DE1916927A1

DE1916927A1 - Integriertes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1916927A1
Application number: DE19691916927
Authority: DE
Inventors: Kram William Philip
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-04-29
Filing date: 1969-04-02
Publication date: 1969-11-20
Also published as: FR2007236A1; GB1268095A; US3541357A; DE6913357U

Description

Patentanwalt

Dr.-Iiia. Wilhelm Beichel

Frankfurt/Main-l
Parksiraße 13

5876

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. V.St.A,

Integriertes Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein integriertes monolithisches Halbleiterbauelement mit einer Vielzahl von im gleichen Halbleiterkörper untergebrachten Schaltungselementen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein integriertes Halbleiterbauelement für

Es ist bekannt, die verschiedenen Schaltungselemente in
derartigen Halbleiterbauelementen dadurch gegeneinander zu isolieren, daß man sie in besonderen Bereichen oder "Inseln" des Halbleiterkörpers ausbildet und diese Inseln vom restlichen Substratteil des Halbleiterkörpers durch einen in
Sperrichtung vorgespannten pn-übergang trennt bzw. isoliert. Das Vorspannen in Sperrichtung des isolierenden pn-Übergangs bzw. der "Isolierungsdiode" wird dadurch erreicht, daß das Substrat mit einem Punkt der Schaltung verbunden wird, der das erwünschte Vorspannungspotential besitzt. Der hierfür
•ausgewählte Vorspannungspunkt hat normalerweise das höchste_t Potential mit der der Polarität der Substratleitfähigkeit .' .entgegengesetzten Polarität, d.h. wenn das Substrat p-leitend ist, dann ist es normalerweise mit demjenigen Punkt verbunden, der .das am stärksten negative Potential der Schaltung aufweist. Hierdurch wird sichergestellt, daß die .Isolierungsdiode in Sperrichtung vorgespannt ist. .

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Das Isolieren mit in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergängen' hat sich bei allen solchen integrierten Schaltungen ale ausreichend erwiesen, die Gleichströme oder zumindest Ströme mit unveränderlicher Polarität führen, bei denen es also stets irgendeinen einzelnen, als Vorspannungspunkt auswählbaren Punkt gibt, der das größte Potential mit im Vergleich zum Leitfähigkeitstyp des Substrats, entgegengesetzter Polarität aufweist. Bei manchen integrierten Schaltungen dagegen, z.B. bei solchen, die direkt mit einer Wechselspannungsqüelle verbunden werden sollen, kann es vorkommen, daß andere Punkte innerhalb der Schaltung periodisch ein Potential annehmen, das größer als das des gewählten Vorspannungspunktes ist, mit welchem das Substrat verbunden ist. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß die normalerweise in Sperrichtung vorgespannte Isolierungsdiode zwischen dem Substrat und diesen anderen Punkten periodisch in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wodurch die erwünschte Isolierung verloren geht und sich verschiedene unerwünschte Effekte wie z.B. die Injektion von Ladungsträgern vom Substrat durch den pnübergang der Isolierungsdiode oder eine störende Transistorwirkung zwischen den verschiedenen "Inseln" oder zwischen dem Substrat und diesen Inseln ergeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, integrierte Halbleiterbauelemente mit in Sperrichtung vorgespannten Isolierungsdioden des oben beschriebenen' Typs so auszubilden, daß die Isolierungsdioden auch dann nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, wenn der ausgewählte Vorspannungspunkt, mit dem das Substrat verbunden ist, ein anderes Potential als das größte Potential mit der im Vergleich zur Polarität der Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität annimmt.

Ausgehend von einem monolithischen integrierten Halbleiterbauelement für Wechselspannungsbetrieb mit einem Halbleiterkörper, in welchem mindestens ein Schaltungselement ausge-

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bildet ist, das gegen den als Substrat wirkenden Seil des Halbleiterkörpers durch einen pn-übergang dadurch isoliert ist, daß das Substrat während der einen Halbwelle der Wechsentspannung mit denjenigen Punkt der Schaltung verbunden ist ι der das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität aufweist, besteht zur Lösung der gestellten Aufgabe die Erfindung darin, dag eijie Einrichtung vorgesehen ist, mittels der während der anderen Halbwelle der Wechselspannung, während der ein anderer Punkt der Schaltung das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität aufweist, der Spannungsabfall in !Durchlaßrichtung am isolierenden pn-übergang auf einen Wert begrenzt ist, der kleiner als die Spannung am Knick der für den pn-übergang " charakteristischen Vorwärteetrom/Vorwärtsspannung-Kennlinie ist. '

Sie Erfindung wird nun auch an Hand der beiliegenden Beschreibung ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Besahreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Sie Figuren 1 und 2 zeigen eine integrierte· Halbleiterschaltung, auf die sich die Erfindung anwenden läßt, in zwei Betriebezustanden.

Sie Fig.-3 ' zeigt schematisch einen Teil des zu der

Schaltung nach Figuren 1 und 2 gehörenden Halbleiterbauelementes, zusammen mit den weiteren Schaltungselementen.

Sie Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt der Schaltung • .* nach Fig. 3.

Sie FIg* 5 zeigt den Ausschnitt nach Fig. 4 mit der

erfindungagemäßen Verbesserung.

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Die Fig. 6 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht

des Halbleiterbauelementes mit der Verbesserung nach Fig. 5. . .

Die Fig.■7' zeigt in einem der Fig. 5 ähnlichen Ausschnitt eine weitere Aubführungsform der Erfindung.

Die Fig. 8 zeigt eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht

für die Ausführungsform nach Fig. 7.

Gemäß den Figuren 1 und 2 enthält eine Schaltung, auf die die Erfindung angewendet werden kann, einen Einweg-Gleichrichter, der an die Klemmen 1 und 2 einer Wechselspannungsquelle S angeschlossen ist, und einen Kondensator C, dessen einer Anschluß 5 mit der Klemme 1 und der η-leitenden Zone einer Diode D1 und dessen anderer Anschluß 3 mit der p-leitenden Zone einer Diode D2 verbunden ist. Die η-leitende Zone der Diode 3)2 ist wie auch die p-leitende Zone der Diode D1 mit der Klemme 2 verbunden. Die Diode D1 kann eine Avalanche-Diode sein, die zum Begrenzen der Spannung dient, auf die sich der Kondensator C aufladen soll. Ein weiterer Schaltungsteil, der durch den Block 4- dargestellt und für die Erfindung nicht wesentlich ist, kann parallel zum Kondensator geschaltet sein. Während derjenigen Halbwelle der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle S, während der die Klemme 1 positiv und die Klemme 2 negativ ist, wird der Kondensator C mit der in Fig. 1 dargestellten Polarität auf eine Spannung aufgeladen, deren Größe durch die Durchbruchspannung in Sperrichtung der Diode D1 gegeben ist. Während der anderen Halbwelle, während welcher die Polarität der WechseIspannungsquelle S umgekehrt und infolgedessen die Klemme 1 gemäß Fig. 2 negativ jst, wird eine Entladung des Kondensators C über die Wechselspannungsquelle S durch die Diode D2 verhindert.

Alle bisher beschriebenen Schaltungselemente mit Ausnahme der Wechselspannungsquelle S und des Kondensators G können Teil

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einer monolithischen integrierten Schaltung sein, deren Halbleiterkörper 6 in den Figuren 1 und 2 mit einer gestrichelten Linie umrandet ist.· Ein Teilschnitt dieses Halbleiterkörpers 6 .ist in Fig. 3 dargestellt, in der jedoch zum besseren Verständnis alle normalerweise die Übergänge bedeckenden und an sich bekannten Schutzschichten weggelassen sind. Der als Sub-, strat 20 wirkende Teil des Halbleiterkörpers 6 kann beispielsweise p-leitend sein. Das Substrat 20 umgibt die verschiedenen Bereiche oder "Inseln"·, in denen die Dioden D1 und D2 ausgebildet sind und die durch isolierende pn-Übergänge 21 und 22 begrenzt sind. Die Übergänge 21 und 22 sind Teil der Isolierungsdioden und sollten daher in Sperrichtung vorgespannt sein, damit die Inseln gegeneinander und das Substrat

20 gegen den restlichen Teil der Schaltung geeignet elektrisch ' isoliert.sind.

In Pig. 4 ist schematisch derjenige Teil der Schaltung nach Fig. 3 gezeigt, der die Diode D2, das Substrat 20 und die durch den isolierenden pn-übergang 22 gebildete Isolierungsdiode D22 aufweist. Wie sich aus Mg. 4 ergibt, ist das Substrat 20 über die Isolierungsdiode D22 mit der Klemme 2 und über einen Leiter 24 direkt mit dem Anschluß 3 verbunden.

Beim Betrieb der Schaltung nach Figuren 1 bis 4 wird der Kondensator C gemäß Fig. 1 bei. positiver Klemme· 1 aufgeladen, wobei der am stärksten negative Punkt der Schaltungsanordnung, t d.h. der Punkt, der das größte Potential mit der im Vergleich p-Leitfähigkeit des Substrats 20 entgegengesetzten Polarität aufweist, die Klemme 2 ist. Wenn dagegen die Klemme 2 positiv wird, dann leitet die Diode D1 in Vorwärtsrichtung,.während die Diode D2 verhindert, daß sich der Kondensator C. vollständig entlädt. Der am stärksten negative Punkt der Schaltung ist in diesem Betriebszustand der Anschluß 3. Wenn daher das Substrat 20 durch'den Leiter 24 mit dem Anschluß 3 als normalem Vorspannungspunkt verbunden wäre, dann warenauch die Übergänge

21 und 22 gemäß Fig. 3 während derjenigen Halbwolle, während

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der die Klemme 2 positiv ist, in Sperrichtung vorgespannt, wie es für eine geeignete Isolierung notwendig ist. Während derjenigen Halbwelle, während der die Klemme 1 positiv und die Klemme 2 negativer als der Anschluß 3 ist, wird dagegen der Übergang 22 momentan in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß das Substrat 20 über einen Pfad kleiner Impedanz mit der Klemme 2 verbunden ist. Das gleiche gilt für alle Schaltungselemente, die ebenfalls über den in Durchlaßrichtung vorgespannten Übergang 22 mit der Klemme 2 verbunden sind. Die erwünschte Isolierung würde hierdurch offensichtlich vollständig zerstört, so daß sich beim Betrieb der Schaltung einige ■ nachteilige Effekte ergeben. ^;

Um zu vermeiden, daß der Übergang 22 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wenn die Klemme 2 ein negativeres Potential als der Anschluß 3 erhält, wird erfindungsgemäß das Substrat 20 immer mit demjenigen Teil der Schaltung verbunden, der im Vergleich zur Polarität der Leitfähigkeit des Substrats das größte Potential mit der entgegengesetzten Polarität aufweist. Im vorliegenden Beispiel wird somit das p-leitende Substrat '20 stets mit dem Punkt verbunden, der das größte negative Potential der Schaltung nach Pig. 3 aufweist. Wenn daher das Potential der Klemme 2 stärker negativ wird als der Anschluß 31 dann wird an das Substrat 20 erfindungsgemäß ein entsprechend negativeres Potential gelegt.

Die Pig. 5 zeigt einen der Pig. 4 entsprechenden Schaltungsteil, bei dem jedoch das Entstehen einer Vorwärtsspannung an der Isolierungsdiode D22 erfindungsgemäß weitestgehend verhindert ist. Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, mittels der der Stromfluß durch die Isolierungsdiode D22, der bei ihrer Vorspannung in Durchlaßrichtung fließen würde, auf einen solchen Wert vermindert wird, daß die an der Isolierungsdiode auftretende ladungsträgerinjektion nicht ausreicht, um in der Schaltungsanordnung wesentliche Störeffekte hervorzurufen. Die Strombegrenzung wird dadurch erreicht, daß ein

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Anstieg der Vorwärtsspannung an der Isolierungsdiode D22 über denjenigen Wert hinaus verhindert wird, bei dem der bekannte Knick in der Vorwärtsstrom/Vorwärtsspannung-Kennlinie für solche Dioden liegt. Dieser Wert beträgt für Germaniumsubstrate etwa 0,3 Volt und für Siliciumsubstrate etwa 0,6 Volt. Kennlinien mit den erwähnten Knicken sind beispielsweise in Pig. 1.17 des General Electric Transistor Manual, 7. Ausgabe, 1964 dargestellt.

Gemäß der Schaltung nach Pig. 5 kann eine Vorwärtsspannung an der Isolierungsdiode D22 wirksam dadurch möglichst klein gehalten werden, daß in die Leitung 24 zwischen dem Substrat 20 und dem Anschluß 3 ein Widerstand 26 gelegt wird. Der Widerstand 26 liegt somit mit der Isolierungsdiode D22 bezüglich des Strompfades zwischen dem Anschluß 3 und der Klemme 2 in Serie. Sein Widerstandswert wird so groß gewählt, daß die Spannung an der Isolierungsdiode D22 und damit der Strom durch die Isolierungsdiode D22 unter einem bestimmten Wert bleiben, so daß die Iadungsträgerinjektion durch den pn-übergang der Isolierungsdiode D22 nicht ausreicht, um Storeffekte in der Schaltung zu bewirken oder die Isolierung zwischen anderen Schaltungselementen oder diesen und dem Substrat zu zerstören. Der Widerstandswert des Widerstandes 26 sollte ausreichend groß Bein, um in der oben beschriebenen Weise den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an der Isolierungsdiode D22· auf einem Wert kleiner als etwa 0,6 Volt bei Verwendung von Silicium zu halten, er sollte jedoch nicht so groß sein, daß das Substrat 20 während- derjenigen -Halbwelle der Wechselspannung, während welcher der Anschluß 3 der negativste Punkt der Schaltung ist, vom Anschluß 3 wirksam getrennt ist. Der optimale Wert des Widerstandes 26 hängt daher teilweise von den Stromwerten in der speziellen Schaltungsanordnung ab, auf die die Erfindung angewendet wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Wideretandswert des Widerstandes 26 von etwa 100 bis 5000 0hm normalerweise ausreicht, wenn es sich um Silicium als Halbleitermaterial handelt.

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In der Schaltungsanordnung nach Pig. 5 sollte die Diode D2 zur optimalen Begrenzung des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung an der Isolierungsdiode D22 selbst einen möglichst kleinen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung aufweisen. Daher sollte die Diode D2 vorzugsweise eine Schottky-Diode sein, die von Natur aus einen kleinen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung aufweist.

Die Pig. 6 zeigt einen Halbleiterkörper 6 gemäß Fig. 3, der Jedoch im Strompfad zwischen dem Anschluß 3 und dem Substrat 20 zusätzlich einen Widerstand 26 aufweist. Der Widerstand 26 kann, wie in der Halbleitertechnik üblich, aus einer geeignet dotierten Zone innerhalb des Halbleiterkörpers 6 bestehen*." die gleichzeitig mit den Dioden D1 und D2 durch Diffusion hergestellt werden kann. Hierdurch werden weitere Kos.ten und Verfahrensstufen zur Herstellung des Widerstandes 26 beider Fabrikation vermieden. Gemäß Fig. 6 ist der Widerstand in einem Bereich 26A ausgebildet, der den Widerstand 26 vom Substrat 20 trennt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 7 und 8 dargestellt. Die Fig. 7 ist ähnlich der Fig. 5, doch ist hier die Diode D2 durch einen npn-Transist or Q1 ersetzt, dessen Basis mit dem Anschluß 3» dessen Kollektor mit der Klemme 2 und dessen Emitter mit dem Substrat'20 verbunden ist. Beim Betrieb der Schaltung nach Fig. 7 und 8 wird dann, wenn das Potential an der Klemme 2 negativer als das am Anschluß 3 wird, der Transistor Q1 leitend, wodurch die Isolierungsdiode D22 kurzgeschlossen und das Substrat 20 mit der Klemme 2 verbunden wird. Hierdurch wird verhindert, daß die Isolierungsdiode D22 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird.

Die Tranaistorschaltung nach Fig. 7 wird gegenüber der Diodenschaltung nach Fig. 5 bevorzugt, weil der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitter-Strecke eines leitenden Transistors' gewöhnlich kleiner als der Spannungsabfall-an einer leitenden

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Diode ist und der Transistor Q1 somit einen besseren Kurzschluß für die Diode D22 bewirkt. Damit ist sichergestellt, daß die Isolierungsdiode D22 während des Betriebs nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt wird.

Obgleich der Transistor Q1 sowohl mit seinem Emitter als auch mit seinem Kollektor mit dem Substrat 20 verbunden werden könnte, wird die inverse Betriebsart, bei welcher der Kollektor mit der Klemme 2 und der Emitter mit dem Substrat 20 verbunden ist, gegenüber der normalen Betriebsart vorgezogen, da in diesem Falle die größere Sperrspannung des Kollektor-Basis-Übergangs zwischen der Klemme 2-und dem Anschluß 3 zu der Zeit ausgenutzt werden kann, zu der der Transistor nicht durchge- | schaltet ist.

Die Pig. 8 ist mit den Figuren 3 und 6 vergleichbar und zeigt den Halbleiterkörper gemäß Fig. 3 nach Einbau des Transistors Q1 anstelle der Diode D2. Die Basiszone 27 des Transistors Q1 kann wie üblich durch Diffusion gleichzeitig mit der Diode D1 und dem Widerstand 26 oder gleichzeitig mit anderen Schaltungselementen hergestellt werden. In ähnlicher Weise kann die Emitterzone 28 gleichzeitig mit anderen Schaltungselementen hergestellt werden, so daß auch bei dieser Ausfuhrungsform keine zusätzlichen Verfahrensstufen oder Fabrikationskosten zum Einbau des Transistors Q1 in die Schaltung benötigt werden..

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Claims

Patentansprüche

1/ Integriertes monolithisches Halbleiterbauelement für Wechsels pannungs be trieb mit einem Halbleiterkörper, in-welchem mindestens ein Schaltungselement ausgebildet ist, das gegen den als Substrat wirkenden Teil des Halbleiterkörpers durch einen pn-übergang (22) dadurch isoliert ist, daß das Substrat während der einen Halbwelle der Wechselspannung mit demjenigen Punkt (3) der Schaltung verbunden ist, der das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (26, Q1) vorgesehen ist, mittels der während der anderen Halbwelle der Wechselspannung, während der ein anderer Punkt (2) der Schaltung das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität aufweist, der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung am isolierenden pn-übergang (22) auf einen Wert begrenzt ist, der kleiner als die Spannung am Knick der für den pn-übergang (22) charakteristischen Vorwärtsstrom/Vorwärtsspannung-Kennlinie ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (26) aus einem Widerstand besteht, der zwischen das Substrat (20) und den Punkt (3) gelegt ist, der während der einen Halbwelle der Wechselspannung das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität aufweist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (Qi) einen Transistor aufweist, dessen Basis mit dem Punkt (3) verbunden ist, und von dessen beiden anderen Elektroden die eine mit dem Substrat (20) und die andere mit demjenigen Punkt (2) verbunden ist, der während der anderen Halbwelle der Wechselspannung das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität aufweist.

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4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die normalerweise als Emitterzone wirksame Zone des !Transistors (Q1) in inverser Betriebsweise als Kollektor mit dem Substrat (20) verbunden iat.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen das Substrat (20) und den andren Punkt (2) ein elektrischer Schalter gelegt ist, der immer während derjenigen Halbwelle der Wechselspannung, während der an diesem Punkt (2) das größte Potential mit der im Vergleich zur Leitfähigkeit des Substrats entgegengesetzten Polarität liegt, durchgeschaltet ist, wodurch eine zu große Vorwärtsspannung am pn-übergang (22) verhindert ist.

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BAD ORIGINAL