DE1073631B - Vorrichtung zur Temperaturüberwachung einer elektrischen Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur einer elektrischen Halbleiteranordnung. Derartige Halbleiteranordnungen sind beispielsweise elektrisch unsymmetrisch leitende Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Photozellen und Phototransistoren oder Varistoren oder magnetische, elektrische oder magnetisch und elektrisch gesteuerte Halbleiterwiderstände.

Elektrisch unsymmetrisch leitende Halbleiteranordnungen und insbesondere solche derartige Halbleiteranordnungen, die für große Leistungen bemessen sind, können im Betrieb eine Erhöhung ihrer Temperatur erfahren, welche aber unterhalb einer für die betreffende Halbleiteranordnung charakteristischen Temperatur gehalten werden muß, damit keine unerwünschte Veränderung des elektrischen Verhaltens oder keine Beschädigung der Halbleiteranordnungen eintreten kann.

Zur Temperaturkontrolle wurde schon vorgeschlagen, einen p-n-Gleichrichter oder einen Transistor der Meßtemperatur auszusetzen und den Sperrstrom des p-n-Überganges bzw. den Sperrstrom des Transistors als temperaturempfindliche Größe zu messen. Hierbei dienen der p-n-Gleichrichter und der Transistor wie ein Thermometer als Temperaturfühler. Für viele An-Wendungen haftet daher diesem Verfahren der Nachteil der schwierigen Herstellung eines ausreichenden Wärmekontaktes an.

Nun erfordert aber besonders die Überwachung von elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnungen eine empfindliche und äußerst trägheitsarme Temperaturmessung, z. B. soll eine Temperaturerhöhung von 1°C oder weniger innerhalb etwa 20 Millisekunden angezeigt werden. Eine Temperaturkontrolle, welche eine besondere wärmemäßige Kontaktierung notwendig macht, ist daher für eine Anwendung bei elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnungen meist ungeeignet.

Andere Versuche der Temperaturmessung vonTrokkengleichrichtern mit einer großflächigen p-n-Übergangssperrschicht waren nun darauf gerichtet, den Sperrstrom des Trockengleichrichters selbst als temperaturempfindliche Größe zu messen. Um die Temperatur zu ermitteln, die der Trockengleichrichter bei einer betriebsmäßigen Belastung annimmt, müßte man jedoch besonders leistungsfähige Schaltanordnungen vorsehen, welche den Strom, z. B. einen einphasigen Wechselstrom, in jeder halben Periode, während der eine Beanspruchung des Trockengleichrichters in Flußrichtung erfolgt, von dem Meßzweig fernhalten. Schon durch den dafür erforderlichen Aufwand einer leistungsfähigen und synchron mit der Periode des gleichzurichtenden Wechselstromes arbeitenden Schaltanordnung kommt diese Art Temperaturmessung für Vorrichtung zur Temperaturüberwachung einer elektrischen Halbleiteranordnung

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs - G. m. b.H., Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

August StumpeyBelecke/Mohne,
ist als Erfinder ,genannt worden

die Überwachung von Trockengleichrichtern im Betrieb nicht in Frage.

Zur Verringerung des Temperatureinflusses auf das elektrische Verhalten eines zweistufigen Transistor-Gleichstromverstärkers ist bekannt, als Lastwiderstand der ersten Stufe einen temperaturempfindlichen Widerstand zu verwenden. Bei einer geeigneten Charakteristik des temperaturempfindlichen Widerstandes kann nun eine solche Verspannung dem Transistor der zweiten Stufe zugeführt werden, daß der Kollektor-Gleichstrom dieses Transistors auch dann konstant bleibt, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Als temperaturempfindliche Widerstände stehen nichtlineare Elemente, wie Transistoren, Germaniumdioden und Thermistoren, zur Verfügung< Eine Temperaturkompensation einer Halbleiteranordnung kann jedoch eine Temperaturüberwachung derselben im allgemeinen nicht ersetzen, insbesondere nämlich dann nicht, wenn die Belastung der Halbleiteranordnung groß ist oder große Änderungen erfährt.

Nach einer anderen bekannten Anordnung soll· eine Temperaturkompensation eines Transistors erzielt werden, bei welcher mit dem Transistor ein Heißleiter in Wärmekontakt steht und der Heißleiter in Reihe mit einem verhältnismäßig großen, temperaturunabhängigen Vorwiderstand an einer konstanten Gleichspannungsquelle liegt. Mit dieser Schaltmaßnahme soll erreicht werden, daß bei abnehmender Umgebungstemperatur sich die im Heißleiter erzeugte Heizleistung vergrößert. Eine solche Anordnung ermöglicht lediglich eine Temperaturkompensation. Sie ist außerdem mit den Schwierigkeiten eines Wärmekontaktes behaftet.

