DE2009431A1 - Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode - Google Patents

Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode

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DE2009431A1 DE19702009431 DE2009431A DE2009431A1 DE 2009431 A1 DE2009431 A1 DE 2009431A1 DE 19702009431 DE19702009431 DE 19702009431 DE 2009431 A DE2009431 A DE 2009431A DE 2009431 A1 DE2009431 A1 DE 2009431A1
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Description

. PHN, 3871.
Ing. (nrccl.) CHNTHE^ M. DAVID va / wjm.
Anmelder: N.V. Pli.i.;.:o' GLJZ1LAiJiPENFABAJl"
Akte: PHN-3871
Anmeldune vom» 26.. Febr. 1970
Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode, der ein Halbleitersubstrat vom einen Leitungstyp mit zwei an eine Oberfläche dieses Substrats grenzenden nebeneinander liegenden Ober- M flächenzonen vom anderen Leitungstyp (als "Elektrodenzonen. des Feldeffekttransistors" bezeichnet) enthält, wobei auf der erwähnten Oberfläche eine. Isolierschicht angebracht ist, auf der sich eine zwischen den Elektrodenzonen liegende ■ Torelektrode befindet, die mit einer Schutzdiode mit mindestens einem pn-Ubergang verbunden ist.
Die Schutzdiode ist angebracht, damit die Isolierschicht unterhalb der Torelektrode beim Auftreten an sich unerwünschter, aber in der Praxis unvermeidlicher grosser
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Spannungsunterschiede über der Isolierschicht vor Durchschlag geschützt wird. Durchschlag der Isolierschicht macht den Feldeffekttransistor unbrauchbar. In der Praxis kommt es häufig vor, dass in einer Schaltungsanordnung, in die ein Feldeffekttransistor aufgenommen ist, plötzlich ein oder mehrere Spannungsimpulse auftreten, die der Torelektrode zugeführt werden und die einen Durchschlag der Isolierschicht unterhalb der Torelektrode herbeiführen würden, wenn nicht die Schutzdiode, die eine niedrigere Durchschlagspannung als die Isolierschicht hat, vorhanden wäre.
Die Durchschlagspannung der Isolierschicht beträgt gewöhnlich etwa 100 V und die der Schutzdiode etwa ko - JO V. Bei Durchschlag der Schutzdiode kann der Strom durch die Diode z.B. über das Substrat fliessen.
Feldeffekttransistoren mit einer Schutzdiode mit einer niedrigen Durchschlagspannung von etwa 4o V wurden in "Proceedings 6f the I.E.E.E.", Juli I968, S. 1223 und 1224 beschrieben.
Es hat sich aber herausgestellt, dass trotz des Vorhandenseins der Schutzdiode, sogar wenn diese eine niedrige Durchschlagspannung von etwa ko V hat, durch das Auftreten unerwünschter hoher Spannungsimpulse der Feldeffekttransistor doch noch 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 Diode aufge-
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laden wird, so dass ein Durchschlag der Isolierschicht erfolgen kann, bevor die Diode .ihre Durchschlagspannung erreicht hat.
Daher wurde bereits vorgeschlagen die Torelektrode mit einem Vörschiltwiderstand zu versehen, Dieser Widerstand verzögert die Aufladung der Torelektrode, so dass die
Schutzdiode durchschlagen kann, bevor die Spannung zwischen der Torelektrode und-dem Substrat einen Wert erreicht hat, ■ - * bei dem Durchschlag der Isolierschicht stattfindet.
Ein derartiger Widerstand beeinflusst aber nicht nur unerwünschte hohe Spannungsimpulse, sondern auch die
üblichen der Torelektrode zuzuführenden Signale. Dieser Widerstand führt eine Dämpfung, herbei und hat insbesondere
bei Verwendung von Signalen hoher Frequenz eine ungünstige
Wirkung. ■ ' * - ■-"■-·"
Die Erfindung bezweckt u.a., die erwähnten Nachteile wenigstens grösstenteils zu vermeiden. '
Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde,· (Q dass der Schutz des Feldeffekttransistors.übliche 'der Torelektrode zuzuführende Signale nicht beeinflussen darf,
sondern nur Einfluss auf unerwünschte hohe Spannungsimpulse ausüben soll ,< die den .Transistor unbrauchbar machen konnten.
: Experimente mit Feldeffekttransistoren mit üblichen Schutzdioden mit Dürchschlagspannungen. von etwa ^O —
70 V, die zu der.Erfindung geführt haben, .haben, ferner nach- , gewiesen, dass beim Auftreten eines unerwünschten hohen,-Spannungsimpulses in der Torelektrode und in den mit dieser verbundenen auf der Isolierschicht liegencifen Leitern, wie
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z.B. der Verbindung zwischen der Torelektrode und der Schutzdiode, derart grosse Ladeströme auftreten können, dass sie durch Erhitzung zerstört werden, wodurch der Feldeffekttransistor unbrauchbar wird.
Die Erfindung hat weiterhin den Zweck, die Gefahr des Auftretens solcher zerstörenden Ladeströme zu verringern.
Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass die erwähnten Nachteile wenigstens erheblich herabgesetzt werden können, wenn eine Schutzdiode mit einer beträchtlich niedrigeren Durchschlagspannung als die der üblichen Schutzdioden verwendet wird, und dass eine beträchtlich niedrigere Durchschlagspannung der Schutzdiode für sehr viele Anwendungen eines Feldeffekttransistors nicht ungünstig ist, weil beim Normalbetrieb eines Feldeffekttransistors die Spannung zwischen der Torelektrode und dem Substrat erheblich niedriger als der Wert bleibt, bei dem eine übliche Schutzdiode durchschlägt.
Nach dpr Erfindung ist ein Feldeffekttransistor der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschlagspannung(en) des pn-Ubergangs (der pn-Ubergänge) höchstens 15 V beträgt (betragen).
Durch die niedrige Durchschlagspannung der Schutzdiode kann diese beim Aufladen schnell ihre Durchschlagspannung erreichen und kann Durchschlag der Diode stattfinden, bevor die Spannung zwischen der Torelektrode und dem Substrat den Wert der Durchschlagspannung der Isolier-
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Schicht erreicht, während die Gefahr des Auftretens zerstörend grosser Ladeströme verringert wird und ein mit der Torelektrode in Reihe geschalteter Widerstand überflüssig ist. ι
Eine besondere bevorzugte Ausführungsform ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode im Substrat" liegt und eine erste Diodenzone vom andereil Leitungstyp enthält, die von den Elektrodenzonen ge- ([ trennt ist, an die erwähnte Oberfläche des Substrats grenzt und eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, während die Schu-tzdiode ferner eine an diese erste Diodenzone grenzende zweite Diodenzone vom einen Leitungstyp enthält, die gleichfalls eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, wobei der pn-Ubergang zwischen diesen Diodenzonen eine Durchschlagspannung von höchstens 15 V hat.
Die zweite Diodenzone kann eine in der ersten
Diodenzone angebrachte Oberflächenzone.sein, die im Substrat j völlig von der ersten Diodenzone tungeben wird. Die Wirkung der Schutzdiode kann dann jedoch dadurch beeinträchtigt werden, dass leitende Oberflächenkanäle vom anderen Leitungstyp ,im Substrat vorhanden sind, die die erste Diodenzone elektrisch mit einer Elektrodenzone verbinden. Daher ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der zweiten Diodenzone neben der ersten Diodenzone liegt und an die erwähnte Oberfläche grenzt.
Die zweite Diodenzone kann dann als Kanalunter-
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brecher wirken, zu welchem Zweck die zweite Diodenzone an der erwähnten Oberfläche die erste Diodenzone vorzugsweise völlig umgibt.
Die Dladenzonen können durch Diffusion von Verunreinigungen im Substrat angebracht werden, wobei durch den Fachmann auf übliche Weise bestimmt werden kann, wie hoch die Verunreinigungskonzentration in diesen Zonen sein muss, um eine Durchschlagspannung des pn-Ubergangs zwischen diesen Zonen von weniger als 15 V zu erhalten.
Der bei Durchschlag und/oder beim Aufladen der
Diode durch die Diode fliessende Strom kann über das Substrat zu- oder abgeführt werden, zu welchem Zweck z.B. die zweite Diodenzone elektrisch mit dem Substrat verbunden sein kann. Wenn die Diodenzonen nebeneinander liegende Oberflächenzonen sind, ist die zweite Diodenzone, die vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat ist, ohne weiteres bereits elektrisch mit dem Substrat verbunden.
Der Erfindung liegt aber auch noch die Erkenntnis zugrunde, dass es zur Erzielung einer befriedigenden Wirkung der Schutzdiode wichtig ist, dass der Widerstand im Feldeffekttransistor in bezug auf die Diode durchsetzenden Ströme niedrig ist. Wenn nämlich dieser Widerstand geringer wird,' wirkt die Diode schneller, was bedeutet, dass die Gefahr .eines Durchschlags der Isolierschicht weiter verringert wird. Ausserdem wird die Gefahr des Auftretens zerstörend grosser Ladeströme herabgesetzt. Da das Substrat eines Feldeffekttransistors in der Regel hochohmig ist, soll Vorzugs-
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weise vermieden werden, dass die Diode durchsetzende Ströme einen Teil des Substrats durchlaufen müssen; es. ist vorzuziehen, dass diese Ströme über eine Elektrodenzone und eine elektrische Verbindung mit niedrigem Wideretand zwischen dieser Elektrodenzone und der Diode geführt werden.
' Daher ist eine besondere Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Diodenzone und einer der -g Elektrodenzonen eine nicht zu dem Substrat gehörige elektrische Verbindung angebracht ist. . ■ .
■ Vorzugsweise grenzt die zweite Diodenzone an die mit dieser Diodenzone verbundene^ Elektrodenzone und ist der pn-Ubergang zwischen diesen Zonen an der Oberfläche des Substrats durch einen auf dieser Oberfläche angebrachten . " ■'" Leiter kurzgeschlossen. Dadurch kann eine einfache und gedrängte Bauart, erzielt werden. . ' .
Die mit der zweiten Diodenzone verbundene Elek- ,
trodenzone kann an der erwähnten Oberfläche die zweite "
Diodenzone völlig umgeben. . ■-,-...
. Die erste Elektrodenzone kann mit der Torelektro4 de verbunden sein. Die Diode enthält dann einen einzigen pn-Ubergang und der Feldeffekttransistor kann nur mit Portentialunterschieden .zwischen der Torelektrode und dem Substrat oder der mit. der Diode verbundenen Elektrodenzone betrieben werden,- l»ei denen .die Schutzdiode in der Sperr dichtung vor- , gespannt ist. Oft ist es aber erwünscht, dass der,, Feldef f ekttransistox? sowohl mit negativen, als auch mit positiven Pot'en-
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tialen der Torelektrode in bezug auf das Substrat oder auf die mit der Diode verbundene Elektrodenzone betrieben werden kann. Aus diesen Gründen ist eine weitere besondere Ausführungsform nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode eine dritte Diodenzone vom einen Leitungstyp enthält, die eine im Halbleitersubstrat völlig von der ersten Diodenzone umgebene Oberflächenzone mit einer höheren Dotierung als das Substrat ist, wobei der pn-Ubergang zwischen der dritten und der ersten Elektrodenzone eine Durchschlagspannung von höchstens 15 V hat, während die Torelektrode mit der dritten Diodenzone verbunden ist. Die Diode enthält nun zwei pn-Ubergänge, wobei bei jedem beliebigen Potentialunterschied über der Diode einer der pn-Ubergänge in der Sperrichtung vorgespannt ist.
