DE1764234A1

DE1764234A1 - Monolithische Halbleiteranordnung mit integrierten Leistungstransistoren,insbesondere als Spannungsregler fuer Fahrzeuglichtmaschinen

Info

Publication number: DE1764234A1
Application number: DE19681764234
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Phys Conzelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1968-04-27
Filing date: 1968-04-27
Publication date: 1971-07-01
Also published as: SE354384B; GB1269362A; AT292851B; FR1595497A; ES366493A1; BR6908351D0; NL6905243A; US3596115A

Description

176A234

L-33
24.4.1968 Lr/Sz

Anlage zur

Patent- und ,„„„,.„„„

Gebrauchsmusterhilf8-^Anmeldune

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart W, Breitscheidstraße 4·

Monolithische Halbleiteranordnung mit integrierten Leistungstransistoren, insbesondere als Spannungsregler für Fahrzeuglichtmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine monolithische Halbleiteranordnung, die in einem gemeinsamen Halbleiterkörper mindestens einen Leistungstransistor und einen oder mehrere Vorstufentransistoren enthält und insbesondere zur Verwendung als Spannungsregler von Fahrzeuglichtmaschinen vorgesehen ist.

Es ist bekannt, elektronische Schaltungen, die mehrere aktive und passive Bauelemente, wie Transistoren, Dioden, Widerstände und auch Kondensatoren enthalten, in einem einzigen Halbleiterplättchen herzustellen und dabei das sogenannte Planarverfahren anzuwenden.

Neue Unterlagen (Art. 7 11 Ab·. 2 Nr. 1 8att 3 da« Änderungen··· v. 4.9.1967)

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Bei diesem Verfahren werden die erforderlichen p- bzw. n-leitenden Zonen in eine mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,1 und IJZcm hergestellte Epitaxieschicht eindiffundiert, wobei sich die Epitaxieschicht auf einem entgegengesetzt dotierten, höherohmigen Substrat von beispielsweise jSlcm befindet. Der pn-übergang zwischen Substrat und Epitaxieschicht dient zur Isolation der einzelnen Bauelemente gegeneinander. Damit er diese Funktion erfüllen kann, darf der pn-übergang an keiner Stelle und in keinem möglichen Betriebszustand in Durchlaßrichtung gepolt sein. Die Kollektoranschlüsse können deshalb nur nach oben herausgeführt werden. Hierdurch ergeben sich relativ große Kollektorbahnwiderstände, die nur Transistoren für kleine Kollektorströme erlauben.

Während integrierte Schaltungen üblicherweise nur Transistoren eines einzigen Leitfähigkeitstyps, also entweder nur npn- oder nur pnp-Transistoren enthalten, sind auch Anordnungen mit komplementären Paaren bekanntgeworden, wobei der zur normalen Struktur komplementäre Transistortyp entweder als Lateraltransistor oder aber als Substrattransistor ausgebildet ist. Wegen des hochohmigen Substrats besitzen jedoch auch diese Substrattransistoren einen großen Bahnwiderstand, so daß auch sie nicht für große Ströme brauchbar sind.

Um größere Ausgangsströme bzw. Ausgangsleistungen zu erhalten, sieht man deshalb für die leistungsschwachen Vorstufen und die Leistungsstufen getrennte Kristallplättchen vor, die dann meist in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Diese bekannte Lösung verlangt aber neben der Fertigung zweier verschiedener Kristallplättchen mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren auch noch zusätzliche Isolationen und Verbindungsleitungen im Gehäuse und ist also ziemlich aufwendig.

Dor Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vor allem für oder als Spannungsregler für Fahrzeuglichtmaschinen verwendbare monolithische Halbleiteranordnung zu schaffen, in welcher der zusammen mit einer oder mehreren leistungsschwachen Vorstufen in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integrierte Leistungstransistor Ströme von

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mindestens zwei Ampere mit einer Schaltfrequenz von wenigstens 20 Hz im Dauerbetrieb ein- und auszuschalten vermag. Außerdem sollen zur Herstellung eines derartigen integrierten Schaltkreises möglichst wenig Diffusionsvorgange erforderlich Bein.

Dies ist bei einer Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art möglich, bei welcher erfindungsgemäß der Halbleiterkörper aus einem hochdotierten, niederohmigen Substrat und einer auf diesem sitzenden, schwächer dotierten und höherohmigen Epitaxieschicht besteht und bei welcher der Leistungstransistor und der bzw. die Vorstufentransistoren komplementär zueinander ausgebildet sind. Zweckmäßig ist wenigstens der Leistungstransistor als Substrattransistor ausgebildet. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Leistungstransistor in Kollektorschaltung betrieben wird.

Weitere Ausgestaltungen, und zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den Ansprüchen in Verbindung mit den nachstehend beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine übliche Struktur einer integrierten Schaltung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Struktur gemäß der Erfindung mit einer Epitaxieschicht vom gleichen Leit- , fähigkeitstypus wie das Substrat,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine besonders vorteilhafte Struktur gemäß der Erfindung mit einer Epitaxieschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstypus wie das Substrat,

Fig. 4- als Anwendungsbeispiel der Erfindung die Prinzipschaltung eines Spannungsreglers für eine Kraftfahrzeug-Lichtmaschine ,

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Fig. 5 die Gesamtschaltung des Spannungsreglers nach Fig. 4, während

Fig. 6 eine bevorzugte, geringfügig abgewandelte Ausführungsforra zeigt.

In Fig. 1 sind die heute üblichen Strukturen integrierter Schaltungen im Querschnitt dargestellt. In diesem Beispiel ist Tl ein in üblicher Weise integrierter npn-Transistor; T2 ein dazu komplementärer pnp-Lateraltransistor; T3 ist ein komplementärer pnp-Substrattransistor und T4 ist ein ebenfalls komplementärer pnp-Transistor, der durch eine zusätzliche p⁺⁺-Diffusion gewonnen wurde. Die integrierte Schaltung kann Jeweils mehrere der Transistoren Tl bis T4 enthalten, die auch in bekannter Weise als Dioden eingesetzt werden können. Auf dem p-dotierten, hochohmigen Substrat mit einem spezifischen Widerstand/P von etwa 5Λ cm ist eine niederohmige ndotierte Epitaxieschicht (/c 0,5Λ cm) mit einer Dicke d von ca. 10 um aufgebracht. Diese Epitaxieschicht ist durch die Isolierungsdiffusion J in η-leitende Wannen unterteilt, welche die einzelnen Transistoren aufnehmen. Um wirksam zu sein, muß diese Isolierungsdiffusion durch die Epitaxieschicht bis zum p-Substrat hindurchreichen.

Eine weniger tief geführte p-Diffusion bildet die Basis Bl und eine noch weniger tief reichende n⁺-Diffusion ergibt den Emitter El des Transistors Tl. Die verbleibende n-Epitaxiewanne ist die zum Transistor Tl gehörende Kollektorzone Kl, die jedoch nur von oben her für eine Anschlußelektrode zugänglich ist.

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

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

Eine weitere Möglichkeit, komplementäre Transistoren zu erhalten, ist durch eine zusätzliche p⁺⁺-Diffusion wie bei T4 gegeben. Hier bildet die η-Epitaxie die Isolierwanne, die erste p-Diffusion ergibt den Kollektor K4, die n⁺-Diffusion liefert die Basis B4 und die zusätzliche p⁺⁺-Diffusion den Emitter E4. Die Spannungsfestigkeit der Kollektor-Basis- bzw. der Basis-Emitter-ttbergänge ist bei dieser Anordnung jedoch geringer als bei den Transistoren Tl bis T3.

Wenn auch die in Fig. 1 angegebenen Polaritäten üblich sind, läßt sich die Struktur grundsätzlich auch komplementär aufbauen, indem die p-Zonen durch η-Zonen und die η-Zonen durch p-Zonen ersetzt werden.

Anordnungen nach Fig. 1 erfordern mindestens drei Diffusionen, nämlich die Isolierungsdiffusion (p), die Basisdiffusion Bl (p) und die Emitterdiffusion El (n⁺).

Grundsätzlich anders aufgebaut ist die Struktur gemäß der Erfindung nach Fig. 2. In dem dargestellten Beispiel sind Tl und T2 expitaxiale Substrattransistoren vom pnp-Typus, T3 ein dazu komplementärer npn-Transistor, der in seinem Aufbau dem normalen integrierten Transistor Tl gemäß Fig. 1 entspricht. Auch hier können die einzelnen Transistoren Tl, T2 und TJ mehrfach in der Schaltung enthalten sein.

Im Gegensatz zur Struktur nach Fig. 1 ist hier jedoch das auf einer Metallunterlage 1 sitzende Substrat 2 extrem hoch dotiert und deshalb niederohmig, Außerdem hat die schwächer dotierte Epitaxieschicht 3 die gleiche Polarität wie das Substrat. In die Epitaxieschicht sind nacheinander drei Zonen n, p*und n⁺⁺ eindiffundiert. Bei den pnp-Substrattransletoren Tl und T2 bildet die p-Epitaxieschicht 3 die

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Kollektorzonen Kl und K2, die erste n-Diffusion ergibt die Basen Bl und B2 und die p⁺-Diffusion die Emitter El und E2. Die Kollektoren dieser Substrattransistoren sind über das extrem niederohmige Substrat 2 nach unten herausgeführt; sie haben deshalb ähnlich niedrige Kollektorbahnwiderstände wie getrennt hergestellte, epitaxiale Leistungstransistoren. Die leistungsschwachen Vorstufen werden mit den dazu komplementären npn-Transistoren T3 ausgeführt, bei denen die erste* η-Diffusion für die Kollektorzone K3 und die p⁺-Diffusion für die Basis B3 herangezogen werden; die Emitter E3 der T3-Transistoren werden durch die zweite n-Diffusion (n⁺⁺) erzeugt. Da die n-Zonen der ersten η-Diffusion in die p-Epitaxieschicht 3 eingebettet sind, verlangt diese Struktur keine Isolierungsdiffusion, so daß sie sich ebenso wie die Struktur nach Fig. 1 mit drei 'Diffusionen herstellen läßt. Um die Isolierung zu verbessern, kann die p⁺-Diffusion auch zwischen die η-Wannen gelegt und mit dem Substrat verbunden werden, wie es zwischen den Transistoren T2 und T3 bzw. rechts vom Transistor T3 angedeutet ist.

Eine besonders vorteilhafte Abwandlung der Erfindung stellt die Struktur nach Fig. 3 dar, bei der sich für die besonders kritischen Leistungstransistoren eine homogen dotierte Basiszone ergibt.

Das hochdotierte p⁺-Substrat 2 trägt eine schwächer dotierte n-Epitaxieschicht 4, von welcher die Basen Bl, B2 der beiden Leistungstransistoren Tl und T2 und der Kollektor K3 des dazu komplementären Transistors T3 gebildet werden. Die einzelnen Transistorsysteme werden durch eine erste p-Diffusion I als Isolierungsdiffusion voneinander getrennt. Durch die nachfolgende p⁺-Diffusion werden die Emitter El, E2 der Leistungstransistoren Tl, T2 bzw. die Basis B3 des komplementären Transistors T3 hergestellt. Der Emitter E3 des Transistors T3 wird anschließend in einer dritten Diffusion (n⁺⁺) erzeugt.

Auch diese Struktur erfordert nur drei Diffusionen. Sie bestitzt darüber hinaus den großen Vorzug, daß sich alle Transistoren leicht

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mit gleicher Kollektorspannung herstellen lassen, da diese bei
hinreichendem Abstand der p⁺-Diffusionszone vom ρ "^-Substrat allein durch die Dotierung der η-Epitaxieschicht bestimmt ist. Entsprechend den diskreten Leistungstransistoren mit homogener Basis d/eift; sich bei den Substrattransistoren Tl, T2 die Kollektorsperrschicht mit zunehmender Kollektorspannung in die Basiszone hinein aus.

Die Strukturen gemäß der Erfindung weisen im Gegensatz zu den herkömmlichen Strukturen ein hochdotiertes p-Substrat 2 auf. Dies hat zur Folge, daß die Dotierungssubstanz des Substrats während der nachfolgenden Prozesse, die ja hohe Temperaturen erfordern, in die n-Epitaxieschicht hineindiffundiert wirde«. Es iet deshalb vorgesehen, das Substrat mit solchen Stoffen zu dotieren, die niedrigere Diffusionskoeffizienten aufweisen als die Dotierungsstoffe der einzudiffundierenden Zonen. Umgekehrt ist es vorteilhaft, für die Isolierungsdiffusion Stoffe mit hohem Diffusionskoeffizienten zu verwenden. Beispielsweise werden folgende Stoffe vorgeschlagen:

Substrat	P⁺	Indium, Bor	n⁺	Arsen, Antimon
Epitaxie	η	Arsen, Antimon	P	Indium, Bor
Isolierungsdiffusion	P	Aluminium, Bor	η	Phosphor
1. Diffusionszone	P⁺	Bor	n⁺	Phosphor
2. Diffusionszone	n⁺⁺	Phosphor	P⁺⁺	Bor

Die Herstellung von Widerständen und Sperrschichtkapazitäten in den Strukturen nach Pig. 2 und 3 unterscheidet sich nicht von den seitherigen Lösungen; auf sie wurde deshalb nicht besonders eingegangen.

Die schaltungstechnische Anwendung dieser Strukturen ist nachstehend an einem Spannungsregler für eine Kraftfahrzeuglichtmaschine als Beispiel erläutert:

Die pn-Uberßänge von der Epitaxieschicht 4 zum Substrat 1 ϊΐ,α^κη
wegen der luolationsbedingung stets in Sperrichtung gepolt sein.

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Dies bedeutet, da die Kollektoren der Leistungstransistoren mit dem Substrat verbunden sind, daß die Arbeitswiderstände der Leistungstransistoren im Emitterkreis angeordnet werden müssen. In Fig. 4 bezeichnet Tr einen in Kollektorschaltung arbeitenden Leistungstransistor, in dessen Emitterkreis die Erregerwicklung 11 der im übrigen nicht dargestellten Lichtmaschine mit ihrem Kupferwiderstand 12 liegt. Der Regler arbeitet nach dem Ein-Aus-Prinzip. Parallel zu 11, 12 liegt deshalb eine Freilaufdiode D4. Der Leistungstransistor Tr wird von einem Vorverstärker mit den Transistoren Tu und Tv angesteuert; R2 ist der Kollektorwiderstand des Transistors Tu; mit Zl ist eine als Spannungsreferenzelement dienende Zenerdiode angedeutet. Die Widerstände Rl, R5 sind Basis-Emitter-Widerstände zur Erzielung einer größeren TemperaturStabilität des Reglers. Die Widerstände R8, RIO dienen als Spannungsteiler zum Einstellen der Sollspannung des Reglers. Der Widerstand R6 bildet zusammen mit dem resultierenden Widerstand von R8, RIO einen Mitkopplungszweig, der sicherstellt, daß der Leistungstransistor entweder voll stromleitend oder ganz gesperrt ist. Hierdurch werden unerwünschte Zwischenlagen des Reglers und sonst entstehende hohe Verlustleistungen im Leistungstransistor Tr vermieden. Z2 bezeichnet eine Zenerdiode, die dazu dient, sonst in der Anlage auftretende unerwünschte Spannungsspitzen abzufangen. Mit 13» 14 sind die Anschlußklemmen der nicht dargestellten Lichtmaschine angedeutet.

Solange die Klemmspannung der Lichtmaschine kleiner ist als die Sollspannung, bleibt die Zenerdiode Zl und demzufolge auch der Transistor Tu stromlos. Die Basis des Transistors Tv liegt dann über R2 an der vollen Betriebsspannung, der Transistor Tv ist eingeschaltet und daher die Basis des Transistors Tr mit der Klemme 13 verbunden; Tr ist daher stromleitend, und die Lichtmaschine wird voll erregt, wobei ihre Spannung an den Klemmen 13* 14 ansteigt, und zwar so weit, bis Zl leitend wird. Dann wird Tu stromleitend, wohingegen Tv und damit auch Tr stromlos werden. Der in der Erregerwicklung 11 seither fließende Strom kann über die Freilaufdlode aueklingen.

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Infolge des Abbaus des Magnetfeldes fällt die Spannung der Lichtmaschine ebenfalls ab. Die Zenerdiode Zl wird demzufolge wieder stromlos, der Transistor Tu ebenfalls, und das Spiel beginnt von neuem.

Die in Fig. 4 im Prinzip dargestellte Schaltung kann auf einem p- oder η-Substrat aufgebaut sein. Liegt in der Lichtanlage des Kraftfahrzeugs der Minuspol an Masse, so ist es zweckmäßig, p-leitendes Substrat zu verwenden, da dann der Kollektor des oder der Leistungstransistoren ebenfalls an Masse gelegt werden kann, so daß keine Isolation zwischen Gehäuse und wärmeabführender Masse erforderlich ist. Außerdem ergibt sich ein weiterer Vorteil: Die Basiszone des Leistungstransistors Tr ist dann η-leitend, und wegen der höheren Trägerbeweglichkeit der Elektronen bei gleicher zulässiger Kollektorsperrspannung für den Transistor Tr ergibt sich eine höhere Leitfähigkeit als bei p-leitender Basiszone.

In der Schaltung nach Fig. 4· kann die Zenerdiode Zl mit den übrigen Bauelementen integriert werden; sie wird erhalten during, die n⁺⁺-Diffusion, indem beispielsweise für den Transistor Tu ein Aufbau wie für den Transistor T3 nach Fig. 2 oder 3 vorgesehen und ein zweiter n⁺⁺-Emitter innerhalb der Basiszone B3 erzeugt wird. Bei den üblichen Diffusionsprozessen liegt die Zenerspannung zwischen 6 V und 10 V. Da einerseits sich in diesem Spannungsbereich der Temperaturkoeffizient der Zenerspannung von etwa Null bei 6 V mit zunehmender Spannung in Richtung positiver Werte stark ändert, andererseits aber die Schaltung in einem weiten Temperaturbereich brauchbar arbeiten soll, ist vorgesehen, den Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode Zl durch eine oder mehrere in Reihe geschaltete Dioden Dl, D2, D3 zu kompensieren. Die Entscheidung, ob und wieviele dieser Dioden zur Kompensation erforderlich sind, wird vor dem Kontaktieren aufgrund einer Messung der Zenerspannung von Zl gefällt.

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Zenerdioden können Störspannungen von mehr als 100 mV aufweisen. Bei diskreten Elementen lassen sich diese durch parallelgeschaltete Kondensatoren von einigen nF unterdrücken. Von außen kommende Störspannungen werden ebenfalls durch Schaltungen ausgesiebt, die Kondensatoren enthalten. In monolithisch integrierten Schaltungen ist dieser Weg jedoch nicht gangbar. Es ist deshalb vorgesehen, die jeweils stromführenden Transistoren im Sättigungsbereich zu betreiben. Die Funktion der bei bekannten Regleranordnungen verwendeten Kondensatoren wird somit durch die Speicherwirkung von mit Ladungsträgern überschwemmten pn-Ubergängen übernommen.

Fig. 5 zeigt ein für einen Erregerstrom von ca. 4- A vorgesehenes Ausführungsbeispiel, bei dem der Minuspol am Substrat und am Gehäuse der integrierten Reglerschaltung liegt. Der zu integrierende Teil der Schaltung ist mit unterbrochenen Linien umrahmt. Der Leistungstransistor Tr wird zweckmäßig durch mehrere untereinander parallelgeschaltete Transistoren Tl, T2 der in Fig. 2 oder 3 angegebenen Art realisiert, die Vortransistoren Tu und Tv mit Transistorsystemen der dort mit T3 angedeuteten Art.

Zur Erhöhung der Stromverstärkung sind gegenüber Fig. 4 zwei Transistoren Tx und Ty in Kollektorschaltung eingefügt. Hierbei ist vor^· gesehen, daß der Transistor Tx wie ein npn-Transistor T3 nach Fig. oder 3, der Transistor Ty jedoch wie einer der Leistungstransistoren Tl oder T2 nach Fig. 2 oder 3 ausgebildet wird. Zur Kompensation des Temperaturganges der Zenerdiode Zl dienen die Dioden Dl, D2, D3 mit den Anschlußpunkten 15, 16, 17 und 18. Die Sollspannung des Reglers wird beispielsweise durch das Potentiometer R9 eingestellt.

Der Mitkopplungswiderstand R6 in Fig. 4 ist hochohmig und nimmt deshalb relativ viel Platz ein. Es werden deshalb anhand von Fig. 5 weitere Mitkopplungswege angegeben.

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Dar. Mitkopplungsnetzwerk ist entweder gegeben durch die Widerstände Rb, R7, dann haben RIl, R12, Rl5, R14 den Wert Null Ohm, oder durch R';, RIl, R12, dann sind R7, R13, R14 Jeweils Null und R6 unendlich, odor durch R13, dann sind R7, RIl, R12, R14 jeweils Null und R6 unendlich, oder schließlich durch R14, dann sind R7, RH, R12, R13 Null und R6 unendlich.

Die einfachste Mitkopplung ergibt sich durch R13 oder R14, wobei zweckmäßig R14 in der Anschlußleitung des Reglers untergebracht ist. In diesem Falle entsteht die Verlustwärme, die bei 4 A Krregerstrom ca. 1 W beträgt, außerhalb der integrierten Schaltung. Niederohmig, mit extrem kleiner Verlustleistung und daher mit kleiner effektiver Fläche, läßt sich/die Mitkopplung durch RH, R12 integrieren. Dabei wirkt der Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Rv dem der Stromverstärkungsfaktoren entgegen; falls erforderlich, läßt sich ein etwaiger Rest mittels R12 kompensieren, dessen Wert zwischen Null und einigen kil liegen kann.

Die als Schutz gegen Überspannungen dienende Zenerdiode Z2 kann entweder außerhalb oder aber innerhalb der integrierten Schaltung als Substratdiode liegen. Wird sie nicht mitintegriert, so ist ihre Zenerspannung zweckmäßig etwas unterhalb der Kollektordurchbruchsspannung der integrierten Schaltung zu legen.

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

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

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Beispielsweise sollen noch die Dotierungen einer Struktur nach Fig. für eine Sollspannung des Reglers von ca. 14 V angegeben werden:

Konzentration

In

Substrat
Epitaxie
Isolierungsdiffusion Al (B)

As od. Sb 1 · 10¹⁶ ... 3 ' 10¹⁶

ρ -Diffusion
n⁺⁺-Diffusion

B P

Dicke der Epitaxieschicht Tiefe des n⁺⁺-p⁺-übergangs ¹¹ " p⁺-n-Übergangs " " n-p⁺-Ubergangs

(10²¹)

IO

ca. 8-10 mm * 10

2,5

5,5

* 10

10

-3 -3 -3 -3

homogen homogen Oberfläche

Wegen des hochdotierten Substrats ist bei den einzelnen Diffusionsprozessen das Produkt aus dem Diffusionskoeffizienten und der Zeit so klein wie möglich zu halten. Die Isolierungsdiffusion ist deshalb als erster Prozeß so zu führen, daß die Dotierungssubstanz das Substrat erst während der nachfolgenden Diffusionsprozesse erreicht.

Der in Fiβ. 6 in seinem Schaltbild dargestellte Regler stellt eine bevorzugte, jedoch geringfügig gegenüber Fig. 5 abgewandelte Ausführungeform dar, die auf einem η -Substrat integriert werden kann. AId Leistunßsstufe für den Erregerstrom in der Feldwicklung 11 einer im übrigen nicht dargestellten Fahrzeuglichtmaschine dienen hier zwei in bekannter Darlington-Anordnung miteinander verbundene Transistoren TI5 und T16 vom npn-Typ. Anstelle des Vorstufen-Transistors Tu nach Fig. 4 sind hier zwei pnp-Transistoren TIl und T12 ebenfalls in Darlington-Anordnung vorgesehen, die sich für eine integrierte Schaltung besonders gut eignet. Als dritte Darlington-Anordnung sind die beiden Transistoren Tl3 und T14 vom pnp-Typ vorgesehen. Die Transistoren TIl

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bis T16 können zusammen mit den Dioden Dl, D2 und D4-, mit der Zenerdiode und mit den Widerständen Rl bis R16 in bekannter Technik auf einem hochdotierten n⁺-Substrat mit niedriger dotierter p-Epitaxieschicht unter Umkehrung der in den Pig. 2 und 3 angegebenen Polaritäten erzeugt werden. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn zur Einsparung eines besonderen Rückkopplungswiderstandes der Arbeitswiderstand R16 des Transistors T14· an den Verbindungspunkt der zum Eingangsspannungsteiler gehörenden Widerstände R9 und RIO angeschlossen ist.

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

Die Sollspannung des Reglers wird bestimmt durch die Spannung der Reihenschaltung des Referenzelementes Zl mit den Komposibionsdioden Dl, D2 und der Emitterdiode von TIl und durch das Teilerverhältnis dea Eingangsspannungsbeilers R8, R9> RIO. Diese Elemente lassen sich nicht mit hinreichender Genauigkeit integrieren. Der integrierte Regier muß also nachträglich abgeglichen werden. Trotz den Abgleichs soll der vorgeschriebene Temperaturgang der Solispannung (ca. -5 mV/°C bis -15 mV/°C) erhalten bleiben. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist vorgesehen, die Temperaturkompensation dadurch zu erhalten, daß die Zahl der in Plußrichtung betriebenen Kompensationdioden Dl bin D3 von der Durchbruchsopannung der Zenerdiode Zl abhängig gemacht wird, was eine Messung vor dem Kontaktieren dor integrierten Schaltung und außerdem die Vorwendung verschiedener Leitermasküii erfordert.

f^riorbo UIderstände habon ponibive Temporuburkoeffizienben mib Worbon, die π ich mib Hilf« dor gowählben Oberfiächonkonzentrabion zwinchon 0,8 '/oo und otwa 5 %o ,jo ⁰O ο inn to L Lon Lau»on.

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widerstände Rj· zu verwenden, die einen kleineren Temperaturkoeffizienten TK haben als die integrierten Viderstände. Dazu geeignet sind beispielsweise Schichtwiderstände mit einem TK von ca. -0,5 %o/°C Bei geschickter Wahl von Rl, R2 in Pig. 6 läßt sich erreichen, daß der TK der Sollspannung in einem weiten Bereich der Durchbruchsspannung der Zenerdiode erhalten bleibt, wenn mit Rf abgeglichen wird. Der vorgeschriebene Temperaturgang der Sollspannung läßt sich bei geringeren Anforderungen dann sogar ohne die Kompensationsdioden Dl bis Dn erreichen.

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Claims

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Ansprüche

1. Monolithische Halbleiteranordnung, die in einem gemeinsamen Halbleiterkörper mindestens einen Leistungstransistor und einen oder mehrere Vorstufentransistoren enthält, insbesondere zur Verwendung als Spannungsregler von Fahrzeuglichtmaschinen,dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem hochdotierten, niederohmigen Substrat und einer auf diesem sitzenden, schwächer dotierten und höherohmigen Epitaxieschicht besteht und daß der Leistungstransistor und der bzw. die Vorstufentransistoren komplementär zueinander ausgebildet sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Leistungstransistor als Substrat-Transistor ausgebildet ist.

3· Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor zum Betrieb in Kollektorschaltung bestimmt ist.

4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Substrat (2) verwendete Dotierungsstoff einen wesentlich niedrigeren Diffusionskoeffizienten hat als der für die Epitaxieschicht (3) verwendete Dotierungsstoff bzw. der zur Herstellung der in die Epitaxieschicht eindiffundierten Zonen verwendete Dotierungsstoff.

-, c ι Ak. o Nr ι Satz 3 dee Anderungeflee. v. *. »■ ·=»«"

Neue Unterlagen (Ari.7§i Ab».2nt _ ₂ _

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet,

oder Bor daß als Dotierungsstoff für das ρ -Substrat (2) Indium/ für

oder Antimon die η-leitende Epitaxieschicht (3) Arsen/, für die ρ-Leitung ergebende Isolierungsdiffusion (J) Aluminium oder Bor, für die erste, p⁺-leitende Diffusionsζone Bor und für die zweite, n,⁺⁺-leitende Diffus ions ζ one Phosphor verwendet ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

oder Antima

daß als Dotierungestoff für das n⁺-leitende Substrat (2) Arseny(

oder Bor

für die p-leitende Epitaxieschicht (3) Indium^ für die n-Leitung ergebende Isolierungsdiffusion (J) Phosphor, für die erste, n⁺-leitende Diffusionsζone Phosphor und für die zweite, p⁺⁺- leitende Diffusionsζone Bor verwendet ist.

7. Als integrierte Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeter Spannungsregler mit wenigstens einem in der Epitaxieschicht angeordneten Vorstufentransistor (Tu) dessen Basis integral mit einer der Elektroden einer in Sperr-Richtung beanspruchten Zenerdiode (Z1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine mitintegrierte !Compensations· diode (D1, D2, D3) vorgesehen ist, die in der von der Basis des Vorstufentransistors über die Zenerdiode zu dem Abgriff eines Spannungsteilers (Rr₇, B^, IU, R^q) führenden, integrierten Leitungsverbindung liegt.

Θ. Als integrierte Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeter Spannungsregler mit einer in Sperr-

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Richtung beanspruchten, integral mit einem Vorstufentransistor (Tu) verbundenen Zenerdiode (Z1), dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Sollwertes außerhalb der Halbleiteranordnung liegende Abgleichwiderstände (Rt), vorzugsweise als Schichtwiderstände ausgebildete Abgleichwiderstände vorgesehen sind.

9. Als integrierte Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeter Spannungsregler mit wenigstens einem Leistungstransistor (Tr), mit einem über eine integrale Zenerdiode (Z1) an einen Eingangsspannungsteiler (Rr₇, Rg, Rq, R/jq) angeschlossenen Vortransistor (Tu) und mit wenigstens einem als Zwischenverstärker gegenphasig zum Vortransistor arbeitenden weiteren Transistor (T14), dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorwiderstand (R16) dieses weiteren Transistors (T14-) an einen Abgriff des Eingangsspannungsteilers in mitkoppelndem Sinne angeschlossen ist.

10. Als integrierte Halbleiteranordnungnach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildeter Spannungsregler mit wenigstens einem Leistungstransistor (T16) und mit mindestens drei Vorstufentransistoren (T11 bis T15), dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten zwei der Vorstufentransistoren in einer Darlington-Anordnung miteinander verbunden sind.

11. Regler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungstransistor (T16) und ein Voretufentransistor (TI5)

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' J»

lh einer Darlington-Anordnung miteinander verbunden sind.

12. Regler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lelstungstranslstor (TI6) und sein Vorstufentransistor (TI5) vom npn-Typ sind.

13. Regler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der übrigen Vorstufentransletoren (T11 bis TI4), vorzugsweise alle übrigen Vorstufentransistoren vom pnp-Typ sind.

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