DE3919978A1

DE3919978A1 - Feldeffekthalbleitervorrichtung und -schaltung

Info

Publication number: DE3919978A1
Application number: DE3919978A
Authority: DE
Inventors: Bantval Jayant Baliga; Hsueh-Rong Chang; Edward Keith Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-06-20
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1990-01-18
Also published as: JPH0250482A; US4961100A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Feldeffektvorrichtungen und -schaltungen und betrifft insbesondere Vorrichtungen und Schaltungen zum Steuern des Stromflusses und zum Sperren von Spannungen beider Polaritäten.

Ein diskreter Feldeffekttransistor hat eine Source- und eine Drainzone, welche durch eine zwischen ihnen angeordnete Basiszone getrennt sind, und weist eine Steuer- oder Gate- Elektrode auf, welche benachbart zu der Basiszone zwischen der Source- und der Drainzone zum Steuern der Leitfähig keit der Kanalzone, welche sich zwischen der Source- und der Drainzone erstreckt, angeordnet ist. Ein solcher dis kreter Feldeffekttransistor ist eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen, die eine Source-, eine Drain- und eine Gate- Elektrode hat, wobei die Source-Elektrode in ohmschem Kon takt sowohl mit der Sourcezone als auch mit einem Teil der Basiszone ist, welcher von der Kanalzone entfernt ist. Daher schließt die Source-Elektrode den Teil des Source/ Basis-PN-Übergangs, über den sie sich erstreckt, kurz. In folgedessen können Feldeffekttransistoren mit dieser Struk tur hohe Spannungen in nur einer Richtung sperren, da nur ihr Basis/Drain-PN-Übergang in der Lage ist, Vorspan nungen in Sperrichtung zu führen.

Es gibt einen Bedarf an Wechselstromschaltern, die in der Lage sind, das Fließen von Wechselstrom in jeder Richtung in Fällen relativ niedriger Spannung bei niedrigem EIN- Widerstand zu steuern, d.h. in Fällen, in denen die an den Feldeffekttransistor im AUS-Zustand angelegte Spannung niedriger als etwa 25-50 Volt und der Spannungsabfall an dem Transistor im EIN-Zustand klein ist, also üblicher weise weniger als etwa 10 Millivolt beträgt.

Demgemäß ist es ein Hauptziel der Erfindung, einen Feld effekttransistorwechselstromschalter zu schaffen, der ei nen niedrigen EIN-Widerstand hat und in der Lage ist, eine Wechselspannung beider Polaritäten zu sperren.

Weiter soll durch die Erfindung ein Wechselstromschalter geschaffen werden, in welchem ein einzelnes Steuersignal die Stromleitung unabhängig von der Polarität des an Hauptanschlüsse der Vorrichtung angelegten Signals steuern kann.

Ferner soll durch die Erfindung ein Feldeffekttransistor wechselstromschalter geschaffen werden, bei dem nur eine einzelne Feldeffektvorrichtung benutzt wird.

Schließlich soll durch die Erfindung eine Feldeffekt transistorschaltung geschaffen werden, die in der Lage ist, einen Stromfluß beider Polaritäten zu steuern, und dabei einen minimalen EIN-Widerstand aufweist.

Vorstehende und weitere Ziele der Erfindung werden erreicht durch eine vier Anschlüsse aufweisende Feldeffekthalbleiter vorrichtung, die eine erste und eine zweite Hauptanschluß zone oder eine Source- und eine Drainzone, eine zwischen diesen angeordnete Basiszone und eine isolierte Gate(IG)- Elektrode hat, welche benachbart zu der Basiszone ange ordnet, von dieser aber isoliert ist. Die vier Anschlüsse umfassen eine erste Hauptelektrode, eine zweite Haupt elektrode und eine IG-Elektrode - also die drei Elektroden, die für bekannte diskrete FETs typisch sind - und darüber hinaus eine Basis-Elektrode, die in ohmschem Kontakt mit der Basiszone angeordnet ist. Die Vorrichtung ist frei von Source-Basis- und Drain-Basis-Zonenkurzschlüssen. Die Leitfähigkeit dieser Vorrichtung zwischen den Hauptelektro den wird durch das Potential der Gate-Elektrode relativ zu der Basiszone gesteuert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Haupt zone benachbart zu einer ersten Oberfläche des Halbleiter körpers angeordnet, und die zweite Hauptzone ist benach bart zu einer zweiten, entgegengesetzten Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnet. Die IG- oder isolierte Gate- Elektrode ist in Gräben angeordnet, welche sich durch die erste Hauptzone und die Basiszone in den Halbleiterkörper erstrecken, um die Leitfähigkeit eines Kanalzonenteils der Basiszone zu steuern, welcher sich von der ersten Hauptzone zu der zweiten Hauptzone erstreckt.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung, welche in der Lage ist, höhere Spannungen zu sperren, enthält die zweite Haupt zone einen schwach dotierten Teil, der zwischen der Basis zone und einem stark dotierten (eine hohe Leitfähigkeit aufweisenden) Teil der zweiten Hauptzone angeordnet ist.

Schaltungen, welche diese Vorrichtung enthalten, ermög lichen eine zwangsläufige Steuerung einer Wechselstrom schaltung unabhängig von der augenblicklichen Polarität des Wechselstromsignals. Das Vorsehen einer Klemmschaltung schützt vor unerwünschten Spannungs- und Stromzuständen in der Vorrichtung und begrenzt die Spannung an den Haupt anschlüssen der Vorrichtung, wodurch eine Aktivierung des parasitären bipolar Transistors verhindert wird, welcher in der Feldeffektvorrichtung von Haus aus vorhanden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, weggeschnittene Ansicht eines Teils einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Teil einer alternativen Struktur für eine Vorrichtung nach der Erfin dung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Schaltung zum Steuern einer Vorrichtung nach Fig. 1 oder nach Fig. 2, und

Fig. 4 und 5 Schaltbilder von alternativen Steuer schaltungen.

Eine Technik, die benutzt werden könnte, um einen Wechsel stromfluß beider Polaritäten zu steuern, besteht darin, zwei Feldeffekttransistoren in Reihe gegeneinander zu schalten (Source-Anschluß an Source-Anschluß), so daß jeder hohe Spannungen einer anderen Polarität sperrt. Eine solche Konfiguration würde den Nachteil haben, daß der EIN-Widerstand des Schalters gegenüber dem eines einzelnen FET vergrößert würde, da diese Reihenschaltung von zwei identischen FETs den zweifachen EIN-Widerstand eines der selben aufweisen würde. Das würde einen beträchtlichen Nach teil bei Schaltungen darstellen, welche beträchtlichen Strom leiten, weil es sowohl den Spannungsabfall an dem Schalter als auch die Verlustleistung in dem Schalter ver größern würde.

In Fig. 1 ist eine N-Kanal-Anreicherungs-Feldeffekthalb leitervorrichtung 10 nach der Erfindung dargestellt. Diese Vorrichtung umfaßt einen Körper 12 aus Halbleitermaterial, der eine stark dotierte N(N+) -Substrat- oder erste Haupt- (Drain)-Zone 20 umfaßt, die benachbart zu einer ersten Hauptfläche 13 a des Halbleiterkörpers 12 angeordnet ist, eine P-Basiszone 26, die benachbart zu der N⁺-Substratzone 20 angeordnet ist und mit dieser einen PN-Übergang 25 bildet, und eine zweite N⁺-Haupt(Source)-Zone 28, die benachbart zu der Basiszone 26 angeordnet ist und mit dieser einen PN-Übergang 27 bildet. Die zweite Hauptzone 28 hat Abstand von der ersten Hauptzone und erstreckt sich bis zu einer zweiten Hauptfläche 13 b des Halbleiterkörpers. Mehrere Gräben 14 erstrecken sich abwärts in den Halbleiter körper 12 von dessen oberer oder zweiter Hauptfläche 13 b aus und erzeugen oder bilden Mesas 15, die sich von den Sohlen der Gräben aus aufwärts bis zu der zweiten Haupt fläche 13 b erstrecken. Die Mesas 15 trennen die Gräben 14 voneinander. Jeder Graben 14 erstreckt sich durch die erste Hauptzone 28 und die Basiszone 26 bis zu der oder in die Substrat- oder zweite Hauptzone 20. Die Mesaseiten wände 16, welche die Seiten der Gräben bilden, haben eine Gate-Isolierschicht 32, welche auf ihren Oberflächen ange ordnet ist. Der Teil 32 a dieser Gateoxidschicht, wo sich die Basiszone 26 zu den Grabenwänden erstreckt, ist relativ dünn, wogegen der Teil 32 b der Schicht 32, welcher den Grabensohlen oder den unteren Wänden 18 benachbart ist, und der Teil 32 c, welcher der ersten Hauptzone benachbart ist, dicker sein können, um die Durchbruchspannung des Gateoxids, das der ersten und der zweiten Hauptzone be nachbart ist, zu vergrößern. Ausgenommen in Fällen, in denen symmetrische Kenndaten erwünscht sind, hat jedoch die gesamte Gateoxidschicht 32 vorzugsweise eine einzelne, gleichmäßige Dicke.

Der übrige Teil des Grabens wird von einem leitfähigen Material 36 eingenommen, das als der elektrisch leitende Teil der isolierten Gate-Elektrode dient. Ein externer Gate-Kontakt 38 ist auf der linken Seite von Fig. 1 schematisch gezeigt. Das leitfähige Material 36 und die Oxidschicht 32 sind bei dem rechten Graben in Fig. 1 weggelassen worden, um die innere Struktur der Mesas 15 sichtbar zu machen. Die Isolierschicht 32 und das leit fähige Material 36 bilden zusammen mit dem externen Gate- Kontakt 38 die isolierte Gate-Elektrode 30 zum Steuern der Leitfähigkeit einer Kanalzone 24 der Basiszone, die sich von der ersten Hauptzone zu der zweiten Hauptzone er streckt. Eine Isolierschicht 39 ist über dem leitfähigen Material 36 angeordnet, um es von der darüber gelegenen zweiten Hauptelektrode 29 zu isolieren.

Weitere Information über Halbleiterscheiben und -vorrich tungen, welche Grabenstrukturen dieser allgemeinen Konfigu ration aufweisen, findet sich in weiteren deutschen Patent anmeldungen der Anmelderin, für die die Prioritäten der US-Patentanmeldungen Serial No. 9 38 692 und 9 38 666, je weils vom 5. Dezember 1986, in Anspruch genommen worden sind und auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Die Vorrichtung 10 hat eine erste Hauptanschluß(Drain)- Elektrode 21, die in ohmschem Kontakt mit dem N⁺-Substrat 20 angeordnet ist, und eine zweite Hauptanschluß(Source)- Elektrode 29, die in ohmschem Kontakt mit der N⁺-leitenden zweiten Hauptzone 28 angeordnet ist. Die zweite Haupt elektrode 29 ist in Fig. 1 nur nach hinten zu gezeigt, um die darunter gelegene Struktur sichtbar zu machen. In einer tatsächlichen Vorrichtung erstreckt sich die Elektrode 29 vorzugsweise über die Gräben 14 und bildet eine durchgehende, großflächige Elektrode, die sich so weit wie möglich über die obere Fläche der zweiten Hauptzone 28 erstreckt und mit dieser so weit wie möglich in ohmschem Kontakt ist, wie es die Vorrichtungsauslegung und Entwurfsregeln ge statten.

