JPH03148833A - 集積可能なパワートランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、直接２次降伏現象が最適化される集積可能
なパワートランジスタに関するものである。特に、この
発明は、複数個のエレメンタリトランジスタまたはフィ
ンガを形成するように互いに並列に延びるベースおよび
コレクタ領域により囲まれる複数個の領域にエミッタ領
域が分けられるパワートランジスタに関するものである
。

知られるように、集積パワートランジスタおよびディス
クリートなパワートランジスタの両方に関連する主な問
題のうちの１つは直接２次降伏の現象に関連している。

その中でトランジスタが損傷を被ることができない（最
大のコレクタ電流をコレクタとエミッタとの間の電圧の
関数として描く）曲線の典型的なプロットが第１図で表
示され、かつＡにより示される。ＳＯＡ　（安全動作領
域）として知られる前記曲線により範囲を定められた領
域はコレクタ（ライン１）により、かつそれから′２次
降伏ラインと呼ばれるライン（ライン４）により与えら
れることができる最大の電流により上向きに制限され、
それは、前記ラインに沿って、それにより放散された電
力がＶＣＩ！が増加するとき減少するとはいえ、トラン
ジスタに対しては破壊的である。たとえば、２０ｖのｖ
ｃｌ！で４Ａの電流を搬送することができるくかつそれ
ゆえ８０Ｗに等しい電力を放散する）トランジスタの場
合において、５０Ｖでの最大のコレクタ電流はＩＯＷの
放散された電力でおよそ２００ｍＡの値へ減少し得る。

この現象はパワートランジスタの様々な領域が一様に供
給されないという事実によるものであり、パワートラン
ジスタに沿ったベース−エミッタ降下（Ｖｍｉｅ）の変
化はある領域を流れる電流の増加の原因となり得、それ
は、したがって他のちのよりより熱くなる傾向にあるで
あろう。結果的に、温度が上昇するにつれてＶＢ、は減
少するので（およそ２　ｍ　Ｖ　／”Ｃだけ）、最も熱
い領域はさらに多くの電流を伝導し、そして再生的で有
り得、−かつその狭い領域でのパワートランジスタの降
伏につながる現象のきっかけとなる傾向にある。実際問
題として、２次降伏の問題は、各フィンガにおいてより
熱い領域（通常は中央のもの）があり、そこで上述の現
象が起きる可能性があり、かつ高い温度（３００〜４０
０°）が到達され得るという事実によるものである。結
果的に、単一のフィンガでさえ２次降伏を経験し得る。

この不利な点を回避するために、できるだけ一様にトラ
ンジスタの電流を分配する試みがなされてきた。

この意味で公知の解決はいわゆるバラスト１エミッタ抵
抗器を設けることにある。この解決はＮＰＮタイプのパ
ワートランジスタの等価回路図を図示する第２図で例に
よって示される。みられるように、トランジスタは並列
に接続される複数個のエレメンタリトランジスタＱＡ　
１Ｑｓ　１Ｑｃなどからなり、抵抗器ＲＥは各エレメン
タリトランジスタのエミッタと（パワートランジスタの
エミッタを規定する）共通点との間に挿入される。

この構造はＳＯＡでの改良を得ることを許容しくそれに
沿ってトランジスタが放散により起こされる温度の上昇
のために損傷を受は得る定電流ライン一ライン１、定電
力ラインニライン２および２次降伏ライン一ライン３を
再び含む第１図の曲線Ｂを参照）、かつ特にそれは、ト
ランジスタを流れる電流が比較的高いとき有用であるが
、エミッタとコレクタとの間の高い電圧（Ｙｅｔ）に対
して臨界コレクタ電流（Ｉｃ　）は低くあり得るので、
パラスト抵抗器Ｒ１１の電圧降下もまた低く、かつそれ
ゆえこのシステムの有効性は消える傾向にある。

特に集積回路において、前記公知の構造はさらに第３図
および第４図に示されるように達成され、そこでバラス
ト抵抗器はエミッタ自身により形成される。特に、前記
図面はエレメンタリトランジスタ（またはフィンガ）の
部分を図示し、そこで５はコレクタ領域を示し、６はベ
ース領域を示し、かつ７はエミッタ領域を示す。ベース
領域６は中断されないように達成され、エミッタ領域７
を囲み、かつさらにバラスト抵抗器を規定する狭いスト
リップ８を形成するように前記エミッタ領域（エミッタ
領域の達成の間拡散されない領域６′）の中へ延びる。

第３図はさらにコレクタ金属層（または°金属”）９を
図示し、その輪郭は破線で示され、コレクタコンタクト
１２、ベースコンタクト１３およびエミッタコンタクト
１４と同様にベース金属層１０（点鎖線）およびエミッ
タ金属層１１（破線）が示される。結果的に、直接コン
タクトの下に配置され、かつそれゆえ高度に活性化され
た（第４図の１５により示される）エミッタの部分はバ
ラスト抵抗器がなく、その結果実際の等価回路図は第５
図に図示されるものになり、そこでパワートランジスタ
ＱＡ１ＱＢなどの各セルは１対のトランジスタＱ′い、
ＱｌＡおよびそれぞれＱ　Ｂ　、Ｑ　ＩＳなどで置換え
られる。

このことは、さらにこの解決の有効性を低減する。

２次降伏を増加させるための他の構造もまたさらに知ら
れ、しかしながら、それらはより複雑である、なぜなら
ばそれらはパワートランジスタの特定の駆動と、かつし
たがって領域の占有を増加させ、それゆえ望ましくは除
去されるべき付加的な構成要素とを必要とするからであ
る。

この状態が与えられて、この発明の目標は、直接２次降
伏現象を最適化することができる集積可能なパワートラ
ンジスタを提供することである。

この目標の範囲の中で、この発明の特定の目的は、特に
低いコレクタ電流で作動する領域において、直接２次降
伏現象の改良を提供することができる集積可能なパワー
トランジスタを提供することである。

この発明の重要な目的は、特定のまたは付加的な駆動構
成要素の使用を必要としない集積可能なパワートランジ
スタを提供することである。

特にこの発明の目的は、大きな信頼性を有し、かつその
製造のために電子産業界で一般に使用されるものと異な
る装置または手順を必要としない集積可能なパワートラ
ンジスタを提供することである。

以下に明らかとなるであろう述べられたこの目標、目的
および他のものは、前掲の特許請求の範囲で規定される
ように直接２次降伏現象が最適化される集積可能なパワ
ートランジスタにより達成される。

この発明の特徴および利点は好ましい実施例の説明から
明らかとなるであろうし、それは添付の図面で非制限的
な例によってのみ図示される。

次に、この発明に従ったパワートランジスタの領域の配
置を図示する第６図および第７図に参照が成されるべき
である。前記トランジスタはそれ自体公知の態様で、並
んで配置される複数個のエレメンタリトランジスタまた
はフィンガ１５により構成される。この発明に従って、
各フィンガ１５は複数個のセル３０により構成され、そ
のベースおよびエミッタ拡散は物理的に分離され、かつ
より小さな領域を有する。特に、図面において、１６は
ここでＮタイプである個々のエミッタ領域を示し、１７
はここでＰタイプであるベース領域を示し、１８はＮタ
イプのコレクタ領域を示し、かつ１９はＮ０タイプの高
められた深い拡散（シン力）領域を示す一方で、第７図
はさらにＮ″″タイプの埋込層２０を図示する。第６図
もまた、エミッタコンタクト２４、ベースコンタクト２
５およびコレクタコンタクト２６と同様に金属エミッタ
接続２１（その境界は破線で示される）、ベース接続２
２（点鎖線）およびコレクタ接続２３（破線）を図示す
る。

見られるように、各個々のエミッタ領域１６はそれ自身
のベース領域１７により囲まれ、それは隣接するセルの
ベース領域から間隔を空けられ（特に第７ＦＩ！Ｊの横
断面図を参照）、かつ異なるベース領域１７は抵抗器を
規定する部分２７により２つの隣接するセルのベース領
域に接続される。

２つの隣接するセルの抵抗性部分２７は、その上でベー
スコンタクト２５が規定される領域２８で相互に接続さ
れる。コレクタ領域１８の部分２９は隣接するセルの間
を素子のより大きい表面３１へと延び、かつ様々なセル
のベース領域をお互いに、かつ抵抗性領域２７から分離
する。

第６図および第７図で図示されるこの発明に従−った構
造の等価回路図は第８図で示され、そこで２つのセル３
０は２つのトランジスタＱ１、Ｑ２により表され、それ
らのコレクタは相互に接続され、かつ共通のコレクタ端
子Ｃを規定し、それら　　　　−のエミッタは互いに接
続され、かつ共通のエミッタ端子Ｅを規定し、かつそれ
らのベースはそれぞれの抵抗器Ｒ，，、Ｒ，□によって
相互に接続され、かつ共通のベース端子Ｂを規定する。

この発明に従ったパワートランジスタにおいて、エミッ
タ領域およびベース抵抗器の値は２次降伏現象へのパワ
ートランジスタの抵抗を改良するように適当に選択され
る。特に、第１の改良は公知の技術に関し低減されたエ
ミッタ領域の達成によって達成される（たとえば、本出
願により行なわれた試験において、５−７ｍ１１５２の
エミッタ領域はよい結果を生じた）。小さいエミッタ領
域上で、温度は事実上一様であるとみなされ得るので、
２次降伏の現象は単一のセルにおいて起こり得ない。

各セルのベースと共通のベース端子との間の抵抗器の達
成は、さらに、トランジスタの中で起こり、かつ（コレ
クタ電流が増加するにつれて減少する）電流利得βは、
コレクタ電流の小さな値に対し温度とともに増加するが
、（それに対し前記利得が半減される値におおよそ対応
する）コレクタ電流のある値を越えると温度が上昇する
とともに減少するという事実からなる現象を利用するの
を許容する。　・ 結果として、より小さなエミッタ領域の達成によって、
ｖＣＤが上昇するとき、それに対し電流利得βが半減さ
れる値に達するまで２次降伏の現象が起こることなしに
より高いコレクタ電流に達することが可能である。この
後、ベース電流はコレクタ電流よりずっと大きく上昇し
、ベース抵抗器の電圧降下の急速な増加を生じる。実際
的に、１つのフィンガを考えると、最初にセルのうちの
いくつかはより熱くなり、かつしたがってより多くの電
流を伝導する傾向にある。あるコレクタ電流値を越える
と、これらのセルの電流利得βは急速に減少し、かつベ
ース抵抗器を介するベース電流および電圧は上昇する。

共通のエミッタ端子と共通のベース端子との間に同じ降
下を有するより遠隔の、かつ冷たいセルは結果的に熱い
セルのそれより大きいかまたはそれに等しい電流を伝導
し、現象を非再生的なものにし、このように結果として
ＳＯＡが広くなる状態で第１図のＣにより示される曲線
を得る傾向にある。

第１０図は、この発明によって得られることができるよ
りよい結果を指摘するために、この発明に従って達成さ
れ、かつさらに公知の態様でエミッタ抵抗器が設けられ
る（第９図に示されるような）セル上で測定されるある
値を図示する。特に、ベース抵抗器Ｒ，は同等の電圧降
下を有するようにＲｔより１００倍大きい（すなわち、
増幅器利得の典型的な値に等しい）ように選択されてい
る。

グラフは利得βζエミッタ抵抗器を介する電圧降下Ｖ、
、、この発明に従ったベース抵抗器上の電圧降下。ｖＲ
１Ｉおよびベース電流Ｉｂの関数としてのコレクタ電流
１ｃの傾向を図示する。

見られるように、個々のセルの電流利得降下の効果はＲ
，で非常に明白である一方で、それはＲＥで無視できる
ものである、なぜならばＲＩ！は本質的に■。の関数で
あるからである。結果的に、もし電流利得の降下が、所
与の電圧ｖｃ８て、そのために２次降伏のリスクがある
領域において起こるならば、ベース抵抗器はエミッタ抵
抗器に関し破壊的な現象の始まりを大いに低減すること
ができる。

この発明に従ったトランジスタの動作を明らかにするた
めに、ある比較による例を図示する第１１ａｌ！ｉＨ−
第１ｉｄ図および第１２図に参照がなされるべきである
。

第１１ａ図において、ベーストランジスタを伴わず、か
つ結合されたベース領域を伴う従来のパワートランジス
タの２つのセルＱ３、Ｑ４は同一のｖｃｔおよびｖＩＩ
ｌ！で駆動され、かつ同じ温度である。それらは、結果
として、ラインＤにより（２つのコレクタ電流１１％Ｉ
２の間の関係を示す）第１２図で示されるように同じコ
レクタ電流を伝導する。第１１ｂ図において、第１１ａ
図の２つのセルは２つの異なる温度、すなわちＱ３は１
３０℃、かつＱ４は３０℃へもたらされた。この場合、
全ての電流はそのｖＢＥが降下するので（曲線Ｅ）、最
も熱いトランジスタで通る傾向にある。もしエミッタバ
ラスト抵抗器が設けられれば（第１１ｃ図）、（それぞ
れ１３０℃および３０℃である）２つのトランジスタＱ
５およびＱａは曲線Ｆを追従する。第１ｉｄ図はむしろ
トランジスタＱ７およびＱａが物理的に分離されたベー
ス領域、より小さなエミッタ領域およびベース抵抗器を
伴う状態でのこの発明に従って実行される２つのセルの
場合を図示する。２つのトランジスタは第１１ｂ図およ
び第１１ｃ図でのように加熱された。先行のものに似た
動作は最初にこの構造に対して得られる（曲線Ｇ）一方
で、コレクタ電流は、そのために電流利得が半減される
値より小さい、なぜならば最も熱いトランジスタは冷た
いものよりより多くの電流を伝導するからであるが、し
かしこの臨界値の後、反対のことが起こり、ある地点で
曲線Ｇは等しい電流に対するラインＤを横切り、かつ前
記ラインＤの下に延びる部分を有するという事実により
示されるように、最も冷たいトランジスタはより多くの
電流を伝導する傾向にあり、かつこれゆえ状態は安定化
する傾向にある。

エミッタ領域は最大の必要とされるコレクターエミッタ
電圧降下■。２に従って選択され、エミッタ領域が増加
するとき、そこで電流利得βが半減するコレクタ電流も
また事実上同じ比で増加する。結果として、所与の工程
において、もし電流密度とエミッタ領域との間の関係が
正確に知られれば、エミッタ領域は、そのために個々の
セルが望ましくない２次降伏問題（１，／ｂ）を起こす
可能性のある電流では、対応する電流利得が波高値の２
分の１に等しいかまたはそれより小さいように選択され
る。

ベース抵抗器は、抵抗器を介する電圧降下がＶＢＫの有
効分数、典型的に２分の１または３分の１であるように
選択される。一般的に、ベース抵抗が増加するとき、第
１２図のグラフ上の曲線Ｇは下方に動き、かつラインＤ
をより早く横切る。

ベース抵抗器は、２つのラインＤおよびＧが、およそ、
（あるエミッタ領域に対して）実質的に定値である電流
利得の波高値の２分の１に対応する電流で交差するよう
に便利に選択される。

この発明に従ったベースの抵抗器の達成は、前記抵抗器
が温度−正の傾向を有する（それは１００℃の温度ごと
におよそ２０％ずつ増加する）という事実を考慮しても
また有利である。この事実はさらにエミッタバラスト抵
抗器での公知の解決の場合より著しい態様で再生的効果
を妨害する際に助けとなる、なぜならばそれら自体エミ
ッタ拡散により形成されるこれらのものはより低い温度
係数（１００℃ごとに対し１０％）を有するからである
。この発明に従った構造で、等しいベース電流に対し、
事実上、エミッタ抵抗器に関してベース抵抗器を介する
より大きい電圧降下があり、かつしたがってセルを構成
する個々のトランジスタのベース−エミッタ電圧降下の
より大きな減少がある。

この発明に従った構造の利点はその多能性からなり、個
々のエミッタ領域とベース抵抗器の値とを変化させるこ
とにより、最大の供給されたコレクターエミッタ電圧が
変化するとき２次降伏を最適化することが事実上可能で
ある。典型的に、前記電圧が増加するとき個々のセルの
領域を低減することが必要である。特定的に、この発明
に従った構造によって、構造が設計される前に２次降伏
曲線を描き最大の放散を知ることが可能である。

事実すでに述べられたように、コレクタ電流が半減され
る地点は実際に一定であり、かつ２次降伏ラインの傾き
もそうである。

結果として、このタイプのパワートランジスタの領域は
必要とされるＳＯＡ特徴の関数である。

それは、したがって、一般に標準のパワートランジスタ
より大きいが、その動作は改良される。さらに、領域の
分離による領域の増加は少なくとも部分的にはさらなる
構造の除去による領域の節約により補償される。

上の説明から見られ得るように、この発明は提案された
目標および目的を十分に達成する。事実集積可能なパワ
ートランジスタが設けられ、そこで、そのために電流利
得が半減される電流より高い各セルのコレクタ電流のた
めに最も熱いセルは冷たいものより少ない電流を吸収し
、トランジスタの安全動作領域（ＳＯＡ）を拡張する。

このように、考えられたこの発明は多くの変更および変
化が可能であり、その全ては発明の概念の範囲にある。

特に、ベース抵抗器は、ベース拡散自体によって達成さ
れるよりもむしろ、個々のセルを規定する半導体材料の
本体の上で延びる適当な抵抗率および適当な（正の）温
度係数で多結晶質シリコンによって達成されることがで
きるという事実が強調される。この解決は抵抗器の値を
選択する際のより大きな自由を許容し、特に、前記値は
、その上でベースコンタクトが実行される領域とコレク
タ領域との間に存在し、かつ高い抵抗値に対しトランジ
スタの飽和特性を悪化させることを必然的に伴い得るで
あろう寄生ダイオードの不在のためにより大きくなり得
る。

全ての詳細はさらに他の技術的に同等なもので置換えら
れてもよい。

任意の特許請求の範囲で述べられる技術的特徴が参照記
号によって追従されるところでは、特許請求の範囲の明
瞭さを高める唯一の目的のためにそれらの参照記号が含
まれており、かつしたがってそのような参照記号はその
ような参照記号による例によって識別される各要素の範
囲に制限を与える効果を有しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のトランジスタ、バラスト抵抗器が設け
られるトランジスタおよびこの発明に従ったトランジス
タに対してＳＯＡの範囲を定める曲線のプロットの図で
ある。 第２図は、バラスト抵抗器が設けられる解決の回路図で
ある 第３図は、第２図の解決に従って実行される集積可能な
パワートランジスタの領域の配置の図である。 第４図は、第２図のラインＩＴ−ＩＶに沿ってとられる
斜視横断面図である。 第５図は、第２図一第４図に従った公知の解決の実際の
回路図である。 第６図は、この発明に従ったパワートランジスタの領域
の配置の図である。 第７図は、この発明に従った、第６図のラインＶＩＩ−
ＶＩ■に沿ってとられる斜視横断面図である。 第８図は、この発明に従った解決の等価電気図である。 第９図は、その上である比較値が測定される試験構造の
図である。 第１０図は、第９図の構造上で測定されるある値を示す
グラフの図である。 第１１ａ図−第１ｉｄ図は、その上である比較値が測定
される試験構造の図である。−第１２図は、第１１ａ図
−第１ｉｄ図上の構造で行なわれる測定の結果を示すグ
ラフの図である。 図において、１５はフィンガ、１６はエミッタ領域、１
７はベース領域、１８はコレクタ領域、２０は埋込層、
２１はエミッタ接続、２２はベース接続、２３はコレク
タ接続、２４はエミッタコンタクト、２５はベースコン
タクト、２６はコレクタコンタクトである。 特許出願人　エツセ・ジｅエツセ・トムソン・ミクロエ
レクトロニクス・エツセ ・ニレ・ニレ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）直接２次降伏現象が最適化される集積可能なパワ
   ートランジスタであって、並んで配置され、かつ複数個
   のセルを含む複数個のエレメンタリトランジスタを含み
   、その各々はベースおよびコレクタ領域により囲まれる
   エミッタ領域により形成され、エミッタ領域は物理的に
   分離して配置され、前記ベース領域もまた物理的に分離
   して配置され、かつ抵抗性素子により相互に接続される
   ことを特徴とする、集積可能なパワートランジスタ。
2. （２）前記抵抗性素子はベース拡散により形成されるこ
   とを特徴とする、請求項１記載のパワートランジスタ。
3. （３）前記抵抗性素子は多結晶質シリコンから作られる
   ことを特徴とする、請求項１記載のパワートランジスタ
   。
4. （４）前記エミッタ領域は、低減された領域、特に、そ
   のために前記セルの各々が降伏現象にさらされ得るコレ
   クタ電流で、電流利得が多くてもその波高値の半分に等
   しいにすぎないような値を有する領域を有することを特
   徴とする、請求項１記載のパワートランジスタ。