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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Halbleiter-Bauelement mit einer Schutrschaltung, und
insbesondere auf ein Halbleiter-Bauelement mit einer Schutrschaltung,
welche den Durchbruch eines bipolaren Transistors mit isoliertem
Gate verhindert, der durch eine Belastung infolge des Durchflusses
eines Überstroms
oder der Anlegung einer Überspannung
zum Beispiel verursacht wird.,
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Üblicherweise
wurde bisher eine Schutzschaltung vorgesehen, die in dem gleichen
Halbleiter-Bauelement ausgebildet ist, das auch ein IGBT-Element
(bipolarer Transistor mit isoliertem Gate) enthält und zum Schutz des IGBT-Elements
vor einer Belastung infolge des Durchflusses eines Überstroms
oder der Anlegung einer Überspannung
dient. 11 bis 13 stellen eine derartige
herkömmliche Schutrschaltung
dar.
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Dabei zeigt 11 ein Schaltbild der herkömmlichen
Schutrschaltung. 12 ist
eine Schnittansicht durch einen Teil eines Halbleiter-Bauelements,
bei welchem die herkömmliche
Schutzschaltung ausgebildet ist. 13 zeigt
den in 12 dargestellten
Teil des Halbleiter-Bauelements in Draufsicht. Die Schnittansicht
in 12 ist dabei ein Schnitt
entlang der Linie XII-XII in 13.
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Bei der in 11 dargestellten herkömmlichen Schutrschaltung ist
ein Anschluss P vorgesehen, der eine Verbindung zu einer externen
Stromversorgung herstellt (dieser wird nachstehend als „Anschluss
an die externe Stromversorgung" bezeichnet) und mit einem Ende eines
Widerstands R1 verbunden ist, dessen anderes Ende mit einer Kathode
einer ersten Zener-Diode D1 und einem hier nicht dargestellten Halbleiter-Bauelement
wie zum Beispiel einem IGBT in Verbindung steht. Eine Anode der
ersten Zener-Diode D1 ist mit einem Knoten von konstantem Potential
jeglicher Art, beispielsweise Masse, verbunden.
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Als nächstes wird nun der Aufbau
des Halbleiter-Bauelements beschrieben, bei welchem die in 11 dargestellte Schutrschaltung
ausgebildet ist, wobei auf die Schnittansicht des Halbleiter-Bauteils gemäß 12 Bezug genommen wird.
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Dabei ist eine Halbleiterschicht 2 vom
n+-Typ auf einem Halbleitersubstrat 1 vom
p-Typ durch epitaktisches Aufwachsen gebildet. Auf der Halbleiterschicht 2 vom
n+-Typ ist durch epitaktisches Aufwachsen
eine Halbleiterschicht 3 vom n–-Typ
ausgebildet. Auf der Halbleiterschicht 3 vom n–-Typ
ist eine Oxidfilmschicht 4 gebildet, und in einem Teil
der Oxidfilmschicht 4 ist ein Bereich aus polykristallinem
Silizium vorgesehen. In jeweils vorgegebenen Abschnitten des Bereichs
aus polykristallinem Silizium sind durch Eindiffundieren von Verunreinigungen
bzw. Störstellen
in die entsprechenden Bereiche eine Diffusionsschicht 5 vom
p-Typ und eine Diffusionsschicht 6 vom n+-Typ
ausgebildet.
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Des Weiteren ist eine Isolierfilmschicht 7 so ausgebildet,
dass sie die jeweiligen Oberflächen
der Oxidfilmschicht 4, der Diffusionsschicht 5 vom
p-Typ und der Diffusionsschicht 6 vom n+-Typ überdeckt.
In jeweils vorgegebenen Bereichen der Isolierfilmschicht 7 sind
Kontaktlöcher
ausgebildet, die sich von einer Oberfläche der Isolierfilmschicht 7 aus
erstrecken und jeweils die Diffusionsschichten 5 und 6 erreichen.
Jede der Zwischenverbindungen 8 und der Anschluss P an
die externe Stromversorgung werden dadurch gebildet, dass die Kontaktlöcher jeweils
mit einem leitfähigen
Material wie zum Beispiel Metall in einem vorgegebenen Muster ausgefüllt werden.
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Darüber hinaus ist auf einer rückwärtigen Fläche des
Halbleitersubstrats 1 vom p-Typ eine Elektrode 10 ausgebildet,
die für
ein IGBT-Element oder dergleichen verwendet wird.
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Bei dem Halbleiter-Bauelement mit
dem vorstehend beschriebenen Aufbau bildet ein Übergangsbereich zwischen der
Diffusionsschicht 5 vom p-Typ und der Diffusionsschicht 6 vom
n+-Typ die erste Zener-Diode D1, wohingegen
die Diffusionsschicht 6 vom n+-Typ,
welche eine der Zwischenverbindungen 8 und den Anschluss
P an die externe Stromversorgung verbindet, den Widerstand R1 bildet.
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Die eine der Zwischenverbindungen 8,
die mit der Diffusionsschicht 6 vom n+-Typ
verbunden ist, muss dabei an das IGBT-Element angeschlossen werden,
während
eine andere der Zwischenverbindungen 8, die mit der Diffusionsschicht 5 vom
p-Typ in Verbindung steht, mit einem Knoten von konstantem Potential
zu verbinden ist.
