DE102021106536A1

DE102021106536A1 - Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung, Anordnung aus zwei Leistungshalbleiterbauelementen sowie Verfahren zur Spannungsbegrenzung

Info

Publication number: DE102021106536A1
Application number: DE102021106536.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schiele; Uwe Kellner-Werdehausen; Sebastian Paul Sommer; Reiner Barthelmess
Original assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US20220262960A1; US11973147B2; CN114927516A

Abstract

Leistungshalbleiterbauelement (1) zur Spannungsbegrenzung, aufweisend einen Halbleiterkörper (2) mit einer rückseitigen Basiszone (7) von einem ersten Leitungstyp (p), einer Innenzone (8) von einem zweiten Leitungstyp (n) und einer vorderseitigen Basiszone (9) vom ersten Leitungstyp (p), wobei die rückseitige Basiszone (7) mit einer rückseitigen Elektrode (11) elektrisch kontaktiert ist und die vorderseitige Basiszone (9) mit einer vorderseitigen Elektrode (10) elektrisch kontaktiert ist, wobei in eine der beiden Basiszonen (7, 9) eine als Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp (n) ausgebildete Einschaltstruktur (12) eingebettet ist, die von der jeweiligen Elektrode (10, 11) kontaktiert ist, wobei die Einschaltstruktur (12) mittels wenigstens einer Zündstruktur (13, 14, 16, AG) einschaltbar ist, die mittels wenigstens eines ihr zugeführten elektrischen Einschaltsignals aktivierbar ist, wobei zumindest eine Zündstruktur (13) als eine Durchbruchstruktur eines ersten Typs vorgesehen ist, die sich bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Höhe aktiviert, und zumindest eine weitere Zündstruktur (14) als eine Durchbruchstruktur eines zweiten Typs vorgesehen ist, die sich bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungssteilheit (du/dt) aktiviert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung, eine Anordnung aus zwei Leistungshalbleiterbauelementen zur Spannungsbegrenzung sowie eine Anordnung aus einem Leistungstransformator und einem Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung, Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Spannungsbegrenzung mittels eines Leistungshalbleiterbauelements.
Leistungshalbleiter werden zunehmend in Mittel-/Hochspannungsnetzen bzw. Mittel-/Hochspannungssysteme, das heißt in Hochspannungsnetzen/-systemen für elektrische Spannungen größer als 1 kV, zum Beispiel Mittelspannungsnetze im Bereich von 1 kV bis 50 kV oder 1 kV bis 60 kV oder darüber hinaus, eingesetzt. Die Anforderungen durch Blitzeinschläge führen auch zu besonderen Anforderungen an die Überspannungsfestigkeit. Diese werden auch im Rahmen der Typprüfung von Mittelspannungssystemen geprüft. Beispielsweise wird bei 33-kV-Systemen eine Impulsspannung von bis zu 170 kV (1,2 / 50 µs) an das System angelegt. Die Norm IEC 60076-11 ist ein Beispiel. Die direkt in der Mittelspannungsanwendung installierten Halbleiter bzw. Leistungshalbleiter müssen diesen Test ebenfalls bestehen.
Bei einem extrem schnellen transienten Fehlerfall, das heißt Spannungstransiente mit extrem hohem du/dt und Überspannung, ist die Möglichkeit einer (An-)Steuerung, die in Echtzeit eine Reaktion des Halbleiters auf das Fehlerereignis bewirkt, für den Halbleiter je nach Betrieb nicht gegeben. Außerdem erfordern Schutzschaltung ihrerseits einen Schutz. In einem solchen Fehlerfall kann der Halbleiter auch durch seine reguläre Zündung, zum Beispiel durch einen Lichtimpuls oder ein elektrisches Zünd-/Einschaltsignal in Verbindung mit einer externen Fehlerschutzbeschaltung, nicht mehr ausreichend schnell und sicher eingeschaltet werden, ohne dass er dabei selbst und damit auch seine unmittelbare Anwendungsumgebung zerstört werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer zuverlässigen Spannungsbegrenzung bei schnellen, insbesondere hochtransienten, Hochspannungs-/Stoßspannungsereignissen wie beispielsweise bei Blitzeinschlägen bereitzustellen, um einen sicheren Betrieb elektrischer Anlagen und Systeme, insbesondere in Mittel- und Hochspannungsanwendungen, auch bei solchen Fehlerereignissen zu gewährleisten. Zudem soll diese Schutzfunktion den elektrischen Anlagen bzw. Systemen ohne großen baulichen bzw. konstruktiven Aufwand bereitstellbar sein, u. a. zum Beispiel auch bereits bestehenden elektrischen Anlagen/Systemen nachträglich zur Verfügung gestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Anordnung aus Leistungshalbleiterbauelementen mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und eine Anordnung aus einem Leistungstransformator und einem Leistungshalbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Spannungsbegrenzung mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.
Erfindungsgemäß weist ein Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung einen Halbleiterkörper auf, in dem in einer vertikalen Richtung ausgehend von einer Rückseite hin zu einer der Rückseite gegenüberliegenden Vorderseite eine rückseitige Basiszone von einem ersten Leitungstyp (z. B. p-Typ), eine Innenzone von einem zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp (z. B. n-Typ) und eine vorderseitige Basiszone vom ersten Leitungstyp aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die rückseitige Basiszone mit einer rückseitigen Elektrode (hierin auch als Anode bezeichnet) elektrisch kontaktiert ist und die vorderseitige Basiszone mit einer vorderseitigen Elektrode (hierin auch als Kathode bezeichnet) elektrisch kontaktiert ist, wobei wenigstens in eine der beiden Basiszonen wenigstens eine als Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp ausgebildete Einschaltstruktur eingebettet ist, die von der die einbettende Basiszone kontaktierenden Elektrode elektrisch kontaktiert ist, wobei die Einschaltstruktur mittels wenigstens einer auf diese elektrisch über den Halbleiterkörper einwirkenden Zündstruktur einschaltbar ist, die mittels wenigstens eines ihr zugeführten elektrischen Einschaltsignals aktivierbar ist, wobei zumindest eine Zündstruktur (13) als eine Durchbruchstruktur eines ersten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungshöhe (= Durchbruchspannung) aktiviert zu werden, und zumindest eine weitere Zündstruktur als eine Durchbruchstruktur eines zweiten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungssteilheit aktiviert zu werden.
Als Mittel- bzw. allgemein als Hochspannung ist eine elektrische Spannung größer als 1 kV zu verstehen, zum Beispiel im Bereich von etwa 1 kV bis etwa 60 kV oder etwa 1 kV bis etwa 52 kV.
Die beiden gemäß der Erfindung vorgesehenen Durchbruchstrukturen ersten und zweiten Typs gewährleisten insbesondere für den eingangs beschriebenen Anwendungsfall (d. h. bei schnellen, hochtransienten Hochspannungs-/Stoßspannungsereignissen) einen zuverlässigen Überspannungsschutz durch interne, im erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement direkt integrierte und miteinander kombinierte Spannungsbegrenzungsfunktionen. Einerseits stellen die Schutzfunktionen ein ausreichend schnelles Einschalten sicher und andererseits verhindern sie in zuverlässiger Weise Schäden am Leistungshalbleiterbauelement selbst, die ansonsten durch die hohen elektrischen Einschaltbelastungen (z. B. Leistungsdichte im Halbleiterkörper) in den vorgenannten Stoßspannungsfällen auftreten würden.
Weiterhin vereinfacht die Erfindung den Aufbau eines solchen Leistungshalbleiterbauelements sowie seine Anwendung in Mittel- und Hochspannungsanlagen/-systemen dadurch, dass keine externe Schutzbeschaltung vorgesehen werden muss, um den Halbleiter im Bedarfsfall beispielsweise mit einem elektrischen oder optischen Einschaltsignal zu zünden/einzuschalten. Das Leistungshalbleiterbauelement gemäß der Erfindung kann zum Beispiel direkt auf der Hochspannungswicklung eines Hochspannungs-Leistungstransformators eingesetzt werden, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.
Die Kombination der zwei integrierten Durchbruchstrukturen ersten und zweiten Typs stellen insgesamt drei Teilfunktionen bereit, die den Schutz des Leistungshalbleiterbauelements und seiner Umgebung vor Überlastung durch Überspannungen gewährleisten. Das Leistungshalbleiterbauelement wird intern bei einem Überspannungsereignis ausgelöst und dabei nicht beschädigt, wenn eine vorbestimmte Spannungssteilheit du/dt überschritten wird (Aktivierung der Durchbruchstruktur zweiten Typs) und/oder eine vorbestimmte Anoden-Kathodenspannung überschritten wird (Aktivierung der Durchbruchstruktur ersten Typs), wobei das Leistungshalbleiterbauelement innerhalb einer Aktivierungs-/Einschaltverzögerungszeit der Durchbruchstruktur des ersten und zweiten Typs sowie wahlweise weiterer vorgesehener Zündstrukturen (z. B. AG-Struktur), die beispielsweise etwa 0,5 µs bis zu 5 µs dauern kann, bis das gesamte Leistungshalbleiterbauelement bzw. die als Einschaltstruktur dienende Emitterstruktur ein- bzw. durchschaltet und die anliegende Überspannung begrenzt bzw. abbaut, ein vorbestimmtes Avalanche-Verhalten aufweist, das dafür sorgt, dass das Leistungshalbleiterbauelement diesen zeitlich begrenzten Zustand sehr hoher Leistungsdichte unbeschadet übersteht, obwohl der konkrete Verlauf der Spannungsbeanspruchung bei einem Überspannungs-/Stoßspannungsereignis im Voraus nicht bekannt ist.
Zum Beispiel stellt bei einem besonders steilen Spannungsanstieg an den Anoden-Kathoden-Anschlüssen die Durchbruchstruktur zweiten Typs (du/dt) bereits ihre Schutzwirkung zum Auslösen/Einschalten des Halbleiterbauelements (du/dt-Schutzfunktion) wirksam bereit, wobei zu diesem Zeitpunkt die vorbestimmte Durchbruchspannungshöhe für die Durchbruchstruktur des ersten Typs noch nicht erreicht wird.
Da das Leistungshalbleiterbauelement aufgrund seiner Struktur und wegen der extrem kurzen Anstiegszeit der Spannung und seiner Zündverzugszeit zu genau diesem Zeitpunkt nicht beliebig schnell ein- bzw. durchschalten kann, erreicht die Anoden-Kathoden-Spannung letztendlich die Durchbruchschwelle der Durchbruchstruktur des ersten Typs, wodurch diese ihre Schutzfunktion zur Aktivierung des Halbleiterbauelements (zusätzlich) wirksam aktiviert.
Falls das Leistungshalbleiterbauelement beim Erreichen der definiert eingestellten Spannungsschwelle für die Durchbruchstruktur des ersten Typs noch nicht schnell genug bzw. vollständig ein- bzw. durchgeschaltet hat, um die Anoden-Kathoden-Spannung auf den zulässigen Bereich zu begrenzen bzw. die anliegende Spannung zu verringern, muss das Halbleiterbauelement selbst am Ende noch die während dieser Verzögerungs-/Zündverzugsphase anliegende Überspannung aushalten. Durch das Avalanche-Verhalten des Halbleiterbauelements wird diese Spannung so lange sicher geklemmt (z. B. für die Dauer von 0,5 µs bis 5 µs), bis das Halbleiterbauelement ausreichend ein- bzw. durchgeschaltet ist, in Folge dessen sich die an der Anode und Kathode anliegende Spannung sehr schnell abbaut (< 90% und darunter bzgl. des Niveaus der geklemmten anliegenden Überspannung), und somit das Hochspannungssystem und sich selbst vor der Zerstörung durch die Überspannung schützt. Während dieser kurzen Phase ist das Halbleiterbauelement einer extrem hohen Leistungsdichte ausgesetzt (hohe Spannung in der Nähe des Avalanchedurchbruchs des Bauelements und sehr hoher Sperrstrom im Amperebereich).
Damit kann sich die transiente Überspannung auf dem Mittel-/Hochspannungsnetz (z. B. durch einen Blitzimpuls) nicht mehr im System ausbilden. Das System ist geschützt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die gesamte Einschaltdauer des Leistungshalbleiterbauelements, das heißt bis zum vollständigen Durchschalten auch der Einschaltstruktur (Emitterstruktur) nach der Aktivierung der Zündstrukturen noch eine gewisse weitere Zeit vergeht, die von der Größe (Durchmesser) des Halbleiterbauelements abhängt und beispielsweise bis zu mehrere 100 µs bis 1 ms oder darüber hinaus betragen kann, bis sich das Stromplasma im Bereich der Hauptelektrode (Kathode) in radialer Richtung von innen nach außen vollständig ausgebreitet hat, wobei eine typische Ausbreitungsgeschwindigkeit etwa 0,1 mm/µs betragen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt die Höhe der die Zündstruktur des ersten Typs aktivierenden Hochspannung (= Durchbruchspannung) in einem Bereich von 60 % bis 90 %, bevorzugt von 65 % bis 85 %, noch weiter bevorzugt von 70 % bis 80 %, einer maximalen Durchschlagspannung des Halbleiterkörpers.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Zündstruktur des ersten Typs als Break-Over-Halbleiterstruktur (BOD) ausgebildet.
Eine solche Break-Over-Halbleiterstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass die BOD bei Überschreiten einer bestimmten Spannung (Durchbruchspannung) entsprechender Polarität von einem hochohmigen Ausgangszustand in einen niederohmigen, leitenden Zustand (breakover) kippt. Dieser Zustand besteht so lange, bis ein bestimmter Haltestrom unterschritten wird. Danach kippt die Break-Over-Halbleiterstruktur wieder in den hochohmigen Ausgangszustand.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Zündstruktur des ersten Typs in einem Zentralbereich des Halbleiterkörpers angeordnet und die Zündstruktur des zweiten Typs in Bezug auf die Zündstruktur des ersten Typs in einer radialen Richtung des Halbleiterkörpers weiter außen angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in einer radialen Richtung des Halbleiterkörpers zwischen der wenigstens einen Zündstruktur und der Einschaltstruktur eine Zündstufenstruktur (auch als Amplifying-Gate-Struktur bzw. AG-Struktur bezeichnet) mit wenigstens einer Zündstufe vorgesehen und derart angeordnet, dass die wenigstens eine Zündstruktur bei ihrer Aktivierung die Einschaltstruktur über Zünden der wenigstens einen Zündstufe einschaltet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Zündstruktur des zweiten Typs derart im Halbleiterkörper angeordnet, dass sie bei ihrer Aktivierung die wenigstens eine Zündstufe der Zündstufenstruktur zündet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Zündstruktur der wenigstens einen Zündstruktur als lichtempfindlicher Halbleiterbereich ausgebildet, dem als das aktivierende Einschaltsignal ein optisches Signal zuführbar ist, wobei eine der Zündstufen die lichtempfindliche Zündstruktur sein kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Zündstufen vorgesehen, wobei zwischen der einen Zündstufe und der anderen Zündstufe ein lateraler Strombegrenzungswiderstand angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Zündstruktur der wenigstens einen Zündstruktur als Elektrode ausgebildet, der als das aktivierende Einschaltsignal ein elektrisches Signal zuführbar ist, wobei eine Zündstufenelektrode der wenigstens einen Zündstufen die als Elektrode ausgebildete Zündstruktur bildet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die als Elektrode ausgebildete Zündstruktur die Zündstufenelektrode der Zündstufe der wenigstens einen Zündstufe, die in radialer Richtung des Halbleiterkörpers nach dem Strombegrenzungswiderstand und vor der Einschaltstruktur angeordnet ist, das heißt zwischen dem Strombegrenzungswiderstand und der Einschaltstruktur.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die vorderseitige Elektrode und die rückseitige Elektrode jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen, z. B. metallischen, Kontaktscheibe elektrisch leitend druckkontaktiert sind. Hierbei kann die jeweilige Kontaktscheibe vorzugsweise dieselbe laterale Erstreckung/Weite wie die entsprechende Elektrode aufweisen, so dass die Kontaktscheibe die entsprechende Elektrode vollständig überdeckt. Die Kontaktscheiben können fest, beispielsweise mittels einer Legierung, mit der entsprechenden Metallelektrode des Halbleiterkörpers verbunden sein oder nur lose auf diesen aufliegen. Die Kontaktscheiben können als reine Molybdänscheiben ausgebildet sein oder aus einer Kombination aus einer Molybdän- und Kupferscheibe bestehen, wobei sich vorzugsweise Molybdän in direktem Kontakt mit der Metallisierung des Halbleiterkörpers befindet.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der elektrisch leitfähigen Kontaktscheiben derart ausgebildet, dass sie als Wärmesenke zur Ableitung von in dem Halbleiterkörper erzeugter Wärme aus dem Halbleiterkörper heraus fungiert. Hierbei kann bevorzugt die die Wärmesenke bildende Kontaktscheibe vollständig oder zum größten Teil aus Molybdän hergestellt sein. Die als Wärmesenke dienende Kontaktscheibe kann je nach gewünschten Wärmeübertragungs-/Wärmeableiteigenschaften eine entsprechende Dicke aufweisen. Ist im Wesentlichen lediglich eine der beiden Kontaktscheiben als Wärmesenke vorgesehen, kann die die Wärmesenke bildende Kontaktscheibe eine wesentlich größere Dicke aufweisen als die andere Kontaktscheibe.
Nach einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der als Wärmesenke dienenden Kontaktscheibe und der jeweiligen Elektrode eine Niedertemperaturverbindungsschicht (NTV) angeordnet sein, die beispielsweise als Sinterschicht ausgebildet ist.
