DE3333896C2

DE3333896C2 - Halbleiterstruktur zum Schutz gegen negative und positive Überspannungen

Info

Publication number: DE3333896C2
Application number: DE3333896A
Authority: DE
Inventors: Leslie Ronald Avery
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1982-09-22
Filing date: 1983-09-20
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2003-09-21
Also published as: US4484244A; IT1171088B; FR2533369B1; JPH069018B2; IT8322946A1; GB2128829B; DE3333896A1; GB2128829A; CA1195432A; GB8324445D0; FR2533369A1; IT8322946A0; JPS5990120A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterstruktur gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zum Schutz eines inte grierten Schaltkreises gegen negative und positive Über spannungen. Unter dem Begriff "Überspannung" werden im vorliegenden Zusammenhang vor allem Spannungssprünge, mo mentane Überspannungen, Ein- oder Ausschaltspannungen und sonstige Spannungsausgleichsvorgänge verstanden.

Integrierte Schaltkreise werden oft durch Überspannungen beschädigt, die einen oder mehrere individuelle Bereiche der Schaltung mit dem Ergebnis eines Schmelzens, Kurz schlusses oder anderer Zerstörung der Vorrichtung überla sten. Es werden daher verschiedene Vorrichtungen und Schaltungen zum Schutz der integrierten Schaltkreise ge gen Beschädigung durch Überspannungen eingesetzt. Als Schutzvorrichtung dieser Art werden als interner Über spannungsschutz beispielsweise auf einem Halbleiterchip integrierte Dioden oder Transistoren verwendet. Solche Vorrichtungen bieten zwar einen gewissen Schutz für den integrierten Schaltkreis, in dem sie enthalten sind, sie erfordern jedoch einen erheblichen Raum, der zur Erhöhung der Packungsdichte besser für den Hauptteil der Schaltung zu verwenden wäre.

Ein Beispiel einer Überspannung ist eine Hochspannungs- Spitze bzw. -Impulszacke, die in einem z. B. zur Bild- und Tonverarbeitung dienende integrierte Niederspannungs- Schaltkreise enthaltenden Fernsehgerät auftreten kann.

Die Anode einer Bildröhre wird typisch mit etwa 25 000 Volt vorgespannt, so daß bei schneller Entladung der Anode eine hohe Überspannung an der Stromversorgung auf treten kann. Ebenfalls unvorhersehbar kann sich ein Lichtbogen in der Bildröhre zwischen der Anode und einer oder mehreren Elektroden mit niedrigem Potential bilden. In jedem Fall gelangt die hohe Überspannung, die entweder eine positiv gerichtete oder eine negativ gerichtete Spitze von mehr als 100 Volt haben kann über den norma len Netzanschluß oder durch elektrostatische Aufladung derer Verbindungsleiter einer gedruckten Leiterplatte auf die Anschlußstelle der integrierten Schaltung.

Hohe Überspannungen können in einem Fernsehempfänger auch durch elektrostatische Entladung verursacht werden. Eine elektrostatische Ladung wird im allgemeinen über die Steuerknöpfe od. dgl. des Fernsehgerätes vom Benutzer ent laden. Auch hierbei entstehen Überspannungen, die im Fernsehgerät enthaltene integrierte Schaltungen beschädi gen können.

Es gibt zwar viele Schutzvorrichtungen gegen hohe Über spannungen, der Konstrukteur wird in diesem Zusammenhang jedoch regelmäßig mit dem Problem konfrontriert, daß er zum Herstellen der recht voluminösen Schutzschaltungen wertvollen Raum auf dem jeweiligen Halbleiterchip benö tigt. Bei Vorrichtungen mit einer großen Zahl von Kon taktstiften hat sich ergeben, daß die Schutzschaltungen einen beträchtlichen Raum einnehmen, derart, daß der Chip übermäßig groß wird.

