DE1054586B - Transistor mit temperaturkompensiertem Kollektorstrom - Google Patents
Transistor mit temperaturkompensiertem KollektorstromInfo
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Description
DEUTSCHES
Die bekannten Halbleiteranordnungen weisen Kennlinien auf, die sich mehr oder weniger mit der Temperatur
ändern. Derartige Änderungen wirken in vielen Fällen der eigentlichen Arbeitsweise der Schaltungen
entgegen, in denen Halbleiter eingeschaltet sind.
Die bekannten Halbleiteranordnungen sind im allgemeinen lichtempfindlich und häufig mit pn-Übergängen
versehen. Die Temperaturschwankungen, durch die sich die Kennlinien der Halbleiter ändern,
können durch die Wärme entstehen, die vom elektrischen Strom, vom Licht selbst oder von anderen
Quellen herrührt. Man konnte nun in solchen Schaltungen bisher nicht den vom Licht herrührenden
Temperatureinfluß von den anderen, die Temperatur beeinflussenden Quellen trennen und die Lichtstärke
genau messen.
Die pn-Übergänge werden nun als Emitter von Minoritätsladungsströmen häufig in Transistoren verwendet.
Solch ein Übergang kann gegenvorgespannt sein, um die Emission dieser Ladungsträger zu verhindern.
Da jedoch diese Ladungsträger durch das Auftreten von Wärme entstehen, muß, wenn die Betriebstemperatur
ansteigt, eine höhere Gegenspannung angelegt werden, damit der Transistor im AUSZustand
gehalten oder in diesen geschaltet wird, nachdem er vorher im leitenden Zustand war.
Die Notwendigkeit, die Änderungen der Transistoreigenschaften bei Änderungen der Temperatur zu
kompensieren, erlangt eine erhöhte Bedeutung, wenn die Ladungsstromträgerkapazität der Transistoren
angewachsen ist. So ist z. B. bereits ein Transistor mit zwei stabilen Zuständen, dem mit geringer Leitfähigkeit
und dem mit hoher Leitfähigkeit, vorgeschlagen worden. Da wenigstens einer der beiden
Bereiche des Transistorkörpers notwendigerweise einen wesentlichen hohen spezifischen Widerstand und
einen wesentlichen Temperaturwiderstandskoeffizienten aufweist, sucht ein solcher Transistor sich
während der Zeiten hohen Stromflusses zu erwärmen. Wenn die Zeiten hohen Stromflusses sehr lang sind
oder häufig auftreten, kann die Erwärmung die Transistoreigenschaften in so hohem Maße ändern, daß die
Vorspannung nicht weiter derart wirksam ist, daß der Transistor im AUS-Zustand gehalten wird. Dieser
kann fortwährend in seinem hohen Stromleitzustand bleiben.
Für einen Transistor mit temperaturkompensiertem Kollektorstrom besteht nun. die Erfindung darin, daß
an einem der Halbleiterbereiche des Transistors zwei weitere pn-Übergänge in Reihe angeordnet sind und
daß der von dem Halbleiterbereich des Transistors entfernt gelegene pn-übergang schaltungsmäßig zur
Temperaturkompensation des Kollektorstromes ausgenutzt ist.
Transistor mit temperaturkompensiertem Kollektorstrom
Anmelder: IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft m.b.H., Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49
Beansprudite Priorität: V. St. v. Amerika vom 20. Mai 1955
Richard Frederick Rutz, Fishkill, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden
Es ist bereits ein zweistufiger, temperaturkompensierter Transistorverstärker bekanntgeworden. Der
Kollektor des Eingangstransistors ist dabei mit der Basis des anderen Transistors verbunden, und dieser
Widerstand ist wiederum durch eine aus einem Widerstand und einer Flächendiode gebildeten
Reihenschaltung überbrückt, wobei der Verbindungspunkt von Diode und Nebenwiderstand über den
Lastwiderstand mit dem Kollektor des Ausgangstransistors verbunden ist. Beim Bekannten handelt es
sich also um eine Temperaturkompensation mit äußerlich zugeschalteter Halbleiterdiode. Demgegenüber
sind bei der Erfindung pn-Übergänge des Transistors zur Temperaturkompensation des Transistorkollektorstromes
ausgenutzt. Der Vorteil gegenüber dem Bekanntem besteht darin, ein selbständiges Bauelement
zu haben, das in sich schon, ohne Zuhilfenahme einer Zusatzschaltung, temperaturkompensiert
ist. Bei der bekannten Schaltung ist durch die Zusatzschaltung nur ein dem ersten Transistor nachgeschalteter
zweiter Transistor temperaturkompensiert; nicht aber der Eingangstransistor selbst.
