短路半导体器件及其运作方法技术

一种短路半导体器件(15、22、29、34、40、45、49、52、56、59、62、66、70、72)包括半导体本体(16)，其中，布置有第一导电类型的背面基极区域(6)、与所述第一导电类型互补的第二导电类型的内部区域(7)和第一导电类型的正面基极区域(8)。所述背面基极区域(6)与背面电极(11)导电地相连接，所述背面电极具有背面电极宽度(W

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】短路半导体器件及其运作方法
本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的短路半导体器件，以及一种用于运作这种短路半导体器件的方法。
技术介绍
在发生某些故障事件或者故障情况之后，例如在变流器设备中，所有的部件并且特别是功率半导体可以被过高的短路电流或过载电流所损坏，该短路电流或过载电流可以为高达数100kA)。为了可靠地避免在设备中的部件并且特别是半导体器件的损坏，使用各种各样的保护装置是众所周知的。在发生故障情况下，可以例如通过短路装置形式的安全开关来产生限定的、永久性低电阻的连接(短路)。在这种情况下，保护装置可以被一次性地触发并且在成功的触发之后通过电触发信号或光触发信号保持永久的短路状态。例如，DE10323220B4公开了一种用于有故障的部分逆变器的短路电路，在该短路电路中一个电子半导体器件在发生故障情况下或者接受该短路电流，或者依赖于这种短路电流进行控制，并且接下来被永久性地合金化(Durchlegierung)。作为电子半导体器件，提出了一种有源半导体开关，该有源半导体开关特别地可以被设计成常规的晶闸管。在发生故障情况下，该晶闸管被触发，然后通过晶闸管流动的短路电流会引起半导体材料的局部过热，该局部过热损坏该短路晶闸管。在此之后该短路晶闸管形成永久性的短路。短路晶闸管的接触被这样地以抗短路的方式进行设计，即使得在该短路晶闸管中不会由于高的短路电流而形成电弧。为此目的，除了其它方面以外，提出了压力接触。DE10333798A1还描述了一种用于使有故障的部分逆变器短路的方法，在该方法中，在出现故障情况下，将载电流的、在此处被设计成IGBT的功率半导体开关短时间地如此地接通，即使得该功率半导体开关被永久性地合金化。为了确保半导体开关的可靠的合金化，提出了各种不同的方法：1.提高功率半导体开关的栅极-发射极电压；2.接通功率半导体开关，随后在大电流下迅速断开；3.极其快速地接通功率半导体开关；以及4.多次接通和断开。此外，EP3001525A1公开了一种具有半导体开关的短路开关，该半导体开关可以被控制用于使施加在两个导体之间的电压短路。该半导体开关是常规的压紧封装型的晶闸管，其在彼此相对置的接触侧面上具有扁平的接触电极。在组装该半导体部件时，它的接触电极通过扁平的连接电极进行接触，该连接电极以高的刚性被弹性地相对于彼此加载。通过这种方式，即使在由于高的流动的功率电流引起的高的热负载下，也确保半导体部件的平面式的接触。晶闸管被布置在机械的压紧封装结构中，该机械的压紧封装结构形成包围晶闸管的保护套。晶闸管被如此地设计，即该晶闸管作为可控制的半导体开关被在短路期间通过它流动的短路电流不可逆地破坏，其中，在它的接触电极之间的导电能力被保持。短路电流应该至少为额定电流的50倍，晶闸管被设计成用于在该额定电流下接通。在使用常规的晶闸管作为短路开关情况下的缺点在于，由于常规的晶闸管的浪涌电流值向上广泛地扩散，因此不流过确保晶闸管在哪个电流下被破坏并且形成限定的短路。如上面所描述的那样，例如通过合适的模块化结构如压力接触，可以可靠地保证通过有针对性的合金化来实现“故障时短路”状态。在这种情况下，半导体器件处在合适的外壳中，例如在陶瓷小室或者陶瓷封装盒中，该陶瓷小室或者陶瓷封装盒的外部的电流触头由厚的铜压模(或者其他的导电的金属)制成，所述电流触头通常是阴极端子和阳极端子。通过适当的压力结合确保两个接触压模以足够高的压力与半导体器件的各自的金属接触电极接触，以便在半导体器件和外壳的铜压模之间产生特别低的电的和热的过渡部。如果合金化的位置位于被挤压的接触区域内，那么不仅在发生故障事件期间，在该故障事件中发生熔化或合金化，而且在发生故障事件之后的持久的电流流动期间，半导体器件的破坏的区域都将保持所述被挤压的接触区域内。外壳在外部没有损坏或几乎没有损坏，在故障事件期间和之后的能量转换在半导体器件内部进行并且在那里保持被限制在压力接触的区域内。至关重要的是，在部件中的电气连接不会因发生故障情况而被断开，如例如在焊接部件的情况下可能发生的那样，在焊接部件的情况下电流会通过焊接线流过。在此处，在大电流下，由于焊接线或焊接连接点的熔化，会发生在部件中的端子的电流隔离。由于在发生故障情况下的非常高的能量，因此这不可避免地导致整个半导体部件的完全损坏，这也给在部件周围环境中的设备带来了很高的危险。焊接线在围绕半导体器件部件的外壳内部处于相对敞开的状态，通常也被嵌入在凝胶中，因此，由于在被中断的焊接线之间的电弧，导致爆炸状的破坏。与此相反，在压力接触的部件的情况下，在硅中的能量转换或熔化区域或电弧被限制在由阳极侧的和阴极侧的接触盘所接触的范围内，从而即使在最高的电流密度下，也可以最大程度上避免部件的紧邻的周围环境的爆炸或破坏。如果常规的晶闸管被加载了其浪涌电流极限值，那么由于在它的阴极表面中的强烈的大面积的加热，晶闸管会短时间地，也就是说可逆地、部分地或全部地失去它的阻塞能力和阻断能力，直到阻断层温度再次下降到连续运作所允许的范围内为止。在单个10ms脉冲的电流最大值下的允许的浪涌电流密度通常位于1.0和1.5kA/cm2之间，在浪涌电流密度下还没有发生不可逆的破坏。如果该极限值被明显地超过，那么加热将导致阴极表面内的熔化(合金化)，晶闸管被破坏，并且不可逆地失去它的阻断能力或它的控制功能。只要熔化位于被铜接触盘或封装盒的铜压模接触和挤压的区域内，并且同时离开晶闸管的边缘区域足够远，那么不仅封装盒而且紧邻的周围环境都将在最大程度上保持完好无损。然而，例如在DE102008049678A1或DE102009045216A1中描述的、作为短路保护装置的常规的晶闸管的主要缺点是其大的阴极表面，该阴极表面被设计成用于尽可能低的传导损耗或者正向损耗或用于最大的浪涌电流能力。它们的直径大约对应于铜压模的接触盘的直径，或者一般地还稍微大一些(直到大约0.5至2mm)。如果由于高的短路电流而在阴极表面中发生期望的合金化，那么不能确保该合金化在距离晶闸管的边缘区域足够远的地方出现。边缘区域可以理解为是指元器件的径向外部的区域，该径向外部的区域不被例如铜压模的接触盘所覆盖或挤压，所述铜压模的接触盘通常压力接触半导体器件的接触电极(特别是阴极端子和阳极端子)。被合金化的区域位于阴极表面内的某个位置，并且也可以延伸到边缘区域中。在这种情况下，可能会导致陶瓷外壳的损坏，并且可能会导致等离子体逸出。等离子体逸出也可能发生在半导体器件的中心处，即如果例如在半导体器件的中心处布置有栅电极或辅助晶闸管结构(放大式栅极结构)的话，该栅电极或辅助晶闸管结构同样没有被与半导体器件压力接触的铜压模的接触盘覆所盖或挤压。与其余的区域相比，晶闸管的边缘区域也非常更容易地受到出现的过电压的影响，所述其余的区域是被铜接触盘直接地接触或覆盖的。这样的故障在与此时流过的短路电流的关联下，由于非常高的能量匝，特别是在高的阻断电压的情况下，会导致封装盒的损坏，如在更上面已经描述的那样。尽管可以通过各种不同的措施来显著地提高抵抗这种过电压的强度，但是这带来了严重的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短路半导体器件，所述短路半导体器件包括半导体本体(16、25、32、39、43、48、51、55、58、61、69、74)，其中，在垂直方向(v)上，从具有通过其几何中心确定的背面中心(13)的背面(4)出发，在朝着与所述背面(4)相对置的、具有通过其几何中心确定的正面中心(13)的正面(5)的方向上，依次地布置有第一导电类型(p)的背面基极区域(6)、与所述第一导电类型(p)互补的第二导电类型(n)的内部区域(7)和第一导电类型(p)的正面基极区域(8)，其中，所述背面基极区域(6)与施加在所述背面(4)上的背面电极(11)导电地相连接，所述背面电极具有通过其横向延伸范围给定的横向背面电极宽度(W

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180201 DE 102018102234.41.一种短路半导体器件，所述短路半导体器件包括半导体本体(16、25、32、39、43、48、51、55、58、61、69、74)，其中，在垂直方向(v)上，从具有通过其几何中心确定的背面中心(13)的背面(4)出发，在朝着与所述背面(4)相对置的、具有通过其几何中心确定的正面中心(13)的正面(5)的方向上，依次地布置有第一导电类型(p)的背面基极区域(6)、与所述第一导电类型(p)互补的第二导电类型(n)的内部区域(7)和第一导电类型(p)的正面基极区域(8)，其中，所述背面基极区域(6)与施加在所述背面(4)上的背面电极(11)导电地相连接，所述背面电极具有通过其横向延伸范围给定的横向背面电极宽度(WER)，并且所述正面基极区域(8)与施加在所述正面(5)上的正面电极(10)导电地相连接，所述正面电极具有通过其横向延伸范围给定的横向正面电极宽度(WEV)，其中，至少一个正面接通结构(17、23、30、35、41、50、53、63)被嵌入到所述正面基极区域(8)中并且至少部分地被所述正面电极(10)覆盖，所述正面接通结构具有通过其横向延伸范围给定的横向正面接通结构宽度(WSV)，和/或者至少一个背面接通结构(31、36、46、57)被嵌入到所述背面基极区域(6)中并且至少部分地被所述背面电极(11)覆盖，所述背面接通结构具有通过其横向延伸范围给定的横向背面接通结构宽度(WSR)，其中，所述接通结构(17、23、30、31、35、36、41、46、50、53、57、63)被这样地设置和布置，使所述接通结构依赖于输入给所述半导体本体(16、25、32、39、43、48、51、55、58、61、69、74)的、可预先确定的接通信号而接通并且一次性地在所述正面电极(10)和所述背面电极(11)之间建立永久的、不可逆的、导电的、低电阻的连接，
其特征在于，
在存在所述正面接通结构(17、23、30、35、41、50、53、63)的情况下，所述横向正面接通结构宽度(WSV)与所述横向正面电极宽度(WEV)的比率小于1，并且在存在所述背面接通结构(31、36、46、57)的情况下，所述横向背面接通结构宽度(WSR)与所述横向背面电极宽度(WER)的比率小于1。


