DE3102851A1 - Pnpn-halbleiterschalter - Google Patents

Pnpn-halbleiterschalter

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DE3102851A1 DE19813102851 DE3102851A DE3102851A1 DE 3102851 A1 DE3102851 A1 DE 3102851A1 DE 19813102851 DE19813102851 DE 19813102851 DE 3102851 A DE3102851 A DE 3102851A DE 3102851 A1 DE3102851 A1 DE 3102851A1
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Description

OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD. Minato-ku, Tokyo, Japan NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPORATION?
Chiyoda-ku, Tokyo, Japan
PNPN-Halbleiterschalter
Die Erfindung bezieht sich auf einen PNPN-Halbleiterschalter, der insbesondere als Sprechkreisschalter in einer Fernsprechvermittlungsanlage oder dergleichen Verwendung findet.
Zunächst soll ein herkömmlicher PNPN-Halbleiterschalter an Hand der Fig. 1A und 1B der beigefügten Zeichnungen erläutert werden. Dieser herkömmliche PNPN-Halbleiterschalter enthält eine P-Diffusionszone 1, die als Anodenzone wirkt, eine P-Diffusionszone 2, die als P-Gate-Zone wirkt, eine N-Diffusionszone 3, die als Kathodenzone und Source-Zone eines Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistors (MOS-FET) wirkt, eine N-Diffusionszone 4, die als Drainzone des MOS-FET wirkt, eine Anoden-Elektrode 5, einen Anoden-Anschluß 51» eine Kathoden-Elektrode 6, einen Kathodenanschluß 6·, eine Gate-Elektrode 7, die so verbunden ist, daß sie das gleiche Potential wie die Anoden-Elektrode 5 hat, eine polykristalline Siliciumelektrode 8, die als Gate-Elektrode des MOS-FET wirkt, einen Widerstand 9, der durch Deformation eines Teils der polykristallinen Siliciumelektrode 8 ausgebildet ist, eine P-Gate-Elektrode 10, die die Diffusionszonen 2 und mit dem einen Ende des Widerstands 9 verbindet, eine Isolierschicht 11 bzw. 11· und eine Halbisolierschicht 12, die zwischen der Isolierschicht 11' und einem Substrat 16 vom N-Typ angeordnet ist. Ein Teil der P-Diffusionszone 2 ist modifiziert, um einen widerstand 1-11 -zu bilden, und es ist eine Elektrode 112 vorgesehen, die veranlaßt, daß das eine Ende des Widerstands 111 das gleiche Potential wie die Kathoden-Elektrode hat. Die Isolierschicht 1i'und die Halbisolierschicht 12
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weisen Verlängerungen 113 bzw„ 114 auf? um den Widerstand 111 und das Substrat 16 abzudecken* Zwischen der Gate-Elektrode 7 und der polykristallinen Siliciumelektrode 8 wird ein Kondensator C1 gebildet, wohingegen zwischen der polykristallinen Siliciumelektrode 8 und den Diffusionszonen 2, 3 und 4 ein Kondensator C2 vorhanden ist.
Dieser PNPN-Halbleiterschalter kann eine Fehloperation verhindern, wenn eine angelegte Spannung steil ansteigt, und er kann.in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet sein und durch Licht angesteuert werden. Wenn der PNPN-Halbleiterschalter durch Strom angesteuert werden soll, wirkt die Elektrode 10 als eine P-Gate-Elektrode.
Legt man an diesen PNPN-Halbleiterschalter eine schnell ansteigende Spannungs die die Anoden-Elektrode 5 positiv und die Kathoden-Elektrode 6 im Vergleich dazu negativ vorspannt, fließt durch-den Übergang zwischen der P-Diffusionszone 2 und dem Substrat 16 vom N-Typ ein transienter Strom. Da gleichzeitig mit dem Anlegen einer steilen EingangsSpannung das Potential an der polykristallinen Siliciumelektrode 8 auf einen Wert ansteigt, der durch die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 bestimmt ist, sammeln sich in der hochohmigen N-Schicht Elektronen an, wobei ein N-Kanal auf den Oberflächen der N-Diffusionszonen 3 und gebildet wird. Der durch den PN-Übergang in Richtung auf die P-Diffusionszone 2 fließende Strom gelangt folglich über die P-Gate-Elektrode 10, die N-Diffusionszone 4, den oben angegebenen N-Kanal und die N-Diffusionszone 3 zur Kathoden-Elektrode 6, und zwar mit dem Ergebnis, daß das von der P-Diffusionszone 1, dem N-Substrat 16, der P-Diffusionszone-2 und der N-Diffusionszone 3 gebildete PNPN-Element nicht als Schalter wirkt und eine hohe 5? -Festigkeit zeigt.
Da es möglich ist, das Laden und Entladen der polykristallinen Siliciumelektrode 8 mit Ladungspotential durch den Widerstand 9 und die Kondensatoren C1 und C? zu steuern
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besteht die Möglichkeit, das PNPN-Element so zu betreiben, daß es nur bei einer sehr steil ansteigenden Eingangsspannung in der oben beschriebenen Weise arbeitet, hingegen bei einer anliegenden Gleichspannung oder einer normalerweise anliegenden Wechselspannung niedriger Frequenz die beschriebene Arbeitsweise nicht zeigt. Beim Normalbetrieb hat die polykristalline SiIiciumelektrode 8 das gleiche Potential wie die P-Diffusionszone 2, und das PNPN-Element kann durch Lichtbestrahlung mit einem Photostrom gezündet werden, wobei die Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit durch den Anfangswert einer nach der Erfindung vorgesehenen hochohmigen N-Schicht 15 (Fig. 3) bestimmt ist, die dem Gate-Kathoden-Widerstand des Elements entspricht.
Für die Gate-Empfindlichkeit des PNPN-Elements gibt es allerdings eine bestimmte Grenze, und zwar infolge des Stromverstärkungskoeffizienten eines Transistors mit einem Aufbau, der für das PNPN-Element spezifisch ist, beispielsweise mit dem Aufbau eines PNP-Transistors, der von der P-Diffusionsschicht 1, dem N-Substrat 16 und der P-Diffusionsschicht 2 gebildet wird, und infolge der Größe des inneren Widerstands der P-Diffusionsschicht 2. Angesichts der durch diesen Umstand festgelegten Grenze ist es unmöglich, die Gate-Empfindlichkeit zu erhöhen.
Zum Zwecke der Erhöhung der Gate-Empfindlichkeit eines Photo-PNPN-Halbleiterschalters hat man eine Schaltung vorgeschlagen, bei der der Photostrom durch einen Phototransistor verstärkt wird und erst dann der Gate-Elektrode des PNPN-Elements zugeführt wird. In der Fig. 4 ist ein Beispiel für die einfachste Art einer solchen Schaltung dargestellt, die ein PNPN-Element 21, einen Anoden^Anschluß 22, einen N-Gate-Anschluß 24, einen P-Gate-Anschluß 25 und einen Phototransistor 26 aufweist.
Wenn bei dieser Schaltung der Anoden-Anschluß 22 gegenüber dem Kathoden-Anschluß 23 positiv vorgespannt ist und der Phototransistor 26 mit Licht bestrahlt wird, fließt
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ein vom Phototransistor 26 verstärkter Strom in den P-Gate-Anschluß 25 des PNPN-Elements 21, und zwar ein Strom, der vom Anoden-Anschluß 22 kommt und durch den N-Gate-Anschluß fließt. Auf diese Weise wird dann das PNPN-Schaltelement 21 gezündet. Die Gate-Empfindlichkeit dieses Schaltelements ist hoch.
Wenn allerdings eine steil ansteigende Spannung dem Anoden-Anschluß 22 und dem Kathoden-Anschluß 23 aufgedrückt wird, wird ein am Basisübergang des Photo-NPN-Transistors auftretender Transistorstrom in einem hohen Maße durch die Verstärkungswirkung des Transistors verstärkt, und dieser Strom fließt dann in den P-Gate-Anschluß 25 des PNPN-Elements 21. Dadurch wird die-™ -Festigkeit des Schaltelements stark beeinträchtigt.
Selbst wenn man das PNPN-Element 21 durch das in der Fig. 1A dargestellte PNPN-Element ersetzt, das eine hohe -rr -Festigkeit hat, ist es notwendig, ein kompliziertes PNPN-Element mit einer MOS-Struktur zu benutzen, die in der Lage sein muß, einen extrem hohen transienten Strom zu führen, damit eine -τχ· -Fehloperation vermieden wird.
Wenn man bei dem in der Fig. 1A dargestellten PNPN-Halbleiterschalter den Widerstand 111 unter Verwendung eines Teils der P-Diffusionsschicht 2 ausbildet, ist es unmöglich, diesem Widerstand einen hohen Widerstandswert zu geben. Versucht man diesen Widerstandswert zu erhöhen, nimmt die Kapazität am PNr-Übergang zwischen dem Widerstand 111 und dem N-Substrat 16 zu, wodurch ein neuer Umstand zum Erzeugen eines transienten Stroms geschaffen wird. Im Ergebnis ist es daher unmöglich, die Empfindlichkeit zu erhöhen. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß ungeachtet einer Zunahme, in der Kapazität die Notwendigkeit besteht, die Abmessungen des MOS-FET zu erhöhen, um eine hohe ^ -Festigkeit aufrecht zu-erhalten.
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In der Fig. 2A ist ein weiterer herkömmlicher PNPN-Halbleiterschalter dargestellt, dessen Ersatzschaltbild in der Fig. 2B zu sehen ist. Der PNPN-Halbleiterschalter nach den Fig. 2A und 2B hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie derjenige nach den Fig. 1A und 1B. Auf der rechten Seite der Gate-Elektrode 10 ist allerdings ein Widerstand 118 aus polykristallinem Silicium ausgebildet, und es ist eine Elektrode 119 vorgesehen, die mit dem einen Ende des polykristallinen Siliciuffiwlderstands 118 in Verbindung steht und so angeschlossen ist, daß sie das gleiche Potential wie die Kathoden-Elektrode 6 hat.
Der PiJPN-Halbleiter schalter nach den Fig. 2A und 2B hat ebenfalls eine hohe gr| -Festigkeit. Die Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit wird durch die polykristalline SiIiciumelektrode 118 anstelle des in der Fig. 1A gezeigten Widerstands 111 bestimmt. Da es ohne weiteres möglich ist, den Widerstandswert des Widerstands 118 groß zu machen, besteht die Möglichkeit, die Gate-Empfindlichkeit zu.verbessern.
Da es allerdings bei dem PNPN-Halbleiterschalter nach der Fig. 2A notwendig ist, den polykristallinen Siliciumwiderstand 118 auf der P-Diffusionsschicht 2 auszubilden, muß man die Fläche dieser Schicht groß machen, wodurch die Kapazität zwischen der P-Diffusionsschicht 2 und dem N-Substrat 16 zunimmt. Die Folge davon ist wiederum ein hoher transienter Strom, Folglich muß man zur Aufrechterhaltung einer hohen ^ -Festigkeit einen MOS-FET mit großen Abmessungen bereitstellen.
Obgleich es möglich ist, den polykristallinen SiIiciumwiderstand 118 auf der Außenseite der P-Diffusionsschicht 2 auszubilden, kommt es infolge der Kapazität zwischen der Verdrahtung zum Anschluß des Widerstands 118 und der Elektrode 10 und der halbleitenden Schicht 12 und des
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N-Substrats 16 mit der dazwischen "befindlichen Isolierschicht 11 zur Erzeugung eines transienten Stroms. Es ist daher notwendig, einen großen MOS-FET vorzusehen, der zur Aufrechterhaltung einer hohen ^? -Festigkeit dient.
Macht man die Empfindlichkeit der in den Fig. 1A und 2A gezeigten PNPN-Halbleiterschalter zn groBs ruft ein steiler Spannungsanstieg, dessen Amplitude kleiner als der Schwellspannungswert des MOS-FET ist, eine Fefeloperation hervor. Aus diesem.Grunde ist eine Grenze für die Empfindlichkeit gegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen PNPN-Halbleiterschalter zu sehaff©n9 -der geringe Abmessungen auf- weist und dennoch eine höhe Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit- und eine hohe ^ -Festigkeit hat.
Zur Lösung dieser.Aufgabe ist ein PMPN-Halbleiterschalter, enthaltend ein Halbleitersubstrat ύομ N-Typ, eine auf einer Oberfläche des-N-Substrats ausgebildete erste P-Diffusionszone, eine zweite P-Diffusionszoneg die in einem vorbestimmten Abstand von der ersten P-Diffu-sionszone in dem N-Substrat ausgebildet ist, eine in der zweiten P~Di£fusionszone ausgebildete erste N-Diffusionszone, eine zweite H-Diffusionszone, die in einem vorbestimmten Abstand von der ersten N-Diffusionszone in der zweiten P-Diffusionszone ausgebildet ist, eine erste Gate-Isolierschicht, die auf der Oberfläche der zweiten P-Diffusionszone zwischen der ersten und zweiten N-Diffusionszone angeordnet ist und Teile der ersten und zweiten N-Diffusionszone überdeckt, eine auf der ersten Gate-Isolierschicht zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone ausgebildete erste Gate-Elektrode, eine auf der ersten Gate-Isolierschicht angeordnete hochohmige Zone, deren der ..ersten Gate-Elektrode abgewandtes Ende mit der zweiten P-Diffusionszone-oder der ersten N-Diffusionszone elektrisch verbunden ist, eine zweite Gate-Isolierschicht,
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die die erste Gate-Elektrode und die hochohmige Zone abdeckt, eine Halbisolierschicht, die auf der Oberfläche des N-Substrats zwischen der ersten und der zweiten P-Diffusionszone ausgebildet ist, eine die Halbisolierschicht abdeckende Isolierschicht, eine P-Gate-Elektrode, die mit der zweiten P-Diffusionszone und der zweiten N-Diffusionszone elektrisch verbunden ist, eine zweite Gate-Elektrode, die oberhalb der ersten Gate-Elektrode auf der zweiten Gate-Isolierschicht ausgebildet ist, eine mit der ersten N-Diffusionszone elektrisch verbundene Kathoden-Elektrode und eine mit der ersten P-Diffusionszone elektrisch verbundene Anoden-Elektrode, nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar unter der ersten Gate-Isolierschicht zwischen der ersten und zweiten N-Diffusionszone eine hochohmige Zone ausgebildet ist.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt:
FIG. 1A eine Querschnittsansicht durch einen herkömmlichen PNPN-Halbleiterschalter,
FIG . 1B ein Ersatzschaltbild des in der Fig. 1A dargestellten PNPN-Halbleiterschalters,
F I G . 2A eine Querschnittsansicht durch einen weiteren herkömmlichen PNPN-Halbleiterschalter,
F I G . 2B ein Ersatzschaltbild des in der Fig. 2A dargestellten PNPN-Halbleiterschalters,
F I G . 3 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines PNPN-Halbleiterschalters nach der Erfindung,
F I G . 4. eine· Schaltungsanordnung, bei der ein Photostrom durch einen Phototransistor verstärkt und dann der Gate-Elektrode des in der Fig. 3 dargestellten PNPN-Halbleiterschalters zugeführt wird, -
F I G . 5 ein Ersatzschaltbild des in der Fig. 3 dargestellten PNPN-Halbleiterschalters,
F I G . 6 eine Querschnittsansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels eines PNPN-Halbleiterschalters nach der Erfindung und 130051/0504
F I G . 7 ein Ersatzschaltbild des in der Fig. 6 dargestellten PNPN-Halbleiterschalters.
Ein in der Fig. 3 dargestellter PNPN-Halbleiterschalter ist nach der Erfindung ausgebildet und enthält ein Halbleitersubstrat 16 vom N-Typ, das als Steuer- oder Gate-Zone des PNPN-Elements und als Kollektorzone eines Phototransistors wirkt. In einem vorbestimmten Abschnitt der oberen Oberfläche des N-Substrats 16 ist eine eindiffundierte Zone 1 vom P-Typ (erste P-Diffusionszone) ausgebildet, die als Anodenzone wirkt. Ferner ist in der oberen Oberfläche des N-Substrats 16 in einem vorbestimmten Abstand von der P-Diffusionszone 1 eine weitere eindiffundierte Zone 2 vom P-Typ (zweite P-Diffusionszone) vorgesehen, die als P-Gate-Zone wirkt. In der zweiten P-Diffusionszone 2.ist eine eindiffundierte Zone 3 vom N-Typ (erste N-Diffusionszone) angeordnet, die als Kathoden-Zone und als Source-Zone eines MOS-FET wirkt. In der zweiten P-Diffusionszone 2 ist außerdem eine eindiffundierte Zone 4 vom N-Typ (zweite N-Diffusionszone) vorgesehen, die einen vorbestimmten Abstand von der ersten N-Diffusionszone 3 hat und als Drain-Zone des MOS-FET wirkt. Eine eindiffundierte Zone 37 vom N-Typ (dritte N-Diffusionszone) wirkt als Emitterzone des Phototransistors und als Source-Zone des MOS-FET. Auf ausgewählten Abschnitten derjenigen Oberfläche des N-Substrats 16, in der die Diffusionszonen 1, 2, 3 und 4 ausgebildet sind, werden von einer Halbisolierschicht 12 abgedeckt. Auf der Halbisolierschicht 12 ist eine Isolierschicht 11f ausgebildet. Der zwischen den N-Diffusionsschichten 3 und 4 vorgesehene Abschnitt der Isolierschicht 1V wird erste Gate-Isolierschicht 18 genannt. Auf der ersten Gate-Isolierschicht-18 ist zwischen den N-Diffusionszonen-3 und 4 eine polykristalline Siliciumelektrode 8 vom N-Typ (erste Gate-Elektrode) angeordnet, die als Gate-Elektrode des MOS-FET-wirkt. Ferner ist angrenzend an die polykristalline Siliciumelektrode 8 auf der ersten Gate-Isolierschicht 18 ein polykristalliner Silicium-
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widerstand 9 vom N-Typ (erste Widerstandszone) vorgesehen. Oberhalb der polykristallinen Elektrode 8 und des Widerstands 9 befindet sich eine Isolierschicht 11, die hier zweite Gate-Isolierschicht 11 genannt wird. Eine Gate-Elektrode 7 (zweite Gate-Elektrode) wird auf dem gleichen Potential wie eine Anoden-Elektrode 5 gehalten. Die Gate-Elektrode 7 befindet sich auf der zweiten Gate-Isolierschicht 11 oberhalb der polykristallinen Siliciumelektrode 8. Die Anoden-Elektrode 5 ist mit der P-Diffusionszone 1 verbunden und mit einem Anoden-Anschluß 51 versehen. Eine Kathoden-Elektrode ist an der· il-Diffusionszone 3 angebracht und mit einem Kathoden-Anschluß 6! versehen. Eine P-Gate-Elektrode 10 ist an der N~Diffusionszone 4 und der P-Diffusionszone 2 angebracht und elektrisch mit demjenigen Ende des Widerstands verbunden., das der kristallinen N-Siliciumelektrode 8 abgewandt ist. Die in der Pig, 5 gezeigten Schaltungselemente sind in der gleichen Weise ausgebildet und arbeiten in. der gleichen Weise wie diejenigen, die in den Fig. 1A und 2A gezeigt sind, Es wurden daher auch die gleichen Bezugszahlen verwendet, und der beschriebene PNPN-Halbleiterschalter weist die erläuterten Nachteile auf.
um diese Nachteile zu überwinden, ist nach der Erfindung eine hochohmige oder einen hohen Widerstand aufweisende N-Schicht 15 (erste hochohmige Zone) unmittelbar unter der ersten Gate-Isolierschicht 18 zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone 3 und 4 vorgesehen. Die hochohmige N-ScMcht 15 ist eine eindiffundierte Zone mit einer niedrigen Verunreinigungskonzentration vom N-Typ.
Bei einem in der Fig. 6 dargestellten modifizierten Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten ΡΝΡΙΐ-Halbleiterschalters ist die Inder Fig. 3 gezeigte Isolierschicht 11*in Abschnitte 42, 43, 44 und 45 unterteilt, und die in der Fig. 3 gezeigte Halbisolierschicht 12 ist in Abschnitte 39, 40 und 41 unterteilt. Eine polykristalline
Siliciumelektrode 54 vom N*-Typ (dritte Gate-Elektrode),, die als Gate-Elektrode des MOS-FEI wirkt. Ist auf der dritten Isolierschicht 46 zwischen N-Diffüsionsberelchen 37 und 38 angeordnet, die in eine dritte P-Diffusionszone 34 eindiffundiert sind. Ein polykristalliner Silieiumwiderstand 55 vom N-Typ (zweite Widerstandszone) befindet sich auf der dritten Gate-Isolierschicht 46 in» Anschluß an die polykristalline Siliciumelektrode 54. Eine vierte Gate-Isolierschicht 56 deckt die polykristalline Siliciumelektrode 54 und den Widerstand 55 ab. Eine mit der Anoden-Elektrode 5 verbundene Gate-Elektrode 57 (vierte Gate-Elektrode) ist oberhalb der polykristallinen Elektrode 54 auf der vierten Gate-Isolierschicht 56 ausgebildet. Eine Emitter-Elektrode 58 ist an der N-Diffusionszone 37 angebracht und elektrisch mit der P-Gate-Elektrode 10 verbunden. Eine Basis-Elektrode 59 ist auf der N-Diffusionszone 38 und der P-Diffusionsschicht 34 vorgesehen and steht mit dem der polykristallinen Siliciumelektroae 54 abgewandten Ende des. Widerstands 55 elektrisch in Verbindung, Eine hochohmige Schicht 60 vom N-Typ (erste hohe Widerstandszelle) befindet sich unmittelbar unter der Gate-Isolierschicht 44 in der P-Diffusionszone 2 zwischen den N-Diffusionszonen 3 und 4 und wird von einer Diffusionsschicht niedriger Konzentration vom N-Typ gebildet. Gleichermaßen ist eine hohe Widerstandszone 61 vom N-Typ (zweite hochohmige Zone) in Form einer Diffusionszone mit einer niedrigen Konzentration vom N-Typ unmittelbar unter der dritten Gate-Isolierschicht 46 in der P-Diffusionszone 34 zwischen den N-Diffusionsschichten 37 und 38 vorgesehen. -
Im Hinblick auf den erläuterten Aufbau entsteht zwischen der Gate-Elektrode 7 und der polykristallinen Siliciumelektrode 8-ein Kondensator C1, wohingegen zwischen der polykristallinen Siliciumelektrode 8 und den Diffusionszonen 2, 3 und 4 ein Kondensator C2 gebildet wird. Weiterhin ist zwischen der Gate-Elektrode 57 und der polykristal-
linen Siliciumelektrode 54 ein Kondensator C, vorhanden, und die polykristalline Siliciumelektrode 54 bildet.mit den Diffusionszonen 34, 37 und 38 einen Kondensator C^.
Die Halbisolierschicht 39 und insbesondere die erste und zweite Halbisolierschicht 40 und 41 verhindern Durchreich- oder Durchgreiferscheinungen zwischen der P-Diffusionsschicht 1 und den P-Diffusionszonen 4 und 34, und zwar unter der Einwirkung des Potentials der Oberflächenverdrahtung, die die Anoden-Elektrode 5 und die Gate-Elektroden 7 und 57 miteinander verbindet. Wenn der Widerstandswert dieser Halbisolier-
7 6 schichten beispielsweise 10' bis 10 ü cm beträgt, erfüllen diese Schichten ihren Zweck.
Der in der obigen Weise aufgebaute PNPN-Halbleiterschalter zeigt eine hohe Gate-Empfindlichkeit und eine hohe -Festigkeit, wenn er durch einen Phototransistor ange-
steuert wird. Wenn die Basis-Elektrode 59 mit einem nicht dargestellten Basis-Anschluß verbunden ist, wirkt das Bauelement wie ein PNPN-Halbleiterschalter., der durch einen Stromtransistor angesteuert wird. Der Kürze halber soll im folgenden angenommen werden, daß der PNPN-Halbleiterschalter durch Licht gezündet wird.
Wenn bei Abwesenheit von Licht eine steil ansteigende Spannung in einer solchen Weise an den PNPN-Halbleiterschalter gelegt wird, daß die Anoden-Elektrode 5 gegenüber der Kathoden-Elektrode 6 positiv vorgespannt wird, fließen transiente Ströme durch die PN-Übergänge zwischen der P-Diffusionszone 2 und dem N-Substrat 16 sowie zwischen der P-Diffusionszone 34 und dem N-Substrat 16. Das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 8 steigt auf einen Wert an, der unter Bezugnahme auf die angelegte Eingangsspannung durch die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 bestimmt ist. Dadurch kommt es zu einer Ansammlung von Elektronen in der hochohmigen N-Widerstandsschicht 60 mit der Wirkung, daß dort der Widerstandswert ver-
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mindert wird. Ebenso steigt das Potential der polykristallinen Siliciumelektrode 54 auf einen Betrag an, der durch die Kapazitäten der Kondensatoren C^ und C^, bestimmt ist» Infolgedessen kommt es zur Ansammlung von Elektronen in der N-Widerstandsschicht 61, wodurch der Widerstandswert dieser Schicht vermindert wird. Demzufolge fließt der zwischen der P-Diffusionszone 2 und dem N-Substrat 16 ausgebildete transiente Strom über die P-Diffusionszone 2, die P-Gate-Elektrode 10, die N-Diffusionszone 4, die N-Widerstandsschicht 60 und die N-Diffusionszone 3 zur Kathoden-, Elektrode 6. Der zwischen der P-Diffusionszone 4 und der N-Diffusionszone 37 erzeugte transiente Strom fließt über die P-Diffusionszone 34, die Basis-Elektrode 59, die N-Diffusionszone 38, die N-Widerstandszone 61, die N-Diffusionszone 37, die Emitter-Elektrode 58,. die P-Gate-Elektrode 10, die N-Diffusionszone 4, die N-Widerstandszone 60 und die N-Diffusionsschicht 35 zur Kathoden-Elektrode 6. Aus diesem Grunde kommt es bei dem geschilderten Betriebszustand nicht zu einer Fehloperation des PNPN-Halbleiterschalters. Der Halbleiterschalter weist daher eine hohe §5 -Festigkeit auf. Die hochohmige N-Widerstandsschicht 15 des in der Fig. 3 dargestellten PNPN-Halbleiterschalters arbeitet ebenfalls in der oben beschriebenen Weise.
Die Zeitkonstanten zum Anstieg und Abfall der Potentiale an den polykristallinen Siliciumelektroden 8 und 54 können durch die Werte des Widerstands 9 und der Kondensatoren C1 und C2 sowie durch die Werte des Widerstands 55 und der Kondensatoren C·, und C^ so bestimmt werden, daß es möglich ist, den PNPN-Halbleiterschalter so auszulegen, daß er die oben erläuterte- Arbeitsweise nur dann ausführt, wenn eine steil ansteigende Spannung aufgedrückt wird. Handelt es sich bei der an die Elektroden 5 und 6 gelegten· Spannung um eine Gleichspannung oder um eine Wechselspannung-niedriger Frequenz, steigen die Potentiale-der polykristallinen Siliciumelektroden 8 und 54 nicht an. Die polykristallinen
Siliciumelektroden 8 und 54 werden vielmehr auf den gleichen Potentialen wie die P-Diffusionszonen 2 und 34 gehalten, so daß die Widerstandswerte der hochohmlgen N-Widerstandsschichten 60 und 61 auf ihren ursprünglichen Werten bleiben. Wenn daher der PNPN-Halbleiterschalter mit Licht bestrahlt wird und der Anoden-Anschluß 5' in bezug auf den Kathoden-Anschluß 6' angesichts der angelegten Spannung positiv ist, wird ein das N-Substrat 16 als Kollektor-Elektrode, die P-Diffusionsschicht 34 als Basis-Elektrode und die N-Diffusionsschicht 37 als Emitter-Elektrode benutzender Phototransistor wirksam, um von der Anoden-Elektrode 5 durch die P-Diffusionsschicht 1, das N-Substrat 16, die P-Diffusionszone 34, die N-Diffusionszone 37 und die Elektroden 58 und 10 einen verstärkten Strom zur Anoden-Elektrode 5 zu schicken. Hat dieser Strom im Vergleich zur Schaltempfindlichkeit einen hinreichend hohen Betrag, wird der PNPN-Halbleiterschalter gezündet, wobei die Schaltempfindlichkeit durch den Widerstand der hochohmigen N-Schicht 60 bestimmt wird, d.h. durch den Widerstand zwischen der Steuer- oder Gate-Elektrode und der Kathoden-Elektrode des PNPN-Schaltelements, das von der P-Diffusionszone 1, dem N-Substrat 16, der P-Diffusionszone 2 und der N-Diffusionszone 3 gebildet wird. Obgleich der Widerstand der N-Widerstandsschicht 61 zwischen die Basis-Elektrode und Emitter-Elektrode des Phototransistors eingefügt ist, wird ihre Wirkung durch Auswahl eines extrem hohen ursprünglichen Werts für den Widerstand der N-Schicht gelindert.
Im folgenden sollen einige konkrete Daten angegeben werden: Hierbei wird zunächst unterstellt, daß die angelegte Spannung eine Anstiegszeit von 0,1/us bis einigen /us hat und daß im Anschluß an den Spannungsanstieg der dem PNPN-Halbleiterschalter aufgedrückte Spannungswert etwa 300 V beträgt. Wenn unter dieser Bedingung die Schaltungskonstanten so ausgewählt sind, daß das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren Cp und C1 sowie das Verhältnis der Kapazi-
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täten der Kondensatoren C-* und C^ in beiden Fällen etwa 10 beträgt und das Produkt aus den Werten des Widerstands 9 und des Kondensators C2 sowie das Produkt aus den Werten des Widerstands 55 und des Kondensators C-* eine Zeitkonstante ergibt, die gleich der Anstiegszeit der angelegten Spannung oder geringfügig größer ist (die Widerstände 9 und 55 haben beispielsweise einen Wert von 1 Ms IG MXl und die Kondensatoren C1 und C, eine Kapazität von 0,1 bis 1 pF), steigen die Potentiale der polykristallinen Siliciumelektroden 8 und 54 auf einen Wert an, den man dadurch erhält, daß man die angelegte Spannung mit einem Verhältnis zwischen den Werten der Kondensatoren C2 und C-sowie der Kondensatoren C-, und Ci1 teilt (etwa 1/10 der angelegten Spannung), wobei sich in den hochohmigen N-Widerstandsschichten Elektronen ansammeln^ die die Widerstandswerte dieser Schichten vermindern. Die N-Widerstandsschicht 60 ist so ausgelegt, daß der Widerstandswert zwischen einigen 10OjQ. und einigen MHliegt«, Dies wird durch Implantation von Verunreinigungen vom N-Typ in die Oberfläche der P-Diffusionszone 2 erreicht, und zwar derart, daß der Leitungstyp der Diffusionszbne 2 vom P-Typ geringfügig in den N-Typ umgekehrt wird. Die N-Widerstandszone 61 ist so ausgelegt, daß der Widerstandswert zwischen einigen M Cl und einigen 10 MXl liegt. Dies wird durch Implantation einer Verunreinigung vom N-Typ in die P-Diffusionszone 34 erreicht, und zwar derart, daß der Leitungstyp der Zone 34 vom P-Typ geringfügig in den N-Typ umgekehrt wird. Die Widerstandswerte der hochohmigen N-Widerstandsschichten 60 und 61 nehmen infolge des Anstiegs des Potentials der polykristallinen Siliciumelektroden 8 und 54 angesichts der durch den Potentialanstieg verursachten Elektronenansammlung beispielsweise ohne weiteres auf einige 1OQ ab, wenn die angelegte Spannung 300 V beträgt. Die Basis-Emitter-Spannung des Phototransistors und die P-Gate-Kathoden-Spannung des PNPN-EIements werden somit positiv geklemmt, so daß selbst bei einer steil ansteigenden angelegten Spannung der transiente Strom des Phototransistors nicht verstärkt wird, und das PNPN-Element wird nicht gezündet.
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Wenn die Zeitkonstanten, die durch das Produkt aus den Werten des Widerstands 9 und des Kondensators C1 und durch das Produkt aus den Werten des Widerstands 55 und des Kondensators C* bestimmt sind, beide etwa einige /us betragen, wie es oben angegeben ist, steigen beim Normalbetrieb, d.h. beim Anlegen einer Wechselspannung mit einer Frequenz von weniger als einigen 10 kHz oder beim Anlegen einer Gleichspannung, die Potentiale der polykristallinen SiIiciumelektroden 8 und 54 nicht an, so daß die Empfindlichkeit durch die Photoempfindlichkeit des Phototransistors bestimmt ist. Folglich wird ein Photostrom, der nicht die Basis-Emitterspannung des Phototransistors klemmt, in diesem Fall ein Photostrom von weniger als etwa 1/UA, von einigen auf einige 10/uA durch die stromverstärkende Funktion des Phototransistors verstärkt und dann der P-Gate-Elektrode des PNPN-Elements zugeführt, wodurch dieses Element gezündet wird. ;
Obgleich bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel die Gate-Elektroden 7 und 57 so angeschlossen sind, daß sie das gleiche Potential wie die Anoden-Elektrode 5 haben, kann die gleiche vorteilhafte Wirkung erzielt werden, wenn die Gate-Elektroden 7 und 57 s° angeschlossen sind, daß sie das gleiche Potential wie das N-Substrat 16 haben. Obgleich die Enden der Widerstände 9 und 55 auf den den polykristallinen Siliciumelektroden 8 und 54· abgewandten Seiten über die Elektroden 10 und 59 mit den Diffusionszonen 2 und 4 sowie 34 und 38 verbunden sind, besteht auch die Möglichkeit, die Widerstände 9 und 55 mit den N-Diffusionszonen 3 und 37 zu verbinden, um das gewünschte Resultat zu erzielen. Es ist auch möglich, zwei Sätze des PNPN-Halbleiterschalters auf dem gleichen N-Substrat 16 auszubilden und diese Schalter antiparallel zu schalten, um einen bidirektionalen Schalter zu schaffen.
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Obgleich bei diesem Ausführungsbeispiel die Kollektor-Elektrode des'Phototransistors durch das N-Substrat 16 des PNPN-Elements gebildet wird, kann man die Elemente des Phototransistors und das PNPN-Element voneinander trennen, so daß die Möglichkeit besteht, der Kollektor-Elektrode das gleiche Potential wie der Anoden-Elektrode des PNPN-Elements zu geben.
Wenn ein Phototransistor, der stromgesteuert sein kann, durch ein Verfahren angesteuert wird, bei dem ein bidirektionales PNPN-Element mit einem einzigen Phototransistor mit einer Diodenbrücke kombiniert wird, deren Elemente isoliert oder getrennt sind, ist es möglich, aus der Anoden-Elektrode des PNPN-Elements einen großen Strom abzuleiten und diesen Strom der Gate-Elektrode des PNPN-Elements zuzuführen, um dessen Empfindlichkeit zu verbessern. Wenn der Transistor so aufgebaut ist, wie es bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, d.h. mittels einer in der Basiszone ausgebildeten MOS-Struktur, einer durch die MOS-Struktur gesteuerten Widerstandszone und einer von einem Widerstand und einem Kondensator gebildeten Steuereinrichtung zum Steuern der Basis-Emitter-Impedanz, ist es möglich, die Verstärkung des transienten Stroms zu verhindern. Obgleich ein PNPN-Halbleiterschalter herkömmlicher Art eine hohe Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit hat, weist er nur eine geringe gr -Festigkeit auf. Durch die Verwendung der oben beschriebenen Transistorstruktur wird demgegenüber ein PNPN-Halbleiterschalter geschaffen, der sowohl eine hohe -rr -Festigkeit als auch eine hohe.Steuer- oder Gate-Empfindlichkeit hat.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel kann man den Transistor, der verwendet wird, um Strom von einer Anoden-Elektrode einer Gate-Elektrode zuzuführen, durch ein PNPN-Element ersetzen, wobei ein PNPN-Halbleiterschalter mit einer hohen g^r -Festigkeit und einer hohen Gate-Empfindlich-
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keit geschaffen wird, sofern ein MOS-Aufbau, eine durch den MOS-Aufbau gesteuerte Widerstandsschicht und eine Einrichtung mit einem Widerstand und einem Kondensator zum Verhindern des Zündens durch eine transiente Spannung zwischen die Gate- und Kathoden-Elektrode geschaltet wird.
Da bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine in einer Basiszone ausgebildete MOS-Struktur, eine durch die MOS-Struktur gesteuerte hochohmige Widerstands-^ zone und eine Einrichtung mit einem Widerstand und einem Kondensator zur Steuerung der Basis-Emitter-Impedanz für einen Phototransistor vorgesehen sind, der ein PNPN-Element ansteuert, wird ungeachtet der Tatsache, daß beim Anlegen einer steil ansteigenden Spannung das PNPN-EXement durch den Phototransistor angesteuert wirdf ein ix> der Basis-Elektrode des Phototransistors erzeugter Strom nicht verstärkt, so daß lediglich der transiente Basisstrom in die Gate-Elektrode des PNPN-Elements fließt. Selbst wenn dieser transiente Basisstrom einem transienten Strom überlagert wird, der in dem PNPN-Element erzeugt wird, ist der resultierende transiente Strom hinreichend klein. Selbst wenn daher der MOS-FET, der zum Verhindern einer ähnlichen Fehloperation des PNPN-Elements verwendet wird, klein ist, kann man die nachteilige Auswirkung des transienten Stroms minimlsieren, wodurch die g·? -Festigkeit verbessert wird. Da darüber hinaus der Phototransistor unter Anwendung gleicher Verfahrensschritte auf demselben Substrat wie das PNPN-Element ausgebildet werden kann, ist es ohne weiteres Möglich, eine integrierte Schaltung herzustellen. Da außerdem das PNPN-Element durch den Phototransistor angesteuert wird, wobei der Widerstandswert der hochohmigen Zone im PNPN-Element extrem hoch gemacht ist, um die durch den Aufbau des PNPN-Elements bestimmte höchste Schaltempfindlichkeit zu erreichen, ist der zur Ansteuerung des PNPN-Halbleiterschalters erforderliche Photostrom des
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Phototransistors sehr klein. Dadurch wird die Steueroder Gate-Empfindlichkeit des PNPN-Halbleiterschalters erhöht* Der nach der Erfindung geschaffene PNPN-HaIbleiterschalter ist nicht nur als Sprechkreisschalter in Fernsprechvermittlungsarilagen geeignet, sondern kann auch in vielen anderen Gebieten Anwendung finden.
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Claims (6)

  1. Reichel u. Reichel 9818
    6 Fxankiuri a. M. 1
    Parkstraße 13
    OKI ELECTRIC INDUSTRY CO., LTD. Minato-ku, Tokyo, Japan NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE PUBLIC CORPORATION,
    Chiyoda-ku, Tokyo, Japan
    Patentansprüche
    PNPN-Halbleiterschalter enthaltend ein Halbleitersubstrat (16) vom N-Typ, eine erste Diffusionszone (1) vom P-Typ, die auf einer Oberfläche des N-Substrats (16) ausgebildet ist, eine zweite Diffusionszone (2) vom P-Typ, die in einem vorbestimmten Abstand von der ersten P-Diffusionszone (1) im N-Substrat (16) ausgebildet ist, eine erste Diffusionszone (3) vom N-Typ, die in der zweiten P-Diffusionszone (2) ausgebildet ist, eine zweite Diffusionszone (4) vom N-Typ, die in einem vorbestimmten Abstand von der ersten N-Diffusionszone (3) in der zweiten P-Diffusionszone (2) ausgebildet ist, eine erste Gate-Isolierschicht (18; 44), die zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone (3, 4) auf der Oberfläche der zweiten P-Diffusionszone (2) angeordnet ist und die beiden N-Diffusionszonen teilweise bedeckt, eine erste Gate-Elektrode (8), die zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone (3, 4) auf der ersten Gate-Isolierschicht (18; 44) vorgesehen ist, eine hochohmige Widerstandszone (9), die auf der ersten Gate-Isolierschicht (18; 44) angeordnet ist und mit ihrem der ersten Gate-Elektrode (8.) abgewandten Ende mit der zweiten P-Diffusionszone (2) oder mit der ersten N-Diffusionszone (3) elektrisch verbunden ist, eine zweite Gate-Isolierschicht (11), die die erste Gate-Elektrode (8) und die hochohmige Widerstandszone (9) bedeckt, eine Halbisolierschicht (12; 40), die auf der Oberfläche des N-Substrats (16) zwischen der ersten und der zweiten P-Diffusionszone (1, 2) ausgebildet ist, eine Isolierschicht (111; 43), die die HaIb-Isolierschicht abdeckt^ eine P-Gate-Elektrode (10), die mit
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    der zweiten P-Diffusionszone (2) und der zweiten N-Diffusionszone (4) elektrisch verbunden ist, eine zweite Gate-Elektrode (7), die an einer Stelle oberhalb der ersten Gate-Elektrode (8) auf der zweiten Gate-Isolierschicht (11) ausgebildet ist, eine mit der ersten N-Diffusionszone (3) elektrisch verbundene Kathoden-Elektrode (6) und eine mit der ersten P-Diffusionszone (1) elektrisch verbundene Anoden-Elektrode (5),
    dadurch gekennzeichnet, daß eine hochohmige Widerstandsschicht (15; 60) unmittelbar unter der ersten Gate-Isolierschicht (18; 44) zwischen der ersten und der zweiten N-Diffusionszone (3, 4) vorgesehen ist.
  2. 2. PNPN-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gate-Elektrode (8) und die ¥iderstandszone (9) aus polykristallinem Silicium vom N-Typ hergestellt sind.
  3. 3. PNPN-Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige Widerstandszone (15; 60) eine eine niedrige Verunreinigungskonzentration vom N-Typ aufweisende Diffusionszone enthält.
  4. 4. PNPN-Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden-Elektrode (5) und die zweite Gate-Elektrode (7) elektrisch miteinander verbunden sind.
  5. 5. PNPN-Halbleiterschalter nach einem der vorstehenden Ansprüche·,
    gekennzeichnet durch eine dritte P-Diffusionszone (34), die in einem vorbestimmten Abstand von der zweiten P-Diffusionszone (2) in dem N-Substrat (16) ausgebildet ist, eine dritte N-Diffusionszone (37),
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    die in der dritten P-Diffusionszone vorgesehen ist, eine vierte N-Diffusionszone (38), die in einem vorbestimmten Abstand von der dritten N-Diffusionszone in der dritten P-Diffusionszone ausgebildet ist, eine die dritte P-Diffusionszone (34) bedeckende zweite Halbisolierschicht (41), eine die zweite Halbisolierschicht (41) abdeckende zweite Gate-Isolierschicht (45), eine dritte Gate-Isolierschicht (46), die auf der dritten P-Diffusionszone (34) ausgebildet ist und Teile der dritten und vierten N-Diffusionszone (37, 38) abdeckt, eine auf der dritten Gate-Isolierschicht (46) zwischen der dritten und vierten N-Diffusionszone (37, 38) vorgesehene dritte Gate-Elektrode (54), eine im Anschluß an die dritte Gate-Elektrode (54) auf der dritten Gate-Isolierschicht (46) ausgebildete zweite Widerstandszone (55), deren der dritten Gate-Elektrode abgewandtes Ende mit der dritten P-Diffusionszone (34) und der vierten N-Diffusionszone (38) oder mit der dritten N-Diffusionszone (37) elektrisch verbunden ist, eine die zweite Widerstandszone (55) und die dritte Gate-Elektrode (54) abdeckende vierte Gate-Isolierschicht (56), eine Basis-Elektrode (59) die mit der vierten N-Diffusionszone (38) und der dritten P-Diffusionszone (34) elektrisch verbunden ist, eine Emitter-Elektrode (58), die mit der dritten N-Diffusionszone (37) und der P-Gate-Elektrode (10) elektrisch verbunden ist, eine vierte Gate-Elektrode (57), die oberhalb der dritten Gate-Elektrode (54) auf der vierten Gate-Isolierschicht (56) angeordnet ist und mit der Anoden-Elektrode (5) und mit dem N-Substrat (16) elektrisch verbunden ist, und eine weitere hochohmige Widerstandszone (61), die unmittelbar unter der dritten Gate-Isolierschicht (46) zwischen der dritten und vierten N-Diffusionszone (37, 38) ausgebildet ist.
  6. 6. PNPN-Halbleiterschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmigen Widerstandszonen Diffusionszonen vom N-Typ enthalten.
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