DE1564126B2 - Leistungstransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Transistoren für hohe Leistungen, insbesondere ein Hochfrequenz-Hochleistungstransistor-B auelement.

Beim Betrieb von Transistoren mit hohen Leistungen in der Größenordnung von 2 Watt und darüber sind die Ableitung der im Halbleitermaterial erzeugten Wärme und der Temperaturausgleich im Material wichtig und stellen eine Grenze dar. Das halbleitende Material muß mit dem Sockel in guten Wärmeaustauschbeziehungen stehen. Eine gleichmäßige Wirkung der gesamten Fläche des Transistors verhindert die Ausbildung von überhitzten Stellen (hot spots) und gestattet das Arbeiten bei einer höheren Leistung. Bei hohen Frequenzen nimmt die Impedanz der Zuleitungen zu. Es ist daher wichtig, daß diese so ausgebildet werden, daß zwischen den Elektroden wirkende und verstreute konstante Effekte vermieden werden. Eine günstige Ausbildung der Zuleitungen kann dazu beitragen, den Strom über die gesamte Fläche eines Transistors und, im Falle daß zwei Transistoren parallel arbeiten, auch zwischen den beiden Transistoren, zu verteilen.

Verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung von Transistoren im Hinblick auf höhere Frequenzen und höhere Leistungen sind bereits bekannt. Aus der britischen Patentschrift 839176 ist ein Transistor hoher Verlustleistung mit einem Ringemitter bekannt, bei dem das Transistorelement mit dem Kollektor auf eine erhöhte Stelle des Sockels aufgelötet ist.

Aus den USA.-Patentschriften 2 887 628 und 3 025 473 sind Transistoren bekanntgeworden, bei denen Halbleiterkörper und Zuleitungen isoliert im Gehäuse angeordnet sind.

Aus der USA.-Patentschrift 3 074 145 ist ein photolithographisches Verfahren zum Herstellen der Verbindung zwischen den Transistorelektroden und den Gehäuseanschlüssen zu entnehmen.

Aus der französischen Patentschrift 1358 189 ist schließlich ein Leistungstransistor bekannt, bei dem die Teilbereiche der Emitterelektrode über gleich große parallelgeschaltete Widerstände mit dem Emitteranschluß verbunden sind. Die Anordnungen

nach dem Stand der Technik haben den gemeinsamen Nachteil, daß komplexe Maßnahmen zur Verbesserung sowohl der Hochfrequenzeigenschaften als auch der Wärmeabführung fehlen.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, verbesserte Hochfrequenzleistungstransistoren für hohe Frequenzen zu schaffen mit einer verbesserten "Wärmeabführung vom Halbleiterkörper in gleichmäßiger Belastung der gesamten Transistorfläche sowie symmetrische Ausbildung des Wechselstromwiderstandes. Sie betrifft Leistungstransistoren mit impedanzarmem Aufbau auf einem Sockel mit mindestens einem Transistorelement als Basis-, Kollektor- und Emitterzonen und einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Anordnung, die das Transistorelement trägt und mit dem Sockel mechanisch verbindet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der an sich bekannte elektrisch isolierende Teil einen Kontakt für den Kollektor enthält, der eine ohmsche Verbindung mit der Kollektorzone herstellt, daß ein Ständer aus elektrisch leitendem Material unmittelbar neben dem Transistorelement mit einem Ende am Sockel befestigt ist und mit dem anderen Ende neben dem Transistorelement liegt, daß Zuleitungen eine elektrische Verbindung zwischen dem Ständer und der Emitterzone herstellen, derart, daß der Sockel gleichzeitig den Emitteranschluß bildet, und daß Basis- und Kollektorzuleitungen in an sich bekannter Weise isoliert durch den Sockel geführt und mit den Basis- und Kollektorkontakten verbunden sind.

Die Merkmale der Erfindung werden im folgenden im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert:

F i g. 1 stellt eine perspektivische Ansicht eines Transistorbauelementes nach der Erfindung dar;

F i g. 2 ist eine Draufsicht auf das Transistorbauelement gemäß Fig. 1, bei dem die Kappe entfernt ist, um die innere Anordnung der Zuleitungen und des Halbleiterkörpers zu zeigen;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig.2;

F i g. 4 ist eine vergrößerte Teilansicht des Transistors und veranschaulicht die Emitter- und Basisanschlüsse;

Fig. 5 stellt eine Ansicht entlang der Linie 5-5 von F i g. 4 dar;

F i g. 6 zeigt eine andere Transistoranordnung nach der Erfindung;

F i g. 7 zeigt das Prinzipschaltbild eines Transistors nach der Erfindung, und

F i g. 8 zeigt das Prinzipschaltbild für einen Doppeltransistor, der gemäß der Erfindung in einer gemeinsamen Hülle untergebracht ist.

Das Transistorbauelement enthält einen Sockel 11, der das Halbleitermaterial, das das eigentliche Transistorelement bildet, andere Teile der Anordnung und die Zuleitungen trägt. Der Sockel 11 ist zur Aufnahme einer Kappe 12 ausgebildet, welche zur Unterbringung und zum Schutz der Anordnung vor der Umgebung dient. Der Sockel kann außerdem ein paar in Abstand voneinander angebrachte Montagelöcher 13 enthalten, mit deren Hilfe er an zugehörigen Einrichtungen mittels Schrauben befestigt werden kann. Selbstverständlich kann der Sockel auch anderen bekannten Typen entsprechen, z. B. einem Typ, der einen Schraubansatz enthält zum direkten Einschrauben in entsprechend ausgebildete zugehörige Anordnungen.

Der Transistor 16, um mit der Beschreibung von Einzelheiten zu beginnen, wird durch eine wärmeleitende Schichtenanordnung (sandwich) 17 getragen, die den Transistor elektrisch vom Sockel isoliert. Die Schichtenanordnung besteht vorzugsweise aus Material mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Transistorelement 16, um Bruch infolge

ίο unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden. Für einen Siliciumtransistor kann die Schichtenanordnung z. B. aus einer Molybdänscheibe 18 bestehen, die in geeigneter Weise mittels bekannter Methoden an den z. B. aus Kupfer bestehenden Sockel angelötet ist. Eine zweite Molybdänscheibe 19 ist mit der Kollektorzone des den Transistor bildenden Halbleiterkörpers verlötet. Eine Schicht aus Berylliumoxyd 21 ist zwischen den beiden Molybdänscheiben zum Herstellen einer mechanischen Verbindung angeordnet. Eine derartige Verbindung ist elektrisch isoliert. Die Berylliumoxydschicht 21 ist relativ dünn und hat eine gute Wärmeleitfähigkeit, so daß die Wärmeleitung zwischen dem Transistorelement 16 und dem Sockel 11 verhältnismäßig gut ist.

Die in F i g. 1 bis 3 dargestellte Anordnung enthält die beiden Transistorelemente 16 a und 16 b, die nebeneinander mit gegenüberliegenden Enden angeordnet sind. Ein Ständer 22 aus Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit ist entlang den beiden gegenüberliegenden Seiten der Transistoren und parallel zu diesen auf dem Sockel befestigt. Die obere Seite des Ständers hat nahezu die gleiche Höhe wie die obere Fläche der Transistoren. Sie kann eine Molybdänscheibe 23 enthalten, welche in geeigneter Weise mit dem Kupferständer verbunden ist und welche ein Siliciumplättchen 24 trägt. Die obere Oberfläche des Siliciumplättchens kann mit einer aufgedampften ohmschen Kontaktschicht versehen sein. Kurze Emitterzuleitungen 26 verbinden den ohmschen Oberflächenkontakt und die Emitterzonen des entsprechenden Transistors. Der Stromweg des Emitterstromes setzt sich aus dem Sockel 11, dem Ständer 22, der Siliciumscheibe 24 und den Emitterzuleitungen 26 zusammen. Die Siliciumscheibe 24 stellt einen Serienwiderstand dar. Der Widerstand der Siliciumscheibe kann durch Einstellen ihrer Dicke, durch ihre Verunreinigungskonzentration oder ähnliche Maßnahmen festgelegt werden, so daß mit den Zuleitungen zusammen ein vorgegebener Serienwiderstand erhalten werden kann.

Die Basiselektrode besteht aus einem C-förmig gebogenen Teil 27 mit den beiden Enden 28, die einander gegenüber und über einem jeweils darunter befindlichen Transistor liegen. In der Mitte des Bügels des C-förmigen Teils ist dieser mit einem Stift 29 verbunden, der durch den Sockel führt. Der Stift ist mittels einer Glasperle durch den Sockel geführt, die eine dichte Durchführung bildet. Basiszuleitungen, die ohmsche Anschlüsse mit der Basiszone des Transistors bilden, verbinden nach oben verlaufend die C-förmig gebogene Elektrode und den ohmschen Basiskontakt.

Der Kollektoranschluß besteht aus einem U-förmig gebogenen Bügel 31, der bei 32 einen um 90° gebogenen bandförmigen Verlauf hat und der in geeigneter Form mit der sich nach auswärts erstreckenden Nase 33 der Molybdänscheibe 19 verbunden ist. Wie ersichtlich ist, läuft je einer dieser Streifen zu je

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einem der entsprechenden Transistoren. Die beiden Die Basiszonen der Anordnungen sind durch C-för-

Enden des U-förmigen Kollektorbügels sind mit je mig gebogene Zuleitungen kontaktiert. Wegen dieser

einem dieser Streifen verbunden. Im mittleren Teil symmetrischen Ausbildung ist die Eigenimpedanz der

ist der U-förmig gebogene Kollektorbügel mit einem beiden Hälften im wesentlichen gleich, wodurch

Stift 34 verbunden, der mittels einer eine dichte 5 sichergestellt ist, daß von beiden Transistoren jeder

Durchführung bildenden Glasperle 35 durch den anteilig belastet wird. Die U-förmig gebogenen KoI-

Sockel geführt ist. lektorzuleitungen sind ebenfalls symmetrisch, wo-

Der Leistungstransistor ist in Fig. 4 und 5 in Ein- durch ebenfalls eine ausgleichende Wirkung entsteht,

zelheiten klarer dargestellt. Er hat eine Kollektor- Es ist damit gewährleistet, daß das Bauelementepaar

zone 41, eine Basiszone 42, die beide einen Basis- io bei unterschiedlichen Frequenzen und Belastungen

Kollektorübergang bilden, und eingesetzte Emitter- im wesentlichen gleich arbeitet,

zonen 43. Die Ersatzschaltung für einen einzelnen Tran-

Wie in Fig. 4 dargestellt, handelt es sich um einen sistor, der entsprechend der Erfindung kontaktiert Transistor mit ineinandergreifender fingerartiger ist, ist in Fig. 7 dargestellt, wo die Induktanz der Struktur, bei dem der Emitter aus einer Mehrzahl 15 Basiszuleitung bei 61 angegeben ist, die Induktanz von Fingern 40 besteht. Die Teile des Emitter-Basis- der Kollektorzuleitung bei 62 und die einzelnen Inüberganges, die an die Oberfläche treten, werden duktanzen der verschiedenen Emitterzuleitungen bei durch eine Oxydschicht 44 geschützt. Die Emitter- 63 a, 63 b usw., zugeordnet zu den schematisch darkontakte 46 und die Basiskontakte 47 werden durch gestellten verschiedenen Emitterkontakten. Die Aufdampfen eines fingerartig ineinandergreifenden 20 Serienwiderstände sind bei 64 a, 64 b usw. dargestellt. Kontaktmusters auf die Oberfläche des Bauelementes Für den symmetrischen Aufbau ist die Ersatzhergestellt. Das Kontaktmuster weist im wesent- schaltung in F i g. 8 dargestellt, bei der die Induktanz liehen als Grundlage eine rippenartige Struktur auf 65 der Kollektorzone symmetrisch ausgebildet ist und mit kammerartigen Emitterkontakten. Der Kollektor- eine Serieninduktanz 65 a für den Teil der Zuleitung, kontakt 48 wird durch die bereits früher beschriebene 25 der durch die Glasdurchführung des Sockels verläuft, Molybdänscheibe gebildet. angegeben ist. Entsprechend ist die Induktanz des

Der kammartige Emitterkontakt ist unterbrochen C-förmig gebogenen Teils der Basiszuleitung bei 66

und bildet eine Mehrzahl derartig ausgebildeter Kon- angegeben mit der Zuleitungsinduktanz 66 a. Ferner

takte 46a, 46b usw. Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist jedem Teilemitter zugeordnet eine Vielzahl von

ist, sind 8 derartige Emitterzonen oder -abschnitte 30 Emitterwiderständen 67λ, 67 b usw. angegeben. Diese

vorhanden. Jeder dieser Abschnitte ist mit einer Widerstände haben im wesentlichen den gleichen

■Emitterzuleitung 26 verbunden. Die Emitterzuleitun- Wert, da sie aus einem einzigen Siliciumplättchen,

gen sind nebeneinander mit dem Emitterwiderstand das auf dem Ständer montiert ist, gebildet .sind.

24 verbunden. Danach liegt in Serie mit jedem der Außerdem sind die Zuleitungsinduktanzen 68 a, 68 b

Emitterkontakte 46 ein Widerstand. Die Serien-Emit- 35 usw. dargestellt.

terwiderstände sollen gewährleisten, daß der Strom- Der Ständer kann aus- den beiden Armen eines fluß zu jeder der Emitterzonen im wesentlichen gleich U-förmig gebogenen, als Kanal wirkenden Teiles beist. Es ist leicht einzusehen, daß ein Ansteigen des stehen, welches die schichtförmige Anordnung 17 Stromes in einem der Serienkreise ebenfalls ein An- zur Wärmeübertragung aufnimmt und welches ansteigen des Spannungsabfalls im Widerstand zur 40 dererseits an dem Sockel befestigt ist. Dies kann als Folge hat und damit einen Abfall der Emitterspan- Teilanordnung ausgebildet und dann auf dem Sockel nung, durch den auch der Strom vermindert wird. montiert werden. In Fig. 6 ist ein Teil des Sockels Es ist also ein negativer Rückkopplungseffekt vor- mit der darauf befestigten U-förmig gebogenen Anhanden, der darauf hinwirkt, daß der durch den Ordnung 71 mit den Ständern 72 dargestellt. Die Transistor fließende Strom gleichmäßig verteilt wird. 45 Teilanordnung, bestehend aus dem Transistor 16,

Es ist zu beachten, daß bei hohen Frequenzen jede der Schichtanordnung 17, den Emitterzuleitungen 26 der Zuführungen eine eigene Impedanz hat. Diese und dem U-förmigen Teil 71 mit den Ständern 72 ist Impedanz liegt in Reihe mit der entsprechenden vollständig dargestellt. Der restliche Teil der geZone. Es wird angestrebt, die Impedanz der Emitter- samten Anordnung ist mit den bereits beschriebenen Zuleitungen so weit wie möglich herabzusetzen. Bei 50 Teilen identisch.

der dargestellten Anordnung sind z. B. die Zuleitun- In der vorstehenden Beschreibung ist ein Hochgen 26 verhältnismäßig kurz gehalten. Der Weg leistungstransistor beschrieben, der leicht aufzubauen durch den Emitterwiderstand und den Ständer ist ist, bei dem die Unsymmetrie der verschiedenen bei ebenfalls verhältnismäßig kurz, ferner sind die Ab- Hochfrequenz auftretenden Effekte auf ein Minimum messungen und die Formgebung des Widerstandes 55 herabgesetzt ist und welcher sowohl in symme- und des Ständers so ausgebildet, daß die Serienin- irischem, als auch in unsymmetrischem Aufbau bei duktanz herabgesetzt wird. Damit ist eine gute Über- relativ hohen Frequenzen betrieben werden kann, tragung des Signals gewährleistet. Es besteht nur ge- Die Serienwiderstände gewährleisten, daß der Strom ringe Wahrscheinlichkeit, daß die Hochfrequenzim- gleichmäßig über die gesamte Anordnung verteilt pedanzen der verschiedenen Wege sich wesentlich 60 wird und damit überhitzte Stellen (hot spots) verunterscheiden, da mit Ausnahme der kurzen Zulei- mieden werden. Die Art der Montage gewährleistet tungen 26 der Weg in allen Fällen identisch ist. eine gute Wärmeleitung vom Halbleiterkörper.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Leistungstransistor mit impedanzarmem Aufbau auf einem Sockel mit mindestens einem Transistorelement aus Basis-, Kollektor- und Emitterzonen und einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Anordnung, die das Transistorelement trägt und mit dem Sockel mechanisch verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der an sich bekannte elektrisch isolierende Teil (17) einen Kontakt für den Kollektor enthält, der eine ohmsche Verbindung mit der Kollektorzone herstellt, daß ein Ständer (24) aus elektrisch leitendem Matertial unmittelbar neben dem Transistorelement (16) mit einem Ende am Sockel (11) befestigt ist und mit dem anderen Ende neben dem Transistorelement liegt, daß Zuleitungen (26) eine elektrische Verbindung zwischen dem Ständer und der Emitterzone (43) herstellen, derart, daß der Sockel (11) gleichzeitig den Emitteranschluß bildet, und daß Basis- und Kollektorzuleitungen in an sich bekannter Weise isoliert durch den Sockel geführt und mit den Basis- und Kollektorkontakten (46 bzw. 48) verbunden sind.

2. Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transistorelement aus Silicium besteht, der wärmeleitende elektrisch isolierende Teil (17) schichtenartig derart zusammengesetzt ist, daß zwischen zwei aus Molybdän bestehenden äußeren Scheiben (18 und 19) eine elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Oxydschicht liegt, und daß die eine der Molybdänscheiben (19) mit dem Kollektor einen ohmschen Kontakt herstellt und die andere (18) mit dem Sockel (11) verbunden ist.

3. Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter in eine Mehrzahl voneinander getrennter Zonen (43) unterteilt ist, daß getrennte ohmsche Kontakte (46 a, 46 b usw.) auf jedem der Emitterteile angebracht sind und daß die Basiskontakte (47) in unmittelbarer Nähe der Emitterkontakte liegen, daß auf der oberen Oberfläche des Ständers (22) Wider-Standsmaterial (24) in ohmschem Kontakt mit dem Ständer aufgebracht ist, daß Zuleitungen (26) von jedem der Emitterteile zu dem Widerstandsmaterial führen, so daß ein durch das Widerstandsmaterial gebildeter Serienwiderstand in jeder Emitterzuleitung liegt.

4. Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliciumscheibe vorbestimmter Dicke und mit vorgegebener Verunreinigungskonzentration das Widerstandsmaterial bildet.

5. Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzonen eine nach innen weisende, kammartige Struktur besitzen und die Basiszonen fingerartig dazwischenliegen und an jeder Seite des Transistors ein Ständer angeordnet ist.

6. Leistungstransistor nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistorelemente (16a und 16 b) gemeinsam auf der elekirisch isolierenden wärmeleitenden Schichtenanordnung (17) angebracht sind und über die mit dem Sockel (11) verbundenen Ständer (22) einen gemeinsamen Emitteranschluß haben, daß ein U-förmig geformter Bügel (31) mit beiden offenen Enden (32) mit jedem Kollektor verbunden ist und durch Verbindung mit einem isoliert durch den Sockel geführten Sockelstift (29) einen gemeinsamen Kollektoranschluß herstellt, und daß : .eine C-förmig gebogene, Basiselektrode (27) über den' fingerartigen Transistorstrukturen liegt und durch Verbindung mit einem weiteren isoliert durch den Sockel geführten Sockelstift (34) den gemeinsamen Basisanschluß bildet.

7. Leistungstransistor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständer die beiden Enden (72) eines U-förmig gebogenen Teiles (71) bilden, das mit dem Sockel (11) verbunden ist, den gut wärmeleitenden elektrisch isolierenden Schichtenaufbau (17) mit den Transistorelementen (16) aufnimmt und mit diesen und den entsprechenden elektrischen Verbindungsleitungen (26) einen einheitlichen Montageteil bildet.