DE1464527A1 - Thermisch stabilisierte Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Dip!. Ing. Fr. Thalmann ,

Dipl. Ing. H. Schmitt

Patentanwälte

78 Freiburg i. Br. · Fl 194

Karlstr. 23 - Tel. 3 31 89 1 Δ R Δ K O *7

Thermisch stabiliBierte Halbleiteranordnung»

Die vorliegende Erfindung betrifft die thermische Stabilisierung von Halbleiteranordnungen.

Bei vielen Halbleiteranordnungen, beispielsweise Leistungstransistoren, besteht bezüglich der Funktionsweise eine wichtige Leistungsgrenze, die einer Art von thermischer Unstabilität zuzuordnen ist, bei der eine Bündelung des Stromes auf punktförmige Bereiche erfolgt. Die betroffene thermische Unstabilität ist nicht dem üblichen thermischen Durchgehen zuzuschreiben, bei dem eine Temperaturerhöhung einen anwachsenden Strom von thermisch erzeugten Trägern in die Basisschicht bewirkt, was eine höhere Emission und eine höhere Verlustleistung und damit wiederum ein weiteres Anwachsen der Temperatur hervorrufte Die Erscheinungsform der betroffenen Unstabilität ist von solcher Art, bei der eine Tendenz zum Anwachsen von Stromdichte und Temperatur in einem Flächenbereich des Bauelementes auf Kosten des in den übrigen aktiven Flächenbereichen des Bauelementes fließenden Stromes ansteigt, während der Gesamtstrom im wesentlichen konstant bleibt. Es entstehen sogenannte "Brennflecken" (hot spots), welche das Bauelement beschädigen oder zerstören können.

Hauptsächlich rührt die !Instabilität vom großen positiven Temperaturkoeffizienten des Stromflusses im Bauelement her. Als Folge dieses großen Koeffizienten kann irgendeine zufällig vorhandene Fluktuation oder Unvollkommenheit in der Halbleiteranordnung ein Anwachsen des Stromes in einem Teil des Elementes gegenüber einem anderen Teil bewirken. Dieses Anwachsen des Stromes verursacht wiederum eine zusätzliche Erwärmung und weiteres Anwachsen des Stromes. Im wesentlichen tritt eine Rückkopplung auf mit darauf folgendem Anwachsen

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des Stromes in diesem Teil des Elementes. Mit dem Anwachsen des Stromes setzen nichtlineare Effekte ein.

Hauptsächlich soll durch die vorliegende Erfindung eine Halbleiteranordnung geschaffen werden, bei der örtliche "Brennflecken" auf ein Mindestmaß verringert sind.

Ferner soll durch die vorliegende Erfindung Vorsorge getroffen werden, den in einer Halbleiteranordnung fließenden Strom bei bestimmten Betriebsbedingungen gleichmäßig über die Fläche zu verteilen.

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner das Problem gelöBt werden, bei bestimmten Betriebsbedingungen die Temperaturen über die die Leistung aufnehmende Fläche einer Halbleiteranordnung auf nahezu gleichen Werten zu halten·

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner die thermische !Instabilität an defekten Stellen einer Halbleiteranordnung wesentlich vermindert werden.

Ferner soll durch die vorliegende Erfindung die von statistisch verteilten Fluktuationen herrührende thermische !Instabilität in einer Halbleiteranordnung vermindert werden.

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner eine Halbleiteranordnung zum Betrieb bei Gleich- und Wechselstrom geschaffen werden, bei der der Strom über einen ausgedehnten Bereich der Basiszone verteilt ist und diese weiter entfernt vom Basiskontakt unter der Emitterzone durchdringt .

Schließlich soll durch die vorliegende Erfindung eine Halbleiteranordnung geschaffen werden, in der die Stromdichte

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für eine vorgegebene Größe des Gesamtstromes zur Verminderung der mit hoher Stromdichte verbundenen nichtlinearer Effekte und Einbuße an Emitterergiebigkeit verringert ist.

Die Erfindung betrifft somit eine thermisch stabilisierte Halbleiteranordnung mit einer äußeren Zone des einen Leitfähigkeitetyps und daran angrenzender Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitβtyp, welche einen großflächigen pnübergang bilden. Zur Verminderung der von örtlichen "Brennflecken¹¹ (hot spots) herrührenden thermischen !Instabilitäten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen« daß auf der äußeren Zone im thermisch gutleitendem Kontakt ein Wideretand oder eine Widerstandsschicht und darüber im ohmseheη Kontakt eine flächenförmige und niederohmige Kontaktelektrode angeordnet ist.

Sie Wideretandsschicht wird vorzugsweise mit einer als Emitterzone ausgebildeten äußeren Zone verbunden. Die Widerstände-

V-1

Bchicht stellt einen gegenkoppelnden Widerstand in thermi-Bchem Kontakt mit der Emitterzone dar und gewährleistet eine gute Linearität.

Ee ist von Vorteil, einen Widerstand mit einem relativ hohen positiven Temperaturkoeffizient des Widerstandes zu verwenden, so daß der Spannungsabfall zwischen Emitterkontaktelektrode und Emitterzone an solche zur Vermeidung eines negativen Widerstandes und einer Unetabilität in Querrichtung innerhalb der Halbleiteranordnung erforderlichen Wert angepaßt ist.

Vorteilhafterweise findet die Lehre der Erfindung bei der Konstruktion von Leistungstransistoren Anwendung. Dabei wird eine Widerstandsschicht in Serie zwischen der Emitterzone und der Emitter-Kontaktelektrode angeordnet, um die

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Gleichmäßigkeit der Stromverteilung zu erhöhen.

Allgemein sollte der Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten im Strompfad des Emittere mit der Emitterzone im Wärmeaustausch stehen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren erläutert.

Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild mit zwei parallel geschalteten Transistoren, welche zum Emitter Je einen Serienwiderstand aufweisen.

Die Figur 2 zeigt zwei parallel geschaltete Transistoren mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand< >

Die Figur 5 zeigt im Aufriß, teilweise im Schnitt, eine Halbleiteranordnung mit den Merkmalen der Erfindung.

Die Figur 4 stellt teilweise im Schnitt den Aufriß einer anderen Halbleiteranordnung mit den Merkmalen der Erfindung dar.

Die Figur 5 veranschaulicht eine Halbleiteranordnung, bei der die sich im thermischen Kontakt mit der Emitterzone angeordneten Widerstandeschicht aus Halbleitermaterial besteht .

Die Figur 6 zeigt die Kollektor- Strom- Spannunge- Kennlinienschar eines Silizium-Transistors für verschiedene konstant gehaltene Basisepannungen.

Die Figur 7 veranschaulicht die Kollektor- Strom- SpannungB-Kennlinienschar eines Silizium-Transistors mit einem schichtförmigen und temperaturunabhängigen Emitter-

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widerstand für verschiedene konstant gehaltene Basisspannungen .

Die Figur 8 veranschaulicht die Kollektor- Strom- Spannungs- Kennlinienschar eines Silizium-Transistors mit einem einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden und mit der Emitterzone im Wärmeaustausch befindlichen Widerstand bei verschiedenen konstant gehaltenen Basisspannungen.

Die Figur 9 zeigt zwei Transistoren mit einer im Vergleich zur Wärmeleitung zu einer Wärmesenke großen gegenseitigen Wärmeleitung.

Die Figur 10 veranschaulicht das Modell eines Transistors zur Berechnung des Faktors der gegenseitigen Wärmeleitung.

Die Figur 11 schließlich zeigt einen Gleichrichter mit den Merkmalen der Erfindung.

Bei Leistungetransistoren und anderen großflächigen Anordnungen besteht, wie beschrieben, eine ernstzunehmende Leistungsgrenze der Funktionsweise. Diese Grenze ist einer Ar.t von thermischer !Instabilität zuzuordnen, die anwachsende Stromdichten verursacht. Zum besseren Verständnis dee Problemes der Temperaturunstabilität und seiner Folgen wird auf die Schaltungen der Figuren 1 und 2 und die theoretischen Kurven der Figur 6 verwiesen.

Die Figur 6 zeigt theoretische Kurven für die Strom- Spannungs-Kennlinien eines Transistors für eine Anzahl von konstant gehaltenen Basisspannungen. Aus der Kennlinienschar let ersichtlich, daß bei anwachsendem Strom die Spannung zunächst gegen einen Maximalwert anwächst und dann bei weiterem Anwachsen des Stromes abnimmt. Dabei ergibt sich ein negativer Widerstand.

