DE3104743C2

DE3104743C2 - Halbleiter-Schaltanordnung

Info

Publication number: DE3104743C2
Application number: DE19813104743
Authority: DE
Inventors: Susumu Tokyo Iesaka; Masami Kawasaki Iwasaki
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-02-13
Filing date: 1981-02-11
Publication date: 1983-12-22
Also published as: DE3104743A1; JPS625346B2; GB2069787A; JPS56112751A; GB2069787B; CA1154172A

Abstract

Halbleiterschaltvorrichtung mit einem Halbleiter-Schaltelement, welches z.B. um große Leistungen steuern zu können von einer Darlington-Schaltung gebildet werden kann und mit einem Speed-up-Transistor, welcher mit dem Halbleiter-Schaltelement verbunden ist. Bei einer derartigen Halbleiter-Schaltvorrichtung soll eine elektrische Aufladung derselben beim Abschaltvorgang verhindert und die Schaltgeschwindigkeit heraufgesetzt werden. Daher wird vorgeschlagen, den Stromverstärkungsfaktor des Speed-up-Transistors kleiner als 1 zu wählen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schaltanordnung mit einer Halb!eiter-Schaltvorrichtung und mindestens einem dessen Schaltverhalten verbessernden Halbleiterelement.

Zur Steuerung und/oder Regelung elektrischer Leistungen werden unterschiedliche Halbleiter-Schaltvorrichtungen verwendet. Beim Einsatz einer Darlington-Schaltung macht sich vorteilhaft bemerkbar, daß wegen des hohen Stromverstärkungsfaktors große elektrische Leistungen Steuer- bzw. regelbar sind. Eine herkömmliche Darlington-Sehaltung ist in Fig. I dargestellt: Der Kollektor eines ersten Transistors 1 ist mit dem eines zweiten Transistors 2 verbunden und zum Anschlußpunkt C geführt, während der Emitter des Transistors 1 an der Basis des Transistors 2 liegt. Zwischen den Basis- und Emitteranschlüssen der Transistoren 1 und 2 sind jeweils Widerstand·; 3 und 4 vorgesehen, die eine Verstärkung des Reststromes zwischen Basis und Kollektor in Abhängigkci' vom Ansteigen der Temperatur unterbinden sollen. Für den Widerstand 3 wird üblicherweise ein relativ hoher Wert gewählt, um den Stromverstärkungsfaktor des Transistors 1 in leitendem Zustand nicht zu beeinträchtigen. Der Basisanschluß des Transistors 1 ist mit B bezeichnet, während der Kollektoranschluß des Transistors 2 mit E benannt ist.

Ein positiver Basisstrom Ib\ auf den Basisans ^hIuB des Transistors 1 bewirkt, daß die Transistoren 1 und 2 eingeschaltet und so in den Durchlaßzustand gebracht werden. Um die Transistoren zu sperren, wird dagegen

ίο ein negativer Basisstrom Ibi aufgeschaltet. In Darlington-Transistoren bzw. Darlington-Schaltungen jedoch hat der Transistor 1 einen größeren Emitterbereich als der Transistor 2, so daß der Transistor 1 auch eine geringere elektrische Ladung speichert als der Transistör 2 und der Transistor 1 damit schneller in den Sperrzustand übergeht als der Transistor 2. Damit fließt der negative Basisstrom lsi vom Transistor 2 aus nur durch den Widerstand 3 relativ hohen Widerstandes: Der Transistor 2 geht daher vom Leitungszustand nicht so schnell in den Sperrzustand über wie der Transistor 1, und die Abschaltzeit wird, da der Basisstrom Ibi durch den Widerstand 3 stark verringert ist, nicht abgekürzt, so daß durch lange Speicherungszeiten T„c und Abfallzeiten 7} bc; Darlington-Schaitungen die oft gewünschte schnelle Schaltfolge nicht erreichbar ist.

Zur Verbesserung dieses Schaltverhaltens ist die Darlington-Sehaltung der Fig. 1 gemäß Fig.2 mit einem weiteren Halbleiterelement, einer Diode 5. versehen, die den Widerstand 3 überbrückt und damit die im Transistor 2 gespeicherte elektrische Ladung beim Abschaltvorgang über einen relativ geringen Widerstand abzuleiten vermag, se daß die Speicherungszeit und damit auch die Abfallzeit verkürzt werden.

Eine monolithische Ausführung der Schaltung der F i g. 2 ist in der Aufsicht in F i g. 3 und in deren Schnitt 3 — 3' in Fig.4 gezeigt. Nach diesen Figuren ist ;iuf einem N-Ieitenden Substrat 10 ein? P-Ieitende Schicht 11 bewirkt, in die drei N-Ieitende Zonen 12, 13 und 14 cindiffundiert sind. Der Transistor 1 der Fig. I und 2 nutzt den N-Ieitenden Bereich 12 als Emitterzone, di-Bereiche 11·' und 11' als Basis sowie das Substrat 10 als Kollektor. Der Transistor 2 nutzt die N-Ieitende Zone 14 als Emitter, die Bereiche 11^ft und II"* der P-Ieiiendcn Schicht 11 als Basis und das Substrat 10 als Kollektor.

In einem Oberflächenbereich des Teilbereiches 11·' ist eine Basiselektrode 15 vorgesehen, und über der N-Ieitenden Zone 12 und der P-Ieitenden Schicht 11 ist eine Brücke 16 angebracht. Der Flächenwiderstand des unter der N-Ieitenden Zone 12 angeordneten Teilbereiches 11'' dient als Widerstand 3 der Fig. I und 2. während der Flächenwiderstand des unter der N-Ieiienden Zone 14 befindlichen Teilbereiches \\^d dem Widerstand 4 der Fig. 1 und 2 entspricht. Ein Ende dieses Widerstandes ist die überbrückte Emitterzone 17. die mit der Emitterelektrode 18 auf der Oberfläche der N-Ieitenden Zone 14 verbunden ist.

Die Diode 5 der Fig.2 wird durch die N-Ieitende Zone 13 und einem Teilbereich II¹" gebildet, welcher direkt unter und nahe der Zone 13 gebildet wird. Die freie Oberfläche der N-leitenden Zone 13. der Kathode der Diode, ist mit einer Elektrode 19 versehen. Die freie Fläche des Teilbereiches 11° findet als Anode Verwendung und ist an die Brücke 16 angeschlossen. Auf die gegenüberliegende Unterseite des N-Ieitcnden Substrates 10 ist eine Kollektorelektrode 20 aufgebracht. Bei dieser Ausbildung wird die Diode 5 als ein Teil eines NPN-Transistors 21 der F i g. 5 gebildet, der die Zone 13

als Emitterzone, den Teilbereich ll^e als Basis und das Substrat 10 als Kollektor aufweist

Die durch die Anordnung nach F i g. 3 und 4 gegebene Ersatzschaltung ist als Schaltbild in F i g. 5 gezeigt, bei der bereits in F i g. 1 und 2 gezeigte Teile mit gleichen Referenznummern übernommen sind. Werden bei einer solchen Schaltung die Transistoren 1 und 2 durch eine dem Punkt B zugeführte Sperrspannung umgeschaltet, so wirkt diese auf den Transistor 21 als ihn einschaltende Durchlaßspannung, und. durch diesen Transistor 21 fließt ein Kollektorstrom, tier eine neue elektrische Ladung aufbaut. Damit aber wird die Beschleunigung des Schaltverhaltens, die durch die zusätzliche Diode 5 der F i g. 2 erzielt werden sollte, nicht erreicht

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine Halbleiter-Schaltanordnung zu schaffen, die gegenüber bekannten eine höhere Schaltgeschwindigkeit aufweist, und bei der während des Abschaltungsvorganges elektrische Aufladungen vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, da£ das ^ur Verbesserung des Schaltverhaltens vorgesehene Halbleiterelement als Transistor mit hochdotierten Basis- und Emitterzonen ausgeführt ist. die zur Ladungsausräumung an die Halbleiter-Schaltvorrichtung angeschlossen sind, und daß die Verunreinigungskonzentration der Basiszone 3xlO¹⁸/cm³ übersteigt. Weiterführende Merkmale sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet

Im einzelnen wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Stand der Technik und diese Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

Fig. 1 das Schaltbild einer als Halbleiter-Schaltvorrichtung vorgesehenen herkömmlichen Darlington-Schaltung,

F i g. 2 die durch ein zusätzliches Halbleiterelement in ihrem Schaltverhiilten verbesserte Halbleiter Sehaltvorrichtung d vr F i g. I.

F i g. 3 die Aufsicht auf eine monolithisch ausgeführte Hiilbleitcr-Schaltvorrichtung nach F i g. 2.

Fig. 4 einen entlang der Linie 3 — 3' der Fig. 3 geführten Schnitt,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für die in Fig. 3 und 4 gezeigte Hr.lbleiter-Schaltvorrichtung.

Fig.β einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 7 ein Störstellen-Kennliniendiagramm der Linie 6-6'der Fig. 6 und

Fig. 8 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiü.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zur Umschaltung von Halbleiter-Schaltvorrichtungen mit kurzen Abschaltzeiten es erforderlich ist. während des Leitzustandes aufgebaute Ladungen schnell auszuräumen, und daß dieses durch einen Transistor bewirkt werden kann, wenn dieser durch hochdotierte Basis- und Emitterzonen einen Stromverstärkungsfaktor erhält, der kleiner als I ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Fig. 6 erläutert, die einen der Fig. 4 entsprechenden, jedoch abgewandelten Schnitt durch das Substrat eines IC zeigt, wobei aus den F i g. I bis 5 bekannte Teile mit den aus diesen bekennten Bezugsnummern bezeichnet sind. Auch hier ist auf dem N-Ieitenden Substrat 10 eine P-Ieitende Schicht 11 autg :baut. in deren Oberfläche die N-Ieitenden Zonen 12 und 14 eingebracht sind. Zwischen diesen Zonen 12 und 14 wird eine stark dotierte P"-leitende Zoi., 22 mit einer Verunreinigungskonzentration von mehr als 3xl0¹⁸/cm³ hergestellt, in deren Oberfläche eine stark dotierte N+-leitende Emitterzone 23 eingearbeitet ist, die gegenüber der Basiszone 22 eine noch gesteigerte Verunreinigungskonzentration aufweist

Der Transistor 1 wird innerhalb eines ersten gestrichelt eingerahmten Feldes gebildet und nutzt als Emitter die Zone 12, als Basis die Teilbereiche II³ und ll^c, während das Substrat 10 als Kollektor dient. Der

to Transistor 21 wird im folgenden gestrichelt eingerahmten Feld gebildet; er besteht aus der Emitterzone 23, der Basiszone 22, und nutzt das Substrat 10 als Kollektor. Die sich direkt unter oder in der Nähe der Zone 12 befindenden Teilbereiche ll^cund 11'" entsprechen dem Widerstand 3 der Fig. 1, 2 und 5, v/ährend die in der Nähe der Zone 14 befindlichen P-Ieitenden Teilbereiche II⁶ und ll^rf den Widerstand 4 darstellen. Auf die Oberfläche des Teilbereiches IV ist e^:ne Basiselektrode 15 aufgebracht, und die freien Oberflächen der N-leitenden Zone 12, des Teilbereiches li*undderstark P⁺-dotierten Zone 22 sind von einer Brücke 24 überfangen und miteinander verbunden. Auf der Oberfläche der N+-leitenden Zone 23 ist eine Elektrode 25 angeordnet, die mit der Basiselektrode 15 verbunden ist. Eine Emitterelektrode 18 ist auf die Oberfläche des N-Ieitenden Bereiches 14 aufgebracht, und die Unterseite des Substrates ist mit einer Koltek'orelektrode 20 versehen. Die PN-Übergänge sind mit einem Oxidfilm geschützt, und die herausgeführten Anschlüsse sind in

x> Übereinstimmung mit F i g. 5 mit B, fund Cbezeichnet. Bei der Anordnung nach Fig. 6 ist der durch Streuströme bewirkte Stromverstärkungsfaktor Hr_cdes Transistors 21 geringer als 1, weil die Verunreinigungskonzentrationen der Zonen 22 und 23 recht hoch gewählt ist. Die durch die hohe Verunreinigungskonzentration bewirkte hohe Injektionsstromleistung und die durch den Auger-Effekt bedingte kurze Lebensdauer der Elektronen im Basisbereich führen zu diesem nied-igen Stromverstärkungsfaktor. Der Transistor 21

to weist nur seinen Basis-Emitter-Übergang als wirksamen PN-Übergang auf, und über diesen wird die im Transistor 2 gespeicherte elektrische Ladung schnell abgeführt, wenn der Transistor 1 abgeschaltet wird. Damit aber wird die gewünschte hohe Schaltgeschwin-

•»5 digkeil erhalten, denn die störende Speicherzeit T,_vund die Abfallzeit 77 werden wünschenswert verkürzt. Die Herstellung dieser eine wünschenswert geringe Abfallzeit aufweisenden Halbleiter-Schaltanordnung ist nicht komplizierter als die der in Fig. 3 und 4 dargestellten:

Die stark dotierte P⁺-Ieitende Zone 22 wird gleichzeitig mit dem für den ohmschen Kontakt bestimmten P'-leitenden Bereich hergestellt, worauf dann die Herstellung der N +-leitenden Zone 23 erfolgt.

In der Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm des Störungsgradienten entlang der Linie 6 — 6' der F i g. 6 dargestellt. Das zeigt, daß die Halbleiter-Schaltvorrichtung in drei Diffundlerungsschritten herstellbar ist. Auf der Abszisser.achse sind die Strecke L\ für die Tiefe der N · -leitenden Zone 22, die Strecke Z-: für die Tiefe der p* -leitenden Zone 23, die Strecke Lj für Jie Tiefe der P-Ieitenden Schicht Il und die Strecke L₄ für die Tiefe des N-Icitenden Substrates 10 angegeben. Auf der Ordinatenachse ist die- jeweilige Verunreinigungskonzentration aufgetragen. Es ist deutlich ersichtlich, daß die Verunreinigungskonzentration der P'-Ieitenden Zone 23 den Wert von 3 χ 10^la/cm^! überschreitet.

Ganz allgemein kann der Stromverstärkungsfaktor Hi,. des NPN-Transislors 21 anhand der nachstehenden

Gleichung bestimmt werden:
1 _ D,-Q, , Wl

H„ D„Q_E ' 2L\i

Hierbei gelten:

Wn = Breite der Basis,

D_n = durchschnittliche Diffusionskonstante der

Löcher.

D_n = durchschnittliche Diffusionskonstante der

Elektronen,

L_n = die Eindiffundierungslänge der Elektro

nen in den Basisbereich.

Oi und

Qh = effektive elektrische Ladungsdichte des

Emitterbereiches und des Basisbereiches.

Um den Stromverstärkungsfaktor H_/c auf einen Wert unter I herabzusetzen, wiid es erforderlich, die Summe der beiden ersten Glieder der Gleichung größer als I zu machen. Erreicht werden kann dieses, indem die Verunreinigungsdichte des Emitterbereiches gegenüber der des Basisbereiches geringer gehalten wird. Dieses Verfahren jedoch kompliziert die Herstellung, da zunächst, beispielsweise durch Herausdiffundieren oder dergleichen, die Verunreinigiingsdichte pn der Oberfläche der Basiszone verringert werden muß. und weil die Emitterzone so zu gestalten ist. daß sie in bezug auf die Basiszone eine geringere Verunreinigungsdichte erhält.

Im Ausführungsbeispiel wurde der in F i g. 7 veranschaulichte Verlauf des Störstellengradienten benutzt. So wurde beispielsweise die P + -Eindiffundierung bis zu einer Tiefe Li von ' 0 μηι mit einer Verunreinigungskonzentration von 2XlO¹¹VCm¹ auf einem Substrat der Stärke X_1n= L, + Li+ Li = 40 μηι bewirkt. Sodann wurde die N ⁺ -Eindiffundierung bis zu einer Tiefe L\ von 2.5 μηι mit einer Verunreinigungskonzentration von lO^/cm¹ durchgeführt, wobei auch der PN-Übergang hergestellt wurde. Hierbei wurde ein Stromverstärkungsfaktor von 0.9 erreicht.

Durch die Herabsetzung des Stromverstärkungsfaktors auf einen I unterschreitenden Wert durch den in Fig. 7 veranschaulichten Störsicllengraclienten wird auch durch die durch die starke Verunreinigiingsdichte des Emitterbereiches bewirkte Verengung des Bandabstandes die Strominjektionsleistung verringert und die Auswirkungen des Auger-Effektes verbessert. Die Beeinflussung der Injeklionsleistung durch die Veren gung des Bandabstandes ist dann bemerkenswert, wenn die Verunreinigungsdichte 1,81 χ 10^|lVcm' überschreuet. Damit kann der Stromverstärkungsfaktor Hu- des T-ansistors 21. der sich bei der Erstellung einer Diode parasitär bildet, geringer als I werden, da die in Gegenrichtung wirkende Durchbruchsspannung etwa 5 Voll beträgt und auch praktisch erreicht wird.

Ein weiteres ÄüSiününgSuCiSpici i.M ifi f i g. ö gc/ci^:i.

Als Halbleiter-Schaltvorrichtung wird in der dort dargestellten Halbleiter-Schaltanordnung ein Thyristor verwendet. Aus Fig. 6 bekannte Teile sind wiederum mit den gleichen Referenznummern bezeichnet.

Wie die F i g. 8 zeigt, ist die N-leitende Grundschicht des Substrates JO der Fig. b durch zwei Schichten ersetzt worden, und zwar durch die P-Ieitende Schicht 30 und die N-leitende Schicht 31. An der Basiselektrode 15 istvUr Basisanschluß B durch den StcueranschliilJ G ersetzt, an die Kollektorelektrode 20 ist der Anodenanschluß A angebracht und die Emitter-Elektrode 18 führt zum Kathodcnanschluß K der Schaltanordnung. Die N--leitende Zone 23. der P-kitende Bereich II. die N-leitende Schicht 31 sowie die P-Ieitende Schicht 30 bilden einen parasitären Thyristo- mit einem beschleunigenden parasitären Transistor, der aus den Zonen 23, 22. dem Bereich Il und der Schicht 31 besteht. Dieser Transistor hat einen Stromverstärkungsfaktor geringer als I und vermag damit gespeicherte elektrische Ladungen sicher und schnell abzuleiten.

Die Erfindung kann weiter variiert werden:so können beispielsweise die bei den Ausführungsbeispielen aufgeführten Leitfähigkeiten gegen die inversen ausge-

tauscht werden sowie weitere Änderungen vorgenommen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Schaltvorrichtung mit mindestens einem zusätzlichen, deren Schaltverhalten durch Ausräumen von Ladungen verbessernden Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet,daß das Halbleiterelement als Transistor (21) mit hoch dotierten Basis- und Emitterzonen (22, 23) ausgeführt ist, und daß die Verunreinigungskonzentration der Basiszone (22) 3 χ 10"Vcm³ übersteigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltvorrichtung eine Darlington-Schaltung (1 bis 4) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltvorrichtung ein Thyristor Nt.

4. Anordaung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentration der Basiszone (22) des Transistors (21) höher als die seiner Emitterzone (23) ist.

5. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Substrat (10) einer ersten Leitfähigkeit (N). auf dessen Oberfläche eine Schicht (11) der alternativen Leitfähigkeit (P) gebildet ist, auf der, voneinander getrennt, eine erste (12) und zweite Zone (14) mit der ersten Leitfähigkeit angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine die alle, native Leitfähigkeit (P⁺) aufweisende dritte, eine Basiszone (22), v^ gesehen ist, die mehr als 3xlO¹⁸ FremdatOTTie pro cm^J enthält und zwischen der ersten (12) und ά.· zweiten Zone (14) in die Oberfläche der Schicht (11 e) eingearbeitet und mit der ersten Zone (12) verbunden ist, und daß eine vierte, die erste Leitfähigkeit aufweisende, eine Emitterzone (23), mit einer gegenüber der dritten Zone erhöhten Fremdatomdichte auf der Oberfläche der dritten Zone (22) gebildet und mit der Schicht (11) verbunden ist.

6. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch ύ, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) in zwei Schichten (30, 31) alternativer Leitfähigkeit aufgeteilt ist.