JPH07263640A - 過電圧保護用半導体デバイス - Google Patents

過電圧保護用半導体デバイス

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JPH07263640A
JPH07263640A JP7063312A JP6331295A JPH07263640A JP H07263640 A JPH07263640 A JP H07263640A JP 7063312 A JP7063312 A JP 7063312A JP 6331295 A JP6331295 A JP 6331295A JP H07263640 A JPH07263640 A JP H07263640A
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JP
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diode
voltage
voltage limiting
anode layer
semiconductor device
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JP7063312A
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English (en)
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Josef M Gantioler
ガンチオーラー ヨーゼフ‐マチアス
Alfred Porst
ポルスト アルフレート
Hans Stut
シユトウート ハンス
Jenoe Tihanyi
チハニ イエネ
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0248—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection
    • H01L27/0251—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices
    • H01L27/0255—Particular design considerations for integrated circuits for electrical or thermal protection, e.g. electrostatic discharge [ESD] protection for MOS devices using diodes as protective elements
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
    • H01L29/7393—Insulated gate bipolar mode transistors, i.e. IGBT; IGT; COMFET
    • H01L29/7395—Vertical transistors, e.g. vertical IGBT
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴは特にドレーンも
しくはコレクタ端子とゲート端子との間に電圧制限ダイ
オード（２）を挿入することによって過電圧から保護さ
れる。このような半導体素子にフリーホイールダイオー
ド（４）が逆並列に接続されると、電圧制限ダイオード
はフリーホイールダイオードの絶縁破壊電圧よりも一定
の大きさだけ低い絶縁破壊電圧を持たねばならない。こ
のようなＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴの過電圧保護用半導
体素子を提供する。 【構成】 電圧制限ダイオードをフリーホイールダイオ
ードの半導体素体内に集積し、電圧制限ダイオードのア
ノード層を適当に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、フリーホイールダイ
オードを逆並列に接続しかつコレクタ（ドレーン）端子
とゲート端子との間に接続された電圧制限ダイオードを
備え、電界効果によって制御される半導体装置、特にＭ
ＯＳ電界効果形トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）及び絶縁
ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の過電圧
保護用半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】このような半導体デバイスの回路構成
は、例えば「エレクトロニーク（Elektronik）」１９８
７、電源装置特集号、第３９頁乃至第４２頁に記載の論
文「ＳＩＰＭＯＳ技術を基礎としたＳＭＡＲＴ電力用デ
バイス（“SMART-Power-Bauelemente auf der Basis de
r SIPMOS-Technologie")」特にその第３図に記載されて
いる。この図は本出願において図４として再掲されてい
る。図４において１はフリーホイールダイオード４が逆
並列に接続されたＩＧＢＴを示す。フリーホイールダイ
オード４はコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間に接
続されている。コレクタ端子Ｃには電圧制限ダイオード
２の陰極端子が接続され、そのアノード端子は逆直列接
続されたダイオード３を介してＩＧＢＴ１のゲート端子
Ｇに接続されている。
【０００３】このような回路において誘導負荷を遮断す
るとＩＧＢＴ、従ってフリーホイールダイオードに高い
電圧が発生する。デバイスの危険を取り除くため、ＩＧ
ＢＴは過電圧の場合電圧制限ダイオード２及びダイオー
ド３を介して弱導電性に制御される。これにより遮断速
度が低下し、遮断の際の過電圧はそれに応じて減少され
る。
【０００４】上述の保護作用のためには電圧制限ダイオ
ード２の絶縁破壊電圧が常に一定の電圧だけフリーホイ
ールダイオード４の絶縁破壊電圧以下でなければならな
い。上記の電圧は温度依存性があり、また上記のダイオ
ードには著しく異なる電流が流れる、従って異なる温度
になるので、両絶縁破壊電圧の間の差は必ずしも常に保
