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Die vorliegende Erfindung betrifft in monolithischer Form
ausgebildete Halbleiter-Schutzbauteile bzw. -Bauelemente.
Derartige Schutzbauteile sind dazu bestimmt, eine an ihren
Anschlüssen angelegte Spannung zu begrenzen, wenn diese
Spannung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Während
der Begrenzungsphase wird die Spannung an den
Anschlußklemmen des Bauteils auf demvorgegebenen Schweliwert
gehalten, falls das Bauteil vom Typ der Lawineneffekt-Dioden
ist, oder sie sinkt auf einen Wert praktisch Null ab, falls
das Schutzbauteil ein Vierschichtbauteil vom Kipp-Typ ist,
beispielsweise ein gate-loses Triac.
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Fig. 1 veranschaulicht die herkömmliche Anordnungsweise
eines Schutzbauteils 1 in Parallelanordnung an einer Leitung
zwischen einer Speisequelle 2 und den Eingangsanschlüssen 3
und 4 einer zu schützenden Schaltung 5.
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Wie schon angedeutet, können derartige Bauteile in
zahlreichen Formen ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt einen Aufbau
mit einer Lawineneffekt-Diode, die auf einem
N-Halbleitersubstrat 10 ausgebildet ist. Die Vorderseite dieses
Substrats weist einen P-Bereich 11 auf, die Rückseite einen
stark dotierten N-Bereich 12. Die Oberseite des Substrats
ist mit einer Isolierschicht 13, üblicherweise aus
Siliziumoxid, überzogen, die zur Begrenzung der Zone, in welcher der
Bereich 11 erzeugt wurde, gedient hat. Die Oberseite ist mit
einer Metallisierung bzw. einem Metallüberzug 15 versehen,
der in Kontakt mit dem Bereich 11 steht.
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Die Unterseite des Substrats ist herkömmlicherweise auf
einem als Wärmesenke bzw. Kühlvorrichtung dienenden
Basissockel 16 angeordnet, und zwar vermittels eines
Löt-Vorformlings 17; die Metallisierung 15 ist direkt mit einem
Anschluß- bzw. Verbindungsstift verlötet.
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Ein derartiges Schutzbauteil soll bestimmungsgemäß
Überlasten oder Überspannungen zwischen dem Metallüberzug 15 und
dem Basissockel 16 absorbieren. Dieses Bauteil ist so
dimensioniert, daß es eine Überlast bis zu einer bestimmten
Energiegrenze absorbiert. Jedoch besteht stets ein Störniveau,
das zur Zerstörung des Bauteils führen kann. Üblicherweise
äußert sich eine derartige Zerstörung im Auftreten eines
Kurzschlußbereichs 18 zwischen den oberen und unteren
Metallüberzügen. Anschließend, nach dem Ende der Überspannung,
bleibt das Bauteil im Kurzschlußzustand, und im Fall einer
Anordnung wie der in Fig. 1 gezeigten wird die Schaltung 5
zwischen ihren Anschlüssen 3 und 4 nicht mehr mit Strom
versorgt, während die Stromquelle im Kurzschlußzustand
arbeitet, was einen doppelten Nachteil darstellt. Um die
Schaltung 5 wieder in Betrieb zu setzen, muß man das Bauteil 1
abschalten und, falls die Schaltung geschützt werden soll,
durch ein neues Bauteil ersetzen. Dieser Vorgang ist stets
kompliziert und zieht in bestimmten Anwendungen,
beispielsweise für in Satelliten verwendete Schaltungen, die
Notwendigkeit nach sich, Komponenten doppelt vorzusehen, sowie
Kommutatorschaltungen, welche die Qualität der
Schutzfunktion beeinträchtigen.
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Zur Lösung dieses Problems sieht man sich in der Praxis zur
Verwendung stark überdimensionierter Schutzbauteile
veranlaßt, um höhere Überspannungen aufnehmen zu können, die nur
mit geringer Wahrscheinlichkeit auftreten.
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In dem Dokument EP-A-0 318 404 wird eine monolithische
Anordnung von unabhangigen Schutzdioden auf einem
Halbleiterchip beschrieben.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
monolithischen Halbleiter-Schutzbauteils, das selbst nach
dem Auftreten einer normalerweise eine Zerstörung
bewirkenden Überlast wirksam bleibt.
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Zur Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung
ein monolithisches Halbleiter-Schutzbauteil mit einem
Halbleiterchip vor, der zwischen einer ersten Elektrode, die
einem auf einer ersten Oberfläche des genannten Chips zutage
liegenden Halbleiterbereich zugeordnet ist, und einem auf
einer zweiten Oberfläche des genannten Chips offenliegenden
zweiten Halbleiterbereich angeschlossen wird, wobei der
genannte erste Bereich in mehrere getrennte, unverbundene
Zonen unterteilt ist und jede Zone mit einer Elektrode über
eine Schmelzsicherung verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
jede Schmelzsicherung jeweils so bemessen, daß sie unter
normalen Versorgungsbedingungen der Schaltung, mit welcher
das Bauteil verbunden ist, öffnet, wenn ein Kurzschluß
zwischen der dieser Schmelzsicherung entsprechenden Zone und
dem zweiten Bereich besteht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
besteht jede Schmelzsicherung jeweils aus einem Golddraht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
besteht jede Schmelzsicherung jeweils aus einer
Metallisierung.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
das Schutzbauteil eine Diode mit Lawineneffekt. Der erste
Bereich ist ein Bereich von einem ersten Leitfähigkeitstyp,
der in der ersten Oberfläche eines Substrats vom zweiten
Leitfähigkeitstyp gebildet wird, während der zweite Bereich
ein in der zweiten Oberfläche des Substrats gebildeter
Bereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist
das Schutzbauteil zwei erste Bereiche auf, deren jeder
jeweils ein Schutzelement zwischen sich selbst und dem zweiten
Bereich bildet, wobei jeder der ersten Bereiche jeweils in
gesonderte, nicht verbundene Zonen unterteilt ist und jede
Zone der ersten Gruppe von Zonen über eine Schmelzsicherung
mit einer ersten Elektrode sowie jede Zone der zweiten
Gruppe von Zonen jeweils durch eine Schmelzsicherung mit
einer zweiten Elektrode verbunden ist.
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Mit anderen Worten sieht die vorliegende Erfindung ein
multizellulares Schutzbauteil vor, dergestalt, daß, falls
eine Zelle durch einen exzessiven Überlastzustand zerstört
wird, eine dieser Zelle zugeordnete Schmelzsicherung sich
selbst zerstört, während das Schutzbauteil dank seiner
anderen noch funktionstüchtigen Zellen weiter funktioniert.
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Man kann die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
einem Alarmdetektor zuordnen, welcher das Auftreten einer
sehr starken Überspannung auf der zu schützenden Leitung
anzeigt, und man könnte sodann bei Wartungsarbeiten zu einem
günstigen Zeitpunkt das Bauteil auswechseln, wobei dieses
Bauteil funktionstüchtig bleibt und die ihm zugeordnete Schaltung
weiterhin funktioniert. Wenn das Bauteil aus fünf Zellen
besteht, kann angenommen werden, daß es weiterhin
funktionstüchtig bleibt, selbst wenn es drei zur Zerstörung von
einzelnen Zellen führenden Überspannungen ausgesetzt war.
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Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
von speziellen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
Figuren der beigefügten Zeichnung näher erläutert; in dieser
zeigen:
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Figg. 1 und 2 Darstellungen zur Veranschaulichung des
Standes der Technik und des dadurch gestellten Problems! wie
sie weiter oben beschrieben wurden,
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Figg. 3A, 3B und 3C eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung in drei aufeinanderfolgenden Zuständen, vor
dem Auftreten einer destruktiven Überlast, während dieser
und danach,
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Fig. 4 eine andere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, als in zwei Richtungen wirkende bidirektionelle
Schutzvorrichtung.
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In den verschiedenen Zeichnungsfiguren, welche
Schnittansichten von Halbleiterbauteilen darstellen, sind in auf dem
Gebiet der Darstellung von Halbleitern üblicher Weise die
Abmessungen der verschiedenen Schichten nicht maßstabgerecht
gezeichnet, vielmehr sind ihre Dicken zur Erleichterung der
zeichnerischen Darstellung und zur besseren Verständlichkeit
der Figuren willkürlich vergrößert. Der Fachmann kann die
verschiedenen Dicken aufgrund seines Fachwissens zur
Erzielung der gewünschten Eigenschaften wählen.
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Fig. 3A zeigt ein erfindungsgemäß modifiziertes
Schutzbauteil vom gleichen Typ wie das aus Fig. 2. In diesen
Zeichnungsfiguren sind gleiche Elemente mit denselben
Bezugsziffern bezeichnet. Erfindungsgemäß ist der P-Bereich 11
durch mehrere unverbundene, gesonderte P-Bereiche 21
ersetzt,
deren jeder mit einer Metallisierung bzw. einem
Metallüberzug 25 versehen ist. Jeder Metallüberzug 25 ist
jeweils über eine Schmelzsicherung 26 mit einer
Anodenelektrode 27 verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die Anodenelektrode 27 eine Fahne bzw. eine Anschlußklemme,
und die einzelnen Schmelzsicherungen 26 bestehen jeweils aus
einem Golddraht, beispielsweise einem Draht von 50 µm
Durchmesser. In der Praxis könnten diese Drähte gegebenenfalls
auch aus Aluminium bestehen und analog den Drähten sein, wie
sie herkömmlich zur Herstellung von Kontakten mit den
Metallüberzügen von Chips in integrierten Schaltungen
verwendet werden. Im normalen Betriebszustand ist das Gebilde
aus Fig. 3A somit ein Multizellular-Gebilde (mit vier Dioden
im dargestellten Ausführungsbeispiel), das das gleiche
Verhalten wie die Diode in Fig. 2 zeigt.
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Im Fall eines normalen Überlastzustands wirken die Zellen
parallel zueinander im Lawinendurchbruch. Die Energie
verteilt sich gleichgewichtig auf die Zellen, da die
pn-Übergänge gleicher Art sind und aufgrund der monolithischen
Struktur gleichartige Sperrkennlinien aufweisen. Die normale
Arbeits- und Wirkungsweise ist daher dieselbe wie bei einem
herkömmlichen Bauteil.
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Beim Auftreten eines exzessiven Überlastzustands auf einem
das Stromführungsvermögen des Chips übersteigenden Niveau
wird es zur Ausbildung des in Verbindung mit Fig. 2
beschriebenen Kurzschlußphänomens kommen. Jedoch wird sich bei
dem erfindungsgemäßen Gebilde, wie in Fig. 3B dargestellt,
die Ausbildung eines Kurzschlußzustands (28) nur im Bereich
einer einzigen Zelle vollziehen. Die Erfahrung zeigt, daß
dieser Zerstörungsvorgang sich im Auftreten eines
Schmelzkanals in dem Chip zwischen seinem oberen und seinem unteren
Kontakt äußert, der den pn-Übergang kurzschließt. Dieser an
einen Stromfokussierungsmechanismus gebundene Kanal
beschränkt sich, sobald die Zerstörung auftritt, auf
Durchmesserabmessungen von einigen Hundert Mikrometern. Somit
wird es nur zur Zerstörung einer Zelle kommen, wie in Fig.
3B durch die Zone 28 wiedergegeben. Dieses
ZerstörungspHänomen kann sehr rasch vor sich gehen, in Zeitdauern in
der Größenordnung einiger zehn Mikrosekunden. Unter
Bezugnahme auf die in Fig. 1 veranschaulichte Anordnung wird
daher die Spannungsquelle 2 auch nach der Überspannung Strom
durch die Schutzvorrichtung schicken. Erfindungsgemäß werden
die Anschlußdrähte 26 so gewählt, daß sie unter der
Stromabgabe der Quelle schmelzen können. Wie in Fig. 3C
dargestellt, wird der gesamte Strom der Quelle im
Kurzschlußzustand in einem der als Schmelzsicherung dienenden Drähte
fließen und dieser Draht daher schmelzen und die beschädigte
Zelle abschalten. Das Bauteil gewinnt somit seine
anfängliche Eigenschaft (seine Schutzfunktion) wieder, weist
jedoch nunmehr nur noch drei Dioden in Parallelschaltung, und
nicht mehr vier auf. Der einzige Unterschied besteht darin,
daß die jeweiligen Werte exzessiver Überlast, die zur
Zerstörung einer Zelle führen können, etwas niedriger sein
werden, wenn sich das Bauteil in der Konfiguration gemäß
Fig. 3C befindet, als wenn es sich in der Konfiguration
gemäß Fig. 3A befindet.
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Vorstehend wurde eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in bezug auf und in Verbindung mit einer
monodirektionalen Schutzdiode beschrieben. Die vorliegende Erfindung
eignet sich jedoch in gleicher Weise zur Anwendung in
Ausführung als eine bidirektionale Schutzdiode. Fig. 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer bidirektionellen Schutzdiode
gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 4 liegt wiederum
eine Multizellular-Diode vor, in welcher eine Hälfte der
Zellen mit einer ersten Elektrode 31 und eine zweite Hälfte
der Zellen mit einer zweiten Elektrode 32 verbunden sind.
Die Basis 16 stellt dann nicht mehr eine Elektrode, sondern
einfach nur ein Kühlelement bzw. eine Wärmesenke dar, sowie
einen Leiter an der Rückseite, der einen Stromfluß im Fall
einer Überspannung zwischen den Elektroden 31 und 32
gestattet. Beispielsweise gehen im Fall einer negativen
Überspannung an der Elektrode 31 die Dioden des linken Teils der
Figur in Lawinendurchbruchzustand über, und es fließt ein
Strom von der Elektrode 31 zum Basissockel 16 sowie vom
Basissockel 16 zur Elektrode 32 über die in diesem Fall in
Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Übergänge. In gleicher
Weise wie im zuvor beschriebenen Fall wird im Fall eines
exzessiven Überlastzustands einer der mit der Elektrode 31
oder 32 verbundenen Drähte 26 zerstört.
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Die Goldfäden 26 sind für Zerstörung nach dem Durchgang
eines Kurzschlußstroms während einer im Vergleich zu einem
überspannungsimpuls langen Zeitdauer, beispielsweise in der
Größenordnung von einigen zehn Millisekunden, ausgelegt.
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In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei welcher in einem monolithischen Chip zweimal fünf
Dioden mit Lawinendurchbruchspannungen von 27 V vorgesehen
sind, mit einer Diodenfläche von 1 mm² je Diode, stellt
man fest, daß es zu einer Diodenzerstörung bei einer 8/20-
Welle (d. h. einer überspannung mit einer Anstiegszeit von
8 µs und einer Abnahmezeit von 20 µs) und einer Intensität
von 280 A in Form einer Schockwelle kommen kann. Wenn die
Golddrähte einen Durchmesser in der Größenordnung von 50 µm
haben, wird die beschädigte Diode dann durch Schmelzen des
Golddrahtes durch einen Strom von 3,5 A während 10 ms
kurzgeschlossen, bei einer Speisespannungsquelle mit einer
Spannung in der Größenordnung von 15 V.
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Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend im Rahmen einer
speziellen Ausführungsform beschrieben. Sie kann jedoch in
mannigfacher Weise abgewandelt werden.
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In der obigen Beschreibung wurde angegeben, daß die
Schmelzsicherungen 26 aus einem Golddraht bestehen, welcher einen
Metallisierungsbereich mit einer Elektrode oder einem
Anschluß verbindet. Der Fachmann kann andere Werkstoffe als
Gold für die kalibrierten Drähte verwenden. Des weiteren
kann man auch vorsehen, daß jeweils jede Metallisierung der
Diode mit einer Elektrode in Form einer auf dem
Halbleiterchip abgeschiedenen Metallzone durch eine auf dem Chip
ausgebildete Schmelzsicherung verbunden ist, wobei diese
Schmelzsicherung nach einer beliebigen bekannten Technik
ausgebildet sein kann, beispielsweise in Form einer dünnen
Metallabscheidung aus dem gleichen Material wie das die
Kontakte bildende Material, oder aus einem anderen
ausgewählten Material.
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Die vorliegende Erfindung wurde oben für den Fall
beschrieben, daß das Schutzbauteil bzw. -bauelement eine zur Wirkung
mit Lawinendurchbruch bestimmte Diode ist. Der Fachmann
erkennt, daß auch andere Schutzbauteile sich für die
erfindungsgemäße Multizellular-Konzeption eignen. Tatsächlich
führt in anderen Schutzbauelementen, wie beispielsweise
Thyristoren oder gate-losen Triacs, die Zerstörung eines
Schutzbauteils zu einer Kurzschließung einer kleinen Zone in
diesem.