DE2610122A1

DE2610122A1 - Dreipolige halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2610122A1
Application number: DE19762610122
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Ing Gerstner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1976-03-11
Publication date: 1977-09-15
Also published as: JPS52110575A; DE2610122C3; US4164747A; FR2344186A1; DE2610122B2

Description

Licentia Patent-Varwaltungs-GmbH

6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

Heilbronn, den 3.3.76 PT-Ma-cb - HN 76/6

Dreipolige Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine dreipolige Halbleiteranordnung zum Schalten großer Ströme mit zwei nach Art einer Darlington-Schaltung miteinander verbundenen Transistoren gleicher Zonenfolge, von denen der eine als Treibertransistor für den den Strom schaltenden Endtransistor wirkt.

Bei der Darlingtonschaltung sind die Kollektoren der beiden Transistoren miteinander verbunden, während die Emitterelektrode des Treibertransistors an die Basiselektrode des Endtransistors angeschlossen ist. Die Verbundschaltung kann als ein einziger Transistor betrachtet werden, dessen Stromverstärkung ungefähr gleich dem Produkt der Stromverstärkungen der beiden Einzeltransistoren ist. Dies beruht darauf, daß der Emitterstrom des Treibertransistors gleich dem Basisstrom des Leistungsendtransistors ist. Die Darlington-Schaltung hat

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den Vorteil, daß auch groil·;.» Ströme mit HLlCe kleiner Steuerströme geschaltet werden können, so daß die zum Eichalten or forderlichem Steuerströme eineui vorgeschalteten integrierten Schaltkreis direkt entnommen v/erden können. Nachteilig ist bei. der Darlingtonschaltung, daß die SchaLtzeLten relativ groß sind. Auch durch Anbieten eines großen Au3rämitstrome£> Ln der Abscha Ltphase kann beim Darling ton-Trans Ls tor die Schaltzeit nicht wesentlich reduziert v/erden.

Die Dcirlington-SichuLtung hat weiterhin den Nachteil, daß sie bei hohen Temperaturen vielfach nicht mehr als Schalter arbeitet. Dies beruht darauf, daß bei hohen Temperaturen der Basisstrom des Endtransistors so groß wird, daß dieser Endtransistor ständig durchgeschaltet bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dreipolige Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die die genannten Nachteile der Darlington-Schaltung nicht mehr aufweist. Dies soll durch eine Anordnung realisiert werden, die ebenso wie die Darlington-Schaltung gleichfalls als einziger Transistor betrachtet werden kann.

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Die genannte iuifgribe v/ird eri;in:lungsrjeiaüß dadurch gelöst, daß ein weiteres dreischichtiges HaIbleiterbauelement mit oin-ar den Darlington-Transistoren entgegengesetzten Zone-nfolge vorgesehen ist, dessen mittlere Zone liiit der Basis des Treiber transistors, die eine äußere Zone mit der Basis des Endtransistors und die zweite äußere Zone mit der Elektrode des Endtransistors verbunden ist, die nicht direkt an den Treibertransistor angeschlossen ist.

Es hat sich gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen dreipoligen Halbleiteranordnung die Abschaltzeiten gegenüber denen der bisher verwendeten Darlington—Schaltungen erheblich reduziert v/erden können. So konnte die Abschaltzeit bei einer Ausführungsform halbiert werden. Außerdem wurde festgestellt, daß mit der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung der durch den Endtransistor fließende hohe Strom bei entsprechender Ansteuerung an der Basis des Treibertransistors auch dann sicher abgeschaltet werden kann, wenn die Umgebungstemperatur der Schaltung stark erhöht wird. Der Endtransistor bleibt in der Abschaltphase immer gesperrt, und das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelement verhindert, daß der Endtransistor infolge hoher Sperrströme bei Erhöhung der Umgebungstemperatur zu injizieren beginnt.

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Die erf indmu-fsgeinäße Ilalblei türanordnung kann, wio dies bei Einzeltransistoren üblich ist, in einem Transistorgehäuse angeordnet v/erden, das nur drei Anschlüsse aufweist. Je einer der Anschlüsse ist mit dem Kollektor des Endtransistors, mit dem Emitter des Endtransistors und mit der Basis des Treibertransistors verbunden und bilden auf diese Weise den Basis-, Emitter- bzw. Kollektoranschluß des Gesamtbauelementes.

Die erfindungsgemäße drerpolige. Halbleiteranordnung besteht somit aus drei Teilbauelementen, die so gewählt sind, daß die I_n/U_nr-,-Kennlinie des Gesamtbauelementes im wesentlichen nu 1.1 punktsymmetrisch ist. Das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Lateraltransistor ausgebildet werden. Es kann sich jedoch auch um einen Planartransistor üblicher Art handeln, der normal oder invers betrieben werden kann.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wird zur Ausschaltung des Endtransistors vorzugsweise ein Steuerstrom eingeprägt, der der Größe nach dem eingeprägten Steuerstrom bei eingeschaltetem Endtransistor in etwa entspricht, aber die umgekehrte Polarität aufweist. Dieser Steuerstrom muß nur eine Größe von etwa 1 - 5 % des gewünschten Ausgangsstromes bei eingeschaltetem Endtransistor aufweisen, so daß in der Regel der

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notv;endi.ge Steuerstrom von einem vorgeschalteten integrierten Schaltkreis bezogen v/erden kann.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird im folgenden noch an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße dreipolige Halbleiteranordnung in einem schematischen Schaltungsaufbau. Die Figur 2 zeigt die I^/U- -Kennlinie der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen der Schaltung gemäß Figur 1 in integrierter Halbleiter technik .

In der Schaltung gemäß Figur 1 bestehen die Transistoren der Darlington-Schaltung beispielsweise aus npn-Transistoren. Der Kollektor des Endtransistors T. ist mit dem Kollektor des Treibertransistors T₂ verbunden; der Emitter des Treibertransistors T₂ ist seinerseits an die Basis des Endtransistors T₁ angeschlossen. Das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelement T^ hat bei einer npn-Zonenfolge der Darlington-Transistoren eine pnp-Zonenfolge. Die mittlere Zone 2 wird mit der Basis des Treibertransistors T„ verbunden, während die

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eine äußere Zone I an die Basis dos Enätrany istors Ί' und die andere äußere Zone 3 ειη den Emitter des Endtransistors T. angeschlossen v/ird. Die Gesamtanordnung kann wieder als Einzel transistor aufgefaßt v/erden, dessen Basis-, Kollektor- bzw. Emitteranschluß in der Figur mit den Buchstaben B, C und E bezeichnet sind.

Die Eingangskennlinie einer Halbleiteranordnung gemäß Figur 1 ist in der Figur 2 dargestellt. Die I_/U_D -Kennlinie ist im wesentlichen nullpunktsymmetrisch, was bedeutet, daß auch bei relativ kleinen negativen Basis-Emitter spannungen bereits ein merklicher negativer Basisstrom fließt. Je nach Polarität der anliegenden Basis-Emitterspannung fließt der Basisstrom einmal über die Transistoren T_ und T₁ und im anderen Fall über den zusätzlichen Transistor T-. ab.

Die Figur 3 zeigt eine Realisierung der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 in einer integrierten Halbleiterschaltung. In einen η-leitenden Halbleiterkörper 7, der für die Transistoren T₁ und T~ den Kollektor 8 bildet, werden von einer Oberflächenseite aus zwei p-leitende Zonen 9 und 5 nebeneinander eindiffundiert. In die pleitende Zone 9 wird schließlich mit Hilfe der bekannten Maskierungs-, Ätz- und Diffusionstechnik eine n-leitende Zone 10 eindiffundiert, so daß ein erster npn-Transistor T„ zustande kommt.

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ZacjLeich Dxlt. der Eindiffusion dor η-leitenden Zona IO werden in die p-leitende Zone 5 nebeneinander zwei nleitende Zonen 6 und 2 eindiffundiert. Die Zone 6 bildet den Emitter des npn-Transistors T₁, während die Zone 2 die Basiszone des zusätzlichen Transistors T_ ergibt. In einem letzten Arbeitsgang muß noch in die η-leitende Zone 2 eine p-leitende Zone 3 eindiffundiert werden, die zusammen mit der Zone 2 und dem unter der Zone 2 befindlichen Teil 1 der Zone 5 den pnp-Transistor T₃ ergibt.