Vorzugsweise erstrecken sich die erste Diodenzone und die Elektrodenzonen von der Oberfläche des Substrats her über den gleichen Abstand im Substrat und weisen diese Zonen über diesen Abstand das gleiche Dotierungsprofil auf. Diese Zonen können dann während der Herstellung des Feldeffekttransistors gleichzeitig in einer Bearbeitung angebracht werden,
Aus denselben Gründen erstrecken sich auch vorzugsweise die zweite und die dritte Diodenzone von der Oberfläche des Substrats her über den gleichen Abstand im Substrat und weisen diese Zonen über diesen Abstand das gleiche Dotierungsprofil auf.
Eine besonders günstige Durchschlagspannung des
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pn-Ubergangs (der pn-Ubergänge) der Schutzdiode liegt zwischen 5 und 10 V. . .... ._■■-_
Die Torelektrode ist im allgemeinen mit einer auf der Isolierschicht liegenden Metallschicht verbunden", an die ein Anschlussleiter angeschlossen werden kann. Diese Metallschicht muss auch mit der Diode verbunden sein, weil die Torelektrode mit der Diode verbunden ist* Diese Metallschicht kann durch eine auf der Isolierschicht liegende Leiterbahn g mit der Diode verbunden sein. Eine .derartige Leiterbahn vergrössert aber den Widerstand in bezug auf die Diode durchsetzende Strome und verzögert somit die Aufladung der Diode, wodurch die Gefahr des Auftretens zerstörend grosser Ströme in der Torelektrode und den mit dieser verbundenen Leitern zunimmt. Daher ist eine besondere bevorzugte Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Torelektrode mit' einer Metallschicht verbunden ist, die grösstenteils auf der Isolierschicht liegt und mit der ein Anschlussleiter verbunden ' " werden .kann, welche Metallschicht wenigstens teilweise oberhalb der Schutzdiode liegt und durch eine öffnung in der Isolierschicht unmittelbar mit einer Diodenzone verbunden ist. ■.·..■-.-...- . ■ · -..
Die Erfindung, insbesondere die Verwendung einer Schutzdiode mit zwei pn-Ubergangen, ist von besonderer Bedeutung für einen Feldeffekttransistor, bei dem auf der Isolierschicht ausser der bereits erwähnten Torelektrode (der ersten Torelektrode) noch mindestens eine'weitere Torelek-
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trode zwischen den Elektrodenzonen angebracht ist. Die weitere Torelektrode wird im allgemeinen zur Steuerung der Wirkung des Feldeffekttransistors benutzt, wobei die Potentiale der Torelektroden,sich von negativ zu positiv in bezug auf das Substrat ändern können, oder umgekehrt.
Vorzugsweise ist der Isolierschicht unterhalb der weiteren Torelektrode gleichfalls vor Durchschlag geschützt, zu welchem Zweck bei einer besonderen Ausführungsform die weitere Elektrode mit einer weiteren Schutzdiode mit mindestens einem pn-Ubergang verbunden ist, während die Durchs chiagspannung(en) des pn-Ubergangs (der pn-Ubergänge) dann höchstens 15 V beträgt (betragen).
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung mit einer weiteren Schutzdiode ist dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Torelektrode, in einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen, eine der beiden Elektrodenzonen völlig umgibt, welche Elektrodenzone völlig neben der weiteren Schutzdiode liegt und diese Diode völlig umgibt.
In einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen, umgibt die erste Torelektrode vorzugsweise die weitere Torelektrode vollständig, während die andere der beiden Elektrodenzonen die erste Torelektrode völlig umgibt und zwischen der ersten Torelektrode und der mit dieser verbundenen Schutzdiode wenigstens ein Teil der anderen Elektrodenzone liegt.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine
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Schaltungsanordnung mit einem Feldeffekttransistor nach der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine der Elektrodenzonen elektrisch mit einer Schutzdiode verbunden ist, während ein Eingangskreis zwischen dieser Elektrodenzone und der mit der erwähnten Schutzdiode verbundenen Torelektrode und ein Ausgangskreis zwischen den beiden Elektrodenzonen eingeschaltet ist. Eine Schutzdiode wird nämlich vorzugsweise über dem Eingang eines Feldeffekttransisw tors angeordnet. "
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. T eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. t»durch diese Ausführungsform,
Fig. 3einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. T durch diese Ausfiihrungsform, , - g
Fig. k eine den Feldeffekttransistor nach den Figuren T - 3 enthaltende Schaltungsanordnung,
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer etwas abgeändertenAusführungsform,
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 5 durch diesen Teil,
Fig. 7 eine Diode, die aus zwei Dioden zusammengesetzt ist und die die Diode D nach Fig. k ersetzen kann, Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Feldeffekt trän-
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sistor mit zwei Torelektroden (eine sogenannte Tetrode) nach der Erfindung,
Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 8 durch diese Tetrode, und
Fig. 10 eine den Feldeffekttransistor nach den Figuren 8 und 9 enthaltende Schaltungsanordnung.
In den Figuren sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Die Figuren 1-3 zeigen einen Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode, der ein Halbleitersubstrat 2 vom einen Leitungstyp mit zwei an eine Oberfläche 10 des Substrats 2 grenzenden nebeneinander liegenden Oberflächenzonen 3 und h vom anderen Leitungstyp enthält, welche Oberflächenzonen als die Elektrodenzonen des Feldeffekttransistors bezeichnet werden. Auf der Oberfläche 10 ist eine Isolierschicht 11 angebracht, auf der sich eine zwischen den Elektrodenzonen liegende Torelektrode 8 befindet, die mit einer Schutzdiode 6,7 mit einem pn-Ubergang 12 verbunden ist.
Nach der Erfindung beträgt die Durchschlagspannung des pn-Ubergangs 12 höchstens 15 V.
Die Schutzdiode liegt im Substrat 2 und enthält eine erste Diodenzone 7 vom anderen Leitungstyp, die von den Elektrodenzonen 3 und k getrennt ist, an die Oberfläche 10 grenzt und eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, während die Diode weiter eine an diese erste Dioden- ■ zone grenzende zweite Diodenzone 6 vom einen Leitungstyp enthält, die gleichfalls eine höhere Dotierung als das
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Substrat aufweist» Bear Teil des pn-Ubergangs 12 zwischen diesen Dicodenzonen '6 und 7 hat eine Dur chs chlagsparaiung Von weniger als 15 Y. .
Der Teil des pn—Übergangs 12 zwischen der ersten Diodenzoaie 7 und idem Substrat .2 hat eine bedeutend höhere Durchs ehlagspannusag., weil das Substrat 2 eine niedrigere Dotierung als die Diodenzonen 6 und 7 aufweist und also einen höheren spezifischen Widerstand als die Zonen 6 und 7 besitzt« Diese höhere Durchschlagspannung beträgt, wenn die Zone 7 gleichzeitig mit den Elektrodenzonen 3 und 4 auf übliche Weise durch Diffusion einer Verunreinigung angebracht wird und das Substrat einen üblichen spezifischen Widerstand von etwa 10 iTX.cm aufweist und z.B. p-leitend ist, etwa kO - 70 V.
Zur Erzielung einer befriedigenden Wirkung des Feldeffekttransistors ist es erforderlich, dass das Substrat hochohmig ist. Durch die Anbringung der Diodenzone 6, die den gleichen Leitungstyp wie das Substrat 2 aufweist, ist M der spezifische Widerstand des Substrats und somit auch die Durchschlagspannung des pn-Uberganges 12 örtlich herabgesetzt. Der Fachmann kann auf einfache Weise durch Experimente bestimmen, wie hoch die Dotierung der Zonen 6 und 7 sein, muss, um eine Durchschlagspannung von höchstens 15 V zu erhalten. · .
Die Schutzdiode ist zwischen der Torelektrode und dem Substrat 2 angeordnet und schützt die Isolierschicht 11 unterhalb der Torelektrode 8 vor Durchschlag beim Auf-
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treten hoher Spannungsimpulse. Die Isolierschicht 11 unterhalb der Torelektrode 8 hat bei üblichen Feldeffekttransistoren eine Durchschlagspannung von etwa 100 V; dennoch haben sich übliche Schutzdioden mit Durchschlagspannungen von ^O 70 V als unbefriedigend erwiesen, wie oben bereits auseinander gesetzt wurde. Es stellt sich aber heraus, dass bei Verwendung einer erfindungsgemässen Diode mit einer sehr niedrigen Durchschlagspannung von höchstens 15 V die Isolierschicht auf besonders befriedigende Weise geschützt wird. Da bei sehr vielen Anwendungen eines Feldeffekttransistors die üblichen Betriebsspannungen zwischen der Torelektrode und dem Substrat 2 unterhalb 15 V und oft unterhalb 10 V bleiben, ist die niedrige Durchschlagspannung der Diode beim Normalbetrieb des Feldeffekttransistors unbedenklich. Die Durchschlagspannung liegt vorzugsweise zwischen 5 und 10 V.
Die zweite Diodenzone 6 liegt neben der ersten Diodenzone 7 und grenzt an die Oberfläche 10. Dadurch kann die zweite Diodenzone ausserdem als Kanalunterbrecher wirken. An der Oberfläche 10 des Substrats 2 können sich Oberflächenkanäle vom anderen Leitungstyp bilden, die die Diodenzone 7 leitend mit der Elektrodenzone 3 verbinden können, wenn die Zone 6, die den gleichen Leitungstyp wie das Substrat aufweist aber höher als dieses .Substrat dotiert ist und dadurch einen Kanalunterbrecher bildet, nicht vorhanden ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird an der Oberfläche 10 die erste Diodenzone 7 völlig von der zweiten Diodenzone 6 umgeben.
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Die Torelektrode 8 ist durch die auf der Isolier- scnicht liegende Metallbahn 13 mit einer Metallschicht Ik verbünden, an die ein Änschlüssleiter angeschlossen werden kann, welche Metallschicht tk durch die Öffnung 15 in der Isolierschicht 11 mit der ersten Diodenzone 7 verbunden ist.
Die zweite Diodenzone 6 ist elektrisch über eine nicht zu dem Substrat 2 gehörige elektrische Leitung mit der Elektrodenzone 3 verbunden. Die zweite Diodenzone 6 grenzt i an die eine Elefctroderizone 3 und der pn-Ubergang 17 zwischen : diesen Zonen ist an der Oberfläche 10 des Substrats. 2 durch einen auf dieser Oberfläche angebrachten Leiter 16 kurzgeschlossen* Der Leiter 16» der ferner den Anschlusskontakt der Elektrodenzone 3bildet, ist grösstenteils in der Öffnung 18 in der Isolierschicht 11 angebracht und mit einer auf der Isolierschicht 11 liegenden Metallschicht 19 versehen,, an die ein Änschlüssleiter angeschlossen werden kann.
Die zweite Elektrodenzone k ist durch eine Öffnung 20 in der Isolierschicht mit einer Metallschicht 21 " verbuniden"", an <iie ein Anschlussleiter angeschlossen werden karinv .f'-Ui-; -.-*"■■ " '."."-
::sil£iK!Üle Diode 6,7 durchsetzende Ströme folgen einem StrbtnWe'g'mit niedrigem Widerstand, der keine Teile des hochoiüni^eH Substrats 2 enthält. Dieser Stromweg enthält aüsser 'deh niederohmigen Diodenzönen 6 und 7 aucn noch die Sfertallschicht i4, den Leiter 16 mit den Elektrodenzonen 3 und die Metallschicht 19. Der niedrige Widerstand führt Vergrösserung der Ladegeschwindigkeit ah der Diode
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und eine Verringerung der Gefahr eine,« Auftretens zerstörend grosser Ladeströme in der Metallbahn 13 und der Torelektrode 8 herbei.
Die Torelektrode 8 bildet mit dem Substrat 2 eine Kapazität, wobei die Isolierschicht TT als Dielektrikum wirkt. Diese Kapazität ist zu der Diode parallel geschaltet, welche sich beim Aufladen; auch wie eine Kapazität verhält. Wenn der· Widerstand des Stromweges in bezug atif die Diode durchsetzende Ströme herabgesetzt wird, wird die Üiode nicht nur schneller aufgeladen» sondern auch fliesst dann ein grösserer Teil der Gesamt ladeströme, die die beiden erwähnten Kapazitäten aufladen» durch die Diode» wodurch die Gefahr eines Auftretens zu grosser Ströme in der Bahn 13 und der Torelektrode 8 verringert wird.
Dadurch, dass die Metallschicht Ik nicht über eine Leiterbahn mit der Diode 6,7 verbunden ist, sondern über der Diode liegt und unmittelbar durch die Öffnung 15 mit der Diodenzone 7 verbunden ist, wird der Widerstand des die Diode enthaltenden Stromweges möglichst niedrig gehalten, während ausserdem die Gefahr vermieden wird, dass eine derartige Leiterbahn durch zu grosse Ströme zerstört wird.
Die zweite Diodenzone kann von der Elektrodenzone 3 getrennt sein und in einiger Entfernung von dieser Zone liegen. Diese Zonen können dann z.B. durch eine Metallbahn miteinander verbunden sein. Der elektrische Widerstand zwischen diesen Zonen wird dadurch aber etwas vergrössert.
Fig. k zeigt eine Schaltungsanordnung, die einen
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mit F bezeichneten Feldeffekttransistor enthält, der mit der. Diode D.versehen ist. Die Anschlussklemmen, die den Metall-"schichten 14» 19 und 21 in den vorhergehenden Figuren entsprechen, sind mit den gleichen Bezugsziffern wie diese Metallschichten bezeichnet. Die Klemme 19 ist über einen Widerstand R und einen Kondensator C mit Masse verbunden. Der Eingangskreis EI ist mit der Klemme Tk und mit Masse verbunden, oder, weil die Klemme 14 mit der Torelektrode 8 und · ^ die Klemme 19 mit der Elektrodenzone 3 verbunden ist, zwischen der Torelektrode 8 und der Elektrodenzone 3» die mit der Diode D verbunden sind, eingeschaltet. Der Ausgangskreis EO ist mit der Klemme 21 und mit Masse verbunden, oder, weil die Klemme 21 mit der Elektrodenzone k verbunden ist, zwischen den beiden Elektrodenzonen 3 und k eingeschaltet. Impulsförmige Lade- und Durchschlagströme können über Stromwege mit niedrigem Widerstand zwischen der Diode D und Masse und zwischen der Diode und der Klemme 14 fliessen. Die Elektrodenzone 3 gehört also zu der sogenannten Quellen- "
elektrode (source) und die Elektrodenzone k zu der sogenannten Senkenelektrode (drain)*des Feldeffekttransistors.
Der Feldeffekttransistor kann nur mit Potentialunterschieden zwischen der Torelektrode 8 und der Elektrodenzone 3 betrieben werden, bei denen die Diode 6,7 in der Sperrichtung vorgespannt ist. Bei einer Anzahl von Anwendungen soll der Feldeffekttransistor auch mit Potentialunterschieden betrieben werden, bei denen die Diode 6,7 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Bei diesen Anwendungen
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ist es erwünscht, dass eine zweite Diode mit der Diode 6,7 in Reihe geschaltet wird, derart, dass die zweite Diode in der Sperrichtung vorgespannt ist, wenn die Diode 6,7 *η der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Daher enthält bei einer besonderen Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung die Schutzdiode zwei pn-Ubergänge. Da nur der die Diode enthaltende Teil dieser Ausführungsform von der vorhergehenden Ausführungsform abweicht, zeigt Fig. 5 nur eine Draufsicht auf und Fig. 6 einen Schnitt durch diesen Teil. Die Schutzdiode 22,6,7 enthält eine dritte Diodenzone 22 vom einen Leitungstyp, die eine im Halbleitersubstrat 2 völlig von der ersten Diodenzone 7 umgebene Oberflächenzone ist, die eine höhere Dotierung als das Substrat 2 aufweist, wobei der pn-Ubergang 23 zwischen der dritten und der ersten Diodenzone 22 bzw. 7 eine Durchschlagspannung von höchstens 15 V hat, während die Torelektrode 8 über den Leiter 13 und die Metallschicht 14 mit der dritten Diodenzone 22 verbunden ist. Die Diode 22,6,7 besteht also aus zwei Dioden 22,7 und 6,7 die gegeneinander geschaltet sind. Bei Verwendung dieses Feldeffekttransistors in der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 muss die Diode D durch die Diode nach Fig. 7 ersetzt werden.
