<Desc/Clms Page number 1>
UITVINDINGSOKTROOI
BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY
Naamloze Vennootschap Francis Wellesplein 1 B-2018 Antwerpen,
België
HALFGELEIDERINRICHTING EN-SAMENSTEL De aanvraagster van deze oktrooiaanvraag beroept zich op het recht van voorrang van een PCT aanvraag ingediend op 1 mei 1985 onder NO PCT/EP85/00193 in naam van : BELL TELEPHONE MANUFACTURING COMPANY, Naamloze Vennootschap (Europa).
Uitvinders : G. REMMERIE-L. VAN DEN BOSSCHE-D. VAN DE POL
<Desc/Clms Page number 2>
De huidige uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting die minstens een gebied van een sterk gedopeerd materiaal van een eerste geleidingstype omvat ingebed in een put van een materiaal van een tweede geleidingstype om het vloeien van stroom tussen deze put en dit gebied toe te laten.
Een dergelijke halfgeleiderinrichting is reeds
EMI2.1
bekend uit het artikel"Insulated-Gate Planar Thyristors : I-Structure and Basic Operation"door J. D. Plummer en anderen, gepubliceerd in IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. ED-27, Nr. 2, februari 1980, blz. 380-387 en meer in het bijzonder Fig. 11 daarvan.
Deze bekende inrichting omvat een thyristor bestaande uit een PNP transistor en een NPN transistor, die verbonden zijn tussen twee klemmen die respektieve emitters van deze transistors vormen, waarbij parallel over de basis-emitter junctie van de NPN transistor een afschakel PMOS transistor en een zogenoemde afknijptrekkerweerstand verbonden zijn. De collector van de PNP transistor, de basis van de NPN transistor en de bron van de PMOS transistor worden gevormd door de hierboven vermelde put die uit P materiaal bestaat en de emitter van de NPN transistor wordt gevormd door het hierboven vermelde gebied dat uit sterk gedopeerd N materiaal bestaat, d. w. z. N+ materiaal.
Als in deze bekende inrichting de PMOS transistor geleidend gemaakt wordt om de thyristor af te schakelen, wordt stroom uit de P put, onder het gebied van N+
<Desc/Clms Page number 3>
materiaal naar het kanaal en de afvoer van de PMOS transistor getrokken, d. w. z. vanuit de verenigde collector van de PNP transistor, de basis van de NPN transistor en de bron van de PMOS transistor naar het kanaal en de afvoer van deze transistor. De stroom die door deze PMOS transistor onderbroken kan worden is beperkt omdat de P put een betrekkelijk hoge weerstand heeft, die in serie met de bron van de PMOS transistor verbonden is.
Een doelstelling van de huidige uitvinding bestaat erin een halfgeleiderinrichting van het hierboven beschreven type te verschaffen, maar die een dergelijk nadeel niet vertoont, d. w. z. die een grotere stroom kan afleiden of afschakelen.
Volgens de uitvinding wordt deze doelstelling bereikt doordat in deze put dit gebied minstens gedeeltelijk door een zone van een sterk gedopeerd materiaal van dit tweede geleidingstype omringd is teneinde het vloeien van stroom tussen deze put en deze zone toe te laten.
Een andere kenmerkende eigenschap van de huidige halfgeleiderinrichting is dat deze put uit P-materiaal, dit gebied uit N+ materiaal en deze zone uit P+ materiaal bestaan.
Een verder kenmerk van de halfgeleiderinrichting volgens de huidige uitvinding is dat zij een thyristor omvat bestaande uit een PNP transistor en een NPN transistor die verbonden zijn tussen twee klemmen, welke respektieve emitters van deze transistors vormen, waarbij parallel over de basis-emitterjunctie van deze NPN transistor een afschakelinrichting verbonden is, en dat de collector van deze PNP transistor en de basis van deze NPN transistor gevormd worden door deze put, de emitter van deze NPN transistor gevormd wordt door dit gebied en deze zone een ingangselektrode van deze afschakel-
<Desc/Clms Page number 4>
inrichting vormt.
Doordat een ingangselektrode van de afschakelinrichting gevormd wordt door een zone van P+ materiaal, die minstens gedeeltelijk het gebied van N+ materiaal omringt, wordt bij de werking van de afschakelinrichting stroom afgeleid uit de P-put onder dit N+ gebied naar de P+ put nabij dit N+ gebied.
Door de lagere weerstand van de P+ put kan de afschakelinrichting een grotere stroom afschakelen.
Een andere kenmerkende eigenschap van de huidige inrichting is dat zij een aantal gebieden omvat die elk door deze zone zijn omringd.
In deze gevallen wordt een weg met een nog kleinere weerstand gevormd voor de stroom die de P-put verlaat en daarom is de inrichting in staat om een nog grotere stroom te onderbreken.
Een ander voordeel van de huidige halfgeleiderinrichting is dat zij het gebruik van een hierboven vermelde bijkomende afknijptrekkerweerstand
EMI4.1
niet
Nog een ander kenmerk van de huidige inrichting is dat deze afschakelinrichting gevormd wordt door een PMOS transistor.
Ook nog een ander kenmerk van de huidige inrichting is dat
EMI4.2
waarin - I de maximum stroom is die door deze PMOS transistor onderbroken kan worden ; - bl en b2 de stroomversterkingsfaktoren van respektievelijk deze PNP en NPN transistors bij deze stroom zijn ; - RE de gecombineerde weerstand is van de collector van deze PNP transistor, van de basis van deze PNP transistor
<Desc/Clms Page number 5>
en van het bron-naar-afvoerpad van deze PMOS transistor.
De huidige uitvinding heeft eveneens betrekking op een halfgeleidersamenstel welke minstens een halfgeleiderinrichting omvat met een thyristorschakelaar waaraan een aanschakelinrichting en een afschakelinrichting zijn toegevoegd.
Een dergelijk halfgeleidersamenstel is reeds bekend uit het Belgisch oktrooi nr. 897772.
In overeenstemming met de hierboven vermelde en andere kenmerken werd een halfgeleidersamenstel van dit type ontworpen, welke twee identieke halfgeleiderinrichtingen omvat, die in eenzelfde geïsoleerde kuip geïntegreerd zijn en samen een nagenoeg vierkant gebied bedekken. Dit gebied bestaat uit twee in elkaar dringende gedeelten, die elk delen van de beide inrichtingen omvatten. Meer in het bijzonder worden de emitters van de twee bipolaire transistors, welke de thyristorschakelaar van elke inrichting vormen, gevormd door in elkaar dringende S-vormige oppervlakten, die tot verschillende gedeelten behoren en de overblijvende oppervlakten van deze gedeelten worden nagenoeg volledig door de afschakelinrichtingen ingenomen.
Dit betekent dat de afmetingen van de emitters van de twee bipolaire transistors en van de afschakelinrichting van elke halfgeleiderinrichting van elkaar afhankelijk zijn. Als gevolg hiervan, wanneer een bestaand samenstel gewijzigd moet worden, mits behoud van een gelijkaardige vorm van dit daardoor bedekte gebied, opdat elke afschakelinrichting in staat zou zijn om een betrekkelijk hogere stroom af te schakelen, volstaat het niet om de oppervlakte van deze transistor overeenkomstig groter te maken. Inderdaad, in dit geval stijgen ook de oppervlakten van de emitters van de bipolaire transistors van elke halfgeleiderinrichting en hetzelfde is waar voor hun hierboven vermelde stroomversterkingsfactoren bl en
<Desc/Clms Page number 6>
b2, zodat de stroom I, die afgeschakeled kan worden, dan volgens de laatst gegeven formule daalt.
Een andere doelstelling van de onderhevige uitvinding bestaat erin een halfgeleidersamenstel van het hierboven beschreven type te verschaffen, maar die een meer onafhankelijke keuze van zijn komponenten mogelijk maakt.
Volgens de uitvinding wordt deze doelstelling bereikt doordat deze thyristorschakelaar en deze aanschakelinrichting in een elektrisch geïsoleerde eerste kuip geïntegreerd zijn, en deze afschakelinrichting in een elektrisch geïsoleerde tweede kuip geïntegreerd is.
Omdat de afschakelinrichting in een afzonderlijke kuip is aangebracht, kunnen aan zijn afmetingen een optimale waarde gegeven worden, onafhankelijk van deze van de thyristorschakelaar en van de aanschakelinrichting van de halfgeleiderinrichting. Omdat de laatstgenoemde componenten van de inrichtingen van het samenstel in afzonderlijke kuipen zijn aangebracht, kunnen de afmetingen van deze componenten van elke inrichting ook op optimale wijze gekozen worden, onafhankelijk van de overeenkomstige componenten van de andere halfgeleiderinrichting (en).
Een ander kenmerkende eigenschap van het onderhavige halfgeleidersamenstel is dat deze thyristorschakelaar een eerste transistor met een langwerpige emitter alsook een of meer tweede transistors omvat met emitters gevormd door een aantal individuele emitterelementen die deze langwerpige emitter minstens gedeeltelijk omringen en op een nagenoeg constante afstand daarvan gelegen zijn.
Op deze wijze kan aan de emitteroppervlakten en daarom ook aan de stroomversterkingsfactoren bl en b2 van de beide transistors van elke inrichting een optimale waarde gegeven worden. Meer in het bijzonder kan bl
<Desc/Clms Page number 7>
zodanig gekozen worden dat de vereiste stroom afgeschakeld kan worden en b2 kan'zodanig gekozen worden dat een gepaste AAN weerstand voor de halfgeleiderinrichting verschaft wordt, zonder de laatst vermelde stroomwaarde te beperken.
De hierboven vermelde en andere doeleinden en kenmerken van de uitvinding zullen duidelijker worden en de uitvinding zelf zal het best begrepen worden aan de hand van de hiernavolgende beschrijving van uitvoeringsvoorbeelden en van de bijbehorende tekeningen waarin :
Fig. l ekwivalente elektrische keten van een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding voorstelt ;
Fig. 2 een dwarsdoorsnede is van een uitvoering van een dergelijke inrichting ;
Fig. 3 en 4, met Fig. 4 bovenaan, samen een bovenzicht voorstellen van een plattegrond van een andere uitvoering van een dergelijke inrichting ;
Fig. 5 een gedeelte van Fig. 3 op grotere schaal toont ;
Fig. 6, 7 en 8 dwarsdoorsneden zijn volgens de repektievelijke lijnen VI-VI, VII-VII en VIII-VIII van Fig. 4, maar met verwrongen afmetingen ;
Fig 9 mogelijke werkingsdiagrammen toont van de inrichting van Fig. 1 ;
Fig. 10 de ekwivalente elektrische keten van een halfgeleiderinrichting voorstelt, die van een ander type is dan deze getoond in de Fig. 1 tot 9 ;
Fig. 11 een bovenzicht is van een gedeelte van de plattegrond van een dergelijke halfgeleider inrichting, voorzien van beschermingsketens ;
Fig. 12 het gedeelte XII van Fig. 11 op een grotere schaal voorstelt ;
Fig. 13 en 14 dwarsdoorsneden zijn volgens respektievelijk de lijnen XIII-XIII en XIV-XIV van
<Desc/Clms Page number 8>
Fig. 12, echter met verwrongen afmetingen ;
Fig. 15 tot 25 enigszins verwrongen maskers tonen, die gebruikt worden om het in Fig. 12 voorgestelde deel te integreren ;.
Fig. 22 een dwarsdoorsnede is volgens lijn XXIIXXII van Fig. 11, echter met verwrongen afmetingen ;
Fig. 23 een bovenzicht is van een gedeelte van de plattegrond van een halfgeleiderinrichting van het type getoond in Fig. 10 en niet voorzien van beschermingsketens.
De in Fig. 1 getoonde elektrische keten omvat twee elektronische halfgeleiderschakelaars of-poorten SWl en SW2, die identiek zijn, maar in anti-parallel tussen klemmen SI en S2 verbonden zijn. Deze schakelaars hebben een gemeenschappelijke poortklem G en vormen reeds het onderwerp van het hierbovenvermeld Belgisch oktrooi nr. 897772.
Schakelaar SW1 omvat PNP transistor Tl, NPN transistor T2, parasiet PNP transistor T, DMOS transistor
EMI8.1
DM en PMOS transistor PM. De transistors Tl en T2 vormen samen een thyristor die door transistor DM in geleidende toestand gebracht en door transistor PM afgeschakeld kan worden, zoals later zal worden uiteengezet.
Op dezelfde wijze omvat SW2 de transistors T'l, T'2, T', DM'en PM'.
Zoals uiteengezet in het hierboven vermelde Belgisch oktrooi wordt de schakelaar SW1 in werking gesteld als de klem SI op een hogere spanning staat dan de klem S2 en als een passende positieve spanning op de gemeenschappelijke poortelektrode G van SW1 en SW2 wordt gelegd. Hetzelfde is waar voor SW2 als S2 op een hogere spanning is dan SI.
Als bijvoorbeeld SI op een voldoend hoge spanning is t. o. v. S2 en de poortelektrode G bekrachtigd wordt,
<Desc/Clms Page number 9>
worden zowel DM'als DM, die in serie tussen 51 en S2 verbonden zijn (waarbij DM'parallel over Tl staat), geleidend. Transistor Tl wordt geleidend als de spanningsval over DM'0.7 Volt bereikt. Van zodra transistor Tl geleidend is geworden, wordt hij gevolgd door T2 en de beide transistoren ondersteunen dan elkaars werking. Om de schakelaar af te schakelen, dient een geschikte negatieve spanning aan de transistor PM gelegd te worden, omdat als deze geleidend wordt, hij stroom van de basis van T2 wegneemt en aldus deze transistor in de niet-geleidende toestand brengt, gevolgd door T2.
De halfgeleiderinrichting kan geïntegreerd worden en een doorsnede van een uitvoering van een dergelijke geïntegreerde schakelinrichting is in Fig. 2 voorgesteld.
Zij omvat een kuip 1, die gemaakt is uit een isolerende laag van siliciumoxide die ingebed is in een polysilicium laag 2 en die een substraat 3 omringt, welke gemaakt is uit een zeer lichtjes gedopeerd N materiaal, aangeduid door N--. In de kuip 1 en in het bovenste oppervlak van het substraat 3 daarvan zijn de schakelaardelen SPI en SP2 verwezenlijkt. Deze schakelaardelen zijn elkaars spiegelbeeld t. o. v. het midden van de kuip 1. Ze komen echter niet overeen met de bovengenoemde schakelaars SW1 en SW2 omdat elk van hen, gedeelten van elk van deze schakelaars omvat, zoals later duidelijk zal worden.
Het schakelaardeel SPI wordt in het kort als volgt gemaakt, waarbij al zijn delen door langwerpige elementen gevormd worden.
Eerst worden de veldplaten 4 en 5 en de poortplaat 6, die alle uit polysiliciummateriaal vervaardigd zijn, verwezenlijkt op een siliciumoxidelaag 7 die aangebracht is op het bovenoppervlak van de kuip 1. De putten 8 en 9, die bijvoorbeeld lichtjes gedopeerd materiaal bevatten, welke met P-is aangeduid, worden bijvoorbeeld verkregen door ionenimplantatie gevolgd door een
<Desc/Clms Page number 10>
indrijfbewerking. De gebieden 10, 11 en 12 worden op een gelijkaardige wijze verwezenlijkt. De gebieden 10 en 11 worden gevormd door een sterk gedopeerd P materiaal, aangeduid met P+, en het gebied 12 wordt gevormd door een sterk gedopeerd N materiaal, aangeduid met N+. Het gebied 10 wordt gevormd in de put 8 en de beide gebieden 11 en 12 worden in de put 9 gemaakt.
De geleidende aluminium stroken 13 en 14 worden op zodanige wijze verwezenlijkt, dat de strook 13 met de veldplaat 4 en met het gebied 10 over respektievelijk de oppervlakten 15 en 16 contact maakt, en dat de geleidende strook 14 met de veldplaat 5 en met het gebied 12 over respektievelijk de oppervlakten 17 en 18 contact maakt. Er dient opgemerkt dat de siliciumoxidelaag 7 ook aanwezig is tussen de elementen 4, 5, 6, 13 en 14 en deze ook bedekt.
Tenslotte zijn de stroken 13 en 14 elektrisch verbonden met de klem S2 en is de poortplaat 6 elektrisch met de klem G verbonden.