Der Transistor nach der Erfindung kann durch eine Lichtquelle, deren Intensität bestimmt werden soll,
oder durch eine eingangsseitig von einer elektrischen Stromquelle gelieferten Spannung, die gemessen
werden soll, oder auch durch beide Quellen gleichzeitig gesteuert werden.
Der Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen für einige beispielsweise Ausführutngsformen
näher erläutert.
Der Transistor 1 nach Fig·. 1 enthält einen Halbleiterkörper, der in einen n-Bereich 2 und einen
p-Bereich 3 unterteilt ist. Die beiden Bereiche sind durch eine Übergangsschicht 16, 17 getrennt. Der
n-Bereich 2 weist einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand auf, der etwa IOmaI so groß als
der des p-Bereiches 3 ist. Seine Schichtstärke ist im wesentlichen gleich oder ein wenig geringer als der
Ausbreitungsweg der Minoritätsladungsträger bei mittlerer Lebensdauer in dem Bereich, und zwar
etwa 0,1 mm für das gewöhnlich verwendete Material. Die Schichtstärke ist in Fig. 1 durch die Bezugsziffer
4 angegeben. Der p-Bereich 3 weist, wie oben ausgeführt ist, einen niedrigeren spezifischen Widerstand
als der n-Bereich 2 auf.
Der p-Bereich 3 ist fast über seine ganze untere Fläche mit einer Kontaktplatte 3 a von geringem
Widerstand bedeckt und ist hinreichend dünn, z. B. 0,02 mm, so daß praktisch kein Spannungsabf all auftritt.
Der Bereich 3 stellt dann im Betrieb im wesentlichen eine Äquipotentialfläche dar.
Ein weiterer n-Bereich 9, der zum Bereich 2 gehören kann, ist jetzt von diesem durch einen Einschnitt 9 α
und von dem p-Bereich 3 durch eine Übergangsschicht 9 b getrennt.
Die Schichtstärke 5 dieses n-Bereiches 9 ist wesentlich größer als der Ausbreitungsweg von Minoritätsladungsträgern bei mittlerer Lebensdauer. Oberhalb
des n-Bereiches 9 befindet sich ein weiterer p-Bereich 6, der später der kompensierende p-Bereich
genannt wird. Der pn-übergang 20 zwischen den Bereichen 9 und 6 sei als temperaturkompensierende
Übergangsschicht bezeichnet. Dadurch, daß die Schichtstärke 5 größer als der Ausbreitungsweg gemacht
ist, wird die Übergangsschicht 20 verhindert, als Kollektor für die Löcherströme zu dienen, die von
der Übergangsschicht 9 b ausgesendet werden, so daß keine Transistorwirkung hier auftritt.
Der Kollektor 7, der als elektrischer Punktkontakt oder auf andere Weise ausgebildet sein kann, um eine
hohe Stromverstärkung hervorzurufen, wirkt mit dem n-Bereich 2 zusammen. Der Kollektor 7 ist über den
Belastungswiderstand 8 und die Batterie 10 geerdet. Die Ausgangsldemen 11 und 12 sind an die beiden
Enden, des Widerstandes 8 angeschlossen. Die Leitung 13 ist unmittelbar mit dem p-Bereich 6 verbunden,
z. B. verlötet, wodurch dieser Bereich mit dem negativen Pol der Batterie 10 verbunden ist.
Das linke Ende des n-Bereiches 2 ist über die Leitung 14 geerdet. Diese Verbindung wirkt fast
genau wie die Basiselektrode in einem üblichen Transistor. Der p-Bereich 3 .ist an keine nach außen
führende Klemme elektrisch angeschlossen.
Da der rechte Teil des n-Bereiches 2 über den Kollektor 7 an dem negativen Pol einer Spannungsquelle
liegt und das linke Ende dieses Bereiches geerdet ist, entsteht in diesem Bereich ein Spannungsabfall. Weil
der p-Bereich fast überall dieselbe Spannung aufweist, nimmt er eine Spannung an, die zwischen der des
Kollektors 7 und Erde liegt. Diese Spannung weist in einer in dem Bereich 2 querverlaufenden Ebene, die
z. B. durch die Ziffer 15 angedeutet ist, denselben Wert auf. An dem Schnittpunkfder Ebene 15 mit der Sperrschicht
zwischen den Bereichen 2 und 3 herrscht die Spannung Null. Dieser Schnittpunkt soll als Äquipotentialpunkt
bezeichnet sein. Die Übergangsschicht zwischen dem n-Bereich 2 und dem p-Bereich 3 ist
durch die Ebene 15 in einen Gegenspannungsteil 16 und einen Vorspannungsteil 17 unterteilt. Die Lage
dieses Äquipotentialpunktes ist durch den Potential-
gradienten über den n-Bereich 2 festgelegt, der seinerseits durch die Spannung der Batterie 10 und durch
den Abstand zwischen dem Kollektor 7 und der Basiszuleitung 14 bestimmt ist.
Der Gegenspannungsteil 16 der Übergangsschicht zwischen den Bereichen 2 und 3 wird der Belichtung einer Lichtquelle 18 ausgesetzt. Der Bereich 2 ist hinreichend dünn, so daß er die Übergangsschicht nicht abschirmt. Erforderlichenfalls ist ein üblicher Schirm
Der Gegenspannungsteil 16 der Übergangsschicht zwischen den Bereichen 2 und 3 wird der Belichtung einer Lichtquelle 18 ausgesetzt. Der Bereich 2 ist hinreichend dünn, so daß er die Übergangsschicht nicht abschirmt. Erforderlichenfalls ist ein üblicher Schirm
ίο 19 anzubringen, um ein Einfallen des Lichtes von der Lichtquelle 18 auf den Kollektor 7 und auf die Übergangsschicht
20 zwischen dem n-Bereich 9 und dem p-Bereich 6 zu verhindern.
In Fig. 1 sind die verschiedenen' Zonen eines Leitwegstyps des Transistors zusätzlich mit I5 II, III und
JV bezeichnet.
Die Anordnung nach Fig. 1 arbeitet folgendermaßen: Wenn kein Licht von der Lichtquelle 18 auf
den Transistor 1 trifft, iist der Gegensparanungsteil 16
ao der Übergangsschicht zwischen den Bereichen 2 und 3 wirksam, um den Strom über den p-Bereich 3 auf den
Sättigungswert für diesen Teil zu begrenzen. Der Sättigungsstrom für den Gegenspannungsteil 20 ist
im wesentlichen gleich diesem Wert. Der Stromfluß über den p-Bereich 3 läuft dann von Erde über die
Leitung 14, den Bereich 2, den Gegenspannungsübergangsschichtteil 16, den p-Bereich 3, den Vorspannungsübergangsschichtteil
9b und sodarm über den n-Bereich 9 zur Übergangsschicht 20 und die Batterie
10 zurück nach Erde. Die Elektronen fließen vom Kollektor 7 über den n-Bereich 2 zur Basis 14, sie beeinflussen
aber kaum den Löcherstrom im p-Bereich 3.
Wenn angenommen wird, daß ein Lichtzeichen von einer Intensität, die größer als ein bestimmter Sdhwellwert
ist, auf den n-Bereich 3 in der Nähe der Übergangsschicht 16 trifft, wird die Wirksamkeit der
Gegenspannung an dieser Schicht vermindert, da das einfallende Licht Löcherelektronenpaare in dem Halbleitermaterial
erzeugt, dessen Leitfähigkeit zunimmt.
Der zunehmende Strom durch die mit Gegenspannung versehene Übergangsschicht 16 ruft eine Zunahme des
Löcheremissionsstromes durch die mit einer Vorspannung versehene Übergangsschicht 17 gleichzeitig
hervor. Diiese Löcherströme fließen über den dünnen n-Bereich 2 zum Kollektor 7, wo ihre Wirkung durch
eine im Kollektorkreis hervorgerufene Verstärkung vergrößert wird. Dieser verstärkte Kollektorstrom
erzeugt eine Zunahme der Elektronen, die größtenteils unmittelbar über den n-Bereich 2 zur geerdeten Basiselektrode
14 fließen. Der Transistor wird darauf von seinem AUS-Zustand in den EIN-Zustand umgeschaltet,
welcher. Zustand so lange, aufrechterhalten bleibt, als das Licht von der Lichtquelle 18 auf die
geg.envorgespannte Übergangs schicht 16 fällt.
Das auf die Übergangsschicht 16 fallende Licht und der durch den Transistorkörper 1 fließende Strom
lassen die Temperatur des Transistors ansteigen, wodurch, der Widerstand der mit einer Gegenspannung
versehenen Schicht 16 abnimmt. Diese Widerstandsabnähme veranlaßt einen Anstieg des Stromes durch
diese Schicht 16. Der kompensierende p-Bereich 6 ist vorgesehen, um das Anwachsen des Stromes durch
den Belastungswiderstand 8 zu beseitigen, so daß der Stromfluß durch diesen Widerstand infolge der Temperaturänderungen
an der Übergangsschicht 16 fast unbeeinflußt bleibt und infolgedessen ein richtiges
Maß für die Lichtintensität der Lichtquelle 18 darstellt.
Die Übergangsschicht 20 zwischen dem n-Bereich 9 und dem p-Bereich 6 ist derart gewählt, daß sie eine
Stromtemperaturkennlinie aufweist, die gleich der des mit einer Gegenspannung versehenen Teiles 16 der
Übergangsschicht zwischen dem n-Bereich 2 und dem p-Bereich 3 ist. Die Übergangsschicht 20 ist durch die
Verbindung des Bereiches 6 mit dem negativen Pol 5 der Batterie über die Leitung 13 entgegengesetzt vorgespannt.
Die Übergangsschicht 20 folgt genau den Temperaturschwankungen an der Übergangs schicht
16, da diese beiden Schichten thermisch gutleitend miteinander verbunden sind. Da die Fläche, die
Gegenspannung und die Stromtemperaturkennlinie der Übergangsschicht 20 im wesentlichen dieselben
wie die des mit einer Gegenspannung versehenen Übergangsschichtteiles 16 sind, folgt, daß eine Stromzunahme
durch die Übergangs schicht 16 infolge eines *5 Temperaturwechsels im wesentlichen von einer
gleichen Stromzunahme durch die Übergangsschicht 20 begleitet ist.
Die Übergangsschicht 20 liegt wirksam parallel zum Belastungswiderstand 8 und überträgt die Strom-Schwankungen
infolge der Temperaturänderungen in der Übergangsschicht 16, so daß diese Schwankungen
nicht den Stromfluß durch den Widerstand 8 beeinflussen. Außerdem beeinflussen sie auch die Größe des
Schwell Wertzeichens nicht, das zum Schalten des Transistors in den EIN-Zustand erforderlich ist.
Ferner braucht der Einschnitt 9 a nicht so tief zu sein, daß er vollständig die beiden n-Bereiche trennt;
es ist aber nötig, daß der Transistor so gebaut ist, daß fast der gesamte Strom von Erde über die
Leitung 14"zur Schicht 20 über den Übergangsschichtteil 16 verläuft. Wenn somit die n-Bereiche 2 und 9
nicht vollständig voneinander, z. B. durch den Einschnitt 9 a, getrennt sind, muß' der Widerstand für den
Strom, der unmittelbar von der Leitung 14 durch die beiden verbindenden η-Bereiche zu der Übergangsschicht 20 fließt, wesentlich größer als der Widerstand
für den Strom sein, der von der Leitung 14 über die Übergangsschicht 16, den p-Bereich 3, die Kontaktplatte
3 a, die Übergangsschicht 9 & und den Bereich 9 zur Übergangsschicht 20 fließt. Diese Beziehungen der
Widerstände der beiden Stromwege können durch geeignete Zuordnung der Widerstandseigenschaften der
n- und p-Bereiche, durch entsprechende Bemessung des Abstandes 21 zwischen der Leitung 14 und dem
nächsten Punkt an der Ü"bergangsschicht 20 und der Querschnittfläche des n-Tvp-Materials, das unter dem
Einschnitt 9 a verbleibt, erreicht werden.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des Transistoraufbaues gezeigt, der an Stelle des Transistors 1 nach
Fig. 1 verwendet werden kann. Die Schaltung ist jedoch die gleiche wie im Falle der Fig. 1. Die Schaltelemente
in Fig. 2 sowie auch den folgenden, die vollständig denen in der Fig. 1 entsprechen, sind mit den
gleichen BezugszifFern versehen und werden nicht weiter beschrieben.
Der Transistor 22 in Fig. 2 weist einen n-Bereich 23 mit einem hohen spezifischen Widerstandswert auf,
der durch einen Einschnitt 23 a von dem anderen n-Bereich 23 b getrennt ist. Der p-Bereich 24 mit
niedrigem spezifischem AViderstandswert verbindet die n-Bereiche 23 und 23 b. Ein weiterer p-Bereich 25
weist eine gemeinsame tibergangsschicht 27 mit dem Bereich 23 b auf. Beide p-Bereiche 24 und 25 befinden
sich an der Fläche des Transistors, die dem n-Bereich 23 gegenüberliegt, und sind von dem n-Bereich 23
durch die Übergangsschichten 26 bzw. 27 getrennt. Der p-Bereich 24 ist fast über seine ganze Fläche mit
einer Kontaktplatte 24 α mit niedrigem Widerstandswert versehen.
Der Abstand zwischen dem Kollektor 7 und der Übergangsschicht 26 ist der gleichen Beschränkung
wie in Fig. 1 unterworfen. Dieser Abstand darf im wesentlichen nicht größer als der Ausbreitungsweg
von Minoritätsladungsträgern bei mittlerer Lebensdauer in dem Bereich 23 sein. Ferner ist die Begrenzung
an dem geringsten Abstand zwischen den beiden ρ-Bereichen 24 und 25 dieselbe wie die zwischen
den beiden p-Bereichen 3 und 6 in Fig. 1, d. h., sie muß größer als der Ausbrieiituogsweg sein, der durch die
Abstandspfeile 5 in Fig. 2 angedeutet ist. Die Größe 21 in Fig. 2, die der Größe 21 in Fig. 1 entspricht, ist
nur dann von Wichtigkeit, wenn der Einschnitt 23 a nicht vollständig die beiden n-Bereiche 23 und 23 b
trennt.
Die Arbeitsweise des Transistors 22 in der Schaltung nach Fig. 2 entspricht vollkommen der Arbeitsweise
des Transistors 1 in Fig. 1 und braucht daher nicht weiter beschrieben zu werden.
Die Fig. 3 stellt eine weitere Ausf ührungsform der Erfindung dar. Dieser Transistor 69 enthält einen
n-Bereich 70 und einen p-Bereich 71, die durch die LTbergangsschicht 72 voneinander getrennt sind. Die
untere Fläche des p-Bereiches 71 ist fast vollständig mit einer Kontaktplatte 73 mit niedrigem Widerstandswert
bedeckt. Am oberen rechten Ende des n-Bereiiohes 70 befindet sich ein weiterer p-Bereioh
74, der von dem n-Bereich 72 durch eine Übergangs schicht 75 getrennt ist.
