DE6610232U - Halbleiterelement mit mindestens drei aufeinanderfolgenden zonen abwechselnd entgegengesetzten leitfaehigkeitstyps. - Google Patents

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Deutsche ITT Industries Ge^-^ fj J O 301*25. 9.1)8 E-Schulz; et al 5-2-1 78 Freiburg,Hans-Bunt e-Str.*I 9** " IS. September 1958

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DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT !-5IT BESCHRÄNKTER HAFTUIiG, FREISURG I. Br.

Halbleiterelement mit mindestens drei aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps

Aus den USA-Patentschriften 3 309 245, 3 309 246, 3 341 377 und 3 338 758 ist bekannt, die die Basiszonen von Planar-Transistoren überbrückenden Oberflächenleitkanäle (sog. Channels) durch hochdotierte Ringzonen in den oberflächennahen Teilen der Basiszonen zu unterbrechen. Die Oberflächenleitkanäle treten vor allem bei hochohmigen p-leitenden. 3asiszonen von Planartransistoren auf und beruhen auf einer Umkehr des Leitfähigkeitstyps durch Oberflächeneffekte. Man hat daher innerhalb dieser oberflächennahen Teile von relativ hochohmigen Basiszonen sehr stark dotierte Ringzonen eingesetzt, welche die Oberflächenleitkanäle unterbrechen, da die hohe Dotierung der Ringzonen einen Umschlag des Leitfähige keitstyps verhindert. Eine Voraussetzung für die Wirksamkeit der Ringzonen ist jedoch, daß ihre Dotierung hoch genug ist, um die Entstehung eines Oberflächenle zu verhindern.

Versuche haben gezeigt, daß ein Oberflächenleitkanal unter Ur.ständen durch eine derartige Ringzone nicht aufgeräumt und damit nicht unterbrochen wird, v:enn der Kollektor-Basisübergang in Sperrichtung und der Emitter-Basis-Übergang eines Planartransistors in Durchlaßrichtung betrieben wird, daß seine Wirkung aber vollständig ausgeschlossen wird, wenn sowohl der Kollektor-Basis- als auch der Eraitter-Basis-Übergar.f in Sperrichtung betrieben werden.

Aus diesen Versuchen wurde refolgert, dar ein Oberflächenleitkanal wirksamer durch eine Ringzone vom entgegengesetzten Leitfahig-keitstyp in Bezug auf die Basiszone

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unterbrochen werden kann, wenn deren pn-übergang gegen die Basiszone in Sperrichtung vorgespannt wird.

Die Neuerung betrifft somit ein Halbleiterelement mit mindestens drei aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, welche zwei pn-Übergänge bilden, von denen einer in Durchlaß- und der andere in Sperrichtung hetniahen iict·. iir«H mit einen nhtmfJJi ghl j gh in Aitt mittler« Zone fiinonfietztcn

Ringzone von zur mittleren Zone entgegengesetztem Leitfahigkeitstyp, welche über einen oder mehrere elektrisch in Reihe geschaltete pn-Übergänge auf ein Sperrpotential kleiner als ihre Durchbruchspeinnung gegen die mittlere Zone gelegt ist. Ein Oberflächenleitkanal wird dadurch unterbrochen, daß die beiden pn-Übergänge an eine Oberflächenseite des Halbleiterkörpers treten und daß die Mngzone den in Durchlaßrichtung betriebenen pn-übergang in einem Abstand großer als ihre Rauoladungszone umschließt.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 905 127 und der USA-Patentschrift 3 335 298 ist zwar bekannts eine Ringzene in eine hocholünigere Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp einzusetzen und mit einer anderen Elektrode über eine Impedanz zu verbinden. Bei diesen bekannten Anordnungen sollen aber nicht Oberflächenleitkanäle unterbrochen werden, sondern die maximale Sperrspannung durch oberxlächliche Aufteilung auf mehrere pn-übergänge erhöht Werden. Bei den bekannten Halbleiteranordnungen umsehließt die Ringzone auch nicht den in Durchlaßrichtung betriebenen pn-übergang.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Neuerung wird das Sperrpotential der Ringzone gegenüber der angrenzenden Zone durch Reihenschaltung dieser Ringzone mit weiteren pn-Übergängen gewonnen, welche in der der Ringzone abgelegenen Zone des in Sperrichtung betriebenen pn-Übergangs angeordnet sind. Bei Festkörperschaltungen ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Beschaffung des erforderlichen Sperrpotentials der Ringzone, wie noch erläutert wird. Die Neuerung ist somit nicht auf Halbleiterbauelemente mit lediglich einem einzelnen Halbleiterelement beschränkt. Sie findet vielmehr wie an einem Ausführungsbeispiel erläutert wird, auch bei Festkörperschaltungen ihre Anwendung. Dort ergeben sich eine Vielfalt von Möglichkeiten zur Beschaffung des Sperrpotentials, bzw. der Sperrpotentiale iaehrerer

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Ringzonen von mehreren Halbleiterelementen der Festkörperschaltung. Von diesen | '%Möglichkeiten wird die günstigste ausgewählt. So kann beispielsweise die Möglich- ! keit bestehen, die Ringzonen zweier Halbleiterelemente einer Festkörperschaltung,! "zu verbinden und diese über einen öder mehrerer pn-öbergänge mix der BriörderücheW »■ ^; Spannung zu beaufschlagen.

Die Neuerung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin bedeuten

die Fig. 1 ^iin herkömmliches Planar-Transistorelement mit einem Oberflächenleitkanal,

die Fig. 2 eine bekannte Lösungsform zur Unterbrechung eines Oberflächenleitkanals,

die Fig. 3 eine Ausführungsform der Neuerung, ;

die Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 3,

die Fig. S das Ersatzschaltbild der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4,

die Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Neuerung,

die Fig. 7 das ErSatZschalxbila der ÄüSfÜhrüngS-förm geraäro

der Fig. 6, :

die Fig. 8 und 9 Weiterbildungen der Neuerung und

die Fig.10 das Ersatzschaltbild einer Anwendung der Neuerung

in einer monolithischen Festkörperschaltung. ,'

Der Lösungsgedanke zur Unterbrechung eines Oberflächenleitkanals soll zunächst anhand des Beispiels eines npn-Planartransistorelements gemäß der Fig. 1 erläutert werden, bei dem der häufiger auftretende Fall eines η-leitenden Oberflächenleitkanals 4 (Channels) vorliegt. Bekanntlich wird ein Planartransistorelement mit Hilfe der Oxydmaskierungstechnik hergestellt, bei der unter Ausnutzung der gegen ■eine Eindiffusion von Dotierungen maskierenden Oxydschicht 2 nacheinander in einen η-leitenden Halbleiterkörper oder in einen η-leitenden Teil 1 eines Halileiterköroers die Basiszone 5 und anschließend durch eine Öffnung mit der Berandung 6

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in der Oxydschicht 2 eine Emitterzone 3 eindiffundiert werden. Dabei bildet sich häufig ein η-leitender Oberflächenkanal ^, der, wie aus der Fig. 1 ersichtlich, die Emitterzone 3 mit dem als Kollektorzone wirksamen Kalbleiterkörper 1 verbindet. Die Sperrfähigkeit des pn-Übergangs zwischen der Basiszone 5 und dem als Kollektorzone wirksamen Teil des Halbleiterkörpers 1 wird unter Umständen durch den Oberflächenleitkanal M- herabgesetzt, was einen erheblichen Ausschuß bedeuten kann. Der in Figur 1 gezeigte n-leitende Oberflächenleitkanal U kann, wie bereits erwähnt, gemäß der Fig. 2 durch eine Ringzone 7 unterbrochen werden, welche auch als Stoppring bezeichnet wird. Die Fig. 2 zeigt wie die Fig. 1 im Querschnitt ein -npn-Planartransistorelement. Diese Ringzone 7, welche die Emitterzone 3 vollständig Umgibt, kann entsprechend der Form der Emitterzone 3 jede geometrische Form annehmen und ist vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Basiszone, jedoch mit höherer Dotierungskonzentration. Sie wird im allgemeinen ebenfalls mit Hilfe der Oxydmaskierungstechnik diffundiert.

Nach der Neuerung wird dagegen ein in Durchlaßrichtung betriebener pn-übergang 8 der Emitterzone 3 von einer Ringzone 7 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die angrenzende Basiszone S (im Falle eines Planartransistors) umgeben. Derpn-Übergang der Ringzone 7 wird außerdem gegen die angrenzende Zone 5 (Basiszone) auf ein Sperrpotential gelegt _ä welches weniger als die Durchbruchspannung dieses pn-Übergangs betragen muß. Außerdem hat sich ergeben, daß der Abstand der Ringzone 7 zu dem in Durchlaßrichtung betriebenen pn-übergang 8 über den gesamten Verlauf größer als die Raumladungszcne des pn-Übergangs der Ringzone 7 beim Sperrpotential betragen muß. Diese Ringzone 7 kann durchdas allgemein bekannte Planarverfahren ;gleichzeitig mit der Zone 3 (Emitterzone) des in Durchlaßrichtung betriebenen pn-"Öbergangs 8 diffundiert werden. Die Herstellung dieser Ringzone 7 erfordert daher keine zusätzlichen Arbeitsgänge.

Die bei einer npn-Struktur erforderliche positive Vorspannung der Ringzone 7 wird ■vorzugsweise durch Reihenschaltung der Ringzone mit weiteren pn-Übergängen gewonnen.

Bei einer ersten ÄtisfGhrungsform eines Planar-Transistor elements gemäß den Fig. 3

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und 4, wobei die Fig. 3 eine Aufsicht und die Fig. 4- einen Schnitt entlang der Linie A-A ist, v;ird die Vorspannung der Ringzone 7 mit weiteren pn-Übergängen 10a, 10b und 10c von ähnlichen, aber verkleinerten Planar-Transistorelei?.enten gewonnen. Da diese Planar-Transistor'elemente gleichzeitig mit der Ringzone 7 und den Zonen 3 und 5 hergestellt werden können, sind keine zusätzlichen Arbeits- ,· gänge zur Diffusion der Zonen 10a, 10b und 10c erforderlich.

Die Reihenschaltung', bzv;. die Zuführung der Vorspannung erfolgt über Zuleitungen 12, welche vorzugsweise teilweise auf der Oxydschicht 2 als Leitbahnen verlaufen. · Die Kontaktierung erfolgt an den gestrichelt umrandeten Oberflächenteilen, welche hochdotierte Oberflächenbereiche der zu kontaktierenden Zonen sein können-. Die -, "Kontaktierung der Basiszone erfolgt bei 11. Wie die Fig. 3 veranschaulicht, ist ■ die letzte Zone der Reihenschaltung der pn-Übergänge mit der Kollektörsone If ^; des Planartransistors verbunden. Die Zonen 13 deuten an, daiä des Planartransistor^ ; element mit der Pdngzone als zu einer monolithischen Festkörperschaltung gehörig betrachtet werden kann, deren Elemente, wie das vorliegende ?lanartrensist<3r^ element, gegeneinander durch die die Elemente umgebenden Isolierscnen 13 gleich- ; -strommäßig getrennt sind, welche bekanntlich eine Epitastscliicht auf einem Kalb- ■ -leitergrun&kSxpep 14 dazu entgegengesetzten Leiträhigkeitstyps durchdringen.

Die Fig. 5 zeigt das Ersatzschaltbild des Planertransistorelenents gessäS den Fig. 3 und 4. Dabei ist die Ringzone 7 symbolisch ait einen· !-deinen Kreis Io bezeichnet worden, der, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, sit eineia Sperrpotential beaufschlagt ist.

In einer zweiten Ausführungsfom gemaS der Fig. 5_a deren Ersatzschaltbild öie Fig." zeigt, wird die für cie Sin^zone 7 erforderliche Vorspannung c«rch Heihetischal-tüng der Ringzone 7 sit einen pn-Cbergacf 10 geiconnesi der einen Koilektor-Basis-Gbergang entspricht. Isübrigen entspricht das Pianartronsistoi'elenient gemäß der Fig. E des PlanartrensisTorelscien-t genä3 den Fig. 3 und 4.

Bei Festicorperscbaltimgen kann das erforderliche Sperrpotential der Hingzone 7 auch am pn-übergang IO eiües anderen Halbleiterele-ien-cs der Festkörperschaltung abgegriffen sereen, deren Sienente durch Isolierzönen 13 gleichstrommäßig gegeneinander

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getrennt sind. Eine derartige Weiterbildung veranschaulicht die Fig. 8. Die Hingzone 7 ist nach der Fig. 8 über eine Zuleitung 12 rait der Zone eines anderen Halbleiterelements der Festkörperschaltung verbunden, an deren pn-übergang 10 ■ das erforderliche Sperrpotential abfallt. Die ^leichstrcmmäßijre Trennung der Halbleiterelement e erfolgt überl Ichervreise durch Isolierzor.en 13, welche eine Epitaxschicht auf einer.; Grundkörner lh dazu entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durchdringen.

Bei einer anderen Ausfuhrungsform gemäß der Fig. 9 umgibt die 'Rlngsone 7 nicht nur eine Zone mit einem In Durchlaßrichtung beti!ebenen pn-übergang 8, sondern noch eine weitere Zone mit einem pn-übergang IB₅ welcher In Sperrichtung betrieben werden kann.

Die Fig. 10 zeigt das Ersatzschaltbild einer integrierten monolithischen Festkörperschaltung mit zwei Anschlüssen, welche als temperaturkompensierte Zenerdiode, also als Zweipol, verwendet wird. Sie veranschaulicht_s auf welche unterschiedliche Art und Weise die erforderlichen Sperrpotentiale der 3 Ringzonen 15 der Transistoren

T. , T_cJ und T_e, beschafft werden könaen. Während bei dem Transistor T₁, die mit

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15 bezeichnete Ringzone unmittelbar mit der Kollektorzone verbunden ist, erfolgt die Spannungsversorgung der Ringzonen der Transistoren T₁. und T_ gemeinsam über eine besonders vorgesehene Transistorstruktur T„ mit den aus der Fig. 10 ersichtlichen Verbindungen. Die Potentialverhältnisse ergeben slchj soweit sie von Interesse sind, aus den eingetragenen Spannungen.

Claims (3)

D 3S 063/21g Gbm .* .' Deutsche ITT Ind. GüuLH '··' Fl 575 Go/ra ANSPRÜCHE

1. Halbleiterelement mit mindestens drei aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, welche zwei pn-Obergänge bilden, von denen einer in Durchlaß- und der andere in Sperrichtung betrieben ist, und mit einer oberflächlich in die mittlere Zone eingesetzten Ringzone vom zur mittleren Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, welche über einen oder mehrere elektrisch in Reihe geschaltete pn-Übergänge auf ein Sperrpotential kleiner als ihre Durchbruchspannung gegen die mittlere Zone gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden pn-Übergänge (8, 9) an eine Oberflächenseite des Halbleiterkörpers des Halbleiterelements treten und daß die Ringzone (7) den in Durchlaßrichtung betriebenen pnübergang (8) in einem Abstande größer alü ihre Raumladungszone umschließt.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzone (7) die Emitterzone eines Transistorelements umschließt.

3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen weiteren pn-übergang bildende weitere Zone oder mehrere weitere pn-Übergänge bildende weitere Zonen in der Zone angeordnet ist bzw. sind, welche der die Ringzone aufweisenden Zone benachbart ist.

»♦. Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anordnung im Halbleiterkörper einer monolithisch integrierten Fest-* körperschaltung, welche mehrere durch pn-Übergänge getrennte Halbleiterelemente aufweist.