DE1764455B2 - Monolithisch integrierte Darlington-Transistorschaltung - Google Patents

Description

der US-PS 3218 613 äst ferner eine monointegrierte, in Planar-Tecbnik ausgeführte Ordnung bekannt, welche Paare von »v» mit gemeinsamer Kollektorzone und einen schmalen Verbindongskaual zusamnden Basiszonen enthalt Hie Basiszonen „_w*j Transistoren eines Transistorpaares bilden jeweils die beiden Schenkel und der Verbin- * T das Verbindungsstück zwischen den tei-.Y

einen

Schnitt nach der linie IV-IV der

Fig. Fig. 2, F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer monolithisch integrierten Darlington-Transistorschaltung S gemäß der Erfindung in der Draufsicht

In der in Fig. 1 dargestellten Dariington-Transistorschaltung ist die Basis des Leistungstransistors LT mit dem Emitter des Treibertransistors TT ver-

pmm uas ybvuu.^»^ ^,„«.v.. «w. ^x- bunden, während die Kollektoren der beiden Tran-Ssäienkeln emes U-fönmgeB Bereiches. Durch io sistoren miteinander verbunden sind. Dadurch wird Verbmdungskanal smd die Basen der beiden eine Schaltungseinheit gebildet, welche als äußere Anpraküsch kurzgeschlossen, während die Schlüsse einen Kollektoranschluß K, einen Emitteran-„,„,„ der beiden Transistoren über einen end- schluß E und einen Basisanschluß B hat und als ein-Widerstend ^einander verbunden sind, der zelner Transistor betrachtet werden kann. Parallel gebildet wird, daß die beiden Transistoren i₅ zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors TT b d e KUktz i f i Widtd R parallel zur Emitter-

Oberseite der gemeinsamen Kollektorzone zu ι Seiten der gemeinsamen U-förmigen Basiszone ate Kollektoranschlüsse haben. Diese bekannte aordnung ist keine Darlington- f ransistorschaltung. Sie bildet vielmehr einen Informations- ao speicher.

Aus der Zeitschrift »IEEE spectrum«, Band 1 (1964), Heft 6, S. 83 bis 101, und aus dem Buch von E Keonjian, »Microelectronics«, New York, 1963, S. 311 bis 315, ist es ferner bekannt, ohmsche as Widerstände als diffundierte Zonen in Halbleiter-Planartechnologie auszubilden.

Aus der GB-PS 9 74 674 ist ein monolithisch intewierter zweistufiger Halbleiterverstärker mit zwei Transistoren bekannt, die die beiden über einen integrierten Widerstand gekoppelten Stufen des Verstärkers bilden. Hierbei handelt es sich nicht um eine Darlington-Transistorschaltung. Der Halbleiterverstärker ist auch nicht in Planar-, sondern in Mesatechnik ausgeführt.

Der Erfindung· liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Darlington-Transistorschaltung der eingangs geiiannten Art den zur Emitter-Basis-Strecke des Treibertransistors parallelliegenden Widerstand hochohmig auszubilden.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, datt die Basiszonen der beiden Transistoren durch im lestens eine mit Kollektormaterial ausgefüllte Einbuchtung derart voneinander getrennt sind, daß zur EmitterBasisStrecke des Treie ist ferner ein Widerstand R_T, parallel zur Emitter-Basis-Strecke des Leistungstransistors LT ein Widerstand R_L und parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors eine Schutzdiode D geschaltet. Zur Erklärung des Grundgedankens der Erfindung dient das in den F i g. 2 bis 4 dargestellte, vereinfachte Ausführungsbeispiel, das die Darlington-Transistorschaltung nach F i g. 1 als Monolithen in Planartechnik realisiert. In das einheitliche Kollektorgrundmaterial 11 einer Siliziumscheibe 10 sind von oben her die Basiszonen 12, 13 und in diese Basiszonen hinein die Emitterzonen 14,15 der beiden Transistoren TT, LT eindiffundiert.

Der Basis-Kollektor-Übergang ist mit gestrichelten Linien, der Emitter-Basis-Übergang mit strichpunktierten Linien angedeutet. Der gestrichelte Linienzug 16 bezeichnet daher in F i g. 2 den Rand der Basisdiffusion, d. h. diejenigen Stellen, an denen der Basis-Kollektor-Übergang an die Halbleiteroberfläche tritt, der strichpunktierte Linienzug 17 den Rand der Emitterdiffusion, d. h. diejenigen Stellen, an denen der Emitter-Basis-Übergang an die Halbleiteroberfläche tritt. Die Emitterzonen 14 und 15 sind in Fig.2 der Übersichtlichkeit halber außerdem unter dem Oxid punktiert.

