DE3902839C2 - Bipolarer Leistungstransistor mit integrierter Begrenzungsdiode - Google Patents

Bipolarer Leistungstransistor mit integrierter Begrenzungsdiode

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Description

Die Erfindung betrifft einen bipolaren Leistungstransistor mit integrierter Begrenzungsdiode gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige bipolare Leistungstransistoren mit integrierter Be­ grenzungsdiode, wie sie der Anmelderin als nicht vorveröf­ fentlichter, also nur interner Stand der Technik bekannt sind, werden beispielsweise als Schaltelement in einer Zünd­ einrichtung verwendet, beispielsweise bei einem Kraftfahr­ zeug.
Bei einem derartigen bipolaren Leistungstransistor, der als Schaltelement in einer Transistorzündeinrichtung für ein Kraftfahrzeug verwendet wird, wird eine hohe Stoßspannung, die von der Sekundärseite einer Zündspule in deren Primär­ seite induziert wird, bei der Zündunterbrechung der Zündein­ richtung angelegt. Somit benötigt ein Transistor, der für solche Zwecke verwendet wird, eine Einrichtung, um ihn gegen einen Durchbruch zu schützen, der durch die hohe Stoßspannung hervorgerufen werden kann.
Einen Leistungstransistor, der vorstehend erwähnten Transis­ torzündeinrichtung hat man bisher beispielsweise mit zwei verschiedenen Mitteln geschützt: Einerseits durch gezieltes Verringern eines Kopplungskoeffizienten in der Zündspule, andererseits durch entsprechende Ausgestaltung der Struktur des Leistungstransistors, um eine Durchbruchspannung, die nachstehend auch als ES/B-Grenzwert bezeichnet ist, zu gewährleisten, die eine solche Stoßspannung aushält, welche bei der Zündunterbrechung der Zündeinrichtung erregt wird.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung der Struktur eines herkömmlichen npn-Darlington-Leistungstransis­ tors, nachstehend kurz als Leistungstransistor bezeich­ net, der in einer Zündeinrichtung für ein Kraftfahrzeug verwendet wird;
Fig. 2 zeigt ein Schaltungsdiagramm zur Erläuterung eines Er­ satzschaltbildes des Leistungstransistors gemäß Fig. 1.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist einen n+-Typ Diffusionsschicht 2 auf einer ersten Hauptfläche 101 eines n--Typ Substrates 1 aus Silicium ausgebildet, um einen Kollektor zu bilden, der gemeinsam für zwei Transistoren Q1 und Q2 vorgesehen ist, wie es auch Fig. 2 zeigt. Dieser Kollektor 2 ist mit einem Kollektor­ anschluß C über eine Aluminiumschicht 3 verbunden. Eine p-Typ Diffusionsschicht 4 ist in einem Teil der zweiten Hauptfläche 102 des n--Typ Substrates 1 ausgebildet, um Basen für die beiden Transistoren Q1 und Q2 zu bilden. Diese p-Typ Diffusi­ onsschicht 4 ist mit einer eingebauten n+-Typ Diffusions­ schicht 5a, die einen Emitter für den Transistor Q1 bildet, sowie einer n+-Typ Diffusionsschicht 5b versehen, die einen Emitter für den Transistor Q2 bildet.
Der Emitter 5a des Transistors Q1 ist mit der Basis des Transistors Q2 über eine Aluminiumschicht 6a verbunden, die über Oberflächen der n+-Typ Diffusionsschicht 5a und einem mittleren Teil der p-Typ Diffusionsschicht 4 ausgebildet ist. Der Emitter 5b des Transistors Q2 ist mit einem Emitteran­ schluß E über eine Aluminiumschicht 6b verbunden, die über Oberflächen der n+-Typ Diffusionsschicht 5b und der P-Typ Diffusionsschicht 4 ausgebildet ist. Weiterhin ist die Basis 4 des Transistors Q1 mit einem Basisanschluß B über eine Aluminiumschicht 6c verbunden, die auf einer Oberfläche der P-Typ Diffusionsschicht 4 ausgebildet ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, geben Widerstände R1 und R2, die zwischen den jeweiligen Basen und Emittern der Transistoren Q1 und Q2 dazwischengeschaltet sind, Widerstandswerte an, die in der p-Typ Diffusionsschicht 4 gemäß Fig. 1 ausgebildet werden. Eine p-n-Flächendiode Do, die gemäß Fig. 2 zwischen den Kol­ lektor und den Emitter des Transistors Q2 geschaltet ist, wird von der n+n-p-Struktur gemäß Fig. 1 gebildet. Ein Schutzring 7 wird von einem p-Typ Diffusionsbereich gebildet, der um einen den Leistungstransistor bildenden Bereich mit den Transistoren Q1 und Q2 herum vorgesehen ist, um die Feldstärke einer nicht dargestellten Inversionsschicht in dem n--Typ Substrat 1 zu mindern; ein Kanaltrennbereich 8, der von einem n+-Typ Diffusionsbereich gebildet wird, ist in Form eines Ringes um den Schutzring 7 herum vorgesehen.
Der Kanaltrennbereich 8 hat die Funktion, zu verhindern, daß die Inversionsschicht des n--Typ Substrats 1 sich in Quer­ richtung ausbreitet. Eine Feldplatte 9, die in Bezug auf den Emitteranschluß E auf einem vorgegebenen Potential gehalten wird, ist auf einer Oberfläche des Kanaltrennbereiches 8 vorgesehen, um die Funktion des Kanaltrennbereiches zu verstärken. Eine Siliciumoxidschicht 10 ist über der zweiten Hauptfläche 102 ausgebildet, die nicht von den Aluminium­ schichten 6a, 6b und 6c sowie der Feldplatte 9 bedeckt ist.
Der Leistungstransistor hat einen solchen n+pn-n+ Aufbau, daß auch dann, wenn eine hohe Spannung an einen in Sperrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Übergangsbereich angelegt wird, sich eine Verarmungsschicht in dem n--Typ Substrat 1 weit ausbreitet, um seine Feldstärke zu verringern. Infolgedessen wird die Durchbruchspannung VCBO des Kollektor-Basis-Über­ gangsbereiches auf einem hohen Wert gehalten.
Wenn weiterhin die Verarmungsschicht, die sich in dem n--Typ Substrat 1 ausbreitet, den Schutzring 7 erreicht, wird ein elektrisches Potential in dem Schutzring 7 induziert bzw. erregt, so daß die Verarmungsschicht sich von dem p-n-Über­ gangsbereich des Schutzringes 7 weiter zum n--Typ Substrat 1 ausbreitet, so daß die Durchbruchspannung VCBO durch den Schutzring 7 weiter erhöht wird.
In der strukturmäßigen Ausgestaltung dieses Leistungstransi­ stors wird der Bereich der hohen Stoßspannung, die zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Leistungstransistors angelegt wird, experimentell erhalten, um in optimaler Weise den spezi­ fischen Widerstand, die Dicke usw. des n--Typ Substrats 1 entsprechend dem Bereich der hohen Stoßspannung zu konzipie­ ren, um dadurch einen hohen ES/B-Grenzwert zu gewährleisten. Ein Experiment zur Feststellung des Bereiches der hohen Stoß­ spannung wird durchgeführt, indem man absichtlich die Sekun­ därseite einer Zündspule in einen Zündunterbrechungszustand bringt, um eine hohe Stoßspannung in der Primärseite zu induzieren bzw. zu erregen.
Eine Streuung des ES/B-Grenzwertes, die durch das Herstel­ lungsverfahren hervorgerufen wird, kann jedoch nicht vermieden werden, wenn ein hoher ES/B-Grenzwert dadurch gewährleistet werden soll, daß man in optimaler Weise numerische Werte hin­ sichtlich der physikalischen Eigenschaften des Siliciumhalb­ leiters steuert, wie es beim Leistungstransistor mit dem oben beschriebenen Aufbau der Fall ist. Somit sind im allgemeinen Aussonderungsversuche erforderlich, bei denen ein ES/B-Grenz­ werttest bei jedem hergestellten Leistungstransistor durchge­ führt wird, um diejenigen auszusondern, die unter dem Sollwert des ES/B-Grenzwertes liegen. Außerdem ist die oben beschrie­ bene Gegenmaßnahme nicht ausreichend, um einen Durchbruch des Leistungstransistors zu verhindern, da der Leistungstransistor unter den tatsächlichen Gegebenheiten, beispielsweise in der Zündeinrichtung eines Kraftfahrzeuges, so hohen Stoßspannungen ausgesetzt sein kann, die man durch eine Laborsimulation nicht vorhersehen kann.
Statt dessen hat man bereits an einen Leistungstransistor mit einer Begrenzungsdiode gedacht, die zwischen Kollektor und Basis eingesetzt ist, um eine hohe Stoßspannung zu begrenzen, die höher ist als eine vorgegebene Spannung und nachstehend als Begrenzungsspannung bezeichnet ist. In der Praxis hat man einen Leistungstransistor, der mit einer außen angebauten Begrenzungsdiode versehen ist, sowie einen Leistungstransistor mit einer eingebauten Begrenzungsdiode ausprobiert, was die Handhabung erleichtert.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung eines her­ kömmlichen Leistungstransistors mit einer eingebauten Begren­ zungsdiode, wobei eine p-n-Flächendiode zwischen einem Kol­ lektor und einer Basis in integraler Weise als Begrenzungs­ diode dazwischengeschaltet ist. Fig. 4 zeigt die Schaltung gemäß einem Ersatzschaltbild des Leistungstransistors gemäß Fig. 3. Dieser Leistungstransistor gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dadurch, daß ein p+-Typ Diffusions­ bereich 11 in einem Teil eines n--Typ Substrats 1 augebildet ist, der unmittelbar unter einer Aluminiumschicht 6c liegt, so daß eine p-n-Flächendiode Di gemäß Fig. 4 integral zwischen den Kollektor C und die Basis B geschaltet ist, wobei ihre Kathode mit dem Kollektor c bzw. ihre Anode mit der Basis B verbunden ist.
Bei diesem Leistungstransistor wird die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung der p-n-Flächendiode Di als Begrenzungs­ spannung verwendet, um die Stoßspannung zu begrenzen. Die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung wird auf eine gewünschte Begrenzungsspannung gesetzt, so daß eine hohe Stoßspannung, die zwischen dem Kollektor C, und dem Emitter E angelegt wird, auf die Begrenzungsspannung begrenzt wird. In dem Falle, wo die Durchbruchspannung VR der p-n-Flächendiode Di in Sperrichtung bei Raumtemperatur beispielsweise auf 400 Volt gesetzt wird, erfolgt ein Durchbruch der p-n-Flächen­ diode Di dann, wenn eine hohe Stoßspannung von mehr als 400 Volt zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des Lei­ stungstransisors angelegt wird.
Somit fließt ein Basisstrom längs einer Strecke vom Kollek­ tor C zur Basis B und weiter zum Emitter E, wie es mit einem Pfeil a in Fig. 4 angedeutet ist, so daß der Leistungstran­ sistor in den EIN-Zustand geht. Somit wird die Spannung VCBO zwischen dem Kollektor C und der Basis B des Leistungstran­ sistors auf die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung der p-n-Flächendiode Di begrenzt, d. h. auf 400 Volt, wie es mit einer Kurve b in Fig. 5 angedeutet ist.
In dem Leistungstransistor mit einer eingebauten Begren­ zungsdiode hat die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung der p-n-Flächendiode Di einen hohen Temperaturkoeffizienten, der nach Messung der Anmelderin bei etwa 1,25 V/°C liegt, so daß die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung und damit die Begrenzungsspannung zu höheren Spannungen hin verschoben wird, wenn die Temperatur der Anordnung steigt, wie es mit einer Kurve c in Fig. 5 angedeutet ist.
Nimmt man an, daß eine Transistorzündeinrichtung in einem Kraftfahrzeug Temperaturen ausgesetzt ist, die beispiels­ weise in einem Bereich von - 30°C bis + 125°C liegen, so erreicht der Schwankungsbereich der Begrenzungsspannung - berechnet für eine Temperaturdifferenz von 155°C - einen Wert von etwa 200 Volt. Somit muß die Struktur eines Leistungstransistors unter Berücksichtigung des Schwankungs­ bereiches der Begrenzungsspannung konzipiert werden, wobei es schwierig ist, einen Leistungstransistor zu konzipieren, der in einem so großen Schwankungsbereich von 200 Volt arbeitet.
Zur Lösung dieses Problemes kann die p-n-Flächendiode Di vom Punch-through-Typ sein, um die Temperaturabhängigkeit ihrer Durchbruchspannung VR in Sperrichtung zu verringern, wie es an sich bekannt ist. Wenn jedoch eine derartige p-n-Flächen­ diode vom Punch-through-Typ in einen Leistungstransistor, beispielsweise einen Darlington-Transistor eingebaut wird, muß beispielsweise der p+-Typ Diffusionsbereich 11 der p-n- Flächendiode Di um mindestens 1,5-mal bis 2-mal tiefer aus­ gebildet sein, als die p-Typ Diffusionsschicht 4 der Basis, um die Eigenschaften des Transistors auf einem vorgegebenen Niveau zu halten.
Dadurch wird aber die Produktivität verringert, da die Zeit zum Eindiffundieren von Verunreinigungen auf etwa den 2,3- fachen bis 4-fachen Wert ansteigt, wenn man es mit dem Normalfall vergleicht. Außerdem treten andere Probleme im Hinblick auf die Kontrollierbarkeit von anderen Eigenschaf­ ten des Leistungstransistors und der Produktionsqualitäts­ kontrolle auf, so daß es schwierig ist, eine p-n-Flächen­ diode vom Punch-through-Typ als Begrenzungsdiode zu bauen.
Aus der DE 27 18 185 A1 ist eine Halbleiteranordnung bekannt, die folgendes aufweist: Eine Kollektorschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp; eine Basisschicht von einem zweiten Leitfä­ higkeitstyp, die in einem Teil einer ersten Oberfläche der Kollektorschicht ausgebildet ist; eine Emitterschicht vom er­ sten Leitfähigkeitstyp, die in einem Teil einer Oberfläche der Basisschicht ausgebildet ist; eine Kollektorelektrodenschicht, die auf einer zweiten Oberfläche der Kollektorschicht ausge­ bildet ist; eine Emitterelektrodenschicht, die auf einer Ober­ fläche der Emitterschicht ausgebildet ist; eine Basiselektro­ denschicht, die über der Basisschicht ausgebildet ist; eine Isolierschicht, die auf einem Teil der ersten Oberfläche um die Basisschicht herum ausgebildet ist; und einen Schutzring vom zweiten Leitfähigkeitstyp unter der Isolierschicht in einem Bereich der Kollektorschicht, wobei der Schutzring die Basisschicht in einem Abstand umgibt.
Bei dieser herkömmlichen Anordnung sind in einer Kollektor­ schicht separate Basisbereiche vorgesehen, in denen die ent­ sprechenden Emitterbereiche ausgebildet sind. Über geeignete Metallisierungen einerseits und Isolierungen andererseits sind die entsprechenden Komponenten miteinander verbunden bzw. von­ einander getrennt. Außerhalb der Basisbereiche ist ein Schutz­ ring vorgesehen, der in der gemeinsamen Kollektorschicht aus­ gebildet ist und die Transistorbereiche umgibt. Dieser Schutz­ ring besteht aus einem Material vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Basisbereiche, wobei von außen keine Spannung an die­ sen Schutzring angelegt ist, so daß er ein floatendes Poten­ tial besitzt.
In der JP-A-58-222567 ist eine Halbleiteranordnung angegeben, bei der eine Darlington-Konfiguration sowie integrierte Dioden vorgesehen sind. Diese integrierten Dioden können parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors bzw. paral­ lel zur Kollektor-Basis-Strecke eines zweiten Transistors aus­ gebildet sein.
In der DE 32 27 536 A1 ist eine Darlington-Transistorschaltung beschrieben, bei der planare p-n-Übergänge durch eine Metall­ elektrode über einem Isolator in der Weise geschützt werden, daß das Sperrverhalten durch äußere Einflüsse, wie zum Bei­ spiel Substanzen mit polaren Gruppen, Alkalionen usw., nicht in unerwünschter Weise beeinflußt werden kann. Die erwähnte Metallelektrode überlappt zu diesem Zweck eine erste p-Zone, eine zweite p-Zone sowie ein n+-Gebiet, welches einen äußeren Schutzring bildet, vgl. insbesondere die Fig. 7. Auf diese Weise überlappt die Metallelek­ trode als Deckelektrode den gesamten Bereich der Kollektor­ schicht zwischen einem Schutzring einerseits und einem Basis­ bereich andererseits, wobei die Metallelektrode als Deckelek­ trode sowohl die Basiszone als auch den Schutzring überlappt.
Bei der Anordnung gemäß der DE 32 27 536 A1 hat die Metall­ elektrode als Deckelektrode einen Abgriff, der zu einem Span­ nungsteilerwiderstand eines Spannungsteilers führt. Dieser Spannungsteilerwiderstand ist an seinen beiden Enden an eine Gleichspannungsversorgung angeschlossen. Der Beschreibung läßt sich entnehmen, daß mit dieser Anordnung erreicht werden soll, daß die an die Hauptoberfläche angrenzenden Gebiete, in denen beim Anlegen einer Sperrspannung an die p-n-Übergänge eine Raumladung auftritt, durch eine über einer Siliziumdioxid­ schicht liegende metallische Deckelektrode geschützt sind.
Bei dieser herkömmlichen Anordnung ist zum Temperaturverhalten lediglich gesagt, daß der Temperaturgang der Durchbruchspan­ nung bei einem Transistor etwas kleiner ist als bei einer Zeh­ nerdiode mit gleicher Sperrspannung. Allerdings finden sich in dieser Druckschrift keine Ausführungen darüber, wie ganz ge­ zielt die Temperaturabhängigkeit der Begrenzungsspannung einer solchen Halbleiteranordnung verringert werden kann. Weiterhin finden sich in dieser Druckschrift keine Ausführungen darüber, wie in wirksamer Weise eine Ausdehnung eines Verarmungsberei­ ches verhindert werden kann, wenn im Betrieb der Halbleiteran­ ordnung beispielsweise hohe Stoßspannungen auftreten.
Schließlich sind in der DE-OS 16 14 751 Halbleiteranordnungen beschrieben, bei denen die jeweiligen Halbleiterelemente von kreisringförmigen Schutzzonen umgeben sind, die auch an äußere Elektroden angeschlossen sein können. Die Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit einer Begrenzungsspannung ist dort nicht weiter berücksichtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bipolaren Lei­ stungstransistor mit integrierter Begrenzungsdiode der ein­ gangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Tempe­ raturabhängigkeit der Begrenzungsspannung reduziert werden kann, ohne daß dazu ein komplizierter Herstellungsprozeß er­ forderlich wäre.
Bei dem erfindungsgemäßen bipolaren Leistungstransistor mit dem Aufbau der eingangs genannten Art wird dies dadurch er­ reicht, daß auf dem Kanaltrennbereich und auf einem Teil der Oberfläche der Isolierschicht eine Feldplatten-Elektroden­ schicht ausgebildet ist, die sich von dem Kanaltrennbereich aus über eine vorgegebene Fläche seitlich in Richtung des Schutzringes erstreckt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungstransistors ist vorgesehen, daß die Kollektorschicht folgendes aufweist:
Eine erste Kollektorschicht, auf der sich die Kollektor-Elek­ trodenschicht befindet; und eine zweite Kollektorschicht, die sich zwischen der ersten Kollektorschicht und der Basis­ schicht, sowie zwischen der ersten Kollektorschicht und der ersten Oberfläche befindet, wobei die zweite Kollektorschicht eine geringere Leitfähigkeit hat als die erste Kollektor­ schicht.
Bei einer speziellen Bauform des erfindungsgemäßen Leistungs­ transistors ist vorgesehen, daß der ringförmige Kanaltrennbe­ reich in einem Teil der ersten Oberfläche im Umfangsbereich der zweiten Kollektorschicht ausgebildet ist und eine höhere Leitfähigkeit als die zweite Kollektorschicht hat.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Leistungs­ transistors;
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild des Leistungstransistors gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Leistungstransistors mit eingebauter Begrenzungsdiode;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Transistors mit Begrenzungs­ diode gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine Begrenzungsspannungscharakteristik des Transistors gemäß Fig. 3; und in
Fig. 6 eine Schnittansicht zur Erläuterung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht zur Erläuterung des Aufbaus eines Transistors mit eingebauter Begrenzungsdiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem herkömmlichen Leistungstransistor mit eingebauter Begrenzungsdiode gemäß Fig. 3 dadurch, daß eine Feldplatte 9a aus Aluminium, die auf einem Kanaltrenn­ bereich 8 ausgebildet ist, sich auf einer Siliciumoxid­ schicht 10a von einer Position, die der Innenkante des Kanaltrennbereiches 8 entspricht, zu einem Transistorbereich hin mit einer vorgegebenen Größe LB ausdehnt, wobei LB bei dieser Ausführungsform einen Wert von etwa 100 bis 200 µm hat.
Im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie bei einem herkömm­ lichen Leistungstransistor gemäß Fig. 3. Das Ersatzschaltbild ist ähnlich wie in Fig. 4, mit der Abweichung, daß eine Begrenzungs­ spannung in der Einrichtung nicht nur durch die spezifische Durchbruchspannung der Diode Di gesteuert wird, sondern auch durch die Ausdehnung der Feldplatte 9a.
Eine n+- Typ Diffusionsschicht 2 ist auf einer ersten Haupt­ fläche 101 eines n--Typ Substrats 1 aus Silicium ausgebildet und bildet einen gemeinsamen Kollektor für die beiden Tran­ sistoren Q1 und Q2. Eine Aluminiumschicht 3 ist auf einer Oberfläche der n+-Typ Diffusionsschicht 2 ausgebildet, und ein Kollektoranschluß C ist mit der Aluminiumschicht 3 verbunden.
Eine p-Typ Diffusionsschicht 4 ist in einem Teil einer zweiten Hauptfläche 102 des n--Typ Substrates 1 ausgebildet, um Basen für die beiden Transistoren Q1 und Q2 zu bilden. Es sind n+-Typ Diffusionsschichten 5a und 5b in einer Ober­ fläche 401 der p-Typ Diffusionsschicht 4 ausgebildet, um Emitter für die Transistoren Q1 bzw. Q2 zu bilden.
Ein p+-Typ Diffusionsbereich 11 ist in einem Teil der Ober­ fläche 401 ausgebildet, um einen p-Typ Bereich einer p-n- Flächendiode Di zu bilden, und ihre untere Oberfläche liegt dem n--Typ Substrat 1 gegenüber. Infolgedessen besteht die p-n-Flächendiode Di aus dem p+-Diffusionsbereich 11, dem n--Typ Substrat 1 und der n+-Typ Diffusionsschicht 2. Dieser p+-Typ Diffusionsbereich 11 steht mit der p+-Typ Diffusions­ schicht 4 in Kontakt und hat eine inselförmige Gestalt, die von der p-Typ Diffusionsschicht 4 umgeben ist.
Ein Schutzring 7 aus p-Typ Silicium ist in der zweiten Hauptfläche 102 in dem Bereich ausgebildet, der die p-Typ Diffusionsschicht 4 umgibt. Ferner ist ein Kanaltrennbereich 8 aus n+-Typ Silicium mit ringförmiger Gestalt in der zweiten Hauptfläche 102 im Umfangsbereich des Halbleiter­ chips ausgebildet, der die Schichten 1, 2, 4, 5a, 5b, 7 und 8 aufweist. Eine Siliciumoxidschicht 10a ist als Isolierung über der zweiten Hauptfläche 102 und einer Oberfläche des Schutzringes 7 zwischen der p-Typ Diffusionsschicht 4 und dem Kanaltrennbereich 8 ausgebildet. Die Feldplattenelektro­ de 9a überdeckt einen Teil der Siliciumoxidschicht 10a, so daß dieser Teil der Siliciumoxidschicht 10a sandwichartig zwischen der Feldplattenelektrode 9a und dem n--Typ Substrat 1 liegt.
Eine Siliciumoxidschicht 10b ist auf einem Teil der Ober­ fläche 401 der p-Typ Diffusionsschicht 4 zwischen dem p+-Typ Diffusionsbereich 11 und der n+-Typ Diffusionsschicht 5a ausgebildet. Eine Siliciumoxidschicht 10c ist über einer Grenze zwischen der n+-Typ Diffusionsschicht 5a und einem p-Typ Zwischenbereich 4a ausgebildet, der einem Teil der p-Typ Diffusionsschicht 4 entspricht und zwischen den Transistoren Q1 und Q2 liegt. Ferner ist eine Silicium­ oxidschicht 10d über einer Grenze zwischen dem p-Typ Zwischenbereich 4a und der n+-Typ Diffusionsschicht 5b vorgesehen.
In dem Transistor Q1 ist eine Aluminiumschicht 6a auf den Oberflächen der n+-Typ Diffusionsschicht 5a, der Silicium­ oxidschicht 10c und dem p-Typ Zwischenbereich 4a vorgesehen. Der Emitter 5a des Transistors Q1 ist nämlich mit der Basis 4 bzw. 4a des Transistors Q2 durch die Aluminiumschicht 6a verbunden.
Beim Transistor Q2 ist eine Aluminiumschicht 6b auf den Oberflächen der n+-Typ Diffusionsschicht 5b und der p-Typ Diffusionsschicht 4 vorgesehen, die mit einem Emitteran­ schluß E zu verbinden ist. Der Emitter 5b des Transistors Q2 ist nämlich mit dem Emitteranschluß E auf diese Weise ver­ bunden. Ferner ist eine Aluminiumschicht 6c auf einer Ober­ fläche des p+-Typ Diffusionsbereiches 11 vorgesehen, die an den Basisanschluß B angeschlossen ist.
Bei einem derartigen Transistor erfolgt die Stoßspannungs­ begrenzung folgendermaßen:
Wenn eine Stoßspannung, die zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E anliegt, anzusteigen beginnt, so sind ein Kollek­ tor-Basis-Übergang 20 sowie die p-n-Flächendiode Di in Sperrichtung vorgespannt. Wenn der Kollektor-Basis-Übergang 20 derart in Sperrichtung vorgespannt ist, so breitet sich eine Verarmungsschicht im wesentlichen in dem n--Typ Sub­ strat 1 aus, so daß nahezu die gesamte angelegte Spannung von dieser Verarmungsschicht ausgehalten wird.
Wenn die Verarmungsschicht sich weiter ausbreitet und den Schutzring 7 infolge der Erhöhung der Stoßspannung erreicht, wird ein elektrisches Potential in dem Schutzring 7 indu­ ziert, so daß die Verarmungsschicht sich von dem p-n-Über­ gang aus zum n--Typ Substrat 1 ausbreitet, so daß ein Teil der Stoßspannung von dem Schutzring 7 ausgehalten wird. Die Verarmungsschicht breitet sich infolge einer weiteren Zu­ nahme der Stoßspannung weiter aus. Wenn die Umgebungstempe­ ratur relativ niedrig ist, wird die Stoßspannung auf die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung der p-n-Flächendiode Di begrenzt.
Wenn andererseits die Umgebungstemperatur so angestiegen ist, daß die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung der p-n- Flächendiode in Abhängigkeit von ihrer Temperaturabhängig­ keit zugenommen hat, so breitet sich die Verarmungsschicht weiter aus, wie es mit einer gestrichelten Linie d in Fig. 6 angedeutet ist. Die Verarmungsschicht erreicht schließlich einen Endbereich der Feldplatte 9a, wie es mit einer strichpunktierten Kettenlinie e angedeutet ist. Da ein positives Potential an die Feldplatte 9a gegenüber dem Emitteranschluß E angelegt ist, übt die Feldplatte 9a einen Einfluß auf den Oberflächenbereich des n--Typ Substrats aus, der sich unmittelbar unter der Siliciumoxidschicht 10a befindet, so daß die Ausbreitung der Verarmungsschicht blockiert wird.
Infolgedessen kann sich die Verarmungsschicht nicht ausreichend ausbreiten, auch wenn die Umgebungstemperatur weiter ansteigt, so daß die Durchbruchspannung VR der p-n- Flächendiode Di zunimmt. Somit wird die Feldstärke in einem Plattenkantenbereich 1B des n--Typ Substrats 1 erhöht, der sich unmittelbar unter einem Endbereich der Feldplatte 9a befindet, und der Durchbruch beginnt im Plattenkantenbereich 1B aufzutreten, bevor er in der p-n-Flächendiode Di erfolgt. Wenn nämlich die Umgebungstemperatur weiter ansteigt, wird die Stoßspannung durch die Funktion der Feldplatte 9a begrenzt, bevor die Stoßspannung die Durchbruchspannung VR in Sperrichtung der p-n-Flächendiode Di erreicht.
Da die Temperaturabhängigkeit der Durchbruchspannung auf­ grund der Funktion der Feldplatte 9a etwa ein Drittel bis ein Viertel von der der p-n-Flächendiode Di ist, wird die Temperaturabhängigkeit der Begrenzungsspannung insgesamt auf etwa die Hälfte reduziert, verglichen mit dem Fall, wo die p-n-Flächendiode Di allein vorhanden ist.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung wird die Stoß­ spannung nicht nur durch eine p-n-Flächendiode begrenzt, die zwischen Kollektor und Basis eines Transistors geschaltet ist, sondern erfindungsgemäß auch durch eine Feldplatte, die sich von einem Kanaltrennbereich aus zu einem inneren Bereich hin erstreckt, wo der Transistor ausgebildet ist. Infolgedessen kann die Stoßspannung aufgrund der Funktion der Feldplatte auf einen relativ niedrigen Pegel begrenzt werden, bevor die Durchbruchspannung der Begrenzungsdiode in Sperrichtung erreicht wird, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, um die Durchbruchspannung in Sperrichtung zu erhöhen. Somit kann in überraschend einfacher Weise ein Transistor mit eingebauter Begrenzungsdiode und geringer Temperaturabhängigkeit hinsichtlich der Begrenzungsspannung realisiert werden, ohne daß man eine p-n-Flächendiode vom Punch-through-Typ verwenden muß.

Claims (3)

1. Bipolarer Leistungstransistor mit integrierter Begren­ zungsdiode, umfassend
  • 1. - eine Kollektorschicht (1, 2) von einem ersten Leitfä­ higkeitstyp,
  • 2. - eine Basisschicht (4) von einem zweiten Leitfähig­ keitstyp, die in einem Teil einer ersten Oberfläche (102) der Kollektorschicht (1, 2) ausgebildet ist,
  • 3. - eine erste Emitterschicht (5a) und eine zweite Emit­ terschicht (5b) jeweils vom ersten Leitfähigkeitstyp, die in einem Teil einer Oberfläche der Basisschicht (4) ausgebildet sind,
  • 4. - eine Kollektorelektrodenschicht (3), die auf einer zweiten Oberfläche (101) der Kollektorschicht (1, 2) ausgebildet ist,
  • 5. - eine Emitterelektrodenschicht (6a, 6b), die jeweils auf einer Oberfläche der ersten und zweiten Emitter­ schicht (5a, 5b) ausgebildet ist, - eine Isolierschicht (10a), die auf einem Teil der er­ sten Oberfläche (102) um die Basisschicht (4) herum ausgebildet ist,
  • 6. - einen Schutzring (7) vom zweiten Leitfähigkeitstyp un­ ter der Isolierschicht (loa) in einem Bereich der Kol­ lektorschicht (1, 2), wobei der Schutzring (7) die Ba­ sisschicht (4) in einem Abstand umgibt,
  • 7. - eine hochdotierte Halbleiterschicht (11) des zweiten Leitfähigkeitstyps, die in einem Teil der ersten Ober­ fläche (102) in der Basisschicht (4) in solcher Weise ausgebildet ist, daß sie die niedriger dotierte Basis­ schicht (4) in einen Teil mit den Emitterbereichen (5a, 5b) und in einen Teil ohne Emitterbereiche ein­ schnürend aufteilt und daß die Halbleiterschicht (11) mit der Kollektorschicht (1, 2) eine p-n-Flächendiode (Di) bildet, die als Begrenzungsdiode wirkt,
  • 8. - eine Basiselektrodenschicht (6c), die auf der hochdo­ tierten Halbleiterschicht (11) ausgebildet ist, und
  • 9. - einen ringförmigen Kanaltrennbereich (8) vom ersten Leitfähigkeitstyp, der in einem Teil der ersten Ober­ fläche (102) im Umfangsbereich der Kollektorschicht (1, 2) außerhalb des Schutzringes (7) und im Abstand vom Schutzring (7) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Kanaltrennbereich (8) und auf einem Teil der Oberfläche der Isolierschicht (10a) eine Feldplatten- Elektrodenschicht (9a) ausgebildet ist, die sich von dem Kanaltrennbereich (8) aus über eine vorgegebene Fläche (LB) seitlich in Richtung des Schutzringes (7) erstreckt.
2. Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorschicht (1, 2) folgendes aufweist:
  • 1. - eine erste Kollektorschicht (2), auf der sich die Kol­ lektor-Elektrodenschicht (3) befindet, und - eine zweite Kollektorschicht (1), die sich zwischen der ersten Kollektorschicht (2) und der Basisschicht (4), sowie zwischen der ersten Kollektorschicht (2) und der ersten Oberfläche (102) befindet, wobei die zweite Kollektorschicht (1) eine geringere Leitfähig­ keit hat als die erste Kollektorschicht (2).
3. Leistungstransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Kanaltrennbereich (8) in einem Teil der ersten Oberfläche (102) im Umfangsbereich der zweiten Kollektorschicht (1) ausgebildet ist und eine höhere Leitfähigkeit als die zweite Kollektorschicht (1) hat.
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