DE2351732A1 - Schutzschaltung fuer einen haupttransistor in einer monolithischen integrierten schaltung - Google Patents

Schutzschaltung fuer einen haupttransistor in einer monolithischen integrierten schaltung

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DE2351732A1 DE19732351732 DE2351732A DE2351732A1 DE 2351732 A1 DE2351732 A1 DE 2351732A1 DE 19732351732 DE19732351732 DE 19732351732 DE 2351732 A DE2351732 A DE 2351732A DE 2351732 A1 DE2351732 A1 DE 2351732A1
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Description

15. Oktober 1973
Patentanwälte
Diji.-Ing. H. MITSCHERLICH
Dipl.-Ing. K. GUHSCH MANN 103 384/72
Dr. rer. nat. W. K Ö R B E R - .
Dipl. - Ing. J- SCHMIDT-EVERS 6 MÜNCHEN 22, Steinsdorfstr. 10
SONY CORPORATION
7-35 Kitashinagawa 6-chome
Shinagawa-ku
Tokyo/Japan
Patentanmeldung
Schutzschaltung für einen Haupttransistor in einer monolithischen integrierten Schaltung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet, bei welchem eine Einrichtung zum Schutz eines Haupttransistors vor zerstörender Erhitzung vorgesehen ist, indem der Haupttransistor, der einen Teil einer monolithischen integrierten Schaltung bildet, abgeschaltet wird.
Temperaturfühlanordnungen sind in der Vergangenheit verwendet worden, bei welchen Thermistoren zum Ausgleich des Stromes durch den Haupttransistor verwendet werden. Die Differentialverstärker sind an sich allgemein bekannt. Es ist auch bekannt, eine Einrichtung vorzusehen, durch welche der Haupttransistor abgeschaltet wird, wenn ein Kurzschluss stattfindet.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Anordnung zur Vermeidung der Zerstörung eines Haupttransistors bei einer mono-
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lithischen integrierten Schaltung, welche die Verwendung einer Zenerdiode mit einem positiven Temperaturkoeffizient und einer normalen Diode mit einem negativen Temperaturkoeffizient in - einer zusammenwirkenden Schaltungsanordnung zum Ableiten einer Steuerspannung umfasst, die an den Haupttransistor angelegt wird, um seine Vorspannung zu bewirken und denselben abzuschalten.
Die vorliegende Erfindung schafft eine neuartige Schaltungsanordnung für einen Haupttransistor in einer monolithischen integrierten Schaltung.
Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer neuartigen Temperaturabfühleinrichtung zur Ermittlung eines abnormen Anstieges der Temperatur eines Haupttransistors und zur sofortigen Unterbrechung der weiteren Punktion dieses Transistors.
Ein weitere Ziel ist die Schaffung einer neuen und neuartigen Kombination einer Temperaturabfiihleimichtung und einer Einrichtung zur Ermittlung eines Kurzschlusses oder einer Überlastung.
Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer neuartigen Konstantspannungsschaltung mit einer Temperaturabfühlschaltung und einer Überlastungsschutzschaltung.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Schaltbild einer bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsform; .
Figur 2 eine graphische Dastellung des Verhältnisses des Kollektorstromes des Transistors Q, und der Übergangs temper a tür des Haupt- bzw. LeiBtungstransistors Q™ bei der Schaltung nach Fig. 1; und
— 2 —
40982 3/0 7 08:-■*, ,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer monolithischen integrierten Schaltung nach Fig. 1 mit dem Haupttransistor Q~, der Zenerdiode D., und der gewöhnlichen Diode D2. - .
In Fig. 1 ist eine der bevorzugten Ausführungsformen dargestellt, bei welcher ein Haupttransistor für eine Konstantspannungsschaltung vor Zerstörung durch Erhitzung geschützt werden kann. Ein Transistor zur Steuerung eines Leistungstransistors Q^ ist zwischen eine Eingangsklemme (t^n), an welche eine Eingangsgleichschaltung Vin angelegt ist, und eine Ausgangsklemme (t +) in Reihe geschaltet. Eine gewisse Ausgangsspannung kann durch Belastungswiderstände R12, R1, ermittelt werden, die mit einer Bezugsspannung (Vr) durch einen Differentialverstärker verglichen wird, der aus den Transistoren Qo und Qg besteht. Das heisst, die Bezugsspannung (Vr) wird an die Basis des Transistors Qq angeregt, der durch die Zenerdioden D. und D,- erhalten wird, die in Reihe geschaltet sind. Die gezeigte Zenerdiode hat eine herkömmliche Konstruktion, bei welcher die Basis und der Kollektor eines Transistors entweder im Inneren oder Aussen miteinander verbunden sind. Die ermittelte Ausgangsspannung wird an den Transistor Qg durch einen Transistor Q10 angelegt, welcher eine sogenannte Darlington-Verbindung bilden. Als Ergebnis wird eine Fehlerspannung oder ein Ausgang des Differential^erstärkers an einen Transistor Q,- vom Transistor Q« angelegt und der Ausgang kann durch einen Transistor Qg verstärkt werden, wodurch eine Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emittor des Transistors Q~ entsprechend der Ausgangsspannung (V +) gesperrt werden kann.
Um eine Überlastung oder einen Kurzschluss an der Ausgangsklemme zu vermeiden, ist bei einer derartigen Schaltung eine Schutzschaltung vorgesehen, bei welcher ein Widerstand R1- zwischen die Ausgangsklemme (t .) und dem Emitter
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des Transistors Q7 geschaltet ist. Bei einer Betriebsstörung aus irgendeinem Grund, kann der Spannungsabfall am Widerstand E.J4 ermittelt werden, wodurch der Transistor Q11 in der Kennlinie in der Schaltrichtung liegt, bzw. angeschlossen ist, wobei ein Transistor Q, in der Kennlinie in der Schaltrichtung liegt, bzw. eingeschaltet ist. Das Basispotential des Transistors Qg, der mit dem Kollektor von Q. verbunden ist, wird Erde, so dass die Transistoren Qg und Q7 abgeschaltet werden und der Schutz der Schaltung bzw., de» Stromkreises vor Zerstörung infolge der Erhitzung erzielt wird.
Erfindungsgemäss ist eine spezifische Schaltung zum Abfühlen der Temperatur am Haupttransistor Q7 oder in der Nähe dieses Transistors vorgesehen. Zu diesem Zweck ist eine Konstantspannungsdiode oder Zenerdiode D1 vorgesehen, wie z. B. als eine Diode, die durch einen herkömmlichen Transistor geschaffen wird, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind. Hierbei ist zu beachten, dass die Diode D-einen positiven Temperaturkoeffizient hat, dessen Abbruchsspannung sich mit dem Temperaturanstieg erhöht. Eine oder mehrere Konstantspannungsdioden D2 und D-, sind ferner vorgesehen, wovon jede einen negativen Temperaturkoeffizient hat, wobei ihre Spannung zwischen der Basis und dem Emitter mit dem Temperaturabstieg sinkt. Die Dioden D2 und D, können zweckmässig erhalten werden, indem ein herkömmlicher Transistor verwendet wird, dessen Basis und Kollektor entweder im Inneren oder Aussen miteinander verbinden sind, wobei sie in einer Vorwärtsvorspannungskonfiguration verwendet werden. Zumindest die Zenerdiode D-. und die Dioden D2 und D, sind in der Nachbarschaft des Haupttransistors Q7 angeordnet, wo die Hitze des Transistors Q7 unmittelbar die oben erwähnten Dioden beeinflusst. Die Zenerdiode D1 ist zwischen die Eingangsklesme (t^n) und Erde durch einen Widerstand R1 geschaltet. Ein Transistor Q1, dessen Basis
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mit dem Mittelpunkt des Widerstandes R.. und der Diode D1 verbunden ist, ist mit den inReihe geschalteten Dioden ^ D2 und D, verbunden, wobei der Emitter (d. h. die Kathode) : der Diode D^ mit einer Belastung verbunden ist, die aus den Widerständen R« und R, besteht. Die Basis des Transistors Qo ist zwischen die Belastungswiderstände R« und R, geschaltet. Stattöfes Transistors Q2 kann ein Transistor Q. verwendet werden, wobei jedoch bei dieser Ausführungsform ein weiterer Transistor Q-, zwischen den Transistoren Q2 und Q- vorgesehen ist.
Die Arbeitsweise wird wie folgt erläutert:
Bei normaler Temperatur arbeitet die Kons tantspannungss ehaltung auf herkömmliche Art und Weise. Wenn die Temperatur des Transistors Q~ ansteigt und somit auch die Temperatur von D.J ansteigt r steigt die Abbruchs spannung oder Zenerspannung V der Diode D.. an, wobei auch das Basispotential für den Transistor Q.. ansteigt. Dies bewirkt, dass der Transistor Q^ leitender wird. Die Impedanzen»der Dioden D2 und D^ werden ferner sinken, wobei die, VOrwärtsspannungsabfälle abnehmen. Als Ergebnis wird das Basispotential des Transistors Q2 leitender und sein Kollektorpotential sinken. Der Transistor Q2 wird leitender und, sein Kollektorpotential höher (d. h. das Eingangsspannungspotential);". Somit liegt der Transistor Q4 in der Kennlinie in der Schaltrichtung (oder wird leitender), wobei der Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter rasch ansteigt, wodurch der Transistor Qg abgeschaltet und sehliesslieh der. Haupttransistor Q~ infiLge dieser Abschaltung geschützt wird. In Fig. 2 ist eine Mess-, kurve (mit ganzen Linien) zwischen dem Strom I+ und der Sperrschichttemperatur des Transistors Q^ dargestellt. Dadurch wird lclar, dass der Strom. I+ auf weniger als 160° C rasch ansteigt. .., ... '.. . . ■ ,
Somit kann Zerstörung infolge der Hitze vermieden werden. Die gstrichelte Iiinie zeigt den Strom I^,.-bei welchem die
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ORlQiMAL INSPECTED
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integrierte Schaltung keine erfindungsgemässe Schaltung zum Abfühlen der bezüglichen Temperatur bildet. Erfindungsgemäss ist die Temperaturabfühls chal tung unter einem eng verbundenen Hitzeleiter als Haupttransistor vorgesehen. Die Zanerdiode D1 mit einem positiven Temperaturkoeffizient sowie die Vorwärtsdioden D« und D-j mit einem negativen Temperaturkoeffizient machen ferner eine sehr empfindliche Schutzschaltung aus.
Fig. 3 der Zeichnungen stellt schematisch einen Teil einer monolithischen integrierten Schaltung mit der Zenerdiode D.. und einer Vorwärtsdiode Dp darin zum Schutz gegen die zerstörende Erhitzung eines Haupttransistors Q7 dar.
Eine Halbleiterunterlage 11 aus Silizium des P-Typs ist beispielsweise dargestellt. Eine epitaxiale Schicht 12 mit leitfähigkeit des N-Typs ist dabei gebildet. Durch herkömmliche Diposionsmethoden ist der Transistor Q7 gebildet, cfer einen N+ Emitter 13 und eine P-Basis 14 sowie einen Kollektor 15 Jiat. Ein verlegter N+ Bereich 15' ist für den Kollektor vorgesehen.
Gleichzeitig ist die Zenerdiode D1 gebildet, indem ein Transistor in der epitaxialen Schicht 12 gebildet worden ist. Dies umfasst einen Emitter 16 einer. Leitfähigkeit N+, eine Basis 17 mit einer Leitfähigkeit des P-Typs und einen Kollektor 18. Eine verlegte Schicht 18» einer Leitfähigkeit des N+ Typs ist für den Kollektor vorgesehen. Eine vorwärts vorzuspannende Diode D2 ist auf ähnliche Weise gebildet und umfasst einen Emitter 19, eine Basis 20 und einen Kollektor'21. Eine verlegte Schicht 21« ist für den Kollektor 21 vorgesehen.
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Eine Isolierschicht 22 aus Siliziumdioxid liegt über der Schicht 12 und hat Fenster, durch welche eine Dotierung durch Diffusion durchgeführt werden kann. Durch die Fenster wird auch ermöglicht, dasβ Elektroden mit den verschiedenen Bereichen in der epitiacialen Schicht in Kontakt kommen. Insbesondere sind Elektroden 23, 24 und 25 für den Emitter 13 bzw. die Basis 14 bzw. den Kollektor 15 vorgesehen. Elektroden 26 und 27 sind für den Emitter 16 bzw. für die Baäs 17 in .- zu -.-Verbindung mit dem Kollektor 18 der Zenerdiode D^ vorgesehen. Hierbei ist zu beachten, diss die Elektrode 27 sowohl mit der Basis 17 als auch mit dem Kollektor 18 in Kontakt steht und somit die Basis mit dem Kollektor verbindet. Elektroden 28 und 29 sind für die Diode D2 vorgesehen. Die Elektrode 28 steht mit dem Emitter 19 in Kontakt. Die Elektrode 29 steht sowohl mit der Basis 20 als auch mit dem Kollektor 21 in Kontakt.
Die übrigen Teile der Schaltung nach Fig. 1 können zweckmässig in der Unterlage 11 gebildet werden. Aufgrund der grossen Nähe der Zenerdiode D1 und der vorwärts vorgespannten Diode D2 zum Haupttransistor Q- ist ein Isolierring 30 einer Leitfähigkeit des P+ Typs zwischen den beiden Dioden D.. und Dp und dem Haupttransistor Q~ vorgesehen. Dadurch wird eine Hi-Übergangsisolierung erzielt. Hierbei ist zu beachten, dass die Diffusion der entsprechenden Formen von Q7, D^ bzw. D2 gleichzeitig durch herkömmliche Diffusionsmethoden durchgeführt werden kann.
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Claims (9)

ßipl.-lrg. II. MITlGWERLICH Dipl.-1-;. K. C. .■■>■■ . '4ΛΝΝ Dr. rar. nsi. iV. K H i! 8 E R , Dipl. - l-'v .!- ::ri.V..= ,-EVERS 8 MüncHLii u. siansduiistr. ίο. « ße Februar 1974 Neue Patentansprüche
1. Schaltung mit einem Schaltungsteil für den Schutz eines spannungsgesteuerten LeMungs transistors, der sich in der Schaltung zwischen einem Eingang und einem Ausgang "befindet, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schaltungsteil eine spannungskonstanthaltende Diode (D1) mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweist, die in Reihe mit einem Widerstand geschaltet ist, wobei diese Reihenschaltung (D1, R1) zwischen Anschlüsse der Schaltung für eine elektrische Spannung geschaltet ist, daß der Schaltungspunkt zwischen der Diode (D1) und dem Widerstand (R1) mit dem spannungsgesteuerten Basisanschluß des Leistungstransistors (Q7) verbunden ist, daß der Leistungstransistor (Q7) und die Diode (D1) in engem Wärmekontakt miteinander sind, wodurch "bei Erhitzung des Leistungstransistors (Q7) die Temperatur der Diode (D1) derart erhöht wird, daß das Maß der Potentialverschiebung am Schaltungspunkt zwischen Diode (D1) und Widerstand (R1<) den Leistungstransistor (Q7)f bevor eine Zerstörung desselben eintreten kann, abschaltet.
2. v Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Diode (D1) eine Zener-Diode vorgesehen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus der Diode (D1) und dem Widerstand (R1) quer zum Eingang der Schaltung liegt.
4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens eine weitere spannungskonstanthaltende Diode (D2, D3) vorgesehen ist, die negativen Temperaturkoeffizienten hat, die ebenfalls engen Wärmekontakt mit dem Leistungstransistor (Q7) hat und die in Reihe mit wenigstens einem Widerstand (R2, R3) des Basisanschlusses des Leistungstransistors (Q7) zwischen den Schaltungspunkt (zwischen D1 und R1) und einen der Spanmmgsansehlüsse (Masse) geschaltet ist
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(sind), wobei ein Schaltungspunkt der Reihenschaltung mit dieser zusätzlichen Diode (D2, D3) mit dem Basisanschluß des Leistungstransistors (Q7) verbunden ist.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Diode eine in Flussrichtung betriebene Diode verwendet ist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie als spannungskonstanthaltende Schaltung ausgebildet ist, in der der Leistungstransistor (Q7) in Reihe zwischen Eingang (t. ) und Ausgang (t ,) liegt.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Differenzverstärker (Q8, Q9) zur Spannungskons tan thai tung aufweist." . .
8. Schaltung nach einem der Anspräche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der enge Wärmekontakt zwischen dem Leistungstransistor (Q7) und der Diode (D1) und der gegebenenfalls vorgesehenen weiteren Diode (n) (D2, D3) durch Aufbau des Leistungstransistors (Q7) und der einen Diode (D1) und der gegebenenfalls weiteren Dioden (D2, D3) in integrierter, monolithischer Technik in einem gemeinsamen Halbleiterkörper realisiert ist.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Aufbau Elemente des Leistungstransistors (Q7) und der Dioden (D1, D2, D3) aufweist, die gemeinsame Teile sind.
anwalt
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