DE1297239C2 - Leistungstransistor - Google Patents

Description

4. Leistungstransistor nach einem der An- 5<> Basiselektrode die Emitterelekrode an der Emittertprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zone ringförmig oder rechteckförmig umgibt. Für Emitterzone (17, 27) teilweise nur unterhalb der mittlere Stromstärken ist vorgesehen worden, von Ränder der Emitterelektrode (11, 21) im Halb- einer rechteckförmigen Emitterzone auszugehen und leiterkörper (15) ausgebildet, also dazwischen zur Vergrößerung der Randlänge eine Ecke des ausgespart ist, und daß die Emitterelektrode (11, 55 Recktecks mit einer herzförmigen Einbuchtung zu 21) in dem Gebiet, in dem die Emitterzone (17, versehen. Die Basiselektrode folgt der Randausbil-27) ausgespart ist, auf einer Oxydschicht aufliegt. dung der Emitterzone und weist eine entsprechende

herzförmige Ausbuchtung an der Stelle der Einbuchtung der Emitterzone auf. Ferner ist für mittlere

60 Stromstärken vorgesehen worden, die rechteckför-

mige Emitterzone an einer Ecke einzubuchten und gleichzeitig an einer dieser gegenüberliegenden Längs-

Transistoren für hohe Leistungen müssen groß- seit eine Einbuchtung vorzusehen. Auch in diesem flächige Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden Falle umgibt die Basiselektrode die Emitterelektrode haben. Unter einer Elektrode wird im folgenden ein 65 in gleichem Abstand, indem sie an den Stellen der flächenhafter ohmscher Metallkontakt verstanden, Einbuchtungen der Emitterelektrode entsprechende der auf der Oberfläche der Emitter-, Basis- und KoI- Ausbuchtungen aufweist. Schließlich sind auch noch lektorzone angebracht ist. sternförmige und blattförmige Strukturen der Emit-

terelektrode bekannt, von denen die erstere aus der Zeitschrift »Radio Electronics«, Bd. 22 (1961), Nr. 11, S. 42, bekannt ist.

Für hohe Ströme ab etwa 3 A hat sich eine Kammoder Fingerstruktur der Emitterzone bzw. der Emitterelektrode als günstig erwiesen. Bei dieser geometrischen Form sind fingerartige Streifen parallel nebeneinander angeordnet und an einem Ende durch einen Querstreifen miteinander verbunden Wenn man die Basiselektrode entsprechend ausbildet und beide Elektroden so anordnet, daß die Finger von Emitter- und Basiselektrode, ohne sich zu berühren, ineinandergreifen, liegt eine Doppelkammstruktur vor, die nach der französischen Patentschrift 1202426 auch für Unipolartransistoren bekannt ist Es ist möglich, diese Doppelkammstruktur durch Verlängerung der Finger einerseits und/oder Erhöhung der Zahl der Finger andererseits den jeweils vorgegebenen Strömen anzupassen. Allerdings werden dabei für große Ströme verhältnismäßig große Abmessungen erreicht, was für die Hochfrequenzeigenschaften und aus wirtschaftlichen Gründen von Nachteil ist. Darüber hinaus sind auch noch andere Gründe vorhanden, die gegen eine beliebige Verlängerung der Finger oder eine Vergrößerung ihrer Anzahl sprechen. Diese werden weiter unten erläutert. Auch die anfangs erwähnten Geometrien für kleinere Ströme würden bei der für größere Ströme geforderten Randlänge zu unvorteilhaft großen Abmessungen führen bzw. die zur Verfügung stehende FlKche des Halbleiterkörpers nicht optimal ausnutzen, was z. B. für die stern- und blattförmigen Geometrien zutrifft. Ein kammförmiger Emitter bei einem Leistungstransistor, wie er aus den Zeitschriften »Archiv der elektrischen Übertragung«, Bd. 17 (1963), Heft 10, S. 467 bis 475, und »Technische Rundschau«, Nr. 30, vom 13.7. 1962, S. 3, 5 und 7, bekannt war, hat nämlich den Nachteil, daß bei der Verlängerung der Kämme zwar die Randlänge der Emitterzone unter Vergrößerung der Fläche des Leistungstransistors, nicht aber die wirksam injizie rende Emitterfläche vergrößert wird.

Aus der DL-PS 33 354 isi eine besondere Kammstruktur eines Transistors bekannt, <'\e symmetrisch zur Flächendiagonalen eines rechteckigen Halbleiterplättchens angeordnet ist und die die zur Verfügung stehende Fläche bereits relativ gut ausnutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Transistoren für größere Ströme ab etwa 3 A eine solche Gestaltung zu finden, daß trotz der für die große Stromstärke erforderlichen Rindlänge eine gleichmäßige Injektion aller Randteile erzielt wird und daß die erforderliche Randlänge der Emitterelektrode auf einer möglichst kleinen Fläche eines Halbleiterkörpers untergebracht ist.

Die Erfindung betrifft einen Leistungstransistor mit einem Halbleiterkörper rechteckförmiger Grundfläche, dessen eine Oberflächenseite mit einer flächenhaften ohmschen Kontaktelektrode als Kollektorelektrode bedeckt ist und auf dessen entgegengesetzter Oberflächenseite eine sternförmige, vier nach außen sich verjüngende Sternzacken aufweisende Emitterelektrode und -zone angeordnet ist, die von einer mit ihr verzahnten Basiselektrode und -zone umgeben ist.

Ein derartiger Leistungstransistor ist aus der Zeitschrift »Radio-Electronics«, Bd. 22, 1961, Nr. 11, S. 42, bekannt.

Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Aus der GB-PS 9 35 710 ist zwar ein Halbleitexbauelement üt einer sternförmigen Elektrode bekannt, deren Zacken fingerartige Ansätze unterschiedlicher Länge aufweisen. Bei dieser Elektrode handelt es sich aber um eine Basiselektrode an einem vierschichtigen Halbleiterschalier. Außerdem handelt es sich nicht um eine Struktur mit rechteckförmiger Grundfläche. Die Emitterelektrode weist dagegen sternförmig angeordnete Ausnehmungen auf. Bei dem erfindungsgemäßen Leistungstransistor wird berücksichtigt, daß eine Erhöhung der gesamten Emitteremission durch Vergrößerung der Randlänge nicht ohne weiteres durch eine beliebige Verlängerung der fingerartigen Ansätze, im folgenden Kontaktfinger genannt, erreicht werden kann. Wegen der geringen Dicke der Metallschicht, aus der die Emitao terelektrode besteht, ist deren Widerstand nicht vernachlässigbar klein. Es entsteht von der Stromzuführung der Elektrode zu den davon entfernten Enden ein merklicher Spannungsabfall, der dazu führt, daß die von der Stromzuführung weit entfernten Ränder der Emitterzone an den Kontaktfingerenden gegenüber den unmittelbar benachbarten Randgebieten weniger Ladungsträger emittieren. Es ist also nicht mehr sinnvoll, die einzelnen Kontaktfinger einer Elektrode über eine optimale Länge hinausgehen zu lassen. Dieser Erkenntnis wird bei dem Leistungstransistor Rechnung dadurch getragen, daß nach seiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Verhältnis von mittlerer Länge zur mittleren Breite der Kontaktfinger kleiner als 10:1 ist. Durch diese An-Ordnung und Ausbildung der einzelnen Kontaktfinger werden extrem lange, dünne Kontaktfinger vermieden. Ferner sind in der Nähe von Zuleitungen, also an Stellen, an denen viel Strom fließt, die Kontaktfinger breit und an den entfernteren Stellen mit geringeren Strömen schmaler. Die Kontaktfinger sind also so schmal wie möglich und so breit, wie aus Gründen der Stromdichte nötig ist, ausgebildet. Durch die oben beschriebene Anordnung der Kontaktfinger wird außerdem erreicht, daß die zur Verfügung stehende Halbleiteroberfläche dicht und gleichmäßig von den Kontaktelektroden bedeckt ist. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß die Stellen, an denen während des Betriebs Wärme entsteht, gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Halbleiterkörpers verteilt sind. Es wird dadurch verhindert, daß einzelne Stellen durch Aufheizung durchbrennen. Außerdem wird die Wärmeableitung begünstigt.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele des oben beschriebenen Leistungstransitsors erläutert. Fig. 1 zeigt die geometrische Form der Emitter- und Basiselektrode eines Transistors, der für Stromstärken bis 4 A geeignet ist und der außerdem so ausgelegt ist, daß er für verhältnismäßig hohe Frequenzen bis etwa 200 MHz verwendbar ist; So F i g. 2 zeigt die geometrische Form der Emitter- und Basiselektrode eines Transistors, der vorwiegend für große Stromstärken über 10 bis etwa 15 A ausgelegt ist. Ein solcher Transistor kann z.B. für die Schaltung hoher Ströme verwendet werden. In beiden Figuren ist die Draufsicht auf die Oberfläche des Transistors gezeigt, auf der die Emitter- und die Basiselektrode untergebracht sind. Es liegt also der Grundriß des jeweiligen Transistors vor. Im

Interesse einer klaren Darstellungsmöglichkeit sind beide Figuren nicht im gleichen Maßstab und nicht genau maßstabsgerecht gezeichnet. Die wirklichen Maße sind in der folgenden Beschreibung angegeben.

In Fig. 1 besitzt der Halbleiterkörper 15 eine Sei- S tenlänge von etwa 800 μ. Auf der unterhalb der Zeichenebene liegenden Oberfläche ist eine großflächige Kollektorelektrode durch einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterkörper hergestellt. Der Kollektor-pn-Übergang ist durch die gestrichelte Linie 16 angedeutet.

Es kann sich bei der in Fi g. 1 dargestellten Geometrie sowohl um die Oberfläche eines Mesatransistors als auch um die eines Planartransistors handeln. Im einzelnen soll auf die Herstellung derartiger Transistoren nicht näher eingegangen werden, da diese allgemein bekannt ist. Es sei nur darauf hingewiesen, daß durch geeignete, auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers angebrachte Masken mittels Diffusions- bzw. Aufdampf- und Legierungsvorgän- ao gen die Basis- und Emitterzone in der gewünschten Struktur erzeugt werden. Als Masken können dabei sowohl Metallmasken verwendet werden als auch auf der Halbleiterfiäche angebrachte Oxydschichten, die unter Anwendung der photolithographischen Technik »5 mit entsprechenden Aussparungen versehen sind.

Die Emitterelektrode 11 wird durch die von der inneren ausgezogenen Linie umrandete Fläche gebildet. Sie besteht aus zwei Diagonalstreifen, die sich in der Mitte kreuzen und jeweils eine Gesamtlänge von etwa 650 μ aufweisen. In der Mitte, an der Kreuzungsstelle der Diagonalstreifen, ist eine ausreichend große zentrale Kontaktfläche 13 zum Anbringen des Emitterzuleitungsdrahtes vorhanden. Ein solcher Zuleitungsdraht kann z. B. unter Anwendung von Druck und Wärme beim Aufsetzen eines z.B. vergoldeten Drahtes angebracht werden. Die Breite der Diagonalen verjüngt sich von der zentralen Kontaktfläche 13 nach außen.

An den einzelnen Zweigen der Diagonalstreifen sind fingerartige Ansätze angebracht, die sich von dem Ansatzpunkt an dem Diagonalstreifen nach außen verjüngen. Diese Kontaktfinger haben unterschiedliche Länge und sind so ausgebildet, daß sie, nebeneinander angeordnet, die von je zwei Diagonalzweigen gebildete Dreieckfläche ausfüllen. Sie sind in ihrer Länge so begrenzt, daß ihre Enden etwa auf einer Verbindungslinie der beiden Enden der Diagonalzweige liegen. Das Verhältnis von Länge und Breite der Fingeransätze ist so gewählt, daß in keinem Falle das optimale Verhältnis von mittlerer Länge zur mittleren Breite von 10:1 überschritten wird.

Der eine Diagonalstreifen ist an seinem linken oberen Ende verkürzt ausgebildet, um eine ausreichend große Kontaktfläche 14 auf der Basiselektrode IZ für die Anbringung des Basiszuleitungsdrahtes zu erhalten.

Die Basiselektrode 12 bedeckt die Basiszone 19 des Transistors und umgibt die Emitterelektroden, indem sie der Randausbildung der Emitterelektrode an allen Stellen nahezu in gleichem Abstand folgt.

Die gestrichelte Linie 18 deutet den Emitter-pn-Übergang an, der zwischen der Emitterzone 17 und der Basiszone 19 liegt. Der Abstand der Emitterelektrode 11 und der Basiselektrode 12 vom Emitter-pn-Übergang 18 beträgt etwa 1S μ.

Während der für hohe Leistungen und hohe Frequenzen ausgelegte Transistor nach F i g. 1 nur einen Emitterzuleitungsdraht an der Kontaktfläche 13 aufweist, ist die Geometrie des Transistors nach F i g. 2, der vorwiegend für hohe Ströme über 10 A ausgelegt ist, so ausgebildet, daß sowohl an der Basiselektrode als auch an der Emitterelektrode mehrere Anschlüsse angebracht werden können. In F i g. 2 ist mit 25 der Halbleiterkörper bezeichnet, der etwa eine quadratische Grundfläche aufweist und eine Seitenlänge von etwa 2000 μ besitzt. Die Emitterelektrode 21 besteht wiederum aus zwei sich in der Mitte kreuzenden Diagonalstreifen, von denen der eine, der von rechts unten nach links oben verläuft, an seinen Enden verkürzt ist, um auf der Basiselektrode 22 zwei genügend große Kontaktflächen 24 zum Anbringen des Basiszuleitungsdrahtes zu erhalten.

Die Diagonalstreifen der Emitterelektrode sind ähnlich wie bei Fig. 1 mit fingerartigen Ansätzen versehen, die sich von ihrem Ansatzpunkt nach ihrem Ende zu verjüngen und die von zwei Diagonalannen gebildete Dreiecksfläche ausfüllen. Im Gegensatz zu der in F i g. 1 dargestellten Emitterelektrode 11 ist keine zentrale am Kreuzungspunkt des Diagonalstreifens liegende Kontaktfläche für die Anbringung des Emitterzuleitungsdrahtes vorgesehen. Statt dessen sind vier Emitterzuleitungsdrähte an je einer Kontaktfläche 23 angebracht, die sich zwischen zwei gegegenüberliegenden fingerartigen Ansätzen am Diagonalstreifen befindet. Entsprechend der dadurch bedingten andersartigen Stromverteilung verjüngen sich die Diagonalstreifen nicht von ihrem Kreuzungspunkt nach außen, sondern von den Kontaktflächen 23 der Emitterzuleitungsdrähte nach außen und nach innen.

Die Basiszone 29 bildet mit der Emitterzone 27 den durch die gestrichelte Linie 28 angedeuteten pnübergang. Der Kollektor-pn-Übergang ist durch die gestrichelte Linie 26 angedeutet. Der Abstand der Emitterelektrode 21 und der Basiselektrode 22 vom Emitter-pn-Übergang 28 beträgt etwa 25 μ. Die Länge der Diagonalstreifen der Emitterelektrode beträgt etwa 1800 μ.

Als Weiterbildung des oben beschriebenen Leistungstransistors wird eine Maßnahme angegeben, um die Hochfrequenzeigenschaften eines Transistors zu verbessern, ohne dabei die Strombelastbarkeit herabzusetzen. Da an der Emission von Ladungsträgern im wesentlichen die Randgebiete der Emitterzone beteiligt sind, sind die inneren Teile der Emitterzone unwichtig. Man kann auf diese Teile überhaupi verzichten und erreicht dadurch, daß die Gesamtfläche der Emitterzone vermindert wird. Man verkleinert damit gleichzeitig die durch die Emitterzone gebildete Kapazität und erhöht die Grenzfrequen; des Transistors. Praktisch kann das bei der Herstel lung des Transistors dadurch erreicht werden, dal man bei der Erzeugung der Emitterzone, z. B. durcl Diffusion, die Maske so ausbildet, daß die mitt leren Teile der Emitterzone ausgespart sind. Wen man zur Maskierung Oxydschichten verwendet, be finden sich über den ausgesparten Teilen Oxydschidi ten. Die Emitterzone ist dann nur noch unterhal der Ränder der Emitterelektrode ausgebildet. Ma kann auf diese Weise, ohne die Strombelastbarke des Transistors zu beeinträchtigen, die von der Emi terzone eingenommene Fläche erheblich verminder

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

XX,

Claims (3)

Es ist bekannt, daß die Emission von Ladungs- Patentanspriiche: trägern vorwiegend an den Rändern der Emitterzone ^^* stattfindet Transistoren für hohe Strome müssen da-

1. Leistungstransistor mit einem Halbleiter- her eine Emittemmemit möglichstgrcßer.Jandlänge körper rechttckförmiger Grundfläche, dessen 5 besitzen. Wenn ein Transistor bei moghchst hohen eine Oberflächenseite mit einer flächenhaften Frequenzen betneben werden soll, muß die Gesamtohmschen Kontaktelektrode als Kollektorelek- fläche der Emitter- und Kollektorzone unter Berucktrode bedeckt ist und auf dessen entgegengesetz- sichtigung der fur die vorgesehenen Strome geforter Oberflächenseite eine sternförmig! vier nach derten Randlänge moghchst klein sen. Ferner sollen außen sich verjüngende SternzackenAufweisende ic die Abstände der Emitter- und Basiselektrode vom Emitterelektrode und -zone angeordnet ist, die Emitter-pn-Übergang im Hinblick auf einen kleinen von einer mit ihr verzahnten Basiselektrode und Emitter-Basis-Senenwiderstand, soweit das techno- -zone umgeben ist, dadurchgekennzeich- logisch durchführbar ist, moghchst klein sein. Außern e t, daß die vier Sternzacken der sternförmigen dem müssen dis Metallelektroden an mindestens einer Emitterelektrode und -zone (11,17; 21, 27) sich 15 Stelle eine zusammenhangende Flache besitzen, die in die Richtung der Diagonalen der rechteckför- das Anbringen einer Stromzuführung gestattet, migen Grundfläche des Halbleiterkörpers (15) er- Schließlich wird noch aus wirtschaftlichen Gründen strecken und daß die Länge der Sternzacken- die Forderung gestellt, die fur den vorgegebenen ränder durch fingerartige, an beiden Schenkeln Strom erforderliche Randlänge auf einer möglichst der Sternzacken angebrachte Ansätze unter- *° kleinen Oberfläche des Halbleiterkörpers unterschiedlicher Länge und Breite vergrößert ist, die bringen, damit möglichst wenig Halbleitermaterial bejeweils senkrecht zum nächstgelegenen Rand des nötigt wird.

rechteckförmigen Halbleiterkörpers (15) ausge- Die Erfindung betrifft vorwiegend Transistoren des

richtet sind und die die Dreieckflächen zwischen Mesa- oder Planartyps. Diese Transistoren zeichnen iwei Sternzacken und der zwischen ihren Spitzen »5 sich gemeinsam dadurch aus, daß ein Halbleiterliegenden Randlinie des rechteckförmigen Halb- körper eines Leitungstyps auf einer Oberfläche mit leiterkörpers gleichmäßig voneinander entfernt einer flächenhaften ohmschen Kontaktelektrode als ausfüllen, daß sich die fingerartigen Ansätze an Kollektorelektrode versehen wird und auf der entden Sternzacken mit zunehmender Entfernung gegengesetzen Oberfläche nach dem Erzeugen einer von den Kontaktflächen für die Emitterzulei- 30 Basis- und einer Emitterzone je eine flächenhafte tungsdrähte verjüngen und daß entweder die Emitter- und Basiselektrode auf diesen Zonen ange-Stemzacken an ihrer Kreuzungsstelle eine aus- bracht ist.

reichend große zentrale Fläche als Kontaktfläche Die Herstellung der Kollektorelektrode bereitet

(J 3) für den Emitterzuleitungsdraht aufweisen keine Schwierigkeiten. Diese treten vielmehr bei der oder daß je eine Kontaktfläche (23) für je einen 35 Konstruktion der Emitter- und der Basiselektrode Emitterzuleitungsdraht auf jedem Sternzacken in auf, wenn dabei die vorstehend genannten Forderunjeweils gleicher Entfernung vom Kreuzungspunkt gen, da sie nicht gleichzeitig realisierbar sind, berückder Sternzacken und an einem Abzweigungspunkt sichtigt werden. Es sind daher bereits verschiedene iweier gegenüberliegender fingerartiger Ansätze geometrische Formen für die Emitter- und Basisangebracht ist. 40 elektrode und die zugehörigen Zonen bekannt oder

2. Leistungstransistor nach Anspruch 1, da- vorgeschlagen worden, die für die jeweiligen spezidurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von eilen Forderungen optimale Verhältnisse ergeben, mittlerer Länge zur mittleren Breite der finger- Eine Vielfalt von teilweise gänzlich unterschiedlichen artigen Ansätze kleiner ist als 10:1. Geometrien war beispielsweise aus der Zeitschrift

3. Leistungstransistor nach Anspruch 1 oder 2, 45 »Technische Rundschau«, Nr. 30, vom 13.7.1962, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung min- S. 3, 5 und 7, bekannt.

destens einer Kontaktfläche (14, 24) eines Basis- Für relativ kleine Ströme bis etwa 0,5 A ist es vor-

iuleitungsdrahtes mindestens ein Sternzacken teilhaft, die Emitterelektrode bzw. die Emitterzone an einem Ende verkürzt ist. kreisförmig oder quadratisch auszubilden, wobei die