DE2610122B2 - Dreipolige Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dreipolige Halbleiteranordnung zum Schalten großer Ströme mit zwei nach Art einer Darlington-Schaltung miteinander verbundenen Transistoren gleicher Zonenfolge, von denen der eine als Treibertransistor für den den Strom schaltenden Endtransistor wirkt.

Bei der Darlingtonschaltung sind die Kollektoren der beiden Transistoren miteinander verbunden, wshrend die Emitterelektrode des Treibertransistors an die Basiselektrode des Endtransistors angeschlossen ist. Die Verbundschaltung kann als ein einziger Transistor

ίο betrachtet werden, dessen Stromverstärkung ungefähr gleich dem Produkt der Stromverstärkungen der beiden Einzeltransistoren ist. Dies beruht darauf, daß der Emitterstrom des Treibertransistors gleich dem Basisstrom des Leistungsendtransistors ist. Die Darlington-Schaltung hat den Vorteil, daß auch große Ströme mit Hilfe kleiner Steuerströme geschaltet werden können, so daß die zum Schalten erforderlichen Steuerströme einem vorgeschalteten integrierten Schaltkreis direkt entnommen werden können. Nachteilig ist bei der Darlington-Schaltung, daß die Schaltzeiten relativ groß sind. Auch durch Anbieten eines großen Entladestromes in der Abschaltphase kann beim Darlington-Transistor die Schaltzeit nicht wesentlich reduziert werden.

Die Dariington-Schaltung hat weiterhin den Nachteil, daß sie bei hohen Temperaturen vielfach nicht mehr als Schalter arbeitet. Dies beruht darauf, daß bei hohen Temperaturen der Basisstrom des Endtransistors so groß wird, daß dieser Endtransistor ständig durchgeschaltet bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreipolige Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die die genannten Nachteile der Darlington-Schaltung nicht mehr aufweist. Dies soll durch eine Anordnung realisiert werden, die ebenso wie die Darlington-Schaltung gleichfalls als einziger Transistor betrachtet werden kann.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiteres dreischichtiges Halbleiterbauelement mit einer den Darlington-Transistoren entgegengesetzten Zonenfolge vorgesehen ist, dessen mittlere Zone mit der Basis des Treibertransistors, die eine äußere Zone mit der Basis des Endtransistors und die zweite äußere Zone mit der Elektrode des Endtransistors verbunden ist, die nicht direkt an den Treibertransistor angeschlossen ist.

Es hat sich gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen dreipoligen Halbleiteranordnung die Abschaltzeiten gegenüber denen der bisher verwendeten Darlington-Schaltungen erheblich reduziert werden können. So konnte die Abschaltzeit bei einer Ausführungsform halbiert werden. Außerdem wurde festgestellt, daß mit der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung der durch den Endtransistor fließende hohe Strom bei entsprechender Ansteuerung an der Basis des Treibertransistors auch dann sicher abgeschaltet werden kann, wenn die Umgebungstemperatur der Schaltung stark erhöht wird. Der Endtransistor bleibt in der Abschaltphase immer gesperrt, und das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelement verhindert, daß der Endtransistor infolge hoher Sperrströme bei Erhöhung der Umgebungstemperatur zu injizieren beginnt.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung kann, wie dies bei Einzeltransistoren üblich ist, in einem Transistorgehäuse angeordnet werden, das nur drei

hs Anschlüsse aufweist. Je einer der Anschlüsse ist mit dem Kollektor des Endtransistors, mit dem Emitter des Endtransistors und mit der Basis des Treibertransistors verbunden und bilden auf diese Weise den Basis-.

Emitter- bzw. Kollektoranschluß des Gesamtbauelements.

Die erfindungsgemäße dreipolige Halbleiteranordnung besteht somit aus drei Teilbauelerrenten, die so gewählt sind, daß die /fl/i/e^Kennlinie des Gesamtbauelements im wesentlichen nullpunktsymmetrisch ist. Das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Lateraltransistor ausgebildet werden. Es kann sich jedoch auch um einen Planartransistor üblicher Art handeln, der normal oder invers betrieben werden kann.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wird zur Ausschaltung des Endtransistors vorzugsweise ein Steuerstrom eingeprägt, der der Größe nach dem eingeprägten Steuerstrom bei eingeschaltetem Endtransistor in etwa entspricht, aber die umgekehrte Polarität aufweist. Dieser Steuerstrom muß nur eine Größe von etwa 1 —5% des gewünschten Ausgangsstromes bei eingeschaltetem Fndtransistor aufweisen, so daß in der Regel der notwendige Steuerstrom von einem vorgeschalteten integrierten Schaltkreis bezogen werden kann.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird im folgenden noch an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße dreipolige Halbleiteranordnung in einem schematischen Schaltungsaufbau.

Die F i g. 2 zeigt die /ß/LWKennlinie der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die F i g. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen der Schaltung gemäß Fig. 1 in integrierter Halbleitertechnik.

In der Schaltung gemäß Fig. 1 bestehen die Transistoren der Darlington-Schaltung beispielsweise aus npn-Transistoren. Der Kollektor des Endtransistors 71 ist mit dem Kollektor des Treibertransistors 7·> verbunden; der Emitter des Treibertransistors 7*2 ist seinerseits an die Basis des Endtransistors 71 angeschlossen. Das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelemente T3 hat bei einer npn-Zonenfolge der Darlington-Transistoren eine pnp-Zonenfolge. Die mittlere Zone 2 wird mit der Basis des Treibertransistors 7*2 verbunden, während die eine äußere Zone 1 an die Basis des Endtransistors 71 und die andere äußere Zone 3 an die äußere Zone 3 an den Emitter des Endtransistors 71 angeschlossen wird. Die Gesamtanordnung kann wieder als Einzeltransistor aufgefaßt werden, dessen Basis-, Kollektor- bzw. Emitteranschluß in der F i g. 1 mit den Buchstaben B, C und E bezeichnet sind.

Die Eingangskennlinie einer Halbleiteranordnung gemäß Fig. 1 ist in der Fig.2 dargesiellt. Die /s/L/spKennlinie ist im wesentlichen nullpunktsymmetrisch, was bedeutet, daß auch bei relativ kleinen negativen Basis-Emitterspannungen bereits ein merklicher negativer Basisstrom fließt. Je nach Polarität der anliegenden Basis-Emitterspannung fließt der Basisstrom einmal über die Transistoren 7} und 71 und im anderen Fall über den zusätzlichen Transistor Γ3 ab.

Die F i g. 3 zeigt eine Realisierung der Schaltungsanordnung gemäß Fi g. 1 in einer integrierten Halbleiterschaltung. In einen η-leitenden Halbleiterkörper 7, der für die Transistoren 71 und 7·» den Kollektor 8 bildet, werden von einer Oberflächenseite aus zwei p-leitende Zonen 9 und 5 nebeneinander eindiffundiert. In die p-leitende Zone 9 wird schließlich mit Hilfe der bekannten Maskieriings-, Ätz- und Diffusionstechnik eine η-leitende Zone 10 eindiffundiert_: so daß ein erster npn-Transi<;tor 7*> zustande kommt.

Zugleich mit der Eindiffusion der η-leitenden Zone 10 werden in die p-leitende Zone 5 nebeneinander zwei η-leitende Zonen 6 und 2 eindiffundiert. Die Zone 6 bildet den Emitter des npn-Transistors 71, während die Zone 2 die Basiszone des zusätzlichen Transistors Tj ergibt. In einem letzten Arbeitsgang muß noch in die η-leitende 2'one 2 eine p-leitende Zone 3 eindiffundiert werden, die zusammen mit der Zone 2 und dem unter der Zone 2 befindlichen Teil 1 der Zone 5 den pnp-Transis.tor Tj ergibt.

Schließlich werden die einzelnen Zonen der Halbleiterbauelemente noch mit metallischen Anschiußkontakten versehen. So wird an den Kollektor 8 der Transistoren 71 und T2 der Kollektorkontakt 18 angebracht, während die Zone 9 mit dem Kontakt 15, die Zonen IiO und 5 mit dem gemeinsamen Kontakt 12, die Zonen 6 und 3 mit dem gleichfalls gemeinsamen Kontakt 13 und die Zone 2 mit dem Kontakt 14 versehen werden. Die Anschlußkontakte 15 und 14 werden außerdem noch zur Realisierung der Schaltung gemäß Fig. 1 über einen Anschlußdraht 11 oder über eine auf der Halbleiteroberfläche verlaufende Leitbahn miteinander verbunden. Der Kontakt 15 wird mit dem Basisanschluß 16, der Kontakt 13 mit dem Emitteranschluß 17 und der Kontakt 18 mit dem Kollektoranschluß für die Gesamtanordnung verbunden. Die die pnp-Übergäinge und die nicht für die Metallkontakte benötigten Oberflächenbereiche bedeckende Isolierschicht ist in der F i g. 2 mit der Ziffer 20 bezeichnet.

Die Fig.4 zeigt eine der Fig. 3 ähnliche Ausführungsform, die besonders für Hochspannungsbetriebe geeignet ist Auf einem wiederum η-leitenden HaIbleiterkörper 7, der die Kollektorzone 8 für die Transistoren 71 und 7} bildet, wird eine p-leitende Halbleiterschicht 19 epitaktisch abgeschieden. Dieser Halbleiterschicht wird eine mesaförmige Randgestaltung gegeben; außerdem wird ein Teil der Mesaschicht durch einen Graben 22 vom übrigen Teil abgetrennt. In diesen abgetrennten Teil wird der Treibertransistor T2 eingebracht, wobei die Basiszone 9 von der epitaktischen Schicht gebildet wird, so daß nur noch die Emitterzone 10 durch Diffusion hergestellt werden muß.

Auch für den End-Transistor 71 dient die epitaktische Schicht als Basiszone 5, in die wiederum durch Diffusion die Emitterzone 6 eindiffundiert wird. Um den zusätzlichen Transistor realisieren zu können, wird vorzugsweise ein Teil der η-leitenden Zone 2, die bei der Herstellung der Zone 6 mit in die epitaktische Schicht eindiffundiert wurde, durch Ätzen wieder abgetragen. Auf diese Weise erreicht man, daß die Dotierung der Zone 2 in ihrem an die Oberfläche tretenden Teil relativ gering ist, so daß die p-leitende Zone 3 durch Eindiffundieren entsprechender Störstellen ohne Schwierigkeiten hergestellt werden kann. Die Zonen 10, 9, 2,3,5 und 6 werden in der angegebenen Reihenfolge mit den Kontakten 12a, 15, 14, \3b, 126 und 13a versehen. Um die Schaltung gemäß Fi g. 1 zu verwirklichen, müssen noch die Kontakte 12a und \2b sowie die Kontakte 13a und Mb ebenso wie die Kontakte 14 und 15 miteinander verbunden werden. Der Kollektorgrundkörper 8 wird wiederum mit einem Kollektoranschluß 18 versehen. Die frei liegenden Teile der

h") Halbleiteroberfläche sowie die Grabenwand und die Seitenflächen des Mesaberges werden noch mit einer Passivierungsschicht 21 versehen.
Es hat sich gezeigt, daß die freiliegende Halblciieran-

Ordnung nach der Erfindung durch positive und negative Basisströme nicht beschädigt wird. Die Ansteuerschaltung kann deshalb so ausgelegt werden, daß sie für den »EIN«-Zustand einen positiven, für den »AUS«-Zustand einen negativen Basisstrom liefert, ohne daß eine Gefährdung des Bauelements auftritt. Die erforderlichen Steuerströme sind dabei klein; typisch ist ein Wert 'von 1% des zu schaltenden Laststromes. Es sind jedoch auch wesentlich höhere Steuerströme, wie sie beispielsweise bei Störungen auftreten können, ungefährlich. to

Es wurde bereits erwähnt, daß die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung auch bei hohen Umgebungstemperaturen kleine Sperrströme aufweist. So wurde gefunden, daß der Kollektorrückstrom nur 10 μΑ betrug, bei einer Ansteuerung der Halbleiteranordnung im »AUS«-Zustand und einem Wert LOr= 100 Volt sowie einer Umgebungstemperatur von 120°C. Bei einer Darlington-Schaltung herkömmlicher Art ließ sich der Endtransistor bei den genannten Verhältnissen überhaupt nicht mehr abschalten und blieb in unerwünschter Weise im »EINw-Zustand. Bei einer kleineren Spannung von Uce=20 Volt zeigt das erfindungsgemäße Bauelement in einer Ausführungsform bei 120°C einen Rückstrom von nur ca. 1 μΑ, während da: entsprechende Bauelement aus den Transistoren T\ unc Ti einen Rückstrom von 50—100 μΑ aufwies. Somit ha sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Anord nung die stationäre Sperrcharakteristik im Vergleich zi einem normalen Darlington-Transistor erheblich ver bessert werden konnte.

Um bei der gezeigten integrierten Anordnung eins unerwünschte Thyristorfunktion über die Schichtenfol ge p-n-p-n, gebildet aus den den Zonen 3-2-1-8 auszuschließen, kann an geeigneter Stelle eine Schottky-Diode 23 vorgesehen werden, die die Zonenfolge 2-1 überbrückt.

Diese Schottky-Diode kann in bekannter Weise durch Aufdampfen eines geeigneten Metalls, z. B. Platin, aul das hochreine η-Silizium erzeugt werden und kanr anschließend in üblicher Weise mit Aluminium überdeckt werden.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 wurde der Schottky-Kontakt 23 an der n-Zone 10 angebracht. Da die n-Zone 10 aber mit der p-Zone 9 mit der n-Zone 2 verbunden ist wirkt die Schottky-Diode 23 so, als wäre sie direkl zwischen die Zonen 2-1 geschaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Dreipolige Halbleiteranordnung zum Schalten großer Ströme mit zwei nach Art einer Darlington-Schaltung miteinander verbundenen Transistoren gleicher Zonenfolge, von denen der eine als Treibertransistor für den den Strom schaltenden Endtransistor wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres dreischichtiges Halbleiterbauelement (Τ}) mit einer den Darlington-Transistoren (Tu T₂) entgegengesetzten Zonenfolge vorgesehen ist, dessen mittlere Zone (2) mit der Basis des Treibertransistors (T₂), die eine äußere Zone (1) mit der Basis des Endtransistors (T\) und die zweite äußeres Zone (3) mit der Elektrode des Endtransistors (T]) verbunden ist, die nicht direkt an den Treibertranoistor (T₂) angeschlossen ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Gehäuse angeordnet ist, das drei Anschlüsse aufweist, von denen je einer mit dem Kollektor des Endtransistors (Tt), mit dem Emitter des Endtransistors (Tt) und mit der Basis des Treibertransistors (T₂) verbunden ist und die den Basis-, Emitter- bzw. Kollektoranschluß des Gesamtbauelements bilden.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbauelemente (Tu T₂, T3) so gewählt sind, daß die VLWKennlinie des Gesamtbauelements im wesentlichen nullpunktsymmetrisch ist.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelement (Ti) als Lateraltransistor ausgebildet ist.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine äußere Zone (1) des zusätzlichen dreischichtigen Halbleiterbauelements (Ti) ein Teil der Basiszone (5) des- Endtransistors (T\) ist, daß zur Bildung der mittleren Zone (2) in die Basiszone (5) des Endtransistors (T\) eine weitere, dem Leitungstyp der Emitterzone (6) des Endtransistors (T\) entsprechende Zone eingebracht ist und daß schließlich in diese Zone vom Leitungstyp der Emitterzone die zweite äußere Zone (3) des dreischichtigen Bauelements eingebracht ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (6) des Endtransistors (Ti) und die mittlere Zone (2) des zusätzlichen Bauelements in einem Diffusionsgang hergestellt sind.

7. Betrieb einer Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausschaltung des Endtransistors ein Steuerstrom eingeprägt wird, der der Größe nach dem eingeprägten Steuerstrom bei eingeschaltetem Endtransistor etwp entspricht aber die umgekehrte Polarität aufweist.

8. Betrieb einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom etwa 1 —5% des gewünschten Ausgangsstromes bei eingeschaltetem Endtransistor beträgt.