DE3743204A1 - Leistungstransistor mit verbesserter sicherheit gegen zweiten durchbruch - Google Patents
Leistungstransistor mit verbesserter sicherheit gegen zweiten durchbruchInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungstransistor Mit
verbesserter Sicherheit gegen zweiten Durchbruch,
mit einer Mehrzahl von Transistorelementen deren Emit
terregionen miteinander verbunden sind und einen gemein
samen Emitteranschluß bilden, deren Kollektorregionen
miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Kollek
toranschluß bilden, und deren Basisregionen an minde
stens eine Stromquelle angeschlossen sind.
Es ist bekannt, daß einer der Hauptgründe beim Ausfall
vom bipolaren Leistungstransistoren der sogenannte
zweite Durchbruch ist. Diese normalerweise zerstörende
Eigenschaft begrenzt die Leistungsdaten solcher Tran
sistoren, so daß beim Schaltungsentwurf besonders die
Möglichkeit eines solchen zweiten Durchbruches vermie
den werden muß.
Der Grund für eine solche Instabilität ist thermischer
Art und bildet das Haupthindernis, bei bipolaren
Transistoren den sicheren Arbeitsbereich zu vergrößern.
Um die Sicherheit von Transistoren gegenüber solchen
Belastungen zu verbessern, sind bereits verschiedene
Lösungen vorgeschlagen worden. Eine Lösung besteht z. B.
in der Benutzung von sogenannten Ballast-Widerständen,
die in Serie mit dem Emitter jedes Transistorelementes
geschaltet sind, während die GB-PS 14 67 612 vor
schlägt, jedes Transistorelement durch ein Paar von
Transistoren zu ersetzen, die geometrisch so angeordnet
sind, daß sich thermische Ungleichgewichte kompensie
ren. In der italienischen Patentanmeldung Nr. 21 028 A/84
des gleichen Anmelders wird jedes solcher Tran
sistorelemente durch eine eigene Stromquelle gesteuert,
um den elektrothermischen Regenerationseffekt zu
reduzieren. Obwohl diese Lösungen gegenüber früheren
Bauelementen eine gewissen Verbesserung brachten, kön
nen sie das Auftreten eines direkten zweiten Zusammen
bruchs nur teilweise vermeiden und weisen auch sonst
Nachteile auf.
Eine deutliche Verbesserung wird durch die Lösung nach
dem U.S.-Patent 46 82 197 des gleichen Anmelders er
reicht. Bei dieser Lösung besteht der Leistungstran
sistor aus einer Mehrzahl von Transistorelementen, die
elektrisch miteinander verbunden, aber körperlich im
Abstand von 17 mil (0,432 mm) angeordnet sind. Ein
solcher Gesamttransistor ist in der Lage, eine Gesamt
leistung zu erbringen, die der Summe der Einzelleistun
gen der Transistorelemente (Zellen, oder "Finger", der
letztere Ausdruck zeigt eine Gruppe von Zellen an) ent
spricht. Eine solche Anordnung hat jedoch andererseits
den Nachteil, daß Lösungen zur Minimierung der erfor
derlichen Fläche der Anordnung in ihrer Wirksamkeit
begrenzt sind, insbesondere wenn keine zwei Metall
schichten benutzt werden können. Solche Maßnahmen zur
Minimierung des Flächenbedarfs sind z. B. das Einfügen
von als Stromquellen arbeitenden Treibertransistoren
zwischen zwei nebeneinander liegenden Transistor
elementen, oder wenn in einer Klasse B-Ausgangsstufe
komplementäre Transistoren verwendet werden, die
abwechselnd leitend sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Leistungstransistor vorzuschlagen, der die
Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet und ins
besondere eine verbesserte Sicherung gegen den zweiten
Durchbruch aufweist. Hierbei soll ein Leistungselement
vorgeschlagen werden, dessen Transistorelementen neben
einander liegen, ohne daß zwischen den einzelnen Fin
gern oder Transistorelementen ein gegenseitiger Abstand
erforderlich ist, um auf diese Weise die benötigte
Fläche nicht zu vergrößern. Ein solcher Leistungs
transistor soll ein Leistungsvermögen haben, wie es mit
der Struktur des U.S.-Patents 46 82 197 erreichbar ist,
und der Leistungstransistor soll auf einfache Weise
integrierbar und mit vorhandenen Technologien und
Einrichtungen bei einfachem Layout produzierbar sein,
damit die Herstellkosten mit denen bekannter Bauele
mente vergleichbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Leistungstransistor der eingangs genannten Art gelöst,
der gekennzeichnet ist durch eine gleiche Anzahl von
Dioden, von denen jede mit einem entsprechenden Tran
sistorelement der Mehrzahl von Transistorelementen
verbunden ist und mit diesem eine Stromspiegelschaltung bildet.
In der Praxis wird gemäß der Erfindung jedes Transistor
element durch einen Stromspiegel ersetzt, der aus einem
Ausgangstransistor und einer Diode besteht, die ein vor
bestimmmtes Verhältnis zueinander aufweisen, so daß sich
eine gewünschte Stromverstärkung für den Ausgangstran
sistor von z. B. 100 ergibt. Die Diode ist in der Praxis
ein Stabilisierungselement, um eine geringere Abhängig
keit des Kollektorstroms des Ausgangstransistors bei
steigender Arbeitstemperatur zu erreichen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen
aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Aus
führungsbeispielen hervor, wobei diese Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt. Es zeigt:
Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungs
form eines Leistungstransistors gemäß der
Erfindung;
Fig. 2 das Schaltbild einer zweiten Ausführungs
form der Erfindung, bei der das Ausgangs
transistorelement ein PNP-Transistor ist;
und
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Quer
schnittes einer Siliziumscheibe, in die ein
Transistorelement entsprechend der Aus
führungsform nach Fig. 2 integriert ist.
Im ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Leistungstransistors nach Fig. 1 sind als Ausgangstran
sistoren NPN-Transistoren vorgesehen. Der dargestellte
Leistungstransistor besteht aus einer Mehrzahl von
Blöcken 1, die untereinander gekoppelt sind. Jeder
Block 1 besteht aus einem PNP-Treibertransistor 2, der
ein NPN-Ausgangstransistorelement 3 steuert. Die Basen
der stromquellenbildenden Transistoren 2 sind mitein
ander verbunden und bilden den gemeinsamen Basisan
schluß B des Gesamttransistors. Die Emitter der Tran
sistoren 2 sind ebenfalls miteinander verbunden und an
die Kollektoren der Transistorelemente 3 angeschlossen
und bilden den gemeinsamen Kollektoranschluß C der
Gesamtanordnung. Die Kollektoren der Transistoren 2
sind jeweils mit der Basis des zugeordneten Transistor
elementes 3 sowie mit der Anode einer entsprechenden
Diode 4 verbunden. Die Diode 4 besteht aus einem Tran
sistor, dessen Kollektor und Basis miteinander ver
bunden sind. Die Diode 4 und der Transistor 3 bilden
einen Stromspiegel 5 mit vorbestimmten Emitterflächen,
um die Stromverstärkung des Ausgangstransistors 3
festzulegen. Schließlich sind die Emitter der Tran
sistoren 3 miteinander verbunden und bilden einen
gemeinsamen Emitteranschluß E. Sie sind darüber hinaus
mit den Emittern der Transistoren verbunden, die die
Dioden 4 bilden.
Durch diesen Aufbau ist der Kollektorstrom I c des Aus
gangstransistors weniger abhängig von Temperaturände
rungen als bei bisher bekannten Lösungen. Die Tempe
raturänderungen des Kollektorstroms jedes einzelnen
Transistorelementes, das durch seine eigene Stromquelle
gesteuert wird, hängt nur von den Variationen der Strom
verstärkung b in Abhängigkeit von der Temperatur T ab.
Insbesondere wenn die Basisströme der den Stromspiegel
bildenden einzelnen Transistoren nicht vernachlässigt
werden, ergibt eine Stromanalyse die folgenden Verhält
nisse:
Die Variationen des Kollektorstromes abhängig von der
Temperatur werden somit durch den folgenden Faktor redu
ziert:
Hier entspricht m dem Verhältnis der Flächen der den
Stromspiegel bildenden beiden Transistoren.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann auf einfache
Weise implementiert werden, indem der Transistor 3 und
die Diode 4 in zwei nebeneinander liegenden, jedoch
gemeinsam isolierten epitaxialen Taschen gebildet
werden. Insbesondere wird die Diode 4 durch einen NPN-
Transistor dargestellt, der, wie bereits erläutert,
eine geeignete Emitterfläche gegenüber dem Transistor
hat, und bei dem die Basis- und Kollektorregionen mit
einander verbunden sind.
Fig. 2 zeigt eine andere Lösung gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung eines PNP-Ausgangstran
sistors. Auch in diesem Fall enthält der Gesamtlei
stungstransistor eine Mehrzahl von miteinander verbun
denen Strukturen oder Blocks 11. Jeder dieser Blöcke 11
enthält eine Stromquelle, die die Basis eines Ausgangs
transistorelementes speist, wodurch zusammen mit einer
geeigneten Diode ein Stromspiegel gebildet wird. Jeder
Block nach Fig. 2 enthält einen NPN-Transistor 12, der
eine Stromquelle darstellt, und eine Stromspiegelschal
tung, die durch die beiden PNP-Transistoren 13 und 14
gebildet wird. Der Transistor 13 bildet das Ausgangs
transistorelement, dessen Emitteranschluß an den gemein
samen Emitteranschluß E des Leistungstransistors ange
schlossen ist. Der Kollektor des Transistorelementes
ist an den gemeinsamen Kollektoranschluß C des Lei
stungstransistors angeschlossen, während seine Basis
mit dem Kollektor des Stromquellen-Transistors 12 sowie
mit der Basis des als Diode geschalteten Transistors 14
verbunden ist. Der Transistor 14 weist eine Emitter
fläche auf, die in einem bestimmten Verhältnis zur Emit
terfläche des Transistors 13 steht, um eine besstimmte
Ausgangs-Stromverstärkung zu erreichen. Der Emitter des
Transistors 14 ist mit dem gemeinsamen Emitteranschluß
E des Leistungstransistors verbunden, während die
miteinander verbundenen Kollektor- und Basiselektroden
an dem Kollektor des Transistors 12 angschlossen sind.
Fig. 3 zeigt nun eine praktische Ausführungsform der
schematisch in Fig. 2 dargestellten Anordnung, wobei
das Ausgangstransistorelement als isolierter, vertikal
angeordneter PNP-Transistor ausgebildet ist. Die in
Fig. 3 gezeigte Siliziumscheibe enthält ein Substrat 50
der P Type und eine Epitaxialschicht 51 der N- Type.
P⁺ Typ-Regionen 60, die durch Top-Bottom-Technologie
hergestellt werden, isolieren in der Epitaxialschicht
51 eine epitaxiale Tasche 51′, in der der Stromspiegel
15 gebildet wird. Top-Bottom-Technologie ist eine
solche, bei der implantierte Ionen sowohl durch Diffu
sion in die Epitaxialschicht von der Hauptfläche aus
als auch durch Diffusion von der oberen Fläche des
Substrats während des Wachsens der Epitaxialschicht
eingebracht werden. Die epitaxiale Tasche 51′ enthält
die implantierte Region 52 der N Type, die die untere
N-Rinne bildet, und die P⁺ Typ-Region 53, die den Kol
lektor des Transistors 13 bildet und Bereiche 54 auf
weist, die zur oberen Oberfläche der Anordnung zeigen.
Wie in Fig. 3 durch gestrichelte Linien dargestellt,
ist die Region 53 in die unter der Diode liegende Zone
geöffnet (d. h. sie hat eine Aussparung), um eine
starke Diffusion von Antimon der N⁺ Type ( in der Figur
mit 63 bezeichnet) zu ermöglichen, wodurch die Wirkung
als Spiegel für die Träger erzielt wird, die von der
darüber liegenden Emitterregion 59 der Diode emittiert
werden. Die Region 63 kann ohne Komplizierung der Her
stellung erhalten werden, indem die Maske zum Erhalt
aller verdeckten Schichten in derselben Siliziumscheibe
benutzt wird.
Innerhalb der epitaxialen Tasche 51′ ist darüber hinaus
eine implantierte N Region 55 vorgesehen und bildet
eine obere Aussparung, in der die P Typ-Region 56 ange
ordnet ist und den Emitter des Transistors 13 bildet.
Die epitaxiale Tasche 51 enthält darüber hinaus eine N⁺
Region 57, die angereichert ist, um eine Verbindung zum
Basiskontakt des Transistors herzustellen. Der die
Diode 14 bildende Transistor ist gegenüber den Regionen
56 und 55, die zusammen mit der Region 53 den Tran
sistor 13 bilden lateral angeordnet. Wie im einzelnen
zu sehen ist, enthält die Diode 14 einen lateral ange
ordneten PNP-Transistor, dessen Basis durch die epi
taxiale Tasche 51′, dessen Kollektor durch die P Typ-Schicht 58 und dessen Emitter durch die P Typ-Schicht
59 gebildet wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der die Diode 14 bildende PNP-Transistor oberhalb
der abgedeckten Schicht 63 zwischen den beiden Regionen
56′ angeordnet, die zusammen mit der Region 56 den
Emitter des Transistors 13 bilden, wobei von den beiden
Regionen 56′ in der Figur nur eine zu sehen. Die Regio
nen 56 und 56′ können nach bekannten Verfahren eine
Mehrzahl von Regionen enthalten. Die Schaltung wird
komplettiert durch Oxidschichten (nicht gezeigt) und
Metallschichten (ebenfalls nicht gezeigt, aber in der
Figur durch gestrichelte Linien angedeutet). Die Metall
schichten dienen der Verbindung, und zwar bilden sie
den Anschluß e, der mit dem gemeinsamen Anschluß E des
Leistungstransistors verbunden ist, den Anschluß b, der
mit dem Kollektor der Stromquelle 12 verbunden ist (und
gleichzeitig die Basis- und Kollektorregionen 57 und 58
zur Bildung der Diode 14 miteinander verbindet) und den
Anschluß c, der mit dem gemeinsamen Kollektoranschluß C
verbunden ist.
Die Stromquelle 12 ist in der Fig. 3 nicht dargestellt,
sie kann jedoch nach bekannten Verfahren hergestellt
werden.
Wie aus der vorstehenden Erfindung hervorgeht, erreicht
die Erfindung die gesteckten Ziele. Es wurde eine Struktur
unter Verwendung der elektrischen Eigenschaften
einer Stromspiegelschaltung als Funktion der Temperatur
geschaffen, die es erlaubt, die Variationen des durch
das Ausgangstransistorelement fließenden Kollektor
stroms zu begrenzen, die auf Grund von Veränderungen
der Betriebstemperatur bedingt sind. Hierdurch wird der
sichere Arbeitsbereich ohne das Risiko des direkten
zweiten Durchbruchs erweitert. Es werden Werte für den
direkten zweiten Durchbruch erreicht, die mit der
Lösung nach dem US-Patent 46 82 197 möglich sind,
d. h. die Gesamtanordnung erreicht eine Leistung, die
gleich der Summe der Einzelleistungen der einzelnen
Transistorelemente ist.
Mit der beschriebenen Struktur werden gleichzeitig
Sättigungswerte erreicht, die denen mit einer Standard
struktur gleichen, so daß während des Betriebes in
einem Bereich, in dem nicht die Gefahr eines direkten
zweiten Durchbruchs besteht (S.O.A.=Sicherer Betriebs
bereich), das Bauelement sich wie ein normales Bauele
ment verhält.
Darüber hinaus ist die für die Implementierung der dar
gestellten Blocks erforderliche Fläche praktisch gleich
derjenigen von Standardstrukturen.
Schließlich bereitet der Leistungstransistor gemäß der
Erfindung keinerlei Schwierigkeiten beim Layout und er
fordert Prozeßschritte, die in der Elektronik-Industrie
üblich sind. Hierdurch sind die Produktionskosten ver
gleichbar mit denen bekannter Bauelemente.
Der Erfindungsgegenstand kann vielschichtig abgewandelt
und variiert werden, wobei solche Abwandlungen noch
innerhalb des erfinderischen Konzeptes bleiben. Ins
besondere soll darauf hingewiesen werden, das die Diode
des Stromspiegels entweder als integrierter Transistor
dargestellt werden kann, dessen Basis und Kollektor mit
einander verbunden sind, oder durch irgendeine Tech
nologie, mit der ein PN-Übergang in geeigneter Weise
erzeugt wird. Die Diode kann z. B. mittels einer auf
geeignete Weise dotierten Poly-Siliziumschicht hergestellt
werden, die auf die Oberfläche des Bauelements
aufgebracht wird.
Darüber hinaus können alle Merkmale durch andere,
technisch äquivalente Mittel ersetzt werden.
Claims (4)
1. Leistungstransistor mit verbesserter Sicherheit
gegen zweiten Durchbruch,
mit einer Mehrzahl von Transistorelementen, deren Emit
terregionen miteinander verbunden sind und einen gemein
samen Emitteranschluß bilden, deren Kollektorregionen
miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen Kollek
toranschluß bilden, und deren Basisregionen an minde
stens eine Stromquelle angeschlossen sind,
gekennzeichnet durch eine gleiche Anzahl von Dioden (4,
14), von denen jede mit einem entsprechenden Transistor
element (3, 13) der Mehrzahl von Transistorelementen
verbunden ist und mit diesem eine Stromspiegelschaltung
(5,15) bildet.
2. Leistungstransistor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Transistorele
mente (3) ein NPN-Transistor ist, und daß
jede Diode (4) mit ihrer Anode mit der Basisregion
des entsprechenden Transistorelements und mit ihrer
Kathode mit dem gemeinsamen Emitteranschluß verbunden
ist.
3. Leistungstransistor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Transistorele
mente (13) ein PNP-Transistor ist, und
daß jede Diode (14) mit ihrer Anode auf dem gemeinsamen
Emitteranschluß und mit ihrer Kathode mit der Basis
region des entsprechenden Transistorelementes verbunden
ist.
4. Leistungstransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes der PNP-Transistorele mente (13) einen isolierten, vertikal angeordneten Tran sistor (53 - 56) enthält, der eine epitaxiale Tasche (51′) bildet;
daß jede der Dioden (14) einen lateral angeordneten PNP-Transistor (51′, 58, 59) aufweist, der in diese epitaxiale Tasche integriert ist und eigene Emitter-, Basis- und Kollektorregionen aufweist, von denen die Basis- und Kollektorregionen jeweils miteinander ver bunden sind; und
daß die epitaxiale Tasche (51′) gleichzeitig die Basis region des entsprechenden Transistorelementes und die Basisregion des lateral angeordneten PNP-Transistors der entsprechenden Diode bildet.
daß jedes der PNP-Transistorele mente (13) einen isolierten, vertikal angeordneten Tran sistor (53 - 56) enthält, der eine epitaxiale Tasche (51′) bildet;
daß jede der Dioden (14) einen lateral angeordneten PNP-Transistor (51′, 58, 59) aufweist, der in diese epitaxiale Tasche integriert ist und eigene Emitter-, Basis- und Kollektorregionen aufweist, von denen die Basis- und Kollektorregionen jeweils miteinander ver bunden sind; und
daß die epitaxiale Tasche (51′) gleichzeitig die Basis region des entsprechenden Transistorelementes und die Basisregion des lateral angeordneten PNP-Transistors der entsprechenden Diode bildet.
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