DE1464527B2

DE1464527B2 - Thermisch stabilisierte Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1464527B2
Application number: DE19631464527
Authority: DE
Inventors: William Los Altos Calif. Shockley (V.St.A.)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH, 78OO Freiburg
Priority date: 1962-11-27
Filing date: 1963-11-09
Publication date: 1970-09-17
Also published as: NL301034A; DE1464527A1; GB1000058A; US3286138A; NL146645B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die thermische Stabilisierung von Halbleiteranordnungen.

Bei vielen Halbleiteranordnungen, beispielsweise Leistungstransistoren, besteht bezüglich der Funktionsweise eine wichtige Leistungsgrenze, die einer Art von thermischer Unstabilität zuzuordnen ist, bei der eine Bündelung des Stromes auf punktförmige Bereiche erfolgt. Die betroffene thermische Unstabilität ist nicht dem üblichen thermischen Durchgehen zuzuschreiben, bei dem eine Temperaturerhöhung einen anwachsenden Strom von thermisch erzeugten Trägern in die Basisschicht bewirkt, was eine höhere Emission und eine höhere Verlustleistung und damit wiederum ein weiteres Anwachsen der Temperatur hervorruft. Die Erscheinungsform der betroffenen Unstabilität ist von solcher Art, bei der eine Tendenz zum Anwachsen von Stromdichte und Temperatur in einem Flächenbereich des Bauelementes auf Kosten des in den übrigen aktiven Flächenbereichen des Bauelementes fließenden Stromes ansteigt, während der Gesamtstrom im wesentlichen konstant bleibt. Es entstehen sogenannte »Brennfiecken« (hot spots), welche das Bauelement beschädigen oder zerstören können.

Hauptsächlich rührt die Unstabilität vom großen positiven Temperaturkoeffizienten des Stromflusses im Bauelement her. Als Folge dieses großen Koeffizienten kann irgendeine zufällig vorhandene Fluktuation oder Unvollkommenheit in der Halbleiteranordnung ein Anwachsen des Stromes in einem Teil des Elementes gegenüber einem anderen Teil bewirken. Dieses Anwachsen des Stromes verursacht wiederum eine zusätzliche Erwärmung und weiteres Anwachsen des Stromes. Im wesentlichen tritt eine Rückkopplung auf mit darauffolgendem Anwachsen des Stromes in diesem Teil des Elementes. Mit dem Anwachsen des Stromes setzen nichtlineare Effekte ein.

Hauptsächlich soll durch die vorliegende Erfindung eine Halbleiteranordnung geschaffen werden, bei der örtliche »Brennflecken« auf ein Mindestmaß verringert sind.

Ferner soll durch die vorliegende Erfindung Vorsorge getroffen werden, den in einer Halbleiteranordnung fließenden Strom bei bestimmten Betriebsbedingungen gleichmäßig über die Fläche zu verteilen.

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner das Problem gelöst werden, bei bestimmten Betriebsbedingungen die Temperaturen über die die Leistung aufnehmende Fläche einer Halbleiteranordnung auf nahezu gleichen Werten zu halten.

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner die thermische Unstabilität an defekten Stellen einer Halbleiteranordnung wesentlich vermindert werden.

Ferner soll durch die vorliegende Erfindung die von statistisch verteilten Fluktationen herrührende thermische Unstabilität in einer Halbleiteranordnung vermindert werden.

Durch die vorliegende Erfindung soll ferner eine Halbleiteranordnung zum Betrieb bei Gleich- und Wechselstrom geschaffen werden, bei der der Strom über einen ausgedehnten Bereich der Basiszone verteilt ist und diese weiter entfernt vom Basiskontakt unter der Emitterzone durchdringt.

Schließlich soll durch die vorliegende Erfindung eine Halbleiteranordnung geschaffen werden, in der die Stromdichte für eine vorgegebene Größe des Gesamtstromes zur Verminderung der mit hoher Stromdichte verbundenen nichtlinearer Effekte und Einbuße an Emitterergiebigkeit verringert ist.

Aus der deutschen Patentschrift 559 707 war bekannt, zwischen den beiden Elektroden eines Trockengleichrichters außer der Gleichrichterschicht eine als Vorschaltwiderstand dienende Widerstandsschicht anzu-

5 ordnen. Diese Widerstandsschicht dient zur Vermeidung der bei Gleichrichterschichten von sehr geringer Dicke bestehenden Gefahr, daß diese Schichten an einzelne Stellen mechanisch verletzt oder elektrisch durchgeschlagen werden.

ίο Die Erfindung betrifft dagegen ein thermisch stabilisiertes Halbleiterbauelement mit einer Widerstandsschicht zwischen der emittierenden Zone und einer flächenförmigen Kontaktelektrode, an der die Zuleitung zur emittierenden Zone angebracht ist. Zur Verminderung der von örtlichen »Brennflecken« (hot spots) herrührenden thermischen Unstabilitäten wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß auf der emittierenden Zone im thermisch gutleitenden Kontakt eine · Widerstandsschicht aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizient des Widerstandes angeordnet ist.

Die Widerstandsschicht stellt einen gegenkoppelnden Widerstand in thermischem Kontakt mit der Emitterzone dar und gewährleistet eine gute Linearität.

Aus der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, Nr. 7 (1961), S. 3, war zwar bekannt, beim Schalten' großer Ströme bei parallelbetriebenen Transistoren den Gesamtstrom durch kleine Emitterwiderstände möglichst gleichmäßig auf alle Transistoren aufzuteilen. Durch eine derartige Schaltungsmaßnahme wird zwar die thermische Stabilisierung einej^liiehrzahl parallelgeschalteter Transistoren, nicht aberdie Stabilisierung eines einzelnen Transistors unter Ausschaltung des eingangs geschilderten Effektes erreicht, wie im folgenden näher erläutert wird.

Es ist von Vorteil, einen Widerstand mit einem relativ hohen positiven Temperaturkoeffizient des Wider- , Standes zu verwenden, so daß der Spannungsabfall .· zwischen Emitterkontaktelektrode und Emitterzone an solche zur Vermeidung eines negativen Widerstandes und einer Unstabilität in Querrichtung innerhalb der Halbleiteranordnung erforderlichen Wert ■ angepaßt ist.
Vorteilhafterweise findet die Lehre der Erfindung bei der Konstruktion von Leistungstransistoren Anwendung. Dabei wird eine Widerstandsschicht in Serie zwischen der Emitterzone und der Emitterkontaktelektrode angeordnet, um die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung zu erhöhen. ,

Allgemein sollte der Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten im Strompfad des Emitters mit der Emitterzone im Wärmeaustausch stehen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild mit zwei parallelgeschalteten Transistoren, welche zum Emitter je einen Serienwiderstand aufweisen;
F i g. 2 zeigt zwei parallelgeschaltete Transistoren mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand;

F i g. 3 zeigt im Aufriß, teilweise im Schnitt, eine Halbleiteranordnung mit den Merkmalen der Erfindung;

F i g. 4 stellt teilweise im Schnitt den Aufriß einer anderen Halbleiteranordnung mit den Merkmalen der Erfindung dar;

F i g. 5 veranschaulicht eine Halbleiteranordnung, bei der die sich im thermischen Kontakt mit der

5 6

türen, Stern-Strukturen und sonstige bei Halbleiter- derlichen kleinsten Emitterströmen betrieben wird,

anordnungen bekannte Strukturen zu nennen. Für größere Ströme und kleinere Spannungen bei der

Durch die Widerstandsschicht 27 des Emitters er- gleichen Leistung ist die stabilisierende Wirkung der geben sich noch weitere Vorteile. Wenn der Emitter- Widerstandsschicht auf Grund des an ihr auftretenden strom einen durch das Produkt n_r mit der thermischen 5 Spannungsabfalles größer. Damit wird ein geringer Spannung kT/q bei der Arbeitstemperatur gegebenen Temperaturanstieg bei höheren als bei niedrigeren Spannungsabfall über diese Schicht hervorruft (wobei Strömen und vorgegebener Leistung ermöglicht. k die Boltzmann-Konstante; T die Temperatur in Es ist von Vorteil, die Emitter-Widerstands-Schicht Grad Kelvin und q die Elektronenladung bedeutet), eines Siliziumtransistors aus schwach dotiertem dann kann gezeigt werden, daß der den Spannungs- *° (n~) Silizium herzustellen. Diese Widerstandsschicht abfällen in der Basiszone unter der Emitterzone zu- kann unter Anwendung verschiedener bekannter Vergeordnete Stromballungseffekt bei einem n_r-Wert von fahren, beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen, wesentlich größer als 1 um etwa den Faktor von n_rß aufgebracht werden. Insbesondere kann eine n~ -Wivermindert wird. Ein ähnlich stärkeres Eindringen der derstandsschicht auf einer diffundierten n+-Zone einer Stromdichte unter der Emitterzone erfolgt auch bei 15 Halbleiteranordnung gemäß Fig. 5 aufgewachsen Wechselstromsignalen. Ein weiterer Vorteil der gleich- werden, welche eine auf einer Wärmesenke 32 beförmigen Verteilung des Stromes über den Emitter- festigten η-leitenden Kollektorzone 31 mit einer einge-Basis-Übergang besteht darin, daß die Stromdichte setzten p-leitenden Basiszone 33 und eine in letztere · bei einem vorgegebenen Gesamtstrom erniedrigt wird. eingesetzte n⁺-leitende Emitterzone 34 aufweist. Die Somit werden in einer nach der Lehre der Erfindung a° n~-leitende Widerstandsschicht 35 wird in diesem Fall ausgebildeten Halbleiteranordnung mit höheren Strom- auf der n⁺-leitenden Emitterzone angeordnet und dichten verbundene nichtlineare Effekte merklich ver- bildet mit dieser einen relativ guten ohmschen Konmindert, takt. Auf der n~-leitenden Widerstandsschicht kann

