DE1489054B2 - Elektronischer schaltkreis unter verwendung eines feld effekttransistors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltkreis unter Verwendung eines Feldeffekttransistors aus einem Halbleiterkörper eines Leitungstyps, einem Kanal von entgegengesetztem Leitungstyp, einer ersten Steuerelektrode auf einer den Kanal überdeckenden Isolatorschicht, einer zweiten Steuerelektrode an dem Halbleiterkörper, einer Zuleitungs- und einer Ableitungselektrode.

Bekanntlich erfolgt bei einem Feldeffekttransistor die Steuerung der Leitfähigkeit des Kanals zwischen einem Zuleitungsbereich und einem Ableitungsbereich durch eine Steuerspannung. Damit läßt sich der Stromfluß steuern und eine Verstärkerwirkung erzielen.

Aus der Zeitschrift »The Proceedings of the IRE«, Bd. 50 (1962), H. 6 (Juni), S. 1462 bis 1469, ist es bekannt, den Kanal mit mehreren Elektroden zu versehen, die über Isolatorschichten angeschlossen sind. Hiermit soll eine pentodenartige Wirkung erzielt werden.

In dem Buch »Elektronische Halbleiter« von E. Spenke, Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1956, S. 137 und 138, ist eine Schaltung für einen Feldeffekttransistor beschrieben, bei dem der Kanal symmetrisch von zwei Steuerelektroden begrenzt ist, die im Parallelbetrieb in Reihe an eine Vorspannungsquelle und eine Signalspannungsquelle angeschlossen sind. Die Vorspannungsquelle ermöglicht eine Veränderung des jeweiligen Arbeitspunktes. Dabei ist es jedoch erforderlich, daß man den Innenwiderstand der Vorspannungsquelle und der Signal-Spannungsquelle anpassen muß, damit man optimale Verstärkungsverhältnisse erzielt.

Der Eingangswiderstand einer Steuerelektrode, die auf einer Isolatorschicht aufliegt, ist sehr hoch. Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, diesen hohen Eingangswiderstand für die Signalspannung auszunutzen, ohne daß eine Beeinträchtigung durch die Vorspannung möglich ist.

Diese Aulgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Vorspannungsquelle an die eine Steuerelektrode und eine Signalspannungsquelle an die andere Steuerelektrode angeschlossen ist.

Durch diese Maßnahme erreicht man, daß der hohe Eingangswiderstand der Steuerelektrode an der isolatorschicht für den Eingangskreis vollständig ausgenutzt werden kann, so daß der Schaltkreis nach der Erfindung die Steuerspannung nicht bzw. in vernachlässigbar kleinem Maße belastet. Andererseits kann die Vorspannung innerhalb eines weiten Bereichs verändert werden, so daß man einen optimalen Arbeitspunkt einstellen kann.

In weiterer Ausbildung schlägt die Erfindung vor, daß an die Betriebsspannungsquelle in Reihe mit der Zuleitungs- und Ableitungselektrode eine Diode angeschlossen ist.

Die Verwendung von Dioden in Transistorschaltungen ist bereits bekannt (vgl. das Buch »Leitfaden der Transistortechnik« von H. G. Mende, 3. Auflage 1962, Franzis-Verlag München, S.222 und 223). Eine solche Diode dient dort für verschiedene Sperrmaßnahmen, jedoch nicht im eigentlichen Sinne zur Strombegrenzung, weil beim Betrieb eines Sperrschichttransistors, wo mehrere Sperrschichten mit unterschiedlicher Sperrichtung vorhanden sind, immer eine Sperrschicht in Sperrichtung angeschlossen ist, so daß Überströme nicht auftreten können. Demgegenüber sind bei einem Feldeffekttransistor keine Sperrschichten senkrecht zur Stromflußrichtung vorhanden, so daß man dort besondere Maßnahmen zur Überstrombegrenzung vorsehen muß.

Eine besonders wirkungsvolle Schaltung zur Stromkonstanthaltung in einem Belastungskreis erhält man in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch, daß dem Feldeffekttransistor ein Sperrschichttransistor unmittelbar nachgeschaltet ist, wobei ein pn-Ubergang des Sperrschichttransistors in Reihe mit Zuleitungs- und Ableitungselektrode liegt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnähme auf die Zeichnungen erläutert, welche darstellen

Fig. 1 bis 6 und 17 Schaltbilder bevorzugter Ausführungsformen von Schaltkreisen nach der Erfindung,

F i g. 7 bis 12 grafische Darstellungen von Kennlinien,

F i g. 13, 14 und 15 Schaltbilder von Schaltkreisen, in welchen die Erfindung zur Ausführung kommt,

Fig. 16 eine grafische Darstellung von Kennlinien,

Fig. 18 und 19 Schaltbilder, auf welche zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung Bezug genommen wird,

Fig. 20, 21, 22 und 26 grafische Darstellungen von Kennlinien und

Fig. 23, 24 und 25 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung mit Schaltelementen für einen Überlastungsschutz.

Eine in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung erläutert den Fall, wo die erste Steuerelektrode G₁ an die Quelle einer Eingangssteuerspannung V_g angeschlossen ist und eine Vorspannungsquelle E zwischen dem zweiten Steuergitter G₂ und der Zuleitungselektrode S liegt. Der Schaltkreis umfaßt weiterhin einen Belastungswiderstand R_L sowie eine Steuerleistungsquelle zur Lieferung einer Quellenspannung V_DS, die zwischen Zuleitungselektrode 5 und Ableitungselektrode D anliegt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2 zeigt den Fall, wo die Quelle für die Eingangssteuerspannung V_g mit der zweiten Steuerelektrode G₂ verbunden ist und eine Vorspannungsquelle E zwischen der ersten Steuerelektrode G₁ und der Zuleitungselektrode S liegt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 erläutert den Fall, wo die Vorspannungsquelle E wie in dem Beispiel der F i g. 3 zwischen den beiden Steuerelektroden G₁ und G., angeschlossen ist.

Bei einem jeden der oben in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Schaltkreise kann man die Stellungen der Zuleitungs- und Ableitungselektroden gegeneinander austauschen.

Zur Erzeugung der Vorspannung E in den oben beschriebenen Schaltkreisen kann man die Spannung der Steuerleistungsquelle V_DS teilen, beispielsweise mittels eines Widerstandest nach Fig. 4 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, und die geteilte Spannung kann als Steuerspannung E eingespeist werden. Da in diesem Fall zwischen dem Steuergitter G₁ und der Zuleitungselektrode S ein pn-Ubergang liegt, wird die Vorspannung E, wie oben beschrieben, in umgekehrtem Sinne angelegt.

In dem Fall, wo nach F i g. 2 die Vorspannung an dem ersten Steuergitter G₁ anliegt, kann man für die

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Vorspannung E eine unabhängige Spannungsquelle und 3 merklich ab, der Widerstand der Signalquelle benutzen, da die Steuerelektrode G₁ auf einer Isola- wird groß, und im Fall einer konstanten Stromsteuetorschicht aufliegt. Dies bietet den Vorteil einer sehr rung erhält man das unerwünschte Ergebnis, daß kleinen Steuerleistung, im allgemeinen Null. Zur Er- eine lineare Aussteuerung nicht möglich ist. Für zeugung einer Vorspannung kann man in diesem 5 Werte V_g ^. 0, d. h. bei Verwendung einer an der Fall nach F i g. 5 mittels einer Diode r eine Wechsel- zweiten Steuerelektrode G₀ anliegenden Eingangsspannung gleichrichten, so daß man eine Gleichspan- spannung V_e mit entgegengesetzter Polarität bezügnung erhält. In diesem Fall wirkt ein eingefügter lieh des pn-Übergangs, ergibt sich der Vorteil, daß Kondensator C zur Ausschaltung nachteiliger, von die Steilheit gm größer als bei dem Schaltkreis nach einer Induktion oder inneren Rückkoppelung her- io F i g. 1 ist {gm = 0,2 millimho bis 0,4 millimho). Die rührender Einflüsse. Wenn man einen vorgeladenen Steilheit eines Schaltkreises nach F i g. 2 liegt zwi-Kondensator benutzt, kann man nur mittels dieses sehen gm = 0,5 millimho und 0,8 millimho und die-Kondensators über lange Zeitdauer eine stabile Vor- jenige eines Schaltkreises nach Fig. 3 zwischen spannung erhalten. 0,8 millimho und 1,5 millimho. Bekanntlich ist

