DE1918222A1 - Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode - Google Patents

Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode

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Description

67J»6-69/Dr.v,B/Bru
RG1A 60,178
U.S.Ser.No. 720,128
filed: April 10, 1968
Radio Corporation of America,
New York, N.Y, (V.St.A.)
Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor mit einem Halbleitersubstrat 3 einembei einer Oberfläche des Substrates in diesem verlaufenden Kanal und einer Steuerelektrode, die durch eine Isolierschicht von der Oberfläche ge^ trennt ist und ein auf dem Kanal einwirkendes elektrisches Feld zu erzeugen gestattet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gewöhnlich sehr dünne Isolierschicht zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleitersubstrat bzw. Kanal beim Auftreten
von Überspannungen, beliebiger Polarität gegen Überschläge zu
schützen. .
Gemäss der Erfindung wird dies erreicht durch eine
Anordnung von mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschalteten Dioden mit einer an die Oberfläche angrenzenden ersten Zone im
Substrat, zwei im Abstand voneinander in der ersten Zone angeordneten, an die Oberfläche angrenzenden weiteren Zonen, die mit
der ersten Zone pn-übergänge bilden, einem Leiter der die Steuerelektrode mit einer der beiden weiteren Zonen verbindet, und
einem zweiten Leiter, der die andere der beiden weiteren Zonen
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BAD ORIGINAL
uib dem Substrat verbindet. :
. ■ j
■ ! We it erb ildurigen und Ausgestaltungen der Erfindung' - j
sind in den ünteransprüchen gekennzeichnet. ·
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, es zeigen:
Figur 1 ein Ersatzschaltbild eines Feldeffekttransistors gemäss der Erfindung;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Gestal- ' tung eines Feldeffekttransistors gemäss der Erfindung; " f
Figur 3 eine vergrösserte Querschnittsansicht durch ; einen Teil des Transistors, gesehen in einer Ebene 3-3 der Figur
und - - ■
Figur 4 eine vergrösserte Querschnittsansicht in j einer Fläche 4-4 der Figur 2.
Das in Figur 1 dargestellte Ersatzschaltbild IG für einen Feldeffekttransistor"gemäss der Erfindung enthält den eigeat liehen Transistor 12 mit einem Quellenanschluß 4, einem Abflußanschluß 16, einem Substratanschluß 18 und einem Steueranschluß 20. Bei der Anordnung gemäss Figur 1 ist die Substratklemme 18 mit dem Substratmaterial durch eine Leitung 19 verbunden, während die Steuerklemrne 20 über eine Leitung 22 an eine Steuerelektrode 21 angeschlossen ist.
Die Steuerelektrode 21 des Transistors 12 ist vom Substrat des Transistors durch eine dünne Isolierschicht getrennt, die gewöhnlich aus Siliziumdioxyd besteht. Dieses Material hat eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von etwa 10^"V/cm.
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BAD
Die Steuerelektrode 21 ist zum Schutz der Isolier- * schicht gegen Durchschlage beim,Auftreten von Überspannungen durch zwei mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltete Dioden 21I, 26 mit dem Substrat verbunden. Die beiden mit ihren Kathoden entgegengesetzten Dioden 2}\, 26 verbinden also einen Punkt 28 auf der Steuerelektrodenzuleitung 22 nit einem Punkt auf der Substratzuleitung Iy.
Der in Figur 1 beispielsweise dargestellte Transistor 12 hat einen η-leitenden Kanal. Der Transistor arbeitet im Stromerhöhungsbetrieb, wenn der Steuerelektrode 21 eine positive Spannung zugeführt wird, und im Stromdrosselungsbetrieb, wenn der Steuerelektrode eine negative Spannung zugeführt wird. In beiden Fällen ist jeweils immer eine der Dioden 2^,26 in Sperrrichtung gepolt. Wenn diese Dioden beispielsweise Anoden aus ρ -leitendem Material und Kathoden aus η-leitendem Material haben, ist bei positiver Steuerelektrodenspannung (Stromerhöhungsbetrieb) die Diode 2Ί in Flußrichtung, die Diode 26 jedoch in Sperrichtung gepolt. Wenn die Steuerelektrodenspannung die Durchschlagsspannung der Diode 26 übersteigt, fließt Strom zum Draht. Die Diode 26 begrenzt also die positive Spannung an der Isolierschicht für die Steuerelektrode des Transistors 12.
Die Verhältnisse sind bei negativen Spannungen
an der Steuerelektrode 21 gerade umgekehrt. In diesem Falle ist dann die Diode 2k in Sperrichtung und die Diode 26. in Flußrichtung gepolt. Wenn die Spannung an der Steuerelektrode 21 die Durchschlagsspannung der Diode 24 überschreitet, fliesst vrieder Strom zwischen der Steuerelektrode 21 und den Substrat, so daß auch die negative Spannung an eier Isolierschicht begrenzt wiru.
In den Fig. 2 bis 4 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Transistors 12 und der Schutzdioden für die Steuerelektroden-Isolierschicht dargestellt. Der Transistor 12 wird durch bekannte Diffusions- und Photolithographieverfahren
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BAD ORIGINAL :
-H-
in einen Substratkörper 40 aus Kalbleitermaterial, das im vor- · liegenden Falle p-leitend Ist, hergestellt. Der Transistor 12 hat einen Kanalbereich 43 angrenzend an eine Oberfläche 12 des ' Halbleiterkörpers. Der Kanalbereich 43 wird in Längsrichtung durch zwei beabstandete Zonen begrenzt, die als Quelleti- und Abschlußsone arbeiten. Die Quellenzone wird durch eine stark dotierte n+-Zone 44 bei der rechten Seite der Anordnung in Figur 3 angrenzend an die Oberfläche 42 des Substrats 40, und eine η-leitende Zone 46 , die sich angrenzend an die Oberfläche 22 zwischen der n+-leitenden Zone 44 und der Kanal-Zone 43 befindet, gebildet. In entsprechender Weise wird die Abflußzone auf der linken Seite der Figur 3 gebildet durch eine η -leitende Zone 48 und eine η-leitende Zone 50. Die n+-Zonen 44 und 48 haben den Zweck, einen ohm1sehen Anschluß an die Einrichtung zu erleichtern während die n-Zonen 46 und 50 zur ohmschen Verbindung der Zonen 44 und 48 mit dem Kanal 43 dienen und gleichzeitig den Dotierungs stoffpegel angrenzend an den Kanal klein halten. Man erreicht durch diese Anordnung besonders stabile Arbeitsbedingungen.
Auf der Oberfläche 42 des Substrates 40 befindet sich eine Schicht 52 aus Isoliermaterial. Die Isolierschicht 52 hat Fenster 53 und 54, die sich mit den η -Zonen 44 bzw. 48 decken und zum Anbringen einer Quellenelektrode 55 bzw. Abschlußelektrode 56 aus Metall dienen. Die Quellenelektrode 55 bildet einen auf der Isolierschicht 52 angeordneten Kontaktfleck 58, an dem ein Zuleitungsdraht angebracht werden kann. Die Abschlußelektrode 56 ist, wie- Figur 2 zeigt, verhältnismässig groß, so daß sie direkt mit einem Draht kontaktiert werden kann.
Die.Isolierschicht 52 weist angrenzend an den Kanal 43 einen dünneren Teil 59 auf, der die eigentliche Steuerelektrodenisolierung bildet. Auf diesem dünneren Teil 59 der Isolierschicht 52 ist die Steuerelektrode 21 angeordnet, die parallel zur Quellen- und Abschlußelektrode 55 bzw. 56 verläuft (siehe Figur 2) und in einem Steuerelektroden-Kontaktfleck 60 endet.-
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Der dünnere Teil 58 der Isolierschicht 52 kann etwa 1000 8 dick sein und hält dann Spannungen bis zu etwa 100 Volt zwischen Steuerelektrode 21 und Substrat 40 ohne durchzusehlagen aus.
Figur 4 zeigt die Ausbildung der beiden gegeneinander geschalteten Schutzdioden 24 und 26. Die Figur 4 zeigt, überlappt der Kontaktfleck 60 der Steuerelektrode einen Teil "einer diffundierten n- Zone 62 im Substrat 40 angrenzend an die Oberfläche 42. Diese Zone bildet die Kathode für die beiden Dioden 24 und 26. Die n-Zone 62 wird von einer diffundierten ρ -Zone 64 im Abstand umgeben, welche als Schutzring zur Isolierung der n-Zone 62 von anderen aktiven η-leitenden Zonen der Einrichtung dient.
Die Anoden der Dioden 24 und 26 werden durch diffundierte p+-leitende Zonen 66 und 68 gebildet, die in der Zone 62 angrenzend an die Oberfläche 42 vorgesehen sind. Diese Zonen haben im wesentlichen die gleiche Fläche,Tiefe und das gleiche Dotierungsprofil, so daß sie mit der n-Zone 62 Dioden bilden, die im wesentlichen die gleichen Eigenschaften haben. Die Abstände zwischen den ρ -Zonen 66 und 68 und ziiischen diesen und dem übergang zwischen der Zone 62 und dem Substrat 40 sind so groß, daß keine pnp-Transistorwirkung auftreten kann.
Der Steuerelektrodenkontaktfleck 16 ist mit der
p+-Zone 68 durch ein Fenster 70 in der Isolierschicht 52 verbunden. "Zwischen der anderen ρ -Zone 66 und dem p-leitenden Material des Substrates 40 besteht eine ohmsche Verbindung,durch eine Metallschicht 72, die durch ein Fenster 74 in der Isolierschicht 52 mit der ρ -Zone 66 verbunden ist. Die Verbindung 72 reicht über den Umfang der n-Zone 62 hinaus und macht durch ein Fenster 76 in der Isolierschicht 52 mit der ρ -Zone 64 Konfekt. Diese Zone dient also ausser als Schutzring auch zur Erleichterung der Kontaktierung des Substrates 40.
