DE3622141C2 - Treiberelement für induktive Lasten - Google Patents

Treiberelement für induktive Lasten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Treiberelement für induktive Lasten, das Leistungstransi­ storen mit Emitter-, Basis- und Kollektorregionen sowie den Transistoren parallelge­ schaltete Schutzdioden aufweist, deren Anoden- und Kathodenregionen mit den Emitter- bzw. Kollektorregionen der Transistoren verbunden sind, wobei die Dioden zusammen mit den Transistoren integrierte Schottky-Dioden sind, und wobei die Transistoren eine Epitaxialschicht aufweisen, in welcher jeweils eine Basisschicht und eine von der Basisschicht umgebene Emitterschicht untergebracht sind.
Ein solches Treiberelement mit Schottky-Dioden ist bereits aus der US-PS 3 909 700 bekannt.
Ein bekanntes Treiberelement dieser Art ist z. B. in Fig. 1 gezeigt. Dieses enthält eine Brücke von vier Transistoren T1, T2, T3 und T4 und mit vier Freilauf­ dioden D1, D2, D3 und D4, die den einzelnen Tran­ sistoren parallelgeschaltet sind. Insbesondere ist jede Diode mit ihrer Anode an den Emitter und mit ihrer Kathode an den Kollektor eines der Transistoren angeschlossen. Die Last L ist im mittleren Querzweig der Brücke angeordnet und wird von einem Strom durch­ flossen, dessen Richtung und Wert durch die Tran­ sistoren T1 bis T4 gesteuert wird. Zwischen der Basis und dem Emitter jedes der Transistoren T1 bis T4 ist ein Widerstand vorgesehen, während zwischen dem Kol­ lektor jedes der Transistoren T1 bis T4 und dem Sub­ strat je eine Substratdiode DS gestrichelt angedeutet ist. Die gezeigte Schaltungsanordnung ist in der La­ ge, induktive Lasten verschiedener Arten zu speisen, wie z. B. Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Elek­ tromagneten usw. Die Freilaufdioden D1 bis D4 sind notwendig, um in der Sperrphase einen zweiten Durch­ bruch in Sperrichtung bei den Transistoren zu vermei­ den.
Den Transistoren werden die Ansteuersignale an ihren entsprechenden Basen zugeführt. Es ist möglich, ver­ schiedene Einschaltkombinationen der Transistoren T1 bis T4 vorzusehen, jedoch mit der Ausnahme des gleichzeitigen Einschaltens der Transistoren T1 und T2 oder der Transistoren T3 und T4.
Eine typische Schaltkombination besteht darin, daß die Transistoren T1 und T4 gesperrt und die Tran­ sistoren T2 und T3 leitend sind, wobei insbesondere der Transistor T3 dauernd leitend ist und der Transi­ stor T2 ein- und ausgeschaltet wird. Beim Einschalten des Transistorpaars T2, T3 fließt ein Strom IL durch die Last in Richtung des Pfeiles nach Fig. 1, wodurch der durch den Transistor T3 gezogene Strom durch die Last fließt und dann über T2 abgeführt wird. Wird T2 ausgeschaltet, so kann der Laststrom nicht länger nach Masse fließen und wird deshalb durch die Diode D1 übernommen. In diesem Zustand ist die Anodenspannung von D1 höher als die Kathodenspan­ nung, so daß die Basis-Emitter-Strecke des Transi­ stors T1 in Sperrichtung vorgespannt wird. Übersteigt die Spannung an der Diode D1 den Wert von 0,6 V, so kann es passieren, daß die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, so daß der Transistor T1 im Inversbetrieb ein­ geschaltet. Dieser Zustand ist jedoch unerwünscht, weil beim Wiedereinschalten des Transistors T2 dieser gezwungen wird, sowohl den Laststrom IL als auch den Abschaltstrom von T1 und D1 zu übernehmen. Ein solches Verhalten wird durch die Kurve I der Fig. 2 dargestellt, die den Strom in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.
Aus der US-PS 3 909 700 ist es bereits bekannt, die Freilaufdioden für Schalt­ transistoren als Schottky-Dioden auszubilden. Da diese Dioden neben den Transi­ storen angeordnet sind, erfordern sie einen zusätzlichen Platzbedarf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Treiberelement für induktive Lasten vorzuschlagen, die die aufgezeigten Nachteile dieser bekannten Anordnung vermeidet und ein schnelleres Schaltverhalten praktisch ohne zusätzli­ chen Platzbedarf ermöglicht. Die Herstellung eines solchen Treiberelementes soll auch durch die üblichen Herstelltechnologien auf einfache Weise und zu vergleich­ baren Kosten im Vergleich zu bisher bekannten Treiberelementen möglich sein.
Diese Aufgabe wird bei einem Treiberelement der anfangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Schottky-Dioden durch einen Übergang dargestellt werden, der durch einen leichtdotierten Bereich der Epitaxialschicht und durch eine Metallisie­ rungsschicht an der Oberfläche der Epitaxialschicht gebildet wird, daß dieser leichtdotierte Bereich in einer Aussparung der Basisflächen der Transistoren liegt und bis zur Metallisierungsschicht an der Oberfläche der Epitaxialschicht reicht, und daß Emitterkontakte mit der Metallisierungsschicht verbunden sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügten Zei­ chnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltbild einer bekannten Treiber­ schaltung, wie sie auch für das Treiber­ element gemäß der vorliegenden Erfindung gilt;
Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung des Stromes über der Zeit im Falle eines bekannten Treiberelementes und im Falle des Treiber­ elementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Layout des erfin­ dungsgemäßen Treiberelementes gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 3, jedoch im anderen Maßstab; und
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V der Fig. 3.
Das erfindungsgemäße Treiberelement kann in Verbin­ dung mit dem Schaltbild nach Fig. 1 eingesetzt wer­ den, jedoch mit der Ausnahme, daß die Dioden D1 bis D4 Schottky-Dioden sind.
Schottky-Dioden weisen einen niedrigeren Spannungsab­ fall in Vorwärtsrichtung auf und arbeiten insbesonde­ re mit höheren Geschwindigkeiten als normale Dioden. Der Einsatz von Schottky-Dioden als Dioden D1 bis D4 sorgt also dafür, daß die Spannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor eines Transi­ stors, z. B. des Transistors T1, nicht über einen Wert von 0,4 V ansteigt, so daß ein Einschalten und ein Invers-Betrieb des Transistors vermieden wird. Die Funktion des Treiberelementes weicht dadurch von einem bekannten Treiberelement ab, daß z. B. während des Betriebes des Transistorpaares T2, T3 beim Abschalten des Transistors T2 der durch die Last und die Diode D1 fließende Strom nicht zu einem Einschalten des Transistors T1 und des Transi­ stors T2 führt, wodurch letzterer nicht gezwungen wird, den Abschaltstrom von T1 zu übernehmen. Diese Eigenschaft in Verbindung mit der höheren Schaltge­ schwindigkeit von Schottky-Dioden führt dazu, daß der durch den Transistor T2 nach dem Einschalten fließen­ de Strom gemäß der Kurve II verläuft im Vergleich zu der Kurve I für bekannte Treiberelemente. Hierdurch werden Ausfälle von Treiberelementen vermieden, und die internen oder externen Filterschaltungen können vereinfacht werden.
Ein Beispiel einer räumlichen Anordnung des erfin­ dungsgemäßen Treiberelementes ist in den Fig. 3 bis 5 gezeigt, die eine Draufsicht und zwei Schnitte durch das benutzte Siliziumchip zeigen, auf dem einer der Transistoren und eine der Schottky-Dioden ent­ sprechend dem Schaltbild nach Fig. 1 zu sehen sind.
Das Treiberelement enthält eine Epi­ taxialschicht 10 der N-Leitfähigkeitstype, die den Kollektor des Transistors bildet und sich in Vor­ wärtsrichtung über die gesamte Fläche des Elementes erstreckt. Die Epitaxialschicht 10 trägt die anderen Regionen, die den Transistor und die Schottky-Diode bilden. Insbesondere enthält das Treiberelement eine Region 12 der P-Polaritätstype, die die Basisregion des Transistors bildet, und auf der Innenseite dieser Region 12 ist eine Schicht 14 angeordnet, die von der N+-Leitfähigkeitstype ist und den Emitter des Transi­ stors bildet. Wie aus der Zeichnung zu sehen ist, sind die Schichten 12 und 14 im Bereich der Region 16 unterbrochen, an der die Epitaxialschicht 10 die Oberfläche des Treiberelementes erreicht. In der Praxis (siehe Fig. 3) werden bei der Diffusion der Schichten 12 und 14 nicht-diffundierte Regionen 16 in dem Material der Epitaxialschicht 10 ausgespart. Diese Aussparungen oder Bereiche 16 werden durch eine Metallschicht 18 metallisiert und bilden den Emitteranschluß. Zu diesem Zweck wird oberhalb der Chipoberfläche in dem Bereich, in dem die Schichten 12 und 14 gebildet werden, d. h. quer zur Region 16, eine Schicht 15 aus isolierendem Oxyd aufgebracht, während die Emitterkontakte 21 (sowohl vor als auch nach der Bildung des Bereiches 16, in Fig. 4 nicht zu sehen) im wesentlichen mit den Bereichen 16, wie in Fig. 3 zu sehen, ausge­ richtet gebildet werden. Die räumliche Anordnung des Treiberelementes ist in Fig. 3 zu sehen, wobei die Grenzlinien der Basisschicht durch eine dickere Linie gezeichnet und mit dem Bezugszeichen 30 versehen wur­ den (30a für die äußere Grenze und 30b für die innere Grenze), während die Grenzlinien des Emitters ge­ strichelt gezeichnet und durch das Bezugszeichen 31 bezeichnet wurden (31a für die äußere Grenze und 31b für die innere Grenze). Die Figur zeigt außerdem, daß zusätzlich zu den Emitterkontakten 21 auch Basiskon­ takte 22 und Kollektorkontakte 20 sowie die ent­ sprechenden Metallisierungen vorgesehen sind. Wie zu erkennen ist, werden die Schottky-Dioden durch den Übergang zwischen dem leicht dotierten Epitaxial­ schichtbereich 16 und der Metallisierungsschicht 18 gebildet. Somit werden auf einfache Weise Schottky- Dioden in die Struktur der Transistoren integriert und bilden das erfindungsgemäße Treiberelement.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel zum Erhalten der integrierten Schottky-Dioden ist aus verschiedenen Gründen von Vorteil. Zum ersten erlaubt das Vorhan­ densein eines Ringes der P-Polaritätstype um den Be­ reich 16 (bei der Diffusion der Basis 12 als Teil ge­ bildet) eine Modifikation der Dioden-Verarmungsre­ gion, was zu höheren Durchbruchspannungen führt. Da­ rüber hinaus hat die Benutzung der Metalli­ sierungsschicht zum Anschluß des Emitters als die Metallschicht zur Bildung der Schottky-Diode den Vorteil, daß diese als Feldplatte ausgebildet wird und höhere Spannungen zuläßt.
Der Bereich 16 kann je nach Notwendig­ keit die verschiedensten Formen haben.
Die Ausführungsform läßt es auch zu, daß die in den bekannten Schaltungsanordnungen vorhandene Substrat­ diode nicht aktiviert werden muß, so daß sich eine sichere Betriebsweise der Steuerkreise ergibt.
Wie auch aus der vorstehenden Beschreibung hervor­ geht, löst die vorliegende Erfindung die davor aufge­ stellte Aufgabe. Das Ersetzen der bekannten Dioden D1 bis D4 durch Schottky-Dioden führt dazu, daß die über den Transistoren abfallende Spannung niedriger als 0,6 bis 0,7 V liegt, so daß ein Betrieb der Transi­ storen im Invers-Bereich vermieden wird, was wiederum zu einer höheren Arbeitsgeschwindigkeit, niedrigeren Verlustleistung und dementsprechend zu einer verbes­ serten Zuverlässigkeit des Treiberelementes führt.

Claims (3)

1. Treiberelement für induktive Lasten, das Leistungstransistoren mit Emitter-, Basis- und Kollektorregionen sowie den Transistoren parallelgeschaltete Schutz­ dioden aufweist, deren Anoden- und Kathodenregionen mit den Emitter- bzw. Kollektorregionen der Transistoren verbunden sind, wobei die Dioden zusammen mit den Transistoren integrierte Schottky-Dioden sind, und wobei die Transistoren eine Epitaxialschicht aufweisen, in welcher jeweils eine Basisschicht und eine von der Basisschicht umgebene Emitterschicht untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schottky-Dioden (D1-D4) durch einen Übergang dargestellt werden, der durch einen leichtdotierten Bereich (16) der Epitaxialschicht (10) und durch eine Metallisierungsschicht (18) an der Oberfläche der Epitaxialschicht (10) gebildet wird,
daß dieser leichtdotierte Bereich (16) in einer Aussparung der Basisflächen (12) der Transistoren (T1-T4) liegt und bis zur Metallisierungsschicht (18) an der Oberfläche der Epitaxialschicht (10) reicht, und
daß Emitterkontakte (22) mit der Metallisierungsschicht (18) verbunden sind.
2. Treiberelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor (T1-T4) auf einem Halbleiterkörper mit mindestens einer Hauptfläche angeordnet ist, der folgende Schichten aufweist:
  • a) eine leichtdotierte Epitaxialschicht (10) einer ersten Leitfähigkeitstype zur Bildung der Kollektorregion;
  • b) erste Regionen (12) einer zweiten Leitfähigkeitstype, im wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Leitfähigkeitstype, zur Bildung der Basisregio­ nen, die in die Epitaxialschicht (10) eingebettet sind und an der Hauptfläche freiliegende Basisflächen aufweisen;
  • c) zweite Regionen (14) mit im wesentlichen der ersten Leitfähigkeitstype zur Bildung der Emitterregionen, die in die Basisregionen (12) eingebettet sind und an der Hauptfläche neben den freiliegenden Basisflächen freiliegende Emitterflächen aufweisen;
  • d) wobei die Epitaxialschicht (10) neben den ersten Regionen (12) vorstehende Kollektorbereiche (16) mit an der Hauptfläche neben den freiliegenden Basisflächen freiliegenden Kollektorflächen bildet; und
  • e) eine Metallisierungsschicht (18), die sich auf der Hauptfläche zumindest teilweise im Bereich der freiliegenden Emitterflächen und freiliegenden Kollektorflächen erstreckt und mit diesen im Kontakt steht, um die Schott­ ky-Dioden (D1-D4) an den Übergängen mit den freiliegenden Kollektor­ flächen zu bilden.
3. Treiberelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T1-T4) und die parallel geschalte­ ten Dioden (D1-D4) in Brückenschaltung angeordnet sind und daß an dem Quer­ zweig die induktive Last (L) angeschlossen ist.
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