2.根据权利要求1所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述横向接通结构宽度(WSV、WSR)与各自的电极(10、11)的相应的横向电极宽度(WEV、WER)的比率被选择为小于4/5，优选地小于3/4，更优选地小于2/3，并且进一步优选地小于1/2。


3.根据权利要求1或2所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述接通结构(31、46、50、53、57)完全地被所述正面电极(10)和所述背面电极(11)覆盖。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述正面电极(10)和所述背面电极(11)覆盖所述半导体本体(16、25、32、39、43、48、51、55、58、61、69、74)的所述正面中心(13)或者背面中心(13)，并且所述接通结构(17、23、30、31、35、36、41、46、50、53、57、63)被布置在相应的中心(13)上。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述接通结构是第二导电类型(n)的发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)，所述发射极结构被嵌入到所述正面基极区域(6)或所述背面基极区域(8)中并且与施加到各自的基极区域(6、8)上的电极(10、11)导电地接触，所述发射极结构能够借助于至少一个以电的方式通过所述半导体本体(16、25、32、39、43、48、51、55、58、61、69、74)作用于所述发射极结构上的触发结构(20、26、37、38、42、47、54、60)被接通，其中，所述触发结构(20、26、37、38、42、47、54、60)又能够借助于所述接通信号被激活。


6.根据前述权利要求所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述触发结构是栅电极(20、26、37、38)，并且所述接通信号是输入给所述栅电极(20、26、37、38)的电信号。


7.根据前述权利要求所述的短路半导体器件，
其特征在于，
包含所述发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)的基极区域(6、8)的至少一个区域，所述至少一个区域形成在所述栅电极(20、26、37、38)和所述发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)之间的电的作用连接，被以这样的方式设置，使得能够使用输入给所述栅电极(20、26、37、38)的、用于接通所述发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)的这样的电信号，即所述电信号具有为至少大约1A，优选地至少大约2A，并且进一步更优选地在大约5A和大约10A之间的电流强度。


8.根据权利要求4至6中的任一项所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述触发结构是被布置在包含所述发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)的基极区域(6、8)中的光敏感的区域(42)，并且所述接通信号是被输入给这个光敏感的区域(42)的光信号(44)。


9.根据权利要求4至7中的任一项所述的短路半导体器件，
其特征在于，
所述触发结构是击穿结构(47、54、60)，并且所述接通信号是施加在所述正面电极(10)和所述背面电极(11)之间的电压。


10.根据权利要求4至8中的任一项所述的短路半导体器件，
其特征在于，
在包含所述发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)的基极区域(6、8)中在所述触发结构(20、26、37、38、42、47、54、60)和与所述触发结构以电的方式作用连接的发射极结构(17、23、30、35、36、41、46、53、63)之间，布置有放大栅极结构，所述放大栅极结构具有至少一个放大栅极(AG)。

【专利技术属性】
技术研发人员：U·克尔纳韦德豪森，M·施特尔特，M·德罗尔德纳，D·皮科尔日，P·魏德纳，R·巴特尔梅斯，M·申克，J·普日比拉，
申请(专利权)人：英飞凌科技有限两合公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE