Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Darlington-Transistorschaltung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Derartige Schaltungen sind bereits bekannt. Sie haben aber den Nachteil, daß bei ihnen von außen einwirkende elektrische Felder, wie sie beispielsweise durch Polarisation von Ab¬ decklacken beim Betrieb mit hoher Spannung und Temperatur ent¬ stehen, zur Degradation von Sperrkennlinien führen können, oder aber, daß die Durchbruchsspannung nur durch Verändern der Dicke der Passivierungsschicht in gewissen Grenzen be¬ einflußbar, nicht aber nach Aufbringen der Metallisierung variabel ist.

Vorteile der Erfindung

Die er indungs emäße Darlington-TransistorSchaltung mit den kennzeichnenden Merkaalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die sich im Betrieb.um die erste und um die

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zweite Zone herum ausbildende Raumladungszone innerhalb der als Stoppring dienenden ringförmigen Zone begrenzt und unter¬ halb der Deckelektrode von äußeren elek ^t rischen Feldern ab¬ geschirmt wird und daß ferner die Durchbruchsspannung am ersten und am zweiten pn-Übergang in weiten Grenzen ver¬ änderbar ist. Anspruch 2 bietet eine besonders einfache Realisierungsmöglichkeit für die Einstellung dieser Durch¬ bruchsspannung mit Hilfe eines Spannungsteilers. Besonders vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach den An- Sprüchen 1 und 2 ergeben sich aus den weiteren Unteran- sprücheα. 3 bis 12.

eichnung

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Darlington-Tran.- sistorSchaltung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das elektrische Schaltbild einer bekannten, aus zwei npn-Transistoren bestehenden Darlington-Transistorschaltung,

Figur 2 einen Schnitt durch das Layout einer Darlington- Transistorschaltung nach Figur 1 ,

Figur 3 einen Teilschnitt durch eine Darlington-Transistor¬ schaltung gemäß der Erfindung mit einem externen ohmschen Spannungsteiler zur Einstellung der DurchbruchsSpannung am ersten und am zweiten pn-Übergang,

Figur k die DurchbruchsSpannung U_iär am ersten -n-Übergang in Abhängigkeit vom Teilerverhältnis dieses externen Spannungs¬ teilers, • ^■

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Figur 5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Darlington- Transistorschaltung, bei der der ohmsche Spannungsteiler mono¬ lithisch integriert ist, mit geschlossenen Kontaktfenstern,

, Figur 6 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 5 . je¬ doch mit geöffneten Kontaktfenstern,

Figur 7 einen Schnitt nach der Linie A-A' der Figur 6,

Figur 8 eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsge¬ mäßen Darlington-Transistorschaltung, bei der der ohmsche Spannungsteiler teilweise durch eine Kette von Zenerdioden ersetzt ist,

Figur 9 einen Schnitt nach der Linie B-B' der Figur 8.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt das elektrische Schaltbild einer Darlington- Transistorschaltung mit einem npn-Leistungstransistor T . und einem npn-Treibertransistor T_ und mit je einem Widerstand R. bzw. R_ parallel zu den Emitter-Basis-Strecken dieser beiden Transistoren.

In Figur 2 ist ein Schnitt durch das Layout einer Darlington- Transistorschaltung nach Figur 1 dargestellt. In das gemein¬ same n-leitende Halbleitersubstrat 1 _. 0 sind von einer Haupt¬ oberfläche her die beiden p-leitenden Basiszonen 11a und 11b der beiden Transistoren T_. , T_ eindiffundiert. Diese Zonen bilden mit dem Halbleitersubstrat 10 pn-übergänge 12a und 1 b. In die Zonen 11a und 11b hinein sind von derselben Haupt¬ oberfläche her die entsprechenden n-leitenden Emitterzonen 9a und 9b der beiden Transistoren und T_ eindiffundiert. Eine

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- h

Passivierungsschicht 13 deckt diejenigen Teile der ge¬ nannten Hauptoberfläche ab, an denen pn-Übergänge an die Oberfläche treten. Die äußeren Anschlüsse der Darlington- Transistorschaltung sind in Übereinstimmung mit Fig. 1 mit E, B und C bezeichnet, wobei Ξ der Ξmitteranschluß, B der Basisanschluß und C der Kollektoranschluß ist. Zwischen der Metallisierung für den Emit eranschluß E und der Metalli¬ sierung für den Basisanschluß 3 befindet sich auf der ge¬ nannten Hauptoberfläche eine Verbindungsmetallisierung 8 zur Verbindung der Emitterzone 9b des Treibertransitors T_ mit der Basiszone 11a des Leistungstransistors T...

Die planaren pn-Übergänge 12a und 12b sollen nun durch eine Metallelektrode 15 über dem Isolator 13 so geschützt werden, daß das Sperrverhalten durch äußere Einflüsse (z.B. Stoffe mit polaren Gruppen, Alkaliionen, Metallflit er usw. ) nicht in unerwünschter Weise beeinflußt werden kann. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel in sche atischer Dar¬ stellung. Das Substrat 10 besteht dabei aus n -leitendem Silizium, der Isolator 13 aus thermisch gewachsenem Silizium¬ dioxid. Die Metallelektrode 15 überlappt die p-Zone 11 a und die nicht dargestellte p-Zone 11b sowie ein n -Gebiet k , das gleichzeitig mit den Emittern der beiden Transistoren T_. und T _p eindiffundiert wird. Die n -leitfähige Emitterzone 9a des npn-Transistors T. ist jedoch in Figur 3 nicht dargestellt. Die erreichbare DurchbruchsSpannung an den pn-Überg ngen 12a und 12b hängt außer von der Grunddotierung des Siliziums wesentlich von der Dicke der Oxidschicht 13 und dem Potential der Elektrode 15 ab.

Figur h zeigt die Abhängigkeit der Du chbruchsspannung als Funktion des Teilerverhältnisses R : R eines externen Spannungs¬ teilers 16. Dabei ist U_, die Durchbruchsspannung am pn-Über¬ gang 12a, die man erhält, wenn die Deckelektrode 15 ohne Zwischenschaltung des Widerstands R.. direkt an die p-Zone 11a angeschlossen ist. Sie ist im vorliegenden Beispiel deut¬ lich kleiner als diejenige Durchbruchsspannung, die ohne Deck¬ elektrode 15 erzielbar ist. Sie ist gleich der Spannung beim Verarmungsdurch __ruch einer entsprechenden MOS-Struktur. U_ ist die Durchbruchsspannung, die man erhält, wenn die Deck— elektrode 15 unter Verzicht auf den Spannungsteiler 16 an das n -Gebiet i k bzw. an die gemeinsame Kollektorzone der beiden npn-Transistoren T. und T _? angeschlossen ist. Sie ist wegen der durch die Ladungsträgeranreicherung bedingten Feldstärke- erhδhung ebenfalls kleiner als die DurchbruchsSpannung ohne Deckelektrode 15- Die größte erreichbare Durchbruchsspannung beträgt ü. + U _? bei einem Teilerverhältnis R.. : R ^* = U ₂ : (U. + U ₂ ) . Der Temperaturgang der DurchbruchsSpannung ist bei einem Transistor etwas kleiner als bei einer Zenerdiode mit gleicher Sperrspannung, besonders dann, wenn der Spannungsteiler 16 auf die rechte Flanke der Spannungskurve in Figur h eingestellt wird.

Die Figuren 5 und 7 zeigen ein Beispiel, wie der Spannungs¬ teiler 16 monolithisch integriert werden kann. Wie in Figur 5 in der Draufsicht erkennbar, bildet dabei der Spannungs eiler¬ widerstand 1 βa eine von der Hauptoberfläche des Substrats 10 her eindiffundierte langgestreckte p-leitende Zone 1lβa. Diese Zone 116a besteht aus einem Ausläufter der zweiten Zone 11b und ist mindestens teilweise von der Passivierungsschicht 13 und von der darüber hinweg verlaufenden, als Deckelektrode 15 dienenden Metallisierung überdeckt. Der Rand sämtlicher Metalli¬ sierungen ist in den Figuren 5 und 6 mit gest ichelten Linien¬ zügen gekennzeichnet. An einer bestimmten Stelle über der Zone

