DE2947669A1 - Pnpn-halbleiterschalter - Google Patents

Pnpn-halbleiterschalter

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Description

PNPN-Halbleiterschalter
Die Erfindung betrifft einen PNPN-Halbleiterschalter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Es sind PNPN-Halbleiterschalter dieser Art mit hoher Empfindlichkeit, Einrichtungen zur Verhinderung eines fehlerhaften dV/dt-Verhalt ens und kleiner Flächen aus dehnung bekannt, bei denen die Elemente selbst dann, wenn der Halbleiterschalter mit Licht als Zweirichtungsschalter betrieben wird, nicht zwecks Bildung eines Lichtschutzes voneinander getrennt werden brauchen. Der Ausdruck "Einrichtungen, die ein fehlerhaftes dV/dt-Verhalten verhindern" soll hierbei Mittel kennzeichnen, durch welche diejenigen Fehlfunktionen bzw. unerwünschten Fehlschaltungen des PNPN-Halbleiterbauelementes begrenzt werden, die durch Einschaltströme bzw. -vorgänge erzeugt werden könnten, wenn den Anoden- und Katoden elektroden des Halbleiterbauelementes Spannungen aufgeprägt werden, die sich schnell ändern.
Die Schaltverbindung und die Bauweise eines bekannten, mit Licht betriebenen PNPN-Halbleiterschalters, der einen Schaltkreis zur Verhinderung eines fehlerhaften dV/dt-Verhaltens aufweist, ist in den Fig. 1a und 1b in Form eines Zweirichtungsschalters mit zwei entgegengesetzt geschalteten Halbleiterbauelementen dargestellt. Der Schaltkreis nach Fig. 1a enthält PNPN-Halbleiterbauelemente 1 und 2, Widerstände 3 und 4, NPN-Transistoren 5,6,7 und 8, Dioden 9 und 10, einen PNP-Transistor 11, eine Lumineszenzdiode 12 und Anschlüsse 13 und 14, die in der dargestellten Weise miteinander verbunden sind. Gemäß Fig. 1b enthält der Halbleiterschalter einen N-leitenden Halbleiterkörper 15 mit hohem Widerstand, P-leitende Diffusionszonen 16, N-leitende Diffusionszonen 17 und einen Isolierfilm 18, wobei die Diffusionszonen durch Oberflächenverdrahtung gemäß Fige" 1a miteinander verbunden sind. Entsprechend Fig. 1b sind verschiedene der im Halbleiterkörper enthaltenen Elemente durch ausreichend
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große Abstände voneinander beabstandet, und die in Fig. 1a dargestellte Lumineszenzdiode 12 ist so angeordnet, daß sie den gesamten Schaltkreis beleuchtet.
Es sei nun angenommen, daß bei dem Schaltkreis nach Fig. 1a das Potential des Anschlusses 13 größer als das Potential des Anschlusses 14 sei. Wenn an das PNPN-Halbleiterelement 1 eine sich schnell ausbildende Spannung angelegt wird, wird der Schaltkreis beim Fehlen einer eine fehlerhafte Betriebsweise verhindernden Schaltungsanordnung aufgrund des in dem Halbleiterbauelement erzeugten Eins ehalt Stroms fehlerhaft arbeiten. Beim Vorhandensein des Schaltkreises nach Fig. 1a fließt der Einschalt strom jedoch gleichzeitig durch den PNP-Transistor 11, der eine hohe Durchbruchsspannung besitzt, so daß dieser Einschaltstrom auch als Basisstrom des NPN-Trans istors 5 wirksam ist und dessen Sättigung verursacht. Aus diesem Grund ist die Kollektor/Emitter-Spannung des Transistors 5 auf einen kleinen Wert festgeklemmt, so daß der Einschaltstrom im PNPN-Halbleiterbauelement 1 durch den Transistor 5 fließt und verhindert, daß sich die Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Katode des PNPN-Halbleiterbauelementes 1 aufbaut, wodurch eine fehlerhafte Betriebsweise des PNPN-HaIb le it erbau eiern ent es 1 verhindert wird.
Wenn die Lumineszenzdiode 12 zu einem Zeitpunkt betätigt wird, indem das Potential am Anschluß 13 größer als das Potential am Anschluß 14 ist, dann wird das PNPN-Halbleiterbauelement 1 durchgeschaltet. Beim Betätigen der Lumineszenzdiode 12 fließt nämlich sowohl durch den PNP-Transistor 11 als auch durch das PNPN-Halbleiterbauelement 1 ein Fotostrom. Würde der Fotostrom den Transistor 5 sättigen, würde das PNPN-Halbleiterbauelement 1 nicht eingeschaltet. Da jedoch auch der NPN-Trans is tor 7 durch das Licht dahingehend betätigt wird, daß er die Basis/Emitter-Spannung des Transistors 5 festklemmt, fließt der Fotostrom durch den PNP-Transistör 11 auch durch den Transistor 7 mit der Folge, daß die Spannung zwischen der
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Steuerelektrode und der Katode des PNPN-HaIbleiterbauelements 1 nicht festgelegt, sondern vielmehr das Halbleiterbauelement 1 eingeschaltet wird. Während die Lichtempfindlichkeit zu diesem Zeitpunkt durch den zwischen die Steuerelektrode und die Katode des Halbleiterbauelements 1 geschalteten Widerstandes 3 bestimmt wird, wird die Lichtempfindlichkeit durch Verlust an Fotostrom durch das PNPN-Halbleiterbauelement 1 verringert, wobei dieser Verlust durch den Fotostrom verursacht wird, der am Kollektorübergang des NPN-Transistors 5 bei der Bestrahlung mit Licht erzeugt wird. Die Diode 9 wirkt im Schaltkreis nach Fig. 1 als Spannungsstabilisator.
Wenn das Potential am Anschluß 14 größer als das Potential am Anschluß 13 ist, ergibt sich die gleiche Betriebsweise, wenn anstelle des PNPN-Halbleiterbauelementes 1 das PNPN-HaIbleiterbauelement 2, anstelle des Widerstands 3 der Widerstand hf anstelle des NPN-Transistors 5 der NPN-Transistor 6, anstelle des NPN-Transistors 7 der NPN-Transistor 8 und schließlich anstelle der Diode 9 die Diode 10 betrachtet wird.
Mit derartigen bekannten PNPN-Halbleiterschaltera ist eine beträchtliche dV/dt-Beständigkeit erzielt worden, ohne daß es erforderlich war, die Lichtempfindlichkeit des PNPN-Halbleiterbauelementes wesentlich zu verringern, oder das Licht der Lumineszenzdiode durch die gesamte Oberfläche des Halbleiterbauelementes zu empfangen. Wenn ein Zweirichtungsschalter entsprechend Fig. 1b auf einem einzigen monokristallinen Substrat ausgebildet wird, dann haben die N-Steuerzonen der beiden PNPN-HaIbleiterbauelemente, die Basiselektroden des Transistors 11 usw. jeweils dasselbe Potential. Dies führt zu keinerlei Problemen beim Betreiben des Zweirichtungssehalters, und es ergeben sich auch keinerlei Probleme, wenn die zwischen den beiden Halbleiterbauelementen fließenden Ströme durch hohe Widerstände klein genug gehalten werden können, so daß es möglich ist, zwei
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Schaltelemente auf demselben Substrat anzubringen. Wenn versucht würde, auf demselben Substrat zwei Zwei richtung sschalter auszubilden, oder wenn der Schalter in einem solchen Fall derart betrieben würde, daß die Basis eines PNP-Transistors als Transistor 11 nicht dasselbe Potential wie die N-Steuerzone des PNPN-HaIb le it erbau element es aufweist, dann wäre es unmöglich, zwei Schaltelemente auf demselben Substrat auszubilden, d.h. in einem derartigen Fall müßten die beiden Halbleiterbauelemente getrennt werden. Mit anderen Worten ist es nicht erforderlich, zwei Schaltelemente zu trennen, wenn ein Zweirichtungsschalter auf einem einzigen Substrat mit hohem Widerstand ausgebildet wird. Da jedoch die Zahl der Elemente groß ist und diese Elemente einen ausreichenden Abstand aufweisen müssen, wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers relativ groß, so daß es nicht nur schwierig wird, eine Vielzahl von Schaltelementen auf demselben Substrat auszubilden, sondern auch die Ausbeute an zufriedenstellenden Produkten abnimmt. Es ist zwar auch bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, nach dem verschiedene Elemente dadurch vollkommen gegeneinander isoliert werden, daß sie mit dielektrischen Filmen umgeben werden, um Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Elementen zu verhindern, anstatt diese Elemente entsprechend Big. 1b weit voneinander zu beabstanden. Dieses Verfahren ist als dielektrisches Trennung s verfahr en bekannt, hat jedoch den Nachteil, daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers zunimmt, da die Zahl der Elemente groß ist und die einzelnen Elemente ausreichend voneinander getrennt werden müssen. Dieses "Verfahren ist daher nicht für die Integrationstechnik geeignet und bringt nur eine geringe Ausbeute mit sich. Weiterhin ist bereits eine Konstruktion vorgeschlagen worden, bei welcher die NPN-Transistoren 7 und 8 fehlen und bei welcher die Transistoren 5,6 und 11 sowie die Dioden 9 und 10 gegen Licht abgeschirmt sind. Bei Verwendung nur eines Substrates ist es jedoch schwierig, dieses gegen Licht abzuschirmen, und außerdem macht eine derartige Konstruktion nicht nur
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eine dielektrische Isolierung, sondern auch einen Lichtschutz entsprechend Fig. 2 erforderlich. Insbesondere ist es bei der Konstruktion nach Fig. 1 erforderlich, nur ein gegebenes Element zu belichten, da das Silicium-Substrat das Licht nicht vollkommen abschirmen kann, so daß das auf das eine PNPN-HaIbleiterbauelement projezierte Licht durch das Substrat hindurch zum anderen Halbleiterbauelement gelangen würde. Bei Anwendung der dielektrischen Isolierung sind die entsprechenden PNPN-Halbleiterbauelemente von dielektrischen Filmen umgeben, die eine Vielzahl von lichtreflektierenden Grenzflächen darstellen, die Streueffekte des Lichts verhindern.
