[发明专利]半导体装置和整流装置

说明书

现有技术

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的半导体装置(Halbleitereinrichtung)以及具有这种半导体装置的整流装置。

为了整流，在三相发电机或者照明发电机中使用了交流电桥或者整流器。通常，整流器由具有由硅构成的pn结的6个半导体二极管组成。这些二极管被设计用于在大电流(例如达500A/cm²的电流密度)和高温(例如阻挡层温度Tj＜225℃)时工作。典型的是，在流动方向上的电压降、导通电压(Flussspannung)UF在所使用的大电流的情况下大约为1V。在工作中在截止方向上，通常大约只有非常小的截止电流IR流动，直到击穿电压UZ。从该电压开始，截止电流非常强烈地上升。因此防止了进一步的电压上升。

具有譬如在200和400伏特范围中的UZ的高截止二极管(HS二极管)与具有根据机动车的车载电网电压而定大约20-40伏特的截止电压的Z-二极管是有区别的。高截止二极管(HS-二极管)不允许在击穿中工作。Z-二极管即使在击穿中也可短时地甚至以非常大的电流地被加负载。因此，它们被使用在变换负载时或者在负载突降的情况中用于限制超过的发电机电压。

一个明确的缺点是pn二极管的导通电压，该导通电压导致导通损耗并且由此导致发电机的效率降低。因为平均始终有两个二极管串联，所以在100A的发电机中平均的导通损耗为大约200W。二极管和整流器的与此相关联的发热必须通过昂贵的冷却措施(冷却体、通风器)来降低。

为了降低导通损耗，一再建议使用所谓的肖特基二极管(肖特基势垒二极管，SBD)来替代pn二极管。肖特基二极管是金属-半导体结，其具有与pn二极管相似的电学特性曲线。与pn二极管相反，在肖特基二极管中，导通电压可以通过选择金属而在一定限度内自由选择，并且主要可以设置得比在pn二极管中小。这样，可以毫无困难地实现例如0.5-0.6V的导通电压(UF)。通过选择金属，基本上确定了所谓的(能量)势垒高度PhiBn。只有能够克服这些势垒的电子才能够对电流作出贡献。势垒高度可以通过合适地选择“势垒金属”来影响。此外，势垒高度PhiBn还取决于所使用的半导体(半导体材料：共价的或者离子的半导体，n或p掺杂，等等)。

在正向电流密度jF和截止电流密度jR之间的关联通过以下的关系式来描述(例如参见1996年PWS Publishing Company，Boston出版的B.J.Baliga所著的教科书“Power Semiconductor Devices”)：

jR = jF · exp ( - q · UF k · Tj ) - - - ( 1 ) ]]>

在此，q表示单位电荷，而k表示玻尔兹曼常数。Tj是二极管的开氏的阻挡层温度(结温度)。可认识到，在选择小的导通电压情况下，截止电流大。然而可以通过合适地选择UF，将截止电流为了在发电机中的使用而选择得足够小。(在导通电压和截止电流之间的折衷。)

然而上面的关系式(1)仅仅描述了理想肖特基二极管的边界情况。除了工艺方面的缺点，通过该关系特别是没有描述出截止电流与截止电压的相关性。该相关性使得截止电流随着增大的截止电压而上升到远超过通过关系式1所描述的电流值。其原因是势垒高度PhiBn随着增大的截止电压而减小。该关联也被称为镜像力效应(Bildkrafteffekt)或者肖特基效应，或者也被称为势垒降低效应(BL)。在传统的肖特基二极管中由截止电流所生成的反向损耗、特别是在发电机使用中出现的高温情况下，通常如此高，使得系统变得热不稳定。

原则上，肖特基二极管也可以在截止电压击穿中工作，即作为Z二极管工作是可能的。因为肖特基接触位于半导体的表面上，所以其对于晶体缺陷和污染是有些缺乏抵抗力的。因此，在Z工作中的可靠性经常是受限并且通常是不被允许的。