DE2718185A1 - Halbleiter-verbundanordnung fuer hohe spannungen - Google Patents

Halbleiter-verbundanordnung fuer hohe spannungen

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    • H01L27/0825—Combination of vertical direct transistors of the same conductivity type having different characteristics,(e.g. Darlington transistors)

Description

Dr. rer. not. Horst Schüler 600° ^nkfurt/Mainι 22.4.ΐ977
|» Kaiserstrasse 41 Rb' &' Rg
PATENTANWALT Ι( 2 7 1 § 1 8 ^efon (06H, 235555
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4233-36-SP-IOI9
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.
Halbleiter-Verbundanordnung für hohe Spannungen
Die Erfindung betrifft Halbleiteranordnungen mit mehreren Elementen in einem einzigen Körper aus Halbleitermaterial, sie bezieht sich insbesondere auf Strukturen, die speziell zur Verwendung bei relativ hohen Spannungen geschaffen werden.
Halbleiter-Verbundanordnungen, d.h. Anordnungen mit mehr als einem Halbleiterelement werden immer geläufiger. Für die zunehmende Verwendung derartiger Halbleiter-Verbundanordnungen gibt es mehrere Gründe : Während Halbleiteranordnungen billiger werden, sind die Kosten fast aller anderer Anordnungen oder Einrichtungen gestiegen; intregrierte Schaltungen ermöglichen Funktionen, die sich zuvor elektronisch nicht durchführen Hessen; Halbleiteranordnungen sind an sich sehr zuverlässig; und Halbleiteranordnungen besitzen ein kleines Gewicht und kleine Abmessungen. Zusätzlich
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ist es aufgrund gewisser technologischer Fortschritte, z.B. Fortschritte in der Technologie der Materialien, möglich, immer komplexere und kompliziertere Verbundanordnungen herzustellen.
Es ist unvermeidlich, daß mit der stärkeren Verbreitung der Verbundanordnungen auch der Wunsch der Benutzer zunimmt, die Ver Wendungsmöglichkeiten der Anordnungen über ihre traditionellen Funktionen der Signalwahrnehmung und Signalverarbeitung hinaus auf das Gebiet der Steuerfunktionen für höhere Leistungen zu erweitern. Es besteht jedoch eine grundsätzliche Unvereinbarkeit zwischen kleinen Abmessungen, eng angeordneten und gepackten Halbleiterkomponenten in einer Verbundanordnung, wie z.B. einem konventionellen integrierten Schaltkreis, und -dem Wunsch, eine derartige Anordnung bei hohen Spannungswerten zu betreiben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Halbleiter-Verbundanordnung zu schaffen, die sich für den Betrieb bei hohen Spannungswerten eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleiteranordnung für hohe Spannungen, mit einem Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial gelöst, der mindestens einen an eine Oberfläche angrenzenden Hauptteil des Halbleiterkörpers enthält, der vorwiegend einen Leitfähigkeitstyp enthält, in dem jedoch mindestens zwei Bereiche des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, die zwei Sperrschichten ausbilden. Jeder Bereich stellt einen Teil eines Halbleiterelementes dar. Andere Unterbereiche lassen sich innerhalb der Bereiche ausbilden, sofern dies erforderlich ist. Längs mindestens einer an die Oberfläche angrenzenden
gemeinsamen Grenze sind die beiden Bereiche eng beabstandet, so daß ein Durchgriff an der Grenze mit zunehmender Spannung über den Sperrschichten vor einem durch Spannung erzeugten Sperrschichtrdurchbruch erfolgt. Diese Struktur verhindert einen vorzeitigen Durchbruch der Anordnung insoweit, als jeder der Halbleiterbe reiche für den Nachbarbereich als ein das Feld begrenzender Ring arbeitet und auf diese Weise die Spannungsbeanspruchung an der Oberfläche in der Nähe der gemeinsamen Grenze begrenzt.
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Es sei gewürdigt, daß eine beachtliche Ersparnis von Halbleitermaterial insoweit mit der Erfindung einhergeht, als gemäß der Erfindung die Bereiche eng benachbart bzw. beabstandet voneinander sind.
Bevorzugt ist der Abstand zwischen den benachbarten Bereichen ungefähr gleich dem bei einem konventionellen Feldbegrenzungsring gewünschten Abstand in einer mit der gewünschten Spannung betriebenen Anordnung. Da Feldbegrenzungsringe oberhalb der Durchtrittsspannung arbeiten, wird der Durchgriff vor dem Eintreten eines durch Spannung hervorgerufenen Durchbruchs der Anordnung erfolgen. Bei einigen Verbundanordnungen, bei denen die beiden Bereiche auf etwa dem gleichen Spannungswert gehalten werden, wie z.B. bei einem Darlington-Transistor, kann der Abstand sicher bis zum zweifachen des berechneten Abstands für einen Feldbegrenzungsring betragen. Dies hat seine Ursache darin, daß sich die Verarmungszone von jedem Bereich der Darlington-Anordnung in die Abstands- oder Trennzone erstreckt, und daß ein Durchgriff in der Mitte der Grenzzone erfolgt, wenn sich die Plasmas treffen.
Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Kanten der Bereiche, die nicht an benachbarte Bereiche angrenzen, von irgendeinem anderen Durchbruch-Steuersystem geschützt werden. Ein derartiger Schutz kann typischerweise die Form konventioneller Feldbegrenzungsringe oder Schutzgräben annehmen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In den Figuren zeigen :
Fig. 1 einen Querschnitt eines bekannten NPN-Transistors;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Figur 1 dargestellten Transistor, der die während des Betriebs der
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Anordnung ausgebildete Verarmungszone zeigt;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Transistor nach den Figuren 1 und 2 mit einem zusätzlichen Feldbegrenzungsring;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Darlington-Anordnung mit zwei Transistoren;
Fig. 5 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Halbleiter-Verbundanordnung, die die Darlington-Anordnung nach Figur h enthält;
Figo 6 einen Querschnitt eines bekannten Darlington-Transistors, wobei die Auswirkung der Oberflächeninversion dargestellt ist;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer anderen Halbleiter-Verbundanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann;
Fig. 8 eine isometrische Ansicht eines Halbleiterscheibchens (chip), das den in Figur 7 dargestellten Schaltkreis enthält;
Fig. 9 eine Aufsicht auf die beim Halbleiterscheibchen nach Figur 8 verwendete Metallisierung;
Fig. 10 einen Querschnitt einer anderen Halbleiter-Verbundanordnung gemäß der Erfindung; und
Fig. 11 den typischen Zusammenhang zwischen der Spannung der Anordnung und der entsprechenden Spannung zwischen einem Bereich der Anordnung und einem umgebenden Feldbegrenzungsring.
In Figur 1 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen Transistors
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dargestellt. Die Metallisierung, die Passivierung und die Befestigunseinrichtungen sind in der Zeichnung der besseren Übersichtlichkeit wegen weggelassen.
Von hauptsächlichem Interesse ist der sperrende PN-Übergang 11 zwischen der Basis 12 und dem Kollektor 13 des Transistors. Während des normalen Betriebs ist der Kollektor 13 aus n-Material mit positivem Potential einer Spannungsquelle verbunden, so daß der Übergang 11 in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn ein PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, bildet sich eine Verarmungszone um den Übergang oder die Sperrschicht aus, wie die gestrichelte Linie in Figur 2 zeigt. Die Verarmungszone eines in Sperrichtung vorgespannten PN-Übergangs besteht aus positiver Ladung auf der N-Seite des Übergangs und aus Elektronen auf der P-Seite des Übergangs. Dies wird aufgrund des positiven Potentials am Kollektor bewirkt, das Elektronen aus der Kollektorzone abzieht und positive Ionen zurückläßt. Auf ähnliche Weise werden Elektronen in die Basiszone injiziert und erzeugen negative Ladungen.
Die Größe der Verarmungszone wird durch mehrere Faktoren einschließlich des spezifischen Widerstands des Halbleitermaterials und der angelegten Sperrspannung beeinflußt. Insoweit wie der Kollektor einen typischerweise wesentlich höheren spezifischen Widerstand tls die Basis besitzt, ertreckt sich die Verarmungszone ziemlich weit in die Kollektorzone hinein, wie durch die gestrichelten Linien in Figur 2 dargestellt ist, während sich die Verarmungszone nur geringfügig in die Basiszone hinein erstreckt.
Die Sperrspannung erscheint auf der Oberfläche des Transistors dort, wo die Verarmungszone die Oberfläche schneidet. Soweit sich die Verarmungszone nur wenig in die Basis 12 erstreckt, ergibt eine gute Näherung, daß die gesamte Sperrspannung auf der Ober fläche über dem Bereich "A" abfällt. Sofern also ein Oberflächendurchbruch auftritt, tritt er wahrscheinlich im Bereich "A" auf. Ein Durchbruch auf der Oberfläche einer Halbleiteranordnung ist
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wesentlich ernsterer Natur als ein Durchbruch im Inneren der Anordnung.
Figur 3 zeigt den Transistor 10 der Figuren 1 und 2 mit einem zusätzlichen ringförmigen Feldbegrenzungsring 14 aus P-Material, der im allgemeinen gleichzeitig mit der Basis 12 eindiffundiert wird, und dem von außen keine Spannung eingeprägt wird (der Ring besitzt ein flohtendes Potential). Wenn die Sperrspannung erhöht wird, erreicht die Ver Tnungszone eventuell den Feldbegrenzungsring 14. Es werden dann negative Ladungen im Feldbegrenzungsring an die Kante des Feldbegrenzungsringes gezogen, wie schematisch gezeigt ist. Als Folge davon beginnt jede weitere Ausdehnung der Verarmungszone auf der Außenseite des Feldbegrenzungsringes aus P-Material. Als Gesamteffekt ergibt sich, wie in Figur 3 dargestellt, daß sich die Zone "A" verlängert, über der die Sperrspannung auf der Oberfläche der Halbleiteranordnung abfällt. Als Folge davon nimmt die Wahrscheinlichkeit eines Oberflächendurchbruchs gegenüber einem Durchbruch im Inneren des Halbleiterkörpers ab.
Bekanntlich besteht ein Darlington-Transistor aus zwei oder mehr Transistoren, die gemäß der Anordnung nach Figur 4 untereinander verbunden sind und häufig auf einem einzigen Halbleiterscheibchen aufgebracht sind. Es ist möglich, einen einzigen Feldbegrenzungsring um jedes einzelne Element in einem Darlington Transistor herumzulegen, es wird jedoch dadurch Silizium verschwendet, da auf diese Weise die Abmessung jedes einzelnen Transistors wesentlich vergrössert wird.
