DE1764455A1 - Monolithische Darlington-Transistorschaltung - Google Patents

Monolithische Darlington-Transistorschaltung

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DE1764455A1 DE19681764455 DE1764455A DE1764455A1 DE 1764455 A1 DE1764455 A1 DE 1764455A1 DE 19681764455 DE19681764455 DE 19681764455 DE 1764455 A DE1764455 A DE 1764455A DE 1764455 A1 DE1764455 A1 DE 1764455A1
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Description

6.6.1968 Fb/Wa . .
Anlage zur
Patent- und
Grebrauchsmusterhilfsanmeldung
ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart W, Breitscheidstraße 4
Monolithische Darlington-Transistorschaltune
Die Erfindung betrifft eine monolithische, in Planartechnik ausgeführte Darlington-Transistorschaltung mit einem Treibertransistor und einem Leistungstransistor, dessen Kollektor an den Kollektor des Treibertransistors und dessen Basis an den Emitter des Treibertransistors angeschlossen ist, und mit einem Widerstand parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors.
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Robert Bosch GmbH R. 9172 Fb/Wa
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Aus der Zeitschrift "Electronics" vom 5. April 1965, Seite 116, ist bereits eine Darlington-Transistorschaltung bekannt, bei der die metallische Verbindung zwischen dem Emitter des Treibertransistors und der Basis des Leistungstransistors durch eine auf dem Oxyd liegende Metallisierung gebildet ist. (Vergleiche hierzu auch Abbildung 22b auf Seite 426 in dem Aufsatz von E. Bartels, "Oberflächenstabilisierung an Halbleitern", Internationale Elektronische Rundschau, Band 18, I964, Heft Nr. 6, Seiten 425 bis 426.) Diese Dar-) lington-Tranaistorschaltung hat aber den Nachteil, daß das Oxyd über den Kollektor nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit hat und dadurch bei Hochspannungstransistoren ein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Verstärkung des Oxyds, z.B. durch Silanzersetzung, notwendig wird. Die Führung der Metallisierung über das Oxyd erschwert außerdem die nachträgliche Verbleiung derselben, die zum Zwecke der Montage des Kristalles in einer einzigen Ofendurchfahrt gewünscht wird. Außerdem erfordert die Führung der Metallisierung über das Oxyd einen zusätzlichen "Photoresist"-Schritt.
Aus der amerikanischen Patentschrift 3 316 466 ist ferner eine monolithische Darlington-Transistorschaltung mit durchgehender Basis für beide Transistoren sowie gesonderter Ausführung der P obengenannten Verbindung des Treibertransistor-Emitters zur Leistungstransistor-Basis bekannt. Die durchgehende Basis bedingt für beide Transistoren die Parallelschaltung von Widerständen zur Emitter-Basis-Strecke, die zwar durch hochohmiges Basismaterial relativ groß gemacht werden können, aber doch der Wahl der Legierungsgeometrie und der Wahl des Basismaterials arge Beschränkungen auferlegen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Darlington-Transistorschaltungen der eingangs genannten Art zu beseitigen. Insbesondere war es eine Aufgabe der Erfindung, eine
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Darlington-Transistorschaltung dieser Art ohne Leitungsverbindungen auf dem Oxyd zu entwickeln und dabei gleichzeitig Möglichkeiten vorzusehen, den Widerstandswert des zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors parallel liegenden Widerstandes nach Bedarf zu gestalten. Vorzugsweise sollte dieser Widerstand hochohmig ausgelegt werden.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Basen der beiden Transistoren über einen schmalen, mit Basismaterial ausgefüllten Verbindungskanal zusammenhängen und daß die metallische Verbindung zwischen dem Emitter des Treibertransistors und der Basis ä des Leistungstransistors durch eine Metallisierung gebildet ist, die über diesen Verbindungskanal hinweg verläuft und unmittelbar auf der Halbleiteroberfläche aufliegt.
Zur Erhöhung des zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors parallel liegenden Widerstandes wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, den Emitter des Treibertransistors unmittelbar unter der Metallisierung, die diesen Emitter mit der Basis des Leistungstransistors verbindet, bis hinein in das Basisgebiet des Leistungstransistors zu verlängern.
Weitere Einzelheiten und zweckdienliche Weiterbildungen der Erfindung sind nachstehend, anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
Pig. 1 das elektrische Schaltbild einer Darlington-Transistorschaltung,
Pig. 2 ein erstes, vereinfachtes Ausführungsbeispiel einer monolithischen Darlington-Transistorschaltung gemäß der Erfindung, das die prinzipiellen Zusammenhänge zeigt, in der Draufsicht,
Pig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,
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Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2, Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer monolithischen Darlington-Transistorschaltung gemäß der Erfindung in der Draufsicht.
In der in-Fig. 1 dargestellten Darlington-Transistorschaltung ist die Basis des Leistungstransistors LT mit dem Emitter des Treibertransistors TT verbunden, während die Kollektoren der beiden Transistoren miteinander verbunden sind. Dadurch wird eine Kombinationseinheit gebildet, welche als äußere Anschlüsse einen Kollektoranschluß K, einen Emitteranschluß E und einen Basisanschluß B hat und als einzelner Transistor betrachtet werden kann. Parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors TT ist ferner ein Widerstand R™, parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors LT ein Wiederstand Rt und parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors eine Schutzdiode D geschaltet.
Zur Erklärung des Grundgedankens der Erfindung dient das in den Figuren 2 bis 4 dargestellte, vereinfachte Ausführungsbeispiel, , ■ das die Darlington-Traneistorschaltung nach Fig. 1 als Monolithen in Planartechnik realisiert. In das einheitliche Kollektorgrundmaterial 11 einer Siliziumscheibe 10 sind von oben her die Basen 12,13 und in diese Basen hinein die Emitter 14,15 der beiden Traneistoren TT, LT eindiffundiert.
Der Basis-Kollektor-Übergang ist mit gestrichelten Linien, der Emitter-Basis-Übergang mit strichpunktierten Linien angedeutet. Der gestrichelte Linienzug 16 bezeichnet daher in Fig. 2 den Rand der Basisdiffusion, d.h. diejenigen Stellen, an denen der Basis-Kollektor-Übergang an die Halbleiteroberfläche' tritt, der strichpunktierte Linienzug 17 den Rand der Emitterdiffusion, d.h. diejenigen Stellen, an denen der Emitter-Baeie-Übergang an die HaIb-
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leiteroberflache tritt. Me Emitter 14 und 15 sind in Figur 2 der Übersichtlichkeit halber außerdem unter dem Oxyd gepünktelt.
Die Basen 12,13 der beiden Transistoren TT, LT sind durch eine starke, mit Kollektormaterial ausgefüllte Einbuchtung 18 des Basisrandes 16 elektrisch weitgehend voneinander abgetrennt. Von der Einbuchtung.18 wird ein schmaler, mit Basismaterial g ausgefüllter Verbindungskanal 19 freigelassen, über den die beiden Basen 12,13 miteinander zusammenhängen. Durch diesen Verbindungskanal 19 wird zwischen diesen Basen der Widerstand Rm eingeführt.
Der Emitter 14 des Treibertransistors TT ist ringförmig in die Basis 12 des Treibertransistors gelegt und über den Verbindungskanal 19 hinweg bis. über die Basis 13 des Leistungstransistors LT verlängert. Dort verzweigt er sich in einen Ausläufer 14a in Richtung des Verbindungskanals 19 und einen Ausläufer 14b senkrecht zum Verbindungskanal 19.
In den verbleibenden Teil der Basis 13 des Leistungstransistors Λ LT ist der Emitter 15 des Leistungstransistors eindiffundiert. Der Emitter 15 besteht aus einem für den Emitteranschluß vorgesehenen, großflächigen Mittelteil 15a und aus vier Emitterzähnen 15b, 15c, 15d, 15e. Der Mittelpunkt des Mittelteils 15a liegt etwa auf der vom Mittelpunkt des Treibertransistoremitters 14 zum gegenüberliegenden Eckpunkt der Halbleiterscheibe 10 führenden Diagonale. Die beiden Emitterzahnpaare 15b, 15c und 15d, 15e liegen im wesentlichen spiegelsymmetrisch zu dieser Diagonalen. Dabei erstrecken sich die Emitterzähne 15b, 15c vom Mittelteil 15a aus zum Ausläufer 14a des Treibertransistoremitters 14 hin und verlaufen parallel zu dessen Ausläufer 14b.
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Die Unterseite der Halbleiterscheibe 10 ist durch die Kollektormetallisierung 20, die zum Anlöten des Kollektoranschlusses K dient, vollständig bedeckt. Die Oberseite der Halbleiterscheibe ist zum Schutz der pn-Übergänge teilweise mit einer Oxydschicht 21 versehen. Metallisiert sind nur diejenigen Teile der Oberseite, welche nicht mit Oxyd bedeckt sind. Zum Anböten des Basisanschlusses B dient, die Basismetallisierung 22 des Treibertransistors TT. Der Emitter 14 des Treibertransistors TT trägt ferner eine Α Emittermetallisierung 23a, die Basis 13 des Leistungstransistors LT eine Basitfmetallisierung 23b. Der Emitter 15 des Leistungstransistors LT trägt eine Emittermetallisierung 24, die zum Anlöten des Emitteranschlusses E dient. Der Anschlußdraht für diesen Anschluß wird auf demjenigen Teil dieser Metallisierung angelötet, der auf dem Mittelteil 15a des Leistungstransistoremitters aufliegt.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Emitter 14 des Treibertransistors TT und der Basis 13 des Leistungstransistors LT wird durch eine.unmittelbar auf der Halbleiteroberfläche aufliegende Metallisierung 23c gebildet. Diese Metallisierung verläuft über den Verbindungskanal 19 und über den verlängerten Treibertransistor- W emitter 14 samt seinen Ausläufern 14a, 14b hinweg und bildet mit der Emittermetallisierung 23a des Treibertraneistors und der Basismetallisierung 23b des Leistungetransistors eine einzige, zusammenhängende Metallisierung 23.
Da die Metallisierung 23 durch einen pn-übergang vom Verbindungskanal 19 getrennt ist, kann sie den durch diesen Verbindungskanal gebildeten Widerstand R-, nicht kurzschließen. Erst unmittelbar gegenüber den Emitterzähnen 15b, 15c des Leistungstransistors LT greift die Metallisierung 23 über den pn-übergang zwischen dem Treibertransistoremitter 14 und der Leistungstransistorbasis 13 hinweg und wirkt als Basiszuleitung für den Leistungstransistor.
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Der Widerstand H^ parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Trei-"bertransistors TT wird gebildet von dem Basismaterial zwischen dem Kollektor-Basis-Übergang und dem Emitter-Basis-Übergang etwa zwischen den Funkten 25 und 26. Man kann rechnerisch zeigen, daß dieser Widerstand die Größe hat:
(1) R
Hierin bedeuten:
t = Tiefe des Basis-Kollektor-Übergangs;
γ = mittlerer spezifischer Widerstand des Basismaterials von der Oberseite der Halbleiterscheibe 10 bis zur Tiefe t des Basis-Kollektor-Übergangs;
■! γ B = mittlerer spezifischer Widerstand des Basismaterials zwischen Emitter-Basis-Übergang und Basis-Kollektor-Übergang;
W = Abstand zwischen Emitter-Basis-Übergang und Basis-Kollektor- Übergang (=Basisweite); "
b = Abstand zwischen Emitter-Basis-Übergang und Basis-Kollektor-Übergang an der Halbleiteroberfläche;
a = Breite des Ausläufers Ha des Treibertransistor^emitters H;
c= Länge des Verbindungskanals 19 zwischen Treibertransistorbasis 12 und LeistungstransiBtorbasis 13;
.L = länge der Treiberemitterdiffusion unter der Basismetallisierung 23b dee Leistungstransistors LT (=Länge des Auslauf era Ha).
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Hieraus ergeben sich genügend freie Parameter,. z.B. a,b,c, um den Widerstand R- auf einen gewünschten Wert einzustellen. Soll er besonders groß sein, so wird vorteilhaft der Treiberemitter zu beiden Seiten des Verbindungskanals 19 durch Abrundung des von ihm jeweils eingeschlossenen Winkels vergrößert (Erhöhung von a, in Fig. 2 gezeigt bei 25 und 26).
Es ist ferner ein Widerstand Rt parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors LT vorgesehen. Dieser Wider- ψ stand wird gebildet durch eine Einbuchtung 27 des Leistungstransistoremitters 15 und durch einen Kurzschluß des Emitter-Basis-Ubergangs des Leistungstransistors durch die Emittermetallisierung 24 im Innern dieser Einbuchtung. Dadurch ist gleichzeitig eine Diode D parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors eingeführt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Darlington-Monolithen gegen Spannungsstöße unempfindlicher zu machen, indem angestrebt wird, die mit solchen Spannungsstößen verbundene Energie auf eine möglichst große Fläche des Kristalls zu verteilen, damit die Energiedichte möglichst klein bleibt.
' Bei einer Darlington-Transistorschaltung mit zwei idealen Transistoren ohne die Widerstände R-, und Rt (vgl· Fig. 1) würde der Durchbruch über die gesamte Emitterfläche verteilt auftreten. Dabei muß vorausgesetzt werden, daß die Transistoren über die ganze Fläche völlig gleichmäßig arbeiten.
Durch die in Fig. 1 gezeigten und in Fig. 2 realisierten Widerstände R^, und RL kann man auch dann eine gleichmäßige Anschaltung am Emitterrand erreichen, wenn über die große Fläche
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Inhomogenitäten auftreten sollten; dazu müssen die von den Emittern 14,15 der beiden Transistoren, LQ? überdeckten Basisflächen F^ und F13, und die Werte der Widerstände R5, und R-r der Ungleichung
RL PLT
genügen, die sich aus der Annahme der Flächenproportionalität
des Sperrstroms herleiten läßt. ' M
Da die Widerstände R„, und Rj in weiten Grenzen frei wählbar sind, kann diese Ungleichung konstruktiv erfüllt werden. Ausgehend von der gewünschten Gesamtverstärkung der Darlington-Transistorschaltung bestimmt man die Einzelverstärkungen für den Treibertransistor und den Leistungstransistor; diese bestimmen die notwendigen Emitter-Randlängen der beiden Transistoren; unter Einhaltung gewisser von der Herstellungstechnik bestimmter Forderungen ergeben sich daraus die benötigten Flächen der Transistoren, und aus diesen so bestimmten Flächen wird nach der Ungleichung (2) das anzustrebende Widerstandsverhältnis / bestimmt.
In Fig. 5 ist ein zweites, bevorzugtes Ausführungsbeipiel einer monolithischen Darlington-Transistorschaltung nach der Erfindung in der Draufsicht dargestellt. Der Verbindungskanal 19 zwischen den beiden Basen 12,13 wird hier gebildet durch den mit Basismaterial ausgefüllten Raum, der von zwei mit Kollektormaterial ausgefüllten Einbuchtungen 18,18a des Basisrandes 16 freigelassen wird. Dies bedingt eine beträchtliche Verlängerung des Verbindungskanals 19 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine einzige Einbuchtung 18 vorgesehen ist. dadurch wird der Widerstandswert des Widerstandes R^-gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beträchtlich erhöht.
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Um das Auftreten eines lokalen Durchbruchs beim Anschalten des Treibertransistors TT zu vermeiden, ist beim vorliegenden >zweiten Ausführungsbeispiel ferner der Emitter 14 des Treibertransistors TT an derjenigen Ecke, die der Einmündung des Verbindungskanals 19 in die Treibertransistorbasis 12 diametral gegenüberliegt, über eine Länge I^ verdünnt und der gewonnene Platz zu einer zusätzlichen Metallisierung 28 der Treibertransistorbasis 12 benutzt. Diese zusätzliche Metallisierung 28 sorgt für P ein gleichmäßiges Anschalten über die Strecke I^ auch auf dem Außenrand des Emitterringes 14.
Erfindungsgemäß soll die Strecke 1™ mindestens so groß sein wie der Umfang des Leistungstransistors LT dividiert durch seine Verstärkung. Dann ist die Belastung des pn-Übergangs pro Längeneinheit an dieser Ecke genau so groß wie beim Leistungstransistor und damit eine gleichmäßige Energieverteilung gesichert.
Beim Ausführungsbeispiel nach Pig. 5 ist ferner abweichend vom Aueführungsbeispiel nach den Fig. 2, 3 und 4 die Kontaktstelle des Widerstandes R mit dem Leistungstransistoremitter 15 am Mittel-. teil 15a angebracht. Dadurch wird ein Schutz gegen den Einschnüreffekt (pinch in) gegeben.
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Claims (1)

  1. Robert Bosch GmbH H R. 9172 Fb/W
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    Ansprüche
    1. Monolithische, in Planartechnik ausgeführte Darlington-Transistorschaltung mit einem Treibertransistor und einem Leistungstransistort dessen Kollektor an den Kollektor des Treibertransistors und dessen Basis an den Emitter des Treibertransistors angeschlossen ist, und mit einem Widerstand parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der beiden Transistoren über einen schmalen, mit Basismaterial ausgefüllten Verbindungskanal (19) zusammenhängen und daß die metallische Verbindung zwischen dem Emitter (H) des Treibertransistors (TT) und der Basis (13) des Leistungstransistors (LT) durch eine Metallisierung (23c) gebildet ist, die über diesen Verbindungskanal (19) hinweg verläuft und unmittelbar auf der Halbleiteroberfläche aufliegt.
    2. Darlington-Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- i zeichnet, daß der Emitter (H) des Treibertransistors (TT) unmittelbar unter der Metallisierung (23c), die diesen Emitter mit der Basis (13) des Leistungstransistors (LT) verbindet, bis hinein in das Basisgebiet des Leistungstransistors verlängert ist.
    3. Darlington-Transistorschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (H) des Treibertransistors als Außenemitter, vorzugsweise ringförmig, ausgebildet
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    4* Darlington-Transistorschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit einem Widerstand (RL) parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors (LT) und eine?5chutzdiode (D) parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors (LT), dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaltelemente (Rt, D) P durch eine Einbuchtung (27) des Leistungstransistor-Emitters (15) und durch einen „Kurzschluß des Emitter-Basis-Übergangs des Leistungsijransistors durch die Emitter-Metallisierung (24) im Innern dieser Einbuchtung (27) gebildet sind.
    5. Darlington-Transistorschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Emittern (14,15) der beiden Transistoren (TT, LT) überdeckten Basisflächen FTT und P-rT und die Widerstandswerte R^, und Rt der zu den Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren (TT, LT) jeweils parallel liegenden Widerstände (R1, R1) der Ungleichung
    T :> FTT ET
    LT
    genügen.
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    6. Darlington-Transitorschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstelle des zur Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors (LT) parallel liegenden Widerstandes (Rt) mit dem Leistungstransistor-Emitter (15) am Mittelteil (iba) dieses Emitters angebracht ist.
    7. Darlington-Transistorschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (H) des Treibertransistors (TT) an derjenigen Ecke, die der Einmündung des Verbindungskanals (19) in die Treibertransistorbasis (12)
    .,.diametral'gegenüberliegt, verdünnt ist und der gewonnene Platz zu einer zusätzlichen Metallisierung (28) der Treibertransistor-Basis (12) benutzt ist.
    8. Darlington-Transistorschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 7, ä dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l«) der zusätzlichen Metallisierung (28) der Treibertransistor-Basis (12) entlang dem Außenrand des Treibertransistor-Emitters (H)
    ^mindestens so groß ist wie der Umfang des Leistungs-' transistors (LT) dividiert durch seine Verstärkung.
    fy. f.i.tt
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    Leerseite
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