DE2649419A1 - Transistor mit integrierter schutzeinrichtung - Google Patents

Transistor mit integrierter schutzeinrichtung

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Description

Dr.-lng. Reimar Kenig ■ Dip!.-lng. Klaus Bergen CecilienaHee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 45 2OD8 Patentanwälte
2ÖT94
28. Oktober 1976 31 157 B
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Transistor mit integrierter Schutzeinrichtung"
Die Erfindung betrifft einen integrierten Transistor mit einem Basisbereich eines Leitfähigkeitstyps, einem Kollektorbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart zum Basisbereich und einem dazwischenliegenden Basis-Kollektor-PN-Übergang, sowie einem Emitterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart zum Basisbereich mit einem dazwischenliegenden Basis-Emitter-PN-Übergang.
Transistoren können ernsthaft beschädigt wenn nicht sogar katastrophal zerstört werden, wenn eine übermäßige Sperrvorspannung entweder am Basis-Kollektor-PN-Übergang oder Basis-Emitter-PN-Übergang angelegt wird. Der Basis-Emitter-PN-Übergang ist besonders anfällig, wenn ein Transistor unter induktiver Last geschaltet wird. So arbeitet z.B. ein Transistor normalerweise mit in Durchlaßrichtung vorgespanntem Basis-Emitter-PN-Übergang, während der Basis-Kollektor-PN-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist. Bei dieser Betriebsart fließt Strom vom Emitterbereich durch den Basisbereich in den Kollektorbereich. Jeder kurzzeitige oder plötzliche Spannungsstoß, der dazu führt, daß der Basis-Kollektor-PN-Übergang in Sperrichtung mehr vorgespannt wird, kann zu einer Lawine an diesem Übergang und dadurch zur Beschädigung des Transistors führen. Wenn weiterhin ein Transistor unter induktiver Last ausgeschaltet wird,
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d.h. wenn der Basis-Emitter-PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt wird, fließt der Strom der induktiven Ladung - während der kurzen Zeit der Entladung - weiterhin in derselben Richtung, d.h. in den Emitterbereich hinein. Unter diesen Umständen, nämlich bei in Sperrichtung vorgespanntem Basis-Emitter-PN-Übergang, wird erhebliche Wärme im Emitterbereich erzeugt, die ebenfalls zur Zerstörung des Bauteils führen kann.
Ein bekannter Versuch zur Lösung der mit übermäßiger Sperrvorspannung am Basis-Kollektor-PN-Übergang verbundenen Probleme wird nachfolgend beschrieben. Grundsätzlich kann ein Lawinendurchbruch mit Hilfe eines Hilfsemitters verhindert werden, der elektrisch durch eine Metallelektrode mit dem Basisbereich kurzgeschlossen wird. Unter SperrvorSpannungsbedingungen entleert sich der Basis-Kollektor-PN-Übergang in den Hilfsemitterbereich, so daß eine Durchgreifbedingung entstehen kann, bei der Strom vom Kollektor durch den Hilfsemitter und durch den Basiskontakt bis in den Basisbereich fließen kann, so daß sich der Sperrstrom durch das Bauteil entlädt. Der Hilfsemitter ist so ausgelegt, daß das Durchgreifen eintritt, bevor die Basis-Kollektor-PN-Übergangslawine entsteht, so daß eine Beschädigung dieses Übergangs verhindert wird.
Mit dieser Lösung ist jedoch eine Anzahl von Nachteilen verbunden, von denen einer darin besteht, daß mit diesem Bauteil keinesfalls relativ große Energiebeträge verarbeitet werden können, da der Hilfsemitter relativ klein bemessen werden muß. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Basiskontakt, der über dem Basisbereich und dem Hilfsemitter entgegengesetzter Leitfähigkeit sowie dem dazwischen befindlichen PN-Übergang liegt, ein Betriebssicherheitsrisiko dar-
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stellt, das darin besteht, daß während der Herstellung des Basiskontakts die eindeutige Möglichkeit besteht, daß sich Nadeln bilden, die vom Metallkontakt aus durch den Übergang in einen Teil des Basisbereichs hineinragen. Wenn derartige Nadelbildung auftritt, wird dieser Teil des Basisbereichs unterbrochen und arbeitet nicht mehr in vorhersehbarer Weise. Nadelbildung kann auch während des Betriebes eines fertiggestellten Bauteils auftreten. Daher ist der Betrieb dieses Transistors unzuverlässig.
Die herkömmliche Lösung des Problems eines Basis-Emitter-PN-Übergangsdurchbruchs besteht darin, daß außen zwischen Emitter und Kollektorleitungen eine Diode angeschlossen wird. Diese Lösung besitzt vor allen Dingen den Nachteil, daß die Kosten jedes Systems, bei dem diese Schutzeinrichtung verwendet wird, erheblich erhöht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Transistor mit einer Schutzeinrichtung gegen übermäßige Sperrvorspannungen vorzuschlagen, der die aufgezeigten Nachteile bekannter Transistoren nicht besitzt, sich vielmehr durch kostengünstigen und zuverlässigen Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Transistor der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß gelöst durch einen ersten Schutzbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps, der den Basisbereich kontaktierend umgibt und mit diesem einen ersten PN-Übergang bildet, und durch einen zweiten Schutzbereich des ersten Leitfähigkeitstyps benachbart zum Kollektorbereich unter Bildung einer dazwischenliegenden PN-Diode.
Anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte
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Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Teilquerschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2 einen Teilquerschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 zur Darstellung verschiedener Bereiche; und
Fig. 3 einen Teilquerschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils weist gemäß Fig. 1 und 2 einen Halbleiterkörper 12, z.B. aus Silizium auf, in dem ein Transistor und Schutzeinrichtungen für zwei PN-Übergänge 11 und 13 gegen durch übermäßige Sperrvorspannungen hervorgerufene Schaden vorgesehen sind.
Der Transistor 10 besteht aus einem Kollektorbereich 14, im vorliegenden Fall η-leitend, einem p-leitenden Basisbereich 16 und einem η-leitenden Emitterbereich 18. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Basisbereich 16 ringförmig und umgibt einen zentralen Kern 20 des Kollektorbereichs 14, der sich bis zur oberen Oberfläche 22 des Körpers 12 erstreckt. Aus nachstehend erläutertem Grund besteht der Basisbereich 16 aus einer ersten Schicht 24 mit vergleichsweise niedrigem durchschnittlichem spezifischem Widerstand, z.B. ungefähr 0,03 Ohm-cm, und einer zweiten Schicht 26 mit vergleichsweise hohem durchschnittlichem spezifischem Widerstand, z.B. ungefähr 30 0hm-cm. Der Kollektorbereich 14 besteht auch aus einer ersten Schicht 28 mit vergleichsweise hohem durchschnittlichem spezifischem
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Widerstand, z.B. ungefähr 30 Ohm-cm -und einer zweiten Schicht 30 mit vergleichsweise niedrigem durchschnittlichem spezifischem Widerstand, z.B. ungefähr 0,03 Ohmcm. Wegen der vergleichsweise hohen spezifischen Widerstände der beiden Schichten 26 und 28, die dem PN-Übergang 11 zwischen dem Kollektorbereich 14 und dem Basisbereich 16 anliegen, ist die Lawinendurchbruchsspannung dieses Übergangs 11 vergleichsweise hoch, z.B. ungefähr 700 Volt.
Die Schutzeinrichtung für den Basis-Kollektor-PN-Übergang weist einen ersten Schutzbereich 32 aus einem nleitenden Material mit vergleichsweise niedrigem durchschnittlichem spezifischem Widerstand auf, z.B. ungefähr 0,03 Ohm-cm, der die ringförmige erste Schicht des Basisbereichs 16 berührt und umgibt und damit einen ersten PN-Übergang 34 bildet. Zur Erleichterung der Herstellung können Leitfähigkeitsprofil und -tiefe des ersten Schutzbereichs 32 genauso gewählt werden wie die des Emitterbereichs 18, wodurch beide Bereiche 32 und 18 gleichzeitig, z.B. in einem einzigen Diffusionsschritt, hergestellt werden können.
Die Schutzeinrichtung für den Basis-Emitter-PN-Übergang des Transistors 10 enthält im einen Ausführungsbeispiel einen zweiten Schutzbereich 36 aus p-leitendem Material, der im Kern 20 des Kollektorbereichs 14 angeordnet ist. Der Bereich 36 bildet eine PN-Diode 37 mit dem Kollektorbereich 14 in Parallelanordnung mit dem PN-Übergang 13 zwischen dem Emitterbereich 18 und dem Basisbereich 16 des Transistors. Zur Vereinfachung der Herstellung kann der zweite Schutzbereich 36 mit demselben Leitfähigkeitsprofil und -tiefe wie
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der Basisbereich 16 ausgestattet werden, d.h. er kann zwei Schichten 24' und 26' ähnlich den Schichten 24 und 26 des Basisbereichs 14 enthalten. Dadurch können beide Bereiche 36 und 16 gleichzeitig hergestellt werden.
Das Bauteil 10 ist weiterhin mit Elektroden versehen, von denen eine Emitterelektrode 38 bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl den Emitterbereich 18 als auch den Schutzbereich 36 dort kontaktiert, wo diese Bereiche an die obere Oberfläche 22 des Körpers reichen. Mittels einer Basiselektrode 18 wird die höher leitende Schicht 24 des P-Basisbereichs 16 und mittels einer Kollektorelektrode 42 der Kollektorbereich 14 kontaktiert. Wie den Darstellungen zu entnehmen ist, ist die Oberfläche 22 des Körpers 12 mit einer Isolierschicht 44, z.B. aus Siliziumdioxid od.dgl. versehen, um diese zu schützen und Kurzschlüsse der verschiedenen PN-Übergänge durch die Elektroden an den Stellen, wo die PN-Übergänge die Oberfläche 22 schneiden, zu vermeiden.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die mit den Teilen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels übereinstimmenden Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind, besteht die Schutzeinrichtung für den Basis-Emitter-PN-Übergang wiederum aus einer parallel zum PN-Übergang 13 ausgebildeten Diode. Hierbei weist die Diode allerdings einen dritten Schutzbereich 46 aus p-leitendem Material im Kern 20 des Kollektorbereichs 14 und einen vierten Schutzbereich 48 aus η-leitendem Material im dritten Schutzbereich 46 auf, wodurch zwischen diesen Bereichen ein zweiter PN-Übergang 50 gebildet wird. Zur Erleichterung der Herstellung kann der dritte Schutzbereich 46 gleiches Leitfähigkeitsprofil und -tiefe wie die zweite Schicht 26 des Basisbereichs
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16 aufweisen, ebenso wie der vierte Schutzbereich gleiches Leitfähigkeitsprofil und -tiefe wie der Emitterbereich 18 besitzt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 kontaktiert die Emitterelektrode 38 auch den vierten Schutzbereich 48 und einen Teil des dritten Schutzbereichs 46, dort wo dieser bis zur Oberfläche 22 des Körpers 12 reicht.
Eine Gefahr für einen Transistor ist grundsätzlich dann gegeben, wenn der Basis-Kollektor-PN-Übergang unter Sperrvorspannungsbedingmig betrieben wird.
Unter Sperrvorspannungsbedingungen bildet der Basis-Kollektor-PN-Übergang 11 ein Verarmungsgebiet, das sich bis in die zweite Schicht 26 des Basisbereichs 16 und die erste Schicht 28 des Kollektorbereichs 14 erstreckt. Ein PN-Übergang mit bestimmter Sperrvorspannung entleert sich eher in Halbleitermaterial mit höherem durchschnittlichem spezifischem Widerstand als in solches mit niedrigerem durchschnittlichem spezifischem Widerstand. Da der Schutzbereich 32 in der zweiten Schicht 26 mit vergleichsweise höherem Durchschnittswiderstand und der Emitterbereich 18 in der ersten Schicht 24 mit vergleichsweise niedrigerem Durchschnittswiderstand angeordnet sind, reicht, d.h. greift das Verarmungsgebiet, das mit dem in Sperrrichtung vorgespannten Übergang 11 verbunden ist, zum Schutzbereich 32 bei einer vergleichsweise niedrigen Basis-Kollektor-PN-Übergangsspannung und vor Eintritt einer Lawine am PN-Übergang durch. Wegen der relativ niedrigen Widerstände der ersten Schicht 24 des Basisbereichs 16 und dem Schutzbereich 32 tritt am dazwischenliegenden ersten PN-Übergang 34 unmittelbar Lawinenbedingung ein, wodurch Strom in
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den Emitterbereich 18 fließt. Wegen der gegenseitigen, umgebenden Zuordnung von Schutzbereich 32 und erster Schicht 24 des Basisbereichs 16 bricht der erste PN-Übergang 34 im wesentlichen gleichzeitig entlang dem gesamten Weg rund um die erste Schicht 24 zusammen und fließt der Strom gleichförmig verteilt in den Emitterbereich 18. Damit vermeidet der erfindungsgemäße Aufbau heiße Stellen, die durch Stromanhäufungen hervorgerufen werden können, wenn sich der Strom durch eine Kombination von Durchgreif- und Lawinendurchbruch-Bedingungen durch das Bauteil 10 entlädt. Mit diesen erfindungsgemäßen Merkmalen sind folgende Vorteile verbunden:
a) die Basis-Kollektor-PN-Übergangsspannung kann sich nicht bis zu dem Punkt aufbauen, an dem für diesen Übergang Lawinenbedingung eintritt, und
b) die Notwendigkeit für eine Kurzschlußelektrode zwischen dem Basisbereich 16 und dem Hilfsemitter 32 wird vermieden.
Leitfähigkeitsprofil und -tiefe des Schutzbereichs sowie der ersten Schicht 24 des Basisbereichs 16 können unter Anwendung bekannter Verfahren so eingestellt werden, daß das Durchgreifen und die Lawinenbedingung des Schutzbereichs 32 eintritt, bevor sich irgendein Lawinendurchbruch des Basis-Kollektor-PN-Übergangs 11 einstellt.
Eine weitere Betriebsart, bei der potentielle Gefahr der Beschädigung besteht, ist dann gegeben, wenn der Basis-Emitter-PN-Übergang 13 in Sperrichtung vorgespannt ist. Eine ganz besondere Gefahrensituation ist gegeben, wenn das Bauteil dann unter induktiver Last
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steht. Wenn unter dieser Bedingung der Basis-Emitter-PN-Übergang von Durchlaßvorspannung auf Sperrvorspannung schaltet, wird der induktive Strom weiterhin in den Emitterbereich 18 hineinfließen, bis der gespeicherte induktive Strom abgeführt ist. Da der induktive Strom nicht über den Basis-Emitter-PN-Übergang 13 fließen kann, wird während dieser Entladungszeit erhebliche Wärme im Emitterbereich 18 erzeugt, die hier Schaden anrichten kann. Wegen der relativ niedrigen durchschnittlichen spezifischen Widerstände des Emitterbereichs 18 und der ersten Schicht 24 des Basisbereichs 16 besitzt der Basis-Emitter-PN-Übergang 13 eine vergleichsweise niedrigere Durchbruchsspannung als der Basis-Kollektor-PN-Übergang 11. Wenn Strom in den Emitterbereich 18 hineinfließt, z.B0 beim Ausschalten einer induktiven Last, wenn der Basis-Emitter-PN-Übergang 13 in. Sperrichtung vorgespannt ist, kann am PN-Übergang 13 aufgrund übermäßiger Ausschaltspannung Lawinendurchbruch eintreten. Die Schutzdiode 37, die bei in Sperrichtung vorgespanntem Basis-Emitter-PN-Übergang 13 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, verhindert Lawinendurchbruch am Basis-Emitter-PN-Übergang 13· Die Schutzdiode 37 hat eine relativ niedrigere Durchlaßspannung als die Durchbruchspannung in Sperrrichtung des Basis-Emitter-PN-Übergangs 13. Bevor am Basis-Emitter-PN-Übergang 13 ein Lawinendurchbruch eintritt, leitet daher die Schutzdiode 37 den Induktor strom ab - und stellt somit für diesen einen Strompfad dar - , ohne irgendwelchen Schaden für den Basis-Emitter-PN-Übergang 13. Die Strommenge, die durch die Schutzdiode 37 abgeleitet werden kann, hängt von der Diodenfläche ab.
Zusätzlich zu der zuvor beschriebenen, in Durchlaßrich tung vorgespannten Diode als Schutzeinrichtung für
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den Basis-Emitter-PN-Übergang 13 besitzt das in Fig. dargestellte Bauteil 10 zusätzlich auch einen Schutz für einen in Sperrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-PN-Übergang 11 über den Bereich 48. Wenn der Basis-Kollek tor-PN-Übergang 11 in Sperrichtung vorgespannt wird, arbeiten der dritte Schutzbereich 46 und der vierte Schutzbereich 43 in derselben Weise wie die untere Schicht des Basisbereichs 16 und der erste Schutzbereich 32.
Mit dem zuvor beschriebenen Bauteil 10 wird ein Kurzschließen zwischen der ersten Schicht 24 des Basisbereichs 16 und dem Schutzbereich 32 vermieden und demzufolge ist der dazwischenliegende PN-Übergang 34 sehr zuverlässig. Außerdem besitzt das Bauteil 10 zusätzlichen integrierten Schutz gegen Beschädigung durch übermäßige Sperrvorspannungen über den Basis-Emitter-PN-Übergang 11.
Da die Schutzbereiche 36 und 46 vollständig vom Transistor durch das umgebende Material des Kerns 20 isoliert sind, wird außerdem ein Nebenwiderstand über den Basis-Emitter-PN-Übergang 13 vermieden. Somit ist der Leckstrom am Basis-Emitter-PN-Übergang 13 gering und das Bauteil 10 daher zuverlässiger.
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Claims (8)

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.) Patentansprüche:
1. Integrierter Transistor mit einem Basisbereich eines
Leitfähigkeitstyps, einem Kollektorbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart zum Basisbereich iind einem dazwischenliegenden Basis-Kollektor-PN-Übergang, sowie einem Emitterbereich des zweiten Leitfähigkeitstyps benachbart zum Basisbereich mit einem dazwischenliegenden Basis-Emitter-PN-Übergang, gekennzeichnet durch einen ersten Schutzbereich (32) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der den Basisbereich (16) kontaktierend umgibt und mit diesem einen ersten PN-Übergang (34) bildet, und durch einen zweiten Schutzbereich (36) des ersten Leitfähigkeitstyps benachbart zum Kollektorbereich (14) unter Bildung einer dazwischenliegenden PN-Diode (37).
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die PN-Diode (37) parallel zum Basis-Emitter-PN-Übergang (13) liegt bzw. geschaltet ist und in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wenn der Emitter-PN-Übergang (13) in Sperrichtung vorgespannt ist.
3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schutzbereich (32) Dotierungsprofil und -tiefe besitzt,
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die gleich denen des Emitterbereichs (18) sind, und daß der zweite Schutzbereich (36) Dotierungsprofil und -tiefe besitzt, die gleich denen des Basisbereichs (16) sind.
4. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichn e t , daß der Basisbereich (16) aus einer Schicht (24) mit vergleichsweise niedrigem spezifischem Widerstand und einer Schicht (26) mit vergleichsweise hohem spezifischem Widerstand besteht, daß der Kollektorbereich (14) aus einer Schicht (28J- mit vergleichsweise hohem spezifischem Widerstand und einer Schicht (30) mit vergleichsweise niedrigem spezifischem Widerstand besteht, und daß der erste Schutzbereich (32) die Schicht (24) mit relativ niedrigem spezifischem Widerstand des Basisbereichs (16) umgibt.
5. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schutzbereich (32) und die Schicht (24) mit relativ niedrigem spezifischem Widerstand des Basisbereichs (16) solche relativen Leitfähigkeiten besitzen, daß am ersten PN-Übergang (34) ein Lawinendurchbruch bei niedrigerer Spannung eintritt als am Basis-Kollektor-PN-Übergang (11) des Transistors (1O).
6. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Basisbereich (16) und der Emitterbereich (18) ringförmig ausgebildet sind und einen Kern (20) des Kollektor-Bereichs (14) umgeben.
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7. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 Ms 6, dadurch gekennzeich net , daß der zweite Schutzbereich (36) sich im Kern (20) befindet.
8. Transistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Schutzeinrichtungen für den Basis-Kollektor-PN-Übergang im Kern (20).
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