DE2718644C2 - Monolithisch' integrierte Halbleiterdiodenanordnung und deren Verwendung als Gehörschutzgleichrichter - Google Patents

Description

triebene Basis-Kollektor-Diode der zweiten Transistorstruktur 2. !Liegt dagegen am ersten äußeren Anschluß 3 ein gegenüber dem zweiten äußeren Anschluß 4 negativeres Potential, so fließt der Hauptanteil des Stromes über die Basis-Emitter-Strecke der ί ersten Transistorstruktur 1 und ein demgegenüber vernachlässigbarer Teil über die Kollektor-Emitter-Strecke dieser Transistorstruktur.

Es sei hervorgehoben, daß die zweite Transistorstruktur 2 keine Emitterzonen aufweist, so daß diese m Struktur bei rein schematisch-formaler Betrachtung eigentlich gar keine Transistorstruktur ist. Es ist jedoch ohne weiteres gerechtfertigt, diese Struktur als Transistorstruktur zu bezeichnen, da deren eine Zone, wie bereits erwähnt, eine mit der Kollektorzone der ΐϊ ersten Transistorstruktur 1 gemeinsame Zone ist und deren andere Zone gleichzeitig mit dem die Basiszone der ersten Transistorstruktur 1 ergebenden Prozeßschritt hergestellt wird, also eine »Basiszone« ist.

InFig. 2 ist der Grundriß und der Querschnitt eines ■!<) Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, das in eines der erwähnten Glasgehäuse ohne weheres eingebaut werden kann. Das Halbleiterplättchen 5 besteht dabei an seiner Rückseite 54 aus dem niederohmigen Substrat 51 von üblicherweise η ⁺-Leitungsart und an 2-5 der Vorderseite 53 aus einer darauf epitaktisch aufgebrachten höherohmigen Schicht 52 derselben Leitungsart, also von n-Leitungsart. Es ist ohne weiteres möglich, auf diese Unterteilung hinsichtlich der Leitfähigkeit des Halbleiterplättchens 5 zwischen Vorder- i<> und Rückseite zu verzichten und für das Halbleiterplättchen 5 ein einkristallines Siliciumplättchen von durchgehend gleicher Leitungsart und gleichem spezifischem Widerstand zu wählen.

Im Zentrum der Vorderseite 53 des Halbleiter- π plättchens 5 ist die erste Zone 6 der zweiten Leitungsart angeordnet. Diese besteht also bei n-leitendem Halbleiterplättchen 5 aus einer p-leitenden Zone 6. Diese Zone wird in bei der Herstellung monolithisch integrierte " Schaltungen nach dem Planarverfahren üblicher Weise durch Diffusion oder Ionenimplantation erzeugt.

Die erste Zone 6 wird von der zweiten Zone 7 der zweiten Leitungsart mit ausreichendem Abstand ringförmig umgeben, wobei diese zweite Zone zusammen -n mit der eisten Zone 6 im selben Diffusions- oder Implantationsprozeß hergestellt werden kann. Zur Hetstellung dieser Zonen bedient man sich der üblichan Siliciumdioxid- oder Siliciumnitrid-Maskierungstechnik, von welcher Mask.: in Fig. 2 noch die die an die ίο Vorderseite 53 tretenden pn-Übergänge überdeckenden Maskenteile 14 zu erkennen sind.

In die zweite Zone 7 ist die erste Ringzone 8 der ersten Leitungsart vollständig eingelassen. Ferner ist in die zweite Zone 7 die zweite Ringzone 9 derart ein- « gelassen, daß sie teilweise in der zweiten Zone 7 und zum andere·. Teil sich an der Vorderseite 53 des Halbleiterplättchens 5 und somit in der epitaktisch aufgebrachten Schicht 52 befindet. Die Deiden Ringzonen 8, 9 werden mittels einer die Emitterzonen von bo Transistoren ergebenden Diffusion oder Implantation erzeugt, so daß diese Zonen bei den oben angegebenen Leitungsarten von η^f-Leitungsart sind.

Die erste Zone 6 und die erste Ringzone 8 sind mittels des über die entsprechenden Maskenteile 14 hinwegverlaufenden ersten Metallbelags 11 miteinander elektrisch kontaktiert, wobei im Zentrum dieses Metallbelags der erhabene Kontakt 10 angeordnet ist, der üblicherweise durch galvanische Abscheidung aJs sogenannter Mushroom-Kontakt erzeugt wird. Der zweite Metallbelag 12 verbindet die zweite Zone 7 und die zweite Rinzone 9 elektrisch miteinander. Schließlich ist an der Rückseite 54 des Halbleiterplättchens 5 der durchgehende dritte Metallbelag 13 angebracht.

Liegt somit am erhabenen Kontakt 10, der dem äußeren Anschluß 3 nach Fig. 1 entspricht, ein gegenüber dem dritten Metallbelag 13 positiveres Potential, der dem äußeren Anschluß 4 nach Fig. 1 entspricht, so fließt der Strom vom Kontakt 10 über den Metallbelag 11, die erste Zone 6, den in Flußrichtung betriebenen pn-Ubergang 56, die epitaktische Schicht 52 und das niederohmige Substrat 51 zum Metallbelag 13.

Ist dagegen der Kontakt 10 gegenüber dem Metallbelag 13 negativ vorgespannt, so fließt der Hauptstrom vom Metallbelag 13 über das niederohmige Substrat 51, die epitaktische Schicht 52, den Übergang 59, die zweite Ringzone 9. den fvüetallbelag 12, die zweite Zone 7, die zweite Ringzone 8 und den Metallbelag 11 zum Kontakt 10, während der erwähnte vernachlässigbare Strom vom Metallbelag 13 über das niederohmige Substrat 51, die epitaktische Schicht 52, die zweite Zone 7, die erste Ringzone 8 und den Metallbelag 11 zum Kontakt 10 fließt.

Unter der Voraussetzung, daß das Produkt des Stromverstärkungsfaktors in Basisschaltung und des entsprechenden Stromverstärkungsfaktors bei Inversbetrieb der ersten Transistorstruktur 1 klein gegen eins ist, ergibt sich eine optimale Symmetrie der Halbleiterdiodenanordnung nach der Erfindung bei kleinen Strömen, wenn folgende Beziehung erfüllt ist:

A -M I = Λ · Λ/ ■ /

^Λ78 ^;V5ft .S6 ''Si. ^/V7H ^L7S

Hierin bedeuten die Größen /I_5n, A_n die Flächen der pn-Übergänge 56, 78, N₅₆, /V₇₈ die Störstoffkonzentration auf der höherohmigen Seite des jeweiligen pn-Übergangs56,78 und L₅₆, L_M die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf der höherohmigen Seite des jeweiligen pn-Übergangs 56, 78. Eine optimale Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie bei hohen Strömen ergibt sich, wenn folgende Beziehung erfüllt ist:

+ O₂

d₂) (l//f_5e - 1//I₂₉)

Hierin sind p_p Q₂ der spezifische Widerstand des niederohmigen Substrats 51 bzw. der epitaktischen Schicht 52, d_v d₂ die Dicke dieser jeweiligen Schicht und A_5V die Fläche des Übergangs 59 zwischen der epitaktischen Schicht 52 und der zweiten Ringzonc 9.

Somit läßt sich eine bezüglich der Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie optimale Halbleiterdiodenanordnung durch Wahl der Flächen A_sh, A^, A_lH, der Halbleiterplättchen-Parameter (spezifischer Widerstand ρ. Dicke d) und der diffusionsabhiingigen Größen in bekannter Weise festlegen.

Die Halbleit-rdiodenanordp.ung nach der Erfindungwird vorzugsweise in ein Glasgehäuse eingebaut, bei dem das Halbleiterplättchen zwischen den als Kontaktstempel ausbebildeten inneren Zuleitungsenden druckkontaktiert ist (sogenanntes doubleplug-Gehäuse des Typs 54 A 2 nach DIN 41 880). Eine derart mit .inem Gehäuse versehene Halblciterdiodenanordnung läßt sich ohne weiteres und vor teilhaft als Ersatz für die bisher üblichen Gehörschutzgleichrichter verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Pate ntansprüche:

1. Monolithisch integrierte Halbleiterdiodenanordnung mit in beiden Stromrichtungen annähernd gleichem Verlauf der nichtlinearen Stram-Spannungs-Kennlinie nach Art eines aus zwei antiparallelgeschalteten Gleichrichterstrecken bestehenden Gehörschutzgleichrichters, wobei jede Gleichrichterstrecke aus einer als Diode zu betreibenden Transistorstruktur besteht, dadurch gekennzeichnet', daß zwischen dem ersten und dem zweiten äußeren Anschluß (3, 4) der Halbleiterdiodenanordnung drei parallelliegende Stromzweige angeordnet sind, deren erster die Emitter-Kollektor-Strecke und deren zweiter die Emitter-Basis-Strecke der ersten Transistor-Struktur (1) sowie deren dritter die Basis-Kollektor-Strecke der keine Emitterzone aufweisenden zweiten ϊ/ansistorstruktur (2) enthält, und daß das Produkt aus dem Siromverstärkungsfaktor der zweiten Transistorstruktur (2) in Basisschaltung und aus dem entsprechenden Stromverstärkungsfaktor der ersten Transistorstruktur (1) bei inverscm Betrieb klein gegen eins ist.

2. Halbleiterdiodenanardnung nach Anspruch l,zum Einbau in ein Glasgehäuse, bei dem das Halbleiterplättcheii der Düsenanordnung zwischen den als Kontaktstempel ausgebildeten inneren Zuleitungsenden druckkontaktiert ist, dadurch geke anzeichnet, daß im Zentrum der einen Hauptfläche (53) des Halbleiterplättchens (5) einer ersten Leitungsart eine erste Zone (6) einer zweiten, zur ersten komplementären Leitungsart angeordnet ist, daß an derselben Hauptfläche (i>3) eine zweite Zone (7) der zweiten Leitungsart die erste Zone (6) mit Abstand ringförmig umgibt, daß eine erste Ringzone (8) der ersten Leitungsart vollständig in der zweiten Zone (7) und eine zweite Ringzone (9) der ersten Leitungsart teilweise in der zweiten Zone (7) getrennt von der ersten Ringzone (8) angeordnet sind, daß die erste Zone (6) und die erste Ringzone (8) sowie die zweite Zone (7) und die zweite Ringzone (9) jeweils mittels eines gemeinsamen ersten und zweiten Metallbelages (11,12) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, daß die andere Hauptfläche (Ü4) des Halbleiterpiättchens (S) einen durchgehenden dritten Metallbelag (13) trägt und daß auf dem ersten Metallbelag (11) ein erhabener Kontakt (10) angeordnet ist.

3. Halbleiterdiodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das HaIbleiterplättchen (5) aus einem niederohmigen Substrat (51) und aus einer darauf epitaktisch aufgebrachten höherohmigen Schicht (52) derselben Leitungsart besteht, wobei die höherohmiige Schicht (52) die eine (53) und das niederohmiige Substrat (51) die andere Hauptfläche (54) des Halbleiterplättchens bilden.

4. Verwendung einer Halbleiterdiodenanordnung nach Anspruch 2 oder 3 als Gehörschutzgleichrichter.

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Halbleiterdiodenanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ausgehend von den bekannten fünf Möglichkeiten ϊ zur Realisierung von Dioderrfunktionen in monolithisch integrierten Schaltungen, vgl. beispielsweise die Zeitschrift »Regelungstechnische Praxis und Prozeß-Rechentechnik«, 1970 Heft 6, Seite M46, Bilder 2 und 3, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für eine Halbleiteranordnung dieser Art eine für die monolithische Integrierung günstige Auswahl aus den prinzipiell möglichen zehn Antiparallelschaltungen jeweils zweier derartiger Diodenfunktionen anzugeben. Die Lösung dieser Aufgabe wird bei der Erfindung mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erzielt.

Aus der DE-OS 1 916927 ist es bei wechselspannungsbetriebenen integrierten Schaltungen mit üblichen Isolierwannen bekannt, einer in einer ersten der-

-" artigen Isolierwanne angeordneten Diode einen in einer zweiten Isolierwanne angeordneten und invers betriebenen Transistor mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke parallel zu schalten. In Zusammenwirken mit weiteren Maßnahmen soll damit erreicht werden,

y-> daß bei Wechselspannungsbetrieb die pn-Übergänge zwischen Isolierwannen und Substrat auch dann nicht iifden Durchlaßbüreich geraten, wenn am Substrat ein anderes als das größte Potential mit der zur Substratleitungsart entgegengesetzten Polarität anliegt.

i" Demgegenüber wird bei der Erfindung durch die gewählte Ausbildung in vorteilhafter Weise erreicht, daß keine sogenannten Isolierwannen erforderlich sind, d. h. daß die beiden Transistorstrukturen mit einer den beiden Kollektoren gemeinsamen Zone aus-

!■> gebildet werden können. Dadurch ist es ferner möglich, die Halbleiterdiodenanordnung nach der Erfindung in für übliche Dioden gängige Gehäuse, insbesondere Glasgehäuse, einbauen zu können. Schießlich können die Abmessungen der einzelnen

·»<> Halbleiterzonen und die Prozeßparameter zu deren Herstellung in einfacher Weise so optimiert werden, daß im Bedarfsfall eine sehr genaue Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie in beiden Stromrichtungen erreichbar ist.

·»·"> Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine lediglich dem Aufbau nach mit der Ausführungsform nach Anspruch 2 vergleichbare Schichtenfolge für anoden- und kathodenseitig steuerbare Thyristoren ist aus der DE-OS 1464984 bekannt.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild der Halbleiterdiodenanordnung nach der Erfindung und

Fig. 2 zeigt den Grundriß und den Querschnitt des Halbleiterplättchens eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 1 ist der zwischen dem ersten äußeren Anschluß 3 und dem zweiten äußeren Anschluß 4 liegenden Emitter-Kollektor-Strecke der ersten Transistorstruktur 1 als ersten von drei parallelliegenden Stromzweigen die Emitter-Basis-Strecke der ersten Transistorstruktur 1 als zweiter Stromzweig und die Basis-Kollektor-Strecke der zweiten Transisltorstruktür 2 als dritter Stromzweig parallel geschaltet. Liegt somit am ersten äußeren Anschluß 3 gegenüber dem zweiten äußeren Anschluß 4 ein positiveres Potential, so fließ der Strom durch die dann in Flußrichtung be-