Eine Basiselektrode 23 ist in ohmschem Kontakt mit der Basis zone 26 angeordnet. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird es als bevorzugt angesehen, daß sich die Basiszone 26 bis zu der zweiten Oberfläche 13 b des Halbleiterkörpers an dem Umfang der Vorrichtung oder an den Enden der Mesas 15 er streckt, um den Prozeß des Herstellens eines ohmschen Kon takts mit der Basiszone zu vereinfachen. Wenn jedoch bevor zugt würde, diesen Basiskontakt auf einer der Seitenflächen des Halbleiterkörpers oder auf einer Hauptfläche der Vor richtung, die von ihrem Rand entfernt ist, herzustellen, wäre das ebenfalls machbar. Bei Bedarf kann, um das Her stellen eines ohmschen Kontakts mit der Basiszone 26 zu unterstützen, eine P⁺-Zone (nicht gezeigt) in der P-Basis zone 26 gebildet werden, wo die Basiselektrode mit der Basiszone in Kontakt ist.

Die Vorrichtung 10 kann vorzugsweise hergestellt werden, indem mit einem N⁺-Substrat begonnen wird, welches in der endgültigen Vorrichtung zu der ersten Hauptzone wird, und indem man eine P-Schicht auf einer Oberfläche dieser Scheibe epitaxial aufwachsen läßt. In der endgültigen Vor richtung wird die epitaxiale P-Schicht die Basiszone 26. Die N⁺-leitende zweite Hauptzone 28 wird in die P-Basis zone 26 diffundiert. Zum Schaffen der in Fig. 1 gezeigten Struktur wird die N⁺-leitende zweite Hauptdiffusion teil weise maskiert, um einen Teil der Basiszone 26 freizulassen, der sich zu der oberen Oberfläche erstreckt, wo die Basis elektrode 23 gebildet oder darauf aufgebracht werden kann.

Nach der Bildung der Hauptzonen und der Basiszone werden die Gräben 14 gebildet, indem Material aus dem Körper 12 entfernt wird, und zwar beginnend an der oberen Oberfläche des Körpers. Das kann unter Anwendung einer Ätzung mit reaktionsfähigen Ionen (reactive ion etching oder RIE) oder durch eine andere Technik erfolgen, je nach Bedarf. Nach dieser Ätzung sollten geeignete Putzprozeduren benutzt werden, um die durch die Ätzung verursachte Oberflächen beschädigung zu reduzieren. Eine derartige Putzprozedur besteht darin, eine Oxidschicht auf den Grabenwänden wachsen zu lassen und dann dieses Oxid durch einen Prozeß wie Naß ätzen zu entfernen, durch den die Halbleiteroberfläche, welche die Grabenwand bildet, nicht beschädigt wird.

Nach der Herstellung der Gräben und irgendwelchen Putz- oder anderen Vorbereitungsprozessen werden die Oberflächen der Gräben oxidiert, um die Gateisolierschicht 32 in Form von Siliciumoxid herzustellen. Die Gräben werden dann mit einem leitfähigen Material 36 wie polykristallinem Silicium gefüllt, welches als der leitfähige Teil der Gate-Elektrode dient. Anschließend, wenn das Gatematerial sich nicht bis zu dem oberen Ende der Gräben erstreckt, wird die Isolier schicht 39 über dem Gate-Elektrodenmaterial 36 in den Gräben angeordnet. Andernfalls kann der obere Teil der Gate-Elektrode in ein Oxid verwandelt oder auf andere Weise von den später aufzutragenden Schichten isoliert werden. Danach wird eine Schicht leitfähigen Materials, welches einen ohmschen Kontakt sowohl mit der N⁺-leitenden zweiten Hauptzone als auch mit der P-Basiszone (oder einem P⁺-Kontaktteil der Basiszone) bilden wird, auf die obere Oberfläche der Scheibe aufgetragen. Dieses Elektroden material wird anschließend in einem photolithographischen Prozeß definiert, um es in separate Basis- und zweite Hauptelektrodenteile zu trennen. Dieselbe Metallisierungs schicht kann auch definiert werden, um eine Kontaktmetalli sierung für die Gate-Elektrode zu erzeugen, wenn ein Teil des Gate-Elektrodenmaterials 36 vor dem Auftragen der Metallschicht freigelassen wird und der Metalldefinitions schritt den Gate-Elektrodenkontakt von der Basis- und der ersten Hauptelektrode isoliert.

In Fig. 3 ist eine Steuerschaltung 200 zum Steuern der Vor richtung 10 nach Fig. 1 dargestellt. Die Steuerschaltung 200 enthält zwei PETs 210 und 220 sowie eine Spannungs quelle 230, die als eine Batterie dargestellt ist. Diese Elemente sind mit der Vorrichtung 10 verbunden, um deren leitenden Zustand zu steuern. Der NPN-Transistor 45 (in Fig. 4 strichpunktiert gezeigt), der mit dem FET 10 parallel verbunden ist, ist ein parasitärer Bipolartran sistor, welcher in der FET-Struktur von Haus aus vorhanden ist. Die Basis-Emitter- und Basis-Kollektor-PN-Übergänge des parasitären Transistors 45 sind die Übergänge zwischen der Basiszone und der ersten bzw. zweiten Hauptzone des in Fig. 1 gezeigten FET 10. Wenn die Vorrichtung 10, die in Fig. 3 gezeigt ist, im AUS-Zustand ist, in welchem der FET 210 leitend und der FET 220 nichtleitend ist, bewirken Streuströme des Transistors 45, daß die Basiszone 26 des in Fig. 1 gezeigten FET 10 ein Potential annimmt, welches in bezug auf die negativeren Hauptzonen 20 und 28 etwa 0,7 Volt positiv ist. Wenn man sich an die normale N-Ka nal-FET-Anschlußbezeichnungsübereinkunft hält, dann bedeuten die Anschlußnamen "Source" und "Drain", daß der mit "Drain" bezeichnete Anschluß auf einem höheren Potential als der mit "Source" bezeichnete Anschluß ist. Wenn der Haupt anschluß 21 in bezug auf den Hauptanschluß 29 positiv ist, bildet daher der Anschluß 21 (1) den Drainanschluß des FET 10 und (2) den Kollektoranschluß des parasitären Bi polartransistors 45, während gleichzeitig der Anschluß 29 den Sourceanschluß des FET 10 und den Emitteranschluß desparasitären Bipolartransistors 45 bildet. Wenn die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt wird, kehren sich die Funktionsbezeichnungen der Hauptanschlüsse eben falls um. In Fällen von Schaltungen ist es allgemein er forderlich, daß der parasitäre Bipolartransistor 45 zu allen Zeiten inaktiv gehalten wird, indem sein Basis- Emitter-Übergang daran gehindert wird, Ladungsträger (bei spielsweise solche, die aus Hitze, hoher Spannung oder hoher Änderungsgeschwindigkeit der Spannung resultieren) in die Basiszone zu injizieren.

