DE69416624T2 - Monolitisches Bauelement mit einer Schutzdiode, die mit einer Vielzahl von seriell geschalteten Diodenpaaren parallelgeschaltet ist, und dessen Verwendungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Schutzschaltungen und im besonderen Netze von Dioden zum Schutz von Differentialpaaren digitaler Telefonleitungen oder von Datenverarbeitungssystemen.
• Bei Datenverarbeitungssystemen sind Anschlussstecker oft mit einer Vielzahl von Leitungen verbunden, deren Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand variiert, der jeweils einer ersten und einer zweiten Spannung entspricht.
• In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass die erste Spannung Null und die zweite Spannung eine positive Spannung, z. B. +5 Volt, beträgt. Jedoch ist, dass die Spannungen dieser Leitungen zwischen einer hohen Spannung und einer niedrigen Spannung oder einer Referenzspannung variieren können.
• In Fig. 1 ist eine herkömmliche Schutzschaltung für Leitungen dieser Art gezeigt. Die Leitung L ist durch eine in Rückrichtung geschaltete Vorspanndiode d1 an eine Referenzspannung REF (Masse) und ebenso an die Masse durch eine in Vorwärtsrichtung geschaltete Vorspanndiode d'1 angeschlossen, die in Serie mit einer in Rückrichtung geschalteten vorgespannten Lawinendiode Z geschaltet ist, deren Schwellenspannung in der Nähe (etwas höher) der hohen Spannung der Leitung liegt. Demnach fließt eine negative Überspannung auf Leitung L durch die Diode d1 zur Masse und eine positive Überspannung, deren Wert über dem Nennwert der Leitung liegt, fließt durch die Diode d'1 und die Lawinendiode Z.
• Diese Art der Schutzschaltung verwendet eine Schutzdiode mit einer niedrigen Lawinenspannung und/oder mit einer hohen Absorptionskapazität für Überspannungen und weist daher eine große Größe auf, während sie die parasitäre Kapazität beschränkt, die an den Schaltkreis angelegt wird, der durch die Dioden d und d' geschützt werden soll.
• Tatsächlich sind in Datenverarbeitungsschaltungen zahlreiche Leitungen an einen Anschlussstecker angeschlossen und daher ist es nötig zahlreiche Schutzschaltungen, wie z. B. einen aus Fig. 1, damit zu verbinden, die alle eine gemeinsame Lawinendiode haben. Eine solche Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt, in der in Verbindung mit jeder Leitung L1 bis L8 eine Diode d1 bis d8, die in Rückwärtsrichtung an Masse angeschlossen ist, und eine Diode d'1 bis d'8, die in Vorwärtsrichtung durch eine Lawinendiode Z an Masse angeschlossen ist, bereitgestellt werden.
• Eine Ausführungsform eines monolithischen bzw. Festkörper- Aufbaus der Schaltung gemäß Fig. 2, bei dem die Dioden d1 bis d8 und d'1 bis d'8 Schottky-Dioden sind, wurde von der Anmelderin bereits in der europäischen Anmeldung EP-A-562,982 vorgeschlagen, die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Beschreibung veröffentlicht wurde.
• Die vorliegende Erfindung strebt eine Realisierung nach Art der monolithischen Schaltung gemäß Fig. 2 an, bei der die Dioden d1 bis d8 Flächendioden sind, wobei die Schaltung einen Schutz selbst bei einem sehr hohen Stromwert liefert.
• Ganz allgemein sieht man, dass die Schaltung gemäß Fig. 2 eine Schutzdiode Z aufweist, an deren Anschlussstellen eine Vielzahl von Diodenpaaren angeschlossen ist, wobei jedes Diodenpaar zwei Dioden enthält, die in der gleichen Polung wie die Schutzdiode orientiert sind. Eine solche Schaltung kann auch andere Anwendungen als die oben beschriebene Anwendung für die Gestaltung eines Netzes aus Schutzdioden haben. In Zusammenhang mit Fig. 4 ist z. B. zu sehen, dass eine solche Schaltung ebenso eine Schaltung für eine selbstschützende Gleichrichterbrücke ist.
• Demnach strebt die vorliegende Erfindung generell ein monolithisches Bauteil an, das eine Schutzdiode parallel zu einer Vielzahl von Diodenpaaren beinhaltet, die in der gleichen Polarität wie die Schutzdiode orientiert sind.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Bauteil bereit zu stellen, dass in der Lage ist, hohe Überspannungen zu absorbieren.
• Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch ein monolithisches Bauteil entsprechend dem Anspruch 1 gelöst.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Bauteil ferner eine dritte Metallisierung, die die Unterseite des Substrats bedeckt.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die ersten Bereiche, die Isolationswälle und der dritte Bereich eine Dicke, die größer als die halbe Substratdicke ist.
• Nach Anspruch 4 sieht die vorliegende Erfindung vor, das oben definierte monolithische Bauteil auch als Schutzdiodennetz zu verwenden, bei dem jede der ersten Metallisierungen an eine zu schützenden Leitung angeschlossen und die zweite Metallisierung an eine Referenzspannung, z. B. Masse, angeschlossen ist.
• Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung, sind die zweite und dritte Metallisierung mit einer Gleichspannungsquelle in Serie mit einem Widerstand verbunden, wobei die Spannung der Spannungsquelle niedriger ist als die Lawinenspannung der Schutzdiode.
• Nach Anspruch 7 der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, das oben definierte monolithische Bauteil als selbstschützende Gleichrichterbrücke für eine Spannungsquelle mit n Phasen zu verwenden, wobei das Bauteil n erste Bereiche und n zweite Bereiche umfasst, wobei jede i-te (mit i zwischen 1 und n) erste Metallisierung den i-ten ersten Bereich mit dem i-ten zweiten Bereich verbindet und mit einem i-ten Wechselspannungsanschluss verbunden ist, wobei die zweite Metallisierung einen Gleichspannungsanschluss und die dritte Metallisierung einen weiteren Gleichspannungsanschluss bildet.
• Die vorhergehenden und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung näher erläutert; in dieser stellen dar:
• Fig. 1 und 2 wie oben beschrieben, schematische Darstellungen von Schaltungen mit Netzen von Schutzdioden;
• Fig. 3A einen Schnitt längs der Linie A-A der Fig. 3B durch eine Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3B eine Teilaufsicht auf die Struktur in Fig. 3A, die den Schaltungsaufbau gemäß Fig. 2 verwirklicht;
• Fig. 4 einen Schaltungsaufbau einer anderen Ausführungsform des monolithischen Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 5 eine Teilaufsicht auf die Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung, die den Schaltungsaufbau gemäß Fig. 4 verwirklicht; und
• Fig. 6 eine andere Verwendung eines Netzes aus Schutzdioden gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Wie in Darstellungen von Halbleiterstrukturen üblich, sind die diversen Querschnitte und Aufsichten nicht maßstabsgetreu und in den Schnittansichten die Umrisse der diffundierten Bereiche sehr schematisch.
• Wie in Fig. 3A und 3B gezeigt ist, wird ein monolithisches Schutznetz entsprechend der Erfindung ausgehend von einem Substrat 1 eines ersten Leitungstyps, z. B. vom n-Typ, gebildet.
