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Integriertes MOSFET-Bauelement
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BESCHREIBUNG Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf ein integriertes
MOSFET-Bauelement und bezieht sich insbesondere auf eine Verbesserung einer Haltbarkeit
gegenüber Zerstörung des oben genannten Bauelementes.
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Als konventionelles Bauelement dieser Art wird als Beispiel ein integriertes
Leistungs-MOSFET-Bauelement beschrieben.
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Fig. 1 zeigt teilweise einen Seitenschnitt eines integrierten Leistungs-MOSFET-Bauelementes.
In Fig. 1 weist ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstypes einen Drain (Abfluß)-Bereich
niedriger Konzentration la und einen Drain-Bereich hoher Konzentration lb auf. Das
Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Halbleiterbereich mit einem Leitungstyp, der entgegengesetzt
ist zu dem des Halbleitersubstrates 1, das ist, ein zweiter Leitungstyp; das Bezugszeichen
21 bezeichnet einen nach außen gewölbten Bereich des zweiten Leitungstypes; das
Bezugszeichen 3 bezeichnet Source (Quelle)-Bereiche des ersten Leitungstyps, die
in der Oberflächenschicht des Halbleiterbereiches des zweiten Leitungstyps geformt
sind; das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Isolierschicht; das Bezugszeichen 5 bezeichnet
eine Gate (Tor)-Elektrode; das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine von dem Gate isolierte
Source-Elektrode; das Bezugszeichen 7 bezeichnet kanalbildende Bereiche und das
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine
Drain-Elektrode.
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Das integrierte Leistungs-MOSFET-Bauelement hat eine Struktur, in
der eine große Zahl solcher Grundeinheiten parallel geschaltet sind.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des oben beschriebenen Bauelementes
beschrieben. Wenn eine Gate-Spannung zwischen der Gate-Elektrode 5 und der Source-Elektrode
6 angelegt wird, und eine Drain-Spannung zwischen der Drain-Elektrode 8 und der
Source-Elektrode 6 angelegt wird, dann werden Kanäle in dem kanalbildenden Bereich
7 gebildet und ein Drain-Strom fließt zwischen der Drain-Elektrode 8 und der Source-Elektrode
6. Zu diesem Zeitpunkt kann der Drain-Strom gesteuert werden, indem die zwischen
der Gate-Elektrode 5 und der Source-Elektrode 6 angelegte Gate-Spannung gesteuert
wird.
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Ein Kurzschluß durch die Source-Elektrode 6 zwischen dem Halbleiterbereich
2 des zweiten Leitungstyps und dem Source-Bereich 3 ist unerläßlich zur Fixierung
des Potentials des kanalbildenden Bereiches 7.
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Das integrierte Leistungs-MOSFET-Bauelement hat einen Vorteil, daß
Hochgeschwindigkeitsbetrieb durchgeführt werden kann, da im Prinzip Injektion und
Ablagerung von Minoritätsträgern nicht berücksichtigt zu werden braucht. Auf der
anderen Seite hat das integrierte Leistungs-MOSFET-Bauelement keine solche Einrichtung
wie ein bipolarer Transistor oder ein Thyristor, bei denen der EIN-Widerstand in
einem Hochwiderstandsbereich durch das Änderung der Leitfähigkeit durch Minoritätsträger
gesenkt werden kann. Daher ist der
ON (EIN)-Widerstand des integrierten
Leistungs-MOSFET-Bauelementes größer als der eines bipolaren Bauelementes. In dem
integrierten Leistungs-MOSFET-Bauelement ist es also nötig, die Länge um den aktiven
Bereich herum zu vergrößern und den Hochwiderstandsbereich la dünn zu machen, damit
die Stromkapazität vergrößert wird. Es ist wünschenswert für den Hochwiderstandsbereich
la so dünn zu sein, wie die Spannungsdurchschlagsfestigkeit eines Halbleiter-Bauelementes
es erlaubt.
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Damit jedoch ein genügend hoher Wert der Stehspannung erreicht wird,
bei der ein integriertes Leistungs-MOSFET-Bauelement noch dem Sekundärzusammenbruch
widersteht, ist der oben erwähnte nach außen gewölbte Bereich 21 notwendig.
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Aus diesem Grund tritt ein Nachteil auf, daß die Dicke des Hochwiderstandsbereiches
la im Verhältnis zur Tiefe des nach außen gewölbten Bereiches 21 vergrößert werden
muß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein integriertes MOSFET-Bauelement vorzusehen,
in dem die Stromkapazität vergrößert ist und die Stehspannung, bei der noch Widerstand
gegen Sekundärzusammenbruch ist, verbessert wird.
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Das erfindungsgemäße integrierte MOSFET-Bauelement hat eine senkrechte
Bahn für Hauptstrom, in der in der Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrates
vom ersten Leitungstyp Diodenbereiche eines zweiten Leitungstyps gebildet werden,
wobei diese Diodenbereiche deutlich unterschiedlich von den Bereichen des zweiten
Leitungstyps zum Ausführen der Feldeffekt-Funktion sind.
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In dem erfindungsgemäßen Bauelement werden Diodenbereiche getrennt
von den Bereichen zum Ausführen der Feldeffekt-
Funktion gebildet,
und deshalb fließt der in den die Feldeffekt-Funktion bildenden Bereichen fließende
freilaufende Strom auch getrennt in den Diodenbereichen, und daher wird der Betrag
des in die parasitären Transistoren in den die Feldeffekt-Funktion ausführenden
Bereichen fließenden freilaufenden Stromes vermindert. Als Ergebnis wird die Stehspannung,
bei der noch kein Zusammenbruch eines Bauelementes geschieht, und insbesondere die
Stehspannung, bei der noch kein Sekundärzusammenbruch auftritt, verbessert, und
die Kapazität des Flusses durch das Bauelement kann erhöht werden.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine seitliche, aufgeschnittene Teilansicht eines konventionellen integrierten
Leistungs-MOSFET-Bauelementes Fig. 2 ein die Ausgangskennlinie eines normalen MOSFET-Bauelementes
zeigendes Diagramm; Fig.3A zeigt für den Fall, daß ein nach außen gewölbter Bereich
in dem Halbleiterbereich 2 vom zweiten Leitungstyp nicht vorgesehen ist, eine Schnittansicht
einer Grundstruktureinheit eines MOSFETs; Fig.3B den äquivalenten Schaltkreis für
Fig. 3A; Fig. 4 ein ein Beispiel eines MOSFETs und freilaufende Dioden benutzenden
Umkehrers zeigendes Schaltdiagramm; Fig. 5 ein eine Wellenform einer Spannung Vd
einer in Fig. 4 gezeigten Freilaufdiode und eine Wellenform eines in dem mit der
Freilaufdiode in Serie geschalteten
MOSFETs fließenden Stromes
Im zeigendes Diagramm; Fig. 6 eine seitliche,geschnittene Teilansicht eines eine
Ausführungsform der Erfindung darstellendes integriertes MOSFET-Bauelementes; Fig.
7 eine seitliche, geschnittene Teilansicht eines eine andere Ausführungsform der
Erfindung darstellendes integriertes MOSFET-Bauelementes; Fig.8A eine Elektrodenanordnung
eines eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellendes MOSFET-Bauelementes;
Fig.8B eine entlang der Linie X-X in Fig. 8A genommene Schnittansicht; Fig.8C eine
entlang der Linie Y-Y in Fig. 8A genommene Schnittansicht; Fig.9A eine seitliche,
geschnittene Teilansicht eines eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellendes
integriertes MOSFET-Bauelementes; Fig.9B die Draufsicht des Z-Bereiches in Fig.
9a, Im folgenden sollen theoretische Überlegungen zu der Erfindung gebracht werden,
dabei soll zuerst das Zusammenbruchs-oder Durchbruchsverhalten in einem gewöhnlichen
MOSFET beschrieben werden.
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Fig. 2 ist ein allgemein Ausgangskennlinien eines MOSFETs zeigendes
Diagramm. Fig. 3A zeigt zum Zweck der Erklärung eines Durchbruchsverhaltens eine
Schnittansicht einer Grundstruktur eines integrierten MOSFET-Bauelementes. In dem
in Fig. 3A gezeigten integrierten MOSFET-Bauelement ist ein nach außen gewölbter
Bereich 21 wie in Fig. 1 gezeigt
nicht vorhanden. Fig. 3B zeigt
den Äquivalentschaltkreis von Fig. 3A Im folgenden wird auf die Fig. 2, 3A und 3B
Bezug genommen; wenn ein nach außen gewölbter Teil 21 nicht in dem Halbleiterbereich
2 des zweiten Leitungstyps ausgebildet ist, ist das Halbleiter-Bauelement dem sofortigen
Zerstört-Werden ausgesetzt, wenn ein geringer Durchbruchsstrom fließt. Im folgenden
wird die Art und Weise des Durchbruches beschrieben. Wenn die zwischen der Source
und dem Drain angelegte Spannung erhöht wird und die Spannung in dem Drain-Bereich
niedriger Konzentration la einen Durchbruchsspannungswert für den Bereich 2 erreicht,
fließt ein Durchbruchsstrom wie durch die drei Pfeile in Fig. 3A angedeutet.
