DE2357332A1

DE2357332A1 - Integrierte schaltung

Info

Publication number: DE2357332A1
Application number: DE19732357332
Authority: DE
Inventors: Edward Clive Bee
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-11-16
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1974-05-22
Also published as: FR2217809B1; JPS501690A; CA985432A; IT994442B; GB1405503A; FR2217809A1

Description

TEXAS INSTRUIiENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas,V.St.A.

Integrierte Schaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung und insbesondere auf eine solche integrierte Schaltung, die Isolationsζonen aufweist ., deren Leitungstyp dem des größten Teils einer Oberfläche der integrierten Schaltung entgegengesetzt ist.

Ingetrierte Schaltungen mit bipolaren Transistoren weisen gewöhnlich ein P-leitendes Substrat auf, auf dem eine N-leitende epitaktische Schicht aufgebracht ist; in dieser epitaktischen Schicht sind der bipolare Transistor und andere Bauelemente gebildet. Zum Trennen dieser Transistoren und der anderen Bauelemente voneinander ist es üblich, eine oder mehrere P -leitende Zonen vorzusehen, die sich so durch die epitaktische Schicht zu dem Substrat erstrecken, daß eine Isolierung zwischen den verschiedenen Bereichen der epitaktischen Schicht als Folge der gegeneinander geschalteten PN-Übergänge geschaffen wird, die zwischen der Isolationszone und der

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epitaktischen Schicht vorhanden sind. Damit diese Isolierung wirksam ist, müssen die Isolationszonen an die negative Spannung in der integrierten Schaltung angeschlossen werden, damit die zwei von der Isolationszone gebildeten PN-Übergänge stets in Sperrichtung vorgespannt sind, wenn die Schaltung in Betrieb ist. Es ist daher üblich, die IsolatioiiszorBmit der negativen Versorgungsklemme zu verbinden.

Mit der zunehmenden Verwendung transistorisierter Komponenten in Motorfahrzeugen hat sich die Möglichkeit ergeben, daß ein unbeabsichtigtes Anschließen der Batterie mit der falschen Polarität zum Anlegen der falschen Polarität der Versorgungsspannung an eine integrierte Schaltung führt. Bei einer bipolaren integrierten Schaltung der oben beschriebenen Art führt das falsche Anschliessen an die Versorgungsspannung dazu, daß an die Isolationszonen die positivste Spannung gelangt, so daß die PN-Übergänge zwischen den Isolationszonen und dem Rest der epitaktischen Schicht in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, so daß ein sehr großer Strom durch die integrierte Schaltung fließt. Dieser große Strom erzeugt eine sehr schnelle Überhitzung und eine sich daraus ergebende Zerstörung der integrierten Schaltung.

Mit Hilfe der Erfindung soll daher eine integrierte Schaltung geschaffen werden, bei der eine sich aus dem oben beschriebenen Grund ergebende Zerstörung vermieden werden kann.

Nach der Erfindung enthält eine integrierte Schaltung Isolationszonen mit einem Leitungstyp, der dem Leitungstyp des Rests einer Oberfläche der integrierten Schaltung entgegengesetzt ist, und einen Transistor, dessen Emitter-Kollektor-Strecke von den Isolationszonen zu einem

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Versorgungsspannungaanschluß führt, wobei seine Basis an die andere Versorgungsspannungsklemme angeschlossen ist.

In einer integrierten Schaltung mit einem P-leitenden Substrat und einer darauf angebrachten N-leitenden epitaktischen Schicht sind die Isolationzonen P -leitend, wie oben beschrieben wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Transistor ein NPN-Transistor, der in einem Teil der epitaktischen Schicht gebildet ist; sein Emitter ist mit den Isolationszonen verbunden, und sein Kollektor ist an die negative Versorgungsspannungsklemme der Schaltung angeschlossen. Die Basis des Transistors ist mit der positiven Versorgungsspannungsklemme der Schaltung verbunden, wobei diese Verbindung entweder über einen Widerstand, beispielsweise einen in einem anderen Teil der epitaktischen Schicht gebildeten epitaktischen Widerstand, oder über die Emitter-Kollektor-Strecke mit dem Emitter an die positive Versargungsspannungsklemme angeschlossenen zweiten Transistors erfolgt. Im zuletzt genannten Beispiel ist die Basis des zweiten Transistors über einen epitakticchen Widerstand an die negative Versorgungsspannungsklemme angeschlossen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Emitter des NPN-Transistors an die negative \fersorgungsspannungsklemme angeschlossen, und der Kollektor ist mit der Isolationsζone verbunden. Wie vorher ist auch hier die Basis mit der¹ positiven Versorgungsspannungsklemme entweder über einen Widerstand oder über die Emitter-Kollektor- Strecke eines weiteren Transistors verbunden.

Das Problem, eine Zerstörung durch hohe Sperrströme in einer integrierten Schaltung zu vermeiden, könnte durch die Verwendung einer externen diskreten Diode beseitigt

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werden, die in eine der Versorgungsspannungsleitungen zur Schaltung so eingefügt ist, daß nur Durchlaßströme durch sie fliessen können. Ein Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß der Durchlaßspannungsabfall an der Diode,der beim normalen Betrieb auftreten würde, die für die integrierte Schaltung zur Verfügung stehende Versorgungsspannung vermindert, und bei der Anwendung in Motorfahrzeugen mit einer begrenzten Versorgungsspannung kann angenommen werden, daß eine solche Verminderung der für die integrierte Schaltung zur Verfügung stehenden Spannung nicht tragbar ist. Ein weiterer Nachteil der Verwendung einer externen Diode würde auftreten, wenn die integrierte Schaltung zum Regeln der Versorgungsspannung benötigt würde, was bei der Anwendung als Spannungsregler der Fall wäre, da hierbei der DurchlaßSpannungsabfall an der externen Diode zu), einem Versorgungsspannungs-Istwert führen würde, der nicht genau bekannt ist und daher nicht genau geregelt werden kann.

Ausführungsb.elspiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.Darin zeigen:

Fig.1 ein Ausführungsbeispiel einer in einer integrierten Schaltung verwendbaren Schutzschaltung,

Fig.2 eine Ansicht der Schutzschaltung von Fig.1 in einer integrierten Schaltung,

Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung und

Fig.4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung.

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Die in Pig.1 dargestellte Schutzschaltung enthält einen NPN-Transistor T1, dessen Kollektor direkt an die negative Versorgungsspannungsklemme 1 angeschlossen ist, während sein Emitter mit einem Isolationskontakt 2 verbunden ist. Die Basis des Transistors T1 ist über einen Widerstand R mit der positiven Versorgungsspannungklemme 3 verbunden.

Wie oben bereits erwähnt wurde, sind die Isolationsz'önen normalerweise über den Isolationskontakt mit der negativen Versorgungsspannungsklemme der integrierten Schaltung verbunden. Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Isolationskontakt 2 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T1 mit der negativen Versorgungsspannungsklemme 1 verbunden; wegen der über den Widerstand R führenden Verbindung zur positiven Versorgungsspannungsklemme 3 wird der Transistor T1 in einem stark leitenden Zustand gehalten.Somit ist der Transistor T1 im Normalfall in der invertierten Betriebsart geschaltet, und bei einem Basisstrcmvon weniger als 0,1mA tritt zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors nur eine sehr geringe Restspannung auf. Folglich wird der Isolationskontakt der daran angeschlossenen Isolationszonen auf einer Spannung festgeklemmt, die nur um wenige Millivolt über der Null-Volt-Linie liegt.

Wenn die Versorgungsspannungsbedingungen umgekehrt werden, wird die Kollektor-Basissperrschicht des Transistors T1 als Folge der an die Basis angelegten negativen Spannung in Sperrichtung vorgespannt. Dieses Anlegen der negativsten Spannung an die Basis gewährleistet auch, daß die, Emitter-Basis-Sperrschicht des Transistors T1 nicht in Durchlaßrichtung leiten kann. Daher kann durch den Isolationskontakt, und die Isolationszonen zu oder von den.isolierten Inseln

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auf der integrierten Schaltung kein Strom fließen, so daß die normalerweise bei einer Umpolung der Versorgungsspannung auftretende Beschädigung vermieden wird.

In Fig.2 ist ein Beispiel des Aufbaus der Schaltung von Fig.1 in einer integrierten Schaltung dargestellt.Es sei bemerkt, daß die Anordnung in Fig.2 teilweise im Schnitt dargestellt ist, so daß der Aufbau der verschiedenen Zonen innerhalb der epitaktischen Schicht und des Sutebrats zu erkennen ist. Das Substrat 11 besteht aus P-leitendem Halbleitermaterial, beispielsweise, aus geeignet dotiertem Silizium. Auf der oberen Fläche des Substrats 11 ist eine epitaktische Schicht 12 aus N-leitendem Material aufgebracht, während unter dein Teil der epitaktischen Schicht 12, unter der der Transistor T1 gebildet werden soll, in der Oberfläche des Substrats eine N⁺-leitende Zone 13 gebildet ist, die somit von der epitaktischen Schicht 12 bedeckt ist. Die Zone 13 soll den Anschluß zur Kollektorzone des Transistors T1 verbessern, wenn dieser in der epitaktischen Schicht 12 gebildet wird. Durch die epitaktische Schicht-12 hindurch wird eine P⁺-leitende Isolatbnszone 14 so gebildet, daß sie mit dem Subirat verbunden ist und die epitaktische Schicht 12 in mehrere diskrete Inseln unterteilt. Über der bedeckten Schicht 13 liegt die Insel 15. Wie oben bereits erwähnt wurde, ist der Transistor T1 in der Insel 15 gebildet; er weist eine P-leitende Basiszone und eine N⁺-leitende Emitterzone 17 auf. Die Zonen 16 und 17 können zweckmässigerweise mit Diffusionsverfahren unter Verwendung geeigneter Dotierungsstoffe hergestellt werden. Eine weitere N⁺-leitende Zone 18 wird durch die Insel 15 hindurch an die bedeckte Schicht 13 angrenzend gebildet; diese zusätzliche Zone 18 dient als Kollektorkontakt für den Transistor T1. Der Transistor T1 besteht natürlich aus der Emitterzone 17» der Baäszone 16 und der vom Rest der Insel 15 gebildeten Kollektorzone. Die

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bedeckte Schicht 13 und die Kontaktzone 18 verbessern zusammen die Verbindung des Kollektors des Transistors mit externen Schaltungselementen.

Eine weitere Insel* 19 in der epitaktischen Schicht bildet den Widerstand R von Fig.1. Der Rest der epitaktischen Schicht 12 steht für den Aufbau einer gewünschten integrierten Schaltungsanordnung zur Verfügung.

.Elektrische Verbindungen zwischen den beschriebenen Komponenten werden von den inFig.2 dargestellten Metallisierungsbereichen gebildet. Entsprechend Fig.1 ist die positive Versorgungsspannungsklemme 3 über den Metallisierungsbereich 20 mit dem Anschluß 21 der den Widerstand R'(Fig.1) bildenden Zone 19 verbunden. Der Anschluß 22 der Inselzone 19 ist über einen Metallisierungsbereich 23 mit dem Anschluß 24 der Basiszone des Transistors T1 verbunden. Die Emitterzone 17 des Transistors T1 ist mit einem- Anschluß 25 versehen, der über einen Metallisierungsbereich 26 mit dem in der Isolationszone 14 gebildeten Isolationskontakt 2 in Verbindung steht.Die Zone 18, die gemäß der obigen Beschreibung den Kollektorkontakt des Transistors T1 bildet, ist über einen Metallisierungsbereich 28 mit der negativen Versorgungsspannungsklemme 1 verbunden.

Es ist somit zu erkennen, daß die in Fig.1 dargestellte Schutzschaltung in einfacher Weise auf einem kleinen Flächenbereich eines Halbleiterplättchens in einer integrierten Schaltung gebildet werden kann und daß abgesehen von einer geringfügigen zusätzlichen Arbeit an den Masken für die integrierte Schaltung keine zusätzlichen Verarbeitungsschritte erforderlich sind.

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InFig.3 ist eine andere Ausführungsform der Schaltung von Fig.1 dargestellt, bei der der Transistor R durch die Emitter-Kollektor-Strecke eines zweiten Transistors T2 ersetzt ist, dessen Basis mit der negativen Versorgungsspannungsklemme 1 über einen Widerstand R1 verbunden ist. Der Aufbau der Schaltung ist aus der Zeichnung ersichtlich, und ebenso wie in der Anordnung von Fig.1 arbeitet der Transistor T1 normalerweise in der inversen Betriebsart. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T2 arbeitet in der gleichen Weise wie der Widerstand R von Fig.1, wenn die Versorgungsspannung mit der richtigen Polarität an die Schaltung angeschlossen wird. Wenn die Versorgungsspannung jedoch falsch angeschlossen wird, wird der Transistor T2 von der Versorgungsspannung nicht leitend gemacht, und der Basis des Transistors T1 wird kein Strom zugeführt, so daß er in den leitenden Zustand versetzt wird. Die Schaltung von Fig.3 kann in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut werden, die derjenigen Schaltung gleicht, die für Fig.1 in Zusammenhang mit Fig.2 beschrieben worden ist, wobei der Transistor T2 in einer weiteren Insel gebildet wird.

In Fig.4 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform gleicht, wobei der Transistor T1 jedoch in der normalen Betriebsart arbeitet, wenn die Versorgungsspannung richtig ~ angeschlossen ist. Bei dieser Anordnung ist die Spannung am Isolationskontakt geringfügig positiver als bei den Anordnungen nach den Figuren 1 und 3, da der Betrieb des Transistors T1 in der normalen Betriebsart eine geringfügig größere Spannung V_CE (sat) ergibt, als sie beim Betrieb des Transistors in der inversen Betriebsart erhalten wird. Die Emitter-Basis-Sperrschicht des Transistors T1 hat eine niedrigere Durchbruchsspannung

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in Sperrichtung als die Kollektor-Basis-Sperrschicht, und in der Schaltung von Fig.4 wird die Emitter-Basis-Sperrschicht durch die hohe Durchbruchsspannung des Transistors T2 bei umgekehrten Polaritätsbedingungen geschützt. ¥enn die Versorgungsspannung kleiner als die Sperrdurchbruchsspannung der Emitter-Basis-Sperrschiclit des Transistors T1 ist, dann kann der Transistor T2 durch einen einfachen Widerstand ersetzt werden, wie in Fig.1 dargestellt ist.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

( 1./Integrierte Schaltung, gekennzeichnet durch ein Substrat — aus Halbleitermaterial, Isolationszonen in dem Halbleitersubstrat, die sich zu einer Substrathauptfläche erstrecken und einen Leitungstyp aufweisen, der dem Leitungstyp des restlichen Teils der Substrathauptfläche entgegengesetzt ist, einen in dem Substrat gebildeten Transistor mit Emitter-Basis und Kollektorzonen , die sich zu der Hauptfläche erstrecken, und erste und zweite, auf der Substrathauptfläche gebildete Versorgungsspannungsanschlüsse, wobei die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors eine Isolationszone mit einem der VersorgungsspannungsanschlUsse verbindet, ^fahrend die Basiszone des Transistors mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß verbunden Ist.
2. Integrierte Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat aus Halbleitermaterial mit einem Leitungstyp vorgesehen ist, daß auf einer Fläche des Substrats eine epitaktischeSchicht des anderen Leitungstyps gebildet ist, daß in der epitaktischen Schicht Isolationszonen gebildet sind, die sich durch diese Schicht bis zu dem Substrat erstrecken und den einen Leitungstyp aufweisen, wobei sie die epitaktische Schicht in mehrere diskrete Inseln aufteilen, daß eine der Inseln einen Transistor mit Emitter-, Basis- und Kollektorzonen enthält, daß auf Abschnitten der epitaktischen Schicht, die von dem Transistor durch eine Isolationszone getrennt sind, erste und .-zweite Versorgungsanschlüsse gebildet sind, daß eine der Isolationszonen einen Isolationskontakt bildet, daß die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors den Isolationskontakt mit einem der Versorgungsspannungsanschlüsse verbindet, und daß die Basiszone des Transistors

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mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist.
3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat P-leitend ist, daß die auf einer Fläche des Substrats gebildete epitaktische Schicht N-leitend ist und daß die isolationszonen P⁺-leitend sind und sich unter Aufteilung der epitaktischen Schicht in mehrere diskrete Inseln aus N-leitendem Material durch die epitaktische Schicht erstrecken.
4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß der in einer der Inseln gebildete Transistor ein NPN-Transistor ist, dessen Emitterzone mit dem Isolationskontakt und dessen Kollektorzone mit dem einen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist, und daß der eine Versorgungsspannungsanschluß die negative Versorgungsklemme der Schaltung ist.
5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren Insel der epitaktischen Schicht ein Widerstand gebildet ist, daß die Basiszone des Transistors über diesen Widerstand mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist und daß der andere Versorgungsspannungsanschluß die positive Versorgungsspannungsklemme der Schaltung ist.
6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren Insel der epitaktischen Schicht ein zweiter Transistor mit Emitter-, Basis und •Kollektorzonen gebildet ist, daß in einer weiteren Insel der epitaktischen Schicht ein Widerstand gebildet ist, daß die Basiszone des ersten Transistors über·; die Emitter-

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Kollektor-Strecke des zweiten Transistors mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist, und daß der andere Versorgungsspannungsanschluß eine positive Versorgungsspannungsklemme ist und daß die Basiszone des zweiten Transistors über den Widerstand mit dem negativen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist.
7. Integrierte Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor ein PNP-transistor ist.
8. Integrierte Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer v/eiteren Insel der epitaktischen Schicht ein zweiter Transistor mit Emitter-, Basis und Kollektorzonen gebildet ist, daß in einer weiteren Insel der epitaktischen Schicht ein Widerstand gebildet ist, daß der erste Transistor ein NPN-Transistor ist, dessen Kollektorzone mit dem Isolationskontakt und dessen Emitterzone mit dem einen Versorgungsspannungsanschluß

■ verbunden ist, daß der eine Versorgungsspannungsanschluß eine negative Versorgungsspannungsklennne ist, daß die Basiszone des ersten Transistors über die Emitter-Kollektor- Strecke des zweiten Transistors mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist, daß der andere Versorgungsspannungsanschluß eirB positive Versorgungsspannungsklemme ist und daß die Basiszone des zweiten Transistors über den Widerstand mit dem negativen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist.
9. Integrierte Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor ein PNP-Transistor ist.

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