Manche Halbleiterstoffe weisen nun in Halbleiteranordnungen eine leichte Beemflußbarkeit des Sperrstromes auf. Dieses Verhalten findet man besonders bei

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elektrisch unsymmetrisch leitenden Anordnungen mit Halbleiterstoffen, wie beispielsweise Silizium, bei denen der Sperrstrom sehr klein ist und bei denen das Sperrverhalten hauptsächlich durch die Leitfähigkeitsverhältnisse an der Oberfläche des Halbleiterkörpers bestimmt wird.

Durch die darauf zurückzuführende mangelnde Reproduzierbarkeit der Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes können daher die von der Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes ausgehenden Meßverfahren unter solchen Verhältnissen nicht angewandt werden. Nach der Erfindung gelingt jedoch eine auch von diesen Schwierigkeiten freie sowie gegenüber den Mangeln der bekannten Anordnungen vorteilhafte Temperaturüberwachung von elektrischen Halbleiteranordnungen.

Bei einer Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur einer elektrischen Halbleiteranordnung ist erfindungsgemäß an dem Halbleiterkörper der Halbleiteranordnung unter Bildung einer Sperrschicht eine zusätzliche Elektrode so angebracht, daß keine Beeinflussung der Halbleiteranordnung durch den Flußstrom der zusätzlichen Elektrode auftritt und daß der Flußstrom bzw. die Flußspannung zwischen dieser zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung zur Messung oder/und Regelung der Temperatur der Halbleiteranordnung dient.

Nach einer weiteren Abänderung dieser Vorrichtung ist erfindungsgemäß an dem Halbleiterkörper der Halbleiteranordnung mindestens angenähert sperrschichtfrei eine zusätzliche Elektrode so angebracht, daß keine Beeinflussung der Halbleiteranordnung durch den Strom der zusätzlichen Elektrode auftritt und daß der Strom bzw. die Spannung zwischen dieser zusatzliehen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung zur Messung oder/und Regelung der Temperatur der Halbleiteranordnung dient.

Zur Feststellung der Temperatur kann beispielsweise der Flußstrom bzw. der Strom zwischen der zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung oder die Flußspannung bzw. die zwischen diesen Elektroden abfallende Spannung gemessen und daraus die Temperatur mittels einer Eichkurve bestimmt werden. Zweckmäßig wird der Flußstrom bzw. der Strom zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindest angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung einer Gleichspannungsquelle entnommen.

Damit können rasch verlaufende Temperaturänderungen sehr genau erfaßt werden. Neben der Verwendung einer Gleichspannungsquelle kommt auch die Speisung aus einer Wechselspannungsquelle in Betracht, bei der dann ein integrierend anzeigendes, schreibendes oder messendes Instrument vorgesehen wird. Die Anwendung einer Wechselspannungsquelle kann beispielsweise zur Ausschaltung von etwaigen Einflüssen durch Elektroden der Halbleiteranordnung von Vorteil sein.

Zur Messung oder/und Regelung der Temperatur der Halbleiteranordnung durch spannungsempfindliche Schaltelemente, wie z. B. Thyratrons, wird zweckmäßig in die zusätzliche Elektrode ein konstanter Strom eingespeist und durch den temperatur abhängigen Spannungsabfall zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung das betreffende spannungsempfindliche Meßinstrument oder Schaltelement betätigt. Wird die Betätigung eines stromempfindliehen Schaltelementes vorgesehen, so wird die zusätzliche Elektrode an eine konstante Spannung gelegt und der temperaturabhängige Strom zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung zur Messung oder/und Regelung der Temperatur der Halbleiteranordnung verwendet. Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Vorrichtung kann vorgesehen werden, daß der Strom bzw. die Spannung zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung, gegebenenfalls nach Verstärkung, bei einer einen vorbestimmten Wert übersteigenden Temperatur der Halbleiteranordnung eine oder mehrere Schaltvorrichtungen betätigt, durch welche die Speisespannung abgeschaltet oder die Belastung verringert oder eine Kühlung bzw. stärkere Kühlung eingeschaltet wird.

Um die Empfindlichkeit der vorliegenden Vorrichtung möglichst groß zu machen, ist die zusätzliche Elektrode zweckmäßig in möglichst kleinem Abstand von dem Entstehungsort der Wärme der Halbleiteranordnung angebracht. Vor allem kann hierdurch eine etwaige kleine Wärmeträgheit infolge der Ausbreitung der Wärme von deren Entstehungsort bis zur Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode bzw. bis zu dem Teil des Halbleiterkörpers zwischen zusätzlicher Elektrode und der mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung, also dem den Bahnwiderstand für diesen Stromkreis wesentlich bestimmenden Teil des Halbleiterkörpers klein gehalten werden.

Die Entfernung der Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode bzw. des zwischen zusätzlicher Elektrode und der mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung befindlichen Teiles des Halbleiterkörpers von Sperrschichten der Elektroden der Halbleiteranordnung soll zweckmäßig jedoch so groß gewählt werden, daß eine Einwirkung durch Veränderungen der Sperrschichtausdehnung von einer oder mehreren der Elektroden der Halbleiteranordnung oder durch Injektion von Minoritätsladungsträgern auf den zwischen zusätzlicher Elektrode und mindestens angenähert sperrschichtfreier Elektrode befindlichen Teil des Halbleiterkörpers oder auf die Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode ausreichend klein bleibt. Der Abstand zwischen zusätzlicher Elektrode und mindestens angenähert sperrschichtfreier Elektrode der Halbleiteranordnung soll unter Berücksichtigung vorstehender Verhältnisse möglichst groß gewählt werden, um verhältnismäßig große Änderungen des Bahnwiderstandes durch Temperaturänderungen zu erreichen.

Eine etwaige Erwärmung des Halbleiterkörpers durch den Strom zwischen zusätzlicher Elektrode und mindestens angenähert sperrschichtfreier Elektrode der Halbleiteranordnung kann vernachlässigt werden, da gegebenenfalls die Verlustleistung zwischen diesen beiden Elektroden hinreichend herabgesetzt oder/und der Kontakt der zusätzlichen Elektrode an dem Halbleiterkörper ausreichend kleinflächig ausgeführt werden kann.

Als vorteilhaft erweist sich eine Vorrichtung mit einer zusätzlichen Elektrode mit einer Sperrschicht, bei welcher zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung eine Spannung in Höhe von mindestens der Diffusionsspannung der Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode abfällt. Zur Überwachung der Temperatur einer Halbleiteranordnung mit einem

Halbleiterkörper aus Silizium eignet sich besonders eine solche derartige Anordnung, bei welcher zwischen der zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung eine Spannung von mehr als 1 Volt abfällt.

Die Vorrichtung kann vorteilhaft zur Temperaturüberwachung von elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnungen, vorzugsweise Trockengleichrichtern, z. B. Siliziumtrockengleichrichtern, verwandt werden. ^xo

Nach einem zweckmäßigen, an Hand der Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zur Temperaturüberwachung von Trockengleichrichtern die zusätzliche Elektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers neben der Gegenelektrode angebracht sein. In Fig. 1 ist in zum Teil schematischer Darstellung eine Vorrichtung nach der Erfindung gezeichnet. Auf einer Trägerelektrode 1 befindet sich der Halbleiterkörper 2, z. B. ein Siliziumkristall, an welchem die Gegenelektrode 3, z. B. durch Einlegieren von einer Aluminiumlegierung, angebracht ist. Die zusätzliche Elektrode 4 kann wie die Gegenelektrode 3 durch Einlegieren an dem Siliziumkristall unter Bildung einer Sperrschicht angebracht sein und soll mindestens eine Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, beispielsweise etwa drei Diffusionslängen 3 L, von der Gegenelektrode 3 entfernt sein. 5 und 6 sind Zuleitungen zu der zusätzlichen Elektrode 4 bzw. der Gegenelektrode 3. Die zusätzliche Elektrode 4 kann jedoch auch mindestens angenähert sperrschichtfrei an dem Halbleiterkörper 2 angebracht sein. Zweckmäßig hat die zusätzliche Elektrode 4 von der Trägerelektrode 1 einen Abstand von mindestens der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, beispielsweise einen Abstand von etwa zwei Diffusionslängen 2 L.

Es ist von Vorteil, zum Einhalten des Abstandes der zusätzlichen Elektrode 4 von der Trägerelektrode 1, wie in der zum Teil schematischen Darstellung der Fig. 2 gezeichnet, die Trägerelektrode 1 mit einer Aussparung 7 zu versehen.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Vorrichtung kann die zusätzliche Elektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers neben oder innerhalb einer Aussparung der Trägerelektrode angebracht sein. Die Entfernung der Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode bzw. des zwischen der zusätzlichen Elektrode und der Trägerelektrode befindlichen Teiles des Halbleiterkörpers von der Sperrschicht der Gegenelektrode soll mindestens eine DifEusionslänge der Minoritätsladungsträger betragen, während außerdem zweck- mäßig ein Abstand der Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode bzw. des zwischen der zusätzlichen Elektrode und der Trägerelektrode befindlichen Teiles des Halbleiterkörpers von der Trägerelektrode von mindestens einer Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, beispielsweise etwa drei Diffusionslängen, vorgesehen ist.

Ein weiteres günstiges Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt die Anwendung der Vorrichtung für die Temperaturüberwachung eines Transistors dar.

Bei einer aus einem Transistor bestehenden elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung wird die zusätzliche Elektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers neben einer der Elektroden oder innerhalb einer Aussparung einer der Elektroden des Transistors angebracht. Die Sperrschicht der zusätzlichen Elektrode bzw. der zwischen zusätzlicher Elektrode und mindestens angenähert sperrschichtfreier Basiselektrode befindliche Teil des Halbleiterkörpers soll zweckmäßig von den Sperrschichten der übrigen Elektroden des Transistors so weit entfernt sein, daß eine Beeinflussung durch Veränderungen der Sperrschichtausdehnung oder Injektion des Leitwertes des zwischen zusätzlicher Elektrode und mindestens angenähert sperrfreier Basiselektrode befindlichen Teiles des Halbleiterkörpers hinreichend klein bleibt.

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur einer elektrischen Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halbleiterkörper der Halbleiteranordnung unter Bildung einer Sperrschicht eine zusätzliche Elektrode so angebracht ist, daß keine Beeinflussung der Halbleiteranordnung durch den Flußstrom der zusätzlichen Elektrode auftritt und daß der Flußstrom bzw. die Flußspannung zwischen dieser zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung zur Messung oder/und Regelung der Temperatur der Halbleiteranordnung dient.

2. Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur einer elektrischen Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halbleiterkörper der Halbleiteranordnung mindestens angenähert sperrschichtfrei eine zusätzliche Elektrode so angebracht ist, daß keine Beeinflussung der Halbleiteranordnung durch den Strom der zusätzlichen Elektrode auftritt und daß der Strom bzw. die Spannung zwischen dieser zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung zur Messung oder/und Regelung der Temperatur der Halbleiteranordnung dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung eine Spannung in Höhe von mindestens der Diffusionsspannung der Sperrschicht der zusätzlichen ■ Elektrode abfällt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus Silizium verwendet ist und daß zwischen der zusätzlichen Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung eine Spannung von mehr als 1 Volt im Halbleiterkörper abfällt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in die zusätzliche Elektrode ein konstanter Strom eingespeist ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode an eine konstante Spannung gelegt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußstrom bzw. der Strom zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung einer Gleichspannungsquelle entnommen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode in möglichst kleinem Abstand von dem Entstehungsort der Wärme der Halbleiteranordnung angebracht ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung als Trockengleichrichter aus-

gebildet ist und die zusätzliche Elektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers neben der Gegenelektrode angebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode in einem Abstand von mindestens der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger von der Gegenelektrode angebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode in einem Abstand von mindestens der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, beispielsweise etwa zwei Diffusionslängen, von der Trägerelektrode angebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einhalten des Abstandes der zusätzlichen Elektrode von der Trägerelektrode diese mit einer Aussparung versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ao die Halbleiteranordnung als Trockengleichrichter ausgebildet ist und die zusätzliche Elektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers neben oder innerhalb einer Aussparung der Trägerelektrode angebracht ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode in einem Abstand von mindestens der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger von der Gegenelektrode angebracht ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode in einem Abstand von mindestens der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, beispielsweise etwa der dreifachen Diffusionslänge, von der Trägerelektrode angebracht ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode als kleinflächiger Kontakt an dem Halbleiterkörper angebracht ist.

troden oder innerhalb einer Aussparung einer der Elektroden des Transistors angebracht ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung als Transistor ausgebildet ist und daß die zusätzliche Elektrode in einem solchen Abstand von einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode des Transistors oder/und so auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet ist, daß durch Veränderung der Sperrschichtausdehnung von einer oder mehreren der Elektroden des Transistors eine Einwirkung auf den zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode des Transistors befindlichen Teil des Halbleiterkörpers klein bleibt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung als Transistor ausgebildet ist und daß die zusätzliche Elektrode in einem Abstand von mindestens der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger von injizierenden Elektroden angebracht ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom oder die Spannung zwischen zusätzlicher Elektrode und einer mindestens angenähert sperrschichtfreien Elektrode der Halbleiteranordnung, gegebenenfalls nach Verstärkung, bei einer einen vorbestimmten Wert übersteigenden Temperatur der Halbleiteranordnung eine oder mehrere Schaltvorrichtungen betätigt, durch welche die Speisespannung abgeschaltet oder die Belastung verringert oder eine Kühlung bzw. stärkere Kühlung eingeschaltet wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung als Transistor ausgebildet ist und daß die zusätzliche Elektrode auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers neben einer der Elek-In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 836 826;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 005 644;
Journal of Scientific Instr., Vol. 32, 1955, S. 451 und 452;

R. Rost, »Kristalloden-Technik«, 1954, S. 110, 114, 115;

R. F. Shea, »Transistor Circuits«, 1953, S. 117 bis 179, 474.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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