ERSATZBLATT

11βa ist die Passivierungsschicht 13 unterhalb der Deck¬ elektrode 15 entfernt. Der innerhalb des so gebildeten Kontaktfens ers 122a zu liegen kommende Teil der Deck¬ elektrode 15 bildet dabei den Abgriff 16b des Spannungs¬ teilers 16. Das erste Ende 19 ies Spannungsteilerwider¬ standes 1βa befindet sich in den Figuren 5 und β an der rechten unteren Ecke der zweiten Zone 11b und stellt einen lückenlosen Übergang der zweiten Zone 11b mit der langge¬ streckten Zone 11 βa dar. Vorstellbar und für gewisse An¬ wendungen sogar von Vorteil wäre auch ein direkter Anschluß der Zone 11 βa an die Zone 11a. Das zweite Ende 20 des Spannungs¬ teilerwiderstandes 1 βa wird durch das andere Ende der Zone 11 βa gebildet, das sich in den Figuren 5 und 6 etwas rechts von der linken oberen Ecke des Substrats 10 be¬ findet. Dieses zweite Ende 20 des durch die Zone 11 βa ge¬ bildeten Spannungsteilerwiάerstandes 1 βa wird durch eine über die Passivierungsschicht 13 hinwegge ührte Metalli¬ sierung 22 mit einem Teil des Stopprings 1 k derart ver¬ bunden, daß diese Metallisierung 22 über in der Passi¬ vierungsschicht 13 angebrachte Kontaktfenster 22a mit den darunterliegenden, miteinander zu verbindenden Bereichen kontaktiert ist.

Über dem linken oberen Teil der Zone 11 βa ist in der Deck¬ elektrode 15 eine Aussparung 30 angebracht, die die Passi¬ vierungsschicht 13 freilegt. In den durch die Aussparung 30 freigelegten Teil der Passivierungsschicht 13 sind Kontakt¬ fenster 301, 302, 303 eingebracht, die sich in Längsrichtung der langgestreckten Zone 11 βa aneinander reihen. Diese Kontakt¬ fenster 301 , 302, 303 sind durch eine Kurzschlußmetallisierung M überbrückt, die die zwischen diesen Kontaktfenstern 301, 302, 303 liegenden Teile der dritten Zone 11 βa kurzschließt. Durch Auftrennen einzelner Teilstücke M. , _ dieser Kurz¬ schlußmetallisierung M ist der Spannungsteiler iβ abgleichbar, um die Durchbruchsspannungen an den pn-Übergängen 12a und 12b auf einen gewünschten Wert einstellen zu können. Ein geeignetes

Verfahren zum Auf-rennen solcher Metallisierungsbrücken ist in der DE-AS 22 5β 688 beschrieben.

Mit der in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Anordnung wird insgesamt erreicht, daß alle an die genannte Haupt¬ oberfläche grenzenden Gebiete, in denen beim Anlegen einer Sperrspannung an die pn-Übergänge 12a, 12b Raumladung auf¬ tritt - im wesentlichen Gebiete der Zone 10 und ein an¬ grenzender Streifen der Zonen 11a, 11b - durch eine über der Siliziumdioxidschicht 13 liegende metallische Deckelektrode 15 geschützt sind.

Ein C-fδrmiger Teil 10a der Zone 10, der die Basisgebiete- 11a, 11b des Leistungs- und des Treibertransistors teilweise vonein¬ ander trennt, kann ohne Nachteile für die Sperrf higkeit von der Metallisierung 8 überdeckt werden, die an die Basiszone des Leistungstransistors I. und an die Emitterzone des Treiber¬ transistors T„ angeschlossen ist.

Zwei aus Basismaterial bestehende Stege 11c und 11d, die die Zonen 11a und 11b miteinander verbinden, stellen einen Wider¬ stand zwischen den Basiszonen 11a und 11b der beiden Tran¬ sistoren T ₁ und T_ dar, der in Figur 1 mit R_ bezeichnet ist. Sollte dieser Widerstand unerwünscht sein, so kann das ei¬ förmige Gebiet 10a zu einem ebenfalls durch eine Übermetalli¬ sierung vollständig schützbaren Ring erweitert werden.

Auf die Darstellung von Einzelheiten, die mit dem erfindungsge¬ mäßen Gedanken nichts zu tun haben, ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Dazu gehören etwa die Zahnung von Emittergebieten, ein Widerstand R-. zwischen Emitter und 3asis des Leistungstransistors T , eine Diode parallel zur Smitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors T ^" und eine Überlappung der Emitter-Basis-Übergänge durch die Metallisierung

In den Figuren 5 und 6 ist in der Umgebung des Metall¬ streifens 22 die Begrenzung des n -Gebiets l so gewählt, daß überall, auch an weniger kritischen Stellen, die n -Ge¬ biete (Zone 10) vollständig durch die Metallelektrode 15 überdeckt sind.

Ein n -Streifen 1 l k ₃ der Verbindung mit der Zone i k hat, liegt zwischen der p-Zone 11a bzw. 11b (Basisgebiet ^" ) und der p-Zone 11 βa (Spannungsteilerwiderstand). Er verhindert, daß bei Anlegen von Sperrspannung an die pn-Übergänge 1 a und 12b über die Raumladung eine Verbindung zwischen den Zonen 11a, 11b und der Zone 11 βa auftreten kann.

Zum Erreichen hoher Spannungsteilerwiderstände mit geringem Flächenbedarf ist es zu empfehlen, für die Zone 11 βa des Spannungsteilers einen zusätzlichen Fotoprozess vorzusehen, um unabhängig von den Basiszonen 11a und 11b eine geringere Störstellendotierung vorzunehmen.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 8 und 9 ist der in der linken oberen Ecke der Figuren 5 und 6 befindliche Teil des durch die Zone 11 βa gebildeten ohmschen Spannungs¬ teilerwide standes 1 βa durch eine Kette von Zenerdioden Z., Z _p , Z_ ersetzt. Diese Zenerdioden bestehen jeweils aus einer in die Hauptoberfläche des Substrats 10 eindiffundierten Zone .

•-0 mit p-Leitf higkeit und aus einer in diese Zone -0 eindiff- . undierten Zone kl mit n -Leitfähigkeit. Im Bereich der Zener¬ dioden Z . _ Z _p , Z_ ist in der Metallisierung 15 eine zungen- fδr ige Aussparung 31 vorgesehen, innerhalb der die Zenerdio¬ den Z., _p , Z_ durch Metallisierungsbrücken 3-, B _? miteinander verbunden sind. Innerhalb der Aussparung 31 ist außerdem die letzte Zenerdiode Z_ der Kette Z , Z - , Z_ durch eine weitere Metallisierungsbrücke B- mit einem Teil des Stopprings 1k ver-

bunden. Die Verbindungen sind dabei jeweils so ausgeführt, daß die Metallisierungsbrücken B., B _p , B_ über in der Passivie— ^• rungsschicht 13 angebrachte Kontaktfenster mit den entsprechen¬ den, darunterliegenden Bereichen kontaktiert sind.

Bei dem in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsbei¬ spiel, bei dem ein Teil des ohmschen Spannungsteilerwiderstandes 1 βa durch eine Kette von Zenerdioden Z , Z„ , Z_ ersetzt ist, werden die p-leitf higen Zonen hθ dieser Zenerdioden gleich¬ zeitig mit den p-Zonen 11a und 11b und der p-Zone 11 βa ein¬ diffundiert, die n -Zonen k1 gleichzeitig mit dem n -Gebiet i k und den n -leitenden Emitterzonen 9a, 9b der beiden Tran¬ sistoren T ₁ und T _p . Die Durchbruchsspannung der Zenerdioden Z , Z , Z liegt in der Größenore-itung von 10 Volt.

Zur Einstellung der Sperrspannung der Hauptübergänge 12a und 12b können die Zenerdioden Z., Z _? , Z, einzeln kurzgeschlossen werden, etwa durch kurzzeitiges Anlegen einer hohen Sperr¬ spannung, verbunden mit einem hohen Sperrstrom.

Selbstverständlich ist die Zahl der Abgleichstrecken nicht auf die der Ausführungsbeispiele festgelegt. Auch können die be¬ schriebenen Abgleichverfahren bei Bedarf kombiniert werden.