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An beiden Enden des Source-Bereiches 3 tritt ein bipolarer Transistor
im wesentlichen in parasitärer Form auf. Der unter dem Source-Bereich 3 von der
Drain-Elektrode 8 fließende Strom Jc fließt von der Source-Elektrode 6 durch den
Widerstand Ra heraus. Zu diesem Zeitpunkt werden die parasitären Transistoren leitend
gemacht, wenn die Bedingung der folgenden Gleichung (1) erfüllt ist: 0.6V < Jc
x Ra ...... (1) Dieser Vorgang tritt zuerst in einem extrem kleinen Bereich des
MOSFET-Bauelementes auf. Weiterhin können die parasitären Transistoren nicht in
einem stabilen Zustand bleiben, wenn sie leitend gemacht sind, und sie werden in
einen blockierenden Schwingungszustand gebracht. Unter diesen Bedingungen kann das
Halbleiter-Bauelement in kurzer Zeit zerstört werden.
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Wenn ein nach außen gewölbtes Teil 21 in dem Bereich 2 ausgebildet
ist,
tritt Durchbruch nur in einem mittleren Teil des Bereiches 2 auf. Daher kann der
Durchbruchsstrom unter dem Source-Bereich 3 verringert werden und der Widerstand
Ra unter dem Source-Bereich 3 kann erniedrigt werden. Auf diese Weise kann das Auftreten
von Durchbrüchen in dem Bauelement auf bemerkenswerte Weise unterdrückt werden.
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Aus den oben angeführten Gründen ist in einem normalen Bauelement
ein nach außen gewölbter Teil 21 in dem Bereich 2 so ausgebildet, daß ein Durchbruchsvorgang
zwischen der Source und dem Drain verhindert wird (der sogenannte primäre Durchbruch
eines Halbleiter-Bauelementes).
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Allgemein kann man sagen, daß in einem MOSFET ein sekundärer Durchbruchsvorgang,
der ein ernstes Problem in bipolaren Transistoren hervorruft, nicht vorkommt. Ein
erfindungsgemäßes MOSFET-Bauelement vom senkrechten Typ jedoch weist einen parasitären
Transistor auf, und daher gibt es die Möglichkeit, daß ein sekundärer Durchbruchsvorgang
auftritt.
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Der sekundäre Durchbruchsvorgang ist besonders bei Schaltoperationen
bei hohen Spannungen und hohen Geschwindigkeiten zu erwarten. Es gibt jedoch keine
Möglichkeit eines solchen Vorganges, wenn die Phase der Spannung und die Phase des
Stromes, die an ein Halbleiter-Bauelement angelegt sind, voneinander verschieden
sind, wie es der Fall bei einem normalen Schaltregler ist. Solch ein Durchbruchsvorgang
tritt nur in einer Betriebsart auf, in der Hochspannung an ein Halbleiter-Bauelement,
in dem elektrischer Strom fließt, angelegt wird.
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Solche Betriebsart wird eingestellt, wenn ein Hochgeschwindigkeitsschaltvorgang
in einem in Fig. 4 gezeigten Umkehrschaltkreis durchgeführt wird. Wie in Fig. 4
zu sehen ist,
ist es nur notwendig, zur Steuerung des in der Last
50 des Umkehrschaltkreises fließenden Stromes das Paar MOSFETs 40a und 40d in einem
beliebigen Verhältnis einzuschalten oder abzuschalten oder das dazu diagonal vorgesehene
Paar MOSFETs 40b und 40c. Der Strom in der induktiven Last 50 fließt gleichmäßig.
Daher soll der Fall betrachtet werden, in dem das Paar MOSFETs 40b und 40c ein-
und abgeschaltet wird, während das Paar MOSFETs 40a und 40d abgeschaltet bleibt.
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Wenn in diesem Fall die MOSFETs 40b und 40c abgeschaltet sind, kehrt
der in der Last 50 fließende Strom zu der Stromquelle 60 durch die mit den MOSFETs
40a und 40d umgekehrt parallel verbundenen Freilaufdioden 41a und 41d zurück.
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Da Hochgeschwindigkeitsdioden für diese Freilaufdioden 41a und 41d
erforderlich sind, ist ein von einem MOSFET-Chip verschiedenes Bauelement angeschlossen.
Auf der anderen Seite sind in dem MOSFET, wie in Fig. 3B gezeigt, Dioden gleichwertig
enthalten. Als Ergebnis fließt der freilaufende Strom, der durch die Freilaufdioden
fließen soll, teilweise durch den MOSFET-Chip.
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Als nächstes zeigt Fig. 5 ein Beispiel der Spannungswellenform Vd
der Freilaufdioden 41a und 41d auf den Seiten (a) und (d) und ein Beispiel des in
den MOSFETs 40b und 40c fließenden Stromes Im, nachdem ein ON-Signal an die MOSFETs
40b und 40c im OFF-Zustand nachfolgend nach dem oben beschriebenen Zustand angelegt
ist. Wenn die MOSFETs 40b und 40c eingeschaltet/leitend sind (insbesondere im Fall,
wenn die Schaltgeschwindigkeit der MOSFETs nicht begrenzt ist), erhöht sich der
Erholungsstrom der Freilaufdioden 41a und 41d auf den Seiten (a) und (d) beinahe
linear. Das Verhältnis solcher Zunahme ist durch ein Verhältnis (Vcc/Lo) zwischen
der Speisespannung Vcc und der Induktivität Lo der
Verbindung bestimmt.
Während der Zeit, in der eine Regenerierung des Schaltkreises nicht durchgeführt
ist, haben die Freilaufdioden 41a und 41d einen beträchtlich geringen Impedanzwert,
und die Speisespannung ist in den MOSFETs 40b und 40c aufrechterhalten. Insbesondere
sind die MOSFETs 40b und 40c in einem Zustand, in dem ein hoher elektrischer Strom
fließt, wenn die Speisespannung an die MOSFETs angelegt ist. Dieser Zustand wird
im allgemeinen ein Kurzschluß-Zustand genannt. Daher beginnt eine Spannung schnell
von einem mittleren Punkt der Erholungsperiode an die MOSFETs auf den Seiten (a)
und (d) angelegt zu werden, und die Spannung erreicht zur Zeit des Abklingens des
Erholstromes einen extrem hohen Spitzenwert.
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In dem oben beschriebenen Kurzschluß-Zustand passiert es manchmal,
insbesondere wenn die Erholeigenschaften der freilaufenden Dioden 41 nicht so schnell
angesprochen werden können und die Betriebsfrequenz sehr hoch ist, daß ein beträchtlicher
Leistungsverlust in dem Schaltkreis verursacht werden kann, der in der Zerstörung
der MOSFETs (b), (c) resultiert. Typischerweise geschieht die Zerstörung in dieser
Betriebsart durch Erhöhen der Temperatur durch Aufheizung, und es ist kein Sekundärdurchbruchsvorgang.
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Ein Sekundärdurchbruch, der ein Problem in den MOSFETs wird, tritt
auf den in Fig. 4 gezeigten Seiten (a) und (d) auf. Die notwendigen Bedingungen
für den Zusammenbruch der MOSFETs auf den Seiten (a) und (d) sind wie folgt: (1)
Ein freilaufender Strom fließt unter den MOSFETs. (Der Sekundärdurchbruch tritt
nicht auf, wenn die Dioden mit den MOSFETs so in Serie geschaltet sind, daß freilaufender
Strom nur in den Freilaufdioden fließt.)
(2) Die Erholzeit des
freilaufenden Stromes in den MOSFETs ist länger als die Erholzeit in den Freilaufdioden.
(Der Durchbruch tritt nicht auf, wenn die Freilaufdioden nicht für Hochgeschwindigkeit
sind sondern vom normalen Typ sind.
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(3) Der Anstieg der zur Zeit des Erholvorganges angelegten Spannung
ist steil. (Wenn ein Stoßspannungs-Schutzkreis zum Verhindern des schnellen Ansteigens
einer Spannung vorgesehen ist, tritt der Durchbruch nicht auf.) Diese Bedingungen
sind im Prinzip die gleichen, wie die Bedingungen, die einen Sekundärdurchbruchsvorgang
erzeugen, wenn nur bipolare Transistoren als Umkehrer benutzt werden.
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Der Sekundär-Durchbruchsvorgang in diese Betriebsart kann theoretisch
wie folgt erklärt werden.
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Es sei der Fall genommen, in dem sogar ein geringer elektrischer Strom
in den MOSFETs zu einer Zeit des Freilaufens fließt, und eine vollständige Erholung
kann in der Übergangszone der MOSFETs nicht durchgeführt werden, bevor eine hohe
Spannung abrupt angelegt wird zu der Zeit des Erholens.
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In diesem Fall werden in dem Hochwiderstands-Drain-Bereich la zurückgebliebene
Minoritätsträger durch ein elektrisches Feld beschleunigt, sobald die Spannung angelegt
wird, so daß die Minoritätsträger sich in dem Bereich 2 auf der Source-Seite bewegen.
Wenn der Anstieg der hohen Spannung extrem steil ist, kann ein die Minoritätsträger
durch das elektrische Feld erhöhender Lawinenvorgang nicht vernachläßigt werden,
bevor all die nachbleibenden Minoritätsträger den Bereich 2 erreichen. Die Bewegung
der Minoritätsträger zu dem Bereich 2 bedeutet, daß ein Basisstrom zu den an beiden
Enden des Bereiches 3 gebildeten parasitären Transistoren geführt wird. Insbesondere,
wenn der die Minoritätsträger
erhöhende Lawinenvorgang die durch
die Gleichung (1) bestimmte Bedingung erfüllt, werden die parasitären Transistoren
leitend. Wenn die parasitären Transistoren leitend sind, werden neue Ladungsträger
dem Hochwiderstands-Drain-Bereich la zugeführt. Daher kann ein positiver Rückkopplungskreis
aufgebaut werden, in dem die Ladungsträger wieder durch den Lawinenvorgang in den
Basisbereich der parasitären Transistoren injiziert werden.
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Die Bedingung zur Erzeugung des positiven Rückkopplungskreises hängt
prinzipiell von einer Intensität des elektrischen Feldes in dem Hochwiderstands-Drain-Bereich
la, von einem Widerstandswert Ra zwischen dem Emitter und der Basis und von einem
Gleichstrom-Verstärkungs-Faktor hFE des parasitären Transistors ab. Wenn insbesondere
die elektrische Feldintensität stark ist und der Widerstand Ra und der Gleichstromverstärkungs-Faktor
hufe hohe Werte haben, geschieht die positive Rückkopplung leicht. Ist erst einmal
der positive Rückkopplungszustand erreicht, wird die Leitung in diesem Bereich nicht
aufgehalten, es sei denn, die Werte der Speisespannung und der elektrischen Feldintensität
werden verringert. Dies bedeutet, daß Betrieb mit einer hohen Stromdichte in lokalen
Bereichen des Halbleiter-Bauelementes durchgeführt wird, an die weiterhin eine hohe
Spannung angelegt wird. Als Ergebnis wird das Halbleiter-Bauelement direkt zerstört
durch die Temperaturerhöhung durch Aufheizung.
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Zusammenfassend gesagt, der nach außen gewölbte Bereich 21 muß notwendigerweise
in der Region 2 ausgebildet werden, damit solche Phänomene unterdrückt werden. Der
nach außen gewölbte Bereich sichert die folgenden Effekte:
(1)
Der Teil, in dem ein Lawinenvorgang aus zunehmenden Minoritätsträgern entsteht,
ist in Entfernung gebracht von dem Teil, in dem die Möglichkeit besteht, daß parasitärer
Transistorenbetrieb auftritt.
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(2) Der Widerstand Ra ist verringert.
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Auf der anderen Seite übt der nach außen gewölbte Teil 21 ungünstige
Einflüsse aus. Insbesondere ist es wünschenswert, daß der nach außen gewölbte Teil
21 eine Tiefe so groß wie möglich hat, damit der Lawinenvorgang in dem parasitären
Transistor unterdrückt wird. Jedoch verringert der mit einer so großen Tiefe versehene
nach außen gewölbte Teil 21 den Effekt der Trennung des Teiles, der dem Lawinenvorgang
unterworfen ist, von den Teilen, in denen möglicherweise parasitärer Transistorbetrieb
auftreten kann. Zusätzlich wird eine von dem nach außen gewölbten Teil 21 beanspruchte
Breite groß, wenn der nach außen gewölbte Teil tief wird, und die Fläche einer Grundeinheit
nimmt zu, und damit wird der aktive Bereich als MOSFET kleiner.
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Zusätzlich gibt es einen Fall, in dem Lebensdauer-Begrenzer in einem
MOSFET-Bauelement angebrachten Dioden vorgesehen sind, damit das MOSFET-Bauelement
zum Betrieb bei einer Hochfrequenz angepaßt werden kann. In diesem Fall jedoch sind
die aktiven Teile der MOSFETs nahe den Dioden gelegen, und als Resultat wird die
Lebensdauer der aktiven Teile verringert und die Betriebsmerkmale werden verschlechtert.
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Von der obigen Beschreibung ist es verständlich, daß die Stehspannung,
bei der noch kein Sekundärdurchbruch in einem MOSFET geschieht, effektiv in der
folgenden Weise verbessert werden kann:
(1) Die an den parasitären
Transistor angelegte Feldintensität ist klein gemacht, (2) der Widerstandswert Ra
zwischen dem Emitter und der Basis eines jeden parasitären Transistors und der Gleichstromverstärkungsfaktor
hFE werden klein gemacht, und E (3) der in der Nähe der parasitären Transistoren
zur Zeit des Freilaufens fließende Strom wird verringert.
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Weiterhin soll der in den Dioden fließende Strom klein sein, da er
auch wenn er außerhalb der parasitären Transistoren fließt und keine Verbindung
mit dem sekundären Durchbruch hat, einen Leistungsverlust verursacht.
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Die Erfindung wurde aufgrund der oben beschriebenen theoretischen
Überlegungen erbracht. Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben.
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Fig. 6 zeigt eine seitliche geschnittene Teilansicht eines integrierten
MOSFET-Bauelementes nach einer Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 6 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 ein mit einem daran gebildeten Drain-Bereich lb von hoher Konzentration
und einem Drain-Bereich la von geringer Konzentration Halbleitersubstrat eines ersten
Leitungstyps.
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Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen in der Oberflächenschicht des
Drain-Bereiches la von geringer Konzentration ausgebildeten Halbleiterbereich (aktiven
Bereich) eines zweiten Leitungstyps. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet in der Oberflächenschicht
des Bereiches 2 ausgebildete Source-Bereiche vom ersten Leitungstyp. Das Bezugszeichen
4 bezeichnet eine Isolierschicht; das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Gate-Elektrode;
das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Source-Elektrode; und das Bezugszeichen 8 bezeichnet
eine Drain-Elektrode. Das Bezugszeichen 7 in dem Oberflächenschichtteil
des
Bereiches 2 bezeichnet kanalbildende Bereiche.
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Ein kennzeichnendes Merkmal eines Bauelementes dieser Ausführungsform
besteht darin, daß ein neu in der Oberflächenschicht des Bereiches la von geringer
Konzentration gebildeter Halbleiterbereich 9 vom zweiten Leitungstyp als Diode dient,
dieser Bereich 9 ist von dem FET-aktiven Bereich 2 getrennt und tiefer als der FET-aktive
Bereich 2.
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Mit der oben beschriebenen Anordnung fließt der in dem FET-aktiven
Bereich 2 fließende Strom auch in dem Diodenbereich 9, und daher kann der in der
Nähe eines in dem FET-aktiven Bereich 2 existierenden parasitären Transistors fließende
Strom erniedrigt werden.
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Zusätzlich fließt der freilaufende Strom nur in einem zentralen Teil
des FET-aktiven Bereiches, da solch ein wie vorhergehend beschriebener nach außen
gewölbter Teil 21 nicht in dem Bereich 2 ausgebildet zu werden braucht, und daher
kann der auf den parasitären Transistor ausgeübte Einfluß wesentlich verringert
werden.
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Weiterhin können die Stehspannungs-Merkmale wie unten beschrieben
im Verhältnis zu dem Sekundärdurchbruch ebenfalls verbessert werden. Im einzelnen
gesagt, wenn eine hohe Spannung angelegt ist, wird der Großteil der Spannung in
dem Bereich la von niedriger Konzentration aufrechterhalten. Wenn die Dicke dieses
Bereiches la, d.h. die senkrech te Ausdehnung des Bereiches la in Fig. 6, groß ist,
wird der Spannungsabfall aufgrund des Widerstandes groß. Aus diesem Grund wird in
einem gewöhnlichen Bauelement die Dicke des Drain-Bereiches la von niedriger Konzentration
dünn
gemacht, damit eine Sperrschicht (Verarmungsschicht) den Drain-Bereich
lb von hoher Konzentration mit einem deutlich geringeren Wert als die Nennspannung
erreicht. Als Folge davon ist in einem Spannungsbereich, in dem es die Möglichkeit
eines Sekundärdurchbruches gibt, die Sperrschicht über die ganze Fläche des Drain-Bereiches
lb von hoher Konzentration verteilt. Da ein Durchbruch in einer Übergangsschicht
an dem höchsten Punkt des elektrischen Feldes auftritt, hängt das Auftreten eines
Durchbruches von der kürzesten Entfernung zwischen dem Diodenbereich 9 und dem Hochkonzentrationsbereich
lb ab. Wenn z.B., wie in Fig. 2 gezeigt, eine Durchbruchsspannung angelegt wird,
fließt der Durchbruchsstrom nur in dem Diodenbereich 9. Als Ergebnis ist die Durchbruchsstärke
durch die Stehspannungshöhe des Diodenbereiches 9 bestimmt, und ein Sekundärdurchbruch
tritt in dem FET-aktiven Bereich 2 nicht auf. Da der Diodenbereich 9 von dem FET-aktiven
Bereich 2 getrennt ist, kann die Tiefe des Diodenbereiches 9 in weitem Bereich frei
gewählt werden und eine große Widerstandsfähigkeit gegen Zerstörung kann effektiv
erzielt werden. Daher kann durch geeignetes Setzen der Tiefe des Diodenbereiches
eine Schutzfunktion vorgesehen werden, so daß ein integriertes MOSFET-Bauelement
nicht einer gefährlichen Spannung ausgesetzt wird.
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Im Vergleich des Diodenbereiches 9 mit dem nach außen gewölbten Teil
21 eines normalen Bauelementes können die folgenden Unterschiede bemerkt werden.
Der normale nach außen gewölbte Teil 21 kann keine ausreichende Schutzfunktion im
Punkt der Durchbruchsstärke erfüllen, weil seine Tiefe in dem Bereich la niedriger
Konzentration begrenzt ist, so daß die effektive Fläche des Halbleiter-Bauelementes
nicht wesentlich verkleinert wird und der Einfluß des freilaufenden
Stromes
auf die parasitären Transistoren nicht vergrößert wird. Im Gegenteil, der Diodenbereich
9 ist ein Bereich unabhängig von dem FET-aktiven Bereich 2, und solche wie oben
beschriebene Begrenzungen treten nicht auf, und daher kann der Diodenbereich 9 zum
Durchführen einer gewünschten Schutzfunktion im Punkte der Durchbruchsstärke bis
in eine ausreichende Tiefe ausgebildet werden.
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Zusätzlich ist es bei einer Grundeinheit eines normalen Bauelementes
schwierig, seine Größe wegen der durch den nach außen gewölbten Teil 21 beanspruchten
Fläche kleiner als 60 Quadratmikrometer zu machen, während in dieser Ausführungsform
die Größe einer Grundeinheit eines Bauelementes bis zu ungefähr 40 Quadratmikrometer
klein gemacht werden kann. Die Stromkapazität eines Bauelementes dieser Ausführungsform
kann im Vergleich mit einem normalen Bauelement um 50 % erhöht werden.
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Obwohl in Fig. 6 solch ein nach außen gewölbter Teil 21 wie in einem
normalen Bauelement nicht in dem Bereich 2 gebildet ist, kann ein ziemlich kleiner
nach außen gewölbter Teil 21 gebildet werden, wenn er innerhalb eines Bereiches
flacher als der Diodenbereich 9 bleibt. Daher kann der Widerstandswert Ra des FET-aktiven
Bereiches 2 erniedrigt werden.
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Fig. 7 zeigt eine seitliche geschnittene Teilansicht eines integrierten
FETMOS-Bauelementes in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
Ein kennzeichnendes Merkmal der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform besteht darin,
daß die Tiefe des Diodenbereiches 9 fast der gleiche ist wie die Tiefe des Bereiches
2 und ein Bereich
von hoher Konzentration 10 des gleichen Leitungstyps
wie der des Drain-Bereiches la von geringer Konzentration mit einer bei weitem höheren
Fremdatomkonzentration in Kontakt mit der Bodenfläche des Diodenbereiches 9 gebildet
ist.
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Andere Vorteile dieser Ausführungsform sind die gleichen wie der Ausführungsform
von Fig. 6 und daher werden die gleichen Teile auch mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform erzeugt ein Unterschied
in der Dicke des Drain-Bereiches la von niedriger Konzentration zwischen dem Drain-Bereich
lb von hoher Konzentration und dem Bereich 2 oder dem Diodenbereich 9 einen Unterschied
in der Durchbruchs spannung zwischen dem FET-aktiven Bereich 2 und dem Diodenbereich
9, während in dieser Ausführungsform in Fig. 7 durch einen Unterschied in der Störatomkonzentration
derselbe Effekt erzielt werden kann.
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Fig. 8A ist eine Ansicht einer Elektrodenanordnung auf der oberen
Oberfläche eines MOSFET-Bauelementes einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8B ist eine entlang der Linie X-X in Fig. 8A genommene Schnittansicht. Fig.
8C ist eine entlang der Linie Y-Y in Fig. 8A genommene Schnittansicht. In diesen
Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 12 eine Gate-Elektroden-Verbindung. Der durch
punktierte Linien gekennzeichnete Teil 30 ist eine Stelle, auf die ein Gate-Anschlußstreifen
angebracht ist, und der Teil 31 ist eine Stelle, auf die ein Source-Anschlußstreifen
angebracht ist.
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Normalerweise wird der Diodenbereich wie in Fig. 8C gezeigt am effektivsten
gerade unter dem Source-Anschlußstreifen 31 ausgebildet. Die Stellung des Diodenbereiches
9 ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Stellung beschränkt, und der Diodenbereich
9 kann unter der Gate-Elektrodenverbindung
12 ausgebildet werden.
Im letzteren Fall kann ein Verhältnis des Diodenbereiches zu dem MOSFET-aktiven
Bereich erhöht werden, und der Einfluß des freilaufenden Stromes auf den MOSFET-aktiven
Bereich kann verringert werden. Daher wird die Stabilität des Betriebes des MOSFETs
bei hohen Spannungen verbessert.
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Im allgemeinen wird nicht bevorzugt, daß ein großer Prozentsatz der
Fläche durch die Diode 9 besetzt wird, insbesondere dann nicht, wenn freilaufende
Hochgeschwindigkeitsdioden außerhalb eines Bauelementes angebracht sind.
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In dem Fall jedoch, in dem freilaufende Dioden nicht außerhalb des
Bauelementes angebracht sind und Dioden innerhalb eines Bauelementes enthalten sind,
d.h., die in dem Diodenbereich 9 gebildeten Dioden werden als Freilaufdioden benutzt,
wird ein angemessenes Verhältnis der Diodenflächen benötigt.
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Fig. 9A zeigt eine seitliche geschnittene Teilansicht eines integrierten
MOSFET-Bauelementes nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 9B zeigt
eine teilweise Draufsicht auf den Teil Z von Fig. 9A. Ein kennzeichnendes Merkmal
dieser Ausführungsform besteht darin, daß sich die Tiefe des Diodenbereiches 9 in
Abhängigkeit von der Position ändert. Das bedeutet im einzelnen, daß der Diodenbereich
9 einen relativ tiefen Diodenbereich 9a an seinen Außenteilen und einen relativ
flachen Diodenbereich 9b in seinen inneren Teilen aufweist. Die Verbindung zwischen
dem Diodenbereich 9 und der Source-Elektrode 6 wird in dem wesentlichen zentralen
Teil des relativ flachen Diodenbereiches 9b durch einen elektrodenbildenden Teil
110 hergestellt.
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In einer solchen Anordnung dient der relativ flache Diodenteil
9b
als ein in Serie mit der Diode geschalteterWiderstand. Wenn dieses Bauelement in
einem Schaltkreis, bei dem Freilaufdioden umgekehrt parallel mit einem FET-Bauelement
wie in Fig. 4 gezeigt verbunden sind, verwendet wird, kann folglich der gesamte
Betrag des in dem Halbleiter-Bauelement zur Zeit des Freilaufens fließende elektrische
Strom vermindert werden. Deshalb kann die Wärmeerzeugung des Halbleiter-Bauelementes
erniedrigt werden, und die Widerstandsfähigkeit gegen durch wärmeerzeugende Faktoren
verursachte Zerstörung kann verbessert werden.
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Zusätzlich hat ein normales integriertes MOSFET-Bauelement den Nachteil,
daß in dem Diodenteil vorgesehene Lebensdauerbegrenzer eine Abnahme der Lebensdauer
der Strombahn des FET-aktiven Bereiches in der Nachbarschaft verursachen und auch
eine Abnahme der Stromkapazität in dem gesamten Bauelement verursachen. Mit einer
Struktur, bei der erfindüngsgemäß der FET-aktive Bereich und der Diodenbereich getrennt
sind, werden im Gegensatz dazu solche unvorteilhafte Einflüsse wie in einem normalen
Bauelement kaum verursacht, auch wenn Lebenszeitbegrenzer in dem Diodenbereich vorgesehen
sind. Daher können Lebenszeit-Begrenzer in dem Diodenbereich wie gewünscht vorgesehen
werden.
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In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die Beschreibung
des Bauelementes gemacht, indem in gattungsmäßiger Weise der Halbleiterbereich eines
ersten Leitungstyps und der Halbleiterbereich eines zweiten Leitungstyps bezeichnet
wurden. Diese Halbleiterbereiche können z.B. -der Halbleiterbereich des N-Typs als
Halbleiterbereich des ersten Leitungstyps und der Halbleiterbereich des P-Typs als
Halbleiterbereich des zweiten Leitungstyps oder umgekehrt sein.
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