In der Steuerschaltung 200 ist der FET 210 zwischen den Basisanschluß 23 und den Gateanschluß 38 der Vorrichtung 10 geschaltet. Wenn der FET 210 leitend gemacht wird, wird die Vorrichtung 10 im AUS-Zustand gehalten, weil die Gate-Elektrode 38 auf demselben Potential wie die Basiszone 26 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 ist. In der Schaltung nach Fig. 3 ist eine Reihenschaltung des zweiten FET 220 und der Spannungsquelle oder Batterie 230 zwischen den Gateanschluß 38 und den Basisanschluß 23 der Vorrichtung 10 geschaltet. Die Spannungsquelle 230 ist so gerichtet, daß sie den Gateanschluß 38 relativ zu dem Basisanschluß 23 positiv macht, wenn der FET 220 leitend ist (bei einer Vorrichtung 10, die eine P-Basis zone und eine erste und eine zweite N-Hauptzone hat). Um die Vorrichtung 10 leitend zu machen, wird der FET 220 leitend und der FET 210 nichtleitend gemacht, um das Po tential der Gate-Elektrode relativ zu der Basiszone zu erhöhen.

Die Schaltung 200 steuert den leitenden Zustand der Vor richtung 10. Sie kann jedoch zur Aktivität des parasitären NPN-Transistors 45 innerhalb der Vorrichtung 10 führen, da die Basiszone 26 der Vorrichtung 10, welche in Fig. 1 gezeigt ist, relativ zu der ersten und der zweiten Haupt zone potentialmäßig nicht festgelegt ist. Dieses Problem wird durch die in Fig. 4 gezeigte Steuerschaltung 200′ vermieden, in welcher ein Klemmsystem 240 vorgesehen ist, um sicherzustellen, daß die Basiszone 26 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 keinen Strom in den Emitter des parasitären NPN-Transistors 45 injiziert. Das Klemmsy stem 240 in der Schaltung nach Fig. 4 umfaßt zwei Dioden 242 und 244, die in einem Punkt C mit ihren Anoden mit einander und mit dem positiven Ende der Spannungsquelle 230 verbunden sind. Die Spannungsquelle 232 ist fakulta tiv, und ihre Funktion wird im folgenden noch näher er läutert. Die Dioden 242 und 244 sind mit ihren Katoden mit dem ersten bzw. zweiten Hauptanschluß der Vorrichtung 10 verbunden.

Im Betrieb gewährleistet die Klemmschaltung 240, daß der Punkt C immer auf einer Spannung ist, die um nicht mehr als einen Diodendurchlaßspannungsabfall positiver ist als der negativere der beiden Hauptanschlüsse der Vor richtung 10. Der Grund dafür ist, daß, wenn die Spannung in dem Punkt C positiver als das werden würde, die Diode 242 oder 244, die mit dem negativeren der beiden Haupt anschlüsse verbunden ist, leitend würde und die Spannung in dem Punkt C herunter auf diesen Wert ziehen würde. Auf diese Weise hält, solange die Spannung V der Spannungs quelle 230 größer als ein Diodenspannungsabfall ist, die se Klemmschaltung die Basiszone 26 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 negativ relativ zu sowohl der ersten als auch der zweiten Hauptzone, wodurch gewährleistet wird, daß die PN-Übergänge zwischen den Hauptzonen und der Ba siszone nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt werden. Jeder Strom über einen dieser in Sperrichtung vorgespann ten Übergänge (ungeachtet dessen, ob es sich um einen durch Wärme verursachten Streustrom, einen Verschiebungs strom der Kapazität dieses Übergangs oder einen Lawinen- oder Zener-Durchbruchstrom handelt) fließt in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung durch die Spannungsquelle 230 und eine der Dioden 242 und 244 (statt durch den anderen dieser Übergänge), wodurch der parasitäre NPN-Transistor 45 in einem inaktiven Zustand gehalten wird.

Falls die an den Source- und den Drainanschluß der Vor richtung 10 angelegte Wechselspannung eine Amplitude hat, die sich der Lawinendurchbruchspannung des Source- oder des Drainübergangs nähert, und es erwünscht ist, einen Lawinendurchbruch innerhalb des FET zu verhindern, sollte die Amplitude der Spannungsquelle 230 so groß gemacht werden, daß sie nahe bei einem Diodenspannungsabfall liegt, um die Spannung zu minimieren, die an den Übergang der Source- oder Drainzone angelegt wird, je nach dem, welche auf dem positiveren Potential ist. Auf diese Weise wird, wenn die angelegte Wechselspannung (von Scheitel zu Scheitel) kleiner als die Sourcezonenlawinenspannung und die Drainzonenlawinenspannung ist, die Zunahme des Über gangsstreustroms, wenn man sich der Lawinenspannung nähert, verhindern, daß die Basiszone 26 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10 eine Spannung annimmt, die ausreichend negativ ist, um zu bewirken, daß entweder der Source- oder der Drainübergang zum Lawinendurchbruch gelangt. Da jedoch die Feldeffektschwellenspannung im allgemeinen größer als ein Diodenspannungsabfall ist, wird dann die zweite Spannungsquelle 232 in der Schaltung nach Fig. 4 benötigt, um die erforderliche Gatespannung zum Einschal ten der Vorrichtung 10 in den vollständig leitenden Zu stand zu liefern. Die Spannungsquelle 232 kann weggelassen werden, wenn die Spannung der Spannungsquelle 230 aus reicht, um den FET vollständig einzuschalten.

Wenn symmetrisches Begrenzen der Wechselstromspannung er wünscht ist, wird bevorzugt, daß die Dioden 242 und 244 diese Begrenzung auf eine Spannung bewirken, die niedriger als die Lawinendurchbruchspannung der Übergänge innerhalb der Vorrichtung 10 ist. Die Dioden 242 und 244 weisen des halb gleiche Lawinendurchbruchspannungen auf, welche nie driger als die Lawinendurchbruchspannung des Übergangs innerhalb der Vorrichtung 10 sind, welcher die niedrigere Lawinendurchbruchspannung hat. Die Benutzung des Lawinen durchbruchs innerhalb der Dioden 242 und 244 zum Begren zen der Spannung an den Hauptelektroden erfordert, daß die Dioden in der Lage sind, die Energie zu verbrauchen, welche durch den vollen Lawinendurchbruchstrom erzeugt wird, weshalb diese Dioden Leistungsdioden sein müssen, um die hohen Energien auszuhalten, welchen sie in einer Leistungsschaltung ausgesetzt sind. In einer Schaltung, in welcher der Lawinendurchbruch nicht erfolgen sollte, d.h. die Lawinenspannungen von sämtlichen Übergängen größer als die Spitzenamplitude der Wechselspannung sind, brauchen die Dioden 242 und 244 keine Hochleistungsdioden zu sein, da sie unter diesen Umständen nur leiten, um den Punkt C innerhalb eines Diodendurchlaßspannungsabfalls der negativeren der beiden Hauptzonen zu halten. Das er fordert normalerweise keinen hohen Energieverbrauch, weil nur die Vorwärtsleitung des transienten Verschiebungs stroms der Übergangskapazität beteiligt ist.

Andernfalls, wenn die an den Source- und den Drainanschluß der Vorrichtung angelegte Spannung eine Amplitude hat, welche die Lawinendurchbruchspannung des Source- oder des Drainübergangs übersteigen kann oder übersteigt, und es erwünscht ist, den Lawinendurchbruch innerhalb der Vor richtung 10 zu benutzen, um die Spannung an der Vorrich tung 10 zu begrenzen, wird die Spannung der Spannungsquel le 230 gemäß der gewünschten Begrenzungs- oder Klemmspan nung und der Lawinenspannung der Vorrichtungsübergänge gewählt. Wenn beispielsweise in der Schaltung nach Fig. 4 die Source- und Drainübergangslawinenspannungen in der Vorrichtung 10 beide 15 Volt betragen und es erwünscht ist, die Spannung an der Vorrichtung 10 auf 10 Volt zu begrenzen, wird die Spannungsquelle 230 auf eine Spannung von 5 Volt plus dem EIN-Zustand-Durchlaßspannungsabfall der Dioden 242 und 244 eingestellt. Auf diese Weise wird der Basiszonenanschluß 23 auf einer Spannung von im wesentlichen -5 Volt relativ zu dem negativeren der An schlüsse 21 und 29 gehalten. Infolgedessen wird, wenn der Anschluß 21 relativ zu dem Anschluß 29 positiv ist und die Spannung der ersten Hauptzone der Vorrichtung 10 einen Wert von +10 Volt relativ zu der zweiten Hauptzone erreicht, der Punkt C auf einer Spannung von + einem Diodenspannungsabfall durch die Diode 244 gehalten, und der Basisanschluß 23 wird auf -5 Volt gehalten. Infolge dessen werden 15 Volt an den PN-Übergang zwischen der ersten Hauptzone 20 und der Basiszone 26 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung angelegt, und dieser Übergang wird in den Lawinendurchbruch gehen, wodurch der Span nungsanstieg der ersten Hauptelektrode begrenzt wird. Der sich ergebende Lawinendurchbruchstrom wird durch die erste Hauptelektrode 21, die erste Hauptzone 20, über den PN- Übergang 25, durch die Basiszone 26, den Basisanschluß 23, die Batterie 230 und die Diode 244 (welche in Fig. 4 gezeigt sind) zu dem zweiten Hauptanschluß 29 fließen und so den parasitären NPN-Transistor inaktiv halten. Auf ähnliche Weise zieht, wenn die Spannung an dem An schluß 21 in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung negativ wird, die Diode 242 den Punkt C herab auf einen Wert in nerhalb wenigstens eines Diodendurchlaßspannungsabfalls der ersten Hauptzonenspannung. Daher liegt, wenn die erste Hauptzonenspannung -10 Volt erreicht, die Spannung in dem Punkt C innerhalb eines Diodenspannungsabfalls von -10 Volt. Infolgedessen ist die Basiszone als Ergebnis des Vorhanden seins der Batterie auf im wesentlichen -15 Volt, mit dem Ergebnis, daß 15 Volt in Fig. 1 an den PN-Übergang 27 zwischen der zweiten Hauptzone 28 und der Basiszone 26 an gelegt werden und daß dieser Übergang in den Lawinen durchbruch gehen wird, wobei der Lawinenstrom von der zwei ten Hauptelektrode 29 aus in die zweite Hauptzone 28 über den PN-Übergang 27 in die Basiszone 26, über den Ba sisanschluß 23, die Batterie 230 und die Diode 242, welche in Fig. 4 gezeigt sind, zu dem ersten Hauptanschluß 21 fließt. Daher fließt kein Strom über die Basis zu dem er sten Haupt-PN-Übergang, und der parasitäre NPN-Transistor 45 bleibt inaktiv.

Selbstverständlich erfordert die Ausnutzung des Lawinen durchbruchs innerhalb der Vorrichtung 10 als Klemm- oder Begrenzungsmechanismus, daß die Vorrichtung 10 ausreichend robust ist, um die Energie auszuhalten, welche durch den Lawinendurchbruchstrom erzeugt wird, den die Schaltung der Vorrichtung einprägt, und die Dioden 242 und 244 müssen in der Lage sein, diesen Strom ohne übermäßigen Spannungsabfall zu führen. Wenn eine symmetrische Be grenzung bei Verwendung der Lawinenspannungen der Übergänge innerhalb der Vorrichtung 10 erwünscht ist, muß die Vor richtungsstruktur so gesteuert werden, daß sich gleiche Durchbruchspannungen ergeben. Alternativ können Dioden, die niedrigere Durchbruchspannungen als die Hauptübergänge haben, in denselben Chip integriert werden, um einen La winendurchbruch bei derselben Spannung beider Polaritäten zu bewirken. Alternativ kann eine integrierte Diode nur zu dem Übergang mit der höheren Durchbruchspannung elek trisch parallel geschaltet werden, um beide Durchbruch spannungen, die an den externen Anschlüssen der Vorrichtung gemessen werden, gleich der Durchbruchspannung des die niedrigere Spannung aufweisenden Übergangs zu machen.

Eine alternative Version 202′ der Schaltung 200′ ist in Fig. 5 gezeigt. Die Schaltung 202′ nach Fig. 5 hat die Spannungsquelle 232 direkt an den Basisanschluß 23 des FET angeschlossen, statt daß die Spannungsquelle 230 zwi schen diesen und den Basisanschluß 23 geschaltet ist. Die Schaltungen 202′ und 200′ gleichen sich ansonsten und arbeiten auf gleiche Weise.

Eine alternative oder modifizierte Vorrichtung 10′ ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser modifizierten Struktur weist die Substrat- oder erste Hauptzone, statt eine ein zelne gleichmäßige N⁺-Schicht zu sein, eine zweite, schwächer dotierte N-Schicht 22 auf, welche die P-Basis zone 26 von dem N⁺-Teil des Substrats 20 trennt. Diese Vorrichtungsstruktur erhöht die Durchbruchspannung des PN-Übergangs zwischen der Basis 26 und der Schicht 22 im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 10. In der Vorrichtung 10, in der die Zone 20 mit 5×10¹⁹ Donatoratomen/cm³ dotiert ist, die Zone 26 mit 1×10¹⁷ Akzeptoratomen/cm³ dotiert ist, und die Zone 28 mit 5×10¹⁹ Donatoratomen/cm³ dotiert ist, haben die Über gänge 25 und 27 Durchbruchspannungen von jeweils etwa 8 Volt. In der Vorrichtung 10′, in der die Zone 20 mit 5×10¹⁹ Donatoratomen/cm³ dotiert ist, die Zone 22 mit 6×10¹⁶ Donatoratomen/cm³ dotiert ist, die Zone 26 mit 1×10¹⁷ Akzeptoratomen/cm³ dotiert ist, und die Zone 28 mit 5×10¹⁹ Donatoratomen/cm³ dotiert ist, haben die Übergänge 25′ und 27 Durchbruchspannungen von etwa 29 bzw. 8 Volt. Diese Erhöhung der Durchbruchspannung von etwa 8 Volt für den Übergang 25 in der Vorrichtung 10 nach Fig. 1 auf etwa 30 Volt für den Übergang 25′ der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung 10′ ergibt sich selbst dann, wenn die Gateoxidteile 32 b und 32 c dieselbe Dicke wie der Gateoxidteil 32 a haben. Die Schicht 22 bewirkt das durch Reduzieren des elektrischen Feldes in der Nähe der Sohle der Gräben bei einer bestimmten Größe und Polarität der angelegten Source-Drain-Spannung und ermög licht dadurch dem PN-Übergang 25′ der Vorrichtung 10′, eine höhere Spannung zu sperren als der Übergang 25 in der Vorrichtung 10 bei denselben Dotierungswerten der Sourcezone 28, der Drainzone 20 und der Basiszone 26 und bei denselben Gateoxiddicken.

Wenn es erwünscht ist, die Durchbruchspannung des oberen PN-Übergangs 27 in der Vorrichtung 10′ zu erhöhen, gibt es mehrere Alternativen. Zu diesen gehören das Einstellen der relativen Dotierungswerte der Basiszone 26 und der zweiten Hauptzone 28, um die Durchbruchspannung des PN- Übergangs 27 zwischen denselben zu ändern, oder das Vor sehen einer schwächer dotierten N-Pufferschicht zwischen der Basiszone 26 und dem eine große Leitfähigkeit auf weisenden Teil 28 der zweiten Hauptzone.

Die letztgenannte Pufferschicht kann geschaffen werden, indem die oberen N-Zonen in zwei Stufen gebildet werden. Die erste Stufe wird durch eine N-Diffusion gebildet, die einen niedrigen Dotierungswert von etwa 6×10¹⁶ Do natoratomen/cm³ hat, welche teilweise in die P-Zone 26 getrieben wird. Die zweite Stufe ist eine stärkere N- Diffusion durch dieselbe Maske oder dieselben Öffnungen hindurch wie die erste Diffusion. Diese stärkere Diffusion hat vorzugsweise eine Dotierungskonzentration von etwa 5×10¹⁹ Donatoratomen/cm³. Die Durchbruchspannung des sich ergebenden PN-Übergangs zwischen der P-Zone 26 und der oberen N-Zone hängt dann von der Dicke des schwach dotierten Teils der N-Zone zwischen dem stark dotierten Teil der N-Zone und der P-Zone ab. Wenn diese Dicke groß genug ist, wird die Durchbruchspannung durch den Dotierungs wert in dem einen niedrigen Dotierungswert aufweisenden Teil der N-Zone gesteuert. Bei Bedarf können diese Zonen auch durch Ionenimplantation und Glühen gebildet werden.

Im Gebrauch werden die Vorrichtungen 10 und 10′ auf diesel be Weise in einer Schaltung angeordnet, und die Vorrich tungen unterscheiden sich, wenn überhaupt, hauptsächlich in der maximalen Spannung, die sie sperren können. Die Source- und die Drainelektrode werden in einer Schaltung auf dieselbe Weise wie bekannte Feldeffekttransistoren geschaltet. Die Leitfähigkeit der Kanalzone 24 und daher der leitende Zustand der Vorrichtung wird durch das Po tential der Gate-Elektrode 30 relativ zu dem der Basis zone 26 wie bei den bekannten FETs bestimmt. Jedoch anders als bei den bekannten FETs, in denen die Basiszone zu der Sourcezone kurzgeschlossen ist, wird dieses Gate potential nicht gebildet, indem eine Spannung zwischen der Gate-Elektrode und der Sourcezone angelegt wird. Vielmehr muß die Steuerspannung zwischen der Gate-Elektrode und der Basiszonenelektrode angelegt werden. Weil die Gate- Basis-Spannung die Leitfähigkeit der Kanalzone steuert, ist das Gate-Basis-Potential, das angelegt werden muß, um die Vorrichtung in einem vollständig leitenden Zustand zu halten, von der Polarität oder Größe der an die Source- und die Drain-Elektrode angelegten Spannung im wesentlichen unabhängig. Infolgedessen kann eine Steuerspannung einer Polarität und Größe an die Gate- und die Basis-Elektrode angelegt werden, um die Vorrichtung leitend zu machen, ohne Wissen oder Besorgnis, ob die Source-Elektrode auf einer positiven oder negativen Spannung relativ zu der Drain-Elektrode ist. Ebenso kann eine Steuerspannung mit einer zweiten Polarität und Größe an die Gate- und die Basis-Elektrode angelegt werden, um die Vorrichtung nicht leitend zu machen, ohne Kenntnis oder Besorgnis, ob die Source-Elektrode relativ zu der Drain-Elektrode positiv oder negativ ist.

Claims

1. Feldeffekthalbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Halbleiterkörper (12) mit einer ersten und einer dazu entgegengesetzten zweiten Hauptfläche (13 a, 13 b) mit:
einer ersten Hauptanschlußzone (20) eines Leitungs typs, die sich bis zu der ersten Hauptfläche (13 a) des Körpers (12) erstreckt,
einer zweiten Hauptanschlußzone (28) des einen Lei tungstyps, die sich bis zu der zweiten Hauptfläche (13 b) des Körpers (12) erstreckt, und
einer Basiszone (26) eines entgegengesetzten Lei tungstyps, die zwischen und mit Abstand von der er sten und der zweiten Hauptanschlußzone (20, 28) an geordnet ist und einen Kanalteil (34) hat, der sich bis zu der ersten Hauptfläche (13 a) des Halbleiter körpers (12) erstreckt,
eine isolierte Gate-Elektrode (30), die auf der ersten Hauptfläche (13 a) benachbart zu der Basiszone (26) zwischen der ersten und der zweiten Hauptanschlußzone (20, 28) an geordnet ist, zum Steuern der Leitfähigkeit des Kanal teils (24) zwischen der ersten und der zweiten Haupt anschlußzone (20, 28) für Träger des einen Leitungstyps;
eine erste Hauptelektrode (21), die auf der ersten Haupt fläche (13 a) angeordnet und mit der ersten Hauptanschluß zone (20) ohmisch verbunden ist;
eine zweite Hauptelektrode (29), die auf der zweiten Hauptfläche (13 b) angeordnet und mit der zweiten Haupt anschlußzone (28) ohmisch verbunden ist; und
eine Basiselektrode (23), die mit der Basiszone (26) ohmisch verbunden ist;
wobei die Vorrichtung (10) frei von ersten Hauptanschluß zonen-Basiszonen- und zweiten Hauptanschlußzonen-Basis zonen-Kurzschlüssen ist, wodurch die Vorrichtung (10) bidirektional ist und die Leitfähigkeit der Kanalzone (24) durch das Potential der isolierten Gate-Elektrode (30) relativ zu der Basiszone (26) bestimmt wird.

2. Feldeffekthalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptanschlußzone (18) einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, die unterschiedliche Dotierungswerte eines Leitungstyps haben, wobei der erste Teil benachbart zu der zweiten Hauptelek trode (29) angeordnet ist und eine relativ hohe Dotierungs konzentration hat und von der Basiszone (26) durch den zweiten Teil getrennt ist, wobei der zweite Teil eine re lativ niedrigere Dotierungskonzentration als der erste Teil hat.

3. Feldeffekthalbleitervorrichtung nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die erste Hauptanschlußzone (20) einen ersten und einen zweiten Teil aufweist, die zwei verschiedene Dotierungswerte eines Leitungstyps haben, wobei der erste Teil benachbart zu der ersten Hauptelek trode (21) angeordnet ist und eine relativ hohe Dotierungs konzentration hat und von der Basiszone (26) durch den zweiten Teil getrennt ist, wobei der zweite Teil eine re lativ niedrigere Dotierungskonzentration als der erste Teil hat.

4. Feldeffekthalbleitervorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper (12) einen Graben (14) aufweist, der sich in den Körper (12) von dessen zweiter Haupt fläche (13 b) aus erstreckt;
daß die isolierte Gate-Eelektrode (30) in dem Graben (14) angeordnet ist; und
daß der Kanalteil (24) der Basiszone (26) an den Wänden (16) des Grabens (14) angeordnet ist.

5. Feldeffekthalbleitervorrichtung nach einem der An sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper (12) einen Graben (14) auf weist, der sich in den Körper (12) von dessen erster Haupt fläche (13 a) aus erstreckt, wobei sich der Graben (14) durch die Basiszone (26) bis zu der zweiten Hauptzone (28) erstreckt; und
daß die Kanalzone (24) an den Wänden (16) des Grabens (14) angeordnet ist.

6. Feldeffekthalbleitervorrichtung nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet,
daß die Isolierschicht (32) der isolierten Gate-Elektrode (30) auf den Oberflächen des Grabens (14) angeordnet ist; und
daß die Isolierschicht (32) längs des Teils des Grabens (14) dicker ist, welcher der zweiten Hauptanschlußzone (28) benachbart ist, als er längs des Teils des Grabens (14) ist, der der Basiszone (26) benachbart ist.

7. Feldeffekthalbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch:
einen Halbleiterkörper (12), der eine erste und eine dazu entgegengesetzte zweite Hauptfläche (13 a, 13 b) hat, mit:
einer ersten Hauptanschlußzone (20) einesLeitungs typs, die sich bis zu der ersten Hauptfläche (13 a) erstreckt,
einer zweiten Hauptanschlußzone (28) des einen Leitungstyps, die sich bis zu der zweiten Hauptfläche (13 b) erstreckt, und
einer Basiszone (26) eines entgegengesetzten Leitungs typs, die zwischen und mit Abstand von der ersten und der zweiten Hauptanschlußzone (20, 28) angeordnet ist, und einem Graben (14), der sich in den Körper (12) von dessen erster Hauptfläche (13 a) aus durch die erste Hauptanschlußzone (20) und die Basiszone (26) zu der zweiten Hauptanschlußzone (28) erstreckt, wobei die Basiszone (26) einen Kanalteil (34) hat, der sich zu der Oberfläche des Grabens (14) erstreckt;
eine isolierte Gate-Elektrode (30), die in dem Graben (14) benachbart zu dem Kanalteil (24) der Basiszone (26) ange ordnet ist, zum Steuern der Leitfähigkeit des Kanalteils (24) zwischen der ersten und der zweiten Hauptanschluß zone (20, 28) für Träger des einen Leitungstyps;
eine erste Hauptelektrode (21), die auf der ersten Haupt fläche (13 a) angeordnet und mit der ersten Hauptanschluß zone (20) ohmisch verbunden ist;
eine zweite Hauptelektrode (29), die auf der ersten Haupt fläche (13 b) angeordnet und mit der zweiten Hauptanschluß zone (28) ohmisch verbunden ist; und
eine Basiselektrode (23), die von der ersten und der zweiten Hauptelektrode (21, 29) getrennt und mit der Ba siszone (26) ohmisch verbunden ist;
wobei die Vorrichtung (10) frei von Kurzschlüssen zwischen der ersten Hauptanschlußzone und der Basiszone und der zweiten Hauptanschlußzone und der Basiszone ist, wodurch die Vorrichtung (10) bidirektional ist und die Leitfähig keit der Kanalzone (24) durch das Potential der isolierten Gate-Elektrode (30) relativ zu der Basiszone (26) bestimmt wird.

8. Wechselstromleistungsschaltung, gekennzeichnet durch:
einen Feldeffekttransistor (10), der frei von Kurzschlüs sen zwischen jeder seiner Hauptanschlußzonen (20, 28) und seiner Basiszone (26) ist und einen ersten Haupt-, einen zweiten Haupt-, einen Gate- und einen Basisanschluß hat und in der Lage ist, einen Strom von wenigstens 10 Ampere im EIN-Zustand sicher zu leiten;
eine Wechselspannungsquelle, die an den ersten und den zweiten Hauptanschluß angeschlossen ist; und
eine Einrichtung zum Steuern des Potentials der Gate- Elektrode (30) relativ zu der Basiszone (26), um in einem ersten Zustand die Gate-Elektrode (30) auf einem ersten Potential in bezug auf die Basiszone (26) zu halten und den FET (10) nichtleitend zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß unabhängig von der Polarität der Wechsel spannung zu halten, und um in einem zweiten Zustand die Gate-Elektrode (30) auf einem zweiten Potential in bezug auf die Basiszone (26) mit einer Polarität zu halten und die Vorrichtung (10) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode leitend zu halten.

9. Wechselstromleistungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Steuern des Gate-Basis-Potentials eine Einrichtung aufweist zum Kurz schließen der Gate-Elektrode (30) zur Basiszone (26) und eine Einrichtung zum Anschließen einer ersten Spannungs quelle zwischen der Basiszone (26) und der Gate-Elektrode (30).

10. Wechselstromleistungsschaltung nach Anspruch 9, gekenn zeichnet durch zwei Dioden (242, 244), die zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptanschluß des FET (10) in Serie gegeneinander geschaltet sind, wobei die Dioden (242, 244) über ihren gemeinsamen Anschluß (C) mit einer zweiten Spannungsquelle (230) verbunden sind, welche die gemeinsame Verbindung (C) der Dioden (242, 244) auf einem anderen Potential als die Basiszone (26) des FET (10) hält.

11. Wechselstromleistungsschaltung nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, daß die Lawinendurchbruchspannungen der Dioden (242, 244) jeweils kleiner sind als die Lawi nendurchbruchspannung des Feldeffekttransistors (10).

12. Wechselstromleistungsschaltung nach Anspruch 9, ge kennzeichnet durch zwei Dioden (242, 244), die zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptanschluß des FET (10) in Serie gegeneinander geschaltet sind, wobei die gemeinsame Verbindung (C) der Dioden (242, 244) mit der ersten Spannungsquelle (230) verbunden ist.

13. Wechselstromleistungsschaltung nach Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß die Lawinendurchbruchspannungen der Dioden (242, 244) jeweils kleiner sind als die Lawinen durchbruchspannung des Feldeffekttransistors (10).