DE2042313A1

DE2042313A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2042313A1
Application number: DE19702042313
Authority: DE
Inventors: Alois Dr Nussbaumen Marek (Schweiz) M
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1970-05-26
Filing date: 1970-08-26
Publication date: 1971-12-09
Also published as: FR2090285B1; CH516874A; NL7107043A; DE2042313B2; US3746948A; SE358255B; JPS5329073B1; DE2042313C3; FR2090285A1; GB1334943A

Description

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Halbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit mindestens drei aktiven Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit je einer Elektrode an den äusseren Schichten.

Eine Erscheinung, die die Lebensdauer und Funktionssicherheit von Halbleiterbauelementen, insbesondere für hohe Leistungen, wesentlich beeinträchtigt, ist die lokale Ueberhitzung von kleinen Zonen (engl. "hot spots") im Aktivteil des Elements. Durch diese lokale Ueberhitzung steigt die Leitfähigkeit in diesem Bereich und die Stromdichte nimmt zu. Es kommt zu einem thermischen RUckkopplungsprozess dem sogenannten zweiten Durchbruch - im Aktivteil, der eine vollständige Zerstörung des Elementes bewirken kann.

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Eine bekannte Massnahme zur Verhinderung des zweiten Durchbruches bei Leistungstransistoren besteht darin, die gesamte Emitterfläche über einen flächenhaften Metallfilm-Widerstand mit dem Emitteranschluss des Transistors zu verbinden. Dies hat aber den Nachteil, dass auf der einen Seite durch den besagten ohmschen Widerstand, der ja im Hauptstromweg liegt, die Gesamtstromdichte erniedrigt wird, auf der anderen Seite erzeugt der Widerstand einen Spannungsabfall, der die Verlustleistung des aktiven Elements herabsetzt.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden und ein Halbleiterbauelement zu schaffen, bei dem die die Stromdichte begrenzenden Mittel möglichst geringen Einfluss auf die maximal zulässige Gesamtstromdichte haben und keine, ein vernünftiges Mass übersteigenden Eigenverluste aufweisen.

Es ist hierfür ein Halbleiterbauelement mit mindestens drei aktiven Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit je einer Elektrode an den äusseren Schichten vorgesehen, bei dem gemäss der Erfindung im Hauptstromweg mindestens ein Tunnelübergang vorgesehen ist, der sich an die die maximale Stromdichte des Elements bestimmende Schicht anschliesst.

Je nach Anwendungsfall kann der besagte Tunnel übergang verschiedene Charakteristik aufweisen. Dies lässt sich in

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bekannter Weise durch die Geometrie und/oder die Dotierung der Uebergangszone .bewerkstelligen.

Soll beispielsweise ein Leistungstransistor mit einem zusätzlichen Tunnelübergang im Hauptstrompfad versehen werden, so empfiehlt es sich, diesen Uebergang zwischen Emitter und Emitter-Anschlusselektrode anzuordnen» • *

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wiedergegeben.

Es zeigt

Fig. 1 eine beispielsweise Ausführungsform eines Halbleiterbauelementes gemäss der Erfindung,

Fig. 2 das Ersatzschaltbild eines Halbleiterbauelementes gemäss Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise des Halbleiterbauelementes gemäss Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Transistors mit integrierter Tunneldiode dargestellt. Der Emitteranschluss ist mit E, der Basisanschluss mit B, der Kollektoranschluss mit C bezeichnet. Der Hauptstrompfad zwischen den Anschlüssen E und C führt über die metallische Elektrode 1, die n⁺-Schicht 2, die die Kathode der Tunneldiode bildet, die p⁺-Schicht J5, die die Anode der Tunneldiode bildet, die n⁺-Schicht, 4,

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die den Emitter des Transistors mit n⁺-p-i-n-Struktur bildet, weiterhin über die Basis 5,-die Schicht 6 (intrinsic region), den Kollektor ¹J und die metallische Elektrode 8. Die metallische Elektrode 1 ist mit dem Emitteranschluss E, die metallische Elektrode 8 ist mit dem Kollektoranschluss C verbunden. An die Basisschicht 5 ist eine weitere Elektrode anlegiert, die ihrerseits mit dem Basisanschluss B verbunden ist.

Die Ersatzschaltung dieser oben beschriebenen Struktur ist in Fig. 2 dargestellt, wobei davon ausgegangen wurde, dass sich das Halbleiterbauelement gemäss Fig. 1 aus einer endlichen Anzahl von Einzeltransistoren T , ..., T^ und mit den Emittern E., ..., E der besagten Einzeltransistoren in Reihe geschalteten Einzeltunneldioden TD^, ..., TD zusammensetzt, wobei die Einzeltunneldioden in gleicher Durchlassrichtung wie die Einzeltransistoren geschaltet sind, d.h. jeweils die Anoden der Einzeltunneldioden sind mit den entsprechenden Emittern der Einzeltransistoren verbunden.

Alle Kollektoren C,, .... C der Einzeltransistoren T-,

1* ' η 1

...,T sind mit einer Klemme C verbunden, ebenso sämt liche Basen B-, ..., B mit einer mit B bezeichneten Klemme. Alle Kathoden der Einzeltunneldioden TD₁, ..., TD sind an die Klemme E geschaltet.

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Um die Wirkungsweise des in Pig. 1 dargestellten Halbleiterbauelementes zu erläutern, sei nun die Fig. 3 näher betrachtet. Dort sind neben I -U .-Kennlinien eines

c eb

Transistors bei verschiedenen Sperrschichttemperaturen (Kurven a, b, c und d) die I-U-Kennlinien K₁, K-, K, verschiedener Tunneldioden eingetragen.

Angenommen die Sperrschichttemperatur des betrachteten Transistors steige infolge beliebiger Ursache. Die Folge hiervon ist, dass sich die Emitter-Basis-Kennlinie ändert, z.B. von Kurve a in Richtung Kurve c in Fig. 3, wodurch der Spannungsabfall an der Tunneldiode grosser wird. Bedingt durch die Charakteristik der Tunneldiode, kann aber der Emitterstrom I_tden durch die Tunneldiode bestimmten Strom nicht überschreiten.

Auf die in Fig. 3 eingezeichnete Tunneldioden-Kennlinie K^ bezogen, bedeutet dies, dass die infolge Temperaturerhöhung bedingte Stromzunahme wesentlich langsamer erfolgt, als es zum Beispiel im bekannten Fall (Widerstand zwischen Emitter und Emitteranschluss) auftritt.

Hat die Tunneldiode eine Kennlinie, wie sie beispielsweise in Fig. 3, K₂, dargestellt ist, so erfolgt in dem interessierenden Bereich überhaupt keine nennenswerte Stromzunahme. Die Tunneldiode wirkt praktisch als strombegrenzendes Element für den Emitterstrom I_D.

t·

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Im Fall der Kennlinie K in Pig. 3 tritt sogar eine Erniedrigung des Emitterstromes infolge Sperrschichttemperatur-Erhöhung auf, und zwar stets dann, wenn der Spannungsabfall an der Tunneldiode grosser ist, als die sogenannte peak-Spannung U der Tunneldiode. In diesem Arbeitsbereich würde ein Transistor mit integrierter Tunneldiode zwar ein instabiles Verhalten zeigen, im Zusammenwirken mit den übrigen Einzeltransistoren und Einzeltunneldioden kompensiert sich jedoch dieser Effekt, wenn bei dem maximal auftretenden Spitzenstrom die "Summenkennlinie'¹ aller Einzeltunneldioden positiven differentiellen Widerstand aufweist. Dies aber lässt sich in bekannter Weise durch Dotierung und Geometrie der Tunnelübergangsschicht erreichen.

Der Erfindungscegenstand ist auf das in der Zeichnung Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So können auch andere Halbleiterelemente, wie z.B. Dioden, Thyristoren, etc. mit einem zusätzlichen Tunnelübergang versehen werden.

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Claims

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Patentanspruch

Halbleiterbauelement mit mindestens drei aktiven Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfahigkeitstyps mit je einer Elektrode an den äusseren Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptstromw^g mindestens ein Tunnelübergang vorgesehen ist, der sich an die die maximale Stromdichte des Elements bestimmende Schicht anschliesst.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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L e e r s e ι t e