CS268061B1

CS268061B1 - Power bipolar transistor with integrated surge protection and voltage overload

Info

Publication number: CS268061B1
Application number: CS863106A
Authority: CS
Inventors: Libor Ing Kalenda; Ilja Prom Fyz Muller; Bohumil Ing Pina; Jaroslav Rndr Zamastil; Jaroslav Rndr Homola
Original assignee: Kalenda Libor; Muller Ilja; Pina Bohumil; Zamastil Jaroslav; Homola Jaroslav
Priority date: 1986-04-29
Filing date: 1986-04-29
Publication date: 1990-03-14
Also published as: CS310686A1

Abstract

Řešení se týká výkonového bipolárního tranzistoru s integrovanou ochranou proti přepětí anapětovému přetížení, tvořeného alespoň jedním stupněm. Podstata řešení spočívá v tom, že pod kontaktem báze, vodivě spojeným s třetí hlavní elektrodou je vymezena lokální oblast, v níž tloušťka vrstvy, základního polovodičového materiálu je o 10 % až 60 % menší než ve zbývající části průřezu téhož stupně tranzistoru.The solution relates to a power bipolar transistor with integrated protection against overvoltage and overvoltage, consisting of at least one stage. The essence of the solution lies in the fact that under the base contact, conductively connected to the third main electrode, a local area is defined in which the thickness of the layer of the basic semiconductor material is 10% to 60% smaller than in the remaining part of the cross-section of the same stage of the transistor.

Description

Vynález se týká výkonového bipolárního tranzistoru s integrovanou ochranou proti přepětí a napěťovému přetížení.The invention relates to a power bipolar transistor with integrated overvoltage and voltage overload protection.

Nevýhodou stávajících konstrukcí výkonových tranzistorů je nízká odolnost tranzistoru proti přepětí a napěťovému přetížení jak v oblasti kontroly napiti u výrobce, tak v provozu.The disadvantage of existing power transistor designs is the low resistance of the transistor to overvoltage and voltage overload both in the area of voltage control at the manufacturer and in operation.

U bípolárních tranzistorů se proto používají tzv. plovoucí ochrany nebo R-C-D ochrany, což jsou vnější obvodové ochrany, které zpomalují nárůst napětí U_n_. ,For bipolar transistors, so-called floating protections or RCD protections are used, which are external circuit protections that slow down the voltage rise U _n _. ,

Nevýhodou těchto vnějších ochran je použití řady diskrétních součástek, což vede ke složitějším obvodům a dalším nárokům na zastavěný prostor v polovodičových aplikacích.The disadvantage of these external protections is the use of a number of discrete components, which leads to more complex circuits and additional space requirements in semiconductor applications.

Řešení výkonového bipolárního tranzistoru s integrovanou ochranou pioti přepití a napěťovému přetížení podle vynálezu odstraňuje uvedené nevýhody a jeho podstata spočívá v tom, že pod kontaktem báze, vodivé spojeným s třetí hlavní elektrodou je vymezena lokální oblast, v níž tloušťka vrstvy základního polovodičového materiálu je o 10 až 60 % menší než ve zbývající části průřezu téhož stupni tranzistoru.The solution of a power bipolar transistor with integrated overvoltage protection and voltage overload according to the invention eliminates said disadvantages and its essence lies in the fact that under the base contact conductive connected to the third main electrode a local area is defined in which the layer thickness of the base semiconductor material is 10 up to 60% smaller than the rest of the cross-section of the same transistor stage.

Příklad provedení výkonového bipolárního tranzistoru s integrovanou ochranou proti přepití a napěťovému přetížení podle vynálezu je znázorněn na výkresu, kde na obr. 1 je schéma náhradního zapojení vícestupňového bipolárního tranzistoru typu Darlington a na obr. 2 je řez strukturou jednoho stupni výkonového bipolárního tranzistoru s integrovanou ochranou proti přepití a napěťovému přetížení.An example of an embodiment of a power bipolar transistor with integrated overvoltage and overvoltage protection according to the invention is shown in the drawing, where Fig. 1 is a schematic of a replacement circuit of a Darlington multi-stage bipolar transistor and Fig. 2 is a sectional structure of a single stage power bipolar transistor with integrated protection. against overvoltage and voltage overload.

V Darlingtonově- zapojení podle obr. 1 je v náhradním schématu naznačen první a poslední tranzistorový stupin, přičemž k třetí hlavníelektrod? B prvního stupn? je zapojena anoda lavinové diody, jejíž katoda je spojena s první hlavní elektrodou K všech tranzistorových stupňů. t ,In the Darlington circuit according to FIG. B first degree? the anode of the avalanche diode is connected, the cathode of which is connected to the first main electrode K of all transistor stages. t,

Tranzistor obsahuje podle obr. 2 vrstvu 1 základního polovodičového materiálu, k jejíž jedné stran? přiléhá vnější vysoce dotovaná vrstva 2, která je spojena s první hlavní elektrodou K a která je stejného typu elektrické vodivosti jako vrstva 1 základního polovodičového materiálu, k jejíž druhé stran? přiléhá bázová vrstva 3 opačného typu elektrické vodivostí, která s ní tvoří p-n přechod. Bázová vrstva 3 je jednak na íásti plochy opatřena kontaktem 6 báze, vodivě spojeným s třetí hlavní elektrodou B a jednak na části průřezu emitórovou vrstvou 4, opatřenou kontaktem 5 emitoru. Kontakt 5 cmitoru je vodiví spojen s druhou hlavní elektrodou E nebo s kontaktem báze dalšího stupně tranzistoru.According to FIG. 2, the transistor comprises a layer 1 of basic semiconductor material, to one side of which? is the outer highly doped layer 2, which is connected to the first main electrode K and which is of the same type of electrical conductivity as the layer 1 of the base semiconductor material, to the other sides? the base layer 3 of the opposite type abuts with electrical conductivity, which forms a p-n junction with it. The base layer 3 is provided on the part of the surface with a base contact 6 conductively connected to the third main electrode B and on the cross-section part with an emitter layer 4 provided with an emitter contact 5. The contact 5 of the monitor is conductively connected to the second main electrode E or to the base contact of the next stage of the transistor.

Pod kontaktem 6 báze je vymezena lokální oblast 8, v níž tlouštka vrstvy 1 základního polovodičového materiálu je o 10 % menší než ve zbývající části průřezu. Funkce integrované ochrany proti přepětí a napěťovému přetížení je patrná z obr. 1, kde je schematickou značkou lavinové diody označeno místo s nejnižším průrazným napětím, které leží ve vymezené lokální oblasti 8 na obr. 2. Po překročení tohoto napětí při přiložení napětí mezi kolektorem a emitorem teče proud lavinovou diodou do báze tranzistoru, kde způsobí zapnutí tranzistoru. Po snížení přepětí pod hodnotu průrazného napětí ochranné oblasti tranzistor opět vypíná a vrací se do uzavřeného stavu.Below the base contact 6, a local area 8 is defined, in which the thickness of the layer 1 of base semiconductor material is 10% less than in the rest of the cross-section. The function of integrated protection against overvoltage and voltage overload is evident from Fig. 1, where the schematic mark of the avalanche diode indicates the place with the lowest breakdown voltage, which lies in the defined local area 8 in Fig. 2. After exceeding this voltage current flows through the emitter through an avalanche diode to the base of the transistor, where it causes the transistor to turn on. After the overvoltage is reduced below the value of the breakdown voltage of the protection area, the transistor switches off again and returns to the closed state.

Vymezená lokální oblast 8 má nejnižší napětí kolcktor-báze a zároveň nejnižší napětí kolektor-emitor,a vysokou proudovou zatížitelnost v závěrném směru. Při zatížení tranzistoru napětím kolektor-emitor vyšším, než je průrazné napětí vymezené lokální oblasti 8, teče proud od kolektoru K přes vysoce dotovanou vrstvu 2 a vymezenou oblastí 8 do bázové vrstvy 3 a dále přes emitorovou vrstvu 4 do kontaktu emitoru 5. Proud má stejný účinek jako bázový proud, který zapíná tranzistor. Po zapnutí tranzistoru dochází k růstu kolektorového proudu a ke snížení přepětí na tranzistoru.The defined local area 8 has the lowest collector-base voltage and at the same time the lowest collector-emitter voltage, and a high current carrying capacity in the closing direction. When the transistor is loaded with a collector-emitter voltage higher than the breakdown voltage of the defined local area 8, current flows from the collector K through the highly doped layer 2 and the defined area 8 into the base layer 3 and further through the emitter layer 4 into the emitter contact 5. The current has the same effect as a base current that turns on a transistor. After switching on the transistor, the collector current increases and the overvoltage on the transistor decreases.

. Technologicky je struktura výkonového bipolárního tranzistoru s integrovanou ochranou proti přepětí a napěťovému přetížení podle vynálezu vyrobena např. odleptáním části povrchové. Technologically, the structure of a power bipolar transistor with integrated protection against overvoltage and voltage overload according to the invention is made, for example, by etching a part of the surface

- *2'- * 2 '

CS 268 061 Bl vrstvy tranzistoru před vytvořením koncentračního profilu p-báze nebo lokální difúzí difuzantu s vyšším difuzním koeficientem. ’ iCS 268 061 B1 of the transistor layer before the formation of the β-base concentration profile or by local diffusion of the diffuser with a higher diffusion coefficient. ’I

Oblastí využití vynálezu jsou zejména výkonové tranzistory pro vysoké napětí, určené pro provoz ve spínacím režimu s indukční zátěží.The field of application of the invention is in particular high-voltage power transistors intended for operation in a switching mode with an inductive load.

Claims

I -------——-OBJECT OF THE INVENTION

Power bipolar transistor with integrated overvoltage and overload protection, consisting of at least one transistor stage comprising a layer of basic semiconductor material adjacent one side to an outer highly doped layer, conductively connected to the first main electrode and the same of the electrical conductivity type as the base semiconductor material layer, while the base layer of the semiconductor material is adjacent to the base layer of the opposite type of electrical conductivity to the base semiconductor material layer, the base layer being provided on the outer surface with a base contact conductively connected to the third main electrode; on the one hand an emitter layer provided with an emitter contact which is conductively connected to the second main electrode or to a base contact of another transistor stage, characterized in that a local area is defined below the base contact / 6 / conductively connected to the third main electrode / B / / 8 /, in which the layer thickness * / 1 / base of the semiconductor material is 10 to 60 smaller than the rest of the cross section of the same transistor stage. -and