CH491502A - Monolithische Halbleiteranordnung mit mindestens einem Leistungstransistor, insbesondere zur Verwendung als Spannungsregler von Fahrzeuglichtmaschinen - Google Patents

Monolithische Halbleiteranordnung mit mindestens einem Leistungstransistor, insbesondere zur Verwendung als Spannungsregler von Fahrzeuglichtmaschinen

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CH491502A
CH491502A CH630469A CH630469A CH491502A CH 491502 A CH491502 A CH 491502A CH 630469 A CH630469 A CH 630469A CH 630469 A CH630469 A CH 630469A CH 491502 A CH491502 A CH 491502A
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CH
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transistor
doped
semiconductor arrangement
arrangement according
epitaxial layer
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CH630469A
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Gerhard Dipl Phys Conzelmann
Original Assignee
Bosch Gmbh Robert
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Description


      Monolithische    Halbleiteranordnung mit     mindestens    einem  <B>Leistungstransistor, insbesondere zur Verwendung als</B>  <B>Spannungsregler von Fahrzeuglichtmaschinen</B>    Die Erfindung bezieht sich auf eine monolithische  Halbleiteranordnung, die in einem gemeinsamen Halb  leiterkörper mindestens einen Leistungstransistor und  einen oder mehrere     Vorstufentransistoren    enthält und  insbesondere zur Verwendung als Spannungsregler von  Fahrzeuglichtmaschinen vorgesehen ist.  



  Es ist bekannt, elektronische Schaltungen, die meh  rere aktive und passive Bauelemente, wie Transistoren,  Dioden, Widerstände und auch Kondensatoren enthal  ten, in einem einzigen Halbleiterplättchen herzustellen  und dabei das     sogenannte        Planarverfahren    anzuwen  den.  



  Bei diesem Verfahren werden die erforderlichen     p-          bzw.        n-leitenden    Zonen in eine mit einem spezifischen  Widerstand zwischen 0,1 und 1     .i2    cm hergestellte     Epita-          xieschicht    eindiffundiert, wobei sich die     Epitaxieschicht     auf einem entgegengesetzt dotierten,     höherohmigen    Sub  strat von beispielsweise<I>5</I>     .s2    cm befindet. Der     pn-Über-          gang    zwischen Substrat und     Epitaxieschicht    dient zur  Isolation der einzelnen Bauelemente gegeneinander.

    Damit er diese Funktion erfüllen kann, darf der     pn-          Übergang    an keiner Stelle und in keinem möglichen  Betriebszustand in     Durchlassrichtung    gepolt sein. Die       Kollektoranschlüsse    können     deshalb    nur nach oben  herausgeführt werden. Hierdurch ergeben sich relativ  grosse     Kollektorbahnwiderstände,    die nur Transistoren  für kleine     Kollektorströme    erlauben.  



  Während integrierte Schaltungen üblicherweise nur  Transistoren eines einzigen     Leitfähigkeitstyps,    also ent  weder nur     npn-    oder nur     pnp-Transitoren    enthalten, sind  auch Anordnungen mit komplementären Paaren be  kanntgeworden, wobei der zur normalen Struktur kom  plementäre     Transistortyp    entweder als     Lateraltransistor     oder aber als     Substrattransistor    ausgebildet ist. Wegen  des     hochohmigen    Substrats besitzen jedoch auch diese         Substrattransistoren    einen grossen     Bahnwiderstandr:'.'ysö     dass auch sie nicht für grosse Ströme brauchbar sind.  



  Um grössere Ausgangsströme bzw. Ausgangsleistun  gen zu erhalten, sieht man deshalb für die leistungs  schwachen Vorstufen und die Leistungsstufen getrennte  Kristallplättchen vor, die dann meist in einem gemeinsa  men Gehäuse untergebracht werden. Diese bekannte  Lösung verlangt aber neben der Fertigung     zweier    .ver  schiedener Kristallplättchen mit unterschiedlichen Her  stellungsverfahren auch noch zusätzliche Isolationen  und Verbindungsleitungen im Gehäuse und ist . also  ziemlich aufwendig.  



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vor  allem für oder als Spannungsregler für Fahrzeuglichtma  schinen verwendbare monolithische Halbleiteranord  nung zu schaffen, in welcher der zusammen mit einer  oder mehreren leistungsschwachen Vorstufen in einem  gemeinsamen Halbleiterkörper integrierte Leistungstran  sistor Ströme von mindestens zwei Ampere mit einer  Schaltfrequenz von wenigstens 20 Hz im Dauerbetrieb  ein- und auszuschalten vermag. Ausserdem sollen zur  Herstellung eines derartigen integrierten Schaltkreises  möglichst wenig Diffusionsvorgänge erforderlich sein.  



  Dies ist bei einer Halbleiteranordnung der     eingangs     beschriebenen Art möglich, bei welcher     erfindungsge-          mäss    der Halbleiterkörper aus einem hochdotierten,       niederohmigen    Substrat und einer auf diesem sitzenden,  schwächer     dotierten    und     höherohmigen        Epitaxieschicht     besteht und bei welcher der Leistungstransistor komple  mentär in wenigstens einem der     Vorstufentransistoren     ausgebildet : ist. Zweckmässig ist wenigstens der Lei  stungstransistor als     Substrattransistor    ausgebildet.

   Be  sondere Vorteile ergeben sich, wenn der     Leistungstransi-'          stor    in     Kollektorschaltung    betrieben wird.  



  Nachstehend sind in der Zeichnung dargestellte  Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:      Es zeigen:       Fig.    1 einen Querschnitt durch eine übliche Struktur  einer     integrierten    Schaltung,       Fig.    2 einem Querschnitt durch eine Struktur gemäss  der Erfindung mit einer     Epitaxieschicht    vom gleichen       Leitfähigkeitstypus    wie das Substrat,       Fig.    3 einen Querschnitt durch eine besonders  vorteilhafte Struktur gemäss der Erfindung mit einer       Epitaxieschicht    vom     entgejenoesetzten        Leitfähigkeitsty-          pus    wie das Substrat,

         Fig.    4 als Anwendungsbeispiel der Erfindung die       Prinzipschaltung    eines Spannungsreglers für eine Kraft  fahrzeug-Lichtmaschine,       Fig.    5 die Gesamtschaltung des Spannungsreglers  nach     Fig.    4, während       Fig.    6 eine bevorzugte, geringfügig abgewandelte  Ausführungsform zeigt.  



  In     Fig.    1 sind die heute üblichen Strukturen inte  grierter Schaltungen im Querschnitt dargestellt. In die  sem Beispiel ist     Tl    ein in üblicher Weise integrierter       npn-Transistor;    T2 ein dazu komplementärer     pnp-          Lateraltransistor;    T3 ist ein komplementärer     pnp-Sub-          strattransistor    und T4 ist ein ebenfalls komplementärer       pnp-Transistor,    der durch eine zusätzlich p - --Diffu  sion gewonnen wurde. Die integrierte Schaltung kann  jeweils mehrere der Transistoren TI bis T4 enthalten,  die auch in bekannter Weise als Dioden eingesetzt  werden können.

   Auf dem     p-dotierten,        hochohmigen     Substrat mit einem spezifischen Widerstand     Qo    von etwa  5     d2    cm ist eine     niederohmige        n-dotierte        Epotaxieschicht          (P        .;    0,5     n    cm) mit einer Dicke d von ca. l0     ,um     aufgebracht. Diese     Epitaxieschicht    ist durch die     Isolie-          rungsdiffusion    J in     n-leitende    Wannen unterteilt, welche  die einzelnen Transistoren aufnehmen.

   Um wirksam zu  sein, muss diese     Isolierungsdiffusion    durch die     Epitaxie-          schicht    bis zum     p-Substrat        hindurchreichen.     



  Eine weniger tief geführte     p-Diffusion    bildet die  Basis BI und eine noch weniger tief     reichenden-          Diffusion    ergibt den     Emitter    El des Transistors     T1.    Die  verbleibende     n-Epitaxiewanne    ist die zum Transistor     T1     gehörende     Kollektorzone        K1,    die jedoch nur von oben  her für eine Anschlusselektrode zugänglich ist.  



  Bei dem lateral angeordneten komplementären     pnp-          Transistor    T2 bildet die     n-Epitaxiewanne    die Basis B2,  während sich mit der vorher     erwähnten,    für die Basen  B1 erforderlichen     p-Diffusion    der Kollektor K2 und der       Emitter    E2 erzeugt werden können.  



  Auch der komplementäre     pnp-Substrattransistor    T3  lässt sich ohne zusätzliche     Diffusiort    gewinnen. Bei ihm  bildet die     n-Epitaxiewanne    die Basis B3, die     p-Diffusion     ergibt den     Emitter    E3 und das     p-Substrat    den Kollektor  K3.  



  Eine weitere Möglichkeit, komplementäre Transisto  ren zu erhalten, ist durch eine     zusätzliche        p#        +-Diffusion          wie    bei T4 gegeben. Hier bildet die     n-Epitaxie    die  Isolierwanne, die erste     p-Diffusion    ergibt den Kollektor  K4, die     n--Diffusion    liefert die Basis B4 und die  zusätzliche     p-        --Diffusion    den     Emitter    E4.

   Die Span  nungsfestigkeit der     Kollektor-Basis-    bzw. der     Basis-          Emitter-i7bergänge    ist bei dieser Anordnung- jedoch  geringer als bei den Transistoren T1 bis T3.  



  Wenn auch die in     Fig.    1 angegebenen Polaritäten  üblich sind, lässt sich die Struktur grundsätzlich auch    komplementär aufbauen, indem die     p-Zonen        :furch     Zonen und die     n-Zonen    durch     p-Zonen    ersetzt     w     den.  



  Anordnungen nach     Fig.    1 erfordern mindestens     dre-          Diffusionen,    nämlich die     Isolierungsdiffusion        (p),    die  Basisdiffusion B1 (p) und die     Emitterdiffusion    EI       (n#)_     Grundsätzlich anders aufgebaut ist die Struktur  gemäss der Erfindung nach     Fig.    2.

   In dem dargestellten  Beispiel sind T1 und T2     expitaxiale        Substrattransistoren     vom     pnp-Typus,    T3 ein dazu komplementärer     npn-          Transisotr,    der in seinem     Aufbau    dem normalen inte  grierten Transistor TI gemäss     Fig.    1 entspricht. Auch  hier können die einzelnen Transistoren     T1,    T2 und T3  mehrfach in der Schaltung enthalten sein.  



  Im Gegensatz zur Struktur nach     Fig.l    ist hier jedoch  das auf einer Metallunterlage 1 sitzende Substrat 2  extrem hoch dotiert und deshalb     niederohmig.        Ausser-          dem    hat die schwächer dotierte     Epitaxieschicht    3 die  gleiche Polarität wie das Substrat. In die     Epitaxieschicht     sind     nacheinander    drei Zonen n,     p#    und     n-        #    eindiffun  diert.

   Bei den     pnp-Substrattransistoren        T1    und T2 bildet  die     p-Epitaxieschicht    3 die     Kollektorzonen    KI und K2,  die erste     n-Diffusion    ergibt die Basen     B1    und B2 und die       p--Diffusion    die     Emitter    El und E2.

   Die Kollektoren  dieser     Substrattransistoren    sind über das extrem     nieder-          ohmige    Substrat 2 nach unten herausgeführt; sie haben  deshalb     ähnlich    niedrige     Kollektorbahnwiderstände    wie  getrennt hergestellte,     epitaxiale    Leistungstransistoren.

    Die leistungsschwachen Vorstufen werden mit den dazu  komplementären     npn-Transistoren    T3 ausgeführt, bei  denen die erste     n-Diffusion    für die     Kollektotzone    K3  und die     p--Diffusion    für die Basis B3 herangezogen  werden; die     Emitter    E3 der     T3-Transistoren    werden  durch die zweite     n-Diffusion    (n     #        #)    erzeugt.

   Da die     n-          Zonen    der ersten     n-Diffusion    in die     p-Epitaxieschicht    3  eingebettet sind, verlangt diese Struktur keine     Isolie-          rungsdiffusion,    so dass sie sich ebenso wie die Struktur  nach     Fig.    1 mit drei Diffusionen herstellen lässt. Um die  Isolierung zu     verbessern,    kann die     p--Diffusion    auch       zwischen    die     n-Wannen    gelegt und mit dem Substrat  verbunden werden, wie es zwischen den Transistoren T2  und T3 bzw. rechts vom Transistor T3 angedeutet ist.  



  Eine besonders vorteilhafte Abwandlung der Erfin  dung stellt die Struktur nach     Fig.    3 dar, bei der sich für  die besonders kritischen     Leistungstransitoren    eine homo  gen dotierte Basiszone ergibt.  



  Das hochdotierte p     y-Substrat    2 trägt eine schwächer  dotierte     n-Epitaxieschicht    4. von welcher die Basen B1,  B2 der beiden     Leistungstransitoren        Tl    und T2 und der  Kollektor K3 des dazu komplementären Transistors T3  gebildet werden. Die einzelnen Transistorsysteme wer  den durch eine erste     p-Diffusion    I als     Isolierungsdiffu-          sion    voneinander getrennt. Durch die nachfolgende p-  Diffusion werden die     Emitter    E1, E2 der Leistungstran  sistoren TL T2 bzw. die Basis B3 des komplementären  Transistors T3 hergestellt.

   Der     Emitter    E3 des     Transi-          stores    T3 wird anschliessend in einer dritten Diffusion  (n+ +)     erzeugt.     



       Auch    diese Struktur erfordert nur drei Diffusionen.  Sie besitzt     darüber    hinaus den grossen Vorzug, dass sich  alle Transistoren leicht mit gleicher     Kollektorspannung     herstellen lassen, da diese bei hinreichendem Abstand  der     p+-Diffusionszone    vom     p--Substrat    allein durch die       Dotierung    der     n-Epitaxieschicht    bestimmt ist.

   Entspre  chend den diskreten Leistungstransistoren mit homoge  ner Basis dehnt sich bei den     Substrattransitoren        T1,        72         die     Kollektorsperrschicht    mit zunehmender Kollektor  spannung in die Basiszone hinein aus.  



  Die Strukturen     getnäss    der Erfindung weisen im  Gegensatz zu den herkömmlichen Strukturen ein koch  dotiertes     p-Substrat    2 auf. Dies hat zur Folge, dass die       Dotierungssubstanz    des Substrats während der nachfol  genden Prozesse, die ja hohe Temperaturen erfordern, in  die     n-Epitaxieschicht        hineindiffundieren    wird. Es ist    deshalb vorgesehen, das Substrat mit solchen Stoffen zu  dotieren, die niedrigere Diffusionskoeffizienten aufwei  sen als die     Dotierungsstoffe    der     einzudiffundierenden     Zonen.

   Umgekehrt ist es vorteilhaft, für die     Isolierungs-          diffusion    Stoffe mit hohem Diffusionskoeffizienten zu  verwenden. Beispielsweise werden folgende Stoffe vorge  schlagen:  
EMI0003.0011     
  
     Die Herstellung von Widerständen und Sperrschicht  kapazitäten in den Strukturen nach     Fig.    2 und 3  unterscheidet sich nicht von den seitherigen Lösungen;  auf sie wurde deshalb nicht besonders eingegangen.  



  Die schaltungstechnische Anwendung dieser Struk  turen ist nachstehend an einem Spannungsregler für eine  Kraftfahrzeuglichtmaschine als Beispiel erläutert:  Die     pn-Obergänge    von der     Epitaxieschicht    4 zum  Substrat 1 müssen wegen der Isolationsbedingung stets  in Sperrichtung gepolt sein.  



  Dies bedeutet, da die Kollektoren der Leistungstran  sistoren mit dem Substrat verbunden sind, dass die  Arbeitswiderstände der Leistungstransistoren im     Emit-          terkreis    angeordnet werden müssen. In     Fig.    4 bezeichnet       Tr    einen in     Kollektorschaltung    arbeitenden Leistungs  transistor, in dessen     Emitterkreis    die Erregerwicklung  11 der im übrigen nicht dargestellten Lichtmaschine mit  ihrem Kupferwiderstand 12 liegt. Der Regler arbeitet  nach dem     Ein-Aus-Prinzip.    Parallel zu 11, 12 liegt  deshalb eine     Freilaufdiode    D4.

   Der Leistungstransistor       Tr    wird von einem Vorverstärker mit den Transistoren  Tu und     Tv    angesteuert; R2 ist der     Kollektorwiderstand     des Transistors Tu; mit Z1 ist eine als     Spannungsrefe-          renzelement    dienende     Zenerdiode    angedeutet. Die Wi  derstände R1, RS sind     Basis-Emitter-Widerstände    zur  Erzielung einer grösseren Temperaturstabilität des Reg  lers. Die Widerstände RS, R10 dienen als     Spannungstei-          ler    zum Einstellen der Sollspannung des Reglers.

   Der  Widerstand R6 bildet zusammen mit dem resultierenden  Widerstand von     R3,    R10 einen     Mitkipplungszweig,    der  sicherstellt, dass der Leistungstransistor entweder voll  stromleitend oder ganz gesperrt ist. Hierdurch werden  unerwünschte     Zwischenlaoen    des Reglers und sonst  entstehende hohe Verlustleistungen im Leistungstransi  stor     Tr    vermieden. Z2 bezeichnet eine     Zenerdiode,    die  dazu dient, sonst in der Anlage auftretende     unerwünsch-          te    Spannungsspitzen abzufangen. Mit 13, 14 sind die  Anschlussklemmen der nicht dargestellten Lichtmaschi  ne angedeutet.  



  Solange die Klemmenspannung der Lichtmaschine  kleiner ist als die Sollspannung, bleibt die     Zenerdiode     Z1 und demzufolge auch der Transistor     Tr        stromlos.    Die  Basis des Transistors     Tv    liegt dann über R2 an der  vollen Betriebsspannung, der Transistor     Tv    ist einge  schaltet und daher die Basis des Transistors     Tr    mit der  Klemme 13 verbunden;     Tr    ist daher stromleitend,<B>und</B>  die Lichtmaschine wird voll erregt, wobei ihre Spannung  an den Klemmen 13, 14 ansteigt, und zwar so weit,     bis     Z1 leitend wird.

   Dann wird     Tr    stromleitend, wohingegen       Tv    und damit auch     Tr    stromlos werden. Der in der    Erregerwicklung 11 seither fliessende Strom kann über  die     Freilaufdiode    ausklingen.  



  Infolge des Abbaus des Magnetfeldes fällt die  Spannung der Lichtmaschine ebenfalls ab. Die     Zener-          diode    Z1 wird demzufolge wieder stromlos, der Transi  stor Tu ebenfalls, und das Spiel beginnt von neuem.  



  Die in     Fig.    4 im Prinzip dargestellte Schaltung     kann     auf einem p- oder     n-Substrat    aufgebaut sein. Liegt     in    der  Lichtanlage des Kraftfahrzeugs der Minuspol an Masse,  so ist es zweckmässig,     p-leitendes    Substrat zu verwen  den, da dann der Kollektor des oder der Leistungstransi  storen ebenfalls an Masse gelegt werden kann, so     dass     keine Isolation zwischen Gehäuse und     wärmeabfühien=     der Masse erforderlich ist.

   Ausserdem ergibt sich ein  weiterer Vorteil: Die Basiszone des Leistungstransistors       Tr    ist dann     n-leitend,    und wegen der höheren Trägerbe  weglichkeit der Elektronen bei gleicher zulässiger     Kol-          lektorsperrspannung    für den Transistor     Tr    ergibt sich  eine höhere Leitfähigkeit als bei     p-leitender    Basiszone.  



  In der Schaltung nach     Fig.    4 kann die     Zenerdiode     Z1 mit den übrigen Bauelementen integriert werden; sie  wird erhalten durch die n     +        +-Diffusion,    indem beispiels  weise für den Transistor Tu ein Aufbau wie für den  Transistor T3 nach     Fig.    2 oder 3 vorgesehen und ein  zweiter     n+        #-Emitter    innerhalb der Basiszone B3 erzeugt  wird. Bei den üblichen Diffusionsprozessen liegt die       Zenerspannung    zwischen 6 V und 10 V.

   Da einerseits  sich in diesem Spannungsbereich der Temperaturkoeffi  zient der     Zenerspannung    von etwa Null bei 6 V mit  zunehmender Spannung in Richtung positiver Werte  stark ändert, andererseits aber die Schaltung in einem  weiten Temperaturbereich brauchbar arbeiten soll, ist  vorgesehen, den Temperaturkoeffizienten der     Zenerdio-          de        Z1    durch eine oder mehrere in Reihe geschaltete  Dioden D1, D2, D3 zu kompensieren. Die Entschei  dung, ob und     wieviele    dieser Dioden zur Kompensation  erforderlich sind, wird vor dem Kontaktieren aufgrund  einer Messung der     Zenerspannung    von     Z1    gefällt.  



       Zenerdioden    können Störspannungen von mehr als  100     mV    aufweisen. Bei diskreten Elementen lassen sich  diese durch parallelgeschaltete Kondensatoren von eini  gen     nF    unterdrücken. Von aussen kommende Störspan  nungen werden ebenfalls durch Schaltungen ausgesiebt,  die Kondensatoren enthalten. In monolithisch integrier  ten Schaltungen ist dieser Weg jedoch nicht gangbar. Es  ist deshalb vorgesehen, die jeweils stromführenden Tran  sistoren im Sättigungsbereich zu betreiben.