Wie hierin bereits erläutert wurde, kann das Leistungshalbleiterbauelement, wenn es den „Avalanche“-Zustand für wenige Mikrosekunden erreicht, einer sehr hohen Leistungsdichte ausgesetzt sein. Bei gleichzeitig sehr hoher anliegender Sperrspannung und hohen Sperrströmen, die im Amperebereich liegen können, kommt es zu einer starken kurzeitigen Erwärmung des gesamten Bauelements, sowohl in der aktiven Fläche, die direkt von den Kontaktscheiben kontaktiert und gedrückt wird, als auch im Randbereich des Bauelements. Der Randbereich ist bevorzugt durch eine Passivierung (Silikon) geschützt. Eine dicke Molybdänkontaktscheibe kann als Wärmesenke dienen und einen Großteil dieser impulsartigen transienten Wärmeentwicklung aufnehmen. Für diesen Fall ist daher wesentlich, dass zwischen der Metallisierung (Elektroden) des Halbleiterkörpers und der wärmeableitenden, dicken Mo-Kontakt- bzw. Trägerscheibe eine kontaktschlüssige oder eine feste Verbindung (z. B. NTV) besteht und dass sich der durch die Passivierung überdeckte Randbereich des Halbleiterbauelements selbst auch im Bereich dieser „schlüssigen“ Verbindung mit der Mo-Trägerscheibe befindet und nicht über die Mo-Trägerscheibe hinaus übersteht (bzw. keine feste Verbindung aufweist). Eine feste Verbindung garantiert gegenüber einem „losen“ Aufbau („Free-Floating“) einen geringeren Wärmeübergangswiderstand. Dieser Aufbau unterstützt die sichere und zuverlässige Funktion des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein den Halbleiterkörper aufnehmendes Gehäuse vorgesehen, das eine Durchleitung lediglich für die an der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode jeweils anliegende Hochspannung aufweist. Das Gehäuse ist beispielsweise ein Diodengehäuse mit zwei elektrischen Anschlüssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung aus einem ersten Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen und einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen bereitgestellt, wobei die beiden Leistungshalbleiterbauelemente antiparallel zueinander elektrisch verschaltet sind. Diese Verschaltung der beiden Leistungshalbleiterbauelement stellt im Gegensatz zu der bis hierher beschriebenen unidirektionalen Funktionsweise des Leistungshalbleiterbauelements eine bidirektionale Funktionsweise bereit, die bei an den beiden Elektroden angelegter positiver sowie negativer Mittelhochspannung eine Schutzwirkung gewährleistet.
Es ist anzumerken, dass bezüglich anordnungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile anordnungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements Bezug genommen wird. Das heißt, Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements können in sinngemäßer Weise ebenso zur Definition der erfindungsgemäßen Anordnung herangezogen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenfalls können Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Anordnung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements herangezogen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Leistungshalbleiterbauelemente in einem gemeinsamen Halbleiterkörper diametral zueinander angeordnet und von einem Separationsgraben elektrisch voneinander getrennt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Separationsgraben als galvanische Trennung oder Widerstandszone zwischen den beiden Leistungshalbleiterbauelementen ausgebildet. Als Widerstandszone kann beispielsweise eine schwach dotierte Halbleiterzone, zum Beispiel p-Zone, vorgesehen sein.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung aus einem Leistungstransformator und wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement zur Spannungsbegrenzung nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen bereitgestellt, wobei das Leistungshalbleiterbauelement an einer Hochspannungswicklung des Leistungstransformators angeschlossen ist.
Als Leistungstransformator kann im Sinne der Erfindung ein elektrischer Transformator verstanden werden, der für Leistungen im Bereich von beispielsweise etwa 1 MVA bis etwa 100 MVA ausgelegt ist. Hierzu sollen insbesondere Geräte in elektrischen Energienetzen zählen, die häufig als Dreiphasenwechselstrom-Transformator ausgeführt sein können, aber auch als einphasige Transformatoren zum Beispiel für die Bahnstromversorgung.
Auch hinsichtlich der Anordnung des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements mit dem Leistungstransformator sei darauf verwiesen, dass bezüglich anordnungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile anordnungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements Bezug genommen wird und umgekehrt. Insofern kann auch hier auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Leistungstransformator ein Hochspannungstransformator, das heißt ein Transformator, der eingerichtet ist, elektrische Spannungen größer als 1 kV zu transformieren, z. B. Mittelhochspannungen im Bereich von etwa 1 kV bis 50 kV oder etwa 1 kV bis 60 kV oder auch Hochspannungen oberhalb von 60 kV oder darüber hinaus.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement stellt den gewünschten Überspannungsschutz durch die im Halbleiterkörper integrierte Schutzfunktionen bereit. Damit benötigt es keine vom Betrieb der zu schützenden elektrischen Anlage/Hochspannungsanlage abhängige Steuerinformationen/Steuersignale. Die Schutzfunktion gewährleistet einen sicheren Betrieb der elektrischen Anlage.
Die die Schutzfunktion bereitstellende Zündstruktur(en), insbesondere die Durchbruchstrukturen des ersten und/oder zweiten Typs, sind grundsätzlich bevorzugt in einem zentralen Bereich des Halbleiterkörpers angeordnet, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein.
Im Falle eines schnellen Hochspannungsereignisses löst das Leistungshalbleiterbauelement ohne externen Eingriff selbst aus, das heißt bei sehr schnellen, hochspannungsintensiven Ereignissen schaltet es zerstörungsfrei ein, um Schäden an sich selbst und dem angeschlossenen System zu vermeiden. Dies ermöglicht einen drastisch vereinfachten Schutz vor zum Beispiel Blitzeinschlägen.
Die integrierten Schutzfunktionen (Zündstrukturen ersten und zweiten Typs) können aus zwei verschiedenen Teilfunktionen bestehen, die zusammen den Schutz des Leistungshalbleiterbauelements vor Überlastung durch Überspannung gewährleisten. Diese Funktionen lösen das Schalten des Leistungshalbleiterbauelements intern aus, wenn eine bestimmte Anoden-Kathoden-Spannung überschritten wird und/oder wenn eine bestimmte Spannungssteilheit du/dt überschritten wird. Durch die zielgerichtete Auslegung der integrierten Schutzfunktionen kann eine Beschädigung des Halbleiterbauelements sicher verhindert werden, wie hierin ausführlich erläutert ist.
Zusätzlich kann die Überspannungsschutzfunktion auch in einem Triggerbereich durch einen von außen zugeführten Lichtimpuls (z. B. Lasersignal) und/oder durch ein von außen zugeführtes elektrisches Einschaltsignal bewirkt sein. Der Triggerbereich mit den integrierten Schutzfunktionen befindet sich (im Wesentlichen genau) im Zentrum, so dass das Gerät bei sehr schnellen, hochspannungsintensiven Ereignissen zerstörungsfrei eingeschaltet wird.
Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement, z. B. als licht- oder elektrisch gezündeter unidirektionaler oder bidirektionaler Halbleiter mit integrierten Schutzfunktionen ausgebildet und eingerichtet, kann direkt in Mittel-/Hochspannungsanlagen (z. B. an der Hochspannungswicklung von Mittelspannungstransformatoren) ohne externe RC-Schutzbeschaltung oder vergleichbare Systeme eingesetzt werden.
Bei der Ausführung als bidirektionales Bauelement sind vorzugsweise zwei Zündstrukturen jeweils mit BOD- und du/dt-Schutzfunktion gegenüberliegend auf einem Chip (d. h. in einem Halbleiterkörper) angeordnet. Hierbei ist wesentlich, dass sich auf beiden Seiten, das heißt Vorderseite und Rückseite des Halbleiterkörpers, jeweils die BOD- bzw. du/dt-empfindlichen Strukturen befinden. Beide in vertikaler Richtung gegenüberliegende Strukturen dürfen sich jedoch nicht gegenseitig nachteilig im Betriebsfall beeinflussen. Die Strukturen liegen dann räumlich betrachtet nicht genau gegenüber, sondern sind seitlich (in radialer Richtung) in ausreichendem Abstand zueinander versetzt angeordnet. Eine zentrale Lage ist in diesem Fall nicht vorteilhaft.
Dabei erstrecken sich beide Zündstrukturen dann jeweils voneinander abgewandt in die jeweils andere Hälfte des Halbleiterkörpers, liegen also diametral gegenüber.
Damit sich die beiden antiparallel geschalteten Strukturen auch nicht gegenseitig in ihrer Funktion beeinträchtigen, sind sie bevorzugt mittels einer Separation (z. B. Separationsgraben), die durch die Mitte des Chips verläuft, voneinander getrennt. Das bedeutet, dass die Kathodenmetallisierung (Kathodenelektrode) von der ersten Struktur galvanisch getrennt ist von der Anodenmetallisierung (Anodenelektrode) von der zweiten Struktur. Zum Beispiel kann eine Aluminium-Metallisierung in diesem Separationsgraben nicht durchgehend ausgebildet sein (Kathode und Anode auf der einen, selben Seite sind galvanisch getrennt). Zum anderen kann es vorteilhaft sein, auch die Basiszonen (z. B. p-Basis) der beiden antiparallelen Strukturen in diesem Separationsbereich nicht elektrisch durchgehend anzuordnen. Der Separationsbereich kann beispielsweise als streifenförmige Widerstandszone ausgeführt sein, zum Beispiel als schwachdotierte p-Zone (schwache AI-Belegung), in der sich aber stark dotierte p-Zonengebiete befinden.
Zusätzlich kann dieser Separationsbereich bzw. Separationsgraben, der eine Breite von etwa 200 µm bis etwa 500 µm aufweisen kann, noch durch eine zusätzliche lokale (Ladungsträger-)Lebensdauereinstellung ergänzt werden.
Als laterale oder radiale Erstreckungsrichtung im Halbleiterkörper wird hierin eine zur vertikalen Erstreckungsrichtung des Halbleiterkörpers im Wesentlichen senkrechte Richtung verstanden. Im Falle eines beispielsweise als Zylinder (mit geringer Höhe) ausgebildeten Halbleiterkörpers entspricht demnach die vertikale Erstreckungsrichtung der Richtung der Zylinderhöhe und die laterale Richtung der radialen Richtung des Zylinders. Die Begriffe lateral und radial werden hierin gleichbedeutend verwendet.