Schließlich werden die einzelnen Zonen der Halbleiterbauelemente noch mit metallischen Anschlußkontakten versehen. So wird an den Kollektor 8 der Transistoren T₁ und T„ der Kollektorkontakt 18 angebracht, während die Zone 9 mit dem Kontakt 15, die Zonen 10 und 5 mit dem gemeinsamen Kontakt 12, die Zonen 6 und 3 mit dem gleichfalls gemeinsamen Kontakt 13 und die Zone 2 mit dem Kontakt 14 versehen werden. Die Anschlußkontakte 15 und 14 werden außerdem noch zur Realisierung der Schaltung gemäß Figur 1 über einen Anschlußdraht 11 oder über eine auf der Halbleiteroberfläche verlaufende Leitbahn miteinander verbunden. Der Kontakt 15 wird mit dem Basisanschluß 16, der Kontakt 13 mit dem Emitteranschluß 17 und der Kontakt 18 mit dem Kollektoranschluß für die Gesamtanordnung verbunden. Die die pn-Übergänge und die nicht für die Metallkontakte benötigten

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Ober!Jächenbereiche bedeckende Isolierschicht ist in der Figur 2 mit der Ziffer 20 bezeichnet.

Die Figur 4 zeigt eine der Figur 3 ähnliche Ausführungsform, die besonders für Hochspannungsbetriebe geeignet ist. Auf einem wiederum η-leitenden Halbleiterkörper 7, der die Kollektorzone 8 für die Transistoren T₁ und T„ bildet, wird eine p-leitende Halbleiterschicht 19 epitaktisch abgeschieden. Dieser Halbleiterschicht wird eine mesaförmige Randgestaltung gegeben; außerdem wird ein Teil der Mesaschicht durch einen Graben 22 vom übrigen Teil abgetrennt. In diesen abgetrennten Teil wird der Treibertransistor T eingebracht, wobei die Basiszone 9 von der epitaktischen Schicht gebildet wird, so daß nur noch die Emitterzone 10 durch Diffusion hergestellt v/erden muß. Auch für den End-Transistor T₁ dient die epitaktische Schicht als Basiszone 5, in die wiederum durch Diffusion die Emitterzone 6 eindiffundiert wird. Um den zusätzlichen Transistor realisieren zu können, wird vorzugsweise ein Teil der η-leitenden Zone 2, die bei der Herstellung der Zone 6 mit in die epitaktische Schicht eindiffundiert wurde, durch Ätzen wieder abgetragen. Auf diese Weise erreicht man, daß die Dotierung der Zone 2 in ihrem an die Oberfläche tretenden Teil relativ gering ist, so daß die p-leitende Zone 3 durch Eindiffusion entsprechender Störstellen ohne

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Schwierigkeiten hergas teilt werden kann. Die Zonen 10, 9, 2, 3, 5 und 6 werden in der angegebenen Reihenfolge mit den Kontakten 12a, 15, 14, 13b, 12b und 13a versehen. Um die Schaltung gemäß Figur 1 zu verwirklichen, müssen noch die Kontakte 12a und 12b sowie die Kontakte 13a und .13b ebenso wie die Kontakte 14 und 15 miteinander verbunden werden. Der Kollektorgrundkörper 8 wird wiederum mit einem Kollektoranschluß 18 versehen. Die freiliegenden Teile der Halbleiteroberfläche sowie die Grabenwand und die Seitenflächen des Mesaberges werden noch mit einer Passivierungsschicht 21 versehen.

Es hat sich gezeigt, daß die dreipolige Halbleiteranordnung nach der Erfindung durch positive und negative Basisströme nicht beschädigt wird. Die Ansteuerschaltung kann deshalb so ausgelegt werden, daß sie für den "EIN"-Zustand einen positiven, für den "AUS"-Zustand einen negativen Basisstrom liefert, ohne daß eine Gefährdung des Bauelementes auftritt. Die erforderlichen Steuerströme sind dabei klein; typisch ist ein Wert von 1 % des zu schaltenden Laststromes. Es sind jedoch auch wesentlich höhere Steuerströme, wie sie beispielsweise bei Störungen auftreten können, ungefährlich.

Es wurde bereits-erwähnt, daß die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung auch bei hohen Umgebungstemperaturen

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kleine Sperretröme auf v/eist. So wurde gefunden, daß der Kollektorriickstrom nur 10 ,uA betrug bei einer Ansteuerung der Halbleiteranordnung im "AUS"-Zustand und einem Wert U-^₁ = 100 Volt sowie einer Umgebungstemperatur von 120° C. Bei einer Darlington-Schaltung herkömmlicher Art ließ sich der Endtransistor bei den genannten Verhältnissen überhaupt nicht mehr abschalten und blieb in unerwünschter Weise im. "EIM"-Zustand. Bei einer kleineren Spannung von O„„ = 20 Volt zeigte das erfindungsgemäße Bauelement in einer Ausführungsform bei 120 C einen Rückstrom von nur ca. 1 /UA, während das entsprechende Bauelement aus den Transistoren T₁ und T„ einen Rückstrom von 50 - 100 ,uA aufwies. Somit hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung die stationäre Sperrcharakteristik im Vergleich zu einem normalen Darlington-Transistor erheblich verbessert werden konnte.

Um bei der gezeigten integrierten Anordnung eine unerwünschte Thyristorfunktion über die Schichtenfolge p-n-p-n, gebildet aus den den Zonen 3-2-1-8 auszuschließen, kann din geeigneter Stelle eine Schottky-Diode 23 vorgesehen werden, die die Zonenfolge 2-1 überbrückt.

Diese Schottky-Diode kann in bekannter Weise durch Aufdampfen eines geeigneten Metalles z. B. Platin, auf das hochreine η-Silizium erzeugt werden und kann anschließend in üblicher Weise mit Aluminium überdeckt werden.

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Bei der Anordnung nach Figur 3 wurde der Schottky-Kontakt an der n-Zone 10 angebracht. Da die n-Zone 10 aber mit der p-Zone 5 bzw. 1 und die p-Zone 9 mit der n-Zone 2 verbunden ist, wirkt die Schottky-Diode 23 so, als wäre sie direkt zwischen die Zonen 2-1 geschaltet.,

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1) ^ Dreipolige Halbleiteranordnung zum Schalten großer Ströme mit zwei nach Art einer Darlingtonschaltung miteinander verbundenen Transistoren gleicher Zonenfolge, von denen der eine als Treibertransistor für den den Strom schaltenden Endtransistor wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres dreischichtiges Halbleiterbauelement (T₃) mit einer den Darlington-Transistoren (T., T„) entgegengesetzten Zonenfolge vorgesehen ist, dessen mittlere Zone (2) mit der Basis des Treibertransistors T„, die eine äußere Zone (1) mit der Basis des Endtransistors (T₁) und die zweite äußere Zone (3) mit der Elektrode des Endtransistors (T₁) verbunden ist, die nicht direkt an. den Treibertransistor (T„) angeschlossen ist.

2) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Gehäuse angeordnet ist, das drei Anschlüsse aufweist, von denen je einer mit dem Kollektor des Endtransistors (T₁), mit dem Emitter des Endtransistors CT₁) und mit der Basis des Treibertransistors (T₂) verbunden ist und die den Basis-, Emitter- bzw. Kollektoranschluß des Gesamtbauelementes bilden.

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INSPECTED

3) Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbauelemente (T,, T , T₃) so ge wählt sind, daß die I_n/U_ni:>-Keniilinie des Gesamtbauelemen tes im wesentlichen nullpunktsymmetrisch ist.

4) Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zusäbzliche dreischichtige Halbleiterbauelement T, als Lateraltransistor ausgebildet ist.

5) Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine äußere Zone (1) des zusätzlichen dreischichtigen Halbleiterbaueleraentes (T-.) ein Teil der Basiszone (5) des Endtransistors (T₁) ist, daß zur Bildung der mittleren Zone (2) in die Basiszone (5) des Endtransistors (T₁) eine weitere, dem Leitungstyp der Emitterzone (6) des Endtransistors (T,) entsprechende Zone eingebracht ist und daß schließlich in diese Zone vom Leitungstyp der Emitterzone die zweite äußere Zone (3) des dreischichtigen Bauelementes eingebracht ist.

6) Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Emitterzone (6) des Endtransistors (T₁) und die mittlere Zone C2) des zusätzlichen Bauelementes in

einem Diffusionsgang hergestellt sind.

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anem der voran-

7) Betrieb einer Halbleiteranordnung nach einem gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausschaltung des Endtransistors ein Steuerstrom eingeprägt wird, der der Größe nach dem eingeprägten Steuerstrom bei eingeschaltetem Endtransistor etwa entspricht aber die umgekehrte Polarität aufweist.

8) Betrieb einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrom etwa 1 - 5 % des gewünschten Ausgangsstromes bei eingeschaltetem End transistor beträgt.

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