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Die Erfinduno, bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltun-
mit einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor und einer die Durchbruchspannung von
desscii Gatterisolierschicht kontrollierenden Einrichtunz, die als Schaltmittel
eine an die Gatterelektrode des Feldeffekttransistors an(Yeschlossene Schutzdiode
aufweist.
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Es ist bereits bekannt (vgl. USA.-Patentschrift 2655608), eine
Schaltungsanordnung zur Kontrol!e der Durchbruchsspannung eines bipolaren Transistors,
bei der eine diskrete Zener-Diode als Schaltmittel verwendet wird, deren Durchbruchsspannung
unterhalb der Durchbruchsspannung des Transistors lieat.
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Bei einem bekannten MIS-(Metall-Isolierstoff-Halbleiter)-Halbleiterbauelement
wie einern Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistor (im folgenden mit MOS-Feldeffekttransistor
bezeichnet), wird bei der Herstellun-, im Betrieb oder bei der Beschickuna einer
tyedruckten Schaltun- eine dürine Isolierschicht C CD
unter der Gatterelektrode
(kurz Gatterisolierschicht) aenannt) leicht durch äußeres Störrauschen mit ein.--m
äußerst hohen Spitzenwert der Spannung (oder hoher Amplitude) durchbrochen. Zum
Beispiel bricht eine SiO.,-Gatterisolierschicht einer Dicke von etwa 1000 Ä
durch Anlegun ' a einer Spannung von eIwa 100 Volt durch. Um den Durchbruch
der SiO.,-Gatt--r-Isolierschicht zu verhindern. ist es üblich, ein uleichrichtendes
Bauelement, 7-. B. eine Schutzdiode, zwischen die metallische Gatterelektrode
und den Halbleitergrundkörper zu schalten.
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",dessen tritt. da die Schetzwirkung der Schutzdiode infolae
einiger nachfolaend beschriebener Gründe nicht ausreicht, der Durcbschlan, der Gatterisolierschicht
recht häufig auf. was für die Herstelluno, und Verwendung eines MIS-Halbleiterbauelements
sehr nachteilig ist.
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Der Erfindunc, lieut daher die Aufaabe zu-unde. eine sicher arbeitende
Einrichtur- zur Kontrolle d.-r Durchbruchsspannung der Gatterisolierschicht eines
Isolierschicht-Feldeffekttransistors anzuaeben, bei welcher diese Einrichtuno, mit
e;ner Schutzdiode und dem Feldeffekttransistor inte2riert ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiterschaltuna mit
einem isolierschicht-Feldeffekttransistor und einer die Durchbruchsspannung von
dessen Gatterisolierscilicht kontroffierenden Einrichtuna, die als Schaltmittel
eine an die Gatterelektrode des Feldelfekttransistors an-,-schlossene Schutzdiode
aufweist. dadurch aelöst. daß zwischen der Gattereielz-trode und der SchLitzdiode
ein Zeitkonstantensteuermittel vorzeseilen ist. das so eimiestellt ist# daß
die Schutzdiode 7eitlich vor der Gatterisolierschicht einer Durchbruch erfährt.
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Dadurch wird also vorteilhaftervveise 2ewährleistet. daß bei Cberspannungen
auf jeden Fall die Schutzdiode zuerst einen Durchbruch erfährt. #o daß der Felcleffekttransistor
wirksam -,Teschützt wird.
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-nie Erfinduriii all ' Hand in der ZcichnLin#z dargestellter Awführungsheispiele
2r!äLltC1-1. Is zei!#,en F i g. 1 a Lind 1 b einen QLiersc!initt
Lind das Ersatzschalthild einer 1-)okannten :Liitt2,-,-iiurtcn 'HalbleiterschalturiL,
mit einem sistor Lind einer die- DUrchbruchsspannung von dessen Gatterisolierschicht
kontrollierenden F-inri,-htLiiiLl-.
