CH659152A5 - Festkoerper-schaltvorrichtung und schaltungsanordnung mit wenigstens zwei solcher festkoerper-schaltvorrichtungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Schaltvorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere auf Hochspannungs-Festkörper-Schaltvorrichtungen die in Telefon-Schaltsystemen verwendbar sind, sowie eine Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

In einem Artikel mit dem Titel «A Field Terminated Diode» von Douglas E. Houston u.a., veröffentlicht in «IEEE Transactions on Electron Devices», Vol. ED-23, Nr. 8, August 1976 ist ein diskreter Festkörper-Hochspannungsschalter beschrieben, der eine Vertikalgeometrie besitzt und der eine Zone enthält, die abgeklemmt werden kann, um einen «AUS»-Zustand zu schaffen, oder die mittels Doppel-Trägerinjektion in hohem Masse leitend gemacht werden kann, um einen «EIN»-Zustand zu schaffen. «Doppel-Trägerinjektion» bezieht sich auf die Injektion sowohl von Löchern als auch von Elektronen zur Bildung eines leitenden Plasmas in dem Halbleiter. Ein Problem bei diesem Schalter besteht darin, dass er nicht einfach mit anderen ähnlichen Schaltvorrichtungen auf einem gemeinsamen Substrat herstellbar ist.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Abstand zwischen den Steuerelektroden und der Kathode klein sein sollte, um die Stärke der Steuerelektrodenspannung zu begrenzen; dies jedoch beschränkt den brauchbaren Spannungsbereich, weil es die Steuerelektroden-Kathoden-Durchbruchspannung herabsetzt. Diese Beschränkung wiederum beschränkt die Verwendung von zwei antiparallel geschalteten Vorrichtungen, das heisst von Vorrichtungen, deren Kathode jeweils mit der Anode der anderen Vorrichtung gekoppelt ist, auf relativ niedrige Betriebsspannungen. Derartige Festkörperschalter sind beispielsweise in den US-Patentschriften Nr. 3 722 079, 3 657 616 und 3 911 463 beschrieben. Bei solchen bekannten Festkörperschaltern mit hoher Dotierung der Basiszone führt dies jedoch zu einer geringen Spannungsdurchschlagfestigkeit zwischen Anode und Kathode. Der Durchbruch-Effekt kann zwar durch eine Verbreiterung der Basiszone begrenzt werden, doch wird dadurch auch der Widerstand des Schalters im «EIN»-Zustand erhöht.

Es ist wünschenswert, eine Festkörperschaltvorrichtung zur Verfügung zu haben, die leicht integrierbar ist, so dass zwei oder mehrere Schaltvorrichtungen gleichzeitig auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden können, und wobei jede Schaltvorrichtung in der Lage ist, relativ hohe Spannungen beidseitig zu sperren.

Die erfindungsgemässe Festkörper-Schaltvorrichtung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 7 angeführten Merkmale.

Die Struktur ist derart ausgelegt, dass während des Betriebs eine Doppel-Trägerinjektion stattfindet. Der Körper ist in Kontakt mit dem Substrat, und das Substrat kann so ausgelegt sein, dass das Anbringen einer Elektrode an ihm, die als das Gate der Struktur dient, erleichtert wird.

Diese Struktur kann, wenn sie geeignet ausgelegt ist, als Schalter betrieben werden, der im EIN-(leitenden)Zustand gekennzeichnet ist durch einen Pfad niedriger Impedanz zwischen Anode und Kathode, und der im AUS-(blockierenden)Zustand gekennzeichnet ist durch einen Pfad hoher Impedanz zwischen Anode und Kathode. Das an das Gate angelegte Potential bestimmt den Zustand des Schalters. Während des Ein-Zustands gibt es eine Doppel-Trägerinjektion, die den Widerstand zwischen Anode und Kathode vermindert.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein Halbleiterkörper, wie er oben beschrieben wurde, und der die erste und zweite Zone aufweist, mit Ausnahme seines Hauptoberflächenabschnitts von einer Halbleiterzone des entgegenges

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setzten Leitfähigkeitstyps umgeben. Mehrere Halbleiterkörper, von denen jeder eine umgebende, separate Halbleiterzone aufweist, sind auf einem gemeinsamen Halbleiter-Wafer des einen Leitfähigkeitstyps gebildet, wobei Teile des HalbleiterTWafers sämtliche Halbleiterkörper trennen.

Diese Strukturen, die als torgesteuerte Diodenschalter (gated diode switches) (GDSs) bezeichnet werden, vermögen, wenn sie in geeigneter Weise ausgelegt sind, im AUS-Zustand unabhängig von der Polarität relativ grosse Potentialunterschiede zwischen Anode und Kathode zu blockieren, und sie sind in der Lage, im EIN-Zustand relativ hohe Ströme zu leiten, wobei zwischen Anode und Kathode ein relativ geringer Spannungsabfall vorliegt.

Die doppelseitige Blockiereigenschaft dieser GDS-Struktu-ren machen diese für viele Anwendungsfälle besonders brauchbar. Zwei der oben beschriebenen GDSs können zusammengekoppelt werden, wobei die Gates gemeinsam sind und die Kathode jedes GDS an die Anode des anderen gekoppelt ist. Diese Kombination bildet einen bidirektionellen Hochspannungsschalter. Auf einem gemeinsamen Halbleiter-Wafer können Felder von GDSs hergestellt werden, um Kreuzungspunkte auszubilden, oder es können zwei GDSs mit einem gemeinsamen Gate hergestellt werden, um einen bidirektionellen Schalter zu schaffen.

Fig. 1 zeigt eine Struktur gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein vorgeschlagenes elektrisches Symbol für die Struktur von Fig. 1;

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht von oben einer Struktur gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 zeigt eine Struktur gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 zeigt eine Struktur gemäss noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 zeigt eine Struktur gemäss einer noch weiteren Aus-führungsform der Erfindung; und

Fig. 7 zeigt eine Struktur gemäss einer noch weiteren Schaltvorrichtung der Erfindung.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 1, die eine Halbleiterstruktur 10 zeigt, die zwei im wesentlichen identische torgesteuerte Diodenschalter GDS1 und GDS2 aufweist, die innerhalb von mit gestrichelten Linien gezogenen Rechtecken dargestellt sind und die beide in einem Halbleiter-Wafer oder -Substrat 12 gebildet sind. Die Halbleiterstruktur 10 besitzt eine Hauptoberfläche 11. Das Substrat 12 ist von dem einen Leitfähigkeitstyp und dient als gemeinsames Gate und Träger für GDS1 und GDS2.

Eine Epitaxieschicht des dem Leitfähigkeitstyp des Substrats 12 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ist durch Halbleiterzonen 20 in Halbleiterkörpern 16 und 16a getrennt. Auf dem Substrat 12 können zusätzlich zu den zwei dargestellten Körpern viele Körper 16, 16a ausgebildet sein. Die Zonen 20 sind vom selben Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 12, weisen aber eine höhere Fremdstoffkonzentration (nachstehend Störstellenkonzentration genannt) auf und erstrecken sich von der Hauptoberfläche 11 hinab zum Substrat 12. Innerhalb des Körpers 16 ist ferner eine Halbleiter-Anodenzone 18 desselben Leitfähigkeitstyps wie der Körper 16, jedoch mit höherer Störstellenkonzentration, enthalten. Eine Halbleiterzone 22 ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie der Körper 16, besitzt jedoch einen geringeren spezifischen Widerstand als der Körper 16. Eine Halbleiter-Kathodenzone 24 ist in einem Abschnitt der Zone 22 enthalten und weist einen Abschnitt auf, der sich zu der Hauptoberfläche 11 hin erstreckt. Die Zone 24 ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Zone 20 und besitzt im wesentlichen dieselbe Störstellenkonzentration. Elektroden 28, 30 und 32 machen mit den Zonen 18, 24 bzw. 20 Kontakt geringen Widerstands. Die Zone 20 macht mit dem Substrat 20 einen Kontakt geringen Widerstands. Somit hat die Elektrode 30 mit dem Substrat 12 Kontakt bei geringem Widerstand und dient als gemeinsame Gateelektrode für GDS1 und GDS2. Eine wahlweise vorzusehende Elektrode 38, die aus Metall oder Halbleitermaterial bestehen kann, ist zwischen der Anodenelektrode 28 und der Kathodenelektrode 32 angeordnet. Die Elektrode 38 ist mittels eines elektrischen Anschlusses an der Elektrode 30 mit dem Substrat elektrisch gekoppelt.

In dem Körper 16a sind die Halbleiterzonen 18a, 22a und 24a enthalten. An die Zonen 18a, 22a und 24a sind Elektroden 28a, 32a bzw. 30 angeschlossen. Diese Zonen sind im wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Zonen des Körpers 16. Eine Isolierschicht 26 trennt sämtliche oben beschriebenen Elektroden elektrisch von Abschnitten der Struktur 10, mit Ausnahme jener Abschnitte, deren elektrische Kontaktierung beabsichtigt ist.

In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Substrat 12 vom n-Leitfähigkeitstyp, die Zonen 20 und 24 (24a) sind vom n +-Leitfähigkeitstyp, der Körper 16 (16a) ist von p—Leitfähigkeitstyp, die Zone 18 (18a) vom p +-Leitfähigkeitstyp, die Zone 22 (22a) ist vom p-Leitfähigkeitstyp und hat einen kleineren spezifischen Widerstand als der Körper 16 (16a), und die Elektroden 28 (28a) 32 (32a) sowie 30 bestehen aus Aluminium. Bei dieser Ausführungsform ist die Anodenelektrode 28 elektrisch an die Kathodenelektrode 32a gekoppelt, und die Kathodenelektrode 32 ist an die Anodenelektrode 28a gekoppelt.

Vorgeschlagene elektrische Symbole für GDS1 und GDS2 sind in Fig. 2 dargestellt. Die Anoden-, Kathoden- und Gateelektrodenanschlüsse von GDS1 sind 28, 32 bzw. 30. Die entsprechenden Anschlüsse von GDS2 sind 28a, 32a und 30. Diese Kombination von GDS1 und GDS2 arbeitet als ein bidirektionaler Schalter, der in der Lage ist, beidseitig Potentiale zu blockieren, unabhängig davon, ob die Anode oder Kathode eines der torgesteuerten Diodenschalter auf mehr positivem Potential liegt.

GDS1 und GDS2 sind beide im wesentlichen identisch und arbeiten im wesentlichen in derselben Weise. Folglich ist die nachstehende Beschreibung von GDS1 gleichermassen anwendbar auf GDS2. GDS1 ist gekennzeichnet durch einen Pfad relativ niedrigen Widerstands zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24, wenn er sich im EIN-(leiternden)Zustand befindet und er ist gekennzeichnet durch eine wesentlich höhere Impedanz, wenn er sich im AUS-(blockierenden)Zustand befindet. Im EIN-Zustand liegt das Potential der Gateelektrode 30 typischerweise bei oder unter dem Potential der Anode 28. Von der Anodenzone 18 werden Löcher in den Körper 16 injiziert, und von der Kathodenzone 24 werden in den Körper 16 Elektronen injiziert. Diese Löcher und Elektronen können in ausreichender Anzahl vorhanden sein, um ein Plasma zu bilden, dessen Leitfähigkeit den Körper 16 moduliert. Dies setzt wirksam den Widerstand des Körpers 16 herab, so dass der Widerstand zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24 relativ klein ist, wenn GDS1 im EIN-Zustand arbeitet. Diese Betriebsart, bei der sowohl Löcher als auch Elektronen als Stromträger dienen, wird als Doppel-Trägerinjektion bezeichnet. Die Art der hier beschriebenen Struktur wird als torgesteuerter Diodenschalter (GDS, gated diode switch) bezeichnet.

Die Zone 22 hilft, den Durchgriff einer während des Betriebs gebildeten Verarmungsschicht zu begrenzen, die während des Betriebs zwischen der Zone 20 und dem Substrat 12 und der Kathodenzone 24 gebildet wird. Die Zone 22 hilft ferner, die Bildung einer Oberflächen-Inversionsschicht zwischen den Zonen 24 und 20 zu verhindern. Zusätzlich gestattet sie, dass die Anodenzone 18 und die Kathodenzone 24 relativ dicht beabstandet werden. Dies ergibt im EIN-Zustand einen relativ niedrigen Widerstand zwischen der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24.

Die Leitung zwischen der Anodenzone 18 und der Katho-

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denzone 24 wird verhindert oder gesperrt, wenn das Potential der Gateelektrode 30 ausreichend mehr positiv ist als das der Anodenelektrode 28 und der Kathodenelektrode 32. Der Betrag, um den das positive Potential grösser sein muss, um die Leitung zu verhindern oder zu sperren, ist eine Funktion der Geometrie und der Störstellenkonzentrationgrade der Struktur 10. Dieses positive Gatepotential verursacht, dass der Abschnitt des Körpers 16 zwischen der Gatezone 12 und einem Abschnitt der Oxidschicht 26 verarmt wird, so dass das Potential dieses Abschnitts des Körpers 16 mehr positiv ist als das der Anodenzone 18 und der Kathodenzone 24. Diese positive Potentialsperre verhindert die Leitung von Löchern von der Anodenzone 18 zur Kathodenzone 24. Sie dient ferner zum Sammeln von Elektronen, die bei der Kathodenzone 24 emittiert werden, bevor diese die Anodenzone 18 erreichen können. Dies klemmt den Körper 16 im wesentlichen gegen die dielektrische Schicht 26 in dem Hauptteil des Körpers ab, der zwischen der Anoden- und Kathodenzone 18, 24 liegt und sich von der Zone 12 zu dielektrischen Schicht 26 erstreckt.

Die Verwendung der Elektrode 38 vermindert die Potentialstärke, die notwendig ist, um die Leitung zu verhindern oder zu sperren. Im AUS-Zustand ist GDS1 in der Lage, relativ hohe Potentiale zwischen der Anoden- und Kathodenzone zu blockieren, unabhängig davon, welche Zone das mehr positive Potential aufweist.

Während des EIN-Zustands von GDS1 wird die pn-Über-gang-Diode bestehend aus dem Körper 16 und der Zone 20 in Durchlassrichtung vorgespannt. Strombegrenzungseinrichtungen (nicht dargestellt) können dazu verwendet werden, die Leitung durch die in Durchlassrichtung vorgespannte Diode zu begrenzen.

GDS1 und GDS2 brauchen nicht mit den Anoden und Kathoden zusammengeschaltet zu sein. GDS1 oder GDS2 können individuell verwendet werden, jedoch sind die Gates gemeinsam.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 3, die eine Ansicht von oben einer bevorzugten Ausführungsform einer Doppel-GDS-Halbleiterstruktur 100 darstellt, welche hergestellt wurde. Die Struktur 100 ähnelt der Struktur 10 mit der Ausnahme,

dass die Anoden- und Kathodenzonen gekrümmt sind. Diese Geometrie hat die Tendenz, eine örtlich begrenzte Spannungsfeldkonzentration zu begrenzen, welche einen Spannungsdurchbruch verursacht, und sie fügt zusätzlich einen gemeinsamen Umkreis für die Anoden- und Kathodenzonen hinzu, um den niedrigen EIN-Widerstand zu erleichtern und dadurch den Betrieb bei hohem Strom zu vereinfachen. Die Struktur 100 wurde auf einem n-Substrat mit einer Stärke von 457 bis 559 Mikrometer und einer Leitfähigkeit von 1015 bis 1016 Störstellen/cm3 hergestellt. Die Körper 160 und 160a sind vom p-Leitfähigkeits-typ und haben eine Stärke von 30 bis 40 Mikrometer, eine Breite von 720 Mikrometer, eine Länge von 910 Mikrometer und eine Störstellenkonzentration im Bereich von 5 - 9 X 1013 Störstellen/cm3. Die gekrümmten Anodenzonen 180 und 180a sind vom p + -Leitfähigkeitstyp und haben eine Stärke von 2 bis 4 Mikrometer sowie eine Störstellenkonzentration vonlO19 Störstellen/cm3. Die gekrümmten Kathodenzonen 240 und 240a sind vom n +-Leitfähigkeitstyp und haben eine Stärke von 2 bis 4 Mikrometer und eine Störstellenkonzentration von 1019 Störstellen/cm3. Die Gesamtlänge und -breite der hergestellten Schaltung beträgt 1910 Mikrometer mal 1300 Mikrometer. Der Abstand zwischen Anode und Kathode beträgt typischerweise 120 Mikrometer.

Einige der hergestellten Strukturen enthielten Leiterzonen 380, 380a, die 60 Mikrometer breit waren, und andere Strukturen enthielten diese Zonen nicht. Die ohne Zonen 380 und 380a hergestellten Strukturen benötigten ein Potential von 22 Volt mehr an dem Gate als an der Anode, um die Leitung zwischen Anode und Kathode zu verhindern oder zu sperren. Die mit

Leiterzonen 380 und 380a hergestellten Strukturen machten es erforderlich, dass das Gatepotential lediglich 7,5 V über dem Anodenpotential lag, um eine Abschaltung zu erzielen. Die hergestellte Struktur war in der Lage, 300 V zu blockieren und 500 Milliampere zu leiten mit einem Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode von 2,2 Volt. Diese Struktur war in der Lage, bei Stromstössen von 10 Ampere mit einer Dauer von einer Millisekunde zu arbeiten.

Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, wo eine Struktur 1.000 dargestellt ist, die der Struktur 10 sehr ähnlich ist, und sämtliche Teile der Struktur, die im wesentlichen identisch oder ähnlich den Elementen der Struktur 10 sind, sind durch dieselbe Bezugszahl kenntlich gemacht, wobei am Ende zwei «Oen» hinzugefügt sind. Der grundlegende Unterschied zwischen den Strukturen 1000 und 100 besteht darin, dass in der Struktur 1000 die Halbleiterzonen 22 und 22a der Struktur 10 gemäss Fig. 1 fortgelassen sind. Eine zweckmässige Beabstandung der Zonen 2400, 2400a von der Zone 2000 ergibt einen ausreichenden Schutz vor dem Verarmungsschicht-Durchgriff auf die Zonen 2400, 2400a und ermöglicht, dass die Struktur 1000 als Hochspannungsschalter arbeitet.

Es wird nun Bezug genommen auf Fig. 5, in der eine Struktur 10.000 dargestellt ist, die der Festkörperstruktur 10 sehr ähnlich ist, und sämtliche Elemente dieser Struktur, die im wesentlichen identisch zu den Elementen der Struktur 10 sind,

sind mit derselben Bezugszahl gekennzeichnet, wobei drei «Oen» hinzugefügt sind. Der grundlegende Unterschied zwischen den Strukturen 10.000 und 10 besteht in der Verwendung der Halbleiter-Schutzringzonen 40 und 40a, welche die Zonen 24.000 und 24.000a kreisförmig umgeben, und die von diesen durch Abschnitte der Körper 16.000 und 16.000a getrennt sind. Die Schutzringzonen 40 und 40a bieten dieselbe Art von Schutz gegen Oberflächenschichtinversion wie die Zone 22, 22a der Struktur 10. Der Schutz wird in einigen Fällen als angemessen betrachtet für die Schaffung eines Hochspannungs-Festkörper-schalters. Die Schutzringe 40 und 40a sind vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Körper 16.000 und 16.000a, haben jedoch einen kleineren spezifischen Widerstand. Die Schutzringe 40 und 40a können erweitert werden (wie durch die gestrichelten Linien dargestellt ist), um die Kathodenzonen 24.000 und 24.000a zu kontaktieren.

Nun wird Bezug genommen auf Fig. 6, wo eine Struktur 100.000 gezeigt ist, die der Struktur 10 ähnelt. Sämtliche Teile der Struktur 100.000, die entsprechenden Teilen der Struktur 10 ähnlich oder mit diesen im wesentlichen identisch sind, sind durch dieselbe Bezugszahl bezeichnet, wobei vier «Oen» am Ende hinzugefügt sind. Ein Unterschied zwischen der Struktur 100.000 und der Struktur 10 besteht in der Verwendung von Halbleiter-Schutzringzonen 400 und 400a, die die Kathodenzonen 240.000 und 240.000a kreisförmig umgeben. Die Schutzringe 400 und 400a sind ähnlich den Halbleiter-Schutzringzonen 40 und 40a der Struktur 10.000. Der gestrichelt linierte Teil der Schutzringe 400 und 400a veranschaulicht, dass die Ringe erweitert werden können, um die Kathoden 240.000 und 240.000a zu kontaktieren. Die Kombination der Zonen 220.000, 220.000a und der Schutzringe 400, 400a ergibt Schutz gegen Inversion der Körper 160.000, 160.000a, besonders zwischen der Gatezone 200.000 und der Kathodenzone 240.000, 140.000a, und sie schafft Schutz gegen einen Verarmungsschicht-Durchgriff auf die Kathodenzone 240.000, 240.000a. Diese Art von Doppelschutz um die Kathodenzone 240.000, 240.000a ist die bevorzugte Schutzstruktur. Die Zonen 220.000, 220.000a und 400, 400a sind sämtlich vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Körper 160.000, 160.000a, haben jedoch einen niedrigeren spezifischen Widerstand. Die Zonen 400, 400a besitzen einen geringeren spezifischen Widerstand als die Zonen 220.000, 220.000a. Ein weiterer Unterschied zwischen der Struktur 100.000 und der Struktur 10 besteht in den Halbleiterzonen 70, 70a, die vom selben

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Leitfähigkeitstyp sind wie die Kathodenzonen 240.000,

240.000a. Die Zonen 70, 70a stehen in elektrischem Kontakt mit Elektroden 380.000, 380.000a und dienen als obere Gates. Die Verwendung der Gatezonen 70, 70a führt zu einer Verminderung der Grösse des Potentials, das notwendig ist, um die s Leitung zwischen den Anodenzonen 180.000 und 180.000a und den Kathodenzonen 240.000 und 240.000a zu sperren oder zu verhindern.

Nun wird Bezug genommen auf Fig. 7, wo eine Halbleiterstruktur 42 dargestellt ist, die mehrere im wesentlichen identi- io sehe torgesteuerte Diodenschalter (GDSs) aufweist, von denen lediglich zwei, GDS3 und GDS4 (in gestrichelten Rechtecken dargestellt) gezeigt sind. Die Halbleiterstruktur 42 enthält ein Halbleiter-Tragstück (Substrat) 44, das von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist und eine Hauptoberfläche 46 aufweist. Innerhalb 15 eines Abschnitts des Substrats 44 sind Separatzonen 48 und 48a angeordnet, die vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind wie das Substrat. 44, und die voneinander durch Abschnitte des Substrats 44 sowie durch Zonen 50 getrennt sind, welche vom selben Leitfähigkeitstyp sind wie das Substrat 44, jedoch eine 20 höhere Störstellenkonzentration besitzen. Die Zonen 50 sind optional. Innerhalb der Zonen 48 und 48a sind im wesentlichen identische Halbleiterkörper 52 und 52a enthalten.

Die Körper 52 und 52a sind von dem selben Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 44. Innerhalb des Körpers 42 liegt eine An- 25 odenzone 54, die vom selben Leitfähigkeitstyp ist wie der Körper 52, jedoch eine höhere Störstellenkonzentration aufweist. Ferner ist in dem Körper 52 eine Zone 56 vorhanden, die vom selben Leitfähigkeitstyp ist wie der Körper 52, jedoch eine höhere Störstellenkonzentration aufweist und von der Zone 54 30 durch Abschnitte des Körpers 52 getrennt ist. Innerhalb eines Abschnitts der Zone 56 ist eine Kathodenzone 58 vorhanden, die vom selben Leitfähigkeitstyp ist wie die Zone 48. Elektroden 60, 62, 64 und 66 machen mit den Zonen 48, 54, 58 bzw. 50 Kontakt geringen Widerstands. Wenn die Zonen 50 fortge- 35 lassen werden, gibt die Elektrode 66 direkt oder über eine Halbleiterzone (nicht dargestellt) niedrigen Widerstands, ähnlich der Zone 54, jedoch in einem Abschnitt des Substrats 44 enthalten, mit der Zone 44 Kontakt. Eine Isolierschicht 68, typischerweise aus Siliciumdioxid, isoliert elektrisch sämtliche Elektroden der 40 Struktur 42 von der Hauptoberfläche 46 mit Ausnahme derjenigen Zonen, von denen gewünscht ist, dass mit ihnen ein Kontakt niedrigen Widerstands besteht.

Der Körper 52a, die Zonen 54a, 56a und 58a sowie die Elektroden 60a, 62a und 64a des GDS4 sind im wesentlichen iden- 45 tisch den entsprechenden Zonen des GDS3.

Das Substrat 44 wird typischerweise auf dem am meisten negativen verfügbaren Potential gehalten. Dies dient dazu, die von den Zonen 48, 48a und dem Substrat 44 gebildeten pn-

Übergänge in Sperrichtung vorzuspannen, so dass sämtliche GDSs in dem Substrat 44 voneinander sperrschichtgetrennt sind.

GDS3 und GDS4 arbeiten in im wesentlichen derselben Weise, wie es für den Betrieb von GDS1 und GDS2 gemäss Fig. 1 beschrieben wurde. Die Zone 48 dient als das Gate, wobei die Zonen 54 und 58 als Anode bzw. Kathode dienen. Es ist anzumerken, dass die Gatezonen 48 und 48a physikalisch und elektrisch getrennt sind, und dass folglich GDS3 und GDS4 im wesentlichen vollständig unabhängig voneinander betrieben werden können, da die jeweiligen Gates, Anoden und Kathoden elektrisch getrennt sind. Somit erleichtert die Struktur 42 die Herstellung eines Feldes bestehend aus GDSs, wobei jeder GDS in der Lage ist, unabhängig von allen anderen GDSs des Feldes betrieben zu werden.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollen die grundlegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichen. Beispielsweise können die Störstellen-Konzentrationsgrade, die Abstände zwischen den Zonen und andere Grössen der Zonen so eingestellt werden, dass spürbar höhere Betriebsspannungen und -ströme möglich sind als beschrieben wurde. Zwischen die Zonen 48 und 48a und die Zone 44 kann eine dielektrische Schicht eingefügt werden, oder die dielektrische Schicht kann an die Stelle der Zonen 44 und 50 treten. Ferner können andere Arten von dielektrischen Materialien, so z.B. Siliciumnitrid an die Stelle des Siliciumdioxids treten. In die Strukturen von Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 können Leiterzonen, wie die Zone 38 gemäss Fig. 1 aufgenommen werden. Die Zonen 56 und 56a können fortgelassen werden. Dies setzt die Spannungsbelastbarkeit der sich ergebenden GDS-Strukturen herab; jedoch kann der Abstand zwischen der Anode und Kathode und zwischen benachbarten GDS-Strukturen erhöht werden, um die brauchbaren Spannungsbereiche zu vergrössern. Ferner können die Zonen 56 und 56a ersetzt werden durch Schutzringe von beispielsweise der Art, wie sie in Fig. 5 um die Kathode 24.000 dargestellt ist. Weiterhin können beispielsweise eine Zone wie die Zone 220.000 und ein Schutzring ähnlich dem Schutzring 400 gemäss Fig. 6 an die Stelle der Zonen 56, 56a gemäss Fig. 7 treten. Die Elektroden können dotiertes Polysilicium, Gold, Titan oder andere Leitertypen sein. Die Leitfähigkeit sämtlicher Halbleitersubstrate und Zonen kann umgekehrt werden, vorausgesetzt, dass die Spannungspolaritäten entsprechend in aus dem Stand der Technik bekannter Weise geändert werden. In einem solchen Fall werden die Zonen 18, 18a, 180, 180a, 1800, 1800a, 18.000, 18.000a, 54, 54a, 180.000 und 180.000a Kathoden, und die Zonen 24, 24a, 240, 240a, 2400, 2400a, 24.000, 24.000a, 58, 58a, 240.000 und 240.000a werden Anoden. Man erkennt, dass die Strukturen gemäss der vorliegenden Erfindung Wechseloder Gleichstrombetrieb ermöglichen.

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4 Blätter Zeichnungen

Claims (8)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Festkörper-Schaltvorrichtung, mit einem Halbleiterkörper (16), dessen Hauptteil von einem ersten Leitfähigkeitstyp ist, einer ersten Zone (18) des ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Zone (24) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, einer Gatezone (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste, die zweite und die Gatezone einen kleineren spezifischen Widerstand aufweisen als der Hauptteil und voneinander durch Abschnitte des Halb-leiterkörper-Hauptteils getrennt sind, und die Parameter der Vorrichtung derart sind, dass sich, wenn an die Gatezone eine erste Spannung gelegt wird, in dem Halbleiterkörper eine Verarmungszone ausbildet, die einen Stromfluss zwischen der ersten und zweiten Zone verhindert, und dass, wenn an die Gatezone eine zweite Spannung und an die erste und zweite Zone geeignete Spannungen gelegt werden, zwischen der ersten und zweiten Zone durch Doppel-Trägerinjektion ein Strompfad mit einem kleineren Widerstand als im spannungslosen Zustand entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Zone (18, 24) jeweils eine in einer ersten Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (16) enthaltende Oberfläche aufweisen, und dass die Gatezone ein Halbleiterstück (12) ist, das den Halbleiterkörper entlang einer zweiten, der ersten Oberfläche entgegengesetzten Oberfläche kontaktiert.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (16) eine lokalisierte dritte Zone (22) des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist, deren spezifischer Widerstand zwischen demjenigen des Hauptteils des Halbleiterkörpers (16) und demjenigen der ersten Zone (18) liegt, und dass die dritte Zone (22) derart angeordnet ist, dass sie die zweite Zone (24) umgibt.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatezone (48) zwischen dem Halbleiterkörper-Hauptteil (52) und einem Wafer-Substratabschnitt (44) des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist (Fig. 7).
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeiten des Halbleiterkörpers (16), der ersten Zone (18), der zweiten Zone (24) und der dritten Zone (22) vom (P—)-. (P + K (n+)- bzw. (p)-Typ sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper (16.000) eine lokalisierte vierte Zone (40) aufweist, die die zweite Zone umgibt, jedoch nicht kontaktiert, und dass die vierte Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp ist und einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als der Hauptteil (16.000).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper eine in der dritten Zone (220.000) enthaltene vierte Zone (400) aufweist, die die zweite Zone (240.000) umgibt, jedoch nicht kontaktiert, und dass die vierte Zone vom ersten Leitfähigkeitstyp ist und einen geringeren spezifischen Widerstand hat als die dritte Zone.
7. 7. Schaltungsanordnung mit wenigstens zwei Festkörper-Schaltvorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatezone für die zwei Festkörper-Schaltvorrichtungen gemeinsam ist, wobei die erste Zone (18) der einen Vorrichtung an die zweite Zone (24a) der anderen Vorrichtung angeschlossen ist und die zweite Zone (24) der ersten Vorrichtung an die erste Zone (18a) der zweiten Vorrichtung angeschlossen ist.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Festkörper-Schaltvorrichtungen auf einem Wafer-Substrat (44) angeordnet sind, und dass das Wafer-Substrat mehrere Zonen (50) des ersten Leitfähigkeitstyps, jedoch mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als das Wafer-Substrat aufweist.