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13 stellt
den vorstehend beschriebenen Aufbau in Draufsicht dar, wobei aus
Gründen
der klareren Darstellung der Bildung der ersten Zener-Diode D1 und
des Widerstands R1 die Isolierfilmschicht 7 weggelassen
wurde, welche die Diffusionsschichten 5 und 6 überdeckt.
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Bei der in der vorstehend beschriebenen Weise
aufgebauten Schutzschaltung wird die erste Zener-Diode D1 so ausgebildet,
dass sie das IGBT-Element vor Belastung infolge des Anlegens einer Überspannung
schützt,
die durch einen von außen
eingeleiteten Stromstoß wie
zum Beispiel statische Elektrizität herbeigeführt wird.
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Insbesondere kommt es in der ersten
Zener-Diode D1 nach dem Anlegen einer Überspannung, die von einem
Stromstoß wie
zum Beispiel in Form statischer Elektrizität über den Anschluss P an die
externe Stromversorgung herbeigeführt wird, zu einem Durchbruch,
um die von einem angelegten Stromstoß herbeigeführte Überspannung aufzunehmen. Damit
wird verhindert, dass eine Spannung, die gleich einer Durchbruchspannung
oder höher
als diese ist, an das IGBT-Element angelegt wird. Dementsprechend
ist es möglich,
einen Durchbruch des IGBT-Elements unter Belastung infolge einer
angelegten Überspannung,
die durch einen Stromstoß verursacht
wird, zu verhindern.
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Andererseits ist der Widerstand R1
ausgebildet, um die erste Zener-Diode D1 vor einer Belastung infolge
des Durchflusses eines Überstroms
von einer externen Stromversorgung aus zu schützen.
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Insbesondere ist der Widerstand R1
als Schutzmaßnahme
für den
Fall gebildet, dass ein Ereignis auftritt, bei dem die externe Stromversorgung Vd
für den
Betrieb des IGBT-Elements
nicht richtig angeschlossen ist und in einer Richtung liegt, die
der normalen Richtung entgegengesetzt ist, wie dies in 14 dargestellt ist. In einem
solchen Fall wird der Wert (Durchfluss) des Gleichstroms I sogar
dann, wenn weiterhin ein Gleichstrom I von der externen Stromversorgung
Vd über
eine vorgegebene Zeit weiterhin fließt, von dem Widerstand R1 auf
ein Maß begrenzt,
bei dem die erste Zener-Diode D1 nicht durchschlägt.
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Wie vorstehend erläutert wird
bei der herkömmlichen
Schutzschaltung die erste Zener-Diode D1
gebildet, um ein Halbleiter-Bauelement wie zum Beispiel ein IGBT-Element
gegenüber
einer Belastung infolge einer Überspannung
zu schützen,
die durch einen Stromstoß herbeigeführt wird,
wie zum Beispiel statische Elektrizität, und wird der Widerstand
R1 gebildet, um die erste Zener-Diode D1 vor einer Belastung aufgrund
des Durchflusses eines Überstroms
zu schütren,
der gegebenenfalls durch einen unkorrekten Anschluss der externen
Stromversorgung Vd herbeigeführt
wird.
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Falls jedoch an die herkömmliche Schutrschaltung,
die gemäß der Darstellung
in 11 den Widerstand R1 und die erste
Zener-Diode D1 aufweist, aufgrund eines auftretenden Stromstoßes eine Überspannung
angelegt wird, dann liegt zwischen gegenüber liegenden Enden des Widerstands
R1 eine Spannungsdifferenz vor, die gleich einer Differenz zwischen
der angelegten Überspannung
und einer Durchbruchspannung ist.
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Infolgedessen wird aufgrund der Spannungsdifferenz
zwischen den gegenüber
liegenden Enden des Widerstands R1 eine elektrische Leisung erzeugt,
so dass sich der Widerstand R1 übermäßig stark
erwärmt.
Wenn somit wegen eines auftretenden Stromstoßes eine Überspannung, die gleich einer vorgegebenen
Spannung oder höher
als diese ist, an die Schutrschaltung angelegt wird, brennt der
Widerstand R1 leicht durch und wird damit von der Schutzschaltung
abgekoppelt. Wegen der Bildung des Widerstands R1 innerhalb der
Schutrschaltung liegt somit bei der Spannungstoleranz der Schutrschaltung gegenüber einer
Belastung infolge einer durch einen Stromstoß herbeigeführten Überspannung eine Einbuße vor.
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Um die Spannungstoleranz der Schutzschaltung,
welche den Widerstand R1 umfasst, gegenüber einer Belastung aufgrund
des Anlegens einer durch einen Stromstoß herbeigeführten Überspannung zu verbessern,
kann einerseits eine Minimierung des Widerstandswertes des Widerstandselements
R1 wirksam sein. Andererseits würde
jedoch eine Minimierung des Widerstandswertes des Widerstandselements
R1 eine Stromtoleranz (Durchflusstoleranz) der Schutrschaltung zum
Schutz der ersten Zener-Diode D1 vor einer Belastung aufgrund eines durchfließenden Überstroms
verringern, der durch unsachgemäßen Anschluss
einer externen Stromversorgung herbeigeführt wird. Im Hinblick darauf gibt
es keine Beschränkungen
dahingegen, wie stark jeweils die Spannungstoleranz und die Stromtoleranz verbessert
werden können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
somit die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter-Bauelement mit einer
Schutzschaltung auszubilden, die in der Lage ist, die Spannungstoleranz
der Schutrschaltung zu verbessern und dabei eine vorgegebene Stromtoleranz der
Schutrschaltung beizubehalten.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist
ein Halbleiter-Bauelement mit einem auf einem Halbleiter-Substrat
gebildeten Halbleiter-Bauelement und mit einer Schutrschaltung für das Halbleiter-Bauelement
einen Widerstand, eine erste Zener-Diode und eine Vielzahl zweiter
Zener-Dioden auf. Dabei ist ein Ende des Widerstands mit einem Anschluss
für eine
externe Verbindung verbunden und ist das andere Ende mit dem Halbleiter-Element
verbunden. Die erste Zener-Diode ist zwischen das andere Ende des
Widerstands und einen Knoten mit gleich bleibendem Potential geschaltet.
Die Vielzahl zweiter Zener-Dioden ist in Reihe zwischen das eine
Ende des Widerstands und den Knoten mit gleich bleibendem Potential
geschaltet. Die Anzahl der in der Vielzahl zweiter Zener-Dioden
vorhandenen Dioden ist dabei größer als
die Anzahl der ersten Zener-Diode.
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Die Anzahl der anzuschließenden zweiten Zener-Dioden
wird so gesteuert, dass eine Summe von in Durchlassrichtung ansteigenden
Spannungen der zweiten Zener-Dioden höher sein kann als eine Spannung
einer externen Stromversorgung, die mit dem Anschluss für die externe
Verbindung verbunden ist. Damit wird sichergestellt, dass ein Strom,
der aus der externen Stromversorgung kommt, über die erste Zener-Diode in
den Widerstand fließt,
wodurch der Strom in vorteilhafter Weise verringert wird und dabei
der Strom sogar dann nicht in die zweiten Zener-Dioden fließen kann,
wenn die externe Stromversorgung in einer zur normalen Richtung
entgegengesetzten Richtung unkorrekt angeschlossen wird.
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Dementsprechend ist es möglich, einen Durchbruch
der ersten und zweiten Zener-Dioden infolge eines Stromflusses von
der externen Stromversorgung zu verhindern.
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Sogar wenn über den Anschluss für die externe
Verbindung wegen eines auftretenden Stromstoßes wie zum Beispiel statischer
Elektrizität
angelegt wird, werden die gegenüber
liegenden Enden des Widerstands auf ihrem jeweiligen gleich bleibenden
Potential gehalten und tritt zwischen den gegenüber liegenden Enden des Widerstands
keine übermäßig große Spannungsdifferenz
auf. Dementsprechend wird der Widerstand vor dem Durchbrennen aufgrund
einer anliegenden Überspannung
geschützt,
die durch einen Stromstoß verursacht
wird.
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Damit ist es möglich, die Spannungstoleranz der
Schutzschaltung zu verbessern, während
deren Stromtoleranz beibehalten wird.
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Diese und weitere Aufgaben, Merkmale,
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch
deutlicher aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden
Erfindung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung.
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1 stellt
ein Schaltbild eines Beispiels für eine
Schutzschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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2 ist
eine Schnittansicht mit der Darstellung eines Teils eines Halbleiter-Bauelements, bei dem
das in 1 gezeigte Beispiel
für eine Schutrschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist:
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3 zeigt
das Halbleiter-Bauelement in Draufsicht, bei welchem das in 1 dargestellte Beispiel
der erfindungsgemäßen Schutrschaltung ausgebildet
ist;
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4 ist
ein Schaltbild zur Darstellung eines unsachgemäßen Anschlusses, wobei die Schutrschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung an eine externe Stromversorgung in einer zur normalen
Richtung entgegen gesetzten Richtung angeschlossen ist;
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5 und 6 stellen jeweils ein Schaltbild
eines jeweiligen anderen Beispiels für die Schutrschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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7 ist
eine Draufsicht auf ein Halbleiter-Bauelement, bei welchem die Schutrschaltung gemäß einem
ersten modifizierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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8 zeigt
einen Teil eines Halbleiter-Bauelements im Querschnitt, bei welchem
ein Beispiel für eine
Schutrschaltung entsprechend einem zweiten modifizierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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9 zeigt
das Halbleiter-Bauelement in Draufsicht, bei welchem das in 8 dargestellte Beispiel
für die
Schutzschaltung gemäß dem zweiten modifizierten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
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10 stellt
ein Halbleiter-Bauelement in Draufsicht dar, bei dem ein weiteres
Beispiel für
die Schutzschaltung entsprechend dem zweiten modifizierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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11 ist
ein Schaltbild einer herkömmlichen
Schutrschaltung;
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12 ist
eine Schnittansicht mit der Darstellung eines Halbleiter-Bauelements, bei
welchem die herkömmliche
Schutrschaltung ausgebildet ist;
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13 stellt
einen Teil des Halbleiter-Bauelements in Draufsicht dar, in welchem
die herkömmliche
Schutzschaltung ausgebildet ist, und
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14 ist
ein Schaltbild zur Darstellung eines unsachgemäßen Anschlusses, bei welchem
die herkömmliche
Schutrschaltung mit einer externen Stromversorgung in einer zur
normalen Richtung entgegengesetzten Richtung verbunden ist.
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Nachstehend wird die vorliegende
Erfindung ausführlich
unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel derselben beschrieben,
welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist. Dabei ist
zu beachten, dass in der nachstehenden Beschreibung zur Bezeichnung
entsprechender Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden,
wie sie in der Darstellung des Standes der Technik angegeben wurden.
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Bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
ein Schaltbild mit der Darstellung eines Beispiels für eine Schutzschaltung
entsprechend dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Bei der in 1 dargestellten Schutrschaltung ist ein
Anschluss P für
den externen Anschluss mit einem Ende eines Widerstands R1 verbunden, dessen
anderes Ende mit einer Kathode einer ersten Zener-Diode D1 sowie
einem Halbleiter-Bauelement wie einem hier nicht dargestellten IGBT-Element
verbunden ist. Eine Anode der ersten Zener-Diode D1 ist mit einem
Knoten mit gleich bleibendem Potential jeglicher Art, wie zum Beispiel
Masse, verbunden.
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Bei der Schutrschaltung gemäß dem hier
beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist des Weiteren das eine Ende des Widerstands R1 mit mehreren Stufen
mit zweiten Zener-Dioden D2 verbunden, die in Reihe geschaltet sind
(dabei ist zu beachten, dass 1 zwar
drei Stufen mit zweiten Zener-Dioden D2 darstellt, doch dass die
Anzahl der Stufen nicht auf diese Anzahl beschränkt ist).
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Unter den mehrfachen Stufen mit zweiten Zener-Dioden
D2 ist eine zweite Zener-Diode D2, die mit dem Widerstand R1 an
einer vom Widerstand R1 am weitesten entfernten Position verbunden
ist, an den Knoten mit konstantem Potential, wie zum Beispiel Masse,
angeschlossen.
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Die mehrfachen Stufen mit den zweiten
Zener-Dioden D2 sind so in Reihe geschaltet, dass jeweils zwei benachbarte
zweite Zener-Dioden D2 in einander entgegengesetzte Richtungen angeschlossen
sind. In der vorliegenden Beschreibung wird eine Richtung von dem
Knoten mit konstantem Potential aus zum Anschluss P für die externe
Verbindung hin als "Durchlassrichtung" bezeichnet, wohingegen eine zur
"Durchlassrichtung" entgegengesetzte Richtung als "Sperrrichtung"
bezeichnet wird.
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Die Schnittansicht in 2 stellt einen Teil eines
Halbleiter-Bauelements dar, bei welchem die Schutrschaltung gemäß dem hier
beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das in 1 dargestellt
ist, und ein IGBT-Element gebildet sind. 3 stellt dabei den in 2 dargestellten Teil des Halbleiter-Bauelements
in Draufsicht dar. Der in der Ansicht in 2 gezeigte Schnitt ist dabei entlang
einer Linie II-II in 3 gelegt.
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Gemäß 2 wird mittels der Technik des epitaktischen
Aufwachsens auf einem Halbleitersubstrat 1 vom p-Typ eine
Halbleiterschicht 2 vom n+-Typ gebildet.
Auf der Halbleiterschicht 2 vom n+-Typ
wird dann durch epitaktisches Aufwachsen eine Halbleiterschicht 3 vom
n–-Typ
gebildet.
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Auf der Halbleiterschicht 3 vom
n–-Typ
bildet man dann eine Oxidfilmschicht 4, um eine elektrische Verbindung
zwischen der über
dem Halbleitersubstrat 1 zu bildenden Schutrschaltung und
dem Halbleitersubstrat zu verhindern, welches einen Teil des IGBT-Elements darstellt.
In einem Teil der Oxidfilmschicht 4 ist dabei ein Bereich
aus polykristallinem Silizium vorgesehen. In jeweils vorgegebenen
Abschnitten des Bereichs aus polykristallinem Silizium werden durch
Eindiffundieren von Verunreinigungen bzw. Fremdatomen in die entsprechenden
Abschnitte Diffusionsschichten vom p-Typ 5a, 5b und 5c und
Diffusionsschichten vom n+-Typ 6a und 6b problemlos gebildet.
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Des Weiteren wird eine Isolierfilmschicht 7 so
gebildet, dass sie jeweilige Oberflächen der Oxidfilmschicht 4,
der Diffusionsschichten vom p-Typ 5a, 5b und 6c und
die Diffusionsschichten vom n+-Typ 6a und 6b überdeckt.
In jeweils vorgegebenen Bereichen der Isolierfilmschicht 7 werden
Kontaktlöcher gebildet,
die sich von einer Oberfläche
der Isolierfilmschicht 7 aus erstrecken und jeweils die
Diffusionsschichten 5a, 5b, 5c, 6a und 6b erreichen.
Dabei wird jede der Zwischenverbindungen 8a und 8b sowie
der Anschluss P für
die externe Verbindung dadurch gebildet, dass jedes der Kontaktlöcher mit
einem leitfähigen
Material wie zum Beispiel einem Metall in einem vorgegebenen Muster
ausgefüllt
wird.
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Darüber hinaus ist auf einer Rückseite
des Halbleitersubstrats 1 vom p-Typ eine Elektrode 10 ausgebildet,
die für
ein IGBT-Element oder dergleichen verwendet wird.
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Bei dem Halbleiter-Bauelement mit
dem vorstehend beschriebenen Aufbau bildet ein Übergang zwischen der Diffusionsschicht 5a vom
p-Typ und der Diffusionsschicht 6a vom n+-Typ,
welche mit jeweiligen Zwischenverbindungen 8b verbunden
sind, die erste Zener-Diode
D1, während
die Diffusionsschicht 6a vom n+-Typ,
die mit einer der Zwischenverbindungen 8b und dem Anschluss
P für die
externe Verbindung verbunden ist, den Widerstand R1 bildet.
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Dabei sind die Diffusionsschicht 6a vom n+-Typ, die mit dem Anschluss P für die externe
Verbindung verbunden ist, und die Diffusionsschicht 5c vom
p-Typ, die mit der Zwischenverbindung 8a, der Diffusionsschicht 5b vom
p-Typ und der Diffusionsschicht 6b vom n+-Typ
verbunden ist, abwechselnd so angeordnet, um eine Vielzahl von pn-Übergängen zu bilden. Mit der Vielzahl
von pn-Übergängen werden
die mehrfachen Stufen mit den zweiten Zener-Dioden D2 gebildet,
von denen jeweils zwei nebeneinander liegend in einander entgegengesetzten
Richtungen in Reihe geschaltet sind.
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Eine der Zwischenverbindungen 8b,
die mit der Diffusionsschicht 6a vom n+-Typ
verbunden ist, ist mit dem IGBT-Element zu verbinden, während eine der Zwischenverbindungen 8b und
die Zwischenverbindung 8a, die jeweils mit den Diffusionsschichen 5a bzw. 5c vom
p-Typ verbunden sind, mit dem Knoten mit konstantem Potential zu
verbinden sind.
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3 ist
eine Draufsicht mit der Darstellung der vorstehend beschriebenen
Schutrschaltung, in welcher die Isolierfilmschicht 7, welche
die Diffusionsschichten 5a, 5b, 5c, 6a und 6b überdeckt,
aus Gründen
der klareren Darstellung der Ausbildung der ersten Zener-Diode D1,
der zweiten Zener-Dioden D2 und des Widerstands R1 weggelassen ist.
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Die Diffusionsschichten 5a und 6a,
welche die erste Zener-Diode D1 bilden, sind in der Weise ausgelegt,
dass eine dazwischen liegende Grenzschicht kammförmig ausgebildet ist, wie dies
in 3 dargestellt wird.
Mit dieser Ausbildung wird eine Fläche eines pn-Übergangs so vergrößert, dass
ein Widerstand gegenüber
einem durch die erste Zener-Diode
D1 fließenden
Strom verringert werden kann. Dementsprechend ist es dann, wenn
Diffusionsschichten in der vorstehend erläuterten Ausbildung vorgesehen
sind, möglich,
die Stromtoleranz der ersten Zener-Diode D1 zu verbessern.
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Auch wenn 2 die Bildung der Isoliefilmschicht 7 unterhalb
des Anschlusses P für
die externe Verbindung zeigt, kann die Isolierfilmschicht 7 durch die
Diffusionsschicht 6a vom n+-Typ
ersetzt werden, die aus dem Bereich aus polykristallinem Silizium
gebildet ist, in welchen Fremdatome eindiffundiert sind.
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Nachstehend werden nun die Betriebsweisen
der Schutrschaltung in der vorstehend erläuterten Ausbildung beschrieben.
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Zum Beispiel wird hier angenommen,
dass eine externe Stromversorgung Vd zum Betreiben des IGBT-Elements
unsachgemäß in eine
Richtung angeschlossen wird, die entgegengesetzt zur normalen Richtung
verläuft,
wie dies in 4 dargestellt
ist. Unter diesen Umständen
fließt
dann, wenn die Summe der Spannungen in Durchlassrichtung (ursprüngliche
Werte der Spannungen in Durchlassrichtung bei deren Anstieg) Vf2
der mehrfachen Stufen der zweiten Zener-Dioden D2 höher ist
als die Spannung V der externen Stromversorgung Vd und einer in Durchlassrichtung
ansteigenden Spannung (ein anfänglicher
Wert einer Spannung in Durchlassrichtung bei deren Anstieg) Vf1
der ersten Zener-Diode D1 kleiner als die Spannung V der externen
Stromversorgung Vd ist, was als Vf1 < V < Vf2
ausgedrückt wird,
in den Widerstand R1 über
die erste Zener-Diode D1 ein Gleichstrom I, der von der externen
Stromversorgung zugeführt
wird.
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Der Gleichstrom I fließt dementsprechend nicht
durch die zweiten Zener-Dioden D2. Somit werden die zweiten Zener-Dioden
D2 vor einem Durchbrennen unter einer Belastung geschützt, die
dadurch verursacht wird, dass ein Überstrom fließt.
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Des Weiteren wird wie bei der ersten
Zener-Diode D1 ein Wert (Durchfluss) des Gleichstroms I dadurch
gesteuert, dass der Widerstand R1 vorhanden ist, um so eine Belastung
zu unterdrücken,
die durch das Fließen
des Gleichstroms I verursacht wird, mit dem die erste Zener-Diode
D1 beaufschlagt wird. Somit wird auch die erste Zener-Diode D1 vor dem
Durchbrennen geschützt.
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Außerdem ist es bei der in 1 dargestellten Schutrschaltung
sogar dann, wenn an die Schutrschaltung über den Anschluss P zur externen Verbindung
eine Überspannung
angelegt wird, da ein Stromstoß,
zum Beispiel in Form statischer Elektrizität, aufgetreten ist, möglich, eine
Erwärmung
und das Durchbrennen des Widerstands R1 aus den folgenden Gründen zu
verhindern. In einem Zustand, in dem wegen des Auftretens eines
Stromstoßes
an die Schutzschaltung eine Überspannung
angelegt wird, ist eine Differenz zwischen jeweiligen Spannungen, die
an die gegenüber
liegenden Enden des Widerstands R1 angelegt werden, gleich einem
Wert, den man durch Subtraktion einer Durchschlagspannung Vz1 der
ersten Zener-Diode D1 in Sperrrichtung von einer Summe der in Sperrrichtung
ansteigenden Spannungen Vz2 (anfängliche
Werte der Spannungen in Sperrrichtung bei deren Anstieg) der mehrfachen
Stufen der zweiten Zener-Dioden D2 erhält. Damit kann der Betrag eines
elektrischen Stroms, der im Widerstand R1 erzeugt wird, als solcher
anhand der Differenz zwischen den jeweiligen Spannungen gesteuert
werden, die an den gegenüber
liegenden Enden des Widerstands R1 (= Vz2 – Vz1) anliegen. Infolgedessen
ist es auch möglich,
ein Durchbrennen des Widerstands R1 infolge der darin erzeugten
Wärme zu
verhindern.
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Der Widerstand R1 ist, wie vorstehend
schon erläutert,
als vorgeschaltete Stufe mit den mehreren Stufen der zweiten Zener-Dioden
D2 verbunden, deren Summe ihrer in Durchlassrichtung ansteigenden Spannungen
Vf2 höher
ist als die Spannung V der externen Stromversorgung Vd. Dementsprechend kann
sogar dann, wenn die externe Stromversorgung Vd unkorrekt in einer
Richtung angeschlossen wird, die der normalen Richtung entgegengesetzt
ist, der Gleichstrom I nicht durch die zweiten Zener-Dioden D2 fließen, sondern
fließt über die
erste Zener-Diode D1 durch den Widerstand R1. Infolgedessen kann
die Stromtoleranz der Schutzschaltung beibehalten werden.
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Auch wenn an den Anschluss P für die externe
Verbindung eine Belastung infolge des Anlegens einer durch einen
Stromstoß,
beispielsweise statische Elektrizität, angelegten Überspannung
angelegt ist, führt
dies außerdem
nur dazu, dass eine Spannung, die gleich einer Differenz zwischen
der Summe der in Sperrrichtung ansteigenden Spannungen Vz2 der zweiten
Dioden D2 und der Durchbruchspannung Vz1 in Sperrrichtung der ersten
Zener-Diode D1 ist, an den Widerstand R1 angelegt wird. Dementsprechend
kann der Widerstand R1 vor dem Durchbrennen geschützt werden,
wodurch sich die Stromtoleranz der Schutzschaltung verbessert.
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Des Weiteren weist die Schutzschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung die zweiten Zener-Dioden D2 auf, die in entgegengesetzten
Richtungen geschaltet sind. Dies macht es möglich, die Spannungstoleranz
der Schutzschaltung nicht nur gegenüber einer Belastung infolge
daran angelegter positiver Überspannung,
die durch einen Stromstoß verursacht
wird, sondern auch gegenüber
einer Belastung zu verbessern, die durch eine daran angelegte negative Überspannung
verursacht wird, welche auf einen Stromstoß zurückgeht.
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Darüber hinaus kann die Anzahl
wie auch die jeweilige Richtung des Anschlusses der zweiten Zener-Dioden
D2 beliebig gewählt
werden, solange die Bedingung erfüllt wird, dass die Summe der
in Durchlassrichtung ansteigenden Spannungen Vf2 höher ist als
die Spannung V der externen Stromversorgung Vd.
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Zum Beispiel können alle zweiten Zener-Dioden
D2 in derselben Durchlassrichtung wie in der in 5 dargestellten Schutrschaltung in Reihe
geschaltet werden. Alternativ können
anstelle der zweiten Zener-Dioden D2 wie bei der in 6 dargestellten Schutrschaltung mehrere
Paare von Zener-Dioden D3 vorgesehen werden, die in einander entgegengesetzten
Richtungen geschaltet sind, wobei die Paare in Reihe geschaltet
sind.
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Dabei ist festzustellen, dass eine
Reihenschaltung der zweiten Zener-Dioden D2, die mindestens eine
zweite Zener-Diode D2 aufweist, die in Sperrrichtung geschaltet
ist, die Anzahl der zweiten Zener-Dioden D2 verringert, die notwendig
ist, damit die Summe der in Durchlassrichtung ansteigenden Spannungen
Vf2 höher
als die Spannung V der externen Stromversorgung Vd sein kann – im Vergleich
zu einer Reihenschaltung der zweiten Zener-Dioden D2, bei denen
alle zweiten Zener-Dioden D2 in gleicher Durchlassrichtung geschaltet
sind.
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Erstes modifiziertes
Ausführungsbeispiel
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Bei dem vorstehend beschriebenen
bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden in der Schutzschaltung in der in 1 dargestellten Ausbildung die zweiten
Zener-Dioden D2 aus den Diffusionsschichten 5b, 5c und 6b gebildet,
die, in Draufsicht gesehen, in Streifen angeordnet sind, wie 3 dies zeigt. Als Alternative
hierzu können
die zweiten Zener-Dioden
D2 aus einer Diffusionsschicht 5e vom p-Typ und aus Diffusionsschichten 6d und 6e vom n+-Typ gebildet werden, die so angeordnet
sind, dass sie ineinander verschachtelt sind, wie dies in 7 dargestellt ist.
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Insbesondere sind gemäß der Darstellung
in 7 die Diffusionsschicht 6e vom
n+-Typ, auf welcher der Anschluss P für die externe
Verbindung ausgebildet ist, und eine kammförmig ausgebildete Diffusionsschicht 6c vom
n+-Typ, welche die erste Zener-Diode D1
bildet, so ausgebildet, dass sie von einander getrennt sind.
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Außerdem sind die Diffusionsschicht 5e vom p-Typ
und die Diffusionsschicht 6d vom n+-Typ jeweils in Form
eines rechteckigen Randes (Rings) so ausgebildet, dass sie abwechselnd
einen Umfang der Diffusionsschicht 6e vom n+-Typ
umgeben, auf dem der Anschluss P für die externe Verbindung ausgebildet
ist, wodurch die mehrfachen, in Reihe geschalteten Zener-Dioden
D2 gebildet werden.
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Wird die am weitesten außen liegende
Diffusionsschicht 5d vom p-Typ so ausgelegt, dass sie auch
die Diffusionsschicht 6c vom n+-Typ
umgibt, welche die erste Zener-Diode D1 bildet, kann die erste Zener-Diode
D1 gebildet werden.
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Die Isolierfilmschicht 7 wird
außerdem
so gebildet, dass sie die Diffusionsschichten 5d, 5e, 6c, 6d und 6e in
der vorstehend erläuterten
Anordnung überdeckt.
Des Weiteren werden Kontaktlöcher
gebildet, die sich durch die Isolierfilmschicht 7 hindurch erstrecken
und jeweils vorgegebene einzelne Diffusionsschichten 5d, 5e, 6c, 6d und 6e erreichen.
Dabei wird jede der Zwischenverbindungen 8a und 8b sowie
der Anschluss P für
die externe Verbindung dadurch gebildet, dass jedes der Kontaktlöcher mit
einem leitfähigen
Material, wie beispielsweise einem Metall, in einem vorgegebenen
Muster ausgefüllt wird.
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Eine der Zwischenverbindungen 8b wird
so gebildet, dass sie die Diffusionsschicht 6e vom n+-Typ überbrückt, auf
welcher der Anschluss P für die
externe Verbindung und die kammförmig
ausgebildete Diffusionsschicht 6c vom n+-Typ
ausgebildet sind, um so den Widerstand R1 zu bilden, der zwischen
den Anschluss P für
die externe Verbindung und die erste Zener-Diode D1 innerhalb der
Diffusionsschicht 6e vom n+-Typ
geschaltet ist, auf welcher der Anschluss P für die externe Verbindung ausgebildet
ist.
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Wie vorstehend bereits ausgeführt, sind mehrere
in Reihe geschaltete pn-Übergänge, d.h.
die zweiten Zener-Dioden D2, in einer Anordnung gebildet, bei welcher
die Diffusionsschicht 5e vom p-Typ und die Diffusionsschicht 6d vom
n+-Typ ineinander verschachtelt sind und
abwechselnd den Umfang der Diffusionsschicht 6e vom n+-Typ umgeben, auf welcher der Anschluss
P für die
externe Verbindung ausgebildet ist. Infolgedessen wird eine Fläche der
zweiten Zener-Dioden D2 im Vergleich zu der in 3 dargestellten Ausbildung vergrößert, was
zu einer Verringerung des inneren Widerstands führt. Somit ist es möglich, die
Spannungstoleranz der Schutrschaltung gegenüber einer angelegten Überspannung
zu verbessern, welche durch einen Stromstoß verursacht wird.
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Zweites modifiziertes
Ausführungsbeispiel
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In der in 6 dargestellten Schutrschaltung können die
mehrfach vorgesehenen Paare von Zener-Dioden D3, die in zueinander
entgegengesetzten Richtungen miteinander verbunden sind, aus derselben
Anzahl von Diffusionsschichten vom p-Typ und Diffusionsschichten
vom n+-Typ gebildet werden. Wie in der Draufsicht
in 9 und in der Schnittansicht
in 8 dargestellt wird,
die entlang der Linie VIII-VIII in 9 gelegt
ist, können
die mehrfach vorgesehenen Paare von Zener-Dioden D3 aus Diffusionsschichten 5g und 5h vom
p-Typ sowie aus Diffusionsschichten 6g und 6h vom
n+-Typ gebildet werden, die abwechselnd
in Streifen angeordnet sind, während sie über dem
Halbleitersubstrat an eine Diffusionsschicht 6f vom n+-Typ angrenzen, auf dem der Anschluss P
für die
externe Verbindung ausgebildet ist. Die vorstehend beschriebene
Anordnung ist analog zu der in Verbindung mit der in 1 gezeigten Schutrschaltung
gemäß 2 und 3 dargestellte Anordnung. Alternativ
können
die mehrfach vorgesehenen Paare von Zener-Dioden D3 aus einer anderen Anordnung
gebildet werden, bei welcher Diffusionsschichten 5j, 5k, 6j, 6k und 6l so
ineinander geschachtelt sind, wie dies in 10 dargestellt ist, und zwar in derselben
Weise wie bei dem ersten modifizierten Ausführungsbeispiel.
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Genauer gesagt, können die mehrfach vorgesehenen
Paare von Zener-Dioden D3, die in einander entgegengesetrten Richtungen
mit einander verbunden sind, aus Diffusionsschichten vom p-Typ (5j, 5k)
und aus Diffusionsschichten vom n+-Typ (6j, 6k) jeweils
in der gleichen Anzahl gebildet sein, welche jeweils die Form eines
rechteckigen Rands aufweisen und abwechselnd einen Umfang einer
Diffusionsschicht 6l vom n+-Typ
umgeben, auf welcher der Anschluss P für die externe Verbindung gebildet
ist.
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Die Isolierfilmschicht 7 ist
in der Weise gebildet, dass sie die Diffusionsschichten überdeckt,
die in der vorstehend beschriebenen Weise angeordnet sind. Entsprechend
dem zweiten modifizierten Ausführungsbeispiel
wird die Isolierfilmschicht 7 des Weiteren zwischen Diffusionsschichten 5i und 6i ausgebildet,
welche die erste Zener-Diode D1 bilden, sowie den Diffusionsschichten 5j, 5k, 6j, 6k und 6l,
welche die Paare von Zener-Dioden
D3 bilden, um so eine Verbindung zwischen diesen zu vermeiden.
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Darüber hinaus sind Kontaktlöcher gebildet, welche
durch die Isolierfilmschicht 7 verlaufen und jeweils einzelne
vorgegebene Diffusionsschichten erreichen. Dabei wird jede der Zwischenverbindungen 8a und 8b sowie
der Anschluss P für
die externe Verbindung dadurch gebildet, dass jedes der Kontaktlöcher mit
einem leitfähigen
Material, wie zum Beispiel einem Metall, in einem vorgegebenen Muster
ausgefüllt
wird.
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Eine der Zwischenverbindungen 8b wird
so ausgebildet, dass die Diffusionsschicht 6i vom n+-Typ zur Bildung der ersten Zener-Diode
D1 und die Diffusionsschicht 61 vom n+-Typ,
auf welcher der Anschluss P für
die externe Verbindung ausgebildet ist, überbrückt werden, um so den Widerstand
R1 zu bilden, der zwischen den Anschluss P für die externe Verbindung und
die erste Zener-Diode D1 innerhalb der Diffusionsschicht 61 n+-Typ geschaltet ist,
auf welcher der Anschluss P für
die externe Verbindung vorgesehen ist.
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Wie vorstehend beschrieben, werden
die mehrfach vorgesehenen Paare der Zener-Dioden D3 aus den Diffusionsschichten 5j und 5k vom
p-Typ und aus den Diffusionsschichten 6j und 6k vom
n+-Typ gebildet, welche so angeordnet sind,
dass sie in einander verschachtelt sind und abwechselnd den Umfang
der Diffusionsschicht 6l vom n+-Typ
umgeben, auf welcher der Anschluss P für die externe Verbindung vorgesehen
ist. Infolgedessen vergrößert sich im
Vergleich zu der in 9 dargestellten
Ausbildung eine Fläche
bei jedem der mehrfach vorgesehenen Paare von Zener-Dioden D3, was
zu einem verringerten internen Widerstand führt. Somit ist es möglich, die
Spannungstoleranz der Schutzschaltung gegenüber einer infolge eines Stromstoßes angelegten Überspannung
zu verbessern.
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Auch wenn die Erfindung bisher im
Einzelnen dargestellt und beschrieben wurde, ist die vorstehende
Beschreibung in jeder Hinsicht rein illustrativ und keinesfalls
einschränkend.
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Somit versteht sich von selbst, dass
zahlreiche Modifizierungen und Abänderungen ausgearbeitet werden
können,
ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen.