DE3328407C2 - - Google Patents
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- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterschaltanordnung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art.
Wenn ein Strom und eine Spannung im Bipolartransistor verarbeitet
werden, der am häufigsten als Halbleiterschaltanordnung
verwendet wird, treten die folgenden Probleme auf:
- (1) Da die Stromverteilung nicht gleichmäßig ist und sich der Strom örtlich konzentriert, verringert sich die wirksame Emitterfläche (beispielsweise auf angenähert 40% eines GTO (Thyristor mit ausschaltendem Steuerstrom)), und der Ausnutzungswirkungsgrad ist niedrig. Demgemäß wachsen die Plättchenfläche und die Kosten für die Anordnung.
- (2) Da der Strom nicht gleichmäßig ist, ist auch der Vorspannungszustand zwischen dem Emitter und der Basis ungleichmäßig, so daß der Betrieb des Abziehens von Überschußladungsträgern, wenn die Anordnung ausgeschaltet wird, örtlich langsam wird und daher kein Hochgeschwindigkeitsverhalten erhältlich ist.
Im Vergleich mit dem vorstehend beschriebenen Bipolartransistor
hat ein MOS-Transistor die Nachteile, daß sein
Widerstand, wenn eingeschaltet, hoch ist, eine hohe Stromdichte
nicht leicht verarbeitet werden kann und es schwierig
ist, die Sperrspannung eines MOS-Transistors zu steigern.
Aus "Elektronik", 1981, H. 23, S. 93-96, ist eine Halbleiterschaltanordnung
der eingangs vorausgesetzten Art
bekannt. Außerdem ist darin offenbart, eine Erhöhung der
Schaltströme durch einfaches Parallelschalten mehrerer
Kaskadenschalter zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterschaltanordnung
der eingangs vorausgesetzten Art
zu entwickeln, bei der die wirksame Emitterfläche
praktisch nicht verringert wird, der Ausnutzungswirkungsgrad
gesteigert ist, die Plättchenfläche und die Herstellungskosten
möglichst gering sind, ein gutes Hochgeschwindigkeitsverhalten
erzielt wird, kein störend
hoher Widerstand im Einschaltzustand auftritt, eine hohe
Stromdichte möglich ist und die Sperrspannung gesteigert
werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das Wesen der Erfindung beruht darauf, daß bei einer
Halbleiterschaltanordnung das Ausnutzungsverhältnis der
Emitterfläche durch Beseitigen der Ungleichmäßigkeit der
Stromdichte eines Bipolartransistors mittels gleichmäßiger Verteilung
der Stromdichte über die gesamte Oberfläche der
Emitter mit Hilfe des Durchlaßwiderstandes von
MOS-Transistoren verbessert wird, die in Reihe mit
den Emittern des Bipolartransistors verbunden sind, so daß
die Anordnung einen verringerten Plättchenflächen-Herstellungsaufwand
hat und mit hoher Schaltgeschwindigkeit
arbeiten kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin
zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer Halbleiterschaltanordnung
nach einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt durch den Aufbau der in Fig. 1
gezeigten Halbleiterschaltanordnung;
Fig. 3 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des Verfahrens
zur Steuerung der in Fig. 1 dargestellten
Halbleiterschaltanordnung; und
Fig. 4 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel
der Halbleiterschaltanordnung.
Gemäß Fig. 1, die eine Halbleiterschaltanordnung nach einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, weist ein Bipolartransistor
1 einen Kollektor 1 c in Verbindung mit einem
Kollektoranschluß C, eine Basiselektrode 1 b in Verbindung mit einem
Basisanschluß B und Emitter 1 e 1 bis 1 en auf. Die Emitter
sind von einem Vielfachaufbau. Die Halbleiterschaltanordnung
enthält außerdem Anreicherungs-MOS-Transistoren 2₁ bis 2 n ,
und die Emitterelektroden 1 e 1 bis 1 en des Bipolartransistors 1 sind
mit den Drainelektroden 2 d 1 bis 2 dn der MOS-Transistoren 2₁ bis 2 n
verbunden. Die Steuerelektroden der MOS-Transistoren 2₁ bis 2 n sind gemeinsam
verbunden und über eine Leitung 2 g als Elektrode G
herausgeführt, während ihre Sourceelektroden 2 s 1 bis 2 sn ebenfalls
gemeinsam verbunden und als Elektrode E herausgeführt sind.
