DE4300100C2

DE4300100C2 - Halbleitervorrichtung mit einer Überspannungsschutzschaltung

Info

Publication number: DE4300100C2
Application number: DE4300100A
Authority: DE
Inventors: Naoki Kumagai
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-01-06
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-01-06
Also published as: GB9227188D0; JPH05183114A; JP3111576B2; GB2263017A; US5304802A; DE4300100A1; GB2263017B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einer Überspannungsschutzschaltung wie sie z. B. zur Steuerung eines Motors verwendet wird.

Fig. 2 ist ein Schaltbild, das eine Halbleitervorrichtung mit einer herkömmlichen Überspannungsschutzschaltung zeigt. Die Halbleitervorrichtung enthält einen n-Kanal MOSFET 1 als Schaltvorrichtung, der zwischen Lastanschlüsse 5 und 6 ge schaltet ist. Zum Schutz des MOSFET 1 vor einer Überspannung ist eine Überspannungsschutzschaltung 40 vorgesehen. Die Überspannungsschutzschaltung 40 enthält eine Lawinenlauf zeitdiode 2, die bei Anliegen einer Überspannung einen Lawi nendurchbruchsstrom erzeugt, und einen Strombegrenzungswider stand 3 zur Begrenzung des Lawinendurchbruchsstroms. Die Diode und der Widerstand sind in Reihe zwischen die Drain elektrode D und die Gateelektrode G des MOSFET 1 geschaltet. Außerdem ist eine Referenz-(Zener)-Diode 4 zum Schutz der Gateelektrode G vor Überspannung zwischen die Gateelek trode G und die Sourceelektrode S geschaltet. Die Gatespan nung wird von einem Steuereingangsanschluß 9 über einen Gate widerstand 8 an die Gateelektrode G angelegt. Durch Anlegen einer niedrigen Gatespannung wird der MOSFET 1 in den Sperr zustand gesteuert, das heißt den Spannungsblockierzustand.

Wenn keine Überspannungsschutzschaltung zum Schutz des MOSFET 1 vor einer Überspannung vorgesehen ist, verur sacht eine an ihn angelegte Überspannung, die die Durch bruchsspannung des MOSFET übersteigt, einen Lawinendurch bruchsstromfluß durch den MOSFET 1, was zu dessen Beschädi gung führt, wenn der Lawinendurchbruchsstrom übermäßig groß ist. Allgemein fließt ein starker Lawinendurchbruchsstrom durch Bereiche, wo das elektrische Feld konzentriert ist, etwa Stellen, wo die Krümmung des zur Einstellung der Durchbruchs spannung gebildeten pn-Übergangs klein ist. Demzufolge be steht die Tendenz, daß die Stromdichte an diesen Stellen er höht ist. Dies kann oft eine Beschädigung des MOSFET 1 her vorrufen, selbst wenn der Lawinendurchbruchsstrom an sich re lativ klein ist.

Die Überspannungsschutzschaltung 40, wie sie in Fig. 2 ge zeigt ist, kann den MOSFET 1 vor einer solchen Beschädigung dadurch schützen, daß die Lawinendurchbruchsspannung der Lawinen laufzeitdiode 2 so gewählt wird, daß sie kleiner ist als die Durchbruchsspannung (Stehspannung) des MOSFET 1. Durch Einstellen der Durchbruchsspannung der Lawinenlauf zeitdiode 2 unter diejenige des MOSFET 1 fließt ein Lawinen durchbruchsstrom zuerst durch die Lawinenlaufzeitdiode 2 statt den MOSFET 1, wenn die Überspannung zwischen den Last anschlüssen 5 und 6 auftritt. Da der Lawinendurchbruchsstrom durch den Gatewiderstand 8 zum Steuereingangsanschluß 9 fließt, tritt über dem Gatewiderstand 8 ein Spannungsabfall auf. Damit steigt die Gatespannung an, und der MOSFET 1 wird leitend. Als Folge davon wird die Energie der Überspannung zwischen den Lastanschlüssen 5 und 6 in Form eines Durchlaß stroms des MOSFET 1 absorbiert. Dies verringert die Spannung zwischen den Lastanschlüssen 5 und 6, was seinerseits zu einem Abfall des durch die Lawinenlaufzeitdiode 2 fließen den Lawinendurchbruchsstroms führt. Damit versucht der MOSFET 1 erneut in den Sperrzustand zu wechseln. In der Praxis stellt sich jedoch ein Gleichgewichtszustand zwischen dem La winendurchbruchsstrom der Lawinenlaufzeitdiode 2 und dem durch den MOSFET 1 fließenden Strom ein, so daß ein konstan ter Strom durch den MOSFET 1 fließt, welcher von Faktoren wie der Impedanz einer den Überstrom liefernden Spannungsquelle bestimmt wird. Damit schützt die Überspannungsschutzschaltung 40 den MOSFET 1 vor der Überspannung, indem sie verhindert, daß der Lawinendurchbruchsstrom durch den MOSFET 1 fließt.

Solange die Impedanz der Spannungsquelle nicht zu gering ist, steigt der Lawinendurchbruchsstrom durch die Lawinenlauf zeitdiode 2 nicht in einem Ausmaß an, daß die Diode 2 beschä digt werden würde, wodurch die Halbleitervorrichtung insge samt geschützt wird.

Die eine solche Überspannungsschutzschaltung enthaltende Halbleitervorrichtung kann demnach die Schaltvorrichtung vor einer Beschädigung dadurch schützen, daß die Lawinendurch bruchsspannung der Lawinenlaufzeitdiode 2 kleiner gewählt wird als die Durchbruchsspannung der Schaltvorrichtung. Be rücksichtigt man jedoch Toleranzen der Lawinendurchbruchs spannung der Lawinenlaufzeitdiode, dann muß die Durch bruchsspannung der Schaltvorrichtung ausreichend höher als diese Lawinendurchbruchsspannung vorgegeben werden. Eine hohe Durchbruchsspannung der Schaltvorrichtung erhöht jedoch die Durchlaßspannung und die Schaltverluste der Schaltvorrich tung, da die hohe Durchbruchsspannung eine dicke Driftschicht erfordert, durch die sich die Verarmungsschicht ausbreitet.

Betrachtet man darüberhinaus bipolare Vorrichtungen, etwa einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor = bipolarer Transistor mit isoliertem Gate), dann tritt bei ihnen, wenn eine induktive Last, etwa ein Motor, abgeschaltet wird, auf grund des Termes - di/dt, der auf der induktiven Komponente, etwa einer Streureaktanz beruht, eine Überspannung zwischen Emit ter und Kollektor auf. Die Folge davon ist, daß, obwohl in diesem Fall die Gatespannung zu fallen und der Strom abzuneh men beginnen, die Basisspannung des den IGBT darstellenden NPN Transistors ansteigt. Dies verursacht, daß ein konstanter Drainstrom weiterfließt. Die Minoritätsladungsträger bewegen sich durch die durch den pn-Übergang ausgedehnte Verarmungs schicht, und die elektrischen Ladungen der Minoritätsladungs träger verstärken das elektrische Feld in der Verarmungs schicht. Demzufolge ist es erforderlich, eine Verringerung der Durchbruchsspannung gegenüber der statischen Durchbruchs spannung des IGBT oder ähnlichem im Fall des Abschaltbetriebs in Betracht zu ziehen. Dies erfordert eine weitere Erhöhung des Abstands zwischen der Durchbruchsspannung der Schaltvor richtung und der Lawinendurchbruchsspannung. Als Folge davon neigen die Vorrichtungskennwerte, etwa die Einschalt- oder Durchlaßspannung der bipolaren Vorrichtungen wie eines IGBT, sich weiter zu verschlechtern.

Aus der EP 0 416 805 A2 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Die Halbleitervorrichtung ist als Leistungstransistor ausgebildet und weist eine Halbleiteranordnung in Form einer Diffusionszone mit sphärischer Gestalt auf, die in der Gateregion einer Transistorzelle angeordnet ist. Die Halbleiteranordnung besitzt eine geringere Durchbruchsspannung als die aktiven Abschnitte der Transistorzelle, so daß bei Überspannungen ein Lawinendurchbruch in dieser Region beginnt. Diese Halbleiteranordnung kann bei einem DMOSFET als Zehner-Diode ausgebildet sein, während sie bei einem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate als bipolarer Sperrschichttransistor ausgebildet ist. Auch bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung stellen sich die vorstehend bereits erläuterten Probleme.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Halbleitervorrichtung mit einer Überspannungsschutzschaltung zu schaffen, die die Halbleitervorrichtung vor Beschädigung schützen kann, aber gute Schalteigenschaften gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Halbleitervor richtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Lawinen durchbruchsspannung nach Maßgabe der Änderung der Durch bruchs- oder Stehspannung der Schaltvorrichtung der Halblei tervorrichtung zu ändern, da sich die Halbleiteranordnung (Lawinenvor richtung) und die Schaltvorrichtung die Driftschicht "teilen", die zur Bestimmung der Durchbruchsspannungseigenschaften der Schalt vorrichtung vorgesehen ist. Anders ausgedrückt, die Lawinen durchbruchsspannung kann der Änderung der Durchbruchsspan nungseigenschaften folgen, womit sichergestellt wird, daß der Lawinendurchbruchsstrom durch die Lawinenvorrichtung zu fließen beginnt, bevor er durch die Schaltvorrichtung fließt. Als Folge dessen reicht ein enger Abstand zwischen der Durch bruchsspannung der Halbleiterschaltvorrichtung und der Lawi nendurchbruchsspannung aus, die Schaltvorrichtung vor Schäden zu schützen. Selbst wenn sich die Durchbruchsspannungseigen schaften infolge von Variationen der Dicke und Konzentration der Driftschicht für die Durchbruchsspannung oder der Minori tätsladungsträger, die während des Abschaltbetriebs in die Verarmungsschicht eingeführt werden, ändern, wird die Lawi nendurchbruchsspannung kleiner als die Durchbruchsspannung (Stehspannung) der Schaltvorrichtung gehalten, weil die Durchbruchsspannung der in der Driftschicht ausgebildeten Halbleiteranordnung in gleicher Weise wie die Durchbruchs spannung der Schaltvorrichtung variiert. Als Folge davon kann der spannungsmäßige Sicherheitsabstand zwischen der Schaltvorrichtung und der Halbleiteranordnung verringert werden, so daß man eine Halbleitervorrichtung mit einer geringen Durchlaß- oder Einschaltspannung und geringen Schaltverlusten erzielt.

Die Lawinendurchbruchsspannung der Halbleiteranordnung kann dadurch kleiner als die Durchbruchsspannung der Halbleiter schaltvorrichtung eingestellt werden, daß man die Krümmung des PN Übergangs der Halbleiteranordnung kleiner macht als diejenige der Halbleiterschaltvorrichtung. Die Krümmung ist einer der Faktoren zur Bestimmung der Durchbruchsspannung der Schaltvorrichtung.

Darüberhinaus erlaubt es die Strommeßeinrichtung, die zur Messung des Lawinendurchbruchsstroms vorgesehen ist, den Über spannungsschutz dadurch noch besser sicherzustellen, daß die Gatespannung der Halbleiterschaltvorrichtung nach Maßgabe des Anfangswerts des Lawinendurchbruchsstroms gesteuert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer ersten Aus führungsform der Halbleitervorrichtung gemäß der vor liegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild der Ersatzschaltung einer Halbleiter vorrichtung mit einer Lawinenlaufzeitdiode zum Schutz der Vorrichtung vor einer Überspannung,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Schaltbild der Ersatzschaltung der in Fig. 3 ge zeigten zweiten Ausführungsform, und

Fig. 5 ein Schaltbild der Ersatzschaltung einer dritten Aus führungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausfüh rungsform einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Halbleitervorrichtung dieser Ausführungsform verwendet einen MOSFET als Schaltvorrichtung, und ihre Er satzschaltung entspricht der zuvor anhand von Fig. 2 be schriebenen. Die Halbleitervorrichtung weist eine n^--Epi taxialschicht 10, eine n⁺-Drainschicht 11, die an der Unter seite der Schicht 10 ausgebildet ist, eine Drainelektrode 25, die auf der Drainschicht 11 ausgebildet ist, und eine Viel zahl von p-Wannen 12 auf, die in oben liegende Oberfläche der n^--Epitaxialschicht 10 eingebettet sind. Die Epitaxialschicht 10 ist eine Driftschicht, durch die sich eine Verarmungs schicht ausbreitet, während sich der MOSFET 1 im Spannungs blockierzustand (Sperrzustand) befindet und ist vorgesehen, eine Durchbruchsspannung (Stehspannung) des MOSFET 1 vorzu geben. n⁺-Sourcezonen 13 sind jeweils in den p-Wannen 12 aus gebildet, und eine Sourceelektrode 24 ist auf den Sourcezonen 13 in allen p Wannen 12 angeordnet. Eine Gateelektrode 23 ist auf einem Gateoxidfilm 22 in einer solchen Weise angeordnet, daß sie von der Sourcezone 13 über die Wanne 12 zur oberen Oberfläche der Epitaxialschicht 10 reicht. Der MOSFET 1 um faßt damit die Sourcezonen 13, die Wannen 12, die Epitaxial schicht 10 und die Drainschicht 11.

Unmittelbar angrenzend an den MOSFET 1 ist eine Halbleiteranordnung in Form einer Avalanchelaufzeitdiode 2 ausgebildet. Sie umfaßt eine Avalanchezone 14 einer p-Driftzone, die nahe einer der Wannen 12 ausgebil det ist. Die Avalanchezone 14 ist schmaler als die Wanne und hat eine Krümmung, die kleiner als die der Wanne ist. Eine Elektrode 21 ist mit der Avalanchezone 14 verbunden. Die Ava lanchezone 14 ist eine Driftzone, die durch Diffusion von Ionen ausgebildet wird, die von einer Öffnung implantiert wurden, die schmaler als die Wanne ist, so daß die Krümmung der Avalanchezone 14 kleiner als die der Wannen 12 wird. Die Avalanchelaufzeitdiode 2 der Halbleitervorrichtung umfaßt also die Elektrode 21, die Avalanchezone 14, die Epitaxial schicht 10, die Drainschicht 11 und die Drainelektrode 25. Da die Krümmung der Avalanchezone 14 kleiner als die der Wannen 12 ist, neigt das elektrische Feld dazu, sich an der Avalan chezone 14 statt an den Wannen 12 zu konzentrieren, wodurch der Lawinendurchbruchsstrom früher als der Strom hervorgeru fen wird, der bei einer Überspannung durch den MOSFET 1 fließen könnte.

Eine Strombegrenzungsdiode 3, die einen nennenswerten Wider stand hat, und eine Referenzdiode 4 zum Schutz des Gates, die aus Polysilicium oder ähnlichem hergestellt sind, sind auf einem Anfangsoxidfilm 26 ausgebildet, der seiner seits auf der oben liegenden Oberfläche der Epitaxialschicht 10 ausgebildet ist. Die Elektrode 21 ist mit dem Gateanschluß 7 über die Strombegrenzungsdiode 3 verbunden, während der Gateanschluß 7 über die Referenzdiode 4 mit dem Sourcean schluß 6 verbunden ist. Damit ist eine Überspannungsschutz schaltung 40, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, aufgebaut.

Wenn bei einer solchen Anordnung ungewollt eine Überspannung zwischen den Source- oder Diodenanschluß 6 und den Drainan schluß 5 angelegt wird, tritt in der Avalanchelaufzeitdiode 2, die die Epitaxialschicht 10 enthält, der Lawinendurch bruchsstrom auf. Da der Lawinendurchbruchsstrom durch die Strombegrenzungsdiode 3 und den Gatewiderstand 8 fließt, nimmt die Gatespannung zu. Demzufolge leitet der MOSFET 1, und ein Strom fließt von der Drain zur Source, wodurch die zwischen Source und Drain anliegende Überspannung abgebaut wird. Dies schützt den MOSFET 1 vor einer Beschädigung.

Bei der Halbleitervorrichtung dieser ersten Ausführungsform teilt sich die Avalanchelaufzeitdiode 2, die auf die Über spannung anspricht, die Epitaxialschicht 10 mit dem MOSFET 1. Folglich ändert sich die Lawinendurchbruchsspannung der Ava lanchelaufzeitdiode 2 nach Maßgabe der Durchbruchsspannung des MOSFETs 1, die aufgrund von Änderungen der Dicke, der Störstellenkonzentration oder anderer Parameter der Epitaxialschicht 10 schwanken kann. Es ist daher nicht erforderlich, die Va riationen aufgrund des Unterschiedes einzelner MOSFETs zu be rücksichtigen, nachdem die Avalanchelaufzeitdiode einmal so ausgelegt wurde, daß die Lawinendurchbruchsspannung kleiner eingestellt ist als die Durchbruchsspannung des MOSFETs 1, und zwar durch Steuerung der Faktoren, die die Lawinendurch bruchsspannung beeinflussen, etwa der Krümmung der Avalanche zone 14 bei der vorliegenden Ausführungsform. Als Folge des sen ist es nicht erforderlich, einen sehr großen spannungsmäßigen Sichtheits abstand zwischen der Durchbruchsspannung des MOSFETs und der Lawinendurchbruchsspannung auf Kosten der Eigenschaften der Vorrichtung, etwa der Einschaltspannung, vorzusehen. Damit schafft die vorliegende Ausführungsform eine Halbleitervor richtung, die gegen eine Überspannung geschützt ist, dabei aber ein gutes Schaltverhalten beibehält.

Obwohl bei dieser Ausführungsform die Lawinendurchbruchsspan nung dadurch gesteuert wird, daß die Krümmung der Avalanche zone kleingemacht wird, könnte sie auch durch andere Fakto ren, etwa die Tiefe der Avalanchezone gesteuert werden.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Halbleitervorrichtung umfaßt eine n^--Epitaxialschicht 10, eine n⁺-Basisschicht 16, die an der Unterseite der Epitaxial schicht 10 ausgebildet ist, eine p⁺-Kollektorschicht 15, die auf der Basisschicht 16 ausgebildet ist, eine Kollektorelek trode 28, die an der Kollektorschicht 15 angeordnet ist, und eine Pufferzone 12, die aus einer Vielzahl von p-Wannen be steht, die in die oben liegende Oberfläche der n^--Epitaxial schicht 10 eingebettet sind. n⁺-Emitterzonen 17 sind jeweils in den p-Wannen ausgebildet, und eine Emitterelektrode 27 ist bei allen p-Wannen auf den Emitterzonen 17 angeordnet. Wie bei der ersten Ausführungsform ist darüberhinaus die Gatelektrode 23 auf dem Gateoxidfilm 22 in einer solchen Weise angeordnet, daß sie von dar Oberfläche der Emitterzone 17 über die Basisschicht 12 zur Oberfläche der Epitaxial schicht 10 reicht. Diese Elemente sind somit in den IGBT 30 integriert, wobei Elektronen in die Epitaxialschicht 10 inji ziert werden, um die Leitfähigkeitsmodulation hervorzurufen.

Wie bei der ersten Ausführungsform ist ein als Avalanchevor richtung arbeitender PNP Transistor 31 unmittelbar neben dem IGBT 30 ausgebildet. Er umfaßt die Avalanchezone 14 einer p^-- Driftzone, die nahe einer der p-Wannen 12 ausgebildet ist. Die Avalanchezone 14 ist schmäler als die p-Wanne und hat eine Krümmung, die geringer als die der p-Wanne ist. Die Elektrode 21 ist mit der Avalanchezone 14 verbunden. Der PNP Transistor 31 mit offener Basis dieser Halbleitervorrichtung umfaßt demnach die Elektrode 21, die Avalanchezone 14, die Epitaxialschicht 10, die Basisschicht 16, die Kollektor schicht 15 und die Kollektorelektrode 28. Der Lawinendurch bruchsstrom fließt durch den PNP Transistor 31 entsprechend wie bei der ersten Ausführungsform.

Wie bei der ersten Ausführungsform sind die Strombegrenzungs diode 3 und die Referenzdiode 4 zum Schutz des Gates auf dem Anfangsoxidfilm 26 ausgebildet, der seinerseits auf der oben liegenden Oberfläche der Epitaxialschicht 10 ausgebildet ist. Die Referenzdiode 4 zum Schutz des Gates ist zwischen den Emitteranschluß 6 und den Gateanschluß 7 geschaltet. Der PNP- Transistor 31 für die Erzeugung des Lawinendurchbruchsstroms zum Schutz des IGBT 30 vor der Überspannung ist in Reihe mit der Strombegrenzungsdiode 3 zwischen den Emitteranschluß 6 und den Gateanschluß 7 geschaltet.

Typische Dicken der einzelnen Schichten sind dabei wie folgt: Epitaxialschicht 10, 50 µm; Pufferzone 12, 5 µm; Avalanche zone 14, 5 µm; Kollektorschicht 15, 400 µm; Basisschicht 16, 10 µm; und Emitterzone 17, 0,5 µm. Der bevorzugte Oberflä chendurchmesser der einzelnen p-Wannen 12 beträgt 16 µm und derjenige der Avalanchezone 14 ist 6 µm. Eine typische Stör stellenkonzentration der p-Wanne 12 an der Oberfläche beträgt 1 × 10¹⁷ Atome/cm³, und die der Emitterzone 17 beträgt 1 × 10¹⁷ Atome/cm³. Typische Werte für die spezifischen Wider stände der Schichten 10, 15 und 16 sind 40 Ωcm, 0,01 Ωcm bzw. 0,02 Ωcm. In diesem Fall liegt die Durchbruchsspannung des IGBT 30 bei etwa 600 V und die des PNP-Transistors 31 bei etwa 570 V.

Das Ersatzschaltbild der Vorrichtung von Fig. 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist die Vorrich tung dieser Ausführungsform ähnlich der ersten Ausführungs form mit dem Unterschied, daß sie den IGBT 30 anstelle des MOSFETs 1 und den PNP-Transistor 31 anstelle der Avalanche laufzeitdiode 2 verwendet. Dementsprechend verursacht eine an den IGBT 30 angelegte Überspannung einen Lawinendurchbruchs strom durch den PNP-Transistor 31. Dies hebt die Gatespannung an, wodurch der IGBT 30 leitend wird und dadurch den Über spannungszustand abbaut. Als Folge gelangt keine die Durch bruchsspannung des IGBT 30 übersteigende Spannung an diesen, und der IGBT 30 ist vor einer Beschädigung geschützt.

Bei einer Bipolarvorrichtung, etwa einem IGBT 30, wird, all gemein gesprochen, eine Überspannung infolge der Stromände rung di/dt zwischen Emitter und Kollektor angelegt, wenn eine induktive Last abgeschaltet wird. Demzufolge breiten sich Löcher, die die Minoritätsladungsträger sind und in der Ver armungsschicht vorhanden sind, von den Wannen 12 über den PN- Übergang mit der Epitaxialschicht 10 aus, und diese elektri schen Ladungen erhöhen das elektrische Feld. In diesem Fall konzentriert sich ein größeres elektrisches Feld an dem PN- Übergang als im statischen Zustand. Dies kann manchmal die Kennwerte der Durchbruchsspannung verschlechtern. Da jedoch bei dieser Ausführungsform der PNP-Transistor 31 zur Erzeu gung des Lawinendurchbruchsstroms nahe der Wanne 12 ausgebil det ist, und zwar unter Verwendung der Epitaxialschicht 10, die auch zur Bildung des IGBT 30 dient, ist ein elektrisches Feld einer Größe ähnlich der beim IGBT 30 vorhanden. Damit ist sichergestellt, daß der Lawinendurchbruchsstrom im PNP- Transistor 31 auftritt, bevor die Überspannung die Durch bruchsspannung des IGBT erreicht, so daß keine Umkehrung von Durchbruchsspannung des IGBT 30 und Lawinendurchbruchsspan nung des Transistors 31 auftritt. Dies macht es möglich, den IGBT 30 vor Schäden zu schützen.

Die Lawinendurchbruchsspannung des PNP-Transistors 31, bei der der Lawinendurchbruchsstrom zu fließen beginnt, ändert sich also entsprechend den Änderungen der Durchbruchsspannung des IGBT 30. Anders als bei herkömmlichen Vorrichtungen ist es daher nicht nötig, einen großen spannungsmäßigen Sicherheitsabstand zwi schen der Durchbruchsspannung des IGBT 30 und der Lawinen durchbruchsspannung bei der Auslegung des IGBT 30 einzustel len. Als Folge ist es unnötig, eine dicke Epitaxialschicht zur Schaffung eines großen Sicherheitsabstands vorzusehen, und dies verringert sowohl die Durchlaßspannung als auch die Schaltverluste der Vorrichtung.

Obwohl die erste und die zweite Ausführungsform beispielhaft anhand einer vertikalen Vorrichtung beschrieben wurden, bei der die Sourcezone und die Drainschicht oder die Emitterzone und die Kollektorschicht an der Oberseite bzw. an der Unter seite der Epitaxialschicht ausgebildet sind, kann die vorlie gende Erfindung auch auf eine laterale Vorrichtung angewendet werden, bei der diese Schichten oder Zonen in einer Oberflä che der Epitaxialschicht ausgebildet sind, um die Eigenschaf ten der Vorrichtung zu verbessern und die Vorrichtung vor Schäden zu schützen.

Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Halbleitervorrichtung einer dritten Ausführungsform. Diese Vorrichtung verwendet wie die erste Ausführungsform den MOSFET 1 als Schaltvorrichtung. Die Avalanchelaufzeitdiode 2, die den MOSFET 1 vor Durchbruchs spannungsschäden schützt, ist unter Verwendung der Epitaxial schicht 10, die wie bei der ersten Ausführungsform Teil des MOSFETs 1 ist, aufgebaut. Folglich ändert sich die Lawinen durchbruchsspannung der Avalanchelaufzeitdiode 2 entsprechend der Änderung der Durchbruchsspannung des MOSFETs 1, wodurch von vornherein Durchbruchsspannungsschäden des MOSFETs 1 ver hindert werden.

Es ist anzumerken, daß bei dieser Ausführungsform der Lawi nendurchbruchsstrom von der Avalanchelaufzeitdiode 2 nicht zur direkten Ansteuerung des Gates des MOSFETs 1 verwendet wird, sondern es ist ein Meßwiderstand 41 mit der Avalan chelaufzeitdiode 2 und dem Strombegrenzungswiderstand 3 zwi schen den Drainanschluß 5 und den Sourceanschluß 6 in Reihe geschaltet, und der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 41 wird mittels einer Spannungsmeßschaltung 42 gemessen. Wenn die Spannungsmeßschaltung 42 einen Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 41 feststellt, wird die Gatespannung an den Gateanschluß 7 des MOSFETs 1 von einer Gatetreiberschaltung 43 über den Gatewiderstand 8 angelegt, so daß der MOSFET 1 in den Leitzustand gelangt. Selbst ein schwacher Lawinendurch bruchsstrom kann so rasch die Gateelektrode des MOSFETs 1 aufladen, und zwar aufgrund der Gatetreiberschaltung 43. Als Folge davon kann ein plötzlicher Anstieg der Lastspannung, die zwischen dem Drainanschluß 5 und dem Sourceanschluß 6 an liegt, den MOSFET 1 schnell in den Leitzustand bringen. Dies stellt einen noch sichereren Schutz des MOSFETs 1 vor Schäden sicher.

Die Überspannungsschutzschaltung mit der Spannungsmeßschal tung 42 und der Gatetreiberschaltung 43 kann über dem An fangsoxidfilm auf der Epitaxialschicht aufgebaut werden, wie dies bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der Fall ist. Alternativ kann sie als gesonderte Schaltung ausgebildet werden. Eine ähnliche Überspannungsschutzschaltung kann auch bei dem IGBT eingesetzt werden, um ihn noch besser zu schüt zen.

Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Lawi nendurchbruchsspannung durch Verringerung der Krümmung der p^-- oder p⁺-Avalanchezone der Avalanchevorrichtung gesteuert wird, kann sie auch über andere Parameter, etwa die Tiefe der Avalanchezone gesteuert werden. Auch Unterschiede der plana ren Geometrie, etwa Streifen oder Zellen, der p-Wanne 12 und der Avalanchezone 14 können zu den unterschiedlichen Lawinen durchbruchsspannungen führen.

Ferner, obwohl ein MOSFET oder ein IGBT beispielhaft als Schaltvorrichtung bei den Ausführungsformen eingesetzt sind, ist die Erfindung auch auf eine selbstlöschende Vorrichtung, etwa einen MCT (MOS-Controlled-Thyristor = MOS gesteuerter Thyristor) oder einen bipolaren Transistor anwendbar, um eine Schaltvor richtung sicher vor Schäden zu schützen.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit einer Überspannungsschutzschaltung, mit
einer Halbleiterschaltvorrichtung (1; 30), die eine Driftschicht (10) enthält, die als schwach dotierte Halbleiterschicht auf einer stärker dotierten Halbleiterschicht (11) desselben Leitungstyps ausgebildet ist und in der sich eine Verarmungsschicht ausbreitet, während sich die Halbleiterschaltvorrichtung im Sperrzustand befindet, wobei die Drift schicht die Durchbruchsspannung der Halbleiterschaltvorrichtung mitbestimmt, und
einer Halbleiteranordnung (2; 31), die einen Lawinendurchbruchsstrom erzeugt, wenn eine an Lastanschlüsse (5, 6) der Halbleiterschaltvorrichtung angelegte Lastspannung eine vorbestimmte Spannung übersteigt, und die sich mit der Halbleiterschaltvorrichtung die Driftschicht (10) teilt, gekennzeichnet durch
eine Treibereinrichtung (8; 8, 43), die mit dem Gate (7) der Halbleiterschalt vorrichtung verbunden ist und dieses als Reaktion auf den Lawinendurchbruchsstrom ansteuert, so daß die zwischen den Lastanschlüssen (5, 6) anliegende Überspannung abgebaut wird.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung einen in der Driftschicht (10) ausgebildeten pn-Übergang umfaßt, dessen Krümmung kleiner als diejenige eines pn-Übergangs der in der Driftschicht (10) ausgebildeten Halbleiterschaltvorrichtung ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltvorrichtung ein MOSFET ist, der
eine Wanne (12) eines ersten Leitungstyps (p), die in der Oberseite der Drift schicht (10) eines zweiten Leitungstyps (n) ausgebildet ist und einen pn-Übergang der Halbleiterschaltvorrichtung (1) an der Grenzfläche zur Driftschicht (10) bildet,
eine Sourcezone (13) des zweiten Leitungstyps (n), die an der Oberseite der Wanne (12) ausgebildet ist,
eine Drainschicht (11) des zweiten Leitungstyps, die an der Unterseite der Driftschicht (10) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (23), die auf der Sourcezone (13), der Wanne (12) und der Driftschicht (10) unter Zwischenlage eines Oxidfilms (22) ausgebildet ist;
eine Sourceelektrode (24), die mit der Sourcezone (13) verbunden ist, und
eine Drainelektrode (25) aufweist, die mit der Drainschicht (11) verbunden ist.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltvorrichtung (30) ein bipolarer Transistor (30) mit isoliertem Gate ist, der
eine Wanne (12) eines ersten Leitungstyps (p), die an der Oberseite der Driftschicht (10) eines zweiten Leitungstyps (n) ausgebildet ist und einen pn-Übergang der Halbleiterschaltvorrichtung an der Grenzfläche mit der Driftschicht (10) bildet,
eine Emitterzone (17) des zweiten Leitungstyps (n), die in der Oberfläche der Wanne ausgebildet ist,
eine Basisschicht (16) des zweiten Leitungstyps (n), die an der Unterseite der Driftschicht (10) ausgebildet ist,
eine Kollektorschicht (15) des ersten Leitungstyps (p), die an der Unterseite der Basisschicht (16) ausgebildet ist,
eine Gateelektrode (23), die auf der Emitterzone (17), der Wanne (12) und der Driftschicht (10) unter Zwischenlage eines Oxidfilms (22) ausgebildet ist,
eine Emitterelektrode (27), die mit der Emitterzone (17) verbunden ist, und
eine Kollektorelektrode (28) aufweist, die mit der Kollektorschicht (15) ver bunden ist.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiteranordnung (2; 31) einen pn-Übergang an der Grenzfläche zwischen der Driftschicht (10) und einer Halbleiterzone (14), die in der Driftschicht (10) ausgebildet ist, aufweist,
und daß die Treibereinrichtung einen Widerstand (3) umfaßt, der auf der Oberseite der Driftschicht (10) unter Zwischenlage eines Oxidfilms (26) ausgebildet ist und zwischen die Halbleiterzone (14) und die Gateelektrode (23) geschaltet ist.

6. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeich net, daß die Treibereinrichtung ferner eine Zenerdiode (4) umfaßt, die auf der Oberseite der Driftschicht (10) über einem Oxidfilm (26) ausgebildet ist und zwischen die Gateelek trode (23) und die Sourceelektrode (24) geschaltet ist.

7. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeich net, daß die Treibereinrichtung ferner eine Zenerdiode (4) umfaßt, die auf der Oberseite der Driftschicht (10) über einem Oxidfilm (26) ausgebildet ist und zwischen die Gateelek trode (23) und die Emitterelektrode (27) geschaltet ist.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibereinrichtung
eine Strommeßeinrichtung (41, 42) zur Erfassung des Lawinendurchbruchs stroms, und
eine Einrichtung (43) zur Steuerung einer an das Gate der Halbleiterschaltvor richtung (1; 30) in Abhängigkeit von dem Meßergebnis der Strommeßeinrichtung angeleg ten Spannung aufweist.