Da der Temperaturanstieg bei vorgegebener Lei- eine weitere n+-Schicht 36 hergestellt werden, welche

stung durch Konzentration der Leistung infolge der 25 eine metallische Kontaktelektrode 37 erhält. DieBasis-

Stromballung anwächst, ist offensichtlich die von zone wird über einen elektrischen Kontakt 39 kon-

der Widerstandsschicht des Emitters zusätzlich be- taktiert.

wirkte gleichmäßige Verteilung des Stromes von Das beim Betrieb in der n~-Widerstandsschicht vor-

Vorteil. handene elektrische Feld sollte, wie weiter unten

Weist die Widerstandsschicht 27 des Emitters einen 30 diskutiert wird, ausreichen, über diese Wideistandspositiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes schicht Spannungsabfälle in der Größenordnung von auf, dann kann ein weiterer Vorteil erreicht werden. vier oder mehrfach der thermischen Spannung bei der Wie weiter unten rechnerisch ausgeführt wird, ergibt Betriebstemperatur zu erzeugen. Solche Spannungssich der Vorteil aus der Tatsache, daß die Neigung zur abfalle sind gleichwohl ausreichend, Minoritätsträger Stromballung in irgendeinem Bereich dort einen 35 durch die Schicht zu treiben. Es ist wichtig, daß die starken Temperaturanstieg bewirken wird, welcher Minoritätsträger sich nicht in dieser n~-Widerstandswiederum den Wert des stabilisierenden Serienwider- schicht ansammeln, da anderenfalls ihr Widerstand Standes in diesem Bereich der Emitterzone anwachsen merklich erniedrigt würde. Da bei hohen Strömen läßt. Aus diesem Grunde ist es möglich, Stabilisierung eine Injektion durch die Emitterzone auftreten kann, mit kleineren Spannungsabfällen über die Wider- 40 mag es erwünscht sein, eine Zwischenschicht mit hohen Standsschicht der Emitterzone einer Halbleiteran- Rekombinationswerten zwischen der n~-Widerstandsordnung gemäß F i g. 3 zu erzielen. schicht und der n⁺-Emitterzone anzuordnen. Dies'

Die F i g. 4, welche die gleichen Bezugszeichen wie führt zur Ausschaltung der Injektion von Minoritäts-F i g. 3 aufweist, veranschaulicht eine weitere Ausfüh- trägern in die n~-Widerstandsschicht. An den Rändern rungsform der Erfindung. Die Widerstandsschicht 27 45 der Widerstandsschicht, gegen die sich die Minoritätsist jedoch mit 27 a bezeichnet worden, da diese eine träger bewegen, sind hohe Rekombinationswerte ungleichmäßige Dicke aufweist. Diese Änderung der günstig, um Ballungseffekte zu vermindern. Dicke bewirkt eine kleinere Leitfähigkeit pro Flächen- Ein Weg zur Verwirklichung besteht darin, daß eine einheit an den Rändern verglichen mit derjenigen in sehr dünne Schicht eines Metalls mit hohem Widerder Mitte. Ähnliche Ergebnisse können durch Ände- 50 stand im ohmschen Kontakt mit der n~-Widerstandsrung sowohl des spezifischen Widerstandes als auch schicht als der n+-Schicht verwendet wird. Die Flächender Dicke oder durch beide Maßnahmen zusammen leitfähigkeit einer sehr dünnen Schicht wü^pde nicht so erzielt werden. Bei geeigneter Wahl der Änderung des groß sein, wenn sie auch örtliche Bereiche der n~-Wispezifischen Widerstandes können die auf Grund des derstandsschicht überbrückt. Ein andersartiger Weg in der Basiszone fließenden Basisstromes auftretenden 55 zur Erzielung der gleichen Wirkung besteht darin, daß Spannungsabfälle derartig abgeglichen werden, daß die n~-Widerstandsschicht aus einem Halbleitermatedie Spannung über den Emitter-Basis-Übergang über rial mit wesentlich größerer Bandlücke hergestellt die gesamte Emitterfiäche konstant ist. Offenbar wird wird, so daß die Injektion von Minoritätsträgern in in diesem Falle für einen vorgegebenen Stromwert die diese verhindert oder wesentlich vermindert ist. Leistung gleichmäßig verteilt und der Temperatur- 60 In einer n~-Schicht aus Silizium ist die Ionisation anstieg vermindert. Wird eine Änderung des thermi- der Störstellen bei Temperaturen oberhalb der Raunischen Widerstandes zur Wärmesenke über die Fläche temperatur praktisch vollständig. Weiteres Anwachsen des Emitterüberganges zugelassen und eine Ab- der Temperatur wird eine Verminderung der Beweggleichung der örtlichen Leistungsdichte vorgenommen, lichkeit der Elektronen in der Schicht bewirken und so kann ein gleichförmiger Temperaturanstieg erwirkt 65 ihr folglich einen positiven Temperaturkoeffizient des werden. Es ist von besonderer Bedeutung, den maxi- Widerstandes verleihen. Das in der Schicht vorhandene malen Temperaturanstieg zu erniedrigen, wenn der hohe elektrische Feld wird die Minoritätsträger hinaus-Transistor bei einer Maximalleistung und dazu erfor- schwemmen und einen der Entwicklung zur intrin-

Emitterzone angeordneten Widerstandsschicht aus Halbleitermaterial besteht;

F i g. 6 zeigt die Kollektor-Strom-Spannungs-Kennlinienschar eines Siliziumtransistors für verschiedene konstant gehaltene Basisspannungen;

F i g. 7 veranschaulicht die Kollektor-Strom-Spannungs-Kennlinienschar eines Siliziumtransistors mit einem schichtförmigen und temperaturunabhängigen Emitterwiderstand für verschiedene konstant gehaltene Basisspannungen;

F i g. 8 veranschaulicht die Kollektor-Strom-Spannungs-Kennlinienschar eines Siliziumtransistors mit einem einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden und mit der Emitterzone im Wärmeaustausch befindlichen Widerstand bei verschiedenen konstant gehaltenen Basisspannungen;

F i g. 9 zeigt zwei Transistoren mit einer im Vergleich zur Wärmeleitung zu einer Wärmesenke großen gegenseitigen Wärmeleitung;

F i g. 10 veranschaulicht das Modell eines Transistors zur Berechnung des Faktors der gegenseitigen Wärmeleitung;

F i g. 11 schließlich zeigt einen Gleichrichter mit den Merkmalen der Erfindung.

Bei Leistungstransistoren und anderen großflächigen Anordnungen besteht, wie beschrieben, eine ernstzunehmende Leistungsgrenze, der Funktionsweise. Diese Grenze ist einer Art von thermischer Unstabilität zuzuordnen, die anwachsende Stromdichten verursacht. Zum besseren Verständnis des Problems der Temperaturunstabilität und seiner Folgen wird auf die Schaltungen der F i g. 1 und 2 und die theoretischen Kurven der F i g. 6 verwiesen.

Die F i g. 6 zeigt theoretische Kurven für die Strom-Spannungs-Kennlinien eines Transistors für eine Anzahl von konstant gehaltenen Basisspannungen. Aus der Kennlinienschar ist ersichtlich, daß bei anwachsendem Strom die Spannung zunächst gegen einen Maximalwert anwächst und dann bei weiterem Anwachsen des Stromes abnimmt. Dabei ergibt sich ein negativer Widerstand.

Die F i g. 1 zeigt die Parallelschaltung zweier Transistoren 11 und 12. Basis- und Kollektoranschlüsse jedes Transistors werden über gemeinsame Anschlüsse 13 und 14 mit Spannungsquellen verbunden. Die Emitter werden über Emitterwiderstände 16 und 17 mit einer gemeinsamen Spannungszuleitung 15 verbunden. Zunächst soll der Grenzfall betrachtet werden, bei dem die Widerstände vernachlässigbar sind und die Funktionsweise im wesentlichen so erfolgt, wie an Hand der F i g. 6 veranschaulicht. Wird ein konstanter Strom über den gemeinsamen Kollektoranschluß 14 gemäß F i g. 1 sowie konstante Emitter- und Basisspannungen zu den anderen beiden Anschlüssen 15 und 13 zugeführt, dann kann eine Unstabilität auftreten, sobald sich einer der Transistoren im Bereich des negativen Widerstandes befindet. Die Unstabilität wird irgendeine Störung des Stromes zwischen den beiden verursachen und schnell anwachsen, so daß vorwiegend ein Transistor den Gesamtstrom führt, während im anderen praktisch kein Strom fließt. Diese Erscheinung ähnelt dem sogenannten »current hogging« (unbegrenztes Anwachsen des Stromes) in einem zweier parallelgeschalteter Thermistoren.

Aus der Transistor-Schaltungstechnik ist bekannt, daß zwei parallelgeschaltete Transistoren durch Einfügung geeignet großer Emitterwiderstände 16 und 17 zum Führen nahezu gleicher Ströme veranlaßt werden können. In diesem Falle bestimmen hauptsächlich diese Widerstände den Strom, wobei die Kennwerte der Transistoren selbst relativ unwichtig werden. Selbstverständlich wird diese Maßnahme die auf thermische Effekte zurückführende Unstabilität ausschließen, obgleich sie die Verstärkung der Transistorschaltung vermindert.

Demgegenüber ist der in F i g. 2 dargestellte Serienwiderstand 19 als gemeinsamer Widerstand aufzufassen. In diesem Falle hat die Übernahme des Stromes von einem Transistor zum anderen keine Wirkung auf den Stromfluß durch den Serienwiderstand 19. Umgekehrt hat der letztere keinen Einfluß auf die Stabilisierung der zwei Transistoren gegen innere Unstabilitäten, selbst wenn er einen großen. Wert erhält.

Der letztere Vorgang ist demjenigen ähnlich, der in einer Halbleiteranordnung mit großer Fläche, beispielsweise einem Leis'tungstransistor, mit Emitter-Serienwiderstand stattfindet.

Verschiedene Bereiche der Anordnung können jede wie ein einzelner der gezeigten Transistoren wirken, und ein Bereich kann somit den gesamten Strom an sich reißen, was die Ursache eines örtlichen »Brennfieckens« ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Stabilisierung des Stromflusses durch großflächige Halbleiteranordnungen erwirkt. Die stabilisierende Wirkung bei einer großflächigen Halbleiteranordnungv^frird mittels eines flächenförmigen Widerstandes m Serie im Strompfad des Emitters erreicht. ^ <

Eine Ausführungsform eines stabilisierenden Emitter-Serienwiderstandes in Verbindung mit den wirksamen Bereichen eines Emitter-pn-Uberganges veranschaulicht die F i g. 3. Sie zeigt einen Transistor 21 mit einer im elektrischen und thermischen Kontakt zu _ einer Wärmesenke 23 angeordneten Kollektorzone22, welche auf konstante Temperatur gehalten werden soll. In bekannter Weise ist in die Kollektorzone 22 eine p-leitende Basiszone 24 und in letztere eine n-leitende Emitterzone 25 mit durch n⁺ veranschaulichter hoher Verunreinigungskonzentration eingelassen. Über den ohmschen Kontakt 26 wird eine elektrische Verbindung zur Basiszone hergestellt. Auf nahezu der gesamten Oberfläche der n+-Emitterzone ist eine Widerstandsschicht 27 angeordnet, welche über die obere Oberfläche gleichförmig mittels einer Kontaktelektrode 28 und einem Anschlußdraht 29 kontaktiert ist. /

Die Kontaktelektrode 28 weist im wesentlichen die gleiche Flächenausdehnung auf wie die Wideretandsschicht 27 und wird sehr niederohmig gewählt, sp daß sich die gesamte obere Oberfläche im wesentlichen auf gleichem Potential befindet. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß irgendeine Neigung zur Lokalisierung des Stromflusses auf einen bestimmten Bereich der Emitterzone einen zusätzlichen Spannungsabfall über diesem Bereich der Widerstandsschicht verursachen würde, was zur Verminderung der Emitter-Basis-Spannung in dem darunter liegenden Bereich des Emitter-Basis-Überganges und zur Unterdrückung einer Stromerhöhung in diesem. Bereich der Halbleiteranordnung dienen wird.
Obgleich in F i g. 3 eine besondere Geometrie gezeigt wird, kann selbstverständlich die Lehre der Erfindung auf irgendeine andere Geometrie der Emitterzone angewendet werden. In diesem Zusammenhang sind ineinandergreifende Strukturen, Kamm-Struk-

sischen Leitfähigkeit zugeordneten negativen Widerstandskoeffizienten unterdrücken.

Selbst wenn eine derartige Schicht nicht einen positiven Widerstandskoeffizienten bei Raumtemperatur aufweist, so wird sie noch sehr günstige bei höheren Temperaturen auftretende Wirkungen aufweisen. Irgendeine Neigung des Stromes zur Unstabilität und Bündelung auf einen örtlichen Bereich wird nämlich einen starken Temperaturanstieg hervorrufen, was zu einem merklichen Anwachsen des Widerstandes dieser Schicht und im Ergebnis zur Stabilisierung und Ver-

hinderung von unerwünschten Stromanstiegen führt. ·;

Ist der Widerstand der Emitterzone hoch genug, um Spannungsabfälle von einem mehrfachen der thermisehen Spannung kTjq bei Betriebstemperatur zu erzeugen, dann wird ein negativer Widerstand in irgendeinem Bereich der in F i g. 6 hergestellten Struktur größtenteils verhindert. Weitere Berechnungen nach den unten erörterten Grundsätzen ergeben folgende ίο Bedingungen zum Ausschalten eines negativen Widerstandes mittels einer Silizium-Widerstandsschicht.

(T-Ts), ⁰K...

Γ, ⁰K

T, °C

Ver = n_rU

V_er (modifiziert)
Ver(n_tln =0) ..

10	50	100	200	300
310	350	400	500	600 *
37	77	127	227	327
0	0,076	0,148	0,261	0,362
0	0,052	0,072-	0,073	0,064
0	0,10	0,25	0,60	0,99

In der Tabelle bedeutet T die Arbeitstemperatur der Halbleiteranordnung und die Temperatur T_s die Umgebungstemperatur des Transistors, welche durch die Temperatur der Wärmesenke gegeben ist. Somit bedeutet die erste Zeile der Tabelle den Temperaturanstieg, die zweite Zeile die Arbeitstemperatur der Emitterzone in "Kelvin; in der dritten Zeile findet sich die entsprechende Temperatur in ° Celsius. Als Temperatur der Wärmesenke wird 300° K angenommen. Der Spannungsabfall V_er in Volt über die Widerstandsschicht des Emitters für eine einer Spannung von 0,5VoIt bei 300⁰C entsprechenden gleichförmigen Stromverteilung wird in der vierten Spalte angegeben. Dieser Spannungsabfall hat einen zur Erniedrigung des positiven Temperaturkoeffizienten des Stromanstieges für konstante Spannung am Basisanschluß ausreichenden Wert, so daß ein negativer Widerstand nicht auftritt. Bei der Berechnung dieses Spannungsabfalles ist das dem Temperaturanstieg von der Umgebungstemperatur auf Arbeitstemperatur zugeordnete Anwachsen des Widerstandes berücksichtigt worden. In der fünften Spalte werden als V_er (modifiziert) die Spannungsabfälle bei gleichem Strom, wie in der vierten Spalte, jedoch bei niedrigerer Kollektorspannung und demzufolge kleinerer und eine Verminderung des Temperaturanstieges ergebende Verlustleistung, aufgeführt. Die Tabelle enthält ferner Vergleichswerte für erforderliche Spannungsabfälle Ver{rißn = 0) bei Verwendung eines temperaturunabhängigen Widerstandes. Es ist ersichtlich, daß wesentlich größere Spannungsabfälle für einen derartigen Widerstand bei höheren Arbeitstemperaturen erforderlich sein würden.

