DE2054863A1

DE2054863A1 - Spannungsverstärker

Info

Publication number: DE2054863A1
Application number: DE19702054863
Authority: DE
Inventors: Cornells Eindhoven Mulder (Nieder lande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-11-28
Filing date: 1970-11-07
Publication date: 1971-06-09
Also published as: US3694762A; NL6917885A; ES385916A1; GB1331279A; FR2072301A5; DE2054863B2; DE2054863C3; CA946052A

Description

!ng. (grad.) ΘοΜΤΗΠΠ M. DAYlD ^

AktD: PHN- 4442

.Anmeldung voms 2. NOV. 1970 ^:

Spannungsverstärker

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorverstärker für elektrische Spannungen, bei dem in den Kollektorkreis eines ersten Transistors wenigstens ein in der Durchlassrichtung vom Kollektorstrom durchfIossener gleichrichtender Übergang als Kollektorbelastungswiderstand dieses Transistors aufgenommen ist. Ein derartiger an sich bekannter Verstärker hat den Vorteil, dass die zwischen dem Emitterstrom und der Emitter-Basisspannung eines Transistors bestehende Nichtlinearität von einer entsprechenden Nichtlinearität der Strom-Spannungskennlinie des erwähnten gleichrichtenden Übergangs mehr oder weniger ausgeglichen wird, so dass über einen verhältnismässig grossen Aussteuerbereich eine lineare Beziehung zwischen der am Kollektor eines Transistors

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erzeugten verstärkten Spannung und der der Basis dieses Transistors zugeführten Eingangsspannung erhalten wird.

Bei Verwendung eines einzigen pn- oder Metall-Halbleiterübergangs als Kollektorbelastungswiderstand ist die erhaltene Spannungsverstärkung nur gering. Es ist daher üblich, in den Kollektorkreis eines Transistors eine Anzahl in Reihe geschalteter Gleichrichter aufzunehmen. Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn statt einer derartigen Reihen-

^ schaltung ein zweiter Transistor verwendet wird, dessen Emitter-Kollektor-Strecke von einem Potentiometer überbrückt ist, das von einem Strom durchflossen wird, der erheblich kleiner als der diesen Hilfstransistor durchfliessende Strom ist, während eine Anzapfung dieses Potentiometers mit der Basis des Hilfstransistors verbunden ist, derart, dass die Impedanz des zwischen der Basis und dem Emitter des Hilfstransistors liegenden Potentiometerteiles erheblich niedriger als der Basiseingangswiderstand des Hilfstransistors ist.

Die erwähnten bekannten Lösungen sind im allge-

ψ meinen nicht besonders empfehlenswert, wenn der erwähnte erste Transistor bei einem niedrigen Einstellstrom betrieben werden soll. Ein derartiger niedriger Einstellstrom ist z.B. erwünscht, wenn ein hoher Basiseingangswiderstand dieses Transistors erreicht werden soll. Dieser niedrige Einstellstrom müsste dann mit Hilfe hoher Widerstände erhalten werden, wodurch sich der Verstärker schwieriger in Form einer integrierten Schaltung ausführen Lässt. Auch die Verwendung einer Reihenschaltung mehrerer Dioden als Kollektorwiderstand ist

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ungünstig, weil eine dem verlangten Verstärkungsfaktor proportionale Anzahl von Dioden verwendet werden muss, wodurch in der betreffenden integrierten Schaltung Raum auf dem Halbleiterelement und Speisespannung für den erwähnten ersten Transistor verloren gehen.

Die Erfindung schafft eine besonders einfache Mass· nähme, durch die die obenerwähnten Nachteile behoben werden, und ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines zweiten Transistors vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dem Kollektor des zuerst erwähnten Transistors ein Einstellgleichstrom zugeführt wird, der grosser als der den gleichrichtenden übergang durchfliessende Gleichstrom ist.

Dabei sei bemerkt, dass es an sich bekannt ist, die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp als Kollektorbelastungswiderstand des ersten Transistors zu schalten. In diesem Falle bildet diese Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors den einzigen Belastungswxderstand für den ersten Transistor, während hingegen bei dem Verstärker nach der Erfindung der Innenwiderstand des erwähnten pn-Ubergangs den Kollektorbelastungswiderstand des ersten Transistors bestimmt, aber der Innenkollektorwiderstand des zweiten Transistors in bezug auf den Innenwiderstand des pn-Ubergangs hoch ist, so dass die nichtlineare Strom-Spannungskennlinie des pn-Ubergangs völlig ausgenutzt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie, die der Emitterstrom-- und-bei

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Vernachlässigung des Basisstroms also auch der Kollektorstrom - des ersten Transistors als Funktion seiner Emitter-Basisspannung aufweist, und auch die Strom-Spannungs-Kennlinie des erwähnten pn-Ubergangs einen exponentiellen Charakter haben, so dass daher die Strom-Spannungs-Ableitung dem eingestellten Gleichstrom proportional ist. Auf diese Weise kann dadurch, dass durch den pn-übergang ein erheblich kleinerer Gleichstrom als durch den Basis-Emitter-Ubergang eines Transistors φ fliesst, erreicht werden, dass unter Beibehaltung des.vorerwähnten Ausgleichs der Nichtlinearität der dynamischen Widerstand des erwähnten pn-Ubergangs wesentlich vergrössert wird.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausftihrungsform, Fig. 2 eine Abwandlung der Fig. 1, Fig. 3 die Anordnung der Schaltung nach Fig.2, ^ Fig. h eine zweite Ausführungsform, und

Fig. 5 eine dritte Ausftihrungsform. In Fig. 1 ist ein Differentialverstärker dargestellt, der zwei Verstärkertransistoren 1a und 1b enthält, in deren gemeinsame Emitterleitung eine Stromquelle 21 aufgenommen ist, deren Innenwiderstand in bezug auf den Emittereingangswiderstand der Transistoren la bzw. 1b gross ist, während den Basen dieser Transistoren eine zu verstärkende Eingangsspannung +V, bzw. -V. im Gegentakt zugeführt wird. In die Kollektorkreise dieser !Transistoren sind pn-Dioden

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2a bzw. 2b aufgenommen, deren Stromdurchlassrichtungen den Kollektorströmen der Transistoren 1a bzw. 1b entsprechen. Die von den Kollektoren abgekehrten Anschlüssen der Dioden 2a und 2b sind mit einem Punkt konstanten Potentials, oder, wie in der Figur dargestellt ist, mit den Basen zweier Hilfstransistoren 3a bzw. 3b vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp verbunden, deren Emitter an die Speiseklemme gelegt sind, während ihre Kollektoren mit den Kollektoren der zuerst erwähnten Transistoren 1a bzw. 1b verbunden sind. Auf diese Weise wird zwischen den Kollektoren der Transistoren 1a und 1b eine verstärkte Spannung +V bzw. -V erzeugt. Wenn diese Ausgangsspannung +V kreuzweise an die Basen zurückgeleitet wird, ■— u

wird eine Kippschaltung vom Eccles-Jordan-Typ gebildet.

Wenn der die Dioden 2a bzw. 2b durchfliessende

Gleichstrom gleich I„ und die Kollektorgleichströme der Transistoren 3a bzw. 3b gleich I_ gewählt werden, wobei der Strom der Stromquelle 21 gleich der Summe all dieser erwähnten Gleichströme (somit I = I_ + I„) ist, ist also der dynamische Widerstand der Dioden 2a bzw. 2b um einen Faktor sp—

^X2 erhöht, so dass, wenn I„ erheblich grosser als I₂ ist, eine entsprechende Spannungsverstärkung erhalten wird. Da in der Ausführungsform nach Fig. 1 I auch gleich dem Basisstrom der Transistoren 3a bzw. 3b ist, während I„ gleich dem Kollektorgleichstrom dieser Transistoren ist, kann diese Bedingung auf einfache Weise erfüllt werden.

In der Technik der integrierten Schaltungen werden die Transistoren 1a und 1b im allgemeinen ais "vertikale

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Transistoren" ausgebildet, d.h., dass - von der oberen Fläche eines betreffenden Halbleiterelements her gesehen ■* die aktiven Teile der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen untereinander liegen. Auch die Stromquelle 21 ist dann als ein vertikaler Transistor 10 vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Transistoren 1a und 1b ausgebildet. Die Transistoren 3a und 3b werden dagegen vorzugsweise als laterale Transistoren ausgebildet, d.h., dass - von der oberen Fläche des Halblei-, terelements her gesehen - die aktiven Teile der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen dann nebeneinander liegen. Die Dioden 2a und 2b können als Schottky-Dioden ausgebildet sein, die den Vorteil aufweisen, dass darin nahezu keine Ladungsspeicherung (storage) auftritt, so dass sie schneller wirken.

Da sowohl die Emitter wie auch die Basen der Transistoren 3a und 3b elektrisch miteinander verbunden sind, können die Transistoren 3a und 3b auf einfache Weise dadurch zusammengebaut werden, dass einer Emitterzone gegenüber zwei Kollektorzonen 6,7 angeordnet werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn ausserdem eine dritte Kollektorzone 8 dieser einen Emitterzone gegenüber angeordnet wird, welche dritte Kollektorzone leitend mit der Basis verbunden wird, wird erreiclit, dass der von der Emitterzone herrührende Gleichstrom sich über die Kollektorzonen im Verhältnis zu den Längsabmes-Hungon der einander gegenüber liegenden Zonen verteilt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung einer solchen integrierten Schaltung. Dabei sind die npn-Transistoren 1a, 1b und 10 der Fig. 2 in drei isolierten Inseln 14, I5 und \6 eines

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Halbleiterkörpers untergebracht. In jeder dieser Inseln, die η-leitend sind, ist eine p-leitende Basiszone 17» eine nleitende Emitterzone 18 und eine zugleich mit der Emitterzone erhaltene Kollektorkontaktzone 19 angebracht. Die Insel 20 enthält den übrigen Teil der Schaltung nach Fig. 2, wobei ein lateraler pnp-Transistor mit einer besonderen Geometrie verwendet wird, der statt in der vorliegenden Verstärkerschaltung auch in anderen Schaltungen vorteilhaft benutzt werden kann. Dieser laterale pnp-Transistor weist eine Zone 21 mit einem mittleren Teil auf, der genügend gross ist, um diese Zone mit einem Kontakt versehen zu können, wobei in diesem Teil ein Kontaktfenster 22 in der auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegenden passivierenden Isolierschicht angebracht ist. Von diesem Kontaktteil her erstrecken sich ein oder mehrere (im vorliegenden Beispiel drei) Ausläufer, die schmal sein können, weil darauf keine Metallisierung angebracht ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die Zone 21 die Emitterzone des lateralen Transistors, wobei um diese Emitterzone 21 herum in geringer Entfernung eine oder mehrere Kollektorzonen 23,2h und 25 gruppiert werden können.

Die Geometrie der Emitterzone 21 ergibt eine grosse Randlänge bei einer verhältnismässig kleinen Oberfläche. Dabei ist unter "Randlänge" die Länge der Schnittlinie zwischen dem betreffenden pn-Ubergang und der Halbleiteroberfläche zu verstehen.

Eine grosse Randlänge wird verlangt, weil die Stromverteilung über die Kollektorzonen 23, 2k und 25 von den

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gegenseitigen Verhältnissen der Randlängen der der Emitterzone 21 zugewandten Seiten der Kollektorzonen, abhängig ist. Um ein vorher gewähltes Verhältnis mit genügender Genauigkeit zu erzielen, müssen die erwähnten Randlängen der Kollektorzonen und also auch die Gesamtrandlänge der Emitterzone nicht zu klein sein. Ferner besteht eine Beziehung zwischen dem gegenseitigen Verhältnis der Randlänge und der Oberfläche der Emitterzone und dem Kollektor-Emitterstromverstärkungs-

■ faktor CL' des lateralen Transistors. Die am Rande der Emitterzone injizierten Minoritätsladungsträger werden grösstenteils von den Kollektorzonen kollektiert, aber von den in einer Richtung quer zur Halbleiteroberfläche Injizierten Ladungsträgern wird der grösste Teil durch Rekombination verloren gehen. Ein grosses gegenseitiges Verhältnis der Randlänge und der Oberfläche hat eine günstige Einwirkung auf den Emitter wirkungsgrad und somit auf den erwähnten Stromverstärkungsfaktor. Dies trifft insbesondere bei kleinen Emitterströmen

~ in der Grössenordnung von Mikroamperes oder kleiner zu, wobei der von dem durch die nichtkontaktierten Ausläufer der Emitterzone fliessenden Strom herbeigeführte Spannungsabfall praktisch vernachläesigbar ist. Die mehr oder weniger sternförmige Emitterzone 2 1 besitzt drei Ausläufer mit einer Länge von z.B. etwa 12 /um und einer Breite von z.B. etwa 4 /um.

Die Kollektorzone 25 ist grosser als unbedingt erforderlich 1st, wodurch ein genügend grosser Raum zur Verfügung kommt, um darin zwei n-leitende Zonen 26 und 27 anzubringen, die zusammen mit der Zone 25 die beiden pn-Dioden

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der Schaltung bilden. Dabei weist die Zone 25 eine Aussparung auf, in der zugleich, mit den Emitterzonen 18 und den Diodenzonen 26 und 27 eine Kontaktzone 28 angebracht wird, über die öffnung 29 in der Isolierschicht und die darin angebrachte Metallisierung 30 ist die Kollektorzone 25 mit der durch die Insel 20 gebildeten Basiszone des lateralen Transistors kurzgeschlossen. Auf diese Weise sind der laterale Transistor mit mehreren Kollektoren und die beiden mit der Basiszone dieses Transistors verbundenen Dioden zu einer besonders gedrängten und wenig Raum beanspruchenden Struktur zusammengebaut.

Unterhalb der Emitterzone 21 und des Basiskontakts 30 ist auf bekannte Weise eine sogenannte vergrabene Schicht, ein Teil mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als der angrenzende Teil der Insel, angebracht, die in der Figur mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Dabei kann die Injektion von Ladungsträgern in einer Richtung quer zur Halbleiteroberfläche herabgesetzt werden, wenn gesichert wird, dass die Emitterzone und die vergrabene Schicht nahe genug beieinander liegen. Übrigens kann diese Struktur erwünschtenfalls auch ohne vergrabene Schicht oder mit einer auch bis unterhalb der Kollektorzonen reichenden vergrabenen Schicht ausgeführt werden.

Die für die Schaltung benötigten Verbindungsleitungen und Anschlüsse sind auf übliche Weise durch ein auf der Isolierschicht angebrachtes Metallisierungsmuater, daa über Offnungen in der Isolierschicht mit den unterschiedlichen

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Halbleiterzonen der Schaltungselemente verbunden ist, hergestellt.

Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, dass der laterale Transistor auch mit einer anderen Geometrie, z.B. mit einer oder mehreren kreisförmigen oder tüpfeiförmigen Emitterzonen, um welche eine oder mehrere Kollektorzonen herum angeordnet sind, ausgeführt werden kann.

Übrigens kann die integrierte Schaltung nach Fig.

™ völlig auf die in der Halbleitertechnik übliche Weise hergestellt und abmontiert werden, wobei z.B. von einem p-leitenden Substrat ausgegangen werden kann, auf dem nach einer etwaigen Diffusion zum Erhalten einer oder mehrerer vergrabener Schichten eine η-leitende epitaktische Schicht mit einer Dicke von z.B. etwa 4 /um und einem spezifischen Widerstand von z.B. 0,3 - 0,6 Xl.cm angebracht wird. Dann können durch die üblichen Photoätz- und Maskierungstechniken z.B. Phosphor und Bor diffundiert werden, um die Isblierzonen und die unterschiedlichen Halbleiterzonen der Schaltungselemente zu erhalten. Die Bordiffusionszonen 17, 21, 23, 2k und 25 weisen z.B. einen Quadratswiderstand von etwa 125 '- 200S1/D auf.

Erwünschtenfalls können die Dioden 2a bzw. 2b

der Fig. 1 durch die Kollektor-Emitterstrecken zweier weiterer Hilfstransistoren ka bzw. kh ersetzt werden, wie in Fig. k dargestellt ist. Das zu verstärkende Gegentaktsignal +V. wird wieder den Basen der Verstärkertransistoren 1a und 1b zugeführt, in deren Kollektorleitungen nun die Hilfatranais-

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toren 4a bzw. 4b aufgenommen sind, während die Gleichströme für die Kollektoren der Transistoren 1a und Ib hauptsächlich mit Hilfe der Transistoren 3a und 3b vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zugeführt werden. Die Basen der Transistoren 4a und 4b werden an einen Punkt konstanten Potentials V, gelegt, wodurch ein zusätzlicher Freiheitsgrad zum Erreichen einer.optimalen Einstellung erhalten wird. Die Basis-Emit ter-Ubergäiige dieser Hilfstransistoren 4a und 4b bilden dann wieder die Kollektorbelastungswiderstände für die Transistoren 1a bzw. 1b* während die die Transistoren 4a und 4b durchfliessenden Gleichströme wieder gleich den Basisgleichströmen der Transistoren 3a bzw. 3b sind, die ihrerseits erheblich kleiner als die Kollektorgleichströme dieser Transistoren sind. Auf diese Weise wird eine gleiche Wirkung wie mit dem Verstärker nach Fig. 1 erhalten. Selbstverständlich können auch die in bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Massnahmen auf diesen in Fig. 4 gezeigten Verstärker angewandt werden.

In der Abwandlung nach Fig. 5 sind die Dioden 2a und 2b mit ihren von den Kollektoren der Verstärkertransistoren 1a bzw. 1b abgekehrten Enden an einen Punkt festen Potentials (und zwar die positive Speiseklemme) angeschlossen^ während der (laterale) Transistor 3 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist und seine Kollektoren 6 bzw, 7 wieder mit den Kollektoren der Transistoren la bzw. 1b verbunden sind. Der Kollektor 8 des Transistors 3» der eine etwa zweimal grössere kollektierende Randlänge als die Kollektoren 6

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und 7 aufweist, ist nicht nur mit der Basis des Transistors 3, sondern auch mit der Basis des als Stromquelle wirkenden Transistors 10 verbunden, dessen Basis-Emitterstrecke von einer Diode oder einem als Diode geschalteten Transistor 11 überbrückt ist. Der Strom der Basis und des Kollektors 8 des Transistors 3 erzeugt auf diese Weise einen praktisch gleich grossen Kollektoretrom im Transistor 10, so dass durch richtige Bemessung der kollektierenden Randlänge des Kollektors 8 in bezug auf die der Kollektoren 6 und 7 erreicht werden kann, dass der die Transistoren 1a und 1b durchfliessende Gleichstrom gerade etwas grosser als der von den Kollektoren 6 und 7 gelieferte Gleichstrom ist, so dass die Dioden 2a lind 2b wieder mit einem hohen dynamischen Kiderstand, der jedoch niedriger als die inneren Kollektorwiderstände - gemessen an den Kollektoren 6 und 7 - ist, betrieben werden.

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Claims

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- 13 PATENTANSPRÜCHE .

1 ., Transistorverstärker für elektrische Spannungen, \~/

bei dem in den Kollektorkreis eines ersten Transistors wenigstens ein in der Durchlassrichtung vom Kollektorstrom durchflossener gleichrichtender übergang als Kollektorbelastungswiderstand dieses Transistors aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines zweiten Transistors vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dem Kollektor des ersten Transistors ein Einstellgleichstrom zugeführt wird, der erheblich grosser als der den gleichrichtenden übergang durchfliessende Gleichstrom ist.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichrichtende übergang zwischen der Basis des zweiten Transistors und dem Kollektor des ersten Transistors eingeschaltet ist.
3· Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichrichtende übergang eine Schottky-Diode ist.
k. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichrichtende übergang durch die Basis-Emit tem trecke eines weiteren Transistors, der den gleichen Leitf'ähigkeitstyp wie der erste Transistor aufweist, gebildet wird.
5· Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, der als eine Gegentaktschaltungaanordnung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor als ein Transistor mit einem einzigen Emitter, einer einzigen Basis

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und zwei Kollektorzonen ausgebildet ist, welche Kollektorzonen mit den Kollektoren zweier dem ersten Transistor entsprechender Transistoren verbunden sind, an deren Basen die zu verstärkende Gegentakteingangsspannung angelegt wird.
6. Verstärker nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor ausserdem mit einer dritten Kollektorzone versehen ist, die elektrisch mit der Basis dieses

™ Transistors verbunden ist.
7. Verstärker nach Anspruch 5 oder 6, bei dem in die gemeinsame Emitterleitung des ersten Transistors ein als Stromquelle geschalteter Transistor aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des zweiten Transistors mit der des als Stromquelle geschalteten Transistors verbunden ist.
8. Halbleiteranordnung zur Anwendung in einem Transistorverstärker nach einem oder mehreren der vorangehenden

b Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Halbleiterkörper ein lateraler Transistor angebracht ist, wobei die Basiszone dieses Transistors vom einen Leitfähigkeitstyp ist und an mindestens eine Emitter- und mindestens eine Kollektorzone vom anderen Leitfähigkeitstyp grenzt und diese Zonen im Halbleiterkörper umgibt, und wobei eine der beiden letzteren Zonen, die bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichen, einen Kontaktteil aufweist, von dem sich ein oder mehrere Ausläufer erstrecken, während die andere dieser beiden Zonen den Ausläufer (die Ausläufer) an der Oberfläche wenigstens teilweise umgibt.

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9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, dass die mit Ausläufern versehene Zone die Emitterzone des Transistors bildet, wobei um die Emitterzone herum mindestens zvei Kollektorzonen angeordnet sind, von denen eine leitend mit der Basiszone des Transistors verbunden ist, vobei in der letzteren Kollektorzone mindestens eine Diodenzone in Form einer Oberflächenzone vom einen Leitfähigkeitstyp angebracht ist.

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