DE2915918A1 - Halbleiteranordnung mit ueberspannungsschutz - Google Patents

Halbleiteranordnung mit ueberspannungsschutz

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Description

u.Z.: M 2018 M3 (Hi/gu/we) 19. April 1979
SGS AiDES Componenti Elettronici S.p.A,
Halbleiteranordnung mit überspannungsschutz
Die Erfindung betrifft Halbleiteranordnungen, insbesondere eine automatisch gegen Überspannungen geschützte Anordnung, die "besonders für Anwendungsfälle mit Umschaltung geeignet ist.
In vielen Schaltungen, die Transistoren zur Umschaltung hoher StSme benutzen, ist es notwendig, Schutzeinrichtungen vorzusehen, um die Betriebsparameter der Transistoren im Falle zufälliger Überspannungen auch kurzer Dauer in den Sicherheitsgrenzen zu halten. Es ist beispielsweise die Maßnahme bekannt, zwischen zwei Anschlüssen eines Leistungstransistors eine Begrenzerdiode einzuschalten, die eine Sperrdurchbruchspannung (breakdown voltage) hat, die kleiner ist als die maximal zulässige Spannung zwischen diesen Anschlüssen. Eine Anwendung dieser Art ist auf Seite 79 des Buches "Transistor ignition systems handbook" von B, Ward (V. Foulnham & Co. Ltd 1966)
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dargestellt, wobei die Fig. 6 - 5 das Schaltschema eines elektronischen Zündsystems für Motoren mit Kerzen darstellt, Die Schaltung weist einen Leistungstransistor auf, der als Kommutator des Stromes dient, der durch die Primärwicklung der Zündspule fließt. Zwischen die Basis und den Kollektor des !Transistors ist eine Zenerdiode geschaltet, die so ausgelegt ist, daß sie eine Leitung in Sperrichtung herstellt, sobald sich die Basis - Kollektor -Spannung dem Grenzwert für einen sicheren Betrieb des Transistors nähert. Diese Situation kann im Falle eines anomalen Betriebs des Zündsystems eintreten, beispielsweise bei der Unterbrechung eines der Versorgungskabel der Kerzen, während der Basis-Emitter -übergang in umgekehrter Richtung polarisiert ist und der Transistor sich daher im Sperrzustand befindet. Aufgrund nicht vorhandener Schutzeinrichtungen kann in diesem Fall die Spannung an den Enden der Primärwicklung sowohl für den Transistor als auch für andere Teile der Schaltung gefährliche Werte annehmen. Trotzdem können diese Werte mit der Zenerdiode nicht erreicht werden, weil deren Leitung die Leitung des Transistors verursacht, so daß die überschüssige Energie durch den Transistor ohne jeden Schaden vernichtet wird. ■
Wenn bei dieser und in anderen Anwendungen der Transistor und die Zenerdiode in einer einzigen Komponente integriert wären, wäre die Schaltung einfacher und könnte leichter montiert werden.
Obwohl eine solche Integrierung mit den üblichen Techniken theoretisch möglich wäre, ist sie bisher noch nicht in Erwägung gezogen worden, weil sie gegenüber den Standardverfahren wesentlich kompliziertere Herstellungsverfahren für den Transistor mit sich brächte und damit geringere G-ewinne und wesentlich höhere Kosten für das fertige Bauelement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monolithische Halbleiteranordnung mit einem Transistor zu schaffen, dessen Schutz gegen Überspannungen von dem Aufbau der, Anordnung,
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selbst sichergestellt wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine solche Anordnung ohne gegenüber den Standardverfahren zur Herstellung eines Transistors zusätzliche Bearbeitungsphasen zu realisieren.
Ausgehend von einer monolithischen Halbleiteranordnung mit einem gegen Überspannung geschützten Transistor in einem Körper aus Halbleitermaterial, umfassend zwischen einer ersten Hauptfläche und einer zweiten, dazu parallelen Hauptfläche:
- eine erste Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps mit niedrigem spezifischen Widerstand,
- eine an die erste Schicht angrenzende, zweite Schicht desselben Leitfähigkeitstyps mit hohem spezifischen Widerstand sowie eine an die zweite Schicht angrenzende,dritte Schicht mit entgegengesetzter Leitfähigkeit und hohem spezifischen Widerstand, wodurch ein erster PN - Übergang gebildet wird,
wobei in der dritten Schicht gebildet sind:
- eine erste Zone mit der genannten, entgegengesetzten Leitfähigkeit und mit niedrigem spezifischen Widerstand sowie
- eine zweite Zone mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und niedrigem spezifischen Widerstand, die einen zweiten PN Übergang bildet,
wobei die Anordnung weiter umfaßt eine erste, eine zweite und eine dritte metallische Beschichtung, die in Ohmschero Kontakt sind mit der ersten Schicht auf der ersten Hauptfläche bzw. mit der ersten Zone bzw. mit der zweiten Zone auf der zweiten Hauptfläche, wodurch die Anschlüsse des Kollektors bzw. der Basis bzw. des Emitters des Transistors gebildet werden, wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
- daß von der zweiten Hauptfläche ausgehend in der dritten Schicht eine dritte Zone des ersten Leitfähigkeitstyps und niedrige»1 spezifischen Widerstandes gebildet ist, die einen dritten PN - Übergang bildet,
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- daß diese dritte Zone in Ohmschem Kontakt mit der zweiten metallischen Beschichtung ist
- und daß die spezifischen Widerstände und die Sehichtdicken der zweiten Schicht und der dritten Schicht sowie die Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten PN - Übergang und zwischen dem ersten und dem dritten PN - übergang derart gewählt sind, daß im Betrieb der Anordnung die Basis Yerarmungszone bei ihrer maximalen Ausdehnung den dritten Übergang erreicht, nicht jedoch den zweiten Übergang.
Zum besseren Verständnis ist die Erfindung nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigen:
Figur 1 das Schaltbild der elektronischen Zündschaltung gemäß dem eingangs erläuterten Stand der Technik,
Figur 2 in stark vergrößertem Maßstab eine Draufsicht eines Halbleiter - Plättchens mit einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Figuren 3 und 4 die Schnittdarstellung von zwei gemäß der Erfindung möglichen Ausführungsformen der Anordnung und
Figur 5 das Schema eines Ersatzschaltbildes für die erfindungsgemäß ausgebildete Halbleiteranordnung.
Bei der in Fig, 1 äargestellten Schaltung dient ein Leistungstransistor T dazu, abwechselnd den Stromfluß zu unterbrechen und wieder aufzunehmen, der von einer Batterie ΒΪ zur Primärwicklung einer Zündspule BA gelangt, die eine Hochspannung AI für die Zündkerzen eines Explosionsmotors erzeugt. Die erwähnte Umschaltung wird durch das Öffnen und Schließen der Unterbreeher-
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kontakte PR gesteuert, die in Reihe mit der Basis des Transistors T verbunden sind. Der Ballastwiderstand R1 "begrenzt den Strom auf einen MaximalweTt, der im Verlauf der Konstruktion festgelegt worden ist unter Berücksichtigung des Maximalwertes der Energie, die in der Sekundärwicklung der Spule erreicht werden soll, und des maximalen Stromes, der durch den Transistor T fließen kann; der Widerstand R2 polarisiert den Basis - Emitter - Übergang in Sperrichtung, wenn die TJnterbrecherkontakte PR geöffnet sind; die Diode D1 sperrt in einer zur Leitung des Transistors entgegengesetzten Richtung den Durchgang von Strömen, die in dem Schaltkreis durch Induktion swirkungen erzeugt werden, und verleiht, zusammen mit dem zwischen den Emitter und den Kollektor des Transistors T geschalteten Widerstand R3, dem Basis - Emitter - Übergang eine Sperrpolarisierung, wenn die Unterbrecherkontakte PR geöffnet sind. Schließlich hat die Zener - Diode D2 die Aufgabe, den Transistor T zu schützen, wenn er in Sperrrichtung polarisiert ist, insbesondere im Fall, in dem die von der Zündspule erzeugte Energie dazu neigt, die Spannung zwischen den Anschlüssen des Transistors über die Sicherheitsgrenzen ansteigen zu lassen, die durch· die konstruktiven Daten des Transistors vorgegeben sind. Die Sperrdurchbruchspannung (breakdown voltage) der Diode D2 ist so gewählt, daß der Transistor in leitenden Zustand zurückversetzt wird, bevor die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter einen gefährlichen Wert erreicht. Auf diese Weise wird die überschüssige Energie von dem Transistor bei direkter Leitung vernichtet.
Die Punktionen des Transistors T und der Zenex'diode D2werden erfindungsgemäß von einer einzigen Halbleiteranordnung ausgeführt, die mit Hilfe eines der bekannten Verfahren zur Fertigung von Leistungstransistoren hergestellt v/erden kann.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird der erfindungsgemäße Aufbau, wie er in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist,
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mit einem an sich, "bekannten Verfahren erreicht, indem man nacheinander auf einem Substrat 2 aus dotiertem Halbleitermaterial, beispielsweise P - leitendes Silizium mit niedrigem spezifischen Widerstand ( ca. 20 mil.cm), zwei epitaktische Schichten 4 und 6 wachsen läßt. Die erste Schicht 4 ist vom P -" Typ,hat einen höheren spezifischen Widerstand als das Substrat (7 - 50 iT .cm) und hat eine Schichtdicke zwischen 10 und 40 /om, während die zweite Schicht 6 vom Έ - Typ ist, etwa denselben spezifischen Widerstand hat wie die epitaktische Schicht 4 sowie eine Schichtdicke zwischen 15 und 35 ^m. Die beiden epitaktischen Schichten 4 und 6 bilden den Kollektor - Basis - Übergang eines Transistors. (Es wird darauf hingewiesen, daß in den Fig. die großen oder kleinen spezifischen Widerstände, die den kleinen bzw. großen Dotier-Stoffkonzentrationen entsprechen, gemäß der Praxis mit den Symbolen "-" und "+" bei den Buchstaben P oder TS, die den leitfähigkeitstyp angeben, versehen sind).
Anschließend werden auf der gesamten freien Oberfläche der Schicht 6 zur N - leitfähigkeit führende Dotierstoffe niedergeschlagen, die man bis zu einer Tiefe von etwa 2 Um diffundieren läßt, so daß eine Schicht 8 mit niedrigem spezifischen Widerstand .an der Oberfläche (200 - 5-00 il/er) gebildet wird.
unter Anwendung bekannter Diffusionsmethoden unter Verwendung von Masken werden durch die Schicht 8 hindurch und in der Schicht 6 zwei Zonen 10 und 12 vom Typ P mit verhältnismäßig niedrigem spezifischen Widerstand an der Oberfläche (2-6 Ohm/a) gebildet. Die Zone 10, die bis zu einer Tiefe von 5 - 8yu.m eindringt, bildet mit der Schicht 6 den Emitter - Basis - Übergang des Transistors, Gemäß der Erfindung betrifft die Zone 12, die in Pig. 2 gestrichelt dargestellt ist, nur einen verhältnismäßig kleinen Bereich der Fläche der Schicht 8 und erreicht eine größere Eindringtiefe als die Zone 10, Ein*e Möglichkeit zur Erzielung dieser unterschiedlichen Eindrin.jtiefo besteht beispielsweise darin, daß man su-
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• - 10 -
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nächst nur auf dem die Zone 12 "betreffenden Teil der Oberfläche des Halbleiters Dotierstoffe aufbringt, diese bis zu einer mittleren Eindringtiefe diffundieren läßt und anschließend auf der die Zone 10 betreffenden Oberfläche die anderen Doüerstoffe aufbringt. Die anschließende Diffusionsphase erlaubt die Bildung der Zone 10 sowie ein weiteres Eindringen der Dotierstoffe der Zone 12 in die Schicht 6.
Schließlich werden in der Schicht 14 aus Silizium - Dioxid, die auf dem Halbleiter nach der letzten Diffusionsphase gebildet wird, Öffnungen gebildet, durch die mit Hilfe üblicher Metallisierungstechniken die Kontakte der Basis 16 und des Emitters 18 des Transistors gebildet werden. In analoger Weise wird auf die freie Oberfläche des Substrats 2 eine Kollektorelektrode 20 aufgebracht* Gemäß der Erfindung ist die metallische Schicht, die den Basiskontakt 16 bildet, auch in Kontakt mit der Zone 12.
Man erkennt, daß der beschriebene Aufbau zur Darstellung der Punktion durch das in Mg. 5 gezeigte Ersatzschaltbild wiedergegeben werden kann, indem ein Transistor T1 und ein Hilfstransistor T2 gemeinsame Kollektorelektroden 20 und gemeinsame Basiselektroden 16 haben. Die Emitterelektrode des Transistors T2 ist mit der gemeinsamen Basiselektrode 16 verbunden.
Mit Hilfe von dem Fachmann geläufigen Berechnungen können die spezifischen Widerstände und die Schichtdicken der Schichten und 6 sowie der Zonen 10 und 12 so dimensioniert werden, daß die Sperrdurchbruchsspannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor (BVqES) des Transistors T2 kleiner ist als die Sperrdurchbruchsspannung des Transistors T1 mit offener Basis (BVCEq), Das bedeutet, daß bei einem vorgegebenen Wert für die Sperrspannung zwischen der Kollektorelektrode 20 und der Emitterelektrode 18 die Verteilung der elektrischen Ladungen im Inneren der Anordnung so ist, daß sich die Basis Verarmungszone so v/eit erstreckt, bis sie die Zone 12 in einem Teil des Basis - Emitter- Übergangs des Transistors T2 berührt ("punch - through"-Effekt), ohne jedoch an einem Punkt
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den Basis - Emitter - Übergang des Transistors TT zu erreichen, weil die Emitterzone 10 weniger tief ist als die Zone 12. Durch, den Transistor T2 fließt dadurch, ein verhältnismäßig hoher Strom, der ausreichend ist, um den Transistor T1 in leitenden Zustand zu versetzen.
Man,erkennt, daß die Anordnung gemäß der Erfindung in einem einzigen Körper aus Halbleitermaterial und damit in nur einem Bauteil dieselben Punktionen ausübt, die in der Schaltung gemäß Pig. 1 von zwei Bauteilen, nämlich dem Transistor T und der Zenerdiode D2, ausgeübt wurden.
. Pur
eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere für den Betrieb bei hohen Spannungen geeignet ist, ist die Anordnung etwas anders aufgebaut als die in Pig. 5 gezeigte.. Sie ist im Schnitt in Pig. 4 und in Draufsicht ebenfalls in Pig. 2 dargestellt. Man erkennt, daß dieselben Elemente in den verschiedenen Piguren dieselben Bezugsziffern tragen.
Bei der Anordnung gemäß Pig. 4 wird eine Zone 8' vom N" - Typ und verhältnismäßig geringem spezifischen Widerstand (100 600 il/ α )durch Diffusion im Inneren der epitaktischen Schicht 6 gebildet. Erfindungsgemäß wird während der Diffusion ein verhältnismäßig kleiner Teil der Oberfläche des Halbleiters abgedeckt, so daß innerhalb der Diffusionszone 8' eine Zone 9 besteht, welche denselben spezifischen Widerstand wie die Schicht 6 hat.
Auf der Oberfläche des Halbleiters wird ein zur P - leitfähigkeit führender Dotierstoff niedergeschlagen, den man anschließend so diffundieren läßt, daß man zwei Bereiche vom Typ P niedrigen spezifischen Widerstandes erhält, die sich beide bis zu einer Tiefe erstrecken, die nur wenig kleiner ist als die Schichtdicke der Zone 8'.Einer von beiden, der mit 10' bezeichnet ist und sehr groß ist,bildet mit der Zone 8! den Emitter - Basis - Übergang eines Transistors, während sich der andere, der mit 12' bezeichnet und sehr klein ist, in die Zone 9 hinein erstreckt, welche während der Diffusion der Zone 8' abgedeckt war. Die Zone 12' kann völlig
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in dieser Zone 9 liegen,oder sie kann, wie in Fig. 4 dargestellt, mit ihren Rändern einen Teil der Zone 8' überlagern. Anschließend werden wie beim Beispiel der Pig. 3 die Emitter -, Basis - und die Kollektor - Elektroden 18, 16 und 20 angebracht.
Man erkennt sofort, daß die Schaltung gleichwertig ist mit der in Pig. 4 gezeigten Anordnung und auch mit der Schaltung gemäß Pig. 5.
Aufgrund τοη dem Fachmann geläufigen Rechnungen können die spezifischen Widerstände und die Schichtdicken der Schichten 4 und 6 sowie der Zone 81 in der Weise bemessen werden, daß • für einen vorgegebenen Wert einer Sperrspannung zwischen der Kollektorelektrode 20 und der Emitterelektrode 18, der kleiner ist als die Spannung BV „Ε~ des Transistors T1, sich die Basis - Verarmungszone des Transistors T2 durch die gesamte, epitaktische Basisschicht 6 bis zur Berührung mit der Zone 12' erstreckt ("punch-through"-Zustand), während sich die Basis Verarmungszone des Transistors T1 ebenfalls durch die gesamte epitaktische Basis - Schicht 6 hindurch erstreckt, jedoch nur wenig in die Basis - Diffusionszone 8'. Daraus ergibt sich, daß der Transistor T1 niemals zu hohen Sperrspannungen zwischen dem Emitter und dem Kollektor ausgesetzt werden kann, denn sobald der Transistor T2 den "punch-through"-Zustand erreicht, erhält er an der Basis einen Strom, der ausreicht, um ihn in den Zustand direkter leitung zu versetzen.
Die beschriebene und in Fig. 4 dargestellte Form der Anordnung übernimmt dieselben Punktionen des Transistors T und der Zenerdiode D2 der Schaltung gemäß Fig. 1 und weist überdies den Vorteil auf, daß zu ihrer Herstellung keine besonderen Schritte erforderlich sind, sondern nur die, die auch für die Herstellung nur des Transistors 1 notwendig sind.
Es sind über die beschriebenen und dargestellten beiden Ausführungsbeispiele hinaus zahlreiche Vari-
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änten und Abänderungen im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich. Beispielsweise kann eine Anordnung rerwirklicht werden, deren Polaritäten entgegengesetzt zu den in den Figuren 3 und 4 dargestellten sind, deren Betriebsweisen jedoch mit den erläuterten gleichwertig sind. Es wäre auch möglich, daß der Transistor T1 Teil einer monolithischen Anordnung ist, die wesentlich komplexer aufgebaut ist und einen zweiten Transistor enthält, der mit dem Transistor T1 als Steuerstufe oder als Endstufe in einer Darlington Schaltung verbunden ist.
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Claims (1)

  1. DR. E L I S A 6 E T H JUNG DR. JÖRGEN SCHIRDKWAHM DR. GERHARD SCHM! 1T-NiISON DR, C. E R K A R O ,·,.!! AC P M DlPu-INO. !'LTEiI HIRSCH
    PATEJHTAilWÄLTE Clemonsatr. 30, 8000 München 40 Telsfon: (089)045067
    19, April 1979
    u.Z.; M- 2018 M3 (Hi/gu/we) SGS-ATES component! Elettjronici S.p.A.
    A η s ρ r ü. ο h e
    1. Monolithische Halbleiteranordnung mit einem gegen Überspannung geschützten !Transistor in einem Körper aus Halbleitermaterial, umfassend zwischen einer ersten Hauptfläche und einer zweiten, dazu parallelen Hauptflache:
    - eine erste Schicht (2) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit niedrigem spezifischen Widerstand,
    "■— eine an die erste Schicht (2) angrenzende, zweite Schicht (4) desselben Leitfähigkeitstyps mit hohem spezifischen' Widerstand sowie eine an die zweite Schicht (2) angrenzende, dritte Schicht (6) mit entgegengesetzter Leitfähigkeit und hohem spezifischen Widerstand, wodurch ein erster PM" - Übergang gebildet wird,
    wobei in der dritten Schicht (6) gebildet sind:
    — eine erste Zone (8?8') mit der genannten, entgegengesetzten Leitfähigkeit und mit niedrigem spezifischen Widerstand sowie
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    - eine zweite Zone (10, 10') mit dem ersten Leitfähigkeitstyp und niedrigem spezifischen Widerstand, die einen zweiten PN - Übergang bildet,
    wobei die Anordnung weiter umfaßt eine erste (20), eine zweite ((16) und eine dritte (18) metallische Beschichtung, die in Ohmsehem Kontakt sind mit der ersten Schicht (2) auf der , ersten Hauptfläche bzw, mit der ersten Zone (8, 8!) bzw. mit der zweiten Zone (10, 10') auf der zweiten Hauptfläche, wodurch die Anschlüsse des Kollektors bzw. der Basis bzw. des Emitters des Transistors gebildet werden, dadurch gekennzeichnet,
    - daß von der zweiten Hauptfläche ausgehend in der dritten Schicht (6) eine dritte Zone (12, 12') des ersten Leitfähigkeit stjrps und niedrigen, spezifischen Widerstandes gebildet ist, die einen dritten PIi - Übergang bildet,
    - daß diese dritte Zone (12, 12') in Ohmschein Kontakt mit der zweiten metallischen Beschichtung (16) ist
    und daß die spezifischen Widerstände und die Schichtdicken der zweiten Schicht (4) und der dritten Schicht (6) sowie die Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten PH" - Übergang und zwischen dem ersten und dem dritten PF - Übergang derart gewählt sind, daß im Betrieb der Anordnung die Basis - Verarmungszone bei ihrer Maximalen Ausdehnung den dritten Übergang erreicht, nicht jedoch den zweiten Übergang,
    Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei der die zveite Zone (10') in die erste Zone (8!) eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (10') und die dritte Zone (12') im wesentlichen denselben spezifischen Viiderstand haben und daß de Abstand zwischen dem ersten PK - Übergang und dem zweiten PN - Übergang gleich dem Abstand zwischen dem ersten PN Übergang und dem dritten PN - Übergang ist.
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    .-3
    3« Halbleiteranordnung nach. Anspruch 1, bei der die zweite Zone (10) die ganze erste Zone (8) durchquert, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem ersten PN - Übergang
    und dem zweiten PN - Übergang größer ist als der Abstand
    zwischen dem ersten PN - Übergang und dem dritten PN - Übergang.
    4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor der Ausgangstransistor eines Transistorpaares ist, das in einer Darlington Schaltung angeordnet ist.
    5· Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor der Steuertransistor eines Transistorpaares ist, das in einer Darlington - Schaltung angeordnet ist.
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