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Da sich die η-leitende Zone 62 unterhalb des .Steuerelektrodenkontakt f leckes 60 befindet, nimmt die vorliegende:Einrichtung ungefähr die gleiche Fläche wie ein Transistor ohne ' Schutzdioden ein. Die Anordnung der Schutsdioden unterhalb eines; Steuerelektrodenkontaktfleckes ist besonders bei isolierten Feldeffekttransistoren zweckmässig, die mehr als eine Steuerelektrode haben und bei denen mindestens ein Steuerelektrodenkontaktfleck von anderen Elementen der Einrichtung, wie einer. Quellenoder Abflußzone, vollständig umgeben isti Bei einem solchen Transistor können ohne Schwierigkeiten unter jedem Kontaktfleck jeweils zwei Dioden der oben angegebenen Ausführung vorgesehen werden.
* ■ ■
Die beschriebene Anordnung arbeitet ebenso wie es ■; oben anhand des Ersatzschaltbildesigemäss Figur 1 erläutert wur-J de. Die gleichzeitige Bildung der Zonen 66 und 68 in derselben ] Zone 62 gewährleistet, daß die beiden Dioden die gleichen struk-ji turellen Eigenschaften und damit gleiche elektrische Eigenschaf-I ten haben.
Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 40 p-leitend und die beiden Dioden werden jeweils durch eine ρ -nStruktur gebildet. Eine solche Struktur kann auch bei einer sogenannten p-Kanaleinrichtung verwendet werden, so lange die gemeinsame η-leitende Zone von dem η-leitenden Material des Substrats isoliert ist. Ausserdem können die beiden Dioden sowohl bei einer n-Kanaleinrichtung als auch bei einer p-Kanaleinrichtung aus zwei η -Zonen in einer gemeinsamen p-Zone bestehen, mit der Einschränkung, daß die gemeinsame p-Zone vom p-leitenden Material des Substrats der n-Kanaleinrichtung isoliert sein muss. Die Isolation kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß man die gemeinsame Zone in einer Hilfszone anordnet, die den dem Substrat entgegengesetzten Leitungstyp hat, so daß zwischen der gemeinsamen Zone und dem Substrat .
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zwei mit entgegengesetzter Polung hintereinander geschaltete pn-übergänge vorhanden sind.
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Claims (4)

Patentansprüche ' "
1.) Feldeffekttransistor mit einein Kalbleitersub- ;-stratj eineK bei einer Oberfläche des Substrates in diesem verlaufenden Kanal und einer Steuerelektrode, die durch eine ,Isolierschicht von der Oberfläche getrennt ist und ein auf den Kanal , einwirkendes elektrisches Feld zu erzeugen gestattet, gekennzeichnet durch eine Anordnung von mit entgegengesetzter Polung in lieihe geschalteten Dioden (24,26) zum Schutz uer Isolierschicht (59) gegen Durchschläge beim Auftreten von Überspannungen beliebiger Polarität an der Steuerelektrode (21), ; mit einer anctie überfläche (42) angrenzenden ersten Zone (62) im Substrat (40), zwei in Abstand voneinander in der ersten Zone angeordneten, an die Oberfläche angrenzenden weiteren Zonen (66,68 aie r.»it der ersten Zone pn-übergänge bilden, einem Leiter (60),' der die Steuerelektrode (21) mit einer (60) der beiden weiteren ] ionen verbindet, und einem zweiten Leiter -(72, 64), der die an- * dere (66) der beiden weiteren Zonen mit dem Substrat (64) verbindet.
2.) Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, d a d u r ;cl j, e kennzeichnet, daß die erste Zone (62) unterhalb eines verhältnismässig großflächigen Kontaktfleckes (60) angeord-; net ist, der sich axxf der Isolierschicht (52) befindet und mit der St euere iei-rcrode (2i) verbunden ist.
3·) lei-ieffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , daß die beiden weiteren Zonen (6oso^) i.- wesentlichen gleiche Fläche, Diffusionstiefe und Diffusionspr-cfii aufweisen, so daß die Übergänge im ; wesentlichen gleiche elektrische Eigenschaften haben.
4.) Feldeffekttransistor nach Anspruch 1,2 oder 3, ; :it feinen p-leitenden Substrat, dadurch g e k e η η -
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zeichnet , daß die erste Zone (62) η-leitend ist und daß die beiden weiteren Zonen (66,68) p+-leitend sind.
5·) Feldeffekttransistor nach Anspruch 4,d a d UiT ch gekennzeichnet, daß bei der Oberfläche (42) im Substrat (40) eine p+-Zone (64) vorgesehen ist, die die n-leitende erste Zone (62) umgibt.
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