• Die Dioden d'1, d'2, d'3, ... stammen aus der Diffusion von p- Typ-Bereichen P'1, P'2, P'3, ... auf einer Oberseite dieses Substrats, die die Anoden dieser Dioden darstellen. Die gemeinsame Kathode der Dioden d'1, d'2, d'3, ... entsprechen dem Substrat 1.
• Die Kathoden N1, N2, N3, ... der Dioden d1, d2, d3, ... werden durch Bereiche des Substrates 1 gebildet, die seitlich durch einen Isolationswall 2 vom p-Typ begrenzt sind und die auf einem Bereich 3 ebenfalls vom p-Typ enden, der ausgehend von der Unterseite des Substrates gebildet wird. Dieser Bereich 3 vom p-Typ entspricht der gemeinsamen Anode der Dioden d1, d2, d3, ... .
• Die Lawinendiode Z wird von der Unterseite des Substrats aus gebildet. Ihre Anode ist ein tiefer p&spplus;-Typ-Bereich 4, der in dem p-Typ-Bereich 3 gebildet wird, und ihre Kathode ist ein Bereich 5 vom n&spplus;-Typ, der auf der gesamten Unterseite des Substrats gebildet wird. Die Lawinenspannung ist hauptsächlich durch den Dotierungsgrad des Bereiches 4 bestimmt. Obwohl es in der Aufsicht in Fig. 3B nicht dargestellt ist, wird klar, dass sich der Bereich 3 vom p-Typ im wesentlichen über die Gesamtbreite und die Gesamtlänge des Bereichs des Aufbaus erstreckt, der durch die äußeren Umrisse der Isolationswälle 2 in der Aufsicht begrenzt wird, und dass der Bereich 4 vom p&spplus;- Typ im wesentlichen die gleiche Ausbreitung hat. Somit hat die Lawinendiode eine viel größere Grenzschichtoberfläche, als jede der Dioden d1, d2, d3, ... und d'1, d'2, d'3, ....
• Vorzugsweise wird auf der Oberfläche jedes Bereichs N1, N2, N3, ... ein Bereich 6 vom n+-Typ gebildet. Metallisierungen M1, M2, M3, ... verbinden jeden Bereich P'1, P'2, P'3, ... mit jedem hochdotierten Bereich 6, der in den Bereichen N1, N2, N3, ... gebildet wird. Diese Metallisierungen sind mit jeder Leitung L1, L2, L3, ... aus Fig. 2 verbunden. Eine Metallisierung 10 wird auf die Oberfläche des Isolationswalls 2 aufgetragen und entspricht dem Verbindungsanschluss mit der Referenzspannung REF, gewöhnlich der Masse. Zuletzt wird vorzugsweise eine Metallisierung 11 über die gesamte Unterseite aufgetragen, um die Leitfähigkeit zwischen den gemeinsamen Kathoden der Dioden d'1, d'2, d'3, ... und dem Kathodenbereich 5 der Lawinendiode zu verbessern, der unter dem Anodenbereich 4 dieser Lawinendiode liegt. In der beschriebenen Anwendung wird die Metallisierung 11 flottierend gehalten.
• Ein Verfahren zum Herstellen der Struktur aus Fig. 3A und 3B weist folgende aufeinanderfolgende Schritte auf:
• - Gleichzeitiges Ausbilden der Bereiche P'1, P'2, P'3,.., der Isolationswälle 2 und des Bereiches 3 ausgehend von der Ober- und Unterseite des Substrats. Dieser Diffusionsschritt wird so lange fortgesetzt, bis die Wälle 2, die von der Oberseite aus gebildet werden, den Bereich 3, der von der Unterseite aus gebildet wird, berühren. Wenn somit die Dicke des Substrates eine Dicke von 240 um hat, wird die Diffusionstiefe größer als 120 um;
• - Ausbilden des Bereichs 4 vom p&spplus;-Typ ausgehend von der Unterseite;
• - Gleichzeitiges Ausbilden der Bereiche 5 und 6 vom n&spplus;- Typ ausgehend von der Ober- und Unterseite; und
• - Ausbilden der Metallisierungen.
• Einer der Vorteile der Struktur gemäß der Erfindung ist ihre Fähigkeit, hohe Lawinenstromdurchflüssen unabhängig von der Polarität der Überladung stand zu halten.