Het schakelaardeel SP2 is gelijkaardig aan SPI en omvat de elementen 19 tot 21 en 22 to 32 die respektievelijk met de elementen 4 tot 6 en 8 tot 18 van SPI overeenkomen. De laag 7 wordt ook in SP2 gebruikt.
De hierboven vermelde transistoren Tic T2, DM, PM van SPI en T'l e T'2 van SP2 zijn schematisch in Fig. 2 voorgesteld. De transistors DM'en PM'zijn niet getoond omdat ze identiek zijn aan de eerstgenoemde en de transistors T en T'zijn niet voorgesteld omdat ze voor de uitvinding zonder belang zijn.
Meer in het bijzonder zijn de elektroden van de transistors Tic T2, DM, PM en T'l e T'2 als volgt : - de basis, emitter en collector van Tl worden respektievelijk gevormd door het N--materiaal van het substraat 2, het P-en het P+ materiaal van de put 22 en het gebied 24 en het P-materiaal van de put 9 ; - de basis, emitter en collector van T2 worden
<Desc/Clms Page number 11>
respektievelijk gevormd door het P-materiaal van de put 9, het N+ materiaal van het gebied 12 en het N-materiaal van het substraat 2 ; - de poort, bron en afvoer van DM die aan het bovenvlak van de kuip is verwezenlijkt, worden respektievelijk gevormd door de poort G of 6, het N+ materiaal van het gebied 12 en het N--materiaal van het substraat 2.
Het kanaal wordt gevormd door het P-materiaal van de put 9 ; - de poort, bron en afvoer van PM die ook aan het bovenoppervlak van de kuip is verwezenlijkt, worden respektievelijk gevormd door de poort G, het P-en P+ materiaal van de put 3 en het gebied 11 en het P+ materiaal van het gebied 10. Het kanaal wordt gevormd door het N--materiaal ; - de basis, emitter en collector van T'l worden respektievelijk gevormd door het N--materiaal van het substraat 2, het P+ materiaal van het gebied 10 en het Pmateriaal van de put 23 ; - de basis, emitter en collector van T'2 worden respektievelijk gevormd door het P-materiaal van de put 23, het N+ materiaal van het gebied 26 en het N-materiaal van het substraat 2.
Als in deze bekende uitvoering bijvoorbeeld transistor PM geleidend gemaakt wordt, wordt stroom uit de basis van T2 en de collector van Tl naar de klem S2 getrokken via de bron, het kanaal en de afvoer van PM.
Meer in het bijzonder, vloeit deze stroom vanuit het Pmateriaal van de put 9 naar het P+ materiaal van het gebied 10 en, zoals volgt uit Fig. 2 doet de grootste weerstand in dit P-materiaal zich voor als deze stroom vanonder de N+ zone 12 komt. Inderdaad, een dergelijke stroom vloeit vanonder deze N+ zone 12 naar het P+ gebied 10, enerzijds via het P-materiaal 9 en het kanaal van PM dat onder de poort 6 is gelegen, en anderzijds via het P+ gebied 11 aan het oppervlak van de kuip Ie een P+ gebied
<Desc/Clms Page number 12>
(niet getoond) nabij het kanaal van PM en dit kanaal zelf.
Door de aanwezigheid van P+ materiaal 9 is de weerstand van de bron van de PMOS transistor PM aanmerkelijk verlaagd, zodat het effekt van deze transistor merkelijk verbeterd is, d. w. z. deze transistor kan een grotere stroom afschakelen. Een nadeel van deze uitvoering van de schakelinrichting van Fig. 2 is dat zij een langwerpig oppervlak heeft, waarbij een dergelijke oppervlak niet zo geschikt is om een optimale oppervlaktevulling te verwezenlijken als ze gecombineerd wordt met een aantal van dergelijke schakelketens en met nagenoeg vierkante besturingsketens en ook als men bedenkt dat de schakelketens verbonden moeten worden met chipklemmen die aan de langsrand van de chip zijn gelegen.
Om deze reden werd een tweede uitvoering ontworpen, die de voorkeur geniet en die een nagenoeg vierkante oppervlakte inneemt en een nog kleinere PM bronweerstand heeft teneinde de afschakeling van grotere stromen mogelijk te maken. Ze heeft ook vele andere kenmerkende eigenschappen. Deze tweede uitvoering wordt hierna beschreven met verwijzing naar de Fig. 3 tot 8.
Fig. 3 en 4, met Fig. 4 bovenaan, tonen twee identieke schakelaardelen SPI en SP2 die zodanig zijn opgesteld, dat ze in elkaar grijpen en een nagenoeg vierkante oppervlakte bedekken. Het schakelaardeel SPI is met de voedingsklem S2 verbonden via een betrekkelijk grote geleidende aluminiumstrook 33 (Fig. 4), en het schakelaardeel SP2 is op dezelfde wijze met de voedingsklem SI verbonden door een betrekkelijk grote geleidende aluminiumstrook 34 (Fig. 3). Deze schakelaardelen SPI en SP2 zijn ook verbonden met de poortklem G of 6 via respektievelijk de geleidende aluminiumstroken 35 (Fig. 4) en 36 (Fig. 3).
Omdat de beide schakelaardelen SPI en SP2 identiek
<Desc/Clms Page number 13>
zijn, wordt hierna enkel het schakelaardeel SPI in detail beschouwd.
Hierbij dient aangestipt dat in de Fig. 3 tot 5 de geleidende stroken door gearceerde delen voorgesteld zijn, dat Fig. 6 een dwarsdoorsnede is volgens lijn VIVI door het midden van een gebied D van een aantal
EMI13.1
gebieden A tot L, die deel uitmaken van het in Fig. 5 getoonde linkonderdeel van SPl dat Fig. 7 een dwarsdoorsnede is van het gebied D volgens de lijn VIIVII evenwijdig met lijn VU-VIT en dat Fig. 8 een dwarsdoorsnede is volgens lijn VIII-VIII doorheen het midden van het gebied A. Het laatstgenoemde gebied A is identiek aan het gebied B en elk van deze twee gebieden bestaat uit drie opeenvolgende zones, die dwarsdoorsneden hebben gelijk aan deze van respektievelijk Fig. 7, Fig. 8 en weer Fig. 8.
Op dezelfde wijze bestaat ieder van de gebieden C tot L, die ook identiek zijn, uit drie opeenvolgende zones met dwarsdoorsneden gelijk aan deze van respektievelijk Fig. 7, Fig. 6 en Fig. 7.
Het schakelaardeel SPI wordt verwezenlijkt door toepassing van een werkwijze gelijkaardig aan deze hierboven beschreven met betrekking tot Fig. 2. Zoals later duidelijk zal worden, bestaat het bovenvlak van de kuip 1 uit P+ materiaal 10, 11 en N+ materiaal 12, 46, met uitzondering van het gebied onder de poort 6 en ook van het gebied nabij de randen van SPI waar het P+ materiaal van het N--materiaal gescheiden is door Pmateriaal, dat een grotere kromtestraal heeft om doorslag te vermijden.
Zoals getoond in Fig. 3 en 4 bedekt het schakelaardeel SPI een gebied afgebakend door een S-vormige zijde met gebogen uiteinden, waarvan het onderste door een andere gebogen gedeelte 37 verbonden is met een van twee rechtlijnige zijden die loodrecht op elkaar zijn aangebracht. De andere rechtlijnige zijde is
<Desc/Clms Page number 14>
van het bovenste uiteinde van de S-vormige zijde gescheiden door een spleet welke de doorgang van de hierboven vermelde geleidende strook 35 mogelijk maakt.
De poort 6 bestaat uit een slangvormig lint met een onderste gedeelte 38, dat zich langsheen de onderzijde van het schakelaardeel SPI uitstrekt en een gedeelte 39 dat de centrale oppervlakte van SPI bedekt en dat meerdere golfvormige vingers heeft. Aan zijn rechterbovenkant heeft de poort 6 een klem 40 waarmee de geleidende strook 35 in 41 verbonden is. Zoals later duidelijk zal worden, is de slangvormige poort gelegen boven een slangvormig kanaal uit N-- materiaal, dat een gebied van P+ materiaal 10 van een gebied van P+ materiaal scheidt. Het gebied van P+ materiaal dat nabij de bovenste kromming van SPI is gelegen, is betrekkelijk groot omdat op deze plaats de poort 6 een grote bocht maakt die met deze bovenste kromming evenwijdig is.
Een geleidende strook 63 is met het bovenvlak van de poort 6 verbonden teneinde de linker en rechter (Fig.
8) delen daarvan kort te sluiten. Deze delen werden respektievelijk met P en N materiaal gedopeerd gedurende de vervaardiging van de schakelaar en de poort 6 zou dus een diode vormen indien geen voorzorgen genomen werden.
Het P-gebied 8 en het P+ gebied 10 strekken zich beide langs de rechtlijnige zijden van SPI uit. Ze hebben dwarsdoorsneden gelijk aan deze getoond in Fig. 6 tot 8, waaruit volgt dat aan de buitenkant van deze beide zijden het P+ materiaal van het gebied 10 van het N-substraatmateriaal gescheiden is door het P-materiaal van de put 8. Aan de binnenkant van deze rechtlijnige zijden strekt het P+ materiaal van het gebied 10 zich gedeeltelijk uit onder de poort G en voorbij het Pmateriaal. Meer in het bijzonder, aan de onderste rechtlijnige zijde van SPI steekt het P+ materiaal uit tussen en gedeeltelijk onder het slangvormig gedeelte 38
<Desc/Clms Page number 15>
van de poort 6, terwijl aan de rechter rechtlijnige zijde van SPI het P+ materiaal 10 tussen de vingers van het golfvormig gedeelte 39 van deze poort uitsteekt.
Zoals eveneens voorgesteld in de Fig. 3 tot 8 zijn een geleidende strook 13, die verbonden is met de geleidende strook 33 welke naar de voedingsklem S2 leidt, en een veldplaat 4 langsheen de rechtlijnige zijden van SPI aangebracht en deze strook 13 is met deze veldplaat 4 op de plaatsen 15 verbonden en maakt contact met het P+ materiaal van het gebied 10 op de plaatsen 16. Het rechtlijnige rechterdeel van de geleidende strook 13 heeft bovendien een aantal strookvormige vingers, zoals 42 en 43, die met het onderliggende P+ materiaal 10 contact maken in een aantal plaatsen, zoals deze aangeduid met 44 en 45 in Fig. 3 en 4. De elementen 42 en 44 zijn ook in Fig. 5 voorgesteld.
De P-put is S-vormig en vormt de S-vormige zijde van SPI. Hij bevat een P+ gebied 11, een aantal vierkante N+ gebieden 46 die ook volgens een S-vormig lint zijn aangebracht, en twee rechthoekige N+ gebieden 12 gelegen nabij de hierboven vermelde 37 aan de linkerkant van SPI. Deze putten en gebieden 9,11, 12 en 46 zijn getoond op de linkerzijde van de genoemde Fig. 6 tot 8, waaruit volgt dat in het gebied A-L van SPI de N+ gebieden 46 volledig zijn omgeven door het P+ materiaal van het gebied 11 en dat de rechthoekige N+ gebieden 12 omgeven zijn door het P+ materiaal van het gebied 11 langs drie zijden en door het P-materiaal van de put 9 aan de zijde van de nabij liggende poort 6.
Aan de buitenkant van deze S-vormige zijde van SPI is het P+ materiaal van het gebied 11 van het N-substraatmateriaal gescheiden door het P-materiaal van de put 9. Aan de binnenkant van deze S-vormige zijde van SPI strekt het P+ materiaal van het gebied 11 zich gedeeltelijk uit onder de poort G en voorbij het P-
<Desc/Clms Page number 16>
materiaal (Fig 6, 7) of het N+ materiaal van het gebied 12 en het nabijgelegen P-materiaal van de put 9 steken beide onder de poort (Fig. 8) uit.
Doordat het P+ materiaal van de gebieden 10 en 11 onder de poort 6 (Fig. 7) een kleine diepte heeft kan de ligging van hun buitenranden nauwkeurig bepaald worden en hetzelfde geldt voor de randen van de poort 6 boven deze randen. Bovendien, het P+ materiaal van het gebied 11 tussen het N+ materiaal en het P-materiaal van de put 9 aan de zijde van de veldplaat (Fig. 8) werkt als een afstopdiffusie, die lek tussen dit N+ materiaal en het Nmateriaal verhindert.
Zoals eveneens voorgesteld in Fig.. 3 tot 8 zijn een S-vormige geleidende strook 14 en een veldplaat 5 langsheen de S-vormige zijde van SPI aangebracht en deze strook is met de geleidende strook 13 in de hierboven vermeld bocht 37 verbonden. De strook 14 is ook verbonden met de veldplaat 5 in de plaatsen 17 en met het N+ materiaal van de gebieden 12 en 46 in de plaatsen 18.
De strook 46 is bovendien via een groter brugstuk 47 met een vergrote kop 48 van een strookvormige vinger 49 verbonden, waarbij deze vergrote kop 48 zelf met het hierboven vermelde grote gebied van het onderliggende P+ materiaal 10 in een aantal plaatsen zoals 50 contact maakt. Tenslotte is de geleidende strook 14 ook verbonden met een strookvormige vinger 51, die ook met dit P+ materiaal 10 in een aantal plaatsen zoals 52, contact maakt.
Er dient aangestipt dat in elk van de plaatsen, zoals 44 (Fig. 4) en 52 waar een strookvormige vinger, zoals 42 en 51, met het onderliggende P+ materiaal contact maakt, de poort 6 op een grotere afstand van deze verbinding is gelegen voldoende om doorslag te verhinderen.
Een andere geleidende S-vormige strook 53, 54
<Desc/Clms Page number 17>
strekt zich evenwijdig uit met de S-vormige geleidende strook 14 en bestaat uit twee delen 53 en 54, die door het hierboven vermelde geleidende brugstuk 47 onderbroken zijn. De strook 53, 54 maakt contact met het P+ materiaal van het gebied 11 in een aantal plaatsen aangeduid met 55 (Fig. 3 tot 8). Meer in het bijzonder het deel 53 van de strook 53/54 is verbonden met een aantal strookvormige vingers, zoals 56 en 57, die met het onderliggende P+ materiaal 11 aan een zijde van de poort 6 contact maken in een aantal plaatsen zoals 58 en 59. Het deel 54 is op dezelfde wijze verbonden met een strookvormige vinger 60, die zelf met het onderliggende P+ materiaal 11 contact maakt in een aantal plaatsen zoals 61.
Opdat deze vinger 60 op dezelfde potentiaal zou zijn als deze die met het deel 53 verbonden zijn, verbindt een geleidend brugstuk 62 de vingers 60 en 59.
De dwarsdoorsneden van het overblijvende deel van het S-vormige gedeelte van SPI zijn gelijkaardig aan deze getoond in het linker = deel van Fig. 6 en 7, uitgezonderd dat in meerdere van deze dwarsdoorsneden noch het P+ materiaal noch het N+ materiaal gecontacteerd
EMI17.1
is.
Uit hetgeen voorafgaat, en uit de vergelijking van Fig. 2 en 6 tot 8 volgt dat een DMOS transistor DM, in het bijzonder zichtbaar in Fig. 8, werd gevormd in elk van de gebieden A en B, waarbij deze beide transistors in parallel verbonden zijn. Ook worden een aantal transistors Tl (emitter, bron), T2, PM en T'l (basis, emitter) verwezenlijkt, waarbij homologe transistors in parallel verbonden zijn. De transistors Tl, T2, DM, T'l en PM zijn respektievelijk in Fig.. 8 en Fig. 7 getoond.
Meer in het bijzonder, zijn de collector van Tl en de basis van T2 gevormd door het P-materiaal van de put 9, terwijl de bron van PM door het P+ materiaal van het gebied 11 gevormd wordt. Dit was ook het geval in Fig. 2.
<Desc/Clms Page number 18>
Als bijvoorbeeld de transistor PM geleidend gemaakt wordt, wordt stroom uit de basis van T2 en de collector van Tl getrokken naar de klem 52 via de bron, het kanaal en de afvoer van PM. Deze stroom vloeit vanuit het P-materiaal van de put 9 naar het P+ materiaal van het gebied 10 en de grootste weerstand in dit P-materiaal doet zich voor als deze stroom van onder een vierkant 46 van N+ materiaal ontspringt. Inderdaad, een dergelijke stroom vloeit van onder deze N+ zone 46 naar het P+ gebied 10 via het P+ materiaal 11 aan alle zijden van het vierkant 46 en het N--kanaal van PM.
Door de aanwezigheid van het P+ materiaal aan alle zijden van het N+ materiaal, is de weerstand van de bron van de PMOS transistor PM merkelijk lager dan in de uitvoering van Fig. 2 zodat het effekt van deze transistor verder verbeterd is. Dat betekent dat PM grotere stromen kan afschakelen.
Er dient aangestipt dat de uitvoering van Fig. 2 op een zodanige wijze veranderd zou kunnen worden dat ook daarin het N+ materiaal van de gebieden 12 en 26 volledig door P+ materiaal is omringd.
Uit Fig. 6 tot 8 volgt dat het P+ materiaal 10 de emitter vormt van de transistor T'l waarvan de collector, zoals getoond in Fig. 2 gevormd wordt door het Pmateriaal 23, dat ook de basis vormt van transistor T'2 waarvan de emitter door het N+ materiaal 26 gevormd wordt. Bijgevolg kan er stroom van de emitter van T'l naar de emitter van T'2 vloeien, d. w. z. van het P+ materiaal 10 naar het N+ materiaal 26. Omdat de oppervlakte van het gebogen lint van N+ materiaal van het gebied 26 in het bovenste deel van SP2 betrekkelijk groot is, kan daarin een grote stroom vloeien en daarom was het noodzakelijk voor dit gebogen lint een groot gebied aan te brengen van P+ materiaal 10, dat door een even grote contactoppervlakte is gecontacteerd.
<Desc/Clms Page number 19>
Klaarblijkelijk is dezelfde redenering ook geldig voor de transistors Tl en T2 en om deze reden heeft SP2 een contactoppervlakte, dat met de contactoppervlakte 50 van SPI overeenkomt.
In hetgeen voorafgaat werd vermeld dat des te lager de bronweerstand van de PMOS transistor is, des te hoger de stroom is die door deze transistor onderbroken kan worden. Er werd inderdaad vastgesteld dat als RE de combinatie genoemd wordt van de weerstand van de collector van Tel, van de basis van T2 en van het bron-naar-afvoerpad van PM, de maximum te onderbreken stroom gegeven wordt door
EMI19.1
waarin bl en b2 de stroomversterkingsfactoren bij de waarde I zijn van respektievelijk de transistoren T1 en T2. Als RE in functie van I wordt uitgezet, blijkt dat bij stijgende waarden van I, RE eerst snel en achteraf veel trager daalt.
Zoals hierboven beschreven is een hoofdkenmerk van de huidige schakelaar dat de emitter van T2 gevormd wordt door een aantal vierkanten 46 van N+ materiaal, die volledig door P+ materiaal zijn omringd. De struktuur van elk van de schakelaardelen SPI en SP2 is op deze eigenschap en op het volgende inzicht gesteund : - omdat de emitter van T2, die deel uitmaakt van SPI gevormd wordt door een aantal kleine vierkanten 46 van N+ materiaal en deze emitter een voldoende oppervlakte moet hebben bij gegeven afmetingen van de schakelaar, dienen deze vierkanten 46 worden aangebracht langsheen een golfvormig lint met een betrekkelijk grote lengte t. o. v. deze afmetingen : - dezelfde redenering is geldig voor SP2 gezien beide schakelaardelen identiek moeten zijn ; - om doorslagredenen dient de straal van de gegolfde delen van deze linten niet te klein zijn ;
<Desc/Clms Page number 20>
- opdat SPI en SP2 een nagenoeg rechthoekige of vierkante oppervlakte zouden bedekken, met nagenoeg geen vrije ruimte tussen hen, dienen deze golfvormige linten in elkaar te dringen.
- elk van de schakelaardelen dient een poort te hebben met een voldoend grote breedte t. o. v. de afmetingen van het schakelaardeel ; - om spanningsdoorslag te verhinderen, dient in de schakelaardelen SPI en SP2, het P+ materiaal, dat met de klem SI (S2) aan een zijde van een poort verbonden is, op een voldoend grote afstand te liggen van het N+ materiaal, dat met de klem SI (SI) aan de andere zijde van deze poort verbonden is en deze afstand dient bij voorkeur constant te zijn. Hetzelfde is geldig voor alle putten, gebieden en zones die tot verschillende schakelaardelen behoren.
Om al deze redenen bestaat de huidige schakelaarstruktuur uit twee identieke schakelaardelen SPI en SP2 waarin de vierkanten van N+ materiaal zijn aangebracht volgens S-vormige linten, die evenwijdig zijn aan elkaar en in elkaar dringen op een zodanige wijze dat ze een nagenoeg vierkante oppervlakte bedekken en een voldoende ruimte verschaffen om betrekkelijk lage slangvormige poorten aan te brengen. Ook de linten van N+ materiaal van SPI (SP2) zijn op een nagenoeg constante afstand van het P+ materiaal van SP2 (SPI) gelegen.
Er dient ook aangestipt dat de veldplaten 4 en 5 de kans op spanningsdoorslag verminderen gezien zij het maximum elektrisch veld aan de schakelaarranden verminderen.
Tenslotte dient het volgende aangestipt t. o. v. de keus van DM en DM'.
Zoals reeds hierboven vermeld zijn DM en DM' identiek en het afvoer-naar-bronpad van DM'is parallel verbonden met het emitter-naar-basispad. van de PNP
<Desc/Clms Page number 21>
transistor Tl en is met het afvoer-naar-bronpad van DM in serie verbonden. Als gevolg hiervan moet de spanning via het afvoer-naar-bronpad van DM'0, 7 Volts bereiken vooraleer PNP transistor Tl geleidend kan worden. Dit betekent dat als DM', en dus ook DM', betrekkelijk te groot is en daarom een betrekkelijk kleine weerstand heeft, er een betrekkelijk grote stroom doorheen moet vloeien om deze 0, 7 Volt spanningsval te bereiken. In dit geval werkt de schakelaar nagenoeg zoals in Fig. 9 door de I/V karakteristiek 65 is voorgesteld.
Uit deze karakteristiek volgt dat de aanschakeling van de thyristor versneld wordt, maar ook dat voor kleinere stroomwaarden de schakelaar wezenlijk als een DMOS en niet als een thyristor werkt. Integendeel, als DM' (en daarom ook DM) betrekkelijk te klein is en daarom een betrekkelijk grote impedantie vormt, dient er een betrekkelijk kleine stroom door te vloeien om de hierboven vermelde 0, 7 Volts spanningsval te bereiken.
In dit geval werkt de schakelaar nagenoeg zoals in Fig. 9 door de I/V karakteristiek 64 is voorgesteld. Uit deze karakteristiek volgt dat de overschakeling van DMOS werkwijze naar thyristorwerkwijze zeer bruusk is.
Er werd nu vastgesteld dat om een geleidelijke overgang van DMOS werkwijze naar thyristorwerkwijze (karakteristiek 66) te verzekeren, de spanning over de schakelaar zo dicht mogelijk bij de basis-emitter-verzadigingsspanning VBE van transistor Tl of T'l moet liggen, waarbij deze spanning V gegeven wordt door
EMI21.1
waarin : ib de minimum basisstroom is vereist om de thyristor aan te schakelen.
Rb de gecombineerde bulkweerstand is van het N--
<Desc/Clms Page number 22>
materiaal in de basis van Tl of T'l en in de collector van T2 of T'2 ;
Rd de kanaalweerstand is van DM of DM'. Uit deze betrekking blijkt dat V minimum is als
EMI22.1
maar het bepalen van de grootte van DM en DM'door middel van deze formule is niet altijd gemakkelijk wegens moeilijkheden in het bepalen van ib.
In een voorkeursuitvoering is de oppervlakte ingenomen door elk van de DMOS transistors gelijk aan 0, 35 mm2.
In de volgende beschrijving van Fig. 10 tot 23 wordt verwezen naar een lijnketen van een telefoon- centrale. die met een bij een telefoonlijn behorende beschermingseenheid via twee paren elektronische tweerichtingsschakelaars verbonden is. De schakelaars van elk paar zijn in serie verbonden en gescheiden door een weerstand. De ene en andere uiteinden van deze weerstanden zijn repektievelijk verbonden met een belketen en met een testketen via twee andere paren elektronische tweerichtingsschakelaars. De schakelaars nabij de beschermingseenheid hebben bijbehorende beschermingsketens, terwijl de andere deze niet hebben.
De elektrische keten van een beschermde tweerichtingsschakelaar is in Fig. 10 getoond. Zij omvat twee identieke beschermde eenrichtingsschakelaars SPI en SW2, die in anti-parallel tussen voedingsgeleiders 51 en 52 verbonden zijn en een gemeenschappelijke besturingsklem of poort G hebben. Een (niet getoonde) beschermingsketen PC1, PC2 is aan elk van deze schakelaars toegevoegd. De eenrichtingsschakelaar SPI omvat een thyristor bestaande uit PNP transistor Tl en NPN transistors T2 en T3, een DMOS transistor DM, PMOS transistors PM ! en PM2 en weerstanden Rl tot R3.
De
<Desc/Clms Page number 23>
emitter van transistor Tl wordt vanuit de voedingsgeleider 51 gevoed en zijn twee collectors zijn met de basissen verbonden van de respektievelijke transistors T2 en T3 waarvan de collectors met de basis van transistor Tl verbonden zijn. De emitters van de transistors T2 en T3 zijn met de voedingsgeleider 52 respektievelijk via de weerstanden Rl en R2 verbonden.
De basissen van de transistors Tl, T2 en T3 zijn met de voedingsgeleider 52 verbonden, respektievelijk over het afvoer-naar-bronpad van transistor DM en de stroombeperkingsweerstand R3 in serie, het bron-naar-afvoerpad van transistor PMI, en het bron-naar-afvoerpad van transistor PM2. De poorten van PM1* PM2 en DM zijn met de gemeenschappelijke besturingsklem G verbonden en de emitter van de transistor T2 is met de beschermingsketen PC1 verbonden.
De basis en emitter van transistor T3 en de poort van transistor DM zijn met de beschermingsketen PC2 verbonden. Er dient aangestipt dat de weerstanden Rl en R2 respektievelijk van PC1 en PC2 deel uitmaken. De schakelaar kan door transistor DM in zijn geleidende toestand gebracht worden en door middel van de transistors PM ! en PM2 afgeschakeld worden. Als de voedingsklem 51 bijvoorbeeld op een voldoend hoge spanning is t. o. v. de voedingsklem 52 en de besturingsklem G wordt bekrachtigd, dan wordt transistor DM geleidend gevolgd door Tl en T2, T3 die elkaars werking onderhouden. Om de schakelaar af te schakelen, dient een passende negatieve spanning op de besturingsklem G van de transistors PM1 en PM2 gelegd te worden.
Inderdaad, als laatstgenoemde transistors geleidend worden, trekken ze stroom uit de basissen van T2 en T3, die aldus in de niet-geleidende toestand gebracht worden, gevolgd door transistor Tl.
De eenrichtingsschakelaar SW2 omvat transistors en
<Desc/Clms Page number 24>
weerstanden (alle niet getoond), die gelijkaardig zijn aan de overeenkomstige componenten van de schakelaar Swi, en werkt op gelijkaardig wijze als SM1. Dit gebeurt echter als de voedingsklem 52 op een hogere spanning staat dan de voedingsklem 51.
De elektrische keten van een onbeschermde tweerichtingsschakelaar verschilt van deze beschermde schakelaar, die in Fig. 10 is getoond, door de afwezigheid van transistors T3 en PM2, van weerstanden Rl tot R3 en van de beschermingsketens PC1 en PC2.
De beschermde tweerichtingsschakelaar, getoond in Fig. 10 werd. ge ntegreerd op een rechthoekige oppervlakte waarin de samenstellende eenrichtingsschakelaars SWl en SW2 t. o. v. een punt van deze rechthoek symmetrisch opgesteld zijn. Er wordt nu verwezen naar Fig. 11 die de plattegrond toont van de verkregen halfgeleiderschakelaar SPI en van een klein gedeelte van SW2, waarbij het vermelde symmetriepunt met A is aangeduid.
De schakelaar SW1 omvat de thyristor T1-T3, de DMOS transistor DM, de PMOS transistors PM1 en PM2 en de beschermingsketen PC1, PC2 waarvan ook de transistors T4 en T5 deel uitmaken. Deze schakelaar SWl wordt gevoed vanuit de horizontale geleidende voedingsgeleiders 51 en S2, waarmee de thyristor T1-T3 via de geleidende stroken 72 en 73 verbonden is. Al deze stroken SI, 52, 72,73 hebben een betrekkelijk kleine weerstand omdat ze betrekkelijk breed zijn, bv. 80 micron. Bovendien zijn de stroken 72 en 73 betrekkelijk kort, gezien ze grotendeels loodrecht staan op de geleiders SI, S2. Ook de andere verbindingsstroken tussen de verscheidene inrichtingen van de schakelaar zijn zo breed mogelijk om hun weerstand zo klein mogelijk te maken.
De thyristor T1-T3 met de bijhorende transistor DM en de PMOS transistors PM1 en PM2 zijn in drie verschillende kuipen ge ntegreerd opdat men ze optimale afmetingen zouden
<Desc/Clms Page number 25>
kunnen geven. Ook verscheidene delen van de beschermingsdelen PC1, PC2 zijn in andere kuipen ge ntegreerd.
Het samenstel dat de thyristor T1-T3 en de bijbehorende DM omvat zal nu meer in detail beschouwd worden aan de hand van Fig. 12 die deel XII van Fig. 11 in meer detail toont en waarbij sommige van de metalen stroken onderbroken zijn om een beter zicht op de onderliggende plattegrond te geven, van Fig. 13 en 14 die (verwrongen) dwarsdoorsneden volgens respektievelijk de lijnen XIII-XIII en XIV-XIV van Fig. 12 zijn, en ook van Fig. 15 tot 21 die verscheidene (verwrongen) maskers voorstellen die dienen om de in Fig. 12 getoonde plattegrond te verwezenlijken.
Het thyristorsamenstel T1-T3, DM is ge ntegreerd in een kuip 74 (Fig. 13) gemaakt uit een isolerende laag siliciumoxide, die is ingebed in een polysiliciumlaag 75 en een substraat 76 omringt, dat bestaat uit een zeer licht gedopeerd N materiaal, aangeduid met N--. Het samenstel omvat een langwerpig deel 77 (Fig. 12), dat met de hierboven vermelde strook 72 (die naar de voedingsgeleider 51 leidt) verbonden is en dat op een constante afstand gelegen is van een bootvormig deel 78, welke bestaat uit twee helften die via respectieve geleidende stroken 73'en 73" en via respektieve weerstanden Rl en R2 (Fig. 11) met de hierboven vernoemde geleidende strook 73, die naar de voedingsgeleider S2 leidt, verbonden zijn Deze twee helften zijn verder met de beschermingsketens PCI en PC2 via de respektieve geleidende stroken 79 in 80 verbonden.
Een andere geleidende strook 81 verbindt de poort van de DMOS transistor DM met PC2, waarmee ook de strook 73'' verbonden is (niet getoond).
Het ge ntegreerde samenstel T1-T3, DM wordt op de hierna beschreven wijze verkregen. Nadat een laag van
<Desc/Clms Page number 26>
gelijkmatige dikte van een poortoxide op het bovenvlak, van het N--materiaal in de kuip 74 werd aangebracht, wordt gebruik gemaakt van het masker 82 van Fig. 15. Dit masker bepaalt een nagenoeg rechthoekige oppervlakte 83, die bootvormige oppervlakte 84 die op een constante afstand van de oppervlakte 83 is gelegen, en twee driehoekige delen 85 en 86. De bootvormige oppervlakte 84 heeft een recht gedeelte en twee uiteinden, in de vorm van een vierde cirkelomtrek, die de kortere zijden van de rechthoekige oppervlakte 83 omringen.
Het onder de oppervlakten 83 en 84 gelegen poortoxide wordt verwijderd, terwijl het overblijvende poortoxide gegroeid wordt zodanig dat er een laag 87 (Fig. 13) verkregen wordt, die het bovenvlak van de kuip 74 gedeeltelijk bedekt. Er wordt dan gebruik gemaakt van het masker 88, getoond in Fig. 16, om een laag van polysiliciummateriaal op welbepaalde gedeelten van het aldus verkregen kuipbovenvlak te leggen.
Dit master 88 bestaat uit de delen 89 to 92, zodat het volgende patroon van polysiliciummateriaal verwezenlijkt wordt, waarbij aan de gedeelten van dit patroon dezelfde referentienummers als aan de maskergedeelten gegeven worden : - een rand 90, die een nagenoeg rechthoekige oppervlakte 93 (Fig. 13,16) omringt ; - een bootvormige rand 91 (Fig. 13,14, 16), die een middengedeelte 96 heeft en een bootbvormige oppervlakte 94,95 omringt en bestaat uit twee oppervlakten 94 en 95 die door het gedeelte 96 gescheiden zijn. De bootvormige oppervlakte 94,95 omringt de twee kortere zijden en een langere zijde van de oppervlakte 93 en zijn uiteinden liggen nagenoeg in lijn met de andere langere zijde van 93 ; - een omtreksdeel 89 (Fig. 16) dat de beide rechthoekige en bootvormige oppervlakten 93 en 94,95 omringt en dat driehoekige openingen 97 en 98 heeft.
Het deel 89 is
<Desc/Clms Page number 27>
niet getoond in Fig. 13 ; - een nagenoeg vierkante poortoppervlakte (Fig. 14,16) gelegen nabij de rand 91 in het rechter bovenuiteinde van de bootvormige oppervlakte 94,95.
Er dient aangestipt dat de randen 90,91 en 92 veldplaten vormen, die dezelfde functie hebben als de hierboven vermelde veldplaten 4 en 5, terwijl de omtreksoppervlakte 89 een afschermplaat vormt om doorslag te vermijden.
Er wordt dan gebruik gemaakt van het masker 99, dat in Fig. 17 is voorgesteld en dat zowel een nagenoeg rechthoekige oppervlakte 100 als een bootvormige oppervlakte 101 bepaalt, om putten 102 en 103 (Fig. 13) van P-materiaal te verwezenlijken in de rechthoekige en bootvormige oppervlakten 93 en 94,95 die respektievelijk door de randen 90 en 91 zijn omgeven. Deze putten worden bijvoorbeeld verwezenlijkt door ionenimplantatie gevolgd door een indrijfbewerking. De put 102 heeft een nagenoeg rechthoekige oppervlakte, terwijl de put 103 de vorm heeft van een boot met twee subputten, die door het gedeelte 96 van polysiliciummateriaal van elkaar gescheiden zijn. Er dient opgemerkt dat de put 103 onder de poortoppervlakte 92 onderbroken is, zoals getoond in Fig. 14.
In een volgende stap wordt dan gebruik gemaakt van het masker 104, dat in Fig. 18 is voorgesteld en dat zowel een nagenoeg rechthoekige oppervlakte 105 als een bootvormige oppervlakte 106 bepaalt, met een bootvormig pad van gaten 107 en 108 die op een constante afstand van 105 zijn gelegen. De gaten 107 zijn vierkant, terwijl het gat 108 rechthoekig is. Het masker 104 wordt gebruikt om de nagenoeg rechthoekige zone 109 en de bootvormige zone 110 (Fig. 13,14) van P+ materiaal en de putten 102 en 103 te verwezenlijken. Dit wordt bijvoorbeeld op dezelfde wijze gedaan als voor deze
<Desc/Clms Page number 28>
putten. Er dient opgemerkt dat de zone 110 zich gedeeltelijk onder de bovengenoemde poortoppervlakte 92 (Fig. 14) uitstrekt en dat zij bestaat uit twee subzones, die door de hierboven vermelde oppervlakten 94 en 95 zijn bepaald.
Nadat de zones 109,110 werden verwezenlijkt, wordt het masker 111 dat in Fig. 19 is getoond en dat een omtreksoppervlakte 112, een pad van identieke vierkante oppervlakten 113 en een rechthoekige oppervlakte 114 bepaalt, gebruikt om de volgende gebieden van N+ materiaal te verwezenlijken, bv. op dezelfde wijze als voor de bovengenoemde putten en zones. Er dient opgemerkt dat de oppervlakten 113 en 114 respektievelijk gelijk zijn aan de gaten 107 en 108 (Fig. 18), hoewel dit niet uit de tekening blijkt : - een pad van vierkante gebieden 115 (Fig. 13,14) die elk volledig door P+ materiaal van de zone 110 zijn omringd ; - een rechthoekig gebied 116 (Fig. 15) nabij het rechterbovenuiteinde van de bootvormige oppervlakte.
Dit gebied is ook door P+ materiaal van de zone 110 omgeven, met uitzondering van n zijde waar het zich onder de poortoppervlakte 92 (Fig. 14) uitstrekt ; - een omtreksgebied (niet voorgesteld in Fig. 13,14) dat de omtrektsoppervlakte 89 (Fig. 16) van polysiliciummateriaal bedekt.
Het masker 117 van Fig. 20, dat de delen 180 tot 130 bepaalt, wordt dan gebruikt om een patroon van contactmateriaal op het bovenvlak van de kuip 74 te verwezenlijken. Dit patroon bestaat uit de volgende gelijknamige oppervlakten : - een nagenoeg rechthoekige contactoppervlakte 118 (Fig.
14) op het bovenvlak van zone 109 ; - een aantal onderbroken oppervlakten, die linker-en rechterhelften van een bootvormige opbouw bepalen en die
<Desc/Clms Page number 29>
omvatten : = contactstroken 119 (Fig. 13), 120 en 121 (Fig. 12) op de bovenvlakken van de veldplaat 91 van polysiliciummateriaal ; = contactstroken 122 (Fig. 13) en 123 op dezelfde veldplaat 91 ; = contactstroken 124 (Fig. 13) en 125 op de bovenvlakken van respektieve subzones van zone 110 ; = vierkante contactoppervlakten 126 (Fig. 13) en 127 (Fig. 14) op de bovenvlakken van de gebieden 115 ; = een contactoppervlakte 128 (Fig. 14) op het bovenvlak van de poortoppervlakte 92 ; = contactoppervlakten 129 en 130, die met het N-materiaal via N+ materiaal contact maken.
Tenslotte wordt door middel van het masker 131, dat in Fig. 21 is voorgesteld, een metaallaag op het bovenvlak van de kuip 74 aangebracht volgens het volgende patroon, waarvan de gedeelten dezelfde referentienummers dragen als deze van het masker 131 : - een nagenoeg rechthoekige geleidende plaat 132 (Fig.
12,13) met de bovengenoemde contactoppervlakte 118 (in Fig. 12 beide algemeen met 77 aangeduid) en verbonden met de strook 72, die naar de voedingsgeleider SI leidt ; - een bootvormig geleidend deel (in Fig. 12 algemeen met 78 aangeduid) bestaande uit twee platen 133 en 134 van elkaar gescheiden in 135 en respektievelijk met de hierboven vermelde contactoppervlakten 119,126, 122 (Fig. 13) en 120,127. Deze platen zijn verbonden met de hierboven vernoemde stroken 73'en 73'', die naar de voedingsstrook S2 via respektievelijk de weerstanden Rl en R2 (Fig. 10) leiden, en ook met de genoemde stroken 79 en 80 (Fig. 13) die respektievelijk naar de beschermingsketens PC1 en PC2 leiden ; - een bootvormige onderbroken strook 136,137 met respektievelijk de hierboven genoemde concactoppervlakten
<Desc/Clms Page number 30>
124 en 125.
Deze contactstroken 136, 137 zijn ook met de PMOS transistors PM1 en PM2 via respektievelijk de geleidende stroken 138 (Fig. 12,13) en 139 (Fig. 12) verbonden ; - een geleidende gebogen strook 140 met de hierboven vernoemde contactoppervlakte 123 ; - een geleidende L-vormige strook 141 (Fig. 12) die de hierboven vermelde contactoppervlakte 121 verbindt met de vierkante contactoppervlakte 127, gelegen nabij de contactoppervlakte 128. Omdat de strook 141 aldus contact maakt met het onderliggende polysiliciummateriaal waarmee ook de plaat 134 contact maakt over de oppervlakte 120, wordt tussen de contactoppervlakten 120 en 121 een weerstand gevormd. Deze weerstand is in Fig.
10 en 14 met R3 aangeduid ; - de hierboven vermelde geleidende strook 81, die naar PC2 leidt en de contactoppervlakten 128 (Fig. 12 en 14) heeft ; - geleidende delen 142 en, 143 die respektievelijk de hierboven vermelde contactoppervlakten 129 en 131 hebben.
Aldus wordt de afschermplaat 89 op dezelfde potentiaal als het N--materiaal gebracht.
Er dient opgemerkt dat de in Fig. 12 getoonde stroken 144 en 145 geen deel uitmaken van de uitvinding.
Uit de in Fig. 13 getoonde dwarsdoorsnede van het linkerdeel van de in Fig. 12 voorgestelde inrichting volgt dat deze bestaat uit twee bipolaire transistors Tl en T2, waarvan de elektroden schematisch aangeduid zijn in Fig. 13 en ook in Fig. 10 zijn getoond. Op diezelfde wijze omvat het rechterdeel van deze inrichting de
EMI30.1
bipolaire transistors Tl en T3. Meer in het bijzonder volgt uit Fig. 13 dat de emitters van Tl en T2 respektievelijk gevormd worden door het P+ materiaal van de zone 109 en door het N+ materiaal van de gebieden 115 van een subpad van het pad van gebieden, dat de basis van
<Desc/Clms Page number 31>
Tl en de collector van T2 gevormd worden door het N-materiaal, en dat de basis van T2 en de collector van Tl gevormd worden door het P+ materiaal van een subzone van zone 110.
Uit de in Fig. 14 getoonde dwarsdoorsnede van de inrichting van Fig. 12 volgt dat het rechterdeel van deze inrichting ook de DMOS transistor DM omvat waarvan de elektroden ook in Fig. 14 zijn aangeduid en die ook in Fig. 10 is voorgesteld. Meer in het bijzonder worden de
EMI31.1
bron, de afvoer en het kanaal van DM respektievelijk gevormd door het N+ gebied 116, het N--materiaal en het P-materiaal tussen dit gebied en dit materiaal. De poort van DM is poort 22.
Zoals hierboven vermeld zijn de contactstroken 137 en 138 respektievelijk verbonden met de PMOS transistors PM1 en PM2, die in verschillende kuipen geïntegreerd zijn. Omdat deze transistors gelijkaardig zijn, wordt enkel PM1 verder beschouwd. Hierbij wordt verwezen naar Fig. 11 en naar Fig. 22, die een dwarsdoorsnede volgens lijn XXII-XXII van Fig. 11 toont d. w. z. door een elektrisch geïsoleerde kuip 144 (Fig. 22) verschillend van de hierboven vermelde kuip 74. In dit N--substraat van deze kuip 144 zijn twee zones, zoals 145 en 146, van P+ materiaal gemaakt die gescheiden zijn door een lint van N--materiaal, en is ook een aantal gebieden zoals 147 van N+ materiaal gemaakt.
De hierboven vermelde geleidende strook 138 maakt contact (Fig. 23) met nabijliggende zones 147 en 145 van N+ materiaal en P+ materiaal en heeft een aantal schuine vingers, zoals 148, die met de andere zones 145 contact maken. De geleidende strook 73 heeft een aantal schuine vingers, zoals 149, die afwisselen met de vingers 148 en met de zones 146 contact maken. Deze stellen vingers 148 en 149 zijn van elkaar gesscheiden door een lintvormige poort 150 van polysiliciummateriaal (Fig. 23), dat boven het lint van
<Desc/Clms Page number 32>
N--materiaal gelegen is. De zones 145 en 146 van P+ materiaal, het N--materiaal en de poort 150 vormen de bron, de afvoer, het kanaal en de poort van de PMOS transistor PM1. De bron en het kanaal zijn onderling verbonden via het N+ materiaal van het gebied 147 en de strook 138.
Met betrekking tot hetgeen voorafgaat, dient er aangestipt dat PM1 groter is dan PM2, omdat hij een grotere stroom moet afschakelen, waarbij de stroom door T2 groter is dan deze door T3 omdat Rl kleiner dan R2 gekozen is.
Uit de hierboven gegeven beschrijving van een samenstel bestaande uit twee eenrichtingsschakelaars, voorzien van beschermingsketens, en meer in het bijzonder uit Fig. 11, volgt dat de thyristorsamenstellen T1-T3, DM en T'l-T'3, DM symmetrisch opgesteld zijn t. o. v. het punt A, waarbij de open zijden van de bootvormige emitters van T2, T3 en T'2, T'3 van elkaar afgekeerd zijn.
Een gelijkaardige symmetrie bestaat in een samenstel bestaande uit twee eenrichtingsschakelaars zonder beschermingsketens. Dit blijkt duidelijk uit Fig.
23, die deze twee schakelaars toont welke elk bestaan uit een respektieve thyristor Tl, T2 en T'l, T'2, een respektieve DMOS transistor DM en DM'en een respektieve PMOS transistor PM1 en PM'l. De thyristorsamenstellen Tl, T2, DM en T'l, T'2, DM'hebben dezelfde vorm als het hierboven beschreven thyristorsamenstel T1-T3, DM en zijn symmetrisch opgesteld t. o. v. het punt B. De open zijden van de bootvormige emitters van T2 en T'2 zijn nu echter naar elkaar toegericht. De rechthoekige emitters van Tl en T'l zijn evenwijdig aan elkaar opgesteld en zodanig dat ze tegenover elkaar liggen maar lichtjes verschoven zijn. Op deze wijze kunnen de laatstgenoemde emitters op gemakkelijke wijze via betrekkelijk korte en brede geleidende stroken met de ene uiteinden van de emitters
<Desc/Clms Page number 33>
van respektievelijk T'2 en Tl verbonden worden.
Bovendien zijn de ene of andere uiteinden van de laatstgenoemde emitters dicht bij de voedingsklemmen SI en S2 gelegen, zodat ze ook daarmee via korte en brede geleidende streken verbonden kunnen worden. Meer in het bijzonder : - de emitter van Tl is via de korte geleidende strook 151 verbonden met het nabije ene uiteinde van de geleidende plaat 152, die de emitteroppervlakten van T'2 verbindt, waarbij het andere uiteinde van laatstgenoemde plaat met de nabije voedingsklem SI door middel van de geleidende strook 153 verbonden is ; - op dezelfde wijze is de emitter van T'l via de korte geleidende strook 154 verbonden met het nabijgelegen uiteinde van de geleidende plaat 155, die de emitteroppervlakten van T2 verbindt, waarbij hetzelfde uiteinde ook met de nabije voedingsklem S2 via de geleidende strook 156 verbonden is.
In de hierboven beschreven tweerichtingsschakelaars Tl, T2 (of T1-T3) en T'l, T'2 (of T'1-T'3) hebben de emitters van T2 de vorm van een boot, die de nagenoeg rechthoekige emitter van Tl omringt. In plaats van dergelijke bootvormige emitters te gebruiken, zou het mogelijk zijn elk van de emitters van T2 en T'2 de vorm van een ovaal te geven en deze ovalen zodanig op te stellen, dat zij tegenover elkaar zijn gelegen. Deze beide ovalen dienen onderbroken te worden voor de doorgang van geleidende stroken, die respektievelijk de emitters van Tl en T'2 en van T'l en T2 verbinden. Opdat deze stroken een verminderde weerstand zouden hebben, moeten ze betrekkelijk breed en kort zijn. Wanneer ze echter breder gemaakt worden, daalt de effektieve lengte van de emitters van T2 en T'2 op overeenkomstige wijze.
Anderzijds wordt de minimum lengte van deze verbindingsstroken verkregen als de
<Desc/Clms Page number 34>
ovalen tegenover elkaar gelegen zijn, in welk geval die lengte gelijk is aan tweemaal de halve breedte van een ovaal plus een welbepaalde korte afstand. Anderzijds heeft in het hierboven beschreven samenstel de breedte van de geleidende verbindingsstroken, zoals 151 en 154 (Fig. 23), geen invloed op de effektieve lengte van de emitters T2 en T'2 en deze geleidende stroken kunnen kort zijn gezien de emitters van Tl en T'2 en van T'l en T2 tegenover elkaar gelegen zijn en op de hierboven genoemde korte afstand van elkaar kunnen opgesteld worden.
Hoewel de principes van de uitvinding hierboven zijn beschreven aan de hand van bepaalde uitvoeringsvormen en wijzigingen daarvan, is het duidelijk dat de beschrijving slechts bij wijze van voorbeeld is gegeven en de uitvinding niet daartoe is beperkt.