DE1293903B - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit thermisch gekoppelten Schaltungselementen - Google Patents

Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit thermisch gekoppelten Schaltungselementen

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DE1293903B
DE1293903B DET24202A DET0024202A DE1293903B DE 1293903 B DE1293903 B DE 1293903B DE T24202 A DET24202 A DE T24202A DE T0024202 A DET0024202 A DE T0024202A DE 1293903 B DE1293903 B DE 1293903B
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circuit arrangement
integrated semiconductor
collector
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Evans Lee Leland
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Texas Instruments Inc
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Description

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Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiter- elemente sowie bezüglich des Einsatzes dieser Schalschaltungsanordnung mit mehreren auf oder in einem tungselemente in der Schaltung.
Halbleiterplättchen angeordneten Schaltungselemen- Besonders vorteilhaft wirkt sich die vorliegende
ten, bei der zur Steuerung des Arbeitspunktes der Anordnung der Schaltungselemente bei Anwendung Schaltungsanordnung mindestens zwei Schaltungs- 5 auf wenigstens zweistufige Transistorverstärker aus; so elemente vorgesehen sind, die zur Erzeugung eines ist es bei einem Transistorverstärker mit wenigstens elektrischen Rückkopplungssignals in thermischem einem in dem Halbleiterplättchen gebildeten Tran-Kontakt miteinander stehen. sistor in der ersten Stufe sowie einem im Ausgang
Es ist schon eine Halbleiterschaltungsanordnung eines Transistors der zweiten Stufe vorgesehenen Arbekanntgeworden, die der thermischen Stabilisierung io beitswiderstand gemäß einem weiteren Merkmal der des Arbeitspunktes eines Transistors mit Hilfe einer Erfindung möglich, eine thermische Stabilisierung mit Halbleiterdiode dient. Zu diesem Zweck ist bei der den ohnehin notwendigen Schaltungselementen dabekannten Anordnung auf einem die Basis des Tran- durch zu erreichen, daß dieser Arbeitswiderstand sistors bildenden Halbleiterplättchen im Abstand von thermisch mit dem Transistor der ersten Stufe geden Elektroden des Transistors eine Emitterzone der 15 koppelt wird. Weist die zweite Stufe keinen beson-Diode angeordnet, so daß die Diode über das Halb- deren Arbeitswiderstand auf, so kann die thermische leiterplättchen in wärmeleitender Verbindung mit der Stabilisierung der ersten beiden Stufen ohne Mehr-Basiszone des Transistors steht. Bei einer Tempera- aufwand an Bauelementen in besonders einfacher turänderung der Anordnung, d. h. insbesondere des Weise durch eine thermische Ankopplung der Kollek-Halbleiterplättchens, ändert sich infolge der thermi- ao torzone der zweiten Transistorstufe an die erste Transchen Kopplung zwischen Transistor und Diode die sistorstufe erzielt werden.
Leitfähigkeit der Diode ebenso wie die Leitfähigkeit Weitere vorteilhafte Ausbildungen von Schaltungs-
des Emitter-Basis-Bereichs des Transistors; die Schal- anordnungen nach der Erfindung ergeben sich aus tung ist so gestaltet, daß durch die temperaturabhän- den Patentansprüchen und/oder zusammen mit der gige Änderung des Spannungsabfalles an der Diode as nachfolgenden Beschreibung, die der Erläuterung die Emitter-Basis-Vorspannung des Transistors kon- einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsstant gehalten und so der Arbeitspunkt des Tran- beispiele der Erfindung dient. Es zeigt
sistors thermisch stabilisiert wird. F i g. 1 ein schematisches Schaltbild eines gemäß
Nachteilig wirkt sich bei dieser bekannten Anord- der Erfindung stabilisierten Verstärkers,
nung jedoch die hierbei unvermeidbare elektrische 30 F i g. 2 eine perspektivische Ansicht eines auf Kopplung zwischen Diode und Transistor über das einem Halbleiterwiderstand angeordneten Transistors, n- oder p-leitende Plättchen aus, das die Basis des wie er z. B. in der Schaltung gemäß Fig. 1 verwendet Transistors und die zweite Elektrode der Diode bildet. werden kann,
Infolge der temperaturabhängigen elektrischen Leit- F i g. 3 ein schematisches Schaltbild eines weiteren
fähigkeit des Halbleiterplättchens ändert sich diese 35 gemäß der Erfindung ausgebildeten Verstärkers,
Kopplung außerdem auch bei Temperaturschwan- F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausf üh-
kungen. rungsbeispiels der Schaltung gemäß F i g. 3 als inte-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, grierte Schaltung,
eine Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs er- F i g. 5 einen Schnitt durch die integrierte Schaltung
wähnten Art so auszubilden, daß trotz möglichst 40 gemäß F i g. 4 nach Linie 5-5 dieser Figur und
enger thermischer Kopplung der beiden Schaltungs- F i g. 6 einen Schnitt durch die integrierte Schaltung
elemente deren elektrische Kopplung vollständig ver- nach Linie 6-6 der F i g. 4.
mieden wird. Diese Aufgabe wird nach der Erfin- Der in F i g. 1 dargestellte Verstärker eignet sich
dung dadurch gelöst, daß die Schaltungselemente besonders für die Erzielung hoher Verstärkungsgrade, durch eine Schicht hoher Impedanz in oder am Halb- 45 Ein gegebenenfalls mit einer niederfrequenten Wechleiterplättchen elektrisch voneinander getrennt sind selstromsignalquelle verbundener Eingangsanschluß und im wesentlichen über dieses Halbleiterplättchen 10 liegt an der Basis eines Transistors 11 in einer in thermischem Kontakt miteinander stehen. Da hier ersten Verstärkerstufe. Der Kollektor dieses Trandie Wahl unter den Materialien für die Schicht hoher sistors 11 ist über einen Belastungswiderstand 13 an Impedanz verhältnismäßig frei getroffen werden 50 eine an einer positiven Spannung liegende Leitung kann, ermöglicht die Erfindung die Auswahl eines 12 angeschlossen, während der Emitter über einen Werkstoffs verhältnismäßig guter Temperaturleit- Emitterwiderstand 15 sowie eine Leitung 14 an einer fähigkeit bei gleichzeitig guten elekrischen Isolie- negativen Spannung liegt. Die Basis des Transistors rungseigenschaften, so daß eine Rückkopplung ge- 11 ist über einen geeigneten Vorspannungswiderstand ringer Trägheit bei vollständiger elektrischer Isolie- 55 16 geerdet, so daß diese Stufe in einem annehmbaren rung der beiden Schaltungselemente voneinander er- linearen Bereich der Transistorcharakteristik arbeitet, reicht werden kann, was gerade bei integrierten Schal- Ein an den Eingangsanschluß 10 angelegtes Signal errungen besonders ins Gewicht fällt. Wird die Schicht scheint in verstärkter Form am Kollektor des Tranhoher Impedanz von einem pn-übergang gebildet, so sistors 11 und wird über eine Zenerdiode 17 an die kann im Vergleich zu der bekannten Schaltungsanord- 60 Basis eines Transistors 18 einer zweiten Verstärkernung eine wesentlich dichtere Packung der einzelnen stufe angekoppelt. Die Zenerdiode wird an Stelle Schaltungselemente vorgenommen werden, ohne daß einer Kapazität als Kopplungselement verwendet, da die Gefahr besteht, daß diese elektrisch nicht ein- sie in einer integrierten Schaltung leichter herzustelwandfrei voneinander getrennt sind. Dieser Vorteil ist len ist. Der Sperrspannungsabfall an dieser Diode 17 bei integrierten Schaltungen von ausschlaggebender 65 reduziert den relativ hohen Gleichstrompegel an dem Bedeutung. Schließlich gibt die erfindungsgemäße Kollektor der ersten Stufe auf eine annehmbare Höhe Lehre eine große Freiheit in der Gestaltung der bei- für die Basisvorspannung der zweiten Stufe. Der Emitden thermisch miteinander gekoppelten Schaltungs- ter des Transistors 18 ist unmittelbar mit der Leitung
3 4
14 verbunden, während der Kollektor über einen Be- Lot- oder Fließgas, auf der Widerstandsstange 19
lastungswiderstand 19 mit der Leitung 12 verbunden elektrisch isoliert angeordnet. Das Plättchen 25 kann,
ist. Der Abnahme der verstärkten Signale dient ein wie abgebildet, ein Mesatransistor sein, wobei die
Ausgangsanschluß 20. Basis- und die Emitterleitungen an dem Basis- und
Da bei dem Verstärker gemäß F i g. 1 eine Gleich- 5 dem Emitterstreifen 26, 27 an der Oberfläche des
Stromgegenkopplung verwendet wird, kann eine kleine Mesatransistors befestigt sind. An der Oberfläche
Änderung der Größe des Eingangssignals oder des des Plättchens 25 ist im Abstand von dem Mesa
Arbeitspunkts des Transistors 11 den Transistor 18 ferner noch ein Kollektorkontakt 28 angeordnet. Der
in den Sättigungs- oder Abschaltbereich treiben. Ein Transistor 21 könnte auch gegebenenfalls auf dem
weiterer in Gegenschaltung mit dem Transistor 11 io Widerstand 22 dadurch angeordnet sein, daß das
verbundener Transistor 21 ist thermisch mit einem diesen Transistor bildende Halbleiterplättchen mit
Widerstand 22 gekoppelt, um einen Bezugspunkt für der den Widerstand in ähnlicher Weise wie in F i g. 2
die Stabilisierung zu schaffen. Der Transistor 21 wird bildenden Halbleiterstange verbunden ist. Ein Wider-
durch einen Widerstand 23 auf einen ausgewählten stand und sein zugehöriger Transistor können auch
Arbeitspunkt vorgespannt, der zwischen Basis und 15 in dem gleichen Plättchen aus monokristallinem SiIi-
Erde angeordnet ist. Der Widerstand 23 kann ge- zium gebildet werden, wobei beide durch pn-Über-
gebenenfalls den gleichen Wert wie der Widerstand gänge elektrisch voneinander getrennt werden. Als
16 aufweisen, um so einen ausgeglichenen Stromkreis Transistoren können aber auch beispielsweise Dop-
zu schaffen. peldiffusions-Planartransistoren verwendet werden.
Wenn im Betrieb der Widerstand 19 infolge der ao In F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Sättigung des zweiten Transistors 18 zuviel Strom er- erfindungsgemäßen Schaltung dargestellt, bei der eine
hält, erfolgt hierdurch eine Erwärmung des Tran- Wärmegegenkopplung dazu dient, um die Tempera-
sistors 11, so daß für einen konstanten Strom die tür einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung
Basis-Emitter-Spannung reduziert wird. Der Tran- zu stabilisieren. Dabei wird ein erster Transistor 30
sistor 11 nimmt jedoch infolge der erhöhten Tempe- 35 verwendet, der eine Basis 31, einen Emitter 32 und
ratur mehr Strom auf, und der Transistor 21 führt einen Kollektor 33 hat.
entsprechend weniger Strom, da diese Transistoren Die Basis 31 ist dabei so vorgespannt, daß der in Gegenschaltung miteinander verbunden sind bzw. Transistor anfänglich leicht unterhalb des Abschalteinen gemeinsamen Emitterwiderstand 15 besitzen. punktes ist. Bei einem Siliziumtransistor würde diese Dieser erhöhte Strom im Widerstand 13 setzt die 30 Vorspannung ungefähr 0,4 Volt betragen. Sie wird Basisvorspannung des zweiten Transistors 18 herab durch einen großen Widerstand 34 und einen wesent- und reduziert den diesen durchfließenden Strom, so lieh kleineren Widerstand 35 geschaffen, die an die daß auf diese Weise eine Gleichstromgegenkopplung positive und die negative Zufuhrleitung 36 bzw. 37 geschaffen wurde. Wird nun der zweite Transistor 18 in Spannungsteileranordnung angeschlossen sind. Der zum Abschaltpunkt getrieben, so nehmen sein KoI- 35 Kollektor 33 ist über einen Widerstand 38 mit der lektorstrom und die Temperatur des Widerstands 19 Leitung 36 verbunden, während der Emitter 32 unab, wodurch der Kollektorstrom im Transistor 11 re- mittelbar an die negative Leitung 37 angeschlossen duziert wird und eine Erhöhung der Vorspannung ist, so daß sich eine mit dem Emitter an Masse des Transistors 18 eintritt, so daß dieser vom Ab- liegende Verstärkerstufe ergibt. Der Kollektor des schaltpunkt weggetrieben wird. Der vom Signal un- 40 ersten Transistors ist weiterhin durch eine Leitung beeinflußte Widerstand 22 wird auf einer von der an- 39 an die Basis des zweiten Transistors 40 angelegten Spannung abhängigen Temperatur gehalten geschlossen. Dieser Transistor hat in gleicher Weise und erwärmt den Transistor 21 entsprechend, so daß eine Basis 41, einen Emitter 42 und einen Kollektor dieser als Norm wirkt. Wenn die Transistoren 11 und 43, wobei der Kollektor und der Emitter über die
21 ausgeglichen oder abgeglichen sind, wird die 45 Leitungen 44 und 45 unmittelbar mit den positiven Schaltung einen stationären Vorspannungspunkt auf- und negativen Zufuhrleitungen 36 und 37 verbunden rechterhalten, bei dem die Temperatur des Wider- sind. Die durch die gestrichelte Linie 46 angedeutete stands 19 gleich der Temperatur des Widerstands 22 thermische Rückkopplung wird zwischen dem sich ist; bei gleichen Widerständen hat der Ausgang Erd- an den Kollektor des Transistors 40 anschließenden potential. 50 Bereich und der Masse des Transistors 30 dadurch
Bei der Schaltung gemäß F i g. 1 verhindert die geschaffen, daß beide Transistoren in einem einzigen thermische Trägheit der Widerstände 19 und 22, daß Siliziumplättchen 50 gemäß F i g. 4 hergestellt sind, sich deren Temperatur dem Wechselstromsignal ent- wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird, sprechend ändert. Eine maximale Rückkopplung er- Beim Arbeiten wird der zweite Transistor 40 in gibt sich, wenn die Widerstände ihre Temperatur 55 der Schaltung gemäß F i g. 3 zunächst durch den je Einheit der Leistungsänderung möglichst stark durch den Widerstand 38 und die Leitung 39 fließenändern, den Basis-Emitter-Strom für starke Leitfähigkeit vor-
Bei Ausführung der Schaltung gemäß F i g. 1 als gespannt. Infolge seiner Leitfähigkeit erwärmt dieser
integrierte Schaltung können die Widerstände 19 und Transistor 40 das Siliziumplättchen 50 (F i g. 4) im
22 ohne weiteres die Form länglicher, durch pn-Über- 60 Kollektorbereich, und zwar hauptsächlich in der gänge definierter Streifen aus monokirstallinem SiIi- Nähe des Kollektor-Basis-Übergangs. Über das Silizium in Siliziumplättchen haben. In F i g. 2 ist ein ziumplättchen wird die Wärme an den Transistor 30 Beispiel für eine geeignete Anbringung des Tran- weitergegeben. Hierdurch ergibt sich eine Reduziesistors 11 auf einer Halbleiterstange dargestellt, die rung der Basis-Emitter-Spannung, die notwendig ist, den Widerstand 19 bildet. Dieser Transistor weist 65 um den Transistor 30 einzuschalten. Die an der Basis ein Plättchen 25 aus Silizium auf, dessen Hauptteil 31 vorhandene Spannung wird durch den Spannungsden Kollektorbereich bildet. Das Plättchen ist mittels teiler konstant gehalten, so daß der Kollektorstrom eines Zementes oder Klebstoffes, wie beispielsweise zu fließen beginnt, wenn die Temperatur bzw. die
Leitfähigkeit des Transistors 30 einen Punkt erreicht, an dem die feste Basisspannung ausreicht, um ihn einzuschalten. Hierdurch wird die Spannung in der Leitung 39 herabgesetzt, wodurch auch der Basis-Emitter-Vorspannungsstrom für den Transistor 40 reduziert wird. Im Transistor 40 nimmt daher der Kollektorstrom und somit die Temperatur des Kollektorbereichs ab, so daß der Wärmestrom zum Transistor 30 ebenfalls reduziert wird. Damit hat die Schaltung die Tendenz, sich an einem Arbeitspunkt mit einer Temperatur von beispielsweise 125° C zu stabilisieren, bei dem die Temperatur des Plättchens 50 derart ist, daß der Transistor 30 leicht zum leitenden Bereich hin vorgespannt ist und der Transistor 40 stark leitet.
In dem Plättchen SO ist ferner eine Zenerdiode 51 (F i g. 4) so vorgesehen, daß die stabile Temperatur der Unterlage verwendet werden kann, um eine stabile Bezugsspannung zu schaffen. Die Zenerdiode 51 kann außen an eine Stromquelle angeschlossen und ao in Sperrichtung jenseits des Zenerdurchschlagpunktes vorgespannt werden. Der Spannungsabfall über der Diode ist konstant, da die Temperatur der Diode verhältnismäßig konstant ist. Gegebenenfalls können natürlich an Stelle der Zenerdiode auch andere Bauelemente als Bezugselement verwendet werden.
Gemäß Fig.4 und den Schnittdarstellungen der Fig.5 und 6 kann die ganze Temperaturstabilisierungsschaltung in Planarform durch Anwendung üblicher Verfahren mit Oxydabdeckung hergestellt werden. Die Transistoren 30 und 40 sind hier dreifach diffundierte npn-Transistoren, wobei die Kollektoren, Basen und Emitter durch aufeinanderfolgende Diffusionsstufen mit einem p-leitenden Plättchen 50 in der angegebenen Reihenfolge gebildet wurden. Die Zenerdiode 51 könnte gegebenenfalls wie ein Transistor ausgebildet sein, jedoch würden dann nur der Basis- und der Emitterbereich als aktiver Teil verwendet werden, und der Teil, der in einem Transistor den Kollektor bildet, würde hier zur elektrischen Isolierung der Diode vom übrigen Stromkreis dienen. Die Widerstände sind gemäß der Zeichnung in dem gleichen Plättchen 50 wie die Transistoren und die Diode hergestellt, könnten jedoch auch in einem getrennten Plättchen angeordnet sein. Die Widerstände sind als langgestreckte p-leitende, diffundierte Bereiche ausgebildet, die gleichzeitig mit dem Basisbereich des Transistors hergestellt werden. Die Widerstände sind gegeneinander und vom übrigen Stromkreis durch η-leitende Bereiche isoliert, die gleichzeitig mit den Kollektoren der Transistoren gebildet werden. Zwischen den verschiedenen Schaltungselementen können Zwischenverbindungen, wie dargestellt, durch Leitungen hergestellt werden. Gegebenenfalls könnten auch Verbindungen durch Aufdampfen von Aluminium in entsprechenden Formen oben auf dem Siliziumoxydüberzug gebildet werden, der nach den Diffusionen auf dem Plättchen verbleibt. Das Plättchen 50 ist mit Hilfe eines Klebemittels, beispielsweise eines Lötglases, auf einer wärmeisolierenden Platte 52 angebracht, die beispielsweise ein keramisches Plättchen sein kann. Diese dient dazu, die für das Arbeiten der Schaltung erforderliche Energie auf einem Minimum zu halten.

Claims (10)

65 Patentansprüche:
1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit mehreren auf oder in einem Halbleiterplättchen angeordneten Schaltungselementen, bei der zur Steuerung des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung mindestens zwei Schaltungselemente vorgesehen sind, die zur Erzeugung eines elektrischen Rückkopplungssignals in thermischem Kontakt miteinander stehen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schaltungselemente durch eine Schicht hoher Impedanz in oder am Halbleiterplättchen elektrisch voneinander getrennt sind und im wesentlichen über dieses Halbleiterplättchen im thermischen Kontakt miteinander stehen.
2. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit wenigstens einem in dem Halbleiterplättchen gebildeten Transistor in der ersten Stufe sowie einem im Ausgang eines Transistors der zweiten Stufe vorgesehenen Arbeitswiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Arbeitswiderstand (19) thermisch mit dem Transistor (11) der ersten Stufe gekoppelt ist.
3. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einer ersten und einer zweiten Transistorstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone (43) der zweiten Transistorstufe (40) thermisch mit der ersten Transistorstufe (30) gekoppelt ist.
4. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitswiderstand ein langgestreckter Bereich monokristallinen Halbleitermaterials ist.
5. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Transistoren (30, 40) in einem einzigen Halbleiterplättchen (50) nebeneinander angeordnet sind und zumindest der Kollektorbereich (43) des Transistors (40) der zweiten Stufe den Basis- und Emitterbereich (41 bzw. 42) dieses Transistors umgibt.
6. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Transistor der ersten Stufe über einen Kollektorwiderstand an einer Gleichspannungsquelle liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des Transistors (18; 40) der zweiten Stufe zwischen Kollektor und Kollektorwiderstand (13; 38) an die erste Stufe angekoppelt ist.
7. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe in Gegenschaltung zum ersten Transistor (11) ein zweiter Transistor (21) vorgesehen ist, dessen Kollektor direkt und dessen Emitter zusammen mit dem Emitter des ersten Transistors über einen gemeinsamen Emitterwiderstand (15) an der Gleichspannungsquelle liegt, und daß ein Bezugswiderstand (22) an eine Stromquelle angeschlossen ist, der thermisch mit dem zweiten Transistor (21) der ersten Stufe gekoppelt ist.
8. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswiderstand (22) von der gleichen Größenordnung wie der Arbeitswiderstand (19) des Transistors (18) der zweiten Stufe ist.
9. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (18) der zweiten Stufe über eine jenseits der Zenersparmung betriebene Zenerdiode (17) an den Kollektor des
ersten Transistors (11) der ersten Stufe angekoppelt ist.
10. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (31) des Transistors (30) der ersten Stufe an einer festen Vorspannung liegt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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