Weiterhin ist anzumerken, dass sich das vorderseitige Zentrum und das rückseitige Zentrum des Kurzschluss-Halbleiterbauelements unterscheiden können, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist und gewöhnlich auch nicht der Fall ist. Die beiden Zentren legen gewöhnlich eine Symmetrieachse des Halbleiterkörpers fest, von dem aus der Radius des Halbleiterkörpers bestimmt wird. Wenn im Folgenden von einem Zentrum bezüglich einer vorderseitigen Komponente des Kurzschluss-Halbleiterbauelements die Rede ist, so ist bei diesem Zentrum stets das vorderseitige Zentrum zu verstehen, sofern dies hierin nicht ausdrücklich anders bestimmt ist. Ebenso ist bei einer Beziehung zwischen einem Zentrum und einer rückseitigen Komponente des Halbleiterkörpers entsprechend das rückseitige Zentrum zu verstehen, sofern dies hierin nicht ausdrücklich anders bestimmt ist.
Es ist zu verstehen, dass eine mit der vorderseitigen Elektrode elektrisch leitend kontaktierte Emitterstruktur eine vorderseitige Einschaltstruktur ist, bei welcher die Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp in die vorderseitige Basiszone vom ersten Leitungstyp angrenzend an die Vorderseite des Halbleiterkörpers derart eingebettet ist, dass sie durch das Aufbringen der vorderseitigen Elektrode auf die Vorderseite des Halbleiterkörpers wenigstens bereichsweise elektrisch leitend kontaktiert ist. Sinngemäß verhält es sich mit einer mit der rückseitigen Elektrode elektrisch leitend kontaktierten Emitterstruktur, die dementsprechend eine rückseitige Einschaltstruktur ist, bei welcher die Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp in die rückseitige Basiszone vom ersten Leitungstyp angrenzend an die Rückseite des Halbleiterkörpers derart eingebettet ist, dass sie durch das Aufbringen der rückseitigen Elektrode auf die Rückseite des Halbleiterkörpers wenigstens bereichsweise elektrisch leitend kontaktiert ist. Die Kontaktierung der Emitterstruktur mit der jeweiligen vorderseitigen oder rückseitigen Elektrode erfolgt hierbei bevorzugt durch unmittelbaren Kontakt zwischen den jeweiligen Komponenten.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zur Spannungsbegrenzung mittels eines Leistungshalbleiterbauelements, insbesondere eines nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen, die nachfolgenden Schritte auf, wobei das Leistungshalbleiterbauelement einen Halbleiterkörper aufweist, in dem in einer vertikalen Richtung ausgehend von einer Rückseite hin zu einer der Rückseite gegenüberliegenden Vorderseite eine rückseitige Basiszone von einem ersten Leitungstyp, eine Innenzone von einem zum ersten Leitungstyp komplementären zweiten Leitungstyp und eine vorderseitige Basiszone vom ersten Leitungstyp aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die rückseitige Basiszone mit einer rückseitigen Elektrode elektrisch kontaktiert ist und die vorderseitige Basiszone mit einer vorderseitigen Elektrode elektrisch kontaktiert ist, wobei wenigstens in eine der beiden Basiszonen wenigstens eine als Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp ausgebildete Einschaltstruktur eingebettet ist, die von der die einbettende Basiszone kontaktierenden Elektrode elektrisch kontaktiert ist, wobei die Einschaltstruktur mittels wenigstens einer auf diese elektrisch über den Halbleiterkörper einwirkenden Zündstruktur einschaltbar ist, die mittels wenigstens eines ihr zugeführten elektrischen Einschaltsignals aktivierbar ist, wobei zumindest eine Zündstruktur als eine Durchbruchstruktur eines ersten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungshöhe (= Durchbruchspannung) aktiviert zu werden, und zumindest eine weitere Zündstruktur als eine Durchbruchstruktur eines zweiten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungssteilheit (du/dt) aktiviert zu werden:

- Anlegen einer elektrischen Spannung an die vorderseitige Elektrode und die rückseitige Elektrode,
- Aktivieren der Durchbruchstruktur des zweiten Typs infolge einer Spannungsänderung der an den Elektroden anliegenden Spannung größer als die vorherbestimmte Spannungssteilheit und/oder
- Aktivieren der Durchbruchstruktur des ersten Typs infolge einer zwischen der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode anliegenden Hochspannung größer als die vorherbestimmte Spannungshöhe (= Durchbruchspannung),
- Klemmen der zwischen der vorderseitigen Elektrode und der rückseitigen Elektrode anliegenden Spannung auf die vorherbestimmte Spannungshöhe (= Durchbruchspannung) der Durchbruchstruktur des ersten Typs während einer Aktivierungsdauer (insbesondere Einschaltverzögerung) der Zündstrukturen
- vollständiges Einschalten der Einschaltstruktur nach Verstreichen der Aktivierungsdauer und
- Verringern der an den Elektroden anliegenden Spannung, insbesondere auf einen Wert kleiner 10 V.

Die hierin verwendeten Begriffsdefinitionen sind nachfolgend zusammengefasst:

I. Einschaltstruktur:
- Struktur zum Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements und Herstellen einer niederohmigen elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Hauptanschlüssen, das heißt zwischen der Kathoden- und Anodenelektrode.
- Ausführungsform als Emitterstruktur.
II. Einschaltsignal:
- Signal zum Einleiten des Einschaltens einer Einschaltstruktur. Mögliche Ausführungsform als:
  1. a. Separates, dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement extern zugeführtes elektrisches Signal
  2. b. Separates, dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement extern zugeführtes optisches Signal
  3. c. An den elektrischen Hauptanschlüssen (Kathode/Anode) des erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelements anliegende elektrische Spannung/Betriebsspannung
III. Einschaltstrom:
- Ein aus dem Einschaltsignal gewonnener, einer als Emitterstruktur ausgebildeten Einschaltstruktur zugeführter Strom, um diese zu zünden bzw. einzuschalten.
IV. Zündstruktur:
- Struktur zum Weiterleiten des zugeführten Einschaltsignals an eine Einschaltstruktur.
- Mögliche Ausführungsform als:
  1. a. Gate-Elektrode; Zugeführtes Einschaltsignal: II.a
  2. b. Lichtempfindlicher Halbleiterbereich (optisches Gate); Zugeführtes Einschaltsignal: II.b
  3. c. Durchbruchstruktur (z. B. in Form einer BOD-, du/dt-Struktur); Zugeführtes Einschaltsignal: II.c
V. Amplifying-Gate-Struktur (AG-Struktur):
- Zwischen einer Zündstruktur und einer Einschaltstruktur angeordnete Hilfsstruktur zum Verstärken des über die Zündstruktur in das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement eingekoppelten Einschaltsignals.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß der Erfindung,
2 in Ansicht A einen Graphen zur Erläuterung der zielgerichteten Einstellung einer Durchbruchspannung einer als Durchbruchstruktur (BOD-Struktur) ausgebildeten Zündstruktur ersten Typs des in Ansicht B teilweise dargestellten Leistungshalbleiterbauelements aus 1,
3 in Ansicht A eine beispielhafte Anordnung eines Leistungstransformators und zweier Leistungshalbleiterbauelemente aus 1 und in Ansicht B ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer genormten Prüfimpulsspannung und
4 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Leistungshalbleiterbauelements aus 1.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Leistungshalbleiterbauelements 1 gemäß der Erfindung. Das Leistungshalbleiterbauelement 1 zur Spannungsbegrenzung weist einen Halbleiterkörper 2 auf, in dem in einer vertikalen Richtung v ausgehend von einer Rückseite 5 hin zu einer der Rückseite 5 gegenüberliegenden Vorderseite 6 eine rückseitige Basiszone 7 von einem ersten Leitungstyp p, eine Innenzone 8 von einem zum ersten Leitungstyp p komplementären zweiten Leitungstyp n und eine vorderseitige Basiszone 9 vom ersten Leitungstyp p aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die rückseitige Basiszone 7 ist mit einer rückseitigen Elektrode 11 (auch als Anode bezeichnet) elektrisch kontaktiert. Die vorderseitige Basiszone 9 ist mit einer vorderseitigen Elektrode 10 (auch als Kathode bezeichnet) elektrisch kontaktiert. Wenigstens in eine der beiden Basiszonen 7, 9 ist wenigstens eine als Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp n ausgebildete Einschaltstruktur 12 eingebettet, die von der die einbettende Basiszone 7, 9 kontaktierenden Elektrode 10, 11 elektrisch kontaktiert ist. Die Einschaltstruktur 12 ist mittels wenigstens einer auf diese elektrisch über den Halbleiterkörper 2 einwirkenden Zündstruktur 13, 14, 16 und/oder AG einschaltbar, die wiederum mittels wenigstens eines ihr zugeführten elektrischen Einschaltsignals aktivierbar ist. In dem vorliegenden Beispiel ist die Zündstruktur 13 als eine Durchbruchstruktur eines ersten Typs vorgesehen, insbesondere als so genannte Break-Over-Diodenstruktur (BOD). Diese ist ausgebildet, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode 10 und der rückseitigen Elektrode 11 anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungshöhe (= Durchbruchspannung) aktiviert zu werden. Des Weiteren ist bei dem Leistungshalbleiterbauelement 1 eine weitere Zündstruktur 14 als eine Durchbruchstruktur eines zweiten Typs vorgesehen. Diese ist ausgebildet, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode 10 und der rückseitigen Elektrode 11 anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungssteilheit du/dt aktiviert zu werden.
Wie 1 zu entnehmen ist, ist die Zündstruktur 13 des ersten Typs in dem Zentralbereich 4 des Halbleiterkörpers 2 angeordnet. Die Zündstruktur 14 des zweiten Typs ist in Bezug auf die Zündstruktur 13 des ersten Typs bei dem vorliegend gezeigten Halbleiterbauelement 1 in der radialen Richtung r des Halbleiterkörpers 2 weiter außen angeordnet.
Damit werden bei dem vorliegenden Beispiel des Leistungshalbleiterbauelements 1 die beiden Schutzfunktionen in Form zweier Zündstrukturen 13 und 14 bereitgestellt. Die Höhe der Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 13 wird im Wesentlichen durch den Radius ri der Mittelfläche (zentraler Bereiche 4) der Zündstruktur 13 und den Abstand d bestimmt. Diese Schutzspannung kann auf 80 % bis 70 % der maximalen Durchschlagspannung des Leistungshalbleiterbauelements 1 eingestellt werden (s. auch 2).
Des Weiteren ist bei dem in 1 dargestellten Bauelement 1 in der radialen Richtung r des Halbleiterkörpers 2 zwischen der Zündstruktur 13 bzw. 14 und der Einschaltstruktur 12 eine Zündstufenstruktur AG mit vorliegend drei Zündstufen AG1, AG2, AG3 vorgesehen. Diese sind derart angeordnet, dass die Zündstruktur 13 und/oder 14 bei ihrer Aktivierung die Einschaltstruktur 12 über das Zünden wenigstens einer der Zündstufen AG1, AG2, AG3 einschaltet.
Bei dem beispielhaften Leistungshalbleiterbauelement 1 ist die Zündstruktur 14 des zweiten Typs derart im Halbleiterkörper 2 angeordnet, dass sie bei ihrer Aktivierung wenigstens eine der Zündstufen AG1, AG2, AG3, hier die Stufe AG1, der Zündstufenstruktur AG zündet.
Beispielsweise kann die Zündstufe AG1 bzw. ein radial weiter innenliegender Halbleiterbereich als lichtempfindlicher Halbleiterbereich ausgebildet sein, dem als das aktivierende Einschaltsignal (zusätzlich) ein optisches Signal 15 (z. B. Laserlicht) zuführbar ist, wie in 1 angedeutet ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement keine lichtsteuerbare Zündstruktur erfordert, diese jedoch optional vorhanden sein kann, sofern abhängig von der konkreten Anwendung eine externe, optische Ansteuerung/Aktivierung des Halbleiterbauelements 1 zusätzlich gewünscht ist.
Der Bereich, der vom optischen Signal 15 (z. B. Laserlicht) angestrahlt wird, kann sich über den ganzen Bereich mit dem Radius r₂ bzw. bis zum Beginn der Innenkante der Metallisierung 16 des 1. Zündstufe AG1 erstrecken. Innerhalb dieses Halbleiterbereichs (in etwa ein Kreis mit dem Radius r₂) kann das optische Signal auf die nichtmetallisierte Halbleiteroberfläche treffen und in den Halbleiterkörper 2 eindringen. Die Lichtquanten werden energetisch vom Halbleiter absorbiert, worauf als Reaktion Elektron-Lochpaare erzeugt werden. Bei entsprechender Polung der äußeren Spannung (Minuspol am Anschluss K, Pluspol am Anschluss A) driften die Löcher durch die p-Basis 9 zur Kathode 10 und wirken dabei Einschaltsignal bzw. Einschalt-/Zündstrom für die AG-Struktur, insbesondere für die 1. Zündstufe AG1.
Weiter ist bei dem Beispiel der 1 dargestellt, dass zwischen der zweiten Zündstufe AG2 und der dritten Zündstufe AG3 ein lateraler Strombegrenzungswiderstand R angeordnet ist.
Weiterhin kann, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein, eine der Zündstufen AG1, AG2, AG3, vorliegend angedeutet bei der Zündstufe AG3, als weitere, als Elektrode 16 ausgebildete Zündstruktur vorgesehen sein, der als das aktivierende Einschaltsignal ein externes elektrisches Signal 18 zuführbar ist. Erneut sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement keine über ein externes elektrisches Signal 18 aktivierbare Zündstruktur erfordert, diese jedoch optional vorhanden sein kann, sofern abhängig von der konkreten Anwendung eine externe, elektrische Ansteuerung/Aktivierung des Halbleiterbauelements 1 zusätzlich gewünscht ist.
Sofern eine als Elektrode ausgebildete Zündstruktur 16 vorgesehen ist, wird diese allgemein von jener Zündstufe der Zündstufenstruktur AG bereitgestellt, die in zunehmender radialer Richtung r des Halbleiterkörpers 2 nach dem Strombegrenzungswiderstand R und vor der Einschaltstruktur 12 angeordnet ist, vorliegend dementsprechend von der dritten Zündstufe AG3.
Wird die Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 13 erreicht, führt dies zu einem starken Anstieg des Leckstroms. Dieser Strom triggert vorliegend die erste Zündstufe AG1, die wiederum die Hauptemitterstruktur 12 und damit das gesamte Bauelement 1 einschaltet. Der Einschaltstrom der Zündstufenstruktur AG ist maßgeblich von der lateralen Breite dieses ringförmigen Bereichs abhängig.
Ein sehr starker Spannungsanstieg (du/dt-Ereignis) führt zu einem kapazitiven Verschiebungsstrom in der gesamten p-Basiszone, der direkt proportional zur Steigung des Spannungsanstiegs du/dt ist und die Ladung der Sperrschichtkapazität invertiert. Ist du/dt größer als das kritische du/dt der Durchbruchstruktur 14, löst dieser Strom die 1. AG-Stufe AG1 aus, die ihrerseits wieder das Halbleiterbauelement 1 einschaltet. Ähnlich wie bei der Überspannungsschutzstruktur 13 kann der auslösende Strom anhand der Breite w der 1. Zündstufe AG1 bestimmt werden. Hier ist der Durchmesser der Strukturen von entscheidender Bedeutung: Eine höhere du/dt-Festigkeit erfordert einen kleineren Durchmesser, da ein großer Durchmesser zu größeren kapazitiven Verschiebungsströmen führen würde. Dies begrenzt das maximale du/dt und führt zu typischen Strukturen mit einem Durchmesser von unter 1 mm.
Um diese kleinen Strukturen vor hohen Einschaltströmen zu schützen, kann eine Zone mit dem erhöhten Widerstand R in der Basiszone 9 integriert werden, um den Strom zu begrenzen (1). Der Widerstand R liegt je nach Anwendung zwischen etwa 5 Ohm und 50 Ohm.
Das in 1 beispielhaft dargestellte Leistungshalbleiterbauelement 1 kann prinzipiell auf drei verschiedene Arten ausgelöst werden:

1. Mit einem externen Lichtpuls, z. B. Laserpuls
2. Durch ein externes elektrisches Stromsignal
3. Ohne ein externes Signal

Im Fall 1 kann ein optisches Signal 15 direkt in die 1. Zündstufe AG1 eingeleitet werden, welches das Leistungshalbleiterbauelement 1 einschaltet.
Im Fall 2 kann ein externes elektrisches Signal 18 an die 3. Zündstufe AG3 angelegt werden.
In beiden Fällen wird das Bauelement 1 extern getriggert, behält aber zusätzlich die interne Schutzfähigkeit des Überspannungsschutzes der Zündstruktur 13 und des du/dt-Schutzes der Zündstruktur 14 bei.
Im Fall 3 wird das Leistungshalbleiterbauelement 1 nicht extern ausgelöst, sondern nur im Falle eines kritischen Zustands. Externe Steuergeräte sind nicht erforderlich, was zu vereinfachten Systemen unter Beibehaltung des vollen Überspannungs- und du/dt-Schutzes führt. Diese Ausführungsvariante ist besonders bevorzugt, da grundsätzlich keine externe Ansteuerung und Schutzbeschaltung des Leistungshalbeleiterbauelements 1 zur Bereitstellung der hierin beschriebenen Schutzfunktion erforderlich ist.
Nachfolgend sind für das Leistungshalbleiterbauelement 1 aus 1, das ohne Einschränkung beispielhaft auf eine Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 13 des ersten Typs (BOD) von 8 kV ausgelegt ist, geometrische und elektrische Eigenschaften angegeben, die die erfindungsgemäße Wirkung gewährleisten. Es ist zu verstehen, dass andere Werte je nach konkreter Auslegung des Halbleiterbauelements 1 verwendet werden können. Die Erfindung ist nicht zwingend auf die nachfolgend genannten Zahlenwerte eingeschränkt.
Höhe der Durchbruchspannung:
Die hier genannten typischen Größenordnungen, welche die Höhe der Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 13 des ersten Typs (z. B. BOD) maßgeblich bestimmen, gelten allgemein für ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer Sperrspannung von 8 kV. Für diese Spannungsklasse liegt der spezifische Widerstand bzw. Rho-Wert der schwachdotierten Mittelzone des Halbleiters im Bereich von typischerweise 480 Ω·cm, insbesondere z. B. zwischen etwa 450 und 510 Ω·cm. Damit ergibt sich ein Bereich für die Durchbruchschwelle von 7,5 bis 9,5 kV. Die Angaben beziehen sich hierbei auf die Temperatur am Einsatzort, z. B. -40 °C ≤ Tvj ≤ 120 °C.
