DE3038186C2 - Darlington-Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

daß in der ersten Halbleiterzone (40) eine zweite, sich bis zur Basisschicht (33) erstreckende Halblelterzone (42) des ersten Leitungstyps ausgebildet 1st, und

daß ein Isolierfilm (41) auf der ersten Halbleiterzone (40) und auf der zweiten Halbleiterzone (42) ausgebildet Ist, der einen Abschnitt der ersten Halbleiterzone (40) unbedeckt läßt.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterzone (40) In Draufsicht eine kreisringförmige Gestalt hat.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß In der Emitterzone (35) des Ausgangsstufen-Transistors (37) mehrere zweite Halbleiterzonen (42) ausgebildet sind.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rlngfläche der ersten Halbleiterzone (40) um das drei- bis sechsfache größer äst als die Tiefe der Emitterzone (35) des Ausgangsstufen-Transistors (37).

5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der unbedeckte Abschnitt der ersten Halbleiterzone (40) in Draufsicht kreisringförmig Ist.

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht bedeckte Abschnitt der ersten Halbleiterzone (40) In Draufsicht quadratisch ringförmig 1st.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des nicht bedeckten Abschnitts der Halbleiterzone (40) etwa das 2,5- bis 5,5fache der Tiefe der Emitterzone (35) des Ausgangsstufen-Transistors (37) beträgt.

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer monolithisch integrierten Darlingtonschaltung aus zwei Transistoren kann ein Transistor zwischen seiner Emitterzone und seiner Basis-Zone kurzgeschlossen, einen Anstieg des Kollektor-Emitter-Stroms I_C£O bei hoher Temperatur verhindern. Eine solche Anordnung wird üblicherweise als »Emitterkurzschlußkonfiguration« bezeichnet.

Fig. 1 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht zur Verdeutlichung des Aufbaus einer bisherigen monolithischen integrierten Schaltung mit Emitterkurzschlußkonfiguration.

Gemäß Fig. 1 bilden ein n-Halbleltersubstrat 11, eine p-Kalbleiterschlcht 12 und eine n-Halbleiterzone 13 einen ersten pnp-Trensistor 14. Weiterhin bilden das Halbleitersubstrat 11, die Halbleiterschicht 12 und eine n-Halbleiterzone 15 einen zweiten npn-Transistor 16.

In der n-Halblelterzone 15, die als Emitterzone des zweiten Transistors 16 dient, ist eine p-Halbleiterzone 17 vorgesehen, die sich von der nach außen freiliegenden Hauptfläche der Halbleiterzone 15 zur Halblelterschlcht 12 erstreckt und als Basiszone dient. Auf der Halbleiterzone 15 und der Halbleiterzone 17 ist eine Emitterelektrode 18 ausgebildet. Eine Basiselektrode 19a des Transistors 14 und eine Basiselektrode 196 des Transistors 16 sind auf der Halbleiterschicht 12 angeordnet. Auf dem Halbleitersubstrat II 1st eine Kollektorelektrode 20 vorgesehen.

Fig. 2 Ist ein Ersatzschaltbild der Halbleitervorrichtung nach Fig. 1, wobei ein zwischen Basis und Emitter des Transistors 14 eingeschalteter Widerstand 21 und ein zwischen Basis und Emitter des Transistors 16 eingeschalteter Widerstand 22 Schichtwiderstände in der Halbleiterschicht 12 darstellen. Eine Diode 23 1st ersatzschaltungsgemäß zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 16 gebildet, weil die Halbleiterzone 17 und die Emitterzone 15 durch die Emitterelektrode 18 abgedeckt sind, so daß eine Emitterkurzschlußkonfiguration gebildet wird.

Flg. 3 veranschaulicht eine vier Darlington-Transistorschaltungen der Art gemäß Flg. 1 und 2 enthaltende Motorsteuerschaltung für die Ansteuerung eines Gleichstrommotors. Dabei wirkt die Diode 23 im Ersatzschaltbild gemäß Flg. 2 als Freilaufdiode.

