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WO1995007548A1 - Strombegrenzer - Google Patents

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WO1995007548A1
WO1995007548A1 PCT/DE1993/000823 DE9300823W WO9507548A1 WO 1995007548 A1 WO1995007548 A1 WO 1995007548A1 DE 9300823 W DE9300823 W DE 9300823W WO 9507548 A1 WO9507548 A1 WO 9507548A1
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WO
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source
current
drain
semiconductor region
current limiter
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PCT/DE1993/000823
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Maier
Hermann Zierhut
Heinz Mitlehner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/83—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group IV materials, e.g. B-doped Si or undoped Ge
    • H10D62/832—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials being Group IV materials, e.g. B-doped Si or undoped Ge being Group IV materials comprising two or more elements, e.g. SiGe
    • H10D62/8325—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/025—Disconnection after limiting, e.g. when limiting is not sufficient or for facilitating disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for DC applications
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/025—Current limitation using field effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D8/00—Diodes

Definitions

  • the invention relates to a current limiter with at least one semiconductor region with electron donor (source), electron collector (drain) and electrodes controlling the electron flow (gate).
  • the disadvantage of mechanical protective switching devices is the wear of the contacts, frequent maintenance and a relatively slow switching time in the event of a short circuit, as well as a relatively low temporal accuracy of the switching time.
  • Semiconductor switches can work without wear and switch quickly; they have low switching losses and they can be controlled variably. Disadvantages of semiconductor switches are: high costs, high space requirements and relatively high transmission losses.
  • the object of the invention is to develop a current limiter using semiconductor technology, in which the disadvantages of the semiconductors which have been customary hitherto are reduced to a technically useful extent.
  • a current limiter according to claim 1.
  • the semiconductor region operates without its own control, and it has a characteristic curve such as that which field effect transistors (FETs) have.
  • FETs field effect transistors
  • a current interrupter device can be connected in series to the drain-source path be used in order to protect the semiconductor area as an overload relay or also to enable a shutdown during operation.
  • the gate electrodes are dimensioned with respect to their thickness L, their distance d from one another and the source-drain path D in such a way that there is a limit at a given current strength.
  • the gate electrodes are at floating potential, which is also known as "floating.” referred to as.
  • the semiconductor region can be embodied integrated in a microchip or as a discrete component.
  • a rapid short-circuit current limitation is achieved above an overload limit and thus equipment or electrical distributions can be protected quickly.
  • circuit breakers the advantage of a strong and rapid current limitation is achieved, and the usual burn-up problems are avoided.
  • a rapid high current limitation is achieved without affecting intact parallel circuits of a consumer network.
  • PTC thermistors In comparison to PTC thermistors, a more stable characteristic is achieved.
  • the semiconductor region may • be designed as a vertical "Junction” -Feld ⁇ effect transistor (J-FET). It is particularly advantageous to form the semiconductor region from a substrate material made of silicon carbide.
  • this can be designed as a switch contact with a tripping device.
  • the semiconductor region is designed with embedded gate electrodes.
  • the semiconductor region can also be developed in such a way that gate electrodes are arranged on the source electrode and others on the drain electrode with an electrically conductive connection to the source or drain electrode.
  • the drain-source path can then be compared to fully embedded gate electronics. which are roughly halved, with the operating conditions remaining the same.
  • coolants on the source electrode and on the drain electrode which can be dimensioned such that the limiting current can be reduced in the current-time diagram as a result of a positive temperature coefficient which is established.
  • Such a lowering is also advantageous for a semiconductor region which is operated as a unipolar component.
  • the pn junction between the gate and the drain-source path then does not come into play as a diode, since the threshold voltage, for example 2.8 volts at SiC, is used. In other words: the permissible load current density remains below the diode pass characteristic. You then work in the ohmic area.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment using a semiconductor region with embedded gate electrodes.
  • 2 shows a current limiter as shown in FIG. 1 with a semiconductor region, the gate
  • Has electrodes that are electrically connected to the source electrode and gate electrodes that are connected to the drain electrode. 3 shows a characteristic of the current limiter in a diagram, on the ordinate of which the drain-source current is plotted and on the abscissa of which the drain-source voltage is plotted.