Eine Halbleiterstruktur eingangs genannter Art kann aus DE 29 51 421 A1 hergeleitet werden. Die bekannte Vorrich tung besteht aus vier, im vorgenannten Zusammenhang rele vanten Halbleiterschichten mit jeweils einander entgegen gesetztem Leitungstyp, die insgesamt einen einzigen Thyristor bilden. Die vier Halbleiterschichten umfassen ein P-leitendes Substrat, eine N-leitende Schicht, eine P-leitende Zone und eine N⁺-leitende Zone. Eine Elektro denschicht wird derart vorgesehen, daß sie nicht in Kon takt mit der Oberfläche der P-leitenden Zone, sondern nur mit der Oberfläche der N⁺-leitenden Zone kommt. Ein weiterer Kontakt wird so angebracht, daß er sowohl die P- leitende Zone als auch die N⁺-leitende Zone kontaktiert und dadurch den dazwischenliegenden PN-Übergang kurz schließt.

In der bekannten Struktur wird eine einzige, aus zwei Transistoren entgegengesetzten Leitungstyps gebildete Thyristor-Anordnung mit einer im wesentlichen senkrecht in den Halbleiterkörper des Substrats hineinreichenden Schichtenfolge vorgesehen. Das Substrat selbst bildet ge wissermaßen die Referenzspannungsquelle. Die im Bekannten zu schützende Leitung führt auf einem Teil ihres Weges zwischen zwei Anschlüssen durch die Zone des Halbleiter körpers hindurch. In dieser N⁺-Zone bildet das Halblei termaterial einen in der zu schützenden Leitung einge schalteten Innenwiderstand. Durch den Kurzschluß des einen PN-Übergangs werden Emitter und Basis des NPN-Tran sistors der Thyristor-Anordnung am einen Ende des Innen widerstandes leitend verbunden.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß sie wegen des für die Funktion der Schaltung unabdingbaren Innenwiderstandes nicht zuverlässig arbei tet, wenn sie mit einer Schaltung mit hoher Eingangsimpe danz verbunden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine inte grierte Halbleiterschutzschaltung gegen positive und ne gative Überspannungen zu schaffen, deren Schutzfunktion unabhängig von der Größe eines Innenwiderstandes eintritt, ohne daß der Raumbedarf auf dem jeweiligen Halbleiterchip wesentlich größer wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Verbesserungen und weitere Ausgestal tungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen ange geben.

Durch das Anordnen sowohl der Schutzmittel gegen negative Überspannungen als auch der Schutzmittel gegen positive Überspannungen in einem einzigen isolierten Bereich zu sammen mit einer Anschlußstelle bzw. einem Anschlußfeld wird erheblicher Raum auf der Fläche des den zu schützen den integrierten Schaltkreis aufnehmenden Halbleiterchips eingespart. Vorzugsweise besteht die Erfindung darin, eine integrierte Schutzschaltung mit einem ersten und ei nem zweiten Paar von komplementär leitenden Transistoren in einer gemeinsamen (N⁻)-Wanne zu bilden. In einer wei teren Ausgestaltung wird ein als Vorwiderstand zu be zeichnendes Widerstandselement in die Halbleiterstruktur integriert, um ein Fühlglied zu schaffen. Grundsätzlich wird jedes Paar von Transistoren komplementären Leitungs typs sowie des gemeinsamen Vorwiderstandes in einem ge meinsamen, der Umgebung gegenüber isolierten Bereich an geordnet, und jedes Transistorpaar wird so geschaltet, daß ein Dipol entsteht, der einen hohen Strom führen kann, wenn die Spannung (entweder in negativer oder in positiver Richtung) einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbei spielen werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Dipol-Überspannungs-Schutzschaltung;

Fig. 2 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbei spiels einer Dipol-Überspannungs-Schutzschal tung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Struktur der Dipol-Über spannungs-Schutzschaltung nach Fig. 2;

Fig. 3A einen Schnitt längs der Linie A-A der Struktur nach Fig. 3;

Fig. 3B einen Schnitt längs der Linie B-B der Struktur nach Fig. 3;

Fig. 3C einen Schnitt längs der Linie C-C der Struktur nach Fig. 3 und

Fig. 3D einen Schnitt längs der Linie D-D der Struktur nach Fig. 3.

In Fig. 1 wird dargestellt, wie ein Schaltkreis gegenüber negativen Überspannungen durch die Teilschaltung 10 und gegenüber positiven Überspannungen durch die Teilschaltung 12 geschützt werden kann. Dabei werden die Teilschaltungen 10 und 12 gegen negative bzw. positive Überspannungen in einem gemeinsamen, isolierten Bereich bzw. in einer gemeinsamen, isolierten Wanne gebildet.

Die Teilschaltung 10 besteht aus einem NPN-Transistor Q₄, dessen Emitter mit einem ein Signal zwischen einer Anschlußstelle 14 und dem (nicht gezeichneten) zu schützenden Schaltkreis führenden Leiter verbunden wird. Der Kollektor des Transistors Q₄ wird mit der Basis eines PNP-Transistors Q₃ verbunden, während die Basis des Transistors Q₄ auf den Kollektor des Transistors Q₃ geschaltet wird. Der Emitter des Transistors Q₃ wird mit Referenzpotential 16, z. B. Masse oder Erde, verbunden. Der Schutz gegen negative Überspannungen wird daher durch ein Transistorpaar erzielt, das wie ein gesteuerter Silizium-Dipolgleichrichter geschaltet wird und funktionieren soll.

Die Teilschaltung 12 zum Schutz gegen positive Überspannungen besteht aus einem PNP-Transistor Q₁, dessen Emitter mit dem das Signal zwischen der Anschlußstelle 14 und dem zu schützenden Kreis führenden Leiter verbunden wird. Der Kollektor des Transistors Q₁ wird mit der Basis eines NPN-Transistors Q₂ verbunden, während die Basis des Transistors Q₁ sowohl auf den Kollektor des Transistors Q₂ als auch auf die Basis des Transistors Q₃ geschaltet wird. Die Basis des Transistors Q₂ wird über einen niedrigen Widerstand 18 mit dem Referenzpotential 16 (Masse) verbunden. Ebenso wird der Emitter des Transistors Q₂ mit Masse gekoppelt.

Der Betrieb der Teil-Schutzschaltung 10 ist bei Auftreten eines negativen Überspannungsimpulses an der Anschlußstelle 14 in etwa ähnlich demjenigen eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters, mit Ausnahme der Tatsache, daß die Teilschaltung 10 als Dipol konstruiert wird. Hierdurch unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltung von einem herkömmlichen, gesteuerten Silizium-Gleichrichter, der ein Dreipol-Bauelement ist und so ausgelegt wird, daß ein Triggern durch die Spannung zwischen Anode und Kathode oder durch die Geschwindigkeit der Spannungsänderung zwischen Anode und Kathode vermieden wird. Demgegenüber wird die erfindungsgemäße Schutzschaltung gegen negative Überspannung entweder durch eine hohe Überspannung zwischen den Anschlüssen 14 und 16 oder durch eine große Änderung der Spannung (dv/dt) zwischen den Anschlüssen 14 und 16 getriggert. In der Praxis ist der Anschluß 16 ein Referenzpotential, z. B. das Substrat oder Erde, während die Anschlußstelle 14 mit dem zu schützenden Schaltkreis leitend verbunden wird.