Im Wesentlichen hängt die Höhe der Durchbruchspannung ab vom Krümmungsradius r₁ des zentralen Durchbruchbereichs der vorderseitigen p-Basiszone, der bevorzugt etwa 40 bis 60 µm betragen kann, sowie vom Abstand d, der im Bereich von etwa 300 bis 450 µm liegen kann. Der Krümmungsradius r₁ hängt auch von der Eindringtiefe d₁ der p-Zone im Zentrum 4 ab, die vorzugsweise im Bereich von etwa 50 bis 70 µm liegen kann. Für andere Sperrspannungsklassen bzw. Rho-Werte können insbesondere die lateralen/radialen Abmessungen entsprechend angepasst werden.
du/dt-Schwelle:
Die gewünschte du/dt-Schwelle der Durchbruchstruktur 14 des zweiten Typs ist im Gegensatz zur Höhe der Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 13 des ersten Typs unabhängig vom Rho-Wert. Sie wird festgelegt durch den Innendurchmesser r₂ der Hilfskathode des 1. AG und kann bevorzugt etwa 400 bis 500 µm betragen, durch die Breite w dieser Hilfskathode (bevorzugt etwa 75 bis 125 µm) sowie durch den spezifischen Flächenwiderstand R_□1 in der p-Zone 14 unterhalb des ringförmigen Hilfskathodengebietes der ersten Zündstufe AG1, der vorzugsweise zwischen etwa 3000 bis 5000 Ω betragen kann. Im Vergleich zur Hauptkathode 12 bzw. den Hilfskathoden der übrigen Zündstufen AG2, AG3 ist dieser Wert um den Faktor 10 bis 20 erhöht. Mit anderen Worten beträgt der in 1 markierte spezifische Flächenwiderstand R_□2 folglich etwa 300 Ω.
Um den gewünschten du/dt-Wert einzustellen, muss der Flächenwiderstand R_□1 prozesstechnisch entsprechend eingestellt und kontrolliert werden. Auf diese Weise lässt sich die Auslöse-/Aktivierungs-Spannungssteilheit für den oben genannten Temperaturbereich Tvj von z. B. 3 kV/µs, bevorzugt in einem Bereich von etwa 2,5 bis 6 kV/µs, gezielt einstellen. Kommt es in der Anwendung zu dem oben beschriebenen Fehlerereignis (Avalanchespannungsimpuls), wird das Halbleiterbauelement 1 ein- bzw. durchgeschaltet und die anliegende Anoden-Kathoden-Spannung begrenzt bzw. auf sehr kleine Werte verringert (< 10 V).
2 stellt in Ansicht A einen Graphen zur Erläuterung der zielgerichteten Einstellung einer Durchbruchspannung der als Durchbruchstruktur (vorliegende BOD-Struktur) ausgebildeten Zündstruktur 13 ersten Typs des in Ansicht B teilweise dargestellten Leistungshalbleiterbauelements 1 aus 1. In 2A stellen die mit einem Quadrat gekennzeichneten Datenpunkte das Ergebnis einer Bauteilsimulation dar, die mit einem Dreieck gekennzeichneten Datenpunkte das Ergebnis einer durchgeführten Messung. Der Graph stellt die Abhängigkeit der einstellbaren Überspannung/Durchbruchspannung V_BOD der Durchbruchstruktur 13 von der Krümmung des zentralen pn-Übergangs und dem Abstand d zwischen dem zentralen p-Bereich 13 und der p-Basis der Durchbruchstruktur 14 der 1. Zündstufe AG1 dar.
3 stellt in Ansicht A eine beispielhafte Anordnung eines Leistungstransformators 19 und zweier Leistungshalbleiterbauelemente 1 aus 1 und in Ansicht B ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer genormten Prüfimpulsspannung 27 von 170 kV und 1,2/50 µs dar, die auf der Hochspannungsseite HV des Transformators 19 zu Prüfzwecken eingespeist wird. Der Leistungstransformator 19 ist bevorzugt ein Hochspannungstransformator, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Der Leistungstransformator 19 kann demnach für elektrische Hochspannung, das heißt für Spannungen allgemein größer 1 kV, sowie für eine elektrische Leistung im Bereich von beispielsweise etwa 1 MVA bis etwa 100 MVA ausgelegt sein.
3 ist weiter zu entnehmen, dass die beiden Leistungshalbleiterbauelemente 1 antiparallel zueinander elektrisch verschaltet und an zwei verschiedenen Wicklungsabgriffen einer Hochspannungswicklung 20 des Transformators 19 angeschlossen sind. Es ist zu verstehen, dass die beiden Leistungshalbleiterbauelemente 1 als jeweils separate Bauelemente ausgeführt sein können.
Die beiden antiparallel verschalteten Leistungshalbleiterbauelemente 1 können alternativ auch in einem einzigen Leistungshalbleiterbauelement 1' vorgesehen sein. In diesem Fall teilen sich beide individuellen Leistungshalbleiterkörper 1 (z. B. wie in 1) bevorzugt einen gemeinsamen Halbleiterkörper 2 (nicht dargestellt), wobei sie in diesem diametral zueinander angeordnet sind.
Die individuellen Leistungshalbleiterbauelemente 1 können in diesem Fall von einem Separationsgraben (nicht dargestellt) elektrisch voneinander getrennt sein. Der Separationsgraben kann beispielsweise als galvanische Trennung oder Widerstandszone zwischen den beiden individuellen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper 2 angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente 1 ausgebildet sein.
3B ist neben dem zeitlichen Verlauf der Prüfimpulsspannung 27 ebenfalls eine Bauteilspannung 28 (Spannung zwischen den Elektroden 10 und 11) des Leistungshalbleiterbauelement 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Zur Verdeutlichung ist die Bauteilspannung 28 ebenfalls in einer vergrößerten Darstellung in 3B wiedergegeben.
Es ist zu erkennen, dass die Bauteilspannung 28 zunächst mit dem steilen Spannungsanstieg der Prüfspannung 27 ebenfalls steil ansteigt. In der Folge wird die Durchbruchstruktur 14 des zweiten Typs aufgrund der sehr großen Spannungssteilheit du/dt aktiviert. Die vorbestimmte Durchbruchspannung, für das vorliegende Halbleiterbauelement 1 beispielsweise 8 kV, der Durchbruchstruktur 13 des ersten Typs ist zu Beginn des Spannungsanstiegs der Prüfspannung 27 noch nicht erreicht und die Durchbruchstruktur 13 ist zunächst inaktiv. Diese wird erst nach Erreichen der Durchbruchspannung, vorliegend 8 kV, aktiviert, wie in der vergrößerten Ansicht der 3B zu erkennen ist.
Wie hierin bereits beschrieben wurde, führt die Kombination der beiden Durchbruchstrukturen 13 und 14 dazu, dass das Avalanche-Verhalten die Bauteilspannung 28 im erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement 1 für die Zeitdauer der Einschaltverzögerung Δt der Zündstrukturen, d. h. im gezeigten Beispiel die Durchbruchstrukturen 13 und 14 sowie die Zündstufenstruktur AG, die gewöhnlich zwischen etwa 0,5 µs und 5 µs betragen kann, auf die vorbestimmte Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 13 klemmt, vorliegend beispielhaft auf 8 kV. Erst nach dem Verstreichen der Einschaltverzögerung Δt, d. h., wenn auch die Einschaltstruktur 12 beginnt einzuschalten, sinkt die Bauteilspannung 28 deutlich ab. Insgesamt ist das Leistungshalbleiterbauelement 1 nach Verstreichen der gesamten Einschaltdauer T_E vollständig durchgeschaltet.
Im Einzelnen: Wenn die im Zentralbereich 4 angeordnete BOD-Struktur 13 bzw. der von ihr gebildete pn-Übergang im Bereich mit Radius r₁ ihre Durchbruchsspannung erreicht, steigt der Sperrstrom lokal an und wirkt als Einschalt-/Zündstrom für die nachfolgende AG-Struktur, insbesondere für die erste Zündstufe AG1. Sobald an den Elektroden 10 und 11 die Spannung 28 eine kritische Schwelle erreicht, steigt der Durchbruchstrom der BOD-Struktur 13 (lokal sehr begrenzt im Bereich der zentralen BOD) stark an, nahezu in Echtzeit auf die Höhe der an den Hauptelektroden 10 und 11 anliegenden Spannung, und zündet AG1, sobald er die Zündschwelle von AG1 erreicht.
Bis jedoch das gesamte Leistungshalbleiterbauelement 1 einschaltet, also in zeitlicher Reihenfolge zuerst die Durchbruchstrukturen 13, 14, dann die AG-Struktur mit ihren Zündstufen AG1, AG2, AG3 und schließlich die nachfolgende Einschalt-/Emitterstruktur 12, die räumlich gesehen den größten Flächenanteil des Halbleiterbauelements 1 ausmacht, vergeht die in 3 dargestellte Aktivierungszeit/Einschaltverzögerungszeit Δt, die bis etwa 5 µs betragen kann. Es ist zu verstehen, dass die Einschaltstruktur 12 bis zu diesem Zeitpunkt erst anfängt zu leiten und noch nicht vollständig durchgeschaltet ist. In dieser Phase verhält sich das Bauteil 1 im Wesentlichen als hochohmiger Widerstand.