Die Lösung gemäß der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt, die einen Darlington-Transistor zeigt, wobei einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 4 tragen. Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Halbleiter-Verbundanordnung wird in einem Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial ausgebildet, der eine erste und eine zweite Hauptfläche enthält, die im wesentlichen zueinander parallel sind. Der Körper kann vorteilhafterweise aus einem Siliziumscheibchen bestehen. Mindestens
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ein Hauptteil des Körpers, der an die erste Oberfläche angrenzt, besteht primär aus einem Leitfähigkeitstyp, im dargestellten Beispiel aus einem N-Typ. Im dargestellten Beispiel umfaßt ferner der Hauptteil im wesentlichen das gesamte Scheibchen. Die gemeinsamen Kollektoren 13 sind durch die Kollektor-Metallisierung 25 auf der zweiten Hauptfläche mit einem Kolektoranschluß 23 ver bunden. Die Basis 12 eines Eingangstransistors 27 ist mit einem Basisanschluß 21 verbunden. Der Emitter 15 des Eingangstransistors ist über die Metallisierung 16 direkt mit der Basis 19 eines Ausgangstransistors 28 verbunden. Der Emitter 18 des Ausgangstransistors ist mit einer Metallisierungsschicht 17 belegt und von dort mit dem Emitteranschluß 22 verbunden. Bereiche der ersten und zweiten Hauptflächen, die nicht metallisiert sind, sind mit einem Passivierungsmaterial, z.B. Siliziumoxid 26 be schichtet dargestellt. Die Positionierung und die Ausbildung eines derartigen Passivierungsmaterials ist dem Durchschnittsfachmann bekannt und braucht daher nicht weiter erläutert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die beiden Transistoren und 28 so eng aneinander angeordnet, daß die Basiszonen gegenseitig als Feldbegrenzungsringe längs ihrer gemeinsamen Grenze an der ersten Hauptfläche dienen (in Figur 5 als Punkt "B" darge stellt). Ein herkömmlicher Feldbegrenzungsring 14 umgibt die Peripherie der gesamten Darlington-Kombination, um einen Schutz dort zu liefern, wo die eine oder die andere der Zonen 12 oder 19 keinen angrenzenden Nachbar besitzt.
Wie in Figur 5 dargestellt, treffen sich die Plasmas aus positiven Ladungen im Kollektor um die Basis-Kollektorübergänge der einzelnen Transistoren und vereinigen sich zu einem einzigen Plasma, nachdem die Sperrspannung auf einen vorgegebenen Wert erhöht ist. Von diesem Punkt an ändert sich die Oberflächenladung am Punkt "B" nur wenig, wenn die Transistorspannung weiter erhöht wird. Das Plasma wird sich primär nach unten hin erstrecken, um sich der erhöhten Spannung anzupassen. Auf diese Weise dient daher jeder Transistor als Feldbegrenzungsring für seinen angrenzenden Nachbarn.
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Die obige Beschreibung der Figuren 4 und 5 geht davon aus, daß die beiden Basiszonen 12 und 19 im wesentlichen auf gleichem Potential liegen. Soweit die Transistoren nicht normal betrieben werden mit einem in Vorwärtsrichtung vorgespannten Basis-Emitterübergang und einem in Sperrichtung vorgespannten Basis-Kollektorübergang, stellt der Kollektoranschluß 23 in Figur 4 den positivsten der äußeren Anschlüsse dar, der Basisanschluß 21 stellt den mittleren, und der Emitteranschluß 22 den negativsten der Anschlüsse dar. Wie aus Figur 4 deutlich wird, sind die Basiszonen 12 und 19 nur durch den Basis-Emitterübergang des Transistors 27 und die Metallisierung 16 voneinander getrennt. Soweit dieser Übergang in Vorwärtsrichtung gespannt ist, beträgt der Spannungsabfall an diesem Übergang lediglich einen Bruchteil eines Volts, und die beiden Basiszonen 12 und 19 befinden sich daher bei einer Anordnung für "hohe Spannungen" auf ungefähr dem gleichen Potential.
Durch den betrachteten engen Abstand der Komponenten in einer Halbleiter-Verbundanordnung ergibt sich ein weiterer Vorteil, der aufgezeigt werden soll. In Figur 6 ist eine herkömmliche Darlington-Struktur 30 mit zwei Transistoren dargestellt, deren Basiszonen weit voneinander getrennt sind. Dargestellt ist ferner die Kollektormetallisierung 15 und die Metallisierung 16, die von der Basiszone eines Transistors zum Emitter des zweiten Transistors verläuft. Unter der Annahme herkömmlicher Vorspannungsbedingungen im Transistor 30, ist die Metallisierung 15 positiv und die Metallisierung 16 negativ. Unter der Metallisierung 16 ist lediglich eine kleine dünne Oxidschicht 31 vorhanden. Zwischen der Metallisierung 16 und der oberen Oberfläche des Siliziums ist daher ein Kondensator ausgebildet. Da die Metallisierung 16 negativ ist, werden positive Ladungen in denjenigen Bereich gezogen, der unter dieser Metallisierung liegt, vergleiche Figur 6. Je höher die Vorspannung ist, um so mehr positive Ladung wird in diese Fläche angezogen.
Es sei daran erinnert, daß die primäre Eigenschaft eines Halbleiters vom P-Typ in ednem Überschuß positiver Ladungen besteht,
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und daß die primäre Eigenschaft eines Halbleiters vom N-Typ in einem Überschuß negativer Ladungen besteht. Sofern die Vor spannung der Anordnung 30 auf einen genügend hohen Wert anwächst, wird die Anzahl der positiven Ladungen an der unmittelbar unter der Metallisierung 16 liegenden Oberfläche die Anzahl der negativen Ladungen dort übersteigen, dieser Teil des Siliziums wird daher dann sich wie ein P-Material verhalten. Dieser Zustand bewirkt, daß die beiden P-Basiszonen wirksam mit einem als P-Material erscheinenden Halbleitermaterial verbunden sind. Dieser Effekt wird Oberflächeninversion genannt und ist den Fachleuten bekannt.
Die Anordnung nach Figur 5 vermeidet die Ausbildung der Oberflächeninversion, da sich keine weitere positive Ladung im Bereich 11B" ansammelt, sobald sich die Plasmas treffen (Durchgriff). Ein Fachmann kann die Anordnung so dimensionieren, daß der Durch griff bei einem kleineren Spannungswert auftritt, als zur Ausbildung von Oberflächeninversion erforderlich wäre. Diese Anordnung ist daher auf diese Weise gegen Oberflächeninversion ge schützt.
Der monolithisch integrierte Schaltkreis ist in (fen Figuren 7 bis 9 dargestellt. Das Schaltungsdiagramm ist in Figur 7 gezeigt, Figur 8 zeigt in perspektivischer Ansicht die getrennten Halbleiterzonen -und deren Dotierung. Figur 9 zeigt als Aufsicht die Oberflächenmetallisierung. Eine Verwendung des in den Figuren 7 bis 9 dargestellten Schaltkreises ist in den anhängigen US-Patentanmeldungen mit der Serial Nr. 664 554 und 664 509 vom 8. März 1976 offenbart, die der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zustehen.
Die Schaltung wird in einem Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial ausgebildet, der aus einem Substrat 50 eines N+- Materials besteht, auf dem eine epitaxiale N-Schicht 51 von 25 bis 30 Ohmzentimeter ausgebildet ist. Die Schicht 51 stellt die Kollektorzone für alle vier Transistoren dar. Die Kollektor-Elektrodenverbindung ^lstfi^/#K6f£tellt> sie ist Jedoch in
herkömmlicher Weise an der Unterfläche des Substrats 50 angeordnet. Das Substrat besitzt quadratische Form und ist in vier gleiche Bereiche zur Aufnahme jeweils eines der vier Transistoren 52, 53, 54 und 55 unterteilt. Die Bereiche sind durch die vier Basiszonen 56, 57, 58 und 59 definiert. Die Basiszonen stellen quadratische P-Diffusionszonen dar, die in einer ersten Hauptfläche der Halbleiterscheibe ausgebildet sind. Die Emitter der Transistoren werden durch N-Diffusionszonen in die entsprechenden Basis-Diffusionszonen vorgesehen. Insbesondere ist der Emitter des Transistors 52 als kreisförmiger Fleck 61 in das Zentrum der Basis-Diffusionszone 56 eindiffundiert. Der Emitter des Transistors 53 ist als kreisförmiger Fleck' 62 in das Zentrum der Basis-Diffusionszone 57eindiffundiert. Die kleine winkerförmige Diffusionszone 63 stellt eine Rückkopplungsdiode 64 dar, vergleiche Figur 7. Der Emitter des Transistors 54 ist als ringförmiger Punkt oder Kreisscheibe 65 in die Mitte der Basis-Diffusionszone 58 eindiffundiert. Der Emitter des Transistors 55 ist als große L-förmige Emitterdiffusionszone 66 in die Basiszone 59 eindiffundiert. Die Emitterdiffusionszone 66 ist groß, um den Anforderungen zu genügen, die ein großer Strom des Darlington-Ausgangstransistors 55 stellt. Die kleine rechteckförmige Diffusionszone 67 auf dem inneren Eck der Basis-Diffusionszone 59 stellt eine Rückkopplungsdiode 68 dar, vergleiche Figur 7. In der Praxis lassen sich die ersten Diffusionszonen in ihrer Größe wunschgemäß und entsprechend den Erfordernissen der fliessenden Ströme variieren.
Ein schmaler Feldbegrenzungsring 69 aus einer P-Diffusionszone umgibt die Basiszonen und läuft in bestimmtem Abstand von den vier Basiszonen um diese herum. Der Abstand zwischen dem Feldbegrenzungsring 69 und der Basiszone wird danach berechnet, daß sichergestellt ist, daß der Durchgriff vor einem Durchbruch der Anordnung erfolgt. Der Abstand zwischen den verschiedenen Basis zonen längs ihrer gemeinsamen Grenzen liegt bevorzugt zwischen dem einfachen und zweifachen Wert des berechneten Abstandes für den Feldbegrenzungsring.
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Die Verbindungen von den Emittern zu den Basisanschlüssen der Schaltung werden durch die in Figur 9 dargestellte Metallisierung bewirkt. Die Metallisierung wird in einer einzigen Schicht aufgebracht und besteht aus vier getrennten Teilen. Der erste Teil 71 verbindet den Emitter des Transistors 52 und die Basis des Transistors 53. Der zweite Teil.72 verbindet den Emitter des Transistors 53, die Basis des Transistors 54 und die Diffusionszone 67. Die dritte Metallisierung 73 verbindet den Emitter des Transistors 54 und die Basis des Transistors 55. Die vierte Metallisierung 74 verbindet den Emitter des Transistors 55, die Basis des Transistors 52 und die Diffusionszone 63. Die Metalli sierung 74 ist mit einem aufgebondeten Leiter-77 verbunden, die Metallisierung 72 ist mit einem aufgebondeten Leiter 78 verbunden. Die Metallisierung berührt nicht den Feldbegrenzungsring, der frei auf einem Zwischenpotential liegt, also floatet, und es ermöglicht, daß die Transistoren, wie zuvor aufgezeigt, bei relativ hohen Spannungen betrieben werden können.
In Figur 10 ist ein weiterer monolithisch integrierter Schaltkreis 80 dargestellt, der einen Transistorteil 81 und einen Leistungsgleichrichterteil 82 besitzt. Ein Körper 83 aus monokristallinem Silizium mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche besteht z.B. aus N-Material. Angrenzend an die erste Hauptfläche ist eine diffundierte P-Basiszone 84 für den Transistor und eine zweite diffundierte P-Zone 85 für den Gleichrichter ausgebildet. In die Zone 84 ist eine kleine N-Diffusionszone 86 eindiffundiert, die den Emitter des Transistors 81 bildet. Eine gemeinsame Kollektorkontakt-Metallisierung 87 dient für beide Komponenten 81 und 82. Der Gleichrichter enthält ferner eine Anodenkontakt-Metallisierung 88, und der Transistor enthält eine Emitterkontakt-Metallisierung 89 und eine Basiskontakt-Metalliesierung 90. Die nicht metallisierten Bereiche der Hauptflächen sind im allgemeinen mit einem Passivierungsmittel, wie z.B. Siliziumoxid bedeckt, derartige Passivierungsmittel sind in Figur 10 jedoch der besseren Übersichtlichkeit halber wegge -lassen. Die Umfangsbereiche der ersten Hauptfläche definieren
iff
einen konventionellen Schutzgraben 91, der eine Glaspassivierung 92 enthält.
Die geschilderte Halbleiter-Verbundanordnung 80 kann durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß in der Anordnung 80 die beiden Komponenten 81 und 82 längs ihrer gemeinsamen Grenze 93 eng beabstandet sind. Der Abstand längs der gemeinsamen Grenze 93 ist dabei so berechnet, daß der Durchgriff vor dem Durchbruch an der Hauptfläche auftritt. Die Bareiche der Zonen 84 und 85, die keine gemeinsame Grenze 83 besitzen, werden vor ernsthafter Spannungsbeanspruchung durch den Schutzgraben 91 und die Glaspassivierung 92 geschützt. Auf diese Weise ist die Anordnung wirkungsvoll gegen Oberflächendurchbruch geschützt.
Unter der Anahme, daß die Basiszone 84 und die Anodenzone 85 ungefähr auf gleichem Potential liegen, tritt der Durchgriff in der gemeinsamen Grenzzone 93 auf, wenn sich die beiden Plasmas in der oben geschilderten Weise treffen. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Zonen 84 und 85 auf einem gemeinsamen Potential liegen, obwohl keine der beiden Übergänge in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein sollten. Sofern die Potentiale wesentlich verschieden sind, wird der Durchgriff trotzdem durch ein Zusammentreffen der Plasmas auftreten, jedoch wird das Zusammentreffen außerhalb der Mitte der gemeinsamen Grenzzone 93 erfolgen. Sofern eine der beiden Zonen 94 oder 95 im wesentlichen auf eine Nullspannung geklemmt (clamped) ist, wird der Durchgriff auftreten, wenn das sich von der Nichtnull-Spannungszone erstrekkende Plasma die Zone mit Nullspannung erreicht. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß in allen der zuvor genannten Situationen der enge Abstand einen Oberflächendurchbruch vermeidet.
Da die Potentiale der Zonen 84 und 85 nicht notwendigerweise für die in Figur 10 dargestellte Schaltung gleich sein müssen, um sicherzustellen, daß ein passender Schutz erfolgt, wird bevorzugt angenommen, daß sich das Plasma von lediglich einer der Zonen 84 oder 85 zur anderen Zone erstreckt. Die gemeinsame
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Grenzzone 93 soll daher ungefähr gleich dem Abstand sein, der für einen Feldbegrenzungsring berechnet wird, wobei die Darlington-Anordnung das Zweifache dieses Abstandes besitzen kann.
Es hat sich als wirkungsvoll herausgestellt, Halbleiter-Verbundanordnungen so auszubilden und zu dimensionieren, daß die Spannung längs einer gemeinsamen Grenzzone beim Anlegen der Betriebspotentiale der Anordnung ungefähr die halbe Spannung zwischen den beiden Hauptflächen beträgt. Figur 11 zeigt eine Kurve, die einen typischen Zusammenhang zwischen der Spannung länge einer gemeinsamen Grenzzone oder zwischen einer Anordnung und einem Feldbegrenzungsring und der Spannung der Anordnung über der gesamten Halbleiterscheibe zeigt. Die Spannung über der gemeinsamen Grenzzone bleibt ungefähr gleich der Spannung der Anordnung, bis der Durchgriff erreicht wird. Nach dem Durchbruch nimmt die Spannung über der gemeinsamen Grenzzone nur noch geringfügig zu, wenn die Spannung der Anordnung weiter erhöht wird. Bei der dargestellten typischen Kurve liegt die Spannung auf den gewünschten 100 Volt, wenn die Spannung der Anordnung nach einem Durchgriff bei 80 Volt 200 Volt erreicht. Es ist daher wünschenswert, die Anordnung so auszubilden, daß der Durchgriff bei geringfügig kleineren Spannungswerten als der halben vorgesehenen Betriebsspannung auftritt. Bei einer Betriebsspannung von 200 Volt erfolgt daher der Durchgriff vorteilhafterweise bei ungefähr 80 Volt.
Die Berechnung des Abstandes für eine vorgegebene gewünschte Durchgriffsspannung stellt für den Fachmann keine Schwierigkeit dar, vergleiche z.B. Temple, et al, IEEE, "Proceeding On Electron Devices," E.D. 22. Oktober 1975, S. 910 bis 916, oder Leistiko et al, in Solid State Electronics, September 1966, S. 847 bis 852. Beispielsweise tritt der Durchgriff in einem N-Silizium von 30 bis 50 Ohmzentimeter bei 80 Volt über einen Abstand von ungefähr 0,5 10"^ auf.
Aufgrund der obigen Ausführungen sind viele Modifikationen und
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Variationen für den Durchschnittsfachmann möglich. Die vorliegende Erfindung läßt sich daher auch in einer von den speziell beschriebenen Ausführungsformen abweichenden Form ausführen.
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Claims (13)

Patentansprüche
1. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen mit einem Körper """*' aus monokristallinem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps, der zwei im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Hauptflächen besitzt,
dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an eine der Hauptflächen mindestens zwei Zonen (12, 19; 84, 85) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, daß die Zonen (12, 19; 84, 85) und die zweite Hauptfläche elektrische Kontaktmittel (21, 16, 23; 88, 90, 87) tragen, daß die Zonen (12, 19; 84,85) eng beabstandet längs mindestens einer gemeinsamen Grenzzone (B; 93) verlaufen, die an die erste Hauptfläche angrenzt, so daß der Durchgriff durch die gemeinsame Grenzzone (B; 93) vor dem Auftreten des durch Spannung hervorgerufenen Durchbruchs auftritt.
2. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 1,
ORIGINAL INSPECTED
dadurch gekennzeichnet, * /l daß die Kontaktmittel (16, 21, 25; 87, 88, 90) als Metallkontakte ausgebildet sind.
3. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (12, 19; 84, 85) auf allen Seiten mit Ausnahme längs der gemeinsamen Grenzzone von Durchbruch steuermitteln (14; 91, 92) umgeben sind.
4. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchsteuermittel (91, 92) einen Schutzgraben (91) enthalten.
5. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktmittel (21, 16, 25; 87, 88, 90) Metallkontakte enthalten.
6. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchsteuermittel (14; 91, 92) einen Feldbegrenzungsring (14) enthalten.
7. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb unterhalb einer vorgegebenen Spannung stattfindet, wobei der Feldbegrenzungsring (14) von den Zonen (12, 19) derart beabstandet ist, daß der Durchgriff zwischen den Zonen (12, 19) bei weniger als etwa der halben der vorgewählten Spannung erfolgt.
8. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 7, dadurch gekonnzeichnet, daß die Breite der geraeinsamen Grenzzone (B; 93) kleiner als etwa der doppelte Abstand zwischen dem Feldbegrenzungs.
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ring (14) und den Zonen (12, 19) ist.
9. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der geraeinsamen Grenzzone (B; 93) ungefähr gleich dem Abstand zwischen dem Feldbegrenzungsring und den Zonen (12, 19) ist.
10. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die Kontaktmittel (16, 21, 25; 88, 90, 87) als Metallkontakte ausgebildet sind.
11. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (12, 19) Transistor-Basiszonen darstellen.
12. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspnch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als Darlington-Transistor ausgebildet ist.
13. Halbleiteranordnung für hohe Spannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als integrierte Schaltung ausgebildet ist, und daß die Zonen (12, 19; 84, 85) Teile separater Komponenten (27, 28; 81, 82) sind.
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NL185808B (nl) 1990-02-16
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