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Die Figur 1 zeigt die Parallelschaltung zweier Transistoren 11 und 12. Basis- und Kollektor-Anschlüsse jedes Transistors werden über gemeinsame Anschlüsse 13 und 14 mit Spannungsquellen verbunden. Die Emitter werden über Emitterwiderstände 16 und 17 mit einer gemeinsamen Spannungszuleitung 15 verbunden. Zunächst soll der Grenzfall betrachtet werden, bei dem die Widerstände vernachlässigbar sind und die Funktionsweise im wesentlichen so erfolgt, wie anhand der Figur 6 veranschaulicht. Wird ein konstanter Strom über den gemeinsamen Kollektor-Anschluß H gemäß Figur 1, sowie konstante Emitter- und Basis- Spannungen zu den anderen beiden Anschlüssen 15 und 15 zugeführt, dann kann eine !Instabilität auftreten, sobald sich einer der Transistoren im Bereich des negativen Widerstandes befindet. Die !Instabilität wird irgendeine Störung des Stromes zwischen den beiden verursachen und schnell anwachsen, so daß vorwiegend ein Transistor den Gesamtstrom führt, während im anderen praktisch kein Strom fließt. Diese Erscheinung ähnelt dem sogenannten "current hogging" (unbegrenztes Anwachsen des Stromes) in einem zweier parallel geschalteter Thermistorenο

Aus der Transistor-Schaltungs-Technik ist bekannt, daß zwei parallel geschaltete Transistoren durch Einfügung geeignet großer Emitterwiderstände 16 und 17 zum Führen nahezu gleicher Ströme veranlasst werden können» In diesem Falle bestimmen hauptsächlich diese Widerstände den Strom, wobei die Kennwerte der Transistoren selbst relativ unwichtig werden. Selbstverständlich wird diese Maßnahme die auf thermische Effekte zurückführende !Instabilität ausschließen, obgleich sie die Verstärkung der Transistorschaltung vermindert.

Demgegenüber ist der in Figur 2 dargestellte Serienwiderstand 19 als gemeinsamer Widerstand aufzufassen. In'diesem Falle hat die Übernahme des Stromes von einem Transistor zum anderen keine Wirkung auf den Stromfluß durch den Serienwiderstand 19. Umgekehrt hat der letztere keinen

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Einfluß auf die Stabilisierung der zwei Transistoren gegen innere !Instabilitäten, selbst wenn er einen großen Wert erhält.

Der letztere Vorgang ist demjenigen ähnlich, der in einer Halbleiteranordnung mit großer Fläche, beispielsweise einem Leistungstransistor, mit Emitter-Serienwiderstand stattfindet.

Verschiedene Bereiche der Anordnung können jede wie ein einzelner der gezeigten Transistoren wirken und ein Bereich kann somit den gesamten Strom an sich reißen, was die Ursache eines örtlichen "Brennfleckens" ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Stabilisierung des Stromflußses durch großflächige Halbleiteranordnungen erwirkt. Die stabilisierende Wirkung bei einer großflächigen Halbleiteranordnung wird mittels eines flächenförmigen Widerstandes in Serie im Strompfad des Emitters erreicht.

Eine Aueführungsform eines stabilisierenden Emitter-Serienwiderstandes in Verbindung mit den wirksamen Bereichen eines Emitter-pn-Überganges veranschaulicht die Figur 3. Sie zeigt einen Transistor 21 mit einer im elektrischen und thermischen Kontakt zu einer Wärmesenke 23 angeordneten Kollektorzone 22, welche auf konstante Temperatur gehalten werden soll. In bekannter Weise ist in die Kollektorzone 22 eine p- leitende Basiszone 24- und in letztere eine n- leitende Emitterzone 25 mit durch n⁺ veranschaulichter hoher Verunreinigungskonzentration eingelassen. Über den ohmschen Kontakt 26 wird eine elektrische Verbindung zur Basiszone hergestellt. Auf nahezu der gesamten Oberfläche der n⁺- Emitterzone ist eine Widerstandsschicht 27 angeordnet, welche über die obere Oberfläche gleichförmig mittels einer Kontaktelektrode 28 und einem Anschlußdraht 29 kontaktiert ist.

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Die Kontaktelektrode 28 weist im wesentlichen die gleiche Flächenausdehnung auf wie die »Viderstandsschicht 27 und wird sehr niederohmig gewählt, so daß sich die gesamte obere Oberfläche im wesentlichen auf gleichem Potential befindet. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß irgendeine Neigung zur Lokalisierung des Stromflusses auf einen bestimmten Bereich der Emitterzone einen zusätzlichen Spannungsabfall über diesem Bereich der Widerstandsschicht verursachen würde, was zur Verminderung der Emitter-Basis-Spannung in dem darunter liegenden Bereich des Emitter-Bas is -Üb er gang es und zur Unterdrückung einer Stromerhöhung in diesem Bereich der Halbleiteranordnung dienen wird«

Obgleich in Figur 3 eine besondere Geometrie gezeigt wird, kann selbstverständlich die Lehre der Erfindung auf irgendeine andere Geometrie der Emitterzone angewendet werden. In diesem Zusammenhang sind ineinandergreifende Strukturen, Kamm-Strukturen, Stern-Strukturen und sonstige bei Halbleiteranordnungen bekannte Strukturen zu nennen.

Durch die Widerstandsschicht 27 des Emitters ergeben sich noch weitere Vorteile. Wenn der Emitter-Strom einen durch das Produkt n_r. mit der thermischen Spannung kT/q bei der Arbeitstemperatur gegebenen Spannungsabfall über diese Schicht hervorruft (wobei k die Boltzmann-Konstante; T die Temperatur in Grad Kelvin und q die Elektronenladung bedeutet), dann kann gezeigt werden, daß der den Spannungsabfällen in der Basiszone unter der Emitterzone zugeordnete Stromballungseffekt bei einem η -Wert von wesentlich größer als 1 um etwa den Faktor von η /2 vermindert wird. Ein ähnlich stärkeres Eindringen der Stromdichte unter der Emitterzone erfolgt auch bei Wechselstromsignalen. Ein weiterer Vorteil der gleichförmigen Verteilung des Stromee über den Emitter- Basis- Übergang besteht darin, daß die Stromdichte bei einem vorgegebenen Gesamtstrom erniedrigt wird. So-

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mit werden in einer nach der Lehre der Erfindung ausgebildeten Halbleiteranordnung mit höheren Stromdichten verbundene nichtlineare Effekte merklich vermindert.

Da der Temperaturanstieg bei vorgegebener Leistung durch Konzentration der Leistung infolge der Stromballung anwächst, ist offensichtlich die von der Widerstandsschicht des Emitters zusätzlich bewirkte gleichmäßige Verteilung des Stromes von Vorteil.

Weist die Widerstandsschicht 27 des Emitters einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes auf, dann kann ein weiterer Vorteil erreicht werden. Wie weiter unten rechnerisch ausgeführt wird, ergibt sich der Vorteil aus der Tatsache, daß die Neigung zur Stromballung in irgendeinem Bereich dort einen starken Temperaturanstieg bewirken wird, welcher wiederum den Wert des stabilisierenden Serienwiderstandes in diesem Bereich der Emitterzone anwachsen läßt. Aus diesem Grunde ist es möglich, Stabilisierung mit kleineren Spannungsabfällen über die Widerstandsschicht der Emitterzone einer Halbleiteranordnung gemäß Figur 3 zu erzielen.

Die*Figur 4» welche die gleichen Bezugszeichen wie Figur 3 aufweist, veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Widerstandsschicht 27 ist jedoch mit 27a bezeichnet worden, da diese eine ungleichmäßige Dicke aufweist. Diese Änderung der Dicke bewirkt eine kleinere Leitfähigkeit pro Flächeneinheit an den Händern verglichen mit derjenigen in der Mitte. Ähnliche Ergebnisse können durch Änderung sowohl des spezifischen Wideretandes als auch der Dicke oder durch beide Maßnahmen zusammen erzielt werden. Bei geeigneter Wahl der Änderung des spezifischen Widerstandes können die auf Grund des in der Basiszone fließenden Basiestromes

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auftretenden Spannungsabfälle derartig abgeglichen werden, daß die Spannung über den Emitter- Basis- Übergang über die gesamte Emitterflache konstant ist. Offenbar wird in diesem Falle für einen vorgegebenen Stromwert die Leistung gleichmäßig verteilt und der Temperaturanstieg vermindert. Wird eine Änderung des thermischen Widerstandes zur Wärmesenke über die Fläche des Emitter-Überganges zugelassen und eine Abgleichung der örtlichen Leistungsdichte vorgenommen, so kann ein gleichförmiger Temperaturanstieg erwirkt werden. Es ist von besonderer Bedeutung, den maximalen Temperaturanstieg zu erniedrigen, wenn der Transistor bei einer Maximalleistung und dazu erforderlichen kleinsten Emitterströmen betrieben wird. Für größere Ströme und kleinere Spannungen bei der gleichen Leistung ist die stabilisierende Wirkung der Widerstandsschicht auf Grund des an ihr auftretenden Spannungsabfalles größer. Damit wird ein geringer Temperaturanstieg bei höheren als bei niedrigeren Strömen und vorgegebener Leistung ermöglicht.

Eb ist von Vorteil, die Emitter-Widerstandsschicht eines Silizium-Transistors aus schwach dotiertem (n~*)Silizium herzustellen. Diese Widerstandsschicht kann unter Anwendung verschiedener bekannter Verfahren, beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen, aufgebracht werden. Insbesondere kann eine n-Widerstandsschicht auf einer diffundierten η -Zone einer Halbleiteranordnung gemäß Figur 5 aufgewachsen werden, welche eine auf einer Wärmesenke 32 befestigten nleitenden Kollektorzone 51 mit einer eingesetzten p-leitenden Basiszone 35 und eine in letztere eingesetzte n⁺- leitende Emitterzone 34 aufweist. Die n"~-leitende Wideretandsschicht 35 wird in diesem Fall auf der n⁺-leitenden Emitterzone angeordnet und bildet mit dieser einen relativ guten ohmschen Kontakt. Auf der n"~-leitenden Widerstandsschicht kann eine weitere n⁺-Schicht 36 hergestellt werden, welche eine metallische Kontaktelektrode 37 erhält. Die Basiszone wird über einen elektrischen Kontakt 39 kontaktiert.

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Das beim Betrieb in der n~"-Widerstandsschicht vorhandene elektrische Feld sollte, wie weiter unten diskutiert wird, ausreichen, über diese Widerstandsschicht Spannungsabfälle in der Größenordnung von vier oder mehrfach der thermischen Spannung bei der Betriebstemperatur zu erzeugen. Solche Spannungsabfälle sind gleichwohl ausreichend, Minoritätsträger durch die Schicht zu treiben. Es ist wichtig, daß die Minoritätsträger sich nicht in dieser n"~-Widerstandsschicht ansammeln, da anderenfalls ihr Widerstand merklich erniedrigt würde. Da bei hohen Strömen eine Injektion durch die Emitterzone auftreten kann, mag es erwünscht eein, eine Zwischenschicht mit hohen Rekombinationswerten zwischen der n~"-WiderstandS8chicht und der n⁺- Emitterzone anzuordnen. Dies führt zur Ausschaltung der Injektion von Minoritätsträgern in die n~-Widerstandsschicht. An den Rändern der Widerstandsschicht, gegen die sich die Minoritätsträger bewegen, sind hohe Rekombinationswerte günstig, um Ballungseffekte zu vermindern.

Ein Weg zur Verwirklichung besteht darin, daß eine sehr dünne Schicht eines Metalles mit hohem Widerstand Im ohmschen Kontakt mit der n~-Widerstandsschicht als der n⁺- Schicht verwendet wird. Die Flächenleitfähigkeit einer sehr dünnen Schicht würde nicht so groß sein, wenn sie auch örtliche Bereiche der n~"-Widerstandsschicht überbrückt. Ein andersartiger Weg zur Erzielung der gleichen Wirkung besteht darin, daß die n~"-Widersti*ndsschicht aus einem Halbleitermaterial mit wesentlich größerer Bandlücke hergestellt wird, so daß die Injektion von Minoritateträgern in diese verhindert oder wesentlich vermindert ist.

In einer n""-Schicht aus Silizium ist die Jonisation der Störstellen bei Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur praktisch vollständig. Weiteres Anwachsen der Temperatur wird eine Verminderung der Beweglichkeit der Elektronen in der Schicht bewirken und ihr folglich einen positiven Temperaturkoeffizient des Widerstandes verleihen. Das in

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der Schicht vorhandene hohe elektrische Feld wird die Minorität sträger hinausschwemmen und einen der Entwicklung zur intrinsischen Leitfähigkeit zugeordneten negativen Widerstandskoeffizienten unterdrücken.

Selbst wenn eine derartige Schicht nicht einen poeitiven Widerstandskoeffizienten bei Raumtemperatur aufweist, so wird sie noch sehr günstige bei höheren Temperaturen auftretende Wirkungen aufweisen. Irgendeine Neigung des Stromes zur !Instabilität und Bündelung auf einen örtlichen Bereich wird nämlich einen starken Temperaturanstieg hervorrufen, was zu einem merklichen Anwachsen des Widerstandes dieser Schicht und im Ergebnis zur Stabilisierung und Verhinderung von unerwünschten Stromanstiegen führt.

Ist der Widerstand der Emitterzone hoch genug, um Spannungsabfälle von einem mehrfachen der thermischen SpannungkT/q. bei Betriebstemperatur zu erzeugen, dann wird ein negativer Widerstand in irgendeinem Bereich der in Figur 6 hergestellten Struktur größtenteils verhindert. Weitere Berechnungen nach den unten erörterten Grundsätzen ergeben folgende Bedingungen zum Ausschalten eines negativen Widerstandes mittels einer Silizium-Widerstandsschicht.

	10	Tabelle I	50	0	100	0.	200	0	300
(T - T8)0K	310		350	0	400	0.	500	0	600
T0K	37		77		127		227		327
T0G	0		,076	.148	261	.362
Ver=nrU	0	0.	,052	.072	073	.064
Va„(modifiziert)	0,

=0) 0 0.10 0.25 0.60 0.99

In der Tabelle I bedeutet T die Arbeitetemperatur der Halbleiteranordnung und die Temperatur T_g die Umgebungetempera-

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tür dee Transistors, welche durch die Temperatur der Wärmesenke gegeben ist. Somit bedeutet die erste Zeile der Tabelle den Temperaturanstieg, die zweite Zeile die Arbeitstemperatur der Emitterzone in ° Kelvin; in der dritten Zeile findet sich die entsprechende Temperatur in ° Celsius. Als Temperatur der Wärmesenke wird 300° K angenommen. Der Spannungsabfall V in Volt über die Widerstandsschicht des Emitters für eine einer Spannung von 0,5 Volt bei 300⁰G entsprechenden gleichförmigen Stromverteilung wird in der 4. Spalte angegeben-. Dieser Spannungsabfall hat einen zur Erniedrigung des positiven Temperaturkoeffizienten des Stromanstiegee für konstante Spannung am Basisanechluß ausreichenden Wert, so daß ein negativer Widerstand nicht auftritt. Bei der Berechnung dieses Spannungsabfalles ist das dem Temperaturanstieg von der Umgebungstemperatur auf Arbeitstemperatur zugeordnete Anwachsen des Widerstandes berücksichtigt worden. In der 5· Spalte werden als V (modifiziert) die Spannungsabfälle bei gleichem Strom wie in der 4. Spalte, jedoch bei niedrigerer Kollektorspannung und dem zufolge kleinerer und eine Verminderung' des Temperaturanstieges ergebende Verlustleistung, aufgeführt. Die Tabelle enthält ferner Vergleichswerte für erforderliche Spannungsabfälle V (¹^u_n= 0) ^tei Verwendung eines temperaturunabhängigen Widerstandes. Es ist ersichtlich, daß wesentlich größere Spannungsabfälle für einen derartigen Widerstand bei höheren Arbeitstemperaturen erforderlich sein würden.

Die erforderlichen Spannungsabfälle der obigen Tabelle für den Fall einer Widerstandsschicht aus η-leitendem Silizium sind verknüpft mit Bedingungen, bei denen die Kurven der Abhängigkeit der Kollektorspannung vom Kollektorstrom bei konstanter Spannung am Basisanschluß eine Steigung von Null aufweisen. In den Figuren 6,7 und θ werden drei derartige Kurvenscharen gezeigt. Die Figur 6 zeigt, wie oben erwähnt, Kurven einee auf einer Wärmesenke bei 300° aufgebauten

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Transistors ohne Serienwiderstand. Bei der Gestaltung der Kurven wurde angenommen, daß der Temperaturabfall an Silizium auftritt. Die Abhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von der Temperatur für Silizium wurde bei der Berechnung der Kurven berücksichtigt. Die mit dem Index η von 1,0 versehene Kurve entspricht einer Emitter-Basis-Spannung von 0,50 Volt, einem für einen Silizium-Transistor typischen Wert. Die anderen Basisepannungen sind solche, welche Ströme hervorrufen, die sich vom Bezugswert um Faktoren von 2 unterscheiden. Wie weiter unten im analytischen Teil erläutert wird, werden die Strom- und Spannungs-Einheiten in bestimmten, willkürlich angenommenen Bezugseinheiten ausgedrückt. Die Figur 7 stellt eine ähnliche Kennlinienschar für den Fall einer Widerstandsschicht mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von Null dar. Als Widerstandsschicht ist eine solche gewählt, daß an ihr ein Spannungsabfall von 0,025 Volt bei einem dem Bezugswert von I

(1) entsprechenden Strom anliegt, so daß der Einheitswert von V für η erhalten wird. Unter der Annahme, daß die metallische Kontaktelektrode zur Widerstandsschicht an Erde gelegt ist, beträgt in diesem Falle die an den Basisanschluß angelegte Spannung 0,525 Volt. Der zur Berechnung der Figur 7 angenommene Transistor gleicht in anderer Beziehung dem Transistor der Figur 6. Offensichtlich ist ohne Auftreten eines negativen Widerstandes ein weit höherer Temperaturanstieg für einen Transistor mit einer Emitter-Widerstands-Bchicht möglich. Bei Nichvorhandensein einer vYiderstandsschicht tritt offenbar im allgemeinen ein negativer Widerstand bei einem Temperaturanstieg von mehr als etwa 10 auf. Durch eine vYiderstandsschicht werden Temperaturanstiege von 300° C ohne Auftreten eines negativen Widerstandes ermöglicht. Bei diesen Temperaturanstiegen kann jedoch der Spannungsabfall über die rfiderstandsschicht ziemlich groß werden, da dieser Abfall gemäß Figur 7 um das Verhältnis des Stromes zum Vergleichsstrom größer als der Vergleichswert von 0,025 Volt ist.

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Die Figur 8 veranschaulicht den entsprechenden Zustand mit einer einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden, dem Abfall der Elektronenbeweglichkeit in η-leitendem Silizium entsprechenden, Emitter-Wlderetandsschicht. Anhand dieses Beispiels ist erkennbar, daß für größere als dem Wert von η =0,25 entsprechende Baeisspannungen kein Maximum in der Spannung-Strom-Kurve auftritt und sich demzufolge keine thermische !Instabilität entwickeln kann.

Es wäre für den Fall eines temperaturunabhängigen Widerstandes gemäß Figur 7 zu bemerken, wenn ein großflächiger Transistor vorhanden ist oder zwei ähnliche und auf konstanter Spannung gehaltene Transistoren parallel geschaltet sind, daß für einige Werte der Basisspannung einer von ihnen Strom im negativen Bereich und der andere im positiven Bereich führen kann. Ein ähnlicher Zuetand wird nicht bei einem Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten verwirklichbar sein, wenigstens für Spannungen unterhalb des Wertes von V/Vs =0,77 Volt (V = angelegte Spannung} V_a = Bezugewert) der Figur. Als Beispiel einer sich auf Grund einer Widerstandsschicht mit poeitiven Temperaturkoeffizienten ergebenden vorteilhaften Wirkung betrachten wir den sich bei einem Temperaturanstieg von etwa 100°0 ergebenden Zustand. In diesem Falle entspricht der Minimalstrom, bei dem eine sichere Arbeitsweise gewährleistet sein würde, dem Wert von χ = 17 in Figur 7. Bei zwei parallel arbeitenden Transistoren kann in diesem Falle keiner der beiden in den Zustand eines negativen Widerstandes gelangen, falls der Strom nicht etwa 50 i» anwächst, was als Sicherheit sspielraum der Aussteuerbarkeit angenommen wird. Bei 17 Stromeinheiten wird in diesem Falle der Spannungsabfall 0,425 Volt betragen, da er 17 mal größer als die Spannung 25 Millivolt beim Vergleichsstrom χ = 1,0 sein wird. Für den Fall eines Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten ergäbe sich ein entsprechender Strom bei sicherer

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Arbeitsweise für χ = 3,3, was einer der Kurve bei n_e = 0,25 entsprechenden Basisspannung entspricht, bei der kein negativer Widerstand auftritt. Für diesen Strom bei χ = 5,8 wird der Spannungsabfall 0,025 x 3,8 χ 2,24 betragen. Der letzte Faktor 2,24 beschreibt das Anwachsen des Widerstandes aus Silizium bei einer Temperaturzunähme von 300° K auf etwa 413° K. Dieser Spannungsabfall hat einen Betrag von 0,286 Volt, welcher offensichtlich wesentlich kleiner iet als der Spannungsabfall im Falle eines temperaturunabhängigen Widerstandes. Daraus folgt, daß Stromzunahmen im Falle eines temperaturabhängigen Widerstandes durch kleinere Änderungen der Basisspannung erzielt werden können als es bei einem temperaturunabhängigen Widerstand der Fall ist. In der Tat wird ein zusätzlicher Beitrag zur Baeiespannung bei Verdoppelung des obengenannten Sicherheitswertes des Stromes bei χ = 17 und χ = 3,8 (mit Spannungsabfallen über die Widerstandsschicht von 0,425 bzw. 0,286) erforderlich, um den zusätzlichen Spannungsabfall über die Widerstandsschicht von 0,425 und 0,286 Volt zu überwinden, falls der Transistor auf konstantem Leistungsniveau und bei konstanter Temperatur durch Halbieren der Spannung gehalten wird. Diee zeigt, daß gegenüber einem Transistor mit einer temperaturunabhängigen Widerstandsschicht die größere Leistungsverstärkung mittels eines, mit einer Widerstandsschicht mit positiven Temperaturkoeffizienten versehenen Transistors erhalten werden kann·

Die genannten und weitere Merkmale der Erfindung sollen im folgenden anhand einer kurzen rechnerischen Behandlung noch besser verständlich gemacht werden. Eine sehr bedeutende, die Stabilität und das Auftreten eines negativen Widerstandes bei großflächigen Transistoren bestimmende Größe ist die partielle Ableitung des Logarithmus des Stromes nach dem Logarithmus der Temperatur bei konstanter Basisspannung, wobei angenommen wird, daß die Größe der Kollektorspannung zum Erzeugen eines aneehnlichen Stromes groß genug und der Emitter geerdet ist. Diese Ableitung ist gegeben durch

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(1) a₀ « d In I/d In T

Wird der Traneistor mit einer Wärmesenke verbunden und befindet er eich im stationären Zustand der Leistungsabführung, dann muß die Eingangsleistung, Spannung V mal Strom I, gleich sein dea Wärmefluß zur Wärmesenke. Wird der Wärmefluß zur Wärmesenke mit H (T) bezeichnet, dann fordert die Bedingung eines stationären Zustandes

(2) IV « H(T)
Eine weitere Umformung führt auf

(3a) 2) In V/a In I = -1 + (d In H/d In T)/a_Q

Daraus ist ersichtlich, daß ein negativer differenzieller Widerstand dann auftreten wird, wenn der zweite Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung nicht größer als 1 ist, so daß

(3b) a_o(d In T/d In H)< 1

Die Grenzbedingung für einen negativen Widerstand hängt von der Gesetzmäßigkeit des Wärmeflusses ab. Wird angenommen j daß die Wärmeleitung unabhängig von der Temperatur ist, dann kann

(4) H(T) = h(T ) · (T - T)

geschrieben werden, wobei T die Temperatur der Wärmesenke und h(T ) die thermische Leitfähigkeit vom aktiven Teil des Transistors zur Wärmesenke (gemessen in Watt pro K) bedeutet. Diese Annahme für den Wärmefluß führt auf

(5) d In H/d In T = T/(T - T₀)

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und in Gleichung (3b) eingesetzt auf die Stabilitätsbedingung

(6) a_Q(T - I_B)/T < 1

Ist der thermische Widerstand, an dem der Temperaturabfall zur Wärmesenke auftritt, größtenteils durch Silizium gegeben, dann sollte berücksichtigt werden, daß die thermische Leitfähigkeit von Silizium sich umgekehrt proportional zur absoluten Temperatur mit einem ausreichenden Annäherungsgrad über einen für die meisten Effekte bei Silizium-Transistoren in Präge kommenden Bereich ändert. Dazu wird beispielsweise auf den Artikel von R. G. Morris und Jerome G. Hust in Phys. Rev. 124, 1426 (1961) verwiesen. Von 300° K bis 700° K kann die thermische Leitfähigkeit durch 330/T (v/att/cm⁰ K) angenähert werden. Für diese Gesetzmäßigkeit der thermischen Leitfähigkeit kann gezeigt werden, daß

(7) H(T) = h(T_s) T_B In (T/T_s), so daß die Stabilitätsbedxngung

(8) a₀ In (T/T_s) < 1 wird.

Um diese Formeln auf einen vorliegenden Transistor anzuwenden, müssen rferte für die Größe a beschafft werden. Dieses kann leicht erreicht werden mit Hilfe von Formelausdrücken guter Näherungen für die Gesetzmäßigkeit des Stromflusses durch die Basiszone. Für die meisten praktischen Anwendungen kann Emitter- und Kollektor-Strom bei großer Leistung im wesentlichen als gleichgroß ange-

nommen werden.

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Die Stromdichte kann in der Form

(9) I/A = (α²η_± ²ΰ_η/ς) exp q(V_fc-V_e)/kT

geschrieben werden. Diese Gleichung kann leicht aus den Gleichungen 9 und 13 in "Transistor Technology" Band 2, D. Van Nostrand, 1958 auf Seite 395 abgeleitet werden, wobei Q die G-esamtladung pro Flächeneinheit der Ma^oritätsträger in der Basiszone, I der Gesamtstrom, A die Fläche, q die Elektronenladung, n^ die Eigenleistungskonzentration, D die Diffusionskonetante der Elektronen in der Basiszone, V, die. Basisspannung und V₀ die Emitterspannung bedeutet. Das hier genannte Beispiel betrifft einen npn-Transistor, der sich durch einfache Abänderungen aus dem pnp-Transistor der Literaturetelle ergibt. Für den Betrieb eines Silizium-Fläohen-Transistors ist eine Emittervorspannung von 0,50 Volt charakteristisch. Diese entspricht einem Wert von 20 für das Argument des Exponentialausdruckes in Gleichung (9). Für konstante Emitter-Basie-Spannung kann die Ableitung des logarithmus des Stromes nach dem Logarithmus der Temperatur leicht als

(10) a„ =

ermittelt werden, wobei V der tatsächliche Wert der Bandlacke ist, wie er in den Ausdruck für die Konzentration der Eigenleitung n_i eingeht. Ferner ist n™ die Potenz, mit der die absolute Temperatur angehoben werden müßte, um dem Ausdruck n. D in Gleichung (9) die genaue Temperaturabhängigkeit zu verleihen, wenn V für die Energie der Bandlücke Verwendung findet. Nach i£. M. Gonwell, Proc. IRE 1281 (1958) wurde beispielsweise für das in Frage kommende Silizium für η_φ ein Wert von 1,5 und für V ein Wert von 1,21 Volt gefunden. Für eine Spannung von 0,5 Volt am Jimitterübergang ergeben diese werte für a gemäß Gleichung

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(10) etwa 30. Die vorhergehende Rechnung führt direkt zu dem Ergebnis, daß a_Q eine Punktion sowohl der Stromdichte (über die Abhängigkeit VV - V von der Stromdichte) als auch der Temperatur ist. Man erhält

(11) a_o(l», T·) = a_o(I_f> T) + In (I/l·) + n_T In (I'/D

I und T entsprechen a = 30 und I' und T' sind von I und T abweichende Werte des Stromes und der Temperatur. Daraue ist ersichtlich, daß Änderungen der absoluten Temperatur um den Paktor 2 Änderungen von a von weniger als 10 # bewirken und Änderungen des Stromes um den Paktor 10 den Wert von a um etwa 8 i» verändern» Pur die meisten praktischen Anwendungen kann a .für Silizium als konstanter Wert von 30 angenommen werden. Pur andere Halbleitermaterialien bei Bedingungen nahezu gleicher Stromdichten wird der Wert von a davon nicht stark abweichen.

Anhand eines Vergleiches der Ergebnisse von Gleichung (10) mit Gleichung (6) oder (8) wird leicht erkennbar, daß der maximale Temperaturanstieg über die Umgebungstemperatur vor dem Auftreten eines negativen Widerstandes etwa 10° 0 beträgt.

Den Strom-Spannungs-Kurven der oben beschriebenen Figuren 6, 7 und 8 liegt ein Bezugswert der Emitter-Basie-Spannung von 0,50 Volt bei einer Umgebungstemperatur von T_e « 300° K oder 27 0 zugrunde. Sie beruhen ferner auf dem Wärmeleitungsgesetz der Gleichung (7)·

Um die Steigung der Kurven zu berechnen, muß in Gleichung (9) die Emitterspannung über die Beziehung

(12) V_e = R(T)I « n_rkT/q

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eingeführt werden, wobei A(T) der effektive Widerstand der Emitter-Widerstandsschicht bei betriebsmäßigen Strombedingungen bedeutet. Zu Dimensionierungszwecken kann der interessierende Wert von H(T) wie folt erhalten werden: Ermittlung der Stromverteilung und Abschätzung von V_ an der Stelle, an der die Emitter-Basis-Spannung in Flußrichtung den größten Wert aufweist und Division dieser Spannung durch den Gesamtstrom I, wobei Stromballungseffekte zugelassen sind. Durch Einsetzen der so ermittelten Beziehung (12) in den Stromausdruck der Gleichung (9) und Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes R wird gefunden, daß durch Ableitung des Logarithmus des Stromes nach dem Logarithmus der Temperatur bei konstant gehaltener Spannung an der Widerstandsschicht zwischen Basieanschluß und Kontaktelektrode der Wert a.

ο in einen neuen Wert a_or überführt wird. Dieser ist gege ben durch

(13) a_or « a₀ -(2-Cn₁Za₀) d In R/d In τ] /(1+n_r)

_or « a₀

Dabei ist η die Anzahl der Einheiten des thermischen Spannungeabfalles über die Widerstandsschicht unter Betriebsbedingungen. Offensichtlich kann dieser Wert von a_tf wesentlich kleiner sein als a , mit dem Ergebnis, daß die statthaften Temperaturanstiege gemäß Gleichungen (6) oder (7) entsprechend größer sein können, für eine aus nleitendem Silizium bestehenden Widerstandsschicht, die in einem durch die Beweglichkeit der Elektronen bestimmten Widerstandsbereich betrieben wird, kann leicht unter Verwendung von Literaturangaben (vgl. die genannte Arbeit von Conwell) die Beziehung

(H) d In R/d In T = -d ln/i_Q/d In T = ^_n = 2,5

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gefunden weraen, wobei ^u die Beweglichkeit und die Größe Ωμ der Exponent der Temperatur in der Beziehung für die Beweglichkeit bedeutet.

Durch Vergleich der G-leichung (13) mit Gleichung (8) und Verwendung der Werte von 30 und 2,5 für die Gleichungen (10) und (14) wird ohne weiteres die Berechnung der einer stabilen Grenzbedingung entsprechenden »/erte von η und V möglich. Diese werden in Tabelle I angegeben.

Die Strom-Spannungs-Kurven der Figuren 7 und 8 entsprechen einem Widerstand, der bei der Umgebungstemperatur von T " = 300° K einen Spannungsabfall von k T /q = U = 0,025 Volt bei einer Spannung von 0,5 Volt am Emitter-Basis-Übergang hervorruft. Die übrigen Kurven der Figuren 7 und 8 entsprechen Basisspannungen von

(15) ^vb⁽ⁿs^{) =} °'^{50 +} °»^{025 (n}s ^{+ ln n}s^}

Das zweite Glied dieser Gleichung verursacht je Vergleichsstromeinheit einen Spannungsabfall plus einem zusätzlichen thermischen Spannungsabfall über den Emitter-Basis-Übergang selbst und zwar immer derartig, daß die Stromdichte um den Faktor e gemäß Gleichung (9) angehoben wird. Selbstverständlich fällt bei der Figur 6 das Glied in η der Gleichung (15) fort.

Ein Einsetzen der Basisspannung der Gleichung (15) in die Gleichung (9) führt auf die Abhängigkeit des Stromes von der Temperatur für jeden durch η gekennzeichneten *Yert der Basisspannung. Die Abhängigkeit der Kollektorspannung vom Kollektorstrom und der Basisspannung wird durch Einsetzen der durch die Gleichung (2) gegebenen Beziehung für die Leistungsabführung erhalten. In Verbindung mit diesen Berechnungen ist es zweckmäßig, drei Bezugsgrößen für Strom,

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Leistung und Spannung einzuführen*

(16) I_B(1) = kT_o/q. H(T)

(17) P₈ = h(T_e) T₈

de) V₈ = P

Darin bedeutet I„(1) der bei einer Spannung von 0,50 Volt

am Emitter-Basie-Übergang und der Temperatur T₀ fließende Strom. «Tie in den Figuren festgelegt, bedeutet H(T₀) « H der Widerstand, an dem der thermische Spannungsabfall bei diesem Strom anliegt. Fließt I (1) bei der Temperatur T . so nimmt die Kmitter-Baeie-Spannung einen solchen Wert an, daß a_Q den Wert 30 gemäß Gleichung (10 sich auf alle drei Figuren 6, 7 und 8.

daß a_Q den Wert 30 gemäß Gleichung (10) hat. Das bezieht

Die Strom-, Spannungs- und Temperatur-Veränderlichen, bzw. s, y und t der Figuren, ergeben sich in Einheiten des Stromes, der Spannung und der Umgebungstemperatur wie folgt:

(19) I = xI_B(1)

(20) V = yV₈

(21) T= T_Q exp t

Damit wird aus der LeietungBbeziehung der Gleichung (2)

(22) xy = t

Unter Verwendung der Gleichung (9) zur Berechnung der Stromverhältniese und Berücksichtigung der Gleichungen (14) und (15) wird für die Figuren 7 und 8

(23) In ι = n_T t + (a₀ - n_T) e"*+ 6""¹^n₈ + In n_ß)

- χ exp (n^ - 1) t

gefunden, während die Beziehung für den Fall ohne Wider-

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standsschicht

(24) In χ = n_T t + (a₀ - η_τ) β"** + e"* In n_ß

lautet. Die KennlinienBcharen der Figuren 6, 7 und 8 werden durch einfache numerische Berechnungen aus den Gleichungen (22), (23) und (24) ermittelt»

Im allgemeinen gestatten Materialien, aus denen der Transistor gefertigt ist, Temperaturanstiege von etwa 25 $> biß 30 i» oder mehr der absoluten Umgebungstemperatur T . Zur Zeit können jedoch keine Transistoren parallel in solchen Bereichen ohne relativ große Serienwiderstände arbeiten, wie in Verbindung mit der vorstehenden Tabelle I untersucht wurde.

Zum stabilen Betrieb bei einem t = 0,16 in Figuren 7 und 8 entsprechenden Temperaturanstieg von 18 # muß offenbar für betriebssicheren Parallelbetrieb und ^_n = 0 der maximal zulässige Wert y_M von y kleiner als 0,04 sein, während sich für Ji_11n = 2,5 ein Wert von y_M = 0,076 ergibt. Daraus folgt» daß der Emitter-Widerstand für rju_n = 2,5 im innigen thermischen Kontakt mit dem Emitteriibergang einen Betrieb bis zur Maximalspannung von

(25) V_M = 0,076 V₈ = 0,076 P_sR_ß/U_a für A^_n = 2,5 gegen

(26) V_M = 0,04 V₈ = 0,04 ?_B*_B/V_B für A^_n - 0

erlaubt. Somit wird eine Verbesserung von V₁₄ von Werten unterhalb 0,05 Ρ_βΗ_β/υ_β auf wesentlich höhere Werte durch

DO O

Verbinden des Transistors mit einem einen positiven Widerstandskoeffizienten aufweisenden Widerstand in Serie mit dem Emitterstrom und im innigen thermischen Kontakt mit dem Emitterübergang erzielt. Ein beiläufiges Ergebnis die-

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ser Berechnung besteht darin, daß der Spannungsabfall über die Wideretandsschicht nach Figur 7 bei vorgegebener Spannung und Leistung (und damit bei vorgegebenem Strom) im Verhältnis 0,076 / 0,04 größer und die Leistung entsprechend niedriger sein wird.

Für den Fall jqu_n = 0 lehrt die Figur 7, daß der Temperaturanstieg für den Fall V = 0,04 V unterhalb t = 0,16 beschränkt werden muß, was eine Begrenzung der maximalen Leistung auf Werte unterhalb

(27) P_M = |"p_st oder P_B(e^t - 1 )J = [o,16 P₈ oder 0,174

je nach der Gesetzmäßigkeit der Wärmeleitung erfordert. Überschreitet P_M den Wert 0,2 P_Q, dann wird der Transistor

Sa. B

mit rjm = 0 einen negativen Widerstand aufweisen, so daß ein parallelarbeitendes Paar unstabil werden wird und ein ungehemmtes Anwachsen des Stromes auftritt. Bei O_11n = 2,5 ist jedoch die Temperaturgrenze für V kleiner als 0,076 V nicht durch Effekte eines negativen Widerstandes

gegeben· Sie wird vielmehr von den Materialien selbst , als Folge des Aufeehmelzens der Eutektika, von Lötmitteln oder als Folge anderer thermischer Zerstörungen, gesetzt.

Ein gleichzeitiger Betrieb mit einer Emitter-Kollektor-Spannung V₁₁ größer als 0,05 V_a und einem Leistungsabfluß P größer als 0,16 P wird folglich¹⁰die Zufügung eines einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden Emitterwiderstandes im unmittelbaren thermischen Kontakt mit dem Emitter-Übergang ermöglicht. Da V_Q über die Gleichungen (16), (17) und (18) durch Ausdrücke in P_o und R dargestellt werden kann, ermöglicht die durch einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten gegebene Verbesserung einen Betrieb in dem Bereich

(28) V_M > 0,05 V₈ = 0,05 P_ßR_s/^Us ⁼ °»°⁵ V

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(29) P_M > P_s/6

In vielen Fällen können Transistoren auf einen Grundkörper aufgebaut werden, was eine hohe thermische Leitung zwischen den Transistoren im Vergleich zur thermischen Leitung zur Wärmesenke ergibt. In einem derartigen Fall kann eine zum ungehemmten Anwachsen des Stromes führende !Instabilität über die gegenseitige Wärmeleitung zwischen den Transistoren beeinflußt werden. Bei zwei Transistoren 38 und 39 in einer Anordnung gemäß Figur 9 kann eine effektive Wärmeleitung wie folgt definiert werden: Läßt man die Leistung in einem Transistor um 1 io ansteigen und im anderen um 1 $ abfallen und bezeichnet man den Temperaturanstieg in einem Tran-Bistor durch T_{n n1} , dann wird die effektive Wärmeleitung durch

(30) h· = 0,01 P/0?_o>o1

definiert, wobei mit P die abgefünrte Verlustleistung des Transistors bezeichnet wird. Das Verhältnis dieser Wärmeleitung zu P/(T - T) wird der wechselseitige Wärmeleitungsfaktor genannt. Da Störungen von 1 i* im allgemeinen lineare Störungen des Wärmeflusses bewirken, kann die effektive Wärmeleitung in ähnlicher auf die Gleichungen (4), (5) und (6) führende Weise zu einer Berechnung verwendet werden. Die gefundene Stabilitätsbedingung lautet

(3D a₀P/T h· < 1

und entspricht einem durch

(32) PA(T₈) < ThVH(T₈)J T/a₀

gegebenen Temperaturanstieg oberhalb der Temperatur der Wärmesenke. Dabei wird angenommen, daß die Verlustleistung 2 P beider Transistoren zur Wärmesenke über einen thermi-Bchen Leitwert von 2h(T_s ) fließt.

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Für einen Silizium-Transistor ist T/a_Q = 10° C, wie unterhalb Gleichung (11) erwähnt wird. Ist der wechselseitige Wärmeleistungsfaktor h^f/k(l·) viel größer als 1. dann sind Temperaturanstiege von größer alB 10 0 oberhalb der Temperatur der Wärmesenke möglich.

Die Stabilitätsbedingung kann auch in der Form (55) P/h¹ < T/a₀

geschrieben werden. Bei Silizium-Transistoren sollte deshalb der der in einem Transistor entstehenden und über den wechselseitigen Wärmeleitwert fließenden Verlustleistung entsprechende Temperaturanstieg weniger als T/a sein. Durch Verminderung von a auf a bei Vorhandensein einer Emitter-Widerstandsschicht können wesentlich größere Werte als T/a für P/h' erhalten werden.

In einer der Behandlungsweise einer ausgedehnten Transietorstruktur ähnelnden Weise können ausgedehnte Gruppen parallelgeschalteter Transistoren behandelt werden.

Bei einer ausgedehnten Transistoretruktur ähnlich der Figur 10 haben natürliche Störungen ein Anwachsen der Temperatur und des Stromes in einem Bereich des Bauelementes und eine Verminderung in anderen Bereichen zur Folge. Unter diesen Bedingungen wird ein Wärmefluß zwischen dem heißen und dem kalten Bereich auftreten. Daraus folgt, daß die der Stabilitätsbedingung ähnlich Gleichung (5b) entsprechende Wärmeleitung größer ist als der Wärmefluß zur Umgebung oder Wärmesenke. Im Ergebnis sollte die Gleichung (5b) zu

(54) a_o (d In l/d In H) = wechselseitiger Wärmeleitung β faktor

abgewandelt werden, worin der gegenseitige Wärmeleitungs-

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faktor wie folgt definiert werden kanni Ee wird die Situation betrachtet, bei der die elektrische Leistung über die gesamte Anordnung um 1 i<> zunimmt. Das wird ein Anwachsen der Temperatur, wie anhand der Zunahme der Wärmeleitungsgleichung (5) oder (7) der Wärmeleitungstheorie berechnet werden kann, bewirken. Dann wird die innere Unstabilität von der Art einer Störung angenommen, bei der die thermische Ableitung in einem Teil des Elementes um 1 # ansteigt und in einem anderen Teil um 1 # absinkt. Unter Bedingungen eines auf konstantem Strom gehaltenen Transistors werden diese Anstiege derartig erfolgen, daß der Gesamtstrom konstant bleibt. Ferner wird sich die Spannung bei linearer Störung, welche beim Einsetzen der Unstabilität auftritt, nicht ändern. Infolgedessen bleibt die Gesamtleistung konstant, und ein Teil der Störung bedeutet ein zusätzliches Hineinfließen und der andere Teil ein Hinausfließen der Leistung. In grober Näherung kann der Bereich anwachsender Leistung als Bereich mit etwa 1/3 der Gesamtleistung aufgefasst werden. Er weist den stärksten Temperaturanstieg auf, während die Wärmesenke ebenfalls als Bereich mit einem Drittel der Gesamtleistung und dem niedrigsten Temperaturanstieg aufgefasst werden kann. Nun wird eine Störung von 1 % Leistungezunähme in dem heißesten Drittel und ein Abfall von 1 % im Drittel niedrigster Temperatur angenommen. Diese Änderung von 1 # wird eine Temperaturänderung hervorrufen, welche kleiner sein wird als eine gleichförmige 1$ige über das gesamte Element. Das Verhältnis dieser beiden Änderungen ist der wechselseitige Wärmeleitungsfaktor, der wesentlich größer als 1 sein kann. Für die spezielle Geometrie der Figur 10 kann ein wechselseitiger v/ärmeleitungsfaktor von etwa

(35) = OTy/X) coth flfx/X)

erwartet werden, wobei Y und X in Figur 10 definierte Größen sind.

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Weist ein Transistor eine höhere innere thermische Leitfähigkeit verglichen mit der Leitfähigkeit zu seiner Wärmesenke auf, dann werden Temperaturanstiege weit größer als 10° ohne Einsetzen von inneren UnStabilitäten, wie im Zusammenhang mit den Gleichungen (6) und (8) diskutiert wurde, möglich sein.

Verursacht eine von außen zugeführte Änderung von 1 # der Leistung eine Temperaturänderung T ... in dem heißeren Bereich, dann wird diese Temperaturänderung das Anwachsen um einen Bruchteil des Stromes und damit der örtlichen Leistungsdichte um a T _Οι/Τ hervorrufen, wenn die Spannung konstant bleibt. Ist diese Änderung größer als 1 $ = 0,01, dann wird im allgemeinen eine !Instabilität auftreten, da eine spontane Stromschwankung einen Temperaturanstieg hervorrufen kann, der wiederum einen noch größeren Stromanstieg mit daraus folgendem Anwachsen der Schwankung verursachen kann. Da a_Q/T für einen Silizium-Transistor ungefähr 10" /° G ist, muß offenbar T_{Q q1} kleiner als 0,1° C sein, damit a_QT_{o q1}/T kleiner alB 0,01 ist. Das setzt den durch die betrachteten Störungen erzeugten Temperaturanstiegen eine angenäherte obere Grenze, und Temperaturanstiege von 0,15° C können nicht gefahrlos auftreten, wenn a_Q nicht durch Anfügung einer Emitter-.WiderstandBSchicht erniedrigt wird.

Somit wird deutlich, daß die Erniedrigung von a mittels einer Emitter-Widerstandsschicht, insbesondere einer mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, eine entsprechende Zunahme des Temperaturanstieges bei Strukturen mit großen wechselseitigen Wäriaeleitungsfaktoren ebenso ermöglicht, wie es bei einzelnen Transistoren der Pail ist.

Obige Betrachtungen sind nicht nur auf Transistoren, sondern auch auf andere Anordnungen mit Übergängen, beispielsweise einfache Zweischicht-Dioden, Vierschicht-Dioclen und gesteuerte Gleichrichter, anwendbar.

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Es sollte beachtet werden, daß der anwachsende thermische Widerstand von Silizium bei höheren Temperaturen eine ungünstige Wirkung hat, da das Auftreten von negativen Widerständen zunehmend erleichtert wird. Wenn dagegen der grüßte Temperaturabfall im Metall mit einer im wesentlichen temperaturunabhängigen thermischen Leitfähigkeit auftritt, dann werden die Kurven der Figuren 6, 7 und 8 durch Vergrößern sämtlicher Leistungswerte bei vorgegebener Temperatur und Strom geändert. Da diese Änderung bei höheren Temperaturen größer ist, wird eine hauptsächlich durch Metall und weniger durch Silizium erfolgende Wärmeleitung den y-x-Kurven, insbesondere im Bereich kleiner negativer Neigungen, einen zusätzlichen Anstieg verleihen. Deshalb werden optimal metallische Leitungspfade die Stabilisation gegen thermische !Instabilitäten verbessern und höhere Arbeitetemperaturen erlauben. Darüber hinaus kann die größere thermische Leitfähigkeit der Metalle unmittelbar einer größeren Leistungskapazität bei einem vorgegebenen Temperaturanstieg förderlich seine Metallische Wärmeleitung unmittelbar an der Emitterzone wird ebenfalls die Leistungskapazität erhöhen.

Wird eine Flächendiode oder ein Leistungsgleichrichter in Flußrichtung betrieben, so hängt der Strom von Spannung und Temperatur in annähernd gleicher Weise wie der Emitter-Strom von Temperatur und Emitter-Basis-Spannung ab. Folglich besteht die Möglichkeit eines der Thermistor-Wirkungsweise entsprechenden negativen Widerstandes. Die Erscheinung eines ungehemmten Anwachsen des Stromes kann in annähernd der gleichen Weise auftreten.

Für einen Leistungs-G-leichrichter ist von Bedeutung, den Spannungsabfall über das Element so klein wie möglich zu halten. Deshalb können Spannungsabfälle, welche durchaus annehmbar zur Erzielung einer sehr zuverlässigen Stabilisierung eines Leistungs-Transistors sein würden, bei einem

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Gleichrichter eine Verdopplung der Verlustleistung hervorrufen. Deshalb ist die Anwendung solcher physikalischer Prinzipien wünschenswert, die wohl bei Leistungs-Traneietoren vorteilhaft, jedoch möglicherweise tatsächlich dort nicht notwendig ist.

Bei Leistungs-Gleichrichtern besteht eines der wichtigsten Probleme darin, daß der Gleichrichter zerstört werden kann, wenn der Strom ungehemmt ansteigt und sich ein "Brennflecken" ausbildet. Wie oben bereits erwähnt, ist eine flächenförmige Emitter-Widerstandsechicht bei einem Leistungs-Transistor zur Verminderung von Effekten einer ungehemmten Stromzunahme äußeret wirksam und kann solches unter Umständen eines relativ kleinen Spannungsabfalleβ über die Widerstandsschicht bewirken. Bei einem Leistungs-Gleichrichter sollte diese WiderstandBschicht in Serie mit dem gleichrichtenden Übergang liegen. Die Figur 11 veranschaulicht eine Möglichkeit, wie eine derartige Struktur verwirklicht werden kann. Dem gleichrichtenden Bereich des Bauelementes entspricht die mit den Bezugszeichen 41, 42 und 43 bezeichnete n⁺-i-p⁺-Struktur. Auf der linken Seite des Bauelementes der Figur befindet sich ein flächenförmiger Widerstand in Form einer »Viderstandsschicht. Diese liegt in der Form einer n-Schicht 46 zwischen zwei n⁺-Kontaktelektroden 44 und 45 vor. Der flächenförmige Widerstand und gleichrichtende Bereiche sind durch eine dünne Metallschicht 47 voneinander getrennt, mittels der eine Injektion von Löchern aus dem gleichrichtenden Bereich in die WiderstandsBchicht verhindert werden soll, was die Leitfähigkeit dieser Schicht in unerwünschter rfeise beeinflussen könnte. Die Metallschicht kann wahlweise durch eine Zone mit extrem niedriger Lebensdauer der Löcher und sehr hoher Konzentration an Donatoren ersetzt werden, um eine Löcherinjektion in die Schicht zu verhindern. Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß die (n⁺)-(n~)-(n⁺)-Wideretandeschicht aus einem Material mit viel größerer

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Bandlücke als dasjenige des gleichrichtenden Bereiches hergestellt wird, so daß in ihr, wie oben beschrieben, die Löcherdichte auf Grund des Massenwirkungsgesetzes kleiner sein wird.

Für eine sehr dünne, hochohmige Widerstandsschicht der Figur 11 kann offensichtlich ein Spannungsabfall von 0,1 Volt elektrische Felder von mehreren tausend Volt pro Zentimeter hervorrufen. Ist beispielsweise die η-Schicht ein Mikron dick, so wird eine Spannung von 1 Volt ein Feld von 10 Volt pro Zentimetern hervorrufen. Bei einer derartig hohen Feldstärke ergibt sich ein weiterer Vorteil dadurch, daß die Trägerbeweglichkeit in der Schicht auf (irund des sogenannten "Heiß-Träger-Effektes" (hot carrier effect) vermindert" werden kann. Diese Effekte sind beispielsweise von E. J» Ryder, Phys. Rev. 9.01 767, (1953) und W. Shookley, Bell Syst. Tech. J. 3_0_, 990 (1951) behandelt worden. Ähnliche Effekte treten in anderen Materialien auf und es ist nicht notwendig, daß die Widerstandsschicht aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der gleichrichtende Übergang in Figur 11 hergestellt wird.

Offensichtlich wird die Widerstandsschicht mit wachsender Stromdichte die Spannung am gleichrichtenden Bereich vermindern. Wenn beispielsweise ein 30-faches Anwachsen der Stromdichte erforderlich ist, um eine Beschädigung an der Halbleiteranordnung hervorzurufen, dann wird offensichtlich ein Spannungsabfall bei normaler Stromdichte von weniger als 10 Millivolt ausreichen, um vor Erreichen einer Schädigung Spannungsabfälle von einigen Zenteln Volt über die Widerstandsschicht hervorzurufen. Derartige Spannungsabfälle werden den Temperaturanstieg beherrschen und ein Ansteigen auf unerwünschte Ströme verhindern.

Diese Betrachtungen zeigen, daß Schutz gegen örtliche "Brennflecken" bei Leistungstransistoren durch Zufügung von ge-

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eigneten Widerstandsscliichten erreicht werden kann, während das Anwachsen der Verlustleistung im Normalbetrieb wesentlich geringer als 10 i* ist. In Übereinstimmung mit obigen Erwägungen kann offensichtlich ein Leistungs-Gleichrichter mit Hilfe einer Emitter-Widerstandsschicht hergestellt werden, bei dem ein 1#iges Anwachsen oder Abfallen der Stromversorgung in den am meisten auseinanderliegenden beiden Dritteln der Fläche Temperaturdifferenzen von wesentlich größer als 0,1 C hervorgerufen werden können, ohne daß seitliche !Instabilitäten auftreten.

Ähnliche Schwierigkeiten im Hinblick auf eine Thermistor-Wirkung und eines ungehemmten Stromanstieges wurden bei Vierschicht-Dioden gefunden. Es ist bekannt, daß diese
Elemente durch sehr hohe Ströme zerstört werden können.
Diese hohen Ströme bewirken örtliches Ausbrennen. Es ist ebenfalls bekannt, daß die Haltespannung der Diode mit
anwachsender Temperatur abfällt und auch die Spannung
bei höheren Strömen mit ansteigender Temperatur abfällt.

Selbstverständlich werden ähnliche Erwägungen zur Anwendung schützender Widerstandssehichten bei derartigen Elementen führen.

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Claims (1)

1. - 34 - Fl 194

   I i H J A I S 1· a ο ϋ Η £

   1. lhermlsch stabilisierte Halbleiteranordnung alt einer --■' äußeren Zone des einen Leitf'ihigkeitstyps und daran angrenzender Zone von entgegengesetztes Leitfähigkeitetyp, «eiche einen groui'l eiligen pn-übergang bilden, dadurch gekennzeichnet, daü auf der äußeren Zone im thermisch gut leitenden Kontakt ein alderetund oder eine .«lderetftndeechicht und darüber im ohaechen Kontakt eine flachenformige und niederohbiige Kontaktelektrode angeordnet ist.

   2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü die äußere Zone als .Emitterzone ausgebildet ist·

   3· Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daü der widerstand oder die äiderstandeachicht aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten de^ .Tiderctandes besteht·

   4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3t dadurch gekennselehnet, daü der positiv« temperaturkoeffizient des Jiderstandes grö-8er als 1,0/-i ist, wobei T die Temperatur dee Widerrtandes bsw. der Widerstandsschicht bedeutet«

   3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flüchenffrrmige kontaktelektrode aus Metall besteht.

   6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2« dadurch gekennse lehnet, dafcS die »viderstandsschicht aue Halbleitermaterial besteht.

   7· iialbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch, gekennfeelohnet, Mittel aur Järniedrigung einer Minoritäteninjektion in

   809902/0929 bad original

   die Wideretundsschicht aus Halbleitermaterial vorgesehen sind· *

   8· Halbleiteranordnung nach Anspruch 6_t dadurch gekennseichnet, dafi die flderstandeschlcht aus Halbleiter-Material an der niedrlgohmigen Kontaktelektrode eine hohe Verunrelnigungskonisentration aufweint.

   9· Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennselchnet, daß die Wlaeratandaschlcht auB Silizium besteht.

   10· Halbleiteranordnung nach Anepruch 2, dadurch gekennsscioh net» daß der Wideretaod der Widerttandsschlcht quer bub f pn-übergang derartig verändert ist, daß die Spannung sjs pn-übergang über seine, flächenauedehnung im wesentlichen konstant let·

   ^Halbleiteranordnung nach Anepruch 2» dadurch gekennzeichnet, dall der *ider et and der liderstandeechicht quer stm pn-übergang derartig verändert ist, daß die Te»p%rutur aa pn-übergang Über seine flächenausdehnung in wesentlichen konstant 1st·

   12· Halbleiteranordnung nach Anspruch 2 und 10 oder 2 und H₉ dadurch gekennselehnet, dab die äußer« Zone als Salttersone sloes Transistors alt einer Basis- und einer Kollektorsone auegebildet ist·

   13· ilalbleiteranordnung nach Anspruch 12 und 10, dadurch gekenn-2elcaa«t_v da8 der flderstand der «ideretandsschicht quer stm pn-übergang «wischen &altter- und Basissooe durch «ine Dickenänderung der Wideretandeschicht verändert ist.

   14· ilalbleiteranordnung nach Anepruch 12 und 10, dadurch gekennaeichnet, daß der A id erstand der *iderntandsschicht quer susi pn-Ubergung «wischen Emitter- ,und üaiisBone durch eine Änderung der Leitfähigkeit der n'ideretandsschicht verändert 1st,

   BAD ORIGINAL .,^ _

   - 36 - fl 194

   1$· Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1-14» dadurch gekennzeichnet, dafl swei flächenelemente A₁ und A_£ der Halbleiteranordnung, in denen je «in Drittel der im Betrieb der Halbleiteranordnung auftretenden Geaamtleistung F übertrage α wird, thermisch derartig gekoppelt sind, da0 die SpItaenteaperutur im flächenelement A₁ üb «ehr al« 0,15° K anwächst, wenn die Leistungsdichte im flächenelement A₁ u* 1 % sunimmt und la flächenelement Ag um 1 ά abnimmt·

   16. Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 1-15» dadurch gekenn- «elehnet, dafi sie eine Emitter- eine Basis- und «int KoI-lektoraone aufweist und im färmeauetauech mit einer auf der Temperatur T_g° K befindlichen «färmeaeake angeordnet iat und datt die mit der Kmittersoae im thermisch gut leitenden Kontakt angeordnete fideretandeaohicht aus einem Material beeteht, welches bei Temperaturen oberhalb 1,3 T-einen lemperaturkoeffizient τοη grüüer als 1_t5 / T_- aufweist.

   17· Parallelschaltung sweler als Transistoren ausgebildeter Halbleiteranordnungen nuch Ansprüchen 1-16, dadurch gekeonfteichnet, da0 die ffiderstandssohlchteii aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizient·« bestehen und mit den entsprechenden Smlttersonen im IMrmeaustauaoh stellen·

   18· Parallelschaltung mack Anspruch 17» dadurch gekennaelch net, dae anstelle vom fiderstandseohichten Wideretlade mit ς> dem Emittersooes kontaktiert sind.

   4Ί, Parmllslsohaltaag nach Aaspruols 17 oder 18, dadurch gekeaaselchaet, daü jeder der Traaslster«a im lesug auf else seake so &iigear4aet lst_s im· mwlsches Jedem tramelete* am4 «er ffärseseeke «im« ftrfteleltwig k bei eimer temperstar f,* best«Ht₉ »eUl hl « r, die Üttsfslelstiuie im fat« »ee««t*t, 4*i a«lm«mem Imitler «ei ImlMttW J#tt· TrwMilnttrt) teas «Im ·&««£»·§ *m O₉M V^f/E.^ (^-Eltktrt

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