DE3600207C2 - Integrierte Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

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

Es ist bekannt, bei integrierten Leistungstransistoren die Emitter in mehrere Bereiche zu unterteilen und diese Bereiche in den Basisbereichen unterzubringen, wobei sie geeignet unterteilt sind, um hohe Ausgangs­ ströme zu erzielen. Die Kollektorbereiche erstrecken sich selbstverständlich parallel zueinander und sind voneinander durch einen Bereich getrennt, der die Basis­ bereiche und die Emitterbereiche enthält, so daß auf diese Weise Elementartransistoren gebildet werden, die sich nebeneinander erstrecken. In der Praxis werden dadurch verschachtelte Emitter- und Kollektorbereiche 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-Struk­ turen erzielt werden, die im wesentlichen benachbart zu­ einander angeordnet sind.

Die US 4,276,516 offenbart eine Schaltung, die mehrere Leistungstransistoren aufweist, von denen die einzelnen Transistoren derart angesteuert sind, daß zwei angrenzende Transisto­ ren nie gleichzeitig aktiv sind. Weiterhin offenbart dieser Stand der Technik eine modifizierte Ausführung, bei welcher zwei Leistungstransistoren durch vier Transistoren ersetzt sind, de­ ren Fläche in etwa der Fläche der Leistungstransistoren entspricht.

Als weiterer Stand der Technik wird auf die GB 2 133 619 A verwiesen, die sich mit der rela­ tiven Positionierung der Transistoren innerhalb einer integrierten Schaltung befaßt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung, insbesondere auch an den Rändern, zu erzielen.

Die bekannten Strukturen gewährleisten eine erhebliche Verbesserung bei der Stromverstär­ kung gegenüber anderen Strukturen, werden jedoch durch das Problem des direkten Sekun­ därdurchbruchs (I_s/b) beeinflußt.

Es ist bekannt, daß der direkte Sekundärdurchbruch die Hauptursache für Ausfälle von Leistungstransistoren 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 Wechselwir­ kung 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 Ballast­ widerständen in Reihe zum Emitter jedes Elementartran­ sistors, wodurch eine negative Rückkopplung aufgebaut wird, die das Verhalten des Transistors stabilisiert.

Eine weitere, aus der GB 1 467 612 bekannte Lösung besteht darin, daß jeder Elementartransistor beispiels­ weise 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 Aus­ gangstransistor thermisch mit dem Treibertransistor eines anderen Transistorpaars verbunden ist anstelle einer Verbindung mit dem zugehörigen Treibertransistor, um so eine Kompensation thermischer Ungleichheiten zu erzielen.

Eine weit wirksamere Verbesserung wird mit der Lösung erzielt, die in der DE 35 18 077 A1 beschrieben wird. Gemäß dieser Lösung sind die Basen der Elementartransistoren, die den Leistungstransistor oder jeden Leistungstran­ sistor einer Ausgangsstufe bilden, anstelle miteinander kurzgeschlossen zu werden, unabhängig voneinander ange­ ordnet und jede Basis wird mittels einer entsprechenden Stromquelle gesteuert, die aus einem bipolaren Transi­ stor des PNP-Typs besteht, dessen Kollektor mit den vor­ bezeichneten Basen verbunden ist. Dies kann ohne unge­ nutzte Bereiche durchgeführt werden, indem der Kollek­ tor des PNP-Treibertransistors der nahegelegenen komple­ mentären symmetrischen Ausgangsstufe unterteilt wird und dadurch eine Mehrfachkollektor-PNP-Struktur bildet. Diese Struktur ist in den Fig. 1 und 2 für einen inte­ grierten bipolaren Leistungstransistor dargestellt, wäh­ rend Fig. 6 einen Aufbau für eine Klasse B-Ausgangs­ stufe zeigt.

Mittels dieser Lösung werden die elektrothermischen Rückwirkungseigen­ schaften, die bei üblichen Leistungsstrukturen auftre­ ten, dadurch vermindert, daß die Kollektorstromänderun­ gen jedes Elementartransistors als Funktion der Tempera­ tur nunmehr ausschließlich von den Änderungen des indi­ viduellen Verstärkungsgrades mit der Temperatur selbst abhängig sind. Diese Änderung beträgt ungefähr 0,5%/K und liegt damit erheblich unter der Temperaturänderung des I_c(V_BE), die im Falle kleiner Temperaturbereiche gleich 8%/K beträgt.

Die bekannten Lösungen gestatten jedoch nur eine par­ tielle Verminderung des direkten Sekundärdurchbruchs und sind nicht immer frei von Nachteilen. Beispiels­ weise tritt bei der Verwendung von Ballastwiderständen eine Zunahme der Sättigungsspannung des Leistungstransi­ stors auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine inte­ grierte Halbleitervorrichtung zu schaffen, mit der die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer direkten Sekun­ därdurchbruchserscheinung 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 schaf­ fen, 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 integrier­ te Halbleitervorrichtung mit den Merkmalen der Patentan­ sprüche 1 oder 3 gelöst.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels 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 DE 35 18 077 A1 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 entspre­ chendes elektrisches Schaltbild;

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

Fig. 6 das elektrische Schaltbild einer Klasse B-Ausgangsstufe und

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

In den Fig. 1 und 2 ist der geometrische Aufbau und das elektrische Schaltbild eines bipolaren Leistungstransi­ stors dargestellt. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, setzt sich der Transistor aus mehreren gleichförmigen Elementartransistoren zusammen, die mit der Bezugsziffer 1 versehen sind und die Kollektoren aufweisen, die durch Bereiche 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 Elementartransistoren 1 aus Bereichen, die sich parallel in einem bestimmten Abstand zueinander erstrecken und mit den Kollektorbereichen überlappen und elektrisch mit­ einander 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 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 verbunden, 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 vorliegen­ den Ausführungsbeispiel aus einem Stromspiegel gebildet werden, der aus einem ersten, als Diode geschalteten Transistor 12 und einem zweiten Transistor 13 zusammen­ gesetzt 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 be­ steht. Diese PNP-Transistoren werden wiederum durch die dargestellte Schaltung angesteuert, die im wesentlichen aus den Transistoren 14 besteht, um dessen Temperatur­ empfindlichkeit zu reduzieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie der Darstel­ lung gemäß Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Elementar­ transistoren 10 nicht mehr nebeneinander sondern vonein­ ander getrennt angeordnet (beispielsweise um 457,2 µm zwischen den Längs-Symmetrieachsen zweier benachbarter Transistoren), um die elektrother­ mische Wechselwirkung zu verringern. In der Praxis wird für das Layout der Anordnung gemäß Fig. 3 im Hinblick auf eine konventionelle Interdigit-Struktur jeder zwei­ te Elementartransistor ausgelassen, um den gegenseiti­ gen Abstand zwischen den verbleibenden Transistoren 10 zu vergrößern. Um nicht den verbleibenden Bereich, der infolge der Abwesenheit des herausgenommenen Elementar­ transistors leer bleibt, zu verschwenden, wird derselbe Bereich für die dortige Anordnung der mit der Bezugs­ ziffer 11 bezeichneten Stromquellen verwendet. Demzu­ folge 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 ver­ ringert. Die von den Stromquellen 11 abgegebenen Ströme kön­ nen im wesentlichen als gleich zueinander und unbeein­ flußt von den Temperaturänderungen infolge der jeweils angewendeten Ansteuertechnik angesehen werden.

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

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 Lei­ stungstransistor 22 und 23 bestehen, deren Basis je­ weils von einer Stromquelle angesteuert wird, die aus einem Stromspiegel besteht, der aus den Transistoren 24a und 25a bzw. 24b und 25b gebildet wird.

Das Schaltbild gemäß Fig. 6 zeigt eine Klasse B-Aus­ gangsstufe, die eben­ falls dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu­ grundegelegt wird. Ähnlich der Schaltung gemäß Fig. 5 setzt sich die Ausgangsstufe der Schaltung gemäß Fig. 6 aus einer oberen und einer unteren Stufe zusammen. Die obere Stufe enthält den Leistungsstransistor, der durch mehrere Elementartransistoren 22', 22'', 22''' . . . gebildet wird, deren Basen von Stromquellen angesteuert werden, die aus den PNP-Transistoren 25a', 25a'', 25a''' . . . gebildet werden, die zur Bildung eines Strom­ spiegels mit einem als Diode geschalteten PNP-Transi­ stor 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 25b', 25b'', 25b''' . . . 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.

In Fig. 7 ist eine Anordnung der Flächen der Ausgangs­ stufe 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 obe­ ren Stufe bzw. zum oberen Abschnitt der Schaltung gemäß Fig. 6 gehören, dargestellt. Wie der Darstellung zu ent­ nehmen ist, sind die Elementartransistoren 22 des obe­ ren 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 Leistungs­ transistor der oberen oder unteren Stufe ausgelassen. Darüber hinaus sind die individuellen Elementartransi­ storen oder Finger der beiden Leistungstransistoren alternierend bzw. in Zwischenlage so angeordnet, daß der aufgrund des Auslassens der entsprechenden Elemen­ tartransistoren verlorene Bereich wiedergewonnen wird. In dieser Anordnung sind die PNP-Treibertransistoren in der üblichen Weise benachbart zu den entsprechenden Lei­ stungstransistoren angeordnet. In dem Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 7, in dem der Metallbelag unter Verwen­ dung zweier Metallschichten hergestellt ist, sind die Stromquellen 25a, die zur oberen Stufe gehören und die Stromquellen 25b, die zur unteren Stufe gehören, auf zwei gegenüberliegenden Seiten des von den Leistungs­ transistoren eingenommenen Bereichs angeordnet, während in der Anordnung gemäß Fig. 8 die Stromquellen 25a und 25b beide auf derselben Seite angeordnet und in geeigne­ ter Weise mit den entsprechenden Elementartransistoren verbunden sind.

Im einzelnen sind in den Fig. 7 und 8 mit den Bezugs­ ziffern 30 und 30' die Metallschichten der Emitter der Elementartransistoren 22 der oberen Stufe und der Kol­ lektoren der Elementartransistoren 23 der unteren Stufe, mit den Bezugsziffern 31 und 31' die Metall­ schichten der Kollektoren der Elementartransistoren 22 der oberen Stufe und mit den Bezugsziffern 32 und 32' die Metallschichten der Emitter der Elementartransi­ storen 23 der unteren Stufe dargestellt.

Die Bezugsziffern 33 und 33' bezeichnen die Basisver­ bindungen der Elementartransistoren 22 der oberen Stufe und der Kollektoren der Stromquelle 25a und die Bezugs­ ziffern 34 und 34' die Basisverbindungen der Elementar­ transistoren 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 DE 35 18 077 A1 ergebenden Vortei­ le als auch die sich aus der einen bestimmten Abstand einhaltenden Anordnung der individuellen Finger oder Basisbereiche jedes die Ausgangsstufe bildenden Lei­ stungstransistors ergebenden Vorteile nutzbar zu machen. Die alternierende oder in Zwischenlage er­ folgende Anordnung der Elementartransistoren, die die 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 glei­ cher Weise wie die bekannten Vorrichtungen, jedoch mit dem wesentlichen Vorteil einer drastischen Reduzierung thermischer Wechselwirkung zwischen den Elementartran­ sistoren. In der Praxis ist bei den erfindungsgemäßen Vorrichtungen die von jedem Leistungstransistor abgege­ bene Leistung gleich der Summe der von jedem Elementar­ transistor oder Finger der Struktur abgegebenen Lei­ stung. Wird beispielsweise ein bipolarer Leistungstran­ sistor hergestellt, so ist, wenn die Leistungspegel p der individuellen Elementartransistoren, die den Lei­ stungstransistor bilden, durch die direkte Sekundär­ durchbruchserscheinung auf einen vorgegebenen Wert be­ grenzt sind, d. h. V_CE.i_s/b (wobei i_s/b der Kollektor­ strompegel ist, bei dem für eine vorgegebene Kollektor- Emitter-Spannung V_CE der Elementartransistor ausfällt), der erfindungsgemäße Leistungstransistor insgesamt in der Lage, eine Leistung P = V_CE.N.i_s/b abzugeben, wobei N die Anzahl der den Leistungstransistor bildenden Elemen­ tartransistoren ist. In der gleichen Weise ist bei der Herstellung einer Klasse B-Ausgangsstufe jeder der bei­ den die Ausgangsstufe bildenden Leistungstransistoren in der Lage, eine Leistung abzugeben, die gleich der Summe der von den individuellen Elementartransistoren, die jeden Leistungstransistor bilden, abgegebenen Lei­ stungen ist. Darüber hinaus treten keine Änderungen der Sättigungsspannung auf.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in der möglichen Vereinfachung oder dem Weg­ lassen von Schaltungen, die normalerweise bei integrier­ ten 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 Verbin­ dungen auf einer einzelnen Metallschicht mittels geeig­ neter Unterkreuzungen oder durch Verwendung zweier Me­ tallschichten hergestellt werden, so daß sich kreuzende Verbindungen vermieden werden.

Claims (3)

1. Integrierte Halbleitervorrichtung mit mehreren Elementartransisto­ ren bestimmter Ausdehnungsbreite, die Seite an Seite angeordnet sind und Emitter-, Basis- und Kollektorbereiche aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweiligen Emitterbereiche (16) der Elementartransistoren (10) benachbart zueinander in die zugehörigen Ba­ sisbereiche (17) der jeweiligen Elementartransistoren (10) erstrecken und physikalisch voneinander getrennt und elektrisch miteinander verbunden sind, und
dass sich die jeweiligen Kollektorbereiche (15) der Elementartransistoren (10) benachbart zueinander, mit den jeweiligen Emitterbereichen (16) ver­ schachtelt und physikalisch voneinander getrennt, jedoch elektrisch mitein­ ander verbunden, erstrecken,
wobei jeder Elementartransistor (10) von den benachbarten Elementar­ transistoren (10) um einen Abstand entfernt ist, der gleich der Aus­ dehnungsbreite eines Elementartransistors ist, und
wobei jedem Elementartransistor (10) eine entsprechende Stromquelle (11) zu dessen Ansteuerung zugeordnet ist, wobei die Stromquelle (11) zwischen zwei benachbarten Elementartransistoren (10) in dem dazwischen befindlichen Abstand angeordnet ist.

2. Integrierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementartransistoren (10) und die Stromquellen (11) zur Bildung eines Leistungstransistors vorgesehen sind, wobei jede der Stromquellen (11) einen Anschluss aufweist, der individuell mit der Basis (17) eines Elementartransistors (10) verbunden ist.

3. Integrierte Halbleitervorrichtung mit mehreren Elementartransisto­ ren bestimmter Ausdehnungsbreite, die Seite an Seite angeordnet sind und Emitter-, Basis- und Kollektorbereiche aufweisen, wobei
sich die jeweiligen Emitterbereiche der Elementartransistoren benachbart zueinander in die zugehörigen Basisbereiche der jeweiligen Elementartran­ sistoren erstrecken und physikalisch voneinander getrennt und elektrisch miteinander verbunden sind,
sich die jeweiligen Kollektorbereiche der Elementartransistoren benachbart zueinander, auf mit den jeweiligen Emitterbereichen verschachtelt und phy­ sikalisch voneinander getrennt, jedoch elektrisch miteinander verbunden, erstrecken,
und jeweils eine Stromquelle (25a; 25b) individuell mit der Basis eines Elementartransistors (22; 23) verbunden ist,
in der zur Bildung einer Klasse-B Ausgangsstufe mehrere erste Elementar­ transistoren (22) mit Emitter-, Basis- und Kollektorbereichen (30, 33, 31; 30', 33', 31'), die einen ersten Leistungstransistor bilden und mehrere zwei­ te Elementartransistoren (23) mit Emitter-, Basis- und Kollektorbereichen (32, 34, 30; 32', 34', 30'), die einen zweiten Leistungstransistor bilden, vor­ gesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder Elementartransistor (22) innerhalb des ersten Leistungstransistors von den benachbarten Elementartransistoren (22) um einen Abstand voneinander entfernt ist, der gleich der Ausdeh­ nungsbreite eines Elementartransistors (22) ist und dass jeder der Elemen­ tartransistoren (23) des zweiten Leistungstransistors zwischen benachbar­ ten Elementartransistoren (22) des ersten Leistungstransistors in dem da­ zwischen befindlichen Abstand angeordnet ist.