DE19502117C2 - Schutzanordnung gegen elektrostatische Entladungen in mit Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen - Google Patents
Schutzanordnung gegen elektrostatische Entladungen in mit Feldeffekt steuerbaren HalbleiterbauelementenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz
eines durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelements
gegen elektrostatische Entladungen mit einem an den Gatean
schluß angeschlossenen spannungsbegrenzenden Schutzbauele
ment.
Durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauelemente wie MOSFET
oder IGBT sind gegen elektrostatische Entladungen besonders
empfindlich. Diese können dann auftreten, wenn die handha
bende Person elektrostatisch aufgeladen ist und einen der
Anschlüsse, insbesondere den Gateanschluß berührt. Die elek
trostatische Spannung liegt meist in der Größenordnung eini
ger 100 Volt, so daß insbesondere das zwischen Gateelektrode
und Drainzone oder das zwischen Gateelektrode und Sourcezone
liegende Oxid zerstört wird.
Zur Vermeidung elektrostatischer Entladungen werden z. B. in
dem Buch "Power MOSFETS, Theory and Applications" von D. A.
Grant und J. Gowar, 1989, Verl. John Wiley & Sons, New York, Chichester, Brisborne, Toronto, Singapore, Seiten 486 bis 492 eine ganze Reihe
von Maßnahmen vorgeschlagen. Unter anderem wird empfahlen,
zwischen Gateanschluß und Sourceanschluß eine Zenerdiode
anzuschließen, die die elektrostatischen Ladungen ableitet.
Hierdurch wird das Bauelement jedoch nur in dem Fall ge
schützt, daß sich die Ladung auf den Gateanschluß entlädt und
der Sourceanschluß geerdet ist oder umgekehrt.
Aus der US 50 01 529 A ist die Verwendung
von Bipolartransistoren als Schutz gegen Über
spannungen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der
oben erwähnten Art derart weiterzubilden, daß das Bauelement
gegen Entladungen beider Polaritäten auch dann geschützt ist,
wenn entweder der Drainanschluß oder der Sourceanschluß an
Masse oder einem anderen Potential liegt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Halblei
terbauelement ein integrierter Bipolartransistor ist, des
sen Kollektor-Emitterstrecke zwischen Drain- und Ga
teanschluß des durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiter
bauelementes angeschlossen ist.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei
spiels in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläu
tert. Es zeigen
Fig. 1 die Schaltung gemäß Erfindung und
Fig. 2 den integrierten Aufbau der Schaltung nach
Fig. 1.
Die Schaltung nach Fig. 1 enthält einen MOSFET 1,
dessen Drainanschluß mit D und dessen Sourceanschluß
mit S bezeichnet ist. Sein Gateanschluß ist mit G be
zeichnet. Zwischen dem Drainanschluß D und dem Ga
teanschluß G ist die Kollektor-Emitterstrecke eines Bi
polartransistors 2 angeschlossen. Der MOSFET ist vom
n-Kanal-Typ, der Bipolartransistor ist vom npn-Typ.
Der Emitter E des Bipolartransistors ist mit dem Gate
anschluß G verbunden, sein Kollektoranschluß C mit
dem Drainanschluß D. Ist der MOSFET 1 ein PMOS, ist
ein pnp-Bipolartransistor zu verwenden. Der Basisan
schluß B des Bipolartransistors 2 ist über einen Wider
stand 3 mit dem Sourceanschluß S verbunden. Zwischen
dem Sourceanschluß S und dem Drainanschluß D ist
eine Diode 4 angeschlossen, die einen Stromfluß von S
nach D erlaubt. Eine solche Diode ist in jedem Lei
stungs-MOSFET oder IGBT implizit enthalten.
Zur Erläuterung der Funktion der Schutzanordnung
sei zunächst angenommen, daß sich in den Gatean
schluß eine positive statische Ladung entlädt und der
Sourceanschluß auf Masse oder auf einem niedrigeren
anderen Potential liegt. Hierbei wird der MOSFET 1
leitend gesteuert und der Bipolartransistor 2 bricht zwi
schen Emitterzone und Basiszone durch. Da der pn-
Übergang zwischen der Basiszone und der Kollektorzo
ne in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, fließt ein Strom
durch den Bipolartransistor und den leitenden MOSFET
1 zum Sourceanschluß und nach Masse.
Ist die statische Ladung negativ und der Sourcean
schluß geerdet, so wird der Bipolartransistor leitend ge
steuert. Der Entladestrom fließt vom Sourceanschluß
durch die Diode 4 und den Bipolartransistor 2 zum Ga
teanschluß ab.
In dem Fall, daß der Drainanschluß auf niedrigerem
Potential liegt oder geerdet ist und sich eine positive
elektrostatische Ladung in den Gateanschluß entlädt, so
bricht der Emitter-Basis pn-Übergang durch und der
Entladestrom fließt vom Gateanschluß zum Drainan
schluß. Im umgekehrten Fall bricht der Kollektor-Basis
pn-Übergang durch und der Entladestrom fließt vom
Drainanschluß zum Gateanschluß.
Entlädt sich eine negative Ladung in den Drainan
schluß und ist der Sourceanschluß geerdet, so fließt der
Strom in Vorwärtsrichtung durch die Diode 4. Bei einer
positiven Entladung in den Drainanschluß bricht die Di
ode 4 durch und der Strom fließt vom Drainanschluß
zum Sourceanschluß.
Die Schutzanordnung kann auf einfache Weise in den
Halbleiterkörper des MOSFET 1 integriert werden
(Fig. 2). Der MOSFET 1 ist auf einem Substrat 10 aufge
baut, auf dem eine Drainzone 11 ausgebildet ist. In der
Drainzone sind Basiszonen 12 eingebettet, in denen ih
rerseits Sourcezonen 14 planar eingebettet sind. Die
Oberfläche des MOSFET ist mit einer Gateoxidschicht
15 bedeckt, auf der eine Gateelektrode 16 angeordnet
ist. Diese wiederum ist mit einer Oxidschicht 17 bedeckt,
auf der eine Metallschicht 18 liegt. Diese dient als Sour
ceelektrode. Die Dotierung und Leitfähigkeit ausge
hend vom Substrat 10 sind z. B. n+n-pn+.
In die Drainzone 11 ist eine Zone 5 des zur Drainzone
11 entgegengesetzten Leitungstyps eingebettet, die als
Basiszone für den Bipolartransistor 2 dient. In die Basis
zone 5 ist eine stark n-leitende Emitterzone 6 und eine
stark p-leitende Kontaktzone 7 eingebettet. Die Emit
terzone 6 ist über eine Leitung 20 mit dem Gatean
schluß G verbunden, die Basiszone 5 über eine Kontakt
zone 7 und eine Leitung 19 mit dem Sourceanschluß S.
Diese Leitungen sind üblicherweise Aluminium-Leiter
bahnen.
Bei einer elektrostatischen Entladung bricht je nach
Polarität wie oben beschrieben entweder der pn-Über
gang 8 zwischen Emitterzone 6 und Basiszone 5 durch
oder der pn-Übergang 9, der zwischen Basiszone 5 und
der als Kollektorzone wirkenden Drainzone 11 liegt
oder der Bipolartransistor wird leitend gesteuert.
Die Integration des Bipolartransistors 2 erfordert
dann keinen nennenswerten zusätzlichen Aufwand,
wenn die Basiszone des Bipolartransistors die gleiche
Dotierung und Tiefe wie die Basiszonen des MOSFET
hat und wenn die Emitterzone des Bipolartransistors die
gleiche Dotierung und Tiefe hat wie die Sourcezonen
des MOSFET. Eine praktische Ausführungsform des Bi
polartransistors hat z. B. eine Emitterzone 6, die mit
einer Dosis von 5 × 1015 cm-2 dotiert ist. Sie hat eine
Tiefe von z. B. 0,3-0,6 µm. Die Basiszone hat z. B. eine
Dotierung von 1013 cm-2 und eine Tiefe von 3-4 µm.
Die Kontaktzone 7 kann z. B. eine Dotierung von
5 × 1014 cm-2 haben. Der Abstand zwischen der Emitterzo
ne 6 und der Kontaktzone 7 beträgt z. B. 5 µm, wodurch
bei einer Dotierung der Basiszone von z. B. 1013 cm-2
und die Zeichenebene hinein gesehenen Breite von etwa
1 mm ein Widerstand von etwa 100 Ohm zustande
kommt.
Die Erfindung wurde anhand eines MOSFET be
schrieben. Die Schutzeinrichtung ist jedoch auch für an
dere für durch Feldeffekt steuerbare Halbleiterbauele
mente wie z. B. IGBT oder MOS-GTO-Thyristoren an
wendbar.
Claims (5)
1. Anordnung zum Schutz eines durch Feldeffekt
steuerbaren Halbleiterbauelements gegen elektro
statische Entladungen mit einem an den Gatean
schluß angeschlossenen spannungsbegrenzenden
Schutzbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleiterbauelement ein integrierter Bipolar
transistor (2) ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke
zwischen Drain (D)- und Gateanschluß (G) des
durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauele
mentes (1) angeschlossen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Basisanschluß des Bipolartransi
stors (2) über einen Widerstand (3) mit dem Source
anschluß (S) des Halbleiterbauelementes verbun
den ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bipolartransistor (2) und
das Halbleiterbauelement in einen einzigen Halb
leiterkörper integriert sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Bipolartransistor (2) eine in die
Drainzone (19) des Halbleiterbauelementes einge
bettete Basiszone (5) von der Drainzone entgegen
gesetzten Leitungstyp hat und daß die Emitterzone
(6) des Bipolartransistors in die Basiszone (5) einge
bettet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Basiszone (5) des Bipolartransi
stors (2) die gleiche Dotierung und Tiefe wie die
Basiszonen (12) des MOSFET hat und daß die Emit
terzone (6) des Bipolartransistors die gleiche Dotie
rung und Tiefe hat wie die Sourcezonen (14) des
Halbleiterbauelementes (1).
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