Der Aufbau der Halbleiterschaltanordnung mit der vorstehend
beschriebenen Schaltung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Eine
N--Schicht 11 ist über einem N⁺-Halbleitersubstrat 10 gebildet,
und eine P-Schicht 12 ist über der N--Schicht 11
gebildet. Eine Metallschicht 9 ist auf der Rückseite des
N⁺-Halbleitersubstrats 10 durch Aufdampfen oder auf ähnliche
Weise aufgebracht, wodurch eine Elektrode C gebildet wird.
Eine Mehrzahl von N-Diffusionsschichten 15 ist selektiv
auf der Oberfläche der P-Schicht 12 gebildet, und P-
Diffusionsschichten 13 sind jeweils innerhalb der N-
Diffusionsschichten 15 gebildet. N⁺-Diffusionsschichten 14
sind innerhalb der P-Diffusionsschichten 13 gebildet. Die
N-Diffusionsschichten 15 wirken als die Emitter des Bipolartransistors
und als die Drains der MOS-Transistoren und sind
gemeinsam verbunden. Elektroden 18 sind von der P-Schicht 12
zwischen jedem benachbarten Paar der N-Diffusionsschichten 15
herausgeführt und gemeinsam zur Bildung einer Elektrode B
verbunden. Elektroden 17 sind von den N⁺-Diffusionsschichten
14 herausgeführt und gemeinsam zur Bildung der Elektrode
E verbunden. Steuerelektroden aus einer Schicht 16 sind in Bereichen der P-
Diffusionsschichten 13 zwischen den Elektroden 18 und den
Elektroden 17 über einer Isolierschicht 19 gebildet und gemeinsam
zur Bildung der Elektrode G verbunden.
Die Halbleiterschaltanordnung mit dem vorstehend beschriebenen
Aufbau wird in der folgenden Weise verwendet. Wie in
Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Last 4 mit der Elektrode C
der Halbleiterschaltanordnung 3 verbunden, und eine Stromquelle
5 ist zwischen dem anderen Ende der Last 4 und der
Elektrode E eingefügt, die geerdet ist. Ein Vorspannungsstrom
wird der Elektrode B der Halbleiterschaltanordnung 3
von einer Stromquelle 6 durch einen Widerstand 8 zugeführt.
Ein Logikausgang wird von einem Gate 7, das beispielsweise
aus einer MOS-Großbereichsintegration od. dgl. besteht, der
Elektrode G der Halbleiterschaltanordnung 3 zugeführt.
In der vorstehend beschriebenen Schaltanordnung werden
die N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistoren 2₁ bis 2 n ausgeschaltet,
wenn der Elektrode G keine Signalspannung zugeführt
wird. Daher wird der Bipolartransistor 1 ausgeschaltet gehalten.
Wenn der Elektrode G eine Signalspannung zugeführt
wird, wird der Transistor 1 durch einen durch den Widerstand
8 zugeführten Vorspannungsstrom zum Einschalten gesteuert.
Gleichzeitig erreicht jeder mit den Emitterelektroden 1 e 1 bis 1 en
des Bipolartransistors 1 verbundene MOS-Transistor den Zustand,
in welchem sich eine große Zahl von Ladungsträgern
zwischen dessen Source und Drain bewegen, und r e wird ein
Durchlaßwiderstand mit einem Wert von einigen Zehnen Ohm.
Als Ergebnis ergibt sich der Emitterstrom durch:
So läßt sich die Temperaturabhängigkeit von i e verringern,
wenn r e wächst. Mit anderen Worten läßt sich ein positiver
Wärme/Strom-Rückkopplungsbetrieb verringern, und örtliche
Stromkonzentrationen können vermieden werden. Als Ergebnis
kann der effektive Ausnutzungswirkungsgrad der Emitterflächen
verbessert werden und eine Anordnung mit der gleichen
Stromkapazität auf verringerter Fläche erhalten werden. Da
die Stromverteilung gleichmäßig gemacht werden kann, wird
auch die Menge der in der Basisschicht gespeicherten Ladungsträger
an jedem Emitter/Basis-Übergang gleichmäßig gemacht,
und die Anordnung kann auch mit hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet
werden, weil dies mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit
je Flächeneinheit erfolgt.
Wie vorstehend beschrieben, ist, da die Halbleiterschaltanordnung
nach diesem Ausführungsbeispiel einen Steuereingang
zu MOS-Transistoren liefert, der Gleichstromeingangswiderstand
im wesentlichen unendlich, und Großbereichsintegrationen
und andere MOS-Logikanordnungen können direkt
gesteuert werden. Die Anordnung gemäß der Erfindung liefert
die folgenden Vorteile im Vergleich mit MOS-Transistoren,
Bipolartransistoren oder anderen zusammengesetzten Anordnungen:
- (1) Da ein Bipolartransistor für die Ausgangsstufe verwendet wird, läßt sich eine Anordnung mit einer niedrigeren Sättigungsspannung und einer größeren Stromkapazität als eine MOS-Leistungstransistoren verwendende Anordnung erhalten.
- (2) Die MOS-Transistoren brauchen keine Lastspannung auszuhalten, sondern können eine viel niedrigere Sperrspannung als MOS-Leistungstransistoren und MOS-Eingangsbipolartransistoren haben. Dies bedeutet, daß die Hochsperrspannungs- Verarmungsschicht (n--Schicht) entfallen kann und die Kapazität dieser Schicht keine Eingangskapazität wird. Daher läßt sich ein hoher Wechselstromwiderstand erhalten, die Kapazitätslast kann verringert werden, und eine Logikanordnung kann bei niedriger Spannung, jedoch mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden.
- (3) Im Vergleich mit einer Bipolaranordnung hat die erfindungsgemäße Anordnung einen höheren Eingangswiderstand, läßt sich leichter steuern und hat eine gleichmäßigere Stromverteilung. Demgemäß ist die wirksame Emitterfläche größer, und es läßt sich eine Anordnung des gleichen Stromnennwerts mit einer geringeren Abmessung und mit geringeren Herstellungskosten fertigen.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Mehrzahl
von N-Diffusionsschichten 13, worin jeweils eine P-Diffusionsschicht
14 und eine N⁺-Diffusionsschicht 15 gebildet sind,
getrennt und unabhängig voneinander gebildet, wie Fig. 2
zeigt, doch können sie natürlich auch in einer Zickzackart,
beispielsweise wie in Fig. 4 gezeigt, angeordnet
sein, indem man sie untereinander verbindet.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Halbleiterschaltanordnung
gemäß der Erfindung ein erhöhtes Ausnutzungsverhältnis
der Emitterfläche, eine Verringerung der Halbleiterplättchenfläche
sowie der Herstellungskosten und einen
Hochgeschwindigkeitsschaltbetrieb.
Claims (5)
1. Halbleiterschaltanordnung mit einer Kaskadenschaltung
eines hochsperrenden Bipolartransistors und eines niedrig
sperrenden MOS-Transistors, dessen Drain-Elektrode mit der
Emitterelektrode des Bipolartransistors verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf einem Halbleiterplättchen (10)
der Bipolartransistor (1) mit
- einer Kollektorelektrode (1 c), die mit einer
einzelnen Schicht (11) auf der ganzen Oberfläche
des Halbleiterplättchens (10) gebildet und mit
einem Kollektoranschluß (C) verbunden ist,
einer Basiselektrode (1 b), die mit einer einzelnen Schicht (12) über der ganzen Oberfläche des Halbleiterplättchens (10) gebildet und mit einem Basisanschluß (B) verbunden ist, und
einer Mehrzahl von Emitterelektroden (1 e₁ bis 1 e n ) aus einer Mehrzahl von Schichten (15), die gleichmäßig und unterteilt über der ganzen Oberfläche der Basiselektrodenschicht (12) des Halbleiterplättchens (10) gebildet sind, und
die gleiche Zahl von MOS-Transistoren (2₁ bis 2 n ) wie die
Zahl der Emitterelektroden (1 e₁ bis 1 e n ) des Bipolartransistors
(1) ausgebildet sind und
daß jeder MOS-Transistor
- eine Drain-Elektrode (2 d₁ bis 2 d n ), die gemeinsam mit
der Schicht (15) der Emitterelektrode (1 e₁ bis 1 e n )
des Bipolartransistors gebildet ist,
eine Source-Elektrode (2 s₁ bis 2 s n ) aus einer Schicht (14), die innerhalb der Schicht der Drain-Elektrode (2 d₁ bis 2 d n ) gebildet, und
eine Steuerelektrode (2 g) aus einer Schicht (16), die innerhalb der Schicht der Drain-Elektrode (2 d₁ bis 2 d n ) gebildet ist,
enthält.
2. Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerelektroden der MOS-Transistoren (2₁ bis 2 n )
mit einer gemeinsamen Leitung (2 g ) verbunden sind.
3. Halbleiterschaltanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwiderstände der Mehrzahl der MOS-Transistoren
(2₁ bis 2 n ) gleichmäßig sind.
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