DE1919406A1 - Feldeffekttransistor - Google Patents

Feldeffekttransistor

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Description

Ή.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland
"Feldeffekttransistor."
Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor mit einem Halbleiterkörper, in dem sich von derselben Oberfläche her zwei Oberflächenzonen vom gleichen Leitfähigkeitstyp erstrecken, während sich zwischen diesen Oberflächenzonen eine an diesen Oberflächenzonen und der erwähnten Oberfläche angrenzende Kanalzone erstreckt, wobei sich über der Kanalzone eine durch eine Isolierschicht von der Kanalzone getrennte Elektrode befindet.
Bei den bekannten Feldeffekttransistoren mit isolierter Torelektrode wird die Kapazität zwischen der Torelektrode einerseits und der Zufluß- und der Abflußelektrode andererseits zur Beschränkung der unerwünschten kapazitiven Kopplung zwischen den unterschiedlichen Anschlußelektroden möglichst niedrig gehalten.
Die Erfindung bezweckt, eine neu© vorteilhafte Struktur eines Feldeffekttransistors au schaffen und ihr liegt u.a. di© Erkenntnis zugrunde, daß bei bestimmten Anwendungen di® Kapazität zwisohaa fler !Torelektrode und der Zuflußund/odar der Abflußeldktrod© vorteilhaft groß gewählt werden lcaan und dai dl©s glch oiafach d&duroh erzielen
PHI - 3953 (Wo) - 2 -
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läßt, daß die "bekannte Struktur mit einer zusätzlichen Zone versehen wird.
Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, daß durch Anbringung einer zusätzlichen Zone in der bekannten Struktur auf einfache Weise ein Feldeffekttransistor erhalten werden kann, dessen isolierte Torelektrode auf befriedigende Weise die untenliegende Schicht vor Durchschlag infolge des Auftretens unerwünschter Störspannungen schützt»
Feldeffekttransistoren mit einer Schutzdiode wurden in "Proceedings of the I.E.E,E." vom Juli 1968, S. 1223 bis 1224 beschrieben.
Es hat sich herausgestellt, daß trotz des Vorhandenseins einer derartigen Schutzdiode dennoch durch das Auftreten unerwünschter hoher Spannungsimpulse der Feldeffekttransistor schwer beschädigt werden kann. Dies ist u.a. auf die Trägheit der Diode zurückzuführen. Das heißt, daß beim Auftreten eines hohen Spannungsimpulses der durch die Torelektrode, die Isolierschicht und das Substrat gebildete Kondensator schneller als die Schutzdiode aufgeladen wird, wodurch Durchschlag der Isolierschicht auftreten kanns bevor die Diode ihre Durchschlagspannung erreicht hat.
Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, daß- die erwähnte Trägheit der Diode zu eimern wesentlichen Teil der Tatsache zuzuschreiben ist, daß der beim Durchschlag und/oder beim Aufladen der Diode dureh diese Diode fließen= de Strom über das Substrat zu- oder abgeführt wird.» Da das Substrat eines Feldeffekttransistors im allgemeinen hoch- r-lamig ist, ist nämliofe. der Widerstand ä®& !©ld©ffetttoansi-?-«iOi3e für durch die Diode fließende Ström® hocho Wird lisass- Uiol.9ica'tana. geringer» ao wird die M©ä@ so1ib©11®e9 woduroli die Se fahr eines Durchschlag® dar IsolIarsoMolst herabgesetzt wird. Außerdem wird öaiiis aiiefe dl® Gefahr g©~ n ν5 daß serst^öreasL gz-oB® lsi©® 1321GIbS9 di® ^0B0 die Ver~
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bindung zwischen der Torelektrode und der Schutzdiode durch Erhitzung zerstören könnten, auftreten.
Ferner gründet sich die Erfindung auf die Erkenntnis, daß zur Verringerung der Trägheit der Diode die durch die Diode fließenden Ströme vorteilhaft über eine Elektrodenzone des Feldeffekttransistors geführt werden können.
Ein Feldeffekttransistor der eingangs erwähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Oberflächenzone im Halbleiterkörper eine weitere Oberflächenzone umgibt, die einen dem der beiden Oberflächenzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist und die über einen Anschlußleiter mit der erwähnten Elektrode verbunden ist.
Zur Vergrößerung der Kapazität zwischen der Torelektrode und der Zufluß- und/oder Abflußelektrode wird die Kapazität eines in der Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs benutzt, wobei diese Kapazität eine verhältnismäßig geringe Vergrößerung des Flächeninhalts erfordert, weil die weitere Oberflächenzone völlig innerhalb der Zu- oder Abflußelektrode angebracht ist.
Es sei bemerkt, daß der obenerwähnte pn-übergang im Betriebszustand in der Sperrichtung vorgespannt sein muß. In vielen Schaltungsanordnungen wird insbesondere bei Verwendung von Feldeffekttransistoren mit einer niedrigen Schwellwertspannung wenigstens die Spannung zwischen der Torelektrode und der Abflußelektrode derart sein, daß, wenn die weitere Oberflächenzone innerhalb der Abflußelektrode angebracht ist, der erwähnte pn-übergang in der Tat in der Sperrichtung vorgespannt ist. Derartige Feldeffekttransistoren mit vergrößerter Kapazität zwischen der Torelektrode und der Zufluß- oder Abflußelektrode können z.B. als Miller-Integratoren oder in Speicherkondensatoren Anwendung finden, wie z.B. in der Patentanmeldung ....? (PHN 3182) beschrieben
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wurde.
Weiterhin schafft die Erfindung einen Feldeffekttransistor mit einer vor Durchschlag der Isolierschicht geschützten Torelektrode einer einfachen und sehr gedrängten Struktur, wobei die Schutzdiode besonders schnell ist, weil beim Durchschlag oder beim Aufladen der Diode der Diodenstrom direkt über eine Elektrodenzone geführt wird.
Die Trägheit der Schutzdiode kann durch Herabsetzung der Durchschlagspannung des pn-Übergangs zwischen der zusätzlichen Zone und der umgebenden Elektrodenzone noch weiter verringert werden.
Eine besondere Ausführungsform des Feldeffekttransistors nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagspannung des pn-Übergangs zwischen der einen und der weiteren Oberflächenzone höchstens 15V beträgt.
Eine sehr günstige Durchschlagspannung der Schutzdiode liegt zwischen 5 und 10V.
Bei vielen Anwendungen von Feldeffekttransistoren ist beim normalen Betrieb die Spannung an der Torelektrode derart niedrig, daß eine Schutzdiode mit einer derartigen niedrigen Durchschlagspannung ohne Bedenken benutzt werden kann, wobei infolge dieser niedrigen Durchschlagspannung die Torelektrode auf sehr zweckmäßige und zuverlässige Weise geschützt werden kann.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltungsanordnung mit einem Feldeffekttransistor nach der Erfindung, welche Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen der einen die weitere Oberflächenzone enthsLtenden Oberflächenzone und der Torelektrode ein Eingangskreis und zwischen den beiden Oberflächenzonen vom gleichen Leitfähigkeitstyp ein Ausgangskreis angebracht ist.
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Auf diese Weise ist die Schutzerde über dem Eingang des Feldeffekttransistors geschaltet und wird der durch die Schutzdiode fließende Strom über die dem elektrischen Ein- und Ausgang gemeinsame Elektrode geführt. Der Diodenstrom kann in diesem Falle mit einem sehr niedrigen Reihenwiderstand zu einem Punkt der Schaltungsanordnung geführt werden, der meistens an ein Bezugspotential, z.B. Erde, gelegt Ist, wodurch die Schutzwirkung vergrößert wird.
Die Erfindung wird nachstehend für einige Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung,
Fig. 2 eine erste Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung, wobei ein einfaches Ersatzschaltbild dieses Transistors dargestellt ist und
Fig. 3 eine zweite Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung, wobei ein anderes einfaches Ersatzschaltbild dieses Transistors dargestellt ist.
Der Feldeffekttransistor 11 nach Fig. 1 enthält einen Halbleiterkörper 10, in dem sich von derselben Oberfläche her zwei Oberflächenzonen 1 und 2 vom gleichen Leitfähigkeitstyp erstrecken, während sich zwischen diesen Oberflächenzonen 1 und 2 eine an diesen Oberflächenzonen und der Halbleiteroberfläche angrenzende Kanalzone 3 befindet. Über der Kanalzone 3 liegt eine durch die Isolierschicht 4 von dieser Kanalzone getrennte Elektrode 5. Nach der Erfindung umgibt wenigstens eine der Oberflächenzone, in diesem Falle die Elektrodenzone 2, im Halbleiterkörper 10 eine weitere Oberflächenzone 6, die einen dem der Oberflächenzone 1 und 2 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist. Ferner ist die Oberflächenzone 6 mit einem Anschlußleiter 7 versehen, über den die Zone 6 mit der Torelektrode 5 verbunden ist.
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Bei dieser Ausführungsform kann die Kapazität des pn-Übergangs zwischen den Zonen 2 und 6 benutzt werden. Datei ist es erwünscht, daß dieser pn-Ubergang im Betriebszustand stets in der Sperrichtung vorgespannt ist. Oft wird, insbesondere bei Verwesung von Feldeffekttransistoren mit einer niedrigen Schwellwertspannung, die Spannung zwischen der Torelektrode und der Abflußelektrode derart sein, daß ' dieser pn-Ubergang in der Tat in der Sperrichtung vorgespannt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner die Elektrodenzone 1 mit einem Anschlußleiter 8 und die Elektrodenzone 2 mit einem Anschlußleiter 9 versehen. Außerdem kann das Substrat 10 mit einem in der Figur nicht dargestellten Anschlußleiter versehen sein, damit beim Betrieb die pn-Übergänge zwischen den Zu- und Abflußelektroden vonv einen leitfähigkeitstyp und dem umgebenden Halbleitergebiet vom anderen Leitfähigkeitstyp in der Sperrichtung vorgespannt werden können. Ein derartiger Anschlußleiter kann sowohl auf der Oberseite wie auch auf der Unterseite des HalbTeiterkörpers oder Substrats angebracht sein. Im letzteren Falle kann u.a. vorteilhaft ein Substrat 10 mit einem niedrigen spezifischen Widerstand angewandt werden, auf dem eine epitaktische Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp, aber mit einem höheren spezifischen Widerstand, angebracht ist, wie in Fig. 1 schematisch mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Auch kann der pn-übergang zwischen einer der Elektrodenzonen 1, 2 und dem umgebenden Halbleitergebiet kurzgeschlossen sein.
Pig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für den Transistor 11 nach Fig. 1, falls die weitere Oberflächenzone zur Vergrößerung der Kapazität verwendet wird. In diesem Beispiel bilden die Anschlußleiter 8 und 9 des Transistors die Anschlüsse der Zuflußelektrode (source) bzw. der Abflußelektrode (drain), so daß die durch den pn-übergang
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zwischen den Zonen 2 und 6 gebildete zusätzliche Kapazität zwischen der Torelektrode 5 und der Abflußelektrode 9 auftritt.
Der Einfachheit halber ist ferner ein Kurzschluß zwischen der Zuflußelektrode und dem Substrat dargestellt. Es dürfte aber einleuchten, daß das Substrat auch mit einem gesonderten Anschluß versehen sein kann, der in einer Schaltungsanordnung auf der Außenseite mit einem Punkt geeigneten Potentials verbunden werden kann.
Weiterhin ist in Fig. 2 dargestellt, auf welche Weise dieser i Transistor als Miller-Integrator geschaltet werden kann. Die Abflußelektrode S ist über einen Widerstand 13 mit einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle verbunden, während zwischen der Torelektrode 5 und der Zuflußelektrode ein in der Figur schematisch mit dem Block 14 angegebener Eingangskreis angebracht ist. Wird, wie in der Figur dargestellt ist, z.B. dem Eingang des Transistors eine Blockspannung zugeführt, so kann am Ausgang das in der Figur dargestellte integrierte Signal erhalten werden.
Ein Ersatzdiagramm für den Feldeffekttransistor nach Fig. 1, bei dem die zusätzliche Zone 6 als eine Schutzdiode dient, ist in Fig. 3 dargestellt. Die beschriebene Struktur bildet | einen mit einer Schutzdiode D versehenen Feldeffekttransistor. Auch in diesem Falle entsprechen die Anschlüsse 5, 8 und 9 den Metallschichten 5, 8 und 9 der Fig. 1. Der Transistor ist in eine Schaltungsanordnung aufgenommen, wobei die Zuflußelektrode, von der in diesem Falle die Zone 2 einen Teil bildet, über einen Widerstand R und einen Kondensator C an Erde gelegt ist. Der Eingangskreis EI ist mit dem Anschluß 5 und Erde verbunden, während der Ausgangskreis EO mit Erde und mit der Abflußelektrode 8 und somit mit der Oberflächenzone 1 verbunden ist. Impulsförmige Lade- und Durchschlagströme können über Stromwege mit niedrigem Widerstand zwischen der Diode D und Erde und zwischen der
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Diode D und dem Anschluß 5 fließen. Insbesondere der Widerstand zwischen der Diode D und dem Anschluß 9, mit anderen Worten zwischen der Diode D und der Elektrodenzone 2, weist bei dem Feldeffekttransistor nach der Erfindung einen Mindestwert auf, während außerdem beim beschriebenen Aufbau die elektrische Verbindung 7 zwischen der Torelektrode 5 und der Diodenzone 6 besonders kurz gehalten werden kann, so daß auch diese Verbindung nahezu keinen Reihenwiderstand herbeiführt. Infolgedessen ist die Diode D besonders schnell und wird das Auftreten eines Durchschlags der Isolierschicht unter der Torelektrode 5 und zerstörend großer Ladeströme in der Torelektrode 5 und im Anschlußleiter 7 auf zweckmäßige Weise vermieden.
Die Torelektrode 5 bildet mit dem Substrat 10 eine Kapazität, wobei die Isolierschicht 4 als Dielektrikum dient. Diese Kapazität ist zu der Diode parallel geschaltet, welche sich beim Aufladen auch wie eine Kapazität verhält. Wenn der Widerstand des Stromweges durch die Diode herabgesetzt wird, wird nicht nur die Diode schneller aufgeladen, sondern fließt auch ein größerer Teil des die beiden erwähnten Kapazitäten aufladenden Gesamtladestroms durch die Diode, wodurch die Gefahr des Auftretens zu großer Ströme in der ToiELektrode 5 herabgesetzt wird.
Dabei kann das Substrat ohne Bedenken sehr hochohmig gehalten werden, was für die gute Wirkung des Feldeffekttransistors von wesentlicher Bedeutung ist.
Die Durchschlagspannung der Isolierschicht unter der Torelektrode beträgt normalerweise etwa 100 V, während Durchschlagspannungen für Schutzdioden üblicherweise 40 bis 70 V betragen. Eine weitere Verringerung der Trägheit der Schutzdiode kann durch Herabsetzung der Durchschlagspannung der Diode erhalten werden. Für viele Schaltungsanordnungen ist eine niedrigere Durchschlagspannung der Schutzdiode gar nicht schädlich. Z.B. gilt für eine Vielzahl von
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Schaltungsanordnungen, daß die Spannungen zwischen der Torelektrode und der Zuflußelektrode des Feldeffekttransistors beim normalen Betrieb kleiner als 5 V sind.
Vorzugsweise beträgt die Durchschlagspannung der Schutzdiode höchstens 15V, während ein besonders zweckmäßiger und zuverlässiger Schutz mit Dioden mit einer Durchschlagspannung zwischen 5 und 10V erhalten wird. Bei derartigen niedrigen Durchschlagspannungen kann die Schutzdiode beim Aufladen schnell ihre Durchschlagspannung erreichen, so daß die Diode in der Praxis durchschlägt, bevor die Spannung zwischen der Torelektrode und dem Substrat die Durchschlagspannung λ der Isolierschicht erreichen kann.
Die Zonen 2 und 6 können z.B. durch Diffusion von Verunreinigungen erhalten werden, wobei der Fachmann auf übliche Weise bestimmen kann, wie hoch die Verunreinigungskonzentrationen in diesen Zonen sein müssen, um eine Durchschlagspannung des pn-Übergangs zwischen diesen Zonen zu erzielen, die kleiner als 15V ist.
Der Feldeffekttransistor nach Fig. 1 kann völlig auf übliche VfeLse hergestellt werden. Das Substrat 10 besteht z.B. aus einem einkristalligen p-leitenden Siliziumkörper mit einem spezifischen Widerstand von 10/lcm. Die Zonen 1 und 2 f
können durch Diffusion von Phosphor erhalten werden, wobei sie η-leitend sind und eine Dicke von z.B. etwa 2,5 ,um und
18 / eine Oberflächenkonzentration von etwa 10 Phosphoratomen pro cm aufweisen. Die Zone 6 kann durch Diffusion von z.B. Bor erhalten werden, p-leitend sein, eine Dicke von etwa
on
1 .um und eine Oberflächenkonzentration von etwa 10 Boratomen pro cm aufweisen. Die weiteren Abmessungen können auf übliche Weise in Abhängigkeit von den verlangten Eigenschaften des herzustellenden Feldeffekttransistors gewählt werden* Der pn-übergang zwischen den Zonen 2 und 6 wird im vorliegenden Beispiel eine Durchschlagspannung von etwa 8 V haben.
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Die Isolierschicht 4 kann z.B. aus Siliziumoxyd und/ oder Siliziumnitrid bestehen. Unter der Torelektrode 5 hat die Isolierschicht 4 z.B. eine Dicke von 0,1 /um, während diese Dicke unter den Leiterbahnen 8 und 9 vorzugsweise größer,z.B. 0,5 /um,ist, damit unerwünschte Kanalbildung verhindert wird. Unerwünschte Kanalbildung kann auch auf andere Weise, z.B. mit diffundierten Kanalunterbrechern, unterdrückt werden.
Die Metallschichten und Leiterbahnen 5, 7> 8 und 9 können z.B. aus Aluminium bestehen.
Es dürfte einleuchten, daß sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann vile Abarten möglich sind. Z.B. können die Zonen 1 und 2 völlig oder teilweise ineinander eingreifende kammenförmige Zonen sein, wobei die Torelektrode mäanderförmige Teile'besitzen kann. Der Feldeffekttransistor kann auch mehr als eine Torelektrode haben, wobei vorzugsweise eine Schutzdiode zwischen der Zuflußelektrode und der an dieser angrenzenden ersten Torelektrode angebracht ist. Die Torelektrode (η) kann (können) auch eine ringförmige oder wenigstens eine geschlossene Geometrie aufweisen und eine der Elektrodenzonen umgeben.
Die Erfindung bezieht sich sowohl auf Feldeffekttransistoren mit einer η-leitenden wie auch auf Transistoren mit einer p-leitenden Kanalzone, während die Transistoren sowohl vom Anreicherungstyp wie auch vom Erschöpfungstyp sein können.
Ferner können statt der erwähnten Materialien auch andere übliche Materialien Anwendung finden und kann der Halbleiter-
III V körper z.B. aus Germanium oder aus einer A B -Verbindung bestehen.
PATENTANSPRÜCHE:
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Claims (3)

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1.) Feldeffekttransistor mit einem Halbleiterkörper, in dem sich von derselben Oberfläche her zwei Oberflächenzonen vom gleichen Leitfähigkeitstyp erstrecken, während sich zwischen diesen Oberflächenzonen eine an diesen Oberflächenzonen und der erwähnten Oberfläche angrenzende Kanalzone erstreckt, wobei sich über der Kanalzone eine durch eine Isolierschicht von der Kanalzone getrennte Elektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Oberflächenzonen im Halbleiterkörper eine weitere Oberflächenzone umgibt, die einen dem der beiden Oberflächenzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist und die über einen Anschlußleiter mit der erwähnten Elektrode verbunden ist.
2.) Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagspannung des pn-Ubergangs zwischen der einen und der weiteren Oberflächenzone höchstens 15 V b
3.) Schaltungsanordnung mit einem Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangskreis zwischen der einen die weitere Oberflächenzone enthaltenden Oberflächenzone und der Torelektrode % und ein Ausgangskreis zwischen den beiden Oberflächenzonen vom gleichen Leitfähigkeitstyp angebracht ist.
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L e e rs e 11* e
DE1919406A 1968-04-23 1969-04-17 Feldeffekttransistor und seine Verwendung in einer Schaltungsanordnung für einen Miller-Integrator Expired DE1919406C3 (de)

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