Infolge der Anordnung der Steuerelektrode G₁ auf 15 gm = AI₀IΔ V_g. Nach Fig. 11 kann man ferner bei einem Isolator kann man eine positive als auch eine V„ = 0 den Ableitungsstrom I₀ mittels der Vorspannegative Spannung anlegen, was eine große Frei- nung E nach Belieben steuern, wobei sich der Wert zügigkeit in den Betriebsbedingungen mit sich bringt. von gm nicht stark ändert.

Dieselben Überlegungen gelten auch für den in Aus den obigen Überlegungen erhält man das Er-

F i g. 3 erläuterten Fall, wo der in F i g. 6 gezeigte 20 gebnis, daß ein Schaltkreis der in F i g. 1 gezeigten

Anschluß eines vorgeladenen Kondensators C aus- Art dann außerordentlich wirkungsvoll ist, wenn er

reichend ist. innerhalb einer seriengesteuerten Stromkonstant-

Für die Vorspannung kann man ferner vorsehen: halterschaltung nach Fig. 13 verwendet wird. Bei Spannungselemente mit konstanter Spannung wie einer derartigen Schaltung wird im einzelnen die Speicherzellen, Leistungsgleichrichtung und Dioden 25 Differenz zwischen der Zenerspannung einer Zenermit konstanter Spannung; Teilspannungen anderer diode Z und der Klemmspannung eines Bezugswider-Leistungsquellen; geladene Kondensatoren; Kombi- Standes R_r mittels eines npn-Transistors T verstärkt, nationen von Stromquellen und Widerständen. Wenn dessen Ausgangsspannung (entsprechend dem Spanman unter diesen zur Verfügung stehenden Quellen nungsabfall im Widerstand R₂) an den Elektroden G₁ eine solche Quelle benutzt, bei der bei fehlender 30 und S des Feldeffekttransistors F anliegt, um den in Stromentnahme, wie beispielsweise bei einer Luft- dem Belastungswiderstand R₁ fließenden Strom I₁ sauerstoffzelle, der Aufbrauch vernachlässigt werden (gleich dem Ableitungsstrom I₀) auf einem konstankann, sind Schalter überflüssig, und ein derartiger ten Wert zu halten.

Schaltkreis wird in der Praxis eine große Betriebs- Da bei diesem Stromkonstanthalter der Widerstand

sicherheit aufweisen. 35 zwischen der Ableitungselektrode D und dem ersten

Im folgenden sollen die Kennlinien der verschie- Steuergitter G₁, wie bereits erwähnt, sehr groß ist, denen, oben beschriebenen Schaltkreise betrachtet verschwindet der über den Zweig D-G₁-T-Z zu dem werden. Zunächst sind für die Vorspannung E = 0 Belastungswiderstand R_L fließende Strom im wesent-(kurzgeschlossene Anschlußklemmen der Vorspan- liehen, auch wenn die Quellenspannung E_s schwankt, nung E) in den F i g. 7, 8 und 9 jeweils für verschie- 40 Man kann folglich einen außerordentlich stabilen dene Eingangsspannungen V^ die F_DS-/_fl-Kennlinien Strom erzielen. Da weiterhin an der Steuerelektrode der Schaltkreise nach den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt. G₁ eine negative Spannung anliegen kann, kann die Die Kurven für V„ > 0 sind in den F i g. 8 und 9 zum Betrieb des Transistors T erforderliche Leistung jeweils in Abhängigkeit von der Größe des Wider- auf der Ausgangsseite über den Widerstand R₉ entstandes der Signalquelle verschieden. Für V_g > 0 45 nommen werden, ohne daß eine gesonderte Spansteigt der Strom I₀ mit abnehmendem Widerstand nungsquelle erforderlich ist.

der Signalquelle an. Wenn der Signalwiderstand in Eine an dem Spannungsteilerwiderstand R₁ abge-

der Nähe der Stromsteuerung groß ist, ergibt sich nommene Vorspannung liegt an der Steuerelektrode

für V„ > 0 nur ein schmaler Bereich. G.,. Die Betriebsvorspannungen der Transistoren T

In Fig. 10 sind durch die Kurven A, B und C 5° und F werden durch Einstellung des WiderstandesR₁

jeweils die F_?-/_D-Kennlinien für den Fall V_DS und der Spannungszelle E auf jeweils geeignete Werte

= 6 Volt dargestellt. Für eine konstante Zuleitungs- eingestellt. Die Einstellung des Belastungsstromes er-

spannung V₀₈ = 6 Volt sind für verschiedene Vor- folgt durch Einstellung des Widerstandes R_r.

SpannungenE die F_g-/_fl-Kennlinien in den Fig. 11 Der Einfluß der Vorspannung E wird im folgenden und 12 gezeigt, welche jeweils den F i g. 7 und 8 ent- 55 erläutert. Wenn die Steuerelektrode G₂ durch die

sprechen. Vorspannung E gegenüber der Zuleitungselektrode S

Auf Grund dieser verschiedenen Kennlinien kann auf einem positiven Potential gehalten wird, erhält

man die folgenden Überlegungen anstellen. Da bei die Steuerelektrode ein dem Spannungsabfall in R₁

dem Schaltkreis nach F i g. 1 die erste Steuer- entsprechendes negatives Potential bezüglich der Zuelektrode G₁ über einem Isolator angeordnet ist, wird 60 leitungselektrode S. Aus diesem Grunde kann man

der Eingangswiderstand außerordentlich hoch (ΙΟ¹³ Ω einen hochohmigen Belastungswiderstand für den

bis ΙΟ¹⁵ Ω), und die Eingangsspannung V₁, mit posi- Transistor T auswählen, so daß man eine große

tivem oder negativem Vorzeichen kann den Ablei- Spannungsverstärkung und eine verbesserte Stabilität

tungsstrom I₀ steuern. Die Werte V„ > 0 entsprechen erhält.

dem mit gestrichelten Kurven bedeckten Bereich der 65 Wenn der oben beschriebene Schaltkreis mit einer

Fig. 7. Wenn die Eingangsspannung einen Wert der Schaltgruppe nach Fig. 2 oder 3 bestückt ist, wird

Größe Vg^Z +0,5 Volt annimmt, fällt der Eingangs- die Stabilität schlecht, da der Widerstand zwischen

widerstand bei den Schaltkreisen nach den Fig. 2 der Ableitungselektrode D und der Steuerelektrode

G., klein ist. Wenn auch die Schaltkreise nach den Fig. 2 und 3 im wesentlichen dieselben Kennlinien haben, hat der in Fig. 3 gezeigte Schaltkreis die größte Steilheitgm. Wenn folglich nach Fig. 14 die beiden Steuerelektroden G₁ und G₂ miteinander kurzgeschlossen sind und der Spannungsabfall eines Widerstandes R₃ an diesen kurzgeschlossenen Elektro-

trode angeschlossene äußere Schaltkreise fließt und dieselben zerstört. Deshalb muß man notwendigerweise bei einem derartigen Feldeffekttransistor eine Schutzschaltstufe zum Schutz gegen Überströme der 5 oben beschriebenen Art vorsehen.

Der Fall, wo bei dem in Fig. 18 dargestellten Schaltkreis die Steuerleistungsspannung V_DS über eine Diode d an der Ableitungselektrode D anliegt, ist in F i g. 23. erläutert. Bei dem in F i g. 23 gezeigten

ses Stromes mittels einer entsprechenden Einstellung einer Vorspannung E₁₁ oder mittels eines an die Steuerelektrode G₁ und G₂ angeschlossenen Abgriffes des Widerstandes R₃ eingestellt werden.

Da in dem Schaltkreis nach F i g. 2 die Steilheit gm mit dem AbleitungsstromI₀ ansteigt, wie in Fig. 13 dargestellt ist, kann man durch Anlegen einer positiven Spannung an die erste Steuerelektrode G₁ nach

mit hoher Spannungsverstärkung erhalten. Wenn mit einem derartigen Schaltkreis ein mehrstufiger Verstärker oder ein logischer Schaltkreis aufgebaut wer

den anliegt, wird der Widerstand zwischen den Anschlußpunkten A und B sehr groß, und ein konstanter Strom wird an den Belastungswiderstand R_L ab- io Schaltkreis wird mittels des Sperrwiderstandes der gegeben. Bei diesem Schaltkreis kann die Größe die- Diode d der Überstrom unterdrückt, welcher zwischen der Zuleitungselektrode S und der Ableitungselektrode D fließen würde, wenn dieselben fehlerhafterweise mit falscher Polung angeschlossen wür-15 den. Das heißt, die F_DS-J_s-Kennlinie nimmt in diesem Fall eine in Fig. 20 in gestrichelten Linien eingetragene Form an, und der Strom in Sperrichtung wird sehr klein.

In diesem Fall wird die an der Ableitungselek-

F i g. 5 und durch Anlegen eines Eingangssignals V,, 20 trode D anliegende Spannung zum Teil durch den an die zweite Steuerelektrode G, einen Verstärker Spannungsabfall in Durchlaßrichtung in der Diode

verbraucht, und dieses bringt den Nachteil einer Einengung desjenigen Bereiches mit sich, innerhalb dessen eine normale Arbeitsweise nach F i g. 20 mög-

den soll, kann man zweckmäßigerweise durch Be- 25 lieh ist. Mit einem Feldeffekttransistor ist jedoch die nutzung eines Spannungsteilerwiderstandes aus einer untere Grenze durch die Abschneidespannung be-Spannungsquelle verschiedene Vorspannungen für stimmt und liegt normalerweise zwischen 2 und verschiedene Anschlußelemente entnehmen, da beide 10 V, während bei Verwendung einer Siliciumdiode Steuerelektroden G₁ und G., einen hohen Eingangs- als Diode d der Spannungsabfall in derselben 1 V widerstand aufweisen. Ein Äusführungsbeispiel einer 30 oder weniger beträgt, was normalerweise kein Proderartigen Anordnung ist in F i g. 15 gezeigt. blem darstellt.

Wenn auch bei allen Ausführungsformen der Er- Bei dem in F i g. 24 gezeigten Schaltkreis wird fer-

findung die Steilheit gm mit zunehmendem Ablei- ner mittels einer Anordnung, wonach eine Diode d₁ tungsstrom I₀ ansteigt, muß die Belastung verkleinert zur Weitergabe einer Spannung V„ mit der zweiten werden, um den Ableitungsstrom I₀ zu vergrößern. 35 Steuerelektrode G₂ verbunden ist, der bei Werten Dementsprechend darf die Güte eines Schaltungs- der Spanung V„ > 0 auftretende unzulässige Elekaufbaues nicht nur unter dem Gesichtspunkt einer trodenstrom unterdrückt. Das heißt, die F_c-/_G-Kenngroßen Steilheit gm betrachtet werden, sondern die linie nimmt in diesem Fall eine in F i g. 22 in geGröße der zulässigen Anschlußbelastung bildet einen strichelten Linien eingezeichnete Form an, und soweiteren Faktor, der zu berücksichtigen ist. Deshalb 40 wohl für positive als auch für negative Spannungen ist ein Schaltkreis vorzuziehen, welcher einen Bereich F₀ wird der Elektrodenstrom I₀ auf sehr kleine mit großen (gm/7_ß)-Werten aufweist. Werte begrenzt. Bei dieser in Fig. 24 dargestellten

Diese Beziehung kann nach Fig. 16 durch Kenn- Schaltung liegt die Diode d_x in der dem pn-übergang linien dargestellt werden, die man aus den in Fig. 11 zwischen der zweiten Steuerelektrode G₂ und der angegebenen Werten erhält. Die in Fig. 16, welche 45 Zuleitungselektrode S (bzw. Ableitungselektrode D) dem in F i g. 1 dargestellten Fall entspricht, einge- entgegengesetzten Richtung. Die Diode d₂ erfüllt tragenen Ergebnisse zeigen deutlich, daß man zur ferner dieselbe Aufgabe wie die Diode d nach Erzielung eines großen (gm//_fl)-Wertes den Schalt- Fig. 23.

kreis zweckmäßigerweise so auslegt, daß der Ablei- Jeder der Schaltkreise gemäß der Erfindung nach

tungsstromI₀ mittels einer VorspannungE innerhalb 5° Fig. 21 bzw. 23 ist zur Überstromunterdrückung des kleinen Wertebereiches gehalten wird. Mittels mittels einer Diode d (bzw. d_x und d₂) ausgelegt, einer Anordnung nach Fig. 17, wo der Ableitungs- wenn gleichzeitig eine Spannung von einer Spanstrom I₀ durch eine Vorspannung E oder mittels nungsquelle (V₀₅ oder F₀) an eine Elektrode (S, D eines Widerstandes^ auf einem kleinen Wert ge- oder G₂) auf einer Seite des pn-Ubergangs angelegt halten wird, kann man beispielsweise mittels der- 55 wird. Man kann also an Stelle der obengenannten selben Steuerleistungsquelle F_s eine hohe Verstär- Diode auch den pn-übergang eines Stromregeltransikung erzielen. stors benutzen. Der Schaltkreis nach F i g. 25 weist

Wenn bei einem Schaltkreis nach Fig. 18 oder 19 zusätzlich einen normalen npn-Transistor T auf und infolge eines Fehlers die Ableitungsspannung V_DS mit ist so ausgelegt, daß an der Ableitungselektrode D umgekehrter Polarität angeschlossen wird oder wenn 60 und der Zuleitungselektrode 5 des Transistors F eine Spannung in Flußrichtung an der zweiten Steuer- Spannung von der Spannungsquelle über den pnelektrode G., anliegt, wird ein großer Ableitungs- Übergang zwischen Basis und Emitter des Transtrom bzw. ein Elektrodenstrom durch den Leiter- sistors T anliegt: Die Kennlinien dieses Schaltkreises kanal des Transistors F fließen, was zu einer Zer- sind in F i g. 26 dargestellt, woraus man ersieht, daß Störung des Schaltelements infolge Überhitzung füh- 65 die Durchbruchspannung in Sperrichtung groß ist. ren kann. Es besteht außerdem die Gefahr, daß ein Ferner ist im Ergebnis der Wert der Gesamtsteilheit Überstrom gleichzeitig durch an die Steuerelektro- um den Stromverstärkungsfaktor β des Transistors T den, die Spannungsquelle oder die Ableitungselek- vergrößert.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schaltkreis unter Verwendung eines Feldeffekttransistors aus einem Halbleiterkörper eines Leitungstyps, einem Kanal von entgegengesetztem Leitungstyp, einer ersten Steuerelektrode auf einer den Kanal überdeckenden Isolatorschicht, einer zweiten Steuerelektrode an dem Halbleiterkörper, einer Zuleitungs- und einer Ableitungselektrode, dadurch gekenn-io zeichnet, daß eine Vorspannungsquelle (E) an die eine Steuerelektrode und eine Signalspan-

nungsquelle (Vg) an die andere Steuerelektrode angeschlossen ist.

2. Elektronischer Schaltkreis nach Anspruch Ϋ, dadurch gekennzeichnet, daß an die Betriebsspannungsquelle in Reihe mit der Zuleitungs- und Ableitungselektrode eine Diode angeschlossen ist.

3. Elekronischer Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldeffekttransistor ein Sperrschichttransistor unmittelbar nachgeschaltet ist, wobei ein pn-übergang des Sperrschichttransistors in Reihe mit Zuleitungsund Ableitungselektrode liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen