DE3600207A1 - Integrierte halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleitervorrichtung und insbesondere sowohl auf einen integrierten, bipolaren Leistungstransistor als auch auf eine Klasse B-Ausgangsstufe.

Es ist bekannt, bei integrierten Leistungstransistoren die Emitterflächen in mehrere Bereiche zu unterteilen und diese Bereiche in den Basisflächen unterzubringen, wobei sie geeignet unterteilt sind, um hohe Ausgangsströme zu erzielen. Die Kollektorbereiche erstrecken sich selbstverständlich parallel zueinander und sind voneinander durch einen Bereich getrennt, der die Basisfläche und die Emitterfläche enthält, so daß auf diese Weise Elementartransistoren gebildet werden, die sich nebeneinander erstrecken. In der Praxis werden dadurch verschachtelte Emitter- und Kollektorflächen erzielt, die eine typische Geometrie bilden, die allgemein als "Interdigit-Geometrie" bezeichnet wird.

Bei Klasse B-Ausgangsstufen wird diese Geometrie für jeden der beiden Leistungstransistoren, die die Stufe bilden, wiederholt, so daß zwei solche Interdigit-Strukturen erzielt werden, die im wesentlichen benachbart zueinander angeordnet sind.

Derartige Strukturen gewährleisten eine erhebliche Verbesserung bei der Stromverstärkung gegenüber anderen Strukturen, werden jedoch durch das Problem des direkten Sekundärdurchbruchs (Is/b) beeinflußt.

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Es ist bekannt, daß der direkte Sekundärdurchbruch die Hauptursache für Ausfälle von Leistungsttransistoren ist und aufgrund von Spannungsungleichheiten an den Übergängen sowie aufgrund von Temperaturungleichheiten in den verschiedenen Transistorbereichen auftritt. (Vgl. beispielsweise den Artikel "La rottura secondaria nei circuiti integrati di potenza" von F. Villa, Elettronica e telecomonicazioni, No. 3, 1984.)

Insbesondere stellt die elektrothermische Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Leistungsstreubereichen der Transistoren das Haupthindernis zum Erlangen einer verbesserten direkten Sekundärdurchbruchsfestigkeit dar.

Es sind bereits mehrere Lösungen zur Verbesserung der direkten Sekundärdurchbruchsfestigkeit von Transistoren vorgeschlagen worden. Eine dieser Lösungen besteht in der Verwendung von Widerständen, sogenannten Ballastwiderständen in Reihe zum Emitter jedes Elementartransistors, wodurch eine negative Rückkopplung aufgebaut wird, die das Verhalten des Transistors stabilisiert.

Eine weitere, aus der GB-PS 1 467 612 bekannte Lösung besteht darin, daß jeder Elementartransistor beispielsweise des NPN-Typs durch zwei NPN-Transistoren ersetzt wird, von denen einer den Treibertransistor und der andere den Ausgangstransistor bildet, die in Kaskoden oder Darlington-Schaltung miteinander verbunden sind und die geometrisch so angeordnet sind, daß der Ausgangstransistor thermisch mit dem Treibertransistor eines anderen Transistorpaars verbunden ist anstelle einer Verbindung mit dem zugehörigen Treibertransistor, um so eine Kompensation thermischer Ungleichheiten zu erzielen.

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Eine weit wirksamere Verbesserung wird mit der Lösung erzielt, die in der italienischen Patentanmeldung Nr. 21028 A/84 desselben Anmelders beschrieben wird. Gemäß dieser Lösung sind die Basen der Elementartransistoren, die den Leistungstransistor oder jeden Leistungstransistor einer Ausgangsstufe bilden, anstelle miteinander kurzgeschlossen zu werden, unabhängig voneinander angeordnet und jede Basis wird mittels einer entsprechenden Stromquelle gesteuert, die aus einem bipolaren Transistor des PNP-Typs besteht, dessen Kollektor mit den vorbezeichneten Basen verbunden ist. Dies kann ohne ungenutzte Bereiche durchgeführt werden, indem der Kollektor des PNP-Treibertransistors der nahegelegenen komplementären symmetrischen Ausgangsstufe unterteilt wird und dadurch eine Mehrfachkollektor-PNP-Struktur bildet. Diese Struktur ist in den Fig. 1 und 2 für einen integrierten bipolaren Leistungstransistor dargestellt, während Fig. 6 einen Aufbau für eine Klasse B-Ausgangsstufe zeigt.

Mittels der aus der genannten Anmeldung bekannten Lösung werden die elektrothermischen Rückwirkungseigenschaften, die bei üblichen Leistungsstrukturen auftreten, dadurch vermindert, daß die Kollektorstromänderungen jedes Elementartransistors als Funktion der Temperatur nunmehr ausschließlich von den Änderungen des individuellen Verstärkungsgrades mit der Temperatur selbst abhängig sind. Diese Änderung beträgt ungefähr 0,5%/°C und liegt damit erheblich unter der Temperaturänderung des I_c(^vbe)' die i™ FsHe kleiner Temperaturbereiche gleich 8%/°C beträgt.

Die bekannten Lösungen gestatten jedoch nur eine partielle Verminderung des direkten Sekundärdurchbruchs

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und sind nicht immer frei von Nachteilen. Beispielsweise tritt bei der Verwendung von Ballastwiderständen eine Zunahme der Sättigungsspannung des Leistungstransistors auf.

Q Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte Halbleitervorrichtung zu schaffen, mit der die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer direkten Sekundärdurchbruchserscheinung drastisch reduziert werden kann und die eine wesentlich höhere Leistung in bezug auf bekannte Vorrichtungen abgeben kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, die individuell in Elementartransistoren (NPN) und Treiber PNP-Transistoren so anzuordnen ist, daß der Gesamtaufbau die gleiche oder eine geringfügig größere Fläche einnimmt wie die der bekannten Strukturen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine integrierte Halbleitervorrichtung gelöst, die mehrere Elementartransistoren enthält, die nebeneinander angeordnet sind und Emitter-, Basis- und Kollektorflächen aufweisen, wobei sich die Emitterflächen der Elementartransistoren benachbart zueinander in die dazugehörigen Basisbereiche erstrecken und wobei sich die Kollektorflächen nebeneinander physikalisch getrennt jedoch elektrisch miteinander verbunden in überlappter Weise mit den Emitterflächen erstrecken und die dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Elementartransistor von den benachbarten Transistoren in einem Abstand entfernt ist, der mindestens der halben Breite eines Elementartransistors entspricht.

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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines bipolaren Leistungstransistors und einer Klasse B-Ausgangsstufe soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der Flächen bzw. Bereiche

eines bekannten Leistungstransistors, der entsprechend der italienischen Patentanmeldung 21028 A/84 aufgebaut ist;

Fig. 2 das zugehörige elektrische Schaltbild des Aufbaus gemäß Fig. 1;

Fig. 3 die Anordnung der Flächen bzw. Bereiche eines bipolaren Leistungstransistors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein der Anordnung gemäß Fig. 3 entsprechendes elektrisches Schaltbild;

Fig. 5 ein elektrisches Schalbild einer bekannten Klasse B-Ausgangsstufe;

Fig. 6 das elektrische Schaltbild einer Klasse B-Ausgangsstufe, die gemäß der italienischen Patentanmeldung 21028 A/84 aufgebaut ist
und

Fig. 7+8 zwei mögliche Variationen der Flächenanordnungen für den Einsatz des in Fig. 6 dargestellten Aufbaus.

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W In den Fig. 1 und 2 ist der geometrische Aufbau und das elektrische Schaltbild eines bipolaren Leistungstransistors dargestellt. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, setzt sich der bekannte Transistor aus mehreren gleichförmigen Elementartransistoren zusammen, die mit der Bezugsziffer 1 versehen sind und die Kollektoren aufweisen, die durch Flächen gebildet sind, die sich parallel und benachbart zueinander erstrecken und die elektrisch mittels der Metallfläche 3 verbunden sind. In gleicher Weise bestehen die Emitter der Transistoren 1 aus Bereichen bzw. Flächen, die sich parallel in einem bestimmten Abstand zueinander erstrecken und mit den Kollektorbereichen überlappen und elektrisch miteinander mittels der Metallschicht 4 verbunden sind. Zwischen den beiden Bereichen erstreckt sich U-förmig « die Basisschicht 5. Aufgrund dieser Anordnung wird von einer Interdigit-Struktur gesprochen, wobei jeder Fin- ' ger dieser Anordnung (der mehrere Zellen umfaßt) einen Elementartransistor bildet. Der Transistor gemäß den Fig. 1 und 2 weist darüber hinaus mehrere Stromquellen auf, die hier durch Transistoren 2 gebildet sind. Wie insbesondere der Darstellung gemäß Fig. 2 zu entnehmen ist, sind die Basen der Transistoren 1 untereinander getrennt und jeweils mit einem zugeordneten Kollektor eines Stromquellen-PNP-Transistors 2 erbunden, wobei die an sich bekannte "Unterkreuzungstechnik" angewendet wird.

In den Fig. 3 und 4 ist ein erfindungsgemäßer bipolarer Leistungstransistor dargestellt. Der Transistor wird durch mehrere NPN-Transistoren 10 (wobei die Schaltung gemäß Fig. 4 drei derartige Transistoren enthält) und zugeordnete Stromquellen 11 gebildet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Stromspiegel gebildet

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werden, der aus einem ersten, als Diode geschalteten Transistor 12 und einem zweiten Transistor 13 zusammengesetzt ist. Ähnlich dem bekannten Aufbau ist die Basis jedes der Elementartransistoren 10 des NPN-Typs von den anderen Basen getrennt und mit einer entsprechenden Stromquelle 11 verbunden, die aus PNP-Transistoren besteht. Diese PNP-Transistoren werden wiederum durch die dargestellte Schaltung angesteuert, die im wesentlichen aus den Transistoren 14 besteht, um dessen Temperaturempfindlichkeit zu reduzieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie der Darstellung gemäß Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Elementartransistoren 10 nicht mehr nebeneinander sondern voneinander getrennt angeordnet (beispielsweise um 18 mils (457.2 microns) zwischen den Längs-Symmetrieachsen zweier benachbarter Transistoren), um die elektrothermische Wechselwirkung zu verringern. In der Praxis wird für das Layout der Anordnung gemäß Fiug. 3 im Hinblick auf eine konventionelle Interdigit-Struktur jeder zweite Elementartransistor ausgelassen, um den gegenseitigen Abstand zwischen den verbleibenden Transistoren 10 zu vergrößern. Um nicht den verbleibenden Bereich, der infolge der Abwesenheit des herausgenommenen Elementartransistors leer bleibt, zu verschwenden, wird derselbe Bereich für die dortige Anordnung der mit der Bezugsziffer 11 bezeichneten Stromquellen verwendet. Demzufolge weist die gesamte Anordnung eine Fläche auf, die etwas größer als die der bekannten Vorrichtungen ist, die jedoch in einem erheblichen Maße die thermische Wechselwirkung zwischen den Elementartransistoren verringert. Die von den Quellen 11 abgegebenen Ströme können im wesentlichen als gleich zueinander und unbeeinflußt von den Temperaturänderungen infolge der jeweils angewendeten Ansteuertechnik angesehen werden.

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In Fig. 3 sind die Metallschichten des Kollektors 15, des Emitters 16 und der Basis 17 im einzelnen dargestellt; darüber hinaus sind in dieser Figur die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Bereichen, die die Transistoren 10, 12, 13 und 14 bilden, in teilweise schematischer Weise gezeigt.

ψ Fig. 5 zeigt das entsprechende elektrische Schaltbild einer bekannten Klasse B-Ausgangsstufe. Das in Fig. 5 dargestellte Schaltbild weist eine obere Stufe 20 und eine untere Stufe 21 auf, die jeweils aus einem Leistungstransistor 22 und 23 bestehen, deren Basis jeweils von einer Stromquelle angesteuert wird, die aus einem Stromspiegel besteht, der aus den Transistoren 24a und 25a bzw. 24b und 25 gebildet wird.

Das Schaltbild gemäß Fig. 6 zeigt eine Klasse B-Ausgangsstufe entsprechend dem Gegenstand der genannten italienischen Patentanmeldung Nr. 21028 A/84, die ebenfalls dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung zugrundegelegt wird. Ähnlich der Schaltung gemäß Fig. 5 setzt sich die Ausgangsstufe der Schaltung gemäß Fig. aus einer oberen und einer unteren Stufe zusammen. Die obere Stufe enthält den Leistungsstransistor, der durch mehrere Elementartransistoren 22', 22¹¹, 22'·' ... gebildet wird, deren Basen von Stromquellen angesteuert werden, die aus den PNP-Transistoren 25a¹, 25a¹¹, 25a'¹¹ ... gebildet werden, die zur Bildung eines Stromspiegels mit einem als Diode geschalteten PNP-Transistor 24a verbunden sind. Ähnlich setzt sich die untere Stufe aus einem Leistungstransistor zusammen, der durch Elementartransistoren 23', 23' ' , 23"' ... gebildet wird, deren Basen von Stromquellen angesteuert werden, die sich aus PNP-Transistoren 25b¹, 25b¹¹, 25b¹¹¹ ...

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zusammensetzen, die zur Bildung eines Stromspiegels mit dem als Diode geschalteten Transistor 24b verbunden sind. Zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Konzepts wird nachstehend Bezug genommen auf die Fig. 7 und 8, die zwei Ausführungsbeispiele der Flächenanordnungen der Schaltung gemäß Fig. 6 darstellen.

Ij In Fig. 7 ist eine Anordnung der Flächen der Ausgangsstufe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei der Metallbelag aus zwei Metallschichten besteht, wohingegen in Fig. 8 eine Anordnung mit einer einzelnen Metallschicht dargestellt ist. In den Fig. 7 und 8 sind die Elementartransistoren 23, die zu der unteren Stufe oder dem unteren Abschnitt der Schaltung gemäß Fig. 6 gehören und die Elementartransistoren 22, die zur oberen Stufe bzw. zum oberen Abschnitt der Schaltung gemäß Fig. 6 gehören, dargestellt. Wie der Darstellung zu entnehmen ist, sind die Elementartransistoren 22 des oberen Abschnitts der Schaltung abwechselnd alternierend oder in Zwischenlage mit den Elementartransistoren 23 des unteren Abschnitts der Schaltung angeordnet. In der Praxis wird auch in diesem Fall jeder zweite Leistungstransistor der oberen oder unteren Stufe ausgelassen. Darüber hinaus sind die individuellen Elementartransistoren oder Finger der beiden Leistungstransistoren alternierend bzw. in Zwischenlage so angeordnet, daß der aufgrund des Auslassens der entsprechenden Elementartransistoren verlorene Bereich wiedergewonnen wird. In dieser Anordnung sind die PNP-Treibertransistoren in der üblichen Weise benachbart zu den entsprechenden Leistungstransistoren angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7, in dem der Metallbelag unter Verwendung zweier Metallschichten hergestellt ist, sind die Stromquellen 25a, die zur oberen Stufe gehören und die

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Stromquellen 25b, die zur unteren Stufe gehören, auf zwei gegenüberliegenden Seiten des von den Leistungstransistoren eingenommenen Bereichs angeordnet, während in der Anordnung gemäß Fig. 8 die Stromquellen 25a und 25b beide auf derselben Seite angeordnet und in geeigneter Weise mit den entsprechenden Elementartransistoren verbunden sind.

Im einzelnen sind in den Fig. 7 und 8 mit den Bezugsziffern 30 und 30' die Metallschichten der Emitter der Elementartransistoren 22 der oberen Stufe und der Kollektoren der Elementartransistoren 23 der unteren Stufe, mit den Bezugsziffern 31 und 31" die Metallschichten der Kollektoren der Elementartransistoren der oberen Stufe und mit den Bezugsziffern 32 und 32' die Metallschichten der Emitter der Elementartransistoren 23 der unteren Stufe dargestellt.

Die Bezugsziffern 33 und 33' bezeichnen die Basisverbindungen der Elementartransistoren 22 der oberen Stufe und der Kollektoren der Stromquelle 25a und die Bezugsziffern 34 und 34' die Basisverbindungen der Elementartransistoren 23 der unteren Stufe und der Kollektoren der Stromquelle 25b der unteren Stufe.

/-? Durch diese erfindungsgemäße Anordnung ist es möglich, sowohl die sich aus der Anordnung gemäß der italienischen Patentanmeldung Nr. 2102 8 A/84 ergebenden Vorteile als auch die sich aus der einen bestimmten Abstand einhaltenden Anordnung der individuellen Finger oder Basisflächen jedes die Ausgangsstufe bildenden Leistungstransistors ergebenden Vorteile nutzbar zu machen. Die alternierende bzw. in Zwischenlage erfolgende Anordnung der Elementartransistoren, die die

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Leistungstransistoren bilden, ermöglicht es, die Größe der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren, so daß die Vorrichtung insgesamt eine Fläche aufweist, die etwa gleich der bekannter Vorrichtungen ist.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen arbeiten in gleicher Weise wie die bekannten Vorrichtungen, jedoch mit dem wesentlichen Vorteil einer drastischen Reduzierung thermischer Wechselwirkung zwischen den Elementartransistoren. In der Praxios ist bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen die von jedem Leistungstransistor abgegebene Leistung gleich der Summe der von jedem Elementartransistor oder Finger der Struktur abgegebenen Leistung. Wird beispielsweise ein bipolarer Leistungstransistor hergestellt, so ist, wenn die Leistungspegel ρ der individuellen Elementartransistoren, die den Leistungstransistor bilden, durch die direkte Sekundärdurchbruchserseheinung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt sind, d. h. V^E'is/b (wobei i_s/b der Kollektorstrompegel ist, bei dem für eine vorgegebene Kollektor-Emitter-Spannung Vq£ der Elementartransistor ausfällt), der erfindungsgemäße Leistungstransistor insgesamt in der Lage, eine Leistung P=Vq^¹H'i_s/b abzugeben, wobei N die Anzahl der den Leistungstransistor bildenden Elementartransistoren ist. In der gleichen Weise ist bei der Herstellung einer Klasse B-Ausgangsstufe jeder der beiden die Ausgangsstufe bildenden Leistungstransistoren in der Lage, eine Leistung abzugeben, die gleich der Summe der von den individuellen Elementartransistoren, die jeden Leistungstransistor bilden, abgegebenen Leistungen ist. Darüber hinaus treten keine Änderungen der Sättigungsspannung auf.

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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der möglichen Vereinfachung oder dem Weglassen von Schaltungen, die normalerweise bei integrierten Schaltungen zum Überlastschutz vorzusehen sind. Diese Schaltungen dienen dem Zweck, zu verhindern, daß der Leistungstransistor zuviele Verluste macht (SOA Safe Operating Area). Indem der Sicherheitsbereich gemäß der vorliegenden Erfindung verbreitert wird, ist es möglich, derartige Schaltungen zu reduzieren bzw. wegzulassen.

Im Falle einer Klasse B-Ausgangsstufe können die Verbindungen auf einer einzelnen Metallschicht mittels geeigneter Unterkreuzungen oder durch Verwendung zweier Metallschichten hergestellt werden, so daß sich kreuzende Verbindungen vermieden werden.

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Claims (6)

1. SGS MICROELETTRONICA S.p.A.,

   Strada Primosole 50, Catania, Italien

   Integrierte Halbleitervorrichtung

   Ansprüche

   /1. Integrierte Halbleitervorrichtung mit mehreren Elementartransistoren bestimmter Breite, die Seite an Seite angeordnet sind und Emitter-, Basis- und Kollektorflächen aufweisen,

   dadurch gekennzeichnet, daß sich die Emitterflächen der Elenentartransistoren benachbart zueinander in die zugehörigen Basisflächen erstrecken und physikalisch voneinander getrennt und elektrisch miteinander verbunden sind und daß sich die Kollektorflächen benachbart zueinander und physikalisch voneinander getrennt, jedoch elektrisch miteinander verbunden zwischen den Emitterflächen liegend erstrecken, wobei jeder Elementartransistor von den benachbarten Transistoren um einen Abstand entfernt ist, der zumindest gleich der halben Breite eines Elementartransistors ist.

   DN/sg

   Dipl.-Ing. Günther Eisenführ Dipl.-Ing. Dieter K. Speiser Dr.-Ing. Werner W. Rabus Dipl.-Ing. Detlef Ninnemann Martinistraße 24 D-28OO Bremen 1 Telefon (0421) 32 8037 Telecopierer Telex 02 44020 fepat d

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   36Ό0207
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transistor von seinen benachbarten Transistoren um einen Abstand entfernt ist, der gleich der Breite eines Transistors ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Leistungstransistors die mehreren Elementartransistoren und mehrere Stromquellen vorgesehen sind, von denen jeweils eine einem Elementartransistor zugeordnet ist und jede Stromquelle einen Anschluß aufweist, der individuell mit der Basisfläche eines Elementartransistors verbunden ist, wobei die Stromquelle zwischen zwei benachbarten Elementartransistoren in dem dazwischen befindlichen Abstand angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Bildung einer Klasse B-Ausgangsstufe mit mehreren ersten Elementartransistoren, die Emitter-, Basis- und Kollektorflächen aufweisen und einen ersten Leistungstransistor bilden und mehreren zweiten Elementartransistoren, die Emitter-, Basis- und Kollektorflächen aufweisen und einen zweiten Leistungstransistor bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elementartransistor innerhalb des ersten Leistungstransistors von den benachbarten Inventartransistoren um einen entsprechenden Abstand voneinander entfernt ist und daß jeder Elementartransistor des zweiten Leistungstransistors zwischen benachbarten Elementartransistoren des ersten Leistungstransistors und in dem dazwischen befindlichen Abstand angeordnet ist.

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   360Ö207
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen zwischen den Emitter-, Basis- und Kollektorflächen auf einer einzelnen Metallschicht ausgebildet sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen zwischen den Emitter-, Basis- und Kollektorflächen auf zwei Metallschichten ausgebildet sind.