(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（７）および第２の電極（６）と、
前記第１の電極（７）と接触する少なくとも１つの接触領域（５）と共に形成された第１の表面（２０）と、前記第２の電極（６）と接触する第２の表面（２１）とを持ち、前記第１と第２の電極（７、６）間に電流経路（Ｉ）を形成する第１の半導体領域（２）と、
前記第１の半導体領域（２）と共に第１のｐｎ接合および空乏層（２３）を形成すべく第１の半導体領域（２）の内部において前記接触領域（５）の下に配置された第２の半導体領域（３）と、
前記第１の半導体領域（２）と共に第２のｐｎ接合および空乏層（２４）を形成すべく前記第１の半導体領域（２）の内部において前記第１の表面（２０）に配置された第３の半導体領域（４）と、
前記第３の半導体領域（４）の、前記第１の半導体領域（２）に接していない表面をカバーしかつ絶縁する絶縁領域（１１）とを備え、
前記接触領域（５）は、前記第１の半導体領域（２）と同一の導電形を持つと共に前記第１の半導体領域（２）より高いドーピング濃度を持ち、
前記第３の半導体領域（４）は、前記第２の半導体領域（３）に対して、前記第１と第２の電極（７、６）間の前記電流経路（Ｉ）内に存在し、横方向に延びる少なくとも１つのチャネル領域（２２）を形成すべく第２と第３の半導体領域（３、４）の投影図形が互いに重なり合うように横方向にずらして配置されており、
前記第２の半導体領域（３）は第１の半導体領域（２）の表面（２０）に平行な全ての方向において接触領域（５）よりも延びており、更に
前記第３の半導体領域（４）は、第１の半導体領域（２）の表面（２０）に接触して接触領域（５）を囲むと共に、該接触領域（５）と直接接触し、又は接触領域（５）から間隔をあけられており、
しかも前記少なくとも１つの横方向に延びる半導体チャネル領域（２２）は、前記第１と第２の電極（６、７）間において所定の飽和電流に達した際に受動的に上記ｐｎ接合の空乏層（２３、２４）により遮断される
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
第１の半導体領域（２）の第２の表面（２１）が、第１の半導体領域（２）の第１の表面（２０）に対し反対側の他方の表面である請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
第１の半導体領域（２）が、その第１の表面（２０）に第１の電極（７）と接触する複数の接触領域（５）を有する請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】
隣り合う２つの第２の半導体領域（３）間の開口を通って第１の半導体領域（２）の縦方向の各チャネル領域（２９）が延びており、これらチャネル領域（２９）は、電流経路（Ｉ）内において、各接触領域（５）に付属する横方向のチャネル領域（２２）に対し電気的に直列接続された請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】
複数の接触領域（５）を備え、各接触領域（５）の下に存在する各第２の半導体領域（３）間に、第１の半導体領域（２）の縦方向のチャネル領域（２９）が延びており、該チャネル領域（２９）は電流経路（Ｉ）内において、接触領域（５）に付属する少なくとも１つの横方向のチャネル領域（２２）に対し電気的に直列接続された請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】
全ての接触領域（５）に共通の第１の電極（７）が備えられている請求項３乃至５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
第３の半導体領域（４）の各々が、その第１の半導体領域（２）に接していないその表面（４０）を、絶縁領域（１１）で覆われている請求項３乃至６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
各絶縁領域（１１）が少なくとも２０Ｖの破壊電圧を有する請求項１乃至７のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１、第２および第３の半導体領域（２、３、４）が炭化ケイ素から形成されている請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１０】
各絶縁領域（１１）が二酸化シリコンで形成されている請求項１乃至９のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記二酸化シリコンが熱により成長させられている請求項１０記載の半導体装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の半導体装置の一方の電極（７）を電源（Ｒ）と、また他方の電極（６）を負荷（１２）と電気的に接続して、電源（Ｒ）と電力負荷（１２）との間の直流電流を制限するための電流制限器（１３）として用いる半導体装置の使用方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の半導体装置を２個準備し、これ等を逆直列に接続して電源（Ｒ）と負荷（１２）との間に接続し、電源（Ｒ）と電力負荷（１２）との間の交流電流を制限するための電流制限器（１３）として用いる半導体装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は電流の受動的制限に適している半導体装置ならびにその使用に関する。
電力負荷（装置）に電流を供給するために、負荷はスイッチを介して電力供給網の配電分岐回路と接続される。負荷を過大な電流、特に短絡から保護するために、低電圧スイッチング技術では配電分岐回路を保護する安全器（それには一般にヒューズが使用される）及び明らかにミリ秒（１ｍｓ）以上のスイッチング時間のかかる機械的パワースイッチを有するスイッチング装置が使用される。配電分岐回路内において複数の負荷装置が同時に使用され、これらの負荷の１つだけが短絡を起こした場合、短絡していない負荷をそのまま動作させ、短絡により打撃を受けた負荷だけを遮断することは極めて有利である。この目的のために、それぞれ明らかに１ミリ秒以下の時間内、従って配電分岐回路用に備えられた安全器を作動させる前に、電流を見込まれる短絡電流から確実に所定の問題とならない過電流値に制限する、電流制限素子（リミタ）を全ての負荷の直前に接続する必要がある。加えてこの電流制限素子は、無制限の状態で受動的に作動し、電流制限の際に生ずる通常７００Ｖまでの、そしてときとして１２００Ｖまでの電圧に耐えられねばならない。この素子内に生じる電力損が極めて高いことから、受動的電流制限器が電圧を補助的に負荷しつつ、付加的に所定の過電流値以下の値に自動的に低下させる（本質安全デバイス）ならば極めて有利である。
市販されている唯一の受動的電流制限器としては、ハンソン（Ｔ．Ｈａｎｓｓｏｎ）の論文「短絡保護用ポリエチレン電流監視器」、ＡＢＢ  Ｔｅｃｈｎｉｋ、４／９２、第３５〜３８頁に記載されている装置（商品名ＰＲＯＬＩＭ）があり、この装置は装置内で使用される物質の、粒界の電流に依存する導電率に基づくものである。しかしこの装置を電流制限に度重ねて使用すると、電流を制限する飽和電流値に変化を起こしかねない。
更に一般には、電流を把握し、規定の最大電流値を越えたときに能動的制御により制限する能動的電流制限器のみが使用される。ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３３０４５９号明細書から、このような半導体ベースの能動的電流制限器が公知である。この装置は互いに反対側の表面にそれぞれ１つの電極が配置された、所定の導電形の第１の半導体領域を有する。この第１の半導体領域内には、２つの電極間に更に逆の導電形の半導体領域が互いに間隔をおいて配置されている。この別の半導体領域間には、それぞれ第１の半導体領域のチャネル領域が形成されており、それらは第１の半導体領域の両面に対し垂直方向に向いている（縦方向のチャネル）。両電極間の縦方向の電流は、このチャネル領域を通され、それにより制限される。２つの電極間の電流を制御するため、第１の半導体領域内の逆導電形にドープされている半導体領域に、チャネル領域の抵抗を制御するゲート電圧を印加する。
本発明は、臨界電流を越えた場合に電流を受動的に制限するために使用できる半導体装置を提供することを課題とする。またこのような半導体装置を有する電流制限装置を提供することをも課題とする。
この課題は本発明の請求項１に記載の特徴により解決される。
この半導体装置は、
ａ）少なくとも１つの接触領域内の第１の表面で第１の電極と接触し、また第２の表面で第２の電極と接触する第１の半導体領域と、
ｂ）第１の半導体領域とｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第２の半導体領域と、
ｃ）第１の半導体領域とｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第３の半導体領域と
を含んでおり、その際
ｄ）第３の半導体領域が第３の半導体領域内に電荷を蓄積することができるように、第１の半導体領域に接していないその表面で絶縁されており、
ｅ）第１の半導体領域が、２つの電極間の電流回路内にある少なくとも１つのチャネル領域を有し、このチャネル領域が２つの電極間で所定の飽和電流に達した際に上記ｐｎ接合の空乏層により遮断されて、それにより電流は飽和電流以下の値に制限される。
この半導体装置は、チャネル領域内における物理的効果を有利に組合わせることにより、自発的に電流、特に短絡電流を受容可能な電流値に制限する。更にこの半導体装置は、この受容可能な電流値を、電気的に絶縁された第３の半導体領域内における電荷蓄積のため、またその結果として生じるチャネル領域の持続的な遮断のために、両電極の引続いての電圧減少の際にも保持できる。
これらの半導体装置の有利な実施態様は、従属請求項から明らかとなる。この半導体装置の電流制限装置への有利な使用は、請求項１５及び１６から明らかである。
この半導体の特に有利な、そして特に耐破壊性に優れる実施形態では、第１の半導体領域内の第２の半導体領域は接触領域の下方に配置されており、第１の半導体領域の表面に対し全ての方向にわたり平行に、接触領域よりも更に延びている。
第３の半導体領域は、第１の半導体領域の第１の表面に並列して接触領域を囲んでいると有利である。
この半導体装置の縦形の、従って特に絶縁耐圧を与える構造は、第１の半導体領域の第２の表面が第１の表面に面していないことにより達成される。
有利には、第１の半導体領域の第１の表面に、特に１つの共通の電極を配置した複数の接触領域が備えられる。
接触領域の下方に第２の半導体領域を備えてもよく、この領域は第１の半導体領域の第１の表面に対して、全ての方向にわたり平行に接触領域全体よりも更に延びており、また前記のチャネル領域に電気的に直列に接続されている別のチャネル領域が、第１の半導体領域内に垂直に延びる開口を有するのが望ましい。
しかしまた各接触領域の下方に、それぞれその第２の半導体領域を配置し、それらの間に第１の半導体領域の補助的チャネル領域が、電流回路内に各接触領域に配分された少なくとも１つのチャネル領域に電気的に直列に延びるようにしてもよい。
第３の半導体領域の各々は、第１の半導体領域に接していないその表面を絶縁領域で覆われていると有利である。絶縁領域の絶縁耐圧は、第１の電極と第３の半導体領域との間で少なくとも２０Ｖ、特に少なくとも５０Ｖであると有利であり、その破壊電界強度が少なくとも５ＭＶ／ｃｍであると有利である。
この半導体装置用の半導体材料は、低い真性キャリア濃度（ドーピングを行っていないキャリア濃度）を特徴とし、また電荷蓄積効果に能動的に影響を及ぼす、少なくとも２ｅＶのバンド間隔を有する半導体を使用すると有利である。
電荷蓄積効果は、半導体装置の半導体領域用の半導体材料として炭化シリコン（ＳｉＣ）を使用すると特に大きい。と言うのは、ＳｉＣは極めて低い真性キャリア濃度を有するからである。ＳｉＣの他の利点は、その高い絶縁破壊強さ、高い温度安定性、耐化学性及び高い熱伝導率にある。ＳｉＣの有利なポリタイプは４Ｈ−、６Ｈ−及び３Ｃ−ポリタイプである。ＳｉＣ用の有利なドーパントとして、ｐドーピングにはホウ素及びアルミニウムが、またｎドーピングには窒素がある。しかし他の半導体も適しており、特にシリコン（Ｓｉ）が適している。
半導体材料がＳｉＣの場合もＳｉの場合も、絶縁領域用に特に熱により成長させた二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を誘電体として使用する。熱酸化物は優れた絶縁特性を有する。約１０００℃以上の温度での乾式又は湿式酸化により、ＳｉＣ上に熱酸化物が生成する。
直流制限器は、半導体装置の一方の電極を電源と、また他方の電極を負荷と電気的に接続できるようにして実現化される。
交流制限器は有利な方法では、２つの半導体装置の逆直列の接続により、電源と電力負荷との間に実現される。第３の半導体領域内に電荷を蓄積することにより、交流電圧の極性の交番の際に繰り返し電流が流れるのを阻止することができる。
本発明の実施例を図面の基づき詳述する。その際
図１は横方向のチャネル領域を有する半導体装置の１実施例を、
図２は横方向及び縦方向のチャネル領域を有する半導体装置の１実施例を、
図３はセルデザインを有する半導体装置の一部平面図を、
図４は２つの逆直列に接続された半導体装置を有する交流制限器を、
図５は図４の交流制限器の測定特性曲線のグラフを、
図６は短絡時の半導体装置の電流及び電圧の時間的経過のグラフを、
図７は配電分岐回路内に電流制限器を有するスイッチング装置を
示している。
図１に示されている半導体装置は、ｎ導電形（電子伝導）の第１の半導体領域２と、ｐ導電形（正孔伝導）の第２の半導体領域３ならびに第３の半導体領域４とを含んでいる。第１の半導体領域２は平坦な表面２０を有している。第２の半導体領域３は、第１の半導体領域２内のこの表面２０の下方に配置され、第１の半導体領域の２の表面２０に面している少なくともその側面に横方向に、即ち第１の半導体領域２の表面２０に対し実質的に平行に延びている。有利にはこの第２の半導体領域３は、ドーパント粒子のイオン注入により第１の半導体領域２の表面２０内に形成される。望ましいドーピング分布は、場合によっては必要となる注入マスクを配慮した、イオンエネルギーによるイオン注入時の侵入分布により調整される。特にこのことから第２の半導体領域３の深さ、即ちこの第２の半導体領域３の間隔が、第１の半導体領域２の表面２０により形成され、縦の、即ち第１の半導体領域２の表面２０に対し垂直に計測される第２の半導体領域３の寸法Ｄが形成される。この縦の寸法Ｄは、特に０．１μm〜１．０μmの間である。第１の半導体領域２の表面２０に対して平行な第２の半導体領域３の横の寸法は、図示されている断面でＢと記されており、一般に約１０μm〜約３０μmの間に選択されている。第１の半導体領域２と、逆の導電形にドープされている第２の半導体領域３とはｐｎ接合を形成し、その空乏層（空間電荷層）は２３と符号を付されている。このｐｎ接合の空乏層２３は、第２の半導体領域３全体を囲んでいる。
第１の半導体領域２の表面２０には、接触領域５がオーム接触をなして形成されている。この接触領域５は、有利には比較的高く、かつ第１の半導体領域２と同じ導電形（図示の実施例ではｎ+と記されている）にドープされており、特にイオン注入により形成可能である。接触領域５の空いている表面５０上には、例えばポリシリコンまたは金属から成る第１の電極７が配置されている。接触領域５の横方向の寸法は、図示の断面ではｂと記されており、第１の半導体領域２の表面２０に対し、第２の半導体領域３の横方向の寸法Ｂよりも少なく、全体としては平行の方向に延びている。通常接触領域５の横方向の寸法ｂは、約６μm〜約２８μmの間である。第２の半導体領域３と接触領域５は、第１の半導体領域２の表面２０に対して垂直に投影を行った場合、接触領域５の投影図形が、完全に第２の半導体領域３の投影図形内にあるように互いに相対的に配置されている。
第３の半導体領域４は、同様に第１の半導体領域２の表面２０に配置されており、有利にはやはりイオン注入により形成されている。第１の半導体領域２と第３の半導体領域４との間にｐｎ接合が形成され、その空乏層は符号２４を付されている。空乏層２３と２４の拡がりは破線で示され、第１の半導体領域２内だけに記されている。もちろん空乏層２３及び２４は、それぞれｐ半導体領域３もしくは４内にも延びている。その際ｐ領域内及びｎ領域内のｐｎ接合の各空乏層の拡がりは、ドーピング濃度から生じるポワソンの法則及び電荷保存の法則に従うキャリア濃度の割合に合わせる。第１の半導体領域２、第２の半導体領域３及び第３の半導体領域４のドーピングは、２つの電極６、７間で電圧が逆方向にとる時その半導体装置の阻止能力を決定する。
半導体領域２、３及び４へのイオン注入の後に、格子欠陥を低減するために一般に熱的な治癒が施される。
第１の半導体領域２に接していない第３の半導体領域４の空いている表面４０上には、隣接する接触領域５の縁範囲をも覆う絶縁領域１１が配設されている。この絶縁領域１１は第３の半導体領域４を電気的に絶縁し、空間電荷層内のｐｎ接合の空乏層２３から第３の半導体領域４内に、第３の半導体領域４から拡散される電荷（図示の場合電子）が流出するのを阻止する。絶縁領域１１のもう１つの機能は、第３の半導体領域４を第１の電極７から電気的に絶縁することにある。
更に第３の半導体領域４は、一方の側面上の長さＬ１に沿って、また他方の側面上の長さＬ２に沿って、第１の半導体領域２の表面２０上で２つの半導体領域３及び４の投影図形が互いに重なるように、第２の半導体領域３に対し横方向にずらして配置されている。それにより２つのｐドープされた半導体領域３及び４間に、第１の半導体領域２内に横方向に延びる少なくとも１つの半導電性のチャネル領域２２が形成される。接触領域５の異なる側面にあるチャネル領域２２の横の寸法Ｌ１とＬ２は同じであってもまたは大きさが異なっていてもよい。典型的には、チャネル長Ｌ１及びＬ２は１μm〜５μmの間である。チャネル領域２２の縦の寸法ｄは、第２の半導体領域３と第３の半導体領域４の間隔により決定され、一般に０．１μm〜１μmの間に選択される。
第３の半導体領域４は、横方向から接触領域５を囲み、接触領域５に直接接しており、従ってＬ１＋ｂ＋Ｌ２＝Ｂは、横の寸法Ｌ１、Ｌ２、ｂ及びＢに相当する。しかし接触領域５は第３の半導体領域４から横方向に間隔を開けられていてもよい。
半導体領域２と３もしくは２と４の間のｐｎ接合のチャネル領域２２内に広がる空乏層２３及び２４が、キャリアの著しい空乏化により第１の半導体領域２よりも著しく高い電気抵抗を有するので、主にチャネル領域２２の、下側から空乏層２３により、また上側から空乏層２４により局限される内部範囲だけが電流を導くことができる。
第１の半導体領域２の、上記の表面２０に面していない第１の半導体領域２の他方の表面２１に、第２の電極６が配設されている。この第２の電極６と第１の電極７との間において、順方向の動作電圧が半導体装置に印加される。その際第１の電極７は動作電圧源の陰極と、また第２の電極６は陽極と接続される。半導体領域の導電形が入れ替わるときは、動作電圧の極性は相応して逆転される。
順方向の動作電圧を印加した際の半導体装置の挙動は、半導体装置の電極６及び７間を流れる電流Ｉに依存する。この電流Ｉは、２つの電極６と７との間を矢印により示される電流回路に沿って、第１に半導体領域２内のチャネル領域２２を通って本質的に横方向に流れ、それから続いて第１の半導体領域２の内部を垂直方向に流れる。電流Ｉの強度が上昇するにつれて電極６と７との間の順方向降下電圧が増大し、それにより第２の半導体領域３と第３の半導体領域４には第２の電極６に対し負のバイアスが加わる。順方向の降下電圧の増大は、それぞれ第１の半導体領域２と、第２の半導体領域３もしくは第３の半導体領域４との間のｐｎ接合の逆方向電圧の増大を招き、そのため空乏層２３及び２４が拡がることになる。これがチャネル領域２２の断面横を減らし、それに応じて半導電性の領域の抵抗を高めることになる。一定の臨界電流値（飽和電流）ＩSatに達すると、空乏層２３と２４とが接触し、チャネル領域２２は完全に遮断状態になる。チャネル領域２２内の電気抵抗の著しい増大のため電流は飽和状態となり、電極６と７との間の電圧が一定なら飽和電流値ＩSatに留まる。半導体装置の飽和電流ＩSatは、チャネル領域２２の形状寸法、特にその横方向の寸法Ｌ１とＬ２及び縦方向の寸法ｄにより、そして更にチャネル領域２２のドーピングで確定されるキャリア濃度により所望の値に調整される。
これに対して例えば短絡の場合のように、電流Ｉが既に飽和電流値ＩSatに達した後に電極６と７との間の電圧が更に上昇する場合、チャネル領域２２内の電力損が上昇し、チャネル領域２２は熱せられる。チャネル領域２２内の内部温度が上昇するにつれて、チャネル領域２２を覆う空乏層２３及び２４に残留しているキャリアの移動度は減少する。従ってチャネル領域２２の導電率は、結果として生じる電極６と７との間の順方向降下電圧の増大により、移動キャリアがチャネル領域２２内の空乏層２３及び２４から著しく除去され、特に第３の半導体領域４内の空乏層が増大するために更に低下する。このフィードバック効果により、半導体装置は短絡時のように電流が著しく増大しようとするときも、例えば約７００Ｖ〜約１２００Ｖの所望の逆方向電圧で半導体装置の主に逆方向電流に相応する問題とならない電流値ＩBに迅速に制限する。
絶縁領域１１により第３の半導体領域４を電気的に絶縁しているので、第３の半導体領域４内の空乏層内に存在するキャリアは蓄積されたままである。絶縁領域１１の漏れ電流は、第３の半導体領域４内の良好な電荷蓄積を保証するためできるだけ僅かでなければならない。埋込まれた第２の半導体領域３内にも蓄積した空間電荷が貯えられる。この電荷の蓄積により、第２の半導体領域３及び第３の半導体領域４内の電位は、２つの電極６、７間の電圧が再び減少するときも引続き保持され、チャネル領域２２は閉じられたままである。従ってこの半導体装置で迅速かつ確実に電流Ｉを逆方向電流ＩBに制限することができる。
半導体装置の半導体領域２、３及び４用の半導体は、炭化シリコン（ＳｉＣ）である。ＳｉＣのドーパントは、ｐドーピングにはホウ素及びアルミニウムが、またｎドーピングには窒素がある。絶縁領域１１には、熱的に成長させた二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を誘電体に使用する。熱酸化物は優れた絶縁特性を有し、約１０００℃以上の温度での乾式または湿式酸化によりＳｉＣを生成することができる。
図２は、第１の半導体領域２が基板２７と、その上に配設されているエピタキシャルに成長させた、基板２７と同じ導電形の半導体層２６とから構成された半導体装置を示す。半導体層２６の表面２０には、同じ導電形ではあるが比較的高くドープされた複数のチャネル領域５が互いに間隔をおいて配置されており、その中の２つだけが図示されている。チャネル領域５の下方の半導体層２６内に、それぞれ半導体層２６と逆導電形にドープされた第２の半導体領域３またはそれぞれ関連する第３の半導体領域４の部分範囲が埋込まれている。接触領域５間には、それぞれ横方向に間隔をおいて、有利には等間隔に半導体層２６と逆導電形にドープされた第３の半導体領域４が、半導体層２６の表面２０に配置されている。第３の半導体領域４の接触領域５の横方向の間隔ａは、一般に約１μm〜約３μmである。
半導体層の２６の表面２０上には、誘電層が絶縁領域１１として施されている。この絶縁領域１１上に、接触領域５を絶縁領域１１内の共通の電極７としての開口を通して接触させる、好ましくは金属またはポリシリコンから成る導電層が配置されている。
半導体領域３及び４は、それぞれ、第１の半導体領域２の表面２０に対し本質的に横方向に延びている。各半導体領域４は、投影的に見たとき、表面２０に垂直方向に沿ってそれぞれ半導体領域３の２つと重なり、各半導体領域３はそれぞれ半導体領域４の２つと重なっている。それにより、やはり図１で示すように、半導体層２６内の横方向のチャネル長Ｌ１もしくはＬ２の横方向に延びるチャネル領域２２が、各第２の半導体領域３と各第３の半導体領域４との間にそれぞれ形成されている。埋込まれた第２の半導体領域３の横方向の寸法Ｂは、Ｂ＝ｂ＋２ａ＋Ｌ１＋Ｌ２である。第１の半導体領域２の、第２の表面２１としての基板２７の半導体層２６に面していない側面上にも、電極６が配置されている。電極６と電極７との間に、半導体装置の動作電圧が印加される。埋込まれた半導体領域３には、横方向に互いに間隔をおいて、有利には同じ間隔Ａをおいて、或いは関連する第２の半導体領域３内にそれぞれ横方向の寸法Ａを有する開口が形成されている。それにより第２の半導体領域３間には、それぞれ第１の半導体領域２の、表面２０に対し本質的に垂直に延びる横方向の寸法Ａ、縦方向の寸法Ｄのチャネル領域２９が形成されている。各チャネル領域２９内の半導電性の範囲は、図示されていない半導体層２６と、第２の半導体領域３とにより形成されているｐｎ接合の空乏層により横方向を制限されている。
縦方向のチャネル領域２９の横の寸法Ａは、両方の電極６と７との間に印加可能な最大の逆方向電圧が、少なくとも十分に第２の半導体領域３の底部の半導体領域２と３のｐｎ接合が担うことのできる最大の逆方向内部破壊電圧に相応する程小さく選択されていると有利である。これは逆阻止時の等電位線の、少なくとも十分に平坦な経過に相応する（低減された電圧支配率）。横方向の寸法Ａの典型的な値は１μm〜１０μmの間である。絶縁領域１１の厚さｅは十分に厚く選択され、従って相応して狭く（小さなＡ）選択された縦のチャネル領域２９では、第３の半導体領域４と電極７との間の電位差が５０Ｖを越えることはない。
順方向の極性の動作電圧を印加する際、電極７と電極６との間に図示の矢印に沿って電流Ｉが流れ、この電流はまず横方向のチャネル領域２２を通り、その後表面２０に対し実際に垂直方向に、半導体層２６内の縦方向のチャネル領域２９を通り、次いで実質的に垂直に半導体層２６及び基板２７を通って第２の電極６に進む。
図３は半導体装置の表面上の電極及び絶縁体を省略した状態での、半導体装置の実施形態の平面図を示している。セルデザイン内に、それぞれ側辺長ｂの正方形として形成され、ｎドープされた半導体層内に、第１の半導体領域２として注入されている接触領域５としてのｎ++ドープされたソース領域と、ｎ++接触領域５を間隔ａで囲むｐドープされた第３の半導体領域４と、接触領域５の下方に注入により埋込まれているｐドープされた第２の半導体領域３（破線で図示されている）とから成る複数の、少なくともほぼ正方形のセルが備えられている。表面４０を有する第３の半導体領域４は、有利には表面５０を有する接触領域５用の正方形の余地と、接触領域５を囲む第１の半導体領域２の表面２０の部分範囲とを除いて、第１の半導体領域２の表面２０の全体に注入・形成されている。幅Ｌ１またはＬ２の正方形の環状（枠形）の重複範囲内の、第３の半導体領域４の下方でかつ第２の半導体領域３の上方には、やはりそれぞれチャネル領域２２が形成されている。埋込まれた第２の半導体領域３を共通の電位に保つために、これらの第２の半導体領域３は、第１の半導体領域２内の十字形に延びるｐドープされた接続部８及び９を介して接続されている。接続部８、９ならびに隣接する第３の半導体領域４の間には、それぞれ幅Ａのほぼ菱形をした表面４０もしくは２０に垂直に延びて貫通するチャネル領域２９が、第３の半導体領域４の下方の第１の半導体領域２内に配置されている。電流Ｉは接触領域５からまず横に（即ち水平または水平位に）横方向のチャネル領域２２を通り、引続きほぼ垂直に隣接する縦方向のチャネル領域２９を通って流れる。
半導体物質ＳｉＣには、以下に記載するドーパント濃度、即ち第１の半導体領域２、特に半導体層２６には約１・１０16ｃｍ-3（約７００Ｖの逆方向電圧用）及び約６・１０15ｃｍ-3（約１２００Ｖの逆方向電圧用）が、基板２７にも１０18ｃｍ-3より明らかに多い値が、また第２の半導体領域３及び第３の半導体領域４には約１・１０18ｃｍ-3〜約２・１０19ｃｍ-3、有利には約５・１０18ｃｍ-3が選択される。
半導体装置の、以上説明した実施形態は様々のトポロジに形成可能であり、特にセル状または櫛歯状の構造にも形成可能である。
これまで記載した半導体装置は、優れた方法で短絡直流電流を制御するのに適しており、その際固有にかつ制御なしに（受動的に）作動するユニポーラデバイスである。半導体装置を電流制限器として設計することにより、定格電流範囲及びなお許容される規定の過負荷電流の上方にあり、半導体装置が電圧の印加状態において、電流を比較的低い逆方向電流ＩBに自動的に制限する、所望の飽和電流ＩSatを調整することができる。
図示しない、交流電圧用にも適する電流制限器の実施形態では、図１または図２の第１の半導体装置と、逆方向電圧用のダイオードとから成る直列回路及び図１または図２の第２の半導体装置と、その逆方向電圧用の第２のダイオードとから成るもう１つの直列回路が逆並列に接続される。これらの２つのダイオードはｐｎ整流ダイオードまたは特にＳｉＣを基材とするショットキーダイオードであってもよい。この交流制限器の特性曲線はダイオードのしきい値電圧により定まる。
交流制限器の特に有利な実施形態は図４に示されている。図２と同様に形成された２つの同形の半導体装置は、それぞれ両方の半導体装置の一方が短絡の半波（電流の極性）を制限するように逆直列に接続される。そのため２つの半導体装置の第１の電極７及び７′が電気接続部１５を介して電気的に互いに接続され、両方の第２の電極６及び６′は、それぞれ交流電圧の一方の極に電気的に接続されている。図２の実施形と異なり、第３の半導体領域４もしくは４′は、接触領域５もしくは５′よりも深く形成されており、接触領域２２及び２９は形状的に異なって配分されている。更に最も外側の第３の半導体領域４もしくは４′は、半導体層２６または２６′とは逆の導電形にドープされた平面的縁端部により表面２０もしくは２０′の電界強度を低下させ、不活性化するために制限されている。第３の半導体領域４及び４′内における電荷蓄積効果が、短絡時に後続する交流電圧サイクル中に繰り返されるスイッチングを阻止するので、電流は低い逆方向電流ＩBに制限されたままである。
図５には、図４のＳｉＣで形成した交流制限器で測定された電流−電圧特性曲線が示されている。この特性曲線は、電流を制限するデバイスとしての半導体装置の優れた特徴を示している。
図６は、半導体装置の時間ｔに依存する電流Ｉと電圧Ｕの測定曲線を示している。半導体装置の電極に時点ｔ1で高さ８０Ｖ及び時間的長さｄｔ＝１０μ秒の電圧パルスを、短絡状態にて印加する。電流Ｉは衝撃的に増加し、飽和電流値ＩS＝２Ａにおいて、半導体装置により１μ秒以内で迅速にほぼ１Ａだけの逆方向電流ＩBに制限される。時点ｔ2における電圧パルスの停止後、電流Ｉは当然再び０Ａに戻る。しかし電圧Ｕは半導体装置を介して０Ｖに戻らず、約６０Ｖの残留電圧ＵRに、実際上コンスタントに２５μ秒以上ずっと変化しないことは興味深いことである。
図７は電気的負荷１２用の電気供給網、例えば建造物の配電分岐回路１７内の相Ｒと接地電位Ｍｐとの間にあるスイッチング装置を具体的に説明するものである。このスイッチング装置は、特に図１〜４により形成された電子式の電流制限器１３と、電流制限器１３の２つのピックアップ点１３Ａ及び１３Ｂ間の電圧降下を読み取る過電圧開放器１６と、配電分岐回路１７内の負荷１２の前の電流制限器１３に直列に接続されたスイッチングリレー（切換継電器）１４とを含んでいる。スイッチングリレー１４は、負荷１２の短絡に伴い電流制限器１３の電圧が臨界電圧値を越えた際に、過電圧開放器１６により回路網（Ｒ）が切り離される（開放される）。その際スイッチングリレー１４は格別に迅速である必要はなく、更にその接触部が電流制限時のアークにより歪むこともない。それというのも、電子の電流制限器１３は明らかにミリ秒以下で極めて迅速に電流を制御するからである。
【図１】
0004307565.tif 000002
【図２】
0004307565.tif 000003
【図３】
0004307565.tif 000004
【図４】
0004307565.tif 000005
【図５】
0004307565.tif 000006
【図６】
0004307565.tif 000007
【図７】
0004307565.tif 000008