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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem
integriertem Temperatursensor.
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Die
Temperatur eines Halbleiterbauelements stellt einen wesentlichen
Parameter für
dessen Betrieb dar. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen Temperaturen
auftreten können,
bei welchen eine Beschädigung
oder Zerstörung
des Bauelements zu befürchten
ist, ist es wesentlich die Temperatur zu erfassen um rechtzeitig
vor Erreichen eines kritischen Temperaturwertes geeignete Maßnahmen
ergreifen zu können.
Derartige Maßnahmen
können
beispielsweise das Abschalten oder Reduzieren eines wärmeerzeugenden
Laststromes zur Reduzierung der in Wärme umgesetzten Verlustleistung,
und damit zum Schutz vor einer Übertemperatur,
umfassen.
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Zur
Ermittlung der Temperatur des Halbleiterbauelements ist es bekannt,
einen Temperatursensor auf dem Gehäuse des Halbleiterbauelements oder
auf dem Halbleiterkörper/Chip
anzubringen. Ein derartiges Vorgehen ist für sogenannte TEMP-FET, die
in Chip-on-Chip Technologie gefertigt werden, in Stengl/Tihanyi: "Leistungs-MOS-FET-Praxis", Pflaum Verlag,
München,
1992, Seite 112 beschrieben. Nachteilig ist hierbei, dass der Sensor
und das eigentliche Halbleiterbauelement zwei getrennte Bauelemente
sind, was die Herstellungskosten steigert. Außerdem wird durch den Sensor
nur die Temperatur außen
an dem Halbleiterbauelement erfasst, die erheblich von der Temperatur
im Inneren des Halbleiterbauelement abweichen kann. Gerade die Temperatur
im Inneren des Halbleiterkörpers,
insbesondere die Sperrschichttemperatur, ist jedoch zur Ermittlung
kritischer Betriebszustände
relevant.
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Zur
Ermittlung der internen Temperatur eines Halbleiterbauelements ist
es bekannt, eine Diode in demselben Halbleiter körper, in dem das Halbleiterbauelement
integriert ist, vorzusehen, wobei die Diode an eine Versorgungsspannung
angeschlossen ist. Man macht sich hierbei zu Nutze, dass der Sperrstrom
der Diode, der durch eine Messanordnung erfasst wird, exponentiell
von der Temperatur abhängig ist,
so dass von dem Sperrstrom auf die Temperatur in dem Halbleiterkörper geschlossen
werden kann. Allerdings weist dieser Sperrstrom erst bei hohen Temperaturen
einen nennenswerten, das heißt
auswertbaren Wert auf, so dass der Signalhub eines derartigen Dioden-Temperatursensors
gering ist. Außerdem
weisen Dioden stets eine Sperrschichtkapazität auf, in der Ladung gespeichert
ist. Diese gespeicherte Ladung kann einen Strom verursachen, der
unter Umständen
größer als
der Sperrstrom, der den temperaturabhängigen Messwert darstellt,
ist, was das Messergebnis unzulässig
beeinflusst.
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Die
DE 196 09 967 C2 beschreibt
eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer Schaltstufe vor thermischer Überlastung,
wobei die Schaltungsanordnung als Temperatursensor einen Bipolartransistor
umfasst, dessen Kollektoranschluss an dessen Basisanschluss angeschlossen
ist und dessen Laststrecke in Reihe zu einer Stromquelle geschaltet
ist.
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Die
DE 195 19 477 C2 beschreibt
eine integrierte Schaltung mit thermischen Überlastschutz, wobei die Schaltung
einen Leistungstransistor aufweist, an dessen Steueranschluss eine
Schutzschaltung angeschlossen ist, die als Temperatursensor einen
Bipolartransistor umfasst, dessen Basis und Emitter über einen
Widerstand miteinander verbunden sind.
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Die
DE 195 48 060 A1 beschreibt
einen zellenartig aufgebauten Leistungs-MOSFET oder IGBT, wobei
benachbart zu dem Zellenfeld des MOSFET oder IGBT ein Bipolartransistor
als Temperatursensor angeordnet ist.
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Die
DE 197 27 229 C1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung zum Erfassen des Überschreitens einer kritischen
Temperatur eines Bauelementes, die einen als Sense-Transistor bezeichneten
Temperaturmesstransistor aufweist, dessen Kollektoranschluss über eine
Stromquelle mit dessen Basisanschluss verbunden ist.
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Die
EP 0 341 482 A1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung mit einem MOSFET und mit einem in Reihe
zu dem MOSFET geschalteten, als Temperatursensor dienenden Bipolartransistor.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit
einem integrierten Temperatursensor zur Verfügung zu stellen, bei welchem der
Temperatursensor zuverlässig
einen von der Temperatur im Innern des Halbleiterbauelements abhängigen Strom
bereitstellt und bei welchem die oben genannten Probleme nicht auftreten.
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Dieses
Ziel wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Merkmale des Anspruchs
1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
weist einen integrierten Temperatursensor auf, der eine erste und
eine zweite Anschlussklemme zum Anlegen einer Versorgungsspannung
aufweist und der einen temperaturabhängigen Strom bereitstellt.
Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein Leistungstransistor
oder eine beliebige andere temperatursensible integrierte Schaltung,
wobei das Halbleiterbauelement und der Temperatursensor in einem
gemeinsamen Halbleiterkörper
integriert sind. Erfindungsgemäß ist der
Temperatursensor als Bipolartransistor ausgebildet ist, dessen Basis
und Emitter miteinander gekoppelt sind und dessen Kollektor an die
erste Anschlussklemme und dessen Emitter an die zweite Anschlussklemme
angeschlossen ist.
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Der
zwischen Kollektor und Emitter bei Anlegen einer Versorgungsspannung
fließende
Strom ist temperaturabhängig
und stellt die interessierende Messgröße dar. Dieser Strom ist erheblich
größer als der
Sperrstrom einer Diode, so dass sich kapazitive Effekte weniger
stark auf das Messergebnis auswirken, wie im Folgenden erläutert ist.
Der Messstrom resultiert aus dem Kollektor-Basis-Strom des Bipolartransistors
und dessen Kollektor-Emitter-Strom. Der Kollektor-Basis-Strom entspricht
dabei dem Sperrstrom einer Diode, da zwischen Kollektor und Basis ein
pn-Übergang
wie bei einer Diode gebildet ist. Der Kollektor-Emitter-Strom ist
höher als
der Kollektor-Basis-Strom
und resultiert aus dem Produkt aus dem Kollektor-Basis-Strom und der Rückwärtsverstärkung des
Bipolartransistors, wobei letztere eine Konstante ist. Für den exponentiell
von der Temperatur abhängigen
Messstrom Is gilt also: Is = Icb +
Ice = Icb + Br·Icb
= (1 + Br)·Icb (1),wobei Icb
der Kollektor-Basis-Strom, Ice der Kollektor-Emitter-Strom und Br die Rückwärtsverstärkung des
Bipolartransistors ist. Der Messstrom ist damit um den Faktor (1
+ Br) größer als
bei Verwendung einer Diode als Temperatursensor, wobei übliche Werte
für die
Rückwärtsverstärkung im
Bereich von 3 liegen.
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Die
obige Beziehung gilt für
den Fall, dass die Basis und der Emitter des Bipolartransistors
kurzgeschlossen oder niederohmig miteinander gekoppelt sind.
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Der
als Temperatursensor dienende Bipolartransistor ist auf einfache
Weise mittels herkömmlicher
Halbleiterprozesse realisierbar. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, den Bipolartransistor im Zellenfeld ei nes
Leistungs-MOS-Transistors auszubilden, wobei der Kollektor durch
eine erste dotierte Zone eines ersten Leitungstyps im Bereich einer
Rückseite
des Halbleiterkörpers
gebildet ist, wobei die Basis durch eine zweite dotierte Zone eines
zweiten Leitungstyps im Bereich einer Vorderseite des Halbleiterkörpers gebildet ist
und wobei der Emitter durch eine dritte dotierte Zone des ersten
Leitungstyps in der zweiten dotierten Zone gebildet ist. Der Bipolartransistor
kann durch eine Zelle des Zellenfeldes gebildet sein, die separat zu
den anderen Zellen kontaktiert ist. Die erste Zone entspricht bei
den übrigen
Zellen der Drain-Zone, die zweite Zone entspricht bei den übrigen Zellen
der Body-Zone und die dritte Zone entspricht bei den übrigen Zellen
der Source-Zone.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist zur Reduzierung kapazitiver Effekte eine an den Temperatursensor
angeschlossene Kompensationsschaltung vorgesehen, die umfasst: eine
an die erste Anschlussklemme des Temperatursensors angeschlossene
Diode, einen dem Temperatursensor nachgeschalteten ersten MOS-Transistor
und einen der Diode nachgeschalteten zweiten MOS-Transistor, deren
Gate-Anschlüsse
miteinander verbunden sind, eine parallel zu der Drain-Source-Strecke
des zweiten MOS-Transistors geschaltete erste Stromquelle und eine
parallel zu der Drain-Source-Strecke des ersten MOS-Transistors
geschaltete zweite Stromquelle.
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Das
Flächenverhältnis zwischen
dem ersten und zweiten MOS-Transistor
entspricht dabei vorzugsweise dem Flächenverhältnis zwischen der Diode und
dem Stromsensor, das heißt
dem Bipolartransistor und das Stromverhältnis der ersten und zweiten
Stromquelle entspricht dem Flächenverhältnis zwischen
der Diode und dem Stromsensor.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren näher erläutert. In
den Figuren zeigt
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1 ein
schematisches Schaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement mit
Temperatursensor,
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2 ein Beispiel einer Realisierung des Temperatursensors
in einem Halbleiterkörper (2a)
und elektrisches Ersatzschaltbild (2b),
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3 ein
Schaltbild eines Temperatursensors mit Kompensationsschaltung.
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In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen
gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein schematisches Schaltbild eines Halbleiterbauelements IC mit
einem integrierten Temperatursensor. Das Halbleiterbauelement IC,
das nur im Umriss dargestellt ist und dessen weiterer Aufbau neben
dem Temperatursensor TS in 1 nicht dargestellt
ist, kann ein beliebiges temperatursensitives Halbleiterbauelement,
beispielsweise ein Leistungs-MOS-Transistor, sein.
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Der
Temperatursensor TS ist als Bipolartransistor ausgebildet, dessen
Kollektor K an eine erste Anschlussklemme A1 angeschlossen ist,
dessen Emitter an eine zweite Anschlussklemmen A2 angeschlossen
ist und dessen Basis B mit dessen Emitter E gekoppelt ist. In dem
dargestellten Beispiel sind die Basis B und der Emitter E kurzgeschlossen.
Basis B und Emitter E können,
wie gestrichelt dargestellt ist, auch mittels eines niederohmigen
Widerstands R miteinander verbunden sein.
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Bei
Anlegen einer Versorgungsspannung zwischen den Anschlussklemmen
A1, A2 ist an dem Emitteranschluss E ein temperaturabhängiger Messstrom
Is abgreifbar. Dieser Messstrom Is kann beispielsweise mittels einer
dem Emitter nachgeschalteten Auswerteschaltung 10 ausgewertet
werden, um abhängig
von der Temperatur geeignete Maßnahmen
zur Verhinderung eines weiteren Temperaturanstiegs ergreifen zu
können.
Die Auswerte schaltung kann in nicht näher dargestellter Weise in
dem Halbleiterkörper
des Halbleiterbauelements IC integriert sein, um die Leistungsaufnahme
des Bauelements IC bei Erreichen einer kritischen Temperatur zu
reduzieren. Dies kann über
ein temperaturabhängiges, von
der Auswerteschaltung 10 bereitgestelltes Steuersignal
S10 erfolgen.
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Der
Messstrom setzt sich gemäß Gleichung (1)
zusammen aus dem Kollektor-Basis-Strom Icb, der dem Sperrstrom der
Kollektor-Basis-Diode
entspricht, und dem Kollektor-Emitter-Strom, der dem Produkt aus
dem Kollektor-Basis-Strom und der Rückwärtsverstärkung Br entspricht. Der Messstrom ist
damit um den Faktor 1 + Br größer als
der Sperrstrom der Kollektor-Basis-Diode und damit robuster gegenüber Störungen im
Vergleich zur Verwendung einer Diode als Temperatursensor.
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2a veranschaulicht
ein Beispiel zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Temperatursensors,
wobei das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung gemäß 2a in 2b dargestellt
ist. Der in dem Beispiel als npn-Bipolartransistor ausgebildete
Temperatursensor ist in einem Halbleiterkörper 100 integriert,
wobei der Kollektor K des Bipolartransistors durch eine stark n-dotierte
Zone 20 im Bereich einer Rückseite 101 des Halbleiterkörpers 100 ausgebildet
ist. Die Basis B wird durch eine p-dotierte zweite Zone 30 im
Bereich einer Vorderseite 102 des Halbleiterkörpers 100 gebildet,
wobei die Zone 30 in einer schwächer n-dotierten, sich an die
Kollektor-Zone anschließenden
Driftzone 22 ausgebildet ist. Der Emitter E ist durch eine
stark n-dotierte Zone 40 in der Basiszone 40 gebildet.
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Die
Basiszone 30 und die Emitterzone 40 sind mittels
eines Anschlusskontakts 70, der beispielsweise aus Polysilizium
oder einem Metall besteht, miteinander kurzgeschlossen.
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Ein
derartiger Temperatursensor ist mittels Halbleiterprozessen bei
der Herstellung eines vertikalen Leistungs-MOS- Transistors einfach realisierbar. So
stellt 2a beispielsweise einen Ausschnitt eines
Zellenfeldes eines vertikalen Leistungs-MOS-Transistors dar, wobei
der Temperatursensor durch die dargestellte Zelle gebildet ist.
Während
die gleichartig aufgebauten, nicht dargestellten Zellen eines derartigen
MOS-Transistor parallel geschaltet sind, ist die dargestellte als
Temperatursensor verwendete Zelle separat kontaktierbar, das heißt der Kontaktanschluss 70 ist
nicht an den Source-Anschluss des MOS-Transistors angeschlossen,
während
die Rückseite 101 sowohl
den Drain-Anschluss des MOS-Transistors
als auch den ersten Anschluss A1 des Temperatursensors bildet.
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2a zeigt
auch eine der Zelle zugeordnete Gate-Elektrode 60, die
mittels einer Isolationsschicht 50 gegenüber dem
Halbleiterkörper
isoliert ist. Da bei der dargestellten Zelle die Wirkung des MOS-Transistors
unterdrückt
werden soll, und nur die Wirkung des Bipolartransistors gewünscht ist,
ist die Gate-Elektrode 60 an die Anschlusselektrode 70 angeschlossen.
Durch die in 2a dargestellte Struktur ist
neben einem Bipolartransistor auch ein MOS-Transistor gebildet,
wie das Ersatzschaltbild in 2b zeigt.
Die Drain-Zone dieses Transistors ist durch die Zone 20,
die Driftzone durch die Zone 22, die Body-Zone durch die
Zone 30 und die Source-Zone durch die Zone 40 gebildet.
Ein Anschließen
des Gate 60 an den Anschlusskontakt 70 kommt einem Kurzschluss
zwischen Gate und Source des MOS-Transistors gleich.
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Der
Bipolartransistor gemäß 2a ist
der bei allen MOS-Transistoren
vorkommende parasitäre Bipolartransistor,
der bei der Erfindung als Temperatursensor genutzt wird.
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Bei
anderen nicht näher
dargestellten Zellen des Bauelements steht die Wirkung als MOS-Transistor
im Vordergrund, Gate und Source sind deshalb nicht kurzgeschlossen.
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3 zeigt
einen erfindungsgemäßen als
Bipolartransistor ausgebildeten Temperatursensor TS mit einer Kompensationsschaltung
zur Vermeidung bzw. Verringerung eines Einflusses kapazitiver Effekte
auf das Messergebnis.
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Die
Kompensationsschaltung umfasst einen MOS-Transistor, dessen Drain-Source-Strecke
D-S in Reihe zu dem Temperatursensor TS geschaltet ist, wobei parallel
zu der Drain-Source-Strecke D-S eine Stromquelle Iq2 geschaltet
ist.
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Die
Kompensationsschaltung umfasst weiterhin eine Reihenschaltung einer
Diode D1 und eines MOS-Transistors M1, wobei diese Reihenschaltung
parallel zu der Reihenschaltung mit dem Temperatursensor TS und
dem MOS-Transistor M2 geschaltet ist. Der Gate-Anschluss G und der
Drain-Anschluss D des MOS-Transistors
M1 sind kurzgeschlossen, zudem ist eine Stromquelle Iq1 parallel
zu der Drain-Source-Strecke des MOS-Transistors M1 geschaltet ist. Die Gate-Anschlüsse der
beiden MOS-Transistoren M1, M2 sind miteinander verbunden.
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Das
Flächenverhältnis zwischen
dem MOS-Transistor M1 und dem MOS-Transistor M2 entspricht vorzugsweise
dem Flächenverhältnis zwischen
der Diode D1 und dem als Stromsensor dienenden Bipolartransistor
TS. In einem entsprechenden Verhältnis
steht der Strom der Stromquelle Iq1 zu dem Strom durch die Stromquelle
Iq2.
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Der
als Bipolartransistors ausgebildete Temperatursensor TS und die
Diode D1 sind in derselben Technologie in einem Halbleiterkörper ausgebildet und
unterliegen damit auch denselben Temperatureinflüssen. Bei Anlegen einer Spannung
zwischen den Anschluss A1 und Bezugspotential fließt sowohl durch
die Diode D1 als auch durch den Bipolartransistor TS ein temperaturabhängiger Strom,
wobei der Kollektor-Basis-Strom Icb des Bipolartransistors zu dem
Sperrstrom der Diode über
das Flächenverhältnis zwischen
dem Transistor TS und der Diode D1 in Beziehung steht.
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In 3 ist
weiterhin eine Auswerteschaltung IC1 dargestellt, die dem Anschluss
A2 des Temperatursensors TS nachgeschaltet ist und die zur Auswertung
des Messstromes Is dient.
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Die
in 3 dargestellte Schaltungsanordnung mit dem Temperatursensor
TS, der Auswerteschaltung IC1 und der Kompensationsschaltung funktioniert
wie im folgenden kurz erläutert
ist.
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Bei
Anlegen einer Spannung zwischen dem Anschluss A1 und einem Bezugspotential,
an welches die Source-Anschlüsse
S der MOS-Transistoren und die Ansteuerschaltung IC1 angeschlossen sind,
fließt
ein temperaturabhängiger
Strom durch die Diode D1, die in der Kompensationsschaltung als Temperatursensor
dient. Der Strom, der bei niedrigen Temperaturen und einer nicht
oder nicht stark schwankenden Spannung durch die Diode D1 fließt bzw.
der Spannungsabfall zwischen Gate und Source des MOS-Transistors
M2 ist dabei nicht ausreichend, den MOS-Transistor M2 leitend anzusteuern. Der
Strom durch die Diode D1 fließt
damit über
die Stromquelle. In entsprechender Weise fließt der Messstrom Is bei kleinen
Temperaturen nahezu ausschließlich über die
Stromquelle Iq2 und wird in der Auswerteschaltung IC1 nicht erfasst.
Eine Temperaturmessung erfolgt damit erst oberhalb einer vorgegebenen
Temperaturschwelle.
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Bei
einer Temperatur oberhalb dieser Temperaturschwelle wird der MOS-Transistor
M1 leitend angesteuert, so dass ein Teil des Stromes der Diode D1
durch den angesteuerten MOS-Transistor
M1 und ein Teil des Diodenstromes durch die Stromquelle Iq1 fließt. Da die
beiden MOS-Transistoren M1, M2 als Stromspiegel verschaltet sind,
fließt
ein Strom durch den Transistor M2, der über das Stromspiegelverhältnis zu
dem Strom durch den Transistor M1 in Beziehung steht. Da weiterhin
die beiden Stromquellen Iq1, Iq2 entsprechend dem Stromspiegelverhältnis dimensioniert
sind, fließt
durch den MOS-Transistor M2
und die Stromquelle Iq2 ein Strom, der über das Stromspiegelverhältnis zu
dem Diodenstrom der Diode D1 in Beziehung steht.
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Da
das Stromspiegelverhältnis
dem Flächenverhältnis zwischen
der Diode D1 und dem Temperatursensor TS entspricht, fließt über die
Stromquelle Iq2 und den MOS-Transistor M2 ein Strom, der dem Kollektor-Basis-Strom
Icb des Temperatursensors TS entspricht.
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Ein
Strom der, dem Kollektor-Emitter-Strom Ice des Bipolartransistors
entspricht und der um den Wert der Rückwärtsverstärkung größer als der Kollektor-Basis-Strom
Icb ist, fließt
durch die Auswerteschaltung IC1, um ausgewertet zu werden.
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Unterliegt
die Spannung zwischen der Klemme A1 und Bezugspotential starken
Schwankungen, so kann ein kapazitiver Strom aus der Diode D1 fließen, der
aus einer in der Diode D1 gespeicherten Ladung resultiert und der
erheblich größer als
der temperaturabhängige
Sperrstrom der Diode D1 sein kann. Ein entsprechender Strom fließt auch
durch den Bipolartransistor TS, der eine entsprechende Sperrschichtkapazität wie die
Diode D1 umfasst. Der kapazitive Strom durchfließt den MOS-Transistor M1, wobei
der kapazitive Anteil des Messstromes entsprechend durch den Transistor
M2 fließt,
so dass der kapazitive Strom nicht durch die Auswerteschaltung IC1
fließt
sondern bezüglich
des in der Auswerteschaltung IC1 gemessenen Stromes kompensiert ist.
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Wie
bereits erwähnt,
sind der Temperatursensor TS und die Diode in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert
und weisen entsprechende Temperaturverhalten auf, wobei der temperaturabhängige Strom
Is durch den Temperatursensor TS um den Wert des Kollektor-Emitter-Stromes
größer als
der Strom durch die Diode D1 ist.