DE1564863C2 - Planartransistor mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Planartransistor gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 3. Ein durch die im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 3 angegebenen Merkmale allein bestimmter Planartransistor wird vom Schutz des Patents nicht erfaßt. Aus der FR-PS 13 89 203 ist bereits ein Transistor bekanntgeworden, bei dem mehrere Einzeltransistoren zu einem Halbleiterbauteil zusammengesetzt sind, um auf diese Weise die thermische Zerstörung bei der Erhöhung der Verlustleistung zu vermeiden. Die Einzeltransisloren wurden dabei parallel geschaltet. Sie können auch in Reihe geschaltet werden. In der FR-PS 13 90 673 sind ferner Transistoren beschrieben worden, die aus mehreren parallel geschalteten Teiltransistoren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper bestehen. Dabei war vorgesehen, daß die miteinander verschalteten Teiltransistoren thermisch gekoppelt und elektrisch durch Widerstände in den Emitterzuleitungen entkoppelt sind. All diese Vorschläge konnten jedoch eine thermische Zerstörung des Transistors nicht vollständig ausschließen.

Die thermische Zerstörung beruht auf dem bekannten unerwünschten Einschnürungseffekt (»pinch-in«-Effekt), der insbesondere bei Planartransistoren auftritt. (Vgl. beispielsweise die Zeitschrift »A.E.Ü.«, Bl. 19, Nr. 1, 1965, S. 27 bis 42.) Dieser Effekt bezeichnet einen sogenannten zweiten Durchbruch der irreversibel ist und zur Zerstörung des Transistors führt. Mit wachsender Sperrspannung über dem Kollektor-PN-Übergang nimmt die FeIdstärke in der Raumladungszone dieses PN-Übergangs zu, bis durch Stoßionisation, Paargeneration und Lawinenbildung der vom Emitter herkommende Diffusionsstrom der Minoritätsladungsträger vervielfacht wird. Der zusätzliche Strom ist ein Feldstrom, dessen Ladungsträger von dem Kollektor-PN-Übergang zur Basiselektrode wandern und somit die umgekehrte Stromrichtung gegenüber der bei normalem Flußbetrieb aufweisen. Wird dann beispielsweise bei PNP-Transistoren der Basisstrom positiv, ist der Vektor der elektrischen FeIdstärke, die zum Basisfeldstrom gehört, von außen nach innen gerichtet. Die Minoritätsladungsträger in der Basiszone werden nach innen bedrängt. Eine daraus resultierende hohe Stromdichte im Zentrum des Transistors führt zu hoher Leistungsdichte, die Temperatur steigt in diesem Gebiet rasch an, und es kommt zur thermischen Zerstörung des Transistors.

Aus der GB-PS 8 45 092 ist es zur Vermeidung von zerstörenden Überströmen, wie sie beim Abschalten

eines Transistors bei induktiver Last auftreten, bekannt, zwischen den Kollektor und die Basis eines Transistors eine Zenerdiode zu schalten, die aufgrund des Wertes ihrer Abbruchspannung bei ansteigendem Kollektorspannungspotential leitend wird, ehe die Kollektorspannung einen zulässigen Höchstwert erreicht. Ferner ist aus der FR-PS 13 37 348 eine Schaltung bekannt, bei der mit dem Kollektor eines Transistors verbundene Dioden in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert sind. Weiterhin ist aus der US-PS 32 44 949 ein Aufbau eines aus einem Transistorteil und einem Diodenteil zusammengesetzten Planarhalbleiterbauelements bekannt, bei dem die Transistorzonen und die Halbleiterdiode, deren Durchbruchspannung niedriger als die des Kollektor-PN-Übergangs ist, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper in einer solchen Anordnung integriert sind, daß die Halbleiterdiode parallel zu dem Kollektor-PN-Übergang geschaltet ist, und zwar derart, daß deren Durchlaßrichtung gleichsinnig zu der des Kollektor-PN-Übergangs ist. Die Halbleiterdiode niedrigerer Durchbruchspannung besteht aus einer teils in die Kollektor- und teils in die Basiszone eingelassenen, stark dotierten Zone vom Leitungstyp der Kollektorzone und der an sie angrenzenden Basiszone. Dieses bekannte Planarhalbleiterbauelement weist zwei Anschlüsse auf und wird als Spannungsregler betrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau für einen Planartransistor nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 3 anzugeben, bei deren Betrieb eine punktförmige Konzentration des Emitterstroms mit Hilfe der Diode sicher vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch jede der im kennzeichnenden Teil der nebengeordneten Patentansprüche 1 bis 3 angegebenen Ausbildung für sich gelöst.

