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Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Leistungstransistor mit Mitteln
zum Verringern thermischer Belastungen.
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Es ist bekannt, daß eines der integrierte bipolare Leistungstransistoren betreffenden
Hauptprobleme der direkte sekundäre Durchbruch (IS/B) ist. Das Problem hat
vorwiegend thermische Ursachen. Durch die Erwärmung des Leistungstransistors
verringert sich die Basis-Emitter-Spannung entsprechend einem Koeffizienten, der
temperaturabhängig ist und in einem Bereich von -2mV/ºC liegt. Einen konstanten
Kollektorstrom (I&sub0;) und den oben erwähnten Temperaturkoeffizienten von -2mV/ºC
angenommen, steigt die Dichte des Kollektorstromes beträchtlich (etwa 10 %) und
bewirkt eine lokale Erwärmung des Leistungstransistors. Der Zunahme der inneren
Temperatur folgt eine schnelle nicht-lineare Zunahme der Kollektorstromdichte und
das Bilden sogenannter Hot Spots, welche Schmelzungen in dem Al-Si-System
bewirken, mit daraus folgenden lokalen Kurzschlüssen in der Region zwischen dem
Emitter und den Kollektor des Leistungstransistors und in der Folge den
Leistungstransistors selbst zerstören.
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Um die Leistungsfähigkeit von Leistungstransistoren zu verbessern können
verschiene Techniken angewendet werden, um die Arbeitstemperatur und den
thermischen Gradienten an der Oberfläche des Leistungstransistors zu verringern. Diese
bekannten Techniken sind jedoch durch die Einschränkungen der Leistungsfähigkeit
des Leistungstransistors nicht befriedigend, so daß alle vorgeschlagenen
Maßnahmen lediglich eine Teillösung des Problems des direkten sekundären Durchbruches
bilden.
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Eine wesentliche Verbesserung ist in der U.K.-Patentanmeldung Nr. GB-A-
2,199,444 offenbart, in welcher ein Leistungstransistor durch mehrere
parallelgeschaltete Stromspiegel ersetzt wird; jeder dieser Stromspiegel ist durch einen
Ausgangstransistor und durch eine Diode mit einem voreingestellten gegenseitigen
Flächenverhältnis gebildet, um einen Ausgangstransistorverstärkungswert im
Bereich von 100 zu erhalten, während die Diode ein stabilisierendes Element ist,
welches die thermische Empfindlichkeit des Kollektorstromes des
Ausgangstransistors senkt.
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Jeder der Stromspiegel wird durch eine Stromquelle betrieben.
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Der Reduktionsfaktor der Veränderung des Kollektorstromes durch die Temperatur
ist gleich:
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1/(1+β/(1+m))
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wobei
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m = Fläche des Transistors/Fläche der Diode ist.
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Eine Implementation der oben beschriebenen Lösung bringt eine verdeckte
P&spplus;-Region mit sich, die in einem Übergangsabschnitt eine verdeckte N&spplus;-Schicht
enthält, welche als Spiegel für die Ladungsträger des Stromspiegels wirkt. Solche
bekannten Anordnungen sind jedoch immer noch Verbesserungen zugänglich,
insbesondere, um die durch die geringe Kollektor-Basis-Spannung gebildete
Begrenzung zu beseitigen, welche das Ausgangssignal des Leistungstransistors begrenzt.
Eine Verbesserung kann im Beseitigen der Erfordernis des Speisens des
Stromspiegels mit identischen Kollektorströmen bestehen, da dies die Schaltung flexibler
macht.
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Weiterhin erhöht die Verwendung von Stromquellen zum Ansteuern der
Stromspiegel die Dimensionen und Komplexität der in der oben erwähnten Anmeldung
beschriebenen Leistungstransistoren und läßt somit Raum für weitere
Verbesserungen hinsichtlich einer weiter geförderten Integration.
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Um die oben erwähnte, verdeckte N&spplus;-Schicht zu erzeugen, muß die verdeckte
P&spplus;-Schicht weiterhin während des Baustein-Produktionsvorganges geöffnet
werden, somit steigen die Herstellungskomplexität und die Kosten.
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Daher ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen integrierten
Leistungstransistor anzugeben, welcher eine verbesserte Leistungsfähigkeit und verringerte
Empfindlichkeit auf thermische Belastungen aufweist und insbesondere bezogen
auf den Stand der Technik beträchtlich verbessert ist.
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Innerhalb dieses Zieles ist es eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen integrierten Leistungstransistor anzugeben, welcher eine einfache
Ansteuerungseinrichtung aufweist, die so ausgebildet ist, daß sie das Bilden von Hot Spots
auf der Oberfläche des integrierten Leistungstransistors selbst verhindert.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine einzelne Ansteuerungseinrichtung
für den Leistungstransistor anzugeben.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen integrierten
Leistungstransistor anzugeben, der in der Lage ist, mit einer hohen Kollektor-Basis-
Spannung zu arbeiten.
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Die oben erwähnten Ziele und Aufgaben und andere, welche nachfolgend
erkennbar werden, werden durch einen integrierten Leistungstransistor mit den in den
beigefügten Ansprüchen beschriebenen Merkmalen verwirklicht.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierten
Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten aber nicht ausschließlichen
Ausführungsformen der Erfindung erkennbar, welche durch die beigefügten Zeichnungen
nur als nicht-beschränkendes Beispiel illustriert sind. Dabei zeigen:
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Figur 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines
PNP-Leistungstransistors;
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Figur 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines NPN-
Leistungstransistors;
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Figur 3 ein Schaltbild, welches dem in Figur 1 dargestellten entspricht, mit
der als eine Spannungsquelle ΔVBE dargestellten thermischen
Driftspannung;
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Figur 4 eine quergeschnittene, perspektivische Ansicht eines
Silikon-Wafers, welcher eine PNP-Zelle wie die in Figur 1 illustrierte
implementiert; und
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Figur 5 eine quergeschnitte Ansicht eines Silikon-Wafers, der die PNP-
Stromspiegelzelle aus Figur 1 implementiert, geschnitten entlang
einer senkrechten Ebene bezogen auf Figur 4.
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Die Figuren 1 und 2 illustrieren unterschiedliche Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung.
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Insbesondere illustriert Figur 1 eine Ausführungsform eines PNP-Typs eines
integrierten Leistungstransistors, welcher mehrere Zellen umfaßt, von denen jede durch
das Bezugszeichen G bezeichnet ist.
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Figur 2 illustriert stattdessen eine Ausführungsform eines integrierten
Leistungstransistors vom NPN-Typ mit mehreren Zellen, von denen jede durch das
Bezugszeichen G' bezeichnet ist.
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Wie aus den Figuren 1 und 2 erkennbar ist, wurden die
Ansteuerungseinrichtungen, welche die Stromquellen bilden (im Stand der Technik bekannt) durch
Widerstände R bzw. R' implementiert.
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In der NPN-Ausführungsform (Figur 2), welche untereinander verbundene Zellen
umfaßt, umfaßt jede Zelle G' einen Stromspiegel mit einer Diode D', einen
Ausgangstransistor T' (vom NPN-Typ), und eine Ansteuerungseinrichtung mit dem
Widerstand R'. Wie erkennbar ist, sind die Basen des Transistors und der Diode
jedes Stromspiegels miteinander verbunden und durch den Widerstand R' an einen
gemeinsamen Basisanschluß B' angeschlossen; die Kollektoren der
Ausgangstransistoren T' sind miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen
Kollektoranschluß C' und die Emitter der Ausgangstransistoren T' sind ebenfalls
miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen Emitteranschluß E'.
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Die in Figur 2 dargestellte Schaltung kann leicht implementiert werden durch
Anordnen des Transistors T' und der Diode D' in zwei benachbarten, aber
gegeneinander isolierten epitaxial Ausnehmungen, wie im Stand der Technik bekannt.
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Die in Figur 1 illustrierte Schaltung ist eine erfindungsgemäße PNP-Version und
umfaßt untereinander verbundene Zellen; jede Zelle G umfaßt einen Stromspiegel
mit einer Diode D und einem Ausgangstransistor T vom PNP-Typ und einen die
Ansteuerungseinrichtung bildenden Widerstand R. Die Basen des Transistors und
der Diode jedes Spiegels sind miteinander verbunden und durch den Widerstand R
an einen gemeinsamen Anschluß B angeschlossen; die Kollektoren der
Ausgangstransistoren T sind miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen
Kollektoranschluß C; die Emitter der Ausgangstransistoren T sind miteinander verbunden
und bilden einen gemeinsamen Emitteranschluß E.
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Die durch die Temperaturdrift durch die Asymmetrie zweier benachbarter Zellen
verursachte Spannung ist durch ΔVBE gezeigt und wird in Figur 3 durch eine
Spannungsquelle U simuliert. Durch diese Asymmetrie sind die Ströme I&sub0; und I'&sub0;
der Dioden nicht gleich. Die Gleichgewichtsgleichung des Netzwerkes ist wie folgt:
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I'&sub0; . R + I'&sub0; rD + ΔVBE = I&sub0; . R + rD I&sub0;
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wobei
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rD = VT/I&sub0;
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der differentielle Widerstand der Diode D ist; somit
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ΔVBE = I&sub0; (R + rD) - I'&sub0; (R + rD)
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ΔVBE = (R + rD) ΔI&sub0;, wobei ΔI&sub0; = I&sub0; - I'&sub0; ist,
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und dementsprechend
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Die prozentuale Abweichung der Ströme I&sub0; und I'&sub0; ist gleich
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daher ist der Reduktionsfaktor der prozentualen Abweichung gleich:
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Wenn das Verhältnis R/rD hoch ist, neigt die Temperaturdifferenz der asymmetrisch
erwärmten Zweige dazu, sich anzugleichen und ΔVBE geht gegen Null. Daher
neigen die Basisströme in jeder Zelle dazu, gleich zu werden.
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Wenn die in der oben erwähnten U.K.-Patentanmeldung dargestellte Stromquelle
durch den Widerstand der vorliegenden Erfindung ersetzt wird, kann eine
einfachere und höhere Integration der Leistungstransistoren verwirklicht werden.
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Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht der Integration eines PNP-Silikon-Wafers.
Eine detailliertere Ansicht der integrierten Anordnung des in jeder Zelle enthaltenen
PNP-Stromspiegels ist in Figur 5 dargestellt.
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Der Silikon-Wafer umfaßt ein P-Substrat 1 und eine N-Epitaxialschicht 2; eine
P&spplus;-Region 3 isoliert in der Epitaxialschicht 2 ein Epitaxialpaket 2'; der Wafer
umfaßt weiterhin eine N-Bodenausnehmung 4 und eine verdeckte P&spplus;-Region 5,
welche den Kollektor des Ausgangstransistors T bildet.
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Eine obere N-Ausnehmungsregion 8 ist innerhalb des Epitaxialpaketes 2' gebildet
und nimmt eine weitere P-Region 9 und die Basis BV des Transistors T auf.
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Der Transistor T besitzt eine vertikale PNP-Anordnung, deren Basis in der
N-Ausnehmungsregion 8 aufgenommen ist; ihr Emitter ist durch die weitere P-Region 9
gebildet und ihr Kollektor ist durch die P&spplus;-Region 5 gebildet.
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Der Transistor, der die Diode D bildet, umfaßt einen lateralen PNP-Transistor, der
in dem vertikalen PNP-Transistor aufgenommen ist. Der die Diode bildende
Transistor weist eine durch BL angezeigte Basis auf, eine erste P-Schicht 10 bildet seinen
Kollektor und eine zweite P-Schicht 7 bildet seinen Emitter. Die Basis BL des
Transistors, der die Diode D bildet, ist in der N-Ausnehmungsregion 8 gebildet.
Während des Herstellungsprozesses der Anordnung diffundiert die auf der
Oberfläche des Silikon-Wafers implantierte N-Ausnehmungsregion 8 in die Masse des
Halbleiters, und da das resultierende Dotierungsprofil ein Gauß'sches ist, ist die
Dotierungsdichte der Basis BL des Transistors, welcher die Diode D bildet,
demzufolge höher als die Dotierungsdichte der Basis BV des Transistors T.
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Die Ladung QBL (korrespondierend mit der Basis BL) ist demzufolge größer als die
Ladung QBV (korrespondierend mit der Basis BV).
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Da die Diode unter hocheinprägenden Bedingungen arbeitet, ist die Verstärkung βL
des lateralen Transistors, welcher die Diode D bildet, deren Basis BL ist, höher als
die Verstärkung βV des vertikalen Transistors T, dessen Basis BV ist.
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Die oben beschriebene Anordnung wird erhalten, ohne auf Schritte wie z.B. zum
Öffnen der verdeckten P&spplus;-Region 5 unterhalb der lateralen PNP-Region
einzugehen, welche die Diode B bildet, und zum Bilden einer verdeckten N&spplus;-Schicht, wie
es im Stand der Technik bekannt ist. Die QBV erlaubt es, den Bereich BV vor dem
Ausbilden der Region BL zu formen und vereinfacht daher weiterhin die
Implementation des Leistungstransistors auf dem Silikon-Wafer.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar wird, verwirklicht die Erfindung
vollständig die vorgesehenen Ziele und Aufgaben.
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Eine integrierte Leistungstransistoranordnung wurde tatsächlich erhalten, welche
die Drift des Kollektorstromes, welche temperaturabhängig ist, begrenzt und somit
das Risiko eines möglichen direkten sekundären Durchbruches durch Verwenden
eines Widerstandes zum Ansteuern eines Stromspiegels verringert.
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Zusätzlich ist es durch die hierin gelehrte Anordnung möglich, viel höhere Basis-
Kollektor-Spannungen für den Leistungstransistor zu erhalten und somit die
Ausgangsleistung, bezogen auf konventionelle Leistungstransistoranordnungen, zu
verbessern.
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Schließlich ist die Herstellung des erfindungsgemäßen Leistungstransistors einfach
und der Transistor weist relativ geringe Kosten gegenüber vergleichbaren
Leistungstransistoren auf, hat eine einfache strukturelle Anordnung und kann in der
Elektronikindustrie mit konventionellen Herstellungsschritten gefertigt werden.
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Die Erfindung ist, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist, vielfältigen
Modifikationen und Variationen zugänglich. Insbesondere kann der Widerstand entweder
integriert oder extern zu dem integrierten Transistor vorgesehen sein.
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Soweit in einem Anspruch erwähnte technische Kennzeichen von Bezugszeichen
gefolgt sind, sind diese Bezugszeichen zu dem einzigen Zweck des Verbesserns der
Verständlichkeit der Ansprüche eingefügt und dementsprechend haben diese
Bezugszeichen keine begrenzende Wirkung auf den Umfang der Ansprüche.