DE3417887A1 - Bipolare leistungstransistorstruktur mit ueberbrueckbar eingebautem basis-ausgleichswiderstand - Google Patents

Bipolare leistungstransistorstruktur mit ueberbrueckbar eingebautem basis-ausgleichswiderstand

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    • H01L27/0755—Vertical bipolar transistor in combination with diodes, or capacitors, or resistors

Description

Bipolare Leistungstransistorstruktur mit überbrückbar eingebautem Basis-Ausgleichswiderstand
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und insbesondere einen bipolaren Leistungstransistor.
Es ist bekannt, daß die maximale Verlustleistung eines bipolaren Transistors bei einer vorgegebenen Kollektor-Emitter-Spannung - ohne dessen Ausfall zu verursachenden sicheren Arbeitsbereich bestimmt (safe operating area oder S.O.A.).
Es ist ferner bekannt, daß sich unter Betriebsbedingungen eines bipolaren Transistors mit verhältnismäßig hohen Spannungswerten ein Phänomen einstellt, das als zweiter Durchbruch in Durchlaßrichtung (forward second break-down) oder Is,b bekannt ist und auf einer Fokussierung (focusing) des Kollektorstromes beruht. Wenn dieses Phänomen ausgelöst wird, erhöht sich die Temperatur der übergänge ohne Beschränkungen und ruft dadurch die Beschädigung oder den Ausfall, des Transistors hervor. Man ist daher gezwungen, die vom Transistor maximal abführbare Leistung (Verlustleistung) zu begrenzen; mit anderen Worten wird der sichere Funktionsbereich des Transistors eingeschränkt, um das erwähnte Phänomen zu vermeiden.
Es können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um zu versuchen, die negativen Wirkungen aufgrund von Is/^ zu vermeiden und damit den S.O.A. zu vergrößern. Unter diesen Maßnahmen ist insbesondere die Verwendung von Ausgleichswiderständen (Ballast) bekannt, die in Reihe zur Basis oder zum Emitter oder zu beiden geschaltet sind und die mit der Tendenz, den Strom gleichmäßig auf den gesamten Basis-Emitter-Obergang zu verteilen, eine negative Rückkopplung auf das I .. -Phänomen bewirken und damit die Vorrichtung stabilisieren, wodurch ein sicherer Betrieb bei
höheren Leistungswerten ermöglicht wird. Allerdings können die Ausgleichswiderstände weder am Emitter noch an der Basis über eine gewisse Grenze erhöht werden, insbesondere, um die Sättigungsspann.ungen des Transistors nicht zu verschlechtern. Daher muß bei der Auslegung eines Leistungstransistors der beste Kompromiß zwischen diesen beiden gegenläufigen Anforderungen in Abhängigkeit von den Anwendungen der Vorrichtung getroffen werden.
In konstruktiver Hinsicht müssen zur Herstellung von Ausgleichswiderständen an der Basis, die innerhalb der Struktur des Transistors angeordnet sind, erhöhte Schichtwiderstände verwendet werden. Einüblicher Weg, um diese herzustellen, besteht im Einschnüren (pinching) der Basis, beispielsweise gemäß GB-PS 1 482 803 oder US-PS 3 860 460. In diesem Fall bildet eine in die p-leitende Basiszone diffundierte η-leitende Zone, die um die Emitterfläche herum angeordnet ist, einen isolierten pn-übergang zwischen dem Emitterübergang und dem Basisanschluß des Transistors, was den Vorteil bietet, daß der verteilte Basiswiderstand beträchtlich erhöht wird, jedoch den Nachteil mit sich bringt, daß bei hohen Basisströmen die Basis-Emitter-Spannung V-.^ des Transistors aufgrund
aiii
des hohen Spannungsabfalls an diesem Widerstand auf hohe Werte gebracht wird.
Wie bereits erwähnt, ist ein Transistor mit großem V_,„ in vielen Anwendungsfällen unerwünscht. Beispielsweise dann, wenn dieser der Endtransistor eines Paares von Transistoren ist, die in Darlington-Schaltung miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist nämlich die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung V_,_ . des Darlington-Paares,
υ & ε a. ti
die sich aus der Summe der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Steuertransistors und der Basis-Emitter-Spannung des Endtransistors ergibt, sehr hoch, wenn V_ des Endtransistors hoch ist.
Der Erfindung liegt einmal die Aufgabe zugrunde, die Größe des Ausgleichswiderstandes an der Basis eines bipolaren Leistungstransistors nicht begrenzen zu müssen, um auf diese Weise eine Vergrößerung des sicheren Arbeitsbereiches des Transistors zu erlauben, soweit es die Auslösung des Is/,-Phänomens betrifft.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, gleichzeitig die V_ -Spannung des Transistors nicht aufgrund des erhöhten Ausgleichswiderstandes an der Basis zu verschlechtern .
Schließlich soll die Aufgabe gelöst werden, eine Transistorstruktur zur Verfügung zu stellen, die äußerst kompakt ist und einfach hergestellt werden kann, ohne daß beim Herstellungsprozeß weitere Verfahrensschritte notwendig sind.
Diese und weitere Aufgaben werden bei der gattüngsgemäßen Struktur durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst..
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigen:
Figur 1: eine nicht maßstabsgetreue, axonometrische Ansicht eines Teils eines bekannten Transistors,
Figur 2: das elektrische Prinzipschaltbild des Transistors gemäß der Erfindung,
Figur 3: eine ebenfalls nicht maßstabsgetreue, axonometrische Ansicht eines Teils eines Transistors der
Figur 1, der gemäß der Erfindung abgeändert ist,
Figur 4: das Ersatzschaltbild der Transistorstruktur gemäß der Erfindung und
Figur 5: den S.O.A. des Transistors der Figur 1 und den verbesserten S.O.A. des Transistors gemäß der Erfindung.
In allen Figuren werden für übereinstimmende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Hinsichtlich nicht beschrie-■ bener Einzelheiten in den Figuren wird hiermit ausdrücklich auf deren Darstellung in den Figuren verwiesen.
Figur 1 zeigt in nicht maßstabsgetreuer Darstellung die vereinfachte Struktur eines bekannten, bipoaren NPN-Leistungstransistors, bei dem mit 7, 8 und 9 die metallischen Kontakte von Emitter, Basis bzw. Kollektor bezeichnet sind. Die Zone 4 wird diffundiert/ um den verteilten Basis-Ausgleichswiderstand 5 großen Wertes zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird der Widerstand 5 bei einer vorbestimmten Schwelle des Basisstroms I0 von einer Diode über-
brückt, was im Schaltschema der Figur 2 dargestellt ist. Die Ansprechschwelle der Uberbrückungsdiode 10 ist vorgegeben durch die Schwellenspannung des pn-Uberganges, der die Diode bildet, wobei diese Spannung bei Silicium und Umgebungstemperatur im allgemeinen bei etwa 0,6 V liegt. Wenn nun das Produkt I *RO ' (R-..,1 = gesamter Basiswider-
D DD DD
stand des Transistors) so groß ist, daß der Wert von 0,6 V nicht überschritten wird, spricht die uberbrückungsdiode 10 nicht an (oder spricht um den Schwellenwert herum in vernachlässigbarer Weise an), während dann, wenn das Produkt I0-R0.,1 den Schwellenwert von 0,6 V erreicht oder
D DD
überschreitet, der in den Figuren mit 5 bezeichnete Widerstand R0n' durch den niedrigen Widerstand der in Durchlaß-
DD
richtung vorgespannten Diode überbrückt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Man erkennt, daß die Struktur durch zwei gestrichelte Linien in zwei Teile aufgeteilt ist; die gesamte
,-Struktur stellt den Transistor mit seinen Kontakten 7,8 und 9 für Emitter, Basis bzw. Kollektor dar, während in ihrem Inneren und genau gesagt in der Zone zwischen den beiden gestrichelten Linien der verteilte Ausgleichswiderstand 5, der durch Einschnürung der Basiszone 2 mittels
Qder Diffusionszone 4 gebildet ist, sowie ein parasitärer Transistor vorliegt, der mittels seines Basis-Emitterübergangs die Funktion der Diode 10 gemäß dem bereits beschriebenen Mechanismus ausübt. Es soll besonders erwähnt werden, wie der parasitäre Transistor gemäß Figur 3 entsteht.
,.Im Innern der beiden gestrichelten Linien und genau gesagt Ib
am übergang zwischen der Basiszone 2 unter dem verteilten Widerstand und dem Kollektor 1 liegt ein pn-übergang vor, der den Kollektorübergang des parasitären Transistors bildet. Am übergang zwischen der Basiszone 2 und der Zone 4
besteht ebenfalls ein pn-übergang, der den Emitter-Über-20
gang des parasitären Transistors darstellt. Die Zonen 2 und 4 des Transistors gemäß der Erfindung sind an der Oberfläche durch eine Metallisierung It verbunden, die die Metallisierung 7 des Emitters umgibt und über derjenigen -,.Linie liegt, welche an der Oberfläche die Grenze desjenigen Teils der Zone 4 bildet, welcher näher an der Emitterzone 3 liegt.
Ohne die Metallisierung 1.1 spannt sich der Emitter übergang des parasitären Transistors T nicht vor, wenn der Transistor in Betrieb ist. Andererseits wird aufgrund der Me-.·■·■■
tallisierung 11 das Emitter-Potential E des parasitären Transistors T am Potential der inneren Basis B1 des
P
Transistors verankert.
Daraus ergibt sich, daß der Transistor gemäß Figur 3 durch das elektrische Ersatzschaltbild der Figur 4 dargestellt
werden kann.
5 .
Wenn man berücksichtigt, daß während des Betriebs des Transistors der Emitter-Basis-Übergang des parasitären Transistors ständig in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, unabhängig von der Vorspannung des Kollektor-Basis-Übergangs • des parasitären Transistors, erkennt man, auf welche,Weise das elektrische Schema.der Figur 4 im Prinzip elektrisch mit demjenigen der Figur 2 äquivalent ist.
Wenn man nun den mathematischen Ansatz für die dem Fachmann bekannten Berechnungen übergeht und innerhalb der Grenzen von mittleren Wert rechnet, sieht man beispielsweise, daß sich bei R13n' = 10 Ohm
DD
VBE' w 0,6 ^
1B * 1BB1 TÖ~ = 60 inA
ergibt;
wenn der Transistor eine typische Verstärkung h„ = 40 hat, ergibt sich außerdem:
Ic = hFE-IB= 4.0-0,06= 2,4 A,
d.h. der Widerstand R-,,ι =10 Ohm bleibt wirksam bis zu
DtS
diesen Stromwerten, darüber hinaus nicht mehr. Oberhalb dieser Stromwerte wird der Widerstand R__,i überbrückt
durch den in Durchlaßrichtung vorgespannten Übergang des parasitären Transistors, dessen Widerstandswert bei diesen Strömen weitaus niedriqer ist.
Mithin ergeben sich durch die Erfindung die folgenden Vorteile:
1. Die Spannung V_,„ des Transistors wird nicht verschlechtert indem Sinne, daß oberhalb des bereits angegebenen Schwellenwertes bei steigendem I0 kein Beitrag des Spannungsabfalles R130I · I0 vorliegt, der wesentlich
DD D
auf V-,,, einwirkt. · ■
2. Der sichere Arbeitsbereich (S.O.A.) des Transistors in der das Phänomen des zweiten Durchbruchs in Durchlaßrichtung (I ,, ) betreffenden Zone wird erheblich vergrößert, genau um die in Figur 5 schraffiert dargestellte Größe..
Die Darstellung in Figur 5 ist sehr allgemein und nützlieh, um die Vorteile der Erfindung zu erläutern. Der nach den üblichen Techniken hergestellte Transistor hat einen Bereich S.O.A., begrenzt wegen Ig/b durch den durchgehenden Kurvenabschnitt 24 - 26. Dieser Bereich S.O.A. kann dadurch vergrößert werden, daß ein Ausgleichswiderstand in Reihe zur Basis eingesetzt wird» in diesem Fall verschiebt sich der Bereich S.O.A. und wird durch den durchlaufenden Kurvenabschnitt 19 - 17 begrenzt, allerdings mit dem erheblichen Nachteil, da£ sich eine erhöhte Spannung Vn^ des Transistors ergibt.
DCi
Der gemäß der Erfindung abgeänderte Transistor hat einen Bereich S.O.A., der durch die Kurvenabschnitte 24 - 27 17-15 begrenzt ist, wobei der Übergang von den Bedingungen hohen Basis-Ausgleichswiderstandes' zu denjenigen niedrigen Basis-Ausgleichswiderstandes, d.h. vom Punkt 18 zum Punkt 25 über den horizontalen Abschnitt 27 aufgrund des Ansprechens der überbrückungsdiode erfolgt. In diesem Fall ist klar, daß der Bereich S.O.A. des gemäß der Erfindung modifizierten Transistors vergrößert wird, weil der Transistor einen sehr hohen Widerstand RrJ0I verwendet, solange die überbrückungs- ·
diode nicht anspricht. Durch das Ansprechen der überbrückungsdiode wird erreicht, daß die Spannung VßE des Transistors bei solchen S-crontwerten nicht verschlechtert. wird> die über denjenigen liegen, die durch den horizontalen Abschnitt 27 bestimmt sind.
3. überdies bildet in der Struktur des Transistors gemäß Figur 3, wie sich aus seinem elektrischen Ersatzschaltbild in Figur 4 ergibt, der parasitäre Transistor Tp den Steuertransistor einer Darlington-Schaltung. Damit ergibt sich als weiterer Vorteil der Erfindung dann, wenn die Verstärkung h-^i des parasitären Transistors größer als eins ist, eine Darlinqton-Wirkuna mit einer erhöhten Gesamtverstärkung.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mittels der bereits bekannten Auslegungskriterien und der beschriebenen Maßnahmen gemäß der Erfindung ein bipolarer Leistungstransistor zur Verfügung gestellt wird, der die Nachteile des Standes der Technik aufgrund der Begrenzungen an den Basis-Ausgleichswiderständeh nicht mehr aufweist, so daß ohne höhere Herstellungskosten
eine wesentlich bessere Ausnutzung des Transistors bei 25
großem Strom und großer Spannung möglich ist.
Obwohl lediglich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und dargestellt worden ist, sind selbstverständlich zahlreiche Varianten und Abänderungen
möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
So muß beispielsweise die in Figur 3 dargestellte Metallisierung 11 nicht notwendigerweise dem Verlauf der
Übergänge zwischen den Zonen 2 und 4 auf der. der Emitter-35
zone 3 näheren Seite kontinuierlich folgen, sondern kann diskontinuierlich ausgebildet sein, wenn nur ein
Ohm'scher Kontakt zwischen den erwähnten Zonen 2 und in wenigstens einem Punkt hergestellt ist.
-4Ä-
- Leerseite -

Claims (3)

  1. KB · KLUNKER SCHMITT-NILSONMUiSCH: : : : ί
    El 1ΗΟ1ΈΑΝ IOTKNT ATTOKNEYS
    K 21097
    SGS-ATES COMPONENTI ELETTRONICI S.p.A.
    Via C.Olivetti 2 .
    Agrate (Mailand), Italien
    Bipolare Leistungstransistorstruktur mit
    überbrückbar eingebautem Basis-Ausgleichswiderstand
    Patentansprüche
    Bipolare Leistungstransistorstruktur, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer Kollektorzone (1) einer ersten Leitfähigkeitsart (N), einer Basiszone (2) mit einer zur
    Leitfähigkeitsart der Kollektorzone (1) entgegengesetzten Leitfähigkeitsart (P), so daß mit dieser ein übergang gebildet wird, wobei die Basiszone (2) eine zur Kollektorzone (1) entgegengesetzte, obere Oberfläche hat, mit
    einer Emitterzone (3) mit der ersten Leitfähigkeitsart
    (N ), die sich von der oberen Oberfläche aus in die Basiszone (2) erstreckt, so daß mit dieser ein Übergang gebildet wird, mit einer ersten (9), einer zweiten (8) und
    einer dritten (7) Leitungsvorrichtung, die Ohm'sche Kontakte herstellen mit der Kollektorzone bzw. der Basiszone bzw. der Emitterzone, und mit einer zusätzlichen Zone (4) der ersten Leitfähigkeitsart (N ), die sich von der oberen
    Hauptfläche aus in die Basiszone (2) erstreckt und mit dieser einen übergang bildet, der einen Widerstandsverlauf (5) begrenzt, der sich quer durch die Basiszone (2) entlang dem Basis-Kollektor-übergang, jedoch außerhalb des Emitter-Kollektor-Verlaufes erstreckt, dadurch gekennzeichnet , daß die Struktur eine vierte Leitungsvorrichtung (11) aufweist, die einen Ohm1sehen Kontakt mit der Basiszone (2) und der zusätzlichen Zone (4) herstellt und die auf der oberen Oberfläche auf dem Teil der zusätzlichen Zone (4) angeordnet ist, der näher an der Emitterzone (3) liegt.
  2. 2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die' vierte Leitungsvorrxchtung eine durchgehende Metallschicht
    (11) ist.
  3. 3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Leitungsvorrxchtung (11) eine nicht durchgehende Metallschicht ist, die einen Ohm1sehen Kontakt zwischen der Basiszone (2) und der zusätzlichen Zone (4) in einem oder in mehreren, nicht aneinander angrenzenden Punkten herstellt.
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