DE1564126A1 - Leistungstransistor - Google Patents
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Description
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Leistungstransistor ·
Die Priorität der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von
Amerika vom 8. März 1965 Nr. 437*960 ist in Anspruch genommen.
Die Erfindung betrifft Transistoren für hohe Leistungen, insbesondere
ein Hochfrequenz-Hochleistungstransistor-Bauelement.
Beim Betrieb von Transistoren mit hohen Leistungen in der Grössenordnung von 2 Watt und darüber sind die Ableitung der
im Halbleitermaterial erzeugten Wärme und der Temperaturausgleich im Material wichtig und stellen eine Grenze dar.. Das
halbleitende Material muss mit dem Sockel in guten Wärmeaustau schbe Ziehung en stehen. Eine gleichmässige Wirkung der
gesamten Fläche des Transistors verhindert die Ausbildung von überhitzten Stellen (hot spots) und gestattet das Arbeiten bei
einer höheren Leistung. Bei hohen Frequenzen nimmt die Impedanz der Zuleitungen zu. Es ist daher wichtig, dass diese so
ausgebildet werden, dass zwischen den Elektroden wirkende und verstreute konstante Effekte vermieden werden. Eine günstige
Ausbildung der Zuleitungen kann dazu beitragen, den Strom über die gesamte Fläche eines Transistors und^lm Falle dass zwei
Transistoren parallel arbeiten, auch zwischen den beiden Transistoren,
zu verteilen.
BAD 0RK3INAL
909883/0881
- 2
156412b
ISE/Reg. 3375 - Pl 322 - 2 - G.P. Hardy et al - 2-1-1 '
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, verbesserte Hochleistungstransistoren
für hohe Frequenzen zu schaffen mit einer verbesserten Wärmeabführung vom Halbleiterkörper und
gleichmässiger Belastung der gesamten Transistorfläche sowie symmetrischer Ausbildung des Wechselstromwiderstandes. Sie
betrifft Transistorbauelemente mit einem Sockel, mindestens einem Transistorelement mit Basis, Kollektor und Emitterzonen
und einer wärmeleitenden, elektrisch isoliere?aen Anordnung,
die das Transistorelement trägt und mit dem Si. κβΐ verbindet.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dijs der elektrisch
isolierende, wärmeleitende Teil einen Kontakt für den Kollektor enthält, der eine ohmsche Verbindun mit der Kollektorzone
herstellt, dass ein Ständer aus elektrisch leitendem Material unmittelbar neben dem Transistorelement mit
einem Ende am Sockel befestigt ist und mit den« anderen Ende
neben dem Transistorelement liegt, dass Zuleitungen eine elektrische Verbindung zwischen dem Ständer und der Emitterzone
herstellen, derart, dass der Sockel gleichzeitig den Emitteranschluss bildet, und dass Basis und Kollektorzuleitungeh
isoliert durch den Sockel geführt und mit den Basis- und Kollektorkontakten verbunden sind.
Die Merkmale der Erfindung werden im folgender, im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher erläutert:
Figur 1 stellt eine perspektivische Ansicht eir.es Transistoibauelementes
nach der Erfindung dar;
Figur 2 ist eine Draufsicht auf das Transistoroauelement
gemäss Figur 1, bei dem die Kappe entfernt ist, um die
innere Anordnung der Zuleitungen und neu Halbleiterkörpers
zu zeigen;
Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 7-3 in Figur 2;
809883/088 1 &AD 0RIGlNAL
ISE/Reg.3375 - Fl 322 - 3 - G.F.Hardy et al - 2-1-1
Figur 4 ist eine vergrösserte Teilansicht des Transistors und veranschaulicht die Emitter- und Basisanschlüsse;
Figur 5 stellt eine Ansicht entlang der Linie 5-5 von Figur 4
dar;
Figur 6 zeigt eine andere Transistoranordnung nach der Erfindung;
Figur 7 zeigt das Prinzipschaltbild eines Transistors nach der
uiift, und
Figur 8 zeigt das Prinzipschaltbild für einen Doppeltransistor, der -semäss der Erfindung in einer gemeinsamen
Hülle untergebracht ist.
Das Transistorbauelement enthält einen Sockel 11, der das Halbleitermaterial, das das eigentliche Transistorelement
bildet, andere Teile der Anordnung und die Zuleitungen trägt. Der Sockel 11 ist zur Aufnahme einer Kappe 12 ausgebildet,
welche zur Unterbringung und zum Schutz der Anordnung vor der
Umgebung dient. Der Sockel kann ausserdem ein paar in Abstand voneinander angebrachte Montagelöcher 13 enthalten, mit deren
Hilfe er an zugehörigen Einrichtungen mittels Schrauben befestigt werden kann. Selbstverständlich kann der Sockel auch
anderen bekannten Typen entsprechen , z.B. einem Typ, der einen Schraubansatz enthält zum direkten Einschrauben in entsprechend
ausgebildete zugehörige Anordnungen.
Der Transistor 16, um mit der Beschreibung von Einzelheiten zu
beginnen, wird durch eine wärmeleitende Schichtenanordnung (sandwich) 17 getragen, die den Transistor elektrisch vom
Sockel isoliert. Die Schichtenanordnung besteht vorzugsweise aus Material mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
BAD ORIGINAL 909883/0881
ISE/Reg.5375 - Pl 522 - 4 - Q.P. Hardy1 §§ 4J 2 4-1.
wie das Transistorelement 16, um Bruch infolge unterschiedlicher
Wärmeausdehnung zu vermeiden. Pur einen Siliciumtransistor
kann die Schichtenanordnung z.B. aus einer Molybdänscheibe l8 bestehen, die in geeigneter Weise mittels bekannter
' Methoden an den z.B. aus Kupfer bestehenden Sockel angelötet ist. Eine zweite Molybdänscheibe 19 ist mit der Kollektorzone
des den Transistor bildenden Halbleiterkörpers verlötet. Eine Schicht aus Berylliumoxyd 21 ist zwischen den beiden Molybdänscheiben
zum Herstellen einer mechanischen Verbindung angeordnet. Eine derartige Verbindung ist elektrisch isoliert. Die
Berylliumoxydschicht 21 ist relativ dünn und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, so dass die Wärmeleitung zwischen dem Transistorelement
16 und dem Sockel 11 verhältnismässig gut ist.
Die in Figuren 1 bis 5 dargestellte Anordnung enthält die
beiden Transistorelemente 16a und l6b, die nebeneinander mit gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Ein Ständer 22 aus
Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit ist entlang den beiden gegenüberliegenden Seiten der Transistoren und parallel
zu diesen auf dem Sockel befestigt. Die obere Seite des Ständers hat nahezu die gleiche Höhe wie die obere Fläche der Transistoren.
Sie kann eine Molybdänscheibe 25 enthalten, welche in geeigneter Weise mit dem Kupferständer verbunden ist, und
welche ein Siliciumplättchen 24 trägt. Die obere Oberfläche
des Siliciumplättchens kann mit einer aufgedampften ohmschen Kontaktschicht versehen sein. Kurze Emitterzuleitungen 26 verbinden
den ohmschen Oberflächenkontakt und die Emitterzonen des entsprechenden Transistors. Der Stromweg des Emitterstromes
setzt sich aus dem Sockel 11, dem Ständer 22, der Siliciumscheibe 24 und den Emitterzuleitungen 26 zusammen. Die Siliciumscheibe
24 stellt einen Serienwiderstand dar. Der Widerstand der Siliciumscheibe kann durch Einstellen ihrer Dicke, durch
ihre Verunreinigungskonzentration oder ähnliche Massnahmen festgelegt
werden, so dass mit den Zuleitungen zusammen ein vorgegebener Serienwiderstand erhalten werden kann.
909883/0881 ORtGWAL INSPECTED
ISE/Reg.3375 - Fl 322 - 5 - G.P. Hardy et al - 2-1-1
Die Basiselektrode besteht aus einem C-förmig gebogenen Teil
mit den beiden Enden 28, die einander gegenüber und über einem
jeweils darunter befindlichen Transistor liegen. In der Mitte . des Bügels des C-förmigen Teils ist dieser mit einem Stift 29
verbunden, der durch den Sockel führt. Der Stift ist mittels einer Glasperle durch den Sockel geführt, die eine dichte
Durchführung bildet. Basiszuleitungen, die ohmsche Anschlüsse mit der Basiszone des Transistors bilden, verbinden nach oben
verlaufend die C-förmig gebogene Elektrode und den ohmschen
Basiskontakt.
Der Kollektoranschluss besteht aus einem U-förmig gebogenen
Bügel 31* der bei 32 einen um 90° gebogenen bandförmigen Verlauf
hat, und der in geeigneter Form mit der sich nach auswärts erstreckenden Nase 33 aer Molybdänscheibe 19 verbunden ist.
Wie ersichtlich ist, läuft je einer dieser Streifen zu je einem der entsprechenden Transistoren. Die beiden Enden des, U-förmigen
Kollektorbügels sind mit je einem dieser Streifen verbunden.
Im mittleren Teil ist der U-förmig gebogene Kollektorbügel mit einem Stift 34 verbunden, der mittels einer eine
dichte Durchführung bildenden Glasperle 35 durch den Sockel geführt ist.
Der Leistu ng stransistor ist in Figuren 4 und 5 in Einzelheiten
klarer dargestellt. Er hat eine Kollektorzone 4l, eine Basiszone
42, die beide einen Basis-Kollektorübergang bilden, und eingesetzte Emitterzonen 43·
Wie in Figur 4 dargestellt, handelt es sich um einen Transistor
mit ineinandergreifender fingerartiger Struktur, bei dem der Emitter aus einer Mehrzahl von Fingern 40 besteht. Die Teile
des Emitter - Basisüberganges, die an die Oberfläche treten, werden durch eine Oxydschicht 44 geschützt. Die Emitterkontakte
46 und die Basiskontakte 47 werden durch Aufdampfen eines
fingerartig ineinandergreifenden Kontaktmusters auf die
"■ '·■'.- . -ν-;.., »09883/088 1
ISE/Reg.3375 - Fl 322 - β - G.P.Hardy et al - 2-1-1
Oberfläche des Bauelementes hergestellt. Das Kontaktmuster
weist Im wesentlichen als Grundlage eine rippenartige Struktur
auf mit kammartigen Emitterkontakten. Der Kollektorkontakt 48 wird durch die bereits früher beschriebene Molybdänscheibe
gebildet.
Der kammartige Emitterkontakt ist unterbrochen und bildet eine Mehrzahl derartig ausgebildeter Kontakte 46a, 46b usw. Wie
aus Figur 2 zu entnehmen ist, sind 8 derartige Emitterzonen oder -abschnitte vorhanden. Jeder dieser Abschnitte ist mit einer
Emitterzuleitung 26 verbunden. Die EmitterzuleIt^ngen sind
nebeneinander mit dem Emitterwiderstand 24 verbunden. Dadurch liegt in Serie mit jedem der Emitterkontakte 46 ein Widerstand.
Die Serien-Emitterwiderstände sollen gewährleisten, dass der Stromfluss zu jeder der Emitterzonen im wesentlichen gleich
ist. Es ist leicht einzusehen, dass ein Ansteigen des Stromes in einem der Serienkreise ebenfalls ein Ansteigen des Spannungsabfalls
im Widerstand zur Folge hat und damit einen Abfall der Emitterspannung, durch den auch der Strom vermindert wird. Es
ist also ein negativer Rückkopplungseffekt vorhanden, der darauf hinwirkt, dass der durch den Transistor fliessende Strom
gleichmässig verteilt wird.
Es ist zu beachten, dass bei hohen Frequenzen jede der Zuführungen
eine eigene Impedanz rat. Diese Impedanz liegt in Reihe mit der entsprechenden Zone. Es wird angestrebt, die Impedanz
der EmitterZuleitungen so weit wie möglich herabzusetzen. Bei
der dargestellten Anordnung sind z.B. die Zuleitungen 26 verhältnismässig
kurz gehalten. Der Weg durch den Emitterwiderstand und den Ständer ist ebenfalls verhältnismässig kurz, ferner
sind die Abmessungen und die Formgebung des Widerstandes
und des Ständers so ausgebildet, dass die Serieninduktanz herabgesetzt
wird. Damit ist eine gute Übertragung des Signals gewährleistet. Es besteht nur geringe Wahrscheiniichkeit, dass
die Hochfrequenzimpedanzen der verschiedenen Wege sich wesentlich
- 7 909883/0881 BAD ORIGINAL
ISE/Reg.5375 - Pl 322 - 7 - G.P.Hardy et al - 2-1-1
unterscheiden, da mit Ausnahme der kurzen Zuleitungen 26 der Weg
in allen Fällen identisch ist.
Die Basiszonen der Anordnungen sind durch C-förmig gebogene
Zuleitungen kontaktiert. Wegen dieser symmetrischen Ausbildung ist die Eigenimpedanz der beiden Hälften im wesentlichen gleich,
wodurch sichergestellt ist, dass von beiden Transistoren jeder anteilig belastet wird. Die U-förmig gebogenen Kollektorzuleitungen
sind ebenfalls symmetrisch, wodurch ebenfalls eine ausgleichende Wirkung entsteht. Es ist damit gewährleistet, dass
das Bauelementepaar bei unterschiedlichen Frequenzen und Belastungen im wesentlichen gleich arbeitet.
Die Ersatzschaltung für einen einzelnen Transistor, der entsprechend
der Erfindung kontaktiert ist, ist in Figur 7 dargestellt, wo die Induktanz der Basiszuleitung bei 6l angegeben ist, die
Induktanz der Kollektorzuleitung bei 62 und die einzelnen Induktanzen
der verschiedenen EmitterZuleitungen bei 63a, 6 Jb usw.,
zugeordnet zu den schematisch dargestellten verschiedenen Emitterkontakten.
Die Serienwiderstände sind bei 64a, 64b usw. dargestellt.
Für den symmetrischen Aufbau ist die Ersatzschaltung in Figur dargestellt, bei der die Induktanz 65 der Kollektorzone symmetrisch
ausgebildet ist und eine Serieninduktanz 65a für den Teil der Zuleitung, der durch die Glasdurchführung des Sockels verläuft,
angegeben ist. Entsprechend ist die Induktanz des C-förmig gebogenen Teils der Basiszuleitung bei 66 angegeben mit der
ZuIeitungsinduktanz 66a. Ferner ist jedem Teilemitter zugeordnet
eine Vielzahl von Emitterwiderständen 67a, 67b usw. angegeben. Diese Widerstände haben im wesentlichen den gleichen Wert, da sie
aus einem einzigen Siliciumplättchen, das auf dem Ständer montiert ist, gebildet sind. Äusserdem sind die Zuleitungsinduktanzen
68a, 68b usw. dargestellt.
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ISE/Reg.5375 - Fl 322 - 8 - G.P.Hardy et al - 2-1-1
Der Ständer kann aus den beiden Armen eines U-förmig gebogenen
als Kanal wirkenden Teiles bestehen, welches die schichtförmige Anordnung 17 zur Wärmeübertragung aufnimmt und welches andererseits
an dem Sockel befestigt ist. Dies kann als Teilanordnung ausgebildet und dann auf dem Sockel montiert werden. In Fig. 6
ist ein Teil des Sockels mit der darauf befestigten U-förmig gebogenen Anordnung 71 mit den Ständern 72 dargestellt. Die
Teilanordnung, bestehend aus dem Transistor 16, der Schichtanordnung
17j den Emitterzuleitungen 26 und dem U-förmigen Teil 71
mit den Ständern 72 ist vollständig dargestellt. Der restliche
Teil der gesamten Anordnung ist mit den bereits beschriebenen
Teilen identisch.
In der vorstehenden Beschreibung ist ein Hochleistungstransistor
beschrieben, der leicht aufzubauen ist, bei dem die Unsymmetrie der verschiedenen bei Hochfrequenz auftretenden Effekte auf ein
Minimum herabgesetzt ist und welcher sowohl in symmetrischem, als auch in unsymmetrischem Aufbau bei relativ hohen Frequenzen
betrieben werden kann. Die Serienwiderstände gewährleisten, dass der Strom gleichmässig über die gesamte Anordnung verteilt
wird und damit überhitzte Stellen (hot spots) vermieden werden. Die Art der Montage gewährleistet eine gute Wärmeableitung vom
Halbleiterkörper.
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Claims (6)
1. Leistungstransistor mit einem Sockel, mindestens einem Transistorelement mit Basis, Kollektor,und Emitterzonen,
und einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Anordnung, die das Transistorelement trägt und mit dem Sockel
verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass/elektrisch isolierende Teil (17) einen Kontakt für den Kollektor enthält,
der eine ohmsehe Verbindung mit der Kollektorzone herstellt,
dass ein Ständer (24) aus elektrisch leitendem Material unmittelbar neben dem Transistorelement (l6) mit
einem Ende am Sockel (11) befestigt ist und mit dem anderen Ende neben dem Transistorelement liegt, dass Zuleitungen
(26) eine elektrische Verbindung zwischen dem Ständer und der Emitterzone (4^) herstellen, derart, dass der
Sockel (11) gleichzeitig den Emitteranschluss bildet, und dass Basis und Kollektorzuleitungen isoliert durch den
Sockel geführt und mit den Basis- und Kollektorkontakten (46 bzw. 48) verbunden sind.
2. Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Transistorelement aus Silicium besteht, der wärmeleitende elektrisch isolierende Teil (17) schichtenartig
derart zusammengesetzt ist, dass zwischen zwei aus Molybdän bestehenden äusseren Scheiben (18 und 19) eine
elektrisch Isolierende, gut wärmeleitende Oxydschicht
liegt, und dass die eine der Molybdänscheiben (19) mit
dem Kollektor einen ohmschen Kontakt herstellt und die andere (l8) mit dem Sockel (11) verbunden ist.
- 10 -
9883/0881
ISE/Reg.3375 - Pl 322 - 10 - G.F.Hardy et al - 2-1-1
1S64IZ6
3. Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Emitter in eine Mehrzahl voneinander getrennter Zonen (43) unterteilt ist, dass getrennte
ohmsche Kontakte (46a, 46b usw.) auf jedem der Emitterteile angebracht sind, und dass die Basiskontakte(47) in
unmittelbarer Nähe der Emitterkontakte liefen, dass auf
der oberen Oberfläche des Ständers (22) Widerstandsmaterial (24) in ohmschem Kontakt mit dem Stan :er aufgebracht
ist, dass Zuleitungen (2ο ) von je em der F . i-terteile zu
dem Widerstandsmaterial i* ihren, so dass ei: durch aas
Widerstandsmaterial gebildeter Serienwiderii^ml in jeder
Emitterzuleitung liegt.
4. Leistungstransistor nach Atisprüchen 1 bis ': dadurch gekennzeichnet,
dass eine .- *liciumscheibe vorlestίmmter
Dicke und mit vorgegebener Verunreinigungs. »nzentration
das Widerstandsmaterial bildet.
5· Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Emitterzonen eine na :. innen weisende, kamrnartige Struktur besitzen und die Pa.siszonen
fingerartig dazwischen liegen und an jeder »ite des Transistors ein Ständer angeordnet ist.
6. Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,
dass zwei Transistoreleraente (l6a und l6b)
gemeinsam auf der elektri,: :h isoliereru-den -/'Irmelei tend ei.
Schichtenanordnung (17) angebracht sind und iber die mit dem Sockel (11) verbundenen Ständer (22) ei- -r; remeinsamen
Emitterans.jhluss haben, Jans ein U-förmig " »rnifcer Bügel
(31) mit beiden offenen Enden (32) mit jeden; Kollektor
verbunden ist und durch Verbindung mit eine:, isoliert
durch den Sockel geführten Sockelstift (29) eiren gemeinsamen
Kollektoranschluss herstellt, und dar ^j. e C-förmi?;
gebogene Basiselektrode (27) über den fingern-:.;«ren Transit;
tor strukturen liegt und durch Verbindung mit einem
909883/0881 - n -
BAD OR1G»NAL
ISE/Reg.3375 - Pl 322 - 11 - · G.F.Hardy - 2-1-1
1 b O k I L U
weiteren isoliert durch den Sockel geführten Sockelstift den gemeinsamen Basisanschluss bildet.
7· Leistungstransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständer die beiden Enden (72) eines U-förmig gebogenen Teiles (7I) bilden, das
mit dem- Sockel (11) verbunden ist, den.gut wärmeleitenden
elektrisch isolierenden Schichtenaufbau (17) mit den Transistorelementen (l6) aufnimmt und mit diesen und den entsprechenden
elektrischen Verbindungsleitungen (26) einen einheitliehen Montageteil bildet.
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