DE19843537A1 - Semiconductor component with four-layer structure for overvoltage protection has first conductivity base zone and second conductivity region on underside - Google Patents
Semiconductor component with four-layer structure for overvoltage protection has first conductivity base zone and second conductivity region on undersideInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt ein Vierschicht-Halbleiterbauelement, das als Überspannungsschutz eingesetzt werden kann und stellt Varianten zu dessen Bildung nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dar.The invention describes a four-layer semiconductor component that serves as surge protection can be used and provides variants for its formation according to the characteristics of The preamble of claim 1.
Halbleiterbauelemente zum Schutz vor Überspannungen nach dem Stand der Technik werden überwiegend als Vierschichtstrukturen ausgebildet. Diese besitzen eine definiert eingestellte Kippspannung bei der die Vierschichtstruktur zündet und damit vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, wie das nachzulesen ist bei P. D. Taylor; "Thyristor Design and Realization"; John Wiley & Sons Ltd., UK 1987, bei F. E. Gentry, R. I. Scace, J. K. Flowers; "Bidirectional triode P-N-P-N switches", Proc. IEEE, Vol. 53, S. 355-369, 1965 oder bei S. M. Sze; "Physics of semiconductor devices", John Wiley & Sons, UK 1981. Semiconductor components for protection against overvoltages according to the prior art predominantly designed as four-layer structures. These have a defined set Breakdown voltage at which the four-layer structure ignites and thus from the blocking to the conductive State changes, as can be seen from P. D. Taylor; "Thyristor Design and Realization"; John Wiley & Sons Ltd., UK 1987, with F.E. Gentry, R.I. Scace, J.K. Flowers; "Bidirectional triode P-N-P-N switches ", Proc. IEEE, Vol. 53, pp. 355-369, 1965 or at S. M. Sze;" Physics of semiconductor devices ", John Wiley & Sons, UK 1981.
Derartige Bauelemente werden häufig auf der Basis konventioneller Thyristorprozesse hergestellt, wie das neben anderen in den folgenden Vorveröffentlichungen DE 30 00 804 A1, DE 30 17 584 A1 oder DE 31 09 892 A1 beschrieben ist. Interessant ist auch eine Veröffentlichung DE 30 09 192 A1, in der eine Photozelle zur Überlastüberwachung in das Leistungshalbleiterbauelement eingebracht worden ist. Im Unterschied zum üblichen Thyristor wird jedoch die Steuerelektrode bei den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen nicht ausgeführt bzw. beschaltet.Components of this type are often produced on the basis of conventional thyristor processes, like that among others in the following prior publications DE 30 00 804 A1, DE 30 17 584 A1 or DE 31 09 892 A1 is described. A publication DE 30 09 is also interesting 192 A1, in which a photocell for overload monitoring in the power semiconductor component has been introduced. In contrast to the usual thyristor, however, the control electrode not implemented or connected in the semiconductor components according to the invention.
Nach dem Stand der Technik erfolgt die Einstellung der Kippspannung für diese Strukturen über die Waferdotierung oder die Waferdicke. Damit ist es erforderlich, für jede Spannungsklasse ein unterschiedliches Grundmaterial einzusetzen. Bei der Einstellung der Kippspannung über die Wahl der Scheibendicke gibt es darüber hinaus Grenzen, da aus fertigungstechnischen Gründen die Waferdicke nicht beliebig verringert werden kann.According to the prior art, the breakdown voltage for these structures is set via the wafer doping or the wafer thickness. This makes it necessary to enter one for each voltage class use different basic material. When setting the breakover voltage via the choice there are also limits to the slice thickness, because for manufacturing reasons the Wafer thickness cannot be reduced arbitrarily.
Die Erläuterungen des Erfindungsgedankens erfolgen auf der Grundlage der Fig. 1 bis 7:The explanations of the inventive concept are based on FIGS. 1 to 7:
Fig. 1 zeigt den Stand der Technik in Form einer Struktur, die bidirektional sperrfähig und unidirektional leitfähig ist. Fig. 1 shows the state of the art in the form of a structure which is capable of blocking bidirectional and unidirectional conductive.
Fig. 2 zeigt analog zu Fig. 1 eine Struktur nach dem Stand der Technik, die bidirektional sperr- und leitfähig ist. FIG. 2 shows, analogously to FIG. 1, a structure according to the prior art which is bidirectionally lockable and conductive.
Fig. 3 skizziert das Grundprinzip der erfinderischen Lösung. Fig. 3 outlines the basic principle of the inventive solution.
Fig. 4 stellt die erfinderischen Lösung mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Randabschluß dar. Fig. 4 shows the inventive solution with an edge closure corresponding to the prior art.
Fig. 5 zeigt eine konkrete Ausführungsvariante von Fig. 3, die bidirektional sperrfähig und unidirektional leitfähig ist. FIG. 5 shows a specific embodiment variant of FIG. 3, which is bidirectionally lockable and unidirectionally conductive.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante von Fig. 3, die bidirektional sperrfähig und unidirektional leitfähig ist und eine deutlich verbesserte Rückwärtssperrfähigkeit aufweist. FIG. 6 shows a further embodiment variant of FIG. 3, which is bidirectionally lockable and unidirectionally conductive and has a significantly improved reverse lockability.
Fig. 7 zeigt eine Weiterentwicklung von Fig. 6, die in beiden Richtungen leit- und sperrfähig ist. Fig. 7 shows a further development of Fig. 6, which is conductive and lockable in both directions.
Fig. 1 zeigt den Stand der Technik in Form einer Struktur, die bidirektional sperrfähig und unidirektional leitfähig ist. Sie besteht aus einem n-dotierten Substratmaterial, das die Basiszone (1) bildet. In die Basiszone (1) werden ein p-dotiertes Gebiet von der Oberseite (2) und ein p- dotiertes Gebiet von der Unterseite (3) eingebracht. Im oberen p-dotierten Gebiet (2) sind wiederum n-dotierte Gebiete (4) enthalten. Fig. 1 shows the state of the art in the form of a structure which is capable of blocking bidirectional and unidirectional conductive. It consists of an n-doped substrate material, which forms the base zone ( 1 ). A p-doped region from the top ( 2 ) and a p-doped region from the bottom ( 3 ) are introduced into the base zone ( 1 ). The upper p-doped region ( 2 ) in turn contains n-doped regions ( 4 ).
Das p-Gebiet auf der Oberseite (2) bildet die Basis, die darin eingeschlossenen n-Gebiete (4) bilden den Emitter des internen npn-Transistors (Zonen 1, 2, 4). Auf der Oberseite befindet sich eine Metallisierungsschicht (5), die eine elektrische Verbindung der n-Emitter-Gebiete (4) mit den p-Basis-Gebieten (2) bewirkt, was die Kathode (6) des Halbleiterbauelementes darstellt.The p-region on the top ( 2 ) forms the base, the n-regions ( 4 ) enclosed therein form the emitter of the internal npn transistor (zones 1 , 2 , 4 ). There is a metallization layer ( 5 ) on the top, which provides an electrical connection of the n-emitter regions ( 4 ) with the p-base regions ( 2 ), which represents the cathode ( 6 ) of the semiconductor component.
Die damit ausgebildeten sogenannten Kathodenkurzschlüsse (engl. emittershorts) werden sehr oft in der Thyristortechnik eingesetzt, da sie eine deutliche Verringerung der Verstärkungswirkung des internen npn-Transistors bewirken und somit wird die Abhängigkeit der Nullkippspannung von der Geschwindigkeit der Spannungsänderung über dem Bauelement erheblich abgeschwächt. Auf der Unterseite ist eine weitere Metallisierungsschicht (7) aufgebracht, die den Anodenanschluß (8) des Halbleiterbauelementes bildet. Weiterhin enthält die in Fig. 1 beispielhaft gewählte Struktur einen Randabschluß (9), der hier schematisch als Schräge ausgeführt ist und einen Durchbruch im Bereich des Chiprandes verhindert.The so-called cathode short circuits (emitter shorts) are very often used in thyristor technology because they significantly reduce the amplification effect of the internal npn transistor and thus the dependency of the zero breakover voltage on the speed of the voltage change across the component is considerably weakened. A further metallization layer ( 7 ) is applied to the underside and forms the anode connection ( 8 ) of the semiconductor component. Furthermore, the structure chosen as an example in FIG. 1 contains an edge termination ( 9 ), which here is embodied schematically as a slope and prevents a breakthrough in the area of the chip edge.
Ein Zünden der Struktur in Fig. 1 kann nur erreicht werden, wenn sich unterhalb der n-Emitter- Gebiete (4) durch Fließen eines Stromes ein Spannungsabfall größer der Flußspannung der Basis- Emitter-Diode des internen npn-Transistors bildet (1, 2, 4). Dieser Strom kann durch Avalanche generation oder durch einen Punch-Through erzeugt werden. Im Fall der Avalanchegeneration wird der Übergang von der n-Basiszone (1) zu dem p-Gebiet (2) durch die Wahl der Dotierungen so gestaltet, daß dessen Avalanchedurchbruch bei der gewünschten Kippspannung einsetzt.Ignition of the structure in FIG. 1 can only be achieved if a voltage drop greater than the forward voltage of the base-emitter diode of the internal npn transistor forms as a result of a current flowing below the n-emitter regions ( 4 ) ( 1 , 2 , 4 ). This electricity can be generated by avalanche generation or by punch-through. In the case of avalanche regeneration, the transition from the n base zone ( 1 ) to the p region ( 2 ) is designed by the choice of the dopings in such a way that its avalanche breakdown begins at the desired breakover voltage.
Für einen Punch-Through wird die Weite und die Dotierung der n-Basiszone (1) so gewählt, daß die Raumladungszone des Übergangs von der n-Basiszone (1) zu dem p-Gebiet (2) bei der gewünschten Kippspannung gerade das p-Gebiet auf der Unterseite (3) erreicht. For a punch-through, the width and the doping of the n-base zone ( 1 ) are chosen so that the space charge zone of the transition from the n-base zone ( 1 ) to the p-region ( 2 ) at the desired breakdown voltage just the p- Area on the underside ( 3 ) reached.
In beiden Fällen steigt bei nur geringer Überschreitung der Kippspannung der Strom durch das Bauelement erheblich an und führt zum bereits beschriebenen Aufsteuern des internen npn- Transistors (1, 2, 4) mit anschließendem Zünden der Vierschichtstruktur (4, 2, 1, 3). Die Struktur in Fig. 1 ist bidirektional sperrfähig. Der Zündvorgang kann jedoch nur bei positiver Spannung an der Anode erfolgen.In both cases, the current through the component rises considerably when the breakover voltage is only slightly exceeded and leads to the already described opening of the internal npn transistor ( 1 , 2 , 4 ) with subsequent ignition of the four-layer structure ( 4 , 2 , 1 , 3 ). The structure in Fig. 1 is bi-directionally lockable. However, the ignition process can only take place when the anode has a positive voltage.
Fig. 2 zeigt eine erweiterte Variante nach dem Stand der Technik, die in gleicher Weise bidirektional leitfähig ist. Das wird durch Einfügen von n-Emitter-Gebieten (10) in das p-Gebiet auf der Unterseite (3) und einer Verbindung beider Gebiete mit einer Metallisierungsschicht (5) analog der Oberseite erreicht. Der übrige Aufbau mit analoger Beschriftung entspricht der Struktur nach Abb. 1. Bei positiver Spannung an der Anode vollzieht sich das Zünden sowohl hinsichtlich des Klemmverhaltens als auch hinsichtlich der innerelektronischen Vorgänge in identischer Weise, wie das bereits zu Fig. 1 beschrieben wurde. Fig. 2 shows an expanded variant according to the prior art, which is bidirectionally conductive in the same way. This is achieved by inserting n-emitter regions ( 10 ) into the p-region on the bottom ( 3 ) and connecting both regions with a metallization layer ( 5 ) analogous to the top. The rest of the structure with analog lettering corresponds to the structure according to Fig. 1. With a positive voltage at the anode, the ignition takes place in an identical manner, both with regard to the clamping behavior and with regard to the internal electronic processes, as has already been described for FIG. 1.
Liegt dagegen an der Anode eine negative Spannung an, ist das Klemmverhalten ebenfalls gleich, der Zündvorgang wird jedoch durch die unteren Teilstrukturen bewirkt. Bei einer "Avalanche- Dimensionierung" bricht der Übergang von der n-Basiszone (1) zu dem p-Gebiet (3) durch, was durch den einsetzenden Stromfluß entlang der Emittergebiete (10) im unteren p-Gebiet (3) zum Aufsteuern des rückseitigen npn-Transistors (10, 3, 1) und dadurch bedingtem nachfolgenden Zünden der Vierschichtstruktur (10, 3, 1, 2) führt.However, if there is a negative voltage at the anode, the clamping behavior is also the same, but the ignition process is caused by the lower substructures. With an "avalanche dimensioning", the transition from the n-base zone ( 1 ) to the p-region ( 3 ) breaks through, which is due to the onset of current flow along the emitter regions ( 10 ) in the lower p-region ( 3 ) to open the rear NPN transistor ( 10 , 3 , 1 ) and consequent subsequent firing of the four-layer structure ( 10 , 3 , 1 , 2 ) leads.