• a) Erhält die Metallisierung oder der Anschluss M1 eine in Bezug zu dem Anschluss M2 positive Überladung, ist die Diode d'1 in Vorwärtsrichtung geschaltet und Strom fließt vom Bereich P'1 zu der Metallisierung auf der Unterseite 11 (Fig. 3A), fließt in den Bereich N2 (Fig. 3B), der der Metallisierung gegenüberliegt, und fließt zu der Metallisierung M2 durch die N&spplus;-P&spplus;-Grenzschicht, die die in Rückwärtsrichtung geschaltete Diode Z darstellt, und durch die P-N2-Grenzschicht, die die in Vorwärtsrichtung geschaltete Vorspanndiode d2 darstellt, zurück. Es sollte beachtet werden, dass die Siliziumbereiche vertikal durchflossen werden, ohne dass ein "planarer" Fluss vorhanden ist. Die Dioden d'1, d'2, und Z werden daher wie diskrete" Komponenten eingesetzt und verhalten sich auch so, und ihre Durchflussfähigkeit ist proportional zu ihrer Größe.
• b) Erhält der Anschluss M1 eine in Bezug zu der Metallisierung M2 negative Überladung, wird ein ähnlicher Mechanismus erzeugt.
• c) Erhält der Anschluss M1 eine in Bezug zu der Masse 10 positive Überladung, arbeitet der Schaltkreis wie in a), außer dass die Diode d2 nicht beansprucht wird. Der Strom fließt durch die P-Bereiche 3-2 zum Kontakt 10 zurück.
• d) Ist der Anschluss M1 in Bezug zu der Masse 10 negativ, fließt der Strom durch die seitliche Diode PN1N&spplus; (Fig. 3A). Jedoch ist der P-Bereich, der die Senke begrenzt, mit hoher Dotierung und umgibt die Senke N1, was in diesem Aufbau den Eingangswiderstand der Diode d1 vermindert.
• Obige Beschreibung betrifft eine Struktur, die ausgehend von einem Substrat vom n-Typ hergestellt wurde. Es ist auch eine Variante der vorliegenden Erfindung möglich, bei der alle Leitungstypen vertauscht sind, das heißt, dass die P-Bereiche durch N- Bereiche ersetzt werden und umgekehrt. Da die herzustellende Struktur der in Fig. 1 oder 2 gezeigten gleicht, bedeutet dies, dass der Anschluss REF dann der Metallisierung 11 (Unterseite) entspricht. Die Diode d1 wird durch N'1PP&spplus;-Bereiche gebildet, die Diode d2 durch P&spplus;PIN- Bereiche und die Diode Z durch N&spplus;P&spplus;-Bereiche. In diesem Fall fließt der Strom durch die verschiedenen Bereiche immer vertikal zwischen den Metallisierungen M1, M2, M3, ... und der Metallisierung 11 (die Metallisierung 10 ist nicht mehr angeschlossen). Demnach hat diese Struktur, z. B. für den Schutz einer niedrigen Spannung in einer +5 V/OV Leitung, die beste Schutzwirkung (Schutzwirkung hinsichtlich hoher Überladung und einer niedrigen parasitären Kapazität).
• Entsprechend einem weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Größe der Lawinendiode Z proportional zur Zahl der Ausgänge. Dies bedeutet, dass die Fähigkeit der Diode Z, eine Überladung abzuleiten, "selbstadaptiv" an die Zahl der Ausgänge angepasst wird.
• Entsprechend einem weiteren Vorteil der vorliegenden Erfindung hat die Tatsache, dass die Anodenbereiche P'1, P'2, P'3, ... der Dioden d'1, d'2, d'3, ... tiefen Bereichen entsprechen, zur Folge, dass die Dicke des darunterliegenden Kathodenbereichs verringert wird. Deshalb wird der Widerstand in leitendem Zustand dieser Dioden reduziert und demnach auch die Überladungen, die beim Einschalten dieser Dioden entstehen.
• Fig. 4 stellt eine alternative Ausführungsform des Bauteils gemäß der Erfindung dar. Fig. 4 zeigt die gleichen Teile, die in Fig. 2 dargestellt sind, wobei aber nur vier Dioden d1, d'2, d2, d'2 vorgesehen sind. Fachkundige werden bemerken, dass der Schaltkreis einer Gleichrichterbrücke entspricht, die an den beiden Anschlüssen A und B der Diode Z eine Gleichrichterspannung bereitstellt, wenn die Leitungen L1 und L2, mit denen die Knotenpunkte der Dioden d1 - d'1 und entsprechend d2 - d'2 verbunden sind, an zwei Anschlüsse einer Wechselstrom-Spannungsquelle angeschlossen sind; der Anschluss A entspricht dem positiven Anschluss und Anschluss B entspricht dem negativen Anschluss. Das Bauteil gemäß der Erfindung stellt dann eine Gleichrichterbrücke dar, die durch eine Lawinendiode selbstgeschützt ist.
• Fig. 5 ist eine schematische Aufsicht auf eine integrierte Schaltung, der eine Ausführungsform einer Schaltung gemäß der Erfindung gemäß Fig. 4 bildet. Fig. 5 ist nicht im Detail beschrieben, da die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3B verwendet werden. In diesem Fall entsprechen die Metallisierungen M1 und M2 den Wechselspannungsanschlüssen und die Metallisierung 10 ebenso wie Metallisierung 11 auf der Unterseite den Gleichspannungsanschlüssen.
• Natürlich erstreckt sich die Struktur der Fig. 4 und 5 auch auf die Herstellung einer mehrphasigen Brücke mit n Phasen. Dann werden n Diodenpaare d1... d1... dn, d'1... d'1... d'n (mit i zwischen 1 und n) und n erste Metallisierungen (M1) bereitgestellt, die jeden i-ten ersten Bereich (P'1) mit jedem i-ten zweiten Bereich (N1) verbinden, die an n Ausgänge einer Wechselspannungsquelle angeschlossen sind. Die zigeite Metallisierung (10) stellt einen Ausgang einer Gleichspannungsquelle dar, und die dritte Metallisierung (11) stellt den anderen Ausgang der Gleichspannungsquelle dar.
• Eine alternative Ausführungsform eines Schutzbauteils gemäß der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Das Schutzbauteil ist mit jeder Leitung L1 bis L8 verbunden, und des weiteren ist die Lawinendiode Z über einen Widerstand R an eine Spannungsquelle Val angeschlossen.
• Wie oben sind für eine negative Überladung, die zwischen einer Leitung und der Masse auftritt, die Spannungen auf OV + den Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung (Vf) der Diode begrenzt.
• Im Gegensatz dazu werden für eine in Bezug zu dem REF -Pegel positive Überladung oder für eine verkettete Überladung, zwei Schutzbereiche erreicht.
• - Für niedrige Überspannungsamplituden tritt der Schutz an einer Schwelle von Val + Vf für eine in Bezug zu dem REF- Pegel positive Überladung und an einer Schwelle von ±Val + Vf für die Überladung Leitung/Leitung auf.
• - Bei hohen Überspannungsamplituden erhöht der Widerstand R die Spannung an den Anschlüssen der Lawinendiode Z, und diese Diode Z begrenzt auf höherem Pegel. Daher ist es z. B. möglich, eine ersten Pegel bzw. Schwelle in der Nähe von 4 bis 5 V (festgelegt durch Val) und eine zweite Schwelle in der Nähe von 6 bis T V (festgelegt durch VZ) zu erhalten. Deshalb kann diese Struktur Schaltkreise schützen, die durch die Spannungsguelle Val an die Leitungen angeschlossen sind und schützt dann die Spannungsquelle selbst, falls die Abweichung zu hoch ist.
• Natürlich können im Rahmen der Ansprüche viele Varianten und Änderungen, die Fachkundigen ersichtlich sind, an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden. Die Ausgestaltung der verschiedenen Bereiche kann optimiert werden, um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen.

Claims (7)

1. Monolithisches Bauelement mit einer Schutzdiode, die parallel zu jedem Diodenpaar einer Vielzahl von Diodenpaaren geschaltet ist, wobei die Dioden jedes Paares in Serie geschaltet und in der gleichen Polarität wie die Schutzdiode ausgerichtet sind, mit einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitungstypes, welches eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, mit folgenden Merkmalen:

- ersten Bereichen (P'1, P'2, P'3...) vom zweiten Leitungstyp, die in einem ersten Teilgebiet des Substrates ausgebildet sind und von der Oberseite des Substrates ausgehen;

- zweiten Bereichen (N1, N2, N3...) die in oberen Teilgebieten des Substrates gebildet sind und jeweils von dem ersten Teilgebiet getrennt sind und deren seitliche Flächen durch einen Isolationswall (2) des zweiten Leitungstypes begrenzt sind und deren Böden einen dritten Bereich (3) des zweiten Leitungstypes berühren;

- einem vierten Bereich (4) des zweiten Leitungstypes mit hoher Dotierung, der sich von der Unterseite in den dritten Bereich (3) erstreckt;

- einem fünften Bereich (5) des ersten Leitungstypes mit hoher Dotierung auf der gesamten Unterseite des Substrates;

- ersten Metallisierungen (M1, M2, M3...), von denen jede jeweils einen ersten Bereich (P'1, P'2, P'3...) mit einem zweiten Bereich (N1, N2, N3...) verbindet; und

- einer zweiten Metallisierung (10) über zumindst einem Teilgebiet des Isolationswalles (2), wobei jedes Diodenpaar durch das erste Teilgebiet des Substrates, einen ersten Bereich, einen zweiten, mit dem ersten Bereich des Diodenpaares über eine erste Metallisierung verbundenen zweiten Bereich und durch den dritten Bereich gebildet wird, wobei die Schutzdiode durch den vierten Bereich und den fünften Bereich gebildet wird.

2. Monolithisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin eine dritte Metallisierung (11) aufweist, die die Unterseite des Substrates bedeckt.

3. Monolithisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche, die Isolationswälle und der dritte Bereich eine Dicke aufweisen, die größer als die halbe Dicke des Substrates ist.

4. Verwendung eines monolithischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Netz von Schutzdioden, wobei jede der ersten Metallisierungen (M1, M2, M3...) mit einer zu schützenden Leitung und die zweite Metallisierung (10) mit einer Referenzspannung (REF) verbunden sind.

5. Verwendung eines monolithischen Bauelementes nach Anspruch 4, wobei die Referenzspannung die Masse ist.

6. Verwendung eines monolithischen Bauelementes nach Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 2, wobei die zwei ten und dritten Metallisierungen (10, 11) mit einer Gleichspannungsquelle (Val) in Serie mit einem Widerstand (R) verbunden sind, wobei die Spannung der Gleichspannungsquelle niedriger als die Lawinenspannung der Schutzdiode ist.

7. Verwendung eines monolithischen Bauelementes nach Anspruch 2 als selbstschützende Gleichrichterbrücke für eine mehrphasige Spannungsquelle mit n-Phasen, wobei das monolithische Bauelement n erste Bereiche und n zweite Bereiche umfaßt, wobei jede i-ten - mit i als ganze Zahl zwischen 1 und n - erste Metallisierung (Mi), die den i-ten ersten Bereich (P'1) mit dem i-ten zweiten Bereich (Ni) verbindet, mit einem i-ten Wechselspannungsanschluss verbunden ist, wobei die zweite Metallisierung (10) einen Gleichspannungsanschluss bildet und die dritte Metallisierung den anderen Gleichspannungsanschluss bildet.