Die Basiszonen 12,13 der beiden Transistoren TT, LT sind durch eine starke, mit Kollektormaterial ausgefüllte Einbuchtung 18 des Basisrandes 16 elektrisch ithed voneinander abgetrennt Von der Eingefüllte Einbuchtung 18 des Bass

Einbuchtung aeran yuncmauuci gcucuui »mu, uou weitgehend voneinander abgetrennt. Von der Einsie lediglich durch einen von der Einbuchtung frei- 45 buchtung 18 wird ein schmaler, mit Basismaterial gelassenen schmalen Verbindungskanal miteinander ausgefüllter Verbmdungskanal 19 freigelassen, über verbunden sind, daß die in die Basiszone des Treiber- den die beiden Basiszonen 12, 13 miteinander zutransistors eindiffundierte Emitterzone dieses Tran- sammenhängen. Durch diesen Verbindungskanal 19 sistors durch den Verbindungskanal hindurch bis in wird zwischen diesen Basiszonen der Widerstand R_r die Basiszone des Leistungstransistors hinein verlän- 50 eingeführt.

gert ist und daß die die Emitterzone des Treibertran- Die Emitterzone 14 des Treibertransistors ΓΓ ist

""~' ^Λ" ^T ~^:~* ·-»—:»·«— «.«»_ ringförmig in die Basiszone 12 des Treibertransistors

gelegt und über den Verbindungskanal 19 hinweg bis in die Basiszone 13 des Leistungstransistors LT hinein verlängert. Dort verzweigt sie sich in einen Ausläufer 14 α in Richtung des Verbindungskanals 19 und einen Ausläufer 14 b senkrecht zum Verbindungskanal 19.

In den verbleibenden Teil der Basiszone 13 des 60 Leistungstransistors LT ist die Emitterzone 15 des Leistungstransistors eindiffundiert. Die Emitterzone 15 besteht aus einem für den Emitteranschluß vorgesehenen, großflächigen Mittelteil 15 a und aus vier Emitterzähnen ISb, 15 c, 15 d, ISe. Der Mittelpunkt

sistors mit der Basiszone des Leistungstransistors verbindende Metallisierung im Bereich der Verlängerung der Emitterzone des Treibertransistors über den Verbindungskanal hinweg verläuft.

Weitere Einzelheiten und zweckdienliche Weiterbildungen der Darlington-Schaltung nach der Erfindung sind nachstehend an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher be-'stHrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das elektrische Schaltbild einer Darlington-' 'Transistorschaltung,

ein erstes, vereinfachtes Ausführungsbei-

Fig. 2

spiel einer monolithisch integrierten Darlington-Tran- ωιηι«,·«»...«. , , .

sistorschaltung gemäß der Erfindung, das die prin- 65 des Mittelteiles 15 a liegt etwa auf der vom Mittel-

zipiellen Zusammenhänge zeigt, in der Draufsicht, punkt der Emitterzone 14 zum gegenüberliegenden

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Eckpunkt der Halbleiterscheibe 10 führenden Diago-

FiE. 2, nale. Die beiden Emitterzahnpaare 15 fr, 15 c und

£4455

15.α*,i.lJS.eiiegeAi ϊ%!^ζ?^!?Ρ^Φ^βη spiegelsymmetrisch W = Abstand zwischen Emitter-Basis-Übergang zu dieser Diagonalen. Dabei erstrecken sich die Emit- und Basis_rKollektor-Übergang (= Basis-Mittelteil 15a aus zum Aus- weite),

hin und verlaufen b = Abstand zwischen ,Emitter-Basis-Übergang

Γ! ^T,·; r; ⁵ und Basis-Kollek'tor-Übergang an der HaIb-

efe dej] !Halb.ieiterscheib^ 10 ist, durch leiteroberfläche,

^---**^^g;|0^,^_e:'2q^;^^öfen..des a = Breite des Ausläufers 14a der Emitterzone

Qa. client, jvoll^än^g bedeckt 14 des Treibertransistors,

^ ilbieiiterscheibeiiDiisiiüm Schutz c = Länge des Verbindungskanals 19 zwischen

der pn-Übergänge teilweise mit einer Oxidschicht 21 ίο der Basiszone 12 des Treibertransistors und versehen. Metallisiert sind nur diejenigen Teile der der Basiszone 13 des Leistungstransistors, Oberseite, welche nicht mit Oxid bedeckt sind. Zum L = Länge der Emitterdiffusion des Treibertran-Änlöten des Basisanschlusses B dient die Basismetalli- sistors TT unter der Basismetallisierung 23 b sierung22 des Treibertransistors TT. Die Emitter- des Leistungstransistors LT (= Länge des zone 14 des Treibertransistors TT trägt ferner eine 15 Ausläufers 14a).
Emittennetallisierung 23a, die Basiszone 13 des Leistungstransistors LT eine Basismetallisierung23 b. Die Hieraus ergeben sich genügend freie Parameter, Emitterzone 15 des Leistungstransistors LT trägt z. B. α, 6, c, um den Widerstand R_T auf einen geeine Emittermetallisierung 24, die zum Anlöten des wünschten Wert einzustellen. Soll er besonders groß Emitteranschlusses £ dient. Der Anschlußdraht für 20 sein, so wird vorteilhaft die Emitterzone 14 des Treidiesen Anschluß wird auf demjenigen Teil dieser bertransistors zu beiden Seiten des Verbindungs-Metallisierung angelötet, der auf dem Mittelteil 15 a kanals 19 durch Abrundung des von ihr jeweils einder Emitterzone 15 des Leistungstransistors aufliegt. geschlossenen Winkels vergrößert (Erhöhung von α,

Die elektrische Verbindung zwischen der Emitter- in Fig. 2 gezeigt bei 25 und 26).

zone 14 des Treibertransistors TT und der Basiszone »5 Es ist ferner ein Widerstand R_L parallel zur Emit-

13 des Leistungstransistors LT wird durch eine un- ter-Basis-Strecke des Leistungstransistors LT vorge-

mittelbar auf der Halbleiteroberfläche aufliegende sehen. Dieser Widerstand wird gebildet durch eine

Metallisierung 23c gebildet. Diese Metallisierung ver- Einbuchtung 27 der Emitterzone 15 des Leistungs-

läuft über den Verbindumgskanal 19 und über die ver- transistors und durch einen Kurzschluß des Emitter-

längerte Emitterzone 14 des Treibertransistors samt 30 Basis-Überganges des Leistungstransistors durch die

ihren Ausläufern 14 a, 14 b hinweg und bildet mit der Emittennetallisierung 24 im Innern dieser Einbuch-

Emittermetallisierung 23 a des Treibertransistors und tung. Dadurch ist gleichzeitig eine Diode D parallel

der Basismetallisierung 23 ft des Leistungstransistors zur Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors

eine einzige, zusammenhängende Metallisierung 23. eingeführt.

Da die Metallisierung 23 durch einen pn-übergang 35 Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Darling-

vom Verbindungskanal 19 getrennt ist, kann sie den ton-Monolithen gegen Spannungsstöße unempfindlich

durch diesen Verbindungskana! gebildeten Wider- zu machen, indem angestrebt wird, die mit solchen

stand R_T nicht kurzschließen. Erst unmittelbar gegen- Spannungsstößen verbundene Energie auf eine mög-

über den Emitterzähnen 15 ft, 15 c des Leistungstran- liehst große Fläche des Kristalls zu verteilen, damit

sistors LT greift die Metallisierung 23 über den pn- 40 die Energiedichte möglichst klein bleibt.

Übergang zwischen der Emitterzone 14 des Treiber- Bei einer Darlington-Transistorschaltung mit zwei

transistors und der Basiszone 13 des Leistungstran- idealen Transistoren ohne die Widerstände R_T und

sistors hinweg und wirkt als Basiszuleitung für den R_L (vgl. Fig. 1) würde der Durchbruch über die

Leistungstransistor. gesamte Emitterfläche verteilt auftreten. Dabei muß

Der Widerstand R_T parallel zur Emitter-Basis- 45 vorausgesetzt werden, daß die Transistoren über die

Strecke des Treibertransistors TT wird gebildet von ganze Fläche völlig gleichmäßig arbeiten,

dem Basismaterial zwischen dem Kollektor-Basis- Durch die in Fig. 1 gezeigten und in Fig. 2 reali-