Im Fall einer "Punch- Through- Dimensionierung" erreicht die Raumladungszone des Übergangs von der n-Basiszone (1) zu dem p-Gebiet (3) bei der gewünschten Kippspannung gerade das p- Gebiet auf der Oberseite (2), was wiederum zum Aufsteuern des rückseitigen npn-Transistors (10, 3, 1) und damit zum Zünden der Vierschichtstruktur (10, 3, 1, 2) führt.In the case of a "punch-through dimensioning", the space charge zone of the transition from the n-base zone ( 1 ) to the p-region ( 3 ) at the desired breakover voltage just reaches the p-region on the top ( 2 ), which in turn leads to Open the rear NPN transistor ( 10 , 3 , 1 ) and thus leads to the ignition of the four-layer structure ( 10 , 3 , 1 , 2 ).
Ein großer Nachteil der Strukturen nach dem Stand der Technik, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, besteht darin, daß für Halbleiterbauelemente mit verschiedenen Kippspannungen jeweils ein anderes Substratmaterial als Ausgangsmaterial für deren Herstellung eingesetzt werden muß. A major disadvantage of the structures according to the prior art as shown in Fig. 1 and Fig. 2, is that for semiconductor devices with different breakover voltages another substrate material must be used as a starting material for preparation thereof respectively.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Halbleiterbauelemente zum Überspannungsschutz so zu gestalten, daß unabhängig von der Kippspannung der Struktur in einem großen Spannungsbereich nur noch ein Substratmaterial als Ausgangsmaterial für deren Herstellung benötigt wird.The object of this invention is to provide semiconductor devices for surge protection to design that regardless of the breakdown voltage of the structure in a large Voltage range only a substrate material as a starting material for their manufacture is needed.
Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Ausführungsvarianten sind in den nachgeordneten Ansprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the measures of the characterizing part of claim 1, advantageous embodiment variants are characterized in the subordinate claims.
Fig. 3 skizziert das Grundprinzip der erfinderischen Lösung unter Zugrundelegen von n- leitendem Substratmaterial und einer Avalanche-Dimensionierung. Der grundlegende vertikale Aufbau der Vierschichtstruktur entspricht dem Stand der Technik nach Fig. 1, er besteht aus einer Basiszone (1), einem p-Gebiet an der Oberseite (2) und einem p-Gebiet an der Unterseite (3). Im oberen p-Gebiet (2) sind wiederum n-Gebiete (4) enthalten. Fig. 3 shows the basic principle of the inventive solution of inter alia with the n-conductive substrate material, and a sketched avalanche dimensioning. The basic vertical structure of the four-layer structure corresponds to the prior art according to FIG. 1, it consists of a base zone ( 1 ), a p-area on the top ( 2 ) and a p-area on the bottom ( 3 ). The upper p-region ( 2 ) again contains n-regions ( 4 ).
Das p-Gebiet auf der Oberseite (2) bildet die Basis, die darin eingeschlossenen n-Gebiete (4) den Emitter des internen npn-Transistors (1, 2, 4). Auf der Oberseite befindet sich eine Metallisierungsschicht (5), die eine elektrische Verbindung zwischen den n-Emitter-Gebieten (4) und den p-Basis-Gebieten (2) bewirkt, was die Kathode (6) darstellt. Auf der Unterseite befindet sich eine weitere Metallisierungsschicht (7), die den Anodenanschluß (8) des Bauelements bildet.The p-region on the top ( 2 ) forms the base, the n-regions ( 4 ) enclosed therein form the emitter of the internal npn transistor ( 1 , 2 , 4 ). There is a metallization layer ( 5 ) on the top, which creates an electrical connection between the n-emitter regions ( 4 ) and the p-base regions ( 2 ), which represents the cathode ( 6 ). There is a further metallization layer ( 7 ) on the underside, which forms the anode connection ( 8 ) of the component.
Der erfinderische Gedanke besteht nun darin, zusätzlich zu den bekannten Strukturen einen lateralen Bipolartransistor durch Einfügen eines zweiten p-Gebietes an der Oberseite (11) auszubilden, dessen Punch-Through-Durchbruch bei Spannungen kleiner der Durchbruchs spannung oder Nullkippspannung der vertikalen Vierschichtstruktur erfolgt.The inventive idea now consists, in addition to the known structures, of forming a lateral bipolar transistor by inserting a second p-region on the upper side ( 11 ), the punch-through breakdown of which occurs at voltages lower than the breakdown voltage or zero breakdown voltage of the vertical four-layer structure.
Das wird erreicht, indem der Abstand des Kollektor- und Emitter-Gebietes des Transistors (A in Fig. 3) kleiner als die Ausdehnung der Raumladungszone der vertikalen Vierschichtstruktur, die sich bei deren maximalem Sperrvermögen ausbilden würde (B in Fig. 3), gewählt wird. Weiterhin wird an das zweite p-Gebiet (11) das Anodenpotential (12) gelegt. Bei Einsetzen des Punch- Through-Durchbruchs wächst der Strom durch den lateralen Bipolartransistor (11, 1, 2) stark an und fließt über das p-Gebiet auf der Oberseite zur Kathode ab. This is achieved by choosing the distance between the collector and emitter region of the transistor (A in FIG. 3) to be smaller than the extent of the space charge zone of the vertical four-layer structure, which would form at its maximum blocking capacity (B in FIG. 3) becomes. Furthermore, the anode potential ( 12 ) is applied to the second p-region ( 11 ). When the punch-through breakdown begins, the current through the lateral bipolar transistor ( 11 , 1 , 2 ) increases strongly and flows off to the cathode via the top p-region.
Analog zu Fig. 1 steuert der interne npn-Transistor (4, 2, 1) auf, wenn der laterale Spannungsabfall unter dessen Emitter (4) größer als die Flußspannung der Basis-Emitter-Diode (2, 4) ist, was zum Zünden der Vierschichtstruktur (4, 2, 1,3) führt. Die Kippspannung der Gesamtstruktur kann somit von sehr kleinen Spannungen bis zur Durchbruchspannung oder Nullkippspannung der vertikalen Vierschichtstruktur über die Wahl des Abstandes A (in Fig. 3) frei gewählt werden.Analogously to Fig. 1, the internal npn transistor ( 4 , 2 , 1 ) turns on when the lateral voltage drop below its emitter ( 4 ) is greater than the forward voltage of the base-emitter diode ( 2 , 4 ), which leads to ignition the four-layer structure ( 4 , 2 , 1 , 3 ) leads. The breakdown voltage of the overall structure can thus be freely selected from very small voltages to breakdown voltage or zero breakdown voltage of the vertical four-layer structure by the choice of the distance A (in FIG. 3).
Ganz allgemein kann die Durchbruch- oder Nullkippspannung der vertikalen Vierschichtstruktur an erfinderischen Halbleiterbauelementen mit den Mitteln des Standes der Technik gesteigert werden, indem durch geeignete Randabschlüsse das Sperrvermögen des Überganges von der n- Basiszone (1) zu dem p-Gebiet (2) erhöht wird. Hierzu können nahezu alle bekannten Randabschlüsse eingesetzt werden, wie beispielhaft Feldplatten- und Feldring- Randstrukturen, Grabenstrukturen und VLD-Strukturen (Variation of Lateral Doping).In general, the breakdown or zero breakdown voltage of the vertical four-layer structure of inventive semiconductor components can be increased with the means of the prior art by increasing the blocking capacity of the transition from the n-base zone ( 1 ) to the p-region ( 2 ) by means of suitable edge closures . Almost all known edge closures can be used for this, such as field plate and field ring edge structures, trench structures and VLD structures (variation of lateral doping).
Fig. 4 stellt die erfinderischen Lösung mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Randabschluß dar. Beispielhaft ist eine Feldring-Struktur (17) zur Erhöhung der Durchbruchsspannung zwischen den p-Gebieten (2) und (11) eingefügt. Fig. 4 shows the inventive solution with an edge termination corresponding to the prior art. A field ring structure ( 17 ) for increasing the breakdown voltage between the p-regions ( 2 ) and ( 11 ) is inserted as an example.
Das in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellte Prinzip kann in gleicher Weise angewendet werden, wenn keine leitende Verbindung (5) zwischen den n-Emitter-Gebieten (4) und den p-Basis-Gebieten (2) ausgeführt wird. Dann bildet der Punch-Through-Strom direkt den Basisstrom des internen npn-Transistors (1, 2, 4). Auch muß nicht zwingend das Anodenpotential direkt an das zweite p- Gebiet (11) gelegt werden. Es genügt, wenn das Potential am zweiten p-Gebiet sich linear oder auch nichtlinear mit dem Anodenpotential ändert.The principle illustrated in FIG. 3 and FIG. 4 can be applied in the same manner when no conductive connection (5), emitter areas of n-(4) and the p-base regions (2) is carried out between the. Then the punch-through current directly forms the base current of the internal npn transistor ( 1 , 2 , 4 ). Also, the anode potential does not necessarily have to be applied directly to the second p region ( 11 ). It is sufficient if the potential at the second p-region changes linearly or non-linearly with the anode potential.
In gleicher Weise kann eine Punch-Through-Dimensionierung der vertikalen Vierschichtstruktur erfolgen. Dann entspricht die maximale Ausdehnung der Raumladungszone der Dicke der Basiszone (1). The vertical four-layer structure can be punched through in the same way. Then the maximum extent of the space charge zone corresponds to the thickness of the base zone ( 1 ).
Fig. 5 zeigt eine konkrete Ausführungsvariante von Fig. 3, die bidirektional sperrfähig und unidirektional leitfähig ist. Sie besteht aus einer Basiszone (1), einem p-Gebiet an der Oberseite (2) und einem p-Gebiet an der Unterseite (3). Im oberen p-Gebiet (2) sind wiederum n-Gebiete (4) enthalten. Auf der Unterseite befindet sich eine Metallisierungsschicht (7), die den Anodenanschluß (8) des Bauelements bildet. Auf der Oberseite befindet sich eine weitere Metallisierungsschicht (5), die eine elektrische Verbindung zwischen den n-Emitter-Gebieten (4) und den p-Basis-Gebieten (2) bewirkt und die Kathode (6) bildet. FIG. 5 shows a specific embodiment variant of FIG. 3, which is bidirectionally lockable and unidirectionally conductive. It consists of a base zone ( 1 ), a p-area on the top ( 2 ) and a p-area on the bottom ( 3 ). The upper p-region ( 2 ) again contains n-regions ( 4 ). There is a metallization layer ( 7 ) on the underside, which forms the anode connection ( 8 ) of the component. There is a further metallization layer ( 5 ) on the top, which creates an electrical connection between the n-emitter regions ( 4 ) and the p-base regions ( 2 ) and forms the cathode ( 6 ).
Auf der Kathodenseite befindet sich ein zweites p-Gebiet (11), das mit der Basiszone (1) und dem p-Gebiet (2) auf der Oberseite einen lateralen Bipolartransistor bildet. Durch Einfügen eines n-Gebietes (13) mit einer höheren Dotierung als die der Basiszone (1) und einer leitenden Verbindung (14) zwischen diesem n-Gebiet (13) und dem zweiten p-Gebiet (11) liegt über den lateralen Bipolartransistor (11, 1, 2) eine Spannung, die sich mit der Anodenspannung ändert.There is a second p-region ( 11 ) on the cathode side, which forms a lateral bipolar transistor with the base zone ( 1 ) and the p-region ( 2 ) on the upper side. By inserting an n-region ( 13 ) with a higher doping than that of the base zone ( 1 ) and a conductive connection ( 14 ) between this n-region ( 13 ) and the second p-region ( 11 ), the lateral bipolar transistor ( 11 , 1 , 2 ) a voltage that changes with the anode voltage.
Die Differenz zwischen dem Potential am zweiten p-Gebiet (11) und dem Anodenpotential ist gering und resultiert aus der Flußspannung des Übergangs von der n-Basiszone (1) zu dem p- Gebiet (3) und einem Spannungsabfall über der Basiszone (1). Dieser Spannungsabfall entsteht bei einsetzendem Stromfluß durch den lateralen Bipolartransistor (11, 1, 2). Der Kippvorgang vollzieht sich in gleicher Weise wie zu Fig. 3 beschrieben.The difference between the potential at the second p-region ( 11 ) and the anode potential is small and results from the forward voltage of the transition from the n-base zone ( 1 ) to the p-region ( 3 ) and a voltage drop across the base zone ( 1 ) . This voltage drop arises when current flows through the lateral bipolar transistor ( 11 , 1 , 2 ). The tilting process takes place in the same way as described for FIG. 3.
Die Struktur in Fig. 5 kann prinzipiell auch bidirektional ausgeführt werden. In einfacher Weise wird dann das p-Gebiet auf der Unterseite (3) und die Metallisierung (7) durch den vertikal gespiegelten Aufbau der Oberseite (Gebiete 2, 4, 5, 11, 13, 14) ersetzt.In principle, the structure in FIG. 5 can also be implemented bidirectionally. The p-region on the underside ( 3 ) and the metallization ( 7 ) are then replaced in a simple manner by the vertically mirrored structure of the top (regions 2 , 4 , 5 , 11 , 13 , 14 ).
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsvariante von Fig. 3, die bidirektional sperrfähig und unidirektional leitfähig ist und eine deutlich verbesserte Rückwärtssperrfähigkeit aufweist. Sie besteht aus einer Basiszone (1), einem p-Gebiet (2) an der Oberseite und einem p-Gebiet (3) an der Unterseite. Im oberen p-Gebiet (2) sind wiederum n-Gebiete (4) enthalten. Auf der Oberseite befindet sich eine Metallisierungsschicht (5), die eine elektrische Verbindung zwischen den n- Emitter-Gebieten (4) und den p-Basis-Gebieten (2) bewirkt, was zusammen die Kathode (6) bildet. FIG. 6 shows a further embodiment variant of FIG. 3, which is bidirectionally lockable and unidirectionally conductive and has a significantly improved reverse lockability. It consists of a base zone ( 1 ), a p-area ( 2 ) on the top and a p-area ( 3 ) on the bottom. The upper p-region ( 2 ) again contains n-regions ( 4 ). There is a metallization layer ( 5 ) on the top, which creates an electrical connection between the n-emitter regions ( 4 ) and the p-base regions ( 2 ), which together form the cathode ( 6 ).
Ebenfalls auf der Oberseite befindet sich ein zweites p-Gebiet (11), das mit der Basiszone (1) und dem ersten p-Gebiet auf der Oberseite (2) einen lateralen Bipolartransistor bildet. Auf der Unterseite befindet sich eine weitere Metallisierungsschicht (7), die den Anodenanschluß (8) des Bauelements darstellt.Also on the top is a second p-region ( 11 ), which forms a lateral bipolar transistor with the base zone ( 1 ) and the first p-region on the top ( 2 ). There is a further metallization layer ( 7 ) on the underside, which represents the anode connection ( 8 ) of the component.
Die Weiterentwicklung gegenüber Fig. 3 besteht in der Ausbildung eines weiteren p-Gebiets (15) an der linken und rechten Seite der Struktur in der Weise, daß eine Verbindung zwischen dem zweiten p-Gebiet (11) an der Oberseite und dem p-Gebiet (3) auf der Unterseite hergestellt wird. Dadurch wird im Rückwärtssperrfall die Raumladungszone bis an die Oberseite gedrängt und ein frühzeitiger Durchbruch an den Flanken der Struktur (Trenn- oder Sägekante) verhindert.The development over Fig. 3 consists in the formation of a further p-region ( 15 ) on the left and right side of the structure in such a way that a connection between the second p-region ( 11 ) on the top and the p-region ( 3 ) is made on the bottom. In the event of a reverse lockout, the space charge zone is pushed up to the top and an early breakthrough on the flanks of the structure (cutting or sawing edge) is prevented.
Durch die Verbindung zwischen dem zweiten p-Gebiet (11) an der Oberseite und dem p-Gebiet (3) auf der Unterseite wird das Anodenpotential direkt an das zweite p-Gebiet (11) an der Oberseite und damit an den lateralen Bipolartransistor (11, 1, 2) angelegt. Der Kippvorgang vollzieht sich in gleicher Weise wie zu Fig. 3 beschrieben.The connection between the second p-region ( 11 ) on the upper side and the p-region ( 3 ) on the lower side leads the anode potential directly to the second p-region ( 11 ) on the upper side and thus to the lateral bipolar transistor ( 11 , 1 , 2 ). The tilting process takes place in the same way as described for FIG. 3.
Fig. 7 zeigt eine Weiterentwicklung von Fig. 6, die in beiden Richtungen leit- und sperrfähig ist. Dieses Halbleiterbauelement besteht aus einer Basiszone (1), einem p-Gebiet (2) an der Oberseite und einem p-Gebiet (3) an der Unterseite. Im oberen p-Gebiet (2) sind wiederum n-Gebiete (4) enthalten. Auf der Oberseite befindet sich eine Metallisierungsschicht (5), die eine elektrische Verbindung zwischen den n-Emitter- Gebieten (4) und den p-Basis-Gebieten (2) bewirkt, die wiederum die Kathode (6) bildet. Fig. 7 shows a further development of Fig. 6, which is conductive and lockable in both directions. This semiconductor component consists of a base zone ( 1 ), a p-region ( 2 ) on the top and a p-region ( 3 ) on the bottom. The upper p-region ( 2 ) again contains n-regions ( 4 ). There is a metallization layer ( 5 ) on the top, which creates an electrical connection between the n-emitter regions ( 4 ) and the p-base regions ( 2 ), which in turn forms the cathode ( 6 ).
Ebenfalls auf der Oberseite befindet sich ein zweites p-Gebiet (11), das mit der Basiszone (1) und dem ersten p-Gebiet (2) auf der Oberseite einen lateralen Bipolartransistor bildet. An der linken und rechten Flanke der Struktur ist ein weiteres p-Gebiet (15) eingebracht, welches eine Verbindung zwischen dem zweiten p-Gebiet (11) an der Oberseite und dem p-Gebiet (3) auf der Unterseite herstellt. Zusätzlich sind n-Emitter-Gebiete (16) im p-Gebiet (3) auf der Unterseite ausgebildet, die durch eine Metallisierungsschicht (7) elektrisch verbunden sind. Die Metallisierungsschicht (7) bildet den Anodenanschluß (8) des Bauelements. Also on the top is a second p-region ( 11 ), which forms a lateral bipolar transistor with the base zone ( 1 ) and the first p-region ( 2 ) on the top. A further p-region ( 15 ) is introduced on the left and right flanks of the structure, which creates a connection between the second p-region ( 11 ) on the top and the p-region ( 3 ) on the underside. In addition, n-emitter regions ( 16 ) are formed in the p-region ( 3 ) on the underside, which are electrically connected by a metallization layer ( 7 ). The metallization layer ( 7 ) forms the anode connection ( 8 ) of the component.
Der Kippvorgang in Vorwärtsrichtung vollzieht sich bei Halbleiterbauelementen nach Fig. 7 in gleichartiger Weise, wie das bereits zu Fig. 3 und 6 beschrieben wurde. Auch die bidirektionale Sperrfähigkeit ergibt sich in analoger Weise. Überschreitet in Rückwärtssperrichtung die Spannung an der Anode die Punch-Through-Spannung des lateralen Bipolartransistors (11, 1, 2), dann fließt der dann einsetzende Strom über das zweite p-Gebiet (11) an der Oberseite, das weitere p-Gebiet an der linken bzw. rechten Flanke (15) und das p-Gebiet (3) an der Unterseite ab.The tilting process in the forward direction takes place in semiconductor components according to FIG. 7 in a manner similar to that which has already been described for FIGS. 3 and 6. The bidirectional blocking capability also results in an analogous manner. If the voltage at the anode exceeds the punch-through voltage of the lateral bipolar transistor ( 11 , 1 , 2 ) in the reverse blocking direction, then the current then flows in via the second p-region ( 11 ) at the top, the further p-region the left or right flank ( 15 ) and the p-region ( 3 ) at the bottom.
Erreicht der laterale Spannungsabfall unter den n-Emitter-Gebieten (16) auf der Unterseite Werte, die größer sind als die Flußspannung des Übergangs von dem p-Gebiet (3) zu dem n-Emitter-Gebiet (16), so steuert der npn-Transistor (16, 3, 1) auf der Unterseite auf und bewirkt das Zünden der Vierschichtstruktur (16, 3, 1, 2).If the lateral voltage drop under the n-emitter regions ( 16 ) on the underside reaches values which are greater than the forward voltage of the transition from the p-region ( 3 ) to the n-emitter region ( 16 ), the npn controls -Transistor ( 16 , 3 , 1 ) on the underside and causes the four-layer structure ( 16 , 3 , 1 , 2 ) to ignite.
Durch die erfinderische Lösung wird es ermöglicht, für alle in Ausrüstungen und Anlagen verwendeten Spannungen Halbleiterbauelemente zum Überlastschutz herzustellen, die auf der Grundlage weitgehend einheitlicher Substrate und einer einheitlichen Ausgangstechnologie aufgebaut worden sind.The inventive solution makes it possible for everyone in equipment and systems used voltages to manufacture semiconductor devices for overload protection, which on the The basis of largely uniform substrates and a uniform starting technology have been built up.
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