Bei in der Schaltung gemäß Fig. 1 an der Anschlußstelle 14 mit hoher Geschwindigkeit ins Negative (bezogen auf Masse) abfallender Spannung wird die Teilschaltung 10 leitend, so daß die Anschlüsse 14 und 16 elektrisch verbunden werden und Überstrom zur Erde abfließen kann. Im Unterschied zu dieser Schaltung würde ein herkömmlicher, gesteuerter Silizium-Gleichrichter einen niedrigen Widerstand zwischen Basis und Emitter des Transistors Q₄ und/oder Basis und Emitter des Transistors Q₃ besitzen, so daß ein Zünden des gesteuerten Gleichrichters verhindert würde. Wenn dagegen an dem Anschluß 14 eine geringe Spannungsänderung auftritt, fließt nur ein kleiner Strom - in der Größenordnung von Pikoampère - durch den Transistor Q₄, ohne daß die Schaltung anspricht, weil die Gesamt-Schleifenverstärkung auf einen Wert von weniger als 1 ausgewählt ist. Bei ausreichend negativer Spannung an der Anschlußstelle 14 wird jedoch der Transistor Q₄ stark leitend und liefert daher einen ausreichenden Beitrag zur Schleifenverstärkung, so daß die gesamte Schleifenverstärkung größer als 1 wird. Unter dieser Bedingung wird die Teilschaltung 10 wiederum leitend, und Überstrom kann zur Erde abfließen.

Die Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen unterscheidet sich von einem üblichen gesteuerten Silizium-Gleichrichter darin, daß die Verbindungen der Transistoren Q₁ und Q₂ so ausgebildet werden, daß der gesteuerte Dreipol-Gleichrichter zu einem Zweipol-Gleichrichter wird, der also leitend wird, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen 14 und 16 eine vorbestimmte positive Schwelle überschreitet. Für die Beschreibung der Betriebsweise wird angenommen, daß die Transistoren Q₁ und Q₂ zu Anfang nicht leiten. Der Widerstand 18 verhindert sowohl ein elektrisches als auch ein thermisches Rauschen für den Fall, daß die Transistoren Q₁ und Q₂ unbeabsichtigt leitend werden. Im Grundsatz wird die Teilschutzschaltung 12 während des Auftretens einer einen Spannungsabfall am Widerstand 18 verursachenden, positiv gerichteten Überspannung durch den Kollektor-Basis-Durchbruch des Transistors Q₂ getriggert. Wenn der entsprechende Spannungsabfall ein V_BE (etwa 0,7 Volt) übersteigt, wird der Transistor Q₂ eingeschaltet. Hierdurch wird ausreichender Basisstrom zum Leitendwerden des Transistors Q₁ geliefert mit der Folge eines positiven Rückkopplungseffekts, durch den beide Transistoren Q₁ und Q₂ gesättigt werden, um die Anschußstelle 14 wirksam mit Masse zu koppeln. (Die Größe V_BE bezeichnet den Spannungsabfall am Basis/Emitter-Übergang eines Transistors im Zustand der Leitung; V_BE ist auch das Minimum der zum Aufrechterhalten eines Stroms vom Emitter zum Kollektor erforderlichen Basis/Emitter-Spannung; bei einem Siliziumtransistor beträgt V_BE etwa 0,7 Volt).

In Fig. 2 werden gegenüber negativ gerichteten und positiv gerichteten Überspannungen wirksam schützende Teilschaltungen 10 und 12 dargestellt. Ähnliche Elemente werden in Fig. 2 ebenso wie in Fig. 1 bezeichnet. Die Teilschaltung 10 gegen negativ gerichtete Überspannungen wird ebenso wie die die Transistoren Q₁ und Q₂ aufweisende Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 geschaltet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird jedoch ein Vorwiderstand 20 in Serie zwischen die Anschlußstelle 14 und den zu schützenden Schaltkreis gesetzt, wobei der Emitter des NPN-Transistors Q₄ der Teilschaltung 10 und der Emitter des PNP-Transistors Q₁ der Teilschaltung 12 mit dem mit der Anschlußstelle 14 verbundenen Pol des Vorwiderstandes 20 verbunden werden, während die Basen der Transistoren Q₁ und Q₃ zusammen mit den Kollektoren oder Transistoren Q₂ und Q₄ auf den mit dem zu schützenden Schaltkreis verbundenen Pol des Vorwiderstandes 20 geschaltet werden. Außerdem wird gemäß Fig. 2 eine zwischen dem zu schützenden Schaltkreis und Masse 16 eingeschaltete Diode 22 dargestellt. Die Diode 22 ist Bestandteil der Schaltungsanordnung.

Bei Betrieb hat eine hohe negativ gerichtete, an der Anschlußstelle 14 erscheinende Überspannung einen Stromfluß durch den Vorwiderstand 20 und die Diode 22 zur Folge. Der Strom ist dabei so gerichtet, daß die Diode 22 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Diese Vorspannung wird über die gemeinsame Verbindung der Basis des Transistors Q₁ und der Basis des Transistors Q₃ auf den Emitter/Basis-Übergang des Transistors Q₃ gekoppelt. Durch die Kombination der Diode 22 und des Transistors Q₃ wird also ein Stromspiegel gebildet. Ein Basisstrom im Transistor Q₃ bewirkt in dem Transistor einen Kollektorstrom, der in die Basis des Transistors Q₄ fließt. Das hat einen Kollektorstrom im Transistor Q₄ zur Folge, der wiederum den Basisstrom des Transistors Q₃ vergrößert. Das Ergebnis ist ein positiver Rückkopplungskreis, der die Transistoren Q₃ und Q₄ sättigt und die Anschlußstelle 14 durch die Arbeitsweise der Transistoren Q₃ und Q₄ nach Art eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters wirksam erdet. Wenn die Überspannung wieder abgefallen oder unter einen vorbestimmten Wert gefallen ist, nimmt das Potential der Anschlußstelle 14 wieder seinen normalen Wert ein, der Stromfluß sowohl durch die Diode 22 als auch durch die Teilschaltung 10 hört auf, und die Teilschaltung 10 kehrt in den ursprünglichen Zustand zurück.

Eine hohe positv gerichtete Überspannung hat einen Strom durch den Vorwiderstand 20 zur Folge. Dieser fließt je nach der Kollektor/Basis-Durchbruchspannung des Transistors Q₂ entweder in den zu schätzenden Schaltkreis oder zur Erde. Wenn der durch den Vorwiderstand 20 fließende Strom an dem Vorwiderstand 20 einen Spannungsabfall von V_BE (etwa 0,7 Volt) zwischen dessen Polen erzeugt, wird der Transistor Q₁ leitend, da diese Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q₁ liegt. Der Kollektorstrom des Transistors Q₁ fließt durch den Widerstand 18 und entwickelt an diesem einen Spannungsabfall, durch den - wenn die Spannung V_BE (etwa 0,7 Volt) überschreitet - der Transistor Q₂ leitend gemacht wird. Der Kollektorstrom in den Transistor Q₂ vergrößert nun den anfänglichen Basisstrom des Transistors Q₁ und verursacht eine positive Rückkopplung, durch die die beiden Transistoren Q₁ und Q₂ gesättigt werden und die Anschlußstelle 14 wegen ihrer Arbeitsweise nach Art eines herkömmlichen gesteuerten Silizium-Gleichrichters wirksam werden. Wenn die positiv gerichtete Überspannung abgefallen ist und/oder unter ein vorbestimmtes Niveau fällt, wird die Teilschaltung 12 wieder nichtleitend, da durch den Vorwiderstand 20 ein zum Aufrechterhalten von ein V_BE für den Transistor Q₁ nur noch unzulänglicher Strom fließt.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Teilschaltung 12 anspricht, wenn Strom von der Anschlußstelle 14 zu dem zu schützenden Kreis fließt, daß sie aber nicht anspricht, wenn Strom von dem zu schützenden Kreis zu der Anschlußstelle 14 fließt, weil die Polarität der am Vorwiderstand 20 abfallenden Spannung im letztgenannten Fall den Emitter/Basis-Übergang des Transistors Q₁ und damit den entsprechenden Stromweg sperrt.

Diese Schaltungsweise ist besonders vorteilhaft verglichen mit herkömmlichen Schutzschaltkreisen nach Art gesteuerter Silizium-Gleichrichter, da beispielsweise ein NPN-Emitterfolger-Ausgangskreis, der durch die erfindungsgemäße Schaltung geschützt werden soll, bei solchen Überspannungen geerdet wird, welche ein Auslösen des erfindungsgemäßen Schutzschaltkreises verursachen und dadurch verhindert wird, daß übermäßiger Strom durch den geschützten Emitterfolger hindurchfließt und diesen beschädigt.

In Fig. 3 wird die Struktur eines Ausführungsbeispieles einer Festkörperschaltung mit den Merkmalen gemäß Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Teilschaltung 10 gegen negative Überspannungen befindet sich zugleich mit der Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen in einer gemeinsamen N^--leitenden, gegenüber der Umgebung isolierten Wanne bzw. Zone 26, zu der auch das Anschlußfeld bzw. die Anschlußstelle 14 gehört. Die gestrichelten Linien bezeichnen den Umfang einer Metallschicht 44, die die Oberfläche der Anschlußstelle 14 ebenso wie die Verbindungen zwischen den Emittern der Transistoren Q₁ und Q₄ zur Anschlußstelle 14 und zu einem Ende des Vorwiderstandes 20 bildet. Die äußere durchgezogene Linie 26 bezeichnet die Grenze einer gemeinsamen N^--leitenden isolierten Zone 26, während die innere durchgezogene Linie 24 die Grenzen einer N⁺-leitenden vergrabenen Schicht 24 andeutet. Mit 28 wird eine P⁺-Isolierung bezeichnet, die die isolierte Zone 26 umgibt, während die punktierten Linien verschiedene P-leitende Zonen, wie die Zonen 30, 34, 36 und 20, repräsentieren. Die durchgezogenen Linien innerhalb der punktierten Linien bezeichnen N⁺-leitende Diffusionszonen, die innerhalb der P-leitenden Diffusionszonen gebildet werden und im vorliegenden Fall beispielsweise als N⁺-Zone 32 innerhalb der P-Zone 30 und N⁺-Zone 38 innerhalb eines Teils der P-Zone 36 dargestellt werden. Die diagonal durchkreuzten Bereiche stellen Kontaktöffnungen in der Isolierschicht 42 dar. In der Zeichnung werden die Kontaktöffnungen 40, 47, 48, 56 und 58 dargestellt.

In den Fig. 3 sowie 3A bis 3D werden verschiedene Elemente dargestellt, die in oder auf einem isolierten Einzelbereich bzw. einer Wanne so gebildet sind, daß sie die Funktion einer Schutzschaltung sowohl gegen negative als auch gegen positive Überspannungen erfüllen können. Die Teilschaltung 10 gegen positive Überspannungen gemäß Fig. 1 und 2 besteht beispielsweise aus dem PNP-Transistor Q₃ und NPN-Transistor Q₄ gemäß Fig. 3, 3A und 3C, wobei die n⁺-Zone 32 den Emitter, die P-Zone 30 die Basis und die N^--Zone 26 den Kollektor des Transistors Q₄ bilden. In ähnlicher Weise wird der Transistor Q₃ in Fig. 3 und 3C dargestellt mit der P-Zone 36 als Emitter, der N^--Zone 26 als Basis und der P-Zone 30 als Kollektor. Da die N^--Zone 26 sowohl die Basis des Transistors Q₃ als auch den Kollektor des Transistors Q₄ bildet, sind die entsprechenden Transistorbereiche elektrisch miteinander verbunden. In ähnlicher Weise ist die P-Zone 30 gemeinsamer Bestandteil des Kollektors des Transistors Q₃ und der Basis des Transistors Q₄. Auch diese Transistorbereiche sind daher elektrisch miteinander verbunden. Da der Emitter des Transistors Q₄ (N⁺-Zone 32) über die Kontaktöffnung 48 der Isolierschicht 42 mit der Anschlußstelle 14 verbunden wird und da der Emitter des Transistors Q₃ (P-Zone 36) über die Metallisierung 46 geerdet wird, zeigt Fig. 3 den exakten Aufbau einer zum Schutz gegen negative Überspannungen vorgesehenen Teilschaltung 10 nach Fig. 1 und 2 als integrierte Schaltung.

Die Fig. 3, 3A und 3D zeigen die gegen positive Überspannungen schützende Teilschaltung 12 gemäß Fig. 1 und 2 mit dem PNP-Transistor Q₁ und den NPN-Transistor Q₂ als Festkörperschaltung. In den Fig. 3A und 3D bilden die P-Zone 34 den Emitter, die N⁻-Zone 26 die Basis und die P-Zone 36 den Kollektor des PNP-Transistors Q₁. In ähnlicher Weise wird der NPN-Transistor Q₂ in den Fig. 3A und 3D mit der N⁺-Zone 38 als Emitter, der P-Zone 36 als Basis und der N⁻-Zone 26 als Kollektor dargestellt. Da die N⁻-Zone 26 sowohl die Basis des Transistors Q₁ als auch den Kollektor des Transistors Q₂ bildet, sind die entsprechenden Transistorbereiche elektrisch miteinander verbunden. Ähnliches gilt für die elektrische Kopplung zwischen dem Kollektor des Transistors Q₁ und der Basis des Transistors Q₂, die beide in der P-Zone 36 liegen. Zur Vervollständigung der Teilschaltung 12 gegen positive Überspannungen wird der Emitter des Transistors Q₁ durch die Kontaktöffnung 40 mit der Anschlußstelle 14 verbunden, während der Emitter des Transistors Q₂ über die Kontaktöffnung 47 und die Metallisierung 46 geerdet wird.

Die N⁺-leitende, vergrabene Schicht 24 bildet eine Verbindung mit niedrigem Widerstand als gemeinsame Leitung zwischen den Basen der Transistoren Q₁ und Q₃ und den Kollektoren der Transistoren Q₂ und Q₄. Die N⁺-Schicht 24 hat im übrigen elektrischen Kontakt mit der N⁻-leitenden, vorzugsweise epitaktisch erzeugten Zone 26. Mit diesen Verbindungen wird die Schutzschaltung gemäß Fig. 1 vervollständigt.

Für die praktische Ausführung der Schaltung gemäß Fig. 2 wird eine zusätzliche P-Diffusion 20 zwischen der Anschlußstelle 14 und einer den Ausgangskontakt bildenden Metallisierung 54 vorgesehen. Gemäß Fig. 3, 3B und 3D werden in diesem Fall der Emitter des Transistors Q₁ und der Emitter des Transistors Q₄ mit dem Anschlußfeld bzw. der Anschlußstelle 14 und diese über eine Kontaktöffnung 58 mit einer Seite der P-Zone 20 verbunden. Diese P-Zone stellt den Vorwiderstand 20 nach Fig. 2 dar. Die N⁺-leitende Schicht 24 und die gemeinsame Verbindung zwischen der Basis des Transistors Q₁, dem Kollektor des Transistors Q₂, der Basis des Transistors Q₃ und dem Kollektor des Transistors Q₄ wird über eine N⁺-Diffusionszone 52 und eine Metallisierung 54 mit der P-Zone 20 (dem anderen Ende des Vorwiderstandes 20) verbunden. Die elektrische Verbindung zu dem zu schützenden Schaltkreis führt über eine Kontaktöffnung 56 zur Metallisierung 54.

Die Struktur des integrierten Schaltkreises entsprechend der Schutzschaltung gemäß Fig. 2 wird durch die zwischen der N⁺-Diffusionszone 52 und der P⁺-leitenden Trenn- bzw. Isolierzone 28 (Fig. 3B) gebildete Diode 22 und den Widerstand 18 vervollständigt, der in der P-Zone 36 zwischen der geerdeten Metallisierung 46 und dem Bereich der P-Zone 36 zwischen der N⁺-Zone 38 und der N⁻-leitenden epitaktischen Zone 26 hergestellt wird.

In der beschriebenen Halbleiterstruktur befinden sich die Teilschaltungen zum Schutz gegen negative und positive Überspannungen zusammen mit einem Anschlußfeld bzw. einer Anschlußstelle in einer einzigen, isolierten Zone, so daß Platz auf dem Halbleiterchip eingespart wird. Auch ein Vorwiderstand zum Differenzieren der Wirkung der Schaltung je nach Ursprungsort der Überspannung kann in die Festkörperschaltung integriert werden.

Claims

1. Halbleiterstruktur zum Schutz eines integrierten Schaltkreises gegen Überspannungen zwischen einem An schluß des integrierten Schaltkreises und einem Refe renzpotential, die enthält:
ein Substrat aus halbleitendem Material eines ersten Leitungstyps;
mindestens eine Zone des zweiten Leitungstyps an einer Oberfläche des Substrats;
dazwischen weitere drei Halbleiterzonen mit jeweils zu den benachbarten Zonen entgegengesetztem Leitungs typ;
wobei die vertikale Zonenfolge mindestens ein erstes, als Thyristor wirkendes Paar von Transistoren entge gengesetzten Leitungstyps bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Transistorpaar (Q₃, Q₄) als Schutz gegen negative Überspannungen ge polt ist;
daß ein zweites als Thyristor wirkendes Paar von Transistoren (Q₁, Q₂) entgegengesetzten Leitungstyps in dem Substrat ausgebildet ist;
daß das zweite Paar von Transistoren (Q₁, Q₂) als Schutz gegen positive Überspannungen gepolt ist, wo bei die Basis des einen Transistors (Q₃) des ersten Paares von Transistoren als gemeinsame Halbleiterzone (26) mit der Basis des einen Transistors (Q₁) des zweiten Paares von Transistoren in dem Substrat aus gebildet ist und daß die Basis des anderen Transistors (Q₂) des zwei ten Paares von Transistoren über einen Widerstand (18) mit dem Referenzpotential (16) verbunden ist.

2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet daß das erste Paar von Transistoren (Q₃, Q₄) folgende Merkmale aufweist:
einen ersten NPN-Transistor (Q₄) und einen ersten PNP-Transistor (Q₃) jeweils mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor;
eine Verbindung zwischen der Basis des ersten NPN- Transistors (Q₄) und dem Kollektor des ersten PNP- Transistors (Q₃);
eine Verbindung zwischen der Basis des ersten PNP- Transitors (Q₃) und dem Kollektor des ersten NPN- Transistors (Q₄);
eine Verbindung zwischen dem Emitter des ersten NPN- Transistors (Q₄) und dem Leiter; und
eine Verbindung zwischen dem Emitter des ersten PNP- Transistors (Q₃) und dem Referenzpotential (16).

3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das zweite Paar von Transistoren (Q₁, Q₂) folgende Merkmale aufweist:
einen zweiten NPN-Transistor (Q₂) und einen zweiten PNP-Transistor (Q₁) jeweils mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor;
eine Verbindung zwischen der Basis des zweiten NPN- Transistors (Q₂), dem Kollektor des zweiten PNP-Tran sistors (Q₁) und dem Referenzpotential (16);
eine Verbindung zwischen dem Kollektor des zweiten NPN-Transistors (Q₂), der Basis des ersten PNP-Tran sistors (Q₃) und der Basis des zweiten PNP-Transi stors (Q₁);
eine Verbindung zwischen dem Emitter des zweiten PNP- Transistors (Q₁) und dem Leiter; und
eine Verbindung zwischen dem Emitter des zweiten NPN- Transistors (Q₂) und dem Referenzpotential (16).

4. Halbleiterstruktur nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Anschlußstelle (14) und den zu schützenden Schaltkreis ein Vorwiderstand (20) in Reihe mit dem Leiter geschaltet ist, daß der Emitter des ersten NPN-Transistors (Q₄) und der Emitter des zweiten PNP- Transistors (Q₁) mit dem mit der Anschlußstelle (14) verbundenen Pol des Vorwiderstandes (20) verbunden sind und daß die Basen der ersten sowie zweiten PNP- Transistoren (Q₃, Q₁) und die Kollektoren der ersten sowie zweiten NPN-Transistoren (Q₄, Q₂) mit dem anderen Pol des Vorwiderstandes (20) verbunden sind.