Die erforderlichen Spannungsabfälle der obigen Tabelle für den Fall einer Widerstandsschicht aus η-leitendem Silizium sind verknüpft mit Bedingungen, bei denen die Kurven der Abhängigkeit der Kollektorspannung vom Kollektorstrom bei konstanter Spannung am Basisanschluß eine Steigung von Null aufweisen. In den F i g. 6, 7 und 8 werden drei derartige Kurvenscharen gezeigt. Die F i g. 6 zeigt, wie oben erwähnt, Kurven eines auf einer Wärmesenke bei 300° aufgebauten Transistors ohne Serienwiderstand. Bei der Gestaltung der Kurven wurde angenommen, daß der Temperaturabfall an Silizium auftritt. Die Abhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von der Temperatur für Silizium wurde bei der Berechnung der Kurven berücksichtigt. Die mit dem Index n_s von 1,0 versehene Kurve entspricht einer Emitter-Basis-Spannung von 0,50VoIt, einem für einen Siliziumtransistor typischen Wert. Die anderen Basisspannungen sind solche, welche Ströme hervorrufen, die sich vom Bezugswert um Faktoren von 2 unterscheiden. Wie weiter unten im analytischen Teil erläutert wifd; werden die Strom- und Spannungseinheiten ija/^iestimmten, willkürlich angenommenen Bezugseirfheiten ausgedrückt. Die F i g. 7 stellt eine ähnliche Kennlinienschar für den Fall einer Widerstandsschicht mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von Null dar. Als Widerstandsschicht ist eine solche gewählt, daß an ihr ein Spannungsabfall von 0,025 Volt bei einem dem Bezugswert von /_s (1) entsprechenden Strom anliegt, so daß der Einheitswert von V für n_s erhalten wird. Unter der Annahme, daß die metallische Kontaktelektrode zur Widerstandsschicht an Erde gelegt ist, beträgt in diesem Falle die an den Basisanschluß angelegte Spannung 0,525 Volt. Der zur Berechnung der F i g. 7 angenommene Transistor gleicht in anderer Beziehung dem Transistor der Fig. 6. Offensichtlich ist ohne Auftreten eines negativen Widerstandes ein weit höherer Temperaturanstieg für einen Transistor mit einer Emitter-Widerstands-Schicht möglich. Bei NichtVorhandensein einer Widerstandsschicht tritt offenbar im allgemeinen ein negativer Widerstand bei einem Temperaturanstieg von mehr als etwa 10⁰C auf. Durch eine Widerstandsschicht werden Temperaturanstiege von 300⁰C- ohne Auftreten eines negativen Widerstandes ermöglicht. Bei diesen Temperaturanstiegen kann jedoch der Spannungsabfall über die Widerstandsschicht ziemlich groß werden, da dieser Abfall gemäß F i g. 7 um das Verhältnis des Stromes zum Vergleichsstrom größer als der Vergleichswert von 0,025 Volt ist.

Die Fig. 8 veranschaulicht den entsprechenden Zustand mit einer einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden, dem Abfall der Elektronenbeweglichkeit in η-leitendem Silizium entsprechenden, Emitter-Widerstands-Schicht. An Hand dieses Beispiels ist erkennbar, daß für größere als dem Wert von n_s — 0,25 entsprechende Basisspannungen kein Maximum in der Spannungs-Strom-Kurve auftritt und sich demzufolge keine thermische Unstabilität entwickeln kann.
Es wäre für den Fall eines temperaturunabhängigen

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Widerstandes gemäß F i g. 7 zu bemerken, wenn ein ansehnlichen Stromes groß genug und der Emitter gegroßflächiger Transistor vorhanden ist oder zwei erdet ist. Diese Ableitung ist gegeben durch
ähnliche und auf konstanter Spannung gehaltene

Transistoren parallel geschaltet sind, daß für einige a₀ = δ In Iß In T. (1)
Werte der Basisspannung einer von ihnen Strom im 5

negativen Bereich und der andere im positiven Bereich Wird der Transistor mit einer Wärmesenke verbunführen kann. Ein ähnlicher Zustand wird nicht bei den und befindet er sich im stationären Zustand der einem Widerstand mit positiven Temperaturkoeffi- Leistungsabführung, dann muß die Eingangsleistung, zienten verwirklichbar sein, wenigstens für Spannungen Spannung mal Strom /, gleich sein dem Wärmefluß unterhalb des Wertes von VjV₃ — 0,77 Volt (V = an- i° zur Wärmesenke. Wird der Wärmefluß zur Wärmegelegte Spannung; V_s = Bezugswert) der Figur. Als senke mit H(T) bezeichnet, dann fordert die Bedingung Beispiel einer sich auf Grund einer Widerstandsschicht eines stationären Zustandes

mit positiven Temperaturkoeffizienten ergebenden vor- jy _ oy j>\ /y\

teilhaften Wirkung betrachtet man den sich bei einem ■

Temperaturanstieg von etwa 100° C ergebenden Zu- 15 Eine weitere Umformung führt auf

stand. In diesem FaUe entspricht der Minimalstrom, ölnV/dlnl =-1 + (d In H/d In T)Ia₀ . (3 a)
bei dem eine sichere Arbeitsweise gewährleistet sein

würde, dem Wert von χ = 17 in Fig. 7. Bei zwei Daraus ist ersichtlich, daß ein negativer differen-r

parallelarbeitenden Transistoren kann in diesem Falle zieller Widerstand dann auftreten wird, wenn der

keiner der beiden in den Zustand eines negativen 2° zweite Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung

Widerstandes gelangen, falls der Strom nicht etwa nicht größer als 1 ist, so daß

50% anwächst, was als Sicherheitsspielraum der Aus- „ _M. tij\- ττ\ ^- λ (ίχλ

. "> , , ., ' . j _ λ,., . , .. α₀ (aIn 77αInH) < 1. (3d)

steuerbarkeit angenommen wird. Bei 17 Stromeinheiten "

wird in diesem Falle der Spannungsabfall 0,425 Volt Die Grenzbedingung für einen negativen Widerbetragen, da er 17mal größer als die Spannung 25MiIIi- 25 stand hängt von der Gesetzmäßigkeit des Wärmevolt beim Vergleichsstrom χ = 1,0 sein wird. Für den flusses ab. Wird angenommen, daß die Wärmeleitung Fall eines Widerstandes mit positivem Temperatur- unabhängig von der Temperatur ist, dann kann
koeffizienten ergäbe sich ein entsprechender Strom bei

sicherer Arbeitsweise für χ = 3,8, was einer der Kurve H(T) = h(T_s) · (T — T₈) (4)
bei «s = 0,25 entsprechenden Basisspannung ent- 3°

spricht, bei der kein negativer Widerstand auftritt. Für geschrieben werden, wobei T₈ die Teinperatur der

diesen Strom bei χ = 3,8 wird der Spannungsabfall Wärmesenke und h(T_s) die thermischeÄeitfähigkeit

0,025 · 3,8 · 2,24 betragen. Der letzte Faktor 2,24 be- vom aktiven Teil des Transistors zur Wärmesenke

schreibt das Anwachsen des Widerstandes aus Silizium (gemessen in Watt pro ⁰K) bedeutet. Diese Annahme

bei einer Temperaturzunahme von 300° K auf etwa 35 für den Wärmefluß führt auf
413⁰K. Dieser Spannungsabfall hat einen Betrag von

0,268VoIt, welcher offensichtlich wesentlich kleiner d In H\d In T = T/(T - T_s) (5)
ist als der Spannungsabfall im Falle eines temperatur- - ..■ unabhängigen Widerstandes. Daraus folgt, daß Strom- und in Gleichung (3 b) eingesetzt auf die Stabilitätszunahmen im Falle eines temperaturabhängigen Wider- 40 bedingung

Standes durch kleinere Änderungen der Basisspannung _a (7¹ _ T₃)IT < 1. (6) erzielt werden können, als es bei einem temperaturunabhängigen Widerstand der Fall ist. In der Tat wird Ist der thermische Widerstand, an dem der Tempeein zusätzlicher Beitrag zur Basisspannung bei Ver- raturabfall zur Wärmesenke auftritt, größtenteils doppelung des obengenannten Sicherheitswertes des 45 durch Silizium gegeben, dann sollte berücksichtigt Stromes bei χ = 17 und χ = 3,8 (mit Spannungs- werden, daß die thermische Leitfähigkeit von Silizium abfällen über die Widerstandsschicht von 0,425 bzw. sich umgekehrt proportional zur absoluten Tempe-0,286) erforderlich, um den zusätzlichen Spannungs- ratur mit einem ausreichenden Annäherungsgrad über abfall über die Widerstandsschicht von 0,425 und einen für die meisten Effekte bei Siliziumt^ansistoren 0,286 Volt zu überwinden, falls der Transistor auf 5° in Frage kommenden Bereich ändert. Dazu wird beikonstantem Leistungsniveau und bei konstanter Tem- spielsweise auf den Artikel von R. G. Morris und peratur durch Halbieren der Spannung gehalten wird. Jerome G. H u s t in Phys. Rev., 124, S. 1426 (1961), Dies zeigt, daß gegenüber einem Transistor mit einer verwiesen. Von 300 bis 700 ⁰K kann die thermische temperaturunabhängigen Widerstandsschicht die grö- Leitfähigkeit durch 33Ο/Γ (Watt/cm°K) 'angenähert ßere Leistungsverstärkung mittels eines mit einer 55 werden. Für diese Gesetzmäßigkeit der thermischen Widerstandsschicht mit positiven Temperaturkoeffi- Leitfähigkeit kann gezeigt werden, daß

zienten versehenen Transistors erhalten werden Tjcr\ utT\r i„ rrir\ m\

_kann H(I) = h(Ts) l_sln(Tßs), (1)

Die genannten und weitere Merkmale der Erfindung so daß die Stabilitätsbedingung

sollen im folgenden an Hand einer kurzen rechne- 60 ίτιτ\

rischen Behandlung noch besser verständlich gemacht ^a° ^ln w⁷») ^<1 ,. (⁸)

werden. Eine sehr bedeutende, die Stabilität und das wird.

Auftreten eines negativen Widerstandes bei groß- Um diese Formeln auf einen vorliegenden Transistor

flächigen Transistoren bestimmende Größe ist die anzuwenden, müssen Werte für die Größe a₀ beschafft

partielle Ableitung des Logarithmus des Stromes nach 65 werden. Dieses kann leicht erreicht werden mit HiHe

dem Logarithmus der Temperatur bei konstanter von Formelausdrücken guter Näherungen für die

Basisspannung, wobei angenommen wird, daß die Gesetzmäßigkeit des Stromflusses durch die Basiszone.

Größe der Kollektorspannung zum Erzeugen eines Für die meisten praktischen Anwendungen kann

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Emitter- und Kollektorstrom bei großer Leistung im Um die Steigung der Kurven zu berechnen, muß in

wesentlichen als gleich groß angenommen werden. Gleichung (9) die Emitterspannung über die Beziehung Die Stromdichte kann in der Form

(9) ₅ V_e = R(T)I => n_rkT_iq (12)

geschrieben werden. Diese Gleichung kann leicht aus eingeführt werden, wobei R(T) den effektiven Widerden Gleichungen 9 und 13 in »Transistor Technology«, stand der Emitter-Widerstands-Schicht bei betriebs-Bd. 2, D. Van Nostrand, 1958, auf S. 395 abgeleitet mäßigen Strombedingungen bedeutet. Zu Dimenwerden, wobei Q die Gesamtladung pro Flächenein- sionierungszwecken kann der interessierende Wert von heit der Majoritätsträger in der Basiszone, / den Ge- i° R(T) wie folgt erhalten werden: Ermittlung der Stromsamtstrom, A die Fläche, q die Elektronenladung, verteilung und Abschätzung von V_e an der Stelle, an m die Eigenleistungskonzentration, D_n die Diffusions- der die Emitter-Basis-Spannung in Flußrichtung den konstante der Elektronen in der Basiszone, F& die größten Wert aufweist, und Division dieser Spannung Basisspannung und V_e die Emitterspannung bedeutet. durch den Gesamtstrom /, wobei Stromballungseffekte Das hier genannte Beispiel betrifft einen npn-Tran- *5 zugelassen sind. Durch Einsetzen der so ermittelten sistor, der sich durch einfache Abänderungen aus dem Beziehung (12) in den Stromausdruck der Gleichung (9) pnp-Transistor der Literaturstelle ergibt. Für den und Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit Betrieb eines Silizium-Flächentransistors ist eine des Widerstandes R wird gefunden, daß durch Ab-Emittervorspannung von 0,50 Volt charakteristisch. leitung des Logarithmus des Stromes nach dem Loga-Diese entspricht einem Wert von 20 für das Argument 2° rithmus der Temperatur bei konstant gehaltener des Exponentialausdruckes in Gleichung (9). Für kon- Spannung an der Widerstandsschicht zwischen Basisstante Emitter-Basis-Spannung kann die Ableitung des anschluß und Kontaktelektrode der Wert a₀ in einen Logarithmus des Stromes nach dem Logarithmus der neuen Wert a_or übergeführt wird. Dieser ist gegeben Temperatur leicht als durch

a₀ = q(V_g - F₆ + V_e)/k T + n_T ^ 30 (10) ^a5 a_or = C₀ [1 - (n_rK) d In R/d In T] /(I + n_r). (13)

ermittelt werden, wobei V₉ der tatsächliche Wert der Dabei ist n_r die Anzahl der Einheiten des thermi-

Bandlücke ist, wie er in den Ausdruck für die Konzen- sehen Spannungsabfalles über die Widerstandsschicht tration der Eigenleitung rn eingeht. Ferner ist ητ die unter Betriebsbedingungen. Offensichtlich kann dieser Potenz, mit der die absolute Temperatur angehoben 3° Wert von a_or wesentlich kleiner sein als a₀, njrt' dem werden müßte, um dem Ausdruck n^D_n in Glei- Ergebnis, daß die statthaften Temperaturanstiege gechung (9) die genaue Temperaturabhängigkeit zu ver- maß Gleichungen (6) oder (7) entsprechend größer sein leihen, wenn V_g für die Energie der Bandlücke Ver- können. Für eine aus η-leitendem Silizium bestehenden wendung findet. Nach E. M. C ο η w e 11, Proc. IRE, Widerstandsschicht, die in einem durch die Beweg-46, S. 1281 (1958), wurde beispielsweise für das in 35 lichkeit der Elektronen bestimmten Widerstands-Frage kommende Silizium für ητ ein Wert von 1,5 und bereich betrieben wird, kann leicht unter Verwendung für V₉ ein Wert von 1,21 Volt gefunden. Für eine von Literaturangaben (vgl. die genannte Arbeit von Spannung von 0,5 Volt am Emitterübergang ergeben C ο η w e 11) die Beziehung

diese Werte für a₀ gemäß Gleichung (10) etwa 30. Die _d _ln _Rjd _ln _T ₌ _ _d _ln _jd _ln _T _{= =} ₂₅ ₍₁₄₎
vorhergehende Rechnung führt direkt zu dem Ergeb- 4o ' ^r"' ^" ' ^v '

nis, daß a₀ eine Funktion sowohl der Stromdichte gefunden werden, wobei μ_η die Beweglichkeit und die (über die Abhängigkeit Vb — V_e von der Stromdichte) Größe ημ_η den Exponent der Temperatur in der Beals auch der Temperatur ist. Man erhält ziehung für die Beweglichkeit bedeutet.

Durch Vergleich der Gleichung (13) mit Gleichung (8)

Ci₀(F, T') = a_o(I, T) + In (///') + n_T In (T'/T). (11) 45 und Verwendung der Werte von 30 und 2,5 für die

Gleichungen (10) und (14) wird ohne weiteres die

/und T entsprechen a₀ — 30, und /'und T' sind von/ Berechnung der einer stabilen Grenzbedingung ent- und Γ abweichende Werte des Stromes und der Tempe- sprechenden Werte von n_r und V_e möglich. Diese werratur. Daraus ist ersichtlich, daß Änderungen der abso- den in der Tabelle angegeben. ':

luten Temperatur um den Faktor 2 Änderungen von a₀ 5° Die Strom-Spannungs-Kurven der F i g. 7 und 8 von weniger als 10 °/₀ bewirken und Änderungen des entsprechen einem Widerstand, der bei deir^ UmStromes um den Faktor 10 den Wert von a₀ um etwa gebungstemperatur von T_s = 300° K einen Spannungs-8 °/o verändern. Für die meisten praktischen Anwen- abfall von k T_s/q — U_s — 0,025 Volt bei einer Spandungen kann a₀ für Silizium als konstanter Wert von 30 nung von 0,5 Volt am Emitter-Basis-Ubergang hervorangenommen werden. Für andere Halbleitermate- 55 ruft. Die übrigen Kurven der F i g. 7 und 8 entsprechen rialien bei Bedingungen nahezu gleicher Stromdichten Basisspannungen von
wird der Wert von a₀ davon nicht stark abweichen. _γ ₍ ) _{= 0 50 + 0 025 ( + ln} „ _} _ ₍₁₅₎

An Hand eines Vergleiches der Ergebnisse von

Gleichung (10) mit Gleichung (6) oder (8) wird leicht Das zweite Glied dieser Gleichung verursacht je

erkennbar, daß der maximale Temperaturanstieg über ⁶° Vergleichsstromeinheit einen Spannungsabfall plus die Umgebungstemperatur vor dem Auftreten eines einem zusätzlichen thermischen Spannungsabfall über negativen Widerstandes etwa 10° C beträgt. den Emitter-Basis-Übergang selbst, und zwar immer

Den Strom-Spannungs-Kurven der oben beschrie- derartig, daß die Stromdichte um den Faktor e gemäß benen F i g. 6,7 und 8 liegt ein Bezugswert der Emitter- Gleichung (9) angehoben wird. Selbstverständlich Basis-Spannung von 0,50 Volt bei einer Umgebungs- 65 fällt bei der F i g. 6 das Glied in n_s der Gleichung (15) temperatur von T_s = 300° K oder 27⁰C zugrunde. fort.

Sie beruhen ferner auf dem Wärmeleitungsgesetz der Ein Einsetzen der Basisspannung der Gleichung (15)

Gleichung (7). in die Gleichung (9) führt auf die Abhängigkeit des

Stromes von der Temperatur für jeden durch n$ gekennzeichneten Wert der Basisspannung. Die Abhängigkeit der Kollektorspannung vom Kollektorstrom und der Basisspannung wird durch Einsetzen der durch die Gleichung (2) gegebenen Beziehung für die Leistungsabführung erhalten. In Verbindung mit diesen Berechnungen ist es zweckmäßig, drei Bezugsgrößen für Strom, Leistung und Spannung einzuführen:

I₈(I) = IcTsIqR(T) ^kT₈Iq	Rs= UsIR₈,	(16)
Ps = H(T₈)T₈,		(17)
Vs=PsII₈(I).		(18)

Darin bedeutet/_s(l) den bei einer Spannung von 0,50 Volt am Emitter-Basis-Ubergang und der Temperatur Ts fließenden Strom. Wie in den Figuren festgelegt, bedeutet R(T₃) = R_s den Widerstand, an dem der thermische Spannungsabfall bei diesem Strom anliegt. Fließt I_s(l) bei der Temperatur T_s, so nimmt die Emitter-Basis-Spannung einen solchen Wert an, daß a₀ den Wert 30 gemäß Gleichung (10) hat. Das bezieht sich auf alle drei F i g. 6, 7 und 8.

Die Strom-, Spannungs- und Temperaturveränderlichen bzw. s, y und t der Figuren ergeben sich in Einheiten des Stromes, der Spannung und der Umgebungstemperatur wie folgt:

I=Xh(I),	(19)
V=yVs,	(20)
T=TsCXOt.	(21)

Damit wird aus der Leistungsbeziehung der Gleichung (2)

xy=t. (22)

Unter Verwendung der Gleichung (9) zur Berechnung der Stromverhältnisse und Berücksichtigung der Gleichungen (14) und (15) wird für die F i g. 7 und 8

In χ = ητ t + (a₀ —

e^-i

+ ε-« (n_s + lnris)— x exp (η_μη — 1) t (23)

gefunden, während die Beziehung für den Fall ohne Widerstandsschicht

In χ = ητ t + (a₀ — ητ) e~* + e^-i In n_s (24)

lautet. Die Kennlinienscharen der F i g. 6, 7 und 8 werden durch einfache numerische Berechnungen aus den Gleichungen (22), (23) und (24) ermittelt.

Im allgemeinen gestatten Materialien, aus denen der Transistor gefertigt ist, Temperaturanstiege von etwa 25 bis 30% oder mehr der absoluten Umgebungstemperatur T_s. Zur Zeit können jedoch keine Transistoren parallel in solchen Bereichen ohne relativ große Serienwiderstände arbeiten, wie in Verbindung mit der vorstehenden Tabelle untersucht wurde.

Zum stabilen Betrieb bei einem t = 0,16 in F i g. 7 und 8 entsprechenden Temperaturanstieg von 18°/o muß offenbar für betriebssicheren Parallelbetrieb und η_μη = 0 der maximal zulässige Wert y_M von y kleiner als 0,04 sein, während sich für η_μη = 2,5 ein Wert von y_M = 0,076 ergibt. Daraus folgt, daß der Emitterwiderstand für ημ_η = 2,5 im innigen thermi

sehen Kontakt mit dem Emitterübergang einen Betrieb bis zur Maximalspannung von

Vu = 0,076 Vs = 0,076 P₈R₈IU₈ für η_μη = 2,5 (25)
gegen

V_M = 0,04 V₈ = 0,04 P₈ R₈/ U₈ für η_μ>% = 0 (26)

erlaubt. Somit wird eine Verbesserung von Vm von Werten unterhalb 0,05 P₈R₈IU₈ auf wesentlich höhere

ίο Werte durch Verbinden des Transistors mit einem einen positiven Widerstandskoeffizienten aufweisenden Widerstand in Serie mit dem Emitterstrom und im innigen thermischen Kontakt mit dem Emitterübergang erzielt. Ein beiläufiges Ergebnis dieser Berechnung besteht darin, daß der Spannungsabfall über die Widerstandsschicht nach Fig. 7 bei vorgegebener Spannung und Leistung (und damit bei vorgegebenem Strom) im Verhältnis 0,076/0,04 größer und die Leistung entsprechend niedriger sein wird.

Für den Fallη_μ'_η = 0 lehrt die Fig. 7, daß der Temperaturanstieg für den Fall V = 0,04 V₈ unterhalb t = 0,16 beschränkt werden muß, was eine Begrenzung der maximalen Leistung auf Werte unterhalb

p_M = [p_s t oder P₈ (e*-1)] = [0,16 P₈ oder 0,174 P₅]

je nach der Gesetzmäßigkeit der Wärmeleitung erfordert. Überschreitet Pm den Wert 0,2 P₅, dann wird der Transistor mit η_μη = 0 einen negativen Widerstand aufweisen, so daß ein parallelarbeitendes Paa^unstabil werden wird und ein ungehemmtes Anwachsen des Stromes auftritt. Bei η_μη = 2,5 ist jedocii die Temperaturgrenze für V kleiner als 0,076 V₈ nicht durch Effekte eines negativen Widerstandes gegeben. Sie wird vielmehr von den Materialien selbst, als Folge des Aufschmelzens der Eutektika, von Lötmitteln oder als Folge anderer thermischer Zerstörungen, gesetzt.

Ein gleichzeitiger Betrieb mit einer Emitter-Kollektor-Spannung Vm größer als 0,05 V_s und einem Leistungsabfluß P größer als 0,16 P₅ wird folglich durch die Zufügung eines einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden Emitterwiderstandes im' unmittelbaren thermischen Kontakt mit dem Emitterübergang ermöglicht. Da V₈ über die Gleichungen (16), (17) und (18) durch Ausdrücke in P₅ und R_s dargestellt werden kann, ermöglicht die durch einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten gegebene Verbesserung einen Betrieb in dem Bereich

Vm > 0,05 V₈ = 0,05 P₈ R₈/ U₈ = 0,05 P₅ R₈ ¹ ql^ T₈ ,

Pm>P₈/6.

(29)

In vielen Fällen können Transistoren auf einen Grundkörper aufgebaut werden, was eine hohe thermische Leitung zwischen den Transistoren im Vergleich zur thermischen Leitung zur Wärmesenke ergibt. In einem derartigen Fall kann eine zum ungehemmten Anwachsen des Stromes führende Unstabilität über die gegenseitige Wärmeleitung zwischen den Transistoren beeinflußt werden. Bei zwei Transistoren 38 und 39 in einer Anordnung gemäß F i g. 9 kann eine effektive Wärmeleitung wie folgt definiert werden: Läßt man die Leistung in einem Transistor um 1% ansteigen und im anderen um 1% abfallen und bezeichnet man den Temperaturanstieg in einem Tran-

15 16

sistor durch Γ_ΟΐΟ1, dann wird die effektive Wärme- sinkt. Unter Bedingungen eines auf konstantem Strom

leitung durch gehaltenen Transistors werden diese Anstiege derartig

u' — η ni pit cv\~\ erfolgen, daß der Gesamtstrom konstant bleibt.

η - υ,υι r/i_0M (juj Ferner wird sich die Spannung bei linearer Störung,

definiert, wobei mit P die abgeführte Verlustleistung 5 welche beim Einsetzen der Unstabilität auftritt, nicht

des Transistors bezeichnet wird. Das Verhältnis dieser ändern. Infolgedessen bleibt die Gesamtleistung kon-

Wärmeleitung zu P/(T—Ts) wird der wechselseitige stant, und ein Teil der Störung bedeutet ein zusätz-

Wärmeleitungsfaktor genannt. Da Störungen von 1 % liches Hineinfließen und der andere Teil ein Hinaus-

im allgemeinen lineare Störungen des Wärmeflusses fließen der Leistung. In grober Näherung kann der

bewirken, kann die effektive Wärmeleitung in ähnlicher io Bereich anwachsender Leistung als Bereich mit etwa

auf die Gleichungen (4), (5) und (6) führende Weise einem Drittel der Gesamtleistung aufgefaßt werden.

zu einer Berechnung verwendet werden. Die gefundene Er weist den stärksten Temperaturanstieg auf, während

Stabilitätsbedingung lautet die Wärmesenke ebenfalls als Bereich mit einem

PITh' <r 1 ΠΉ Drittel der Gesamtleistung und dem niedrigsten

^ö° ' 15 Temperaturanstieg aufgefaßt werden kann. Nun wird

und entspricht einem durch eine Störung von l°/o Leistungszunahme in* dem

piu (τ \ ^- WIiI(TWTi (vr\ heißesten Drittel und ein Abfall von l°/₀ im Drittel

Γ\η\ι,)<.φΐη\ι,)\ιια<> \ii) niedrigster Temperatur angenommen. Diese Änderung

gegebenen Temperaturanstieg oberhalb der Tempe- von 1 °/₀ wird eine Temperaturänderung hervorrufen, ratur der Wärmesenke. Dabei wird angenommen, daß 2° welche kleiner sein wird als eine gleichförmige l°/_oige die Verlustleistung 2 P beider Transistoren zur Wärme über das gesamte Element. Das Verhältnis dieser senke über einen thermischen Leitwert von 2h(T_s) beiden Änderungen ist der wechselseitige Wärmefließt. - ■ leitungsfaktor, der wesentlich größer als 1 sein kann.

