DE2012173C - Monolithisch integrierbare Schaltung zum Schalten eines vierschichtigen Halbleiterelementes - Google Patents

Description

Haibleiterelements mit der anderen Basis/one des vierschichtigen ersten Haibleiterelements verbunden ist und daß die Strom-Spannungs-Kennlinien des zweiten Haibleiterelements und der den zusätzlichen injizierenden Übergang enthaltenden Vierschichtenanordnung des vierschichtigen ersten Haibleiterelements sich in einem Punkt schneiden, von dem ab die Strom-Spannungs-Kennlinie des zweiten Haibleiterelements rechts von der Strom-Spannungs-Kennlinie der Vierschichtenanordnung bleibt, wodurch der Strom des zweiten Haibleiterelements begrenzt ist.

Als Halbleiterelement zur Einleitung des Einschaltvorgangs bei der vorgegebenen Schaltspannung kann ein bei der Schaltspannung durchbrechendes Zener-Dioden-Element verwendet werden, so daß der injizierende Übergang des vierschichtigen Festkörperdements in Reihe mit einer Zone bzw. einer Elektrode des in Sperrichtung gepolten pn-Übergangs des Zener-Dioden-EIements mit der betreffenden Basiszone des vierschichtigen Festkörperelements verbunden ist.

Eine weitere Verminderung der Verlustleistung kann durch Verwendung eines Vierschicht-Dioden-Klements als den Einschaltvorgang bei der vorgegebenen Schaltspannung einleitenden Haibleiterelements erreicht werden, wobei der injizierende Übergang des vierschichtigen Haibleiterelements in Reihe mit den beiden Emittern und dem in Sperrichtung gepolten mittleren pn-übergang cL > Vierschicht-Dioden-Elements verbunden ist. In bezug auf die Verlustleistung ist diese Ausführungsform also derjenigen mit einem Zener-Dioden-Element an Stelle des Vierschicht-Dioden-Elements vorzuziehen.

Die monolithisch integrierbare Schaltung nach der Erfindung ist nun besonders günstig als monolithisch integrierte Festkörperschaltung.dadurch zu realisieren, daß das vierschichtige Halbleiterelement als lateraler Thyristor ausgebildet wird und eine Zone mit der an den zusätzlichen injizierenden Übergang angrenzenden Emitterzone eine gemeinsame Zone bildet. Laterale Thyristorstrukturen sind aus der USA.-Patentschrift 3 307 079 bekannt. Der Hauptstromfluß erfolgt wie bei Lateral-Transistoren nicht senkrecht, sondern parallel zur Oberflächenseite der verwendeten Halbleiterplättchen.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem, das Lösungsprinzip und die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem bei der Schaltspannung durchbrechenden Halbleiterelement in Form eines vierschichugen Haibleiterelements wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, in der

F i g. 1 zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems dient,

Fig. 2 das Prinzip der monolithisch integrierbaren Schaltung zur Lösung der gestellten Aufgabe veranschaulicht,

Fig. 3 die Strom-Spannungs-Kennlinien des aus den Schichten 10, 2, 7 und 12 gebildeten ersten vierschichtigen Halbleitereiements und des zweiten vierschichtigen Halbleiterclements (6) der F i g. 2 zeigt, die • Fig. 4 bis 6 zur Erläuterung der Struktur der bevorzugten Aufführungsform der Erfindung, der Herstellung und Wirkungsweise einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung für eine integrierbare Schaltung dienen und die

Fig. 7 bis 9 Strom-Spannungs-Kennlinien für das bevorzugte Ausführuiigsbeispiel in Form einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung zeigen.

Nach der Fig I wird der Strom eines Verbraucher«. L in einem Verbraucherstromkreis 3 mittels eines vierschichtigen Haibleiterelements mit Kathode K, Anode A und Steuerelektrode G ein-

geschaltet. Der Verbraucherstromkreis 3 enthält im Bedarfsfalle selbstverständlich Mittel zum Ausschalten des Verbraucherstroms, weiche Mittel das vier schichtige Halbleiterelement wieder in den hochohmigen Schaltzustand bringen. Diese bewirken ein

ίο Absenken des durch das vierschichtige Halbleiterelement fließenden Stroms unter einen bestimmten Haltestrom bei einer kleineren Spannung als die Durchbruchspannung. Zum Ausschalten des vierschichtigen Halbleiterelements im Verbraucherstrom-

kreis 3 können auch Schaltungsmaßnahmen angewendet werden, welche über zusätzliche Steuerelektroden am Halbleiterelement eine Löschung bewirken. Derartige Maßnahmen gehören zum Stand der Technik und sind nicht Gegenstand der Erfir,-dung. In der Schaltung gemäß d· Fig. 1 liegt femer an der Gitterelektrode G des viers Wichtigen Haibleiterelements ein RC-G\\ed derart, daß bei Einschalten des Schalters 13 die Spannung an der Gitterelektrode G sich der Einschaltspannung des vierschichtigen Haibleiterelements 1 nähert. Normalerweise weist ein vierschichtiges Halbleiterelement, wie es auch als Thyristor bezeichnet wird, als Steuerelektrode einen sperrfreien Kontakt an einer der ■ beiden Basiszonen auf.

Bei der Schaltung wird jedoch bei der Ausführungsfonn gemäß der Fig. 2 ein vierschichtiges Halbleiterelement mit einer Gitterelektrode verwendet, welche mit einer Basiszone einen injizierenden Übergang 4 bildet. Dieser injizierende Über-

gang kann sowohl als Metall-Halbleiter-Übergang als auch durch eine halbleitende Zone gebildet werden. Derartige vierschichtige Halbleitcrelemente sind aus den deutschen Offenlcgungsschriften 1 489 092 und 1 514 138 bekannt.

Der injizierende Übergang 4 wird im Bereich der Minoritätcndiffusionslänge bezüglich des in Sperrrichtung betriebenen und zwischen den beiden Basiszonen 2 und 7 liegenden pn-Überpangs angeordnet, so daß der Einschaltvorgang durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern in den in Sperrichtung betriebenen Übergang des vierschichtigen Haibleiterelements bzw. des Thyristors 1 erzielt wird. In einer Schaltung wird nun gemäß der F i g. 2 der injizierende Übergang 4 des ersten vierschichtigen HaIb-

leiterelements i mit dem ersten Emitter des zweiten vielschichtigen Haibleiterelements 6 verbunden. Auch dieser Emitter kann natürlich unter Verwendung eines Metall-Hp'bleiterkontaktes hergestellt werden. Während der Emitter 5 und der injizierende Übergang 4 an Basiszonen gleichen Lcitfähigkeitstyps angrenzen, wird der andere Emitter 8 des zweiten vierschichtigen Halbleiterelements £ mit der anderen Basiszone des ersten vierschichtigen Haibleiterelements 1 verbunden.

Die Anordnung gemäß der F i g. 2 schaltet bei einer Schaltspannung ein, welche durch die Durchbruchspannung f',j_Z des zweiten Haibleiterelements 6 gegeben ist. Bei dieser Spannung wächst der durch das zweite Halbleiterelement δ fließende Strom und damit der vom Emitter 10 in den mittleren pn-übergang injizierte Minoritätenstrom im ersten Halbleiterelement 1 an, wodurch dieses lawinenartig eingeschaltet wird.

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F i g und 2 ist olm^weiteres zu erkennen, daß eine L Entladung des Kondensators C ein relativ

raumsparende Ausbildung der Schaltung nac g in Form einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung möglich. An Hand der Fig. 3 ist erkennbar daß an Stelle eines zweiten vierschichtigen Hal'bleiterelements auch ein zweischichtiges Halbd d k lches als

relativ kleinem Halbleiteroberflächenbedarf dadurch hergestellt werden, daß d.e Zonen bei Aufsicht auf

SSiusihSeiiWeiteiHe »die Halbleiteroberfläche stern- oder k.mmformig

Sirombcgrenzuni leicht zerstören kann. Da bei der ausgcb.ldet werden, we be, Leistungstrans.s.oren Schaltung nach Fig. 2 eine Überlastung auch eines bekannt ,st.

scSchdimensioniertenzweitenHalbleiterelementso Wie die Fig. 5 veranschaulicht, «t ™r ^nMc -

leicht ausgeschlossen werden kann, ist eine sehr lung der Durchbruchspannung an der Oberfläche cIls raumsparende Ausbildung der Schaltung nach Fig. 2 >_s zwe.ten Halbleiterelemcntsü eine Zundzone 26 vori F einer monolithisch integrierten Halbleiter- gesehen. Damit kann ohne weiteres eine der Durchbnichspannung des pn-Übergangs 9 entsprechend·· Schaltspannung von wenigen Volt eingestellt werden.

Halbleiterelements auch ein zweischichtiges Halb wenn die zur Herstellung von monolithischen Halb lehrelement verwendet werden kann, welches als 30 lcitcrschaltungcn herkömmlicher Bauart üblichen Zenerdiode ausgebildet ist. Die Kennlinie der Zener- PlanardifTusionsprozesse angewendet werden, el Ii diode muß aber die Kennlinie 14 des ersten vier- Emitterdiftusion, Basisdiffusion und IsolationsdilTi: schichtigen Halbleiterelements 1 derartig schneiden, sion. Diese drei Diffusionen reichen bereits aus tin· daß oberhalb eines Punktes S die Kennlinie der eine Planarstruktur gemäß der Fig. 5 herzustclln· Zcncrdiodc in möglichst großem Abstand rechts der 35 Es werden nämlich die Zonen 11, 7 und 19 glen h Kennlinie 14 bleibt was die Bedingung für die zeitig bei der BasisdifTusion und die Zonen 12, 8 tu; Strombearenzerwirkung ist. Zu diesem Zweck kann i h dh i

die Zenerdiode auch mit einem ohmschen Widerstand hintereinandergeschaltet werden oder eine Zenerdiode mit hohem Innenwiderstand verwendet 40 werden

Die Schaltung nach Fig. 2 ist ferner durch eine relativ einfach ausgebildete monolithische Halbleiter-

schaltung realisierbar wie an Hand des bevorzugten üblich, der Anodenkontakt A, derKathodenkonl Ausführungsbeispiels nach den Fig. 4 bis 6 der 45 und weitere Kontakte 20 und 21 angebracht, ο Zeichnung erläutert wird. denen die letzteren beiden Kontakte 20 und 21 tlt;f

Die Fig 4 stellt ausschnittweise und im Quer- eine metallische Leitbahn auf der Oxydschidii Γν schnitt eine'solche monolithische Halbleiterschaltung verbunden sind, wie durch die Verbindung 22 a,·;-dar deren Ausbildung bis auf die Kontaktierung dei deutet ist. An der Metallisierung 24 des endschaltung und geringfügigen Abwandlungen im 50 körpers 17 wird die Gitterelektrode G angebracht. Prinzip bekannt ist. Die Struktur gemäß der Fig. 4 Da die Gitterelektrode G über eine Spannung ρ

unterscheidet sich nämlich bis auf die Zone 11 im steuert wird, muß das Halbleiterelement 6, wckt. Schnitt prinzipiell nicht von einer monolithischen in Verbindung mit dem Grundkörper 17 als Vr ■ Halbleiterschaltung mit zwei integrierten Planar- schichtdiode arbeitet, möglichst kleine Zündstr ^n transistoren bei 1 und 6, welche gleichstrommäßig 55 besitzen im Gegensatz zu dem als lateraler Thyriv.« mittels Isolierringzonen 18, welche eine Epitaxial- ausgebildeten vierschichtigen Halbleiterelemer« J schicht 16 auf einem Grundkörper 17 vom entgegen- welches in einem gewissen Spannungsbereich im■■:<. gesetzten Leitfähigkeilstyp in bezug auf die Epitaxial- halb der Durchbruchspannung [/, _z unempfimi'-c schicht durchdringen, voneinander getrennt sind. gegen raschen Spannungsanstieg und Spannung Normalerweise stellt jeder integrierte Planartransistor 60 spitzen sein sollte. Diese Forderung wird dadurc bereits ein vierschichtiges Halbleiterelement dar. F.r erfüllt, daß der als Emitterzone 12 ausgebildel kann jedoch als solcher nur verwendet werden, wenn Emitter des vierschichtigen Halbleiterelemenls zwischen dem Emitter und dem Grundkörper 17 eine über den Kathodenkontakt K an der dem Anodci entsprechende Spannung abfällt. Da der Zweck der kontakt A abgelegenen Seite mit der benachbarte Struktur gemäß der Fig. 4 mit Isolierringzonen 18 65 Basiszone 7 an der Halbleiteroberfläche einen Kur icdt th (lic clciclislromniäßigc Trennung der beiden schluB bildet, wodurch ein bestimmter Baiisbahi Planartransistorslrukturcn ist, dürfen im Betrieb widerstand /um Kontakt 20 erhalten wird. Der Vn /wischen den Kollcktor/oncn der Planartransistoren teil ist, daß Haltestrom und Zündstrom von d

zeitig bei der BasisdifTusion und die Zonen 12, 8 26 bei der Emitterdifiusion hergestellt, was durch gleichen Diffusionstiefen der Zonen veranschau!i> I werdensoll.

Fig. 6 veranschaulicht die Kontaktierung im. Schaltung der Anordnung zu einer Halbleiters! Ii·> tung gemäß der Fig. 2. In Durchbrüchen der Isoli. t schicht 23 sind, wie bei Planarhalbleiterbauelcmer.u üblich, der Anodenkontakt A, derKathodenkonlnki i k 2 d 2 bh

gleichen Größenordnung sind. Dei ISasisbalinwiderstaiul wird somit durch die Breite tier Fmitter/ouc 12 liestimmt.

Die Basiszone 2 lies ersten 1 lalbleiterelements j besitzt das um eine Flußstrecke niedrigere Anodenpolential ('„, und der Gnindkörper 5 das l'otential l,,,. Im Falle U₁₁₁ > U₁₁ ist der pn-Üliürgang 4 in Sperrichtung gepoll. Der Fall U₁, > U_n , tritt dann aiii, wenn beispielsweise nur ein entsprechendes Potential an Gitterelektrode (! und K.alhodenelel;-trode K angelegt wird, lirreieht das /weite Halbleiterelement 6 den Zündslrom des ersten Halbkiterelemenls .1. so wird der Strom \on der aus ilen Zonen 12, 7, 2 und IO gebildeten Vierschiehlenanordnung übernommen. Das Halbleiterelement 6 kann daher so dimen.-,ioiiiert werden, daß es nur den Ziindslroni des Halbleiterelements I. aushallen muß. Das als Vierschichtdiode ausgebildete Halbleiterelement 6 kann daher bei einer Anordnung gemäß der F i g. d niemals überlastet werden.

Die Fig. 7, 8 und ¹J zeigen Strom-Spannungs-Kennlinien für das bevorzugte Ausführungsbeispiel einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung in einem quadratischen Halbleiterplättchen von 11,6 mm Kantenlänge. Die Durchbruchspannung des HaIbleiterelements 1 betrug U_s/ (Ί8 V und die Durchbruchspannung des zweiten Halbleiterelements 6 'Ai/ ^. 7 V· welches in einer Schaltung gemäß det Fig. I betrieben wurde. Die Gitterstrom-Gitterspanmmgs-Kennlinic für /, 0 gemäß der Fig. 7 läßt deutlich den Punkt 25 erkennen, oberhalb dessen der Strom durch das Halbleiterelement 6 dadurch begrenzt ist, daß der Hntladungsstrom des Kondensators C über den nn-Übergang 4 des Halbleiterelements 1 Hießt. Die Fig. S zeigt die Anodensiroin-Anodenspannungs-Kennlinie für /,, 0, wahrend die Fig. ⁽) die Anodenstrom-Ciitterstrom-Kennlinie für t/,_A größer als 2 V und I_n 3 mA zeigt, d.h. mit dem Halbleiterelement 6 im Sattigungsbcreicli und U \_K oberhalb der Ausschaltspannung.

Mit den angegebenen Mitteln läßt sieh also mit sehr geringem Aufwand eine Zeitverzügerungssdial-Hmg mit sehr kleinen F.inschaltzeiten aufbauen, wobei das als Vierschichtdiode ausgebildete Halbleiterelement 6 nicht überlastet werden kann. Aul Giund des geschilderten Strombegrenzungsmechanisnuis kann über die Gitler-Kathoden-Slrecke die gleiche Leistung geschalte! werden wie über die Kathoden-Anoden-Strecke. Auf Grund dieses Vorteils ei gibt sich bei der Verwirklichung der Schaltung n.ich Fig. 2 in Form einer monolithischen Halbleiterschaltung ein sehr geringer Bedarf an llalbleiterlläche und Material, etwa gegenüber einem reir lateao ralcn Aufbau, da das Halbleiterelement 1 im \ erbraucherstromkreis als lateraler Thyristor uiui im Ciilterkreis im Bereich der Strombegrenzung aK normaler Thyristor mit Stromlluß senkrecht zur Halbleiteroberfläche arbeitet. Das Ausführungsbeispu■! in »5 Form der beschriebenen monolithischen HaIbU ^i;'ischaltung weist den Vorteil einer einfachen Verdrahtung und Kontaktierung durch nur zwei · erbindungen auf, beispielsweise in Form von TIn■■■::> <)-kompressionsverbindungcn, da der Grundköqxi ·ικ Anode darstellt. Der Zuleitungswiderstand ist p-- i-i Die Zonenfolgcn bei der beschriebenen m n· lithischcn Halbleiterschaltung können naturg' · ilauch vom entgegengesetzten I.eitfähigkeilstyp wi¹ schildert gewählt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 2 die die eine Emitterzone (12) des ersten HaIb- Patentansprüche: leiter;lements (1) kontaktierende Kathodenelektrode (K) mit der der Emitterzone (12) benach-

1. Monolithisch integrierbare Schaltung zum barten Basiszone (7) an der Halbleiteroberfläche Schalten eines vierschichtigen, in einem Ver- > einen Kurzschluß bildet,
braucherstromkreis angeordneten ersten Halbleiterelements, dessen eine von i_wei Basiszonen

im Bereich der MinoritätsträgerdifTusior.slänge zu —

dem den beiden Basiszonen gemeinsamen pnübergang mit einem zusätzlichen, Minoritäts- io

träger injizierenden Übergang versehen ist, an Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierden die Signalspannung angelegt ist, bei der zum bare Schaltung zum Schalten eines vierschichtigen, in Schalten des vierschichtigen ersten Halbleiter- einem Verbraucherstromkreis angeordneten ersten elements bei einer unterhalb seiner Durchbruch- Halbleii;relements, dessen eine von zwei Basiszonen spannung vorgegebeiKn Schaltspannung der 15 im Bereich der Minoritätsträgerdiffusionslänge zu injizierende Übergang mit einer in Sperrichtung dem den beiden Basiszonen gemeinsamen pn-Übergepolten Sperrschicht eines bei der Schaltspan- gang mit einem zusätzlichen, Minoritätsträger injizienung unterhalb der Durchbruchspannung des render. Übergang versehen ist, an den die Signalvierschichtigen erste 1 Halbleiterelements durch- spannung angelegt ist, bei der zum Schalten des brechenden zweiten Halb'eiterelements in Reihe ao vierschichtigen ersten Halbleiterelements bei einer liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der unterhalb seiner Durchbruchspannung vorgegebenen nicht mit dem injizierenden Übergang (4) ver- Schaltspannung der injizierende Übergang mit einer bundene Anschluß des zweiten Halbleiterelements in Sperrichtung gepolten Sperrschicht eines bei der (6) mit der anHeren Basiszone (7) des vierschich- Schaltspannung unterhalb der Durchbruchspannung tigen ersten Halbleiterelements verbunden ist und 25 des vierschichtigen ersten Halbleiterelements durchdaß die Strom-Spannungs-Kennlinien (14, 15) des brechenden zweiten Halbleiterelements in Reihe liegt, zweiten Halbleiterelements (6) und der den zu- Aus der schweizerischen Patentschrift 438 493 ist sätzlichen injizierenden Übergang enthaltenden ein in einem Verbraucherstromkreis angeordnetes Vierschichtenanordn-mg (10, 2, 7, 12) des vier- vierschichtiges Halbleiterelement bekannt, dessen schichtigen ersten Halbleiterelements (1) sich in 30 eine von zwei Basiszonen im¹ Bereich der Minoritätseinem Punkt (S) schneiden, von dem ab die trägerdiffusionslänge zu dem den beiden Basiszonen Strom-Spannungs-Kennlinie (15) des zweiten gemeinsamen pn-übergang mit einem zusätzlichen, Halbleiterclements (6) rechts von oer Strom- Minoritätsträger injizierenden Übergang versehen ist, Spannungs-Kennlinie (14) der Vierschichten- an den die Signalspannung angelegt wird,
anordnung (JO, 2, 7, 12) bleibt, wodurch der 35 Ferner ist aus der französischen Offenlegungs-Strom des zweiten Halbleiterelements (6) be- schrift 2 010 185, welche der älteren deutschen grenzt ist. Patentanmeldung P 19 27 834.3 entspri :ht, bekannt,

2. Monolithisch integrierbare Schaltung nach daß zum Schalten eines vierschichtigen Festkörper-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elements bei einer unterhalb seiner Durchbruchzweite Halbleiterelement (6) eine Zenerdiode ist. 40 spannung vorgegebenen Schaltspannung in Reihe mit

3. Monolithisch integrierbare Schaltung nach dem injizierenden Übergang ein bei einer Schalt-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spannung unterhalb der Durchbruchspannung des zweite Halbleiterelement (6)' eine Vierschicht- vierschichtigen Festkörperelements durchbrechendes diode ist. zweites Halbleiterelement verwendet werden kann.

4. Monolithisch integrierbare Schaltung nach 45 Bei dieser Schaltung ist der nicht mit dein injizie-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß renden Übergang verbundene Anschluß des zweiten das erste Halbleiterelement (1) als lateraler Halbleiterelements mit der im Verbraucherstromkreis Thyristor und das zweite Halbleiterelement (6) liegenden äußeren Emitterzone des ersten vlerschtchals Zenerdiode ausgebildet ist, deren eine Zone tigen Halbleiterelements verbunden. Zur Begrenzung mit der den zusätzlichen injizierenden Über- 50 des durch das zweite Halbleiterelement beim Eingang (4) bildenden Emitterzone (10) des ersten schalten des ersten Halbleiterelements fließenden Halbleiterelements (I) eine gemeinsame Zone Stromes liegt ein Widerstand in Reihe mit dem bildet. zweiten Halbleiterelement. Dieser Begrenzungswider-

5. Monolithisch integrierbare Schaltung nach stand hat den Nachteil, daß er den Einschalivorgang Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß 55 verlangsamt.

das erste Halbleiterelement (1) als lateraler Der Erfindung hegt das Problem zugrunde, ein Thyristor und das zweite Halbleiterelement (£) vierschichtiges Festkörperelement in einem Verals Vierschichtdiode ausgebildet ist, deren erster braucherstromkreis möglichst schnell bei einer vorEmitter (5) mit der den injizierenden Übergang gegebenen Schaltspannung einzuschalten. Die dazu (4) bildenden Emitterzone (10) des ersten Fest- 60 verwendete Schaltung soll mit dem vierschichtigen körperelements (1) eine gemeinsame Zone bildet. Festkörperelement möglichst einfach monolithisch

6. Monolithisch integrierbare Schaltung nach integrierbar sein, wobei eine möglichst große Leistung Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in bezug auf die Oberfläche der Festkörperschaltung mittlere pn-übergang (9) des als Vierschichtdiode bei möglichst geringer Verlustleistung erzielt werausgebildeten Half leiterelements (6.) eine Ziind- 65 den soll.

zone (26) aufweist. Das vorstehend erwähnte Problem wird erfindungs

7. Monolithisch integrierbare Schaltung nach gemäß dadurch gelöst, daß der nicht mit dem injizie-Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß renden Übergang verbundene Anschluß des zweiter