DE4407279C1

DE4407279C1 - Halbleiterbauelement für den Überspannungsschutz von MOSFET und IGBT

Info

Publication number: DE4407279C1
Application number: DE4407279A
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Gantioler; Alfred Dipl Ing Porst; Hans Dipl Ing Stut; Jenoe Dr Tihanyi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1994-10-13
Anticipated expiration: 2014-03-05
Also published as: US5633515A; JPH07263640A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement für den Überspannungsschutz von durch Feldeffekt steuerba ren Halbleiterbauelementen, denen eine Freilaufdiode anti parallel geschaltet ist, mit einer zwischen Kollektor- (Drain-)Anschluß und Gateanschluß angeschlossenen Span nungsbegrenzerdiode.

Eine solche Schaltungsanordnung ist z. B. in dem Artikel "SMART-Power-Bauelemente auf der Basis der SIPMOS-Techno logie", Elektronik 1987, Sonderheft Stromversorgungen, Seite 39 bis 42, insbesondere Bild 3 beschrieben worden. Dieses Bild ist in Fig. 4 der Anmeldung wiedergegeben. Dort ist ein IGBT 1 gezeigt, dem eine Freilaufdiode 4 an tiparallel geschaltet ist. Sie ist zwischen Kollektor- und Emitteranschluß angeschlossen. Mit dem Kollektoranschluß ist der Katodenanschluß einer Begrenzerdiode 2 verbunden, ihr Anodenanschluß über eine in Anti-Reihenschaltung ge schaltete Diode 3 mit dem Gateanschluß des IGBT 1.

Aus der EP 05 66 179 A1 ist bei einem Halbleiterbauelement eine Begrenzerdiode, die über einer Isolierschicht des Bauelementes ausgebildet ist, bekannt. Diese Anordnung weist Feldelektroden auf.

Beim Abschalten einer induktiven Last entsteht am IGBT und damit an der Freilaufdiode eine hohe Spannung. Um eine Ge fährdung der Bauelemente auszuschließen, wird der IGBT über die Begrenzerdiode 2 und die Diode 3 im Fall einer Überspannung schwach leitend gesteuert. Damit sinkt die Abschaltgeschwindigkeit und die Überspannung beim Abschal ten wird entsprechend verringert.

Für die beschriebene Schutzwirkung muß die Durchbruchspan nung der Begrenzerdiode 2 immer um eine definierte Span nung unter der Durchbruchspannung der Freilaufdiode 4 lie gen. Da die genannten Spannungen temperaturabhängig sind und die genannten Dioden von stark unterschiedlichen Strö men durchflossen und damit unterschiedlich warm werden, ist der Abstand zwischen den beiden Durchbruchspannungen nicht immer gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauelement der eingangs er wähnten Art zu schaffen, bei dem die Durchbruchspannung der Begrenzerdiode immer unterhalb der Durchbruchspannung der Freilaufdiode liegt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Begrenzerdiode in den Halbleiterkörper der Freilaufdiode integriert ist, daß- sie eine Durchbruchspannung hat, die geringer ist als die Durchbruchspannung der Freilaufdiode und daß beide Dioden getrennte Anodenanschlüsse haben.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung wird anhand dreier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert.

In den Fig. 1 bis 3 ist der der Begrenzerdiode 2 und der Freilaufdiode 4 gemeinsame schwach n-dotierte Halblei terkörper mit 5 bezeichnet, ihre stark n-dotierte Katoden zone mit 10. Der Anodenanschluß der Freilaufdiode ist mit 19 bezeichnet, der Anodenanschluß der Begrenzerdiode mit 20.

In Fig. 1 ist die Anodenzone der Freilaufdiode mit 6 be zeichnet, die Anodenzone der Begrenzerdiode mit 7. Um ei nen Durchbruch der Begrenzerdiode bei einer Spannung zu erreichen, die niedriger liegt als die der Freilaufdiode, ist die Anodenzone 7 der Begrenzerdiode tiefer in den Halbleiterkörper 5 eindiffundiert als die Anodenzone 6. Damit ergibt sich bei angelegter Sperrspannung ein Verlauf der Äquipotentiallinien, der im Bereich der Anodenzone 7 stärker gekrümmt ist als im Bereich der Anodenzone 6. Dies ist beispielhaft durch eine einzige gestrichelt gezeich nete Äquipotentiallinie 16 veranschaulicht. Der Verlauf der Äquipotentiallinien kann zusätzlich durch Feldelek troden beeinflußt werden, die gegen die Oberfläche des Halbleiterkörpers isoliert sind und die die Anodenzonen überlappen. Die der Freilaufdiode zugeordnete Feldelek trode ist mit 8 bezeichnet, die der Begrenzerdiode zuge ordnete mit 9. Sie sind jeweils mit den Anodenzonen elek trisch verbunden. Der Betrag der Beeinflussung hängt von der lateralen Ausdehnung der Feldelektroden und vom Ab stand zur Oberfläche des Halbleiterkörpers ab. Der Abstand wird durch die Dicke der Isolierschichten, d. h. der Oxid schichten bestimmt, auf denen die Feldelektroden sitzen.

Die Begrenzerdiode kann, wie in Fig. 2 dargestellt, an stelle der einteiligen Anodenzone 7 auch eine Anodenzone haben, die aus einer Vielzahl von kleinflächigen Zellen 12 besteht. Diese Zellen sind elektrisch einander parallel geschaltet. Der Verlauf der Äquipotentiallinien, von denen eine einzige gestrichelt gezeichnet und mit 17 bezeichnet ist, läßt sich durch den Abstand b der Zellen und durch den Abstand a der Feldelektroden 14 von der Oberfläche des Halbleiterkörpers einstellen. Ist der Abstand a klein, so haben die Äquipotentiallinien im Bereich der Anodenzone der Begrenzerdiode einen relativ sanft gewellten Verlauf.

Die Krümmung des elektrischen Feldes ist aber im Vergleich zur Krümmung des elektrischen Feldes im Bereich der An odenzone 6 größer. Damit wird die Durchbruchspannung der Begrenzerdiode geringer als die der Freilaufdiode. Die Krümmung der Äquipotentiallinien läßt sich, wie in Fig. 3 gezeigt, im Bereich der Begrenzerdiode durch Vergrö ßern des Abstandes a der Feldelektroden 15 von der Ober fläche des Halbleiterkörpers vergrößern. Damit nehmen die Äquipotentiallinien im Bereich der Anodenzone der Be grenzerdiode einen stark gewellten und damit stark ge krümmten Verlauf an. Die Durchbruchspannung der Begrenzer diode liegt damit unter der Durchbruchspannung der Be grenzerdiode der Anordnung nach Fig. 2.

Die Krümmung läßt sich auch durch Ändern des Abstands b zwischen den Zellen verändern. Eine Vergrößerung des Ab stands b bringt dabei eine geringere Durchbruchspannung mit sich, eine Verringerung des Abstands b eine höhere.

Wesentlich für die Wirkung der Feldelektroden ist es, daß sie die Anodenzonen bzw. die Zellen überlappen. Auch die Durchbruchspannung der Freilaufdiode läßt sich, wie be kannt, durch die Form ihrer Feldelektroden verändern. We sentlich ist jedoch, daß die Durchbruchspannung der Be grenzerdiode immer geringer ist als die der Freilaufdiode. Im Fall einer Erwärmung der Freilaufdiode und Absinken ih rer Durchbruchspannung wird auch die Begrenzerdiode er wärmt, so daß ihre Durchbruchspannung ebenfalls sinkt.

Die Flächen der Anodenzonen sind in den Ausführungsbei spielen jeweils für die Freilaufdiode und die Zenerdiode etwa gleich groß dargestellt. Dies ist jedoch nicht maß stäblich zu verstehen, selbstverständlich muß die Frei laufdiode wegen der wesentlich höheren Ströme eine wesent lich größere Fläche haben.

Die integrierte Diodenanordnung läßt sich auf einfache Weise für jede gewünschte Sperrspannung dimensionieren, indem die Dotierung der Zone 5 und ihre Dicke in bekannter Weise nach der gewünschten Sperrspannung ausgesucht wer den.

Die Feldelektroden 14, 15 in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 haben einen konstanten Abstand zur Oberfläche. Sie können aber auch z. B. über der Zone 5 ei nen größeren Abstand haben als über den pn-Übergängen zwi schen der Zone 5 und den Zonen 12, d. h. zwischen den Zonen 12 liegen die Feldplatten auf, z. B. zwei unterschiedliche Abstände zur Oberfläche.

Die Erfindung wurde für einen IGBT beschrieben, für einen MOSFET ist sie selbstverständlich ebenfalls zu verwenden.

Claims

1. Halbleiterbauelement für den Überspannungsschutz von durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen, denen eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist, mit einer zwischen Kollektor-(Drain-)Anschluß und Gateanschluß ange schlossenen Spannngs-Begrenzerdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerdiode (2) in den Halbleiterkörper der Freilaufdiode (4) integriert ist, daß sie eine Durchbruch spannung hat, die geringer ist als die Durchbruchspannung der Freilaufdiode und daß beide Dioden getrennte Anodenan schlüsse (19, 20) haben.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilaufdiode und die Begrenzerdiode jeweils in einen gemeinsamen Halbleiterkörper (5) eindiffundierte An odenzonen (6, 7) haben und daß die Anodenzone (7) der Be grenzerdiode eine größere Tiefe hat als die Anodenzone (6) der Freilaufdiode.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenzone (6) der Freilaufdiode eine einzige Zone ist und daß die Anodenzone der Begrenzerdiode aus einer Vielzahl von einander parallel geschalteten Zellen (12) besteht.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenzonen der Freilaufdiode und der Begrenzer diode die gleiche Tiefe haben.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der anodenseitigen Oberfläche des Halbleiterkör pers erste Feldelektroden (8) angeordnet sind, die die An odenzone (6) der Freilaufdiode überlappen und zweite Feld elektroden (9, 14, 15), die die Anodenzone (7, 12) der Be grenzerdiode überlappen.