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V i --. 2 das Ersatzschalthild eitles
ALI.St'iillrtllll.!Stleispiels der integrierten Halbleiten;chaltung. F i
3 a einen Querschnitt durch ein Ausführunolsbeispiel der Halbleiterschaltung
nach [llb-[Ilb in F i 3 b,
F i cy. 3 b eine Draufsicht auf die Halbleiterschaltunu
von F i (y. 3 a, F io,.4 das Ersatzschaltbild der Halbleiterschaltunt, nach
F i (y. 3 a und 3 b,
F i 5 eine Kurvenschar zur Erläuterung
des Betriebs der Halbleiterschaltungl F i 6, 7 und 8 Teilquerschnitte
von integrierten Schaltunaen nach anderen AusführunGsbeispielen.
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F i g. 1 a zeigt eine bekannte inte-rierte Halbleiterschaltun-
mit einem Isolierschicht-Feld,-ffekttransistor und einer die Durchbruchsspannung
von dessen Gatterisolierschicht kontrollierende Einrichtuna, während F i o,.
1 b das Ersatzschaltbild der Halbleiterschaltung von F i g. la darstellt
(vgl. Prospekt der General Microe!2ctronic3 Inc. in Santa Clara, California,
95051. USA., vom Februar 1965, unter der Bezeichnung »Tentat;ve specificaion:
MOS 3 nput gate SC 1170«).
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Wie diese FiLmren ze;gen. ist eine Schutzdiode 6
zwischen einer
Gatterelektrode 4 und einem N-Siliziumarundkörper 1 eines Isolferschicht-Feldeffekttransistors
7 in Form eines MOS-Feldeffekttransistors angeschlossen. Die Gatterisolierschicht
3 (aus SiO.,) des Isolierschicht-Feldeffekt:trapsistors 7 erfährt
oft einen Durchbruch. Man nimmt an, daß eine Stoßspannun-, wie z. B. eine Spannung
vom aufgeladenen körper eines Menschen. der mit dem Isolierschicht-Feldeffekttransistor
7 um2eht, oder eine Wechselspannung, die durch einen Lötkolben während der
Montage des Isolierschicht-Feldeffekttransistors auf einer -edruckten Schaltuno,
induziert wird, das elektrische Potential der Gatterelektrode 4 so hoch wie die
Durchbruchsspannung, der Gatterisolierschicht 8
macht, bevor die Spannung
der Schutzdiode 6 deren Durchbruchsspannung in Sperrichtung erreicht.
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Dies wird durch F i!z.
5 veranschaulicht, wo die Zeit t als
Abszisse und ä-er Wert der anaeleaten Spannunien als Ordinate auAetra-en sind. Nlan.
betrachte den Fall. daß bei t=rl eine Störsig n alspannung, e wie ein
Spannungssprung 51a. der die Durchbruchsspannung
- V[,i der Gatterisolierschicht
8 Lind
- VI",l der Schutzdiode
6 überschreitet. über einen
Einrano,
9 an die Gatterelektrode -4 und einen positiven Anschluß der Schutzdi--de
6 anL-z-,legt \vird. Dann steiit die ani PN-Ober-an- der SchLitzd;ode
6 angelegte Spannung exponentiell an. wie, durch die Kurvc 5425#, #Lir eine
. . f wälircnd die an |
-2ebene Ze;"k-onstante T.: gezeigt ist. |
der Gatterisolierschicht 8 angelegte Spannuna, expo- |
nentiell wächst. \vie durch die lZurve 52
a mit eine- |
ZeitKollstante -r, < gezeigt ist. Bevor die
Spannung |
(54a) am PN-CLierLaiiii die Durchbruchsspannung |
erreicht. d. h. hei i = t-
erreich t dic Spann ung |
(5-1ci) der Gatter;solierschicht 8 'bereits de-,zn
Durch- |
bruchsspannung r,[;; bei t=! Da also die Gatteriso- |
lierschicht 8 durchi)richt. hat die Sclititzd;#)(,lc
keine |
Dic#;es Problern der bekannten |
mit wird, ',#ie uyelöst. Cin |
AusführunL#sheispIel ist in F i Ei- Wider- |
., -tan, isL.#lemeiit23 (100-(2 Ihis !0!#i2)
ist rnit n r |
G#ittorelek-tr,)dc 25 eine.,; |
der als |
sistor Lind eine Ci#ittürelektrorl", 25. ein-, |
EmittereIck-trode 26. üIne Kollektorelektrode
27 Lind |
Oille CII-Undkörperelektrode 28 Das Wider- |
standselement
23 ist außerdem mit der Anode einer (Halbleiter-Kristall-)Schutzdiode
22 und einem Ein-,gang 24 verbunden. Ein gemeinsames Bezugspotential wird der Kathode
der Schutzdiode 22, der Emitterelektrode
26 und der Grundkörperelektrode
28 des Feldeffekttransistors 21 zugeführt. Der Widerstandswert des Widerstandselementes
23 wird so gewählt, daß die Zeitkonstante
-r eines Eingangskreises
des Feldeffekttransistors 21, der zu den beiden Anschlüssen der Schutzdiode 22 parallel
geschaltet ist, in einer weiter unten beschriebenen Beziehung zur Zeitkonstante
zd der Schutzdiode 22 steht, welche im wesentlichen durch die Ersatzkapazität des
PN-Oberganges und den Ersatzwiderstand des Halbleitergrundkörpers bestimmt wird.
In Fi '-.5 steigt die Spannung am PN-übergang der Schutzdiode22, wie durch die Kurve54a
mit einer Zeitkonstanterd ge-C zeigt ist, und erreicht im Punkt
54 c die
Durchbruchsspannung -VBd zur Zeitt=t", wo die Schutzdiode 22 durchbricht. Die Zeitkonstantev
des Eingangskreises muß so gewählt werden, daß die an der Gatterisolierschicht des
Isolierschicht-Feldeffekttransistors21 angelegte Spannung die Durchbruchsspannung
-VBi nicht übersteigt (bevor t=t, ist). Mit anderen Worten, die Zeitkonstante -c
muß größer als
-c., einer Grenzkurve
53 a sein, bei
welcher
V= VB1 (bei
t = t.,) ist. Die Zeitkonstante
-r des
Gattereingangskreises kann beliebig durch- den Wert des Widerstandselements
23 vorgegeben werden, das in Reihe mit der einen Kondensator bildenden Gatterelektrode
25 -eschaltet ist. Durch Festsetzung von ,r
> 7., durch eine
geeignete Wahl des Widerstandswerts des Widerstandselements
23 -eht der Durchbruch
der Schutzdiode 22 dem der Gatterisolierschicht voraus und verhindert deren Durchbruch.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich weiter, daß auch die
Verbindung eines Widerstandselements mit anderen Stellen als dem Gatter und/oder
die Verbindung eines Kondensators damit zu einer Beziehun- T>n, führen kann. Um
die Aufgabe zu lösen, kann ein Widerstandselement zwischen der Emitterelektrode
26 und dem gemeinsamen Bezugspotential angeschlossen werden, wodurch ein
Rückkopplungseffekt eintritt. Darüber hinaus wandeln der Anschluß eines Widerstandselements
am Eingangskreis und/oder der Anschluß eines Kondensators oft die Form eines normalen
Eingangsimpulssignals ab. Daher sollten die Lage des Anschlusses und die Werte des
Widerstandselements und Kondensators sorgfältig gewählt werden.
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Im folgenden werden im Zusammenhang mit einem anderen Ausfühl ungsbeispiel
die F i g. 3 a und 3 b erläutert. Eine MOS-Halbleiterschaltung, die
in diesen Figuren dargestellt ist, besteht aus einem N-Halbleitergrundkörper
31 (aus halbleitendem Silizium mit einem Widerstand von 1 Q
- cm), emer P-Emitterzone 32, - einer P-Kollektorzone 33, einer
P-Widerstandszone 38 und einer P-Diodenzone 42, die gleichzeitig durch selektive
Diffusion von Fremd- oder Störatomen wie Bor in der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers
31 hergestellt werden, einem Siliziumoxydfilm 41 (5000 bis
6000 Ä), der auf der Oberfläche des Grundkörpers erzeugt wird, Kontakte
36, 37, 39
und 40 aus Aluminium, die an jeder Zone unter dem Siliziumoxydfilm
41 über Löcher in bestimmten Teilen des Siliziumoxydfilms 41 angebracht sind, einer
relativ dünnen Siliziumoxydschicht als Gatterisloierschicht 35 von etwa
100 bis 1500 Ä Dicke zwischen der Emitter- und Kollektorzone
32 bzw. 33
des Grundkörpers und einer Gatterelektrode 34 aus Aluminium
auf der Gatterisolierschicht 35. Die an zwei verschienenen Stellen der Widerstandzone
38
angebrachten Kontakte 39 und 40 sind mit der Eingangselektrode 43
an der Diodenzone 42 und der Gatterelektrode 34 verbunden. F i g. 3 a zeigt
einen Querschnitt entsprechend der LinieIIIb-IIIb nach Fig.3b, worin die rechte
Hälfte einen P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor zeigt. Wenn kein Signal an der Gatterelektrode
34 auftritt, ist der Kanal zwischen der Ernitterzone 32 und der Kollektorzone
33
nichtleitend, während, wenn ein Signal mit negativer Spannung bezüglich
der Leiterschicht 36 an der Emitterzone 32 (und des Halbleitergrundkörpers
31)
an die Gatterelektrode 34 angelegt wird, der Kanal leitend wird. Die Durchbruchsspannung
des PN-überganges 48 der Diodenzone 42, welche bezüglich der Signalspannung umgekehrt
vorgespannt ist, wird beträchtlich niedriger als die der Gatterisolierschicht
35 gewählt, welche etwa 100 Volt, z. B. 60 bis-70 Volt, beträgt.
Alle P-Diffusionszonen 32, 33, 38
und 42 haben eine Fremdatomkonzentration
von 1019 Atome/cm3 und eine Tiefe von etwa 4 #tra. Die Widerstandszone
38 hat ein Breite-Länge-Verhältnis von etwa 1: 10 und einen Widerstandswert
von etwa 2 kQ. Es wurde durch verschiedene Experimente gefunden, daß der Widerstandswert
der Widerstandszone 38 vorzugsweise im Bereich von 100 9 bis
10 k-Q liegt.
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Die integrierte MIS-Halbleiterschaltung, wie vorstehend beschrieben,
entspricht nicht exakt, jedoch modellmäßig der in F i g. 2 gezeigten Schaltung.
Um das Funktionieren der in den F i g. 3 a und 3 b gezeigten Schaltung
während eines Signals zu untersuchen, ist eine genauere Ersatzschaltung geeignet,
die in F i g. 4 gezeigt ist. Wenn der Halbleitergrundkörper 31 mit
der Emitterzone 32 verbunden wird, können eine Ersatzkapazität
68 und ein Ersatzwiderstand 69 zwischen der Gatterelektrode 34 und
der Emitterzone 36 durch eine einfache RC-Reihenschaltung wiedergegeben werden,
wie sie in F i g. 4 gezeigt ist. Die Widerstandszone 38 bildet einen
PN-Übergang 47 mit dem Halbleitergrundkörper 31 und ist davon elektrisch
isoliert. Wechselstrommäßig ist indessen die Widerstandszone 38 kapazitiv
mit dem Halbleitergrundkörper 31 so gekoppelt, daß sie ersatzschaltbildmäßig
durch einen Widerstand 65, der zwischen den Kontakten 39 und 40 existiert,
und eine Kapazität 66, die zwischen der Widerstandszone 38
und dem
Halbleitergrundkörper 31 verteilt ist, dargestellt wird. 64 und
67 sind Ersatzwiderstände des Halbleitergrundkörpers 31. Die Diodenzone
42 kann durch eine ideale Schutzdiode 62 und eine übergangskapazität
63 wiedergegeben werden, die damit parallel geschaltet ist. 61 ist
eine Eingangssignalquelle.
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Die Funktion der die Durchbruchsspannung der Gatterisolierschicht
des Feldeffekttransistors kontrollierenden Einrichtung ist im Grunde die gleiche,
wie sie für F i g. 2 erklärt wurde, was man ohne weiteres dem Schaltbild
nach F i g. 4 entnimmt. Die Zeitkonstante der Schutzdiode 62, die
durch die übergangskapazität 63 und den Widerstand 64 bestimmt wird, und
die Zeitkonstante des Eingangskreises des Feldeffekttransistors, die durch die Kapazität
68 und die Widerstände 65 und 69 bestimmt wird, können die
Verhinderung eines Durchbruches erklären.
Gemäß einer von den Erfindern
durchgeführten Messung zeigt die Kapazität 68 zwischen der Gatterelektrode
34 und der Emitterzone 32 etwa 4 pF, und der Widerstand 65 in der
Widerstandszone 38 beträgt etwa 2 kQ, so daß die Zeitkonstante des Eingangskreises
des Feldeffekttransistors etwa 8 nsec ist. Andererseits ist die Kapazität
63 des PN-überganges 48 etwa 2 pF und der im Halbleitergrundkörper
31
unter der Diodenzone 42 existierende Widerstand 64 etwa 500 Q, die
Zeitkonstante des Schutzdiodenkreises beträgt daher etwa 1 nsec. Da, wie
oben beschrieben, in dem Isolierschicht-Feldeffekttransistor des vorliegenden Ausführungsbeispiels
die Zeitkonstante des Eingangskreises so bestimmt wird, daß sie größer als die des
Schutzdiodenkreises ist, kann der Durchbruch der Gatterisolierschicht fast völlig
verhindert werden.
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Wenn eine Rechteckwelle einer Breite, die durch 51 b
in F i g. 5 dargestellt ist, von der Eingangssignalquelle 61 ankommt,
wird sie durch die Wirkung eines Tiefpaß-RC-Filters umgeformt, welches durch die
Kapazität 66 und den Widerstand 65 gebildet wird. Die an der Gatterisolierschicht
des Feldeffekttransistors angelegte Spannung steigt zunächst entlang der Kurve
55 a in F i g. 5. Bei t= t. beginnt sie durch Ansprechen
der Schutzdiode bei 54 c bzw. 54 b abzusinken (55 b).
Es ist daher anzunehmen, daß das Tiefpaß-RC-Filter so wirkt, daß der Durchbruch
der Gatterisolierschicht verhindert wird.
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In dem in den F i g. 3 a und 3 b gezeigten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Zeitkonstanter (c > -c,) im wesentlichen durch den
Widerstand 65
und die Kapazität 68 bestimmt.
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Darüber hinaus ist, obwohl in dem in den F i g. 3 a und
3 b dargestellten Ausführungsbeispiel die Diodenzone 42 und die Widerstandszone
38 getrennt in der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers 31 ausgebildet
werden, ohne weiteres erkennbar, daß diese Zonen integriert werden können. Um dies
an Hand der F i g. 3 a und 3 b zu erläutern, ein Endteil 49 der Widerstandszone
kann als Diodenzone verwendet werden, ohne daß sie getrennt in der Oberfläche des
Halbleiterkörpers 31 erzeugt werden. Mit anderen Worten, ein Endteil kann
zwischen der Widerstandszone 38 und dem Halbleitergrundkörper 31 als
PN-übergang 50 der Schutzdiode dienen. Daher wird in einem solchen modifizierten
Ausführungsbeispiel der Eingang 43 direkt mit dem Kontakt 39 verbunden, und
es ergibt sich der Vorteil, daß die Fläche des Halbleiterinaterials, die für den
Aufbau einer Schaltung nötig ist, reduziert werden kann. 45 und 46 sind PN-übergänge
der Emitter- bzw. Kollektorzone zum Halbleitergrundkörper 31.
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Um einen notwendigen Wert von c unter Bezugnahme auf die F
i g. 4 und 5 festzusetzen, ist es möglich, die Werte der Kapazität
und des Widerstandes dieser Schaltung auf dem Halbleitergrundkörper 31
zu
wählen, indem gut bekannte Verfahren zur Herstellung eines passiven Elements angewendet
werden.
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F i g. 6 zeigt eine Abwandlung. Eine P-Diodenzone
71 ist auf einem P-Siliziumgrundkörper 70 flacher als eine Widerstandszone
72 ausgebildet, nämlich etwa 2 Rm dick, wodurch eine verhältnismäßig niedrige
Durchbruchsspannung (50 bis 60 Volt) erhalten wird.
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Wie aus F i g. 5 hervorgeht, hat, je niedriger VBd ist,
die Funktion der Schutzdiode einen um so größeren Bereich. Da weiter die Schutzdiode
in einer kürzeren Zeit nach der Anlegung eines Störeingangssignals zusammen
ricbt, kann die Auswahl von v im Isolierschicht-Feldeffekttransistor in einem
größeren Bereich vorgenommen werden, was für den Schaltungsentwurf vorteilhaft ist.
In F i g. 6 hängt die Durchbruchsspannung des durch die Diodenzone
71
gebildeten PN-übergangs von der Tiefe dieser Diffusionsschicht oder der
maximalen Krümmung ab (in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Tiefe und
der Radius der Krümmung als nahezu gleich angenommen). Je geringer die Tiefe oder
je stärker die Krümmung ist, desto niedriger wird die Durchbruchsspannung.
In F i g. 6 ist 73 eine Kollektorzone, 77
eine Kollektorelektrode
und 76 ein Kontakt längs einer Isolierschicht 74 aus SiO, von einem Ende
der Widerstandszone 72 zur (nicht gezeigten) Gatterelektrode. 75 ist
ein die Diodenzone 71 lind das andere Ende der Widerstandszone
72 verbindender Kontakt. Ein Eingangssignal wird dem Kontakt 75 zugeführt.
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F i g. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Eine Diodenzone
82 und eine Kollektorzone 83 sind in der Oberfläche eines Halbleitergrundkörpers
81 aus Silizium vorgesehen. Eine längliche Widerstandsschicht 85 aus
Widerstandsmaterial, wie Aluminium oder einer Nickelchromlegierung, ist durch Aufdampfung
auf einer Isolierschicht 87 aus Siliziumoxyd angebracht, die die Oberfläche
des Halbleitergrundkörpers 81 bedeckt. 84 ist ein Eingangsanschluß.
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F i g. 8 zeigt einen Fall, in dem ein Kontakt 94 für eine andere
Verbindung auf einer Isolierschicht 93
über einer Widerstandzone
92 vorgesehen ist, die in einem Halbleitergrundkörper 91 gebildet
ist. Unter Benutzung dieser Methode ist es möglich, viele Komponenten in einem kleinen
Halbleiter-Substrat zu integrieren.
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Obwohl die hier verwendete Isolierschicht aus Siliciumoxyd besteht,
kann die Isolierschicht selbstverständlich auch aus Siliziumnitrid bestehen.
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Oft wird durch ein Eingangssignal an der Oberfläche des Halbleitergrundkörpers
unter dem verbindenden Kontakt oder unter der Widerstandsschicht 85 in F
i g. 7 ein parasitärer Feldeffekt erzeugt. Wenn die Funktion der Schutzdiode
dadurch beeinträchtigt wird, kann eine hochdotierte N+-Zone 88 vom gleichen
Leitungstyp wie der Halbleitergrundkörper durch Eindiffundieren von N-Fremdatomen
wie Phosphor und Antimon erzeugt werden, um die Bildung des erwähnten parasitären
Feldeffekts zu verhindern.
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Obwohl in den obigen Ausführungsbeispielen Erläuterungen des Schutzes
eines P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors gegeben wurden, kann die beschriebene integrierte
Halbleiterschaltung außerdem zum Schutz einer Halbleiterschaltung mit anderen MIS-Feldeffekttransistoren
angewendet werden, wenn die Schutzdiode vorgespannt ist oder zwei PN-übergänge vorhanden
sind, die wahlweise sowohl auf positive als auch auf negative Signale ansprechen.