CS231393B1

CS231393B1 - Multilayer semiconductor device with surge protection structure

Info

Publication number: CS231393B1
Application number: CS833495A
Authority: CS
Inventors: Libor Kalenda; Jaroslav Homola; Ilja Mueller; Bohumil Pina; Vaclav Skolnik
Original assignee: Libor Kalenda; Jaroslav Homola; Ilja Mueller; Bohumil Pina; Vaclav Skolnik
Priority date: 1983-05-18
Filing date: 1983-05-18
Publication date: 1984-11-19
Also published as: CS349583A1

Abstract

Vynález se týká vícevrstvé polovodičové součástky s ochrannou strukturou proti přepětí, obsahující vrstvu základního polovodičového materiálu mezi dvěma vnějšími vrstvami opačného typu vodivosti vzhledem k základní vrstvě. První vnější vrstva má kontakt s první hlavní elektrodou. Druhá vnější vrstva má kontakt jednak s řídicí elektrodou a jednak v řadě diskrétních míst, t.z. mikrosvodů s hlavní elektrodou. K druhé vnější vrstvě přiléhá řízená emitorová vrstva, která má kontakt s druhou hlavní elektrodou a je stejného typu vodivosti jako vrstva základního polovodičového materiálu. Na průřezu polovodičové součástky rovnoběžném s oběma hlavními elektrodami je vymezena část, která zaujímá 1 až 25 % celkové plochy přůřezu součástky. Tloušíka vrstvy základního polovodičového materiálu je v této vymezené části menší alespoň o 5 % než ve zbývající části průřezu . Druhá vnější vrstva je v této vymeThe invention relates to a multilayer semiconductor component with a protective structure against overvoltage, comprising a layer of base semiconductor material between two outer layers of the opposite conductivity type with respect to the base layer. The first outer layer has contact with the first main electrode. The second outer layer has contact both with the control electrode and in a number of discrete locations, i.e. micro-leads with the main electrode. A controlled emitter layer is adjacent to the second outer layer, which has contact with the second main electrode and is of the same conductivity type as the layer of base semiconductor material. A portion is defined on the cross-section of the semiconductor component parallel to both main electrodes, which occupies 1 to 25% of the total cross-sectional area of the component. The thickness of the layer of base semiconductor material in this defined portion is at least 5% less than in the remaining part of the cross-section. The second outer layer is in this defined

Description

Vynález se týká vícevrstvé polovodičové součástky s ochrannou strukturou proti přepětí, obsahující vrstvu základního polovodičového materiálu mezi dvěma vnějšími vrstvami opačného typu vodivosti vzhledem k základní vrstvě»BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a multilayer semiconductor component having an overvoltage protection structure comprising a layer of base semiconductor material between two outer layers of opposite conductivity to the base layer.

Jsou známy vícevrstvé polovodičové součástky s integrovanými ochrannými strukturami, které pracují v oblasti lavinového průrazu® Nevýhodou konstrukce takové ochranné struktury je poměrně nízká proudová zatížitelnost v oblasti lavinového průrazu, který má lokální charakter® Pokud není součástka chráněna před vnějším napětím, nebo je chráněna jen nedostatečně, dochází při překročení hodnoty průrazného napětí součástky k destruktivní poruše nebo k sepnutí, které je často rovněž destruktivního charakteru.Multilayer semiconductor components with integrated protective structures are known which operate in the area of avalanche breakdown® The disadvantage of designing such a protective structure is the relatively low current carrying capacity in the area of avalanche breakdown, which has a local character. , if the breakdown voltage of the component is exceeded, a destructive failure or switching occurs, which is often also of a destructive nature.

Tuto nevýhodu odstraňuje vícevrstvá polovodičová součástka s ochrannou strukturou proti přepětí podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na průřezu polovodičové součástky rovnoběžném s oběma hlavními elektrodami je vymezena část zaujímající 1 až 25j%> eelkové plochy průřezu součástky, přičemž tloušlka vrstvy základního polovodičového materiálu je v této vymezené části menší alespoň o 5^ než ve zbývající části průřezu a dále druhá vnější vrstva v této vymezené části je opatřena pomocným kontaktem.This disadvantage is overcome by a multilayer semiconductor component having an overvoltage protection structure according to the invention, characterized in that a section occupying 1 to 25% of the total cross-sectional area of the component is defined on the cross-section of the semiconductor component parallel to the two main electrodes. it is smaller in this demarcated part by at least 5? than in the rest of the cross-section and further the second outer layer in this demarcated part is provided with an auxiliary contact.

231 393231 393

Integrací ochranného elementu do vlastní polovodičové struktury je zvýšena napěťová zatížitelnost v závěrném i blokovacím směru i úroveň spolehlivosti součástky. Polovodičová součástka podle vynálezu může být zatěžována přepětím, které převyšuje nejen velikost průrazného napětí ochranného elementu, ale i průrazné napětí vlastní polovodičové struktury. Použitím vynálezu lze omezit nebo úplně odstranit vnější ochranné prostředky proti přepětí např. plovoucí ochrany,Integration of the protective element into the semiconductor structure itself increases the load-bearing capacity in the reverse and blocking directions as well as the component reliability level. The semiconductor device according to the invention may be subjected to an overvoltage load which exceeds not only the breakdown voltage of the protective element but also the breakdown voltage of the semiconductor structure itself. By using the invention, external overvoltage protection means, for example floating protection, can be reduced or completely eliminated,

RC členy, lavinové ochranné diody a pod.RC elements, avalanche protection diodes, etc.

Dva příklady konstrukčního řešení čtyřvrstvé polovodičové součástky s ochrannou strukturou proti přepětí podle vynálezu, jsou zobrazeny na přiloženém výkresu, kde na obr. 1 je řez tyristorovým systémem, jehož ochranná struktura je kruhového průřezu, na obr. 2 je ochranná struktura s průřezem ve tvaru mezikruží.Two examples of the construction of a four-layer semiconductor component with overvoltage protection structure according to the invention are shown in the attached drawing, in which Fig. 1 is a cross-section of a thyristor system having a protective cross-sectional structure; .

Tyristorový systém na obr. 1 je tvořen čtyřmi vrstvami střídavě opačného typu vodivosti.The thyristor system in Fig. 1 is formed by four layers of alternatingly opposite conductivity type.

Vrstva £ základního polovodičového materiálu je umístěna mezi dvěma vnějšími vrstvami opačného typu vodivosti, z nichž první vrstva 2 má kontakt s první hlavní elektrodou 8 a druhá vnější vrstva 2 jednak v řadě diskrétních míst, to znamená mikrosvodů 10, kontakt s druhou hlavní elektrodou 1 a jednak s řídící elektrodou 6, která je vytvořena ve tvaru prstence.The layer 6 of the basic semiconductor material is disposed between two outer layers of opposite conductivity type, of which the first layer 2 has contact with the first main electrode 8 and the second outer layer 2 on the one hand in a number of discrete locations, i.e. on the other hand, with the control electrode 6, which is in the form of a ring.

K druhé vnější vrstvě 2 přilehá řízená emitorová vrstva 2, stejného typu vodivosti jako vrstva £ základního polovodičového materiálu. V tyristorovém systému je vymezena část v tomto případě kruhového průřezu, umístěná ve středu struktury.Adjacent to the second outer layer 2 is a controlled emitter layer 2 of the same conductivity type as the layer 6 of the basic semiconductor material. In the thyristor system, a portion, in this case of circular cross-section, located at the center of the structure is defined.

V této vymezené části 2, která tvoří ochrannou strukturu tyristoru, je tloušťka vrstvy 4 základního polovodičového materiálu menší o než ve zbývající části průřezu. Druhá vnější vrstva 2 v této vymezené části 2 j® opatřena kontaktem který je vodivě spojen s druhou hlavní elektrodou 1.In this delimited part 2, which forms the protective structure of the thyristor, the thickness of the layer 4 of the basic semiconductor material is less than in the rest of the cross-section. The second outer layer 2 in this delimited portion 2 is provided with a contact which is conductively connected to the second main electrode 1.

Nižší tloušťka vrstvy 4 základního polovodičového materiálu ve vymezené části 2 d® vytvořena difúzí hliníku, zatímco napěťové přechody mimo vymezenou část jsou vytvořeny difúzí galia. Snížení tloušťky vrstvy základního polovodičového materiálu může být alternativně provedeno pouze z jedné strany.The lower thickness 4 of the base semiconductor material in the delimited portion 2d ® is formed by aluminum diffusion, while the stress transitions outside the delimited portion are formed by gallium diffusion. Alternatively, the layer thickness reduction of the basic semiconductor material can be performed from only one side.

231 393231 393

Na obr. 2 je další řešení tyristoru, které se liší od výše popsaného tím, že ochranná struktura je vytvořena s průřezem ve tvaru mezikruží a kontakt řídící elektrody 6 je kruhový. Navíc řízená emitorová vrstva 2 je ve styku s pomocným kontaktem χ, který je v tomto případě galvanicky oddělen od druhé hlavní elektrody 1.FIG. 2 is a further thyristor solution which differs from that described above in that the protective structure is formed with an annular cross section and the contact of the control electrode 6 is circular. Moreover, the controlled emitter layer 2 is in contact with the auxiliary contact χ, which in this case is galvanically separated from the second main electrode 1.

Vynález řeší napěťovou ochranu polovodičové součástky integrací ochranného elementu do vlastní polovodičové struktury. Tento element pracuje při přetížení napětím v oblasti t^zv. průrazu ”punch through”, činnost elementu v oblasti průrazu punch through” umožňuje jeho zatížení vyššími závěrnými proudy ve srovnání se strukturou pracující v oblasti lavinového průrazu.The invention solves the voltage protection of a semiconductor device by integrating a protective element into the semiconductor structure itself. This element operates under a voltage overload in the region t1. punch through, the element's action in the punch through area allows it to be loaded with higher back-up currents compared to the structure operating in the avalanche breakdown area.

Při zatížení polovodičové součástky s ochrannou strukturou - obr.l - zvyšujícím se závěrným napětím je nejprve dosaženo průrazného napětí ochranné struktury a závěrný proud teče ve směru od druhé hlavní elektrody 1 do pomocného kontaktu 2, ^adále přes vymezenou část 2 do P^vní hlavní elektrody 8.When the semiconductor component having the protective structure - Fig. 1 - is increasing with a reverse voltage, the breakdown voltage of the protective structure is first achieved and the reverse current flows in the direction from the second main electrode 1 to the auxiliary contact 2 ^and electrodes 8.

Při dalším zvyšování napětí se však hodnota napětí na součástce zvyšuje jen nepatrně, nebot energie napěťových špiček, které přesahují hodnotu průrazného napětí ochranné struktury, je touto strukturou absorbována. Při zatížení blokovacím napětím je funkce ochranné struktury obdobná, jen směr proudu je opačný. Funkce ochranné struktury v závěrném i blokovacím směru je v tomto smyslu podobná funkci lavinové diody v závěrném směru.However, as the voltage increases further, the voltage value on the component increases only slightly, since the energy of the voltage peaks that exceed the breakdown voltage of the protective structure is absorbed by the structure. In case of blocking voltage the function of the protective structure is similar, only the current direction is opposite. In this sense, the function of the protective structure in both the reverse and blocking directions is similar to that of the avalanche diode in the reverse direction.

Princip funkce polovodičové součástky s ochrannou strukturou na obr. 2 je analogický jako u řešení na obr.l.The principle of operation of the semiconductor device with the protective structure in Fig. 2 is analogous to the solution in Fig. 1.

Zatíží-li se součástka napěťovou špičkou, která je vyšší než průrazné napětí ochranné struktury, dojde k “odříznutí” části napětí převyšující průrazné napětí.If a component is subjected to a voltage peak that is higher than the breakdown voltage of the protective structure, the part of the voltage exceeding the breakdown voltage is cut off.

V blokovacím směru navíc dojde při nadměrném, ale přesně definovaném přetížení ochranné struktury blokovacími proudy k jejímu zapnutí a ochranná struktura pak zapíná celou čtyřvrstvou strukturu. Konstrukce ochranné struktury umožňuje sepnout součástku při hodnotě blokovacího proudu, která je různá od hodnoty řídícího proudu. Tato hodnota může být volena zcelaIn addition, in the blocking direction, when the blocking current is overloaded but precisely defined by the blocking currents, it is switched on and the blocking structure then turns on the entire four-layer structure. The design of the protective structure allows the component to be switched at a blocking current value that is different from the control current value. This value can be selected completely

231 393 s ohledem na dimenzování ochranné struktury· Toto opatření prakticky vylučuje zničení součástky napětím v blokovacím směru·231 393 with regard to the dimensioning of the protective structure · This measure practically eliminates the destruction of the part by voltage in the blocking direction ·

V případě, že ochranná struktura je vytvořena jak v řešení na obr· 1, avšak pomocný kontakt χ je tvořen přímo kontaktem řídícím elektrody 6 a je galvanicky oddělen od kontaktu druhé hlavní elektrody 1, blokovací proud vymezené)částí 2 přímo spíná celou polovodičovou součástku a jeho hodnota je shodná s hodnotou řídícího proudu·In the case that the protective structure is formed both in the solution of Fig. 1, but the auxiliary contact χ is formed directly by the contact of the control electrode 6 and is galvanically separated from the contact of the second main electrode 1, the blocking current delimited by its value is equal to the control current value ·

Vynález lze aplikovat na všechny druhy závěrně blokujících tyristorů, dále na zpětně vodivé, vypínací tyristory, optotyristory i na pětivrstvé spínací součástky·The invention can be applied to all types of lock-up thyristors, to back-conducting, trip thyristors, optotristors and to five-layer switching components.

Claims

Object of the invention

231 393

A multilayer semiconductor component with a surge protection structure, comprising a layer of base semiconductor material between two outer layers of opposite conductivity to the base layer, the first having contact with the first main electrode and the second outer layer having contact with the control electrode and a number of discrete locations, tb phenomenon ₀ mikrosvodů second main electrode, wherein the second outer layer adjacent controlled emitter layer which is in contact with the second main electrode and is of the same conductivity type as the layer of the semiconductor base material, characterized in that the cross-section semiconductor components parallel to the two main electrodes (1, 8), a portion (9) occupying 1 to 2% of the total cross-sectional area of the component is defined, wherein the thickness of the base semiconductor material (4) is less than at least left The second outer layer (3) in this defined part (9) is provided with an auxiliary contact (7).

2. A multiconductor component according to claim 1, characterized in that the auxiliary contact (7) is conductively connected to the second main electrode (1).

Multilayer semiconductor device according to claim 1, characterized in that the controlled emitter layer (2) is in contact with the auxiliary contact (7) of the defined portion (9), the distance between the auxiliary contact (7) and the second main electrode contact (1). / is less than 2 | mm _e