Oberhalb des ρ - Bereiches 74 ' ist ein weiterer n-Bereich 76 vorgesehen, der von dem p-Bereich' 74
durch eine Übergangsschicht getrennt ist. Die Schichtstärke des p-Bereiches 74 muß wesentlich größer sein
als der Au'sbreitüngsweg dar Minoritätsladungsträger mit mittlerer Lebensdauter in diesem p-Bereich.
Am linken Ende des n-Bereiches 72 ist ein ohmscher Kontakt 60 angebracht, der über die Leitung 61, den
Widerstand 62 und die Vorspannbatterie 63 geerdet ist. Die Eingangsklemme 64 ist mit der Leitung 61
verbunden, und die zugehörige Eiragangsklemme' 65 ist geerdet. Der Kontakt 73 mit niedrigem Widerstand
ist ebenfalls geerdet. Der n-Bereich 76 ist über die Leitung 77 an die positive Klemme der Vorspannungs batterie
78 angesehlassen, deren, negative Klemme ebenfalls geerdet ist. In der Fig. 3 der Zeichnung bezeichnet
Ib den Basisstrom und b den Basisanschluß.
Bei der Ausführungform nach Fig. 4 ist der n-Bereich 2 geerdet. Die Anordnung wird elektrisch
durch über den p-Bereich 3 laufende Signale umgeschaltet. Die ohmsche Basisverbindung 60 ist unmittelbar
über die Leitung 66 geerdet. Der ohmsche Emitteranschluß 58 liegt an der Eingangsklemme 67;
die andere Eingangsklemme 68 ist geerdet.
Der Transistor nach Fig. 4 ist im AUS-Zustand vorgespannt. Diese sich selbst erzeugende Vorspannung
wird durch ins positive Gebiet ausgesteuerte Zeichen üblicher Größe, die an die Klemmen 67 und
68 gelegt werden, aufgehaben. Die temperaturkonipensierende Anordnung dieser Figur ist die gleiche wie
die im Falle der Fig. 1. In der Fig. 4 bedeuten die Ziffern 0 und —2 vor dem rechteckigen Impulssymbol
Potentiale.
Während die dargestellten und beschriebenen Transistoren Kollektoirelektraden aufweisen, die mit den
η-Bereichen verbunden sind, und die Leitfähigkeit der anderen Bereiche entsprechend festgelegt ist, ist leicht
einzusehen, daß die dargestellten Leitfähigkeitstypen leicht umgeschaltet werden können, indem entsprechende
Wechsel in den Polaritäten der !angelegten Spannungen usw. vorgenommen werden.
Claims (8)
1. Transistor mit temperaturkompensiertem Kollektorstrom, dadurch gekennzeichnet, daß an
einem der Halbleiterbereiche des Transistors zwei weitere pn-Übergänge in Reihe angeordnet sind
und daß der von dem Halbleiterbereich des Transistors entfernt gelegene pn-übergang schaltungsmäßig
zur Temperaturkompensation des Kollektorstromes ausgenutzt ist.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor durch eine Lichtquelle
und/oder eine elektrische Spannung gesteuert ist und daß bei Steuerung durch eine Lichtquelle der
temperaturkompensierende pn-übergang gegen die Lichtquelle abgeschirmt ist.
3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang zwischen den Basis-
und Emitterhalbleiterbereichen teilweise in Sperrrichtung (16) und teilweise in Flußrichtung (17)
wirksam ist.
4. Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in Sperrichtung wirksame Teil
(16) des pn-Überganges belichtet ist.
5. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereich zwischen den
zwei weiteren pn-Übergängen (9) wesentlich stärker ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in diesem Halibfciterbereich.
6. Transistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterbereioh zwischen den
zwei weiteren pn-Übergängen (9) denselben Leitungstyp wie die Basishalbleiterschicht (2) des
Transistors aufweist.
7. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche pn-Übergänge
auf der einen Seite des Emitterhalbleiterbereiches angebracht sind.
8. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisbalbleiterbereich
(2) und die Halbleiterbereiche der zwei weiteren pn-Übergänge durch einen Einschnitt (9 a)
getrennt sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
R. F. Shea, »Priincipl'es of transistor circuits«, '53, Kapitel 8, S. 164 bis 182.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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