DE3743204C2 - Leistungstransistor mit verbesserter Sicherheit gegen zweiten Durchbruch - Google Patents

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.

Derartige Transistoren sind aus DE 35 18 077 A1 und DE 36 00 207 A1 bekannt.

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 1 467 612 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 DE 35 18 077 A1 wird jedes solcher Tran­ sistorelemente durch eine eigene Stromquelle gesteuert, um den elektrothermischen Regenerationseffekt zu reduzieren. Obwohl diese Lösungen gegenüber früheren Bauelementen eine gewisse 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 4 682 197 (DE 36 00 207 A1) 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 Transistorelemente 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 4 682 197 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 bestimmtes 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 β 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 bestimmte 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 angeschlossen 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 Struk­ tur unter Verwendung der elektrischen Eigenschaften einer Stromspiegelschaltung als Funktion der Temperatur geschaffen, die es erlaubt, die Variationen des durch das Ausgangstransistorelement fließenden Kollektor­ stromes zu begrenzen, die aufgrund 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 U.S.-Patent 4 682 197 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, daß 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 herge­ stellt werden, die auf die Oberfläche des Bauelementes aufgebracht wird.

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 mit 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.