Diese drei Ausführungsformen des Planartransistors haben den Vorteil, daß sie sehr einfach und mit großer Reproduzierbarkeit hergestellt werden können.

Schaltet man - wie aus der GB-PS 8 45 092 bekannt eine Diode parallel zur Basis-Kollektorstrecke eines Transistors und dimensioniert diese so, daß die Durchbruchspannung der Diode unter dem Wert der Durchbruchspannung der Kollektor-Emitterstrecke liegt, so wird eine Zerstörung des Transistors bei hohen Spannungen und beim Abschalten einer induktiven Last vermieden. Sobald die Spannung an der Kollektorsperrschicht den Wert der Durchbruchspannung der Diode erreicht hat, fließt über die Diode ein Strom, der den Transistor wieder einschaltet bzw. die Emitter-Basisstrecke des Transistors in Durchlaßrichtung schaltet. Dann fließt in der Basiszone der Strom in der für normalen Transistorbetrieb typischen Richtung. Das bedeutet, daß die stärkste Injektion am Efnitterrand auftritt und deshalb keine Einschnürung des Injektionsstroms auf einen Punkt im Zentrum der Emitterzone, das heißt, kein »pinch in« stattfindet.

Da durch die Schutzdiode der Stromfluß in der Basiszone bei hoher Kollektorspannung dem bei normalem Transistorbetrieb entspricht, bleibt auch bei Transistoren mit Mehrfachemittern und Stabilisierungswiderständen in den Emitterzuleitungen die günstige Wirkung der Widerstände für die gleichmäßige Stromverteilung auf die Einzelemitter erhalten.

Die Schutzdiode selbst muß nur für kleine Leistungen ausgelegt werden, da sie nur den Basisstrom für den Transistor liefern muß, der dann selbst den Hauptstrom und die Hauptleistung übernimmt. Aus diesen Gründen benötigt die Schutzdiode nur eine kleine und nicht ins Gewicht fallende Fläche, und ihre Kapazität bleibt klein. Außerdem sorgt die Schutzdiode dafür, daß alle Kennlinien des Transistors im IC-UCE-Kennlinienfeld die gleiche Durchbruchsspannung aufweisen.

Die Planartransistoren nach der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die im Prinzip bekannte Schaltung des Planartransistors.

Fig. 2 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel des Planartransistors, bei dem die Schutzdiode neben der ίο Basiszone in den Kollektor-Halbleiterkörper eingebracht und mit der Basiszone verbunden ist.

Fig. 3 zeigt einen Planartransistor mit mehreren Einzelemittern und Entkopplungswiderständen in den Emitterzuleitungen. Die Basiszone weist Bereiche unterschiedlicher Eindringtiefe aus. Ähnlich ist der in Fig. 4 dargestellte Planartransistor aufgebaut.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer hochdotierten, nicht kontaktierten Zone im Kollektor-Halbleiterkörper neben der Basiszone. Fig. 1 zeigt die Schaltung, in der der Planartransistor betrieben wird, wobei der äußere Schaltkreis mit einer induktiven Last 3 zwischen Kollektor und Emitter gestrichelt gezeichnet ist. Die Schaltung ist hier für einen NPN-Planartransistor dargestellt; entsprechendes gilt selbstverständlich auch für einen PNP-Planartransistor. Parallel zur Kollektor-Basisstrecke des Planartransistors 1 wird eine Halbleiterdiode 2 so geschaltet, daß ihre Durchlaßrichtung gleichsinnig zu der Durchlaßrichtung des Kollektor-PN-Übergangs ist. Wird der Planartransistor 1 beispielsweise durch Impulsbetrieb wechselweise ein- und ausgeschaltet, steigt beim Auschalten die Sperrspannung an der Kollektor-Basisstrecke sprunghaft an, bis die in Sperrichtung beanspruchte Halbleiterdiode 2 in den Bereich des Zener- oder Lawinen-Durchbruchs gelangt. Dann fließt über die Halbleiterdiode 2 ein Strom zur Basis, hebt deren Potential an, bis der Planartran-. sistor 1 wieder in den »Ein-Zustand« geschaltet wird und dieser den Hauptteil des abzufließenden Stromes, der durch die in der Induktivität der Last 3 gespeicherte Energie verursacht wird, übernimmt.

Fig. 2 zeigt nun einen Halbleiterkörper 4, in den in integrierter Form Planartransistor und Schutzdiode untergebracht ist. In den Halbleiterkörper 4 vom Leitungstyp der Kollektorzone wird eine Basiszone 5 und in diese wiederum eine Emitterzone 6 eingelassen. Neben der Basiszone 5 wird in den Kollektor-Halbleiterkörper eine weitere Zone 7 vom Leitungstyp der Basiszone eingebracht, deren Eindringtiefe jedoch kleiner als die der Basiszone 5 ist. Durch die kleinere Eindringtiefe der Zone 7 ist deren Dotierungsgradient am PN-Übergang Zone 7 - Kollektorzone 4 bei gleicher Oberflächenkonzentration wesentlich größer als der am PN-Übergang Basiszone 5 - Kollektorzone 4, so daß die aus Kollektorzone 4 und Zone 7 gebildete Schutzdiode bei Sperrspannungsbeanspruchung vor dem Kollektor-PN-Übergang in den Durchbruch gelangt. Auf diese Weise wird ein Spannungsdurchbruch des Kollektor-PN-Übergangs unterhalb des Emitters und damit eine etwa nachfolgende thermische Zerstörung des Planartransistors verhindert. Die Eindringtiefe der Zone 7 dient geradezu als Maß für die Höhe der Durchbruchspannung der Schutzdiode. So wurde bei P-Diffusion in eine homogen N-dotierte Siliziumscheibe beispielsweise bei einer Eindringtiefe von 5μηι eine Durchbruchspannung von 70 V und bei einer Eindringtiefe von 1 μίτι eine Durchbruchspannung von 30 V gemessen.

Die Oberfläche des Halbleiterkörpers ist bei dem Ausführungsbeispiel durch eine Oxidschicht 8 abgedeckt, die

an den Kontaktierungsstellen Öffnungen aufweist. Dort sind die Zonen des Planartransistors mit Leitbahnen versehen; beispielsweise wird die Emitterzone 6 durch die Leitbahn 9 und den Zuleitungsdraht 10 kontaktiert. Die Zone 7 und die Basiszone 5 werden durch eine gemeinsame Leitbahn 11 und den Zuleitungsdraht 12 kontaktiert. Die Wirksamkeit der Schutzdiode bleibt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch dann erhalten, wenn die Basiszone 5 und die Zone 7 vom Leitungstyp der Basiszone direkt im Halbleiterkörper miteinander verbunden sind. Wichtig ist, daß die Eindringtiefe der Zone 7 kleiner als die der Basiszone 5 ist.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mehreren Emittern und zusätzlichen Entkopplungswiderständen in den Emitterzuleitungen. In den die Kollektorzone 4 bildenden Halbleiterkörper ist wiederum eine Basiszone 5 eingelassen, die nun Bereiche unterschiedlicher Eindringtiefe 13 und 14 aufweist. In den Bereichen 13 großer Eindringtiefe werden die Emitterzonen 6 eingebracht, während die Bereiche 14 kleiner Eindringtiefe als Schutzdiode wirken, durch die die Gebiete des Planartransistors unterhalb der Emitterzone 6 vor dem Einschnürungseffekt, der zur thermischen Zerstörung des Planartransistors führt, bewahrt bleiben. Die einzelnen Emitter des Planartransistors werden - wie bekannt - noch vorteilhafterweise durch Widerstände 15 in den Emitterzuleitungen elektrisch entkoppelt, um auf diese Weise eine gleichmäßige Belastung der Teiltransistoren zu erzielen. Die Wirkungsweise der Schutzdiode entspricht der anhand der Fig. 2 beschriebenen. Auch hier liegt aufgrund der kleineren Eindringtiefe und des höheren Dotierungsgradienten in den Bereichen 14 deren Durchbruchsspannung unter dem Wert der Durchbruchsspannung, die für die Kollektor-PN-Übergangsteile unter den Emitterzonen 6 gilt. Selbstverständlich ist bei dem Ausführungsbeispiel die Zahl der Emitterzonen nicht beschränkt, ebenso wie die Größe der Entkopplungswiderstände entsprechend den Umständen bemessen werden kann oder diese Widerstände ganz entfallen können.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, dessen Arbeitsprinzip etwas von dem bisher beschriebenen abweicht. Der Planartransistor besteht aus einem hochdotierten, im Ausführungsbeispiel N⁺-dotierten Halbleitersubstrat 16, auf dem sich eine weitere, die eigentliche Kollektorzone bildenden, beispielsweise epitaktische Halbleiterschicht 17 befindet. Die Kollektorzone 17 ist schwächer N-dotiert wie das Halbleitersubstrat 16. In die Kollektorzone 17 ist wiederum eine Basiszone 5 mit Bereichen 18 und 19 unterschiedlicher Eindringtiefe eingebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurden in die Bereiche 18 kleiner Eindringtiefe die Emitterzonen 6 eingelassen, sei es durch Legieren oder durch Diffundieren. Die Bereiche 19 großer Eindringtiefe reichen bis in die unmittelbare Nähe des hochdotierten Halbleitersubstrat 16 und dienen als Schutzdiode für den eigentlichen Transistor unterhalb der Emitterzonen.

