(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力スイッチングトランジスタと、スイッチング可能な少なくとも１つの電子補助経路とを有する、例えば点弧段を制御するための回路装置であって、
前記少なくとも１つの電子補助経路は、フリーホイール回路および／または補助チャネルとして構成されており、
前記電子補助経路（４２）は、制御可能な４層素子（１６）により形成されている形式の回路装置において、
前記４層素子（２８，３０，３２，３４）内のラテラルな電流の他に付加的に、前記素子（２２）の背面（メタライゼーション４０）からメタライゼーション（３６Ｂ）へ垂直に電流が流れ、これにより電流を案内する断面積が増加し、
前記メタライゼーション（３６Ｂ）は前記４層素子のカソード（２８）にコンタクトしており、
前記４層素子（１６）のアノード（３２）にカソード（２８）に向かって、アノード電位にあるフィールドプレート（３６Ｃ）がつぎのように重ねられており、すなわちカソード側から発生し得る空乏層接触（パンチスルー）が前記フィールドプレート（３６）の相応の張り出しによって回避されるように重ねられていることを特徴とする
回路装置。
【請求項２】
前記４層素子（１６）は、電力スイッチングトランジスタ（１４）にモノリシックに組み込まれている
請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
前記４層素子（１６）はラテラル素子として、電力スイッチングトランジスタ（１４）を有する素子（２２）に組み込まれている
請求項１または２に記載の回路装置。
【請求項４】
前記４層素子（１６）はラテラル素子として、電力スイッチングトランジスタ（１４）を有する素子（２２）の縁領域に組み込まれている
請求項３に記載の回路装置。
【請求項５】
前記４層素子（２８，３０，３２，３４）は、高濃度にｎドーピングされたゾーン（２８）と、該高濃度にｎドーピングされたゾーン（２８）を包囲するｐドーピングゾーン（３０）と、別のｐドーピングゾーン（３２）と、２つのｐドーピングゾーン（３０，３２）の間に存在するｎドーピングゾーン（３４）とを有する
請求項１から４までのいずれか１項に記載の回路装置。
【請求項６】
前記高濃度にｎドーピングされたゾーン（２８）にはスリットが空けられており、これにより前記ｐドーピングゾーン（３０）の前記ｐドーピングされた領域（４３）を介して、点弧電流が直接、前記ｐドーピングゾーン（３０）と前記ｎドーピングゾーン（３４）との間の境界領域に供給される
請求項１から５までのいずれ１項に記載の回路装置。
【請求項７】
ｐドーピングとｎドーピングとを互いに置き換えることによって得られる、
請求項５または６に記載の回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、電力スイッチングトランジスタと、スイッチング可能な少なくとも１つのフリーホイーリング回路および／またはスイッチング可能な自律的補助チャネルとを有する、例えば点弧段を制御するための装置に関する。
【０００２】
従来の技術
誘導性負荷をスイッチオフする際に、この誘導性負荷に蓄積されたエネルギーにより電圧スパイクが生じることがあることは公知である。可能な限り損失の少ないスイッチが所望される場合、例えば負荷回路においてパルス制御により電流が制御される場合に、可能な限り内部抵抗の低いフリーホイール回路は有利な解決手段であることが公知であり、このフリーホイール回路で負荷スイッチをオフする時の負荷電流を転流させる。
【０００３】
これに対して例えば電磁弁のスイッチオン時に誘導性エネルギーを迅速に消滅させること、または点弧トランスの駆動時に高い１次電圧が得られることが所望される場合には、場合によっては設けられているフリーホイール回路をスイッチング可能に実現しなければならない。
【０００４】
ＤＥ４３４４１２６Ａ１から例えばスイッチング可能なフリーホイール回路が公知であり、そこではこの回路はフリーホイールダイオードと、フリーホイールスイッチングトランジスタと、所定の降伏電圧を備える半導体素子とを有する。この回路装置は比較的複雑であり、高いコストでしか製造できない。
【０００５】
発明の利点
これに対して本発明の請求項１の特徴部分に記載された回路装置は簡単に作製できしかも電力スイッチングトランジスタを作製する際に付加的な工程ステップなしに得られるという利点を有する。フリーホイール回路または自律的な補助チャネルを、制御可能な４層素子から形成することにより、電力スイッチングトランジスタのプロセス化し得るようにして、比較的少ない工程ステップによって回路装置全体を得ることができる。本発明の特徴は殊に自律的補助チャネルを備える垂直な電力トランジスタを提供できる点にあり、しかもこの自律的補助チャネルの耐圧は所属の電力トランジスタの耐圧に匹敵し、簡単に（付加的な工程ステップなしに）実現することができる。本発明の有利な実現形態では、サイリスタを電力スイッチングトランジスタにモノリシックに組み込み、有利にはラテラル素子として、電力スイッチングトランジスタ結晶の縁領域に組み込む。これによりサイリスタを収容するために付加的に必要な場所はわずかであり、しかも結晶内にサイリスタをラテラルに配置することにより同時に高い温度安定性を調整することができる。
【０００６】
本発明の別の有利な実施形態はその他の従属請求項に記載されている。
【０００７】
実施例の説明
本発明を以下、実施例につき所属の図面を用いて詳しく説明する。
【０００８】
図１は、詳細には図示されていない点弧段の回路装置１０を示している。この回路装置１０によって点弧コイルの１次巻線１２は電圧供給源Ｕ例えば自動車のバッテリに接続されている。これに加えて電力スイッチングトランジスタ１４が設けられており、そのコレクタは１次巻線１２の一方の端子に接続されている。この電力スイッチングトランジスタ１４のエミッタは接地されており、またベースには制御信号が供給される。
【０００９】
さらにサイリスタ１６が設けられており、そのアノードは電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタに、またそのカソードは電源電圧Ｕに接続されている。サイリスタ１６の制御電極はスイッチングトランジスタ１８のコレクタに接続されており、このトランジスタのエミッタは接地されており、そのベースは図示しない制御回路を介して制御される。サイリスタ１６のアノードとスイッチングトランジスタ１８のコレクタとの間にはさらに抵抗２０が接続されている。
【００１０】
図２にはサイリスタ１６のプレーナ構造が、プレーナ的にモノリシックに組み込まれた素子２２の概略断面図で示されている。素子２２はさらに電力スイッチングトランジスタ１４を有しているが、このトランジスタはここでは詳しく図示されていない。素子２２はｎ-ドーピングされた材料からなる結晶２４を有しており、この材料は同時に電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタを形成している。このｎ-ドーピング領域２４に、擬似的には制御端子２６を備える３つのダイオードの直列回路から形成されているサイリスタ１６の個別のゾーンが、それ自体公知のようにゾーン形成に対して決められているドーピングで打ち込まれている。サイリスタ１６は電圧供給源Ｕに接続されたｎ+ドーピングゾーン２８と、ゾーン２８を包囲するｐドーピングゾーン３０と、コレクタＣに接続されたｐドーピングゾーン３２と、これらのｐドーピング領域３０と３２との間にあるｎ-ドーピング領域２４の領域３４とを有する。さらに残りの金属コンタクト部３６Ａ，Ｂ，Ｃがサイリスタ１６の電気接続のために、さらにフィールド酸化膜３８が個別の接続を絶縁するために重なって設けられている。また素子２２はメタライゼーション４０を有しており、このメタライゼーション４０は電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタを介してｐドーピングゾーン３２に短絡されている。サイリスタ１６はスイッチングトランジスタ１８と共に、１次巻線１２のためのスイッチング可能なフリーホイーリング回路４２（図１）を形成している。
【００１１】
図１および２に示された回路装置は以下のように動作する。
【００１２】
通常動作時にサイリスタ１６は非動作状態であり、電力スイッチングトランジスタ１４がオン制御されている場合、１次巻線１２は電源電圧Ｕおよびアースに接続される。サイリスタ１６のこのような非動作状態を得るために、スイッチングトランジスタ１８を介してｐドーピングゾーン３０の電位をアース電位にし、これによりｎ+ドーピング領域２８とｎ-ドーピングゾーン３４との間の接続が阻止される。
【００１３】
スイッチングトランジスタ１８が阻止されている場合に、電力スイッチングトランジスタ１４をスイッチオフすると、これに伴う電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタ電圧上昇によって、サイリスタ１６は抵抗２０を介して点弧される。抵抗２０は電流制限素子として使用されており、例えば外部抵抗またはいわゆる素子２２内のウェル抵抗（Brunnenwiderstand)として構成されている。このウェル抵抗はメタライゼーション４０と端子２６との間の電圧と、ｐゾーン３０内のｎ+ドーピングゾーン４１（図３）を流れる電流とから得られる商である。電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタ電圧上昇によって、制御端子２６を介してｐドーピングゾーン３０は、電源電圧Ｕに接続されたｎ+ドーピングゾーン２８よりも高い電圧になる。これによって供給された点弧電流によりサイリスタ１６は点弧される。ここで点弧電流の供給はｐドーピングゾーン３０の小さな領域に制限され、したがってｎ-ドーピングゾーン３４の、フィールド酸化膜３８の境界からメタライゼーション４０までの経路抵抗は数ｋΩである。この結果、サイリスタ１６の点弧時にはすでに、ｎ+ドーピングゾーン２８からｎ-ドーピングゾーン３４へのわずかな電子の注入は、数１００μＡのオーダに達しており、これによりｎ-ドーピングゾーン３４の電位はｐドーピングゾーン３２に対して順方向電圧だけ低下する。
【００１４】
サイリスタ１６の点弧をより効果的に行うために、ｎ+ドーピングゾーン２８にスリット（領域４３）を空けて点弧電流を直接、ｐドーピングゾーン３０とｎ-ドーピングゾーン３４との間の境界領域に供給することができる（図３）。点弧後、荷電キャリアはｐドーピングゾーン３０およびｎ-ドーピングゾーン３４にあらゆる方向で注入され、電流は４層素子２８，３０，３４，３２として構成されている縁全体にわたって広がる。
【００１５】
この電流と並行して直接の電子流による別の電流が、（ベースとしてのｐドーピングゾーン３０と共に）ｎ+ドーピングゾーン２８からメタライゼーション部４０へ発生する。これにより電流が流れる断面積は格段に増大する。
【００１６】
サイリスタ１６を点弧することによりフリーホイーリング回路４２（図１）は動作する。電力スイッチングトランジスタ１４が制御により再びスイッチオンされると、ｐドーピングゾーン３２とｎ-ドーピングゾーン３４の電位は低下し、これによりサイリスタ１６は消弧する。
【００１７】
電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタ電圧が高い場合に、ｐドーピングゾーン３０とｐドーピングゾーン３２との間の空乏層接触（パンチスルー）による所望しない点弧を回避するために、コレクタＣの金属コンタクト３６Ｃ（図２では右側に示されている）を縁４４の上で張り出させて、この結果生じる遮蔽効果によりｐドーピングゾーン３０からｐドーピングゾーン３２へのラテラルな空乏層接触を確実に回避する。
【００１８】
例えば１次巻線１２のコイル電流をパルス制御により少ない損失で電流制御するために上記の原理を適用する際、点弧の開始はサイリスタ１６のフリーホイーリング機能が作動化状態している元では次の順序で行わなれなければならないことに注意すべきである。
【００１９】
１．  電力スイッチングトランジスタ１４を導通接続し、サイリスタ１６を消弧する。スイッチングトランジスタ１８も同時に導通接続する。
【００２０】
２．  サイリスタ１６のターンオフ時間後、電力スイッチングトランジスタ１４をスイッチオフし、これにより点弧がコレクタＣにて高い電圧レベルで開始される。
【００２１】
メタライゼーション３６とメタライゼーション４０との間のアノード短絡と、さらに選択的にｎ+ドーピングゾーン２８とｐ+ドーピングゾーン３０との間のカソード短絡とを有する、サイリスタ１６のための選択されたラテラルな幾何学形状により、ターンオフ時間を短くしかつ動作温度を高めることができる。
【００２２】
サイリスタ１６のスイッチオフのための別の最適化は、ｐドーピングゾーン３０，３２相互間の間隔を変化させることによって可能である。これによりラテラルｐｎ-ｐトランジスタの電流増幅度とアノード短絡の大きさが決定される。同時にサイリスタ１６の動作中の４つのｎｐｎｐゾーン内のｐｎｐ構造の阻止特性が影響を受ける。
【００２３】
本発明の回路装置１０は、例えばパルス制御される点弧段のために使用することができる。ここではパルスデューティ比により調整可能な平均電流は、わずかな損失電力で点弧段に使用されて、点火火花のエネルギー調整が行なわれる。
【００２４】
さらに本発明の回路装置１０を使用して点火に十分なコイル電流を、充電フェーズの終了後、長時間にわたって損失が少なく維持されるようにできる。
【００２５】
図４は自律的な補助チャネル１００を備える本発明の回路装置の実施例を示している。ベース端子Ｂを介して制御可能な電力スイッチングトランジスタ１４は、そのコレクタ側で誘導性負荷１２に接続されており、この誘導性負荷は電圧供給部Ｕに接続されている。この自律的な補助チャネル１００は、補助チャネル出力側１１０と補助チャネル入力側１２０との間で、４層素子１４０，１５０により形成されている。ここで参照符号１４０または１５０はこの４層素子の２つのトランジスタを示している。補助チャネル出力側１１０は接地されており、また補助チャネル入力側１２０は、コンデンサ１９０と抵抗２００との直列回路により形成された線路１８０を介して、電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタＣに接続されている。構造に起因するダイオード１６０（図５参照）は線路１８０に並列に接続されている。第１部分トランジスタ１４０のベースは、構造に起因する抵抗１７０（図５参照）を介して、電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタに接続されている。第２の部分トランジスタ１５０のベースは、制御入力側１３０を介して制御される。
【００２６】
図４の電力スイッチングトランジスタ１４は、図１の電力スイッチングトランジスタと類似に垂直なメイントランジスタであり、このトランジスタはコレクタ側で誘導性負荷例えば点火コイルに接続されている。選択した回路例では、太線でマークした自律的補助チャネル１００が設けられている。このチャネルは、制御入力側１３０を介して制御可能であり、かつ電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタエミッタ区間に依存しない電流路である。選択した回路例では点火コイル１２は、トランス巻線の１次側コイルに使用されており、この１次側コイルは点火火花を２次側コイルに電磁誘導する。誘導性負荷１２を所定の時間後、電力スイッチングトランジスタ１４に依存しないで交流電圧的に接地すべき場合、この接地は、自律的な補助チャネル１００が制御入力側１３０を介して相応に制御されるかぎりは、電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタに交流電圧的に接続される自律的な補助チャネル１００によって行われる。こうすることの利点は、電力スイッチングトランジスタ１４のベース制御に依存せずに、直ちに補助チャネルを利用して誘導性負荷を交流電圧的に接地できることが保証されることである。４層素子１６は容量的にのみ点火コイルに接続されており、補助チャネル入力側１２０は図示の実施例では線路１８０を介して電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタに接続されている。しかしながら別の適用に対しては補助チャネル入力側１２０を別のように結線することも可能である。電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタエミッタ区間に依存しないで補助チャネル１００をスイッチング可能という点からのただ１つの機能的な制限を表しているのは、構造に起因するダイオード１６０（図５参照）であり、補助チャネル入力側１２０は電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタ電圧よりも高い電圧によって駆動されてはならない。電流が電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタからサイリスタ１６を介して電圧供給部Ｕに達する図１の回路装置とは異なり、図４の回路装置では補助チャネルのオン制御時に補助チャネルを流れる電流は、逆向きに電力スイッチングトランジスタ１４のコレクタから４層素子１６を介してアースに、つまり電力スイッチングトランジスタ１４を流れる電流に並列に流れる。この自律的な補助チャネルの別の適用例は、点火火花の遅延スイッチオンであり、これは制御入力側１３０を相応に制御することによって可能である。また並列に接続されてはいるが相互に依存しないで制御される複数の補助チャネル１００を構成することも可能であり、さらに図１のフリーホイール回路と組み合わせることも可能である。
【００２７】
図５は、図４の回路装置のための半導体結晶の断面図を示している。この層状装置の構造および半導体結晶内での物理的な並び方は、図２の半導体結晶のそれにかなり相応している。半導体結晶の同じまたは類似の素子には図２と同じ参照符号が付されており、再度説明しない。図２とは異なり図５では電力スイッチングトランジスタ１４も図示されており、この電力スイッチングトランジスタ１４の層構造２２０，２３０は左に向かって続いている。ここで高濃度にｎドーピングされた層２２０は、その上に設けられているメタライゼーションを介してエミッタを形成しており、このエミッタは接地されている。この高濃度にドーピングされた層２２０は、ｐドーピングされたベース層２３０に埋め込まれている。このベース層はベース端子Ｂを介して制御可能であり、ここでこのベース層２３０には高濃度にｎドーピングされたバリア２４０が設けられている。このバリアはエミッタ層２２０を４層素子の方向に遮蔽する。さらに図５では図２に付加的にチャネルストッパー２１０つまり半導体結晶の縁領域に高濃度のｎドーピング層が設けられており、これは半導体結晶の縁領域における電気的プレークダウンを阻止のためのものである。図２とは異なり図５の実施例はウェル抵抗を有さず、したがって高濃度にドーピングされた層４１も、また層３０のｐドーピンク内に相応の「ホール」も有さない。ここでこの４層素子は、自律的な補助チャネルとして結線されている。つまり高濃度にｎドーピングされた層２８はメタライゼーション３６ｂとコンタクトしており、このメタライゼーション３６ｂは補助チャネル出力側１１０を形成しており、この補助チャネル出力側は接地されている。ｐドーピング層３２にコンタクトしているメタライゼーション３６ｃは、補助チャネル入力側１２０を形成している。自律的な補助チャネル１００の制御入力側１３０はメタライゼーション３６ａにより形成されており、このメタライゼーション３６ａはｐドーピングされた層３０にコンタクトしている。構造に起因する抵抗１７０は、領域３４とメタライゼーション４０の間の低濃度にｎドーピングされた半導体領域によって形成されている。この構造に起因する抵抗１７０は、図１の等価回路図ではサイリスタ記号を用いて図を簡略化したために示されていないが、この抵抗は図２の回路装置でも同様に設けられている。構造に起因するダイオード１６０は、層３２と半導体領域２４との間のＰＮ接合により形成される。図１にはこの構造に起因するダイオードは示されていないが、これは図２の回路構造では、この構造に起因するダイオードは、アノードとコレクタとの間の短絡（ボンディングワイヤ）により短絡されるからである。コンデンサ１９０と抵抗２００は図５では示されていないが、これらは外部の素子により実現可能である。基本形ではこれらの２つの素子すなわち図２の素子と図５の素子は５つの端子を備えており、図２ではこれらの端子は端子Ｂ，４０，３６ａ，３６ｂ，およびアースであり、図５ではこれらの端子は端子Ｂ，４０，１３０，１２０，およびアースである。
【００２８】
図５および図２の素子で、ラテラル４層素子は共通であり、この４層素子は、ｐドーピングゾーンを低濃度でｎドーピングされた半導体基体に拡散することにより、またこれらのｐドーピングゾーンの１つに拡散された高濃度のｎドーピングゾーンをカソードとすることにより形成されている。点弧は、高濃度にｎドーピングされたゾーンと、この高濃度にｎドーピングされたゾーンを包囲するｐドーピングゾーンとの間の接合部を介して行われる。図５ではｐドーピングされたエミッタは、図２とは異なり垂直な電力スイッチングトランジスタのコレクタに接続されておらず自律的な補助チャネルの入力側１２０であるが、この入力側は補助チャネルの適用に応じて結線可能である。補助チャネルによって得られた補助電流路が、図４のこの回路例とは異なり自己消弧せずに、電流を能動的に遮断しなければならない場合には、カスコード回路の第２部分トランジスタ１５０のエミッタを、外部または組み込まれた低電圧トランジスタを介して案内することができる。また電力スイッチングトランジスタ１４のベース端子Ｂの下のバリア２４０は、エミッタ層２２０から低濃度にｎドーピングされた領域２４への電子のここでは所望されないラテラルな注入を抑圧するために使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  スイッチング可能なフリーホイール回路を備える電力スイッチングトランジスタの回路装置を示す図である。
【図２】  図１の回路装置を有する半導体結晶の部分領域の概略断面図である。
【図３】  メタライゼーションを取り除いた図２の半導体結晶の平面図である。
【図４】  スイッチング可能な自律的補助チャネルを備える回路装置を示す図である。
【図５】  図４の回路に対する図２と類似の概略断面図である。
【符号の説明】
１０  回路装置
１２  １次巻線
１４  電力スイッチングトランジスタ
１６  サイリスタ
１８  スイッチングトランジスタ
２０  抵抗
２２  素子
２４  半導体結晶
２６  制御端子
２８  ｎ+ドーピングゾーン
３０，３２  ｐドーピングゾーン
３４  ｎ-ドーピングゾーン
３６，４０  メタライゼーション
３８  フィールド酸化膜
４２  フリーホイーリング回路
４４  縁
Ｕ  電圧供給部
【図１】
0004106175.tif 000002
【図２】
0004106175.tif 000003
【図３】
0004106175.tif 000004
【図４】
0004106175.tif 000005
【図５】
0004106175.tif 000006