DE1589707C3 - Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung - Google Patents
Temperaturkompensierte Z-DiodenanordnungInfo
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Description
Es ist bekannt, duß die Abbruchspannung von Dioden nicht nur stromabhängig, sondern auch
temperaturabhängig ist, und zwar besitzen Z-Dioden mit einer Abbruchspannung 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 Flußrichtung betriebene Halbleiterdioden
zu der Z-Diode in Serie schaltet (vgl. zu diesen Sachverhalten »Elektronische Rundschau«, Dezember 1957,
S. 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-Halbleiterdiode etwa —2 mV/0 C beträgt, wird für höhere Abbruchspannungen,
insbesondere für solche, die oberhalb von etwa 8 bis 10 V liegen, eine so große Anzahl von
Flußdioden benötigt, daß diese Art der Temperaturkompensation mittels diskreter Bauelemente unwirtschaftlich
wird. So erfordert beispielsweise eine Z-Diode mit einer Abbruchspannung von 15 V sieben
Flußdioden.
Es sind auch temperaturkompensierte Z-Dioden von Abbruchspannungen um 8 V im Handel, bei denen
innerhalb eines Gehäuses eine separate Z-Diode und die zur Temperaturkompensation erforderliche Anzahl
von in Flußrichtung geschalteten Halbleiterdioden angeordnet sind (INTERMETALL-Datenbuch Transistoren-Dioden,
1965/66, S. 480 bis 485).
Diese Z-Diodenkombination besitzt jedoch auf Grund ihres aus diskreten einzelnen Halbleiterbauelementen
innerhalb eines Gehäuses untergebrachten Aufbaus noch Abmessungen (z. B. 2,8 cm3), die erheblich
größer sind als die einer einzelnen Z-Diode vergleichbarer Verlustleistung (z. B. 0,02 cm3). 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.
Der Verkleinerung der Abmessungen bietet sich die bekannte Technik der monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen
an. So ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 32 44 949 eine Schaltung zur
Spannungsstabilisierung in Form einer Halbleiterschaltung 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 einzige Z-Diode und nur eine einzige Flußdiode vorhanden, so daß 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 Halbleiterschaltung aufgebaut werden, so läßt sich dies aber nur dadurch realisieren, daß 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 den USA.-Patentschriften 29 37 963
und 3140 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 anderartigen Dotierungsverhältnisse der einzelnen Zonen von der Wirkungsweise eines Transistors
unterscheidet.
Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte
Z-Diodenanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Z-Diodenanordnung
ist als Teil eines integrierten Differenzverstärkers bekannt, vgl. »Scientia electrica«, Bd. 4 (1963), H. 2,
S. 67 bis 91.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine temperaturkompensierte
Z-Diodenanordnung in Form einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung, insbesondere mit hoher Abbruchspannung, mit geringem
Aufwand zu schaffen, bei der die Temperaturkompensationseigenschaften und der differentielle
Widerstand gegenüber der bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung wesentlich verbessert
sind.
Diese Aufgabenstellung findet ihre Lösung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Allgemeine Prinzipien des Aufbaus von Halbleiterschaltungen sind in in der zuletzt genannten Zeitschrift,
insbesondere S. 79, 85 und 88, beschrieben. Dort ist angegeben, daß für Dioden und Z-Dioden die
■ Basis-Kollektor- oder die Basis-Emitter-pn-Ubergänge
von Transistorstrukturen verwendet werden können. Diese Angaben beziehen sich jedoch auf Halbleiterfestkörperschaltungen
für Verstärker- oder Schaltanwendungen, sogenannte lineare oder digitale Halbleiterfestkörperschaltungen,
bei denen die beabsichtigte Funktion schon a priori Transistorstrukturen bedingt.
Zusätzlich benötigte Dioden oder Z-Dioden werden dann bei solchen Halbleiterschaltungen in der angegebenen
Weise realisiert.
Für einen reinen Zweipol, wie ihn die beanspruchte temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung 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 beanspruchten Aufbau der temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung
ergeben sich auch nicht selbstverständliche vorteilhafte Wirkungen, die noch näher erläutert werden
sollen.
Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun an Hand der in der Zeichnung
dargestellten Figuren näher erläutert und beschrieben. In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
F i g. 1 zeigt den üblichen bekannten Aufbau einer Halbleiterschaltung mit einer Transistorstruktur und
einer Diodenstruktur;
F i g. 2 zeigt gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden, die sich in einer gemeinsamen Kollektorzone
befinden;
Fig. 3a ist das elektrische Ersatzschaltbild von in
Reihe geschalteten Z-Dioden, angeordnet nach F i g. 2;
Fig. 3 b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild von in
Reihe geschalteten Flußdioden, die sich iß einer gemeinsamen Kollektorzone befinden und ebenfalls entsprechend
F i g. 2 angeordnet sind;
F i g. 4 zeigt in umgezeichneter Weise die Flußdiodenkette der Fig. 3b;
F i g. 5 zeigt das durch Emitterwiderstände ergänzte Ersatzschaltbild der Fig. 4;
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;
F i g. 7 zeigt eine vorteilhafte Abwandlung der Anordnung nach den Fig. 6a und 6b;
F i g. 8 zeigt eine andere vorteilhafte Abwandlung der Anordnung nach den Fig. 6a und 6b;
F i g. 9 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus Fig. 6a;
Fig. 10a zeigt eine unter Verwendung der Teilanordnung
nach F i g. 9 aufgebaute vorteilhafte Weiterbildung der beanspruchten Z-Diodenanordnung;
Fig. 10b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der
Anordnung der Fig. 10a;
Fig. 11 zeigt eine andere vorteilhafte Weiterbildung
der beanspruchten Z-Diodenanordnung;
Fig. 12 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung
nach Fig. 11;
. Fig. 13 zeigt eine andere Weiterbildung der Anordnung
nach Fig. 11.
In F i g. 1 ist der bekannte Aufbau einer Halbleiterschaltung 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-Ubergang kurzgeschlossen ist. Das Kollektorgebiet nc ist über die gleichzeitig
mit der Emitterzone nE entstandene Kontaktierzone n'E
und den Kontaktbelag Al mit dem Kollektoranschluß C verbunden.
Ebenso sind die Basiszone pB und die Emitterzone
nE mit ihrem jeweiligen äußeren Anschluß B
bzw. E über den Kontaktbelag Al verbunden. Durch die Isolationsdiffusion pj, die sich von der einen Oberfläche
durch die nc-Zone hindurch bis zum Substrat ps
erstreckt, werden einzelne, durch pn-Ubergänge voneinander isolierte Kollektorzonen nc geschaffen. Die
Oberfläche ist mit Ausnahme der Kontaktbezirke mit einer passivierenden Schutzschicht Ss bedeckt.
Die Dioden können als Durchlaß- oder als Sperrdioden, z. B. als Z-Dioden, in bekannter Weise in
Spannungskonstanthalterschaltungen 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 Halbleiterschaltungen vor allem die Abbruchspannung der pn-Ubergänge nur in engen Gren-'
zen frei wählen kann, ist es oft erforderlich, mehrere Z-Dioden in Reihe zu schalten, um die gewünschte
Abbruchspannung zu erhalten. .
Wie oben bereits erwähnt, können die Z-Dioden in bekannter Weise mit Flußdioden in Reihe geschaltet
werden, um den positiven Temperaturkoeffizienten der Abbriichspannung durch den negativen Temperaturkoeffizienten
der Flußspannung 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 bzw. positivste
Punkt der Schaltung, je nach Leitungstyp des Substrats.
Zur Erläuterung, wie viele Z-Dioden und Flußdioden unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen
maximal in der beanspruchten Weise hintereinandergeschaltet werden können, dienen die folgenden,
anhand der Fig. 2 bis 5 erläuterten Überlegungen, da der Stand der Technik hierzu schweigt.
In den F i g. 2 und 3 a ist eine Anzahl in Reihe und als Z-Dioden geschalteter Transistorstrukturen dargestellt.
Die maximale Anzahl nmax der in Reihe geschalteten
Z-Dioden ist vom Anschluß des Substrats bzw. des Grundmaterials der Kollektorzone nc abhängig.
Es sind folgende Möglichkeiten des Anschlusses denkbar, die in den F i g. 2 und 3 a durch die entsprechenden
kleinen Buchstaben angegeben sind:
α Das Substrat ist nicht angeschlossen. Da das Substrat elektrisch keinem Schaltungspotential
zugeordnet ist, ist diese Betriebsweise ungünstig. Für nmax läßt sich folgende Beziehung angeben:
= ganze Zahl <
U1
CE
uF
wobei U EB die Abbruchspannung der Emitter-Basis-Dioden
und Ucc die Abbruchspannung der Kollektor-Emitter-Strecke der Transistorstrukturen,
insbesondere die Kollektor-Emitter-Abbruchspannung der Transistorstruktur 1, symbolisiert.
b Das Substrat ist mit dem ersten äußeren Anschluß I, also mit dem Pluspol einer äußeren
Stromquelle verbunden. Dies ergibt in der beanspruchten Weise die sicherste Betriebsweise.
Die maximale Anzahl der in Reihe schaltbaren Z-Dioden ergibt sich zu:
= ganze Zahl <
CE
EB
c Das Substrat ist mit dem pB-Gebiet der ersten
Z-Diode in der Kette verbunden. Diese Anschlußmöglichkeit ist wie die des Falles α ungünstig.
d, e Diese Anschlußmöglichkeiten erweisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.
d, e Diese Anschlußmöglichkeiten erweisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.
Mit der Möglichkeit nach b kann man Abbruchspannungen des Z-Diodenteils der beanspruchten
Z-Diodenanordnung im Bereich zwischen der Abbruchspannung UEB des Basis-Emitter-pn-Ubergangs
und der Abbruchspannung UCB des Basis-Kollektorpn-Ubergangs
als ganzzahlige Vielfache der Basis-Emitter-Abbruchspannung UEB 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 — 1)
und η bezeichnet sind. Der Emitter der Transistorstruktur 1 liegt am ersten äußeren Anschluß I. Die
Basis der Transistorstruktur 1 ist mit dem Emitter der nächstfolgenden Transistorstruktur 2 verbunden, ebenso
die Basis dieser Transistorstruktur mit dem Emitter der nächstfolgenden usw. bis zum Emitter der letzten
Transistorstruktur n. Die Basis dieser letzten Transistorstruktur liegt am zweiten äußeren Anschluß II,
der mit dem Minuspol einer äußeren Stomquelle verbunden ist.
Die Fig. 3 b zeigt die den F i g. 2 und 3 a entsprechenden
nun aber in Flußrichtung betriebenen Transistorstrukturen 1 bis m. Die maximale Anzahl
mmax der in Reihe geschalteten Flußdioden ist vom
Anschluß des Substrats bzw. vom Anschluß des Grundmaterials der Kollektorzone nc abhängig. Folgende
Möglichkeiten sind für den Anschluß denkbar:
α Das Substrat ist nicht angeschlossen. Dieser Fall
ist aus den gleichen Gründen wie der Fall α der Z-Diodenkette ungünstig. Es gilt folgende Beziehung:
m„
= ganze Zahl <
U1
CE
+ 1,
JBE
wobei UCE die Kollektor-Emitter-Abbruchspannung
der letzten Transistorstruktur m und U'BE
die Emitter-Basis-Flußspannung der Transistorstrukturen darstellt.
c Das Substrat ist mit dem Pluspol einer äußeren Spannungsquelle verbunden. Es gilt folgende
Beziehung:
= ganze Zahl <
U1
CE
Ul
BE
Dies ergibt in der beanspruchten Weise die sicherste Betriebsweise.
d Das Substrat ist mit dem Emitter der letzten Transistorstruktur
m verbunden. Diese Anschlußweise ist ähnlich ungünstig wie die unter α geschilderte.
b, c Diese Anschlüsse erweisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.
Man kann auf diese Weise Flußspannungen des Flußdiodenteils der beanspruchten Z-Diodenanordnung
von ganzzahligen Vielfachen der Flußspannung eines einzelnen Basis-Emitter-pn-Ubergangs 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 b sind von den m als
Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen die beiden ersten und die beiden letzten gezeigt, die mit 1, 2,
(m— 1) undm bezeichnet sind. Der Emitter der ersten
Transistorstruktur 1 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 usw. 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. 3b in umgezeichneter
Weise dargestellt. Verbindet man die KoI-lektorzone nc mit dem an Plus liegenden äußeren Anschluß
II, so stellt die Flußdiodenkette einen m-fachen DARLINGTON-Verstärker dar. Die jeweiligen Basisströme
der m Transistorstrukturen sind mit J2 bis
J(m+11 bezeichnet. Das Basisstrom der (m —T)-ten
ίο Tränsistorstruktur ist gleich dem Emitterstrom der
m-ten Transistorstruktur.
Der dynamische Widerstand r dieser Anordnung wird im wesentlichen von den Eigenschaften der Transistorstruktur
i bestimmt, r ist nämlich angenähert umgekehrt proportional zur Steilheit S1 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
Jn der Transistorstruktur 1 ist nämlich gleich
dem Gesamtstrom J vermindert um den Emitterstrom J2 der Transistorstruktur 2. J1 ist aber um den
Stromverstärkungsfaktor B1 der Tränsistorstruktur !
kleiner, so daß JQ ungefähr gleich J ist.
Durch eine geeignete geometrische Ausbildung der Transistorstruktur 1 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 Flußspannungen der Basis-Emitter-pn-Ubergänge ein. Der Transistoreffekt der
Transistorstrukturen 1 bis m wird also ausgenutzt.
Die Schaltung der F i g. 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 2 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
JEm gilt näherungsweise bei hinreichend großen
Stromverstärkungsfaktoren Bmi daß der m-te Emitterstrom
gleich ist dem Gesamtstrom J dividiert durch das Produkt der ersten m Stromverstärkungsfaktoren
Bm. Damit nimmt aber auch die Flußspannung U1n der "Flußdioden mit wachsender Ordnungszahl m
ab7da Um proportional dem natürlichen Logarithmus
des Quotienten aus dem m-ten Emitterstrom und dem zugehörigen Emitterstrom ist. Auch steigt mit
kleiner werdendem Emitterstrom der Betrag des relativen und absoluten Temperaturkoeffizienten an, und
die Stromverstärkung Bn, sinkt ebenfalls ab.
Man kann die EmittersTröme J,.m in gewissen Grenzen
frei wählen, wenn man der" Anordnung nach F i g. 4 in Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise
Wirkwiderstände einfügt, wie in F i g. 5 gezeigt ist.
In die Emitterzuleitung jeder der Transistorstrukturen 2 bis m ist je ein Wirkwiderstand R1 bis R^eingefügt,
deren emitterfernes Ende mit dem zweiten
(15 äußeren Anschluß II verbunden ist. Der Emitter der
Tränsistorstruktur 1 führt den Strom J'. während der
Basisstrom der Transistorstruktur/» mit J1111 + I, bezeichnet
ist.
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Die Wirkwiderstände können mit in die Halbleiterschaltung einbezogen werden, und zwar können sie
beispielsweise durch die pB-Diffusion gebildet und in
das den gemeinsamen Kollektor der Flußdioden 1 bis m darstellenden «(-Grundmaterial eingebettet
werden. Da die Basis-Kollektor-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 können aber auch auf dem Halbleiterkörper in
Form von Widerstandsschichten aufgebracht sein. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Einfügens der Wirkwiderstände
ist darin zu sehen, daß der Temperaturkoeffizient der Flußspannung der Anordnung in
Grenzen frei wählbar ist, da er stromabhängig ist und durch den Widerstandswert fein eingestellt werden
kann.
Die F i g. 6a und 6b zeigen nun die Reihenschaltung der oben getrennt betrachteten Z-Diodenkette und
Flußdioden kette, η Z-Dioden und m Flußdioden mit
den zugehörigen Emitterwiderständen R2 bis Rm sind
in die gemeinsame Kollektorzone nc eingelassen". Der
zum Einstellen des durch die Z-Diodenkette fließenden Stromes benötigte Wirkwiderstand Rn wird vorteilhafterweise
ebenfalls in der gemeinsamen Kollektorzone angeordnet.
Die gemeinsame Kollektorzone kann wieder in unterschiedlicher Weise angeschlossen werden. Von
den drei eingezeichneten Möglichkeiten a, b, c ist die Verbindung nach b zu bevorzugen, da in diesem Fall,
entsprechend der Anordnung nach Fig. 4, wieder der größte Anteil des Gesamtstroms durch die Transistorstruktur
1 fließt. Die Verbindungen α und c sind dagegen ungünstiger.
Der dynamische Widerstand r dieser Anordnung ist im Falle der Verbindung b angenähert umgekehrt
proportional zur Steilheit S1 der Transistorstruktur Ij
dieser Wert ist aber kleiff gegen den dynamischen Widerstand von üblichen Z-Dioden.
Die Anzahl der Flußdioden wird so gewählt, daß der Temperaturkoeffizient ihrer Basis-Emitter-Flußspannung
den Temperaturkoeffizienten der Abbruchspannung der η Z-Dioden gerade kompensiert.
Eine feine Einstellung der Kompensation erreicht man in der beanspruchten Weise durch entsprechende
Wahl der Emitterströme der Flußdioden mittels des Wertes der Wirkwiderstände R2 bis Rm.
Den durch die Z-Dioden fließenden Strom wählt man mittels Rn zweckmäßig so, daß das Rauschen der
Z-Dioden möglicht klein wird.
Es ist nicht notwendig, daß die Z-Dioden und die Flußdioden jeweils in zusammengehörenden Gruppen
in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise läßt sich nach F i g. 7 ein Teil der Flußdioden vor und ein Teil
hinter die Z-Dioden schalten, was fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen kann.
Im Beispiel nach F i g. 7 bestimmt der Wirkwiderstand Ri den Strom durch die Transistorstruktur 2,
der Wirkwiderstand R4, den Strom durch die Transistorstruktur
^i und def Wirkwiderstand R2 den Strom
durch die Z-Dioden 1, 2 und die Transistorstruktur_3. Alle Wirkwiderstände sind dabei relativ niederohmig,
also besonders günstig innerhalb der Kollektorzone ohne großen Platzbedarf unterzubringen.
In F i g. 8 ist ein weiterer vorteilhafter Aufbau einer temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung gezeigt.
Durch eine gegenüber der Anordnung nach F i g. 7 andere Aufteilung der Wirkwiderstände erhalten
diese für Halbleiterschaltungen 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, daß das emitterferne Ende mit dem Emitter der vorherigen
Transistorstruktur in Weiterbildung der Erfindung verbunden ist. So ist beispielsweise der zur Flußdiode
der Transistorstruktur 2 gehörende Wirkwiderstand R2 mit dem Emitter der vorherigen Transistor-Struktur"!
verbunden.
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'n kann vorteilhaft
durch den Wirkwiderstand Rn ersetzt werden, der die Basis der letzten Flußdiode 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 Fig. 6b sind die Basiszuleitungen
der Transistorstrukturen η und m miteinander verbunden. Deshalb können die beiden zugehörigen
Emitterzonen in ein gemeinsames Basisgebiet, wie in Fig. 6a gezeigt, eingebracht werden.
In F i g. 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 IEEE«, Dezember
1964, S. 1491 bis 1495, und aus »Solid State Electronics«, 1967, S. 225 bis 234, bekannt. Die Anwendung
auf die beanspruchte temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung erbringt jedoch insofern
eine überraschende Wirkung, als die Eigenschaften der Z-Diodenanordnung durch Wahl des Stromverstärkungsfaktors
zweckmäßig und vorteilhaft beeinflußt werden können. So nimmt beispielsweise die
Abbruchspannung mit geringer werdender Basisweite XB ab. Ist dieser Effekt unerwünscht, so wird XB
groß gemacht, bei den üblichen Planarstrukturen sind hierzu Werte von XB
> 30 bis 50 μΐη ausreichend. Durch den Stromverstärkungsfaktor lassen sich der
dynamische Innenwiderstand, die Güte der Temperaturkompensation und die Rauscheigenschaften der
temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung beeinflussen. Die Verwendung der Doppelstrukturen ist
bei der beanspruchten Z-Diodenanordnung besonders vorteilhaft, weil auf Grund des mit Injektion betriebenen
einen pn-Ubergangs das Rauschen wesentlich vermindert wird. Ferner kann der positive Temperaturkoeffizient
der Abbruchspannung der Z-Diodenanordnung 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 beanspruchten Z-Diodenanordnung. Es sind nämlich alle
als Z-Dioden vorgesehenen Transistorstrukturen mit je einer als Flußdiodi wirkenden Transistorstruktur
zu einer demzufolge aus zwei Transistorstrukturen bestehenden Doppelstruktur zusammengefaßt, so daß
die Doppelstrukturen Γ bis ρ entstehen. Diese sind so untereinander verbunden, daß der Emitter der
als Z-Diode wirkenden Teilstruktur der Doppelstruktur Γ mit dem äußeren Anschluß I, also dem
Pluspol einer äußeren Spannungsquelle verbunden ist, während der Emitter der als Flußdiode wirkenden
Teilstruktur von Γ mit dem zur Z-Diode gehörenden Emitter der nächsten Doppelstruktur 2' verbunden
ist. Der Emitter der Flußdiode von 2' 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 Flußdiodenkette, entsprechend dem Anschluß
II der Anordnung nach Fig. 3, verbunden sein; von dieser Flußdiodenkette ist die erste Transistorstruktur
1 in den Fig. 10a und 10b gezeigt.
Durch die in die Kollektorzone nc ebenfalls einbringbaren
Wirkwiderstände Rm, bis RBp, die mit der
Basis der zugehörigen Doppelstruktur verbunden sind, können die in den Z-Dioden fließenden Ströme gewählt
werden. Durch die ebenfalls in die Kollektorzone nc einbringbaren Wirkwiderstände Rn, bis REp,
die zu den zur jeweiligen Flußdiode gehörenden Emittern der Doppelstrukturen führen, werden die Emitterströme
der als Flußdioden wirksamen Teilstrukturen der Doppelstrukturen eingestellt.
Die Wirkwiderstände Rm, bis RB und Rn, bis REp
sind also wie beansprucht ebenfalls in die gemeinsame Kollektorzone nc eingelassen, so daß keine isolierten
anderen nc-Gebiete benötigt werden.
Unter Ausnutzung der an Hand der Fig. 10 a und
10 b erläuterten Prinzipien und unter Heranziehung der bei der Erläuterung der Fig. 5, 7 und 8 gemachten
Erwägungen kann die Anordnung der Fig. 10a und
10 b noch weiter in vorteilhafter Weise abgeändert und vereinfacht werden. Dies zeigt Fig. 11.
Die Emitter der Doppelstrukturen Γ bis 8 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 Rm bis RB,p bilden eine Serienschaltung;
wobei ihr Anfang, nämlich das eine Ende von RBn mit der Basis der Doppelstruktur Γ verbunden
ist, während ihr Ende am zweiten äußeren Anschluß II liegt.
An jedem Verbindungspunkt 22 bis pp zweier aufeinanderfolgender
Wirkwiderstände der Kette RBn bis RB/p ist die Basis der entsprechenden nächsten
Doppelstruktur angeschlossen, also z. B. am Verbindungspunkt 22 von R^1 und RB,2 die Basis der
Doppelstruktur 2'. Ferner führt von diesen Verbindungspunkten je ein Wirkwiderstand Rm bis RE,^_U
zu den Emittern der als Flußdioden wirksamen Teilstrukturen
der zugehörigen Doppelstrukturen. So liegt etwa der Wirkwiderstand i?£/1 zwischen dem
Flußdiodenemitter der Doppelstruktur Γ und dem Verbindungspunkt 22 von Rm und RB,2, also auch an
ίο der Basis der Doppelstruktur 2'. Der letzte Wirkwiderstand
K£, der i?£,-Reihe führt im Gegensatz dazu
vom Flußdiodenemitter der Doppelstruktur p, der auch mit der Basis der Flußdiode der Transistorstruktur
m verbunden ist, zum Emitter der Transistorstruktur m und zur Basis der nächstniederen Flußdioden-Transistorstruktur,
hier also zur Basis der Transistorstruktur L Zwischen der Basis der nächstniederen
Transistorstruktur und deren Emitter liegt der Widerstand R1^1.
In den Fig. 12 und 13 sind weitere Möglichkeiten
gezeigt, wie die Doppelemitterstrukturen hintereinandergeschaltet werden können. Es ergibt sich eine
Einsparung von Wirkwiderständen.
So zeigt die F i g. 12 eine Anordnung, bei der die die
Basis mit dem Flußdiodenemitter der vorhergehenden Doppelemitterstruktur verbindenden Wirkwiderstände
REn bis i?E/(p_i) durch einen Kurzschluß ersetzt sind,
d. h. durch eine direkte leitende Verbindung. Ferner ist der Wirkwiderstand REp des Flußdiodenemitters
der letzten Doppelemitterstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß II verbunden. Ebenso liegt der
Widerstand Rm, der in die Emitterleitung der letzten
der nachfolgenden Flußdiodenkette eingefügt ist, am äußeren Anschluß II. Auch die Emitterwiderstände
weiterer Flußdioden können am äußeren Anschluß II angeschlossen sein, wie schon in der F i g. 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 Rm ... RB,p durch Weglassen
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. 13
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-Diodenanordnung
angepaßt werden.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer Halbleiterschaltung, die aus
mehreren nichtlinearen und linearen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper des einen Leitungstyps
angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Einzelelementen
besteht und die mit zwei äußeren An- ι ο Schlüssen versehen ist, bei der als Einzelelemente
mehr als zwei Transistorstrukturen dienen, der Halbleiterkörper die gemeinsame Kollektorzone
aller Transistorstrukturen darstellt, die Basis-Emitter-pn-Ubergänge der Transistorstrukturen bezüglich
der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet sind,
daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Ubergänge in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden
und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, und bei der gegebenenfalls
der Emitter der letzten als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß Wirkwiderstände zum Einstellen des über einzelne pn-Ubergänge fließenden Stromes
entweder in der gemeinsamen Kollektorzone (nc) als den dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers
entgegengesetzten Leitungstyp besitzende Zonen oder auf dem Halbleiterkörper als aufgebrachte
Widerstandsschichten angeordnet sind, daß zur Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstandes
die Transistorwirkung von mindestens einem Teil der als Flußdioden 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 Flußdiode wirkenden
Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren An-Schluß (II) verbunden ist.
2. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur weiteren Erniedrigung des dynamischen Innen Widerstandes ein Wirkwiderstand (R2 ... Rm)
in die Emitterzuleitung jeder, mit Ausnahme der letzten Flußdiode der Kette eingeschaltet ist
und daß das emitterferne Ende des Wirkwiderstandes bzw. der Emitter der letzten Flußdiode
mit dem zweiten äußeren Anschluß (II) verbunden sind.
3. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das emitterferne Ende jedes in der zu einer Flußdiode (2 ... m) gehörenden Emitterzuleitung
angeordneten Wirkwiderstandes (R'2 ... R,'„) mit
dem Emitter der vorherigen Flußdiode (1 ... m—\) verbunden ist und daß der Emitter der letzten
Flußdiode (1) der Kette direkt mit dem zweiten äußeren Anschluß (II) verbunden ist (F i g. 8).
4. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß je eine als Z-Diode wirkende Transistorstruktur und je eine als Flußdiode
wirkende Transistorstruktur zu einer Doppelstruk- 65 >
tür (Γ .. . p) zusammengefaßt und in einer gemeinsamen,
als Basiszone wirkenden Zone vom dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers entgegen- Z-gesetzten
Leitungstyp dadurch angeordnet sind, daß in die Basiszone von der einen Oberfläche des
Halbleiterkörpers her nebeneinander zwei als Emitter wirksame Zonen (nE) vom Leitungstyp
des Halbleiterkörpers eingelassen sind (Fig. 9).
5. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anzahl Doppelstrukturen (Γ ... p) und ■gegebenenfalls weitere als Flußdioden wirksame
Transistorstrukturen (1 .. . m) derart hintereinandergeschaltet sind, daß der zur Z-Diode gehörende
Z-Diodenemitter der ersten Doppelstruktur (Γ) mit dem ersten äußeren Anschluß (I),
der zur Flußdiode gehörende Flußdiodenemitter der ersten Doppelstruktur (Γ) mit dem Z-Diodenemitter
der nächsten Doppelstruktur (T) usw. bis zur letzten Doppelstruktur (p) verbunden ist,
wobei der Flußdiodenemitter der letzten Doppelstruktur (p) entweder am zweiten äußeren Anschluß
(II) oder an der Basis der letzten Transistorstruktur (m) der Flußdiodenkette angeschlossen
ist, daß ferner zwischen der Basis der ersten Doppelstruktur (Y) und dem zweiten äußeren Anschluß
(II) eine Reihenschaltung aus Wirkwiderständen (R8n ... RB,p) liegt, an deren Verbindungspunkte
(22 ... pp) die Basis der nächsten Doppelstruktur (2' ... p) sowie je ein weiterer
Wirkwiderstand (R^1 ... RL,(p_i)) angeschlossen
sind, der jeweils zum Flußdiodenemitter der vorhergehenden Doppelstruktur (V... ρ — 1) führt,
daß ferner im Falle weiterer als Flußdioden vorgesehener Transistorstrukturen (1 . .. m) vom
Flußdiodenemitter der letzten Doppelstruktur (p) und der Basis der letzten Flußdioden-Transistorstruktur
(m) ein Wirkwiderstand [RE,p) zum Emitter
dieser Flußdiodenstruktur (m) führt und daß der Emitter und die Basis der ersten als Flußdiode
wirksamen Transistorstruktur (1) durch einen Wirkwiderstand (R'£) überbrückt ist (Fig. 11).
6. Temperaturkolhpensierte Z-Diodenanordnung
nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basis und den Flußdiodenemitter
der vorhergehenden Transistorstruktur verbindenden Wirkwiderstände (Rm .. . RE,{p-u) durch
eine direkte leitende Verbindung ersetzt sind und daß die in den Emitterzuleitungen der nachfolgenden
als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen (I ... m) gegebenenfalls angeordneten Wirkwiderstände
(R1 ... R1J direkt mit dem zweiten
äußeren Anschluß (II)~verbunden sind (Fig. 12).
7. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Basis und den Flußdiodenemitter der vorhergehenden Transistorstruktur verbindenden
Wirkwiderstände (R^1 ... i?£,(p_t) durch eine
direkte leitende Verbindung ersetzt sind, daß die leitende Verbindung zwischen den Wirkwiderständen
(RBn ... RB,p) der Reihenschaltung unterbrochen
ist und daß Basis und Flußdiodenemitter jeder Doppelstruktur mit je einem dieser Wirkwiderstände
(Rm ... R11,) überbrückt ist (F i si.
13).
Priority Applications (10)
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---|---|---|---|
DE1967D0054814 DE1589707B2 (de) | 1967-12-09 | 1967-12-09 | Temperaturkompensierte Z Diodenanord nung |
DE1639173A DE1639173C3 (de) | 1967-12-09 | 1968-01-20 | Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung |
DE1764251A DE1764251C3 (de) | 1967-12-09 | 1968-05-02 | Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung und Verfahren zu deren Herstellung |
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US781358A US3567965A (en) | 1967-12-09 | 1968-12-05 | Temperature compensated zener diode |
ES361196A ES361196A1 (es) | 1967-12-09 | 1968-12-07 | Un diodo zener con compensacion de temperatura. |
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FR1599179D FR1599179A (de) | 1967-12-09 | 1968-12-09 | |
GB2563/69A GB1245531A (en) | 1967-12-09 | 1969-01-16 | Temperature compensated zener diode |
GB20659/69A GB1245668A (en) | 1967-12-09 | 1969-04-23 | Temperature compensated zener diode |
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Publications (1)
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