DE1264615B - Emitter connection of a power transistor - Google Patents
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DEUTSCHESGERMAN
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AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
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HOIlHOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02 German class: 21g -11/02
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J 22459 VIII c/21g
4. Oktober 1962
28. März 1968J 22459 VIII c / 21g
4th October 1962
March 28, 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 durchIt is known that the amount of heat generated in a transistor during operation is due to the amount of heat supplied Power loss given. Since the emitter is operated in the direction of flow, this power loss occurs essentially at the collector-pn junction operated in the reverse direction. It is given by
wobei UBC die Spannung zwischen Kollektor und Basis und /c der Kollektorstrom bedeutet.where U BC is the voltage between collector and base and / c is the collector current.
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.As is known, the maximum permissible power loss of a transistor is understood to mean that power above which the transistor is thermally unstable and ultimately destroyed due to the heating. This fact is illustrated in the FIG. 1 shown £ / CSS - / c -diagram described by a hyperbola 1, which is known to the locus of a constant product. At an operating point selected below hyperbola 1, the transistor should theoretically remain thermally stable, ie the amount of heat resulting from the power loss is dissipated by the coolant provided in the transistor in such a way that an impermissible increase in temperature is prevented.
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 UCB 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.It was found, however, that the curves of the maximum permissible power loss measured in practice differ more from hyperbola 1 the higher the working voltage U CB applied between the collector and the base is selected. A curve 2 measured in this way is shown in FIG. 1 drawn in dashed lines. In order to rule out thermal destruction of the transistor, it must therefore be operated below the theoretically possible power loss of hyperbola 1.
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 LeistungstransistorsIt is known that the current density of an emitter electrode increases with increasing temperature at a constant level maintained emitter-base voltage. It was therefore considered to be the cause of the realizable in practice lower power losses below the theoretically possible following effect is assumed: Is assumed that the emitter electrode does not inject uniformly over its entire area, which is prafc table can hardly be prevented, there is a stronger heating compared to the stronger Injecting subregions of the emitter electrodes lying subregions of the collector electrode. from the latter sub-areas in turn become stronger due to heat conduction via the base zone injecting subregions of the emitter electrode heated particularly strongly. Since the current density of the Base zone injected minorities with temperature, emitter connection of a power transistor
Anmelder:Applicant:
Deutsche ITT IndustriesGerman ITT Industries
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,Company with limited liability,
7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 197800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dr. Dieter Gerstner, 7809 Denzlingen;Dr. Dieter Gerstner, 7809 Denzlingen;
Rudolf Gothot, 7800 FreiburgRudolf 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 UCB 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.As I said, increases, there is a thermal feedback effect for the sub-areas mentioned, which occurs more strongly the higher the applied collector voltage U CB . It must be taken into account that the increase in power loss in the partial area of the collector zone compared to the more strongly injecting partial area in the emitter electrode is proportional to the applied collector voltage.
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 UCB 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.This assumption was supported by the following simple experiment: Two commercially available silicon planar transistors with large emitter electrodes were electrically connected in parallel and mounted on a copper block to maintain the same housing temperatures. The collector currents of the transistors were measured individually with low-resistance ammeters in order to identify thermal instabilities in the current distribution. With a collector voltage U CB of 5 V, a total of 3000 mW power loss could be obtained without the occurrence of thermal instability of a transistor, recognizable from the steady increase in the collector current. If, on the other hand, a collector voltage of 25 V was applied, thermal instability of a transistor already occurred at a power loss of 500 mW in total. This manifested itself in a steady increase ("running away") of the collector current of this transistor and a steady decrease in the collector current of the other.
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.The invention is intended to increase the maximum permissible power loss of a power transistor, in which the above-described undesirable effect of local heating of the sheet-like Emitter electrode is reduced.
Es sind Anschlüsse an flächenförmigen Elektroden von Leistungstransistoren allgemein; bekannt, bei denen alle Bereiche der Elektroden über WiderständeThere are connections to planar electrodes of power transistors in general; known at which all areas of the electrodes have resistors
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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 Emitterelektrodeare contacted with a common connection. preferably pieces of a resistance wire be-So is used, for example, to increase the controllable real length. The embodiment of the Useful power according to the German utility model F i g. 3 is particularly easy to implement. So became 1786107 the collector electrode divided into partial areas - for example a commercially available silicon power, which are arranged such that with 5 transistor with an emitter electrode in the form of a increasing consumer flow a growing fir tree-shaped double comb to increase number of sub-areas of the collector electrode affecting the power loss treated as follows: First will sam. 'became the Christmas tree-shaped emitter electrode
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-The present invention relates, in contrast, by an etching process using a counter an emitter connection on a flat wax protecting the etching attack in about four Emitter electrode of a temperature-stabilized liaison of the same size and electrically separated from each other stungstransistors, divided into sub-areas of the emitter sub-areas. Finally, the partial electrode Via resistors with the emitter connection areas each with a resistance wire of 0.2 Ω are contacted. From the German Auslegeschrift resistor contacted with the emitter connection. 1094 370 was such an emitter connection. in the case of balancing both the reading voltage of 20 V with hardly more than 2OW Emitter and collector electrodes in partial power loss due to the area to be used are divided, which are operated by resistors of the effect described above be bridged. The resistors could, after the conversion, the power loss sized so that a symmetrical operating 20 can be doubled without danger in continuous operation. ; wisely becomes possible. The contact is made with the aid of the in FIG. 4 shown 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 desindirectly at one of the sub-areas and thus in 'sistor is a further embodiment of the same invention Way as explained in one embodiment of the training. Known in the plate-shaped semiconductors Flat transistor according to the German body 7, which as a whole represents the collector electrode - Auslegeschrift 1115 837. After that, to reduce 25 places, the base zone 6 is let in, which extends over several tion of the surface currents a partial area around the base contacts 9 as part of a comb emitter electrode, not shown provided, structure are contacted. On the surface of the
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 weistThe maximum permissible power loss of a semiconductor body is an insulating layer 10, temperature-stabilized power transistor, in which the has a breakthrough 11 . Silicon oxide can be used as the material of the subregions of the emitter electrode over resistors 30, insulating layer 10 , who are in contact with the emitter connection, is invented, which is applied to the semiconductor body, thus significantly increased by the fact that as a known method for producing oxide emitter electrode parts over each an even layer with window-shaped breakthroughs are large resistance of a parallel connection electrically known: the so-called silane process (decomposition of a separate resistor with the emitter silane on the semiconductor surface), in the case of connection, are contacted in such a way that the injection silicon as a semiconductor material thermal oxy voltage of each emitter electrode part at undation, and a desired heating is fed back to produce the breakthroughs. With the use of the photolithographic process, an increasing current occurs namely an increasing value in FIG. 4 illustrated planar transistor has
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 ErfindungVoltage drop at the resistor in question, 40 furthermore subareas 41, 42 and 43 of an emitter, whereby the injection voltage at the respective electrode and a subarea of the emitter electrode attached to the insulating layer 10 becomes smaller. arranged emitter terminal 31 on. According to the invention
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.From the magazine "Electronic Rundschau", the sub-areas of the emitter electrode 41, 42 and No. 7/1961, p. 308, it was known that when switching 43 via resistors in the form of vapor-deposition strips with large currents with parallel-operated transistors 45 55, 56, 57 contacted the total current through small emitter resistors with the common emitter connection. The geometric dimensions of the vapor-deposition strips to be applied as uniformly as possible to all transistors, in particular their thickness, are thus divided. Chosen by such a circuit measure that their resistances are the same and some will be the thermal stabilization of a several tenths of an ohm.
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 Teilelektrodennumber of transistors connected in parallel, but not the 50 The embodiment of FIG. 4 is special stabilization of a single transistor 'under Aus suitable to the Emitterelek circuit without great effort the effect described above is achieved. trode into a very large number of partial electrodes
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 AnwendungThe invention will be broken down into mass production with reference to the and over the F i g. 2 to 4 illustrated embodiments to contact resistors, as the embodiment explains. 55 form of FIG. 4 particularly easy to use
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.On the basis of FIG. 3 is first an embodiment of the vapor deposition technique using masks Approximate form of an emitter connection can be realized according to the invention and an increase in the application explained. The F i g. 3 shows a planar tran number of the subregions of the emitter electrode and the sistor, in which the subregions 41, 42, 43 and 44 corresponding number of the front as vapor deposition strips Emitter electrode electrically separated from one another 60 resistors practically no additional effort are. These sub-areas can, in a known manner, require working hours.
durch Aufdampfen von Legierungsmaterial und Ein- Die F i g. 2 zeigt als Ausschnitt eine Abwandlungby vapor deposition of alloy material and one Die F i g. 2 shows a modification as a detail
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 Teilbereichenalloys are produced. The conductance of the part of the embodiment according to FIG. 4. The iso-regions of the emitter electrode is parallel to its layer as a coherent layer 101 over the surface area is relatively large. The individual 65 of the emitter-side surface of the power transistor sub-areas 41, 42, 43 and 44 are each formed over one and cover the base connections 9 and resistor 51, 52, 53 and 54 with the emitter-the sub-areas of the emitter electrode 41, 42 ... on connection 3 connected. For the resistors, the oxide layer runs across the sub-areas
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.and separated from these by the insulating layer, the strip-shaped emitter terminal 31. The material of the Emitter connection is applied successively to the semiconductor body by vapor deposition. before the vapor deposition of the emitter connection is followed by the insulating layer 101, preferably silicon oxide the well-known silane process, applied and in this to the subregions of the emitter electrode at a constant distance from the one to be evaporated later Emitter connection 31 window-shaped openings 12 made. The well-known photolithographic technique is suitable for this purpose Procedure. After the vapor deposition of the emitter connection 31, the subregions are finally the emitter electrode with the emitter connection 31 via vapor-deposited strip-shaped resistors 56, 57 contacted. The embodiment of FIG. 2 has compared to the in F i g. 4 shown the The advantage of a reduced AC resistance, since the course of the emitter connection 31 and the strip-shaped resistors 56, 57 result in capacitances over the ao subregions of the emitter electrode, the dielectric of which is the insulating layer 101.
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Deutsche Auslegeschriften Nr. 1094 370,
837;Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1094 370,
837;
Elektronische Rundschau, Nr. 7/1961, S. 308.German utility model No. 1 7.86107;
Electronic Rundschau, No. 7/1961, p. 308.
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