DE2514958A1

DE2514958A1 - Parallelanordnung von halbleitersystemen

Info

Publication number: DE2514958A1
Application number: DE19752514958
Authority: DE
Inventors: Walter Henricus Maria Smulders
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-04-18
Filing date: 1975-04-05
Publication date: 1975-10-30
Also published as: ATA285175A; DE2514958C2; AU8013375A; US3952258A; AT347502B; FR2268330A1; NL7405237A; DK161475A; FR2268330B1; JPS50140042A; CA1039368A; GB1467612A; JPS5821442B2; IT1032670B

Description

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PHN 7^86 Va/RJ

Dipl.-Ing. Henridi Hartmann 20.2.75

Anf::J !sr: N-Y. PhiKp, o'.oai'.u.i'.pentubrielcen
Akte: PHN- 7486

Anmeldung vojni 4. April 1975

"Parallelanordnung von Halbleitersystemen¹¹.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung, die, wenigstens was die Gleichstromeinstellung anbelangt, aus einer Anzahl paralleler Zweige besteht, die je mindestens einen Steuer- und einen Endtransistor enthalten, wobei jeweils ein Ausgang des Steuertransistors elektrisch mit dem Eingang des betreffenden Endtransistors gekoppelt ist.

Unter "Steuertransistor" ist derjenige Transistor oder diejenige Transistorkonfiguration zu verstehen, der oder die das Steuersignal emp-

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fängt, während unter "Endtransistor" derjenige Transistor oder diejenige Transistorkonfiguration zu verstehen ist, der oder die das verstärkte Signal an die Belastung liefert.

Es ist eine bekannte Erscheinung, dass t>ei zunehmender Temperatur infolge zunehmender Verlustleistung der differentielle Basis-Emitter-Eingangswiderstand eines Transistors negativ werden kann, d.h., dass bei zunehmendem Basisstrom die Basis-Emitter-Spannung dann abnimmt; Werden eine Anzahl von Transistoren in bezug auf ihre Gleichstromeinstellung parallel geschaltet - was bedeutet, dass~ einerseits ihre Basis-Emitter-Eingangskreise und andererseits ihre Kollektor-Emitter-Ausgangskreise in parallelen Zweigen angeordnet werden - , so wird, wenn die Temperatur, bei der der differentielle Eingangswiderstand negativ wird, erreicht ist, die Parallelschaltung unstabil, und der Strom verteilt sich nicht mehr gleichmässig über die Parallelzweige und fliesst im ungünstigsten Falle durch nur einen Zweig. Dies bedeutet, dass es nicht ohne weiteres möglich ist, eine Anzahl von Transistoren parallel zu schalten, damit eine grössere Gesamtverlustleistung zugelassen werden kann. Auch bei Leistungstransistoren, bei denen die innere Struktur einer Anzahl parallel geschalteter Transistoren

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entspricht, ergibt sich diese Erscheinung (forward second breakdown, die auch als "thermal breakdown" bezeichnet wird)} ähnliches trifft in Leistungsendstufen integrierter Schaltungen mit parallel geschalteten Transistoren oder Transistorkonfigurationen zu.

Eine bekannte Lösung für das genannte Pro_n blem besteht darin, dass Widerstände in jeden der Emitterkreise der parallel geschalteten Transistoren aufgenommen werden. Dadurch wird der differentielle Eingangswiderstand erst bei einer höheren Verlustleistung negativ.

Das genannte Verfahren weist u.a. den Nachteil auf, dass die zulässige Verlustleistung nur vergrössert wird und dass die angewendeten Widerstände Spannungs- und Leistungsverluste herbeiführen und ausserdem in integrierten Schaltungen weniger erwün s cht s ind.

Die Erfindung bezweckt, anzugeben, wie Transistoren parallel geschaltet werden können, ohne dass die genannten Probleme auftreten.

Die Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren räumlich derart angeordnet sind, dass jeder Endtransistor thermisch am stärksten mit einem anderen Steuertransistor gekoppelt ist als dem Steuertransistor, mit dem

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er elektrisch, gekoppelt ist, während jeder Endtransistor vorzugsweise thermisch am schwächsten mit demjenigen Steuertransistor gekoppelt ist, mit dem er elektrisch gekoppelt ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung

sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 zwei parallelgeschaltete Transistoren,

Fig. 2 zwei nach der Erfindung parallel geschaltete Kaskodenpaare,

Fig. 3 zwei nach der Erfindung parallel geschaltete Darlingtönpaare,

Fig. h sechs nach der Erfindung parallel geschaltete Darlingtonpaare, und

Fig. .5 schematisch die Schaltung nach Figo h in integrierter Form.

Fig. 1 zeigt zwei Transistoren T₁ und T₂ mit gemeinsamen Kollektor-, Basis- und Emitterkreisen. Zwischen dem gemeinsamen Kollektor und dem gemeinsamen Emitter ist unter Betriebsbedingungen die augenblickliche Spannung V vorhanden, während der

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gemeinsame Basiskreis eine Stromquelle enthält. Der Strom I dieser Stromquelle verteilt sich bei identischen Transistoren T₁ und T^ gleichmässig über die beiden Basis-Elektroden, wodurch beide Tran-

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sistoren den gleichen Kollektorstrom I führen.

Die Verlustleistung für jeden Transistor ist dabei gleich I V . Nimmt der Gesamtstrom I zu,

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so werden die Kollektorströme und die Verlustleistung in den beiden Transistoren anfänglich ebenfalls gleichmässig zunehmen. Bei zunehmendem Kollektorstrom und konstanter Temperatur nimmt die Basis-Emitter-Spannung zu, während bei einem konstanten Kollektorstrom und einer zunehmenden Temperatur die Basis—Emitter-Spannung abnimmt. In der Praxis nimmt jedoch bei zunehmendem Kollektorstrom die

Verlustleistung und somit die Temperatur zu, was zur Folge haben kann, dass die Abnahme der Basis-Emitter-Spannung infolge der Temperaturzunahme gegenüber der Zunahme infolge des zunehmenden KoI- · lektorstroms vorherrschend wird, wodurch der differentielle Eingangswiderstand negativ wird. Sowohl theoretisch als auch in der Praxis stellt sich heraus, dass der negative differentielle Eingangswiderstand auftreten wird, wenn die Temperaturzunahme infolge der Verlustleistung +_ 16 ⁰C beträgt.

Wenn angenommen wird, dass in der obengenannten Situation der Transistor T₁ infolge einer geringen Abweichung in den Transistoreigenschaften oder in der Temperatur etwas mehr Strom als der Transistor T führen wird, nimmt die Verlustleis-

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tung im Transistor T zu und im Transistor T„ ab. Infolge der Temperaturzunalime im Transistor T₁ und der TemperaturteiXung im Transistor T„ nimmt der Transistor T₁ einen grösseren Teil des Stromes I als der Transistor T_p auf. Demzufolge nimmt der Kollektorstrom des Transistors T₁ weiter zu und der Kollektorstrom des Transistors T„ weiter ab. Dies führt zu einer Erhöhung der- Verlustleistung im Transistor T₁ und zu einer niedrigeren Verlustleistung im Transistor T„. Auf diese Weise ist in bezug auf die Zunahme des Kollektorstroms des Transistors T₁ , eine positiv rückgekoppeltes System erhalten, und der Strom I wird schliesslich nahezu völlig durch den Basiskreis des Transistors T₁ fliessen, während der Transistor T stromlos wird.

Das vorgenannte Verhalten hat zur Folge, dass, wenn Transistoren parallel geschaltet werden, nicht ohne weiteres eine entsprechende Vervielfachung der Höchstverlustleistung in bezug auf die eines einfachen Transistors gewährleistet ist.

Eine bekannte Lösung besteht dann darin, dass in den Emitterleitungen der Transistoren Widerstände angeordnet werden. ·,Dadurch wird der Punkt, an dem der differentielle Eingangswiderstand negater wird, bei einer grösseren Temperatürzunähme als in der Situation nach Fig. 1 erreicht. Diese

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Lösung weist eine Anzahl bereits genannter Nachteile auf.

Die Lösung nach der Erfindung, der diese Nachteile nicht anhaften, besteht darin, dass nicht einzelne Transistoren, sondern Kombinationen mindestens eines Steuer- und eines Endtransistors parallel geschaltet werden, wobei die verschiedenen Transistoren auf erfindungsgemässe Veise thermisch mit den verschiedenen Endtransistoren gekoppelt sind. Die genannte Weise kann am besten an Hand einiger Beispiele erläutert werden.

Ein erstes Beispiel ist der Ersatz von Transistoren durch in Kaskode geschaltete Transistorpaare, was in Fig. 2 für zwei parallele Kaskodenpaare dargestellt ist, die aus den Transistoren Τ^,Τ- und Tk₁T-- bestehen. Die Figur zeigt die Gleichstromsituation. Die Wechselstromsituation kann davon abweichen. So kann z.B. die Eingangssignalspannung gleichphasig oder im Gegentakt den Basis-Elektroden der Transistoren T_ und T^- zugeführt werden. Ähnliches gilt für die Entnahme der Ausgangssignalspannung, die z.B. im Gegentakt den in den einzelnen Kollektorkreisen der Transistoren T„ und Tk angeordneten Widerständen entnommen weiden kann.

Die Kollektoren der Transistoren T„ und Ti sind miteinander verbunden, ebenso die Basis-

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Elektroden. Der Emitter des Transistors T„ ist mit dem Kollektor des Transistors T^ verbunden, während der Emitter des Transistors T. mit dem Kollektor des Transistors T^ verbunden ist. Die Basis-Elektroden der Transistoren T_ und Ts sind mit z.B. einer Steuereingangsklemme 1 verbunden. Vas die Einstellung der Transistoren anbelangt, liegt der gemeinsame Kollektor der Transistoren T„ und T^ an einem Potential V₂ und die gemeinsame Basis an einem Potential V₁. Der gemeinsame Emitter der Transistoren T_ und Tz- liegt an einem Potential V_.. 5 6 0

Die Verlustleistung der Steuertransistoren Tf. und Tg ist dar.:Spannung V₁-V proportional, während die Verlustleistung der Transistoren T„ und Τ· der Spannung V„-V proportional ist. Die Einstellungist derartig, dass V₂ - V₁ ^/ V₁ - V_Q ist, so dass die Steuertransistoren T_ und T>- im Vergleich zu den Endtransistoren T„ und T· nur eine geringe Verlustleistung aufweisen. Die räumliche Konfiguration ist derartig, dass die thermische Kopplung zwischen den Transistoren T„ und T^ und zwischen den Transistoren Tr und T- viel stärker als die anderen thermischen Kopplungen ist, z.B. dadurch, dass bei diskreten Schaltungen die Transistoren T„ und Tf) ebenso wie die Transistoren TjL und T_, in einer Umhüllung untergebracht werden.

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Die stärksten thermischen Kopplungen sind in der Figur mit den gestrichelten Blöcken angegeben.

Venn angenommen wird, dass der Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T und T„ zunimmt, wird der Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren Tr und T/ abnehmen. Die Verlustleistung und somit die Temperatur des Transistors T„ nimmt zu und die Verlustleistung und somit die Temperatur des Transistors T. nimmt ab. Infolge der thermischen Kopplungen steigt die Temperatur des Transistors Ts- an und nimmt die Temperatur des Steuertransistors T. ab. Dadurch, dass die Basis-Emitter-Ubergänge der beiden Steuertransistoren zueinander parallel geschaltet sind, können die Basis-Emitter-Spannungen sich nicht frei mit der Temperatur ändern. Daher werden die Temperaturzunahme des Transistors T^ und die Temperaturabnahme des Transistors T. durch eine Stromabnahme bzw. Stromzunahme ausgeglichen. Diese Stromänderungen sind gerade den Stromänderungen entgegengesetzt, die durch die Temperaturänderung herbeigeführt worden waren, wodurch infolge der thermischen Kopplung die Stromänderungen in den beiden Parallelzweigen gegengekoppelt statt, wie bei der Schaltung nach Fig. 1, mitgekoppelt sind..

Eine andere bekannte Kombination eines

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Steuer- und eines Endtransistors, die die Funktion eines einfachen Transistors übernehmen kann, ist die sogenannte Darlingtonschaltung.

Fig. 3 zeigt zwei parallel geschaltete Zweige, die aus je einer Darlingtonschaltung bestehen, wobei, wie bei der Schaltung nach Fig. 2, zu bemerken ist, dass die Wechselstromsituation abweichend sein kann. Die Transistoren T„ und T_Q bilden eine Darlingtonschaltung, ebenso die Transistoren To und T₁ . In dieser Schaltung sind die Kollektoren der Transistoren T₇, Tg, T und T₁₀ alle miteinander verbunden. Der Emitter des Transistors T₇ ist mit der Basis des Transistors T„ und auf gleiche Weise ist der Emitter des Transistors To mit der Basis des Transistors T_1n verbunden. Die Emitter der Transistoren T_Q und T_1n sind mit einer Stromquelle I verbunden, während die Basis-Elektroden der Transistoren T„ und T₀ mit einer

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Eingangsklemme 2 verbunden sind. Nach der Erfindung werden die Transistoren räumlich derart angeordnet, dass der Steuertransistor T₁₇ thermisch stark mit dem Endtransistor T gekoppelt und der Steuertransistor To thermisch stark mit dem Endtransiso

tor T gekoppelt ist. Die Steuertransistoren T„ und To weisen automatisch eine viel niedrigere Verlustleistung als die Endtransistoren T_Q und

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T₁ auf, weil die Transistoren nur die Basisströme für die Endtransistoren liefern.

Es sei angenommen, dass der Kollektorstrom des Endtransistors T_q zunimmt. Dadurch nimmt der Kollektorstrom des Endtransistors T₁₀ ab. Demzufolge nimmt die Verlustleistung im Endtransistor T_Q zu und im Endtransistor T₁ ab. Infolge der thermischen Kopplungen nimmt die Temperatur des Steuertransistors Tr, zu und nimmt die Temperatur des Steuertransistors T~ ab. Die Basis-Emitter-Spannung des Steuertransistors Tq würde also abnehmen und die Basis-Emitter-Spannung des Steuertransistors T würde zunehmen, wenn nicht die Reihenschaltung der Basis-Emitter-Ubergänge der Transistoren T_ u.nd T_q zu der Reihenschaltung der Basis-Emitter-Ubergänge der Transistoren To und T₁₀ parallel geschaltet wäre. Diese Parallelschaltung hat zur Folge, dass die Temperaturänderung von einer Stromänderung ausgeglichen wird, und zwar derart, dass der Kollektorstrom des Transistors T₇ abnimmt und der des Transistors T₀ zunimmt. Es

ist also eine Gegenkopplung wirksam, die die Zunahme des Kollektorstroms des Transistors T_Q mindestens beschränkt. Diese Gegenkopplung ist ebenfalls in bezug auf die Zunahme des Kollektorstroms des Transistors T₁₀ wirksam. Für beide Parallel-

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zweige wird also eine stabile Stromverteilung aufrechterhalten.

Auf die in Figuren 2 und 3 dargestBllte Weise kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Zweigen parallel geschaltet werden.

Fig. h z&xgt schematisch die Parallelschaltung von sechs Zweigen mit je einem Steuer- und einem Endtransistor. Die Steuertransistoren sind mit S-Sg und die Endtransistoren mit P₄ - Iv bezeichnet» In

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jedem Zweig sind der Steuer- und der Endtransistor als ein Darlingtonpaar geschaltet, z.B. .die Kombination des Steuertransistors S, und. des Endtransistors P₁. Die Kollektoren sämtlicher Transistoren sind mit der gemeinsamen Kollektorklemme C verbunden. Die Basis-Elektroden der Steuertransistoren sind mit der gemeinsamen Basisklemme B und die Emitter der Endtransistoren sind mit der gemeinsamen Emitterklemme £S verbunden. Die Basis-Elektroden der Endtransistoreii (B^ - Bl-) sind mit je dem Emitter des zugehörigen Endtransistors (E' - E]-) verbunden, während die Transistoren räumlich derart angeordnet sind, dass eine starke thexunische Kopplung zwischen jedem Stmiertransistor und einem anderen als dem zugehörigen Endtransistor besteht (S₁ mit P--, S„ mit P₁ usw.), wie mit den gestrichelten Blöcken angegeben ist. Die

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Schaltung, von den Klemmen C, B und E her gesehen, bildet eine Darlingtonschaltung mit einer· höchstzulässigen Verlustleistung, die sechsmal grosser als die höchstzulässige Verlustleistung einer einzigen Darlingtonschaltung mit denselben Transistoren ist. Die Schaltung nach Fig. k eignet sich auch dazu, als integrierte Schaltung ausgeführt zu werden.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau der Schaltung nach Fig. k als integrierte Schaltung. In dieser Figur sind die verschiedenen Emitter- und Basiszonen mit denen nach Fig. h entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Zeichnung zeigt zwei Teile der Schaltung, die zueinander spiegelsymmetrisch sind und längs der Diagonale AA^! voneinander getrennt sind. Der linke obere Teil zeigt die Schaltung ohne die verschiedenen Kbntaktierungsflachen und -bahnen, die im rechten unteren Teil schraffiert dargestellt sind. Das Halbleiterbauelement besteht aus η-leitendem Material, das den gemeinsamen Kollektor C bildet. In diesem Kollektormaterial sind durch Diffusion von p-Typ Material zwei Basiszonen 3 und h angebracht. Diese Basiszonen sind durch das Gebiet 5 voneinander getrennt, das einen Teil des Kollektors C bildet. Die Basiszone h innerhalb des Gebietes 5 bildet die gemeinsame Basis B der Steuertransistoren

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S - S^. In diesen Basiszonen sind durch Diffusion von η-Typ Material sechs Emitterzonen angebracht, die die Emitter EJ - EJ- der· Steuertransistoren

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bilden. Die Emitterzonen sind mit Kontaktierungsbahnen versehen, während die Basiszone h dort, wo es möglich ist, mit einer Kontaktierungsflache bedeckt ist, um den Widerstand zu dem aktiven Teil der Basiszone B herabzusetzen. Auf diese Weise sind im inneren Basisgebiet h die Steuertransistoren S₁ - S^ erhalten. In der äusseren Basiszone 3 ist durch Diffusion von η-Typ Material die Emitterzone E angebracht. Die Emitterzone besteht aus zwei kammartigen Gebieten, um eine grosse Basis-Emitter-Grenzfläche zu erhalten. Gewöhnlich werden die beiden Emittergebiete auf der Aussenselte miteinander verbunden. Ausserdem sind die -Emitterzonen E völlig mit einer Kontaktierungsflache bedeckt. Die kammartige in die Emitterzone E-eingreifende Basiszone ist mit sechs getrennten kammartigen Kontaktierungsflachen bedeckt. Dadurch, dass der Widerstand aus dem p-leitenden Material derart hoch ist, dass Unterbrechung der Kontaktierungsflache ■ eine genügende elektrische Trennung bildet, werden auf diese Weise die Basis-Elektroden B' - Bi- gebildet. In; Gebiet k sind auf diese Weise die Endtransistoren P., - P^ erhal—

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ten. Die Transistoren P₁ - Vs sind derart angeordnet, dass sie derart neben den S teuer trän sis tor en S_-1-S,-liegen, dass sie zyklisch gegeneinander verschoben sind. Mit anderen Worten: der Endtransistoren P^ liegt räumlich neben dem Steuertransistor S₁, usw. Auf diese ¥eise ist die thennische Kopplung zwischen dem Steuertransistor S„ und dem End transistor P,-

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stärker als die thermischen Kopplungen des Steuertransistors S mit den anderen Endtransistoren. Auf gleiche Weise sind die Steuertransistoren S„ -

S thermisch mit den Endtransistoren P - P_K ge-6 15

koppelt. Die elektrische Kopplung zwischen den Steuer— und den Endtransistoren erfolgt mit Hilfe von Kontaktxerungsbahnen, die die Emitter E' EJmit den zugehörigen Basis-Elektroden B' - Bjverbinden, wie aus dem schraffierten Teil hervorgeht.

Auf oben beschriebene Weise ist eine integrierte Schaltung nach der Erfindung erhalten.

Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Mehrere Halblexterkonfigurationen können nach der Erfindung parallel geschaltet werden, vorausgesetzt, dass die die Bedingung er-

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füllen, dass die Ströme im Steuer- und im Endtransistor gleichphasig sind, d.h., dass eine Zunahme des Ausgangsstroms des Steuertransistors eine Zunahme"' . *. des Kollektorstrbms im Endtransistor herbeiführt.

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Claims

PHN 7486 20.2.75 Patentansprüche:

1. Verstärkerschaltung, die, wenigstens was die Gleichstromeinstellung anbelangt, aus einer Anzahl paralleler Zweige besteht, die je mindestens einen Steuer- und einen Endtransistor enthalten, wobei jeweils ein Ausgang des Steuertransistors elektrisch mit dem Eingang des Endtransistors gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren räumlich derart angeordnet sind, dass jeder Endtransistor thermisch am stärksten mit einem anderen Steuertransistor als dem Steuertransistor gekoppelt ist, mit dom er elektrisch gekoppelt ist, während er thermisch am schwächsten vorzugsweise mit demjenigen Steuertransistor gekoppelt ist, mit dem er elektrisch gekoppelt ist.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuertransistor (ΐ\ς bzw. T_Q) und dem zugehörigen Endtransistor (τ. bzw. T~) eine elektrische Kopplung hergestellt ist, bei der diese Transistoren eine Kaskodenschaltung bilden (Fig. 2).

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das zwischen dem Steuertransistor und dem zugehörigen Endtransistor eine elektrische Kopplung hergestellt ist, bei der diese Transistoren eine Darlingtonschaltung bilden.

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4. Verstärkerschaltung nach, einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als monolithische integrierte Schaltung ausgeführt ist.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass die Endtransistoren räumlich zyklus gegen die elektrisch zugehörigen Steuertransistoren verschoben sind»

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