限する。ドイツ特許出願公開 第43 30 459号明細書から半導体を用いた能動的な電流制限器が公知である。こ の能動的に電流を制限する半導体開閉器は、互いに反対側の表面にそれぞれ電極 が設けられた、予め定められた導電形の第１半導体領域を有する。第１半導体領 域の中に、両電極の間に位置して逆の導電形を持つ複数の半導体領域が互いに間 隔をおいで配置されている。個々の別の半導体領域間にそれぞれ、第１半導体領 域の両表面に対して垂直に向けられた第１半導体領域のチャネル領域（垂直チャ ネル）が形成されている。両電極間の垂直な電流の流れは、これらチャネル領域 を通じて導かれ、またそれにより制限される。両電極間の電流の流れを制御する ため第１半導体領域の中の逆導電形にドープされた半導体領域にゲート電圧が与 えられ、それによりチャネル領域の抵抗が制御される。 ドイツ特許出願公開第195 48 443号明細書から、予め定められた導電形の第１半 導体領域と、第１半導体領域の表面に配置されている接触領域と、第１半導体領 域の内部において、接触領域の下側に配置されている第１半導体領域と逆の導電 形の第２半導体領域とを有する半導体デバイスは公知である。第２半導体領域は 、第１半導体領域の表面に対して平行に、すべての方向に接触領域よりも先まで 広げられており、それによって第１半導体領域の中に、下方に第１半導体領域と 第２半導体領域との間に形成されるｐｎ接合の空乏層により制限されそして導通 状態で電流を接触領域からまたは接触領域へ運ぶ少なくとも１つのチャネル領域 が形成される。この少なくとも１つのチャネル領域は、こうして横方向に第１半 導体順域の中に配置されており、またそれにより非常に良い飽和特性を有する。 第１半導体領域の、前記表面と反対側の第１半導体領域の別の表面に、別の接触 領域が配置される。この接触領域と、第１半導体領域の他方の表面における接触 領域との間に、その場合半導体デバイスに対する動作電圧が与えられる。 チャネル領域は、ドイツ特許出願公開第195 48 443号明細書から公知の半導体 デバイスにおいて、１つの実施態様では第２半導体領域と向かい合う側で、第１ 半導体領域と、第１半導体領域と逆の導電形の少なくとも１つの第３半導体領域 とにより形成されている別のｐｎ接合の空乏層により制限される。第３半導体領 域には、制御電圧を与えることによりチャネル領域の電気抵抗を制御するため の制御電極が設けられている。他の実施の態様では、チャネル領域は第２半導体 領域と向かい合う側で、少なくとも１つのショットキ接触の空乏層により制限さ れる。この実施例でも、ショットキ接触にチャネル領域の電気抵抗を制御するた めの制御電圧が与えられる。 本発明の課題は、交流電流を制限するための装置であって、短絡の際に交流電 圧が急速に回復するときも堅牢であり、また確実に交流電流を制限し得る装置を 提供することである。 この課題は、本発明によれば、請求の範囲１の特徴により解決される。 本発明によれば、制限すべき交流電流の電流経路の中に少なくとも１つの半導 体デバイスが接続され、この半導体デバイスが、予め定められた極性（順方向、 導通方向）を有する順方向電圧を与えられている際には、順方向電圧が電圧零か ら上昇すると共に、対応する飽和電圧の際の飽和電流まで単調関数的に増大し、 そして飽和電圧より高い順方向電圧の際には飽和電流より低い制限電流に制限さ れる順方向電流がこの半導体デバイスを通って流れるように、また順方向電圧の 極性と逆の極性を有する逆方向電圧を与えられている際には、逆方向電圧が電圧 零から上昇すると共に、予め定められた逆方向降伏電圧まで単調関数的、好まし くは本質的に直線的に（オーム性の特性）に増大しそして飽和電圧より高い順方 向電圧の際には、飽和電流より低い、好ましくは飽和電流の約１／５の制限電流 値に制限されるように構成されており、または制御可能である。しかしこの半導 体デバイスは、逆の極性（逆方向）の際には電流を制限し得ない（非対称の特性 ）。それどころか、逆方向電圧を与えられている際には、半導体デバイスを通っ て、逆方向電圧が電圧零から上昇すると共に、予め定められた逆方向降伏電圧ま で単調関数的に増大し、また逆方向降伏電圧を超過した際にはキャリア降伏によ り急速に上昇する逆方向電流がこの半導体デバイスを通って流れる。しかしキャ リア降伏の際には、半導体デバイスは容易に破壊されてしまう。 従って本発明によれば、１つまたは複数の半導体デバイスに対する保護回路が 設けられ、この保護回路は、特に大きい電流が生ずる過電流または短絡の場合に 、各半導体デバイスを、交流電流の逆方向の極性の半波の期間中における逆方向 降伏電圧への到達、さらには超過から保護する。こうして、交流電流の半波の中 で 保護回路なしの場合には、通常半導体デバイスに与えられる逆方向電圧が保護回 路の助けをかりて減ぜられ、または逆方向での半導体デバイスの動作が実際上完 全に防止される。 対策のこの有利な組み合わせにより、専ら半導体デバイスにより構成されてお り、堅牢であり、後段に接続されている負荷に広範囲に無関係であり、また機械 的開閉器と同じく信頼性が高いものとして構成されており、過電流または短絡の 場合に交流電流を受容可能な電流値、制限電流に制限する交流電流制限器が初め て提供される。 本発明による装置の有利な実施例は、請求の範囲１に従属する請求の範囲にあ げられている。 ３つの基本的な実施例では、保護回路はそれぞれダイオード、特にバイポーラ のｐｎダイオードまたはユニポーラのショットキダイオードを用いて実現され、 これらダイオードとしてシリコンを基材とした経済的な標準電力用ダイオードが 使用できる。 これら３つの基本的な実施例の第１の実施例では、保護回路はそれぞれ半導体 デバイスおよびダイオードから成る２つの逆並列回路により実現されており、こ れらの逆並列回路は互いに逆直列に交流電流の電流経路の中に接続されている。 ダイオードはそれらの特性を半導体デバイスに適合せしめられ、この結果交流 電流が定格動作中は少なくとも主として、また好ましくは実際上完全に両方の逆 直列に接続されている半導体デバイスを通って流れ、また過電流の場合または短 絡の場合には交流電流の各半波の中で、この半波の中で順方向の極性にある半導 体デバイスの飽和電圧の際の飽和電流まで単調関数的、好ましくは本質的に直線 的に（オーム性の特性）に増大し、またこの半導体デバイスの飽和電圧の上側に 位置する順方向電圧の際に飽和電流の下側の制限電流に制限され、また実際上専 ら順方向に位置する半導体デバイスを通って、また少なくとも主として第２のダ イオードを通って流れるようになされる。 各逆並列回路の中で、好ましくは、付属のダイオードの最大阻止電圧（降伏電 圧）は、少なくとも制限電流の際の最大の順方向電圧と同じくらい、また好まし くは付属の半導体デバイスの順方向降伏電圧と同じくらいの大きさであるように するとよい。それによって、ダイオードが付属の半導体デバイスの、定格電流動 作中であれ、または過電流動作中であれ、順方向動作中は半導体デバイスよりも 早くに降伏しないこと、すなわち少なくとも半導体デバイスと同じくらいに良好 に阻止することが保証される。さらに各ダイオードの導通しきい電圧（しきい電 圧、バリアー電圧）の絶対値は、付属の逆並列に接続されている半導体デバイス の逆方向降伏電圧よりも小さく、さらにそれぞれ他方のダイオードに逆並列に接 続されている半導体デバイスの飽和電圧よりも小さい。過負荷または短絡の際に 、電流の可能な限り大きな割合をダイオードを通して流すために、各ダイオード の導通電圧も、それぞれ他方の逆並列回路の中に位置する半導体デバイスに飽和 電流が流れている際には、この半導体デバイスの飽和電圧よりも小さいことが好 ましい。 電流制限装置を通る電流は、この第１の実施態様の場合、定格動作中と臨界的 な過電流または短絡動作中とで異なる。交流電流制限器は“インテリジェントリ ミッタ”として制御なしでも（受動的な構成）、また特に電流の測定なしでも電 流の強さを“認識”し、また、最適な作用を達成するため、電流に相応して開閉 する。定格動作中は、導通損失が最小化されるように、ダイオードは電流を僅か しかまたは全く流されない。それに対して過電流または短絡の場合には、逆方向 に位置する半導体デバイスが電流の流れと、それにより惹起される逆方向電圧の 上昇から保護され、また逆並列に位置するダイオードが順方向に位置する半導体 デバイスの制限された電流を引き受ける。 交流電流制限器の第２の実施態様には、同じく２つの半導体デバイスおよび２ つのダイオードが使用されている。しかし、それぞれ１つのダイオードと１つの 半導体デバイスとが直列に接続されており、またその結果として生ずる両方の直 列回路が逆並列に接続されている。各ダイオードの最大の阻止電圧（逆方向降伏 電圧）の絶対値は、少なくとも付属の直列に接続されている半導体デバイスの最 大の逆方向電圧（逆方向降伏電圧）と同じくらいの大きさである。それによって 、ダイオードが過電流または短絡状態で動作中の付属の半導体デバイスの逆方向 動作中に、半導体デバイスよりも早くに降伏しないこと、すなわち少なくとも半 導体デバイスと同様に良好な阻止状態を保ち、また半導体デバイスの逆方向電圧 を 引き受けることが保証される。 前記の第１および第２の実施態様の欠点は、上記の特性を有する半導体デバイ スが簡単なダイオードよりも通常明らかに高価であり、従って２つの半導体デバ イスのため比較的高い全体コストを甘受しなければならないことにある。 交流電流制限器のより経済的な変形例は、４つのダイオードから成る全波整流 ブリッジにおいて、この半導体デバイスに対する保護回路として接続されている ただ１つの半導体デバイスで間に合わせる第３の基本的な実施例である。接続は 、交流電流が両方の各極性の際に、半導体デバイスをその順方向に通って流れる ように行われており、その際半導体デバイスの前および後において、それぞれ導 通方向に接続されたダイオードが電流経路の中に位置している。 各ダイオードの最大の阻止電圧は、一般に好ましくは、制限電流の際の最大の 順方向電王と同じ大きさであり、また好ましくは半導体デバイスの順方向降伏電 圧と同じ大きさである。 本装置のこれまでに説明した実施例の各々の有利な変形例では、各半導体デバ イスは少なくとも部分的に、少なくとも２ｅＶの禁制帯幅を有する半導体材料か ら成っている。これらの半導体は、交流電流制限器がより高い交流電圧に対して 使用できるように、“汎用半導体”であるシリコンに比較して明らかに高い降伏 耐圧を有する。各半導体デバイスに対する好ましい半導体材料は、シリコンカー バイド（ＳｉＣ）、特に３Ｃ−または４Ｈ‐または６Ｈ‐ポリ形式の単結晶のシ リコンカーバイドである。なぜならば、ＳｉＣはぬきんでた電子的および熱的特 性を有するからである。 １つまたは複数の半導体デバイスは、個々にまたは共通に、１つまたはそれ以 上のダイオードと共に、特にシリコンまたはシリコンカーバイドから成る半導体 基板の上に集積してもよいが、離散的な構成要素として互いに配線により接続し てもよい。 交流電流を制限する装置の少なくとも１つの半導体デバイスは、有利方法で、 オーム接触として好ましくは、第１半導体領域の第１の表面上に配置されている 少なくとも１つの接触領域上に設けられた第１の電極と、第１半導体領域の第１ の表面に、または好ましくは第１の表面と反対側の第２の表面に配置されている 第２の電極と、電気的に第１の電極と第２の電極との間に位置しており、または 配置可能であり、飽和電流に到達した際に少なくとも１つの空乏層（キャリアが 不足しており、またそれによって高い電気抵抗を有する帯域）により狭窄される （覆われる）、第１半導体領域の中のチャネル領域とを有する。 チャネル領域の境界を定める、または狭窄する少なくと１つのも空乏層は、好 ましくは第１半導体領域と、第１半導体領域の内部において接触領域の下側に配 置されており、またすべての方向にわたり第１半導体領域の第１の表面に対して 平行に接触領域よりも先まで延びている第２半導体領域との間のｐｎ接合により 形成される。半導体デバイスのこの実施例は、横方向チャネルであるために、特 に降伏に耐え、また埋め込まれている第２半導体領域の中に電荷を蓄積し、その 結果としての、半波の終了に向かう両電極間の電圧の低下に際しても、チャネル 領域の狭窄を持続するために、制限電流（阻止電流）を予め定められた制限時間 （阻止時間）にわたって受容可能な電流チャネルとして本質的に維持する能力が ある。 多くの接触領域が第１半導体領域の第１の表面に設けられているならば、各接 触領域の下側に付属の第２半導体領域を配置しよく、またはすべての接触領域の 下側に、第１半導体領域の第１の表面に対して平行にすべての方向にすべての接 触領域を含む最小の面よりも先まで広がった、対応する第２半導体領域を配置し てもよい。離れた第２半導体領域間の中間空間を通り、または対応する第２半導 体領域の中の開口を通って、その場合にそれぞれ接触領域に対応付けられたチャ ネル領域のそれぞれ少なくとも１つに、電気的に直列な第１半導体領域のチャネ ル領域が延びている。 チャネル領域は別の実施例では、少なくとも１つの側でショットキ接触の少な くとも１つの空乏層により境界を定められ、または狭窄されている。ショットキ 接触は、特に第１の電極と、少なくとも１つの接触領域の外側に位置している第 １半導体領域の範囲とにより形成されていてよい。このことは、たとえばこれら 両方の領域の適当に選ばれたドーピングにより達成される。しかしショットキ接 触は、制御電圧を与えられる追加的な制御電極と、少なくとも１つの接触領域の 外側に位置している第１半導体領域の範囲とにより形成されてもよい。 特に有利な実施例では、チャネル領域における空乏層の少なくとも１つが、第 １半導体領域と、第１半導体領域の第１の表面に配置された第３半導体領域との 間に配置されている追加的なｐ‐ｎ接合の空乏層により形成される。 少なくとも１つの第３半導体領域を有する、この実施例の第１の実施の態様で は、第３半導体領域が制御電極と接触させられる。この制御電極に制御電圧を与 えることによりｐｎ接合の空乏層の寸法が、またそれによってチャネル領域の電 気抵抗が制御される。この実施例では、チャネル領域は通常は狭窄され、制御電 圧を与えることにより初めて開かれる。この制御可能な半導体デバイスにより能 動的な交流電流制限器が実現される。 第２の実施の態様は、電荷蓄積効果が追加的に第３半導体領域の中でも利用さ れることを特徴とする。これは絶縁体によりその表面において第３半導体領域を 電気的に絶縁することにより達成される。 しかし第３の実施の態様で、第１の電極が第１半導体領域の少なくとも１つの 接触領域のほかに第３半導体領域とも、その第１半導体領域に境を接していない 表面において接触し、またそれによって接触領域各々の第３半導体領域を電気的 に短絡することもできる。 第４の実施の態様では、第１の電極が追加的に各第２半導体領域に、一般に電 気インピーダンスを介して、第２半導体領域の中の蓄積された電荷に対する予め 定められた緩和時間が設定されるように電気的に連結される。 電荷蓄積効果が利用されるすべての実施例では、少なくとも２ｅＶの高い禁制 帯を有する半導体材料が特に適している。なぜならば、その非常に低い内在的な キャリア濃度（ドーピングなしのキャリア濃度）が電荷蓄積を容易にし、または 初めて可能にするからである。 図面を参照して本発明をさらに説明する。 図１には２つの逆直列に接続された半導体デバイスと２つのそれぞれ逆並列に 接続された保護ダイオードとを有する本発明による交流電流制限器が、 図２には４つの保護ダイオードから成る全波整流回路の中に接続された半導体 デバイスを有する交流電流制限器が、 図３にはそれぞれ半導体デバイスおよび保護ダイオードから成る２つの逆並列 に接続された直列回路を有する交流電流制限器が、 図４にはｐ‐ｎ接合により下方に、またショットキ接触により上方を境界付け られた横方向チャネル領域を有する半導体デバイスが、 図５には２つのｐ‐ｎ接合により下方または上方を境界付けられた横方向チャ ネル領域を有する半導体デバイスが、 図６には横方向および垂直方向のチャネル領域と制御電極とを有する半導体デ バイスの実施例が、 図７には横方向および垂直方向のチャネル領域と、表面における絶縁体領域と を有する半導体デバイスの実施例が、 図８にはセルデザインを有する半導体デバイスの平面図が、 図９には縁に電気的に接触し、かつ埋め込まれた半導体領域を有する半導体デ バイスが、 図１０には負荷に対する交流電流制限器を有する開閉装置がそれぞれ概要を示 されている。互いに相応する部分には、図１ないし１０の中で同一の参照符号が 付されている。 図１は交流電流を制限するための装置１３を示し、この装置は、電気的短絡ま たは高い過電流の際に電気的負荷１２を保護するため、負荷１２の前に直列に接 続されている。電流制限装置１３および負荷１２は電気的負荷１２に対する電線 路分岐の中において、交流電圧相Ｒと接地電位（零電位）との間に接続されてい る。電流制限装置１３全体の両端に降下する動作交流電圧は、参照符号Ｕ_gによ り示されている。電流制限装置１３は、第１半導体デバイスＨ１および第１ダイ オードＤ１から成る第１の逆並列回路７５と、第２半導体デバイスＨ２および第 ２ダイオードＤ２から成る第２の逆並列回路８０とを含んでいる。ユニポーラ形 で、しかも好ましくは本質的に同一構造の両半導体デバイスＨ１およびＨ２と、 両ダイオードＤ１およびＤ２とは、それぞれ順方向（導通方向）ならびに逆方向 （阻止方向）を有する。逆並列回路とは、半導体デバイスH1ないしH2と、付属の ダイオードＤ１ないしＤ２が互いに並列に接続されており、またそれによって半 導体デバイスＨ１ないしＨ２と、付属のダイオードＤ１ないしＤ２とに与えられ ている電圧Ｕ₁またはＵ₂が、半導体デバイスＨ１ないしＨ２に対しては順 方向または逆方向の極性であり、また付属のダイオードＤ１ないしＤ２に対して は逆方向ないし順方向の極性であることを意味する。両方の逆並列回路７５およ び８０は、それらの両端に電圧メッシュとして降下する電圧に対してＵ₁＋Ｕ₂＝ Ｕ_gが成り立つように、互いに逆直列に接続されている。詳細にはそれにより交 流電圧相Ｒと負荷１２との間に両方の半導体デバイスＨ１およびＨ２が互いに逆 直列に接続されていると共に、両方のダイオードＤ１およびＤ２も互いに逆直列 に接続されている。両方の半導体デバイスＨ１およびＨ２またはダイオードＤ１ およびＤ２の、これらの両逆直列回路の両端に、それぞれ電流制限装置１３の動 作電圧Ｕ_gが加わる。 図２には、４つのダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５およびＤ６からなる全波整流ブ リッジ回路を備えた、交流電流を制限するための他の装置１３が示されている。 全波整流回路の対角線の中に、半導体デバイスＨ３が接続されている。半導体デ バイスＨ３の両端に降下する電圧は、参照符号Ｕ₃により示されている。他方の 対角線には電流制限装置の動作電圧（交流電圧）Ｕ_gが与えられる。 図３による交流電流を制限するための別の装置１３は、２つの、好ましくは同 一に構成された半導体デバイスＨ４およびＨ５を有する。各々の半導体デバイス Ｈ４およびＨ５は、それぞれダイオードＤ８またはＤ７により等しい極性で直列 に接続されている。それぞれ半導体デバイスＨ４ないしＨ５と各ダイオードＤ８ ないしＤ７から成る両方の直列回路は互いに逆並列に、すなわち逆の極性に接続 されている。この逆並列回路は、負荷１２と直列に、障害の場合に制限すべき交 流電流の電流経路において相Ｒと接地電位Ｍｐとの間に接続されている。 図１における両方の半導体デバイスＨ１およびＨ２、図２における半導体デバ イスＨ３および図３における両方の半導体デバイスＨ４およびＨ５は、それぞれ 下記の特性を有する： たとえば＋Ｕ₁または＋Ｕ₂の順方向電圧が与えられている際に、各々の半導体 デバイスＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４またはＨ５にそれぞれ、順方向定格電圧範囲内 で電圧０Ｖ（Ｕ₁＝０ＶまたはＵ₂＝０Ｖ）におけるＩ＝０Ａから好ましくは本質 的に直線的に、すなわちオーム特性に従って、順方向電圧（Ｕ₁またはＵ₂）の上 昇と共に最大の定格電流まで増大しそして最大の定格電流より大きな過 電流の範囲内で単調関数的に、また好ましくは同じく本質的にオーム特性に従っ て、順方向電圧（Ｕ₁またはＵ₂）の上昇と共に飽和電圧Ｕ_satに対応する飽和電 流Ｉ_satまで増大する順方向電流＋Ｉが流れる。いま順方向電流が、負荷１２の 短絡の場合のようにさらに増大しようとすると、付属の半導体デバイス（Ｈ１お よびＨ２）の両端の順方向電圧（Ｕ₁またはＵ₂）が飽和電圧Ｕ_satを越えてさら に上昇するので、各々の半導体デバイス（Ｈ１またはＨ２）が順方向電流を、飽 和電流Ｉ_satの到達後に、好ましくは少なくとも５倍だけ飽和電流Ｉ_satの下側に 位置する制限電流Ｉ_Bに制限する。その際、各半導体デバイスＨ１ないしＨ５は 、制限電流をそのつどの順方向降伏電圧までの飽和電圧より大きな順方向電圧範 囲の中に保つことができる。順方向降伏電圧の際には、キャリア降伏が生じ、そ れに基づいて電流は再び急速に上昇し、維持された高い電圧に基づき半導体デバ イスＨ１ないしＨ５の破壊を引き起こしてしまう。 それに対して、順方向電圧に対して逆の極性の逆方向電圧（−Ｕ₁または−Ｕ₂ ）が与えられている際に、各半導体デバイス（Ｈ１およびＨ２）に、逆方向定格 電圧範囲内で電圧０Ｖ（Ｕ₁＝０ＶまたはＵ₂＝０Ｖ）におけるＩ＝０Ａから再び 好ましくは本質的に直線的に、すなわちオーム特性に従って、逆方向電圧（−Ｕ₁ または−Ｕ₂）の電圧値の上昇（絶対値的には、選ばれた極性符号のもとでは下 降）と共に最大の逆方向定格電流まで増大し、また電圧値が最大の定格電流より 大きな過電流範囲内で単調関数的に、また好ましくは同じく本質的にオーム特性 に従って、引き続いての逆方向電圧の電圧値の上昇と共に、キャリア降伏が生じ て、半導体デバイスＨ１またはＨ２またはＨ３またはＨ４またはＨ５がもはや制 御された特性を示さなくなる予め定められた逆方向降伏電圧まで増大する逆方向 電流−Ｉが流れる。 図１ないし３による装置１３の中のｐｎ整流ダイオードまたはショットキダイ オードとして構成されたダイオードＤ１ないしＤ８は、下記の方法で付属の半導 体デバイスＨ１ないしＨ５の特性に合わせられる： 図１によるバリエーションでは、各逆並列回路７５または８０の中で、付属の ダイオードＤ１またはＤ２の逆方向降伏電圧は、付属の半導体デバイスＨ１また はＨ２の順方向降伏電圧と同じような大きさであり、またそれぞれ他方の逆並列 路８０または７５の半導体デバイスＨ２またはＨ１の飽和電流Ｉ_satにおける（ ダイオードの順方向の）導通電圧は、この半導体デバイスＨ２またはＨ１の飽和 電圧よりも小さい。それぞれのダイオードＤ１およびＤ２のしきい電圧は、付属 の半導体デバイスＨ１またはＨ２の逆方向降伏電圧よりも小さく、それによって 、半導体デバイスＨ１またはＨ２が“降伏”する前に、十分な電流がダイオード Ｄ１またはＤ２を通って流れる。それによりの各電流回路と前記のＲとＭＰとの 間の電流は、本質的に両方の半導体デバイスＨ１およびＨ２の直列回路を経て、 そしてそれらのしきい電圧のために半導体デバイスＨ１およびＨ２よりも明らか に高い導通抵抗を有するダイオードＤ１およびＤ２を経ずに流れる。従ってダイ オードＤ１およびＤ２は、定格動作中は装置１３の電力損失に実際上寄与しない 。それに対して過負荷または短絡の場合には、交流電圧の極性に関係して、それ ぞれ導通方向に接続されているダイオードＤ１またはＤ２が、それぞれ他方の逆 並列回路８０または７５の、阻止状態で順方向に駆動される半導体デバイスＨ１ またはＨ２の制限電流（制限された短絡電流Ｉ_Kと呼ばれる）を引き受ける。制 限された電流Ｉ_Kは、それぞれ半導体デバイスＨ１またはＨ２およびダイオード Ｄ２またはＤ１を経て流れる。それにより電流を流すダイオードＤ２またはＤ１ に対して並列に位置する半導体デバイスＨ２またはＨ１は、他方の半導体デバイ スＨ１またはＨ２の制限された電流Ｉ_Kにより高い電圧に駆動されず、またキャ リア降伏によるこの半導体デバイスＨ２またはＨ１の“溶断”が避けられる。図 １による交流電流制限回路は、受動的な半導体デバイスＨ１およびＨ２において も、制御なしに自動的に“インテリジェントリミッタ”として過負荷または短絡 の場合を、電流測定を必要とせずに認識する。 図２による交流電流制限装置１３の実施例では、４つのダイオードＤ３ないし Ｄ６が整流器ブリッジ回路（全波整流ブリッジ）の中で、各ダイオードＤ３ない しＤ６の最大の阻止電圧が、好ましくは少なくとも半導体デバイスＨ３のその制 限電流の際の最大の順方向電圧と同じ大きさであり、また好ましくは半導体デバ イスＨ３の順方向降伏電圧と少なくとも同じ大きさ、また好ましくはそれよりも 大きいように選ばれる。さらに各ダイオードＤ３ないしＤ６は、それがその導通 方向で半導体デバイスＨ３の制限電流を流す電流容量を有するものとして構成さ れている。いま動作交流電圧Ｕ_gを与えられると、交流電流は半波で参照符号１₁ を付されている電流として、先ずダイオードＤ５を通ってその導通方向に、次い で半導体デバイスＨ３を通ってその順方向に、そして続いてダイオードＤ３を通 ってその導通方向に、また他方の半波で参照符号Ｉ₂を付されている電流として 先ずダイオードＤ４を通って、次いで半導体デバイスＨ３を通ってその順方向に 、そして続いてダイオードＤ３を通って流れる。こうして配線は、交流電流が両 極性の各々の際に半導体デバイスＨ３をその順方向に流れ、従ってまた半導体デ バイスＨ３が決してその逆方向電圧で駆動されないように行われている。図２に よるこの実施例は、図１による実施例よりも一般にコスト的に望ましいが、図１ による実施例にくらべて、常に２つのダイオードの導通抵抗が電流経路の中に位 置しており、またそれにより定格電流動作中の導通損失が高められるという欠点 を有する。 図３による装置１３では、各々のダイオードＤ７およびＤ８の最大の阻止電圧 （逆方向降伏電圧）は、少なくとも直列に接続されている付属の半導体デバイス Ｈ５またはＨ４の最大の逆方向電圧（逆方向降伏電圧）と同じ大きさである。そ れによって、ダイオードＤ７またはＤ８が、過電流または短絡電流動作中の付属 の半導体デバイスＨ５またはＨ４の逆方向動作中に、半導体デバイスＨ５または Ｈ４よりも早くに降伏せず、すなわち少なくとも半導体デバイスＨ５またはＨ４ と同等に良好な阻止状態を維持し、また半導体デバイスＨ５またはＨ４の逆方向 電圧を、少なくとも大部分を引き受けることが保証される。またこの保護回路に より、半導体デバイスＨ４およびＨ５をそれらの逆方向についても保護できる。 しかし図３によるこの交流電流制限器は、２つの半導体デバイスＨ４およびＨ５ に対するコストを負担しなければならず、また交流電圧の各極性でダイオードが 電流経路の中に位置し、またそれによって損失電力を生ずるという欠点を有する 。 図１ないし３による実施例に対して、上記の特性を有する電流制限作用を持っ た半導体デバイスＨ１ないしＨ５としては、たとえば冒頭に説明したドイツ特許 出願公開第195 48 443号明細書から公知の、横方向チャネルを有するＪＦＥＴに 相当する各半導体デバイスが使用される。半導体デバイスの極性は、半導体領域 の導電形の選択により適合させる。半導体デバイスの制御電極には、受動的な デバイスを用いる実施例では固定（一定）の制御電圧（一層正確には制御電位） を、また能動的なデバイスを用いる実施例では可変の制御電圧を与える。 前記の特性を示す半導体デバイスＨ１ないしＨ５に対する他の実施例を、図４ ないし９により一層詳細に説明する。 図４および５に示されている半導体デバイスは、それぞれｎ導電形（電子伝導 ）の第１半導体領域２とｐ導電形（正孔伝導）の第２半導体領域３とを含んでい る。第１半導体領域２は、好ましくは平らな表面１０を有する。第２半導体領域 ３は、この表面２０の下側において第１半導体領域２の内側に配置され（埋め込 まれ）ており、また少なくともその第１半導体領域２の表面２０のほうに向けら れた側で横方向に、すなわち第１半導体領域２の表面２０に対して本質的に平行 に延びでいる。好ましくは第２半導体領域３は、第１半導体領域２の表面２０へ のドーピング物質粒子のイオン打込みにより形成される。望ましいドーピングプ ロフィルは、場合によって用いられる打込みマスクを考慮に入れて、イオンエネ ルギーによるイオン打込みの際の侵入プロフィルにより設定される。特にそのこ とから、打込まれた半導体領域３の深さ、すなわちこの第２半導体領域３の、第 １半導体領域２の表面２０からの間隔と、第２半導体領域３の垂直な、すなわち 第１半算体領域２の表面２０に対して垂直に測られた寸法Ｄとが明らかになる。 しかし半尊体領域２および３を製造するためには、相応の半導体層のエピタキシ ァル成長と、それに続くこれらの層の構造化とが使用される。第１半導体領域２ の垂直な寸法Ｄは、特に約０．１μｍと約１．０μｍとの間の大きさである。図 示した断面の中で第１半導体領域２の表面２０に対して平行な第２半導体領域３ の横方向の寸法はＢで示されており、また一般に約１０μｍと約３０μｍとの間 に選ばれている。第１半導体領域２とそれと逆にドープされた第２半導体領域３ との間にｐｎ接合が形成されており、その空乏層（空乏層、キャリアの不足した 帯域）は参照符号２３を付して破線で記入されている。ｐｎ接合の空乏層２３は 、第２半導体領域３の全体を囲んでいる。ｐ領域とｎ領域間のｐｎ接合の寸法は 、公知のように、ドーピング濃度から生ずるキャリア濃度に応じてポアソンの法 則および電荷保存の原理ならびにｐｎ接合に与えられている電圧（電位差）に従 って決まる。 第１半導体領域２の表面２０には、図４および図５のように、オーム接触のた めの接触領域５が設けられている。オーム接触領域５は、好ましくは第１半導体 領域２よりも高い濃度に、またそれと等しい導電形、図示の実施例ではｎ⁺にド ープされでいる。図示の断面において、接触領域５の横方向寸法はｂにより示さ れており、また第１半導体領域２の表面２０に介して平行なすべての方向で第２ 半導体領咳３の横方向寸法Ｂよりも小さい。通常は接触領域の横方向寸法ｂは約 ６μｍと約１０μｍとの間である。第２半導体領域３および接触領域５は、互い に相対的に、第１半導体領域２の表面２０に対して垂直な突起の中で、接触領域 ５の突起が完全に第２半導体領域３の突起の内側に位置するように配置されてい る。接触領域５の自由な表面５０の上に、導電性材料、特にポリシリコンまたは 金属、好ましくはニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔ１）または タングステン（Ｗ）から成る第１電極７が配置されている。第１電極７は境界を なしている半導体表面の上にも延びている。 図４による実施例では、第１の電極７が接触領域５上にオーム接触を形成し、 また第１半導体領域２の表面２０上にショットキ接触を形成する。その空乏層（ 阻止層）は参照符号７０を付して示されておりさらに破線で記入されている。こ のことは、たとえばドーピングの際に接触領域５および第１半導体領域２のキャ リア濃度を適当に設定することにより達成される。第１半導体領域２および接触 領域５が、それぞれ特に有利な半導体材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ） から成っているならば、特に約１・１０¹⁹ｃｍ^-3を越える接触領域５のドーピン グ物質濃度および約２・１０¹⁶ｃｍ^-3よりも小さい第１半導体領域２のドーピン グ物質濃度が選ばれる。その場合に第１の電極７にとって有利な材料はニッケル （Ｎｉ）である。 それに対して図５による実施例では、第１半導体領域２の表面２０上に、第１ 半導体領域２と逆の導電形、すなわち図示の実施例ではｐ導電形であり、また好 ましくは同じくイオン打込みにより形成された第３半導体領域４が配置される。 第１半導体領域２と第３半導体領域４との間にｐｎ接合が形成されており、その 空乏層は参照符号２４を付して示されており、また破線で記入されている。第１ の電極７は第３半導体領域４の上にも延びており、また接触領域５の上にも第３ 半導体領滅４の上にもオーム接触を形成する。 第１半導体領域２の表面２０に配置され、第１電極７により形成される図４に よるショットキ接触、または図５において第３半導体領域４と第２半導体領域３ との間に、それぞれ横方向に延びた半導電性のチャネル領域２２が、第１半導体 領域２の中に位置するように形成される。接触領域５の相異なる側のチャネル領 域２２の横方向寸法Ｌ１およびＬ２は等しい大きさであってもよいし、相異なる 大きさであってもよい。典型的には、チャネル長さＬ１およびＬ２は約１μｍと 約５μｍとの間の寸法である。チャネル領域２２の垂直な、すなわち表面２０に 対して本質的に垂直方向の寸法は、一般に約０．１μｍと約１μｍとの間に選ば れる。チャネル領域２２の中に延びる図４中の空乏層２３および７０と、図５中 の空乏層２３および２４とは、キャリアの強い不足により第１半導体領域２より も本質的に高い電気抵抗を有するので、本質的にチャネル領域２２の、下方から 空乏層２３により、また上方から図４中の空乏層７０および図５中の空乏層２４ により制限されている内部範囲のみが電流を導く能力を有する。チャネル領域２ ２の、この電流を導く内部範囲の垂直な寸法はｄで示されている。 図５中で第３半導体領域４は、両方の半導体領域３および４が一方でチャネル 長さＬ１に沿って、また他方でチャネル長さＬ２に沿って、第１半導体領域２の 表面２０への投影の中で重なり合うように、第２半導体領域３に対して横方向に ずらして配置されている。第３半導体領域４は横方向から接触領域５を囲み、ま た図示されている実施例の中で直接に接触領域５と境界を接しており、従って横 方向の寸法Ｌ１、Ｌ２、ｂおよびＢに関してＬ１＋ｂ＋Ｌ２＝Ｂが成り立つ。し かし接触領域５は、第３半導体領域４から横方向に間隔をおかれていてもよい。 図４および図５による両方の実施例では、さらに図５中にのみ図示されている 第２電極６が設けられており、この第２電極６は、チャネル領域２２が両方の電 極間の電流経路の中に位置するように配置されている。この第２電極６は、たと えば第１半導体領域２の第１表面２０上に配置されていてもよいし（横方向構成 ）、図５中に示されているように第１半導体領域２の第１表面２０と反対側の表 面２１に配置されていてもよい（垂直方向構成）。第２電極６と第１電極７との 間に、半導体デバイスの動作電圧が与えられる。図４および図５による実施例 では、第１電極７は動作電圧源の陰極と、また第２電極６はその陽極と接続され ている。半導体デバイスの導電形を交換する際には、動作電圧の極性も相応に交 換される。 導通方向（順方向）に動作電圧を与えられた際の半導体デバイスの挙動は、半 導体デバイスを通って流れる電極６と７との間の電流Ｉに関連する。この電流Ｉ は、両方の電極６と７との間を矢印により示されている電流方向に、先ず本質的 に横方向に第１半導体領域２中のチャネル領域２２を通って流れ、次いで図５に よる実施例ではほぼ垂直に、第１半導体領域２の内部を通って流れる。電流Ｉの 上昇と共に電極６と７との間の順方向電圧降下が増大するので、第２半導体領域 ３および図４によるショットキ接触または図５による第３半導体領域４は、第２ 電極６に対して負にバイアスされる。増大する導通電圧降下は、より高い阻止電 圧として第１半導体領域２と第２半導体領域３との間のｐｎ接合に、また図４に よるショットキ接触または図５による第３半導体領域４に作用し、またそれによ って空乏層２３および７０または２４の増大に通ずる。このことは、チャネル領 域２２の半導電性の範囲の断面積の減少および相応の抵抗上昇という結果を伴う 。特定の臨界的な電流値（飽和電流）Ｉ_Satに到達した際に、空乏層２３および ７０または２４は接触しそしてチャネル領域２２は完全に狭窄する。いまチャネ ル領域２２の中の電気抵抗が顕著に高くなるので、電流は飽和状態に入りそして 電極６と７との間の電圧が不変であれば、飽和電流値Ｉ_Satにとどまる。半導体 デバイスの飽和電流値Ｉ_Satは、チャネル領域２２の幾何学的寸法、特にその横 方向寸法Ｌ１およびＬ２および垂直方向寸法ｄにより、そしてまたドーピングに より決定されるチャネル領域２２のキャリア濃度により、所望の値に設定される 。 それに対し、たとえば短絡の場合のように、電極６と７との間の順方向電圧が 引き続いて上昇する場合には、電流Ｉが既に飽和電流値Ｉ_Satに到達した後に、 チャネル領域２２中の電力損失が上昇しそしてチャネル領域２２が温度上昇する 。チャネル領域２２の内部温度の上昇と共に、チャネル領域２２を覆っている空 乏層２３および７０または２４の中にとどまっているキャリアの移動度が減少す る。チャネル領域２２の伝導性がこうして引き続いて低下し、その結果として電 極６と７との間の導通電圧降下の上昇が空乏層２３および７０または２４から溢 れ出 る可動キャリアを増大させるという結果を伴う。この帰還結合効果に基づいて、 半導体デバイスは短絡の場合のような大きく増大する電流をも迅速に、飽和電流 Ｉ_Satよりも明らかに小さく、たかだかその０．２倍であり（Ｉ_Sat≧５１_B）、 また高い順方向電圧に到達した際に本質的に、典型的には約６０Ｖと約１２００ Ｖとの間に位置する所望の順方向降伏電圧（たとえば７００Ｖ）に対する半導体 デバイスの阻止電流に相当する非臨界的な電流値（制限電流）Ｉ_Bに制限する。 埋め込まれた第２半導体領域３を囲む空乏層２３の中に、蓄積された空間電荷 が半導体の内在的なキャリア濃度に関係してとどまる。この電荷蓄積により第２ 半導体領域３内の電位が、両方の電極６と７との間の電圧が再び減少する際にも 十分に保たれ、またチャネル領域２２も閉じられた状態にとどまる。こうして半 導体デバイスにより、阻止電流Ｉ_Bへの電流Ｉの迅速かつ確実な制限が達成され る。電荷蓄積効果は、半導体デバイスの半導体領域２、３および４に対する半導 体材料として、少なくとも２ｅＶの禁制帯を有する半導体、たとえばダイアモン ド、窒化ガリウム（ＧａＮ）または燐化インジウム（ＩｎＰ）および好ましくは 炭化シリコン（ＳｉＣ）を使用すると特に大きくなる。なぜならば、このような 半導体、特にＳｉＣは非常に低い内在的なキャリア濃度および非常に僅かな導通 損失しか示さないからである。このような半導体、特にＳｉＣの別の利点は、そ れらの高い降伏電圧である。ＳｉＣの好ましいポリ形式は４Ｈ、６Ｈおよび３Ｃ ポリ形式である。ＳｉＣに対する好ましいドーピング物質は、ｐドーピングに対 してはホウ素およびアルミニウム、ｎドーピングに対しては窒素である。 第１半導体領域２、第２半導体領域３および第３半導体領域４のドーピングは 、両方の電極６と７との間に電圧が阻止方向に与えられているときの半導体デバ イスの阻止能力を決定する。 図６および７は、第１半導体領域２が基板２７と、エピタキシャル成長により 形成されて基板２７上に配置され、基板２７と等しい導電形およびそれと同じか またはそれよりも低いキャリア濃度を有する半導体層２６とから成る半導体デバ イスを示す。半導体層２６の表面２０に、等しく、しかし半導体層２６よりも高 い濃度にドープされた多数の接触領域５が互いに間隔をおいて配置されており、 それらのうち２つだけが図示されている。接触領域５の下側において、半導体層 ２６の中に、半導体層２６と逆の導電形にドープされたそれぞれ第２半導体領域 ３または関連する第３半導体領域４のそれぞれ部分範囲が埋め込まれている。接 触領域５の間には、それぞれ横方向の間隔をおいて、また好ましくは等しい間隔 ａをおいて、半導体層２６と逆の導電形にドープされた第３半導体領域４が半導 体層２６の表面２０に配置されている。第３半導体領域４からの接触領域５の横 方向の間隔ａは、一般に約１μｍと約３μｍとの間である。接触領域５は、第１ 電極７としての、好ましくは金属またはポリシリコンから成る導電性の層と接触 している。 半導体領域３および４は、それぞれ第１半導体領域２の表面２０に対して本質 的に横方向に延びている。各半導体領域４は、表面２０に対して垂直な方向に沿 う投影図の中で、半導体領域３のそれぞれ２つと、また各半導体領域３は半導体 領域４のそれぞれ２つと重なる。それにより、図４および５に示すように、再び 横方向に延びている横方向チャネル長さＬ１またはＬ２のチャネル領域２２が、 半導体層２６の中において、各第２半導体領域３と各第３半導体領域４との間に 形成されている。埋め込まれた第２半導体領域３の横方向の寸法は、Ｂ＝ｂ＋２ ａ＋Ｌ１＋Ｌ２である。基板２７の半導体層２６と反対側の面の上に、第１半導 体領域２の第２の表面２１として、再び第２の電極６が配置されている。電極６ と電極７との間に、半導体デバイスの動作電圧が与えられる。埋め込まれた半導 体領域３は、横方向に互いに、好ましくは等しい間隔Ａをおかれており、または 関連する第２半導体領域３の中に、それぞれ横方向の寸法Ａを有する開口が形成 されている。その結果、第２半導体領域３の間に、横方向の寸法Ａおよび垂直方 向の寸法Ｄを有し、表面２０に対して本質的に垂直に延びる第１半導体領域２の 各チャネル領域２９が形成されている。各チャネル領域２９中の半導電性の範囲 は、半導体層２６および第２半導体領域３により形成されるｐｎ接合の、図示さ れていない空乏層により制限されている。垂直なチャネル領域２９の横方向の寸 法Ａは、好ましくは、両方の電極６と７との間に与え得る最大の阻止電圧（逆方 向電圧）が少なくとも十分に、第２半導体領域３の下面における半導体領域２と ３との間のｐｎ接合が耐え得る最大の内部破壊電圧に相当するように、小さく選 ばれている。このことは阻止状態における等電位線の、少なくともほぼ平らな経 過に相当する（減ぜられた電圧逆増幅率）。横方向寸法Ａに対する典型的な値は 、１μｍと１０μｍとの間である。順方向の極性の動作電圧を与えると、電極７ と電極６との間に電流Ｉが、先ず横方向チャネル領域を通り、次いで表面２０に 対して実際七垂直方向に半導体領域２６中の垂直なチャネル領域２９を通り、さ らに本質的に垂直に半導体層２６および基板２７を通って第２の電極６へ延びる 、図示の矢印に沿って流れる。 図６中で、各第３半導体領域４は、制御電極９９を電気的に第１の電極７から 絶縁する絶縁体領域１１の下に埋め込まれている制御電極（ゲート電極）９９と 接触している。この制御電極９９に制御電位を与えることにより、第３半導体領 域４と第１半導体領域２との間に生じるｐｎ接合の空乏層の寸法が変更され、ま たそれによってチャネル領域２２の導電性が制御される。 図６による能動的な（制御可能な）実施例と対照的に、図７による受動的な（ 制御不可能な）半導体デバイスでは、第３半導体領域４のすべての自由な、第１ 半導体順域２と境界を接していない表面４０の上に、チャネル領域５と境界を接 する縁範囲をも覆う絶縁体領域１１が配置されている。この絶縁体領域１１は、 第３半導体領域４を電気的に絶縁し、そしてｐｎ接合の空乏層から第３半導体領 域４中の空乏層内に拡散する電荷（図示の場合には電子）が、第３半導体領域４ から流出するのを阻止する。絶縁体領域１１の漏れ電流は、第３半導体領域４中 での良好な電荷蓄積を保証するため、可能な限り僅かであるべきである。絶縁体 領域１１の別の機能は、第１電極７から第３半導体領域４を電気的に絶縁するこ とである。半導体としてＳｉＣが使用される際にも、Ｓｉが使用される際にも、 絶縁体領域１１に対しては、熱的に成長した二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）が誘電 体として使用される。熱的な酸化物は卓越した絶縁特性を有し、約１０００℃を 越える温度において乾式または湿式酸化によりＳｉＣの上に生成される。 図８は、特に図６または図７に従う断面を持った半導体デバイスの実施例を、 電極および絶縁体なしの半導体表面の平面図で示す。セルデザインの中に、少な くとも近似的に正方形の多くのセルが設けられている。これらのセルは、それぞ れ第１半導体領域２としてのｎドープされた半導体層中に打込まれた接触領域５ としての、辺の長さｂの正方形として形成され、またｎ⁺⁺にドープされたソース 領域と、ｎ⁺⁺の接触領域５を間隔ａをおいて囲むｐドープされた第３半導体領域 ４と、接触領域５の下側に打込みにより埋め込まれたｐドープの第２半導体領域 ３（破線で示されている）とから成っている。表面４０を有する第３半導体領域 ４は、好ましくは表面５０を有する接触領域５と、第１半導体領域２の表面２０ 上の接触領域５を囲む部分範囲とに対する正方形状の空所を例外として、第１半 導体領域２のすべての表面２０に形成されている。幅Ｌ１またはＬ２の正方形状 の重なり範囲の中に、第３半導体領域４の下側および第２半導体領域３の上側に 位置して、それぞれチャネル領域２２が形成されている。埋め込まれた第２半導 体領域３を共通の電位におくため、この第２半導体領域３は第１半導体領域２の 中の、特に交差状に延びているｐ‐ドープされた接続８および９を介して互いに 接続されている。接続８および９と、隣の第３半導体領域４との間に、幅Ａの菱 形模様の形態を持ち、表面４０または２０に対して垂直に延びている、それぞれ 連続したチャネル領域２９が、第１半導体領域２の中に位置して、第３半導体領 域４の下側に配置されている。電流Ｉはソース領域（チャネル領域）５から先ず 水平方向に、横方向のチャネル領域２２を通って、そして続いてほぼ垂直の方向 に、隣の垂直なチャネル２９を通って流れる。 セル構造の代わりに、櫛歯状の構造としてもよい。図４ないし８による実施例 は、必要な変更を加えて、互いに組み合わすことができる。 図９は、図５および７を組み合わせた実施例の発展例を示す。半導体層２６は その縁において、たとえばエッチングプロセスにより半導体材料を除去すること により、打込まれた第２半導体領域３の下まで除去されている。第２半導体領域 ３の露出する表面の上に端子６０が被着されている。この端子６０は、電気的接 続６１を介して第１の電極７と電気的に接続されている。この電気的接続６１を 介して第２半導体領域３が、表面２０に位置する第３半導体領域４に接続されて いる。電気的接続６１は半導体デバイス上に集積されてもよいし、特に接続回路 を介在させた外部配線であってもよい。