DE1589709C - Emitteranschluß eines Leistungstransistors. Ausscheidung aus: 1264615 - Google Patents

Description

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 Kollektor-pn-Übergang auf. Sie ist gegeben durch

N= U_HC-I_C

wobei Ui_iC die Spannung zwischen Kollektor und Basis und I_c der Kollektorstrom bedeuten.

Unter der maximal zulässigen Verlustleistung eines Transistors wird bekanntlich diejenige Leistung ver^: standen, 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 U_CB-1^-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_a{ gewählt wird. Eine derartig gemessene Kurve 2 ist in der Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet. Um eine thermische Zerstörung des Transistors auszuschließen, muß dieser also dementsprechend unterhalb der theoretisch möglichen Verlustleistung der Hyperbel 1 betrieben werden.

Bekanntlich wächst die Stromdichte der Emitterzone 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 Emitterzone über ihre ganze Fläche nicht gleichmäßig injiziert, was praktisch kaum verhindert werden kann, so erfolgt eine stärkere Erwärmung der gegenüber den stärker injizierenden Teilbereichen der Emitterzone liegenden Teilbereichen der Kollektorzone. Von den letzteren Teilbereichen wiederum werden durch Wärmeleitung über die Basiszone gerade die stärker injizierenden Teilbereiche der Emitterzone besonders stark erwärmt. Da die Stromdichte der in die Basiszone injizierten Minoritäten mit der Temperatur, 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 Emitterzone proportional der angelegten Kollektorspannung ist.

ao Diese Annahme wurde durch folgenden einfachen Versuch gestützt: Zwei handelsübliche Silizium-Planar-Transistoren mit großflächigen Emitterzonen wurden elektrisch parallel geschaltet und zur Einhaltung gleicher Gehäusetemperaturen auf einem Kupferblock montiert. Die Kollektorströme der zwei Transistoren wurden einzeln mit niederohmigen Amperemetern gemessen, um thermische Unstabilitäten der Stromaufteilung erkennen zu können. Bei einer Kollektor-Spannung 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.

Aus der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, Nr. 7/1961, S. 308, war im übrigen bekannt, beim Schalten großer Ströme bei parallel betriebenen Transistoren den Gesamtstrom durch kleine Emitterwiderstände möglichst gleichmäßig auf alle Transistoren aufzuteilen. Durch eine derartige Schaltungsmaßnahme wird zwar die thermische Stabilisierung einer Mehrzahl parallelgeschalteter Transistoren, nicht aber die Stabilisierung eines einzelnen Transistors unter Ausschaltung des eingangs geschilderten Effektes erreicht.

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

Die Erfindung beruht auf folgender Überlegung: Wird die Emitterzone in »theoretisch unendlich viele« Teilbereiche zerlegt und jeder Teilbereich über einen kleinen Widerstand mit der gemeinsamen Emitterelektrode verbunden, so kann der Strom in einem bestimmten Teilbereich nicht beliebig ansteigen. Mit steigendem Strom tritt nämlich ein zunehmender Spannungsabfall am betreffenden Widerstand auf, wodurch die Injektionsspannung am betreffenden Teilbereich der Emitterzone kleiner wird (Gegenkopplung).

Die vorliegende Erfindung betrifft somit einen

Emitteranschluß an der flächenförmigen Emitterzone eines temperaturstabilisierten Leistungstransistors, bei dem die Emitterzone über einen Widerstand mit der Emitterelektrode verbunden ist. Die maximal zulässige Verlustleistung eines derartigen Leistungstransistors wird erfindungsgemäß dadurch wesentlich erhöht, daß der Widerstand zwischen der Emitterzone und der Emitterelektrode eine sich über die Fläche der Emitterzone erstreckende und mit der Emitterelektrode verbundene Widerstandsschicht ist und daß der Leitwert der Emitterzone parallel zu ihrer Flächenausdehnung zwischen zwei Emitterzonenteilen, zwischen denen eine unerwünschte Temperaturdifferenz auftreten könnte, kleiner ist als der Leitwert der Widerstandsschicht und der Emitterelektrode.

Durch diese Ausbildung ist die Injektionsspannung jedes Emitterzonenteils bei unerwünschter Erwärmung gegengekoppelt.

Aus der deutschen Patentschrift 559 707 war zwar bekannt, zwischen den beiden Elektroden eines Trockengleichrichters außer der Gleichrichterschicht eine als Vorschaltwiderstand dienende Widerstandsschicht anzuordnen. Dies erfolgt aber aus mechanischen und rein elektrischen Gründen und nicht zur Lösung eines Problems, welches mit dem eingangs geschilderten thermischen Effekt bei Flächentransistoren in Beziehung steht. Gleiches gilt für die lichtelektrische Zelle nach der schweizerischen Patentschrift 157 167, wonach die elektrische Ungleichmäßigkeit der den Träger der Strahlungsempfindlichkeit bildenden Grenzfläche durch eine Zwischenschicht aus Widerstandsmaterial ausgeglichen werden kann.

Ferner war aus der belgischen Patentschrift 570 631 ein Emitteranschluß an der flächenförmigen Emitterzone eines Leistungstransistors bekannt, bei dem die Emitterzone über eine Platte aus Molybdän mit der Emitterzone kontaktiert ist, wobei diese Platte als Widerstandsschicht aufgefaßt werden kann. Auf Grund des hohen Leitwerts einer derartigen Platte aus Molybdän in ihrer Flächenausdehnung ist jedoch die Injektionsspannung jedes Emitterzonenteils bei unerwünschter Erwärmung nicht gegengekoppelt, so daß mit einer solchen Molybdänplatte das oben ausgeführte thermische Problem bei einem Leistungstransistor nicht gelöst wird.

■ Die Erfindung wird im folgenden in einem Ausführungsbeispiel an Hand der F i g. 2 erläutert, die eine flächenförmige Emitterelektrode 3 an der Emitterzone 4 eines im. Schnitt dargestellten Leistungstransistors zeigt. Die Emitterelektrode 3 besteht aus einer Metallschicht, die in bekannter Weise durch Aufdampfen unter Verwendung von Masken hergestellt wird. Die »parallelgeschalteten Widerstände« sind als zusammenhängende Widerstandsschicht 5 ausgebildet. Die Basiszone des Leistungstransistors ist mit 6 und die Kollektorzone mit 7 bezeichnet und wird in bekannter Weise durch Diffusion in einen plattenförmigen Halbleiterkörper erzeugt. Die Widerstandsschicht 5 kann aus dem Gemisch eines Metalls mit einem Metalloxyd, insbesondere nach Art der Massewiderstände, bestehenund kann mit bekannten Mitteln der Aufdampftechnik auf die Emitterzone 4

so aufgebracht werden. Der Leitwert der Emitterzone 4 parallel zu ihrer Flächenausdehnung muß klein gehalten werden. Damit ist folgendes gemeint: Die Flächenleitfähigkeit der Emitterzone 4 muß so gewählt werden, daß zwischen zwei Punkten der

as Emitterzone 4, zwischen denen eine unerwünschte Temperaturdifferenz auftreten könnte, der Leitwert der Emitterzone 4 kleiner ist als der Leitwert der Widerstandsschicht 5 und der Emitterelektrode 3. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß sich das Potential eines kleinen. Flächenbereiches der Emitterzone 4 weitgehend unabhängig vom Potential anderer Flächenbereiche nach der Stromdichte einstellt. Diese Forderung kann leicht durch eine flach diffundierte Emitterzone realisiert werden.

Zwischen der kammförmigen Emitterzone 4 des Leistungstransistors nach der F i g. 2 erstrecken sich streifenförmige Basiselektroden 9, die ebenfalls in Form eines Kammes ausgebildet sein können und in bekannter Weise kontaktiert sind.

Bei der Verstärkung von hochfrequenten Signalen hat die in der F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung den Vorteil eines auf Grund der verringerten Kapazität zwischen der Emitterzone 4 und der Emitterelektrode 3 erniedrigten Wechselstrom-Widerstandes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Emitteranschluß an der flächenförmigen Emitterzone eines temperaturstabilisierten Leistungstransistors, bei dem die Emitterzone über einen Widerstand mit der Emitterelektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zwischen der Emitterzone (4) und der Emitterelektrode (3) eine sich über die Fläche der Emitterzone (4) erstreckende und mit der Emitterelektrode (3) verbundene Widerstandsschicht (5) ist, und daß der Leitwert der Emitterzone (4) parallel zu ihrer Flächenausdehnung zwischen zwei Emitterzonenteilen, zwischen denen eine unerwünschte Temperaturdifferenz auftreten könnte, kleiner ist als der Leitwert der Widerstandsschicht (5) und der Emitterelektrode (3) ist.

2. Emitteranschluß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (5) aus einem Gemisch eines Metalls mit einem Metalloxyd besteht.