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Bauteil mit Halbleitervierschichter Die Erfindung betrifft ein Bauteil
mit einem Halbleitervierschichter, welches sich insbesondere für die Anwendung in
Koppelfeldern eines Fernsprech-Vermittlungssystem eignet.
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Durch die DAS 1 267 268, insbesondere Fig.4, ist ein Bauteil bekann,
bei dem ein Vierschichter, hier nämlich ein Thyristor T'1'1, anodenseitig mit einer
Vielzahl weiterer solcher Thyristoren verbunden ist, wie durch das neben dem Thyristor
KP1 anodenseitig gezeigte Vielfachzeichen angedeutet ist. Mit der Stcuerelekbrde
e dieses Thyristors ist die erste Xlejmne einer Diode RED verbunden, deren zweite
Klemme mit einer konstanten Spannung baufschiagt wird.
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Diese Diode dient gemäß Spalte 8, Zeile 36-39 insbesondere zur Vermeidung
des I?ATE-Effekts. Gemäß Spalte 11, Zeile 46 bis 59 nn dieses Bauteil in integrierter
Technik hergestellt sein.
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In der OS 1 524 858 ist ein Bauteil mit Thyristoren 18 gezeigt, deren
Kathoden miteinander zu einer Zeilenleitung bzw. Spaltenleitung einer Koppelmatrix
verbunden sind. Zwischen die Steuerelektrode 7 und den Kathodenanschluß dieser Thyristoren
18 ist jeweils ein Widerstand 16 eingefügt. Dieser Widerstand dient gemäß Seite
8, Zeile 15 - 17 zur Entkopplung zwischen den Thyristoren 18 bei auftretenden Spannungssprüngen.
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Ferner ist bekannt, daß Thyristoren Halbleitervierschichtdioden darstellen,
welche eine zusatzliche Steierelektrode aufweisen.
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Es ist ferner das schematisch in unserer Figur 1 gezeigte Bauteil
mit einem Halbleitervierschichter, nämlich einer Halbleitervierschichtdiode bekannt,
gebildet aus zwei integrierten Transistoren mit entgegengesetzt dotierter Basis,
wobei die Basis E
des zweiten Transistors DEF mit dem Emitter E
des ersten ransistors EFG verbunden ist bzw, identisch ist und wobei der Kdlektor
P des zweiten Transistors mit der Basis des ersten Transistors EFG verbunden ist
bzw. identisch ist. Die in die Oberfläche des Halbleiterbereichs E des einen Leitungstyps,
hier n, eingebrachte erste Zone G des einen iieitungstyps n ist innerhalb des Halbleiterbereichs
E von einer an die Oberfläche tretenden zweiten Zone y des anderen Leitungstyps
p umgeben. Neben der zweiten Zone F ist im Abstand eine in der Oberfläche des Halbleiterbereichs
E eingebrachte dritte Zone D des anderen leitungstype p vorgesehen. Der Halbleiterbereich
E ist von einer Isolationsuranne S des anderen Leitungstyps p umgeben, und vvar
derart, daß die erste Zone G, die zweite Zone F und der Halbleiterbereich den ersten
Transistor, hier einen Substrattransistor, bilden und derart, daß de zweite Zone
F, die dritte Zone D und der zwischen diesen Zonen DF liegende Teil des Halbleiterbereichs
E den zweiten, hier lateralen Transistor bilden. An sich bildet die dritte Zone
D zusammen mit der isolationswanne S und dem dazwischenliegenden Teil des Halbleiterbereichs
E einen parasitären Substrattransistor Vp. Um die elektrischen Wirkungen dieses
parasiätren Substrattransistors Vp zu unterdrücken, ist hier ein Kurzschluß, nämlich
eine leitende Verbindung zwischen der dritten Zone D und der Isolationswanne S vorgesehen,
z.B. indem der in Fig.1 gezeigte, zwischen der dritten Zone D und der Isolationswanne
S liegende Bereich A ebenfalls den anderen Leitfähigkeitstyp p aufweist. In diesem
Falle bilden also der an die Oberfläche tretende Teil der Isolationswanne S und
die dritte Zone D einen zusammenhängenden Bereich des anderen Leitungstypes p. Es
kann statt dessen aber auch eine leitende Verbindung W zwischen dem Anschluß Ea
und einem Anschluß der Isolationswanne S vorgesehen sein, wie in Fig.1 gezeigt ist.
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Die Erfindung geht aus von dem zuletzt genannten Bauteil mit einem
Halbleitervierschichter, gebildet aus zwei integrierten Transistoren mit entgegengesetzt
dotierter Basis, wobei eine in die Oberfläche des Halbleiterbereichs des einen Leitungstyps
eingebrachte erste Zone des einen Leitungstyps innerhalb des Halbleiterbereichs
von einer an die Oberfläche tretenden zweiten Zone des anderen Leitungstyps umgeben
ist, wobei neben der zweiten Zone im Abstand eine in die Oberfläche des Halbleiterbereichs
eingebrachte dritte Zone des anderen teitungstyps vorgesehen ist, wobei der Halbleiterbereich
von einer Isolationswanne des anderen Leitungstyps derart umgeben ist, da die erste
Zone, die zweite Zone und der Halbleiterbereich einen ersten Transistor bilden und
derart, daß die zweite Zone, die dritte Zone und der zwischen diesen Zonen liegende
Teil des Halbleiterbereichs einen zweiten Transistor bilden, und wobeizur Unterdrückung
der elektrischen Wirkung des aus der dritten Zone, aus dem Halbleiterbereich und
aus der Isolationswanne gebildeten parasitären Substrattransistors - der Kollektor
mit dem Emitter diese; parasitären Substrattransistors durch Kurzschluß zwischen
der IsolatIonswanne und der dritten Zone kurzgeschllossen ist. Das erfindungsgelr:äGe
Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, da der Halbleitervierschichter mehrfach vorgesehen
ist, daß die Halbleitervierschichter jeweils eine Steuerelektrode aufweisen und
daß alle ihre Isolationswannen und damit alle ihre damit kurzgeschlossenen dritten
Zonen miteinander leitend verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Bauteil kann als Zeilenleitung-bzw. Spaltenleitung
verwendet werden, welche in integrierter Technik mit den damit verbundenen, Thyristoren
darstellenden Halbleitervierschichtern Teil einer Koppelmatrix bilden. Vorteilhafteeise
ist ein solches Bauteil temperaturunempfindlich und damit entsprechend betriebssicher.
Darüber hinaus weisen die Halbleiterschichter im leitenden Zustand eine besonders
niedrige
Einfügungsdinpfung auf.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 - 3 näher beschrieben, wobei
Fig. 1 schematisch das bekannte Bauteil mit einem durch eine Vierschichtdiode gebildeten
Halbleitervierschichter,-Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel'des erfindungsgemäßen
Bauteile, und Fig. 3 schematisch das Schaltbild dieses Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Bauteils darstellt.
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Das in '9ig. 1 gezeigte Bauteil mit einem durch eine Vierschichtdiode
gebildeten Halbleitervierschichter wurde bereits oben beschrieben. Es sei hier nur
noch ergänzend erwähnt, da man auch einen zweiten parasitaren Substrattransistor
definieren kann, welcher aus der zweiten Zone F, aus der isolationswanne S und dem
dazwischen liegenden Teil des Halbleiterbereichs E gebildet wird. Durch den Kurzschluß
zwischen der Isolationswanne und der drillen Zone wird nicht nur der Kollektor und
der Emitter des parasitären Substrattransistors Vp kurzg e schlossen gleichzeitig
wird der definierte zweite parasitäre Substrattransistor SEF dem zweiten lateralen
Transistor DEF parallel geschaltet. Der zweite parasitäre Substrattransistor SEF
wird so durch die Farallelechaltung mit dem lateralen Transistor DEF letzten Endes
unschadlich gemacht.
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In Fig. 2 wird schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Bauteils gezeigt. Es enthält den Halbleitervierschichter V, gebildet aus zwei integrierten
Transistoren mit entgegengesetzt dotierter Basis. In die Oberfläche des mit der
Steuerelektrode B versehenen Halbleiterbereichs des einen Leitungstyps, hier n,
ist eine erste Zone des gleichen,
einen Leitungstyps n eingebracht,
welche nzit dem Anschluß K verbunden ist. Diese eIngebrachte Zone ist innerhalb
des Halbleiterbereiche von einer an die Oberfläche tretenden ersten Zone des anderen
TJeitungstyps, hier demnach p, umgeben, wobei neben der zweiten Zone im Abstand
eine in der Oberfläche des Halbleiterbereichs vorgesehene dritte Zone des anderen
Beitungstyps p vorgesehen ist. Diese dritte Zone ist mit dem Anschluß Ea verbunden,
der bei diesem Ausführungsbeispiel den Anodenanschluß darstellen soll. Der Halbleiterbereich
ist von einer Isolationswanne S des anderen Leitungstyps p umgeben und zuclr derart,
daß die erste Zone, die zweite Zone und der - hier mit der Steuerelektrode B verbundene
, - 1lalbleiterbereich einen ersten Transistor, hier einen Substre'ttransistor,
bilden und daß die zweite Zone, die dritte Zone und der zwischen diesen beiden Zonen
liegende Teil des Halbleiterbereichs einen zweiten, hier lateralen Transistor bilden.
Zur Unterdrückung der elektrischen Wirkung des aus der dritten Zone, dem Halbleiterbereioh
und aus der Isolierwanne gebildeten parasitaren Substrattransistors ist der Eritter
mit dem Kollektor dieses parasitären Substrattransistors kurzgeschlossen, und zwar
durch die leitende Verbindung W zwischen dem Anschluß Ea und einem Anschluß der
Isolierwanne und/oder durch eine zwischen der dritten Zone und der Isolierwanne
eingebrachten Zone A des anderen Leitungstyp p, so daß zwischen der dritten Zone
und der Isolationswanne ein zusammenhängender Bereich des anderen teistungstype
p und damit eine leitende Verbindung zwischen der dritten Zone und der Isolierwanne
entsteht.
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Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist übrigens gezeigt,
daß manche Bereiche der Lolitinswanne S eine-besonders starke Dotierung p+, andere
Teile eine weniger starke Dotierung p aufweisen, so daß diese Isolationswanne teilweise
aus p-dotierten
Bereichen und aus p+-otierten Bereichen besteht,
wodurch vorteilhafterweise der Kurzschluß zwischen der dritten Zone und den wichtigsten
Teilen der Isolationswanne- besonders gut leitend gemacht ist.
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Dadurch, dz in dem hier mit der Steuerelektrode B versehenen Halbleiterbereich
noch eine vergrabene Schicht besonders hoher Dotierung n+ eingebracht ist, vgl.
Fig.2, wird in an sich bekannter Weise das über die Steuerelektrode B zugeführte
Potential leichter gleichmäßig auf den gesamten Etalbleiterbereich dieses Halbleitervierschichters
verteilt Bei dem in Fig.2 gezeigten Bauteil ist ferner vorgesehen, daß nicht nur
ein solcher 11alb?eitervierschichter, sondern deren mehrere vorhanden sind - in
Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit wegen nur noch ein zweiter solcher 1albleitervierschichter
V' angedeutet. Jeder dieser Halbleitervierschichter weist hier eine mit dem Halbleiterbereich
verbundene Steuerelektrode B auf, so daß der Falbleitervierschichter jeweils einen
Thyristor darstellt. Grundsätzlich kann jedoch die Steuerelektrode B auch mit der
zweiten Zone statt mit dem Ealbleiterbereich verbunden werden.
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Ferner ist vorgesehen, alle Isolstionswannen der verschiedenen Halbleitervierschichter
bzw. alle ihre damit verbundenen, hier jeweils die Anoden darstellenden dritten
Zonen ihrerseits ebenfalls miteinander verbunden sind. Es besteht daher eine leitende
Verbindung zwischen allen Isolationswannen der verschiedenen Nalbleitervierschichter
bzw. es besteht daher eine leitende Verbindung zwischen allen Anoden dieser Halbleitervierschichter.
tan kann also die in Fig. 2 gezeigten Isolationswanne auch auffassen als eine allen
talbleitervierschichtern gemeinsame, nur einmal vorgesehene Isolationswanne, welche
die
Emitter der verschiedenen Halbleitervierschichter nicht voneinander
trennt, sondern sogar miteinander verbindet. Diese Verbindung der Anoden der verschiedenen
Halbleitervierschichter des Bauteils über die allen gemeinsame Isolationswanne S
kann verbessert werden, indem, wie in Fig. 2 gezeigt, noch eine vergrabene Schicht
p+ vorgesehen wird, welche einen relativ geringen Widerstand besitzt und alle Anoden
Ea und alle wesentlichten Teile dieser gemeinsamen Isolationswanne S besonders gut
leitend miteinander verbindet.
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Das in Fig. 3 gezeigte schematischesSchaltbild des in Fig. 2 gezeigten
Bauteils zeigt mehrere Halbleitervierschichter V, deren Anschlüsse Ea, hier sind
es Anodenanschlüsse, über die durch die Isolierwanne gebildete Sammelleltung SL
miteinander verbunden sind. Diese Sammelleitung SL kann zusammen mit den Vierschichtern
als Spalten]eitung oder Zeilenleitung einer Koppelinatrix dienen.
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Zwischen der Steuerelektrode B und dem Anodenanschluß Ba der Vierschichter
ist gemt'F Fig. 3 Jeweils die Paralleldiode BD eingefügt, und zwar mit der gleichen
Polarität, welche die zwischen dem Emitteranschluß a und der Steuerelktrode B innerhalb
des eigentlichen Vierschichter V Liegenden Dioden aufweisen. Diese in wig. 3 gezeigte
Paralleldiode PD wird durch den in Fig. 2 gezeigten pn-Übergang zwischen dem mit
der Steuerelektrode B verbundenen Halbleiterbereich und der Isolierwanne S gebildet;
die innerhalb des eigentlichen Vierschichters V liegende, in Fig. 3 gezeigte Diode
zwischen dem BasisanschlulS B und dem Anodenanschluf3 Es wird gemäß Figur 2 durch
den Halbleiterbereich und durch die dritte Zone gebildet. Im Gegensatæ zu der oben
genannten, in der DAS 1 267 268 gezeigten Diode ist hier also die an sich in gleicher
Weise gepolte Diode PD an ihrer zweiten Klemme mit dem Anodenanschluß Ea verbunden,
statt vrle beim bekannten Bauteil mit einem konstanten Potential beaufschlagt zu
sein. Überraschenderweise hat es sich nämlich gezeigt, daß
es nicht
immer notwendig ist, ein konstantes Potential als Vorspannung für die Isolationswanne
jedes IIalbleitervierschichters, d.h. für die zweite Klemme der Diode RED bzw. PD
vorzusehen.
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Statt dessen zeigte sich, daß oUne Beeinträchtigung der Funktion des
Bauteils insbesondere als Zeilenleitung oder Spaltenleitung einer Koppelfeldmatrix,
die erfindungsgerns.ß vorgesehene Verbindung aller Isolationswannen der verschiedenen
Halbleitervierschichter vorgesehen werden kann und da dann nicht nur keine störung
aer Verwendbarkeit dieser verbundenen Isolationswannen als Zeilen-bzw. Spaltenleitung
eintritt, sondern daß darüberhinaus auch eine Vereinfachung der Herstellung im Vergleich
zur Herstellung einer ähnlichen Spaltenleitung bzw. Zeilenleitung mit voneinander
streng isolierten, an eigene Potentiale angeschlossenen Isolierwannen erreicht wird.
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Die oben bereits angegebenen Vorteile bez-ü.glich Temperaturunempfindlichkeit
und geringer Einfügungsdämpfung sei anhand des ifl Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiels
erläutert, bei dem die Steuerelektrode B mit dem Halbleiterbereich, also nicht mit
der zweiten Zone, verbunden ist, und bei dem die dritte Zone die p-dotierte Anode
des Halbleitervierschchters bildet. Um dies zu erlizutern, sei zunächst angenommen,
da' zwischen der Isolierwanne und der hier jeweils eine hnote darstellenden dritten
Zone zunächst noch keine leitende Verbindung vorgesehen wäre, wie dies z.B. bei
den in der DAS 1 267 268, Figur 4 gezeigten Halbleitervierschichter KP1/RED der
Fall ist- die Diode RED könnte dann durch den pn-Übergang zwischen dem Halbleiterbereich
und der Isolierwanne, vgl. Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung (Patentschrift) gebildet
sein, wobei gemaß dem dortigen Beispiel das Potential U7 an die Isolierwanne zur
Vorspannung der Diode RED gelegt wird. Alle Sperrströme, die im nichtleitenden Zustand
des Kalbleitervierschichters durch den pn-Übergang zur Isolierwanne fließen, bilden
dann einen Basisstrom des Halbleiterviersehichters. Bei hoher Temperatur, z.B. bei
750C kann
es vorkommen, da dann der Haibleltervierschichter unbeabsichtigt
einschaltet, selbst wenn ihm kein entsprechendes Steuerpotential über die Steuerelektrode
B zugeführt wurde. Die durch den pn-Übergang zwischen dem Halbleiterbereich und
der Isolationswanne fliegenden Sperrströme werden nämlich bei hoher Temperatur so
groß, daP eine solche unbeabsichtigte Einschaltung vorkommen kann.
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Als Ausweg wurde bisher z.B. ein Widerstand zwischen die Steuerelektrode
und der mit der Sammelleitung verbundenen Elektrode eingefügt, vergl. die bereits
oben genannte US 1 524 858, Figur 1.
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Für diesen Widerstand mu jedoch eeils eine zusätzliche Wanne bzw.
eine besondere zusät7liche Zone im Bauteil vorgesehen werden. ßber diesen Widerstand
werden die genannten Sperrströme abgeleitet. Hier ist aber der Emitter und der Kollektor
des In Figur 1 gezeigten parasitären Substrattransistors Vp nicht w-ie beim erfindungsgemäßen
Bauteil miteinander kurzgeschlossen. Daher stellt der pn-Übergang zwischen der Isolationswanne
und dem itaibleiterbereich eine Verbindung mit der Quelle des an die Isolationswanne
gelegten Potentials dar, wodurch die Einfügungsdämpfung des leitenden Vierschichters
erhöht wird, also unervunschterweise die über ihn zu übertragende Leistung bei Verwendung
als Koppelmatrixteil gedcmpft wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil ist die dritte Zone leitend mit
der Isolationswanne verbunden. Dadurch ist die Halbleiter vierschichter-Teilstrecke
pn zwischen dem Anodenanschluß Ea und der Steuerelektrode X, vgl. Fig. 3, dem pn-Übergang
zwischen dem Halbleiterbereich und der Isolationswanne, also der Baralleldiode PD,
parallelgeschaltet, weswegen Sperrströme, welche onst zum Einschalten des Halbleitervierschichters
führen könnten, zu einem erhebliehen Teil über die Isolationswanne, d.h. über die
Paralleldiode PD abgeleitet werden, wodurch die Temperaturunempfindlichkeit des
nichtleitenden Halbleitervierschichters in
Bezug auf unbeabsichtigtes
EInschalten verbessert wird. Beim beabsichtigten Einschalten des Vierschlchters,
d.h. bei Zuführung eines Steuerpotentials über die Steuerelektrode 3, fließt zwar
teilweise ein Strom über den genannten pn-Übergang, jedoch hauptsächlich iiber den
Übergang zwischen der dritten Zone und dem Halbleiterberereich, weil die - hier
als Anode dienende - dritte Zone relativ niederohmig gemacht werden kann, so dar
die dritte Zone mehr Ladungsträger emittiert als die Isolationswanne selbst.
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Darüber hinaus stört der nunmehr in sich kurzgeschlossene Substrattransistor
Vp nicht mehr, weil die Eiifügungsd-mpfung bei leitendem Vierschichter jetzt im
wesentlichen durch den Längswiderstand des Halbleitervierschichters verursacht wird,
falls der Vierschichter mit Hilfe eines ausreichend hohen Gleich stroms im leitenden
Zustand gehalten wird, wobei auch das vorher an die Steuerelektrode B gelegte Potential
nun abgeschaltet sein kann: Da keine Verbindung der Isolationswanne mit einer besonderen
Vorspannungspotentialquelle vorgesehen ist, wirkt nämlich der pn-Übergang zwischen
dem Halbleiterbereich und der Isolationswanne wegen des Kurzschlusses beim erfindungsgemä?en
Bauteil nicht mehr als Ursache einer wesentlichen Einfügungsdämpfungskomponente.
Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pauteils ist also nicht nur
eine Verbesserung hinsichtlich Teinperaturunempfindlichkeit der nichtleitenden Vierschiohter
erreicht, sondern darüber hinaus sogar eine Verminderung der Einfügungadämpfung
der leitenden Værschichter.
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Grundsätzlich kann, wie bereits erwrhnt, die Steuerelektrode B auch
mit der zweiten Zone verbunden sein; diese Steuerelektrode bildet dann z.B. die
in Fig.3 gezeigte Steuerelektrode P' . Vorteilhafterweise ist nämlich auch bei einem
solchen, gemäß Fig. 3 aufgebauten Ausführungsbeispiel eine Verwendung als Spaltenleitung
bzw. Zeilenleitung einer Koppelmatrix möglich.
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Als der eine Leitungstyp kann ein p-leitender Typ oder auch ein n-leitende-r
Typ vorgesehen sein, in jedem Falle läßt sich die genannte Verbesserung der der
raturunempfindlichkeit und Einfügungsdämpfung erreichen. Dies gilt selbst dann,
wenn gleichzeitig eine erste Steuerelektrode B mit dem Halbleiterbereich und noch
eine zweite Steuerelektrode B' mit der zweiten Zone verbunden wird.
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Die Verbindung zwischen den verschiedenen Anoden der in Fig. 2 gezeigten
Halbleitervierschichter kann übrigens auch statt über eine allen Vierschichtern
gemeinsame Isolationswanne auch über eine äußere leitende, z.B. metallische Verbindung
zwischen allen zu verbindenden Anschlüssen der verschiedenen Halbleitervierschichter
erreicht werden, selbst wenn die Isolationswanne der verschiedenen Halbleitervierschichter
voneinander isoliert und damit nicht zu einer einzigen, allen gerieinsamen Isolationswanne
vereinigt sind.
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8 Patentansprüche 3 Figuren