DE2147179A1

DE2147179A1 - Anordnung zur ableitung oder kompensation von reststroemen in monolithisch integrierten schaltungen

Info

Publication number: DE2147179A1
Application number: DE19712147179
Authority: DE
Inventors: Adolf Kugelmann; Hartmut Dipl Ing Seiler; Klaus Dipl Ing Streit
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-09-22
Filing date: 1971-09-22
Publication date: 1973-03-29
Also published as: NL7212778A; FR2153437A1; GB1413466A; DE2147179C3; JPS4841681A; GB1413467A; JPS5823749B2; FR2153437B1; DE2147179B2; IT967693B

Description

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Anlage zur Patent- -»»el
^Anmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Anordnung zur Ableitung oder Kompensation von Rsotströmen in monolithisch integrierten Schaltungen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aur Ableitung oder Kompensation von Restströnien in monolithisch integrierten Schaltungen, die bei hohen Kristalltemperaturen mit relativ kleinen Arbeits-ströman, die in der Größenordnung der Restströme liegen, funktionieren sollen.

Bei monolith! sch integrierten Schaltungen, die je viele Elemente in großer Packungsdichte enthalten, kann die erzeugte V/?^:rKo durch die Gehäuseoberflüche oft nui· ungenügend abgeführt v/erden, sodaß die Elemente der integrierten Schaltung bei viel höherer Kristalltemperatur arbeiten müssen als die üiiskreten Bauelemente horkümi.'i.Licl-u;r Schaltungen. Da die Restijtrüme (ior Klcinente mit der Tempora tür etwa exponentiell ansteigen» müssen nie bei digitalen SciiaLtungen abgeleitet und bei

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analogen Schaltungen kompensiert werden.

Hierfür sind von der diskreten Schaltungen her Maßnahmen bekannt, die jedoch bei integrierten Schaltungen oft nicht ohne weiteres anwendbar sind.

So werden zum Ableiten von Restströmen Ableitwiderstände verwendet, die allerdings bei Schaltungen, die mit relativ kleinen Arbeitsströmen auskommen müssen, sehr hochohmig sein müssen und sich daher in ι .molithisch integrierten Schaltungen nur mit relativ großen aufwand an Kristallfläche herstellen lassen^

In analogen Schaltungen können Restströiae durch abgleichbare Schaltungen Kompensiert werden_} was in integrierten Schaltungen schiecht zu realisieren ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zulande_} speziell für die monolithische Integration gasigste Solialtungsanordnungen zu finden, die die be.i hohen Temperaturen in der Größenordnung . der Arbeitsströme liegenden Restströiiie ableiten öler kompensieren»

Dies wird erfindurigsgemäß durch Anordnungen gelöst, deren eigene Rectströne zur Ableitimg oder Kompensation derjenigen Rest-Ströme, die von den für die Realisierung der^Schaltungsfunktion vorhandenen Elemente erzeugt v/erden, herangezogen werden«, jjabei

mit Vorteil von der Tatsache Gefcraueli gemacht, daß die zur Ableitung oder Kompensation verwendeten Eisiiiente, die sich ja auf demselben Kristall befinden wie die Sehaltungs-Elemente, v/Jü2n der Homogenität aes iierstellungDprossesses und der- geringen T¹ ;graturunterschiede auf dem Kristall fast dieselben Eigenschaften in Bezug auf Restsfcröme besitzen wie jene.

Aus dieser engen Kopplung resultiert der v/eitere Vorteil, daß

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die zur Ableitung oder Kompensation der Restströme in die Schaltung eingefügten Anordnungen wirkungslos bleiben, so lange sie nicht gebraucht werden, z.B. bei niederer Kristalltemperatur. Dadurch werden "unerwünschte Nebenwirkungen der Ableit- oder Kompensations-Elemente vermieden, z.B. der bei den Arbeitswiderständen bekannte Verlust an Ansteuerstrom.

Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen.

In Fig. 1 bis 10 c ist die Anwendung der Erfindung auf das bekannte Problem der Sperrung eines Transistors "mit offener Basis" dargestellt. In Fig. 1 bis 7 b wird zunächst auf die Sperrung eines NPN-Transistors eingegangen.

In Pig. 1 sei ein NPN-Transistor 1 mit seinem Emitter an den Minuspol 2 und sein Kollektor z.B. über einen Widerstand 3 mit dem Pluspol 4 einer Spannungsquelle verbunden. Der Transistor 1 kann z.B. über einen Basis-Vorwiderstand 5 über einen Schal ter 6, der z.B. ein PNP-Transistor sein kann, angesteuert werden.

Wird diener PNP-Transistor gesperrt, so fließt dennoch ein restlicher Strom 7 in die Basis des Transistors 1, der sich bei dem hier dargestellten Beispiel aus einem Reststrom des Transistor 6 und einem Reststrora des Widerstandes 5 zusammensetzen kann. Labei wurde angenommen, daß der Widerstand 5 wie üblich aun einem in eine η-leitende, mit dem Pluspol \ verbundene Wanne eindiffundiurtes p~leitendes Gebiet darstellt, über das aus der Wanne ein Sj>ei*r:jtrom fließen kann.

In den Kollektor des Transistors 1 fließt dann ein unerwünschter'

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Reststrom 8, dessen einer Anteil aus der Verstärkung des restlichen Ansteuerstromes 7 resultiert. Der zweite Anteil ist der "Kollektor-Emitter-Reststrom bei offener Basis" des Transistors der durch Verstärkung des nicht nach außen aus der Basis abgeführten Sperrstromes der Basis-Kollektor-Diode des Transistors entsteht.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird in herkömmlichen Schaltungen die Aufgabe, den restlichen Ansteuerstrom 7 und den Sperrstrom 10 der Basis-Kollektor-Diode des Transistors 1, zusammen also den Strom 11, abzuleiten, in bekannter Weise durch den Ableitwiderstand 9f der Basis und Emitter des Transistors 1 verbindet, gelöst. Wird dabei die Bedingung beachtet, daß bei der höchsten Kristall temperatur, bei der der Transistor 1 noch gesperrt werden soll, der Summenstrom 10 am Ableitwiderstand 9 eine hinreichend kleine Basis-Emitter-Spannung am Transistor 1 - in der Regel einige 100 mV - erzeugt, so ,wird der Kollektor-Reststrom den Transistor 1 praktisch auf den Sperrstrom 10 der Basis-Kollektor-Diode zuzüglich eines 1. allg. relativ kleinen Sperrstroraes der η-leitenden Kollektor-Wanne in das p-leitende Substrat reduziert.

Hierzu i3t jedoch ein genügend kleiner Ableitwiderstand 9 erforderlich, der im Ansteuerfall einen großen Teil des über den Schalter 6 gelieferten und beispielsweise sehr knappen Ansteuerstromes zum Minuspol 2 ableitet, sodaß ein sicheres Aufsteuern des Transistors 1 in Frage gestellt ist.

Man vermeidet diesen Nachteil, wenn man gemäß Pig. 3 a oder 3 b den Ableitwiderstand 9 durch ein Ableitelement 12 gemäß der Erfindung ersetzt. Dabei kann das Ableitelement die Basis do3 zu sperrenden Transistors 1 entweder nach Pig. 3 a mit seinen Emitter, oder nach Fig. 3 b mit einem Punkt-der Schaltung, der auf niedrigerem Potential als der Emitter liegt, vorzugsweise also

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dem Substrat 13» verbinden. Die Schaltung kann natürlich auch eine Kombination von Ableitelementen nach Fig. 3 a und Pig. 3 b enthalten.

Gemäß der Erfindung ist das Ableitelement 12 nun so zu. wählen und zu dimensionieren, daß es bei hoher Kristalltemperatur, und wenn eine kleine Spannung 14 von z.B. 100 mV angelegt wird wie in Fig. 3 c angedeutet, einen Reststrom 15 zieht, der mit Sicherheit größer ist als der insgesamt abzuleitende Strom 11. Dann ist die in Fig. 3 a oder 3 b am Ableiteleraent aufgrund des Stromes 11 abfallende Spannung 16 sicher kleiner als die Spannung 14 in Fig. 3 c. An der Basis-Emitter-Diode des Transistors 1 liegt dann in der Schaltung nach Fig. 3 a eine genügend kleine Spannung. um den Transistor 1 auch bei hoher Kristalltemperatür gesperrt zu halten. In der Schaltung nach Fig. 3 b kann die Basis-Emitter-Diode des Transistors 1 sogar in Sperrichtung vorgespannt sein.

Fig. 4 a bis 7 b zeigen Ausführungsbeispiele zur Schaltung nach Fig. 3 a oder 3 b.

Wie in Fig. 4 a, b dargestellt, kann das Ableitelement 12 z.B. aus einer in Sperrichtung betriebenen Diode 17 bestehen, deren Kathode 18 mit der Basis dee Transistors 1 und deren Anode 19 gemäß Fig. 4 a mit dem Emitter des Transistors 1 oder gemäß Fig. 4 b mit dem Substrat 13 verbunden ist.

Besonders einfach und platzsparend ist die Ausführung der Ableitdiode 17 nach Fig. 4 b als Substratdiode, wie sie in Fig. 4 c im Querschnitt dargestellt ist. Sie besteht aus einer durch die stark p-dotierten Zäune 20 von den übrigen Elementen isolierten, schwach η-dotierten Wanne 21, die i. allg. auf dem schwach pleitenden Substrat 13 durch Epitaxie hergestellt wird, in die das ala ohm'scher Kontakt wirkende stark η-dotierte Gebiet 22 einge-

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bracht ist. An 22 ist der metallische Anschluß 23 angebracht, der als Kathode 18 der Diode 17 dient. Die Anode 19 ist identisch mit dem Substrat 13.

Der Sperrstrom 15 gemäß Fig. 3 c, der bei angelegter Spannung in die Substratdioie fließen v/ürde, der sog. Wannen-Sperrstrom, ist auch bei verhältnismäßig kleiner Substratdiode i. allg. uia einen hinreichenden "Reservefaktor" größer als die Summe der abzuleitenden Ströme 11. Sa sämtliche Restströme mit ähnlicher Zuwachsrate exponentiell mit der Temperatur ansteigen, bleibt der "Reservefakior" über einen sehr großen Temperaturbereich erhalten. Damit bleibt auch die Spannung 16 an der Substratdiode in diesem Bereich klein und der Transistor 1 gesperrt.

Bei Raumtemperaturen -aid darunter liegt der Wannensperrstrom dagegen im nA-Bereioh, ist also i* allg» zu vernachlässigen.

Die Substrat-Diode als Ableiteleseni; 12 kann auch Bestandteil eines Transistors oder einer komplexen Anordnung sein, deren Y/anno mit der Basis des Transistors 1 verbuiiuen ist. Hierbei oder bei Verwendung der einfachen Diode kann zusätzlich, wie in Pig. 4 d dargestellt? eine leitschicht 24 vorhanden sein. Auch das Elenent mit Leitschicht besitzt einen Y/annen-Reststrom, der zum Teil den PN-Übergang 21-20, zaia Teil den PN-Übergang 24-13 durchfließt.

Die Ableitdiode 17 kann nach Pig. 4 e als Basis-Kollektor-Diode einoo Transistors, dessen Emitter fehlt, ausgebildet sein_e Gegenüber Fig. 4 d ist das stark p-dotierte Basis-Gebiet 25 hinzugekommen, das über den Kontakt 26 entweder wie in Pig. 4 a mit dem EmijüOr des Transistors 1 oder wie in Pig. 4 b mit einem Punkt niedrigeren Potentials, vorzugsweise dem Substrat 13 verbündt ist. Die leitschicht 24 kann vorhanden sein oder fehlen. Als Ab-

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leitstrom 15 gemäß Fig. 3 c steht der Sperrstrom der Basis-Kollektor-Diode und der Wannen-Sperrstrom zur Verfügung.

Schließlich kann die Ableitdiode 17 in der Schaltung nach Fig. 4a oder 4 b auch als Schottky-Diode, wie in Fig. 4 f schematisch dargestellt, ausgebildet sein. Das p-leitende Gebiet 25 aus Fig. 4 e ist hier durch den Metall-Halbleiter-Kontakt 27 ersetzt, der zusätzlich von einem sog. "Guard-Ring" 28 umgeben sein kann. Die Leitschicht 24 kann fehlen. .

Das Ableitelement 12 in Fig. 3 a, b kann auch als NPN-Transistor ausgebildet sein, wie die Fig. 5 a, b zeigen. Der in Fig. 5 a dargestellte Transistor 29 mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Diode ist der in Fig. 4 e gezeigten Basis-Kollektor-Diode praktisch gleichwertig.

Dagegen kann der in Fig. 5 b als Ableitelement 12 eingesetzte Transistor 30 mit offener Basis einen viel größeren Reststrom ableiten, da hier neben dem T7annen-Reststrom der verstärkte Sperrstrom der Basis-Kollektor-Diode, nämlich der Kollektor-Emitter-Reststrom bei offener Basis, zur Verfügung steht. Dies ergibt einen großen "Reservefaktor" zwischen ableitbarem und abzuleitendem Strom selbst dann, wenn der Ableit-Transi3tor 30 eine wesentlich kleinere Fläche haben sollte als der Transistor 1.

Als weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 3 a, b ist in Fig. 6 a die Verwendung eines mit offener Basis betriebenen lateralen PHP-Transistors 31 als Ableiteleiaent 12 dargestellt. Fig. 6 b zeigt einen Querschnitt des Lateraltransistors 31 . In die als Basis wirkende η-leitende 'Vanne 21 sind die als Kollektor und Emitter dienenden p-dotiertcn Gebiete 32 und 33 eingebracht. Die Basis 21 benötigt keinen Basiskontakt. Wie in Fig. 6 a dargestellt, wirkt nicht nur der Kollektor-Emitter-

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Reststrom, des Lateraltransistors 31 selbst als ableitender Strom, vielmehr trägt auch der i. allg. als "parasitär" angesehene Substrattransistor 34, dessen Basis und Emitter identisch mit denjenigen des Lateraltransistors sind, und dessen Kollektor bei vorhandener Leitschicht vorv/iegend von den Isolationsgebieten 20, bei fehlender Leitschicht 24 vorwiegend direkt vom Substrat gebildet wird, zum Ableitstrom 11 bei. Außerdem liefert der von beiden PNP-Transistoren verstärkte Sperrstrom 35 der Y/annendiode 36 einen Beitrag.

Der in der Anordnung nach Pig. 6 a, b insgesamt zur Verfugung stehende Ableitstrom 15 gemäß Fig. 3 c richtet sich also nach den !Stromverstärkungen der PNP-Transistoren, v/as von Vorteil ist, wenn üer Schalter 6 tatsächlich als PNP-Transistor ausgebildet ist.

Der abzuleitende Strom 7 auf der Ansteuerseite ist dann im V3sentlichen der verstärkte Wannenstrom 37 der Wannendiode 38 iiea Transistors 6 und kann daher gut von dem ableitenden Lateraltransistor 31 > der ja ebenfalls einen verstärkten V/annenstrom 35 ziehen kann, aufgenommen werden. Pur den Kollektor-Basis-Reststrom 10 des NPN-Transistors 1 steht dann noch der Beitrag des 3ubst"r·· """transistors 34 zur Verfugung.

Besteht der Schalter 6 aber nicht aus einem Lateraltransistor, oder ist dessen Reststrom anderweitig, z.B. von der Basisseite her bereits unterdrückt, so genügt als einfacher Ableit-Tranoistor ein Substrat-Transistor nach Fig. 6 c, der nur ein als Emitter dienendes P-Gebiet 39 in der V/anne 21 besitzt und wenig Fläche beansprucht. Er kann auch mit einer Leitschicht 24 versehen v/erden und hat dann eine kleinere Stromverstärkung.

Der als Ableitelement 12 verwendete laterale PNP-Transistor 3'l in Fig. 6 a könnte auch mit kurzgeschlossener Basis-Ernitter-

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Strecke verwendet werden, doch ist seine ableitende Wirkung praktisch dieselbe wie die der Basis-Kollektor-Diode nach Fig. 4 e.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 3 a, b betrifft eine spezielle und vorteilhafte Ausgestaltung der in Fig. 4 c dargestellten als Ableit-Diode 17 gemäß Fig. 4 b verwendeten η-dotierten epitaktischen ?/anne. In Fig. 7 a sind gegenüber Fig. 4 c die p-dotierten Isolationsgebiete 20 so weit zusammengeschoben, daß der Querschnitt der epitaktischen V/anne stark eingeengt ist. Denkt man sich die Anordnung senkrecht zur Zeichenebene in die Länge gezogen, so bildet die Wanne 21 einen hochohmigen epitaktischen Widerstand 40, den man z.B. wie in Fig. 7 b dargestellt, in die Schaltung nach Fig. 3 a oder 3 b einfügen kann. Um den Widerstand 40 mit Anschlüssen 41 , 42 zu versehen, erhält er an seinen Enden Erweiterungen, deren Querschnitte z. B. wie in Fig» 4 c dargestellt aussehen können.

In einer Anwendung des Widerstandes 40 in der Anordnung nach !•'ig. 3 a, b ist z.B. wie in Fig. 7 b dargestellt, der Anschluß 4-1 mit der Basis des Transistors 1 und der Anschluß 42 entweder mit dem Emitter des Transistors 2 oder mit einem auf niedrigerem Potential liegenden Punkt der Schaltung vorzugsweise mit dem Substrat 13 verbunden.

Der hoehohmige Widerstand 40 dient dann als Ableitwiders Land im gesamten Temperaturbereich, während die längs- des Widerstandes vorteilte Wannen-Diode 43 gemäß der Erfindung zusätzlich Restströme bei höheren Kristalltemperaturen ableiten kann. Die Kombination eines Ableitwiderstandes mit einem Wannen-Ableit-Klement hat gegenüber der einfachen Ableit-",7anne gemäß Fig. 4 b, c den Vorteil, daß der Widerstand temperaturunabhängige Anteile des rentlichen Ansteuerstromes 7 ableiten kann. Auch kann der Widerstand 40 zum Ausräumen der Basis-Emitter-Ladung dienen,

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v/enn es auf ein schnelles Abschalten des Transistors 1 ankommt.

In Fig. 8 bis 10 b ist nun die Anwendung der Erfindung auf das Problem der Sperrung eines PNP-Transistors "mit offener Basis" beschrieben. In Fig. 8 ist die komplementäre Anordnung zu Fig. 3 a, b dargestellt. Der laterale PHP-Transistor 44 sei mit seinem Emitter mit dem Pluspol 4 der Spannungsquelle und mit seinem Kollektor z.B. über einen Arbeitswiderstand 45 mit dem Minuspol 2 der Spannungsquelle verbunden und soll mit Hilfe eines Schalters 46, der z.B. ein 1ΙΡΪΓ- Transist or sein kann, über einen Basis-Vorwiderstand 47 angesteuert werden.

Wird das Element 46 gesperrt, so muß das Ableitelement 48, das bei herkömmlichen Schaltungen meist als Widerstand ausgebildet ist, für vollständige Sperrung des Transistors 44 sorgen, indem der in den Transistor 44 noch fliei3ende Reststrom 49, dessen Hauptanteil 50 in die Wannendiode 52 fließt, sowie ein von d-ev Ansteuerseite noch vorhandener Reststrom 51, zusammen also die Stromsumme 53 vom Ableitelement 48 sicher aufgebracht wird.

Bei angelegter Spannung muß wiederum das Ableiteleinent 48 einen Strom ziehen, der mit Sicherheit größer als der abzuleitende Strom 53 ist, damit die Basis-Emitterspannung am Transistor 44 30 klein wird, daß der Transistor 44 auch bei höherer Kristalltemperatur nicht aufgesteuert wird.

Gemäß der Erfindung und in Analogie zu den Anv/endungsbeispielen nach Fig. 3 bis 7 wird das Ableitelement 43 wiederum aus Elementen gebildet, deren Restatromverhalten zur Ableitung des Reststromes 53 ausgenutzt wird.

Nach Fig. 9 kann das Ableitelement 48 eine Diode 54» vorzugsweise die Basis-Kollektor-Diode eines NPH-Transistors wie in Fig. 4 e, sein.

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In Pig. 10 a, b ist die Verwendung eines lateralen PNP-Transistors als Ableitelement 48 dargestellt. Der Transistor mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke 55 nach Pig. 10 a entspricht etv/a der Basis-Kollektor-Diode 54 nach Pig. 9· Eine große Reserve für die Ableitung der Restströme 49 und 52 bietet nach Pig. 10 b der laterale PNP-Transistor mit offener Basis 56, da er den verstärkten Reststrom 57 seiner 7/annen-Diode 58 abgeben kann. Der laterale PNP-Transistor 56 kann ohne Basisanschluß, also wie in Pig. 6 b dargestellt, ausgeführt werden.

Pig. 11 zeigt schließlich die Verwendung eines NPN-Transistors 59 mit offener Basis als Ableitelement 48. Zur Ableitung des Reststromes 53 steht der verhältnismäßig große Kollektor-Emitter-Rest strom des Transistors 59 zur Verfugung, mit dem insbesondere der restliche Ansteuerstrom 52, falls der Schalter 46 als NPN-Transistor mit offener Basis betrieben wird, gut abgeleitet v/erden kann.

Der in Pig. 11 als Ableitelement 48 gezeigte NPN-Trans.istor 59 könnte auch mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke betrieben werden, doch ist seine abgeleitete Wirkung praktisch dieselbe wie die der Basis-Kollektor-Diode 54 in Pig. 9.

In den bisher aufgeführten Anwendungsbeispielen der Erfindung wurde das Ableiten von Restströmen behandelt. Dabei war es wichtig, ableitende Restströme mit ausreichender Reserve zur Verfugung zu haben.

In den folgenden Anwendungsbeispielen werden die Reststrom-Eleiaente gemäß der Erfindung zur möglichst genauen Kompensation störender Restströme verwendet. Das gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Kompensationselemente sich auf demselben Halbleiterchip befinden, wie die der eigentlichen Schaltungsfunktion dienenden Elemente, und daß sie bei geeigneter Anordnung die

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störenden Restströme durch annhähernd gleichgroße Kompensations-Restströme ausgleichen.

Als Anwendungsbeispiel ist in Pig. 12 eine an sich bekannte steuerbare Stromquelle dargestellt, deren Ausgangsstrom 60 sehr genau und relativ klein sein soll. Y/enn der in Pig. 12 dargestellte Operationsverstärker 64 ideale Eigenschaften besitzt, liegt die steuernde Spannung 62 auch am Emitterwiderstand 63 der Stromquelle. 7/enn außerdem der KPN-Transistor 61 , der auch durch eine Darlington-Schaltung ersetzt werden kann, eine sehr hohe Stromverstärkung besitzt, ist der Ausgangsstrom 60 gleich der Spannung 62 geteilt durch den Widerstand 63.

Bei höheren Temperaturen liefert jedoch der Wannenstrom 65, der in die Substratdiode 66 des Transistors 61 fließt, einen unerwünschten Beitrag zum Ausgangsstrom 60. Dieser wird nun erfindungsgemäß durch den Wannenstrom 67 einer zusätzlichen mit dem Eingang des Operationsverstärkers 64 verbundenen Substrat· diode 68 kompensiert, die einen Querschnitt nach Pig. 4 c oder 4 d haben kann, und deren V/anne dieselbe Größe hat wie die '»Tanne des Transistors 61. Die V/annenströme 65 und 67 sind dann über einen großen Temperaturbereich hinweg einander annähernd gleich. Fügt man nun zwischen den Eingang des Operationsverstärkers 64 und die Spannungsquelle 62 einen Widerstand 69, der gleich dem Emitterwiderstand 63 ist, ein, so wird die Spannung am Widerstand 63 durch den Spannungsabfall, den der V/annenstrom 67 am YYiderstand 69 hervorruft, gerade um denjenigen Betrag abgesenkt, der den Ausgangsstrom 60 auf den Wert bringt, als ob der Wannenstrom 65 nicht fließen würde.

Beim Anwendungsbeispiel nach Pig. 13a bis 13 e wird davon ausgegangen, daß der Wannenstrom 73, der in die Substratdiode 71 eines Stromquellen-NPN-Transistors 70 fließt und der einen unerwünschten Beitrag zum Ausgangsstrom 71 liefert, direkt am Kollek-'

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tor des Transistors 70 kompensiert werden muß.

Dies erreicht man durch ein Kompensations-Element 75 gemäß der Erfindung, der einen aus Restströmen des Kompensations-Elements 75 gewonnenen Kompensationsstrom 74 liefert, der annähernd gleich dem störenden Wannenstrom 73 ist.

Das Kompensationselement 75 kann nach Pig. 13b ein lateraler PNP-Transistor 76 mit offener Basis sein. Der Basisanschluß kann also fehlen, und das Element kann der Darstellung in Fig. 6 b entsprechen. Der Kompensationsstrom 75 ist der mit der Stromverstärkung des lateralen PNP-Transistors 76 multiplizierte· Y/annenstrom 77, der in die Substratdiode 78 des Lateraltransistors 76 fließt, zuzüglich des relativ kleinen Kollektor-Emitter-Reststromes des Lateraltransistors 76. Die Manne des Lateraltransistors 76 muß dabei etwa um den Paktor der mittleren Stromverstärkung des Lateraltransistors 76 kleiner als die Wanne des btromquellen-Transi3tors 70 gewählt werden.

Mit dieser Anordnung ist offensichtlich bei größeren Schwankungen der Stromverstärkung des Lateral transistors die Kompensation nicht mehr sinnvoll. Nun kann man in bekannter V/eise den Einfluß der Stromverstärkung stark reduzieren, indem man nach Pig. 13c den Lateraltransistor /6 mit einem zweiten Kollektor auf33tattet, den man mit seiner Basis verbindet. V/enn beide Kollektoren gleich grob sind, liegt die Stromverstärkung der gegengekoppelten Anordnung etwa3 unter 1 und ist relativ konstant, so daß in vielen Fällen eine ausreichende Kompensation des V/annenstromes 73 durch den V/annenstrom 77 erreicht wird, wenn beide V/annen gleich groß gemacht werden.

Nahezu vollständig läßt sich der Einfluß der Stromverstärkung deo Lateraltransistors 76 eliminieren, wenn man in an sich be-

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kannter 7/eise gemäß Fig. 13 el einen gut verstärkenden PNP-Transistor 78, vorzugsweise einen vertikalen Substrattransistor nach Fig. 6c, in die Gegenkopplungsschleife einfügt. Der Lateraltransistor 76 benötigt hierzu natürlich einen Basisanschluß. Wenn in dieser Anordnung der Wannenstrom 77 des Lateraltransistors 76 fehlen würde, wäre der Kompensationsstrom 75 recht genau gleich dem Wannenstrom 79, der in die Substratdiode 80 des PNP-Transistors 78 fließt. Zur genauen Kompensation des 7/annenstroraes 73 des Stromquellentransistors 70 müßte man nur noch die Wanne des PNP-Transistors 78 so groß machen wie diejenige des Transistors 70.

Der V/annenstrom 78 des Lateraltransistors 76 stört indessen noch die genaue Bilanz der Restströme; außerdem kann er so groß v/erden, daß vom Basisstrom des Lateraltranaistors 76 nichts mehr für den Emitterstrom des PNP-Transistors übrig bleibt, so daß der Transistor 78 sperren kann.

Diese Schwierigkeit behebt man erfindungsgemäß nach lig. 13 e durch einen weiteren lateralen PNP-Transistor 81, der zur Kompensation des noch störenden *.7annenatromes 77 den verstärkten V/annenstrom 81, der in seine Substratdiode 83 fließt, liefert,, und damit auch den Emitterstrom für den PHP-Transistor 78 sicherstellt. Der Lateraltransistor 81 liefert außerdem einen Kollektor-Emitter-Restntrom, der in guter Näherung den Kollektor-Emitter-Rest strom dos Lateraltransistors 76 kompensiert.

Der Kompensationsstrom 75 ist also recht genau gleich dem Y/annenstrom 79 des PNP-Transistor ο 78. !!acht man dessen V/anne gleich groß wie die V/anne des Stromquellen-Transistors 70, so ist damit der V/annenstrom 73 dieses Transistors recht genau kompensiert.

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Claims

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Ansprüche

1 J Anordnung zur Ableitung oder Kompensation von Restströmen in monolithisch integrierten Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung oder Kompensation der Restströme, die von den für die Schaltungsfunktion vorgesehenen Elementen erzeugt werden, die Restströme von Elementen herangezogen v/erden, die mit den für die Schaltungsfunktion vorgesehenen Elementen zusammen auf demselben Halbleiterchip integriert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Ableitung des Kollektor-Basis-Reststromes (10) eines zu sperrenden NPN-Transistors (1) sowie des restlichen Ansteuerstromes (7), also des gesaraten abzuleitenden Reststromes (11), durch ein Ableitelement (12), dessen einer Anschluß mit der Basis des Transistors (1), und dessen anderer Anschluß entweder mit dem Emitter des Transistors (1) oder mit einem auf niedrigerem Potential liegenden Punkt der Schaltung, vorzugsweise dem Substrat (13), verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (12) aus einem oder mehreren Elementen besteht, die mit dem Transistor (1) und mit der Ansteuerschaltung zusammen auf einem Halbleiterchip integriert sind, und daß das Ableitelenent (12) bei angelegter, relativ kleiner Spannung (14) einen Reststrom (15) zieht, der in einem großen Bereich

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der Kristalltemperatur größer als der abzuleitende Strom (11) ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (12) eine in Sperrichtung betriebene Diode (17) ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (17) als Substratdiode ausgebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratdiode eine Leitschicht (24) besitzt.
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Substratdiode die Wanne einer komplexen Anordnung bildet.
7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (17) als Basis-Kollektor-Diode ausgebildet ist, deren Substratdiode zusätzlich zum Ableiten ausgenutzt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Kollektor-Diode mit Leitschicht (24) hergestellt ist.
9. Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (12) eine Schottky-Diode ist.

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10. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (12) ein Transistor ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein NPN-Transistor mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke (29) ist.
12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein NPN-Transistor mit offener Basis (30) ist.
13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein mit offener Basis betriebener lateraler PlIP-Transistor (31) ist, und daß die Restströme des zugehörigen Substrattransistors (34) und der zugehörigen Substratdiode (36) zur Ableitung von Restströmen mit ausgenutzt werden.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der laterale PNP-Transistor ohne Ba3is-Anschluß hergestellt ist.
15. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein mit offener Basis betriebener Substrattransictor ist, und daß der Y/annen-Sperrsbrom der zugehörigen Suby tratdiode zur Ableitung von Restströnien mit ausgenutzt \v L rd.

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16. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke betriebener lateraler PNP-Transistor ist.
17· Anordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Substratdiode aus einer langen, schmalen Wanne besteht, die an ihren Enden kontaktiert und zusätzlich als hochohmiger Widerstand verwendet werden kann.
18. Anordnung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß der hochohmige V/iderstand in Kombination mit der Substratdiode als Ableitwiderstand an die Basis eines Transistors angeschlossen ist·
19. Anordnung nach Anspruch 1 zur Ableitung des Kollektor-Basis-Reststromes (49) eines zu sperrenden PHP-Transistors (44) sowie des restlichen Ansteuerstromes (53)» also des gesamten abzuleitenden Reststromes (52), durch ein Ableitelement (48), dessen einer Anschluß mit der Basis des Transistors (44)ι und dessen anderer Anschluß entweder mit dem Emitter dee Transistors (44) oder einem auf höherem Potential liegenden Punkt der Schaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (48) aus einem oder mehreren Elementen besteht, die mit dem Transistor (44) und der Ansteuerschaltung zusammen auf einem Halbleiterchip in-

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tegriert sind, und daß das Ableitelement (48) bei angelegter, relativ kleiner Spannung einen Reststrom zieht, der in einem großen Bereich der Kristalltemperatur größer als der abzuleitende Strom (53) ist.
20. Anordnung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (48) eine in Sperrichtung betriebene Diode (54) ist.
21. Anordnung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (48) ein Transistor ist.
22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableit-Tran3istor ein lateraler PHP-Transistor (55) mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke ist.
23· Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableit-Transistor ein lateraler PHP-Transistor (56) mit offener Basis ist, und daß der verstärkte \7annen-Reststrom (57) seiner Substratdiode (58) zur Ableitung von Restströmen mit ausgenutzt wird.
24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der laterale PHP-Transistor (56) ohne Basis-Anschluß hergestellt ist.