Die Figuren 5 und 6 zeigen ausserdem, dass die Elektrodenzone 3» die mit der zweiten Diodenzone 6 verbunden ist, an der Oberfläche 10 die zweite Diodenzone 6 völlig umgeben kann. Der pn-Ubergang 17 zwischen den Zonen 3 und
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* Ϊ9 *.
umgibt dabei dig ganze Zotfe 6 urid ist nahezu Über seihe ganze LMrige durch die iii der Öffnung 18 liegende Metallschicht 16 kurzgeschlossene Durch diese Konfiguration wird der elektrische Widerstand zwischen den Zonen 3 und 6 herabgesetzt ί .
tiie beöchriöbetien Feldeffekttransistoren können Völlig auf übliche Weise aus üblichen Materialien hergestellt
baa Substrat 2 besteht z,B* äuö einem eittkristal- j Üüeii {(»Ieitienden Siliciurakörper mit einem spezifischen Widörstahd Von 10 iXiCtn« Die Zonen 3 1 k und 7 können durch Diffusion von Phosphor erhalten sein und können n-leitehd seiii, eihe Dicke von etwa 2#5 ,um und eine Oberflächenkonzeiitratibh von etwa IO Phosphoratomen pro cm' aufweisen. Die Zöiie 6 oder die Zonen 6 und 22 können durch Diffusion von Bor erhalten sein und können ρ -leitend sein» eine Dicke von etwa 1 /um und eine Oberf lächenkonzeiitration von etwa
.<■
1ö Böratonien/cm3 aufweisen. Die weiteren Abmessungen der Zonen können auf Übliche Veise in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften des herzustelleflden Feldeffekttransistors gewählt werden» Die pn-Ubergänge 12 und 2 3 weisen Durehschlägspannungen von etwa 8 V auf.
" Die erste Diodenzone 7 und die Elektrödenzonen 3 und k werden der Einfachheit halber vorzugsweise gleichzeitig angebracht. Die erste Diodenzone 7 und die Elektroden tten 3und 4 erstrecken sich dann von der Oberfläche ^O
S "■-'■ i', η iff; - ;-■■-■■ ■
des Substrats 2 her Über den gleichen Abstand im Substrat
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2 und weisen über diesen Abstand das gleiche Dotierungsprofil auf.
Dies trifft auch für die zweite und dritte Diodenzone 6 und 22 zu.
Die Isolierschicht TT kann z.B. aus Siliciumoxyd oder Siliciumnitrid bestehen, während die erwähnten Leiter und Metallschichten und -Bahnen aus Aluminium bestehen können»
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist die zweite Diodenzone 6 dünner als die erste Biodenzone 7» Die Diodenzone (> kann aber auch die gleiche oder sogar eine grössere Dicke als die Diodenzone 7 haben. Ferner kann die Diodenzone 6 im Substrat 2 die Diodenzone 7 völlig umgeben, mit anderen Worten; die Diodenzone 7 kann völlig in der Diodenzone ü angebracht sein.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Feldeffekttransistoren mit mehr als einer Torelektrode auf der Isolierschicht und zwischen den Elektrodenzonen, z.B. eine Tetrode (zwei Torelektroden). Bei einer Tetrode wird eine der beiden Torelektroden (als "weitere Torelektrode" bezeichnet) zur Einstellung des Feldeffekttransistors verwendet, wobei vielfach an den beiden Torelektroden sowohl positive als auch negative Potentiale gegenüber dem Substrat auftreten. Die andere der beiden Torelektroden (als "erste Torelektrode" bezeichnet), d-er beim Betrieb die Eingangssignale zugeführt werden und an die auch nicht zu vermeidende unerwünschte grosse Spannungsimpulse beim Betrieb gelegt
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werden können, ist vorzugsweise mit einer Schutzdiode mit zwei pn-Ubergängen., wie der Diode 22,7 »6 nach den Figuren 5 und 6", verbunden» ·
Die Möglichkeit, dass beim Betrieb der weiteren Torelektrode unerwartete grosse Spannungsimpulse zugeführt werden, ist vernachlässigbar. Es ist aber möglich, dass die weitere Torelektrode statisch aufgeladen wird, wodurch die Isolierschicht unterhalb dieser Torelektrode durchschlagen könnte. Daher ist vorzugsweise auch die weitere Torelektrode mit einer Schutzdiode verbunden. Diese Diode hat vorzugsweise auch zwei pn-Ubergänge, deren Durchschlagspannung höchstens 15 V beträgt.
Die Figuren 8 und 9 zeigen eine Ausführungsform einer Tetrode nach der Erfindung, bei der die weitere Torelektrode 9 mit einer Schutzdiode 30,31»32 mit zwei pn-Ubergängen 33 und "}h verbunden ist. .
Der Unterschied mit der vorhergehenden Ausführungsform besteht darin, dass zwischen den Elektrodenzonen 3 und 4 eine weitere Zone 6 vom anderen Leitungstyp liegt, " die gleichzeitig mit den Elektrodenzonen 3 und 4 angebracht sein kann. Die weitere Torelektrode 9 ist auf der Isolierschicht 11 zwischen den Zonen 5 und k angebracht, während die erste Torelektrode 8, die der Torelektrode 8 der vorhergehenden Ausführungsform entspricht, auf der Isolierschicht 11 zwischen den Zonen 5 und 3 angebracht ist. Die Elektrodenzone k weist eine Öffnung kO zur Aufnahme der Schutzdiode 30,31,32 auf. Diese Diode hat eine ähnliche Struktur wie
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die Diode 22,7»6 und kann gleichzeitig mit und auf gleiche Weise wie diese Diode erhalten werden. In einer zu der Isolierschicht 11 nahezu senkrechten Richtung gesehen, (siehe die Draufsicht nach Fig. 8) umgibt die weitere Torelektrode 9 die Elektrodenzone k völlig, wobei die Elektrodenzone h völlig neben der weiteren Schutzdiode 30,31,32 liegt und diese Diode vollständig umgibt. Die Elektrodenzone k ist von den Diodenzonen 30,31t32 getrennt.
Die Diodenzone 32 ist nicht, wie die entsprechende Diodenzone 6, mit der Elektrodenzone 3 verbunden. Die Diode 30,31,32 ist zwischen der Torelektrode 9 und dem Substrat 2 eingeschaltet und die Diode durchsetzende Ströme müssen einen Teil des Substrats durchlaufen. Eine direkte Verbindung mit der Elektrodenzone 3 ist für die Diodenzone 32 von geringerer Bedeutung als für die Diodenzone 6, weil die Diode 30,31»32 nur vor Durchschlag infolge auftretender statischer Ladungen schützt, die keine grossen Ströme hervorrufen.
Die weitere Torelektrode 9 ist mit einer Metallschicht 35 verbunden, die über der Diode 30,31,32 liegt und die durch die öffnung 36 in der Isolierschicht 11 mit der, Diodenzone 30 verbunden ist. Mit dieser Metallschicht 35 kann ein Anschlussleiter verbunden werden.
In einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen (siehe die Draufsicht nach Fig. 8), umgibt die erste Torelektrode 8 die weitere Torelektrode 9 vollständig, während die Elektrodenzone 3 die erste Torelektrode
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8 völlig umgibt. Zwischen der ersten Torelektrode 8 und der mit dieser verbundenen Schutzdiode 22*7,6 liegt, die Elektröderizöne 3·
Auch lit der Äusführungsform nach den Figuren 8 und 9 kann die Eiektrodenzone 3 die Diode 33,7,6 völlig umgeben, Wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist.
Fig* 10 zeigt eine Schaltungsanordnung der in
Fig'i 4! dargestellten Art, die einen Feldeffekttransistor ~.
nach den Figuren 8 und 9 enthält. Die Diode 30,31,32 ist *
mit Da bezeichnet und die Anschlussklemme 35 entspricht der Metallschicht 35» die mit der weiteren Torelektrode 9 verbunden ist. An die Anschlussklemme 35 können Potentiale zur Einstellung des Feldeffekttransistors gelegt werden. In dieser Schaltungsanordnung ist die Zone 3 die Quellenzone (source) und die Zone M die Abzugszone (drain).
Ftir eine Anzahl von Anwendungen des Feldeffekttransistors nach den Figuren 8 und 9 reichen Schützdioden mit nur einem einzigen pn-übergang aus« Die Diodeiizonen 22 ΐ und 30 können dann si«B. fortgelassen werden, wobei die Torelektrode 8 über die Metallschicht 14 mit der Diödenzone 7'.üftäi diiBo·Torelektrode 9 über die Metallschicht 35 mit der Diodenz-öne 31 verbunden ist.
Es dürfte einleuchten, dass sich die Erfindung Jli'cht auf" die beschriebenen Ausfüliruttgsforraen beschränkt und dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele-Abarten möglich sind. So können z.B. die Elektrodenzonen völlig oder teilweise ineinander eingreifende kammehartige ...■■,
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Zonen sein, wobei die Torelektrode(n) mäanderformige Teile aufweisen. Die mit der Elektrodenzone 3 (source) verbundene Metallschicht T9 kann in geringerer Entfernung von der Schutzdiode 6,7 oder 22,6,7 angebracht sein als in den Figuren 7 und 8 dargestellt ist, damit der Stromweg über diese Diode zwischen den Metallschichten %h und 19 verkürzt und somit der elektrische Widerstand dieses Stromweges herabgesetzt wird. Erforderlichenfalls kann die Diodenzone 32 (Figuren 8 und 9) mit der Elektrodenzone 4 dadurch verbunden werden, dass die Diodenzone 32 mit einem hervorragenden Teil in Form einer schmalen streifenförmigen Oberflächenzone versehen.wird, die bis zu der Elektrodenzone 3 reicht und mit dieser Zone kurzgeschlossen ist. Dieser streifenförmige Teil der Diodenzone 32 kreuzt dann die Elektrodenzone k und die Zone 5» und weil dieser Teil, gleich wie die Zone 32, den gleichen Leitungstyp wie das Substrat aufweist, aber höher dotiert ist, wird die Durchschlagspannung zwischen dem Substrat 2 und den Zonen k und 5 herabgesetzt werden, was zulässig sein kann, wenn der Feldeffekttransistor mit niedrigen Spannungen betrieben wird. Ferner kann die Dioden 30,31 132 zwischen den Zonen 5 und k angebracht sein, zu welchem Zweck der Abstand zwischen diesen Zonen örtlich vergrössert sein kann. Die Wirkung des Teiles des Feldeffekttransistors an der Stelle dieser Diode ist dann weniger befriedigend, was aber bei sehr langen Torelektroden 8 und 9 keine besondere Schwierigkeiten herbeizuführen braucht. Die Schutzdioden können auch gesondert hergestellt
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M JfeiMieä Statt de^ «S-israliMteSi 3äa*ei"iaii«ü änder'e
I* aus feläfeS?
1ISiD
ORlQiNAL IMSPECTEi

Claims (1)

  1. PHN. 3871. - 26 PATENTANSPRÜCHE.
    ΓΐΓ\ Feldeffekttransistor mit isolierter Torelektrode, der ein Halbleitersubstrat vom einen Leitungstyp mit zwei an eine Oberfläche des Substrats grenzenden nebeneinander liegenden Oberflächenzonen vom anderen Leitungstyp (als "Elektrodenzonen des Feldeffekttransistors" bezeichnet) enthält, wobei auf der erwähnten Oberfläche eine Isolierschicht angebracht ist, auf der sich eine zwischen den Elektrodenzonen liegende Torelektrode befindet, die mit einer Schutzdiode mit mindestens einem pn-Ubergang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschlagspannung^θη) des pn-Ubergangs (der pn-Ubergänge) höchstens 15 V beträgt (betragen).
    2, Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode im Substrat liegt und eine erste Diodenzone vom anderen Leitungstyp enthält, die von den Elektrodenzonen getrennt ist, an die erwähnte Oberfläche des Substrats grenzt und eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, während die Schutzdiode weiter eine an diese erste Diodenzone grenzende zweite Diodenzone vom einen Leitungstyp enthält, die gleichfalls höher als das Substrat dotiert ist, wobei der pn-Ubergang zwischen diesen Diodenzonen eine Durchschlagspannung von höchstens 15V hat,
    3» Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der zweiten Diodenzone neben der ersten Diodenzone liegt und an die er-
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    wähnte Oberflät
    ORIGINAL INSPECTED
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    k, Feldeffekttransistor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Diodenzone an der erwähnten Oberfläche die erste Diodenzone völlig umgibt. 5· Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiton Diodenzone und einer der beiden Elektrodenzonen eine nicht zu dem Substrat gehörige elektrische Leitung angebracht ist.
    6. Feldeffekttransistor nach Anspruch 3 oder k und * 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Diodenzone an die mit dieser Diodenzone verbundene Elektrodenzone grenzt · und der pn-übergang zwischen diesen Zonen an der Oberfläche des Substrats durch einen auf dieser Oberfläche angebrachten Leiter kurzgeschlossen ist.
    7, Feldeffekttransistor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der zweiten Diodenzone verbundene Elektrodenzone an der erwähnten Oberfläche die
    zweite Diodenzone völlig umgibt. im
    8. Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diodenzone mit der Torelektrode verbunden ist.
    9, Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzdiode eine dritte Diodenzone vom einen Leitungstyp enthält, die eine im Halbleitersubstrat völlig von der ersten Diodenzone umgebene Oberflächenzone ist, die eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, wobei der' pn-
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    Übergang zwischen der dritten und der ersten Elektrodenzone eine Durchschlagspannung von höchstens 15V hat, während die Torelektrode mit der dritten Diodenzone verbunden ist. 10» Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass die erste Diodenzone und die Elektrodenzonen sich von einer Oberfläche des Substrats her über den gleichen Abstand im Substrat erstrecken und über diesen Abstand das gleiche Dotierungsprofil aufweisen.
    11, Feldeffekttransistor nach Anspruch 9» oder 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Diodenzone sich von einer Oberfläche des Substrats her über den gleichen Abstand im Substrat erstrecken und über diesen Abstand das gleiche Dotierungsprofil aufweisen.
    12, Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Torelektrode mit einer Metallschicht verbunden ist, die grösstenteils auf der Isolierschicht liegt und mit der ein Anschlussleiter verbunden werden kann, welche Metallschicht wenigstens teilweise über der Schutzdiode liegt und durch eine öffnung in der Isolierschicht unmittelbar mit einer Diodenzone verbunden ist.
    13· Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Isolierschicht ausser der bereits erwähnten Torelektrode (die erste Torelektrode) noch mindestens eine weitere Torelektrode zwischen den Elektrodenzonen angebracht
    lst. 009838/1530
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    14. Feldeffekttransistor nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Torelektrode mit einer weiteren Schutzdiode mit mindestens einem pn-übergang verbunden ist, während die Durchschiagspannung(en) des pn-Ubergangs (der pn-Ubergänge) höchstens 15 V beträgt (betragen). 15· Feldeffekttransistor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen, die weitere Torelektrode χ
    eine der beiden Elektrodenzonen völlig umgibt, welche Elek- ^ trodenzone völlig neben der weiteren Schutzdiode liegt und diese Diode völlig umgibt.
    16. Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 13 und 15> dadurch gekennzeichnet, dass in einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen, die erste Torelektrode die weitere Torelektrode völlig umgibt und die andere der beiden"Elektrodenzonen die erste Torelektrode völlig umgibt, während zwischen der ersten Torelektrode und der mit dieser verbundenen Schutzdiode wenigstens ein Teil Jj
    der anderen Elektrodenzone liegt.
    17· Feldeffekttransistor nach einem öder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschlagspannung des pn-Ubergangs (der pn-Ubergänge) einer Schutzdiode zwischen 5 und 10 V liegt.
    18. Schaltungsanordnung mit einem Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektrodenzonen elek-
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    - 30 -
    trisch mit einer Schutzdiode verbunden ist, während ein Eingangskreis zwischen dieser Elektrodenzone und der mit der erwähnten Schutzdiode verbundenen Torelektrode und ein Ausgangskreis zwischen den beiden Elektrodenzonen eingeschaltet ist.
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