DE1919406B2 - Feldeffekttransistor und seine Verwendung in einer Schaltungsanordnung für einen Miller-Integrator - Google Patents

Feldeffekttransistor und seine Verwendung in einer Schaltungsanordnung für einen Miller-Integrator

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Description

25
Die Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs!.
Ein solcher Feldeffekttransistor ist aus der FR-PS 14 84 322bekar,-L
Aus »Solid State Technology« März 1968, Seiten 36—40 ist eine Anordnung mit einem Feldeffekttransistor mit einem bipolaren Transistor bekannt (siehe 3S Fig. 4), bei dem die Drainzone des r'eldeffekttransistors die Emitterzone des bipolaren Transistors umgibt
Bei den bekannten Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode wird die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode einerseits und der Source- und der Drainzone andererseits zur Beschränkung der unerwünschten kapazitiven Kopplung zwischen den unterschiedlichen Anschlußelektroden möglichst niedrg gehalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen *5 Feldeffekttransistor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß er eine besonders trägheitslos arbeitende Schutzdiode aufweist, und daß bei bestimmten Anwendungen die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Source- oder der Drainzone vorteilhaft groß gewählt werden kann.
Es hat sich herausgestellt, daß trotz des Vorhandenseins einer durch die weitere Zone und das Substrat gebildeten Schutzdiode, wie sie von dem aus der FR-PS 14 84 322 bekannten Feldeffekttransistor her bekannt war, dennoch durch das Auftreten unerwünschter hoher Spiinnungsimpulse der Feldeffekttransistor schwer beschädigt werden kann. Dies ist u. a. auf die Trägheit der Diode zurückzuführen. Das heißt, daß beim Auftreten eines hohen Spannungsimpulses der durch die Gate-Elektrode, die Isolierschicht und das Substrat gebildete Kondensator schneller als die Schutzdiode aufgeladen wird, wodurch Durchschlag der Isolierschicht auftreten kann, bevor die Diode ihre Durchschlagspannung erreicht hat.
Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß die erwähnte Trägheit der Diode zu einem wesentlichen Teil der Tatsache zuzuschreiben ist, daß der beim Durchschlag und/oder beim Aufladen der Diode durch diese Diode fließende Strom über das Substrat zu- oder abgeführt wird. Da das Substrat eines Feldeffekttransistors im allgemeinen hochohmig ist, ist nämlich der Widerstand des Feldeffekttransistors für durch die Diode fließende Ströme hoch. Wird dieser Widerstand geringer, so wird die Diode schneller, wodurch die Gefahr eines Durchschlags der Isolierschicht herabgesetzt wird. Außerdem wird dann auch dip. Gefahr geringer, daß zerstörend große Ladeströme, die z, Br die Verbindung zwischen der Gate-Elektrode und der Schutzdiode durch Erhitzung zerstören könnten, auftreten.
Ferner gründet sich die Erfindung auf die Erkenntnis, daß zur Verringerung der Trägheit der Diode die durch die Diode fließenden Ströme vorteilhaft über die Source- oder die Drainzone des Feldeffekttransistors geführt werden können.
In Anwendung dieser Erkenntnisse wird die genannte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Ausgestaltung des Feldeffekttransistors gelöst
Zur Vergrößerung der Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Source- oder der Drainzone wird die Kapazität eines in der Sperrichtung vorgespannten PN-Obergangs benutzt, wobei diese Kapazität eine verhältnismäßig geringe Vergrößerung des Flächeninhalts erfordert, weil die weitere Oberflächenzone völlig innerhalb der Source- oder Drainzone angebracht ist
Es sei bemerkt, daß der obenerwähnte PN-Übergang im Betriebszustand in der Sperrichtung vorgespannt sein muß. In vielen Schaltungsanordnungen wird insbesondere bei Verwendung von Feldeffekttransistoren mit einer niedrigen Schwellwertspannung wenigstens die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Drainzone derart sein, daß, wenn die weitere Oberfiächenzone innerhalb der Drainzone angebracht ist, der erwähnte PN-Übergang in der Tat in der Sperrichtung vorgespannt ist. Derartige Feldeffekttransistoren mit vergrößerter Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Source- oder Drainzone können z. B. als Miller-Integratoren oder in Speicherkondensatoren Anwendung finden, wie z. B. in der deutschen Patentanmeldung P 19 20 077 beschrieben wurde.
Der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor mit einer vor Durchschlag der Isolierschicht geschützten Gate-Elektrode hat eine einfache und sehr gedrängte Struktur, wobei die Schutzdiode besonders schnell ist, weil beim Durchschlag oder beim Aufladen der Diode der Diodenstrom direkt über die Source- oder die Drainzone geführt wird.
Die Trägheit der Schutzdiode kann durch Herabsetzung der Durchschlagspannung des PN-Übergangs zwischen der weiteren Zone und der sie umgebenden Source- oder Drain-Zone noch weiter verringert werden.
Eine besondere Ausführungsform des Feldeffekttransistors nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschlagspannung des PN-Übergangs zwischen der Source- oder Drain-Zone und der weiteren Oberflächenzone höchstens 15 V beträgt. Eine sehr günstige Durchschlagspannung der Schutzdiode liegt zwischen 5 und 10 V.
Bei vielen Anwendungen von Feldeffekttransistoren ist beim normalen Betrieb die Spannung an der Gate-Elektrode derart niedrig, daß eine Schutzdiode mit einer derartigen niedrigen Durchschlagspannung
ohne Bedenken benutzt werden kann, wobei infolge dieser niedrigen Durchschlagspannung die Gate-Elektrode auf sehr zweckmäßige und zuverlässige Weise geschätzt werden kann.
Der erfindungsgemäße Feldeffekttransistor mit einer von der Drain- oder Sourcezone umgebenen weiteren Oberflächenzone kann in üblicher Weise in einer Schaltungsanordnung verwendet werden, bei der ein Eingangskreis zwischen der die weitere Oberflächenzone enthaltenden Source- oder Drainzone und der ι ο Gate-Elektrode und ein Ausgangskreis zwischen der Source-und der Drainzone angebracht ist
Auf diese Weise ist die Schutzdiode über dem Eingang des Feldeffekttransistors geschaltet und der durch die Schutzdiode fließende Strom wird über die dem elektrischen Ein- und Ausgang gemeinsame Elektrode geführt Der Diodenstrom kann in diesem Falle mit einem sehr niedrigen Reihenwiderstand zu einem Punkt der Schaltungsanordnung geführt werden, der meistens an ein Bezugspotential, z. B. Erde, gelegt ist, wordurch die Schutzwirkung vergrößert wird.
Die Erfindung wird nachstehend für einige Ausfuhrungsbeispiele an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Feldeffekttransistors nach der Erfindung,
Fig.2 eine erste Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung, wobei ein einfaches Ersatzschaltbild dieses Transistors dargestellt ist und
Fig.3 eine zweite Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung, wobei ein anderes einfaches Ersatzschaltbild dieses Transistors dargestellt ist.
Der Feldeffekttransistor 11 mch Fig. 1 enthält einen Halbleiterkörper 10, in dem sich von derselben Oberfläche her zwei Oberflächenzonen 1 und 2 (Source- und Drainzone) vom gleichen Leitfähigkeitstyp erstrekken, während sich zwischen diesen Oberflächenzonen 1 und 2 eine an diesen Oberflächenzonen und der Halbleiteroberfläche angrenzende Kanalzone 3 befindet. Über der Kanalzone 3 liegt eine durch die Isolierschicht 4 von dieser Kanalzone getrennte Gate-Elektrode 5. Nach der Erfindung umgibt wenigstens eine der Oberflächenzonen, in diesem Falle die Drainzone 2, im Halbleiterkörper 10 eine weitere Oberflächenzone 6, die einen dem der Sourcezone 1 und der Diainzone 2 entgegengesetzten Leitungstyp aufweist Ferner ist die weitere Oberflächenzone 6 mit einem Anschlußleiter 7 versehen, über den die Zone 6 mit der Gate-Elektrode 5 verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform kann die Kapazität des PN-Übergangs zwischen den Zonen 2 und 6 benutzt werden. Dabei ist es erwünscht, daß dieser PN-Übergang im Betriebszustand stets in der Sperrichtung vorgespannt ist. Oft wird, insbesondere bei Verwendung von Feldeffekttransistoren mit einer niedrigen Schwellwertspannung, die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Drainzone derart sein, daß dieser PN-Übergang in der Tat in der Sperrichtung vorgespannt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner die Sourcezone 1 mit einem Anschlußleiter 8 und die Drainzone 2 mit einem Anschlußleiter 9 versehen. Außerdem kann das Substrat 10 mit einem in der Figur h~· nicht dargestellten Anschlußleiter versehen sein, damit beim Betrieb die PN-Übergänge zwischen den Source- und Drainzonen von oinen Leitungstyp und dem umgebenden Halbleitergebiet vom anderen Leitungstyp in der Sperrichtung vorgespannt werden können. Ein derartiger Anschlußleiter kann sowohl auf der Oberset te wie auch auf der Unterseite des Halbleiterkörpers oder Substrats angebracht sein. Im letzteren Falle kann u,a, vorteilhaft ein Substrat to mit einem niedrigen spezifischen Widerstand verwendet werden, auf dem eine epitaktische Schicht vom gleichen Leitungstyp, aber mit einem höheren spezifischen Widerstand, angebracht ist, wie in Fig. 1 schematisch mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist Auch kann der PN-Übergang zwischen einer der Zonen I1 2 und dem umgebenden Halbleitergebiet kurzgeschlossen sein.
F i g. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für den Transistor 11 nach Fig. 1, falls die weitere Oberflächenzone zur Vergrößerung der Kapazität verwendet wird. In diesem Beispiel bilden die Anschlußleiter 8 und 9 des Transistors die Anschlüsse der Sourcezone bzw. der Drainzone, so daß die durch den PN-Übergang zwischen -den Zonen 2 und 6 gebildete zusätzliche Kapazität 12 zwischen der Gate-EV^trode 5 und der Drain-Elektrode 9 auftritt
Der Einfachheit halber ist ferner ein Kurzschluß zwischen der Source-Elektrode und dem Substrat dargestellt Es dürfte aber einleuchten, daß das Substrat auch nrt einem gesonderten Anschluß versehen sein kann, der in einer Schaltungsanordnung auf der Außenseite mit einem Punkt geeigneten Potentials verbunden werden kann.
Weiterhin ist in F i g. 2 dargestellt, adf weiche Weise dieser Transistor als Miller-Integrator geschaltet werden kann. Die Drain-Elektrode 9 ist über einen Widerstand 13 mit einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle verbunden, während zwischen der Gate-Elektrode 5 und der Source-Elektrode 8 ein in der Figur schematisch dargestellter Eingangskreis 14 angebracht ist Wird wie in der Figur dargestellt ist z. B. dem Eingang des Transistors eine Spannung zugeführt, so kann am Ausgang das in der Figur dargestellte integrierte Signal erhalten werden.
Ein Ersatzdiagramm für den Feldeffekttransistor nach Fig. 1, bei dem die zusätzliche Zone 6 als eine Schutzdiode dient ist in Fig.3 dargestellt. Die beschriebene Struktur bildet einen mil einer Schutzdiode D versehenen Feldeffekttransistor. Auch in diesem Falle entsprechen die Anschlüsse 5, 8 und 9 den Metallschichten 5,8 und 9 der F i g. 1. Der Transistor 11 ist in eine Schaltungsanordnung aufgenommen, wobei die Source-Elektrode, von der in diesem Falle die Zone 2 einen Teil bildet, über einen Widerstand R und einen Kondensator Can F.rde gelegt ist. Der Eingangskreis EI ist mit der Gate-Elektrode 5 und Erde verbunden, während der Ausgangskreis EO mit Erde und mit der Drair Elektrode 8 und somit mit der Oberflächenzone 1 verbunden ist Impulsförmige Lade- und Durchschlagströme können über Stromwege mit niedrigem Widerstand zwischen der Diode D und Erde und zwischen der Diode D und dem Anschluß 5 fließen. Insbesondere der Widerstand zwirchen der Diode D und dem Anschluß 9, mit anderen Wonen zwischen der Diode D und der Source-Zone 2, weist bei dem Feldeffekttransistor nach der Erfindung einen Mindestwert auf, während außerdem beim beschriebenen Aufbau die elektrische Verbindung 7 zwischen der Gate-Elektrode 5 und der Diodenzone 6 besonders kurz gehalten werden kann, so daß auch diese Verbindung nahez\i keinen Reihenwiderstand herbeiführt. Infolgedessen ist die Diode D besonders schnell und wird das Auftreten eines
Durchschlags der Isolierschicht 4 unter der Gate-Elektrode 5 und zerstörend großer Ladeströme in der Gate-Elektrode 5 und im Anschlußleiter 7 auf zweckmäßige Weise vermieden.
Die Gate-Elektrode 5 bildet mit dem Substrat 10 eine Kapazität, wobei die Isolierschicht 4 als Dielektrikum dient. Diese Kapazität ist zu der Diode parallel geschaltet, weiche sich beim Aufladen auch w.. eine Kapazität verhält. Wenn der Widerstand des Stromweges durch die Diode herabgesetzt wird, wird nicht nur die Diode schneller aufgeladen, sondern fließt auch ein größerer Teil des die beiden erwähnten Kapazitäten aufladenden Gesamtladestroms durch die Diode, wodurch die Gefahr des Auftretens zu großer Ströme in der Gate-Elektrode 5 herabgesetzt wird.
Dabei kann das Substrat ohne Bedenken sehr hochohmig gehalten werden, was für die gute Wirkung des Feldeffekttransistors von wesentlicher Bedeutung ist.
Die Durchschlagspannung der Isolierschicht unter der Gate-Elektrode beträgt normalerweise etwa 100 V, während Durchschlagspannungen für Schutzdioden üblicherweise 40 bis 70 V betragen. Eine weitere Verringerung der Trägheit der Schutzdiode kann durch Herabsetzung der Duchrschlagspannung der Diode erhalten werden. Für viele Schaltungsanordnungen ist eine niedrigere Durchschlagspannung der Schutzdiode gar nicht schädlich. Z. B. gilt für eine Vielzahl von Schaltungsanordnungen, daß die Spannungen zwischen der Gate-Elektrode und der Sourcezone des Feldeffekttransistors beim normalen Betrieb kleiner als 5 V sind.
Vorzugsweise beträgt die Durchschlagspannung der Schutzdiode höchstens 15 V, während ein besonders zweckmäßiger und zuverlässiger Schutz mit Dioden mit einer Durchschlagspannung zwischen 5 und 10 V erhalten wird. Bei derartigen niedrigen Durchschlagspannungen kann die Schutzdiode beim Aufladen schnell ihre Durchschlagspannung erreichen, so daß die Diode in der Praxis durchschlägt, bevor die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat die Durchschlagspannung der Isolierschicht erreichen kann.
Die Zonen 2 und 6 können z. B. durch Diffusion von Verunreinigungen erhalten werden, wobei der Fachmann auf übliche Weise bestimmen kann, wie hoch die Verunreinigungskonzentrationen in diesen Zonen sein müssen, um eine Durchschlagspannung des PN-Über-
gangs zwischen diesen Zonen zu erzielen, die kleiner als 15Vist.
Der Feldeffekttransistor nach Fig. I kann völlig auf übliche Weise hergestellt werden. Das Substrat 10 besteht z. B. aus einem einkristalligen p-leitenden Siliziumkörper mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω cm. Die Zonen 1 und 2 können durch Diffusion von Phosphor erhalten werden, wobei sie η-leitend sind und eine Dicke von z. B. etwa 2,5 μπι und eine Oberflächenkonzentration von etwa 10" Phosphoratomen pro cm3 aufweisen. Die Zone 6 kann durch Diffusion von z. B. Bor erhalten werden, p-leitend sein, eine Dicke von etwa 1 μιη und eine Oberflächenkonzentration von etwa 1020 Boratomen pro cm1 aufweisen. Die weiteren Abmessungen können auf übliche Weise in Abhängigkeit von den verlangten Eigenschaften des herzustellenden Feldeffekttransistors gewählt werden. Der PN-Übergang zwischen den Zonen 2 und 6 wird im vorliegenden Beispiel eine Durchschlagspannung von etwa 8 V haben.
Die Isolierschicht 4 kann z. B. aus Siliziumoxyd und/oder Siliziumnitrid bestehen. Unter der Gate-Elektrode 5 hat die Isolierschicht 4 z. B. eine Dicke von 0,1 μιτί, während diese Dicke unter den Leiterbahnen 8 und 9 vorzugsweise größer, z. B. 03 μηι, ist, damit unerwünschte Kanalbildung verhindert wird. Unerwünschte Kanalbildung kann auch auf andere Weise, z. B. n:rt diffundierten Kanalunterbrechern, unterdrückt werden.
Die Metallschichten und Leiterbahnen 5, 7, 8 und 9 können z. B. aus Aluminium bestehen.
Die Zonen 1 und 2 können völlig oder teilweise ineinander eingreifende kammenförmige Zonen sein, wobei die Gate-Elektrode mäanderförmige Teile besitzen kann. Der Feldeffekttransistor kann auch mehr als eine Gate-Elektrode haben, wobei vorzugsweise eine Schutzdiode zwischen der Sourcezone und der an dieser angrenzenden ersten Gate-Elektrode angebracht ist. Die Gate-Elektrode(n) kann (können) auch eine ringförmige oder wenigstens eine geschlossene Geometrie aufweisen und eine der Zonen 1 und 2 umgeben.
Der Feldeffekttransistor kann sowohl eine N-Ieitende, als auch eine P-Ieitende Kanalzone aufweisen und sowohl vom Anreicherungstyp, als auch vom Erschöpfungstypsein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

  1. Patentansprüche;
    U Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode und mit einem Halbleiterkörper, in den sich von derselben Oberfläche her eine Source- und eine s Drainzone vom gleichen Leitungstyp erstrecken, und mit einem, von einem PN-Übergang begrenzten, sich von derselben Oberfläche her erstreckenden, mit der Steuerelektrode verbundene weitere Oberflächenzone, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Oberflächenzone (6) von der Sourcezone (1) oder von der Drainzone (2) umgeben ist und den zum Leitungstyp der Source- bzw. Drainzone (1,2) entgegengesetzten Leitungstyp hat
  2. 2. Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch is gekennzeichnet, daß die Durchschlagsspannung des PN-Obergangs zwischen der Source- oder Drainzone (1, 2) und der weiteren Oberflächenzone (6) höchstens 15 Volt beträgt
  3. 3. Verwendung eines Feldeffekttransistors mit einer von der Drainzone umgebenen weiteren Oberfiächenzone nach Anspruch i oder 2 in einer Schaltungsanordnung für einen Miller-Integrator.
DE1919406A 1968-04-23 1969-04-17 Feldeffekttransistor und seine Verwendung in einer Schaltungsanordnung für einen Miller-Integrator Expired DE1919406C3 (de)

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