DE2610122C3

DE2610122C3 - Dreipolige Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2610122C3
Application number: DE2610122A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr.-Ing. 7100 Heilbronn Gerstner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1976-03-11
Publication date: 1978-11-09
Also published as: DE2610122B2; JPS52110575A; DE2610122A1; FR2344186A1; US4164747A

Description

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 Darlington-Schaltung 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 den Vorteil, daß auch große Ströme mit Hilfe kleiner Steuerströme geschaltet werden können, so daß die zum Schalten erforderlichen Steuerströme einem vorgeschalteten integrierten Schaltkreis direkt entnommen werden können. Nachteilig ist bei der Darlington-Schaltung, daß die Schaltzeiten relativ groß sind. Auch durch Anbieten eines großen Entladestromes in der Abschaltphase kann beim Darlington-Transistor die Schaltzeit nicht wesentlich reduziert werden.

Die Darlington-Schaltung 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.

Die genannte Aufgabe wird erl'indungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiteres dreischichtiges Halbleiterbauelement mit einer den Darlington-Transistoren entgegengesetzten Zonenfolge vorgesehen ist, dessen mittlere Zone mil der Basis des Treibertransistors, 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 Abscha'tzeiten gegenüber denen der bisher verwendeten Darlington-Schaltungen erheblich reduziert werden 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.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung kann, wie dies bei Einzeltransistoren üblich ist, in einem Transistorgehäuse angeordnet werden, das nur drei

h^r> 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 Gesamtbauelements.

Die erfindungsgemäße dreipolige Halbleiteranordnung besteht somit aus drei Teilbauelementen, die so gewählt sind, daß die /e/i/se-Kennlinie des Gesamtbauelements im wesentlichen nullpunktsymmetrisch 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 notwendige Steuerstrom von einem vorgeschalteten integrierten Schaltkreis bezogen werden kann.

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

Die F i g. 1 zeigt die erfindungsgemäße dreipolige Halbleiteranordnung in einem schematischen Schaltungsaufbau.

Die F i g. 2 zeigt die /«/L/e^Kennlinie der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die F i g. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen der Schaltung gemäß F i g. 1 in integrierter Halbleitertechnik.

In der Schaltung gemäß Fig. 1 bestehen die Transistoren der Darlington-Schaltung beispielsweise aus npn-Transistoren. Der Kollektor des Endtransistors Γι ist mit dem Kollektor des Treibertransistors T₂ verbunden; der Emitter des Treibertransistors T₂ ist seinerseits an die Basis des Endtransistors Ti angeschlossen. Das zusätzliche dreischichtige Halbleiterbauelemente T) hat bei einer npn-Zonenfolge der Darlington-Transistoren eine pnp-Zonenfolge. Die mittlere Zone 2 wird mit der Basis des Treibertransistors T₂ verbunden, während die eine äußere Zone 1 an die Basis des Endtransistors Ti und die andere äußere Zone 3 an die äußere Zone 3 an den Emitter des Endtransistors Ti angeschlossen wird. Die Gesamtanordnung kann wieder als Einzeltransistor aufgefaßt werden, dessen Basis-, Kollektor- bzw. Emitteranschluß in der Fig. 1 mit den Buchstaben B, Cund £ bezeichnet sind.

Die Eingangskennlinie einer Halbleiteranordnung gemäß Fig. 1 ist in der Fig.2 dargestellt. Die IbIÜbe-Kennlinie ist im wesentlichen nullpunktsymmetrisch, was bedeutet, daß auch bei relativ kleinen negativen Basis-Emitterspannungen bereits ein merklicher negativer Basisstrom fließt Je nach Polarität der anliegenden Basis-Emitterspannung fließt der Basisstrom einmal über die Transistoren T₂ und Ti und im anderen Fall über den zusätzlichen Transistor T3 ab.

Die Fig.3 zeigt eine Realisierung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in einer integrierten Halbleiterschaltung. In einen η-leitenden Halbleiterkörper 7, der für die Transistoren Ti und T₂ den Kollektor 8 bildet, werden von einer Oberflächenseite aus zwei p-leitende Zonen 9 und 5 nebeneinander eindiffundiert. In die p-ieitende Zone 9 wird schließlich mit Hilfe der bekannten Maskierungs-, Ätz- und Diffusionstechnik eine η-leitende Zone 10 eindiffundiert, so daß ein erster npn-Transistor T₂ zustande kommt.

Zugleich mit der Eindiffusion der η-leitenden Zone 10

werden in die p-leitende Zone 5 nebeneinander zwei η-leitende Zonen 6 und 2 eindiffundiert Die Zone 6 bildet den Emitter des npn-Transistors Ti, während die Zone 2 die Basiszone des zusätzlichen Transistors Tj ergibt In einem letzten Arbeitsgang muß noch in die n-lei».ende 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 Tj ergibt

Schließlich werden die einzelnen Zonen der Halbleiterbauelemente noch mit metallischen Anschlußkontakten versehen. So wird an den Kollektor 8 der Transistoren T₍ und T₂ 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 Fig. 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 pnp-Übergänge und die nicht für die Metallkontakte benötigten Oberflächenbereiche bedeckende Isolierschicht ist in der F i g. 2 mit der Ziffer 20 bezeichnet.

Die Fig.4 zeigt eine der Fig.3 ähnliche Ausführungsform, die besonders für Hochspannungsbetriebe geeignet ist. Auf einem wiederum η-leitenden HaIbleiterkörper 7, der die Kollektorzone 8 für die Transistoren Ti und T₂ bildet, wird eine p-leiiende 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 T₂ eingebracht, wobei die Basiszone 9 von der epitaktischen Schicht gebildet wird, so daß nur noch die Emitterzone 10 durch Diffusion hergestellt werden muß. Auch für den End-Transistor Ti 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 Eindiffundieren entsprechender Störstellen ohne Schwierigkeiten hergestellt werden kann. Die Zonen 10, 9, 2,3,5 und 6 werden in der angegebenen Reihenfolge mit den Kontakten 12a, 15, 14, 136, \2b und 13a versehen. Um die Schaltung gemäß Fig. 1 zu verwirkli-M) chen, müssen noch die Kontakte 12a und 12£> 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 frei liegenden Teile der tv) Halbleiteroberfläche sowie die Grabenwand und die Seitenflächen des Mesaberges werden noch mit einer Passivierungsschicht 21 versehen.

Es hat sich gezeigt, daß die freiliegende Halbleitern-

Ordnung nach der Erfindung durch positive und negative Basisströme nicht beschädigt wird. Die Ansteuerschaltung kann deshalb so ausgelegt werden, daß sie für den »E1N«-Zustand einen positiven, für den »AUS«-Zustand einen negativen Basisstrom liefert, ohne daß eine Gefährdung des Bauelements 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 kleine Sperrströme aufweist. So wurde gefunden, daß der Kollektorrückstrom nur 10 μΑ betrug, bei einer Ansteuerung der Halbleiteranordnung !5 im »AUS«-Zustand und einem Wert Uce= 100 Volt sowie einer Umgebungstemperatur von 120⁰C. Bei einer Darlington-Schaltung herkömmlicher Art ließ sich der Endtransistor bei den genannten Verhältnissen überhaupt nicht mehr abschalten und blieb in unerwünschter Weise im »EINw-Zustand. Bei einer kleineren Spannung von LV/: = 20 Volt zeigt das erfindungsgemäße Bauelement in einer Ausführungsform bei 120⁰C einen Rückstrom von nur ca. 1 μΑ, während das entsprechende Bauelement aus den Transistoren 7Ί und T₂ einen Rückstrom von 50 — 100 μΑ 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 an 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 Metalls, z. B. Platin, aul das hochreine η-Silizium erzeugt werden und kann anschließend in üblicher Weise mit Aluminium überdeckt werden.

Bei der Anordnung nach F i g. 3 wurde der Schottky-Kontakt 23 an der n-Zone 10 angebracht. Da die n-Zone 10 aber mit der 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres dreischichtiges Halbleiterbauelement (T₃) mit einer den Darlington-Transistoren (T₁, Ti) entgegengesetzten Zonenfolge vorgesehen ist, dessen mittlere Zone (2) mit der Basis des Treibertransistors (Ti), die eine äußere Zone (1) mit der Basis des Endtransistors (T\) und die zweite äußeres Zone (3) mit der Elektrode des Endtransistors (Ti) verbunden ist, die nicht direkt an den Treibertransistof (Tt) 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 (Γι), mit dem Emitter des Endtransistors (Γι) und mit der Basis des Treibertransistors (T₂) verbunden ist und die den Basis-, Emitter- bzw. Kollektoranschluß des Gesamtbauelements bilden.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbauelemente (Tu T₂, T₃) so gewählt sind, daß die /e/£7_fl£-Kennlinie des Gesamtbauelements im wesentlichen nullpunktsymmetrisch ist.

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

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine äußere Zone (1) des zusätzlichen dreischichtigen Halbleiterbauelements (T₃) ein Teil der Basiszone (5) des Endtransistors (T₁) ist, daß zur Bildung der mittleren Zone (2) in die Basiszone (5) des Endtransistors (T\) 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 Bauelements eingebracht ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (6) des Endtransistors (T\) und die mittlere Zone (2) des zusätzlichen Bauelements in einem Diffusionsgang hergestellt sind.

7. Betrieb einer Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden 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 Endtransistor beträgt.