Für einen Siliziumtransistor ist T/a₀^ 10°C, wie Für die spezielle Geometrie der Fig. 10 kann ein

unterhalb Gleichung (11) erwähnt wird. Ist der wechsel- 25 wechselseitiger Wärmeleitungsfaktor von etwa
seitige Wärmeleistungsfaktor h'h (T_s) viel größer als 1,

dann sind Temperaturanstiege von größer als 10⁰C = (πY/.Y)coth (π Γ/ΑΤ) (35)
oberhalb der Temperatur der Wärmesenke möglich.

Die Stabilitätsbedingung kann auch in der Form erwartet werden, wobei Y und X in F i g. 10 definierte

PIh' <Tla (33) ³° ^{Größen sind}· /J^

^J Weist ein Transistor eine höhere innere thermische

geschrieben werden. Bei Siliziumtransistoren sollte Leitfähigkeit verglichen mit der Leitfähigkeit zu seiner deshalb der der in einem Transistor entstehenden und Wärmesenke auf, dann werden Temperaturanstiege über den wechselseitigen Wärmeleitwert fließenden weit größer als 10° ohne Einsetzen von inneren Verlustleistung entsprechende Temperaturanstieg we- 35 !Instabilitäten, wie im Zusammenhang mit den niger als T/a₀ sein. Durch Verminderung von a₀ auf Gleichungen (6) und (8) diskutiert wurde, möglich sein. G₀ r bei Vorhandensein einer Emitter-Widerstands- Verursacht eine von außen zugeführte Änderung Schicht können wesentlich größere Werte als T/a₀ für von 1 % der Leistung eine Temperaturänderung T_OtO1 Pjh' erhalten werden. in dem heißeren Bereich, dann wird diese Temperaturin einer der Behandlungsweise einer ausgedehnten 40 änderung das Anwachsen um einen Bruchteil des Transistorstruktur ähnelnden Weise können aus- Stromes und damit der örtlichen Leistungsdichte um gedehnte Gruppen parallelgeschalteter Transistoren α₀Γ_0>01/!Γ hervorrufen, wenn die Spannung konstant behandelt werden. bleibt. Ist diese Änderung größer als 1 °/₀ = 0,01, dann Bei einer ausgedehnten Transistorstruktur ähnlich wird im allgemeinen eine Unstabilität auftreten, da der F i g. 10 haben natürliche Störungen ein An- 45 eine spontane Stromschwankung einen Temperaturwachsen der Temperatur und des Stromes in einem anstieg hervorrufen kann, der wiederum einen noch Bereich des Bauelementes und eine Verminderung in größeren Stromanstieg mit daraus folgendem Ananderen Bereichen zur Folge. Unter diesen Be- wachsen der Schwankung verursachen kann. Da ,aJT dingungen wird ein Wärmefluß zwischen dem heißen für einen Siliziumtransistor ungefähr 10""¹Z⁰C ist, muß und dem kalten Bereich auftreten. Daraus folgt, daß 50 offenbar Γ_ΟιΟ1 kleiner als 0,1⁰C sein, damit a_aT_0M/T die Stabilitätsbedingung ähnlich Gleichung (3 b) ent- kleiner als 0,01 ist. Das setzt den durch die bejrachsprechende Wärmeleitung größer ist als der Wärme- teten Störungen erzeugten Temperaturanstiegen eine fluß zur Umgebung oder Wärmesenke. Im Ergebnis angenäherte obere Grenze, und Temperaturanstiege sollte die Gleichung (3 b) zu von 0,15⁰C können nicht gefahrlos auftreten, wenn a₀ a_o(dlnT/dlnH) = wechselseitiger ⁵⁵ nicht durch Anfügung einer Emitter-Widerstands-Wärmeleitungsfaktor (34) Schicht erniedrigt wird.

Somit wird deuthch, daß die Erniedrigung von a₀

abgewandelt werden, worin der gegenseitige Wärme- mittels einer Emitter-Widerstands-Schicht, insbesonleitungsfaktor wie folgt definiert werden kann; Es wird dere einer mit positivem Temperaturkoeffizienten des die Situation betrachtet, bei der die elektrische Lei- 60 Widerstandes, eine entsprechende Zunahme des Temstung über die gesamte Anordnung um 1 °/o zunimmt. peraturanstieges bei Strukturen mit großen wechsel-Das wird ein Anwachsen der Temperatur, wie an seitigen Wärmeleitungsfaktoren ebenso ermöglicht, Hand der Zunahme der Wärmeleitungsgleichung (5) wie es bei einzelnen Transistoren der Fall ist.
oder (7) der Wärmeleitungstheorie berechnet werden Obige Betrachtungen sind nicht nur auf Trankann, bewirken. Dann wird die innere Unstabilität 65 sistoren, sondern auch auf andere Anordnungen mit von der Art einer Störung angenommen, bei der die Übergängen, beispielsweise einfacheZweischichtdioden, thermische Ableitung in einem Teil des Elementes um Vierschichtdioden und gesteuerte Gleichrichter, an-1 °/o ansteigt und in einem anderen Teil um 1 % ^a°- wendbar.

17 18

Es sollte beachtet werden, daß der anwachsende verhindert werden soll, was die Leitfähigkeit dieser thermische Widerstand von Silizium bei höheren Schicht in unerwünschter Weise beeinflussen könnte. Temperaturen eine ungünstige Wirkung hat, da das Die Metallschicht kann wahlweise durch eine Zone Auftreten von negativen Widerständen zunehmend mit extrem niedriger Lebensdauer der Löcher und sehr erleichtert wird. Wenn dagegen der größte Temperatur- 5 hoher Konzentration an Donatoren ersetzt werden, abfall im Metall mit einer im wesentlichen temperatur- um eine Löcherinjektion in die Schicht zu verhindern, unabhängigen thermischen Leitfähigkeit auftritt, dann Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß die werden die Kurven der F i g. 6, 7 und 8 durch Ver- (n+)-(n-)-(n+)-Widerstandsschicht aus einem Material größern sämtlicher Leistungswerte bei vorgegebener mit viel größerer Bandlücke als dasjenige des gleich-Temperatur und Strom geändert. Da diese Änderung io richtenden Bereiches hergestellt wird, so daß in ihr, bei höheren Temperaturen größer ist, wird eine haupt- wie oben beschrieben, die Löcherdichte auf Grund sächlich durch Metall und weniger durch Silizium des Massenwirkungsgesetzes kleiner sein wird,
erfolgende Wärmeleitung den j-x-Kurven, insbeson- Für eine sehr dünne, hochohmige Widerstandsdere im Bereich kleiner negativer Neigungen, einen schicht der F i g. 11 kann offensichtlich ein Spannungszusätzlichen Anstieg verleihen. Deshalb werden optimal 15 abfall von 0,1 Volt elektrische Felder von mehreren metallische Leitungspfade die Stabilisation gegen ther- tausend Volt pro Zentimeter hervorrufen. Ist beispielsmische Unstabilitäten verbessern und höhere Arbeits- weise die n-Schicht 1 Mikron dick, so wird eine temperaturen erlauben. Darüber hinaus kann die Spannung von 1 Volt ein Feld von 10* Volt pro' größere thermische Leitfähigkeit der Metalle unmittel- Zentimeter hervorrufen. Bei einer derartig hohen bar einer größeren Leistungskapazität bei einem vor- 20 Feldstärke ergibt sich weiterer Vorteil dadurch, daß gegebenen Temperaturanstieg förderlich sein. Me- die Trägerbeweglichkeit in der Schicht auf Grund des tallische Wärmeleitung unmittelbar an der Emitterzone sogenannten »Heiß-Träger-Effektes« (hot carrier effect) wird ebenfalls die Leistungskapazität erhöhen. vermindert werden kann. Diese Effekte sind beispiels-

Wird eine Flächendiode oder ein Leistungsgleich- weise von E. J. R y d e r, Phys. Rev., 90, S. 767 (1953),

richter in Flußrichtung betrieben, so hängt der Strom 25 und W. S h ο c k 1 e y, Bell _#Syst. Tech. J., 30, S. 990

von Spannung und Temperatur in annähernd gleicher (1951), behandelt worden. Ähnliche Effekte treten in

Weise wie der Emitterstrom von Temperatur und anderen Materialien auf, und es ist nicht notwendig,

Emitter-Basis-Spannung ab. Folglich besteht die daß die Widerstandsschicht aus dem gleichen HaIb-

Möglichkeit eines der Thermistor-Wirkungsweise ent- leitermaterial wie der gleichrichtende Übergang in

sprechenden negativen Widerstandes. Die Erscheinung 3° Fig. 11 hergestellt wird. .(^

eines ungehemmten Anwachsen des Stromes kann in Offensichtlich wird die Widerstands/chicht mit

annähernd der gleichen Weise auftreten. wachsender Stromdichte die Spannung am gleich-

Für einen Leistungsgleichrichter ist von Bedeutung, richtenden Bereich vermindern. Wenn beispielsweise den Spannungsabfall über das Element so klein wie ein 30faches Anwachsen der Stromdichte erforderlich möglich zu halten. Deshalb können Spannungsabfälle, 35 ist, um eine Beschädigung an der Halbleiteranordnung welche durchaus annehmbar zur Erzielung einer sehr hervorzurufen, dann wird offensichtlich ein Spannungszuverlässigen Stabilisierung eines Leistungstransistors abfall bei normaler Stromdichte von weniger als sein würden, bei einem Gleichrichter eine Verdopplung 10 Millivolt ausreichen, um vor Erreichen einer der Verlustleistung hervorrufen. Deshalb ist die An- Schädigung Spannungsabfälle von einigen zenteln Volt wendung solcher physikalischer Prinzipien wün- 40 über die Widerstandsschicht hervorzurufen. Derartige sehenswert, die wohl bei Leistungstransistoren vorteil- Spannungsabfälle werden den Temperaturanstieg behaft, jedoch möglicherweise tatsächlich dort nicht not- herrschen und ein Ansteigen auf unerwünschter' wenidg ist. Ströme verhindern.

Bei Leistungsgleichrichtern besteht eines der wich- Diese Betrachtungen zeigen, daß Schutz gegen

tigsten Probleme darin, daß der Gleichrichter zerstört 45 örtliche »Brennflecken« bei Leistungstransistoren durch

werden kann, wenn der Strom ungehemmt ansteigt Zufügung von geeigneten Widerstandsschichten er-

und sich ein »Brennflecken« ausbildet. Wie oben reicht werden kann, während das Anwachsen der

bereits erwähnt, ist eine flächenförmige Emitter- Verlustleistung im Normalbetrieb wesentlich geringer

Widerstands-Schicht bei einem Leistungstransistor als 10% ist. In Übereinstimmung mit obigen Er-

zur Verminderung von Effekten einer ungehemmten 5° wägungen kann offensichtlich ein Leistungsigleich-

Stromzunahme äußerst wirksam und kann solches richter mit Hilfe einer Emitter-Widerstands-Schicht

unter Umständen eines relativ kleinen Spannungs- hergestellt werden, bei dem ein l%iges ./Anwachsen

abfalles über die Widerstandsschicht bewirken. Bei oder Abfallen der Stromversorgung in den am meisten

einem Leistungsgleichrichter sollte diese Widerstands- auseinanderliegenden beiden Dritteln der Fläche

schicht in Serie mit dem gleichrichtenden Übergang 55 Temperaturdifferenzen von wesentlich größer als 0,1⁰C

liegen. Die F i g. 11 veranschaulicht eine Möglichkeit, hervorgerufen werden können, ohne daß seitliche

wie eine derartige Struktur verwirklicht werden kann. Unstabilitäten auftreten.

Dem gleichrichtenden Bereich des Bauelementes ent- Ähnliche Schwierigkeiten im Hinblick auf eine spricht die mit den Bezugszeichen 41, 42 und 43 be- Thermistorwirkung und eines ungehemmten Stromzeichnete n+-i-p+-Struktur. Auf der linken Seite des 60 anstieges wurden bei Vierschichtdioden gefunden. Es Bauelementes der Figur befindet sich ein flächen- ist bekannt, daß diese Elemente durch sehr hohe förmiger Widerstand in Form einer Widerstandsschicht. Ströme zerstört werden können. Diese hohen Ströme Diese liegt in der Form einer n-Schicht 46 zwischen bewirken örtliches Ausbrennen. Es ist ebenfalls bezwei n+-Kontaktelektroden 44 und 45 vor. Der flächen- kannt, daß die Haltespannung der Diode mit anförmige Widerstand und gleichrichtende Bereiche sind 65 wachsender Temperatur abfällt und auch die Spannung durch eine dünne Metallschicht 47 voneinander ge- bei höheren Strömen mit ansteigender Temperatur trennt, mittels der eine Injektion von Löchern aus dem abfällt,
gleichrichtenden Bereich in die Widerstandsschicht Selbstverständlich werden ähnliche Erwägungen zur

Anwendung schützender Widerstandsschichten bei derartigen Elementen führen.

Claims

Patentansprüche:

1. Thermisch stabilisiertes Halbleiterbauelement mit einer Widerstandsschicht zwischen der emittierenden Zone und einer flächenförmigen Kontaktelektrode, an der die Zuleitung zur emit- ίο tierenden Zone angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der emittierenden Zone im thermisch gut leitenden Kontakt eine Widerstandsschicht aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizient des Widerstandes angeordnet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandes größer als 1,0/rist, wobei Γ die Temperatur der Widerstandsschicht bedeutet.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenförmige Kontaktelektrode aus Metall besteht.

4. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus Halbleitermaterial besteht.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erniedrigung einer Minoritäteninjektion in die Widerstandsschicht aus Halbleitermaterial vorgesehen sind.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus Halbleitermaterial an der niederohmigen Kontaktelektrode eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus Silicium besteht.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Widerstandsschicht quer zum pn-Übergang derartig verändert ist, daß die Spannung am pn-Übergang über seine Flächenausdehnung im wesentlichen konstant ist.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Widerstandsschicht quer zum pn-Übergang derartig verändert ist, daß die Temperatur am pn-Übergangüber seine Flächenausdehnung im wesentliehen konstant ist.

10. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 und 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zone als Emitterzone eines Transistors mit einer Basis- und einer Kollektorzone ausgebildet ist.

11. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Widerstandsschicht quer zum pn-Übergang zwischen Emitter- und Basiszone durch ein Dickenänderung der Widerstandsschicht verändert ist.

12. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Widerstandsschicht quer zum pn-Übergang zwischen Emitter- und Basiszone durch eine Änderung der Leitfähigkeit der Widerstandsschicht verändert ist.

13. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Flächenelemente (A₁ und A^) des Halbleiterbauelementes, in denen je ein Drittel der im Betrieb des Halbleiterbauelementes auftretenden Gesamtleistung P übertragen wird, thermisch derartig gekoppelt sind, daß die Spitzentemperatur im Flächenelement (^₁) um mehr als 0,15⁰K anwächst, wenn die Leistungsdichte im Flächenelement (^₁) um 1% zunimmt und im Flächenelement (A₂) um 1 % abnimmt.

14. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis

13, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Emitter-, eine Basis- und eine Kollektorzone aufweist und im Wärmeaustausch mit einer auf der Temperatur Ts⁰K befindlichen Wärmesenke angeordnet ist und daß die mit der Emitterzone im thermisch gutleitenden Kontakt angeordnete Widerstandsschicht aus einem Material besteht, welches bei Tejjiperaturen oberhalb 1,3 T₅ einen Temperaturkoeffizient von größer als 1,5 T_s aufweist.

15. Parallelschaltung zweier als Transistoren ausgebildeter Halbleiterbauelemente nach Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschichten aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten bestehen-· und / mit den entsprechenden Emitterzonen im Wärmeaustausch stehen.

16. Parallelschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von Widerstandsschichten Widerstände mit den Emitterzonen kontaktiert sind.

17. Parallelschaltung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Transistoren in bezug auf eine Wärmesenke so angeordnet ist, daß zwischen jedem Transistor und der Wärmesenke eine Wärmeleitung h bei einer Temperatur T_s° K besteht, wobei hT_s = PJ dje Bezugsleistung in Watt bedeutet, daß zwischen Emitter und Kollektor jedes Transistors wenigstens eine Spannung von 0,05 T_sR_sqlkT_s (q = Elektronenladung, k = Boltzmann-Konstante) angelegt wird und daß der Kollektorstrom wenigstens eine Leistung von 0,2 P erzeugt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen