DE2009431C2 - Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode und mit einer Schutzdiode sowie Schaltungsanordnung mit einem solchen Feldeffekttransistor - Google Patents

Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode und mit einer Schutzdiode sowie Schaltungsanordnung mit einem solchen Feldeffekttransistor

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Feldeffekttransistor dieser Art ist bekannt aus der FR-PS 15 51 956.
bo Feldeffekttransistoren werden in der Regel mit einer Schutzdiode versehen (siehe auch die FR-PS 15 17 240), damit die Isolierschicht unterhalb der Gate-Elektrode beim Auftrelen an sich unerwünschter, aber in der Praxis unvermeidlicher, großer 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 Gate-Elektrode zugeführt werden und die einen Durchschlag der Isolierschicht unterhalb der Gate-Elektrode herbeiführen wurden, 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 40—70 V. Bei Durchschlag der Schutzdiode kann der m Strom durch die Diode z. B. über das Substrat fließen.
Feldeffekttransistoren mit einer Schutzdiode mit einer niedrigen Durchschlagspannung von etwa 40 V sind in »Proceedings of the I.E.E.E.«, Juli 1968, S. 1223 und 1224 beschrieben.
Es hat sich aber herausgestellt, daß trotz des Vorhandenseins der Schutzdiode, sogar wenn diese eine niedrige Durchschlagspannung von etwa 40 V hat, durch das Auftreten unerwünschter hoher Spannungsimpulse der Feldeffekttransistor doch noch schwer >o beschädigt werden kann. Dies ist u. a. auf die Trägheit der Diode zurückzuführen. Das heißt, daß beim Auftreten eines hohen Spannungsimpulses der durch die Gate-Elektrode, die Isolierschicht und das Substrat gebildete Kondensator schneller als die Diode aufgela- >i den wird, so daß ein Durchschlag der Isolierschicht erfolgen kann, bevor die Diode ihre Durchschlagspannung erreicht hat.
Daher ist vorgeschlagen worden, die Gate-Elektrode mit einem Vorschaltwiderstand zu versehen. Dieser Widerstand verzögert die Aufladung der Gate-Elektrode, so daß die Schutzdiode durchschlagen kann, bevo · die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat einen Wert erreicht hat. bei dem Durchschlag der Isolierschicht stattfindet. η
Ein derartiger Widerstand beeinflußt aber nicht nur unerwünschte hohe Spannungsimpulsc. sundern auch die üblichen der Gate-Elektrode /u/uführenden Signale. Dieser Widerstand führt eine Dämpfung herbei und hat insbesondre bei Verwendung von Signalen hoher Frequenz eine ungünstige Wirkung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Feldeffekttransisitor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Schutzdiode einen sicheren Schutz für den Feldeffekttransistor bietet, leicht zu realisieren ist und die üblichen der Gate-Elektrode zuzuführenden Signale nicht nachteilig beeinflußt.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus. diß die oben erläuterten Nachteile erheblich herabgesetzt werden können, wer." eine Schutzdiode mit einer in wesentlich niedrigeren Durchschlagspannung als die der üblichen Schutzdioden verwendet wird, und daß eine solche niedrigere Durchschlagspannung der Schutzdiode für sehr viele Anwendungen eines Feldeffekttransistors nicht nachteilig ist, da beim normalen Betrieb eines ^ solchen Transistors die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat erheblich niedriger bleibt als der Wert, bei dem eine übliche Schutzdiode durchschlägt.
In Anwendung dieser Erkenntnis wird die genannte w> Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen def Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. br>
Der aus der eingangs genannten FR-PS 15 51956 bekannte Feldeffektirjnsistor besitzt als Schutzdiode eine punGh-through-Diode, die zwar eine hohe Schallgeschwindigkeit aufweist. Soll jedoch eine solche punch-through-Diode gleichzeitig eine niedrige Durchschlagspannung aufweisen, so muß der Absund zwischen der Source-Zone und der Diodenzone sehr klein sein und mit größter Genauigkeit eingehalten werden. Diese Forderungen sind der Praxis jedoch kaum zu erfüllen.
Dank der niedrigen Durchschlagspannung der erfindungsgemäß ausgebildeten Schutzdiode kann diese beim Aufladen schnell ihre Durchschlagspannung erreichen und durchschlagen, bevor die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat den Wert det Durchschlagspannung der Isolierschicht erreicht. Weiter wird die Gefahr des Auftretens zerstörend großer Ladeströme verringert und ein mit der Gate-Elektrode in Reihe geschalteter Widerstand überflüssig.
Der Erfindung liegt auch die Erkenntnis zugrunde, daß es zur Erzielung einer befriedigenden Wirkung der Schutzdiode wichtig ist, daß der Widerstand im Feldeffekttransistor in bezug *jf die die Diode durchsetzenden Ströme niedrig ist. Wtrin nämlich dieser Widerstand geringer wird, wirkt die Diode schneller, was bedeutet, dab die Gefahr eines DurchscHags 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 vorzugsweise 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 Widerstand zwischen dieser Elektrodenzone und der Diode geführt werden.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltungsanordnung mit einem Feldeffekttransistor nach der Erfindung, die gemäß Anspruch 15 ausgestattet ist.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. I eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung.
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie Il-!l der Fig. 1 durch diese Ausführungsform.
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 1 durch diese Ausführungsform.
F i g. 4 eine den Feldeffekttransistor nach den Fig. 1—3 enthaltende Schaltungsanordnung.
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer etwas abgeänderten Au;.führungsform.
F i g. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI der F ; g. 5 durch diesen Teil.
i i g. 7 eine Diode, die aus zwei Dioden zusammengesetzt ist und die die Diode D nach F1 g. 4 ersetzen kann.
Fig. 8 eine Dtaufsieht auf einen Fcldefiekttransistor mit zwei Gate-Elektroden (eine sogenannte Tetrode) nach der Erfindung.
F i g. 9 einen S'.hnitt längs eier Linie IXIX der F i g. 8 durch diese Tetrode, und
F i g. 10 eine den Feldeffekttransistor nach den V i g. 8 und 9 enthaltende Schaltungsanordnung
In den Figuren sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Die Fig. 1—3 «igen einen Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, der ein Halbleitersubstrat 2 vom einen Leitungstyp mit zwei an eine Oberfläche 10 des Substrats 2 grenzenden nebeneinander liegenden
Oberflächenzonen 3 und 4 vom anderen Leitungslyp enthält, die als die Eleklrodenzonen des Feldeffekttransistors bezeichnet werden. Auf der Oberfläche IO ist eine Isolierschicht Ii angebracht, auf der sich eine zwischen den Eleklrodenzonen liegende Gate-Elektrode 8 befindet, die mit einer Schutzdiode 6, 7 mit einem pn-Übergang 12 verbunden ist.
Nach der Erfindung beträgt die Durchschlagspannung des pn-Übergangs 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 4 getrennt ist, an die Oberfläche 10 grenzt und eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, während die Diode weiter eine an diese erste Diodenzone grenzende zweite Diodenzone 6 vom einen Leitungstyp enthält, die gleichfalls eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist. Der Teil des pn-Übergangs 12 zwischen diesen Diodenzonen 6 und 7 hat eine Durchschlagspannung von weniger als 15 V.
Drr Teil des nn-Ühergangs 12 zwischen der ersten Diodenzone 7 und dem Substrat 2 hat eine bedeutend höhere Durchschlagspannung, 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 ΙΟΩ-cm aufweist und z.B. p-leitend ist,etwa 40—70 V.
Um dem Feldeffekttransistor befriedigende elektrische Eigenschaften zu geben, ist es erforderlich, daß das Substrat hochohmig ist. Durch die Anbringung der Diodenzone 6. die den gleichen Leitungstyp wie das Substrat 2 aufweist, ist der spezifische Widerstand des Substrats und somit auch die Durchschlagspannung des pn-Überganges 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 Gate Elektrode 8 und dem Substrat 2 angeordnet und schützt die Isolierschicht 11 unterhalb der Gate-Elektrode 8 vor Durchschlag beim Auftreten hoher Spannungsimpulse. Die Isolierschicht 11 unterhalb der Gate-Elektrode 8 hat bei üblichen Feldeffekttransistoren eine Durchschlagspannung von etwa 100 V; dennoch haben sich übliche Schutzdioden mit Durchschlagspannungen von 40—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 Gate-Elektrode 8 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 Hegt 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 1 leitend mit der Elektrodenzone 3 verbinden können, wenn die Zone 6, die den gleichen Leitungslyp wie das Substrat aufweist, aber höher als dieses Substrat dotiert ist und dadurch ί einen Kanalunterbrecher bildet, nicht vorhanden ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist an der Oberfläche 10 die erste Diodenzone 7 völlig von der zweiten Diodenzone 6 umgeben.
Die Gate-Elektrode 8 ist durch die auf der
ίο Isolierschicht liegende Metallbahn 13 mit einer Metallschicht 14 verbunden, an die ein Anschlußleiter angeschlossen werden kann. Die Metallschicht 14 ist durch die Öffnung 15 in der Isolierschicht II mit der ersten Diodenzone 7 verbunden.
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 an die eine Elektrodenzone 3 und der pn-Übergang 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 Elekirodenzone 3 bildet, 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 Anschlußleiter angeschlossen werden kann.
Die zweite Elektrodenzone 4 ist durch eine öffnung 20 in "ler Isolierschicht mit einer Metallschicht 21 verbunden, an die ein Anschlußleiter angeschlossen werden kann.
Die die Diode 6, 7 durchfließenden Ströme folgen einem Stromweg mit niedrigem Widerstand, der keine Teile des hochohmigen Substrats 2 enthält. Dieser Stromweg enthält außer den niederohmigen Diodenzonen 6 und 7 auch noch die Metallschicht 14,den Leiter 16 mit den Elektrodenzonen 3 und die Metallschicht 19. Der niedrige Widerstand führt eine Vergrößerung der Ladegeschwindigkeit an der Diode und eine Verringe· rung der Gefahr eines Auftretens zerstörend großer Ladeströme in der Metallbahn 13 und der Gate-Eleklrode 8 herbei.
Di? Gate-Elektrode 8 bildet mit dem Substrat 2 eine Kapazität, wobei die Isolierschicht 11 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 auf die Diode durchsetzende Ströme herabgesetzt wird, wird die Diode nicht nur schneller
so aufgeladen, sondern es fließt dann auch ein größerer Teil der Gesamtladeströme, die als beiden erwähnten Kapazitäten aufladen, durch die Diode, wodurch die Gefahr eines Auftretens zu großer Ströme in der Bahn 13 und der Gate-Elektrode 8 verringert wird.
Dadurch, daß die Metalischicht 14 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 dieser, Zonen wird dadurch aber etwas vergrößert.
F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung, die einen mil Fbezeichneten Feldeffekttransistor enthält, der mit der Diode D versehen ist. Die Anschlußklemmen, die den Metallschichlen 14, 19 und 21 in den Vorhergehenden Figuren entsprechen, sind mit den gleichen Bezugsziffern wie diese Melalischichten bezeichnet, Die Klemme 19 ist über einen Widerstand R und einen Kondensator C mit Masse verbunden. Der Eingangskreis El ist mit der K,!p;iime Ϊ4 und mit Masse verbunden, oder, weil die Klemme 14 mit der Gate-Elektrode 8 und die Klemme 19 mit der Elektrodenzone 3 verbunden ist, zwischen der Gate-Elektrode 8 und der Elektrodenzo'ne 3, die mit der Diode D verbunden sind, eingeschaltet. Der Ausgangskreis EOisl mit der Klemme 21 und mit Masse verbunden, oder, weil die Klemme 21 mit der Elektrodenzone 4 verbunden ist, zwischen den beiden Elektrodenzonen 3 und 4 eingeschaltet. Impulsförmige Lade· und Durchschlagströme können über Stromwege mit niedrigem Widerstand zwischen der Diode D und Ma«e und 7wi<;rhen der Diode und der Klemme 14 fließen. Die Elektrodenzone 3 gehört also zu der Source-Elektrode und die Eleklrodenzone 4 zu der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors.
Der Feldeffekttransistor kann nur mit Potentialunterschieden zwischen der Gate-Elektrode 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 ist es erwü* seht, 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 in der Vorwärlsrichtung vorgespannt ist.
Daher erhält bei einer besonderen Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung die Schutzdiode zwei pn-Übergänge. Da nur der die Diode enthallende Teil dieser Ausführungsform von der vorhergehenden Ausführungsform abweicht, zeigt F i g. 5 nur eine Draufsicht auf und F i g. 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-Übergang 23 zwischen der dritten und der ersten Diodenzone 22 bzw. 7 eine Durchschlagspannung von höchstens 15 V hat, während die Gate-Elektrode 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 F i g. 4 muß die Diode D durch die Diode nach F i g. 7 ersetzt werden.
Die Fig.5 und 6 zeigen außerdem, daß die Eleklrodenzone 3, die mit der zweiten Diodenzone 6 verbunden ist, an der Oberfläche 10 die zweite Diodenzone 6 völlig umgeben kann. Der pn-Übergang 17 zwischen den Zonen 3 und 5 umgibt dabei die ganze Zone 6 und ist nahezu über seine ganze Länge durch die in der Öffnung 18 liegende Metallschicht 16 kurzgeschlossen. Durch diese Konfiguration wird der elektrische Widerstand zwischen den Zonen 3 und 6 herabgesetzt.
Die beschriebenen Feldeffekttransistoren können
VOi ι ig SUi l!i_MtCii C »*■ CiSC S115 ut/i!\<itSn iTi3t£i*iSij£ii hergestellt werden.
Das Substrat 2 besteht z. B. aus einem einkristallinen p'leitenden Siliciumkörper mit einem spezifischen Widerstand von IO Ω · cm. Die Zonen 3,4 und 7 können durch Diffusion von Phosphor erhalten und n-leilend sein, eiiie Dicke von etwa 2,5 μπι und eine Oberflächenkonzentration von etwa 1018 Phophoratomen pro cmJ aufweisen. Die Zone 6 oder die Zonen 6 und 22 können durch Diffusion von Bor erhalten und p + -leilend sein, eine Dicke von etwa 1 μηι und eine Öberflächenkonzentration von etwa 1020 Boratomen/cm3 aufweisen. Die weiteren Abmessungen der Zonen können auf übliche Weise in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften des herzustellenden Feldeffekttransistors gewählt werden. Die pn-Übergänge 12 und 23 weisen Durchschlagspannungen von etwa 8 V auf.
Die erste Diodenzone 7 und die Elektrodenzonen 3 und 4 werden der Einfachheil halber vorzugsweise gleichzeitig angebracht. Die erste Diodenzone 7 und die Elpktmdenzonen 3 und 4 erstrecken sich dann von der
in Oberfläche 10 ciet .SuhilrnK 2 her iihpr Hpn nlpirhpn Abstand im Substrat 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 11 kann z. B. aus Siliciumoxyd oder Siliciumnitrid bestehen, während die erwähnten Leiter und Melalischichten und -Bahnen aus Aluminium bestehen können.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist die zweite Diodenzone 6 dünner als die erste Diodenzone 7. Die Diodenzone 6 kann aber auch die gleich 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 6 angebracht sein.
Eine Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich weiterhin auf Feldeffekttransistoren mit mehr als einer Gate-Elektrode auf der Isolierschicht und zwischen den Elektrodenzonen, z. B. eine Tetrode (zwei Gate-Elektroden). Bei einer Tetrode wird eine der beiden Gate-Elektroden (als »weitere Gate-Elektrode« bezeichnet) zur Einstellung des Feldeffekttransistors verwendet, wobei vielfach an den beiden Gate-Elektroden sowohl positive als auch negative Potentiale gegenüber dem Substrat auftreten. Die andere der beiden Gate-Elektroden (als »erste Gate-Elektrode« bezeichnet), der beim Betrieb die Eingangssignale zugeführt werden und an die auch nicht zu vermeidende unerwünschte große Spannungsimpulse beim Betrieb gelegt werden können, ist vorzugsweise mit einer Schutzdiode mit zwei pn-Übergängen, wie der Diode 22,7,6 nach den F i g. 5 und 6. verbunden.
"Die Möglichkeit, daß beim Betrieb der weiteren Gate-Elektrode unerwartete große Spannungsimpulse zugeführt werden, ist vernachlässigbar. Es ist aber möglich, daß die weitere Gate-Elektrode statisch aufgeladen wird, wodurch die Isolierschicht unterhalb dieser Gate-Elektrode durchschlagen könnte. Daher ist vorzugsweise auch die weitere Gate-Elektrode mit einer Schutzdiode verbunden. Diese Diode hat vorzugsweise auch zwei pn-Übergänge, deren Durchschlagspannung höchstens 15 V beträgt
Die Fig.8 und 9 zeigen eine Ausführungsform einer Tetrode nach der Erfindung, bei der die weitere Gate-Elektrode 9 mit "einer Schutzdiode 30, 31, 32 mit zwei pn-Übergängen 33 und 34 verbunden ist.
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iiici ον,ΐΐΐΐΛΧ JIIIt UCI g
rungsform besteht darin, daß zwischen den Elektroden-
zonen 3 und 4 eine weitere Zone 5 vom anderen Leilungstyp liegt, die gleichzeitig mit den Elektrodenzonen 3 und 4 angebracht sein kann. Die weitere Gate-Elektrode 9 ist auf der Isolierschicht 11 zwischen den Zonen 5 und 4 angebracht, während die erste Gate-Elektrode 8, die der Gate-Elektrode 8 der vohergehencien Ausführungsform entspricht, auf der Isolierschicht Il zwischen den Zonen 5 und 3 angebracht ist. Die Elektrodenzone 4 weist eine öffnung 40 zur Aufnahme der Schutzdiode 30, 31, 32 •lif. Diese Diode hat eina ähnliche Struktur wie 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 Gate-Elektrode 9 die Elektrodenzone 4 völlig, wobei die Elektrodenzone 4 völlig neben der weiteren Schutzdiode 30, 31, 32 liegt und diese Diode vollständig umgibt. Die Elektrodenzonc 4 ist von den Diodenzonen 30, 31, 32 getrennt.
Die Diodenzone 32 ist nicht, wie die entsprechende Diodenzone 6, mit der Elektrodenzone 3 verbunden. Die Diode 30, 31, 32 ist zwischen der Gate-Elektrode 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 ßedeutung als für die Diodenzone 6, weil die Diode 30, Jl, 32 nur vor Durchschlag infolge auftretender !tauscher Ladungen schützt, die keine großen Ströme hervorrufen.
Die weitere Gate-Elektrode 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 Gate-Elektrode 8 die weitere Gate-Elektrode 9 vollständig, während die Elektrodentone 3 die erste Gate-Elektrode 8 völlig umgibt. Zwischen der ersten Gate-Elektrode 8 und der mit dieser verbundenen Schutzdiode 22, 7, 6 liegt die Elektrodenzone 3.
Auch in der Ausführungsform nach den Fig.8 und 9 kann die Elektrodenzone 3 die Diode 22, 7, 6 völlig umgeben, wie in den F i g. 5 und 6 dargestellt ist.
Fig. 10 zeigt eine Schaltungsanordnung der in F i g. 4 dargestellten Art, die einen Feldeffekttransistor nach den Fig.8 und 9 enthält. Die Diode30,31,32 ist mit D1 bezeichnet i*nd die Anschlußklemme 35 entspricht der Metallschicht 35, die mit der weiteren Gate-Elektrode 9 verbunden ist. An die Anschlußklemme 35 können Potentiale zur Einstellung des Feldeffekttransistors gelegt werden. In dieser Schaltungsanordnung ist die Zone 3 die Source-Zone und die Zone 4 die Drain-Zone. Für eine Anzahl von Anwendungen des Feldeffekttransistors nach den Fig.8 und 9 reichen Schutzdioden
(0 mit nur einem einzigen pn-Überzug aus. Die Diodenzonen 22 und 30 können dann z. B. fortgelassen werden, wobei die Gate-Elektrode 8 über die Metallschicht 14 mit der Diodenzone 7 und die Gate-Elektrode 9 über die Metallschicht 35 mil der Diodenzone 31 verbunden ist.
Die Elektrodenzonen können völlig oder teilweise ineinandergreifende kammartige Zonen sein, wobei die Gate-Elektrode(n) mäanderförmige Teile aufweisen. Die mit der Elektrodenzone 3 (Source) verbundene Metallschicht 19 kann in geringerer Entfernung von der
2ö Schutzdiode 6, 7 oder 22, ö, 7 angebracht sein als in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist, damit der Stromweg über diese Diode zwischen den Metallschichten 14 und 19 verkürzt und somit der elektrische Widerstand dieses Stromweges herabgesetzt wird. Erforderlichenfalls kann die Diodenzone 32 (Fig. 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 b s zu der Elektrodenzone 3 reicht und mit dieser Zone kurzgeschlossen ist. Dieser streifenförmige Teil der Diodenzone 32 kreuzt dann die Elektrodenzone 4 und die Zone 5, und weil dieser Teil, ebenso 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 4 und 5 herabgesetzt werden, was zulässig sein kann, wenn der Feldeffekttransistor mit niedrigen Spannungen betrieben wird. Ferner können die Dioden 30, 31, 32 zwischen den Zonen 5 und 4 angebracht sein.
zu welchem Zweck der Abstand zwischen diesen Zonen örtlich vergrößert sein kann. Die Wirkung des Teiles des Feldeffekttransistors an der Stelle diese« Diode ist dann weniger befriedigend, was aber bei sehr langen Gate-Elektroden 8 und 9 keine besondere Schwierigkeiten herbeizuführen brauchL Außerdem können statt der erwähnten Materialien andere übliche Materialien verwendet werden und kann der Halbleiterkörper z. B. aus einer III-V-Verbindung bestehen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode, der ein Halbleitersubstrat von einem Leitungstyp mit zwei an eine Oberfläche des Substrats grenzenden, nebeneinander liegenden Oberflächenzonen vom anderen Leitungstyp als Elektrodenzonen enthält, wobei auf der Oberfläche eine Isolierschicht angebracht ist, auf der sich die zwischen den Elektrodenzonen liegende Gate-Elektrode befindet, die mit einer Schutzdiode mit einer an die Oberfläche des Substrats grenzenden ersten Diodenzone des anderen Leitungstyps und einem zwischen der ersten Diodenzone und einem an die erste Diodenzone und eine Elektrodenzone angrenzenden Bereich des einen Leitungstyps vorhandenen PN-Obergang verbunden ist, wobei der zwischen dem genannten Bereich und der angrenzenden einen Elektrodenzone gebildete PN-Übergang mit einem auf der Oberfläche des Substrats angeordneten Leiter kuizgeschlossen ist. dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Bereich als zweite Diodenzone eine Oberflächenzone (6) aufweist, die höher als das Substrat (2) dotiert ist und die an die erste Diodenzone (7) sowie an die eine Elektrodenzone (3) angrenzt und die mit dem auf der Substratoberfläche angeordneten Leiter (16) verbunden ist, und daß die Durchschlagspannung des PN-Übergangs (12) zwischen der ersten und der zweiten Diodenzone höchstens 15 Volt beträgt.
2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diodenzone (7) an der Oberfläche (10) uie erst- Diodenzone (7) völlig umgibt.
3. Feldeffekttransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der zweiten Diodenzone (6) verbundene eine Elektrodenzone (3) an der Oberfläche die zweite Diodenzone völlig umgibt.
4. Feldeffekttransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dioden/onc (7) mit der Gate-Elektrode (8) verbunden ist.
5. Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode eine dritte Dioden/one (22) vom einen l.eitungstyp enthält, die eine im Halbleitersubstrat völlig von der ersten Dioden/one (7) umgebene Oberflächen/one ist. die eine höhere Dotierung als das Substrat aufweist, daß der pn-übergang /wischen derdriiicn und der ersten Diodenzone eine Durchschlagspannung von höchsiens 15 V hat. und daß die Gate-Elektrode (8) mit der dritten Dioden/one verbunden ist.
b Feldeffekttransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dioden/one (7) und die Elektrodenzonen (3, 4) sich von einer Oberfläche des Substrats her über den gleichen Absland im Substrat erstrecken und über diesen Abstand das gleiche Dotieriingsprofil aufweisen.
7. Feldeffekttransistor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite (6) und die dritte (22) Diödenzone sich von einer Oberfläche des Substrats her über den gleichen Abstand im Substrat erstrecken und über diesen Abstand das gleiche Dotierungsprofil aufweisen.
8. Feldeffekttransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gate-Elektrode (8) mit einer Metallschicht (14) verbunden ist, die größtenteils auf der Isolierschicht liegt und mit der ein Anschlußleiter verbunden werden kann, und daß die Metallschicht wenigstens teilweise über der Schutzdiode liegt und durch eine Öffnung (15) in der Isolierschicht unmittelbar mit einer Diodenzone (7) verbunden ist.
9. Feldeffekttransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß auf der Isolierschicht außer der Gate-Elektrode (8) (der ersten Gate-Elektrode) noch mindestens eine weitere Gate-Elektrode (9) zwischen den Elektrodenzonen angebracht ist.
10. Feldeffekttransistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Gate-Elektrode (9) mit einer weiteren Schutzdiode (30, 31, 32) mit mindestens einem pn-Übergang verbunden ist, und daß die Durchschlagspannung^) des pn-Übergangs (der pn-Übergänge) höchstens 15 V beträgt (betragen).
11. Feldeffekttransistor nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß in einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen, die weitere Gate-Elektrode (9) eine der beiden Elektrodenzonen (4) völlig umgibt, und daß die genannte Elektrodenzone völlig neben der weiteren Schutzdiode (30,31,3"·) liegt und diese Diode völlig umgibt.
12. Feldeffekttransistor nach Anspruch 9, 10 oder 11. dadurch gekennzeichnet, daß in einer zu der Isolierschicht nahezu senkrechten Richtung gesehen, die erste Gaie-Elektrode (8) die weitere Gate-Elektrode (9) völlig umgibt und die andere (3) der beiden Elektrodenzonen die erste Gate-Elektrode völlig umgibt, und daß zwischen der ersten Gate-Elektrode (8) und der mit dieser verbundenen Schutzdiode (22, 7, 6) wenigstens ein Teil der anderen Elektrodenzone (3) liegt.
13. Feldeffekttransistor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagspannung des pn-bbergangs (der pn-Übergänge) einer Schutzdiode zwischen 5 und 10 V liegt (liegen).
14. Schaltungsanordnung mit einem Feldeffekttransistor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangskreis /wischen der einen, mit einer Schutzdiode (6, 7) verbundenen Elektroden/one (3) und der mit dieser Schutzdiode verbundenen Gate-Elektroc/e (8) und ein Ausgangskreis zwischen den beiden Elektrodenzonen (3,4) eingeschaltet ist.
DE2009431A 1969-03-01 1970-02-27 Feldeffekttransistor mit isolierter Gate-Elektrode und mit einer Schutzdiode sowie Schaltungsanordnung mit einem solchen Feldeffekttransistor Expired DE2009431C2 (de)

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