DE3417887C2 - Bipolare Leistungstransistorstruktur mit überbrückbar eingebautem Basis-Ausgleichswiderstand - Google Patents
Bipolare Leistungstransistorstruktur mit überbrückbar eingebautem Basis-AusgleichswiderstandInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ins
besondere eine polare Leistungstransistorsstruktur nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der Druckschrift US 3 751 726 ist eine bipolare Leistungstransi
storstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Im
Zentrum dieser bekannten Struktur liegt ein parasitärer Transistor, der
von einem Leistungstransistor umgeben ist.
Es ist bekannt, daß die maximale Verlustleistung eines
bipolaren Transistors bei einer vorgegebenen Kollektor-
Emitter-Spannung - ohne dessen Ausfall zu verursachen
den 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 ausge
löst 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 (Verlust
leistung) zu begrenzen; mit anderen Worten wird der siche
re Funktionsbereich des Transistors eingeschränkt, um das er
wähnte Phänomen zu vermeiden.
Es können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um zu
versuchen, die negativen Wirkungen aufgrund von Is/b zu ver
meiden und damit den S.O.A. zu vergrößern. Unter diesen
Maßnahmen ist insbesondere die Verwendung von Ausgleichs
widerständen (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-Übergang zu verteilen, eine negative Rückkopp
lung auf das Is/b-Phänomen bewirken und damit die Vorrich
tung 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, ins
besondere, um die Sättigungsspannungen des Transistors
nicht zu verschlechtern. Daher muß bei der Auslegung
eines Leistungstransistors der beste Kompromiß zwischen
diesen beiden gegenläufigen Anforderungen in Abhängig
keit von den Anwendungen der Vorrichtung getroffen werden.
In konstruktiver Hinsicht müssen zur Herstellung von Aus
gleichswiderständen an der Basis, die innerhalb der Struk
tur des Transistors angeordnet sind, erhöhte Schichtwider
stände verwendet werden. Ein üblicher Weg, um diese her
zustellen, besteht im Einschnüren (pinching) der Basis,
beispielsweise gemäß GB-A-1 482 803 oder US 3 860 460.
In diesem Fall bildet eine in die p-leitende Basiszone
diffundierte n-leitende Zone, die um die Emitterfläche
herum angeordnet ist, einen isolierten pn-Übergang zwi
schen 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 VBE des Transistors aufgrund
des hohen Spannungsabfalls an diesem Widerstand auf hohe
Werte gebracht wird.
Wie bereits erwähnt, ist ein Transistor mit großem VBE
in vielen Anwendungsfällen unerwünscht. Beispielsweise
dann, wenn dieser der Endtransistor eines Paares von Tran
sistoren ist, die in Darlington-Schaltung miteinander
verbunden sind. In diesem Fall ist nämlich die Kollektor-
Emitter-Sättigungsspannung VCEsat des Darlington-Paares,
die sich aus der Summe der Kollektor-Emitter-Sättigungs
spannung des Steuertransistors und der Basis-Emitter-
Spannung des Endtransistors ergibt, sehr hoch, wenn VBE
des Endtransistors hoch ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bipolare Leistungstran
sistorstruktur zu schaffen, bei der die Größe des Ausgleichswiderstandes
an der Basis eines bipolaren Leistungstransistors nicht begrenzt werden
muß, um eine Vergrößerung des sicheren Arbeitsbereiches des Tran
sistors zu erlauben, soweit es die Auslösung des Is/b-Phänomens betrifft,
wobei gleichzeitig die VBE-Spannung des Transistors nicht aufgrund des
erhöhten Ausgleichswiderstandes an der Basis verschlechtert werden soll
und wobei diese Leistungstransistorstruktur äußerst kompakt sein und
einfach herstellbar sein soll, ohne daß beim Herstellungsprozeß weitere
Verfahrensschritte notwendig sind.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Struktur gemäß dem Ober
begriff des Patentanspruches 1 durch die in dessen Kennzeichen angegebe
nen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter
ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine nicht maßstabsgetreue, axonometrische Ansicht eines Teils
eines bekannten Transistors,
Fig. 2 das elektrische Prinzipschaltbild des Transistors gemäß der
Fig. 1,
Fig. 3 eine ebenfalls nicht maßstabsgetreue, axonometrische Ansicht
eines Teils eines Transistors gemäß der Erfindung,
Fig. 4 das Ersatzschaltbild der Transistorstruktur
gemäß der Erfindung und
Fig. 5 den S.O.A. des Transistors der Fig. 1 und den
verbesserten S.O.A. des Transistors gemäß der Er
findung.
In allen Figuren werden für übereinstimmende Elemente die
selben Bezugszeichen verwendet. Hinsichtlich nicht beschrie
bener Einzelheiten in den Figuren wird hiermit ausdrücklich
auf deren Darstellung in den Figuren verwiesen.
Fig. 1 zeigt in nicht maßstabsgetreuer Darstellung die
vereinfachte Struktur eines bekannten, bipolaren NPN-Lei
stungstransistors, bei dem mit 7, 8 und 9 die metalli
schen Kontakte von Emitter, Basis bzw. Kollektor bezeich
net sind. Die Zone 4 wird eindiffundiert, um den verteilten
Basis-Ausgleichswiderstand 5 großen Wertes zu schaffen.
Gemäß der Erfindung wird der Widerstand 5 bei einer vor
bestimmten Schwelle des Basisstroms IB von einer Diode über
brückt, was im Schaltschema der Fig. 2 dargestellt ist.
Die Ansprechschwelle der Überbrückungsdiode 10 ist vor
gegeben durch die Schwellenspannung des pn-Überganges, der
die Diode bildet, wobei diese Spannung bei Silicium und
Umgebungstemperatur im allgemeinen bei etwa 0,6 V liegt.
Wenn nun das Produkt IB.RBB' (RBB' = gesamter Basiswider
stand des Transistors) so groß ist, daß der Wert von
0,6 V nicht überschritten wird, spricht die Überbrückungs
diode 10 nicht an (oder spricht um den Schwellenwert herum
in vernachlässigbarer Weise an), während dann, wenn das
Produkt IB.RBB' den Schwellenwert von 0,6 V erreicht oder
überschreitet, der in den Figuren mit 5 bezeichnete Wider
stand RBB' durch den niedrigen Widerstand der in Durchlaß
richtung vorgespannten Diode überbrückt wird.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 darge
stellt. Man erkennt, daß die Struktur durch zwei gestri
chelte 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 Ausgleichswider
stand 5, der durch Einschnürung der Basiszone 2 mittels
der Diffusionszone 4 gebildet ist, sowie ein parasitärer
Transistor vorliegt, der mittels seines Basis-Emitter-
Übergangs die Funktion der Diode 10 gemäß dem bereits be
schriebenen Mechanismus ausübt. Es soll besonders erwähnt
werden, wie der parasitäre Transistor gemäß Fig. 3 entsteht.
Im Innern der beiden gestrichelten Linien und genau gesagt
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 bil
det. Am Übergang zwischen der Basiszone 2 und der Zone 4
besteht ebenfalls ein pn-Übergang, der den Emitter-Über
gang des parasitären Transistors darstellt. Die Zonen 2
und 4 des Transistors gemäß der Erfindung sind an der Ober
fläche durch eine Metallisierung 11 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 11 spannt sich der Emitterübergang
des parasitären Transistors TP nicht vor, wenn der Tran
sistor in Betrieb ist. Andererseits wird aufgrund der Me
tallisierung 11 das Emitter-Potential E' des parasitären
Transistors Tp am Potential der inneren Basis B' des
Transistors verankert.
Daraus ergibt sich, daß der Transistor gemäß Fig. 3 durch
das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 4 dargestellt
werden kann.
Wenn man berücksichtigt, daß während des Betriebs des Tran
sistors der Emitter-Basis-Übergang des parasitären Tran
sistors ständig in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, unab
hängig von der Vorspannung des Kollektor-Basis-Übergangs
des parasitären Transistors, erkennt man, auf welche Weise
das elektrische Schema der Fig. 4 im Prinzip elektrisch
mit demjenigen der Fig. 2 äquivalent ist.
Wenn man nun zum mathematischen Ansatz für die dem Fach
mann bekannten Berechnungen übergeht und innerhalb der
Grenzen mit mittleren Werten rechnet, sieht man beispielswei
se, daß sich bei RBB' = 10 Ohm
ergibt;
wenn der Transistor eine typische Verstärkung hFE = 40 hat, ergibt sich außerdem:
wenn der Transistor eine typische Verstärkung hFE = 40 hat, ergibt sich außerdem:
IC = hFE.IB = 40.0,06 = 2,4 A,
d. h. der Widerstand RBB' = 10 Ohm bleibt wirksam bis zu
diesen Stromwerten, darüber hinaus nicht mehr. Oberhalb
dieser Stromwerte wird der Widerstand RBB' überbrückt
durch den in Durchlaßrichtung vorgespannten Übergang des
parasitären Transistors, dessen Widerstandswert bei diesen
Strömen weitaus niedriger ist.
Mithin ergeben sich durch die Erfindung die folgenden Vor
teile:
- 1. Die Spannung VBE des Transistors wird nicht verschlech tert in dem Sinne, daß oberhalb des bereits angegebenen Schwellenwertes bei steigendem IB kein Beitrag des Spannungsabfalles RBB'.IB vorliegt, der wesentlich auf VBE einwirkt.
- 2. Der sichere Arbeitsbereich (S.O.A.) des Transistors in der das Phänomen des zweiten Durchbruchs in Durch laßrichtung (Is/b) betreffenden Zone wird erheblich vergrößert, genau um die in Fig. 5 schraffiert darge stellte Größe.
Die Darstellung in Fig. 5 ist sehr allgemein und nütz
lich, um die Vorteile der Erfindung zu erläutern. Der
nach den üblichen Techniken hergestellte Transistor
hat einen Bereich S.O.A. begrenzt wegen Is/b durch
den durchgehenden Kurvenabschnitt 24-26. Dieser Be
reich 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, daß
sich eine erhöhte Spannung VBE des Transistors ergibt.
Der erfindungsgemäße Transistor hat einen
Bereich S.O.A., der durch die Kurvenabschnitte 24-27-17-15
begrenzt ist, wobei der Übergang von den Be
dingungen hohen Basis-Ausgleichswiderstandes zu denje
nigen niedrigen Basis-Ausgleichswiderstandes, d. h. vom
Punkt 18 zum Punkt 25 über den horizontalen Abschnitt
27 aufgrund des Ansprechens der Überbrückungsdiode er
folgt. In diesem Fall ist klar, daß der Bereich S.O.A.
des gemäß der Erfindung modifizierten Transistors ver
größert wird, weil der Transistor einen sehr hohen Wi
derstand RBB' verwendet, solange die Überbrückungs
diode nicht anspricht. Durch das Ansprechen der Über
brückungsdiode wird erreicht, daß die Spannung VBE
des Transistors bei solchen Stromwerten nicht verschlechtert
wird, die über denjenigen liegen, die durch den hori
zontalen Abschnitt 27 bestimmt sind.
- 3. Überdies bildet in der Struktur des Transistors gemäß Fig. 3, wie sich aus seinem elektrischen Ersatzschaltbild in Fig. 4 ergibt, der parasitäre Transistor TP den Steuertransistor einer Darlington-Schaltung. Damit er gibt sich als weiterer Vorteil der Erfindung dann, wenn die Verstärkung hFE' des parasitären Transistors größer als eins ist, eine Darlington-Wirkung mit einer erhöhten Gesamtverstärkung.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mittels
der bereits bekannten Auslegungskriterien und der be
schriebenen Maßnahmen gemäß der Erfindung ein bipolarer
Leistungstransistor zur Verfügung gestellt wird, der
die Nachteile des Standes der Technik aufgrund der Be
grenzungen an den Basis-Ausgleichswiderständen nicht
mehr aufweist, so daß ohne höhere Herstellungskosten
eine wesentlich bessere Ausnutzung des Transistors bei
großem Strom und großer Spannung möglich ist.
Es sind selbstverständlich zahlreiche Varianten und Abänderungen
möglich.
So muß beispielsweise die in Fig. 3 dargestellte Me
tallisierung 11 nicht notwendigerweise dem Verlauf der
Übergänge zwischen den Zonen 2 und 4 auf der der Emitter
zone 3 näheren Seite kontinuierlich folgen, sondern
kann diskontinuierlich ausgebildet sein, wenn nur ein
Ohm'scher Kontakt zwischen den erwähnten Zonen 2 und 4
in wenigstens einem Punkt hergestellt ist.
Claims (3)
1. Bipolare Leistungstransistorstruktur, bestehend
aus:
- (a) einem Halbleiterkörper mit einer Kollektorzone (1) eines ersten Leitungstyps (N),
- (b) einer Basiszone (2) mit einem zum ersten Lei tungstyp der Kollektorzone (1) entgegengesetz ten Leitungstyp (P), so daß mit dieser ein PN-Übergang gebildet wird, wobei die Basiszone (2) eine zur Kollektorzone (1) entgegengesetz te Oberfläche hat, welche die Hauptfläche der Transistorstruktur bildet,
- (c) mit einer Emitterzone (3) des ersten Lei tungstyps (N⁺), die sich von der Hauptfläche aus in die Basiszone (2) erstreckt, so daß mit dieser ein PN-Übergang gebildet wird,
- (d) mit einer Kollektorkontaktschicht (9), einer Basiskontaktschicht (8) und einer Emitterkon taktschicht (7), die jeweils Ohm'sche Kontakte mit der Kollektorzone (1), der Basiszone (2) und der Emitterzone (3) herstellen,
- (e) mit einer zusätzlichen Halbleiterzone (4) des ersten Leitungstyps (N⁺), die sich von der Hauptfläche aus in die Basiszone (2) erstreckt und mit dieser einen PN-Übergang bildet, der einen Widerstandsverlauf (5) begrenzt, der sich quer durch die Basiszone (2) entlang des Basis-Kollektor-Überganges, jedoch außerhalb des Emitter-Kollektor-Überganges erstreckt,
- (f) mit einer vierten Kontaktschicht (11), die
einen Ohm'schen Kontakt mit der Basiszone (2)
und der zusätzlichen Halbleiterzone (4) her
stellt und die auf der Hauptfläche auf dem
Teil der zusätzlichen Halbleiterzone (4) an
geordnet ist, der näher an der Emitterzone (3)
liegt,
dadurch gekennzeichnet, - (g) daß die zusätzliche Halbleiterzone (4), welche zugleich die Emitterzone eines parasitären Transistors (TP) bildet, die Emitterkontakt schicht (7) des Leistungstransitors mit einem im wesentlichen konstanten Abstand umgibt, und daß die Basiskontaktschicht (8) auf der Haupt fläche im wesentlichen die zusätzliche Halb leiterzone (4) umgibt, so daß ein gleichmäßig verteilter Widerstand zwischen der Basiskon taktschicht (8) und der Emitterzone (3) gebil det wird.
2. Struktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vierte Kontaktschicht (11) eine durch
gehende Metallschicht (11) ist.
3. Struktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vierte Kontaktschicht (11) eine nicht
durchgehende Metallschicht ist, die einen
Ohm'schen Kontakt zwischen der Basiszone (2) und
der zusätzlichen Halbleiterzone (4) in einem oder
in mehreren nicht aneinander angrenzenden Punkten
herstellt.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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