  • This diagram illustrates, by way of example, the mode of operation of a current limiter according to FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a diagram as shown in FIG. 3, which exemplifies the mode of operation of a current limiter according to FIG. 5 shows a characteristic curve in the current-time diagram for current limiters with additional developments.
  • the semiconductor region is operated as a unipolar component or, or and, and coolants are used.
  • FIG. 6 shows a current limiter according to FIG. 1 with coolants on drain and on source electrodes.
  • FIG. 7 shows coolant in a current limiter according to FIG. 2.
  • the current limiter according to FIG. 1 works with a semiconductor region 1, with source electrode, source electrode 2, drain electrode 3 and gate electrode 4.
  • the gate electrode does not have its own control and is completely embedded.
  • the gate electrode 4 can consist of individual doping islands or can also be produced from a disk-shaped doping region with hole-like interruptions.
  • the gate electrodes 4 are dimensioned with respect to their thickness L, their distance d, from one another and the source-drain path D in such a way that a current limitation is established at a given current strength.
  • the working range entered is obtained with a characteristic according to FIG. 3. Up to 230 volts one works in the linear range 8 and in the case of overvoltages up to about 700 V one remains in the horizontal limitation range, so that the current intensity I- Q is set independently of the voltage U D g.
  • the linear region 8 corresponds to an ON resistance RON
  • a current interrupter device 5 with a switch contact 6 can be connected in series with the drain-source path to the semiconductor region 1.
  • the circuit breaker device 5 usually has a switch contact 6 with a tripping device 7.
  • the current interrupter device 5 can act as an overload relay to protect the semiconductor area in the event of voltage 3, in which the characteristic curve for high drain-source voltages changes into a region parallel to the drain-source current.
  • the current interrupter device 5 can also be designed for operational shutdown in order to achieve a current limiter with the properties of a circuit breaker, for example in the manner of a circuit breaker.
  • the semiconductor region then works as a particularly good limiter, which makes it unnecessary to provide the current interrupter device with arc extinguishing devices.
  • the semiconductor region can be understood as a vertical "junction" field effect transistor, J-FET. It is particularly favorable if the semiconductor region is formed from a substrate material made of silicon carbide.
  • gate electrodes 4a are arranged on the source electrode 2 and other gate electrodes 4b on the drain electrode 3 and are connected in an electrically conductive manner to the source or drain electrode.
  • the drain-source path can be shortened by approximately half and a steeper linear region 8 of the characteristic curve is obtained, which results in a lower ON resistance RON- * corresponds.
  • the first and third quadrants are used, as illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • a semiconductor region with a structure according to FIG. 2 can thus be halved in comparison to a semiconductor region in the structure according to FIG.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

Strombegrenzer mit zumindest einem Halbleiterbereich (1) mit Elektronenspender (Source;2) Elektronensammler (Drain;3) und den Elektronenfluss steuernde Elektrode (Gate;4) ohne eigene Ansteuerung. Der Halbleiterbereich weist eine Kennlinie auf, wie sie Feldeffekttransistoren haben. Gegebenenfalls kann eine Stromunterbrechereinrichtung (5) in Serie zur Drain-Source-Strecke geschaltet werden. Die Gate-Elektroden (4, 4a, 4b) sind hinsichtlich ihrer Dicke (L), ihres Abstandes (d) voneinander und der Source-Drain-Strecke (D) so dimensioniert, dass sich bei einer vorgegebenen Stromstärke eine Begrenzung einstellt.

Description

Strombegrenzer
Die Erfindung bezieht sich auf einen Strombegrenzer mit zu- mindest einem Halbleiterbereich mit Elektronenspender (Source) , Elektronensammler (Drain) und den Elektronenfluß steuernder Elektroden (Gate) .
Es ist häufig wünschenswert, Ströme, insbesondere Wechsel- ströme, rasch auf bestimmte Werte zu begrenzen, so daß Überströme verträglich werden oder damit Zeit zum Abschal¬ ten verbleibt.
Nachteilig bei mechanischen Schutzschaltgeräten sind der Verschleiß der Kontakte, häufige Wartung und eine verhält¬ nismäßig langsame Schaltzeit im Kurzschlußfall sowie eine verhältnismäßig geringe zeitliche Genauigkeit des Schalt¬ zeitpunktes.
Halbleiterschalter können dagegen verschleißfrei arbeiten und schnell schalten; sie haben geringe Schaltverluste und sie lassen sich variabel steuern. Nachteilig sind bei Halb¬ leiterschaltern: hohe Kosten, hoher Platzbedarf und ver¬ hältnismäßig hohe Durchlaßverluste.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strombe¬ grenzer unter Einsatz von Halbleitertechnik zu entwickeln, bei dem die bisher üblichen Nachteile der Halbleiter bis auf ein technisch brauchbares Ausmaß verringert werden.
Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt nach der Er¬ findung durch einen Strombegrenzer nach Patentanspruch 1. Der Halbleiterbereich arbeitet ohne eigene Ansteuerung, und er weist eine Kennlinie auf, wie sie Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen. Gegebenenfalls kann eine Stromunterbre¬ chereinrichtung in Serie zur Drain-Source-Strecke geschal tet sein, um als Überlastrelais den Halbleiterbereich zu schützen oder auch um betriebsmäßig eine Abschaltung zu er¬ möglichen. Wesentlich ist, daß die Gate-Elektroden hin¬ sichtlich ihrer Dicke L, ihres Abstandes d voneinander und der Soure-Drain-Strecke D so dimensioniert sind, daß sich bei einer vorgegebenen Stromstärke eine Begrenzung ein¬ stellt. Die Gate-Elektroden liegen hierbei auf frei schwe¬ bendem Potential, was auch als "Floating." bezeichnet wird. Der Halbleiterbereich kann integriert in einem Mikrochip oder auch als diskretes Bauelement ausgeführt sein.
Man erzielt oberhalb einer Überlastgrenze eine rasche Kurz¬ schluß-Strombegrenzung und kann somit Betriebsmittel oder elektrische Verteilungen schnell schützen. Hinsichtlich Leitungsschutzschaltern erzielt man den Vorteil einer star¬ ken und schnellen Strombegrenzung, man vermeidet die sonst üblichen Abbrandprobleme. Im Vergleich zu mechanischen Li¬ mitern erzielt man eine rasche hohe Strombegrenzung, ohne intakte Parallelstromkreise eines Verbrauchernetzes zu be- einträchtigen. Im Vergleich zu Kaltleitern erzielt man eine stabilere Kennlinie.
Der Halbleiterbereich kann als vertikaler "Junction"-Feld¬ effekttransistor (J-FET) ausgeführt • sein. Besonders vor- teilhaft ist es, den Halbleiterbereich aus einem Substrat¬ material aus Siliziumkarbid auszubilden.
Bei Einsatz einer Stromunterbrechereinrichtung kann diese als Schaltkontakt mit Auslöseeinrichtung ausgeführt sein.
Nach einer Weiterbildung ist der Halbleiterbereich mit ein¬ gebetteten Gate-Elektroden ausgeführt. Der Halbleiterbe¬ reich kann auch so weitergebildet sein, daß Gate-Elektroden an der Source-Elektrode und andere an der Drain-Elektrode angeordnet sind, bei elektrisch leitender Verbindung zur Source- bzw. zur Drain-Elektrode. Die Drain-Source-Strecke kann dann im Vergleich zu voll eingebetteten Gate-Elektro- den in etwa halbiert werden, bei im übrigen gleichen Be¬ triebsbedingungen.
Es ist günstig, an der Source-Elektrode und an der Drain- Elektrode Kühlmittel anzuordnen, die so bemessen werden können, daß im Strom-Zeit-Diagramm der Begrenzungsstrom in¬ folge eines sich einstellenden positiven Temperaturkoeffi¬ zienten abgesenkt werden kann. Eine derartige Absenkung be¬ günstig auch ein Halbleiterbereich, der als unipolares Bau- element betrieben wird. Der pn-Übergang zwischen Gate und Drain-Source-Strecke kommt dann als Diode nicht zur Gel¬ tung, da man unterhalb der Schwellenspannung, bei SiC bei¬ spielsweise 2,8 Volt, arbeitet. Mit anderen Worten: Die zu¬ lässige Laststromdichte bleibt unterhalb der Diodendurch- laßkennlinie. Man arbeitet dann im ohmschen Bereich.
Die Erfindung soll nun anhand von in der Zeichnun grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispielen näher er¬ läutert werden:
FIG 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel unter Einsatz eines Halbleiterbereichs mit eingebetteten Gate-Elek¬ troden. FIG 2 zeigt einen Strombegrenzer in der Darstellungsweise nach FIG 1 mit einem Halbleiterbereich, der Gate-
Elektroden aufweist, die mit der Source-Elektrode elektrisch verbunden sind und Gate-Elektroden, die mit der Drain-Elektrode in Verbindung stehen. FIG 3 zeigt eine Kennlinie des Strombegrenzers in einem Diagramm, auf dessen Ordinate der Drain-Source-Strom und auf dessen Abszisse die Drain-Source-Spannung aufgetragen ist. Dieses Diagramm veranschlaulicht beispielhaft die Arbeitsweise eines Strombegrenzers nach FIG 1. FIG 4 zeigt ein Diagramm in der Darstellungsweise nach FIG 3, das die Arbeitsweise eines Strombegrenzers nach FIG 2 beispielhaft veranschaulicht. FIG 5 zeigt eine Kennlinie im Strom-Zeit-Diagramm für Strombegrenzer mit zusätzlichen Weiterbildungen. Der Halbleiterbereich wird hierfür als unipolares Bau¬ element betrieben oder, bzw. und, es sind Kühlmittel eingesetzt.
FIG 6 zeigt einen Strombegrenzer nach FIG 1 mit Kühlmitteln an Drain- und an Source-Elektroden wiedergegeben.
FIG 7 zeigt Kühlmittel bei einem Strombegrenzer nach FIG 2.
Der Strombegrenzer nach FIG 1 arbeitet mit einem Halblei¬ terbereich 1, mit Source-Elektrode, Source-Elektrode 2, Drain-Elektrode 3 und Gate-Elektrode 4. Die Gate-Elektrode weist keine eigene Ansteuerung auf und ist völlig einge¬ bettet. Die Gate-Elektrode 4 kann aus einzelnen Dotierungs- inseln bestehen oder auch aus einem scheibenförmigen Dotie- rungsbereich bei lochartigen Unterbrechungen hergestellt werden. Die Gate-Elektroden 4 sind hinsichtlich ihrer Dicke L, ihres Abstandes d, voneinander und der Source-Drain- Strecke D, so dimensioniert, daß sich bei einer vorgegebe- nen Stromstärke eine Strombegrenzung einstellt.
Für die Werte L = 3μm, d = lμm und D = 21μm und bei Sili¬ ziumkarbid als Substratmaterial erhält man bei einer Kenn¬ linie nach FIG 3 den eingetragenen Arbeitsbereich. Bis 230 Volt arbeitet man im linearen Bereich 8 und bei Überspan¬ nungen bis etwa 700 V bleibt man im horizontalen Begren¬ zungsbereich, so daß sich die Stromstärke I-Q- unabhängig von der Spannung UDg einstellt. Der lineare Bereich 8 ent¬ spricht einem ON-Widertand RON-
Gegebenenfalls kann, wie in FIG 1 veranschaulicht, dem Halbleiterbereich 1 eine Stromunterbrechereinrichtung 5 mit einem Schaltkontakt 6 in Serie zur Drain-Source-Strecke ge¬ schaltet sein. Im Auführungsbeispiel meist die Stromunter- brechereinrichtung 5 einen Schaltkontakt 6 mit Auslöseein¬ richtung 7 auf. Die Stromunterbrechereinrichtung 5 kann als Überlastrelais zum Schutz des Halbleiterbereichs bei Span- nungen dienen, in denen nach FIG 3 die Kennlinie für hohe Drain-Source-Spannungen in einen zum Drain-Source-Strom pa¬ rallelen Bereich übergeht. Die Stromunterbrechereinrichtung 5 kann auch für betriebsmäßige Abschaltung ausgelegt sein, um einen Strombegrenzer mit Eigenschaften eines Schutzschalters, beispielsweise nach Art eines Leitungs¬ schutzschalters, zu erzielen. Der Halbleiterbereich arbei¬ tet dann als besonders guter Limiter, der es erübrigt, die Stromunterbrechereinrichtung mit Lichtbogenlöscheinrich- tungen zu versehen.
Beim Ausführungsbeispiel nach FIG 1 kann der Halbleiterbe¬ reich als vertikaler "Junction"-Feldeffekttransistor, J- FET, verstanden werden. Es ist besonders günstig, wenn der Halbleiterbereich aus einem Substratmaterial aus Silizium¬ karbid gebildet ist.
In der Weiterbildung nach FIG 2 sind Gate-Elektroden 4a an der Source-Elektrode 2 und andere Gate-Elektroden 4b an der Drain-Elektrode 3 angeordnet und mit der Source- bzw. der Drain-Elektrode elektrisch leitend verbunden. Unter sonst gleichen Bedingungen wie im Ausführungsbeispiel zu FIG 1 und 3 kann die Drain-Source-Strecke etwa auf den halben Wert verkürzt werden und man erzielt einen steileren line- aren Bereich 8 der Kennlinie, was einem niedrigeren ON-Wi- derstand RON-* entspricht. Bei Wechselspannung arbeitet man im ersten und dritten Quadranten, wie es in den Figuren 3 und 4 veranschaulicht ist. Ein Halbleiterbereich mit einem Aufbau nach FIG 2 kann also im Vergleich zu einem Halblei- terbereich im Aufbau nach FIG 1 bei gleicher Sperrspannung hinsichtlich seiner Drain-Source-Strecke halbiert werden und man erzielt einen niedrigeren Widerstand im Normalbe¬ trieb, so daß hier die ohnehin niedrigen Verluste noch niedriger werden. Entsprechend verläuft RO * bzw. der li- neare Bereich in FIG 4 steiler als in FIG 3. Wenn man den Halbleiterbereich 1 als unipolares Bauelement betreibt, erhält man einen positiven Temperaturkoeffizien¬ ten bezüglich RON» SO da abhängig vom äußeren Stromkreis sich eine lastabhängige progressive Strombegrenzung ergibt, wie sie im Strom-Zeit-Diagramm nach FIG 5 veranschaulicht ist. Das Absenken des BegrenzungsStroms mit der Zeit kann man auch durch Kühlmittel fördern, die in wärmeleitender Verbindung mit der Drain-Elektrode und mit der Source-Elek¬ trode stehen, wie es in den Figuren 6 und 7 veranschaulicht ist. Hier sind die Kühlmittel 9 als Kühlfahnen dargestellt.
Beim Halbleiterbereich erzielt man mit kleiner werdendem Abtand d zwischen den Gate-Elektroden bei sonst gleichen Bedinungen eine stärkere und frühere Abschnürung des Strom- flusses, so daß sich die Strombegrenzung im horizontalen Bereich nach den Figuren 3 und 4 bei niedrigeren Drain- Source-Strömen im Überlastbereich einstellt.

Claims

Patentansprüche
1. Strombegrenzer, bei dem zumindest einem Halbleiterbe- reich (1) mit Elektronenspender (Source;2) Elektronen¬ sammler (Drain;3) und den Elektronenfluß steuernder Elektrode (Gate;4) ohne eigene Ansteuerung und mit einer Kennlinie, wie sie Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen, gegebenenfalls eine Stromunterbrechereinrichtung (5) in Serie zur Drain-Source-Strecke geschaltet ist, wobei die
Gate-Elektroden hinsichtlich ihrer Dicke (L) , ihres Abstan¬ des (d) voneinander und der Source-Drain-Strecke (D) so dimensioniert sind, daß sich bei einer vorgegebenen Strom¬ stärke eine Begrenzung einstellt.
3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h- g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiberbereich (1) aus einem Substratmaterial aus Siliziumkarbit (SiC) ge¬ bildet ist.
4. Strombegrenzer nach einem der .Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stromunterbrechereinrichtung (5) als Schaltkontakt (6) mit Auslöseeinrichtung (7) ausgeführt ist.
5. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiterbereich (1) mit eingebetteten Gate-Elektroden (4) ausgeführt ist.
6. Strombegrenzer nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Gate-Elektroden (4a) an der Source-Elektrode (2) und Gate-Elektroden (4b) an der Drain-Elektrode (2) angeordnet sind, bei elektrisch leiten- der Verbindung zur Source- bzw. zur Drain-Elektrode.
7. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Source-Elektrode (2) und an der Drain-Elektrode (3) Kühl¬ mittel (9) angeordnet sind.
8. Strombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiterbereich (1) als unipolares Bauelement betrieben ist.
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