JPH026231B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少くとも１つの半導体構成要素（半
導体デバイス）とその機能を監視するコントロー
ル素子とを有する半導体装置に関するものであ
る。

高電流負荷可能性の半導体デバイスに許容しえ
ない過負荷が動作中に加わるのを回避するため
に、動作特性、特に負荷電流及び温度を監視せね
ばならない。例えば温度センサーとしてバイメタ
ルスイツチ又はPPC―抵抗又はNTC―抵抗が使
われるが、これらは半導体デバイスに固定されて
おり且つ該デバイスが最高許容温度になるとそれ
をカツト・オフするように作用する。この種のコ
ントロール素子はしかしながらデバイスの半導体
本体に直接取り付けることが出来ない。半導体本
体とコントロール素子との間に存在する熱抵抗体
のために応答遅れを生じ、これは前記の様な温度
センサーによる半導体装置の有効な保護を妨げる
ものである。

更に特殊な半導体センサーを使用することも知
られている。それらを適用することは、しかしな
がら、付加的な電圧損失及び熱損失をまねくもの
であり、且つ部分的に重要な意味を持つ付加的な
所要空間を必要とする。

それ相当の過負荷の際には比較的高価な保護素
子が破壊されるけれども、結局これらの保護素子
はどんな場合に於ても確実という訳のものではな
い。

従つて本発明は、半導体デバイスの電気的乃至
は温度的な動作特性のコントロールを、どんな場
合に於ても確実にかつ出来るだけ迅速に応答する
ようになすことを可能とする半導体デバイス用の
監視装置を提供することを課題とするものであ
る。本発明は、半導体本体を通して電流を流した
場合、その半導体本体中にいわゆる再結合放射が
生ずるという認識から出発するものであり、その
場合この放射は赤外線を意味し且つこの赤外線放
射は電流に比例するものである。

この課題は、初めに述べた種類の半導体装置に
おいて、半導体デバイスを通して通電する際その
半導体材料内に生ずる再結合放射を受容するため
の内部的な光電効果を有する構成要素を、コント
ロール素子として設けることにより、解決され
る。

このコントロール素子は同時に半導体デバイス
の負荷電流及び温度を監視するように設けうるも
のである。コントロール素子は、少くとも１つの
pn―接合を有する半導体基上に設けたコントロ
ール素子であつてその順方向を使つて又はその暗
電流特性を使つて半導体デバイスの阻止状態にお
ける温度を監視するもの、あるいはpn―接合を
有さない半導体基体上に設けたコントロール素子
であつてその暗抵抗変化の助けで半導体デバイス
の阻止状態における温度を監視するものを設ける
ことができる。

次に図面の第１図から第４図まで示した実施例
に基づいて本発明を説明することにしよう。

第１図は監視すべきサイリスタの半導体にして
それに直接固定されたコントロール素子を有した
ものの横断図である。第２図は本発明による半導
体装置が略図的に且つコントロール素子の機能を
評価するのに適したスイツチング回路が示されて
いる。第３図は半導体デバイスの構造をそのケー
シングの一部及び熱的にケーシングに固定された
コントロール素子と共に部分的に断面でそして部
分的に側面図で示したものである。第４図に於い
ては、適当な方法で半導体デバイスに固定される
べきであり且つ監視回路と結合されるところの光
導電素子が略図的に示されている。

全ての図面に於いて同一部分には同じ符号が付
されている。

サイリスタ構造を構成する第１図による半導体
本体１０は、高オームでｎ型導電性の中央領域１
と、その両側に相接する各１つの高ドーピングし
たｐ型半導電性の領域２もしくは３と、上部の領
域内に取り付けられ高ドーピングされたｎ型半導
電性の領域５と、負荷電流接続用の外側領域２も
しくは５に取り付けられた接触電極４もしくは７
とそしてｐ型導電性の領域３上に取り付けられた
制御接続部用の制御電極６とから成つている。こ
の層を成した構造体は導体部１５と１７の間にし
つかりと配設されている。

本発明によれば半導体本体１０は、表面例えば
接触電極７の表面からｐ型領域３にまで延びる開
口８を備えており、これは電流が流れた際半導体
本体内に生ずる再結合放射用の放射用窓として役
立つものである。再結合放射を吸収するという高
ドーピングされた半導体材料の傾向のために、放
射面を製造するのに単に半導体表面を自由に解放
するというのでは充分ではなく、開口を高オーム
領域の１つにまで達する深さとする必要がある。
開口８の断面は設けられるコントロール素子、例
えば光電受光素子の露光面に適合するものであ
る。開口８の位置は本質的に任意である。しかし
ながら技術的な理由から、例えば電流導体１７の
欠けたところで接触電極７によつて決められた面
の縁にするのが特に有利である。基本的には再結
合放射は半導体材料から出してそしてコントロー
ル素子の露光すべき面に入らねばならない。従つ
て露光の為に設けられた面部分を有するコントロ
ール素子もそれ相当の方法で半導体本体に取り付
けられている。

第１図では、コントロール素子は電気的な絶縁
層２０を介して半導体本体１０の適当に用意され
た表面部分上に固定されている。絶縁物体２０の
固定もコントロール素子３０の固定も、例えば貼
り付け又はろう付けによつても行うことができ
る。絶縁物体としては、例えば酸化物セラミツク
でできた適合されたリング状デイスク、即ちその
表面で隣接する構成部分と結合しておりそして監
視素子の露光すべき面上へ放射を貫通するために
中心領域内に切欠部を備えたものを用い得る。

絶縁物体２０としては、しかしながら水晶でで
きたデイスクを設けることも可能である、という
のは再結合放射のために水晶は無制限的に透過性
の良いものであるからである。

コントロール素子３０を配設するために、絶縁
物体２０上に所望の方法で固定されうる適当な留
め部を設け、その中にコントロール素子が保持さ
れるようにするという他の可能性も存するもので
ある。

開口８の全体に自由に解放されている面には保
護コーテイングとして半導体材料の酸化物からな
る層を設けることが出来る。

この開口８を製造するにはエツチングによつて
又は他の周知の除去法によつて行ないうるもので
ある。コントロール素子３０は上述した如く熱的
に半導体本体１０と連結されている。これは半導
体中の電流監視もそしてその作動温度の監視も最
適になしうるものであるが、この作動温度は例え
ば半導体デバイスの冷却が不足したり又は望まし
くない方法でそのデバイス中での熱伝導性が悪化
したりすることで増加しうるものである。

pn―接合のない半導体基体上にはコントロー
ル素子にいわゆるフオトセルが、少なくとも１つ
のpn―接合を有する半導体基体上にはコントロ
ール素子にフオトダイオードやフオトトランジス
ターと等の補助半導体基素が設けられる。

既に上述した様に半導体本体内の再結合放射は
広い範囲内でそこを通る電流に比例すものであ
る。この様な事実から、そしてpn―結合を有す
コントロール素子の場合にはその順方向特性と暗
電流が、また光電素子の場合にはそれらの暗抵抗
が、それぞれコントロール素子の作動温度、従つ
て監視すべき半導体デバイスの作動温度に関連付
けられうるという点から、本発明は特に望ましい
使用法を取るものである。そうすることによつ
て、半導体デバイスの特性について、ほとんど電
力を要さず惰性のない且つ位相に忠実な監視が驚
くほど簡単に達成しうるものである。

第２図からは、例えばフオトダイオード３０
が、スイツチ３１を介して、一方ではフオトダイ
オードの順方向電圧降下を検出するための測定回
路３２と、そして他方では光電流を測定するため
測定回路３３と接続されていることが分る。その
際該スイツチは、電源同期式パルス発生器を用い
て電源周波の半波のリズムで切換可能にするのが
好ましい。一度フオトダイオード３０の測定回路
３２中にある電流発生器によつて該ダイオードの
一定の順方向電流が印加され、そうして保護すべ
きデバイスとフオトダイオードの熱的な結合に依
存して、フオトダイオードの順方向電圧降下が確
定される。これは周辺温度に対して逆比例して変
わるので、その結果測定値を監視すべき作動温度
と直接比較することが可能となる。

第２にフオトダイオード３０は測定回路３３中
の電圧源によつて阻止方向に駆動され、そして光
電流はコントロール素子の受光面上の照度の関数
として表われる。そのようなものとしての回路並
びにコントロール素子３０の電気的量の測定方法
或いはその増幅のための手段は充分に知られたも
のであり、本発明の対象をするところではない。

暗電流が同じく周囲温度の関数として表示しう
るので、設けれたコントロール素子の利用可能性
に鑑みて高い周波数に於ても暗電流を用いて温度
の監視を行なうことが可能である。測定値の探知
と関連して例えば適当な誤差を知らせることも一
緒に成されうるし、更にサイリスタが取り扱われ
ている時には監視すべきデバイスの点弧回路に対
してまた失弧用の１つの信号を与えることもでき
る。

測定結果の評価は従つてそれ自体は周知で電子
工学的に周知の方法で行うことが可能である。

第２図に示したブロツクダイヤグラムは唯一の
コントロール素子を有する接続法に限定されるも
のではない。むしろ６つの整流デバイスを有する
半導体整流回路に対して例えば全部で６つのコン
トロール素子を図示した監視した監視回路と結合
しうるものである。

第３図にはコントロール素子を取り付けるため
の他の可能性が図示されている。特に有利な様に
銅でできている支持体２４に対して、同時に電流
導体として且つねじ支柱２４ｂを有するケーシン
グ下方部分として役立つ支持体２４は、その上面
に半導体本体１０を取り付けるための突出部２４
ａを備えている。該半導体本体には開口８が設け
られている。部分的にしか示していないケーシン
グ上方部分１５の内面には、コントロール素子３
０、絶縁物体２０を介して支持装置１５ａに次の
様に取り付けられている、即ち半導体本体１０の
開口８から生ずる再結合放射が各コントロール素
子の露光すべき面に当たる様に取り付けられてい
る。その様な装置の構成は、コントロール素子の
機能性を確保するため所定の向い相つた空間的配
置をした状態に対してケーシング部分に特別の目
じるしを必要とするものと了解される。

支持装置１５ａは特に有利にはケーシング１５
にコントロール素子を最適の熱的結合を成すため
に良好な熱伝導性の金属から出来ており、半導体
本体１０に対してコントロール素子が出来るだけ
僅かな距離となるように取り付けられている。

その様な熱的結合は半導体本体との直接的結合
に対してコントロール素子への損失熱が比較的長
い道程であるため監視機能にある所定の惰性が生
ずるが、しかし監視すべきデバイス乃至は冷却装
置の機能を組み立てる熱時抵抗を監視するために
特に表われるものとなる。勿論コントロール素子
３０は基体２４の適当な個所に固定すことも可能
である。

コントロール素子の接続導線は例えばセラミツ
ク管を用いてケーシングを通して上方へ導びくこ
とも出来る。

第４図における図によれば補助半導体素子３０
は単に矢印によつてシンボル印に示した半導体本
体の放射にさらされている。光電流と照度との間
の関係に相応して、例えばフオトダイオードにあ
つては、コントロール素子３０のいわゆる明るい
抵抗は照度の関数を示す。

ベース回路内で、バツテリー３５から光導電素
子３０にベース電圧が印加される。放射によつて
光導電素子に生ずる光電流は抵抗変化を生ずる
が、それは測定用抵抗３６における電圧降下の形
で、そしてこれに並列に接続された本発明にとつ
て本質的でない回路３７を用いて、評価される。
ほぼ同じ基本回路でもつて、コントロール素子３
０の暗抵抗は、また該コントロール素子の作動温
度の関数として且つそれを監視するための半導体
デバイスの温度の関数として役立つものである。

第３図に従うデバイスを製造する際にはそれ自
体周知の方法でまず予め処理のほどこされた支持
体２４上に半導体本体１０が、そしてこの上に上
方の接続導体が取り付けられている、そのうち構
成部分１７ではその一部分だけが指し示されてい
る。

コントロール素子３０を支持する支持装置１５
ａは、ケーシング上方部分と、例えばろう付けに
よつて又は溶接によつて又は金属接着体によつて
しつかりと結合されうるものである。適当なマー
ク付けの助けで引き続いてケーシング上方部分１
５は支持体２４上に固定される。

本発明の対象物の長所は、光電効果を有する公
知の構成要素を使用することによつて、半導体デ
バイスにおける特性諸量をほとんど電力を使わ
ず、惰性がなく、位相に忠実で且つ周波数に関係
しないで監視を行ない得るという点で存するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は監視すべきサイリスタの半導体本体に
して、それに直接固定されたコントロール素子を
有したものの断面図であり、第２図は本発明によ
る半導体装置を略図的に示すと共にコントロール
素子の機能を評価するのに適したスイツチング回
路を示すものであり、第３図は半導体デバイスの
ケーシングの一部及び熱的にケーシングに固定さ
れたコントロール素子を有する半導体デバイスの
構造を部分的に断面でそして部分的に側面図で示
したものであり、第４図は適当な方法で半導体デ
バイスに固定され且つ監視回路と結合された光導
電素子を略図的に示したものである。 １…中間領域、２，３…ｐ型導電性領域、５…
ｎ型導電性領域、４，７…接触電極、６…制御電
極、８…開口、１０…半導体本体、１４，１７…
導体部、２０…絶縁物体、３０…コントロール素
子、３１…スイツチ、３２，３３…測定回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの半導体デバイス１０の機能
   を監視するコントロール素子３０が半導体デバイ
   スに取付けられている半導体デバイス用過負荷保
   護装置において、 コントロール素子３０として内部光電効果を有
   する受光素子が設けられていることと、電流が流
   れた場合に半導体デバイス１０内に生じる再結合
   放射を受容するためのコントロール素子３０の露
   光面が半導体デバイスの半導体材料の高オーム領
   域の１つまでの深さの照射開口８の上に配置され
   ていることと、前記コントロール素子３０として
   半導体デバイスの通電と稼動温度の監視をし且つ
   監視を半導体デバイスの阻止状態で行なうことが
   できる補助半導体素子が設けられていることとを
   特徴とする半導体装置用過負荷保護装置。 ２ コントロール素子３０が半導体デバイス１０
   の半導体材料と伝熱結合されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の過負荷保護装
   置。 ３ コントロール素子３０が少なくとも１つの
   pn接合を有する半導体基体上に設けられている
   ことと、半導体デバイス１０の稼動温度の監視を
   半導体デバイス１０の稼動温度に対応するコント
   ロール素子の稼動温度に依存してコントロール素
   子の順方向特性を検出することにより半導体デバ
   イスの阻止状態で行なわれることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の過負荷保護装置。 ４ コントロール素子３０が少なくとも１つの
   pn接合を有する半導体基体上に設けられている
   ことと、半導体デバイス１０の稼動温度の監視を
   半導体デバイス１０の稼動温度に対応するコント
   ロール素子の稼動温度に依存してコントロール素
   子の暗電流特性を検出することにより半導体デバ
   イスの阻止状態で行なわれることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の過負荷保護装置。 ５ コントロール素子３０がpn接合のない半導
   体基体上に設けられていることと、稼動温度の監
   視を半導体デバイス１０の稼動温度に対応するコ
   ントロール素子の稼動温度に依存してコントロー
   ル素子の暗電流抵抗変化を検出することにより半
   導体デバイスの阻止状態で行なわれることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項に記載の過負荷保護
   装置。