DE3518077A1 - Bipolarer leistungstransistor - Google Patents

Description

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Beschrei bung

Die Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen und insbesondere einen bipolaren Leistungstransistor.

Leistungstransistoren müssen in der Lage sein, mit verhältnismäßig großen Energien, das heißt mit relativ starken Strömen und Spannungen, für ausreichend lange Zeiten belastet zu werden. Um die Stromstärke zu erhöhen, werden die Emitter-Geometrien in der Weise gewählt, daß das Verhältnis zwischen dem Umfang und der Fläche groß ist, beispielsweise durch fingerartig ineinandergreifende Geometrien, so daß das sogenannte "emitter crowding"-Phänomen begrenzt wird, das bekanntlich zu einer Verdichtung des Stromes in den Umfangszonen des Emitter-Basis-Überganges und damit zu einer Verschlechterung der Stromverstärkung führt.

Ein Leistungstransistor mit fingerartig ineinandergreifender Struktur besteht aus mehreren, gleichen Elementartransistoren, deren Kollektoren ebenso wie die Emitter gemeinsam miteinander verbunden sind. Bei einer üblichen Struktur dieser Art sind außerdem die Basen der Elementartransistoren miteinander verbunden, so daß die entsprechenden Basis-Emitter-Spannungen voneinander abhängen. In Wirklichkeit können die Elementartranistören nur in erster Näherung als untereinander gleich angenommen werden, weil sie im allgemeinen Unterschiede sowohl hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften als auch der Betriebstemperaturen aufweisen. So kann sich insbesondere der Strom mit wachsender Kollektor-Emitter-Spannung vorwiegend auf einige der Elementartransistoren konzentrieren, anstatt sich gleichförmig auf diese aufzuteilen, weshalb die abgegebene Leistung merklich kleiner als die Maximal 1 eistung ist, die der Transistor insgesamt liefern könnte, und weshalb Rückkopplungsvorgänge entstehen können, die den Ausfall des Transistors verursachen. Dieser Störungsmechanismus, der als sekundärer Durchbruch im Durchlaßbetrieb (I s/b) bekannt ist, stellt einen der wesentlichen Nach-

teile herkömmlicher Leistungstransistoren dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungstransistor zur Verfugung zu stellen, der auf seiner gesamten Oberfläche auch bei großen Kollektor-Emitter-Spannungen gleichförmig aktiviert ist und damit eine Leistung abgeben kann, die erheblich größer als bei einem herkömmlichen Leistungstransistor ist, ohne daß dabei die Phänomene eines sekundären Durchbruchs auftreten .

Diese Aufgabe wird bei dem Transistor der angegebenen Gattung durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen:

Figur 1 das Schaltbild einer vereinfachten Ersatzschaltung
eines NPN-Leistungstransistors bekannter Bauart und

Figur 2 eine vereinfachte Ersatzschaltung eines NPN-Leistungstransistors gemäß der Erfindung.

In den beiden Figuren werden für übereinstimmende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.

Die in Figur 1 gezeigte Ersatzschaltung hat N Elementartransistoren Tl, T2, ... TN (NPN-Transistören) mit gemeinsamen Elektroden für Kollektor, Emitter und Basis, deren Anschlüsse mit C, E bzw. B Dezeichnet sind. Die N Elementartransistoren werden von einer Steuerstufe G gesteuert, die in der Figur als Stromquelle dargestellt ist und die einen Strom I in die Basiselektrode schickt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt im Betrieb herrscht zwischen den Kollektor-Elektroden und den Err, itter-Elektrcden e^ne Spannung Vce. Wenn die Transistoren Tl, T2, ... TN

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identisch sind, verteilt sich der Strom I gleichmäßig zwischen den N Basen; die N Transistoren haben somit denselben Kollektorstrom Ic, und jeder von ihnen verbraucht eine Leistung IcVce. Wenn der von der Quelle erzeugte Strom I ansteigt, wachsen in diesem Zustand die Kollektorströme und die Verlustleistungen im selben Maß in den N Transistoren.

Wie bereits erwähnt wurde, ist jedoch in Wirklichkeit die Möglichkeit groß, daß Unterschiede zwischen den Eigenschaften der Elementartransistoren und ihren Temperaturen bestenen. Diese Unterschiede werden mit wachsender Spannung Vce wesentlich und verursachen thermo-elektrisehe Instabilitätsphänomene, die aufgrund des sekundären Durchbruchs einen Ausfall des Leistungstransistors verursachen können. Wenn beispielsweise die Temperatur des Transistors T2 etwas größer als diejenige der anderen Transistoren ist, ergeben sich, weil seine Basis-Emitter-Spannung nicht geringer werden kann, da sie an diejenige der anderen gebunden ist, ein Ansteigen seines Basisstroms und damit auch seines Kollektorstroms (Ic erfährt einen Anstieg in der Größenordnung von 8% je Grad Celsius für kleine Temperaturänderungen) sowie der Verlustleistung, unter entsprechender Verringerung bei den anderen Transistoren. Das führt zu einem merklicheren Ansteigen der Temperatur von T2, was einen weiteren Anstieg der von diesem verbrauchten Leistung zur Folge hat. Diese Wirkung summiert sich, so daß schließlich der Strom I fast vollständig in die Basis von T2 fließen kann.

Diese Situation ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Elementartransistoren nicht unabhängig voneinander sind, so daß ein anomaler Betrieb eines von ihnen das Verhalten der anderen beei nträchtigt.

Eine bekannte Lösung dieses Problems des sekundären Durchbruchs besteht darin, einen sogenannten Ausgleichswiderstand (ballast resistor) in Reihe mit dem Emitter jedes Elementartransistors zu schalten, um eine Gegenkopplung herbeizuführen, die dessen Verhalten stabilisiert. In der GB-PS 1 467 612 ist eine weitere Lösung erläutert, die darin besteht, jeden NPN-Elementartransistör durch ein Paar von NPN-Transistören zu ersetzten, von denen der eine ein Steuertransistor und der andere ein Ausgangstransistor ist, die miteinander in Kaskodenschaltung oder in Darlingtonschaltung verbunden und geometrisch so angeordnet sind, daß der Ausgangstransistor thermisch mit dem Steuertransistor eines anderen Paares anstatt mit demjenigen desselben Paares verbunden ist, um eine Kompensation der thermischen Ungleichgewichte zu erzielen. Diese Maßnahmen lösen jedoch das Problem des sekundären Durchbruchs nur teilweise und gehen obendrein zu Lasten einer höheren Sättigungsspannung.

Dieses Problem wird mit einem Leistungstransistor gemäß der Erfindung gelö:t, von dem eine schaltungstechnische Ausführungsform in Figur 2 dargestellt ist. Daraus ergibt sich, daß die Basen der Transistoren Tl, T2, ... TN nicht, wie in der Figur 1, miteinander v-rbunden, sondern voneinander unabhängig sind, wobei jede Ba is durch eine eigene Stromquelle gesteuert wird, die als bipolarer PNP-Transistor ausgebildet ist, dessen Kollektor mit der jeweiligen Basis verbunden ist. Die in der Zahl N vorhandenen P NP-Tr a ns istören sind in der Figur 2 mit Gl, G2, ... GN bezeichnet. Ihre Emitter sind gemeinsam an den Kollektoranschluß C des Leistungstransistors angeschlossen, während ihre untereinander verbundenen Basen über den Basisanschluß B mit dem Ausgang einer Steuerstufe G verbunden ist, die in der Figur als Stromquelle dargestellt ist. Die Verlustleistung der Steuertransistoren Gl, G2, ... GN ist erheblich geringer als diejenige der Ausganjstrensistören Tl, T2, ... TN₅ weil sie nur die Basis ströme für diese Transistoren liefern, so daß sie keinen sekundären Durcnbruchphänomenen ausgesetzt sind.

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Bei dem Leistungstransistor gemäß der Erfindung wenden alle Elementartransistoren Tl, T2, ... TN (über den Basisstrom) stromgesteuert, und ihre jeweiligen Basis-Emitter-Spannungen sind nicht miteinander verknüpft. Bei einer Änderung der thermischelektrischen Situation ist die Basis-Emitter-Spannung jedes Elementartransistors frei, sich zu ändern, so daß die Auswirkungen auf den Kollektorstrom des Transistors vernachlässigbar sind. Der Kollektorstrom wird nämlich nur von den Schwankungen der Stromverstärkung mit der Temperatur beeinflußt. BeKanntlich liegen diese Schwankungen in der Größenordnung von 0,5% je Grad Celsius und damit erheblich unter den Schwankungen von etwa 8% je Grad Celsius bei der Schaltung der Figur 1. Die Stromverteilung über der gesamten Fläche des Leistungstransistors ist gleichförmig, so daß dieser sehr hohe Leistungen aogeben kann.

Der Leistungstransistor gemäß der Erfindung kann mit cen üblichen Integrationstechniken für bipolare Schaltungen, z. B. die Planartechnik zur Erzielung einer Struktur gemäß US-PS 3 544 860, als monolithisch integrierte Schaltung ausgeführt werden. Insbesondere sind die Transistoren Tl, T2, ... TN vorzugsweise vertikale NPN-Transistören und die Transistoren Gl, G2, ... GN vorzugsweise laterale PNP-Transistören.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   fu. Bipolarer Leistungstransistor mit einem Basisanschluß (B), einem Emitteranschluß (E) und einem KoI1ektoranschluß (C), dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Mehrzahl von Elementartransistoren (Tl, T2, ... TN) hat, deren Emitter und deren Kollektoren mit den Emitteranschlüssen bzw. den Kollektoranschlüssen des Leistungstransistors verbunden sind, sowie eine gleiche Zahl von Stromquellen (Gl, G2, ... GN), von denen jede mit einem eigenen Anschluß an die Basis eines Elementartransistors angeschlossen ist.
2. 2. Bipolarer Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen Transistoren sind, deren Polarität entgegengesetzt zu derjenigen der Elementartransistoren ist.
3. 3. Bipolarer Leistungstransistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementartransistoren NPN-Transistoren und die Stromquellen PNP-Transistören sind, deren Kollektoren die Anschlüsse der Stromquellen sind.
4. 4. Bipolarer Leistungstransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die PNP-Transistören mit ihren Basen und mit ihren Emittern an die Basisanschlüsse bzw. an die Kollektoranschlüsse des Leistungstransistors angeschlossen sind.
5. 5. Bipolarer Leistungstransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als monolithische integrierte Schaltung ausgebildet ist.