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CH659151A5 - FIXED BODY SWITCH WITH A SEMICONDUCTOR BODY AND CIRCUIT ARRANGEMENT WITH AT LEAST TWO FIXED BODY SWITCHES. - Google Patents

FIXED BODY SWITCH WITH A SEMICONDUCTOR BODY AND CIRCUIT ARRANGEMENT WITH AT LEAST TWO FIXED BODY SWITCHES. Download PDF

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Publication number
CH659151A5
CH659151A5 CH6266/80A CH626680A CH659151A5 CH 659151 A5 CH659151 A5 CH 659151A5 CH 6266/80 A CH6266/80 A CH 6266/80A CH 626680 A CH626680 A CH 626680A CH 659151 A5 CH659151 A5 CH 659151A5
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
zone
solid
semiconductor
gate
state switch
Prior art date
Application number
CH6266/80A
Other languages
German (de)
Inventor
Joseph Ernest Berthold
Adrian Ralph Hartman
Rae Alfred Urquhart Mac
Terence James Riley
Peter William Shackle
Original Assignee
Western Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Western Electric Co filed Critical Western Electric Co
Publication of CH659151A5 publication Critical patent/CH659151A5/en

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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L21/71Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
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    • H01L21/762Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/76297Dielectric isolation using EPIC techniques, i.e. epitaxial passivated integrated circuit
    • HELECTRICITY
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörperschalter gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Schai-tungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 11. The invention relates to a solid-state switch according to the preamble of claim 1 and a circuit arrangement according to the preamble of claim 11.

In dem Aufsatz von Douglas E. Houston und Mitarbeitern mit dem Titel «A Field Terminated Diode», veröffentlicht in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-23, Nr. 8, August 1976 ist ein diskreter Festkörperschalter für hohe Spannungen mit einer vertikalen Struktur beschrieben, bei dem eine Zone vorgesehen ist, welche zur Erzielung des «AUS»-Zustan-des abgeschnürt und zur Erzielung des «EIN»-Zustandes durch Injektion von Ladungsträgerpaaren stark leitend gemacht wird. Bei diesem Schalter ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, dass er sich nur schwer in integrierter Schaltkreistechnik, d.h. zusammen mit anderen ähnlichen Festkörperschaltern auf einem gemeinsamen Substrat herstellen lässt. Ein weiteres Problem ergibt sich aus dem Umstand, dass der Abstand zwischen den Gates und der Kathode klein sein sollte, um die Grösse der Gatesteuerspannung gering zu halten; durch diese Massnahme wird jedoch der nutzbare Spannungsbereich begrenzt, weil dadurch die Gitter/Kathoden-Durchbruchsspannung herabgesetzt wird. Durch diese Begrenzung wird auch die Verwendbarkeit von zwei solchen Bauelementen in Antiparallelschaltung, das ist die Verbindung der Kathode jedes Bauelementes mit der Anode des anderen, auf relativ geringe Spannungen beschränkt. Eine In the paper by Douglas E. Houston and co-workers entitled "A Field Terminated Diode", published in IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-23, No. 8, August 1976, a discrete solid-state switch for high voltages with a vertical Structure described in which a zone is provided, which is pinched off to achieve the “OFF” state and made highly conductive by injection of charge carrier pairs to achieve the “ON” state. However, this switch has the difficulty that it is difficult to use integrated circuit technology, i.e. can be produced together with other similar solid-state switches on a common substrate. Another problem arises from the fact that the distance between the gates and the cathode should be small in order to keep the size of the gate control voltage small; this measure limits the usable voltage range because it reduces the grid / cathode breakdown voltage. This limitation also limits the usability of two such components in anti-parallel connection, that is, the connection of the cathode of each component to the anode of the other, to relatively low voltages. A

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solche Zweifach-Schalteranordnung wäre als ein bidirektionaler Festkörperschalter für hohe Spannungen einsetzbar. Ein zusätzliches Problem ergibt sich daraus, dass die Basiszone im Idealfall hoch dotiert sein sollte, um einen Durchbruch von der Anode zum Gate zu vermeiden. Derartige Festkörperschalter sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 722 079, 3 657 616 und 3 911 463 beschrieben. Weiter sind im INTERNATIONAL SWITCHING SYMPOSIUM, Ausgabe 25. Oktober 1976, Kyoto, Japan, ein Vortrag über «DEVELOPMENT OF INTE-GRATED SEMICONDUCTORS CROSSPOINT SWITCHES AND A FULLY ELECTRONIC SWITCHING SYSTEM» und im IEEE INTERNATIONAL SOLID STATE CIRCUITS CONF., Ausgabe 17. Februar 1978, ein Vortrag über «A MOS-CONTROLLED TRIAC DEVICE» veröffentlicht worden. Bei solchen bekannten Festkörperschaltern mit hoher Dotierung der Basiszone führt dies jedoch zu einer geringen Spannungsdurchschlagfestigkeit zwischen Anode und Kathode. Der Durch-bruch-Effekt kann zwar durch eine Verbreiterung der Basiszone begrenzt werden, doch wird dadurch auch der Widerstand des Schalters im «EIN»-Zustand erhöht. such a double switch arrangement could be used as a bidirectional solid-state switch for high voltages. An additional problem arises from the fact that the base zone should ideally be highly doped in order to avoid a breakdown from the anode to the gate. Solid-state switches of this type are described, for example, in US Pat. Nos. 3,722,079, 3,657,616 and 3,911,463. There is also a lecture in the INTERNATIONAL SWITCHING SYMPOSIUM, October 25, 1976, Kyoto, Japan, on "DEVELOPMENT OF INTE-GRATED SEMICONDUCTORS CROSSPOINT SWITCHES AND A FULLY ELECTRONIC SWITCHING SYSTEM" and in the IEEE INTERNATIONAL SOLID STATE CIRCUITS CONF., February 17 1978, a lecture on "A MOS-CONTROLLED TRIAC DEVICE" was published. In such known solid-state switches with high doping of the base zone, however, this leads to a low dielectric strength between anode and cathode. The breakthrough effect can be limited by widening the base zone, but this also increases the resistance of the switch when it is in the "ON" state.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Festkörperschalters, welcher leicht auf eine Weise zu integrieren ist, dass zwei oder mehrere Schalter gleichzeitig auf einem Substrat hergestellt werden können, wobei jeder Schalter in der Lage ist, relativ hohe Spannungen in beiden Richtungen zu sperren. The object of the invention is therefore to provide a solid-state switch which can be easily integrated in such a way that two or more switches can be produced simultaneously on one substrate, each switch being able to block relatively high voltages in both directions .

Der erfindungsgemässe Festkörperschalter ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale. The solid-state switch according to the invention is characterized by the features stated in the characterizing part of patent claim 1.

Die erfindungsgemässe Schalteranordnung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 11 angeführten Merkmale gekennzeichnet. The switch arrangement according to the invention is characterized by the features stated in the characterizing part of patent claim 11.

Der Aufbau ist so gewählt, dass während des Betriebs eine Injektion von Ladungsträgerpaaren erfolgt. The structure is selected so that pairs of charge carriers are injected during operation.

Ein derartiger Halbleiteraufbau arbeitet bei geeigneter Ausbildung als Schalter, welcher sich durch einen niederohmigen Strompfad zwischen Anode und Kathode im EIN-(leitenden) Zustand und durch einen hochohmigen Strompfad zwischen Anode und Kathode im AUS-(sperrenden) Zustand auszeichnet. Such a semiconductor structure works with a suitable design as a switch, which is characterized by a low-resistance current path between the anode and cathode in the ON (conductive) state and by a high-resistance current path between the anode and cathode in the OFF (blocking) state.

Das der Gatezone zugeführte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Da während des EIN-Zustandes eine Injektion von Ladungsträgerpaaren erfolgt, ergibt sich zwischen Anode und Kathode ein relativ geringer Widerstand. Mit Hilfe eines solchen Aufbaus, der als getasteter Diodenschalter (GDS = gated diode switch) bezeichnet werden soll, lassen sich bei geeigneter Auslegung im sperrenden AUS-Zustand eine relativ grosse, von der Polarität unabhängige Spannungsdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenzone und im leitenden EIN-Zu-stand einrelativ grosser Strombetrag bei relativ geringem Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode anlegen. Derartige getastete Diodenschalter (GDSs) können in Gruppen zusammen mit anderen, für hohe Spannungen ausgelegten Festkörperschaltern auf einem einzigen integrierten Schaltkreis-Chip hergestellt werden. Die nach beiden Richtungen bestehende Sperrcharakteristik gestattet die Verwendung zweier Diodenschalter als bidirektionaler Schalter, wobei jeweils die Kathode des einen Schalters mit der Anode des anderen Schalters und die Gateelektroden beider Schalter miteinander verbunden sind. The potential supplied to the gate zone determines the state of the switch. Since charge carrier pairs are injected during the ON state, there is a relatively low resistance between the anode and the cathode. With the help of such a structure, which is to be referred to as a gated diode switch (GDS), with a suitable design in the blocking OFF state, a relatively large voltage difference between the anode and cathode zones, which is independent of the polarity, and in the conductive ON- Condition was to apply a relatively large amount of current with a relatively low voltage drop between anode and cathode. Such keyed diode switches (GDSs) can be manufactured in groups together with other high voltage solid state switches on a single integrated circuit chip. The blocking characteristic existing in both directions allows the use of two diode switches as bidirectional switches, the cathode of one switch being connected to the anode of the other switch and the gate electrodes of both switches being connected to one another.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden beispielhaften Beschreibung der Zeichnungen. Further details and advantages of the invention will become apparent from the following exemplary description of the drawings.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung; 1 shows a section through a solid-state switch according to a first embodiment of the invention.

Fig. 2 ein elektrisches Schaltsystem für den Festkörperschalter nach Fig. 1; FIG. 2 shows an electrical switching system for the solid-state switch according to FIG. 1;

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines bidirektionalen Schalters gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 3 shows an electrical circuit diagram of a bidirectional switch according to a further embodiment of the invention;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 4 shows a section through a solid-state switch according to a further embodiment of the invention;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 5 shows a section through a solid-state switch according to a further embodiment of the invention;

Fig. 6 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; 6 shows a section through a solid-state switch according to a further embodiment of the invention;

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Festkörperschalter gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und 7 shows a section through a solid-state switch according to a further embodiment of the invention; and

Fig. 8 eine Draufsicht auf den Festkörperschalter gemäss Fig. 7. 8 is a plan view of the solid-state switch according to FIG. 7.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Vorrichtung 10 dargestellt, welche einen N-leitenden Halbleiterträger 12 mit einer Oberseite 11 und einem monokristallinen Halbleiterkörper 16 umfasst, wobei der Grundkörper des Halbleiterkörpers P-lei-tend und vom Halbleiterträger durch die dielektrische Schicht 14 getrennt ist. 1 shows a section through a device 10 which comprises an N-conducting semiconductor carrier 12 with a top side 11 and a monocrystalline semiconductor body 16, the main body of the semiconductor body being P-conducting and separated from the semiconductor carrier by the dielectric layer 14 is.

Eine abgegrenzte P+-leitende Anodenzone 18 befindet sich innerhalb des Halbleiterkörpers 16 und erstreckt sich mit einem Teilbereich bis zur Oberseite 11. Eine abgegrenzte, N+-leitende Gatezone 20 befindet sich ebenfalls innerhalb des Halbleiterkörpers 16 und erstreckt sich mit einem Teilbereich bis zur Oberseite 11. Weiterhin befindet sich eine abgegrenzte, N +-leitende Kathodenzone 24 innerhalb des Halbleiterkörpers 16 und erstreckt sich mit einem Teilbereich bis zur Oberseite 11. Eine P+-leitende, sich teilweise bis zur Oberseite 11 erstreckende Zone. 22 umgibt die Zone 24 und wirkt als Schild gegenüber einem Durchbruch der Verarmungsschicht. Die Wirkung dieser Zone verhindert ausserdem eine Inversion von Teilbereichen des Halbleiterkörpers 16 an oder nahe der Oberseite 11 zwischen den Zonen 20 und 24. Die Gatezone 20 befindet sich zwischen der Anodenzone 18 und Zone 22 und ist von beiden durch den Grundkörper des Halbleiterkörpers 16 getrennt. Der spezifische Widerstand der Zone 22 liegt zwischen dem Wert für die Kathodenzone 24 und demjenigen für den Grundkörper des Halbleiterkörpers. A delimited P + -conducting anode zone 18 is located within the semiconductor body 16 and extends with a partial area up to the upper side 11. A delimited, N + -conducting gate zone 20 is also located within the semiconductor body 16 and extends with a partial area up to the upper side 11. Furthermore, a delimited, N + -conducting cathode zone 24 is located within the semiconductor body 16 and extends with a partial area up to the upper side 11. A P + -conducting zone, which partially extends up to the upper side 11. 22 surrounds zone 24 and acts as a shield against a breakthrough of the depletion layer. The effect of this zone also prevents inversion of partial areas of the semiconductor body 16 on or near the top 11 between the zones 20 and 24. The gate zone 20 is located between the anode zone 18 and zone 22 and is separated from both by the base body of the semiconductor body 16. The specific resistance of the zone 22 lies between the value for the cathode zone 24 and that for the base body of the semiconductor body.

Die Elektroden 28, 30 und 32 stellen Leiter für einen niederohmigen Kontakt mit den Oberflächenbereichen der Zonen 18, 20 und 24 dar. Eine dielektrische Schicht 26 bedeckt die Oberseite 11 derart, dass die Elektroden 28, 30 und 32 gegenüber allen Bereichen isoliert sind, wobei allerdings diejenigen Bereiche ausgenommen sind, mit denen ein elektrischer Kontakt vorgesehen ist. Mittels einer hochdotierten Zone 34, welche den gleichen Leitungstyp wie der Halbleiterträger 12 aufweist, stellt eine Elektrode 36 einen niederohmigen Kontakt mit dem Halbleiterträger 12 her. The electrodes 28, 30 and 32 represent conductors for low-resistance contact with the surface regions of the zones 18, 20 and 24. A dielectric layer 26 covers the top 11 in such a way that the electrodes 28, 30 and 32 are insulated from all regions, whereby however, those areas with which an electrical contact is provided are excluded. By means of a highly doped zone 34, which has the same conductivity type as the semiconductor carrier 12, an electrode 36 makes a low-resistance contact with the semiconductor carrier 12.

Vorteilhafterweise bestehen Halbleiterträger 12 und Halbleiterkörper 16 aus Silicium, wobei der Halbleiterträger 12 entweder N-leitend oder P-leitend sein kann. Jede der Elektroden 28, 30 und 32 überlappt zweckmässigerweise die zugehörige Halbleiterzone, mit welcher sie in niederohmigem Kontakt steht. Diese als Feldbelag (field plating) bekannte Überlappung erleichtert den Betrieb bei hohen Spannungen, da sie den Spannungswert für das Auftreten eines Durchschlags erhöht. Die dielektrische Schicht 14 besteht aus Siliciumdioxid, während die Elektroden 28, 30, 32 und 36 alle aus Aluminium bestehen. Gegenüber den angegebenen Leitfähigkeiten können auch die komplementären Leitfähigkeiten verwendet werden. The semiconductor carrier 12 and the semiconductor body 16 advantageously consist of silicon, wherein the semiconductor carrier 12 can be either N-type or P-type. Each of the electrodes 28, 30 and 32 expediently overlaps the associated semiconductor zone with which it is in low-resistance contact. This overlap, known as field plating, facilitates operation at high voltages because it increases the voltage value for the occurrence of a breakdown. The dielectric layer 14 is made of silicon dioxide, while the electrodes 28, 30, 32 and 36 are all made of aluminum. Compared to the specified conductivities, the complementary conductivities can also be used.

Eine Vielzahl von getrennten Grundkörpern 16 können in einem gemeinsamen Halbleiterträger 12 ausgebildet sein, um eine Vielzahl von Schaltern vorzusehen. In sinnvoller Weise kann die Planartechnik herangezogen werden, um zahlreiche Bauelemente als eine integrierte Schaltung auf einer gemeinsamen Oberfläche herzustellen. A plurality of separate base bodies 16 can be formed in a common semiconductor carrier 12 in order to provide a plurality of switches. The planar technology can be used in a meaningful way to produce numerous components as an integrated circuit on a common surface.

Die Vorrichtung 10 arbeitet typischerweise als ein Schalter, welcher durch einen Strompfad geringer Impedanz zwischen Anodenzone und Kathodenzone 24 im EIN-(leitenden) Zustand und durch einen Strompfad hoher Impedanz zwischen den beiden Zonen im AUS-(sperrenden) Zustand gekennzeichnet ist. The device 10 typically operates as a switch, which is characterized by a low impedance current path between the anode zone and cathode zone 24 in the ON (conductive) state and by a high impedance current path between the two zones in the OFF (blocking) state.

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Das der Gatezone 20 zugeführte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Eine leitende Verbindung zwischen Anodenzone 18 und Kathodenzone 24 besteht dann, wenn das Potential der Gatezone 20 niedriger als das Potential der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 ist. Während des EIN-Zu-standes werden Defektelektronen von der Anodenzone 18 in den Halbleiterkörper 16 und Elektronen von der Kathodenzone 24 in den Halbleiterkörper 16 injiziert. Diese Defektelektronen und Elektronen können in genügend grosser Zahl eingebracht werden, um ein Plasma zu bilden, dessen Leitfähigkeit den Halbleiterkörper 16 moduliert. Dieser Vorgang setzt den Widerstand des Halbleiterkörpers 16 in einer solchen Weise herab, dass der Widerstand zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 klein wird, wenn die Vorrichtung 10 im EIN-Zu-stand arbeitet. Diese Betriebsweise wird als Injektion von Ladungsträgerpaaren bezeichnet. Die hier beschriebene Art der Vorrichtung wird als getasteter Diodenschalter (GDS = Gated Diode Switch) bezeichnet. The potential supplied to the gate zone 20 determines the state of the switch. A conductive connection exists between anode zone 18 and cathode zone 24 when the potential of the gate zone 20 is lower than the potential of the anode zone 18 and the cathode zone 24. During the ON state, defect electrons are injected from the anode zone 18 into the semiconductor body 16 and electrons from the cathode zone 24 into the semiconductor body 16. These defect electrons and electrons can be introduced in sufficient numbers to form a plasma, the conductivity of which modulates the semiconductor body 16. This process lowers the resistance of the semiconductor body 16 in such a manner that the resistance between the anode zone 18 and the cathode zone 24 becomes small when the device 10 is operating in the ON state. This mode of operation is referred to as injection of pairs of carriers. The type of device described here is referred to as a gated diode switch.

Die Zone 22 trägt zur Begrenzung des Durchbruchs einer Verarmungsschicht bei, die sich im Betrieb zwischen der Gatezone 20 und der Kathodenzone 24 ausbildet, und hilft zu verhindern, dass zwischen diesen beiden Zonen eine Inversionsschicht an der Oberfläche entsteht. Dies erlaubt einen geringeren Abstand zwischen Gatezone 20 und Kathodenzone 24, was zu einem relativ geringen Widerstand zwischen Anodenzone 18 und Kathodenzone 22 während des EIN-Zustandes führt. Zone 22 helps limit the breakthrough of a depletion layer that is formed between gate zone 20 and cathode zone 24 during operation and helps prevent an inversion layer from forming on the surface between these two zones. This allows a smaller distance between gate zone 20 and cathode zone 24, which leads to a relatively low resistance between anode zone 18 and cathode zone 22 during the ON state.

Das Substrat 12 wird typischerweise auf dem höchstmöglich verfügbaren, positiven Spannungspegel gehalten. Die Leitung zwischen Anodenzone 18 und Kathodenzone 14 wird verhindert oder ist unterbrochen, wenn das Potential an der Gatezone 20 einen ausreichend positiveren Wert als das Potential an Anodenzone 18 und Kathodenzone 24 aufweist. Der zur Verhinderung oder Unterbrechung der Leitung benötigte zusätzliche Betrag an positivem Potential ist von der Geometrie und den Niveaus der Störstellenkonzentration (Dotierung) der Vorrichtung 10 abhängig. Dieses positive Gatepotential veranlasst den zwischen Gatezone 20 und dielektrischer Schicht 14 befindlichen Teil des Halbleiterkörpers 14, an stromführenden Ladungsträgern zu verarmen, so dass das Potential dieses Teils des Halbleiterkörpers 16 positiver als dasjenige der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 ist. Diese positive Potentialbarriere verhindert die Leitung von Defektelektronen von der Anodenzone 14 zur Kathodenzone 24. Hierdurch wird im wesentlichen der Halbleiterkörper 16 gegen die dielektrische Schicht 14 in dem zwischen Gatezone 20 und dielektrischer Schicht 14 befindlichen Teil des Grundkörpers abgeschnürt. Ausserdem wird damit eine Sammlung der von der Kathodenzone 24 emittierten Elektronen erreicht, bevor diese zur Anodenzone 18 gelangen können. The substrate 12 is typically maintained at the highest possible positive voltage level. The line between anode zone 18 and cathode zone 14 is prevented or is interrupted if the potential at the gate zone 20 has a sufficiently more positive value than the potential at the anode zone 18 and cathode zone 24. The additional amount of positive potential required to prevent or interrupt the line depends on the geometry and the levels of the impurity concentration (doping) of the device 10. This positive gate potential causes the part of the semiconductor body 14 located between the gate zone 20 and the dielectric layer 14 to become depleted of current-carrying charge carriers, so that the potential of this part of the semiconductor body 16 is more positive than that of the anode zone 18 and the cathode zone 24. This positive potential barrier prevents the conduction of defect electrons from the anode zone 14 to the cathode zone 24. This essentially constricts the semiconductor body 16 against the dielectric layer 14 in the part of the base body located between the gate zone 20 and the dielectric layer 14. In addition, a collection of the electrons emitted by the cathode zone 24 is achieved before they can reach the anode zone 18.

Während des EIN-Zustandes der Vorrichtung 10 ist der aus dem Halbleiterkörper 16 und der Zone 20 bestehende Diodenübergang in Flussrichtung vorgespannt. Vorzugsweise werden strombegrenzende Mittel (nicht dargestellt) einbezogen, um die Leitung durch die in Flussrichtung vorgespannte Diode zu begrenzen. During the ON state of the device 10, the diode junction consisting of the semiconductor body 16 and the zone 20 is biased in the direction of flow. Current limiting means (not shown) are preferably included in order to limit the conduction through the diode biased in the direction of flow.

Ein für diesen Schalter vorgeschlagenes elektrisches Symbol ist in Fig. 2 dargestellt. Die Anoden-, Gate- und Kathodenelektrode des getasteten Diodenschalters (GDS) sind mit den Anschlüssen 28, 30 und 32 bezeichnet. An electrical symbol proposed for this switch is shown in FIG. 2. The anode, gate and cathode electrodes of the keyed diode switch (GDS) are labeled with the connections 28, 30 and 32.

Eine Ausführung der Vorrichtung 10 wurde in der folgenden Weise ausgebildet. Der Halbleiterträger 12 besteht aus einem N-leitenden Siliciumsubstrat 0,457 bis 0,559 mm dick, mit einer Störstellenkonzentration von etwa 2 X 1013 Fremdatomen pro cm3 und weist einen spezifischen Widerstand von grösser 100 Ohm-cm auf. Die dielektrische Schicht 14 wird aus einer 2 bis 4 Mikron dichten Siliciumdioxidschicht 14 gebildet. Der Halbleiterkörper 16 hat typischerweise eine Dicke von 30 bis 50 Mikron, ist etwa 430 Mikron lang, 300 Mikron breit und weist eine P-Leitung mit einer Störstellenkonzentration im Bereich von 5 bis 9 X 1013 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Anodenzone 18 ist P+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 44 Mikron breit, 52 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von etwa 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 28 besteht typischerweise aus Aluminium mit einer Dicke von 1,5 Mikron, einer Breite von 84 Mikron und einer Länge von 105 Mikron. Die Zone 20 ist N+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 15 Mikron breit, 300 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von etwa 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 30 besteht aus Aluminium und ist 1,5 Mikron dick, 50 Mikron breit und 210 Mikron lang. Der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 28 und 30 und zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 30 und 32 ist in beiden Fällen typischerweise 40 Mikron. Die Zone 22 ist P-leitend, typischerweise 3 bis 6 Mikron dick, 64 Mikron breit, 60 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von etwa IO17 bis 1018 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Kathodenzone 24 ist N+-leitend, und typischerweise 2 Mikron dick, 48 Mikron breit, 44 Mikron lang und weist eine Störstellenkon-zentration von etwa 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 32 besteht aus Aluminium und ist 1,5 Mikron dick, 104 Mikron breit und 104 Mikron lang. Der Abstand zwischen den Begrenzungen der Zonen 18 und 22 und den entsprechenden Begrenzungen der Zone 16 beträgt typischerweise 55 Mikron. Zone 34 ist N+-leitend, typischerweise 2 Mikron dick, 26 Mikron breit, 26 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 36 besteht aus Aluminium von 1,5 Mikron Dicke, 26 Mikron Breite und 26 Mikron Länge. An embodiment of the device 10 was designed in the following manner. The semiconductor carrier 12 consists of an N-type silicon substrate 0.457 to 0.559 mm thick, with an impurity concentration of approximately 2 × 1013 foreign atoms per cm 3 and has a specific resistance of greater than 100 ohm-cm. The dielectric layer 14 is formed from a 2 to 4 micron dense silicon dioxide layer 14. The semiconductor body 16 typically has a thickness of 30 to 50 microns, is approximately 430 microns long, 300 microns wide and has a P-line with an impurity concentration in the range from 5 to 9 × 1013 foreign atoms per cm 3. The anode zone 18 is P + -conducting, typically 2 to 4 microns thick, 44 microns wide, 52 microns long and has an impurity concentration of about 1019 foreign atoms per cm 3. Electrode 28 is typically made of aluminum 1.5 microns thick, 84 microns wide and 105 microns long. Zone 20 is N + -conducting, typically 2 to 4 microns thick, 15 microns wide, 300 microns long and has an impurity concentration of approximately 1019 foreign atoms per cm 3. The electrode 30 is made of aluminum and is 1.5 microns thick, 50 microns wide and 210 microns long. The distance between the adjacent edges of electrodes 28 and 30 and between the adjacent edges of electrodes 30 and 32 is typically 40 microns in both cases. Zone 22 is P-type, typically 3 to 6 microns thick, 64 microns wide, 60 microns long and has an impurity concentration of approximately IO17 to 1018 foreign atoms per cm3. The cathode zone 24 is N + -conducting, and typically 2 microns thick, 48 microns wide, 44 microns long and has an impurity concentration of approximately 1019 foreign atoms per cm 3. The electrode 32 is made of aluminum and is 1.5 microns thick, 104 microns wide and 104 microns long. The distance between the boundaries of zones 18 and 22 and the corresponding boundaries of zone 16 is typically 55 microns. Zone 34 is N + conductive, typically 2 microns thick, 26 microns wide, 26 microns long, and has an impurity concentration of 1019 foreign atoms per cm3. The electrode 36 is made of aluminum 1.5 microns thick, 26 microns wide and 26 microns long.

Die mit den vorstehend angeführten Kenngrössen ausgestattete Vorrichtung 10 arbeitete als getasteter Diodenschalter (GDS) mit einer Spannung von 500 V zwischen Anode und Kathode. Um eine Natriumsperre vorzusehen wurde durch chemisches Aufdampfen eine Schicht aus Siliciumnitrid auf der Oberseite der Siliciumdioxidschicht 26 aufgebracht. Danach wurden die Elektroden 28, 30, 32 und 36 ausgebildet, und anschliessend wurde ein im HF-Plasma niedergeschlagener Belag aus Siliciumnitrid (nicht dargestellt) auf der gesamten Oberseite der Vorrichtung 10 aufgebracht, wobei nur die Bereiche zur Herstellung eines elektrischen Kontakts ausgenommen waren. Die Schichten aus Siliciumnitrid helfen einen Überschlag hoher Spannungen zwischen den benachbarten Elektroden über die Luft zu verhindern. The device 10 equipped with the above-mentioned parameters worked as a keyed diode switch (GDS) with a voltage of 500 V between the anode and cathode. In order to provide a sodium barrier, a layer of silicon nitride was deposited on top of the silicon dioxide layer 26 by chemical vapor deposition. The electrodes 28, 30, 32 and 36 were then formed, and then a silicon nitride coating (not shown) deposited in the HF plasma (not shown) was applied to the entire top of the device 10, with the exception of the regions for making electrical contact. The layers of silicon nitride help prevent high voltage arcing between the neighboring electrodes through the air.

Typischerweise liegen an der Anode + 250 Volt, an der Kathode —250 Volt und am Substrat 12 +280 Volt an. In gleicher Weise können an der Anode —250 Volt und an der Kathode + 250 Volt angeschlossen sein. Auf diese Weise riegelt die Vorrichtung 10 die Spannung zwischen Anode und Kathode nach beiden Seiten ab. Ein an den Gateanschluss 30 angelegtes Potential von + 280 Volt unterbrach den 350 mA betragenden Stromfluss zwischen der Anodenzone 15 und der Kathodenzone 24. Bei einem Stromfluss von 100 mA zwischen Anode und Kathode beträgt der EIN-Widerstand des GDS ungefähr 15 Ohm, wobei der Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode typischerweise 2,2 Volt ausmacht. Typically there is + 250 volts on the anode, -250 volts on the cathode and 12 +280 volts on the substrate. Similarly, -250 volts can be connected to the anode and + 250 volts to the cathode. In this way, the device 10 seals off the voltage between the anode and cathode on both sides. A potential of + 280 volts applied to the gate connection 30 interrupted the 350 mA current flow between the anode zone 15 and the cathode zone 24. With a current flow of 100 mA between the anode and cathode, the ON resistance of the GDS is approximately 15 ohms, with the voltage drop is typically 2.2 volts between the anode and cathode.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemässe, bidirektionale Schalteranordnung mit zwei GDS (GDS und GDSa) dargestellt, bei welcher die Elektrode 28 (die Anodenelektrode von GDS) elektrisch mit der Elektrode 32a (der Kathodenelektrode von GDSa) und die Elektrode 32 (die Kathodenelektrode von GDS) elektrisch mit der Elektrode 28a (der Anodenelektrode von GDSa) verbunden ist. Diese Schalteranordnung ist in der Lage, Signale von den Elektroden 28 und 32a zu den Elektroden 28a und 32 oder umgekehrt zu leiten. Die zweiseitige Sperrcharakteristik der Vorrichtung 10 erleichtert diese in beiden Richtungen wirkende Schalteranordnung. Zwei getrennte Halbleiterkörper 16 können auf einem gemeinsamen Halbleiterträger 12 ausgebildet 3 shows a bidirectional switch arrangement according to the invention with two GDS (GDS and GDSa), in which the electrode 28 (the anode electrode of GDS) is electrically connected to the electrode 32a (the cathode electrode of GDSa) and the electrode 32 (the cathode electrode of GDS) is electrically connected to the electrode 28a (the anode electrode of GDSa). This switch arrangement is capable of routing signals from electrodes 28 and 32a to electrodes 28a and 32 or vice versa. The double-sided blocking characteristic of the device 10 facilitates this switch arrangement acting in both directions. Two separate semiconductor bodies 16 can be formed on a common semiconductor carrier 12

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

659 151 659 151

und die geeigneten elektrischen Verbindungen vorgenommen werden, um den vorstehend beschriebenen, bidirektionalen Schalter herzustellen. Auch eine Vielzahl von getrennten Halbleiterkörpern 16 können auf einem gemeinsamen Halbleiterträger 12 zur Herstellung von Schaltergruppen ausgebildet sein. and the appropriate electrical connections are made to establish the bi-directional switch described above. A large number of separate semiconductor bodies 16 can also be formed on a common semiconductor carrier 12 for producing switch groups.

Eine der Vorrichtung 10 sehr ähnliche Vorrichtung 410 ist in Fig. 4 dargestellt, wobei alle der Vorrichtung 10 im wesentlichen identischen oder sehr ähnlichen Komponenten mit der gleichen Bezugsziffer unter Voranstellung einer «4» bezeichnet sind. Der grundlegende Unterschied zwischen den Vorrichtungen 410 und 10 ist der Wegfall der in Fig. 1 gezeigten Halbleiterzone 22 bei der Vorrichtung 410. Durch eine geeignete Erhöhung des Abstandes zwischen den Zonen 424 und 420 wird ein ausreichender Schutz gegenüber einem Durchbruch der Verarmungsschicht zur Zone 424 erreicht, wodurch eine Verwendung der Vorrichtung 410 als Schalter für hohe Spannungen möglich ist. A device 410 very similar to device 10 is shown in FIG. 4, wherein all components which are essentially identical or very similar to device 10 are identified by the same reference number, preceded by a “4”. The fundamental difference between the devices 410 and 10 is the elimination of the semiconductor zone 22 shown in FIG. 1 in the device 410. A suitable increase in the distance between the zones 424 and 420 provides adequate protection against a breakthrough of the depletion layer to the zone 424 , allowing device 410 to be used as a high voltage switch.

Eine der Vorrichtung 10 sehr ähnliche Vorrichtung 510 ist in Fig. 5 dargestellt, wobei alle der Vorrichtung 10 im wesentlichen gleichen oder sehr ähnlichen Komponenten mit der gleichen Bezugsziffer unter Voranstellung einer «5» bezeichnet sind. Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Vorrichtungen 510 und 10 liegt in der Verwendung einer ringförmigen Schutzzone 540 aus Halbleitermaterial, welche die Kathodenzone 524 umschliesst. Durch gestrichelte Linien ist angedeutet, dass der Schutzring 540 so weit verlängert sein kann, dass er die Kathodenzone 524 berührt. Die Verbindung von Zone 522 und Schutzring 540 ergibt sowohl eine Schutzwirkung gegenüber einer Inversion von Teilbereichen der Zone 516 an oder nahe der Oberfläche 511 speziell im Bereich zwischen der Gatezone 520 und der Kathodenzone 524 als auch eine Schutzwirkung gegenüber einem Durchbruch der Verarmungsschicht zur Kathodenzone 524. Der Schutzring 540 ist vom gleichen Leitungstyp wie Zone 522, weist aber einen geringeren spezifischen Widerstand auf. Diese Art einer die Kathodenzone 524 zweifach umschlies-senden Schutzstruktur stellt die bevorzugte Schutzstruktur dar. A device 510 very similar to device 10 is shown in FIG. 5, wherein all components which are essentially the same or very similar to device 10 are identified by the same reference number, preceded by a “5”. The main difference between devices 510 and 10 is the use of an annular protection zone 540 made of semiconductor material, which encloses the cathode zone 524. Dashed lines indicate that the protective ring 540 can be extended so far that it touches the cathode zone 524. The connection of zone 522 and protective ring 540 provides both a protective effect against an inversion of partial regions of zone 516 at or near surface 511, in particular in the region between gate zone 520 and cathode zone 524, and also a protective effect against breakthrough of the depletion layer to cathode zone 524. Guard ring 540 is of the same conduction type as zone 522 but has a lower resistivity. This type of protective structure which surrounds the cathode zone 524 twice represents the preferred protective structure.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sollen in beispielhafter Weise die generellen Prinzipien der Erfindung darstellen. Zahlreiche Modifikationen sind ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken möglich. So können beispielsweise bei den beschriebenen Ausführungsformen die Halbleiterträger 12, 412 und 512 alternativ aus P-leitendem Silicium, Galliumar-senid, Saphir, einem leitenden oder einem elektrisch inaktiven Material bestehen, Sind die Zonen 12, 412 und 512 aus einem elektrisch inaktiven Material, dann können die dielektrischen Schichten 14, 414 und 514 entfallen. Weiterhin lassen sich die Halbleiterkörper 16, 416 und 516 als luftisolierte Strukturen herstellen. Damit können die Halbleiterträger 12, 412 und 512 sowie die dielektrischen Schichten 14, 414 und 514 weggelassen werden. Die Elektroden können aus dotiertem Poly-Silicium, Gold, Titan oder einem anderen Leitertyp bestehen. Weiterhin können die Grösse der Störstellenkonzentration, die Abstände zwischen den verschiedenen Zonen und weitere Abmessungen der Zonen so eingerichtet sein, dass sie für merklich unterschiedliche Spannungen und Ströme gegenüber den beschriebenen ausgelegt sind. Andere dielektrische Materialien, wie beispielsweise Siliciumnitrid, können anstelle von Siliciumdioxid verwendet werden. Der Leitungstyp aller Zonen innerhalb der dielektrischen Schicht lässt sich unter geeigneter Polaritätsänderung der Spannungen in allgemein bekannter Weise umkehren. Darüber hinaus lässt sich erkennen, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung mit Wechselstrom und Gleichstrom betrieben werden kann. The above-described embodiments are intended to exemplify the general principles of the invention. Numerous modifications are possible without departing from the inventive concept. For example, in the described embodiments, the semiconductor carriers 12, 412 and 512 can alternatively consist of P-conductive silicon, gallium arsenide, sapphire, a conductive or an electrically inactive material. If the zones 12, 412 and 512 are made of an electrically inactive material, then the dielectric layers 14, 414 and 514 can be omitted. Furthermore, the semiconductor bodies 16, 416 and 516 can be produced as air-insulated structures. The semiconductor carriers 12, 412 and 512 and the dielectric layers 14, 414 and 514 can thus be omitted. The electrodes can be made of doped polysilicon, gold, titanium or another type of conductor. Furthermore, the size of the impurity concentration, the distances between the different zones and further dimensions of the zones can be set up so that they are designed for noticeably different voltages and currents than those described. Other dielectric materials, such as silicon nitride, can be used in place of silicon dioxide. The conduction type of all zones within the dielectric layer can be reversed in a generally known manner with a suitable change in the polarity of the voltages. In addition, it can be seen that the device according to the invention can be operated with alternating current and direct current.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform mit Bezugsziffern gemäss Fig. 1 aus den 600-Zahlen gezeigt, bei welcher der Halbleiterkörper 616 von der dielektrischen Schicht 614 durch eine dazwischenliegende Halbleiterschicht 633 isoliert ist, welche einen gegenüber dem Halbleiterkörper 616 entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Die Elektroden 628, 630 und 632 stellen Leiter zur niederohmigen Kontaktgabe mit den Oberflächenbereichen der Zonen 618, 620 und 624 dar. Eine dielektrische Schicht bedeckt die Oberseite 611 in der Weise, dass die Elektroden 628, 630 und 632 von allen Zonen mit Ausnahme derer, mit welchen sie in elektrischem Kontakt stehen sollen, isoliert sind. Die Elektrode 630 stellt den elektrischen Kontakt mit der Zone 638 auf der Oberseite 611 vor oder hinter dem Halbleiterkörper 616 her (nicht dargestellt). FIG. 6 shows a further embodiment with reference numbers according to FIG. 1 from the 600 numbers, in which the semiconductor body 616 is insulated from the dielectric layer 614 by an intermediate semiconductor layer 633, which has an opposite conductivity type to the semiconductor body 616. The electrodes 628, 630 and 632 represent conductors for low-resistance contacting with the surface regions of the zones 618, 620 and 624. A dielectric layer covers the upper side 611 in such a way that the electrodes 628, 630 and 632 from all zones except those with which they are to be in electrical contact, are insulated. The electrode 630 makes the electrical contact with the zone 638 on the top 611 in front of or behind the semiconductor body 616 (not shown).

Die Schicht 638 kann so abgeändert werden, dass sie nur an dem unteren Teilbereich des Halbleiterkörpers 16 besteht, wie dies mit Zone 638a gekennzeichnet ist. Mit einer solchen Abänderung wird eine geeignet diffundierte oder ionenimplantierte Zone(n) (nicht dargestellt) zwischen der Oberseite 611 und der abgeänderten Schicht 638a ausgebildet. Die Elektrode 630 wäre in diesem Fall zu verlängern, um einen elektrischen Kontakt zu dieser Zone an der Oberseite 611 herzustellen. The layer 638 can be modified such that it only exists on the lower partial area of the semiconductor body 16, as is marked with zone 638a. With such a modification, a suitably diffused or ion-implanted zone (s) (not shown) is formed between the top 611 and the modified layer 638a. In this case, the electrode 630 would have to be extended in order to make electrical contact with this zone at the top 611.

Die Schicht 638 trägt dazu bei, den Halbleiterkörper 616 von den besonderen Eigenschaften der dielektrischen Schicht 614 zu isolieren, und unterstützt damit den Herstellungsprozess in der Weise, dass die Toleranzen für die Ausbildung der dielektrischen Schicht 14 etwas gemildert werden können. Damit werden die Herstellungsausbeute erhöht und die Kosten erniedrigt. Zusätzlich dient die Schicht 638 als eine tieferliegende Gatezone, welche dazu beiträgt, die Höhe des Gatepotentials zu erniedrigen, das zum Verhindern oder Auftrennen der Leitung zwischen Anodenzone 618 und Kathodenzone 624 benötigt wird. Die alleinige Verwendung des Teilbereichs 638a der Schicht 638 dient zur Isolierung des Halbleiterkörpers 616 von der Zone 614 in dem Teil des Halbleiterkörpers 616, welcher sich unter der Zone 620 befindet. Dieser spezielle Teil des Halbleiterkörpers 616 ist der kritischste Teil, da der Halbleiterkörper 616 in diesem Teil im wesentlichen abgeschnürt («pinched off») ist, wenn sich die Vorrichtung 610 im AUS-Zustand befindet. Layer 638 helps to isolate semiconductor body 616 from the special properties of dielectric layer 614, and thus supports the manufacturing process in such a way that the tolerances for the formation of dielectric layer 14 can be somewhat alleviated. This increases the production yield and lowers the costs. In addition, layer 638 serves as a deeper gate zone, which helps lower the level of the gate potential needed to prevent or disconnect the line between anode zone 618 and cathode zone 624. The sole use of the partial region 638a of the layer 638 serves to isolate the semiconductor body 616 from the zone 614 in the part of the semiconductor body 616 which is located under the zone 620. This particular part of the semiconductor body 616 is the most critical part since the semiconductor body 616 in this part is essentially "pinched off" when the device 610 is in the OFF state.

Die Schicht 638a sieht keine vollständige Isolierung von der dielektrischen Schicht vor, aber sie setzt das zur Ausschaltung benötigte Gatepotential herab, während dadurch die Durchbruchsspannung des Aufbaus im wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Die Schicht 638 erreicht zwar eine vollständige Isolierung von der dielektrischen Schicht 614, setzt aber auch die Durchbruchsspannung des Aufbaus geringfügig herab. Bei Verwendung der Schicht 638 wird generell die Dicke des Körpers 616 erhöht, um die Durchbruchsspannung auf vorgegebenen Werten zu halten. Layer 638a does not provide complete isolation from the dielectric layer, but it does lower the gate potential required to turn it off, while essentially leaving the breakdown voltage of the structure unaffected. Although layer 638 achieves complete insulation from dielectric layer 614, it also slightly reduces the breakdown voltage of the structure. When using layer 638, the thickness of body 616 is generally increased in order to keep the breakdown voltage at predetermined values.

Die Schicht 638 muss nicht notwendigerweise direkt mit der Elektrode 630 verbunden sein. Da sich positive Ladung in der Schicht 626 befindet, bildet sich eine Oberflächen-Inversions-schicht nahe der Oberseite 611 des Körpers 616 zwischen der Schicht 638 und der Gatezone 620 aus, welche in der Lage ist, beide miteinander zu verbinden. Aber auch ohne diese positive Ladung kann angenommen werden, dass durch den «Durch-bruch»-Effekt die Elektrode 630 und die Schicht 638 elektrisch miteinander verbunden werden. Layer 638 need not necessarily be directly connected to electrode 630. Since there is positive charge in layer 626, a surface inversion layer forms near top 611 of body 616 between layer 638 and gate zone 620, which is able to connect the two together. But even without this positive charge, it can be assumed that the electrode 630 and the layer 638 are electrically connected to one another by the “breakdown” effect.

In Fig. 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher sich die Gatezone 720 nicht zwischen der Anodenzone 718 und der Kathodenzone 724 befindet. Die Vorrichtung 710 ist so ausgelegt, dass die Anodenzone 718 und die Kathodenzone 724 nur einen relativ geringen gegenseitigen Abstand aufweisen, um den Widerstand zwischen diesen beiden Zonen im EIN-(Ieitenden) Zustand herabzusetzen. Ein wahlweise vorgesehener Leiter 738 befindet sich auf der Oberseite der Schicht 726 zwischen den Elektroden 728 und 732. Der Leiter 738 ist elektrisch mit der Elektrode 730 verbunden und hilft die im Betrieb der Vorrichtung 710 notwendige Höhe der Gatespannung herabzusetzen, was aber für den Betrieb nicht unbedingt erforderlich ist. 7 and 8 show a further embodiment in which the gate zone 720 is not between the anode zone 718 and the cathode zone 724. The device 710 is designed such that the anode zone 718 and the cathode zone 724 have only a relatively small mutual distance in order to reduce the resistance between these two zones in the ON (conducting) state. An optionally provided conductor 738 is located on the top of the layer 726 between the electrodes 728 and 732. The conductor 738 is electrically connected to the electrode 730 and helps to reduce the level of the gate voltage required in the operation of the device 710, but this does not affect operation is absolutely necessary.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung 710 wurde in der An embodiment of the device 710 has been shown in FIG

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10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

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6 6

folgenden Weise hergestellt. Der Halbleiter-Wafer (Substrat) 712 besteht aus einem N-leitenden Siliciumsubstrat, 457 bis 559 Mikron dick, mit einer Störstellenkonzentration von etwa 5 x 1013 Fremdatomen pro cm3 und einem spezifischen Widerstand des Materials von 100 Ohm-cm. Die aus Siliciumdioxid bestehende dielektrische Schicht 714 ist typischerweise 2 bis 4 Mikron dick. Der Halbleiterkörper 716 ist typischerweise 30 bis 40 Mikron dick, ungefähr 430 Mikron lang, 170 Mikron breit und weist eine P-Leitung mit einer Störstellenkonzentration von etwa 5 bis 9 X 1013 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Anodenzone 718 ist P+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 28 Mikron breit, 55 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 728 besteht aus Aluminium mit einer Dicke von 1,5 Mikron, einer Breite von 55 Mikron und einer Länge von 95 Mikron. Die Gatezone 720 ist N+-leitend, typischerweise 2 bis 4 Mikron dick, 38 Mikron breit, 55 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 730 besteht aus Aluminium mit einer Dicke von 1,5 Mikron, einer Breite von 76 Mikron und einer Länge von 95 Mikron. Der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 728 und 732 beträgt typischerweise 40 Mikron (ohne Leitungsanschluss 738) wie auch der Abstand zwischen den benachbarten Kanten der Elektroden 728 und 730 typischerweise 40 Mikron beträgt. Die Zone 722 ist P-leitend, typischerweise 3,5 Mikron dick, 44 Mikron breit, 44 Mikron lang und weist an der Oberfläche eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1018 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Kathodenzone 724 ist N+-lei-tend, typischerweise 2 Mikron dick, 30 Mikron breit, 30 Mikron lang und weist eine Störstellenkonzentration von ungefähr 1019 Fremdatomen pro cm3 auf. Die Elektrode 32 besteht aus Aluminium, ist 1,5 Mikron dick, 82 Mikron breit und 82 Mikron lang. Der Abstand zwischen den Endbereichen der Elektroden 728 und 732 und den entsprechenden Endbereichen des P-leitenden Körpers 716 beträgt 50 Mikron. Die aus Aluminium bestehende Leitungszone 738 weist von den Elektroden 728 und 732 einen Abstand von 30 Mikron auf und ist 10 Mikron breit, 1,5 Mikron dick und 75 Mikron lang. Die Leitungszone 738 stellt den elektrischen Kontakt mit der Elektrode 730 vor oder hinter dem Körper 716 her. Es lässt sich erkennen, dass mit dieser Ausbildung der Abstand zwischen Kathode und Anode merklich herabgesetzt wird. manufactured in the following way. The semiconductor wafer (substrate) 712 consists of an N-type silicon substrate, 457 to 559 microns thick, with an impurity concentration of approximately 5 × 1013 foreign atoms per cm 3 and a specific resistance of the material of 100 ohm-cm. Dielectric layer 714 is typically 2 to 4 microns thick. The semiconductor body 716 is typically 30 to 40 microns thick, approximately 430 microns long, 170 microns wide and has a P-line with an impurity concentration of approximately 5 to 9 × 1013 foreign atoms per cm 3. The anode zone 718 is P + conductive, typically 2 to 4 microns thick, 28 microns wide, 55 microns long, and has an impurity concentration of approximately 1019 foreign atoms per cm3. The electrode 728 is made of aluminum 1.5 microns thick, 55 microns wide and 95 microns long. Gate zone 720 is N + conductive, typically 2 to 4 microns thick, 38 microns wide, 55 microns long, and has an impurity concentration of approximately 1019 foreign atoms per cm3. The 730 electrode is made of aluminum 1.5 microns thick, 76 microns wide and 95 microns long. The distance between the adjacent edges of electrodes 728 and 732 is typically 40 microns (without lead 738), as is the distance between the adjacent edges of electrodes 728 and 730 is typically 40 microns. Zone 722 is P-type, typically 3.5 microns thick, 44 microns wide, 44 microns long, and has an impurity concentration of approximately 1018 impurities per cm 3 on the surface. The cathode zone 724 is N + -leading, typically 2 microns thick, 30 microns wide, 30 microns long and has an impurity concentration of approximately 1019 foreign atoms per cm 3. The electrode 32 is made of aluminum, is 1.5 microns thick, 82 microns wide and 82 microns long. The distance between the end portions of electrodes 728 and 732 and the corresponding end portions of P-type body 716 is 50 microns. The aluminum lead zone 738 is 30 microns from electrodes 728 and 732 and is 10 microns wide, 1.5 microns thick, and 75 microns long. Conduction zone 738 makes electrical contact with electrode 730 in front of or behind body 716. It can be seen that this design noticeably reduces the distance between the cathode and the anode.

Mit den vorstehend angeführten Grössen arbeitete die Vorrichtung 710 als getasteter Diodenschalter mit einer Spannung s von 400 Volt zwischen Anode und Kathode. Hierbei wurden der Anode +200 Volt und der Kathode —200 Volt zugeführt. Wie erwähnt kann auch der Anode —200 Volt und der Kathode + 200 Volt zugeführt werden, um eine Sperrwirkung für beide Spannungseinrichtungen zu erhalten. Bei Vorhandensein der io Leitungszone 738 erwies sich ein Potential von +210 Volt als ausreichend, um einen Stromfluss von 1 mA zwischen Anode und Kathode zu unterbrechen. Es lässt sich abschätzen, dass dieser Spannungsbetrag bei Fehlen des Anschlusses 738 um 20 Volt höher Hegen muss. Der EIN-Widerstand des getasteten Di-i5 odenschalters betrug bei einem Stromfluss von 100 mA zwischen Anode und Kathode etwa 10 bis 12 Ohm, wobei ein Spannungsabfall von typischerweise 2,2 Volt zwischen Anode und Kathode auftrat. Eine Schicht aus Siliciumnitrid (nicht dargestellt) wurde durch chemisches Aufdampfen auf der Oberseite 20 der Siliciumdioxidschicht 726 aufgebracht, um als Natriumsperre zu wirken. Danach wurden die Elektroden 728, 730, 732 und 736 ausgebildet und ein im HF-Plasma niedergeschlagener Belag aus Siliciumnitrid (nicht dargestellt) auf der gesamten Oberseite der Vorrichtung 710 aufgebracht, welcher dazu verhalf, ei-25 nen Überschlag hoher Spannungen zwischen benachbarten Elektroden über die Luft zu verhindern. With the sizes listed above, the device 710 operated as a keyed diode switch with a voltage s of 400 volts between anode and cathode. The anode was supplied with +200 volts and the cathode with -200 volts. As mentioned, the anode can also be supplied with 200 volts and the cathode with + 200 volts in order to obtain a blocking effect for both voltage devices. In the presence of the OK line zone 738, a potential of +210 volts proved to be sufficient to interrupt a current flow of 1 mA between the anode and the cathode. It can be estimated that in the absence of connection 738 this amount of voltage must be 20 volts higher. The ON resistance of the keyed diode switch was approximately 10 to 12 ohms with a current flow of 100 mA between the anode and cathode, a voltage drop of typically 2.2 volts occurring between the anode and cathode. A layer of silicon nitride (not shown) was deposited by chemical vapor deposition on top 20 of silicon dioxide layer 726 to act as a sodium barrier. Thereafter, electrodes 728, 730, 732 and 736 were formed and a silicon nitride coating (not shown) deposited in the HF plasma (not shown) was applied to the entire top of device 710, which helped to cause a high voltage flashover between adjacent electrodes to prevent the air.

Gemäss Fig. 5 kann ein die Kathodenzone 724 umgebender oder umschliessender und mit dieser in Kontakt stehender Schutzring vorgesehen sein; andererseits kann gemäss Fig. 4 die 30 Zone 722 auch weggelassen werden, wenn der Abstand zwischen Anode und Kathode ausreichend gross ist. Die Gatezone 20 kann entweder rechts der Kathodenzone 724, wie mit den gestrichelten Linien in Fig. 7 angedeutet, oder vor oder hinter dem Halbleiterkörper 716 angeordnet sein, wie mit den gestri-35 chelten Linien in Fig. 2 angedeutet. Weiterhin kann die Gatezone 720 von der dielektrischen Schicht 714 getrennt angeordnet oder, wie mit den gestrichelten Linien in Fig. 7 angedeutet, so weit verlängert sein, dass sie mit der dielektrischen Schicht 714 in Kontakt steht. Neben den erwähnten Abänderungen können 40 noch weitere Modifikationen vorgenommen werden. 5, a protective ring surrounding or enclosing the cathode zone 724 and in contact therewith can be provided; on the other hand, according to FIG. 4, the zone 722 can also be omitted if the distance between the anode and cathode is sufficiently large. The gate zone 20 can either be arranged to the right of the cathode zone 724, as indicated by the dashed lines in FIG. 7, or in front of or behind the semiconductor body 716, as indicated by the dashed lines in FIG. 2. Furthermore, the gate zone 720 can be arranged separately from the dielectric layer 714 or, as indicated by the dashed lines in FIG. 7, can be extended to such an extent that it is in contact with the dielectric layer 714. In addition to the changes mentioned, 40 other modifications can be made.

v v

3 Blätter Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims (20)

659 151659 151 1. Festkörperschalter mit einem Halbleiterkörper, dessen Grundkörper (16; 416; 516; 616; 716) einen ersten Leitungstyp aufweist, einer ersten Zone (18; 418; 518; 618; 718) des ersten Leitungstyps, einer zweiten Zone (24; 424; 524; 624; 724) eines zweiten, dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp, einer Gatezone (20; 420; 520; 620; 720) des zweiten Leitungstyps, wobei die erste und zweite Zone sowie die Gatezone durch Teile des Grundkörpers (16; 416; 516; 616; 716) voneinander getrennt sind, der spezifische Widerstand der ersten und zweiten Zone sowie die Gatezone ist geringer als der spezifische Widerstand des Grundkörpers, die Parameter des Festkörperschalters so gewählt sind, dass bei Anlegen einer ersten Spannung an die Gatezone (20; 420; 520; 620; 720) ein Verarmungsbereich im Grundkörper ausgebildet wird, welcher einen Stromfluss zwischen der ersten und der zweiten Zone im wesentlichen verhindert, und dass sich bei Anlegen einer zweiten Spannung an die Gatezone und bestimmter Spannungen an die erste und zweite Zone ein niederohmiger Strompfad zwischen der ersten und zweiten Zone aufgrund einer Injektion von Trägerpaaren bildet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der ersten und zweiten Zone sowie der Gatezone Teil einer Oberseite (11; 411; 511; 611; 711) des Halbleiterkörpers ist. 1. Solid-state switch with a semiconductor body, the base body (16; 416; 516; 616; 716) of which has a first conductivity type, a first zone (18; 418; 518; 618; 718) of the first conductivity type, a second zone (24; 424 ; 524; 624; 724) of a second line type opposite to the first line type, a gate zone (20; 420; 520; 620; 720) of the second line type, the first and second zone as well as the gate zone being formed by parts of the base body (16; 416 ; 516; 616; 716) are separated from each other, the resistivity of the first and second zones and the gate zone is lower than the resistivity of the base body, the parameters of the solid-state switch are selected so that when a first voltage is applied to the gate zone (20 ; 420; 520; 620; 720) a depletion area is formed in the base body, which essentially prevents current flow between the first and the second zone, and that when a second voltage is applied to the gate zone and bes tied voltages to the first and second zones forms a low-resistance current path between the first and second zones due to an injection of carrier pairs, characterized in that a surface of the first and second zones and the gate zone form part of an upper side (11; 411; 511; 611; 711) of the semiconductor body. 2. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatezone (20) zwischen der ersten (18) und der zweiten (24) Zone angeordnet ist. 2. Solid-state switch according to claim 1, characterized in that the gate zone (20) is arranged between the first (18) and the second (24) zone. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (718) und zweite (724) Zone durch einen ersten Teilbereich des Grundkörpers (716) voneinander getrennt sind und dass die Gatezone (720) auf einem zweiten Teilbereich der Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Teilbereiche voneinander verschieden sind (Fig. 7). 3. Solid-state switch according to claim 1, characterized in that the first (718) and second (724) zone are separated from one another by a first partial area of the base body (716) and that the gate zone (720) is arranged on a second partial area of the upper side of the semiconductor body , the first and second partial areas being different from one another (FIG. 7). 4. Festkörperschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (718) und zweiten (724) Zone ein mit der Gatezone (720) elektrisch verbundener Leiter (738) angeordnet ist. 4. Solid-state switch according to claim 3, characterized in that a conductor (738) electrically connected to the gate zone (720) is arranged between the first (718) and second (724) zone. 5. Festkörperschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (716) durch eine dielektrische Schicht von einem Halbleiterträger (712) getrennt ist. 5. Solid-state switch according to claim 3, characterized in that the base body (716) is separated by a dielectric layer from a semiconductor carrier (712). 6. Festkörperschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterträger (712) mit einer gesonderten, zum Vorspannen auf die höchste positive Spannung des Festkörperschalters vorgesehene Elektrode (736) kontaktschlüssig verbunden ist. 6. Solid-state switch according to claim 5, characterized in that the semiconductor carrier (712) is connected to a separate electrode (736) provided for biasing to the highest positive voltage of the solid-state switch. 7. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone (24) von einer dritten Zone (22) eines ersten Leitungstyps umgeben ist, deren spezifischer Widerstand geringer als bei dem Grundkörper (16) ist. 7. Solid-state switch according to claim 1, characterized in that the second zone (24) is surrounded by a third zone (22) of a first conductivity type, the specific resistance of which is lower than that of the base body (16). 8. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (16) des Halbleiterkörpers P—-leitend, die erste Zone (18) P+-leitend, die zweite Zone (24) N+-leitend, die dritte Zone (22) P-leitend und die Gatezone (20) N+-leitend sind. 8. Solid-state switch according to claim 7, characterized in that the base body (16) of the semiconductor body P - conductive, the first zone (18) P + conductive, the second zone (24) N + conductive, the third zone (22) P -conducting and the gate zone (20) are N + -conducting. 9. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zone die zweite Zone ohne Kontakt-schluss zu dieser umgibt. 9. Solid-state switch according to claim 7, characterized in that the third zone surrounds the second zone without making contact with it. 10. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone in der dritten Zone mit Kontakt-schluss zu dieser enthalten ist. 10. Solid-state switch according to claim 7, characterized in that the second zone is contained in the third zone with contact closure to this. 11. Schaltungsanordnung mit wenigstens zwei Festkörperschaltern nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperschalter Bestandteile eines Halbleiterträgers (12) sind undd dass die Festkörperschalter untereinander dielektrisch (14) isoliert sind. 11. Circuit arrangement with at least two solid-state switches according to one of claims 1 to 10, characterized in that the solid-state switches are components of a semiconductor carrier (12) and that the solid-state switches are dielectrically insulated from one another (14). 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Festkörperschalter zur Bildung eines bidirektionalen Schalters mit ihren Gate-Elektroden miteinander verbunden sind, während die erste Zone jedes Festkörperschalters mit der zweiten Zone des jeweils anderen Festkörperschalters verbunden ist (Fig. 3). 12. The arrangement according to claim 11, characterized in that the two solid-state switches are connected to one another with their gate electrodes to form a bidirectional switch, while the first zone of each solid-state switch is connected to the second zone of the respective other solid-state switch (FIG. 3). 13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Halbleiterkörpern (16) durch eine dielektrische Schicht (14) getrennt und auf dem Halbleiterträger (12) gehaltert sind, dass der Halbleiterträger und die Halbleiterkörper aus Silicium bestehen und dass innerhalb des Halbleiterträgers (12) eine Kontaktzone (34) vorgesehen ist. 13. The arrangement according to claim 11, characterized in that a plurality of semiconductor bodies (16) are separated by a dielectric layer (14) and held on the semiconductor carrier (12), that the semiconductor carrier and the semiconductor body consist of silicon and that within the semiconductor carrier (12) a contact zone (34) is provided. 14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatezone des ersten und zweiten Halbleiterkörpers miteinander verbunden sind, dass die erste Zone des Halbleiterkörpers mit der zweiten Zone des zweiten Halbleiterkörpers verbunden ist und dass die erste Zone des zweiten Halbleiterkörpers mit der zweiten Zone des ersten Halbleiterkörpers verbunden ist (Fig. 3). 14. Arrangement according to claim 13, characterized in that the gate zone of the first and second semiconductor bodies are connected to one another, that the first zone of the semiconductor body is connected to the second zone of the second semiconductor body and that the first zone of the second semiconductor body is connected to the second zone of the first semiconductor body is connected (Fig. 3). 15. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (16) innerhalb des Halbleiterträgers (12) angeordnet und von diesem durch eine dielektrische Schicht (14) getrennt ist. 15. The arrangement according to claim 11, characterized in that the semiconductor body (16) is arranged within the semiconductor carrier (12) and is separated from the latter by a dielectric layer (14). 16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine vierte Zone (638) des zweiten Leitungstyps umfasst, welche zwischen dem Grundkörper (616) und der dielektrischen Schicht (614) angeordnet ist. 16. The arrangement according to claim 15, characterized in that the semiconductor body comprises a fourth zone (638) of the second conductivity type, which is arranged between the base body (616) and the dielectric layer (614). 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Zone (638) mit der Gatezone (620) verbunden ist. 17. The arrangement according to claim 16, characterized in that the fourth zone (638) is connected to the gate zone (620). 18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zone (624) von einer dritten Zone (622) des ersten Leitungstyps umgeben ist, welche einen geringeren spezifischen Widerstand als der Grundkörper (616) aufweist. 18. The arrangement according to claim 17, characterized in that the second zone (624) is surrounded by a third zone (622) of the first conductivity type, which has a lower specific resistance than the base body (616). 19. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Zone (638a) nur in dem Bereich des Halbleiterkörpers (616) zwischen der Gatezone (620) und der dielektrischen Schicht (614) angeordnet ist. 19. The arrangement according to claim 16, characterized in that the fourth zone (638a) is arranged only in the region of the semiconductor body (616) between the gate zone (620) and the dielectric layer (614). 20. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Zone (638) im wesentlichen längs des gesamten Bereichs des Halbleiterkörpers (616) angeordnet ist, welche von der dielektrischen Schicht (614) begrenzt wird. 20. The arrangement according to claim 16, characterized in that the fourth zone (638) is arranged substantially along the entire region of the semiconductor body (616), which is delimited by the dielectric layer (614).
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