Übergang und dem Emitter-Basis-Übergang etwa sierten Widerstände R_T und R_L kann man auch dann

zwischen den Punkten 25 und 26. Man kann rechne- eine ghäebmäßige Anschaltung am Emitterrand er-

risch zeigen, daß dieser Widerstand die Größe hat: 50 reichen, wenn über die große Fläche Inhomogenitäten

auftreten sollten; dazu müssen die von den Emitterzonen 114, 15 der beiden Transistoren TT, LT über-

deckten BastsSächen F_n and F_LT and die Werte der

"ZF c Widerstände R_r and R_L der Ungleichung

/iS "*" J th 'SO-(H 55

60 genügen, die sich aus der Annahme der Flächenpro- t = Tiefe des Basta-Kollektor-Übergaages, portion alität des Sperrstromes herleiten läßt

ge = mittlerer spezifischer Widerstand des Basis- Da die Widerstände R_T und R_L in weiten Grenzen

materials von der Oberseite der Halbleiter- frei wählbar sind, kann diese Ungleichung konstrukscheibelO bis zur Tiefer desBasis-KoHektor- uv erfüllt werden. Ausgehend von der gewünschten Überganges, 65 Gesamtverstärkung der Dariington-Tranral-

O₈ = mittlerer spezifischer Widerstand des Basis- tang bestimmt man die Einzelverstärkungen für den materials zwischen Emitter-Basis-Übergang Treibeltransistor und den Leistungstransistor; diese and Basis-KoHektor-Ubergang, bestimmen die notwendigen Randlängen der Emitter-

zonen der beiden Transistoren; unter Einhaltung gewisser von der Herstellungstechnik bestimmter Forderungen ergeben sich daraus die benötigten Flächen der Transistoren, und aus diesen so bestimmten Flächen wird nach der Ungleichung (2) das anzustrebende Widerstandsverhältnis R_T/R_L bestimmt.

In F i g. 5 ist ein zweites, bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer monolithisch integrierten Darlington-Transistorschaltung nach der Erfindung in der Draufsicht dargestellt. Der Verbindungskanal 19 zwischen den beiden Basiszonen 12,13 wird hier gebildet durch den mit Basismaterial ausgefüllten Raum, der von zwei mit Kollektormaterial ausgefüllten Einbuchtungen 18, 18 a des Basisrandes 16 freigelassen wird. Dies bedingt eine beträchtliche Verlängerung des Verbindungskanals 19 gegenüber dem ersten Ausfuhrungsbeispiel, bei dem nur eine einzige Einbuchtung 18 vorgesehen ist Dadurch wird der Widerstandswert des Widerstandes R_T gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beträchtlich erhöht.

Um das Auftreten eines lokalen Durchbruches beim Anschalten des Treibertransistors TT zu vermeiden, ist beim vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel ferner die Emitterzone 14 des Treibertransistors ΓΓ an derjenigen Ecke, die der Einmündung des Verbindungskanals 19 in die Basiszone 12 des Treibertransistors diametral gegenüberliegt, über eine Länge l_T verschmälert und der gewonnene Platz zu einer zusätzlichen Metallisierung 28 der Basiszone 12 des

ίο Treibertransistors benutzt. Diese zusätzliche Metallisierung 28 sorgt für ein gleichmäßiges Anschalten über die Strecke l_T auch auf dem Außenrand der ringförmigen Emitterzone 14.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.5 ist fern«

is abweichend vom Ausfuhrungsbeispiel nach den F i g. 2, 3 und 4 die Kontaktstelle des Widerstandes R_L mit der Emitterzone 15 des Leistungstransistors am Mittelteil 15 a angebracht. Dadurch wird eir Schutz gegen den bekannten Einschnüreffekt (pinch in

ao gegeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. 5 DarfingteB-THUisJstorschaltung nach An-1. Monolithisch integrierte, in Planartechnik

   ^⁵

   loUeäoizone gebildet sind, die Emitterzone des

   Transistors derart zusammenhängen, daß sie (W der Basiszone (U) des Treibertransistors

   einen Widerstand parallel zur Emitter-Basis- (T) benutzt ist

   Strecke des Treibertransistors bilden, dadurch
   gekennzeichnet, daß die Basiszonen (12,

   13) der beiden Transistoren (7T, LT) durch min- *>

   destens eine mit Kollektormaterial ausgefüllte Einbuchtung (18) derart voneinander getrennt sind, . .
   daß sie lediglich durch einen von der Einbuchtung EHe Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte,

   (18) freigelassenen schmalen Verbindungskanal in Planartechnik ausgeführte, einen Treibertransistor

   (19) miteinander verbunden sind, daß die in die »5 und einen Leistungstransistor aufweisende Darlington-Basiszone (12) des Treibertransistors (TT) ein- Transistorschaltung, bei der die Kollektoren der beidiffundierte Emitterzone (14) dieses Transistors ben Transistoren durch eine gemeinsame, mit einer (TT) durch den Verbindungskanal (19) hindurch die Unterseite der Halbleiterscheibe vollständig bebis in die Basiszone (13) des Leistungstransistors deckenden Metallisierung versehene Kollektorzone [LT) hinein verlängert ist und daß die die Emitter- 3o gebildet sind, die Emitterzone des Treibertransistors zone (14) des Treibertransistors (TT) mit der Ba- mit der Basiszone des Leistungstransistors über eine siszone (13) des Leistungstransistors (LT) verbin- unmittelbar auf der Oberseite der Halbleiterscheibe dende Metallisierung (23 c) im Bereich der Ver- aufliegende Metallisierung verbunden ist und die Balängerung der Emitterzone (14) des Treibertran- siszonen der beiden Transistoren derart zusammensistors (TT) über den Verbindungskanal (19) hin- 35 hängen, daß sie einen Widerstand parallel zur Emitweg verläuft. ter-Basis-Strecke des Treibertransistors bilden.
2. 2. Darlington-Transistorschaltung nach An- Aus der US-PS 33 16 466 ist bereits eine Darlingspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emit- ton-Transistorsschaltung dieser Art bekannt. Bei dieterzone (14) des Treibertransistors (TT) in die ser bekannten Schaltungsanordnung bilden die zuBasiszone (12) dieses Transistors (TT) eindiffun- 4» sammenhängenden Basiszonen der beiden Transistodiert ist und die Basismetallisierung (22) dieses ren einen durchgehenden Bereich, der sich über die Transistors (TT) ringförmig umschließt gesamte Fläche der Halbleiterscheibe erstreckt, was
3. 3. Darlington-Transistorschaltung nach An- zur Folge hat, daß der zur Emitter-Basis-Strecke des sprach 1 oder 2 mit einem Widerstand (R _L) par- Treibertransistors parallelliegende Widerstand nieder· allel zur Emitter-Basis-Strecke des Leistungstran- 45 ohmig ist und nur durch die Wahl des Basismaterials sistors (LT) und einer Schutzdiode (D) parallel in gewissen Grenzen geändert werden kann.
4. zur Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungsstran- Aus der Zeitschrift »Electronics« vom
5. 5. April

   sistors (LT), dadurch gekennzeichnet, daß diese 1965, S. 116, ist ferner eine monolithisch integrierte, Schaltungselemente (R_L, D) durch eine Einbuch- in Planartechnik ausgeführte, einen Treibertransistoi rung (27) der Emitterzone (15) des Leistungstran- So und einen Leistungstransistor aufweisende Darlingtonsistors (LT) und durch einen Kurzschluß des Transistorschaltung bekannt, bei der ebenfalls die Emitter-Basis-Übergan,, es des Leistungstransistors Kollektoren der beiden Transistoren durch eine ge-(L7) mit der Emitter-Metallisierung (24) im In- meinsame Kollektorzone gebildet sind, die Basisnern dieser Einbuchtung (27) gebildet sind. Zonen aber getrennte Zonen sind und die Emitterzone

   '. Darlington-Transistorschaltung nach An- 55 des Treibertransistors mit der Basiszone des Leispruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von stungstransistors durch eine Metallisierung verbunden den Emitterzonen (14, 15) der beiden Transisto- ist, die über die auf der Halbleiteroberfläche auflie· ren (TT, LT) überdeckten Basisflächen F_TT und gende isolierende Oxidschicht hinweggeführt ist (vgl F/.r und die Widerstandswerte R_T und R_L der hierzu auch Abb. 22b auf S. 426 in dem Aufsat zu den Emitter-Basis-Strecken der beiden Tran- 60 von E. Bartels, »Oberflächenstabilisierung ar sistoren (TT, LT) jeweils parallelliegenden Wider- Halbleitern«, Internationale Elektronische Rundschau stände {R_TiR_L) der Ungleichung Band 18, Heft Nr.
6. 6, S. 423 bis 426). Diese Darling

   ton-Transistorschaltung hat den Nachteil, daß die au

   R_T F_Tf 4- F_LT der Halbleiteroberfläche aufliegende Oxidschicht nui

   "ja" ^-> ~ f~ 65 eine begrenzte Spannungsfestigkeit hat und dadurcl

   bei Hochspannungstrarisistoren ein zusätzlicher Ar beitsschritt zur Verstärkung der Oxidschicht, ζ. Β genügen. durch Silanzersetzung, notwendig wird.