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Die Erfindung geht aus von einem Schalttransistor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein solcher Halbleiterschalttransistor ist aus "IBM Technical Disclosure Bulletin" Bd. 16, Nr. 11, April 1974, Seite 3642, bekannt. Eine besonders wichtige Eigenschaft von Transistoren, die als Festkörperschalter verwendet werden, besteht in der Schaltgeschwindigkeit, die so hoch wie möglich sein soll. Die Forderung entsteht wegen der bei niedriger Schaltgeschwindigkeit stark ansteigenden Energieverluste. Im allgemeinen erfolgt bei schaltenden Halbleiterbauelementen der größte Beitrag zum Energieverlust während des Ausschaltintervalles.
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Der Grund hierfür liegt darin, daß während des Ausschaltens der Strom durch das Halbleiterbauelement üblicherweise wenigstens während eines Teiles des Zeitintervalles auf dem stationären Wert bleibt, wohingegen die Spannung an dem Halbleiterbauelement, ausgehend von einem niedrigen Wert im Sättigungszustand, auf einen hohen Wert im Sperrzustand anwächst. Während dieses Zeitintervalles kann in dem Halbleiterbauelement ein erheblicher Energieverlust auftreten. Es wird demzufolge ein Schalttransistor angestrebt, bei dem der Kollektorstrom nach dem Zuführen des Abschaltsignales zu der Basis so schnell wie möglich abzufallen beginnt. Eine Verbesserung schafft hier der aus "IBM Technical Disclosure Bulletin" Band 16, Nr. 11, April 1974, Seite 3642 bekannte Leistungstransistor mit ineinandergreifenden Emitterfingerteilen und Basisbereichteilen. Bei diesem bekannten Leistungstransistor ist innerhalb jedes in der Grundfläche etwa rechteckigen Emitterfingers eine rechteckige Öffnung vorgesehen, derart, daß der Basisbereich nicht nur in den Lücken zwischen den Emitterfingern, sondern auch in der Öffnung jedes der Emitterfinger bis zur Hauptfläche des Halbleiterkörpers nach oben reicht. Die Kontaktierung des solchermaßen ausgebildeten Emitterbereichs erfolgt nachdem über der in den Emitterfingern enthaltenen Öffnung eine entsprechende Isolation angebracht ist, um einen Kurzschluß von der Emitterelektrode zu dem Basisbereich innerhalb der Öffnungen zu verhindern.
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Wenn bei diesem bekannten Leistungstransistor der Kollektoremitterstrom ausgeschaltet wird, kann die Einschnürung der stromführenden Fläche nunmehr bis zu den Öffnungen in den Emitterfingern erfolgen, weil im Bereich der Öffnungen ohnehin kein Emitterstrom fließt. Die kritischen heißen Flächen in den mittleren Bereichen unterhalb der Emitterfinger, die beim Abschalten zu einem zweiten Durchbruch führen können, werden auf diese Weise vermieden.
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Allerdings hat diese Emitterbereichgestaltung den Nachteil, daß in dem verhältnismäßig breiten Emitterrückenteil nach wie vor heiße Flecken entstehen können. Außerdem fällt bei dieser Art des Emitterbereichaufbaus der Bereich der Öffnungen in den Emitterfingern für den Stromtransport vollständig aus, was zu einer entsprechenden Erhöhung der Stromdichte in den stromführenden Bereichen der Emitterfinger führt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Schalttransistor zu schaffen, der eine hohe Schaltgeschwindigkeit und eine erhöhte Festigkeit gegen den zweiten Durchbruch bei großen Strömen und Spannungen aufweist und bei dem im eingeschalteten Zustand im wesentlichen die gesamte Emitterfläche am Stromtransport beteiligt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Schalttransistor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ausgebildet.
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Auf diese Weise wird ein niedrigerer Schichtwiderstand des Basisbereichs unter dem Innenbereich des Emitterbereichs erreicht, was ein schnelles Abschalten unter diesem Bereich begünstigt, ohne daß der Innenbereich für den Stromtransport im eingeschalteten Zustand ausfällt. Beim Abschalten können indes in dem Innenbereich des Emitterbereichs keine hohen Stromdichten auftreten; die zugehörigen elektrischen Felder sind wesentlich verringert und die Festigkeit der Schalttransistoren gegen den zweiten Durchbruch ist erhöht.
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An Hand der Zeichnung wird nun ein Ausführungsbeispiel des Schalttransistors nach der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 den Strom- und Spannungsverlauf eines Schalttransistors während des Abschaltens in einer grafischen Darstellung,
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Fig. 2 den elektrischen Feldverlauf in dem Kollektorbereich eines Schalttransistors bei unterschiedlichen Stromdichten, in einer grafischen Darstellung,
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Fig. 3 einen Schalttransistor nach der Erfindung, im Ausschnitt und im Querschnitt, und
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Fig. 4 den Schalttransistor nach Fig. 3 in einer Draufsicht.
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Fig. 1 enthält eine grafische Darstellung des Kollektorstromes, der Kollektoremitterspannung und des Basisstromes eines Schalttransistors, nach der Erfindung während des Abschaltintervalles eines Schaltzyklus, wobei eine induktive Last angenommen ist. Jeder der Abschaltparameter ist über derselben Zeitskala getrennt gezeichnet, so daß die Beziehung zwischen dem Basissteuersignal und dem Kollektorstrom sowie der Kollektorspannung leicht beobachtet werden kann. Die Kurven nach Fig. 1 sind beispielhaft zu verstehen; in der Tat sind sie typisch für Kurven, die in Schaltkreisen beobachtet werden können, wie sie häufig in Inverterschaltungen zu finden sind. Einige Abschnitte der Abschaltstromkurve sind von Interesse. Zwischen dem Beginn des Abfalls des Basisstromes und dem Beginn der Änderung des Kollektorstromes sowie der Kollektorspannung ist eine Zeitverzögerung zu beobachten, die üblicherweise mit t SV bezeichnet ist. Während dieses Zeitintervalles wird in dem Schalttransistor verhältnismäßig wenig Verlustleistung erzeugt, da, obwohl der Kollektorstrom einen hohen Wert beibehält, die Kollektoremitterspannung niedrig bleibt. Nach diesem Zeitintervall beginnt die Kollektoremitterspannung V CE mit einer großen Geschwindigkeit anzusteigen, während der Kollektorstrom I C auf etwa 90% seines Ruhewertes bleibt. Der Abschnitt mit verhältnismäßig großem Kollektorstrom I C und ansteigender Kollektoremitterspannung V CE wird als t rv bezeichnet. Während dieses Zeitabschnittes muß von dem Schalttransistor eine erhebliche Verlustleistung abgeführt werden. Unmittelbar nachdem die Zeit t rv vergangen ist, sind sowohl I C als auch V CE in der Nähe ihrer jeweiligen Maximalwerte, so daß während dieser Zeit die maximale Verlustleistung auftritt. Kurz nachdem die Kollektoremitterspannung ihren Sperrwert erreicht hat, beginnt I C während des mit t fi bezeichneten Zeitintervalles schnell abzufallen. Im Verlauf dieses Zeitintervalles wird eine wesentliche Verlustleistung erzeugt, die jedoch geringer ist als diejenige während der Zeitintervalle in denen sowohl I C als auch V CE hohe Werte aufweisen. Das gesamte Zeitintervall, beginnend mit dem Zeitpunkt, zu dem V CE auf etwa 10% seines Maximalwertes ansteigt, und endend mit dem Zeitpunkt, zu dem I C auf 10% seines Maximalwertes abfällt, wird als t C bezeichnet und stellt dasjenige Zeitintervall dar, während dem im wesentlichen die gesamte Verlustleistung anfällt, die während des Abschaltens auftritt. Dieses Zeitintervall hat sogar bei Schalttransistoren mit ineinandergreifenden Emitterfingerteilen und Basisbereichteilen, die für hohe Schaltgeschwindigkeiten ausgelegt sind, die Dauer von einigen Mikrosekunden.
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Fig. 2 veranschaulicht den elektrischen Feldverlauf in einem Kollektorbereich für drei unterschiedliche Werte des Kollektorstromes: Bei der Kurve 30 ist die Stromdichte gleich null, was dem ausgeschalteten Zustand entspricht; Kurve 32 entspricht einer Stromdichte die gleich der stationären Einschaltkollektorstromdichte ist; und die Kurve 34 veranschaulicht die Stromdichte, die größer ist als der Wert für den stationären Zustand J 0, wobei die Zunahme der elektrischen Feldstärke an dem N - N&spplus;-Übergang leicht zu beobachten ist.
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In Fig. 3 ist nunmehr ein Querschnitt eines Schalttransistors mit einem erfindungsgemäß gestalteten Emitterbereich veranschaulicht. Ein Emitterfinger 40 weist verhältnismäßig tiefe Randbereiche 42 und 44 auf, die einen Innenbereich 46 mit verhältnismäßig geringerer Tiefe umgeben. Die Dicken eines Basisbereichs 48, eines Kollektorbereichs 50 sowie eines Kollektorkontaktbereichs 52 sind etwa diegleichen wie bei bekannten Schalttransistoren. Fig. 3 zeigt mit Hilfe von Pfeilen die Stromverteilung während der Anfangsphase des Abschaltens, wenn aus den Basiselektroden 54 und 56, die miteinander verbunden sind, Strom fließt. Der Vollständigkeit halber sind ferner eine Emitterelektrode 58 sowie eine Kollektorelektrode 60 dargestellt. Während des Abschaltens wird der Strom in Richtung auf die Mitte des Emitterbereichs 40 zusammengedrängt. Der eine geringe Tiefe aufweisende Innenbereich 46 des Emitterbereichs 40 hat einen geringeren Emitterwirkungsgrad sowie der unter ihm liegende Basisbereichsteil einen geringeren Transportfaktor, was zu einem geringeren Stromverstärkungsfaktor führt, und deshalb fließt beim Abschalten im wesentlichen kein Strom in diesem Bereich, da die Stromdichte null oder sehr niedrig ist.
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Vorzugsweise ist die Tiefe des Innenbereichs 46 so gering wie möglich. Es wurde erkannt, daß, wenn der Emitterbereich durch Diffusion in zwei Schritten hergestellt wird, sehr kleine Tiefen schwierig auszubilden sind und zu einem Kurzschluß führen, wenn die Diffusion nicht vollständig gleichmäßig ist. Es wurde gefunden, daß, wenn die Emitterdiffusionstiefe in dem Randbereich 10 bis 20 Mikrometer beträgt, eine Tiefe des Innenbereichs 46 von 1 bis 2 Mikrometern zu befriedigenden Ergebnissen führt.
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Es ist ersichtlich, daß die Verminderung des Emitterwirkungsgrads in dem Innenbereich durch einen Emitterinnenbereich 46 mit geringer Tiefe durch eine Basisschicht unterstützt wird, deren Basisschichtwiderstand in dem Teil unter dem Innenbereich des Emitterbereichs verringert ist.
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Fig. 4 enthält eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel eines Schalttransistors nach Fig. 3, bei dem der Emitterbereich 80 einen Innenbereich 84 mit verhältnismäßig geringem Emitterwirkungsgrad aufweist, der sich sowohl unter dem Emitterrückenteil als auch unter den Emitterfingerteilen befindet. Gerade unter dem verhältnismäßig breiten Emitterrückenteil (bezogen auf die Emitterfingerteile) wäre nämlich das Abschalten äußerst mangelhaft.
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Zur Herstellung eines Emitterbereichs mit zwei unterschiedlichen Tiefen können beispielsweise Diffusionsverfahren angewandt werden. Ein weiteres Verfahren besteht beispielsweise darin, den Bereich mit großer Tiefe durch Diffusion und den Bereich mit geringer Tiefe durch Ionenimplantation herzustellen.