Mit zunehmender Ausbreitung des Stromplasmas im Bereich der Einschaltstruktur 12 nimmt der Widerstandswert der durchgeschalteten Zonen, bestehend aus den Hilfsemittern 17 der einzelnen AG-Stufen AG1, AG2, AG3 und dem teilgefluteten Bereich des Hauptemitters 12, ab. Im Zeitbereich größer 5 µs bis zu mehreren 100 µs oder bis etwa 1 ms breitet sich das Stromplasma immer weiter entlang der Einschaltstruktur bzw. Hauptemitters 12 in radialer Richtung r von innen nach außen aus. Der Widerstandswert bzw. die Durchlassspannung, das heißt die zwischen den Elektroden 10 und 11 anliegende externe Spannung, nehmen dabei kontinuierlich ab. Nach einigen 10 µs gehen die inneren AG-Stufen aus, da der Strom nur noch durch die bis dahin sehr niederohmig gewordene Einschaltstruktur 12 fließt.
Die Einschaltverzögerung Δt setzt aus der verzögerten Wirkung der Durchbruchstruktur 13 (geringer Anteil) und im Wesentlichen durch das durch den Durchbruchsstrom getriggerte Einschalten der gesamten Halbleiterstruktur, das heißt beginnend mit dem Einschalten des 1. Zündstufe AG1, und dann durch das nacheinander folgende Einschalten der restlichen Zündstufen AG2 und AG3 bis zum Beginn der linienförmigen Stromführung der Einschalt-/Emitterstruktur 12 zusammen. Letztere ist dann aber noch nicht vollständig über ihre ganze Fläche leitfähig.
Während dieser Einschaltverzögerungsdauer Δt findet die in 3B gezeigte Klemmung der Bauteilspannung 28 statt. Sie beginnt mit dem Anstieg des Durchbruchstromes der BOD-Struktur 13 und endet in etwa mit dem Beginn der linienförmigen Leitfähigkeit entlang einer gewähnlich vorgesehenen Fingerstruktur des Hauptemitters 12.
Der nach Δt schnell abfallende Verlauf der Bauteilspannung 28 ist der voranschreitenden lateralen/radialen Ausbreitung des Stromplasmas in der Einschaltstruktur 12 zuzuordnen und erstreckt sich noch über mehre 100 µs bis etwa 1 ms oder auch darüber, was letztendlich von der Größe der Einschaltstruktur 12 bzw. dem Durchmesser des Halbleiterbauelements 1 abhängt (Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Kathode: ca. 0,1 mm/µs). Diese Zeitdauer ist im Vergleich zu Δt viel länger, das heißt T_E >> Δt. Erst nach Verstreichen der gesamten Einschaltdauer T_E ist das Leistungshalbleiterbauelement 1 vollständig durchgeschaltet.
4 stellt stark vereinfacht einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Leistungshalbleiterbauelements 1 aus 1 dar. In dem gezeigten Beispiel ist die vorderseitige Elektrode 10 (Kathode) und die rückseitige Elektrode 11 (Anode) jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen (z. B. metallischen) Kontaktscheibe 22 bzw. 23 elektrisch leitend druckkontaktiert sind. Es ist zu verstehen, dass der radiale Innenbereich des Leistungshalbleiterbauelements 1, in dem die in 1 dargestellten Strukturen 13, 14, AG1, AG2, AG3 angeordnet sind, nicht von der vorderseitigen Kontaktscheibe 22 kontaktiert ist.
Vorliegend sind die Kontaktscheiben 22 und 23 jeweils Molybdän-Kontaktscheiben, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Des Weiteren ist bei dem vorliegenden Beispiel die vorder- bzw. kathodenseitige Kontaktscheibe 22 mit einem Kupferstempel 24 kombiniert, wohingegen die unter-/anodenseitige Kontaktscheibe 23 als reine Molybdän-Kontakt- bzw. Trägerscheibe ausgeführt ist.
Es ist in 4 zu erkennen, dass die unterseitige Kontaktscheibe 23 eine wesentlich größere Dicke aufweist als die oberseitige Kontaktscheibe 22. Auf diese Weise fungiert die anodenseitige Kontaktscheibe 23 als Wärmesenke, um in dem Halbleiterkörper 2 erzeugte Wärme aus dem Halbleiterkörper 2 abzuführen. Diese wird insbesondere während der in 3B dargestellten Einschaltdauer T_E nach Verstreichen der Einschaltverzögerung Δt erzeugt. Insbesondere in solchen Fällen, in denen nach dem Klemmen der Bauteilspannung (vorliegend beispielhaft auf 8 kV) während der verhältnismäig kurzen Zeitdauer Δt noch deutlich mehr Zeit vergeht, bis das Bauteil 1 vollständig durchschaltet, beispielsweise 50 µs oder mehrere 100 µs bis etwa 1 ms und darüber hinaus, entsteht nach dem Einschalten/Aktivieren der Durchbruchstrukturen 13, 14 sowie der AG-Stufen eine hohe Wärmebelastung im Halbleiterbauelement 1. In diesem Fall ist die als Wärmesenke dienende Kontakt-/Trägerscheibe 23 besonders wirkungsvoll, da sie die im Halbleiterkörper 2 entstehende Wärme zuverlässig und schnell aus dem Bauelement 1 abführt und dieses sicher vor einer thermischen Beschädigung schützt.
Die Dicke der Kontaktscheiben 22 und 23 kann beispielsweise zwischen etwa 1 und 5 mm liegen.
Zusätzlich ist bei dem in 4 gezeigten Beispiel zwischen der als Wärmesenke dienenden Kontaktscheibe 23 und der anodenseitigen Elektrode 11 eine Niedertemperaturverbindungsschicht (NTV) 25 angeordnet, die vorliegend als Sinterschicht ausgebildet ist und eine feste Verbindung zwischen der Kontaktscheibe 23 und der Elektrode 11 mit niedrigem Wärmeübertragungswiderstand bereitstellt. Die NTV-Verbindung ist zur Ausführung der Erfindung jedoch nicht zwingend erforderlich.
Des Weiteren weist das Leistungshalbleiterbauelement 1 in 1 an seinen äußeren Rändern eine Passivierung 26 (Silikon) auf.
Wie 4 deutlich zu entnehmen ist, ist die gesamte rückseitige Anodenelektrode 11 des Halbleiterbauelements 1 von der Kontaktscheibe 23 kontaktiert. Weiterhin ist die maximal mögliche kathodenseitige Bauelementfläche, d. h. die vorderseitige Kathodenelektrode 10, ebenfalls von der Kontaktscheibe 22 und dem Kupferstempel 24 druckkontaktiert.
Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement ist nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale des Leistungshalbleiterbauelements ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise ist eine zur in den Ausführungsbeispielen gezeigten pnp-Struktur des Halbleiterkörpers inverse npn-Schichtenfolge denkbar. In diesem Fall besteht die schwach n-dotierte Halbleiterinnenzone aus einer schwach p-dotierten Innenzone und die vorder- und rückseitigen Basiszonen jeweils aus einer n-dotierten Schicht usw. Die Leitungstypen der hierin beschriebenen Einschaltstrukturen wären in einem solchen Fall ebenfalls entsprechend invertiert.
