DE3220736A1

DE3220736A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zur sperrstromkompensation bei halbleitern

Info

Publication number: DE3220736A1
Application number: DE19823220736
Authority: DE
Inventors: Paul M. 85718 Tucson Ariz. Henry
Original assignee: Burr Brown Research Corp
Current assignee: Burr Brown Research Corp
Priority date: 1981-08-21
Filing date: 1982-06-02
Publication date: 1983-04-28
Also published as: GB2104331B; GB2104331A; FR2511809A1; JPS5834607A; DE3220736C2; FR2511809B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein verbesserte Schaltungsanordnungen und Verfahren zur Kompensation des Sperrschicht-Sperrstroms einer Halbleiteranordnung und insbesondere ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Kompensation des Gate-Sperrstroms von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren.

Seit der Verfügbarkeit von Halbleiterbauelementen ist manin der Lage, komplizierte elektronische Funktionen bei äußerst niedrigen Kosten durchzuführen. Einer der wesentlichsten Faktoren der Kostensenkung ist die Möglichkeit, derartige Bauelemente vor dem endgültigen Zusammenbau zu testen und^der abzugleichen. Mit dem Abgleich erhält man Leistungsverbesserungen; das Testen vor dem endgültigen Zusammenbau eliminiert schadhafte oder nicht leistungsgerechte Elemente, bevor zusätzliche Kosten anfallen.

Ein Hauptgrund für die Verwendung von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET's) ist der sehr niedrige Eingangsstrom, der sich aus dem Sperrstrom der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht an der Gate-Elektrode ergibt, die ihrerseits den Ausgangsstrom des Transistors steuert - im Gegensatz zu einem bipolaren Transistor, dessen Basis in Flußrichtung vorgespannt ist und einen Ruhestrom führt, der bei niedrigem Stromverstärkungsfaktor erhebliche Werte annehmen kann. Dieses häufig auftretende Herstellungsproblem verlangt einen Kompromiß zwischen Kostenaufwand und Resultat. Demgegenüber läßt der Sperrstrom in der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht eines JFET sich äußerst gering halten. Ein Eingangsstrom von einem Picoampere bei Raumtemperatur wird routinemäßig erreicht; noch niedrigere Werte sind ebenfalls möglich.

Bei jedem Halbleiterelement mit in Sperrichtung vorgespannter Sperrschicht tritt jedoch das Problem auf,daß der Sperrstrom sich für jeweils etwa 1o C Temperaturzunahme verdoppelt; der bei O fließende Sperrstrom eines solchen Ilalbleiterelements ist daher bei 125⁰C auf etwa das 5700-fache angestiegen.

Während dieser extreme Anstieg des Sperrstroms für in Sperrichtung vorgespannte Sperrschichthalbleiterelemente an sich bei Differenzverstärkern im allgemeinen weniger stark ins Gewicht fällt, wird durch den Temperaturanstieg

die Ungleichheit der Sperrströme der Eingangstransistoren vergrößert, d.h. eine lolige Differenz zwischen Eingangstransistoren mit einem Nenn-Sperrstrom von einem Picoampere bei 0° wird bis 125⁰C zu einer Sperrstromdifferenz von fast einem Nanoampere.

In der Vergangenheit hat man üblicherweise den Temperaturgang der Sperrstromdifferenz zwischen den Eingangstransistoren vorweg kompensiert, indem man bspw. ein zweites Halbleiterelement mit in Sperrichtung vorgespannter Sperrschicht vorsah, um den Sperrstrom des bzw. der Lingangstransistoren zu kompensieren. Dieser Ansatz unterliegt jedoch den gleichen Schwierigkeiten, die oben beschrieben sind, d.h. es ist schwierig, zwei in Sperrrichtung vorgespannte Sperrschichten mit genau dem gleichen Temperaturgang herzustellen. Weiterhin sind einige Nachkompensationsverfahren bekannt, bei denen man aktive oder zugeordnete passive Transistoren (bspw. Lastelemente) aufgrund gemessener Sperrstromwerte nach der Herstellung, aber vor dem endgültigen Zusammenbau abgleicht. Mit am Chip angesetzten Sonden ist man jedoch nicht in der Lage, Sperrströme oder Sperrstromdifferenzen in der Größenordnung von 1oo pA oder weniger genau genug zu messen und genau genug abzugleichen; dieses Problem bei der Sperrstrommessung wird durch elektrische Rausch- bzw. Störanteile und durch den Umlichteinfluß verschärft. Es besteht daher Bedarf an verbesserten Sperrstrom-Kompensationsverfahren für kleine Ströme in Halbleiteranordnungen mit in Sperrichtung vorgespannter Sperrschicht wie bspw. Sperrschicht-Sperrströmen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Verringern der Größe, Variationsbreite und der Differenzen unerwünschter Sperrströme in in Sperrichtung vorgespannten Halbleiteranordnungen und integrierten Schaltkreisen sowie insbesondere zum Verringern der Gate-Sperrströme von einzeln oder mehrfach vorgesehenen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren anzugeben.

Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft diese eine Halbleiterschaltung zum Betrieb über einen Bereich von Temperaturen, die eine erste Halbleiteranordnung mit bei Raumtemperatur niedrigem und bei

höherer Temperatur höherem Sperrstrom, weiterhin eine Halbleitereinrichtung mit einem Temperaturgang des Sperrstroms ähnlich dem der ersten Halbleiteranordnung, wobei die Halbleitereinrichtung elektrisch mit der ersten Halb leiteranordnung verbunden ist und ihr mindestens einen Teil des Sperrstroms zuführt, sowie mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung aufweist, die elektrisch mit der ersten Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung verbunden ist und bei einer höheren als der Raumtemperatur abgeglichen wird, um die Sperrströme der Halbleiter^einrichtung und der ersten Halbleiteranordnung einander im wesentlichen anzupassen. Die offenbarte Schaltung enthält eine integrierte abgleichbare Stromquelle zum Kompensieren temperaturabhängiger Sperrströme in einer Halbleiteranordnung. Wo die Stromquelle auf Spannungen anspricht, werden der Strom sowohl der. Stromquelle als auch der Halbleiteranordnung bei einer Temperatur gemessen, bei der die Kompensierströme höher sind, und die Spannung wird durch Abgleich auf beste Kompensation eingestellt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Halbleiterschaltung offenbart zum Betrieb als Differenzverstärker mit niedrigem Eingangsruhestrom über einen breiten Temperaturbereich. Die Schaltung weist eine erste und eine zweite verstärkende Halbleiteranordnung mit bei Raumtemperatur niedrigem und bei höherer Temperatur höherem Eingangssperrstrom, eine erste und eine zweite Halbleitereinrichtung jeweils mit einem Temperaturgang des Sperrstroms ähnlich dem der ersten und zweiten Halbleiteranordnung, wobei die erste und die zweite Halbleitereinrichtung elektrisch mit den Eingängen der ersten bzw. der zweiten Halbleiteranordnung verbunden sind und mindestens einen Teil der Eingangsströme der ersten bzw. zweiten Anordnung liefern, sowie mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung auf, die elektrisch mit der ersten Halbleitereinrichtung und Halbleiteranordnung bzw. mit der zweiten Halbleiteranordnung und Halbleitereinrichtung verbunden ist und bei einer höheren als der Raumtemperatur so eingestellt wird, daß die Sperrströme der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung sowie der ersten und der zweiten Halbleitereinrichtung im wesentlichen einander angeglichen werden, um den effektiven Eingangsruhestrom über einen Bereich von Temperaturen zu verringern. Die offenbarte Schaltung weist zwei integrierte spannungsempfindliche abgleichbare Stromquellen zur Kompensation

der temperaturabhängigen Ströme in miteinander verbundenen Halbleiterelementen auf. Die Ströme der Stromquellen und der Halbleiteranordnungen werden dabei bei einer Temperatur gemessen, bei der die Kompensierströme hoch sind,und die Spannungseinrichtung wird durch Abgleich auf beste Kompensation eingestellt.

Nach einer weiteren Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verringern des effektiven Sperrstroms einer Halbleiteranordnung über einen breiten Temperaturbereich, nach dem man eine Halbleitereinrichtung mit einem Temperatürgang des Sperrstroms ähnlich dem der Halbleiteranordnung so mit dieser verbindet, daß sie mindestens einen Teil ihres Sperrstroms liefert, und stellt eine mit der Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung verbundene Spannungseinrichtung bei einer höheren als der Raumtemperatur so ein, daß die Sperrströme der Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung bei der höheren Temperatur einander angeglichen werden, um den effektiven Sperrstrom der Halbleiteranordnung über den breiten Temperaturbereich zu verringern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung nach der vorliegenden Erfindung zum Kompensieren eines Sperrschicht-Sperrstroms durch Abgleich;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Schaltung nach der vorliegenden Erfindung zum Kompensieren der Sperrschicht-Sperrströme in zwei Halbleiterelementen für eine Differenz-Eingangsschaltung, und

Fig. 3 als Diagramm den Iiingangsruhestrom (ordinate) als Funktion der Temperatur (Abszisse) für die Schaltung der Fig. 1 vor und nach dem Abgleich.

Die Fig. 1 zeigt nun schematisiert eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung der Fig. 1 enthält einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) 1 beliebiger Polarität. Eine temperatur- und spannungsempfindliche Kompensiereinrichtung 2 (bspw. ebenfalls ein Transistor)

ist mit dem JFET 1 verbunden, wie dargestellt. Abgleichbare Spannungssteuereinrichtungen 4, 6 sind angeschlossen, wie dargestellt, um die Spannungen über der Kompensiereinrichtung 2 und dem Transistor 1 einzustellen.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 hat der Transistor 1 einen Gate-Strom, der sowohl von der Temperatur als auch von der Sperrspannung zwischen Drain und Gate abhängt. Die Stromkompensiereinrichtung 2 ist erwünschterweise ein mit dem Transistor 1 ähnlicher bzw. identischer Transistor, um den besten Temperaturgleichlauf des !Compensations- und des Gate-Stroms zu erreichen. In diesem Fall handelt es sich bei der Kompensiereinrichtung 2 ebenfalls um einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor, dessen Drain- und Sourceanschlüsse miteinander und mit dem Gate des Transistors 1 verbunden sind. Da die Sperrströme sowohl des Transistors 1 als auch der Einrichtung mit der Spannung (und mit der Temperatur) zunehmen, können die abgleichbaren Spannungssteuereinrichtungen 4, 6 auf beste Kompensation eingestellt werden. Bei den abgleichbaren Spannungssteuereinrichtungen 4, 6 kann es sich bspw. um abgleichbare Widerstandsnetzwerke handeln.

Das Verfahren des Kompensationsabgleichs sei anhand der Fig. 3 erläutert. Obgleich man die Einrichtung 2 und denTr Transistor 1 vorzugsweise schon auf möglichst gleichen Sperrstrom selektiert, beträgt der Eingangsruhestrom vor dem Abgleich (vergl. die obere Gerade) bei 25⁰C fast 1o pA und steigt bis 15o°C auf Über 10 nA an. Bei Raumtemperatur ist der zum Transistor 1 fließende Eingangsruhestrom so niedrig, daß er sich in der Fertigung (bspw. mit Chipsonden) kaum noch genau genug messen läßt, um den erforderlichen Abgleich zuzulassen. Indem man die Schaltungskombination bspw. auf eine beheizte Einspannvorrichtung setzt und die Temperatur auf bspw. 1So⁰C anhebt, wird der gemessene Eingangsruhestrom weit weniger empfindlich gegenüber Störsignalen und man kann einen präzisen Abgleich - mindestens bis zu einem wiederum vom Rauschen bestimmten Wert - durchführen. Bspw. kann man den Eingangsruhestrom durch Verstellen der Einrichtungen 4, 6 bei 15o°C von etwa 25 nA auf etwa 1oo pA verringern.

Diese beispielhafte Differenz um denFaktor 25o bleibt über den in Fig. 3 gezeigten Temperaturbereich erhalten, so daß sich der Eingangsruhestrom bei 25°C auf etwa 2o £A verringert. Die praktische Grenze dieser Verringerung wird von der Auflösung und Genauigkeit der Strommessung bei erhöhten Temperaturen bestimmt; Die Kompensation wird also besser, wenn man bei der -

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mit anderen Einflußfaktoren kompatiblen höchstmöglichen Temperatur mißt.

Die Fig. 2 zeigt eine analoge Schaltungsanordnung für den Fall von zwei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren 11, 33, die als Differenzelemente (bspw. in einem Differenzverstärker) arbeiten sollen. Zwei Stromkompensiereinrichtungen 22,24 bewirken eine individuelle Sperrstromkompensation der JFET's 11 bzw. 33 durch Einstellen der beiden abgleichbaren Spannungssteuereinrichtungen 44, 66 (die den Einrichtungen 4, 6 der Fig. 1 entsprechen). Die Einrichtung 66 kann bspw. Lastelemente für die Transistoren 11, 33 enthalten, die, um die Unterschiede der Arbeitseigenschaften der Transistoren 11, 33 auszugleichen, bei erhöhter Temperatur vor der abschließenden Sperrstromkompensation durch Abgleich der beiden Spannungssteuereinrichtungen 44 (die entsprechend der Einrichtung 4 abgleichbar sind) eingestellt werden.

Die oben beschriebenen Anordnungen und Verfahrensweisen lassen sich auch auf andere Halbleiteranordnungen anwenden, deren Sperrströme die Leistungsfähigkeit von Schaltungen beeinträchtigen. Bspw. wird bei einem bipolaren Transistor der Kollektor-Basis-Sperrstrom mit dem Stromverstärkungsfaktor multipliziert und erzeugt bei höheren Temperaturen unerwünschte Störanteile. Eine geeignete Stromkompensiereinrichtung kann vorgesehen werden, die man bei erhöhter Temperatur präzise abgleicht, um eine über einen breiten Temperaturbereich wirkende Kompensation zu erreichen. Dieses Verfahren ist allgemein immer dann anwendbar, wenn ein temperaturabhängiger Strom bei hohen Temperaturen unerwünschte Störsignale bewirkt.

Das offenbarte Kompensationsverfahren ist insbesondere auch anwendbar, wenn für zwei mit der Temperatur zunehmende Ströme über einen breiten Temperaturbereich ein genauer Temperaturgleichlauf erforderlich ist; das Verhältnis dieser Ströme kann sich auch von 1:1 unterscheiden, wie im Fall der oben beschriebenen Sperrstromkompensation.

Claims

(Ai(A .'.

Patentansprüche

. Halbleiterschaltung zum Betrieb über einen breiten Temperaturbereich mit einer ersten Halbleiteranordnung mit bei Raumtemperatur niedrigem und bei höherer Temperatur höherem Sperrstrom, gekennzeichnet durch eine elektrisch mit der ersten Halbleiteranordnung verbundene Halbleitereinrichtung mit einem Temperaturgang des Sperrstroms ähnlich dem der ersten Halbleiteranordnung, die letzterer mindestens einen Teil des Sperrstroms liefert, und durch mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung, die elektrisch mit der ersten Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung verbunden ist und bei einer höheren als der Raumtemperatur abgeglichen wird, um den effektiven Sperrstrcm der ersten flalbleiteranordnung über einen Bereich von Temperaturen zu verringern.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet weiterhin durch eine zweite abgleichbare Spannungseinrichtung, die mit der ersten Halbleiteranordnung verbunden ist und bei einer höheren als der Raumtemperatur abgeglichen wird, um den effektiven Sperrstrom der ersten Halbleiteranordnung über einen Bereich vonTemperaturen zu verringern.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennze ichnet, daß die erste Halbleiteranordnung und die Halbleitereinrichtung Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufweisen.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung die Sperrströme der ersten Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung im wesentlichen aneinander anpaßt.
5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite abgleichbare Spannungseinrichtung die Sperrströme der ersten Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung aneinander anpaßt.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiteranordnung und die Halbleitereinrichtung Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufweisen.
7. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 zum Betrieb als Differenzverstärker mit niedrigem Eingangsruhestrom über einen breiten Temperaturbereich, gekennzeichnet durch eine zweite Halbleiteranordnung mit bei Raumtemperatur niedrigem und bei höherer Temperatur höherem Eingangssperrstrom und eine zweite Halbleitereinrichtung mit dem der zweiten Halbleiteranordnung ähnlichem Temperaturgang des Sperrstroms, die elektrisch mit dem Eingang der zweiten Halbleiteranordnung verbunden ist und mindestens einen Teil des Eingangssperrstroms derselben liefert, wobei die mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung elektrisch mit der ersten Halbleiteranordnung und der ersten Halbleitereinrichtimg sowie mit der zweiten Halb-

leiteranordnung und der zweiten Halbleitereinrichtung verbunden ist und bei höherer Temperatur abgeglichen wird, um den Unterschied der Eingangssperrströme der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung über einen Bereich von Temperaturen zu verringern.
8. Schaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite abgleichbare Spannungseinrichtung, die an die erste und die zweite Halbleiteranordnung angeschlossen ist und bei hoher Temperatur eingestellt wird, um den effektiven Eingangsruhestrom der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung über einen Bereich von Temperaturen zu verringern.
9. Schaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Halbleiteranordnung sowie die erste und die zweite Halbleitereinrichtung Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufweisen.
ίο. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet* daß die erste und die zweite Halbleitereinrichtung jeweils einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Source und Drain miteinander verbunden sind.
11. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung die Sperrströme der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung sowie der ersten und der zweiten Halbleitereinrichtung einander anpaßt, um den Unterschied der Eingangssperrströme der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung über einen Bereich von Temperaturen zu verringern.
12. Schaltung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine zweite abgleichbare Spannungseinrichtung, die mit der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung verbunden ist und bei der höheren Temperatur eingestellt wird, um den effektiven Eingangsruhestrom der ersten und der zweiten Halbleiteranordnung über einen Bereich von Temperaturen zu verringern.
13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Halbleiteranordnung sowie die erste und die zweite Halbleitereinrichtung Sperrschicht-Feldeffekttransistoren aufweisen.
14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste und die zweite Halbleitereinrichtung jeweils einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor aufweisen, dessen Drain und Source elektrisch miteinander verbunden sind.
15. Verfahren zum Verringern des effektiven Sperrstroms der ersten Halbleiteranordnung in der Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 über einen breiten Temperaturbereich, dadurch gekennze ichnet, daß man an die erste Halbleiteranordnung die Halbleitereinrichtung mit der ersteren ähnlichem Temperaturgang des Sperrstroms so anschließt, daß sie mindestens einen Teil des Sperrstroms der ersten Halbleiteranordnung liefert, und die mindestens eine, an die erste Halbleiteranordnung und die Halbleitereinrichtung angeschlossene abgleichbare Spannungseinrichtung bei einer höheren als der Raumtemperatur einstellt, um den effektiven Sperrstrom der ersten Halbleiteranordnung über den breiten Temperaturbereich zu verringern.
16. Verfahren zum Verringern des effektiven Sperrstroms der ersten Halbleiteranordnung in der Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 über einen breiten Temperaturbereich, dadurch gekennzeichnet, daß man die Halbleitereinrichtung mit dem er ersten Halbleiteranordnung ähnlichem Temperaturgang des Sperrstroms mit letzterer so verbindet, daß sie mindestens einen Teil des Sperrstroms der ersten Halbleiteranordnung liefert, und die an die erste Halbleiteranordnung und die Halbleitereinrichtung angeschlossene mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung bei einer höheren als der Raumtemperatur einstellt, um den effektiven Sperrstrom der ersten Halbleiteranordnung über den breiten Temperaturbereich zu verringern.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennze ichnet, daß man eine an die erste Halbleiteranordnung und die Halbleitereinrichtung angeschlossene zweite Spannungseinrichtung bei der höheren Temperatur einstellt,

um den effektiven Sperrstrom der ersten Halbleiteranordnung über den breitenTemperaturbereich zu verringern.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiteranordnung und die Halbleitereinrichtung jeweils einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor aufweisen.
19. Verfahren zur Einstellung eines genauen Temperaturgleichlaufs der mit der Temperatur zunehmenden Ströme der ersten Halbleiteranordnung und der Halbleitereinrichtung in der Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 in einem vorbestimmten Verhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung zum Einstellen mindestens eines der Ströme vorsieht und die mindestens eine abgleichbare Spannungseinrichtung bei einer höheren als der Raumtemperatur auf das gewünschte Verhältnis der beiden Ströme abgleicht.