Im einzelnen veranschaulicht Flg. 3 Darlington-Transistorschaltungen Ql-QA, zwischen den Kollektoren und Emittern der zweiten Transistoren dieser Schaltungen Ql-QA gebildete Dioden dl-dA, externe Frellaufdloden DI-D4 (sich schnell erholende Dioden Im allgemeinen), die mit den Dioden dl-dA parallelgeschaltet sind, einen Gleichstrommotor M und eine Erregerwicklung L.

Die Drehzahl des Motors M wird durch entsprechende Einstellung der jeweiligen Schaltzelten der Schaltungen Ql-QA sowie der Phasen zwischen den Schaltoperationen der Schaltungen β 1-04 geregelt.

In einem Durchschaltzustand sind beispielsweise die Schaltungen 01 und QA beide durchgeschaltet, wenn ein Strom /1 in Richtung des ausgezogenen Pfeils In Flg. 3 fließt. Wenn eine der Schaltungen Ql-QA sperrt, fließen Ströme /2 und /3 In Richtung der gestrichelten Pfeile.

Im folgenden sei angenommen, daß beide Schaltungen Ql und QA durchgeschaltet sind und der Motor M In Vorwärtsrichtung läuft. Wenn anschließend die Schaltung Q Il sperrt, während die Schaltung QA durchgeschaltet bleibt, fließt ein Strom über die Schaltung QA, die Diode dl und die Freilaufdiode Dl. Wenn sodann die Schaltung Ql wieder durchschaltet, beginnt ein Strom

über die Schaltung ρ 1 zu fließen. Der unmittelbar nach dem Durchschalten der Schaltung QX fließende Strom fließt nicht in die Erregerwicklung L, sondern als Sperrerholungsstrom über die Dioden dl und Dl. Der größte Teil der Stromquellen-Gleichspannung wird somit an die s Schaltung QX angelegt, bis sich die Dioden dl und Dl wieder erhoit haben, so daß ein großer Strom über die Schaltung QX fließt. Wenn hierbei die Erholungszeiten der Dioden dl und Dl zu lang sind, bricht die Schaltung Q1 möglicherweise durch.

Für die externen Dioden DX-DA werden im allgemeinen schnell erholende Dioden verwendet, deren Erholungszeit ziemlich kurz 1st. Die Dioden dX-dA sind mit verlängerter Lebensdauer ihrer Ladungsträger ausgelegt, um die Kollcktor-Emitter-Sättigungsspannung V_CBial) der Transistoren In den Schaltungen QX-QA zu verbessern und eine höhere Stromverstärkung pro Chip-Flächeneinheit zu erreichen. Im Vergleich zu den externen Dioden DX-DA benötigen die Dioden dl-dA unter denselben Bedingungen, einschließlich Fläche und Sperrstromgrößc, eine längere Erholungszeit. Wenn somit der Spcrrcrholungsstrom über die Dioden dl und Dl fließt, erholt sich die Diode Dl zuerst, so daß dann ein großer Strom über die Diode dl fließt, der zu einem Durchbruch der Schaltung QI führt.

Aus der US-PS 41 36 355 Ist eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art mit mindestens einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Emitterzonen eines ersten Leitungstyps In einer gemeinsamen Basisschicht des zweiten Leitungstyps ausgebildet sind, bekannt. Auf der Emitterzone des ersten Transistors ist eine erste Elektrode vorhanden, die sich auf den die Emitterzone des zweiten Transistors umgebenden Bereich der Basisschicht erstreckt. Ferner ist auf der Basisschicht an derjenigen Seite der Emitterzone des ersten Transistors, die von dem den zweiten Transistor aufweisenden Teil der Basisschicht abgewandt ist, eine zweite Elektrode angebracht. In der Emitterzone des zweiten Transistors Ist eine erste Halbleiterzone des zweiten Leitungstyps ausgebildet, die sich von der Hauptfläche des Halbleiterkörpers, in der die Emitterzonen liegen, bis zur Basisschicht erstreckt. Auf der Emitterzone des zweiten Transistors sowie auf der ersten Halbleiterzone ist schließlich eine dritte Elektrode ausgebildet. Damit soll eine schnell schaltbare Darllngton-Halbleltervorrlchtung geschaffen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung Ist es, eine Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der die Erholungszeit der zwischen Kollektor und Emitter des zweiten (Ausgangsstufen-)Translstors gebildeten Diode verkürzt ist und die sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnet, so daß ein Durchbruch infolge einer Temperatursteigerung weltgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 7.

Die zweite Halbleiterzone begünstigt die Wärmeabfuhr, was wiederum die Temperaturbeständigkeit der Halbleitervorrichtung steigert und sie gegenüber einem (Wärme-)Durchbruch unempfindlicher macht. Außerdem verringert die zweite, η-leitende Halbleiterzone die Fläche der zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors gebildeten Diode. Dadurch wird die Speicherung der Ladungsträger vermindert und eine Verkürzung der Erholungszeit der Diode begünstigt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefegten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittansicht einer bisherigen Halbleitervorrichtung mit Emitterkurzschlußkonfiguration,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der Halbleitervorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Motorstcucrschaltung unter Verwendung der Halbleitervorrichtung nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Halbleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 4,

Fig. 6 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Ansicht hauptsächlich einer p-Halblcitcrzonc 40 bei der Halbleitervorrichtung nach Fig. 4 und 5, und

Fig. 7 und 8 abgewandelte Konfigurationen der p-Halbleiterzone sowie zugeordneter Bereiche bzw. Zonen gemäß Fig. 6.

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Gemäß Fig. 4 und 5 ist auf einem n-Halbleitersubstrat 32 eine p-Halbleiterschicht 33 ausgebildet, in der wiederum eine n-Halbleiterzone 34 vorgesehen ist.

Ein npn-Translstor 36 wird durch das n-Halbleitersubstrat 32 als Kollektorzone, die p-Halbleiterschicht 33 als Basiszone und die n-Halblelterzone 34 als Emitterzone gebildet. Ein weiterer npn-Transistor 37 wird durch das Halbleitersubstrat 32 als Kollektorzone, die p-HalblelteraCuluiii Jj aia uaaiazAjiic uuu cmc ii-iiaiuiciict^uiic JJ alS Emitterzone gebildet. Eine Basiselektrode 38 ist auf der Basisschicht 33 auf der vom Transistor 37 abgewandten Seite der Emitterzone 34 ausgebildet. Eine Emitterelektrode 39 des Transistors 36 ist auf der Emitterzone 34 des Transistors 36 so ausgebildet, daß sie sich auf den die Emitterzone-35 umgebenden und auch als Basiselektrode wirkenden Teil der Basisschicht 33 erstreckt. In der Emitterzone 35 des zweiten Transistors 37 ist eine p-Halbleiterzone 40 mit einem kreisförmigen geometrischen Querschnitt vorgesehen, der sich von der (nach außen) freiliegenden Hauptfläche der Emitterzone 35 zur Basisschicht 33 erstreckt. Auf der p-Halbleiterzone 40 ist eine Isolierschicht 41 aus z. B. SiO2 so ausgebildet, daß ein durchgehender, kreisförmiger Umfangsbereich der p-Halblelterzone 40 von der Isolierschicht 41 unbedeckt bleibt. In der Halbleiterzone 40 ist unterhalb der Isolierschicht 41 eine n-Halbleiterzone 42 vorgesehen, die von der Hauptfläche der Emitterzone 35 ausgeht. Auf den nicht mit der Isolierschicht 41 bedeckten Ringbereich der Halbleiterzone 40 sowie auf der Emitterzone 35 1st eine Emitterelektrode 43 (Emitterkurzschlußelektrode) des Transistors 37 angeordnet. Weiterhin ist eine gemeinsame Kollektorelektrode 44 für die beiden Transistoren 36 und 37 auf dem Halbleitersubstrat 32 ausgebildet.

Fig. 6 zeigt In vergrößertem Maßstab die Konfiguration der Halbleiterzone 40 sowie anderer, benachbarter Zonen bei der Halbleitervorrichtung nach Flg. 4 und 5. Aufgrund dieser Konfiguration wird eine ersatzschaltungsmäßig zwischen Kollektor und Emitter des zweiten Transistors 37 angeordnete Diode aus dem unterhalb und nahe des nicht mit der Isolierschicht 41 belegten Teils der Halbleiterzone 40 als deren Anodenzone sowie aus einem entsprechenden Teil der Kollektorzone (Halbleitersubstrat 32) als deren Kathodenzone gebildet. Die nicht durch die Isolierschicht 41 bedeckte Oberfläche der Diode kann somit im Vergleich zur entsprechenden Fläche der bisherigen Diode, die gemäß Fig. ! durch Ausbildung der p-Halbleiterzone 17 in der n-Emitterzone

15 erhalten wird, stark verkleinert werden. Infolgedessen wird auch die Sperrerholungszelt dieser Diode verkürzt. Hierzu beträgt in bevorzugter Weise die Breite Α',,,-ι (vgl. Fig. 6) des ringförmigen Bereichs der Halblcitcrzonc 40 vorzugsweise etwa das 3- bis 6fache der Tiefe X_jE (Fig. 5) der Emitterzone 35 des zweiten Transistors 37, während die Breite A^₂ (Fig. 6) des nicht mit der Isolierschicht 41 bedeckten ringförmigen Bereichs der Halblciterzone 40 etwas kleiner sein sollte als die Breite ,Y_1n, d. h. etwa dem 2,5- bis 5,5fachcn der Tiefe X_IE (Fig. 5) der Emitterzone 35 des zweiten Transistors 37 entsprechen sollte.

Obgleich die Halbleiterzone 40 bei der beschriebenen Ausführungsform eine Kreisrlngflächenform besitzt, ist sie keineswegs auf diese Form beschränkt; vielmehr kann !5 sie z. B. gemäß Flg. 7 auch die Form eines durchgehenden quadratischen Rings besitzen. In diesem Fall besitzt die Isolierschicht 41 ebenfalls eine quadratische Form, und die freiliegende Fläche der nicht mit der Isolierschicht 41 bedeckten Halbleiterzone 40 ist ebenfalls quadratisch ringförmig.

Gemäß Fig. 8 kann weiterhin die Halbleiterzone 40 eine schmale geradlinige bzw. lineare Konfiguration besitzen, indem die quadratische bzw. rechteckige Isolierschicht 41 auf der Halbleiterzone 40 so angeordnet wird, daß nur deren einer Randbereich unbedeckt bleibt.

Obgleich bei der Ausführungsform nach F i g. 4 und 5 nur eine einzige p-Halbleiterzone 40 vorgesehen ist, kann die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung auch mehrere derartige p-Halbleiterzonen aufweisen, ζ. Β. drei Halbleiterzonen. In diesem Fall können diese p-Halbleiterzonen als drei Dioden angesehen werden, die parallel zwischen Kollektor und Emitter des zweiten Transistors geschaltet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:
   1. Darlington-Halbleitervorrichtung,

   bei der die Emitterzonen (34, 35) eines ersten Leitungstyps von wenigstens einem Eingangsstufen-Transistor (36) und einem Ausgangsstufen-Transistor (37) in einer gemeinsamen Basisschicht (33) des zweiten Leitungstyps ausgebildet sind, die auf einem als Kollektorzone dienenden Substrat vom ersten Leitungstyp angeordnet 1st, bei der auf der Emitterzone (34) des Eingangsstufen-Transistors (36) eine Emitter-Elektrode (39) ausgebildet ist, die sich zu demjenigen Abschnitt der Basisschicht (33) erstreckt, welcher die Emitterzone (35) des Ausgangsstufen-Transistors (37) umgibt,

   bei der auf der Basisschicht (33) auf der Seite, die 'dem Ausgangsstufen-Transistor (37) bezüglich der Emitterzone (34) des Eingangsstufen-Transistors (36) gegenüberliegt, eine Basis-Elektrode (38) ausgebildet ist,

   bei der in der Emitterzone (35) des Ausgangsstufen-Transistors (37) eine erste, sich bis zur Basisschicht (33) erstreckende Halbleiterzone (40) des zweiten Leltungstyps ausgebildet 1st, und
   bei der auf der Emitterzone (35) des Ausgangsstufen-Transistors (37) und auf der Halbleiterzone (40) eine Emitterkurzschluß-Elektrode (43) ausgebildet Ist,