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Halbleiter-Baueleserat
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Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement, welches einen Transistor
und eine in dem Transistor enthaltene Schutzdiode aufweist, und insbesondere ein
Leistungs-Halbleiterbauel-ement, das hohen Spannungen standhält und z.B. in einem
Umrichter für Wechselstrommotoren, die mit variabler Span#nung und variabler Frequenz
betrieben werden, Einsatz findet.
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In neuerer Zeit stehen Siliziumscheiben von großem Durchmesser zur
Verfügung, und die Transistorherstellung-stechnik konnte so verbessert werden, daß
Transistoren, die hohen Spannungen standha-lten können und eine große Leistung haben
(nachfolgend als Leistungstransistoren bezeichnet) hergestellt werden können. Dies
führte zu einem raschen Fortschritt in- der Technik der- Leistungselektronik-Schaltungen,
in denen diese Leistungstransistoren in starkem Maß eingesetzt werden.
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Um bei der praktischen Verwendung den Leistungstransistor zu schützen,
werden als Zusatzbauteile ein Widerstand, eine Diode usw. verwendet. Werden diese
Zusatzbauteile durch Verdrahtung angeschlossen, entstehen im allgemeinen hohe Kosten
bei verminderter Zuverlässigkeit.
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Da' ~andererseits. ein starker Drang zur Miniaturisierung elektronischer-
Einrichtungen besteht, sollten Halbleiterbauteile auch dadurch zur Miniaturisierung
beitragen, daß ihnen Mehrfachfunktionen zugeteilt oder sie als integrierte Schaltungen
aufgebaut werden.
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Fig. 1 stellt eine Schaltung eines Transistorschaltkreises mit einem
NPN-Transistor und einer induktiven Last dar.
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Der Transitor TR des NPN-Transistors besitzt die Anschlüsse C, B und
E für Kollektor, Basis bzw. Emitter; die Belastung besteht aus dem Lastwiderstand
R und der Induktivität L, während ferner eine Freilaufdiode FWD vorhanden ist.
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Wenn in dieser Schaltung der Transistor TR sperrt, fließt von der
gespeicherten Energie der Induktivität L in Rückwärtsrichtung in den Transistor
ein Laststrom, wodurch der Transistor zerstört werden kann. Um dies zu verhindern,
wird üblicherweise die Freilaufdiode FWD als Schutzdiode des Transistors TR eingesetzt.
Zum Schutz des Transistors TR fließt dann also der Laststrom durch die Diode FWD.
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Fig. 2 zeigt einen gewöhnlichen Leistungstransistor, wobei Fig. 2(a)
eine Draufsicht auf die Oberseite und Fig. ?(b) eine vergrößerte Schnittdarstellung
nach IIB-IIB in Fig. 2(a) zeigen. In einem N-Siliziumsubstrat 1 ist durch Zufügen
von P-Störstellen auf die eine Oberfläche ein Basisbereich 2 gebildet, der mit dem
N-Siliziumsubstrat 1 einen "p"Übergang J1 bildet, dessen Ende auf der einen Hauptoberfläche
des Substrats 1 freiliegt. Ferner ist durch Einbringen von N-Störstellen in den
I3asi#bereich 2 auf der Hauptfläche des N-Siliziumsubstrats 1 ein Emitterbereich
3 gebildet, der mit dem Basisbereich einen11p"N-Übergang J2 entstehen läßt,#der
zur Hauptfläche des Substrats hin freiliegt Auf dieser Hauptfläche des Substrats
ist ein Isolierfilm 4 mit Kontakt löchern 4a und 4b für den Basisbereich 2 bzw.
den Emitterbereich 3
ausgebildet. Eine Basiselektrode 5 steht über
eines der Kontaktlöcher 4a mit dem Basisbereich 2, eine Emitterelektrode 6 über
das andere Kontakt loch 4b mit dem Emitterbereich 3 in Verbindung. Eine Kollektorelektrode
7 ist aus der gegenüberliegenden Hauptfläche des N-Siliziumsubstrats 1 ausgebildet.
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Gewöhnlich werden am Leis#tungstransistor Aluminiumdrähte mittels
Ultraschallenergie mit den Aluminiumelektroden auf einem=Transistorchip befestigt,
nämlich auf der Basiselektrode 5 und auf der Emitterelektrode 6 im Falle des Transistors
nach Fig. 2. Der Befestigungsfleck sollte dabei eine Größe von 0,5 bis 1,0 mm2 oder
mehr haben.
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Damit die Stromverteilung im Chip gleichmäßig wird, sollten außerdem
die Teile des Chip, an denen die Aluminiumdrähte befestigt sind, schwerer als die
Emitterfinger sein (d.h. die kammar tigen Ausdehnungen des Emitterbereichs). Bei
einpm üblichen Leistungstransistor gemäß Fig. 2 ist der Widerstandswert 8 eines
Teils des Basisbereichs 2, der sich unmittelbar unterhalb'des Emitterbereichs 3
befindet, hoch. Folglich ergibt sich ein Spannungsabfall im Basisbereich 2, so daß
zwischen Emitter und Basis keine ausreichend hohe Vorspannung nahe dem Abschnitt
9 des Basisbereichs unmittelbar unterhalb dem Mitte,labschnitt des Befestigungsflecks
besteht. Der= Bereich 9 arbeitet deshalb nicht ausreichend, wie dies allgemein bekannt
ist. Dieser Teil 9 kann also als nicht erforderlicher, Bereich angesehen werden.
Wird eine Freilaufdiode FWD unmittelbar unterhalb des Befestigungsflecks angeordnet,
dann kann ein diese Freilaufdiode FWD direkt enthaltender Leistungstransistor erzeugt
werden, ohne daß die Chipfläche merklich vergrößert zu werden braucht.
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Fig. 3 zeigt einen herkömmlichen Leistungstransistor mit einer nach
vorstehendem technischen Konzept angebrachten
Freilaufdiode. Die
Draufsicht der Fig. 3(a) auf die Obe#rseite des Transistors läßt diese Freilaufdiode
erkennen, während die vergrößerte Schnittdarstellung nach Fig. 3(b) in der Linie
IIIB-IIIB der Fig. 3(a) verläuft.
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Die Bezugszeichen sind dieselben, wie sie in der Fig.2 verwendet wurden.
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In Fig. 3 erstreckt sich ein "p"-Bereich von dem Basisbereich 2 derart,
daß er den Emitterbereich 3 unmittelbar unterhalb des Befestigungsflecks durchdringt
und somit die Emitterelektrode 6 erreicht. Mit anderen Worten, mit 10 ist die Freilaufdiode
bezeichnet, von der ein Teil die Freilaufdiode FWD mit dem zugehörigen Teil des
N-Siliziumsubstrats 1 bildet. Die Diode FWD ist auf diese Weise integriert, und
wenn der Transistor abschaltet, fließt- ein Strom in umgekehrter Richtung im Freilaufdiodenteil
(nachfolgend als "FWD-Teil" bezeichnet) 10.
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Er fließt von der Emitterelektrode 6 durch den Basisbereich 2 im FWD-Teil
10 und das N-Siliziumsubstrat im FWD-Teil 10 zur Kollektorelektrode. Zugleich fließt
transient ein Rückwärtsstrom im Transistorteil nahe dem FWD-Teil 10, der durch den
Emitterbereich 3, den Basisbereich 2 und das Siliziumsubstrat 1 gebildet ist, wodurch
dieser Transistorteil durchschlagen kann.
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Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unmittelbar unter
einem Zuleitungsbefestigungsfleck eine Freilaufdiode zu schaffen, die gegenüber
dem Basisbereich des Transistors isoliert ist, damit keine Interferenz auftreten
kann, so daß die Integration einer Freilaufdiode ohne Vergrößerung der Chipfläche
möglich ist und der Transistor eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Zerstörung
besitzt.
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Im einzelnen zeigt die Zeici,i,ung in: Fig. 1 ein Ersatzschaltbild
einer Transistorschaltung mit induktiver Last;
Fig. 2 einen gewöhnlichen
Leistungstransistor, wobei in Fig. 2(a) eine Draufsicht und in Fig. 2(b) ein Schnitt
dargestellt sind; Fig. 3 einen gewöhnlichen Leistungstransistor mit integrierter
Freilaufdiode, wobei Fig. 3(a) eine Draufsicht und Fig. 3(b) einen Schnitt durch
den Leistungstransistor wiedergeben; Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelementes, wobei Fig. 4(a) eine Draufsicht, Fig.
4(b) eine weitere Draufsicht, bei der jedoch die Elektroden und der Isolierfilm
abgenommen sind, und Fig.- 4(c) einen Schnitt darstellen; Fig. 5(a) und 5(b) Schnitte
während einzelner Herstellungsschritte des Bauelementes nach Fig. 4; Fig. 6 ein
zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelementes, wobei
Fig. 6(a) einen Schnitt und Fig. 6(b) eine Draufsicht, bei der die Elektroden und
der Isolierfilm abgenommen sind, wiedergegeben; und Fig. 7 ein Diagramm, bei dem
die Stärke der Kollektorschicht des Transistors nach Fig. 6 und die Stärke der Kathodenschicht
einer Diode der Durchschlagspannung gegenübergestellt sind.
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Es folgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, wobei
zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 4 erläutert wird. In der
Fig. 4(a) ist die Oberseite des Bauelementes mit einem Freilaufdiodenteil in Draufsicht,
in Fig. 4(b) eine Draufsicht auf das Bauelement, bei dem die Basiselektrode 5 und
dieEmitterelektrode 6 noch nicht hergestellt sind, und in Fig. 4(c)
ein
Schnitt nach der Linie IVC-IVC in Fig. 4(a) gezeigt.
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In einem N-Siliziumsubstrat 21 ist durch Einführen von P-Störstellen
von der einen Hauptfläche her ein erster Halbleiterbereich 22 ausgebildet, der mit
dem Substrat 21 eirm 'p"N -Übergang J3 bildet, der mit einem Ende auf der Hauptoberfläche
des Substrats 21 freiliegt. Der erste Halbleiterbereich 22 und das Substrat 21 stellen
eine Leerlaufdiode I dar. Mit 23 ist ein zweiter Halbleiterbereich oder ein Basisbereich
bezeichnet, der durch Einführen von P-Störstellen in die Substrathauptoberfläche
derart gebildet wird, daß er den ersten Halbleiterbereich 22 umgibt, jedoch gegenüber
diesem isoliert ist, so daß ein "p"N -Übergang J4 in Verbindung mit dem Substrat
21 entsteht, der an einem Ende auf der Substratoberfläche freiliegt. Ein dritter
Halbleiterbereich oder Emitterbereich 24 ist durch Einführen von N-Störstellen in
den zweiten Halbleiterbereich 23 in der Hauptfläche des Substrats 21 ausgebildet.
Dieser besitzt einen Basisabschnitt 24a und Fingerbereiche 24b-24h, wie in Fig.
4(b) wiedergegeben. Der dritte Halbleiterbereich bildet einen "p"N+-Ubergang mit
dem zweiten Halbleiterbereich 23, wobei der Übergang auf der Hauptfläche des Substrats
21 freiliegt. Das Substrat 21, der zweite Halbleiterbereich 23 und der dritte Halbleiterbereich
24 bilden einen NPN-Transistor II. Auf der Hauptfläche des Substrats 24 ist ein
Isolierfilm 25 formiert; in den Kontaktlöcher 25a, 25b und 25c für den ersten Halbleiterbereich
22, den zweiten Halbleiterbereich 23 bzw. den dritten Halbileiterbereich 24 eingeschnitten
sind. Eine Steuer- oder Basiselektrode 26 ist durch das Kontaktloch 25b im Isolierfilm
mit dem zweiten Halbleiterbereich 23 verbunden, Eine erste oder Emitterelektrode
27 ist durch die Kontaktlöcher 25a und 25c des Isolierfilms mit dem ersten Halbleiterbereich
22 bzw. dem dritten Halbleiterbereich 24 verbunden. Diese Emitterelektrode 27 ist
direkt oberhalb des ersten Halbleiterbereiches 22 derart ausgebildet,
daß
sie gegenüber der Steuerelektrode isoliert ist.
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Ferner ist eine zweite Elektrode oder Kollektorelektrode auf der gegenüberliegenden
Fläche des Substrats 21, mit diesem leitend verbunden, formiert.
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Ein Herstellungsverfahren für das Halbleiterelement nach Fig. 4, das
eine Chipfläche von 5 x 5 mm2 besitzt, eine Spannungsfestigkeit von 500V und eine
zusätzliche Stromstärke von 10A hat, wird anhand der Fig. 5 beschrieben.
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Zunächst werden gemäß Fig. 5(a) p-Störstellen, z.B. Bor, in die eine
Fläche des Substrats 21, welches einen spezifischen Widerstand von 50 Lcm hat, bis
zu einer Tiefe von 22 um mit einer Störstellendichte von 1x1018 Atome/ cm2 mittels
photomechanischem Prozeß und einer Diffusionstechnik, die allgemein bekannt sind,
zur Bildung des ersten und zweiten Bereichs 22 und 23 eindiffundiert. Danach werden
N-Störstellen, z.B. Phosphor, in den zweiten Halbleiterbereich 23 von der Oberfläche
des Substrats 21 her bis zu 10 um tief mit einer Störstellendichte von 1 x1021 Atòme/cm2
mittels photomechanischem Prozeß und einer Diffusionstechnik eindiffundiert, wodurch
ein dritter'Halbleiterbereich 24 entsteht. Danach werden in einem photomechanischen
Prozeß und mit Vakuumniederschlagstechnik, die allgemein bekannt sind, der Isolierfilm
25, die Steuerelektrode 26, die erste Elektrode 27, die zweite Elektrode und ein
Schutzfilm (nicht gezeigt) aufgebracht, so daß das fertige Halbleiterelement gemäß~
Fig. 4 vorliegt.
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Im derart hergestellten Halbleiterelement ist der einen Teil des Transistors
II bildende zweite Halbleiterbereich 23 so angeordnet, daß er den ersten Halbleiterbereich
22, der einen Teil der Diode I darstellt, gegenüber diesem isoliert umgibt, so daß
die Freilaufdiode in dem Teil,
der unmittelbar unter dem Anschlußfleck
liegt, der nicht wesentlich zum Betrieb des Transistors beiträgt, ausgebildet ist.
Damit ist es möglich, ein Halbleiter-Bauelement, welches eine Freilaufdiode integriert
enthält, ohne Vergrößerung der Chipfläche und ohne, daß die Transistoreigenschaften
nachteilig beeinflußt sind, herzustellen. Außerdem ist der Transistor II gegenüber
dem FWD-Teil I des Halbleiter-Bauelementes isoliert. Dadurch kann beim Abschalten
einer induktiven Last durch den Transistor der Rückwärtsstrom sofort durch den FWD-Teil
I fließen, so daß der Rückwärtsstrom nicht in dem Teil des Transistors als Übergangsstrom
fließt, der an die Freilaufdiode angrenzt. Folglich ist die Widerstandsfähigkeit
des Transistors gegen Zerstörung nicht vermindert Ein so hergestelltes Halbleiter-Bauelement,
mit einer Betriebsspannung von 500 V und einem Arbeitsstrom von 10 A) war hinsichtlich
Eigenschaften und Zuverlässigkeit den bekannten Leistungstransistoren mit den selben
Daten, an die eine Freilaufdiode angeschlossen werden mußte, mit gleicher Chipfläche
ebenbürdig.
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Um die Widerstandsfähigkeit des Halbleiter-Baueleme#ts nach den Fig
4 gegen Zerstörung noch zu verbessern ist es wirkungsvoll, die Schaltgeschwindigkeit
der Leer#aufdiode zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird selektiv Gold in die Freilaufdiode
I hineindiffundiert. Wenn in diesem Fall Gold in die gesamte Fläche des Chip eindiffundiert
wird, kann der Gleichstromverstärkungsfaktor des Transistors II abnehmen. Um dies
zu vermeiden, wird das Gold nur im Bereich der Freilaufdiode I eindiffundiert.
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Piq, 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Halbleiter-Bauelementes. In den Fig. 6(a)
und 6(b) weist ein N-Siliziumsubstrat
31 einen spezifischen Widerstand von 50 Dcm auf, bei welchem von der zweiten Oberfläche
her bis zu einer Tiefe von 170 um ein vierter Halbleiter-Bereich durch N-Störstellendiffusion,
20 z.B. Phosphor, mit einer Störstellendichte von 1x10 Atomen/cm2 gebildet wird,
wodurch ein N#N+-Übergang J6 entsteht. Ein erster Halbleiterbereich oder ein Anodenbereich
der Diode wird durch Eindiffundieren von P-Störstellen, z.B. Bor, in die erste Substratoberfläche
bis zu einer Tiefe von 40 um mit einer Störstellendichte von 1x1018 Atomen/cm2 erzeugt,
wobei mit dem Substrat ein 'p"N -Übergang J7 entsteht, der zur Oberfläche des Substrats
31 hin freiliegt.-Die Dicke des Substrats unmittelbar unter dem ersten Halbleiterbereich,
also der Abstand W zwischen "p"N -Übergang J7 und N N+-Übergang J6 beträgt 25 um.
Der erste Halbleiterbereich 33 und das Substrat 31 bilden zusammen eine Freilaufdiode
I. Da der Abstand Wc D zu 25 um festgesetzt wird, beträgt die Spannungsbelastbarkeit
der Diode wenigstens 500 V und dererste Halbleiterbereich kann eine Fläche von 0,5
mm2 haben.
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Mit 24 ist ein zweiter Halbleiterbereich oder der Basisbereich des
Transistors bezeichnet, der durch Zuführen von P-Störstellen, wie Bor, in die Hauptfläche
des Substrats 21 derart, daß er den ersten Halbleiterbereich 33 umgibt, von diesem
jedoch isoliert ist, gebildet werden, so daß jein "p"N-Übergang J8 mit dem Substrat
31 gebildet wird, der zur Substratoberfläche hin an einem Ende-freiliegt.
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Die Störstellendichte beträgt dabei 1x1018 Atome/cm2 bei einer Diffusionstiefe
von 22 um. Die Dicke des Substrats unmittelbar unter dem zweiten Halbleiterbereich
34, d.h. der Abstand Wc T zwischen den Übergängen J6 und J8' beträgt 50 um.
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Der dritte Halbleiterbereich 35 oder der Emitterbereich des Transistors
wird durch Eindiffundieren von N-Störstellen, wie Phosphor, in den zweiten Halbleiterbereich
34
von der Hauptfläche des Substrats her bis zu 10 um Tiefe mit
einer Störstellendichte von 1x1021 Atome/cm2 gebildet, so daß ein "p"N+-Übergang
Jg mit dem zweiten Halbleiterbereich 34 entsteht, der an einem. Ende auf der Substratoberfläche
freiliegt. Das Substrat 31, der zweite Halbleiterbereich 34 und der dritte Halbleiterbereich
35 bilden einen NPN-Transistor II, dessen Spannungsfestigkeit, d h. die Kollektor-Emitter-Dauerspannung
v 500 51 oder höher ist und dessen Kollektor-Basis-Spannung VCBO 600 V oder höher
ist.
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In der Fig. 6 bezeichnet 36 einen Isolationsfilm, der auf. der- Oberfläche
des Substrats 31 ausgebildet ist und Kontaktlöcher 36a, 36b und 36c für den ersten,
den zweiten bzw. dritten Halbleiterbereich 33, 34, 35 aufweist.
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Eine Steuer- oder Basiselektrode 37 ist durch das Kontaktloch 36b
mit dem zweiten Halbleiterbereich 34 verbunden.
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Eine erste oder Emitterelektrode 38 hat durch die Kontaktlöcher 36a
und 36c mit dem ersten bzw. zweiten Halbleiterbereich 33 bzw. 36 Verbindung, wobei
die erste Elektrode gegenüber der Steuerelektrode isoliert ist und sich im wesentlichen
direkt oberhalb des ersten Halbleiterbereichs 33 befindet. Eine zweite oder Kollektorelektrode
39 überdeckt die gesamte zweite Oberfläche des Substrats 31 und ist mit dem vierten
Halbleiterbereich 32 leitend verbunden. Abschirmringe A0 sind durch Einführen von
P-Störstellen in die erste Hauptoberfläche des Substrats in einer solchen Weise
gebildet, daß sie den zweiten Halb--leiterbereich 34 umschließen. Durch Einbringen
von N-Störstellen in die erste Hauptfläche des Substrats 31 ist außerdem eine Kanalunterbrechung
41 hergestellt;1.
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Das beschriebene Halbleiter-Bauelement genügt hinreichend den Spannungsanforderungen,
wonach VCEO(sus) 400 V bis 450V oder mehr und VCBO 500 bis 600 V oder mehr betragen
sollte, wenn ein Transistor mit einer Speisespannung von 200 V betrieben wird. Für
die Diode ist die SpannUngsan-#fo#rderung ebenfalls -erfüllt, die gleich der Kollektor-Basis-Spannung
VCBO ist. Außerdem ist ähnlich wie beim Halbleiterelement nach Fig. 4 auch dann,
wenn der Transistor abschaltet und, aufgrund der Lastinduktivität ein Strom in umgekehrter
Richtung plötzlich durch die Freilaufdiode 1 fließt, kein Anlaß dafür; daß Strom
in umgekehrter Richtung vorübergehend durch einen Teil des Transistors nahe der
Freilaufdiode fließt, so daß auch die Widerstandsfähigkeit des Transistors II gegen
Be= schädigung oder Zerstörung nicht vermindert ist.
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Da der Abstand WC-D kürzer als der Abstand Wc T ist, kann die Fläche
des ersten Halbleiterbereichs 33, die die Diode I bildet, halb so groß (0,5 mm2
) sein wie diejenige des ersten Halbleiterbereichs 22 im ersten Beispiel ( 1 mm2),
das in Fig. 4 gezeigt ist, wodurch der Integrationsgrad wirkungsvoll verbessert
ist.
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#Fig. 7 zeigt die Zusammenhänge zwischen den Abständen Wc T und #Wc
D (in der Zeichnung allgemein mit W C gekennzeichnet) und der Spannungswiderstandsfähigkeit
des Halbleiter-' elementes aus Fig. 6, wobei mit der ~ausgezogenen Kurve A das Spannungswiderstandsverhalten
der Diode I in Abhängigkeit von der Dicke Wc D und mit der gestrichelten Linie B
die Beziehung zwischen der Spannung #CEO(SUS) und der Dicke Wc T bei h FE = 20 des
Transistors II zarge stellt sind. Aus diesem Diagramm der Fig. 7 geht hervor, daß,
wenn die Dicke WCT des Substrats 31, das die Kollektorschicht des Transistors II
bildet, auf 50 um eingestellt
wird, die Dicke WC D des Substrats
31, mit der die Kathodenschicht der Diode I gebildet wird, 25 llm sein kann. Wird
das Spannungsaushaltevermögen oder die Stehspannung des Transistors II gleich der
der Diode I gemacht, so kann die Dicke Wc D geringer als die Dicke WC T sein, so
daß folglich der Bereich der Diode 1 kleiner sein kann.
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Bisher wurde die Erfindung anhand eines NPN-Transistors dargelegt,
doch versteht es sich, daß das technische Konzept ebenso bei einem PNP-Transistor,
einem Darlington-Transistor oder einem bipolaren IC einsetzbar ist.
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Gemäß der Beschreibung ist beim erfindungsgemäßen Halbleiterelement
die Schutzdiode für den Transistor unmittelbar unterhalb des Anschlußflecks der
Emitterelektrode derart angeordnet, daß sie vom Basisbereich ferngehalten wird.
Damit wird das erfindungsgemäße Halbleiterelement bezüglich seiner Eigenschaften
und Zuverlässigkeit derjenigen gleichwertig, bei denen an den Transistor außen eine
Schutzdiode angeschlossen wird. Die Dicke einer Hauptelektrodenschicht der Diode,
die dieselbe Halbleiterschicht wie der Transistor besitzt, kann geringer gemacht
werden als diejenige der Kollektor schicht des Transistors. Es ist dadurch möglich,
den Flächenbereich-der Diode zu verringern, wenn die Stehspannung des Transistors
gleich derjenigen der Diode gemacht wird, was zur Miniaturisierung des Halbleiterelementes
beiträgt.
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