DE3210743C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektrische Anlagen enthalten häufig integrierte Schalt­ kreise, die durch Überspannungen leicht zu zerstören sind. Beispielsweise wird in einem Fernsehempfänger die Anode der Bildröhre typisch mit einer hohen Spannung von 25 000 Volt vorgespannt. Beim schnellen Entladen der Hochspannungs-Anode auf ein niedrigeres Potential können Überspannungen auftreten. Diese besitzen während eini­ ger Mikrosekunden positive und negative Spitzen von oft mehr als 100 Volt. Überspannungen können auch durch Entladung elektrostatischer Aufladungen erzeugt werden, bei­ spielsweise wenn der Benutzer die Bedienungselemente des Fernsehempfängers berührt. Es kann vorkommen, daß die Überspannungen an die Klemmen von im Bild- oder Tonteil des Fernsehempfängers vorgesehenen integrierten Schaltkrei­ sen gelangen. Diese Schaltkreise sind daher der Gefahr einer Beschädigung durch Überspannungen ausge­ setzt.

In einem Fernsehempfänger besitzen bestimmte, auf einen integrierten Schaltkreis gegebene Signale positive Span­ nungsspitzen, die die positive Spannungsversorgung bei nor­ malem Betrieb übersteigen. Beispielsweise erfordert ein typischer Horizontal/Vertikal-Regelschaltkreis eines Fern­ sehgeräts eine Rückkopplungsverbindung von den Bildablenk­ spulen zu seinen Eingangsklemmen. Während die Spannungsver­ sorgung des integrierten Schaltkreises typisch +10 Volt beträgt, liegt die Spitze der Rückkopplungsspannung von den Ablenkspulen typisch bei +27 Volt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung in Form eines gesteuerten Gleichrichters wird in der US-PS 37 53 055 angegeben. Diese Druckschrift beinhaltet eine Halb­ leitervorrichtung die dazu vorgesehen ist, als elektronischer Schalter mit großer Stromkapazität und hoher Durchbruchsspan­ nung bei stabilem Betrieb zu dienen, wobei eine negative Widerstandscharakteristik vorgesehen wird, die durch ein elekrisches Feld zu steuern ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter­ vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genann­ ten Art zu schaffen, die in der Lage ist, elektronische Bauteile, beispielsweise integrierte Schaltkreise, gegen positive Überspannungen zu schützen, und die mit zwei An­ schlüssen auskommt. Die erfindungsgemäße Lösung wird im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben. Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Es wird eine integrierte Schutzschaltung geschaffen, die aus einem Paar komplementär-leitender Transistoren und einem einen integralen Bestandteil der Halbleiterstruktur bildenden MOS-Transistor (MOS = metal oxide semiconductor) besteht. Das Paar komplementär-leiten­ der Transistoren und der MOS-Transistor werden so angeord­ net, daß die Schutzschaltung bei Anliegen eines eine vorgegebene Schwelle, übersteigenden Potentials an einem Anschluß leitend wird. Die Schutzschaltung wird dabei mit einem Anschluß mit der zu schützenden Schaltung und mit dem anderen Anschluß auf ein Bezugspotential, z. B. Ende geschaltet. Wenn das am ersten Anschluß (Signaleingang der geschützten Schaltung) anliegende Potential eine vorgegebene, vorzugsweise ober­ halb der maximal erwarteten Signalspannung liegende, Schwel­ le übersteigt, wird die Schutzschaltung leitend und schützt dadurch den integrierten Schaltkreis vor Zerstörung oder Beschädigung.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbei­ spielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf eine integrierte Schutzschaltung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper der integrierten Schutzschaltung nach Fig. 1; und

Fig. 3 den prinzipiellen Schaltungsaufbau der integrierten Schutzschaltung nach Fig. 1 und 2.

Gemäß Fig. 1 und 2 wird eine Halbleitervorrichtung auf einem aus p-leitendem Silizium bestehenden Substrat 10 herge­ stellt. Auf das Substrat 10 wird eine n^--leitende Epitaxial­ schicht 12 aufgebracht. In der Epitaxialschicht 12 wird eine p-leitende Halbleiterzone 14 erzeugt. Die Zone 14 bildet einen pn-Übergang mit der Halbleiterschicht 12. In der p-leitenden Zone 14 wird ferner eine p⁺-leitende Halb­ leiterzone 20 erzeugt. Ferner wird in der Epitaxialschicht 12 beabstandet zu den Zonen 14 und 20 eine weitere p-leitende Halbleiterzone 16 gebildet, die mit einem pn-Übergang an das Material der Schicht 12 an­ grenzt. In dieser zweiten p-leitenden Halbleiterzone 16 wird eine n⁺-leitende Halbleiterzone 18 gebildet, die mit einem pn-Übergang an das Material der zweiten p-leitenden Zone 16 angrenzt. Unter den Zonen 14, 20, 16 und 18 liegt eine vergrabene n⁺-leitende hochdotierte Halbleiterzone 11. Dieser Auf­ bau innerhalb der n^--leitenden Epitaxialschicht 12 wird so gewählt, daß die schematisch in Fig. 3 dargestellte Schutz­ schaltung entsteht. Die Epitaxialschicht 12 wird von einer p⁺-leitenden Zone 32 umgeben, die sich von der Oberfläche der Epitaxialschicht 12 bis zum Substrat 10 erstreckt und damit die innerhalb der Epitaxialschicht 12 gebildete Schutzschaltung gegenüber anderen Schaltkreisen auf dem Sub­ strat 12, z. B. in den Bereichen 21 a und 21 b, isoliert. Die p⁺-leitende Zone 32 schneidet bzw. überlappt auch die p-lei­ tende Halbleiterzone 16 und stellt damit eine Verbindung zwischen dem Substrat 10 und der p-leitenden Halbleiterzone 16 her.

Auf der Oberfläche der Epitaxialschicht 12 liegt eine, z. B. aus Siliziumdioxid bestehende, Isolierschicht 22. Oberhalb der Zonen 20, 18 und 32 werden in der Isolierschicht 22 zum Herstellen der jeweiligen elektrischen Kontakte Öffnungen erzeugt. Auf der Isolierschicht 22 befindet sich bei­ spielsweise eine aus Aluminium bestehende, erste Metallisierung 24 und kontaktiert die p⁺-leitende Halbleiterzone 20. Eine weitere, auf der Isolierschicht 22 befindliche Metallisierung 30 kontaktiert die n⁺-leitende Halbleiterzone 18 und die p⁺-leitende Halbleiterzone 32. Schließlich liegt eine mit der zweiten Leiterschicht 30 verbundene weitere Metallisierung 26 auf der Isolierschicht 22 oberhalb des sich zwischen die p-leitende Zone 14 und die p-leitende Zone 16 erstreckenden Bereichs der Epitaxialschicht 12, so daß ein p-Kanal-MOS-Transistor entsteht.

Über die erste Metallisierung 24 wird die p⁺-leitende Halbleiter­ zone 20 mit einem Anschluß 28 verbunden, der ferner auf einen Signaleingang eines an anderer Stelle auf dem Chip des Halbleiterschaltkreises, z. B. in den Bereichen 21 a und 21 b, angeordneten Nutzkreises 101 geschaltet ist. Weiterhin wird eine Klemme 34 über die Metallisierung 30 mit der p-leiten­ den Zone 32 und der n⁺-leitende Zone 18 verbunden. Der Anschluß 34 liegt an einer Bezugsspannung an, z. B. an Erde.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Schaltbild des Bauelements von Fig. 1 und 2. Die Schutzschaltung besteht aus einem pnp- Transistor Q 1, einem npn-Transistor Q 2, einem p-Kanal-MOS- Transistor P 1 und einem Widerstand R 1. Die Emitter-Elektro­ de 114, die Basis-Elektrode 112 und die Kollektor-Elektrode 116 des Transistors Q 1 entsprechen den Zonen 14, 12 bzw. 16 des Bauelements von Fig. 1 und 2.

Die p⁺-leitende Zone 20 vergrößert den Injektionswirkungs­ grad der Emitter-Zone 114 des Transistors Q 1 und damit die Durchlaßstromverstärkung β in Emitterschaltung. Die Emit­ ter-Elektrode 118, die Basis-Elektrode und die Kollek­ tor-Elektrode 112 des Transistors Q 2 entsprechen der Reihe nach den Zonen 18, 16 und 12. Die Source-Elektrode 114 und die Drain-Elektrode 116 des Transistors P 1 entsprechen den Zonen 14 bzw. 16 von Fig. 1 und 2. Die Gate-Elektrode 126 des Transistors P 1 ist mit der Metallisierung 26 von Fig. 1 und 2 verbunden. Der Widerstand R 1 ist zusammengesetzt aus dem Wider­ standswert des sich zwischen der n⁺-leitenden Zone 18 und der p⁺-leitenden Zone 32 längserstreckenden Bereichs der p-leitenden Zone 16 und dem Einschnürwiderstand, der durch den unter der n⁺-Zone 18 liegenden Teil der p-leitenden Zone 16 gebildet wird.

Der Wert des Widerstandes R 1 wird bestimmt durch den spe­ zifischen Widerstand der p-leitenden Zone 16 und der Geo­ metrie der n⁺-leitenden Zone 18 in bezug auf die p-leitende Zone 16 (vergleiche Fig. 2). Beispielsweise kann der Wert des Widerstandes R 1 durch eine zusätzliche Verlängerung der p-leitenden Zone 16 (weiter weg von der n⁺-leitenden Zone 18) oder dadurch vergrößert werden, daß die Verlängerung schmäler gemacht wird. Es ist bekannt, daß der mit dem Einschnürwiderstand unterhalb der n⁺-leitenden Zone 18 im Zusammenhang stehende Teilwert des Widerstands R 1 durch tieferes Eindiffundieren der n⁺-leitenden Zone 18 in die p-leitende Zone 16 zu vergrößern ist. Durch die vergrabene hochdotierte n⁺-Zone 11 wird die Leitfähigkeit längs des unteren Be­ reichs der Epitaxialschicht 12 vergrößert mit dem Ergebnis, daß die Transistoren Q 1 und Q 2 nach Zündung der Schutzschal­ tung durch eine Überspannung Strom besser leiten können.

Gemäß Fig. 3 werden die Transistoren Q 1 und Q 2 in Form eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters (SCR) zusammen­ geschaltet. Namentlich werden die Basis-Elektrode des Tran­ sistors Q 1 mit der Kollektor-Elektrode des Transistors Q 2 und die Basis-Elektrode des Transistors Q 2 mit der Kollek­ tor-Elektrode des Transistors Q 1 verbunden. Der Widerstand R 1 wird zwischen die Basiselektrode und die Emitterelektrode des Transistors Q 2 geschaltet. Die Source-Elektrode des Tran­ sistors P 1 wird mit der Emitter-Elektrode des Transistors Q 2 und die Drain-Elektrode des Transistors P 1 wird mit der Kollektor-Elektrode des Transistors Q 1 so verbunden, daß der Leitungskanal des Transistors P 1 parallel zum Hauptlei­ tungsweg des Transistors Q 1 liegt. Die Gate-Elektrode 126 des Transistors P 1 wird mit der Emitter-Elektrode des Tran­ sistors Q 2 verbunden. Die entstandene Schutzschaltung wird zwischen den Anschluß 28 und den Anschluß 34 geschaltet. Der Anschluß 28 kann eine Signalklemme (entweder für Eingangs- oder Ausgangssignale) eines zu schützenden TV- Nutzkreises 101 bilden. Der Anschluß 34 kann beispielsweise geerdet sein.

Der Aufbau unterscheidet sich von einem herkömmlichen gesteuerten Silizium-Gleichrichter dadurch, daß der bekannte 3-Pol-Gleichrichter durch den integrierten MOS-Transistor und dessen Verbindungen zu den Transistoren Q 1 und Q 2 zu einem 2-Pol-Bauelement wird, das in den leitenden Zustand übergeht, sobald die an seinen Anschlüssen anliegende Spannung eine vorbestimmte Schwelle überschrei­ tet. Da die Gate- und Source-Elektrode zwischen den Anschluß 28 und den Anschluß 34 geschaltet werden, ist die vorbestimmte Spannungsschwelle der Schutzschaltung im wesentlichen gleich der Gate/Source-Schwellenspannung des MOS- Transistors P 1, d. h. gleich der Gate-Spannung, bei der der Transistor P 1 leitet.

Bei der nachfolgenden Betrachtung der Betriebsweise wird vorausgesetzt, daß die Transistoren Q 1 und Q 2 zu Beginn nichtleitend sind. Der Widerstand R 1 verhindert ein unbe­ absichtigtes Leiten der Transistoren Q 1 und Q 2 durch elek­ trisches oder thermisches Rauschen. Solange, wie das am Anschluß 28 anliegende Potential unterhalb der Gate/ Source-Schwellenspannung des Transistors P 1 liegt, bleiben die Transistoren Q 1 und Q 2 nichtleitend.

Eine am Anschluß 28 erscheinende Überspannung mit einem die Gate/Source-Schwellenspannung des MOS-Transistors P 1 über­ steigenden Betrag hat zur Folge, daß in dem MOS-Transistor P 1 ein Kanalstrom fließt. Durch die Leitung des Transistors P 1 wird ein Basisstrom für den Transistor Q 2 geliefert. Der damit fließende Kollektorstrom des Transistors Q 2 liefert Basisstrom für den Transistor Q 1, so daß auch der Transitor Q 1 leitet. Die Leitung zwischen den Kollektor- und Emitter-Elektroden der Tran­ sistoren Q 1 und Q 2 wirkt rückkoppelnd und steuert die Tran­ sistoren Q 1 und Q 2 schließlich ganz durch. Auf diese Weise ist es möglich, die Energie der Überspannung durch Leitend­ machen der Transistoren Q 1 und Q 2 zum Anschluß 34 abzulei­ ten, so da der TV-Signalverarbeitungs-Nutzkreis 101 vor Beschädigung geschützt wird.

Wenn der von dem Anschluß 28 zum Anschluß 34 durch die hohe Überspannung fließende Strom unter einen Mindest- Dauerstrom fällt, enthält der Transistor Q 2 einen zu gerin­ gen Basisstrom, um leitend zu bleiben, und schaltet daher ab. Dadurch fällt auch der Basisstrom des Transistors Q 1 ab, und auch dieser Transistor schaltet ab. Die Schutzschaltung wird damit nichtleitend. Zu­ sätzlich zur Stabilisierung der Schutzschaltung gegen unbeabsichtigtes Zünden bestimmt der Widerstand R 1 den mini­ malen Haltestrom, unterhalb dessen die Transistoren Q 1 und Q 2 nichtleitend werden. Bei Erhöhung des Widerstandswertes von R 1 wird der minimale Haltestrom herabgesetzt und umgekehrt.

Die vorgegebene Schwellenspannung der Schutzschaltung ist im wesentlichen gleich der Schwellenspannung des MOS-Tran­ sistors P 1. Wie bekannt hängt die Schwellenspannung eines MOS-Transistors von der Oxiddicke unter seiner Gate-Elek­ trode und der Leitfähigkeit des Kanalmaterials ab. Typische Werte für die Schwellenspannung von MOS-Transistoren liegen in der Größenordnung zwischen 20 und 30 Volt. Durch geeignete Konstruktion des MOS-Tran­ sistors P 1 kann die vorbestimmte Schwelle des Schutz­ schaltkreises auf einen relativ hohen Wert, von z. B. 30 Volt, eingestellt werden. Derart hohe Spannungswerte liegen normalerweise viel höher als die am stärksten positive Spannungsversorgung von z. B. 10 Volt.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen können p- und n-leitende Halbleiterzonen derart ausgestauscht werden, daß eine Schutzschaltung entsteht, die bei negativen Überspannungen leitend wird. Auch kann die die Gate-Elektrode des MOS-Transistors P 1 bildende Metallisierung 26 aus einem anderen Material als Aluminium beste­ hen, und als Isoliermaterial unterhalb des Gates kann ein anderer Isolator als Siliziumoxid verwendet werden. Ein wesentliches Merkmal der Schutzschaltung besteht darin, das eine einen gesteuerten Silizium- Gleichrichter bildende pnpn-Struktur und ein MOS-Transistor integriert werden, wobei die Konstruktion so vorgenommen wird, daß der gesteuerte Gleichrichter zusammen mit dem MOS-Transistor eine 2-Pol-Schutzschaltung bildet, die lei­ tend wird, wenn die Potentialdifferenz an den beiden Polen größer als eine vorbestimmte Schwelle ist.

Claims (3)

1. Halbleitervorrichtung, insbesondere für eine Schutz­ schaltung gegen positive Überspannungen mit zwei An­ schlüssen, mit einem Halbleiterkörper mit einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps mit darauf liegender zweiter Halbleiterschicht eines zweiten Lei­ tungstyps, mit in dieser eingebettet einer ersten so­ wie beabstandet dazu einer zweiten Halbleiterzone je­ weils vom ersten Leitungstyp, wobei die erste Halblei­ terzone in Verbindung mit einer ersten Metallisierung einen ersten Anschluß der Halbleitervorrichtung dar­ stellt und wobei in die zweite Halbleiterzone eine dritte Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp eingelas­ sen ist und sich zusammen mit der zweiten und dritten Halbleiterzone zu einer Oberfläche des Halbleiterkör­ pers hin erstreckt, auf welcher im Bereich von der ersten zur zweiten Halbleiterzone eine Isolierschicht mit darüberliegender zweiter Metallisierung liegt, da­ durch gekennzeichnet, daß diese zweite Metallisierung (26) über eine externe elektrische Verbindung mit ei­ ner die dritte Halbleiterzone (18) kontaktierenden dritten Metallisierung (30) verbunden ist, die als zweiter Anschluß (34) der Vorrichtung dient, daß sich die zweite Halbleiterzone (16) unter Bildung eines elektrischen Widerstandes (R ₁) entlang der Oberfläche des Halbleiterkörpers nach einer Kontaktstelle der dritten Metallisierung (30) hin erstreckt.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektrische Widerstand (R ₁) sich in eine vierte Halbleiterzone (32) vom ersten Leitungstyp erstreckt, welche mit der Kontaktstelle der dritten Metallisierung (30) versehen ist und welche die zweite Halbleiterschicht (12) ringsherum umgibt.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine zwischen der ersten Halbleiter­ schicht (10) und der zweiten Halbleiterschicht (12) im Bereich unterhalb der ersten und dritten Halbleiter­ zone (14, 18) vergrabene, hochdotierte Halbleiter­ schicht (11) vom zweiten Leitungstyp.