DE2625989A1 - Halbleiterelement - Google Patents
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Description
PATENTANWÄLTE
Dr. phil. G. B. HAGEN
Dipl.-Phys. W. KALKOFF
Dipl.-Phys. W. KALKOFF
MÜNChin >i (Soiln)
Franz-Hals-Straße 21
Tel. (089)796213,795431
Tel. (089)796213,795431
ACE 3601 München, 9. Juni 1976
K./ek
SGS-ATES Componenti
Elettronici S.p.A.
Via C. Olivetti 2
20041 Agrate Brianza (Milano)
Italien
Halbleiterelement
Priorität; 10. Juni 1975; Italien; Nr. 24160A/75
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterelement mit mindestens einem Hochleistungstransistor vom Epitaxial-Planar-Typ.
Bekanntlich sind die wesentlichen Anforderungen an einen guten Hochleistungstransistor die folgenden:
a) höhere Stromverstärkung auch bei hohen Stromwerten
b) niedrige Sättigungsspannung
c) keine sekundären Durchbrucherscheinungen
d) kleinstmögliche Größe.
Um der Anforderung zu Punkt a) zu genügen, muß bekannterweise
der Transistor so ausgelegt werden, daß sein Emitterbereich so groß wie möglich ist und daß die Stromdichte des
Emitters unter dem Emitter selbst bei jedem Stromwert gleichmäßig verteilt ist.
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Bayerische Vereinsbank 823101 Postscheck 54782-809
Um gemäß Punkt b) die Sättigungsspannung möglichst gering
zu halten, die wesentlich vom Kollektorserienwiderstand abhängt, muß man verschiedene Maßnahmen vorsehen, nämlich u.a.
die Konzipierung von untereinander verbundenen Kollektorstrukturen zur Verringerung des Weges des Stromes durch
Emitter und Kollektor.
Bezüglich der sekundären Brucherscheinungen gemäß Punkt c) besteht eine Lösung, die besonders bei aus verschiedenen
parallelgeschalteten Einzeltransistoren bestehenden Hochleistungstransistoren angewendet wird, darin, daß die Emitter
mit Widerständen in Reihe geschaltet werden, die die Ströme ausgleichen.
Um schließlich gemäß Punkt d) die Gesamtgröße des Halbleiterelements
so gering wie möglich zu halten, muß der Transistor so ausgelegt werden," daß alle Bestandteile in optimaler Weise
aktiviert v/erden.
Eine bekannte Lösung für den Bau eines Transistors mit einem großen Emitterbereich und einer gleichmäßigen Stromdichte des
Emitters besteht darin, daß man auf dem gleichen Halbleiterplättchen mit den herkömmlichen Photoätz- und Diffusionstechniken gleichzeitig viele Einzeltransistoren baut und sie
dann durch geeignete Metallisierungs-Streifenmuster parallelschaltet. Eine bekannte Maßnahme zur Erzielung einer besseren
Kompaktheit des Gesamttransistors und auch zur Verringerung der Länge der Metallstreifen und somit der relativen Widerstände,
die sich negativ auf die gleichmäßige Verteilung des Emitterstromes auswirken, besteht darin, die Einzeltransistoren
in zwei oder mehreren parallelen Gruppen anzuordnen.
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Um bestmögliche Ergebnisse sowohl im Hinblick auf die Verstärkung als auch auf die optimale Raumnutzung zu erhalten,
muß natürlich jeder einzelne Transistor unter Berücksichtigung der oben genannten Anforderungen ausgelegt werden. So
hat ein Transistor bekannten Typs, der die Notwendigkeit berücksichtigt, die Sättigungsspannung auf ein Mindestmaß zu
reduzieren und die Ströme auszugleichen, einen Emitterbereich, der sich zusammensetzt aus einer Kontaktzone und zwei aktiven
Zonen, von denen jede durch einen verengten Abschnitt des Emitterbereichs mit der Kontaktzone verbunden ist. Dank
der besonderen Geometrie des Emitters erhält man bei einem solchen Transistor gute Stromverstärkungseigenschaften bei
hohen Stromwerten, aber das Problem der maximalen Oberflächennutzung des Plättchens und das der optimalen Verteilung der
Stromdichte unter dem Emitter wird nicht gelöst.
Es ist eine Anwendung des vorstehend beschriebenen Einzeltransistors
in einem aus mehreren Transistorgruppen bestehenden System bekannt, wobei jede Gruppe mehrere Einzeltransistoren
umfaßt, die parallelgeschaltet sind. Darin gibt es jedoch zwischen verschiedenen Einzeltransistoren und zwischen
den verschiedenen Gruppen Stromungleichgewichte, weshalb keine gleichmäßige Aktivierung der Einzelkomponenten des Hochleistungssystems
erreicht werden kann und deshalb auch keine maximale Nutzung des Plättchens möglich ist. Bei hohen Stromwerten kann es darüber hinaus lokal zu hohen Temperaturen
kommen, die das Auftreten von Sekundärdurchbrüchen mit sich bringen.
Bei der Erfindung wird angestrebt, ein Halbleiterelement vom Planar-Epitaxial-Typ zu schaffen, mit mindestens einem Hochleistungstransistor,
der aus mindestens einer Gruppe von Einzeltransistoren besteht, die untereinander durch drei verschiedene
metallische Leiterbahnen parallelgeschaltet sind, die die jeweiligen Emitter-Basis- und Kollektorströme der Einzeltransistoren
zusammenführen, wobei jeder Einzeltransistor einen
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Emitterbereich hat, der eine Emitterkontaktzone, mindestens eine aktive Emitterzone und eine Verbindungszone zwischen
der Kontakt- und der Aktivzone aufweist, wobei Stromungleichgewichte vermieden werden sollen, und zwar unter jeder Betriebsbedingung.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Verbindungszonen der Emitterbereiche in der Parallelschaltung
der sukzessiven Einzeltransistoren eine progressiv sich verändernde Breite haben.
Wenn der in dem Halbleiterelement enthaltene Hochleistungstransistor durch mehr als eine Einzeltransistorgruppe der
oben genannten Art gebildet wird, lassen sich die verschiedenen Gruppen erfindungsgemäß so kompensieren, daß für jede
Gruppe gleiche Arbeitsbedingungen für die Emitter bestehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement weist jeder Einzeltransistor
nicht nur eine große Stromverstärkung bei hohen Stromwerten auf, sondern ermöglicht auch eine maximale
Nutzung des Halbleiterplättchens.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang
mit den Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Teil des Layouts eines bekannten
Hochleistungstransistors in starker Vergrößerung;
Fig. 2 das elektrische Schaltbild eines Einzeltransistors, der in dem Hochleistungstransistor von Fig. 1 enthalten ist;
Fig. 3 das Layout eines Hochleistungstransistors gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Teil des Layouts des Hochleistungstransistors von Fig. 3 mit der gleichen
Vergrößerung wie in Fig. 1; und
Fig. 5 das elektrische Schaltbild des Hochleistungstransistors
gemäß der Erfindung.
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In r.'ie. 1 wird ein Teil des Layouts ei ir»«? bekannten Hochleistungstransistors
gezeigt. Er enthält zwei Einzeltransistoren, deren Emitterbereiche jeweils in zwei aktive Zonen 1,
eine Kontaktzone 2 und zwei Verbindungszonen 3 unterteilt werden können, wobei die Verbindungszonen 3 die beiden aktiven
Zonen 1 mit der Kontaktzone 2 verbinden. Die Kontaktzone
2 ist mit einem metallischen Emitterkontaktstreifen 4 bedeckt, der mit der Emitterklemme des Hochleistungstransistors verbunden
ist. Außerhalb des Emitterbereichs sind Basiskontaktpunkte 5 gezeigt, die untereinander durch einen nicht dargestellten
metallischen Kontaktstreifen verbunden sind, der die Verbindung zwischen den Basen eines jeden Einzeltransistors
und der Basisklemme des Hochleistungstransistors darstellt. Der metallische Kollektorkontaktstreifen ist nicht dargestellt,
da er für den hier beschriebenen Gegenstand nicht von Interesse ist.
Um die baulichen und wirkungsmäßigen Eigenschaften eines Einzeltransistors
der in Fig. 1 dargestellten Art besser aufzuzeigen, wird nachstehend auf das äquivalente Schaltbild gemäß
Fig. 2 eingegangen, in der die Emitteij-Basis- und Kollektorklemmen
jeweils mit E bzw. B bzw. C bezeichnet sind. Der Einzeltransistor besteht aus der Kombination eines ersten
Transistors T mit doppeltem Emitter, der dem Teil entspricht, der die beiden aktiven Zonen 1 des Emitters zeigt,und eines
zweiten Transistors T1, der der Mittelzone oder Kontaktzone
2 entspricht. Die Basis des Transistors T ist direkt mit der Basisklemme B des Transistors verbunden und durch einen Widerstand
R, mit der Basis von T1. R^ steht für den äquivalenten
Serienwiderstand der Basis zwischen den Basiskontaktpunkten 5 und der Emitterkontaktzone 2. Die beiden Transistoren haben
einen gemeinsamen Kollektor, der an die Kollektorklemme C des Transistors angeschlossen ist. Der Emitter von T1 ist direkt
an die Emitterklemme E angeschlossen, und die beiden Emitter von T, die das Vorhandensein von zwei gleichen aktiven Emitterzonen
anzeigen, sind an die Emitterklemme E über zwei gleiche Widerstände R™ angeschlossen, die die Anpassungswiderstände
gebildet durch die Verbindungszonen 3 darstellen.
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Wie bereits ausgeführt wurde, besteht die übliche Art, einen Hochleistungstransistor zu konstruieren, darin,
daß man durch eine Parallelschaltung verschiedene Einzeltransistoren zusammenfaßt. Die Verbindung zwischen solchen
Einzeltransistoren erfolgt durch Metallstreifen, die zwar eine gute Leitfähigkeit aufweisen, deren Widerstand jedoch
nicht immer vernachlässigt werden darf, wenn man ein gleichmäßiges Funktionieren der Einzeltransistoren der Gruppe erreichen
will. Insbesondere führen die Widerstände der die Emitter verbindenden Metallstreifen zu Spannungsabfällen,
die wiederum die Basis-Emitter-Spannungen der benachbarten Einzeltransistoren allmählich verringern. Um die Wirkung
eines solchen Vorganges zu mindern, sieht die bekannte Anordnung, von der ein Teil in Fig. 1 dargestellt ist, die
Parallelschaltung verschiedener Einzeltransistorgruppen in der Weise vor, daß die Strecke der metallischen Verbindungsstreifen so gering wie möglich gehalten wird, und ferner sieht
die bekannte Anordnung einen für alle Einzeltransistoren gleichen Widerstand R- vor, der groß genug ist, um die Spannungsabfälle entlang der metallischen Streifen vernachlässigen zu
können.
Diese letztgenannte Maßnahme führt in der Praxis dazu, daß die Länge A der Verbindungszone 3 sehr groß ausgelegt werden
muß, wofür ein großer Bereich der Oberfläche des Halbleiterplättchens benötigt wird und eine für die Polarisierung des
Hochleistungstransistors sehr hohe Basis-Emitter-Spannung
erforderlich ist. In der bekannten Anordnung bleibt die Länge A konstant, und somit bleibt auch der entsprechende Widerstand
R-p konstant.
Es wird nun auf Fig. 3 eingegangen, in der das Layout eines erfindungsgemäßen Hochleistungstransistors gezeigt wird. Wie
man sieht, ist der Hochleistungstransistor in drei Gruppen 10, 11, 12 unterteilt, wobei jede Gruppe eine bestimmte Anzahl
von Einzeltransistoren umfaßt, die durch Metallstreifen
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untereinander parallelgeschaltet sind, welche zu den Kontaktzonen des Emitters, der Basis und des Kollektors führen.
In Fig. 3 sieht man auch drei eindiffundierte Widerstände R1,
R?, R-2, von denen jeder mit der Basis des ersten Einzeltransistors
der Gruppe 10 bzw./bzw. 12 verbunden ist.
Ein Einzeltransistor 13 ist in Fig. 4 vergrößert dargestellt.
Wie bei dem bekannten Einzeltransistor gemäß Fig. 1 ist auch hier der Emitterbereich in zwei aktive Zonen 17 unterteilt,
sowie in eine Kontaktzone 18 und in zwei Verbindungszonen 19, die die beiden Zonen 17 mit der Kontaktzone 18 verbinden. Innerhalb
der Kontaktzone 18 befindet sich der Emitterkontakt 20, und außerhalb des Eraitterbereichs befinden sich Basiskontakte
21. Im Interesse einer deutlichen Darstellung wurden die Metallstreifen
weggelassen. Das äquivalente Schaltbild des Transistors 13 ist gleich dem des bekannten Transistors der
Fig. 1, d. h. gleich dem in Fig. 2 dargestellten.
In Fig. 3 ist es wichtig, daß die mit D bezeichnete Breite
der Verbindungszonen 19 der Emitterbereiche der verschiedenen Einzeltransistoren nicht wie bei dem oben erwähnten bekannten
Transistor konstant ist, sondern in Jeder Gruppe gemäß Fig. 3 von unten nach oben langsam zunimmt. Dies bedeutet,
daß die Verbindungszonen 19 der Transistoren an dem den Widerständen R^ , Rp, R, nächstgelegenen Ende breiter sind als
die am .entgegengesetzten Ende.
Fig. 5 stellt das Schaltbild für den erfindungsgemäßen Hochleistungstransistor
dar. Der Hochleistungstransistor ist in drei Gruppen 10, 11 und 12 unterteilt, und seine Basis-Emitter-
und Kollektorklemmen sind mit B bzw. E bzw. C bezeichnet. Die Basisklemme B ist mit den Basen der ersten
Einzeltransistoren der Gruppen 10, 11 und 12 durch die Widerstände
R^z, Rp bzw. R^ verbunden. Die Kollektoren aller Einzeltransistoren
sind mit der Kollektorklemme C verbunden.
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ACE 3601 - 8 -
Die Basen der Eirizeltransistoren der Gruppe 12 sind untereinander
verbunden durch die Widerstände Rt32' Rb5 und Rb4'
die Basen der Einzeltransistoren der Gruppe 11 sind untereinander verbunden durch die Widerstände R^g, R^, ... R^10; die
Basen der Einzeltransistoren der Gruppe 10 sind untereinander verbunden durch die Widerstände R-u^p* Rb1V *** Rbi6* Diese
Widerstände R-, stellen die Widerstände der Strecken der
bn
Metallstreifen dar, die die Basiskontakte 21 (Fig. 4) miteinander verbinden. Die Emitter der Einzeltransistoren T^, T2»
T,, T. der Gruppe 12 sind an die Emitterklemme E über ein Serienwiderstandsnetz angeschlossen, wobei der Emitter von
T1 über RE1, R^ , R^, R^, R^ angeschlossen ist, der Emitter
von T2 über RE2» RM?* RMV RM4 anSescnlossen ist, der Emitter
T, durch Rj,,, R^-,, R^ angeschlossen ist und der Emitter Tz
über R-ρΛ» R^a angeschlossen ist. Die Widerstände R-p stellen
die Widerstände der Verbindungszone 19 (Fig. 4) der Einzeltransistoren
dar und die Widerstände R,, stellen die Widerstände
der Metallstreifen dar, die die Emitterkontakte 20 der Einzeltransistoren miteinander verbinden. Man beachte,
daß für die Emitterwiderstände R~ die Relation gilt:
REn>RE(n+1)
Diese Relation beruht auf der fortschreitenden Veränderung der jeweiligen Breite D der Verbindungszone 19 der verschiedenen
Einzeltransistoren in der Gruppe.
Die Emitter der Einzeltransistoren der Gruppen 11 und 10 sind an die Emitterklemme E durch Widerstandsnetze geschaltet,
die der von Gruppe 12 analog sind mit Ausnahme der Tatsache,
daß zwischen dem letzten Widerstand R^ und der Emitterklemme
E ein weiterer Widerstandszweig eingeschaltet ist,
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ACE 3601 ·- 9 -
Dieser weitere Widerstandszweig wird für uie Gruppe 11 von
dem Widerstand R! 2 gebildet und für die Gruppe 10 von der
Widerstandsserie R1-, und R: o. Diese beiden Widerstände stellen
die Widerstände der Metallstreifen dar, die die Gruppen 11 und 10 mit der Emitterklemme E verbinden.
Nachfolgend wird erörtert, wie in dem Ausführungsbeispiel des in Figuren 4 und 5 dargestellten Halbleitersystems eine
gleichmäßige Aktivierung der verschiedenen den Transistor bildenden Gruppen und der jede Gruppe bildenden Einzeltransistoren
erreicht wird, d. h. wie eine vollständige Ausbalancierung des Hochleistungstransistors dadurch erzielt wird, daß
die Emitterwiderstände R- und die drei eindiffundierten Widerstände
R-j, Rp» R^ geeignet dimensioniert werden. Eine Bedingung,
die zur Ausbalancierung der Gruppen eingehalten werden muß, ist:
η _ η + 1
Η T
η η + 1
ist/
Dabei-Ί der Gesamtemitterstrom einer Gruppe und N die
Dabei-Ί der Gesamtemitterstrom einer Gruppe und N die
Emitteranzahl in einer Gruppe.
In der Anordnung von Fig. 5 besteht noch eine zweite notwendige Bedingung für die Ausbalancierung, nämlich daß die
Summe der Spannungsabfälle an den Serienwiderständen in je der Gruppe für jede Gruppe gleich ist; man erhält dann:
(2) R1I131 + R^I1 = R2Ib2 + R^0I2 + R'?_ (I2 + I3) =
βτ3 + Rf3I3 + Rt2 (I2 + V
Für das gezeigte Beispiel gemäß Fig. 5 erhält man aus Glei chung (1):
(3) I1 = I2 = I3
ίγ τ~ T
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Wenn man einen Verstärkungswert lip™ für tinen bestimmten
Emitterstrom ansetzt, kann man die Ströme I,,., Lp 1111U-I,
-, bestimmen, und wenn man Kriterien anwendet, die auf
Überlegungen bezüglich der thermischen und elektrischen Stabilität beruhen, erhält man den Wert eines der drei
Widerstände R^, Rp und R,. Wenn die Gleichungen (2) und
(3) kombiniert, erhält man, da die Widerstände
und Rjyj-ig bekannt sind, wenn man den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Emitterkontakten und die Dicke der Metallisierungsschicht kennt, die Werte der anderen beiden Widerstände
.
Eine Bedingung für die Ausbalancierung der Einzeltransistoren ist:
VBEn + (REn + 2iW 1En = VBEn+1 + Rb(n+1) ·
+ RE(n+1) *
= Basis-Emitterspannung am betreffenden pn-übergang des Einzeltransistors n;
VBE(n+1) = Basis-Emitterspannung an* betreffenden pn-übergang
des Einzeltransistors n+1;
Rjjn = Serienwiderstand des Emitters des Einzeltransistors n;
Rjyr = Widerstand des Metallstreifens zwischen dem Emitterkontakt
des Transistors η und dem des nachfolgenden Transistors; Rb(n+1} = Widerstand des Metallstreifens zwischen dem Basiskontakt
des Transistors η und dem des nachfolgenden; RE(n+1) = Serienwiders't:an(i des Emitters des Transistors
Lg = Emitterstrom des Transistors n;
I-g/ -j\ = Emitterstrom des Transistors n+1;
Lw 1) = Basisstrom, der den Emitter des Transistors n+1
speist.
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ACE 3601 - 11 -
Man kann leicht zeigen, daß zunächst einmal die Wirkung der Widerstände R^ im Vergleich zu den Widerständen RE
außer acht gelassen werden kann. Wenn man dann also gleiche Arbeitsbedingungen in den verschiedenen Transistoren der
Gruppe erhalten will, d. h. die Spannungen V„-g einander
gleich sein sollen, ergibt sich aus der Gleichung (4):
(4·) (REn +
Gemäß Gleichung (41) ergibt sich also, daß der Unterschied
zwischen dem Spannungsabfall auf den Widerständen RE von
zwei aufeinanderfolgenden Transistoren gleich dem doppelten Spannungsabfall entlang dem Metallstreifenwiderstand R„ ist,
der die Emitterkontakte der Einzeltransistoren miteinander verbindet.
Eine weitere Bedingung für die Egalisierung der Arbeitsbedingungen
der Einzeltransistoren ist:
1En = An
A = aktiver Emitterbereich des Transistors n; = aktiver Emitterbereich des Transistors n+1.
Für einen gegebenen Wert von Iw, und einen gegebenen Wert
des Emitterstroms des Gesamttransistors kann man, wenn man die aktiven Bereiche des Emitters kennt, alle Parameter der
Gleichungen (4) und (5) erhalten mit Ausnahme der Serienwiderstände REn der verschiedenen Emitter. Es reicht jedoch
aus, einen dieser Widerstände festzulegen, um alle anderen zu bestimmen, indem man die Gleichungen (4) und (5) kombiniert,
609851/085 9
Dies ist möglich aufgrund einer Analyse der physikalischen und elektrischen Eigenschaften eines Einzeltransistors. Besonders
bei der Bestimmung von Rg muß man die Bedingungen für die thermische Stabilität berücksichtigen, um zu vermeiden,
daß die Kontaktzone des Emitterbereichs zu aktiv wird im Vergleich zu den anderen Zonen des Emitters; ebenso müssen
die notwendigen Bedingungen zur Ausschaltung des sogenannten Crowding-Phänomens, d. h. das Auftreten eines deutlichen
Stromgradienten in der aktiven Zone des Emitterbereichs, beachtet werden.
Mit diesen an sich bekannten Konstruktionskriterien und den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen erhält man
einen Hochleistungstransistor bestehend aus mehreren in Gruppen zusammengefaßten Einzeltransistoren, der die Nachteile
der bekannten Anordnungen nicht aufweist, wobei diese Nachteile auf einer Ungleichmäßigkeit der Emitter-Arbeitsbedingungen
in den verschiedenen Einzeltransistoren der Gruppen beruhen. Es wird durch die Erfindung insgesamt gesehen eine bessere
Nutzung des Halbleiterplättchens ermöglicht.
609851/0859
Claims (3)
- η s _p r *i c hΓ 1. ^Halbleiterelement vom Planar-Epitaxial-Typ mit mindestens einem Hochleistungstransistor, der aus mindestens einer Gruppe von Einzeltransistoren besteht, die durch drei metallische Leiterbahnen parallelgeschaltet sind, die die Jeweiligen Emitter-, Basis- und Kollektorströme der Einzeltransistoren zusammenführen, wobei jeder Einzeltransistor einen Emitterbereich hat, der eine Emitterkontaktzone, mindestens eine aktive Emitterzone und eine Verbindungszone zwischen der Kontaktzone und der Aktivzone aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungszonen (19) der Emitterbereiche in der Parallelschaltung der aufeinanderfolgenden Einzeltransistoren eine progressiv sich verändernde Breite (D) aufweisen.
- 2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daiB die Verbindungszonen (19) der Emitterbereiche der Einzeltransistoren so ausgelegt sind, daß bei jedem Kollektorstromwert des Hochleistungstransistors die Differenz der Spannungsabfälle entlang der elektrischen Widerstände der Verbindungszonen (19) von jeweils zwei Einzeltransistoren, die in der Parallelschaltung aufeinanderfolgen, im wesentlichen gleich ist dem Spannungsabfall am Widerstand der metallischen Leiterbahn, welche die Emitterkontakte (20) der beiden aufeinanderfolgenden Einzeltransistoren miteinander verbindet.
- 3. Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Hochleistungstransistor sich aus mindestens zwei parallelgeschalteten Einzeltransistorgruppen zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einzeltransistor einer jeder Gruppe (12, 11, 10) durch einen in das Halbleiterplättchen eindiffundierten Widerstand (R^, Rp, R^) mit seiner Basis mit einer metallischen Leiterbahn verbunden ist, die zur Basisklemme (B) des Hochleistungstransistors führt.609851/0859Leerseite
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