In besonders bevorzugter Ausführung wird das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement als Berührschutz bzw. Personenschutz sowie zum Anlagen-/Systemschutz in Mittel-/Hochspannungsanlagen verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleiterbauelement
1': Anordnung aus zwei Leistungshalbleiterbauelementen 1
2: Halbleiterkörper
3: Mittelachse
4: Zentralbereich
5: Rückseite
6: Vorderseite
7: Rückseitige Basiszone
8: Innenzone
9: Vorderseitige Basiszone
10: Vorderseitige Elektrode
11: Rückseitige Elektrode
12: Einschaltstruktur / Emitterstruktur
13: Erste Zündstruktur / Erste Durchbruchstruktur
14: Zweite Zündstruktur / Zweite Durchbruchstruktur
15: Optionales optisches Aktivierungssignal, z. B. Lasersignal
16: Zündstufenelektrode
17: Zündstufenemitter
18: Optionales elektrisches Aktivierungssignal
19: Leistungstransformator
20: Hochspannungswicklung
21: Niederspannungswicklung
22: Kathodenseitige Kontaktscheibe
23: Anodenseitige Kontaktscheibe
24: Kupferstempel
25: Niedertemperaturverbindungsschicht
26: Passivierung
27: Prüfspannung
28: Bauteilspannung
A: Anodenanschluss
AG: Amplifying-Gate-Struktur / Zündstufenstruktur
AGn: n-te Zündstufe
BOD: Break-Over-Diode
d: Abstand zwischen 13 und 14
d1: Tiefe von 13
d2: Tiefe von 9
du/dt: Spannungssteilheit
G: Gate-Anschluss
HV: Hochspannung
K: Kathodenanschluss
LV: Niederspannung
n: Leitungstyp n
p: Leitungstyp p
r: Radiale/laterale Richtung
r1
r2
R: Lateraler Strombegrenzungswiderstand
R1: Spezifischer Flächenwiderstand
R2: Spezifischer Flächenwiderstand
t: Zeit
Δt: Einschaltverzögerung
T1: Anstiegszeit
T2: Halbwertzeit
TE: Einschaltdauer
U: Spannung
v: Vertikale Richtung
w: Breite/Weite

Claims

Leistungshalbleiterbauelement (1) zur Spannungsbegrenzung, aufweisend einen Halbleiterkörper (2), in dem in einer vertikalen Richtung (v) ausgehend von einer Rückseite (5) hin zu einer der Rückseite (5) gegenüberliegenden Vorderseite (6) eine rückseitige Basiszone (7) von einem ersten Leitungstyp (p), eine Innenzone (8) von einem zum ersten Leitungstyp (p) komplementären zweiten Leitungstyp (n) und eine vorderseitige Basiszone (9) vom ersten Leitungstyp (p) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die rückseitige Basiszone (7) mit einer rückseitigen Elektrode (11) elektrisch kontaktiert ist und die vorderseitige Basiszone (9) mit einer vorderseitigen Elektrode (10) elektrisch kontaktiert ist, wobei wenigstens in eine der beiden Basiszonen (7, 9) wenigstens eine als Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp (n) ausgebildete Einschaltstruktur (12) eingebettet ist, die von der die einbettende Basiszone (7, 9) kontaktierenden Elektrode (10, 11) elektrisch kontaktiert ist, wobei die Einschaltstruktur (12) mittels wenigstens einer auf diese elektrisch über den Halbleiterkörper (2) einwirkenden Zündstruktur (13, 14, 16, AG) einschaltbar ist, die mittels wenigstens eines ihr zugeführten elektrischen Einschaltsignals aktivierbar ist, wobei zumindest eine Zündstruktur (13) als eine Durchbruchstruktur eines ersten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungshöhe aktiviert zu werden, und zumindest eine weitere Zündstruktur (14) als eine Durchbruchstruktur eines zweiten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungssteilheit (du/dt) aktiviert zu werden.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der die Zündstruktur (13) des ersten Typs aktivierenden Hochspannung in einem Bereich von 60 % bis 90 %, bevorzugt von 65 % bis 85 %, noch weiter bevorzugt von 70 % bis 80 %, einer maximalen Durchschlagspannung des Halbleiterkörpers (2) liegt.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündstruktur (13) des ersten Typs als Break-Over-Halbleiterstruktur (BOD) ausgebildet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündstruktur (13) des ersten Typs in einem Zentralbereich (4) des Halbleiterkörpers (2) angeordnet ist und die Zündstruktur (14) des zweiten Typs in Bezug auf die Zündstruktur (13) des ersten Typs in einer radialen Richtung (r) des Halbleiterkörpers (2) weiter außen angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer radialen Richtung (r) des Halbleiterkörpers (2) zwischen der wenigstens einen Zündstruktur (13, 14) und der Einschaltstruktur (12) eine Zündstufenstruktur (AG) mit wenigstens einer Zündstufe (AG1, AG2, AG3) vorgesehen und derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine Zündstruktur (13, 14) bei ihrer Aktivierung die Einschaltstruktur (12) über Zünden der wenigstens einen Zündstufe (AG1, AG2, AG3) einschaltet.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündstruktur (14) des zweiten Typs derart im Halbleiterkörper (2) angeordnet ist, dass sie bei ihrer Aktivierung die wenigstens eine Zündstufe (AG1, AG2, AG3) der Zündstufenstruktur (AG) zündet.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine noch weitere Zündstruktur der wenigstens einen Zündstruktur (13, 14, 16, AG) als lichtempfindlicher Halbleiterbereich ausgebildet ist, dem als das aktivierende Einschaltsignal ein optisches Signal (15) zuführbar ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Zündstufen (AG1, AG3) vorgesehen sind, wobei zwischen der einen Zündstufe (AG1) und der anderen Zündstufe (AG3) ein lateraler Strombegrenzungswiderstand (R) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine noch weitere Zündstruktur (16) der wenigstens einen Zündstruktur (13, 14, 16, AG) als Elektrode ausgebildet ist, der als das aktivierende Einschaltsignal ein elektrisches Signal (18) zuführbar ist, wobei die als Elektrode ausgebildete Zündstruktur (16) eine Zündstufenelektrode (16) der wenigstens einen Zündstufe (AG1, AG2, AG3) ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die als Elektrode ausgebildete Zündstruktur (16) die Zündstufenelektrode (16) derjenigen Zündstufe (AG3) der wenigstens einen Zündstufe (AG1, AG2, AG3) ist, die in radialer Richtung (r) des Halbleiterkörpers (2) nach dem Strombegrenzungswiderstand (R) und vor der Einschaltstruktur (12) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderseitige Elektrode (10) und die rückseitige Elektrode (11) jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen Kontaktscheibe (22, 23) elektrisch leitend druckkontaktiert sind.
Leistungshalbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Kontaktscheiben (23) derart ausgebildet ist, dass sie als Wärmesenke zur Ableitung von in dem Halbleiterkörper (2) erzeugter Wärme aus dem Halbleiterkörper (2) heraus fungiert.
Leistungshalbleiterbauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der als Wärmesenke dienenden Kontaktscheibe (23) und der jeweiligen Elektrode (11) eine Niedertemperaturverbindungsschicht (26) angeordnet ist.
Leistungshalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein den Halbleiterkörper (2) aufnehmendes Gehäuse, das eine Durchleitung lediglich für die an der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) jeweils anliegende Hochspannung aufweist.
Anordnung (1') aus einem ersten Leistungshalbleiterbauelement (1) zur Spannungsbegrenzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem zweiten Leistungshalbleiterbauelement (1) zur Spannungsbegrenzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Leistungshalbleiterbauelemente (1) antiparallel zueinander elektrisch verschaltet sind.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leistungshalbleiterbauelemente (1) in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (2) diametral zueinander angeordnet sind und von einem Separationsgraben elektrisch voneinander getrennt sind.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Separationsgraben als galvanische Trennung oder Widerstandszone zwischen den beiden Leistungshalbleiterbauelementen (1) ausgebildet ist.
Anordnung aus einem Leistungstransformator (19) und wenigstens einem Leistungshalbleiterbauelement (1) zur Spannungsbegrenzung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Leistungshalbleiterbauelement (1) an einer Hochspannungswicklung (20) des Leistungstransformators (19) angeschlossen ist.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransformator (19) ein Hochspannungstransformator ist.
Verfahren zur Spannungsbegrenzung mittels eines Leistungshalbleiterbauelements (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das einen Halbleiterkörper (2) aufweist, in dem in einer vertikalen Richtung (v) ausgehend von einer Rückseite (5) hin zu einer der Rückseite (5) gegenüberliegenden Vorderseite (6) eine rückseitige Basiszone (7) von einem ersten Leitungstyp (p), eine Innenzone (8) von einem zum ersten Leitungstyp (p) komplementären zweiten Leitungstyp (n) und eine vorderseitige Basiszone (9) vom ersten Leitungstyp (p) aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei die rückseitige Basiszone (7) mit einer rückseitigen Elektrode (11) elektrisch kontaktiert ist und die vorderseitige Basiszone (9) mit einer vorderseitigen Elektrode (10) elektrisch kontaktiert ist, wobei wenigstens in eine der beiden Basiszonen (7, 9) wenigstens eine als Emitterstruktur vom zweiten Leitungstyp (n) ausgebildete Einschaltstruktur (12) eingebettet ist, die von der die einbettende Basiszone (7, 9) kontaktierenden Elektrode (10, 11) elektrisch kontaktiert ist, wobei die Einschaltstruktur (12) mittels wenigstens einer auf diese elektrisch über den Halbleiterkörper (2) einwirkenden Zündstruktur (13, 14, 16, AG) einschaltbar ist, die mittels wenigstens eines ihr zugeführten elektrischen Einschaltsignals aktivierbar ist, wobei zumindest eine Zündstruktur (13) als eine Durchbruchstruktur eines ersten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungshöhe aktiviert zu werden, und zumindest eine weitere Zündstruktur (14) als eine Durchbruchstruktur eines zweiten Typs vorgesehen ist, die ausgebildet ist, bei einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden, ihr Einschaltsignal bildenden Hochspannung ab einer vorherbestimmten Spannungssteilheit (du/dt) aktiviert zu werden, aufweisend die Schritte: - Anlegen einer elektrischen Spannung (28) an die vorderseitige Elektrode (10) und die rückseitige Elektrode (11), - Aktivieren der Durchbruchstruktur (14) des zweiten Typs infolge einer Spannungsänderung der an den Elektroden (10, 11) anliegenden Spannung (28) größer als die vorherbestimmte Spannungssteilheit (du/dt) und/oder - Aktivieren der Durchbruchstruktur (13) des ersten Typs infolge einer zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden Hochspannung größer als die vorherbestimmte Spannungshöhe, - Klemmen der zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden Spannung (28) auf die vorherbestimmte Spannungshöhe der Durchbruchstruktur (13) des ersten Typs während einer Aktivierungsdauer (Δt) der Zündstrukturen (13, 14, AG) und - vollständiges Einschalten der Einschaltstruktur (12) nach Verstreichen der Aktivierungsdauer (At) und - Verringern der zwischen der vorderseitigen Elektrode (10) und der rückseitigen Elektrode (11) anliegenden Spannung (28).