DE1614145A1

DE1614145A1 - Dauerdurchschlagssicherer Feldeffekttransistor mit isolierten Gattern

Info

Publication number: DE1614145A1
Application number: DE19671614145
Authority: DE
Inventors: Toshio Hasegawa; Tomisaburo Okumura; Akira Tsuchitani
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1966-03-29
Filing date: 1967-03-28
Publication date: 1970-06-25
Also published as: US3764864A; SE307198B; NL6704262A; CH475653A; DE1614145B2; GB1186421A; NL150950B; FR1517240A; BE696173A

Description

MATSUSHITA EIiICTROlIICS CORPORATION, Osaka / Ja^an ^::

Dauerdurchschlagssicherer Feldeffekttransistor mit

isolierten Gattern

Die Erfindung Detrifft einen Feldeffekt^transistor mit isoliertem Gatter, und zwar einen Isoliergatter-feldeffekttrans is tor, hei dem^ ein aufgrund des -di elektrischen Durchschlags seines Gatteroxyds auftretender Dauerdurchschlag ver- * mieden wird» ^: ·

Bei bekannten Feldeffekttransistoren mit isolierten' Gattern tritt manchmal aufgrund de,s dielektrischen Durchschlags seines Gatteroxyds ein permanenter Durchschlag aufV-""-.

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekttransistor mit isolierten Gattern zu schaffen, der frei von einem solchen Dauerdurchschlag ist. .

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Erfindungsgemäß wird ein solcher Dauerdurchschlag eines Feldeffekttransistors mit isolierten Gattern dadurch verhindert, daß eine Diode in dem gleichen Plättchen wie der Transistor ausgebildet wird, die einen Strom erzeugen kann, der keinen Dauerdurchschlag verursacht.

Obwohl das Prinzip der Erfindung für alle Arten von Isoliergatter-Feldeffekttransistoren mit isolierten Gattern anwendbar ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn es bei einem Transistor mit zwei oder mehr Gattern zur Anwendung kommt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten n-Kanal-Isoliergatter-Feldeffekttransistors mit zwei Gattern,

Fig. 2 eine schemätische Darstellung eines bekannten p-Kanal-Isoliergatter-Feldeffekttransistors mit zwei Gattern, ⁱ '<

Fig. 3 und 4 Diagramme, die die Kennlinien der Transistoren der Fig. 1 bzw. 2 zeigen,

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Fig. 5 und 6 sö&eiBstiscae Darstellungen von erfinäungsgemaßen felleifekttransistoren mit je zwei Gattern

Fig. 7 eine Drauf sieht auf eine Ausführungsform des Transistors gemäß Fig. 5 und 6*

Die Erfindung wird nun unter Bezugnähme auf einen Feldeffekttransistor mit zwei Isoliergattern beispielsweise erläutert.

In den Fig. 1 und 2, die einen η-Kanal- bzw. einen p-Kanal-Feldeffekttransistor zeigen/ ist in der Hähe einer Quelle 1 bzw. 6 ein Steuergatter 2 bzw. 7 oder ein erstes Gatter G-j (Fig. 7) vorgesehen, das die Trager steuert, während in der Iahe eines Abflusses 4 bzw. 9 ein Abscnirmgatter 3 bzw. 8 oder ein zweites Gatter Go (Fig. 73 vorgesehen ist. Durch Anordnen des Abschirmgatters wird" die elektrostatische Kapazität zwischen dem Steuergatter und dem Abfluß auf Bruchteile eines Zehntels verringert, wodurch die Verwendung in Bereichen mit hoher Frequenz erleichtert wird. Darüber hinaus wird durch,Beaufschlagen des Steuergätters und des Abschirmgatters mit Signalen das_; Verwendungsgebiet des Feldeffekttransistors mit Isoliergatter sehr stark erweitert.

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Die hier interessierende Verwendung bezieht sich auf die Tatsache, daß die dem maximalen Abflußstrom auferlegte Begrenzung durch die Wahl des Potentials des Abschirmgatters . &2 unabhängig von der an das Steuergatter G., gelegten Spannung bestimmt wird, wie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Fig*.3 zeigt eine Kennlinie eines n-Kanal-Doppelgatter-MOS-Transistors und Fig. 4 eine Kennlinie eines p-Kanal-Doppelgatter-MOS-Transistors

Der MOS-Transistor ist der gebräuchlichste unter den Feldeffekttransistoren mit Isoliergatter. Bei diesem Transistor ist Silizium als Halbleitermaterial und SiOp als Gatterisolator verwendet.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, kann der maximale Abflußstrom I-pg durch Festsetzendes Potentials des Abschirmgatters &2 auf verschiedene Vierte verändert werden. Dieser maximale Abflußstrom wird kleiner, je kleiner das Potential des Abschirmgatters Gg im n-Kanal-Transistor wird und je mehr sich letzteres dem positiven Potential im p-Kanal-Transistor nähert. Wenn der Maximalstrom Ijjg in obiger Weise begrenzt wird, ist die Gefahr einer Beschädigung des Transistors durch Überstrom

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völlig ausgesehaltetV Es bleibt jedoch eine Ursache für Beschädigungen, nämlich der dielektrische. Durchschlag des Gatterisolators aufgrund zu hoher Spannung am Steuergatter G-,.

Durch die Erfindung wird ein wirksames Mittel zur Verhinderung des dielektrischen Durchschlagens des Steuergatters G^ in einem Isoliergatter-Feldeffekttransistor mit zwei oder mehreren Gattern geschaffen. V

In den Fig. 5 und 6 sind für gleiche Teile wie in den Fig. T und 2 gleiche Bezugszeienen verwendet worden.- Gemäß der Erfindung wird der dielektrische Durchschlag durch Einsetzen einer Diode zwischen das Steuergatter G^ und die Quelle verhindert. Die Diode 10 wird in Vorwärtsrichtung von der Quelle zum Steuergatter G., in den n-Kanal-Isoliergatter-Feldeffektransistor eingesetzt, wie in Fig. 5 dargestellt, während dieDiode 11 in umgekehrter Richtung, in den p-Kanal-Isoliergatter-Feldeffekttransistor eingesetzt wird, wie in Fig. 6 dargestellt.

Bei der Erfindung ist eine solche Diode im, gleichen Halbleiterplättehen ausgebildet wie der Transistor. Genauer gesagt, die Diode liegt zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Steuergatter G|. :;'. v: ;

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Der einen übergang mit dem Halbleitersubstrat bildende Bereich liegt nahe an der Quelle, und wenn daher die Potentialdifferenz zwischen der Quelle und dem Steuergatter G* groß wird, werden aufgrund des Durchgriffsphänomens fortlaufend Bereiche mit hohem elektrischen Feld in der Richtung vom Steuergatter G-j zur Quelle gebildet, die einen großen durchfließenden Strom ergeben. Wenn im n-Kanal-Isoliergatter-Feldeffekttransistor das Steuergatter G^ positiv beaufschlagt ist, wird der Abflußstrom größer, dieses Größerwerden wird jedoch,- wie oben beschrieben, durch das Potential des Abschirmgatters Gp behindert. Infolgedessen steigt die Spannung an, der dielektrische Durchschlag im Steuergatter G., aufgrund der Spjannungserhöhung wird jedoch verhindert, weil der Strom, da die lawinendurchschlagspannung zu dieser Zeit in der Diode 10 erreicht ist, im Steuergatter Gv fließt und, wenn ein Widerstand mit dem Steuergatter G-j in Reihe geschaltet ist, ein Spannungsabfall stattfindet.

Im p-Kanal-Isoliergatter-Feldeffekttransistor wird der Abflußstrom größer, wenn das Potential des Steuergatters G-. in negativer Richtung wächst. Das Ansteigen, des Abflußstroms wird jedoch durch das Potential des Abschirmgatters Gn behindert und

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ein weiterer Anstieg der Spannung zwischen dem Steuergatter G< und der Quelle Wird durch das Fließen des Lawinendurchsehlagstroms in der Diode 11 verhindert.

ist zu bemerken, daß eine solche Durchsehlagschutzdiode leicht 'in dem gleichen Plättchen hergestellt werden kann, in dem der Transistor ausgebildet ist. Im n-Kanal-Isoliergatter-Feldeffekttransistor werden das Substrat p-leitend und die Quelle λ und der Abfluß η-leitend gedopt. JWie sich demnach aus der Polarität der Diode 10 in Fig. 5 ergibt, braucht die Diode 10 nur gleichzeitig mit der Quelle und dem Abfluß durch n-leitendes Dopen des Substrats ausgebildet zu werden.

Da das Substrat im p-Kanal-Transistor η-leitend ist, sind Quelle, Abfluß und Diode 11 durch p-leitendes Dopen leicht gleichzeitig herzustellen, Dia Diode 10 l&w. 11 Wird.- somit auf dtm gleichen Substrat ohne zusätzliches Verfahren angeordnet, .' j

Im folgenden sind Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung 'bei MOS-iraBSistoreii näher erläutert.

In de^ p-Silizium^ mit S Ά cm^aIs^ Halbleitersubstrat verwendet und ein durch -thermische Oxydation des Siliziums gebildeter Qxydf ilm

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einer Dicke von 2000 Ä wird als Gatteroxydfilm verwendet. Die Durchschlagsspannung eines solchen Gatteroxydfilms betrug

120 V. . .- '

Zwischen der Quelle 1 und dem Abfluß 4 und unter dem Oxydfilm wurde ein Bereich 13 einer Breite von 10 ^i und des' gleichen Leitfähigkeitstyps wie die Quelle und der Abfluß ausw gebildet. Dieser Bereich wird eine Insel genannt. Die Abstände zwischen der Quelle 1 und der insel 13 und zwischen der Insel

13 und dem Abfluß 4 wurden beide mit 8 μ festgesetzt. Die Größe des zwischen dem Steuergatter G-j und der Quelle liegenden Diode 10 betrug 20 χ 10 μund bildete einen Diodenübergang

14 mit dem.Subs trat 12. Ein ringförmiger Abschnitt 5» von dem der Oxydfilm entfernt wurde», war derart angeordnet» daß der Umfang der Diode JO nicht mit der Quelle 1 durch das Oxyd hin-

> durch verbunden war. Der kleinste Abstand a zwischen dem Diodenübergang 14 und der Quelle 1 betrug 6 μ und die Verbindung zwischen, dem Übergang und dem Steuergatter GL wurde mit einem Metalldraht hergestellt. Die Quelle 1, der Abfluß 4, die Insel 13 und der Diodenübergang 14 wurden alle durch Diffundieren von Phosphor hergestellt. Die Tiefe der Diffusion betrug 1 μ. Zur Verbesserung der Stabilität wurde Phosphor leicht in den Oxydfilm

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diffundiert. Die "Pinch-off-Spannung" einessolchen Transistors betrug etwa -1 V und dieser Transistor war für die Verstärkungsweise geeignet, bei¹ der das Steuergatter (L positiv beaufschlagt ist. Wenn die Spannung des Steuergatters G.j bis auf 60 V erhöht wurde, trat der Durchgriff zwischen dem Steuergatter G₁ und der Quelle* ein. Die erzielte Spannung war genügend niedriger als die dielektrische Durchschlagsspanriung des Gatteroxydfilms ■ und der Schütz gegen den aufgrtmd des dielektrischen Durchschlags des Oxydfilms auftretenden Dauerdurchschlag erwies sich als genügend.

Beis-piel 2 _r

Als Halbleitersubstrat wurde η-Silizium mit β-Ω-cin und als Gatteroxydflim wurde ein durch thermische Oxydation von Silizium hergestellter Film einer Dicke von 2000 A verwendet. *

Die Abmessungen des auf diese Weise hergestellten MOS-Transistors waren die gleichen wie bei dem im Beispiel 1 beschriebenen vn-Kanal-MOS-Transistor. Zur Herstellung der Quelle, des Abflusses, der Insel und des-Diodenübergangs wurde Bor unter Verwendunig von Boroxyd diffundiert. Die Tiefe der Diffusion betrug 1 η. Der auf diese Weise hergestellte p-Kanal-MOS-Träns is tor wurd^ zur Verstärkung verwendet und der Ahflußstrom f].oß

durch in bezug zur Quelle negatives Beaufschlagen d,es Gatters. Beim p-Kanal-Transistor wird auch an den Abfluß in bezug zur , Quelle negative Spannung gelegt. Bei Erhöhung der Spannung des Steuergatters Gr^ in negativer Richtung fand der Durchgriff durchschnittlich bei 20 Y statt.

Diese Spannung ist genügend niedriger als die dielektri-" sehe Durchschlags spannung des Oxyds, wodurch der dielektrische Durchschlag des Gatters wirksam verhindert wurde.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung verwendet werden kann, ohne daß das Halbleitermaterial, das Isolierfilmmaterial und das Elektrodenmetall irgendwie beschränkt wird. Daher ist es möglich, als Halbleitermaterial Silizium, Germanium, Galliumarsenid od.dgl. und als Isolierfilm Siliziumdioxyd, Siliziummonoxyd, Magnesiumfluorid, Silizium-

nitrid od.dgl. zu verwenden.

j Es ist besonders darauf zu achten, daß, obwohl die Er- \ findung mit Bezug auf einen Isoliergattertransistor mit zwei j

^! oder mehr Gattern beschrieben worden ist, bei dem eine Diode _f zwischen Gatter und Quelle liegt, um einen dielektrischen Durch-« schlag zu verhindern_p bei Verwendung dejr Erfindung bei einem | gewöhnlichen Isoliergatter-Feldeffekttrjansistor mit nur einem j

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Gatter ein bemerkenswerter Vorteil erzielt wird. Beim Zusammen- ; bauen und Einstellen eines mit einem Ringgattertransistor arbeitenden Stromkreises besteht ein häufig zu beobachtender Fehler, der einen Durchschlag hervorruft, darin, daß eine Spannung zwischen das Gatter und seine Quelle gelegt wird/ ohne zwischen die Quelle und den Abfluß eine Spannung zu legen. Ge- «äfi der Erfindung wird ein Solcher Durchschlag wirksam verhin- " dirt. Die Erfindung als solche kann bei allen Arten von Isoliergatter-Feldeffekttransistoren ohne Rücksicht auf die Anzahl der darin vorhandenen Gatter verwendet werden.

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Claims

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- 12 Patentanspruch :

Feldeffekttransistor mit Isoliergat'ter, gekennzeichnet durch einen in der Nähe einer Quelled) angeordneten Bereich (10, 11),. der einen mit einem Halbleitersubstrat (12) gebildeten p-n-Übergang (14) einschließt und der mit einem Gatter (2, 7, G₁) verbunden und geeignet ist, einen Durch-

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griffstrom zwischen der Quelle (1) und dem Gatter (2, 7, G.,) bei einer Spannung fließen zu lassen, die geringer ist als die Durchsehlagspannung des Gatteroxydfilms.

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