DE2628273A1 - Halbleiterbauteil - Google Patents
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Description
Dipl.-lng. H. Sauenland · Dn.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen
Patentanwälte · 4odo Düsseldorf so · Cecilienallee 75 ■ Telefon
23. Juni 1976 30 807 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza,
New York, N. Y. 10020 (V.St.A.)
"Halbleiterbauteil"
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil mit einem Kollektorbereich eines Leitfähigkeitstyps, einem mit dem
Kollektorbereich einen Basis-Kollektor-pn-Übergang bildenden
Basisbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einem Emitterbereich des erstgenannten Leitfähigkeitstyps und einem an den Basisbereich angrenzenden und einen
mit dem Basisbereich einen zweiten pn-übergang bildenden Schutzbereich des erstgenannten Leitfähigkeitstyps, insbesondere
Transistoren.
Transistoren können durch das Anlegen einer übermäßig hohen Sperrspannung an den Basis-Kollektor-Übergang schwer
beschädigt, wenn nicht sogar gänzlich zerstört werden. Dies trifft insbesondere zu, wenn der Transistor bei induktiver
Last geschaltet wird, d.h. wenn die Spannung an der Last gegen Null geht und der darin gespeicherte Strom in den
Transistor hineinfließt. Dieser gespeicherte Strom kann relativ hohe Sperrspannungen an dem Basis-Kollektor-Übergang
hervorrufen.
Zur Überwindung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, daß der Transistor zur Vermeidung des zerstörenden
Lawinendurchbruchs mit einem Hilfsemitter versehen wird,
der zum Basisbereich durch einen Basiskontakt kurzgeschlos-
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sen wird. Unter Sperrspannungsbedingungen entleert sich der Basis-Kollektor-Übergang in den Hilfsemitterbereich,
um auf diese Weise eine Durchgreifbedingung entstehen zu lassen, in der ein Strom vom Kollektorbereich über den
Hilfsemitter und über den Basiskontakt in den Basisbereich fließt. Der Hilfsemitter ist dabei so ausgelegt,
daß ein Durchgreifen vor einem etwaigen Lawinendurchbruch des Kollektor-Basis-Übergangs eintritt, um auf diese Weise
eine Beschädigung dieses Übergangs zu verhindern.
Ein besonderer Nachteil der beschriebenen Lösung besteht darin, daß der Übergang zwischen dem Hilfsemitter und dem
Basisbereich dazu neigt, etwas instabil zu werden. Während der Herstellung des Basiskontakts besteht eine bestimmte
Möglichkeit, daß die Metallelektrode durch den Übergang in einen Teil des darunterliegenden Basisbereichs hineinstechen
kann. Ein derartiges Hineinragen kann ebenfalls während des Betriebs einer fertigen Vorrichtung eintreten
und zum Versagen führen. Die Wahrscheinlichkeit dafür wird mit zunehmender Arbeitstemperatur größer. Bei Eintritt
dieses Defektes arbeitet der Teil des Basisbereichs, der dadurch unterbrochen wird, nicht vorhersehbar und somit
ist der Transistor unzuverlässig.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Halbleiterbauteil zu schaffen, das auch bei hohen
Sperrspannungen zuverlässig arbeitet und trotzdem einfach und wirtschaftlich herzustellen ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Schutzbereich mit keiner der Elektroden des Bauteils unmittelbar verbunden
und hinsichtlich an das Bauteil angelegter Spannungen "floatet".
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine nicht maßstabsgerechte Schnittansicht des
erfindungsgemäßen Bauteils im Querschnitt; und
Fig. 2 das in Fig. 1 gezeigte Bauteil entlang der
Linie 2-2 geschnitten.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil 10 besteht aus einem Halbleiterkörper
12, z.B. aus Silizium, in dem ein Transistor mit einem Schutz seines Basis-Kollektor-Übergangs 14 gegen
durch relativ hohe Sperrspannungen hervorgerufene Beschädigung angeordnet ist.
Der Transistor weist einen Kollektorbereich 16, z.B. nleitend,
einen p-leitenden Basisbereich 18 und einen nleitenden Emitterbereich 20 auf. Aus noch zu erläuternden
Gründen enthält der Basisbereich 18 eine erste Schicht 22 vergleichsweise niedrigen mittleren spezifischen Widerstands,
z.B. 0,03 Ohm-cm, und eine zweite Schicht 24 vergleichsweise hohen mittleren spezifischen Widerstands, z.
B. 30 0hm-cm. Die erste Schicht 22 schließt den Emitterbereich 20 ein. Der Kollektorbereich 16 enthält ebenfalls
aus in der Transistortechnik bekannten Gründen eine erste Schicht 26 vergleichsweise hohen mittleren spezifischen
Widerstands, z.B. 30 0hm-cm, und eine zweite Schicht 28 vergleichsweise niedrigen mittleren spezifischen Widerstands,
z.B. 0,01 0hm-cm. Aufgrund der relativ hohen mittleren spezifischen Widerstände der zwei an den Übergang
14 zwischen dem Kollektorbereich 16 und dem Basisbereich 18 angrenzenden Schichten ist die Lawinendurchbruchsspannung
des Übergangs 14 relativ hoch, z.B. in der Größenordnung von ungefähr 700 Volt.
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Der Basis-Kollektor-Übergangs-Schutz besteht aus einem
Schutzbereich 30 aus einem η-Werkstoff vergleichsweise niedrigen mittleren spezifischen Widerstands, z.B.
o,oo3 Ohm-cm, der die erste Schicht 22 des Basisbereichs 18, mit der der Schutzbereich 30 einen pn-übergang 32 bildet,
berührt und im wesentlichen umgibt. Aus Gründen einfacher Herstellung können das Leitfähigkeitsprofil und
die Tiefe des Schutzbereichs 30 genauso wie beim Emitterbereich 20 gewählt werden, wodurch diese beiden Bereiche
gleichzeitig in einem einzigen Diffusionsschritt gebildet werden können. Das Leitfähjgceitsprofil und die Tiefe
des Schutzbereichs 30 sind jedoch nicht kritisch.
Elektroden für das Bauteil 10 sind eine den Emitterbereich 20 berührende Emitterelektrode 34, eine die erste Schbht
22 niedrigen mittleren spezifischen Widerstands des Basisbereichs 18 berührende Basiselektrode 36 und eine den Kollektorbereich
16 berührende Kollektorelektrode 38. Der Schutzbereich 30 wird durch keine Elektrode unmittelbar
berührt und kann "floaten", d.h. der Schutzbereich 30 nimmt die Spannung des ihn umgebenden Bereichs an. Wie
dargestellt, ist in bekannter Weise eine isolierende Schicht 40, z.B. Siliziumdioxid oder dergleichen auf einer
Oberfläche 42 des Grundkörpers 12 vorgesehen, um sie zu schützen und ein Kurzschließen der verschiedenen pn-Übergänge
durch die Elektroden dort zu verhindern, wo die pn-Übergänge die Oberfläche 42 schneiden.
Das Bauteil 10 kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden und arbeitet wie folgt:
Der Basis-Kollektor-Übergang 14 bildet unter Sperrspannungsbedingungen
eine Sperrschicht, die sich in die zweite Schicht 24 des Basisbereichs 18 und in die erste Schbht
des Kollektorbereichs 16 ausdehnt. Wenn das elektrische
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Feld an dem Übergang 14 übermäßig hoch wird, kann ein zerstörender Lawinendurchbruch eintreten. Aus in der
Halbleitertechnik bekannten Gründen verarmt ein mit einer gegebenen Sperrspannung betriebener pn-übergang eher
zu einem Halbleiter mit einem vergleichsweise höheren spezifischen Widerstand als zu einem Halbleiter mit einem
vergleichweise niedrigeren spezifischen Widerstand. Im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die zweite
Schicht 24 mit einem geeignet hohen spezifischen Widerstand so ausgelegt, daß die Sperrschicht bis zum Schutzbereich
30 vor dem Lawinendurchbruch des Übergangs 14 reicht, d.h. durchreicht. Die Sperrspannung an dem Basis-Kollektor-Übergang
14 ist auf diese Weise über den pnübergang 32 zwischen dem Schutzbereich 30 und der ersten
Schicht 22 des Basisbereichs 18 eingeprägt. Da der Übergang 32 wegen der vergleichsweise niedrigen spezifischen
Widerstände der ersten Schicht 22 und des Schutzbereichs 30 eine relativ niedrige Durchbruchsspannung aufweist,
die beträchtlich niedriger als die Kollektorspannung ausgelegt ist, die auf diese Weise an den Übergang angelegt
wird, bricht dieser Übergang im wesentlichen sofort lawinenartig
durch, sobald die Sperrschicht den Schutzbereich 30 erreicht hat. Darüber hinaus bricht der pnübergang
32 wegen der umgebenden Anordnung des Schutzbereichs 30 mit dem Basisbereich 18 im wesentlichen gleichzeitig
am gesamten Umfang der ersten Schicht 22 des Basisbereichs 18 durch. Daraufhin fließt ein im wesentlichen
gMchmäßig verteilter Strom in den Emitterbereich 20, wodurch eine hohe örtliche Materialbeanspruchung infolge
sich sammelnder Ströme und sich daraus ergebender Zerstörung des Bauteils 10 verhindert wird. Aufgrund der relativ
niedrigen Durchbruchsspannung des Übergangs 32 und der umgebenden Anordnung mit dem Basisbereich 18 ist der Lawinendurchbruch
des Bauteils 10 zerstörungsfrei. Verschiedene Parameter, wie z.B. das Leitfähigkeitsprofil und die Tiefe
des Schutzbereichs 30, das Leitfähigkeitsprofil und die
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Tiefe der ersten Schicht 22 des Basisbereichs 18, können unter Verwendung bekannter Verfahrenstechniken eingestellt
werden, um sicherzustellen, daß ein Durchgreifen zum Schutzbereich 30 und ein Lawinendurchbruch des pn-Übergangs
32 vor dem des Basis-Kollektor-Übergangs 14 eintritt.
Das beschriebene Bauteil 10 vermeidet die bekannte nachteilige
Anwendung eines Kurzschließens zwischen der ersten
Schicht 22 des Basisbereichs 18 und dem Schutzbereich 30, so daß der dazwischenliegende pn-übergang 32 selbst bei
ausgedehnten Arbeitsperioden unter den damit verbundenen hohen Temperaturbelastungen sehr zuverlässig arbeitet. Die
Tatsache, daß der Strom bei Durchbruch des Übergangs 32 im wesentlichen gleichmäßig in den Emitterbereich verteilt
wird, trägt zur Zuverlässigkeit des Bauteils bei. Daher ist das Bauteil 10 in der Lage, Schaltvorgänge hoher Energie
auszuhalten, wie sie z.B. in Kraftfahrzeugzündsystemen vorkommen, wodurch außen angeschlossene Dioden entfallen,
wie sie in herkömmlichen Systemen notwendig sind.
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Claims (6)
- RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N. Y. 10020 (V.St.A.)Patentansprüche;Halbleiterbauteil mit einem Kollektorbereich eines Leitfähigkeitstyps, einem mit dem Kollektorbereich einen Basis-Kollektor-pn-Übergang bildenden Basisbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einem Emitterbereich des erstgenannten Leitfähigkeitstyps und einem an den Basisbereich angrenzenden und mit diesen einen zweiten pnübergang bildenden Schutzbereich des erstgenannten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet , daß der Schutzbereich (30) mit keiner der Elektroden (34, 36, 38) des Bauteils (10) unmittelbar verbunden und hinszhtlich an das Bauteil angelegter Spannungen "floatet".
- 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schutzbereich (30) den Basisbereich (18) im wesentlichen umgibt.
- 3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Basisbereich (18) aus einer ersten Schicht (22) vergleichsweise niedrigen mittleren spezifischen Widerstands und einer zweiten Schicht (24) vergleichsweise hohen mittleren spezifischen Widerstands besteht und der Schutzbereich (30) an die erste Schicht (22) angrenzt.
- 4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Schutzbereich (30) die erste Schicht (22) im wesentlichen umgibt.609884/0756-8- 2 6 2 R 2 7
- 5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite pn-übergang (32) eine vergleichsweise niedrigere Lawinendr.r chbruchs spannung als der Basis-Kollektor-pn-Übergang: (14) aufweist.
- 6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Emitterbereich (20) und der Schutzbereich (30) im wesentlichen dieselben Leitfähigkeitsprofile und dieselbe Tiefe aufweisen.609884/0756
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OHN | Withdrawal |