この電気的接続６１の電気的インピーダ ンスの選定により、短絡の場合に第２半導体領域３中に蓄積される電荷の所定の 緩和時間（電荷流出時間）が設定される。このインピーダンスのオーム性の（実 の）成分が大きいほど、電荷蓄積時間は長くなり、それによって半導体デバイス の制限電流Ｉ_Bは小さくなる。接続６１の抵抗が小さいほど、電荷蓄積時間は短 くなり、また短絡の後のより迅速なスイッチングが可能であるが、制限電流は大 きくなる。一般に電気的接続61は第１の電極７よりも大きな電気抵抗を有し、そ のためにより高い抵抗のポリシリコン導電区間を含んでいる。露出された第２半 導体領域２３に続いて、第２半導体領域３と導電形は等しいが、それよりもキャ リア濃度が低い平らな縁終端３３が表面における電界の強さを減ずるために設け られている。図９に対する変形例では、打込みで形成された第２半導体領域３の 接触は、半導体デバイスの内部範囲の中でも行われ得る。ショットキ接触を有す る実施例と、第１半導体領域２の表面２０における第３半導体領域４との追加的 なｐｎ接合を有する実施例とは、第１の電極７への導電性を制限するために相並 んでショットキ接触および追加的なｐｎ接合が第１半導体領域２の同一の表面２ ０に設けられることによって、互いに組み合わせ可能である。 以上説明した半導体デバイスは、短絡直流電流を卓越した方法で制限するため に適し、そしてまたその際に本質安全な駆動なしでも（受動的に）動作するユニ ポーラな構成要素である。（直流）電流制限器として半導体デバイスを設計する ことにより、定格電流範囲およびなお許容すべき通常の過電流範囲の上側に位置 し、これらの電流範囲を越えると半導体デバイスが自動的に電圧を受け入れるこ とにより、それよりも低い阻止電流Ｉ_Bに電流を制限する所望の飽和電流Ｉ_Satが 設定される。 特に有利な半導体材料であるＳｉＣに対しては、すべての実施例で通常下記の ドーピング濃度が選ばれる：第１半導体領域２、特に半導体層２６に対しては約 ２・１０¹⁷ｃｍ^-3（約６０Ｖの阻止電圧に対して）から約２・１０¹⁶ｃｍ^-3（約 ７００Ｖの阻止電圧に対して）を経て約６・１０¹⁵ｃｍ^-3（約１２００Ｖの阻止 電圧に対して）までの範囲内、基板２７に対して１０¹⁸ｃｍ^-3以上、また第２半 導体領域３および第３半導体領域４に対して約１・１０¹⁸ｃｍ^-3と約２・１０¹⁹ ｃｍ^-3との間、好ましくは約５・１０¹⁸ｃｍ^-3、また接触領域５に対して約１・ １０¹⁸ｃｍ^-3以上。シリコンの場合には、これらのドーピング濃度は一般に１０ ０で除算する必要がある（２桁だけ小さい）。 図１０は、電気的負荷１２に対する交流電圧供給網、たとえば建物設備の相Ｒ と接地電位Ｍｐとの間の線路分岐１７の中の開閉装置を示す。この開閉装置は、 特に図４ないし９の１つと結び付けて図１ないし３の１つにより構成されていて よい電子式の交流電流制限器１３と、交流電流制限器１３の２つの取出し点１３ Ａと１３Ｂとの間の電圧降下を取出す過電圧引外し器１６と、交流電流制限器１ ３と直列に負荷１２の前に線路分岐１７の中に接続されている開閉リレー１４と を含んでいる。開閉リレー１４は、短絡の場合に電圧供給網（Ｒ）から負荷１２ を電気的に切り離すため、電流制限器１３における限界電圧を超過した際に、過 電圧引外し器１６により引外される（開かれる）。その際開閉リレー１４は、そ の接触部が電流制限に際してアークにより負担をかけられないように、特に速く 動作しなくてよい。なぜならば、本発明による電子式の交流電流制限器１３は、 １ミリ秒よりも明らかに短い時間中に非常に速く電流を制限するからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ２９８０１９４５．０ (32)優先日 平成10年２月５日(1998．2．5) (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＮ，ＪＰ，Ｕ Ｓ (72)発明者 バルチュ、ヴォルフガング ドイツ連邦共和国 デー―91054 エルラ ンゲン レネスシュトラーセ 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．交流電流を制限するための装置において、 ａ）交流電流の電流経路の中に接続されている少なくとも１つの半導体デバイス （Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）を有し、この半導体デバイスが、予め定められた極性を有 する順方向電圧を与えられている際には、順方向電圧が電圧零から上昇すると共 に、対応する飽和電圧の際の飽和電流まで単調関数的に増大し、そして飽和電圧 より高い順方向電圧の際に飽和電流より低い制限電流に制限される順方向電流が この半導体デバイスを通って流れるように、また順方向電圧の極性と逆の極性を 有する逆方向電圧を与えられている際には、逆方向電圧が電圧零から上昇すると 共に、予め定められた逆方向降伏電圧まで単調関数的に増大し、また逆方向降伏 電圧を超過した際にキャリア降伏に基づいて明らかにより大きく上昇する逆方向 電流がこの半導体デバイスを通って流れるように構成されており、または制御可 能であり、 ｂ）半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３）がその逆方向の極性の交流電流の半波 で、特に過電流または短絡の際に、逆方向降伏電圧に駆動されることを防止する 保護回路を有する ことを特徴とする交流電流を制限するための装置。 ２． ａ）制限すべき電流経路の中に逆直列に接続されている第１の半導体デバイス（ Ｈ１）および第２の半導体デバイス（Ｈ２）を有し、その際に ｂ）これらの両半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２）に対する保護回路が、第１半導体 デバイス（Ｈ１）に対して逆並列に接続されている第１ダイオード（Ｄ１）と、 第２半導体デバイス（Ｈ２）に対して逆並列に接続されている第２ダイオード（ Ｄ２）とを含んでおり、 ｃ）定格電流範囲内の交流電流が少なくとも主として、また好ましくは実際上完 全に両半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２）を通って流れ、また ｄ）過電流の場合または短絡の場合には、第１の極性または第１の極性と逆の第 ２の極性の各半波の中で、第１または第２半導体デバイス（Ｈ１またはＨ２）に おける飽和電圧の際の飽和電流まで単調関数的に増大し、また対応する飽和電圧 の上側に第１または第２半導体デバイス（Ｈ１またはＨ２）の第１または第２の 極性の電圧が加わっている際には制限電流値に制限され、またその際には実際上 専ら第１または第２半導体デバイス（Ｈ１またはＨ２）を通って、また少なくと も主として第２ダイオード（Ｄ２）を通って流れる ことを特徴とする請求の範囲１による装置。 ３． ａ）制限すべき電流経路の中に逆直列に接続されている第１半導体デバイス（Ｈ １）および第２半導体デバイス（Ｈ２）を有し、その際に ｂ）これらの両半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２）に対する保護回路が、第１半導体 デバイス（Ｈ１）に対して逆並列に接続されている第１ダイオード（Ｄ１）と、 第２半導体デバイス（Ｈ２）に対して逆並列に接続されている第２ダイオード（ Ｄ２）とを含んでおり、 ｃ）各ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の最大の阻止電圧が少なくとも、対応する逆並 列に接続されている半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２）の制限電流の際の最大の順方 向電圧の大きさであり、そして ｄ）各ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の導通方向しきい電圧の絶対値が、対応する逆 並列に接続されている半導体デバイス（Ｈ１、Ｈ２）の逆方向降伏電圧よりも小 さく、またさらにそれぞれ他方のダイオード（Ｄ２、Ｄ１）に対して逆並列に接 続されている半導体デバイス（Ｈ２、Ｈ１）の飽和電圧よりも小さい ことを特徴とする請求の範囲１または２による装置。 ４． ａ）第１半導体デバイス（Ｈ４）および第２半導体デバイス（Ｈ５）を有し、ま た ｂ）これらの両半導体デバイス（Ｈ４、Ｈ５）に対する保護回路を有し、この保 護回路が、第１半導体デバイス（Ｈ４）に対して直列に接続されている第１ダイ オード（Ｄ８）と、第２半導体デバイス（Ｈ５）に対して直列に接続されている 第２ダイオード（Ｄ７）とを含んでおり、その際に、 ｃ）第１ダイオード（Ｄ８）および第１半導体デバイス（Ｈ４）から成る直列回 路が第２ダイオード（Ｄ７）および第７半導体デバイス（Ｈ５）から成る直列回 路に対して逆並列に接続されており、また ｄ）各ダイオード（Ｄ８、Ｄ７）の最大の阻止電圧が少なくとも、対応する直列 に接続されている半導体デバイス（Ｈ４、Ｈ５）の最大の逆方向電圧の大きさで ある ことを特徴とする請求の範囲１による装置。 ５． ａ）制限すべき電流経路の中に接続されている単一の半導体デバイス（Ｈ３）を 有し、その際に ｂ）この半導体デバイス（Ｈ３）に対する保護回路が、それぞれ半導体デバイス （Ｈ３）に対して逆並列に接続されているそれぞれ２つのダイオード（Ｄ３およ びＤ４）から成る２つの直列回路を含んでおり、 ｃ）交流電流が両極性の各々の際に本質的に、そのつどの極性の際に導通方向に 位置する２つのダイオード（Ｄ６、Ｄ４）の１つを通って、その後に半導体デバ イス（Ｈ３）をその順方向に通って、また続いて導通方向に位置する別のダイオ ード（Ｄ３、Ｄ５）を通って流れる ことを特徴とする請求の範囲１による装置。 ６． ａ）単一の半導体デバイス（Ｈ３）を有し、その際に ｂ）保護回路が、４つのダイオード（Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６）から成る全波整 流ブリッジ回路を含んでおり、その対角線の中に半導体デバイス（Ｈ３）が接続 されており、またその他方の対角線に制限すべき交流電流に対応する交流電圧を 与えることができ、その際に ｃ）各ダイオード（Ｄ３ないしＤ６）の最大の阻止電圧が少なくとも半導体デバ イス（Ｈ１、Ｈ２）の制限電流の際の最大の順方向電圧の大きさである ことを特徴とする請求の範囲１による装置。 ７．ダイオード（Ｄ１ないしＤ８）の少なくとも１つがｐｎ整流ダイオードであ る ことを特徴とする請求の範囲２ないし６の１つによる装置。 ８．ダイオード（Ｄ１ないしＤ８）の少なくとも１つがショットキダイオードで ある ことを特徴とする請求の範囲２ないし７の１つによる装置。 ９．ダイオード（Ｄ１ないしＤ８）の少なくとも１つがシリコン（Ｓｉ）の中に 形成されている ことを特徴とする請求の範囲２ないし７の１つによる装置。 １０．各半導体デバイス（Ｈ１ないしＨ５）が少なくとも２ｅＶの禁制帯幅を有 する半導体材料により形成されている ことを特徴とする請求の範囲１ないし９の１つによる装置。 １１．半導体材料としてシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が用いられていることを 特徴とする請求の範囲１０による装置。 １２．少なくとも１つの半導体デバイス（Ｈ１ないしＨ５）および少なくとも１ つのダイオード（Ｄ１ないしＤ８）が半導体基板の上に集積されている ことを特徴とする請求の範囲２ないし１１の１つによる装置。 １３．各半導体デバイス（Ｈ１ないしＨ５）が ａ）第１電極（７）および第２電極（６）と、 ｂ）第１電極（７）と第２電極（６）との間の電極経路の中に位置し、飽和電流 の到達の際に少なくとも空乏層（２３、２４）により狭窄される少なくともチャ ネル領域（２２）を有する第１半導体領域（２）と を含んでいることを特徴とする請求の範囲１ないし１２の１つによる装置。 １４． ａ）第１電極（７）が第１半導体領域（２）と第１半導体領域（２）の第１の表 面（２０）に配置されている少なくとも接触領域（５）の上でオーム接触し、 ｂ）空乏層（２３、２４）の少なくとも１つが第１半導体領域（２）と第２半導 体領域（３）との間のｐｎ接合の空乏層であり、また ｃ）第２半導体領域（３）が第１半導体領域（２）の中に接触領域（５）の下側 に配置されており、またすべての方向に第１半導体領域（２）の第１の表面（２ ０）に対して平行に接触領域（５）の先まで延びている ことを特徴とする請求の範囲１３による装置。 １５． ａ）第１半導体領域（２）がその第１の表面（２０）に多くの接触領域（５）を 有し、 ｂ）接触領域（５）の下側に、すべての方向に第１半導体領域（２）の第１の表 面（２０）に対して平行に接触領域（５）の先まで延びている関連する第２半導 体領域（３）が配置されており、 ｃ）関連する第２半導体領域（３）の中の開口を通ってそれぞれ、電流経路の中 で接触領域（５）に対応付けられている少なくともチャネル領域（２２）に対し て電気的に直列に位置している第１半導体領域（２）のチャネル領域（２９）が 延びている ことを特徴とする請求の範囲１４による装置。 １６． ａ）各々の接触領域（５）の下側に付属の第２半導体領域（３）が第１半導体領 域（２）の中に配置されており、そして ｂ）接触領域（５）に対応付けられている第２半導体領域（３）の間に、電流経 路の中で接触領域（５）に対応付けられている少なくとも１つのチャネル領域（ ２２）に対して電気的に直列に位置している第１半導体領域（２）の追加的なチ ャネル領域（２９）が延びている ことを特徴とする請求の範囲１４による装置。 １７．空乏層（７０）の少なくとも１つがショットキ接触の空乏層である ことを特徴とする請求の範囲１３ないし１６の１つによる装置。 １８．ショットキ接触が第１の電極（７）と、少なくとも接触領域（５）の外側 に位置する第１半導体領域（２）の範囲とにより形成されている ことを特徴とする請求の範囲１７による装置。 １９．空乏層（２４）の少なくとも１つが、第１半導体領域（２）と、第１半導 体領域（２）の第１の表面（２０）に配置されている第３半導体領域（４）との 間に形成されているｐｎ接合の空乏層である ことを特徴とする請求の範囲１３ないし１８の１つによる装置。 ２０．第３半導体領域（４）が、制御電圧を与えることによりチャネル領域（２ ２）中の電気抵抗を制御するための制御電極（９９）と接触させられている ことを特徴とする請求の範囲１９による装置。 ２１．電荷が第３半導体領域（４）中に蓄積可能であるように、第３半導体領域 （４）が、第１半導体領域（２）と境界を接していない前記領域（４）の表面（ ４０）において絶縁領域（１１）により覆われている ことを特徴とする請求の範囲１９による装置。 ２２．第１の電極（７）が第１半導体領域（２）の少なくとも１つの接触領域（ ５）のほかに第３半導体領域（４）とも、その第１半導体領域（２）と境界を接 していない表面（４０）において接触する ことを特徴とする請求の範囲１９による装置。 ２３．第１の電極（７）が追加的に各々の第２半導体領域（３）に、第２半導体 領域（３）の中の蓄積された電荷に対する予め定められた緩和時間が生ずるよう に、電気的に連結されている ことを特徴とする請求の範囲２２による装置。 ２４．各半導体デバイス（Ｈ１ないしＨ５）の飽和電流が少なくとも制限電流の ５倍の大きさである ことを特徴とする請求の範囲１ないし２３の１つによる装置。