DE1589707A1

DE1589707A1 - Temperaturkompensierte Z-Diode

Info

Publication number: DE1589707A1
Application number: DE1967D0054814
Authority: DE
Inventors: Weinerth Dipl-Phys Dr Hans; Bleher Dipl-Ing Dr Hartmut
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1967-12-09
Filing date: 1967-12-09
Publication date: 1970-05-06
Also published as: DE1589707B2; DE1764251C3; DE1639173A1; GB1245531A; GB1245668A; DE1764251A1; FR1599179A; DE1639173B2; GB1230879A; US3567965A; NL6817648A; DE1639173C3; DE1764251B2

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, FREIBURG i.Br.

Temperaturkompensierte Z-Diode

Es ist bekannt, daß die Abbruchspannung von Z-Dioden nicht nur stromabhängig, sondern auch temperaturabhängig ist, und. zwar besitzen Z-Dioden mit einer Abbruchspahnung unterhalb von etwa 5 V einen negativen und oberhalb von diesem Wert einen positiven Temperaturkoeffizienten. Ferner ist es bekannt, den positiven Temperaturkoeffizienten von Z-Dioden mit einer Abbruchspannung von größer als 5 V dadurch zu kompensieren, daß man eine oder mehrere in Flugrichtung betriebene Halbleiterdioden zu der Z-Diode in Serie schaltet (vgl. zu diesen Sachverhalten "Elektronische Rundschau", Dezember 1957, Seite 376, rechte Spalte).

Diese Art der Temperaturkompensation ist nur für Abbruchspannungen von wenig mehr als 5 V mit sinnvollem Aufwand durchführbar. Da die temperaturbezogene Abbruchspannungsänderung mit wachsender Abbruchspannung steigt, andererseits aber die temperaturbedingte Abbruchspannungsänderung einer in Flußrichtung betriebenen Silicium-Halbleiter-Diode etwa -2 mV/°C beträgt, wird für höhere Abbruchspanmmgen, insbesondere für solche, die oberhalb von etwa

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n.'--.* *^:--1 Satz 3 des Änderum»··.».

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8 bis 10 V liegen, eine so große Anzahl von Plußdioden benötigt, daß diese Art der Temperaturkompensation mittels diskreter Bauelemente unwirtschaftlich wird. So erfordert beispielsweise eine Z-Diode mit einer Abbruchspannung von I5 V sieben Plußdioden.

Es sind auch temperaturkompensierte Z-Dioden von Abbruchspannungen um ö V im Handel, bei denen innerhalb eines Gehäuses eine separate Z-Diode und die zur Temperaturkompensation erforderliche Anzahl von in Plußrichtung geschalteten Halbleiterdioden angeordnet sind, vgl. etwa die INTERMETALL-Z-Dioden-Kombination BZY 25 (INTERMETALL-Datenbuch Transistoren-Dioden 1965/66, Seiten 484 und 485).

Diese Z-Dioden-Kombination besitzt jedoch aufgrund ihres aus diskreten einzelnen Halbleiterbauelementen innerhalb eines Gehäuses untergebrachten Aufbaus noch Abmessungen, die erheblich größer sind als die einer einzelnen Z-Diode vergleichbarer Verlustleistung. So beansprucht beispielsweise die genannte temperaturkompensierte Z-Diode BZY 25 einen Raum von etwa 2,8 cnr bei einer zulässigen Verlustleistung von 200 mW, während die vergleichbare, nichtkompensierte Z-Diode Z 8 nur einen Raum von etwa 0,02 cnr benötigt. Außerdem wächst der differentielle Widerstand mit zunehmender Abbruchspannung unvorteilhaft hoch an.

Das Bestreben geht nun einerseits dahin, die Größe des temperaturkompensierten Bauelements zu verkleinern, andererseits aber auch die Temperaturkompensationsgüte, sowie den differentiellen Widerstand noch weiter zu verbessern.

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Der Verkleinerung der Abmessungen bietet sich die bekannte Technik der monolithisch integrierten Halbleiterfestkörperschaltungen an. So ist beispielsweise aus der USA-Patentschrift 3 244 949 eine Spannungsstabilisierschaltung in Form einer Halbleiterfestkörperschaltung bekannt, bei der eine zwischen Basis und Kollektor eines Transistors angeordnete Z-Diode und dieser Transistor in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet sind.

In dieser Schaltung ist nur eine ei'nzige Z-Diode und nur eine einzige Flußdiode vorhanden, so daü die Schaltung, wie oben geschildert, eine Abbruchspannung von lediglich etwas mehr als 7 V besitzt.

Tritt nun die Forderung auf, Bauelemente mit wesentlich höheren Abbruchspannungen herzustellen, so lassen sich mehrere dieser Bauelemente in Reihe schalten. Soll nun -eine solche Reihenschaltung in Form einer Halbleiterfestkörperschaltung aufgebaut werden, so läßt sich dies aber nur dadurch realisieren, dab jedes einzelne Bauelement in einer separaten Isolierwanne auf einem gemeinsamen Substrat untergebracht wird. Dies bedeutet aber eine wesentliche Komplizierung des Herstellverfahrens, da für die Bildung der Isolierwannen ein weiterer Verfahrensschritt notwendig wird.

Ferner ist aus der USA-Patentschrift 3 140 438 bekannt, Z-Diode und Flußdiode zwecks Temperaturkompensation als ein einziges Bauelement herzustellen, das in seinem Aufbau dem Aufbau eines Transistors mit einer Zonenfolge von abwechselndem Leitungstyp entspricht, dessen Wirkungsweise sich jedoch durch die gegenüber einem üblichen Transistor andersartigen Dotierungsverhältnisse der einzelnen Zonen von der Wirkungsweise eines Transistors unterscheidet .

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Die Erfindung betrifft somit eine temperaturkompensierte Z-Diode in Form einer Halbleiterfestkörperschaltung, die aus mehreren nichtlinearen und gegebenenfalls linearen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper des einen Leitungstyps angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Einzelelementen besteht und die mit zwei äußeren Anschlüssen versehen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, wie schon oben angedeutet, eine temperaturkompensierte Z-Diode, insbesondere hoher Abbruchspannung, zu schaffen, deren Abmessungen nicht wesentlich gröiser sind als die einer einzelnen bisher bekannten Z-Diode. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, die Temperaturkompensationseigenschaften der bekannten, aus. diskreten Bauelementen bestehenden temperaturkompensierten Z-Dioden und ebenso deren differentiellen Widerstand weiter zu verbessern. Zusätzlich soll der oben geschilderte, durch den zusätzlichen Verfahrensschritt gegebene Aufwand nach Möglichkeit verringert werden.

Diese Aufgabenstellung findet ihre Lösung erfindungsgemäß darin, dats als Einzelelemente mehr als zwei Transistorstrukturen dienen, dan der Halbleiterkörper die gemeinsame Kollektorzone aller Transistorstrukturen darstellt, daß die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet sind, daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Übergänge in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, daü zur Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstands die Transistorwirkung von mindestens einem Teil der als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen herangezogen ist und daß der Halbleiterkörper mit dem ersten äußeren Anschluß,

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sowie entweder die Basis der letzten Z-Diode oder der Emitter der letzten Flußdiode mit dem zweiten äußeren Anschluß verbunden ist.

Allgemeine Prinzipien des Aufbaus von Halbleiterfestkörperschaltungen sind in "scientia 'electrica", I963, Seiten 67 bis 9I, insbesondere Seiten 79, 85 und 88 beschrieben. Dort ist angegeben, daß für Dioden und Z-Eioden die Basis-Kollektor- oder die Basis-Emitter-pn-Übergänge von Transistorstrukturen verwendet werden können. Diese Angaben beziehen sich jedoch auf Halbieiterfestkörperschaltungen für Verstärker- oder SchaltanwenJungen, sogenannte lineare oder digitale lialbleiterfestkörpersohaltungsn, bei denen die beabsichtigte Funktion schon a priori Transistorstrukturen bedingt. Zusätzlich benötigte Dioden oder Z-Dioden werden dann bei solchen Halbleiterfestkörperschaltungen in.der angegebenen Weise realisiert.

Für einen reinen Zweipol, wie ihn die erfindungsgemäße temperaturkompensierte Z-Diode darstellt, ist diese Art· der Realisierung von Z-Dioden und Halbleiterdioden jedoch nicht naheliegend, da die Verwendung von Transistorstrukturen für Dioden vom Standpunkt der üblichen Schaltungstechnik aus betrachtet aufwendiger ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der temperaturkompensierten Z-Diode ergeben sich auch nicht selbstverständliche vorteilhafte Wirkungen, die noch näher erläutert werden sollen.

Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert und beschrieben. In den Figurer, sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

BAD

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Pig. 1 zeigt den üblichen Aufbau einer Halbleiterfestkörperschaltung mit einer Transistorstruktur und einer
Diodenstruktur.

Fig. 2 zeigt gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden, die sich in einer .gemeinsamen Kollektorzone befinden.

Fig. j5a ist das elektrische Ersatzschaltbild von in Reihe geschalteten Z-Dloden, angeordnet nach Fig. 2,

Fig. Jb zeigt das elektrische Ersatzschaltbild von In Reihe

geschalteten Flußdioden, die sich in einer gemeinsamen Kollektorzone befinden und ebenfalls entsprechend Fig. angeordnet sind« »

Fig. 4 zeigt in umgezeichneter Weise die Flußdiodenkette der Fig. 3bο . ·

Pig. 5 zeigt das durch Emitterwiderstände ergänzte Ersatzschaltbild der Fig. %. -

Fig. 6a zeigt in Reihe geschaltete Z-Dioden und Flußdioden in einer gemeinsamen Kollektorzone.

Fig. 6b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 6a.

Fig. 7 zeigt eine vorteilhafte■Abwandlung der Anordnung nach

den Fig. 6a und 6h, - . ' \ .

Fig. 8 zeigt eine andere vorteilhafte Abwandlung der^Anordnung nach den Figo 6a und'6b. . .- ■

Fig. 9 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus

Fig. 6a.« ' -

BAD OW

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Fig. IOa zeigt eine unter Verwendung der Teilanordnung nach Fig. 9 aufgebaute vorteilhafte Weiterbildung der erfinduhgsgemäßen Z-Diode.

Fig.10b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung der Fig. 10a.

Fig. 11 zeigt eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Z-Diode. ·

Fig. 12 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 11.

Fig. 13 zeigt eine andere Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 11. .

In Fig. 1 ist der bekannte Aufbau einer Halbleiterfestkörperschaltung dargestellt, die der Einfachheit halber lediglich eine Transistorstruktur und eine Diodenstruktur enthält. Als- Diodenstruktur wird ebenfalls eine Transistorstruktur verwendet, wobei der Kollektoranschluß C mit dem Basisanschluß B verbunden ist, so daß der Kollektor-Basis-pn-übergang kurzgeschlossen ist. Das Kollektorgebiet n_c ist über die gleichzeitig mit der Emitterzone n_£ entstandene Kontakt!erzone n_Et und den Kontaktbelag Al mit dem Kollektoranschluß C verbunden.

Ebenso sind die Basiszone p„ und die Emitterzone n_£ mit ihrem jeweiligen äußeren Anschluß B, bzw. E über den Kontaktbelag Al verbunden. Durch die Isolationsdiffusion p-, die sich von der einen Oberfläche durch die n^-Zone hindurch bis zum Substrat p_g erstreckt, werden einzelne, durch pn-Ubergänge voneinander isolierte

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Kollektorzonen n_c geschaffen. Die Oberfläche ist mit Ausnahme der Kontaktbezirke mit einer passivierenden Schutzschicht Ss bedeckt.

Die Dioden können als'Durchlaß- oder als Sperr-Dioden, z.B. als Z-Dioden in bekannter V/eise in Spannungskonstanthalter-Schaltungen betrieben werden. Maßgebend für die Abbruchspannung dieser als Referenzspannungsquelle betriebenen Bauelemente sind Jeweils im wesentlichen die Durchlaß- bzw. Abbrucheigenschaften des die Diode bildenden pn-Übergangs.

Da man bei Halbleiterfestkörperschaltungen vor allem die Abbruchspannung der pn-rÜbergänge nur in engen Grenzen frei wählen kann, ist es oft erforderlich, jnehrere Z-Dioden in Reihe zu sehalten, um die gewünschte Abbruchspannung zu erhalten.

Wie oben bereits erwähnt, können die Z-Dioden. in bekannter Weise mit Pluudioden in Reihe geschaltet werden, um den positiven Temperaturkoeffizienten der Abbruchspannung durch den negativen Tempera turkoeffizienten der Fluwsparinung zu kompensieren. Alle diese Schaltungen sind auch hier möglich, solange die Spannungen zwischen den Kollektorbereichen der einzelnen Dioden und dem Substratgebiet sicher unterhalb der Kollektor-Substrat-Abbruchspannung liegen. Das Substrat ist nämlich der negativste bz?;. positivste Punkt der Schaltung, je nach Leitungstyp des Substrats.

In den Fig. 2-und-Ja ist eine Anzahl in Reihe und als Z-Dioden geschalteter Transistorstrukturen dargestellt..Die maximale. Anzahl η der in Reihe geschalteten Z-Dioden ist vom Anschluß des

max
Substrats, bzw. des Grundmaterials der Kollektorzone n_c abhängig.

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— Q ·.

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Es sind folgende Möglichkeiten des Anschlusses denkbar, die in den Pig. 2 und ^a durch die entsprechenden kleinen Buchstaben angegeben sind:

a) Das Substrat ist nicht angeschlossen. Da das Substrat elektrisch keinem Schaltungspotential zugeordnet ist, ist diese Betriebsweise ungünstig. Für n-' läßt sich folgende Beziehung angeben:

max

'ⁿm«T ⁼'S^{anze Zahl} ·£ -fr"- + .1, ■ ■

■wobei ügg die Abbruchspannung der Emitter-Basis-Dioden und Ü_CE die Abbruchspannung der Kollektor-Emitter-Strecke der Transistorstrukturen., insbesondere die Kollektor-Emitter-Abbruehspannung der Transistorstruktur 1, symbolisiert.

b) Das Substrat ist mit dem ersten äußeren Anschluß I, also mit dem Pluspol einer äußeren' Stromquelle verbunden. Dies ergibt die sicherste und erfindungsgemäße Betriebsweise. Die maximale Anzahl der in Reihe schaltbaren Z-Dioden ergibt sich zu:

^ ^UCE

■■ ⁿmax^{= ganze Zahl} Ä -_ö"-

KB

c) Das Substrat ist mit dem Pg-Gebiet-der ersten Z-Diode in der Kette verbunden» Diese Anschlußmöglichkeit ist wie die des Falles a) ungünstig. ■

d), e) _:

Diese Anschlußmöglichkeiten erv/eisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.

- ίο - ·

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Mit der Möglichkeit nach b) kann man Atibruchspannungen der gesamten Anordnung im Bereich zwischen der Abbruchspannung U_Eß des Basis-Emitter-pn-Übergangs und der Abbruchspannung U™ des Basis-Kollektor pn-Ubergangs als ganzzahlige Vielfache¹ der Basis-Emitter-Abbruchspannung Ugg erhalten.

Die übrigen Eigenschaften der Anordnung unterscheiden sich nicht wesentlich von den Eigenschaften üblicher Z-Dioden. Das gilt auch für den dynamischen Widerstand, der mit wachsender Anzahl η steigt, ebenso wie bei üblichen Z-Dioden der dynamische Widerstand mit wachsender Abbruchspannung steigt«

Im Ersatzschaltbild der Fig. 3a sind von den η als Z-Dioden wirksamen Transistorstrukturen die zwei ersten und die zwei letzten gezeigt, die mit 1, 2, (n»l) und η bezeichnet sind. Der Emitter der Transistorstruktur 1 liegt am ersten äußeren Anschluß I. Die Basis der Transistorstruktür 1 ist mit dem Emitter der nächstfolgenden Transistörstruktur 2 verbunden, ebenso die Basis dieser Transistorstruktur mit dem Emitter der nächstfolgenden und so weiter bis zum Emitter der letzten Transistörstruktur n. Die Basis dieser letzten Transistörstruktur liegt am zweiten-äußeren Anschluß II, der mit dem Minuspol einer äußeren Stromquelle verbunden ist»

Die Fig. 3b zeigt die den Fig, 2 und Ja entsprechenden, nun aber in Flußrichtung betriebenen Transistörstrukturen 1_ bis m. Die maximale Anzahl m _e„ der in Reihe geschalteten Fluiädioden ist vom Anschluß des Substrats*"bzw. vom Anschluß des Grundmaterials der Kollektorzone n_n abhängig. Folgende Möglichkeiten sind für den Anschluß denkbar:

- 11 -

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a) Das Substrat ist nicht angeschlossen. Dieser Fall ist aus den gleichen Gründen wie der Fall a) der Z-Diodenkette ungünstig. Es gilt folgende Beziehung:

'■'* ⁰CF
^m™«_v = ganze Zahl ·· —7-- + 1, .

UlcLX. ^^ IT'

BE

wobei Uqp die Kollektor-EinitteE-Abbruchspannung der letzten ,Transistorstruktur m und U^_n. die Emitter-Bas is-Fluß spannung der Transistorstrukturen darstellt.

e) Das Substrat ist mit dem Pluspol einer äußeren Spannungsquelle verbunden. Es gilt folgende Beziehung:

• ^UCE
¹Vx = ganze Zahl ^, --™ .

- - ■ ^U BE

Dies ergibt die sicherste und erfindungs^emäße-Betriebsweise.

d) Das Substrat ist mit dem Emitter der letzten Transistorstruktur ,m verbunden.-Diese Anschlu3weise ist ähnlich ungünstig wie die unter a) geschilderte.

b und c)

Diese Anschlüsse erweisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.

- 12 -

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Man kann auf diese Weise Flußspannungen der gesamten Anordnung von ganzzahligen Vielfachen der Flußspannung eines einzelnen Basis-Emitter-pn-Übergangs erhalten. Die übrigen Eigenschaften der Anordnung unterscheiden sich jedoch teilweise erheblich von den Eigenschaften in Reihe geschalteter diskreter Flußdioden. Das gilt vor allem für den dynamischen Widerstand.

Im Ersatzschaltbild der· Fig. 3 sind von den m als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen die beiden ersten und die beiden letzten gezeigt, die mit 1_, 2_, (m-l) und m bezeichnet sind. Der ümitter der ersten Transistorstruktur I^ ist mit dem ersten äußeren Anschluß, der an den Minuspol einer äußeren Stromquelle angeschlossen ist, verbunden.-Die Basis dieser Transistorstruktur ist mit dem Emitter der nächstfolgenden Transistorstruktur 2_ verbunden, deren Basis wieder mit dem Emitter der nächstfolgenden Transistorstruktur verbunden ist und so weiter bis zum Emitter der letzten Transistorstruktur m. Die Basis dieser letzten Transistorstruktur liegt am zweiten äußeren Anschluß II, der am Pluspol der äußeren Spannungsquelle anzuschließen ist.

In Fig. 4 ist das Ersatzbild der Fig. 3- iⁿ umgezeichneter Weise dargestellt. Verbindet man die Kollektorzone n_c mit dem an Plus liegenden äußeren Anschluß II, so stellt die Flußdiodenkette einen m-fachen DARLINGTON-Verstärker dar. Die jeweiligen Basiströme der m Transistorstrukturen sind mit J bis J/ ,.χ bezeichnet. Der BasisstroRi der (m-l)ten Transistorstruktur ist gleich dem Emitterstrom der m-ten Transistorstruktur.

Der dynamische Widerstand r dieser Anordnung wird im wesentlichen

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von den Eigenschaften der Transistorstruktur 1_ bestimmt, r ist _ nämlich angenähert umgekehrt proportional.zur Steilheit S, der Transistorstruktur 1, da nahezu der gesamte, durch die Anordnung fließende Strom J über den Kollektor der Transistorstruktur 1_ geführt wird und diese somit als Transistor, d.h. stromverstärkend arbeitet. Der Kollektorstrom Jp₁ der Transistorstruktur \_ ist nämlich gleich dem Gesamtstrom J vermindert um den Emitterstrom J„ der Trans is tors truktur 2_. J₂ ist aber um den Stromverstärkungs" faktor B₁ der Transistorstruktur 1_ kleiner, so daß J_c, ungefähr gleich J~ist. · "~

Durch eine geeignete geometrische Ausbildung der Transistorstruktur \_ kann dafür gesorgt werden, daß auch 'bei sehr hohen Strömen die günstigen Eigenschaften erhalten bleiben. .

Der DARLINGTON-Verstärker wird vom Potential des äußeren Anschlusses I gesteuert. Als Flußspannung der Anordnung stellt sich, wie oben beschrieben, die Summe der Plußspannungen der Basis-Emitter-pn-Übergänge ein. Der Transistoreffekt der Transistor-Strukturen I_- bis m wird also ausgenutzt.

Die Schaltung der Fig. 4 kann hinsichtlich der weiteren Erniedrigung des dynamischen Widerstandes r verbessert und weitergebildet werden, indem die mit wachsender Ordnungszahl geringer werdenden Basisströme der als Emitterfolger wirkenden Transistorstrukturen £ bis m erhöht werden, so daß auch weitere Transistorstrukturen einen Arbeitspunkt erhalten, in dem die stromverstärkende Transistorwirkung auftritt. Der Kollektor der Transistorstruktur 1_ führt nahezu den gesamten Strom J. Für die Emitterströme J^_n gilt näherüngsweise bei hinreichend großen StromverstärkungsfaktöYen B_mi

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- η -'■■'.

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daß der m-te Emitterstrom gleich ist dem Gesamtstrom J dividiert durch das Produkt der ersten m Stromverstärkungsfaktoren B . Damit nimmt aber auch die Flußspannung U_n der Flußdioden mit wachsender Ordnungszahl m ab, da U_m proportional dem natürlichen Logarithmus des Quotienten aus dem m-ten Emitterstrom und dem zugehörigen Emitterreststrom ist. Auch steigt mit kleiner v/erdendem Emitterstrom der Betrag des relativen und absoluten Temperaturkoeffizienten an, und die Stromverstärkung B sinkt ebenfalls ab. .

Man kann die Emitterströme J~ in gewissen Grenzen frei wählen, wenn man der Anordnung nach FTg. 4 in Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise Wirkwiderstände einfügt, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

In die Emitterzuleitung Jeder der Transistorstrukturen 2 bis m ist je ein Wirkwiderstand R₂ bis R_m eingefügt, deren emitterfernes Ende mit dem zweiten äußeren Anschluß II verbunden ist. Der Emitter der Transistorstruktur 1_ führt den Strom J*, während der Basisstrom der Transistorstruktur m mit J-/ - \ bezeichnet ist.

Die Wirkwiderstände können mit in die Halbleiterfestkörperschaltung einbezogen werden, und zwar können sie beispielsweise durch die P₁-,-Di ff us ion gebildet und in das den gemeinsamen Kollektor der Flußdioden 1 bis m darstellende n^-Grundmaterial eingebettet werden. Da die Basis-Kaliektor-pn-Ubergänge dieser .Wirkwiderstände stets in Sperrichtung vorgespannt sind, ergibt sich der für die Einfachheit der Halbleiterfestkörperschaltung sehr wesentliche Vorteil, daß keine weiteren Isolationsinseln nötig sind. Die Wirkwiderstände

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- χ 5 -

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können aber auch auf dem Halbleiterkörper in Form von Widerstandsschichten aufgebracht sein. Ein weiterer wesentlicher Vorteil desEinfügens der Wirkwiderstände ist darin zu sehen, da« der Tempera turkoeffizient der Flußspannung der Anordnung in Grenzen frei wählbar ist, da er stromabhängig ist und durch den Widerstandswert fein eingestellt werden kann.

Die Fig. 6a und. 6b zeigen nun die Reihenschaltung der oben getrennte ^betrachteten Z-Dioden-Kette omd FluQdioden-Kette. η Z-Dioden und m Flußdioden mit den zugehörigen Emitterwiderständen Rp bis R sind In die gemeinsame Kollektorzone n_c eingelassen. Der zum Einstellen des durch die Z-Dioden-Kette fließenden Stromes benötigte Wirkwiderstand R_ wird vorteilhafterweise ebenfalls in der gemeinsamen Kollektorzone angeordnet.

Die gemeinsame Kollektorzone kann wieder in unterschiedlicher V/eise angeschlossen werden. Von den drei eingezeichneten Möglichkeiten a,b>c ist die Verbindung nach b zu bevorzugen, da in diesem Fall, entsprechendder Anordnung nach Fig. 4, wieder der gröate Anteil des Gesamtstroms durch die Transistorstruktur 1_ fließt. Die Verbindungen a und e sind dagegen ungünstiger.

Der dynamische Widerstand r dieser Anordnung ist im Falle der Verbindung b angenähert umgekehrt proportional zur Steilheit S^ der Trans is tor struktur J₁; dieser Wert ist aber klein gegen den dynamischen. Widerstand von üblichen Z-Dioden.

Die Anzahl der Fluiidioden wird so gewählt, daß der Temperaturkpeffizient ihrer Basis-Emitter-FluSspannung·den Temperaturkoeffizienten der Abbruchspannung der η Z-Dioden gerade konpensiert.

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Eine feine Einstellung der Kompensation erreicht man in Weiterbildung der Erfindung durch entsprechende Wahl der Emitterströme der Plußdioden mittels des Wertes der Wirkwiderstände R₀ bis R .

C. m

Den durch die Z-Dioden fließenden Strom wählt man mittels R

zweckmäßig so, daß das Rauschen der Z-Dioden möglichst klein wird.

Es ist nicht notwendig, daß die Z-Dioden und die Plußdioden jeweils in zusammengehörenden Gruppen in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise läßt sich nach Fig. 7 ein Teil der Fluüdioden vor und ein Teil hinter die Z-Dioden schalten, was fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen kann.

Im Beispiel nach Fig. 7 bestimmt der Wirkwiderstand R« den Strom durch die Transistorstruktur 2, der Wirkwiderstand Rj.~*den Strom durch die Transistorstruktur 4^ und der Wirkwiderstand" Rp den Strom durch die Z-Dioden 1,2 und die Transistorstruktur 2· Alle Wirkwiderstände sind dabei relativ niederohmig, also besonders günstig innerhalb der Kollektorzone ohne großen Platzbedarf unterzubringen.

In Fig. 8 ist ein weiterer vorteilhafter Aufbau einer temperaturkompensierten Z-Diode gezeigt. Durch eine gegenüber der Anordnung nach Fig. 7 andere Aufteilung der Wir'kwiderstände erhalten diese für Halbleiterfestkörperschaltungen noch günstigere, d.h. niedrigere Widerstandswerte. Anstatt das emitterferne Ende jedes einzelnen Emitterwiderstandes mit dem zweiten äußeren Anschluß II zu verbinden, schaltet man die Emitterwiderstände so, dati das emitterferne Ende mit dem Emitter der vorherigen Transistorstruktur in Weiterbildung der Erfindung verbunden ist. So ist beispielsweise

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der zur Flußdiode der Transistorstruktur 2_ gehörende Wirkwiderstand R₂ mit dem Emitter der vorherigen Transistorstruktur 1_ verbinden

Der Wirkwiderstand R_n stellt den Vorwiderstand für die Z-Dioden der Transistorstruktur 1 bis η dar; er liegt zwischen Emitter und Basis der letzten Transistorstruktur m der Flußdioden-Kette. R„ kann vorteilhaft durch den Wirkwiderstand R ersetzt werden, der die Basis der letzten Plußdiode m direkt mit dem äußeren Anschluß II verbindet. Somit fließt der unter Umständen große Querstrom der Z-Dioden nicht durch die Kette der Emitterwiderstände, was günstigere Eigenschaften ergeben kann.

In der Anordnung nach Bild 6b sind die Basiszuleitungen der Transistorstrukturen η und m miteinander verbunden. Deshalb können die beiden zugehörigen Emitterzonen in ein gemeinsames Basisgebiet, wie in Pig. 6a gezeigt, eingebracht werden.

In Fig. 9 ist diese Anordnung vergrößert dargestellt. Die so gebildete Doppeldiode stellt einen lateralen npn-Transistor dar, da die rechte np-Diode in Durchlaßrichtung, also mit Injektion, die linke pn-Diode.in Sperrichtung und im Abbruchgebiet betrieben wird.

Solche lateralen Transistoren und ihre Eigenschaften sind zwar aus "Proceedings of the JEEE", Dezember 196k, Seiten 1491 bis 1495 und aus "Solid State Electronics", I967, Seiten 225 bis 2^4 bekannt. Die Anwendung auf die erfindungsgemäße temperaturkompensierte Z-Diode erbringt jedoch insofern eine überraschende Wirkung, als die Eigenschaften der Z-Dlode durch Wahl des Stromverstärkungsfaktors

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zweckmäßig und vorteilhaft beeinflußt werden können. So nimmt beispielsweise die Abbruchspannung mit geringer werdender Basisweite Xg ab. Ist dieser Effekt unerwünscht, so wird X_ß groß gemacht, bei den üblichen Planar-Strukturen sind hierzu Werte von Xg>J5O bis 50 /um ausreichend. Durch den Stromverstärkungsfaktor lassen sich der dynamische Innenwiderstand, die Güte der Temperaturkompensation und die Rauscheigenschaften der temperaturkompensierten Z-Diode beeinflussen. Die Verwendung der Doppelstrukturen ist bei der temperaturkompensierten Z-Diode nach der Erfindung besonders vorteilhaft, weil aufgrund des mit Injektion betriebenen einen pn-Übergangs das Rauschen wesentlich vermindert wird. Ferner kann der positive Temperaturkoeffizient der Abbruchspannung der Z-Diode unabhängig von der durch die Flußdioden gegebenen Temperaturkompensation weiter reduziert werden. Ebenso wird der dynamische Widerstand reduziert und einstellbar gemacht, so daß auch der dynamische Widerstand der Gesamtanordnung vermindert wird.

Die Fig. 10a und 10b zeigen den Aufbau einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Z-Diode. JEs sind nämlich alle als Z-Dioden vorgesehenen Transistorstrukturen mit je einer als Flußdiode wirkenden Transistorstruktür zu einer demzufolge aus zwei Transistorstrukturen bestehenden Doppelstruktur zusammengefaßt, so daß die Doppelstrukturen I¹ bis ρ entstehen. Diese sind so untereinander verbunden, daß der Emitter der als Z-Diode wirkenden Teilstruktur der Doppelstruktur 1' mit dem äuüeren Anschluß I, also dem Pluspol einer äußeren Spannungsquelle verbunden ist, während der Emitter der als Flußdiode wirkenden Teilstruktur von

- 19 -

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I·¹ rait dem zur Z-Diode gehörenden Emitter der nächsten Doppelstruktur 2' verbunden ist. Der Emitter der Plußdiode von 2¹ führt dann wieder zum Emitter der Z-Diode der nächsten Doppelstruktur und so fort bis zur Doppelstruktur p. Der Emitter der Flußdiode der Doppelstruktur ρ kann gegebenenfalls mit der ersten Basis einer zusätzlichen Fluodioden-Kette, entsprechend dem Anschluij II der Anordnung nach Fig. J5* verbunden sein; von dieser Flußdioden-Kette ist die erste Transistorstruktur I^ in den Fig. 10a und 10b gezeigt.

Durch die in die Kollektorzone n_c ebenfalls einbringbaren Wirkwiderstände Rq₁ ι bis Hg , die mit der Basis der zugehörigen · Doppelstruktur verbunden sind, können die in den Z-Dioden rl leitenden Ströme gewählt werden. Durch die ebenfalls in die Kollektorzone n_ einbringbaren Wirkwiderstände R_{171 t} bis R„ _t die zu den zur jeweiligen Fluüdiode gehörenden Emittern der Doppelstrukturen führen, werden die Emitterströme der als Fluudioden wirksamen Teilstrukturen der Doppelstrukturen eingestellt.

Die Wirkwiderstände R_ßlt bis R_ß und R_£11 bis R- sind .also erfindungsgenä3 ebenfalls in die gemeinsame Kollektorzone n„ eingelassen, so daü keine isolierten anderen n_c~Gebiete benötigt werden,

Unter Ausnutzung der anhand der Fig. 10a und 10b erläuterten Prinzipien und unter Heranziehung der bei der Erläuterung der Fig. 5, 7 und 8 gerächten Erwägungen kann die Anordnung der Fig. 10a und 10b noch weiter in vorteilhafter Weise abgeändert und vereinfacht werden. Dies zeigt Fig. 11.

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Die Emitter der Doppelstrukturen 1' bis ρ sind in der bei Erläuterung der Fig. 10a angegebenen Weise miteinander verbunden. Dem Emitter der als Flußdiode wirksamen Teilstruktur der Doppelstruktur ρ folgt noch die Flußdiodenkette 1_ bis m, von der die beiden Transistorstrukturen 1_ und m gezeichnet sind. Die Wirkwiderstände RgI₁ bis Rgtp bilden eine Serienschaltung, wobei ihr Anfang, nämlich das eine Ende von Rgii mit der Basis der Doppelstruktur I¹ verbunden ist, während ihr Ende am zweiten äußeren Anschluß II liegt.

An jedem Verbindungspunkt 22 bis pp zweier aufeinanderfolgender Wirkwiderstände der Kette R_nI₁ bis R_n^ ist die Basis der ent-

Dl up

sprechenden nächsten Doppelstruktur angeschlossen, also zum Beispiel am Verbindungspunkt 22 von R_nI₁ und R₀I₀ die Basis der Doppelstruktur 2'. Ferner führt von diesen Verbindungspunkten je ein Wirkwiderstand Rgii bis ^Rgif_D-i) ^{zu den} Emittern der als Flußdioden wirksamen Teilstrukturen der zugehörigen Doppelstrukturen. So liegt etwa der V/irkwiderstand RgI₁ zwischen dem Flußdiodenemitter der Doppelstruktur 1' und dem Verbindungspunkt 22 von FL₃I₁ und R₀I₀, also auch an der Basis der Doppelstruktur

ti 1 O d

Der letzte Wirkwiderstand R_Ei_p der R_£t-Reihe führt im Gegensatz dazu vom Flußdiodenemitter der Doppelstruktur p, der auch mit der Basisder Flußdiode der Transistorstruktur m verbunden ist, zum .Emitter der Transistorstruktur m und zur Basis der nächstniederen Flußdioden-Transistorstruktur, hier also zur Basis der Transistorstruktur 1_. Zwischen der Basis der nächstniederen Transistorstruktur und deren Emitter liegt der Widerstand R"_m.

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In den Fig. 12 und 15 sind weitere Möglichkeiten gezeigt, wie die Doppelemitterstrukturen hintereinander geschaltet werden können. Es ergibt sich eine Einsparung von Wirkwiderständen.

So zeigt die Pig. 12 eine. Anordnung, bei der die die Basis mit dem Plußdiodenemitter der vorhergehenden Doppelemitterstruktur verbindenden Wirkwiderstände R_Eti bis R_Ew 1 ν durch einen Kurzschluß ersetzt sind, d.h. durch eine direkte leitende Verbindung. Ferner ist der Wirkwiderstand R„ des Flußdiodenemitters der

i.p

letzten Doppelemitterstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß II verbunden. Ebenso liegt der Widerstand R , der in die Emitterleitung der letzten der nachfolgenden Plußdiodenkette eingefügt ist, am äußeren Anschluß II. Auch die Emitterwiderstände weiterer Plußdioden können am äußeren Anschluß II angeschlossen sein, wie schon in der Pig. 5 gezeigt wurde.

Eine andere Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 11 ergibt sich, wenn zusätzlich zu den nach Fig. 12 getroffenen Maßnahmen die Reihenschaltung der Wirkwiderstände Rt₃ti Rqt durch Weglassen

Jd ± ... XD P '

der diese Wirkwiderstände verbindenden Leitungen oder Leitbahnen aufgelöst wird. Auch hier können an den Emitter der Z-Diode der letzten Doppelstruktur ρ wieder Flußdioden angefügt werden, die in,Fig. 15 jedoch der Anschaulichkeit halber nicht mehr gezeichnet sind.

Die in den Figuren gezeigten Möglichkeiten der Anordnung der · einzelnen Wirkwiderstände sind noch weiter abwandelbar und können der jeweilig geforderten Güte der temperaturkompensierten Z-Diode angepaßt werden.

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Claims

IM/Reg. 270 - Pl 522 ^iI- H. Weinerth et al 1>1 Patentansprüche

1. Temperaturkompensierte Z-Diode in Form einer Halbleiterfestkörperschaltung, die aus mehreren nichtlinearen unu gegebenenfalls linearen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper des einen Leitungstyps angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Einzelelementen besteht und die mit zwei äußeren Anschlüssen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelelemente mehr als zwei Transistorstrukturen dienen, daß der Halbleiterkörper die gemeinsame Kollektorzone (n_n) aller Transistorstrukturen darstellt, daß die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms (J) derart in Reihe geschaltet sind, daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Ubergänge in Sperrichtung bis ins Abbruch:; ebiet als Z-Dioden und die restlichen in Plußrichtung als Plußdioden betrieben sind, daß zur Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstands die Transistorwirkung von mindestens einem Teil der als Plußdioden betriebenen Transistorstrukturen herangezogen ist und daß der. Halbleiterkörper mit dem ersten äußeren Anschluß (i), sowie entweder die Basis der letzten als Z-Diode wirkenden Transistorstruktur oder der Emitter der letzten als Plußdiode v/irkenden Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß (II) verbunden ist.

2. Temperaturkompensierte Z-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des über einzelne pn-Übergänge fließenden Stromes Wirkwiderstände entweder in der gemeinsamen

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NfiUä Unterlagen (Art. 7 Μ ♦>?.?··- 1 ^^idJWeT'

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Kollektorzone (π ) als den dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers

entgegengesetzten Leitungstyp besitzende Zonen oder auf dem Halbleiterkörper als aufgebrachte Widerstandsschichten angeordnet sind.

3· Temperaturkompensierte Z-Diode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wirkwiderstände zum Einstellen des über die als Z-Dioden wirkenden pn-Ubergänge fließenden Stromes dient.

4. Temperaturkoiapensierte Z-Diode nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstandes ein Wirkwiderstand (R₀ ... R ) in die Emitterzuleitung jeder, mit Ausnahme der letzten Plußdiode der Kette eingeschaltet ist und daß das emitterferne Ende des Wirkwiderstandes, bzw. der Emitter der letzten Flußdiode mit dem zweiten äußeren AnschJuS (II) verbunden sind.

5· Temperafeurkompensierte Z-Diode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das emitterferne Ende jedes in der zu einer Flußdiode (;2 ... m) gehörenden Emitterzuleitung angeordneten Wirkwiderstands (R*... R¹ ) mit dem Emitter der vorherigen Flußdiode (1_ ... m-1) verbunden Tst und daa der Emitter der ersten Flußdiode Q.) der Kette direkt mit dem zweiten äußeren Anschluß (II) verbunden ist (Fig. ö).

6, Temperaturkompensierte Z-Diode nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß je eine als Z-Diode wirkende Transistorstruktur und je eine als Flußdiode wirkende Transistorstruktur

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zu einerDoppelstruktur (l'...p) zusammengefaßt und in einer gemeinsamen, als Basiszone wirkenden Zone vorn.dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitungstyp dadurch angeordnet sind, daß in die Basiszone von der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers her nebeneinander zwei als Emitter wirksame Zonen (n_£) vom Leitungstyp des Halbleiterkörpers eingelassen sind (Pig. 9)· ·

7· Temperaturkompensierte Z-Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Stromverstärkungsfaktor des von den nebeneinander in die Basiszone eingelassenen Emitterzonen (n«) . gebildeten lateralen Transistors der dynamische Innenwiderstand, die Temperaturkompensationsgüte, minimales Rauschen und die Abbruchspannung der Z-Diode eingestellt ist.

8. Temperaturkompensierte Z-Diode nach den Ansprüchen 6 und/oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Doppelstrukturen (l'...p) und gegebenenfalls weitere als Plußdioden wirksame Transistorstrukturen (I^ ... m) derart hintereinander geschaltet sind, daß dr zur Z-Diode gehörende Emitter der ersten Doppelstruktur (I¹) mit dem ersten äußeren Anschluß (I), der zur Plußdiode gehörende Emitter der ersten Doppelstruktur (l^f) mit dem Z-Diodenemitter der nächsten Doppelstruktur (ü¹) und so weiter bis zur letzten Doppelstruktur (p) verbunden ist, wobei der Flußdiodenemitter der letzten Doppelstruktur (p) entweder am zweiten äuaerenAnschluu (II) oder an der Basis der letzten Transistorstruktur (m) der Flußdiodenkette angeschlossen ist,

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daß ferner zwischen der Basis der ersten Doppelstruktur (1^!) und dem zweiten äußeren Anschluß (II) eine Reihenschaltung aus Wirkwiderständen (^Rt₁ · · «R-n!-) liegt, an deren Verbindungspunkte (22 ...pp) die Basis der-nächsten Doppelstruktur (2'...p), sowie je ein weiterer Wirkwiderstand (R-,^... R_Ei/ ,\) angeschlossen sind, der jeweils zum Plußdiodenemitter der vorhergehenden Doppelstruktur (I¹... p-1) führt, daß ferner im Falle weiterer als Flußdioden vorgesehener Transistorstrukturen (2, ··· El) ^vom Flußdiodenemitter der letzten Doppelstruktur (p) und der Basis derletzten Flußdioden-Transistorstruktur (m) ein Wirkwiderstand (R„i ) zum Emitter dieser Flußdiodenstruktur (m) führt und daß der Emitter und die Basis der ersten als Flußdiode wirksamen Transistorstruktur (V) durch einen Wirkwiderstand (R"_m) überbrückt ist (Fig. 11).

9. Temperaturkompensierte Zenerdiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basis undrFlußdiodenemitter der vorhergehenden Transistorstruktur verbindenden Wirkwiderstände . (R 1 ... Rt₇W i\) durch eine direkte leitende Verbindung ersetzt sind und daß die in den Emitterzuleitungen der nachfolgenden als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen (l ... m) gegebenenfalls angeordneten Wirkwiderstände (R₂ ... R_m) direkt ,mit dem zweiten äußeren Anschluß (il) verbunden sind T^ig· 12).

10. Temperaturkompensierte Z-Diode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basis und den Flußdiodenemitter der vorhergehenden Transistorstruktur verbindenden Wirkwiderstände (RgI₁ ... ^re»(_d_]\) durch eine direkte leitende Verbindung

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ersetzt sind, daß die leitende Verbindung zwischen den Wirkwiderständen (RgI₁... Rßip) der Reihenschaltung unterbrochen ist und daß Basis und Flußdiodenemitter jeder Doppelstruktur mit je einem dieser Wirkwiderstände (R-t.... R_Bi_D) überbrückt ist (Pig. 13). - -

11. Temperaturkompensierte Z-Diode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensation durch Wahl des Widerstandswertes der Emitterwiderstände (R₂ '''R_1n) optimal eingestellt ist.

12. Temperaturkompensierte Z-Diode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß minimales Rauschen durch Wahl des Widerstandswertes -des den durch die Z-Dioden fließenden Strom bestimmenden Wirkwiderstandes (R_-) eingestellt ist.

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