証されない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
述の種類の半導体デバイスで、制限ダイオードの絶縁破
壊電圧が常にフリーホイールダイオードの絶縁破壊電圧
以下であるものを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この課題は、電圧制限ダ
イオードがフリーホイールダイオードの半導体デバイス
内に集積され、この電圧制限ダイオードがフリーホイー
ルダイオードの絶縁破壊電圧より小さい絶縁破壊電圧を
有し、かつ両ダイオードが分離されたアノード端子を有
することによって解決される。
【０００７】この発明の実施態様は請求項２以下に記載
されている。
【０００８】
【実施例】この発明を図１乃至３と関連して３つの実施
例を参照して詳細に説明する。
【０００９】図１乃至３において電圧制限ダイオード２
及びフリーホイールダイオード４に共通な弱くｎ形にド
ープされた半導体素体が５で、その強くｎ形にドープさ
れたカソード領域が１０で示されている。フリーホイー
ルダイオードのアノード端子は１９で、電圧制限ダイオ
ードのアノード端子は２０で示されている。
【００１０】図１においてフリーホイールダイオードの
アノード層は６で、電圧制限ダイオードのアノード層は
７で示されている。フリーホイールダイオードの電圧よ
り低い電圧において電圧制限ダイオードの絶縁破壊が行
われるために、電圧制限ダイオードのアノード層７はフ
リーホイールダイオードのアノード層６より深く半導体
素体５内に拡散されている。従って阻止電圧が印加され
ると生ずる等電位線はアノード層７の範囲ではアノード
層６の範囲におけるよりも強く屈曲する。このことは例
えば破線で示された等電位線１６により示されている。
等電位線の経過はさらに半導体素体の表面に対して絶縁
されかつアノード層にオーバーラップする電界電極によ
って影響を受ける。フリーホイールダイオードに属する
電界電極は８で、電圧制限ダイオードに属する電界電極
は９で示されている。これらはそれぞれアノード層に電
気的に接続されている。この影響の度合いは電界電極の
横方向の延び及び半導体素体の表面に対する距離に依存
する。この距離は絶縁膜の厚さ、即ち電界電極が載置さ
れる酸化膜の厚さにより定まる。
【００１１】電圧制限ダイオードは、図２に示されるよ
うに、一体のアノード層７の代わりに、多数の小面積の
セル１２からなるアノード帯域を有することもできる。
これらのセルは電気的に互いに並列に接続されている。
破線で示されかつ１７で表されている等電位線の経過は
セル間の距離ｂ及び電界電極１４と半導体素体の表面と
の間の距離ａにより設定される。距離ａが小さいと、電
圧制限ダイオードのアノード層の範囲における等電位線
は比較的弱く波打ったものとなる。
【００１２】しかしアノード層７の範囲における電界の
屈曲はアノード層６の範囲における電界の屈曲よりも大
きい。従って電圧制限ダイオードの絶縁破壊電圧はフリ
ーホイールダイオードのそれよりも小さい。等電位線の
屈曲は、図３に示されるように、電圧制限ダイオードの
範囲において電界電極１５と半導体素体の表面との間の
距離ａを大きくすることによって増大される。従って等
電位線は電圧制限ダイオードのアノード層の範囲におい
て強く波打った、従って強く屈曲した経過をとる。電圧
制限ダイオードの絶縁破壊電圧はそれ故図２による電圧
制限ダイオードの絶縁破壊電圧以下である。
【００１３】等電位線の屈曲はまたセル間の距離ｂを変
えることによっても変えることができる。距離ｂを増大
すると、絶縁破壊電圧が小さくなり、距離ｂを減少する
と、絶縁破壊電圧が高くなる。
【００１４】電界電極の効果にとって重要なことは、電
界電極がアノード層もしくはセルに重なることである。
フリーホイールダイオードの絶縁破壊電圧もまた、公知
の如く、電界電極の形状によって変えることができる。
しかながら重要なことは、電圧制限ダイオードの絶縁破
壊電圧はフリーホイールダイオードのそれよりも常に小
さいことである。フリーホイールダイオードが加熱され
てその絶縁破壊電圧が低下した場合電圧制限ダイオード
も加熱されるので、その絶縁破壊電圧も同様に低下す
る。
【００１５】アノード層の面積は上記の実施例において
はそれぞれフリーホイールダイオード及び電圧制限ダイ
オードに対してほぼ同じ大きさに表されている。しかし
ながらこれは尺度の基準として理解されるべきではな
い。フリーホイールダイオードには に大きな電流が流
れるので に大きな面積を持つことは勿論である。
【００１６】集積されたダイオード構成は、弱ドープ層
５のドーピング及びその厚さを公知の方法で所望の阻止
電圧に合わせて求めることにより簡単にその所望の阻止
電圧に対して設計することができる。
【００１７】図２及び３の実施例における電界電極１
４、１５は半導体素体の表面に対して一定の距離を備え
ている。しかしこれらの電界電極はまた例えば弱ドープ
層５の上では、弱ドープ層５とセル１２との間のｐｎ接
合の上よりも大きな距離を有する、即ちセル１２の間に
は例えば半導体素体の表面に対して２つの異なる距離を
持つフィールドプレートが存在することができる。
【００１８】この発明はＩＧＢＴを例として説明された
が、ＭＯＳＦＥＴに対しても同様に使用されることは勿
論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の断面図。
【図２】この発明の異なる一実施例の断面図。
【図３】この発明の更に異なる一実施例の断面図。
【図４】この発明の構成を説明する回路構成図。
【符号の説明】
１ ＩＧＢＴ ２ 電圧制限ダイオード ３ ダイオード ４ フリーホイールダイオード Ｃ カソード端子 Ｅ エミッタ端子 Ｇ ゲート端子 ５ 弱ｎ形ドープ層 ６、７ ｐ形ドープ層 ８、９ 電界電極 １０ 強ｎ形ドープ層 １２ セル １４、１５ 電界電極 １６、１７、１８ 等電位線 １９、２０ アノード端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/78 Ｈ０１Ｌ 29/78 ３０１ Ｋ ３２１ Ｊ 9055−4Ｍ ６５７ Ａ (72)発明者 ハンス シユトウート ドイツ連邦共和国 82194 グレーベンツ エル マイシユトラーセ 18 (72)発明者 イエネ チハニ ドイツ連邦共和国 85551 キルヒハイム イザールヴエーク 13

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フリーホイールダイオードを逆並列に接続
    しかつコレクタ（ドレーン）端子とゲート端子との間に
    接続された電圧制限ダイオードを備え、電界効果によっ
    て制御される半導体装置の過電圧保護用半導体素子にお
    いて、電圧制限ダイオードがフリーホイールダイオード
    （４）の半導体素体内に集積され、電圧制限ダイオード
    がフリーホイールダイオードの絶縁破壊電圧より小さい
    絶縁破壊電圧を示しかつ両ダイオードが分離されたアノ
    ード端子（１９、２０）を有することを特徴とする半導
    体デバイス。
  2. 【請求項２】フリーホイールダイオード及び電圧制限ダ
    イオードがそれぞれ共通の半導体素体（５）内に拡散さ
    れたアノード層（６、７）を備え、電圧制限ダイオード
    のアノード層（７）がフリーホイールダイオードのアノ
    ード層（６）よりも大きい深さを持つことを特徴とする
    請求項１記載の半導体デバイス。
  3. 【請求項３】フリーホイールダイオードのアノード層
    （６）が単一の領域を備え、電圧制限ダイオードのアノ
    ード層（７）が多数の並列接続されたセル（１２）から
    なることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体デバ
    イス。
  4. 【請求項４】フリーホイールダイオード及び電圧制限ダ
    イオードのアノード層が同一の深さを有することを特徴
    とする請求項３記載の半導体デバイス。
  5. 【請求項５】半導体素体のアノード側の表面上に、フリ
    ーホイールダイオードのアノード層（６）と重なる第一
    の電界電極（８）及び電圧制限ダイオードのアノード層
    （７、１２）と重なる第二の電界電極（９、１４、１
    ５）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至４
    のいずれか１項に記載の半導体デバイス。
JP7063312A 1994-03-04 1995-02-27 過電圧保護用半導体デバイス Pending JPH07263640A (ja)

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DE4407279A DE4407279C1 (de) 1994-03-04 1994-03-04 Halbleiterbauelement für den Überspannungsschutz von MOSFET und IGBT
DE4407279.1 1994-03-04

Publications (1)

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