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25. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableit-Transistor ein mit offener Basis betriebener ilPU-Transistor (59) ist.
2ß_# Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableit-Transistor ein NPIT-Transistor mit kurzgeschlossener Basis-Emitter-Strecke ist.
27. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (12) aus einer Kompensation aus den in Anspruch 3 bis 16 genannten Ableitelementen besteht.
28. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß aas Ableitelement (48) aus einer Kombination aus der in Anspruch 18 bis 21 genannten Ableitelemente besteht.
29· Anordnung nach Anspruch 1 zur Kompensation des V/annen-Reststromes (65) eines NPN-Transistors (61), der auch durch eine Darlington-Schaltung ersetzt werden kann, der mit einem Emitterwiderstand (63) eine über einen Operationsverstärker (64), dessen Ausgang mit der Basis des Transistors (61) und dessen invertierender Eingang mit dem Emitter des Transistors (61) verounden ist, von einer Spannungcquelle (62) am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (64) steuerbare an sich bekannte Stromquelle dar-

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stellt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (64) und dem Pluspol der Spannungsquelle (62) ein dem Emitterwiderstand (63) gleicher Widerstand (69) eingeschaltet ist, und daß am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (64) eine Substratdiode (68), deren V/anne dieselbe Größe hat wie die V/anne des NPN-Transistors (61), angeschlossen ist.
30. Anordnung nach Anspruch 1 zur Kompensation des Y/annen-Reatstromes (73) eines NPN-Transiators (70), dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kollektor des Transistors (70) ein Kompensations-Element (70) ein Kompensations-Element (75) verbunden ist, welches aus einer mit dem Transistor (70) auf demselben Halbleiterchip integrierten Anordnung von Elementen besteht, deren Restströme einen aus dem Kompcnsat.ions-Element (75) herausfließenden Kompen-^ sationsstrom (74)> der annähernd gleich dem V/annenstrom (73) des liPIJ-Transistors (70) ist, zur Folge haben.
31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompenuation3-Element (75) ein lateraler PUP-Transistor mit offener Basi3 (76) ist, dessen Kollektor mit dem Kollektor des NPN-Transistors (70) und dessen Emitter galvanisch mit dem Pluspol (4) der Spannungsquelle oder

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einem anderen Punkt der Schaltung, der genügend positiv gegen den Kollektor des Lateraltransistors (76) ist, um aktiven Betrieb des !Transistors zu erlauben, verbunden ist.
32. Anordnung nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß der laterale PNP-Transistor (76) ohne Basis-Anschluß hergestellt ist.
33· Anordnung nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß der laterale PNP-Transistor (76) einen zweiten Kollektor besitzt, der mit seiner Basis verbunden ist.
34. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Ableitelement (75) aua einem lateralen PNP-Transistor (76), der einen zweiten Kollektor besitzt, und einem zweiten PNP-Transistor, vorzugsweise einem vertikalen Substrattranaistor (78), dessen Basis mit dem zweiten Kollektor des lateralen PNP-Transistors (76) verbunden ist, besteht, und daß der erste Kollektor de3 lateralen PITP-Transistors (76) mit dem Kollektor des NPN-Transistors (70) verbunden ist.
35. Anordnung nach Anspruch 34» dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein weiterer lateraler PNP-Ti*ansi3tor (81 ) mit offener Basis vorhanden ist, dessen Kollektor mit der Basis des ersten lateralen PHP-Transistors (76) und dessen Emitter

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galvanisch mit dem Pluspol (4) der Spannungsquelle verbunden ist.
36. Anordnung nach Anspruch 35 > dadurch gekennzeichnet, daß der laterale PNP-Transistor (76) ohne Basis-Anschluß hergestellt ist.
37. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die monolithisch integrierten Schaltungen statt auf p-leitendem Substrat auf η-leitendem Substrat aufgebaut werden und daß anstelle der in den Ansprüchen 2 bis 36 genannten Elemente jeweils die zu diesen Elementen komplementären Elemente verwendet sind.

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