Bei einem weiteren bereits vorgeschlagenen PNPN-Halbleiterschalter ist zwischen die Steuerelektrode und die Katodenelektrode des PNPN-Halbleiterbauelements entsprechend Fig. 3, in der nur die eine Hälfte des Schaltkreises dargestellt ist, ein normalerweise N-leitender Feldeffekttransistor geschaltet. Der Schaltkreis nach Fig. 3 enthält einen Feldeffekttransistor 19, Dioden 20, einen Widerstand 21 und eine Lumineszenzdiode 12, die in der dargestellten Weise mitteinander verbunden sind. Wenn die Lumineszenzdiode nicht betrieben ist, ist der Widerstand zwischen der Steuerelektrode und der Katodenelektrode des PNPN-Elementes klein, die Empfindlichkeit gering und die dV/dt-Beständigkeit groß. Wenn die Lumineszenzdiode 12 dagegen zwecks Fotoantriebs in Betrieb ist, wird der Widerstand zwischen der Steuerelektrode und der Katodenelektrode groß und auch die Empfindlichkeit nimmt zu. Bei einer derartigen Konstruktion ist es jedoch ebenfalls erforderlich, die Elemente voneinander zu isolieren und für eine Lichtabschirmung zu sorgen, so daß die Oberfläche des Halbleiterkorpers nicht wesentlich verkleinert werden kann.
Der Efindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen PNPN-Halbleiterschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der verschiedene der oben genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll dieser PNPN-HaIbleiterschalter
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eine hohe Steuerungsempfindlichkeit und eine hohe dV/dt-Beständigkeit aufweisen und eine starke Reduzierung der Oberfläche des Halbleiterkörpers ermöglichen, ohne daß es erforderlich ist, die Elemente zu isolieren und einen Lichtschutz vorzusehen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
Ein Zweirichtungs-PNPN-Halbleiterschalter kann auf demselben N-leitenden Substrat dadurch hergestellt werden, daß in der beschriebenen Art identische Halbleiterbauelemente symmetrisch angeordnet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a das Schaltbild eines bekannten, durch Licht betriebenen PNPN-Halbleiterschalters;
Fig. 1b einen Schnitt des Halbleiterschalters nach Fig. 1a;
Fig. 2 und 3 weitere bekannte PNPN-Halbleiterschalter;
Fig. 4a das Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4b einen Schnitt des PNPN-Halbleiterschalters längs der Linie IVa-IVa der Fig. 4c;
Fig. 4c eine Draufsicht auf den PNPN-Halbleiterschalter nach Fig. 4a und 4b; und
Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Anhand der Fig. Aa, 4b und Ac, die sich auf einen Zweirichtungs-PNPN-Halbleiterschalter beziehen, wird nachfolgend ein bevorzugtes Aus führung sbei spiel der Erfindung beschrieben.
Der PNPN-Halbleiterschalter enthält ein N-leitendes, als N-Steuerzone wirksames Substrat 22, P-leitende Diffusionszonen 23,24,25 und 26, N-leitende Diffusionszonen 27,28,29 und 30, von denen die Zonen 23 und 25 als Anodenzonen, die Zonen 24 und 26 als P-leitende Steuerzonen, die Zonen 27 und 29 als Katodenzonen und die Zonen 28 und 30 als Senken (Drainzonen) wirken, ferner Körper .31 und 32 mit hohem Widerstand, die aus N-leitendem polykristallinen Silicium bestehen und als Steuerelektroden wirken, Isolierfilme 33, Halbisolierfilme 34, Aluminiumelektroden 35, 35a, 36, 36a, 37 und 38, wobei die Elektroden 35 und 35a als Anodenelektroden, die Elektroden 36 und 36a als Katodenelektroden und die Elektroden 37 und 38 als Steuerelektroden wirken, ferner Elektroden 36c und 36d, die als Steuerelektroden wirken, Anschlüsse 39 und 40 und schließlich eine Lumineszenzdiode 41.
Weiterhin sind Zonen 42 und 43 mit hohem Widerstand vorgesehen, die die Steuerelektroden 31 und 32 mit den Katodenelektroden 37 und 38 verbinden. Isolierzonen 44 und 46, die auf den Steuerelektroden 31 und 32 liegen, wirken als Kapazitäten. In entsprechender Weise wirken auch Isolierschichten 45 und 47, die zwischen den Steuerelektroden 31» 32 und den Katodenζonen 27,29 bzw. den Senken- oder Saugzonen 28,30 angeordnet sind, als Kondensatoren. Diejenige Oberfläche eines Teils der P-leitenden Diffusions schicht 24, die als P-leitende Steueroberfläche wirkt und unmittelbar unterhalb der Isolierschicht 45 bzw. zwischen der N-leitenden Katodenzone 27 und der N-leitenden Saug- bzw. Senkenzone 28 angeordnet ist, ist als Kanal 48 bezeichnet, während diejenige Schicht d-r P-leitenden Diffusions zone 26, die unmittelbar unterhalb der als Kapazität wirksamen
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Isolierschicht 47 bzw. zwischen der N-leitenden Katodenzone 49 und der Saugzone 30 angeordnet ist, als Kanal bezeichnet ist. Weiterhin ist ein Teil der P-leitenden Steuerzone 24, dessen Widerstand durch Modifikation seiner Form vergrößert worden ist, als Widerstand 50, ein Teil der P-leitenden Steuerzone 26, deren Widerstand durch Modifikation ihrer Form ebenfalls vergrößert worden ist, dagegen als Widerstand 51 bezeichnet.
Die Steuerelektrode 37 ist zur elektrischen Kopplung der P-leitenden Steuerzone 24, der N-leitend en Drainzone und des einen Endes der Widerstandszone 42 vorgesehen, wohingegen die Steuerelektrode 38 zur elektrischen Verbindung der P-leitenden Steuerzone 26, der N-leitenden Drainzone 30 und des einen Endes der ,Widerstandszone 43 dient. Die Anoden elektrode 35 ist/mit der P-leitenden Anodenzone 23, der N-leitenden Katodenzone 29 und dem einen Ende des Widerstands 51 verbunden und wirkt außerdem als eine Elektrode des Kondensators zwischen den Steuer elektroden 36d und 32. Die Elektrode 36 ist dagegen elektrisch mit der P-leitenden Anodenzone 25 und der N-leitenden Katodenzone 27 verbunden und wirkt außerdem als eine Elektrode des Kondensators zwischen den Steuerelektroden 36c und 31· Dabei ist zu beachten, daß die P-leitenden Steuerzonen 24 und 26 ausreichend voneinander getrennt sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterschalter hat das Betätigen der Lumineszenzdiode 41 für den Fall, daß sich der Anschluß 39 auf einem höheren Potential als der Anschluß 40 befindet, ein Durchschalten desjenigen PNPN-Halbleiterbauelementes zur Folge, das aus der P-leitenden Anodenzone 23 dem N-leitenden Substrat 22, der P-leitenden Steuerzone 24 und der N-leitenden Katodenzone 27 besteht.
Bei Abwesenheit des von der Lumineszenzdiode 41 abgestrahlten Lichts hat das Anlegen eines Potentials am Anschluß 40, das sich schneller als ein an den Anschluß 39 angelegtes
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Potential aufbaut, eine fehlerhafte Arbeitsweise eines üblichen PNPN-Halbleiterbau element es zur Folge, welches keinen Schaltkreis zur Verhinderung eines dV/dt-Fehlverhaltens aufweist. Wenn dagegen beim erfindungsgemäßen Halbleiterschalter eine schnell zunehmende Spannung in Vorwärtsrichtung an den Anschluß 39 gelegt wird, dann würde die hohe Spannung auch an die Anodenelektrode 35 gelegt, die mit dem durch die Isolierschicht 44 gebildeten Kondensator verbunden ist. Dadurch wird das Potential V der Steuerelektrode 31» die zwischen den Isolierschichten 44 und angeordnet ist, auf ein Potential anwachsen, das durch die Kapazität zwischen ihr und dem Widerstand 42 bestimmt ist. Die Steuerelektrode 31, die Isolierschicht 45, die N-leitende Katodenzone 27, die Drainzone 28 und der Kanal 48 bilden einen MOS-FeIdeffekttransistor, und wenn das Potential der Steuerelektrode 31 größer als die Schwellenspannung VT des MOS-Feldeffekttransistors wird, bildet sich im Kanal 48 eine Inversionsschicht.
Der Einschaltstrom, der an dem durch die schnell anwachsende Spannung in Rückwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergang zwischen der P-leitenden Steuerzone 24 und dem N-leitenden Substrat 22 erzeugt wird, durchfließt nun nicht auch den PN-Übergang zwischen der P-leitenden Steuerzone 24 und der N-leitenden Katodenzone 27, sondern durch die P-leitende Steuerzone 24, die Steuerelektrode 37, die N-leitende Drainzone 28, den Kanal 48, die N-leitende Katoden ζ one 27 und die Katoden elektrode 36, ohne das PNPN-Halbleiterbauelement zu zünden. Nach Beendigung des Einschaltvorgangs nimmt das Potential an der
mit
Steuerelektrode 31 /einer Zeitkonstante, die durch die Isolierschicht 45 und den Widerstand 42 festgelegt ist, allmählich ab, bis es schließlich gleich dem Potential der P-leitenden Steuerzone 24 wird, wodurch die Inversionszone im Kanal 48 verschwindet.
Die obige Beschreibung zeigt, daß der erfindungsgemäße Halbleiterschalter Einschalt ströme absorbieren kann, indem
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die Änderung des Potentials der Steuerelektrode 31 ausgenutzt wird. Die zeitliche Änderung des Potentials V (t) der Steuerelektrode 31 kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Vo(t) = RC1 t? (1 - e R(C1 + C2) ) für 0 < t c tr, und
V t - tr
- RC1 t? < e RtC1 + C2> - β R<C1 + C2* ) für tr C t,
wobei tr die Aufbauzeit des Potentials am Anschluß 39, V
ει
die aufgebaute Spannung, Cj die von der Isolierschicht 44 gebildete Kapazität^ C2 die durch die Isolierschicht 45 gebildete Kapazität und R den Widerstandswert der Widerstandszone 42 bedeuten und das Potential am Anschluß 40 gleich dem Erdpotential ist.
Während das Potential V (t) größer als die Schw eil en spannung VT ist, wird der Einsehaltstrom absorbiert, indem er durch den Kanal 48 geleitet wird. Ist der Wert RC1 etwa gleich oder etwas größer als tr, dann ist es möglich, einen ausreichend großen Wert für VQ(t) zu erhalten, der für die Schwellenspannung VT notwendig ist. Außerdem ist es möglich, die beschriebene Absorbti ons fähigkeit für den Einschalt strom auch noch für eine ausreichende Zeitlang nach dem Aufbau der Eingangsspannung bestehen zu lassen. Schließlich ist es erfindungsgemäß möglich, der Widerstandszone 42 irgendeinen Widerstandswert zu geben.
Die Schw eil en spannung V™ ist gegeben durch die Dicke der Isolierschicht 45 und beeinflußt die Möglichkeit, fehlerhaftes dV/dt-Verhalten zu verhindern. Dennoch ist es möglich, durch geeignete Veränderung des Verhältnisses der
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Dicken der Isolierschichten 44 und 45 möglich, diese Fähigkeit, ein Falschverhalten zu verhindern, angemessen zu steuern, da ein PNPN-HaIbleiterbau element mit einem Widerstand 50 zwischen seiner Steuerzone und seiner Katoden zone bei kleinen sich aufbauenden Spannungen oder bei sich langsam aufbauenden Wellenformen kein Falschverhalten zeigt.
Wenn der Halbleiterschalter mittels der Lumineszenzdiode dadurch angetrieben wird, daß an seine Anschlüsse 39 und AO eine konstante Gleichspannung oder eine niederfrequente Wechselspannung angelegt wird, dann befindet sich die Steuerelektrode 31 für den Fall, daß sich der Anschluß 39 auf einem größeren Potential befindet als der Anschluß 40, auf demselben Potential wie die P-leitende Steuerzone 24, und zwar wegen der Anwesenheit der Widerstandszone 42, so daß sich im Kanal 48 keine Inversionsschicht bilden würde. Infolgedessen fließt der gesamte Fotostrom, der am rückwärts vorgespannten PN-Übergang zwischen der P-leitenden St euer zone 24 und dem N-leitenden Substrat 22 durch das Licht der Lumineszenzdiode 41 erzeugt wird,
durch den PN-Übergang zwischen der P-leitenden Steuerzone 24 und der N-leitenden Katodenzone 27 und wirkt dabei als ZUndstrom für das PNPN-HaIb le it erbau element. Auf diese Weise ist die Lichtempfindlichkeit dieses Halbleiterschalters durch den Widerstand 50 festgelegt, wodurch eine Abnahme der Lichtempfindlichkeit vermieden wird, welche durch die zusätzliche Verhinderung des dV/dt-Verhaltens verursacht würde.
Da der Halbleiterschalter ein Zweirichtungsschalter ist, haben der Fotoantrieb und die ein fehlerhaftes dV/dt-Verhalten verhindernde Funktion dieselbe, oben beschriebene Wirkung, wenn das Potential am Anschluß 40 größer als das Potential am Anschluß 39 ist. In diesem Falle sind die P-leitende Anodenzone 23 durch die Anodenzone 25, die P-leitende Steuerzone /durch die Steuerzone 26, die N-leitende Katodenzone 27 durch die Katodenzone 29, die N-leitende Drainzone 28 durch die Drainzone 30, die Elektrode 35 durch
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die Elektrode 36 bzw. die Elektrode 36 durch die Elektrode 35, die Steuerelektrode 37 durch die Steuerelektrode 38, die Steuerelektrode 31 durch die Steuerelektrode 32, die Widerstandszone 42 durch die Widerstandszone 43, der Widerstand 50 durch den Widerstand 51, die Isolierschicht 44 durch die Isolierschicht 46, die Isolierschicht 45 durch die Isolierschicht 47 und der Kanal 48 durch den Kanal 49 ersetzt.
Der Zweck des Halbisolie rfilms 34 besteht darin, Durchgriffe bzw. Durchbrüche zwischen den Zonen 23,24 bzw. 25, 26 aufgrund der an die Elektroden 35,36 gelegten Spannungen zu verhindern.
Anstelle der aus Teilen von P-leitenden Diffusionszonen bestehenden Widerstände 50,51 könnte auf der Oberfläche der Isolierschicht 33 eine polykristallirie Siliciumschicht ausgebildet werden, und die Enden dieser polykristallinen Siliciumschicht könnten mit den Elektroden 36,37 bzw. 35,38 verbunden werden. Durch Anschluß von Eingangsklemmen an die Elektroden 37 und 38 würde der Halbleiterschalter dann als strombetriebener PNPN-HaIbleiterschalter mit derselben Fähigkeit wirksam sein, fehlerhaftes dV/dt-Verhalten zu verhindern.
Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zur Verhinderung eines dV/dt-Fehlverhaltens des PNPN-Halbleit erbau element es in diesem eine N-leitende, von einer Katodenzone unterschiedliche und auf demselben Potential wie die Steuerelektrode gehaltene Diffusionszone vorgesehen, wobei diese N-leitende Diftfusionszone und die Katodenzone durch einen MOS-betriebenen Kanal derart kurzgeechlossen werden können, daß dieser Kanal nur kurzgeschlossen wird, wenn an die Anoden elektrode eine sich schnell aufbauende Spannung angelegt wird. Wird dagegen an die beiden Anschlüsse des Halbleiterschalters eine konstante Spannung oder eine niederfrequente Wechselspannung angelegt, bildet sich der besagte Kanal nicht, da sich dann
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die Steuerelektrode und die Drainelektrode auf demselben Potential befinden, so daß die hohe Steuererapfindlichkeit des PNPN-Bauelement es erhalten bleibt. Durch die Erfindung wird somit ein Foto-PNPN-Halbleiterschalter geschaffen, der den Anforderungen an hohe Verstärkung und hohe dV/dt-Beständigkeit erfüllt.
Da außerdem der Schaltkreis zur Verhinderung eines fehlerhaften dV/dt-Verhaltens in dem PNPN-HaIbleiterbau element und auch dessen Oberfläche ausgebildet ist, ist die gesamte Fläche des Halbleiterbauelementes etwa gleich der eines Halbleiterbauelementes, welches die Eigenschaft, Fehler zu verhindern, nicht besitzt. Eine weitere Trennung der Elemente ist weder für den Fall, daß der Halbleiterschalter als Einrichtungsschalter Anwendung findet, noch für den Fall des Betriebs als Zweirichtungsschalter erforderlich. Wenn der Halbleiterschalter mit der Lumineszenzdiode bestrahlt wird, kann die gesamte Oberfläche des Chips bestrahlt werden, ohne daß sich hierdurch irgendwelche Probleme ergeben, so daß der Halbleiterschalter zusammen mit anderen Elementen integrierter Schaltungen hergestellt werden kann, wodurch sich der Zusammenbau vereinfacht.
Die erfindungsgemäße Eigenschaft, fehlerhaftes dV/dt-Verhalten zu vermeiden, ist auch bei PNPN-HaIbleiterschaltern vorhanden, die ein strombetriebenes PNPN-HaIb leit erb au eleme nt enth al t en.
Fig. 5 zeigt eine zweite Aus führung s form der Erfindung mit einer erhöhten Durchschlagfestigkeit des Halbleiterschalters, wobei nur die eine Hälfte eines Zweirichtungsschalters dargestellt ist. Der Halbleiterschalter nach Fig. 5 enthält ein N-leitendes Substrat 22, eine P-leitende, als Anodenzone 23 wirksame Diffusions zone, weiterhin N-leitende, als Katodenzone 27 bzw. Drainzone 28 wirksame Diffusionszonen, eine Steuerelektrode 31, eine Isolierschicht 33, Elektroden 35,36 und 37, einen Halb isolierfilm 34,
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Anschlüsse 39 und 40, Widerstände 42 und 50, Jeweils als Kapazitäten wirksame Isolierschichten 44 und 45 und einen Kanal 48, wobei diese Teile den entsprechenden Teilen der ersten Ausführungsform entsprechen. Die P-leitende Steuerzone 24 enthält eine Schicht 52 mit hoher Ober flächen konzentration und einem steilen übergang und eine Schicht 53 mit einer geringen Oberflächenkonzentration und einem flachen übergang. Zur Erhöhung der Durchbruchsspannung des Halbleiterbauelements ist es erforderlich, die Dicke der als Kapazität wirksamen Isolierschicht zu vergrößern, doch wenn das Verhältnis zwischen den Dicken der als Kapazitäten wirksamen Isolierschichten 44 und 45 zu groß wäre, dann wäre es unmöglich, an die Steuerelektrode 31 ein zur Verhinderung des dV/dt-Fehlverhaltens ausreichendes Potential zu legen, weil dies erfordern würde, die Verunreinigung skonzent rati on in der P-leitenden Oberfläche des Kanals 48 sehr klein zu machen. Eine zu kleine Oberflächenkonzentration der P-leitenden Steuerzone 24 macht es andererseits jedoch schwierig, einen ©hmschen Kontakt für die Steuerelektrode 37 vorzusehen. Aus diesem Grund kann
PN
ein Foto-PN/-Halbleiterscharter mit einer niedrigen Schwellenspannung und einer hohen Durchbruchspannung dadurch erhalten werden, daß zunächst eine P-leitende Verunreinigung mit hoher Dichte in einen den Kanal 48 nicht enthaltenden Teil der Zone und dann eine P-leitende Verunreinigung mit geringer Dichte in die gesamte Oberfläche der P-leitenden Diffusions schicht diffundiert wird. Diese zweite Ausführungsform hat dieselben Vorteile wi:e die erste Ausführungsform, d.h. eine große dV/dt-Beständigkeit, eine hohe Steuerempfindlichkeit, ein hohes Maß an Integration und Einfachheit beim Zusammenbau.
Der erfindungsgemäße PNPN-HaIb leiterschalt er ist daher unter anderem als Kreuzpunkt schalt er eines Telefons für Sprechwege geeignet.
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Claims (10)

Poienianvrälle 3?32 cbol ii. Γ. ?i chel 2 9 A 7 6 6 rCTiL1':,:: a. M. 1 ^a 13 OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD., Minato-ku, Tokio, Japan und NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPORATION Chiyoda-ku, Tokio, Japan Patentansprüche
1) PNPN-Halbleiterschalter mit einem N-leitenden Halbleiterkörper, einer P-leitenden Steuerzone, einer P-leitenden, im Halbleiterkörper ausgebildeten, an einer von der Steuerzone beabsteideten Stelle angeordneten Anodenzone und einer N-leitenden, in der Steuerzone ausgebildeten Katodenzone, wobei die Anodenzone und die Katodenzone mit je einer Anoden- bzw. Katodenelektrode elektrisch verbunden sind, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale :
a) eine N-leitende, in der Steuerzone (24) ausgebildete und an einer von der Katodenzone (27) entfernte Stelle angeordnete Drainzone (28),
b) eine erste, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) zwischen der Katodenzone (27) und der Drainzone (28) ausgebildete Isolierschicht (45),
c) eine erste, auf der ersten Isolierschicht (45) ausgebildete Steuerelektrode (31)»
d) eine zweite, auf der ersten Steuerelektrode (31) ausgebildete Isolierschicht (44),
e) eine dritte, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) ausgebildete und zwischen der Anodenzone (23) und der Steuerzone (24) angeordnete dritte Isolierschicht (33),
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ORIGINAL INSPECTED
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f) eine weitere, elektrisch mit der Drainzone (28) und der Steuerzone (24) verbundene Steuerelektrode (37),
g) eine zwischen die erste Steuerelektrode (31) und die weitere Steuerelektrode (37) geschaltete Widerstandszone (42) und
h) eine zweite, auf der zweiten Isolierschicht (44) montierte Steuerelektrode (36c).
2) Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, Steuerelektrode (31) und die Widerstandszone (42) aus polykristallinem Silicium hergestellt sind.
3) Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden elektrode (35) und die zweite Steuerelektrode (36c) mit Anschlußklemmen (39) verbunden sind.
4) Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anodenzone (23) und der Steuerzone (24) und zwischen der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) und der dritten Isolierschicht (33) eine Halbisolierschicht (34) vorgesehen ist.
5) Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4f dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration in einem zwischen der Katodenzone (27) und der Drainzone (28) liegenden Bereich (48) der Steuerzone kleiner als die Verunreinigungskonzentration im übrigen Teil der Steuerzone (24) ist·
6) Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er als Zweirichtungsschalter ausgebildet ist und zusätzlich folgende Merkmale enthält:
i) eine zweite, P-leitende, im Halbleiterkörper (22) ausgebildete und mit vorgewähltem Abstand zur
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ersten Steuerzone (24) angeordnete Steuerzone (26),
j) eine zweite, 'P-leitende, an einer mit vorgewähltem Abstand von der zweiten Steuerzone (26) angeordneten Stelle des Halbleiterkörpers (22) vorgesehene Anodenzone (25),
k) eine zweite, N-leitende, in der zweiten Steuerzone (26) ausgebildete Katodenzone (29),
1) eine zweite N-leitende Drainzone (350), die mit vorgewähltem Abstand von der zweiten Katodenzone (29) in der zweiten Steuerzone (26) ausgebildet ist,
m) eine vierte Isolierschicht (47) auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) zwischen der zweiten Katodenzone (29) und der zweiten Drainzone (30),
n) eine dritte Steuerelektrode (32) auf der vierten Isolierschicht (47),
o) eine fünfte Isolierschicht (26) auf der dritten Steuerelektrode (32),
p) eine sechste Isolierschicht (33) auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) zwischen der zweiten Anodenzone (25) und der zweiten Steuerzone (26),
q) eine weitere Steuerelektrode (38), die elektrisch mit der zweiten Drainzone (30) und der zweiten Steuerzone (26) verbunden ist,
r) eine zweite, elektrisch zwischen die dritte Steuerelektrode (32) und die weitere Steuerelektrode (38) geschaltete Widerstandszone (43),
s) eine vierte Steuerelektrode (36d) auf der fünften Isolierschicht (46),
t) eine zweite Katoden elektrode (36a), die elektrisch mit der zweiten Katoden zone (29) verbunden ist,
u) eine zweite Anoden elektrode (35a), die elektrisch mit der zweiten Anodenzone (25) verbunden ist und,
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ν) eine siebente Isolierschicht (33,34), die auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) zwischen der ersten Steuerzone (24) und der zweiten Steuerzone (26) ausgebildet ist.
7) Halbleiterschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die dritte Steuerelektrode (31,32) sowie die erste und die zweite Widerstandszone (42,43) aus polychristallinem Silicium hergestellt sind.
8) Halbleiterschalter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die erste Anoden elektrode (35), die zweite Steuerelektrode (36c) und die zweite Katodenelektrode (36a) mit einer ersten Anschlußklemme (39), andererseits die erste Katodenelektrode (36), die vierte Steuerelektrode (36d) und die zweite Anoden elektrode (35a) mit einer zweiten Anschlußklemme (40) .verbunden sind.
9) Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste, zwischen der ersten Anodenzone (23) und der ersten Steuerzone (26) angeordnete und zwischen der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) und der ersten Isolierschicht (33) eingebettete Halbisolierschicht (34), eine zweite, zwischen den beiden Steuerzonen (24,26) angeordnete und zwischen der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) und der dritten Isolierschicht (33) eingebettete Halbisolierschicht (34) und eine dritte, zwischen der zweiten Steuerzone (26) und der zweiten Anodenzone (25) angeordnete und zwischen der sechsten Isolierschicht (33) und der Oberfläche des Halbleiterkörpers (22) eingebettete Halbisolierschicht (34) vorgesehen sind.
10) Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lumineszenzdiode (41) zur Beleuchtung der ersten und/oder zweiten Steuerzone (24,26) vorgesehen ist.
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