   Die Funktion  der bei     bekannten        Regleranordnungen    verwendeten  Kondensatoren wird somit durch die     Speicherwirkung     von mit     Ladungsträgern        überschwemmten        pn-übergän-          gen        übernommen.              Fig.    5 zeigt ein für einen Erregerstrom von ca. 4 A  vorgesehenes Ausführungsbeispiel, bei dem der Minus  pol am Substrat und am Gehäuse der integrierten       Reglerschaltung    liegt. Der zu integrierende Teil der  Schaltung ist mit unterbrochenen Linien umrahmt.

   Der  Leistungstransistor     Tr    wird zweckmässig durch mehrere  untereinander parallelgeschaltete Transistoren     T1,    T2  der in     Fig.    2 oder 3 angegebenen Art realisiert, die       Vortransistoren    Tu und     Tv    mit Transistorsystemen der  dort mit T3 angedeuteten Art.  



  Zur Erhöhung der Stromverstärkung sind gegenüber       Fig.    4 zwei Transistoren     Tx    und     Ty    in     Kollektorschal-          tung    eingefügt. Hierbei ist vorgesehen, dass der Transi  stor     Tx    wie ein     npn-Transistor    T3 nach     Fig.    2 oder 3,  der Transistor     Ty    jedoch wie einer der Leistungstransi  storen T1 oder T2 nach     Fig.    2 oder 3 ausgebildet wird.

    Zur Kompensation des Temperaturganges der     Zenerdio-          de        Z1    dienen die Dioden D1, D2, D3 mit den  Anschlusspunkten 15, 16, 17 und 18. Die Sollspannung  des Reglers wird beispielsweise durch das     Potentiometer     R9 eingestellt.  



  Der     Mitkopplungswiderstand    R6 in     Fig.    4 ist     hoch-          ohmig    und nimmt deshalb relativ viel     Platz    ein. Es  werden deshalb anhand von     Fig.    5 weitere     Mitkop-          plungswege    angegeben.  



  Das     Mitkopplungsnetzwerk    ist entweder gegeben  durch die Widerstände R6, R7, dann haben R11, R12,  R13, R14 den Wert Null Ohm, oder durch R3, R11,  R12, dann sind R7, R13, R14 jeweils Null und R6  unendlich, oder durch R13, dann sind R7, R11, R12,  R14 jeweils Null und R6 unendlich, oder schliesslich  durch R14, dann sind R7, R11, R12, R13 Null und R6  unendlich.    Die einfachste     Mitkopplung    ergibt sich durch R13       oder    R14, wobei zweckmässig R14 in der     Anschlusslei-          tung    des Reglers untergebracht ist. In diesem Falle  entsteht die Verlustwärme, die bei 4 A Erregerstrom     ca.     1 W beträgt, ausserhalb der integrierten Schaltung.

         Niederohmig,    mit extrem kleiner Verlustleistung und  daher mit kleiner effektiver Fläche, lässt sich die       Mitkopplung    durch R11, R12 integrieren. Dabei wirkt  der Temperaturgang der     Basis-Emitter-Spannung    des  Transistors     Rv    dem der     Stromverstärkungsfaktoren    ent  gegen; falls erforderlich, lässt sich ein     entwaiger    Rest  mittels R12 kompensieren, dessen Wert zwischen     Null     und einigen k<B>0</B> liegen kann.  



  Die als Schutz gegen Überspannungen dienende       Zenerdiode    Z2 kann entweder ausserhalb oder aber  innerhalb der integrierten Schaltung als     Substratdiode     liegen. Wird sie nicht     mitintegriert,    so ist ihre     Zener-          spannung    zweckmässig etwas unterhalb der Kollektor  durchbruchsspannung der integrierten Schaltung zu le  gen.  



  Die     Freilaufdiode    D4 ist nicht     mitintegriert.    Die       Zenerdiode    Z2 und die     Freilaufdiode    D4 können jedoch  zusammen mit der integrierten Schaltung in ein gemein  sames Gehäuse eingebaut werden.  



  In der Anordnung nach     Fig.    5 werden nur     die     Transistoren     Tx,        Tv,        Ty    und     Tr    im Sättigungsbereich       betrieben.    Sollte dies bei strengen Forderungen an die  Störsicherheit nicht genügen, so können ein oder mehre  re, vorzugsweise zwei zusätzliche Transistoren zwischen  Tu und     Tx    vorgesehen werden.  



  Beispielsweise sollen noch die Dotierungen einer  Struktur nach     Fig.    3 für eine Sollspannung des Reglers  von ca. 14 V angegeben werden:  
EMI0004.0061     
  
     Wegen des hochdotierten Substrats ist bei den  einzelnen Diffusionsprozessen das Produkt aus dem  Diffusionskoeffizienten und der Zeit so klein wie mög  lich zu halten. Die     Isolierungsdiffusion    ist deshalb als  erster Prozess so zu führen, dass die     Dotierungssubstanz     das Substrat erst während der nachfolgenden Diffusions  prozesse erreicht.  



  Der in     Fig.    6 in seinem Schaltbild dargestellte Regler  stellt eine bevorzugte, jedoch geringfügig gegenüber     Fig.     5 abgewandelte Ausführungsform dar, die auf einem     n#-          Substrat    integriert werden kann.

   Als Leistungsstufe für  den Erregerstrom in der Feldwicklung 11 einer     im     übrigen nicht dargestellten Fahrzeuglichtmaschine die  nen hier zwei in bekannter     Darlington-Anordnung    mit  einander verbundene Transistoren T15 und T16 vom       npn-Typ.    Anstelle des     Vorstufen-Transistors    Tu nach       Fig.    4 sind hier zwei     pnp-Transistoren        Tll    und T12  ebenfalls in     Darlington-Anordnung    vorgesehen, die sich  für eine integrierte Schaltung besonders gut eignet.

   Als  dritte     Darlington-Anordnung    sind die beiden     Transisto-          ren    T13 und T14 vom     pnp-Typ    vorgesehen. Die    Transistoren T11 bis T16 können zusammen mit den  Dioden Dl, D2 und D4, mit der     Zenerdiode    und mit  den Widerständen R1 bis R16 in bekannter Technik auf  einem hochdotierten     n--Substrat    mit niedriger dotierter       p-Epitaxieschicht    unter Umkehrung der in den     Fig.    2  und 3 angegebenen Polaritäten erzeugt werden.

   Hierbei  ist es von besonderem     Vorteil,    wenn zur Einsparung  eines besonderen Rückkopplungswiderstandes der Ar  beitswiderstand R16 des Transistors T14 an den Ver  bindungspunkt der zum     Eingangsspannungsteiler    gehö  renden Widerstände R9 und R10 angeschlossen ist.  



  Im folgenden wird auf den besonders bei     integrierten     Reglern     sehr    wichtigen     Spannungsabgleich    noch näher  eingegangen.  



  Die Sollspannung des Reglers wird bestimmt     durch     die     Spannung    der Reihenschaltung des     Referenzelemen-          tes        Z1    mit den Kompositionsdioden D1, D2 und "der       Emitterdiode    von T11 und durch das     Teilerverhältnis     des     Eingangsspannungsteilers    R8, R9, R10.

   .Diese     ,Ele-          mente    lassen sich nicht mit hinreichender     Genauigkeit          integrieren.    Der     integrierte    Regler muss also nachträg-           lich    abgeglichen werden. Trotz des     Abgleichs    soll der  vorgeschrieben Temperaturgang der Sollspannung (ca.  -5     mV/ C    bis -15     mV/ C)    erhalten bleiben.

   Im  Ausführungsbeispiel nach     Fig.    5 ist vorgesehen, die  Temperaturkompensation dadurch zu erhalten, dass die  Zahl der in Flussrichtung betriebenen     Kompensationdio-          den    D1 bis D3 von der Durchbruchsspannung der       Zenerdiode    Z1 abhängig gemacht wird, was eine Mes  sung vor dem Kontaktieren der integrierten Schaltung  und ausserdem die Verwendung verschiedener Leiter  masken erfordert.  



  Integrierte Widerstände haben positive Temperatur  koeffizienten mit Werten, die sich mit Hilfe der     gewähl-          ten        Oberflächenkonzentration        zwischen        0,8%        und     etwa 3     9\0o    je  C einstellen lassen.  



  Um den Temperaturgang der Sollspannung beim       Abgleich    durch einen äusseren Widerstand zu erhalten,  wird vorgeschlagen,     Abgleich-Festwiderstände    RT zu  verwenden, die einen kleineren Temperaturkoeffizienten  TK haben als die integrierten Widerstände. Dazu geeig  net sind beispielsweise Schichtwiderstände mit einem TK  von ca. -0,3     96"/\C.    Bei geschickter Wahl von     R1,    R2  in     Fig.    6 lässt sich erreichen, dass der TK der  Sollspannung in einem weiten Bereich der Durchbruchs  spannung der     Zenerdiode    erhalten bleibt, wenn     mit        RT     abgeglichen wird.

   Der vorgeschriebene Temperaturgang  der Sollspannung lässt sich bei geringeren Anforderun  gen dann sogar ohne die Kompensationsdioden D1 bis       Dn    erreichen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Monolithische Halbleiteranordnung, die in einem gemeinsamen Halbleiterkörper mindestens einen Lei stungstransistor und einen oder mehrere Vorstufentran- sistoren enthält, insbesondere zur Verwendung als Span nungsregler von Fahrzeuglichtmaschinen, dadurch ge kennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus einem koch dotierten, niederohmigen Substrat und einer auf diesen sitzenden,
    schwächer dotierten und höherohmigen Epi- taxieschicht besteht und dass der Leistungstransistor Komplementär zu wenigstens einem der Vorstufentran- sistoren ausgebildet ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass wenigstens der Leistungs transistor als Substrat-Transistor ausgebildet ist. 2. Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor in Kollektorschaltung geschaltet ist. 3.
    Halbleiteranordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Dotierungsstoff des Substrats (2) einen wesentlich niedrigeren Diffusions koeffizienten hat als der Dotierungsstoff der Epitaxie- schicht (3) bzw. der Dotierungsstoff von in die Epitaxie- schicht eindiffundierten Zonen. 4.
    Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) p-leitend und mit Indium oder Bor dotiert ist, dass die Epitaxie- schicht (3) n-leitend und mit Arsen oder Antimon dotiert ist und dass in die Epitaxieschicht p-leitende Isolierzonen (J), die mit Aluminium oder Bor dotiert sind, sowie eine mit Bor dotierte,
    p--leitende Diffusions zone und eine mit Phosphor dotierte n# -leitende Diffusionszone eindiffundiert sind. 5. Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) n#-leitend ist und mit Arsen oder Antimon dotiert ist, dass die Epitaxieschicht (3) p-leitend ist und mit Indium öder Bor dotiert ist und dass ein die Epitaxieschicht n- leitende mit Phosphor dotierte Isolierzonen (J)
    sowie eine mit Phosphor dotierte n--leitende Diffusionszone und eine mit Bor dotierte p- -leitende Diffusionszone eindiffundiert sind. 6. Halbleiteransordnung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1 bis 5, ausgebildet ih Spannungsregler mit wenigstens einem in der Epitaxie- schicht angeordneten Vorstufentransistor (Tu), dessen Basis mit einer der Elektroden einer in Sperrichtung beanspruchten Zenerdiode (Z1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine mitintegrierte Kompensationsdiode (D1, D2, D3) vorgesehen ist,
    die in der von der Basis des Vorstufentransistors über .die Zenerdiode zu dem Abgriff eines Spannungsteilers (R7, R & , Rs, RIO) führenden, integrierten Leitungsverbindung liegt. 7.
    Halbleiteranordnung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1 bis 5, ausgebildet als Spannungsregler mit wenigstens einem Leistungstransi stor (Tr), mit einem über eine Zenerdiode (Z1) an einen Eingangsspannungsteiler (R;
    , RQ, RI,, Rio) angeschlos senen Vortransistor (Tu) und mit wenigstens einem als Zwischenverstärker gegenphasig zum Vortransistor ar beitenden weiteren Transistor (T14), dadurch gekenn zeichnet, dass der Kollektorwiderstand (R16) dieses weiteren Transistors (T14) an einen Abgriff des Ein oangsspannungsteilers in mitkoppelndem Sinne ange schlossen ist B.
    Halbleiteranordnung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1 bis 5, ausgebildet als Spannungsregler mit wenigstens einem Leistungstransi stor (T16) und mit mindestens drei Vorstufentransisto- ren (T11 bis T75), dadurch gekennzeichnet, dass we nigstens zwei der Vorstufentransistoren in einer Darling- ton-Anordnung miteinander verbunden sind. 9. Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (T16) und ein Vorstufentransistor (T15) in einer Dar- lington-Anordnung miteinander verbunden sind. 10.
    Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (T16) und sein ihm unmittelbar vorgeschalteter Transi stor (T15) vom npn-Typ sind. 11. Halbleiteranordnung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der übrigen Vorstufentransistoren (T11 bis T14), vorzugs weise alle übrigen Vorstufentransistoren vom pnp-Typ sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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AT377645B (de) * 1972-12-29 1985-04-10 Sony Corp Halbleiterbauteil

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