Wenn der Kollektor-PN-Übergang durch eine Spannung in Sperrichtung belastet wird, so dehnt sich dessen Raumladungszone aus. Dies ist bei den Bereichen 19 praktisch nur soweit möglich, bis die Raumladungszone an das hochdotierte Halbleitersubstrat 16 anstößt. In dem hochdotierten Gebiet dehnt sich die Raumladungszone kaum mehr weiter aus, so daß die Feldstärke in der Raumladungszone mit weiter wachsender Sperrspannung ansteigt bis zu einem Wert, der zum Spannungsdurchbruch führt. Diese Einschränkung der Ausdehnungsmöglichkeit der Raumladungszone gilt für die Zeile des KoI-lektor-PN-Übergangs unterhalb der Emitterzone 6 nicht, da hier der Abstand zum hochdotierten Halbleitersubstrat 16 relativ groß ist. So kann auch hier der Abstand zwischen den Basisbereichen 19 großer Eindringtiefe und dem stark dotierten Halbleitersubstrat 16 als Maß für die Durchbruchspannung der Schutzdiode dienen.

Die Ausbildung der Basiszone dieses Ausführungsbeispiels ist sowohl für Planartransistoren mit mehreren wie auch mit einem Emitter anwendbar, auch hier können in den Emitterzuleitungen zusätzliche Entkopplungswiderstände angeordnet werden, die beispielsweise durch auf die Oxidschicht 8 aufgedampfte Metallschichten gebildet werden. Die Bereiche 19 der Basiszone 5 mit großer Eindringtiefe werden vorteilhafterweise höher dotiert wie die übrigen Basiszone und dienen somit gleichzeitig als Leitraster für die niederohmige Stromzuführung zu den aktiven Bereichen des Planartransistor unterhalb der Emitterzonen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fi g. 5 dargestellt. In die Kollektorzone 4 des Halbleiterkörpers ist wiederum eine Basiszone 5 und in diese eine Emitterzone 6 eingelassen. Neben der Basiszone 5 wurde ähnlich der in Fig. 2 gezeigten Zonenanordnung eine Zone 20 eingebracht, die hier aber stark dotiert ist und den Leitungstyp der Kollektorzone 4 aufweist. Ihre Dotierung und ihr Abstand zur Basiszone 5 bestimmt den Wert der Durchbruchspannung der Schutzdiode. Auch hier dehnt sich die Raumladungszone an dem Kollektor-PN-Übergang bei wachsender Sperrspannung aus. In der Zone 20 wird jedoch durch deren hohe Dotierung eine weitere Ausdehnung in dem Maße, wie sie in der Kollektorzone an dem übrigen Teil des Kollektor-PN-Übergangs erfolgt, verhindert, so daß in der Raumladungszone zwischen der Zone 20 und der Basiszone 5 die Feldstärke rasch ansteigt, bis an dieser Stelle ein Zener- oder Lawinen-Durchbruch erfolgt. Die Zone 20 wird vorteilhafterweise gemeinsam mit der Herstellung der Emitterzone 6 in den Halbleiterkörper eindiffundiert, sie kann jedoch auch einlegiert werden.

Bei allen Ausführungsbeispielen wird vorteilhafterweise die Durchbruchspannung der Halbleiterdiode so dimensioniert, daß sie etwa 80% der Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung beträgt, die Fläche des PN-Übergangs der Halbleiterdiode beträgt etwa 10% der Fläche des Basis-Kollektor-PN-Übergangs.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Planartransistor mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone, der mit einer Halbleiterdiode, deren Durchbruchsspannung niedriger als die der Kollektor-Emitterstrecke ist, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper in einer solchen Anordnung integriert ist, daß die Halbleiterdiode parallel zu dem Kollektor-PN-Übergang geschaltet ist, und zwar derart, daß deren Durchlaßrichtung gleichsinnig zu der des Kollektor-PN-Übergangs ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (2) niedrigerer Durchbruchsspannung aus einer in die Kollektorzone eingelassenen, mit der Basiszone (5) über eine Leitbahn (11) verbundenen oder mit der Basiszone (5) direkt zusammenhängenden Zone (7, 14) vom Leitungstyp der Basiszone (5), die eine geringere Eindringtiefe und dort einen größeren Dotierungsgradienten als die Basiszone am Kollektor-PN-Übergang aufweist, und aus der angrenzenden Kollektorzone (4) besteht.

2. Planartransistor mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone, der mit einer Halbleiterdiode, deren Durchbruchsspannung niedriger als die der Kollektor-Emitterstrecke ist, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper in einer solchen Anordnung integriert ist, daß die Halbleiterdiode parallel zu dem Kollektor-PN-Übergang geschaltet ist, und zwar derart, daß deren Durchlaßrichtung gleichsinnig zu der des Kollektor-PN-Übergangs ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf einem stark dotierten Halbleitersubstrat (16) vom Leitungstyp der Kollektorzone eine schwach dotierte Kollektorzone (17) befindet, in die eine Basiszone (5) mit Bereichen unterschiedlicher Eindringtiefe eingelassen ist, daß in den (die) Bereich(e) mit kleiner Eindringtiefe die Emitterzone (6) (Teilzonen) eingelassen ist (sind), und daß der (die) Bereich(e) großer Eindringtiefe (19) bis auf einen solchen Abstand an das stark dotierte Halbleitersubstrat (16) heranreicht (reichen), daß die aus dem (den)

' Baslszonenbereich(en) großer Eindringtiefe und aus der angrenzenden Kollektorzone sowie dem angrenzenden Halbleitersubstrat gebildete Halbleiterdiode eine Durchbruchsspannung aufweist, die niedriger ist als die Durchbruchsspannung des Kollektor-PN-Übergangs in dem (den) Bereich(en) kleiner Eindringtiefe (18).

3. Planartransistor mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone, der mit einer Halbleiterdiode, deren Durchbruchsspannung niedriger als die der Kollektor-Emitterstrecke ist, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper in einer solchen Anordnung integriert ist, daß die Halbleiterdiode parallel zu dem Kollektor-PN-Übergang geschaltet ist, und zwar derart, daß deren Durchlaßrichtung gleichsinnig zu der des Kollektor-PN-Übergangs ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kollektorzone (4) neben der Basiszone (5) eine stark dotierte Zone (20) vom Leitungstyp der Kollektorzone in einem solchen Abstand von der Basiszone eingelassen ist, daß die aus der stark dotierten Zone (20) vom Leitungstyp der Kollektorzone, der angrenzenden Kollektorzone (4) und der angrenzenden Basiszone (5) gebildete Halbleiterdiode eine Durchbruchsspannung aufweist, die niedriger als die Durchbruchsspannung in dem übrigen Teil des Kollektor-PN-Übergangs ist.

4. Planartransistor nach dem Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß in die Kollektorzone (4) eine Basiszone (5) mit Bereichen unterschiedlicher Eindringtiefe eingelassen ist, daß in den (die) Bereich(e) mit großer Eindringtiefe (13) die Emitterzone (16) (Teilzonen) eingelassen ist (sind), und daß die Halbleiterdiode niedrigerer Durchbruchsspannung aus dem (den) Basiszonenbereich(en) kleiner Eindringtiefe (14), der (die) am Kollektor-PN-Übergang einen größeren Dotierungsgradienten als der (die) Basiszonenbereich(e) großer Eindringtiefe am Kollektor-PN-Übergang aufweist (aufweisen), und aus der angrenzenden Kollektorzone (4) besteht.

5. Planartransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hochdotierte Zone (20) vom Leitungstyp der Kollektorzonen in der unmittelbaren Nähe des Basis-Kollektor-PN-Überganges in den Kollektorkörper einlegiert ist.