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Transistor
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einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor sowie einer Hilfsschicht und Schaltungen für einen solchen Transistor.
Für lineare Verstärkung verwendet man heute noch hauptsächlich bipolare (mit zweierlei Ladungsträgern arbeitende) Dreischichttransistoren. Die gemeinsame Charakteristik des Hochstromverhaltens, derselben äussert sich durch ein plötzliches Sinken des Stromverstärkungsfaktors mit Zunahme des Kollektorstromes. Darin spielen zwei Erscheinungen eine Rolle und diese treten, ihre gemeinsame Wirkung erhöhend, gleichzeitig auf. Die eine ist der mit der Zunahme der Stromdichte stufenartig abnehmende Emitter-Emissions-Wirkungsgrad, die andere die Verdrängung des Stromes auf den Rand des Emitters.
Zufolge dieser Verdrängungserscheinung fallen die inneren Teile des Emitters stufenweise aus ihrer Tätigkeit, während an den äusseren Teilen die Stromdichte in bedeutendem Mass zunimmt. Die Stromverdrängung wird durch den in der Basis in Querrichtung verlaufenden Basisstrom dadurch verursacht, dass zwischen verschiedenen Punkten der Basis eine in Querrichtung verlaufende Spannungsdifferenz erzeugt wird. Diese in Querrichtung verlaufende elektrische Feldstärke ist umso grösser, je stärker der durch das Sinken des Emissionswirkungsgrades erhöhte Basisstrom ist, wodurch die unter den beiden Erscheinungen entstehende schädliche Rückwirkung auftritt. Wegen des stromabhängigen Stromverstärkungsfaktors sinkt auch der Ausgangswiderstand des Transistors, was die Leistungsverstärkung schädlich beeinflusst.
Zur Verhinderung der Stromverdrängung auf den Rand des Emitters sind mehrere Lösungen verwendet worden, z. B. die in der deutschen Auslegeschrift 1092130 beschriebene Lösung. Gemäss dieser Auslegeschrift ist ein ringförmiger Emitter sowie im Innern desselben und ausserhalb je ein weiterer Metallring als Hilfselektrode vorgesehen, welche mit der Basis galvanisch verbunden sind und zwischen denen ein Hilfsstrom fliesst. Das elektrische Feld desselben kompensiert das durch den Basisstrom erzeugte Feld, wodurch die Stromverdrängung behoben werden kann. Im Fall eines Wechselstrom-Basisstromes muss der kompensierende Hilfsstrom ein gleichphasiger Wechselstrom sein, um die Kompensation bei jedem einzelnen Stromwert aufrecht erhalten zu können.
Die Erfüllung dieser Bedingung führt zu bedeutenden Schaltungskomplikationen, da die mit dem Basisstrom proportionale Spannung in einem unabhängigen Stromkreis zu erzeugen ist. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist die unzweckmässig, eine schlechte Raumausnutzung beanspruchende ringförmige Emitterausbildung.
Die obigen Nachteile werden erfindungsgemäss mit von den bekannten abweichenden vorteilhafteren Mitteln dadurch behoben, dass die Hilfsschicht in einer Kontaktöffnung des Kollektors dem Emitter sym-
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metrisch gegenüberliegt und von gleicher Leitfähigkeitsart ist wie die Basis. In diese Hilfsschicht wird ein dem Kollektorstrom proportionaler Strom geleitet, der durch den Kollektor hindurchfliessend in die Basis gelangt und über den Basiskontakt ausfliesst. Die Basisfeldverteilung dieses Stromes ist eine solche, dass sie das durch den Basisstrom erzeugte elektrische Feld kompensiert und die Wirkung der Verdrängung des Emitterstromes behebt, weiters den im äusseren Basiskreis fliessenden Strom verringert und durch die Wirkung desselben die Stromverstärkung des Transistors erhöht.
Mit der beschriebenen Transistorkonstruktion kann eine jene der zur Zeit üblichen Hochstromtransistoren weitaus übertreffende, u. zw. vom Strom des Kollektors unabhängige Stromverstärkung von konstantem Wert erreicht werden. Eine weitere Wirkung der erfindungsgemäss angeordneten Hilfsschicht ist die Erhöhung des Ausgangswiderstandes. Die Verstärkung sowie die Zunahme des Ausgangswiderstandes ist der Wirkung des Tetrodengitters der Elektronenröhren weitgehend ähnlich. Auch die Stromspeisung der Hilfsschicht ist der Einspeisung des Tetrodengitters ähnlich.
Eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Transistorkonstruktion ist an Hand der Zeichnungen dargelegt, wo Fig. 1 die Konstruktion des erfindungsgemässen Halbleitergerätes in sche- matischem Schnitt darstellt. Fig. 2 ist das Bild der Stromverteilung des Halbleitergerätes gemäss Fig. l, DieFig. 3 und 4 zeigen die Art der Stromspeisung der Hilfsschicht. Fig. 5a ist das erfindungsgemässe Halbleitergerät in einer weiteren Ausführungsform, ebenfalls in einem schematischen Schnitt. Fig. 5b ist das elektrische Schaltschema von Fig. 5.
Fig. 1 bezieht sich auf die Transistortype n-p-n-p, wobei die Schicht --1- der Emitter, die Schicht --2- die Basis, die Schicht -3- der Kollektor und die Schicht -4- der Hilfsemitter ist.
Prüft man die Wirkungsweise dieses Vierschichttransistors, kann man denselben zweckmässig als eine Kombination von zwei Transistorkomponenten entgegengesetzter Type, d. i. n-p-n und p-n-p betrachten. Der Kollektor der zweiten, aus den Schichten-2, 3, 4- bestehenden Transistorkomponente p-n-p ist die Basis der ersten, aus den Schichten-1, 2, 3- gebildeten Transistorkomponente.
Bei dem erfindungsgemässen Betrieb fliesst der, auch durch die Belastung fliessende Hauptstrom durch die erste, zweite und dritte Schicht und weicht der vierten Schicht aus. Bei der in der Praxis gegenwärtig verwendeten Vierschichtanordnung (bei Vierschicht-Dioden, Thyristoren) fliesst der Hauptstrom auch über die vierte Schicht, so dass die Charakteristik sowie auch die Arbeitsweise derselben von der vorgeschlagenen Konstruktion grundsetzlich abweicht.
Bei dieser Lösung hat die vierte Schicht die Rolle, mit dem durch dieselbe fliessenden Strom den Basisstrom zu verringern, indem ein Teil des Stromes (eventuell auch der ganze Strom) kompensiert wird.
Prüfen wir die Wirkung dieser Kompensation vom Gesichtspunkt des inneren physikalischen Zustandes des Transistors. Die erste Komponente des Transistorbasisstromes wird so aufgeteilt, dass ein (zweck-
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Hilfsemitter kommt, also mit dem, in dieser Richtung zuströmenden Hauptstrom parallel einläuft. Bekanntlich verursacht der auf den Hauptstrom in senkrechter Richtung fliessende Basisstrom in den Hochstromtransistoren in dem unter dem Emitter liegenden Basisbereich Potentialdifferenzen, durch welche sich der Strom an den Rändern des Emitters konzentriert. Bei der vorgeschlagenen Ausführung kann die, diese von der normalen abweichende Potentialverteilung verursachende Stromkomponente im gewünschten Mass unterdrückt werden, wodurch die Verwendung der vorangehend erwähnten komplizierten Emitter konstruktion überflüssig wird.
In Fig. 2 ist die Verwirklichung dieser Kompensierung auch bildlich dargestellt.
Der strichliert dargestellte Basisstrom der ersten Transistor Vorrichtung ist-Im-, der mit vollen Linien dargestellte Strom des Hilfsemitters ist Ohne diese Stromkomponente fliesst über die Ba- siselektrode-B-der ganze Strom-Iss = Ici- (diesel Strom stammt allgemein aus der Injektion des Ladungsträgers in die Schicht-l-und aus der in der Schicht --2- erfolgenden Rekombination), der in dem unter dem Emitter liegenden Basisbereich eine in der Richtung der Achse --x-- liegende Potentialdifferenz erzeugt. Der in die Basis gelangende Teil des Stromes-Ig-des Hilfsemitters kompensiertdiesenStrom --IB1--. Hiedurch wird die in der Richtung-x-verlaufende Potentialdifferenz verringert und auch der äussere Basisstrom-Ig-wird kleiner.
Eine weitere Wirkung, die jedoch wesentlich von kleinerer Bedeutung ist als die früher erwähnte, rührt davon her, dass der Hilfsemitter Ladungsträger von den, den Hauptstrom liefernden Ladungsträgern entgegengesetzter Type in den zwischen der Basis und dem Kollektor des ersten Transistors liegenden, entleerten Bereich liefert. Das durch die bewegten Ladungen im Hochstromtransistor erzeugte elek-
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trische Feld verursacht eine Verzerrung des entleerten Bereiches, was zu einer Zunahme der Basisstär- ke und daher zu einer Verringerung des Stromverstärkungsfaktors und der Grenzfrequenz führt. - Bei der vorgeschlagenen Ausführung kompensieren die durch den Hilfsemitter eingeführten Ladungsträger von entgegengesetzter Type diese Feldladung und verringern dadurch die vorangehend erwähnten nachtei- ligen Wirkungen.
Da aber der Strom des Hilfsemitters wesentlich kleiner ist als der Hauptstrom, kann diese Kompensation - in der gebräuchlichen Betriebsart - allgemein nur ein geringes Mass besitzen.
Der Hilfsemitter erfüllt aber ausser den vorangehend dargelegten transistorphysikalischen Funktionen auch eine Stromkreisrolle und bietet neue Lösungsmöglichkeiten. Diese stammen davon her, dass man mit der an dem Kollektorpotential befindlichen Elektrode auch den Basisstrom desselben beeinflussen kann. In Fig. 3 ist eine mögliche Art der Stromversorgung des Hilfsemitters dargestellt, wobei der Vier- schichttransistor mit der vorgeschlagenen Bezeichnungsweise dargestellt und die den einzelnen Schichten entsprechendenLinienelementemit Hilfe der Buchstabenbezeichnungen mit den entsprechenden Schich- ten des Querschnittbildes identifiziert werden können. In dieser Schaltung erhält der Hilfsemitter in der dem Tetrodengitter der Elektronenröhren entsprechenden Art den Strom über einen Begrenzungswider- stand von der Speisespannung.
Bekanntlichhat der Einbau des Tetrodengitters in die Elektronenröhre zur Folge, dass der Ausgangs- widerstand derselben wesentlich ansteigt. Dadurch steigt auch die durch die Elektronenröhrenstufe er- reichbare Leistungsverstärkung. Wie aus der nachfolgenden Berechnung ersichtlich, hat der Hilfsemitter mit seiner Wirkung als vierte Schicht einen ebensolchen Einfluss auf die Charakteristik und Leistungs- verstärkung des Transistors.
Wird die Ausgangscharakteristik durch eine vereinfachte lineare Funktion er- setzt, - so ergibt sich, wenn der Strom des Hilfsemitters =0-und-IB- = konstant ist, in ana-
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äusseren Basispunkten einfliessende Strom-IB--entsprechend der Gleichung (2) einen geringeren Wert hat. iBBl'-s (2)
Wird der Strom -Is-- als Funktion der Kollektorspannung-UK-ausgedrückt, erhält man, wenn - Zg = Rs--ein rein ohmscher Widerstand ist, die Gleichung (3).
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Hieraus kann die Gleichung (4) der Ausgangscharakteristik des Vierschichttransistors ermittelt werden.
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Wie ersichtlich, hat diese Gleichung analoge Form wie die Gleichung (1). Vergleicht man die entsprechenden Glieder, so erhält man den effektiven Ausgangswiderstand und den Basisstrom des Vier-
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gibt. Im Fall der Erfüllung der mit der Gleichung (5) gegebenen Bedingung wird, wie dies ersichtlich ist, der Ausgangswiderstand unendlich gross anwachsen. Diese Gleichung kann zur entsprechenden Wahl von-R-eine Basis bieten.
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Eine weitere Schaltmöglichkeit ist in Fig. 4 dargestellt. Der Widerstand-Rg- (dessen Wert eventuell einige Zehntel Ohm beträgt) liefert eine mit dem Kollektorstrom des Haupttransistors proportionale Öffnungsspannung für den Hilfsemitter. Bei hohem Strom beginnt diese Schicht zu injizieren und kompensierteinenTeil des beim Sinken von-B-zunehmenden Basisstromes. Durch entsprechende Wahl von - kann die Stromabhängigkeit von-B-aufgehoben werden, wodurch im Hochstrombereich ein vorteilhafter Wert für-B-verwirklicht werden kann.
In den Fig. 5a und 5b ist eine für grosse Stromstärken geeignete Hochfrequenz-Transistoren ver- wendbare Ausführungsform dargestellt. Bei dieser besteht der Emitter-l-aus mehreren Teilen. Dem-
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der vorher beschriebenen identisch.
Diese Schichten können auch zur Lösung von weiteren Aufgaben Verwendung finden. Dies ist z. B. die Behebung des zweiten Durchbruches (second breakdown). Bei Transistoren mit grossem Querschnitt entsteht diese Erscheinung dadurch, dass die Homogenität der Stromverteilung aufhört, die Stromdichte an irgendeiner Stelle wächst und der Strom sich an einer gegebenen Stelle konzentriert. Hier tritt eine starke lokale Wärmeentwicklung auf. Eine Erhöhung der Stromkonzentrierung bis zur Vernichtung des Transistors ist die unvermeidliche Folge. Eine Verhinderung dieser Erscheinung kann durch Behebung der Stromkonzentration erfolgen, was durch die mit den einzelnen Emitterelementen in Reihe geschalteten Widerstände erreichbar ist.
Ein Nachteil dieser gebräuchlichen Lösung liegt darin, dass die Sättigungsspannung wegen den Widerständen zunimmt und dementsprechend auch die Verlustleistung höher wird. Durch die Anwendung der erfindungsgemässen Hilfsschicht wird die Zunahme der Sättigungsspannung und der Verlustleistung behoben.
Gemäss Fig. 5bsind mit den einzelnen Hilfsschichten Widerstände in Reihe geschaltet. Die einzelnen Widerstände gewährleisten, dass durch jede Hilfsschicht ein Strom von gleicher Stärke fliesst. Sollte sich der Strom an irgendeinem Emitter konzentrieren, wird dort der lokale Basisstrom zunehmen und die Kompensierung in der in Fig. 2 dargelegten Weise verschlechtert werden. Das entstandene, in Querrichtung verlaufende elektrische Feld verkleinert die Öffnungsspannung des Emitters und verringert dadurch den Wert des an dieser Stelle auftretenden Emitterstromes, d. h. behebt die Erscheinung der Stromkonzentrierung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistor mit linearer Verstärkung für hohe Stromstärken aus vier, mit elektrischen Herausfüh- rungen versehenen Schichten von p-n-p-n oder n-p-n-p Leitfähigkeit, nämlich einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor sowie einer Hilfsschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs- schicht (4) in einer Kontaktöffnung des Kollektors (3) dem Emitter (1) symmetrisch gegenüberliegt und von gleicher Leitfähigkeitsart wie die Basis ist.