DE1264615B

DE1264615B - Emitteranschluss eines Leistungstransistors

Info

Publication number: DE1264615B
Application number: DEJ22459A
Authority: DE
Inventors: Dr Dieter Gerstner; Rudolf Gothot
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1962-10-04
Filing date: 1962-10-04
Publication date: 1968-03-28
Also published as: FR1358189A; NL296170A; GB1044469A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

J 22459 VIII c/21g
4. Oktober 1962
28. März 1968

Bekanntlich ist die in einem Transistor während des Betriebes erzeugte Wärmemenge durch die zugeführte Verlustleistung gegeben. Da der Emitter in Flußrichtung betrieben wird, tritt diese Verlustleistung im wesentlichen an dem in Sperrichtung betriebenen KolIektor-pn-Ubergang auf. Sie ist gegeben durch

wobei U_BC die Spannung zwischen Kollektor und Basis und /_c der Kollektorstrom bedeutet.

Unter der maximal zulässigen Verlustleistung eines Transistors wird bekanntlich diejenige Leistung verstanden, oberhalb der der Transistor auf Grund der Erwärmung thermisch unstabil und schließlich zerstört wird. Dieser Sachverhalt wird in dem in F i g. 1 dargestellten £/_cß-/_c-Diagramm durch eine Hyperbel 1 beschrieben, die bekanntlich der geometrische Ort eines konstanten Produktes ist. Bei einem unterhalb der Hyperbel 1 gewählten Arbeitspunkt müßte theoretisch der Transistor thermisch stabil bleiben, d. h., die durch die Verlustleistung entstehende Wärmemenge wird durch die vorgesehenen Kühlmittel des Transistors so abgeführt, daß eine unzulässige Temperatursteigerung verhindert wird.

Es wurde jedoch festgestellt, daß die in der Praxis gemessenen Kurven der maximal zulässigen Verlustleistung um so mehr von der Hyperbel 1 abweichen, je höher die zwischen Kollektor und Basis angelegte Arbeitsspannung U_CB gewählt wird. Eine derartig gemessene Kurve 2 ist in der F i g. 1 gestrichelt eingezeichnet. Um eine thermische Zerstörung des Transistors auszuschließen, muß dieser also unterhalb der theoretisch möglichen Verlustleistung der Hyperbel 1 betrieben werden.

Bekanntlich wächst die Stromdichte einer Emitterelektrode mit wachsender Temperatur bei konstant gehaltener Emitter-Basis-Spannung an. Es wurde deshalb als Ursache der in der Praxis realisierbaren geringeren Verlustleistungen unterhalb der theoretisch an sich möglichen folgender Effekt vermutet: Wird angenommen, daß die Emitterelektrode über ihre ganze Fläche nicht gleichmäßig injiziert, was prafc tisch kaum verhindert werden kann, so erfolgt eine stärkere Erwärmung der gegenüber den stärker injizierenden Teilbereichen der Emitterelektroden liegenden Teilbereichen der Kollektorelektrode. Von den letzteren Teilbereichen wiederum werden durch Wärmeleitung über die Basiszone gerade die stärker injizierenden Teilbereiche der Emitterelektrode besonders stark erwärmt. Da die Stromdichte der in die Basiszone injizierten Minoritäten mit der Temperatur, Emitteranschluß eines Leistungstransistors

Anmelder:

Deutsche ITT Industries

Gesellschaft mit beschränkter Haftung,

7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Dr. Dieter Gerstner, 7809 Denzlingen;

Rudolf Gothot, 7800 Freiburg

wie gesagt, ansteigt, ergibt sich ein thermischer Rückkopplungseffekt für die genannten Teilbereiche, der um so stärker auftritt, je höher die angelegte Kollektorspannung U_CB ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Verlustleistungserhöhung an dem Teilbereich der Kollektorzone gegenüber dem stärker injizierenden Teilbereich in der Emitterelektrode proportional der angelegten Kollektorspannung ist.

Diese Annahme wurde durch, folgenden einfachen Versuch gestützt: Zwei handelsübliche Silizium-Planar-Transistoren mit großflächigen Emitterelektroden wurden elektrisch parallel geschaltet und zur Einhaltung gleicher Gehäusetemperaturen auf einem Kupferblock montiert. Die Kollektorströme der Transistoren wurden einzeln mit niederohmigen Amperemetern gemessen, um thermische Unstabilitäten der Stromaufteilung erkennen zu-können. Bei einer Kollektorspannung U_CB von 5 V konnten insgesamt 3000 mW Verlustleistung erhalten werden, ohne daß eine am stetigen Anwachsen eines Kollektorstromes erkennbare thermische Unstabilität eines Transistors auftrat. Wurde dagegen eine Kollektorspannung von 25 V angelegt, so trat bereits bei einer Verlustleistung von insgesamt 500 mW eine thermische Unstabilität eines Transistors auf. Diese äußerte sich durch eine stetige Erhöhung (»Weglaufen«) des Kollektorstromes dieses Transistors und eine stetige Erniedrigung des Kollektorstromes des anderen.

Durch die Erfindung soll die maximal zulässige Verlustleistung eines Leistungstransistors erhöht werden, in dem der oben beschriebene unerwünschte Effekt der örtlichen Erwärmung der flächenförmigen Emitterelektrode vermindert wird.

Es sind Anschlüsse an flächenförmigen Elektroden von Leistungstransistoren allgemein; bekannt, bei denen alle Bereiche der Elektroden über Widerstände

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mit einem gemeinsamen Anschluß kontaktiert sind. vorzugsweise Stücke eines Widerstandsdrahtes be-So wird beispielsweise zur Erhöhung der steuerbaren stimmter Länge verwendet. Die Ausfuhrungsform der Nutzleistung nach dem deutschen Gebrauchsmuster F i g. 3 ist besonders leicht zu realisieren. So wurde 1786107 die Kollektorelektrode in Teilbereiche auf- beispielsweise ein handelsüblicher Silizium-Leistungsgeteilt, welche derartig angeordnet sind, daß mit 5 transistor mit einer Emitterelektrode in Form eines wachsendem Verbraucherstrom eine wachsende An- tannenbaumförmigen Doppelkammes zur Erhöhung zahl von Teilbereichen der Kollektorelektrode wirk- der Verlustleistung wie folgt behandelt: Zunächst sam wird. ' wurde die tannenbaumförmige Emitterelektrode

Die vorhegende Erfindung betrifft, demgegenüber durch einen Ätzprozeß unter Anwendung eines gegen einen Emitteranschluß an einer flächenförmigen io den Ätzangriff schützenden Wachses in etwa vier Emitterelektrode eines temperaturstabilisierten Lei- gleich große und elektrisch voneinander getrennte stungstransistors, bei dem Teilbereiche der Emitter- Teilbereiche aufgeteilt. Schließlich wurden die Teilelektrode über Widerstände mit dem Emitteranschluß bereiche über je einen Widerstandsdraht von 0,2 Ω kontaktiert sind. Aus der deutschen Auslegeschrift Widerstand mit dem Emitteranschluß kontaktiert. 1094 370 war ein derartiger Emitteranschluß be- 15 Während der ursprüngliche Transistor bei einer KoI-kannt, bei dem zur Symmetrierung sowohl die lektorspannung von 20 V kaum mit mehr als 2OW Emitter- als auch die Kollektorelektrode in Teil- Verlustleistung auf Grund des einzusetzenden einbereiche aufgeteilt sind, welche von Widerständen gangs beschriebenen Effektes betrieben werden überbrückt werden. Die Widerstände werden der- konnte, konnte nach dem Umbau die Verlustleistung artig dimensioniert, daß eine symmetrische Betriebs- 20 ohne Gefahr im Dauerbetrieb verdoppelt werden. ; weise möglich wird. Die Kontaktierung erfolgt un- An Hand des in F i g. 4 dargestellten Planar-Tran-

mittelbar an einem der Teilbereiche und damit in ' sistors wird eine weitere Ausführungsform der Erfingleicher Weise wie bei einer Ausführungsform des dung erläutert. In den plattenförmigen Halbleiterbekannten Flächentransistors nach der deutschen körper 7, der als Ganzes die Kollektorelektrode dar-Auslegeschrift 1115 837. Danach ist zur Verminde- 25 stellt, ist die Basiszone 6 eingelassen, die über mehrere rung der Oberflächenströme ein Teilbereich um die Basiskontakte 9 als Teil einer nicht gezeigten Kamm-Emitterelektrode vorgesehen, struktur kontaktiert sind. Auf der Oberfläche des

Die maximal zulässige Verlustleistung eines tem- Halbleiterkörpers befindet sich eine Isolierschicht 10, peraturstabilisierten Leistungstransistors, bei dem die einen Durchbruch 11 aufweist. Als Material der Teilbereiche der Emitterelektrode über Widerstände 30 Isolierschicht 10 kann Siliziumoxyd verwendet wermit dem Emitteranschluß kontaktiert sind, wird erfin- den, das auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird, dungsgemäß dadurch wesentlich erhöht, daß samt- Als bekannte Verfahren zum Herstellen von Oxydliche Emitterelektrodenteile über je einen gleich schichten mit fensterförmigen Durchbrüchen sind begroßen Widerstand einer Parallelschaltung elektrisch kannt: der sogenannte Silanprozeß (Zersetzung eines voneinander getrennter Widerstände mit dem Emitter- 35 Silans an der Halbleiteroberfläche), im Falle von anschluß derart kontaktiert sind, daß die Injektions- Silizium als Halbleitermaterial eine thermische Oxyspannung jedes Emitterelektrodenteils bei un- dation, und zum Herstellen der Durchbrüche eine erwünschter Erwärmung gegengekoppelt ist. Mit Anwendung des photolithographischen Verfahrens, steigendem Strom tritt nämlich ein zunehmender Der in F i g. 4 dargestellte Planar-Transistor weist

Spannungsabfall am betreffenden Widerstand auf, 40 weiterhin Teilbereiche 41,42 und 43 einer Emitterwodurch die Injektionsspannung am betreffenden elektrode und einen auf der Isolierschicht 10 ange-Teilbereich der Emitterelektrode kleiner wird. ordneten Emitteranschluß 31 auf. Nach der Erfindung

Aus der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, sind die Teilbereiche der Emitterelektrode 41, 42 und Nr. 7/1961, S. 308, war zwar bekannt, beim Schalten 43 über Widerstände in Form von Aufdampfstreifen großer Ströme bei parallelbetriebenen Transistoren 45 55,56,57 mit dem gemeinsamen Emitteranschluß den Gesamtstrom durch kleine Emitterwiderstände kontaktiert. Die geometrischen Abmessungen der möglichst gleichmäßig auf alle Transistoren aufzu- Aufdampfstreifen, insbesondere deren Dicke, wird so teilen. Durch eine derartige Schaltungsmaßnahme gewählt, daß ihre Widerstände gleich sind und einige wird zwar die thermische Stabilisierung einer Mehr- zehntel Ohm betragen.

zahl parallelgeschalteter Transistoren, nicht aber die 50 Die Ausführungsform der F i g. 4 ist besonders geStabilisierung eines einzelnen Transistors 'unter Aus- eignet, um ohne größeren Aufwand die Emitterelekschaltung des eingangs geschilderten Effektes erreicht. trode in eine sehr große Anzahl von Teilelektroden

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in in einer Massenproduktion aufzuteilen und über den F i g. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen Widerstände zu kontaktieren, da die Ausführungserläutert. 55 form der F i g. 4 besonders einfach durch Anwendung

An Hand der F i g. 3 wird zunächst eine Ausfüh- der Aufdampftechnik unter Verwendung von Masken rungsform eines Emitteranschlusses nach der Erfin- verwirklicht werden kann und eine Erhöhung der dung erläutert. Die F i g. 3 zeigt einen Planar-Tran- Anzahl der Teilbereiche der Emitterelektrode und der sistor, bei dem die Teilbereiche 41, 42, 43 und 44 entsprechenden Anzahl der als Aufdampfstreifen vorder Emitterelektrode elektrisch voneinander getrennt 60 liegenden Widerstände praktisch keinen Mehraufwand sind. Diese Teilbereiche können in bekannter Weise an Arbeitszeit erfordern.

durch Aufdampfen von Legierungsmaterial und Ein- Die F i g. 2 zeigt als Ausschnitt eine Abwandlung

legieren erzeugt werden. Der Leitwert der Teil- der Ausführungsform nach F i g. 4. Dabei ist die Isobereiche der Emitterelektrode parallel zu ihrer lierschicht als zusammenhängende Schicht 101 über Flächenausdehnung ist relativ groß. Die einzelnen 65 der emitterseitigen Oberfläche des Leistungstransistors Teilbereiche 41, 42,43 und 44 werden über je einen ausgebildet und bedeckt die Basisanschlüsse 9 und Widerstand 51,52, 53 und 54 mit dem Emitter- die Teilbereiche der Emitterelektrode 41,42 ... Auf anschluß 3 verbunden. Für die Widerstände werden der Oxydschicht verläuft quer zu den Teilbereichen

und von diesen durch die Isolierschicht getrennt der streifenförmige Emitteranschluß 31. Das Material des Emitteranschlusses wird nacheinander durch Aufdampfen auf den Halbleiterkörper aufgebracht. Vor dem Aufdampfen des Emitteranschlusses wird die Isolierschicht 101, vorzugsweise Siliziumoxyd nach dem bekannten Silanprozeß, aufgebracht und in dieser zu den Teilbereichen der Emitterelektrode im konstanten Abstand zu dem später aufzudampfenden Emitteranschluß 31 fensterförmige Durchbrüche 12 hergestellt. Dazu eignet sich das bekannte photolithographische Verfahren. Nach dem Aufdampfen des Emitteranschlusses 31 werden schließlich die Teilbereiche der Emitterelektrode mit dem Emitteranschluß 31 über aufgedampfte streifenförmige Widerstände 56, 57 kontaktiert. Die Ausführungsform der F i g. 2 hat gegenüber der in F i g. 4 dargestellten den Vorteil eines erniedrigten Wechselstromwiderstandes, da sich durch den Verlauf des Emitteranschlusses 31 und der streifenförmigen Widerstände 56, 57 über die ao Teilbereiche der Emitterelektrode Kapazitäten ergeben, deren Dielektrikum die Isolierschicht 101 ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Emitteranschluß an einer flächenförmigen Emitterelektrode eines temperaturstabilisierten Leistungstransistors, bei dem Teilbereiche der Emitterelektrode über Widerstände mit dem Emitteranschluß kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Emitterelektrodenteile über je einen gleich großen Widerstand einer Parallelschaltung elektrisch voneinander getrennter Widerstände mit dem Emitteranschluß derart kontaktiert sind, daß die Injektionsspannung jedes Emitterelektrodenteils bei unerwünschter Erwärmung gegengekoppelt ist.

2. Emitteranschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche der Emitterelektrode (41, 42, 43, 44) elektrisch voneinander getrennt sind und einzeln über je einen Widerstand (51, 52, 53, 54), vorzugsweise in Form eines Drahtes, mit dem Emitteranschluß kontaktiert sind.

3. Emitteranschluß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche der Emitterelektrode (41, 42, 43) über je einen streifenförmigen Widerstand (55, 56, 57) mit dem Emitteranschluß in Form eines elektrisch gut leitenden Streifens (31) auf der Oberfläche des Leistungstransistors kontaktiert sind und daß die streifenförmigen Widerstände (55, 56, 57) und der Emitteranschluß (31) auf einer Isolierschicht (10) angeordnet sind.

4. Emitteranschluß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Widerstände (55, 56, 57) und der Emitteranschluß (31) auf einer Isolierschicht (10) auf der Oberfläche der Kollektorzone (7) angeordnet sind.

5. Emitteranschluß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht als zusammenhängende Schicht (101) über der emitterseitigen Oberfläche des Leistungstransistors einschließlich der Basiskontakte (9) und der Teilbereiche der Emitterelektrode (41, 42...) ausgebildet ist, daß der streifenförmige Emitteranschluß (31) auf der Oxydschicht (101) quer zu den Teilbereichen der Emitterelektrode (41, 42 ...) verläuft, daß die Isolierschicht (101) im konstanten Abstand von dem Emitteranschluß (31) fensterförmige Durchbrüche (12) zu den Teilbereichen der Emitterelektrode (41, 42...) aufweist und daß letztere durch die fensterförmigen Durchbrüche (12) über die streifenförmigen Widerstände (56,57...) mit dem Emitteranschluß (31) kontaktiert sind.

6. Emitteranschluß nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche der Emitterelektrode über je einen Widerstand von einigen zehntel Ohm mit dem Emitteranschluß kontaktiert sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1094 370,
837;

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 7.86107;
Elektronische Rundschau, Nr. 7/1961, S. 308.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen