DE1589707B2

DE1589707B2 - Temperaturkompensierte Z Diodenanord nung

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Publication number: DE1589707B2
Application number: DE1967D0054814
Authority: DE
Inventors: Hans Dr 7800 Freiburg Bleher Hartmut Dr 5100 Aachen Weinerth
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1967-12-09
Filing date: 1967-12-09
Publication date: 1971-02-04
Also published as: DE1639173C3; US3567965A; DE1639173B2; GB1245531A; FR1599179A; GB1230879A; DE1764251A1; DE1764251C3; NL6817648A; DE1639173A1; DE1589707A1; GB1245668A; DE1764251B2

Description

Es ist bekannt, daß die Abbruchspannung von Z-Dioden nicht nur stromabhängig, sondern auch temperaturabhängig ist, und zwar besitzen Z-Dioden mit einer Abbruchspannung unterhalb von etwa 5 V einen negativen und oberhalb von diesem Wert einen positiven Temperaturkoeffizienten. Ferner ist es bekannt, den positiven Temperaturkoeffizienten von Z-Dioden mit einer Abbruchspannung von größer als 5 V dadurch zu kompensieren, daß man eine oder mehrere in Flußrichtung betriebene Halbleiterdioden zu der Z-Diode in Serie schaltet (vgl. zu diesen Sachverhalten »Elektronische Rundschau«, Dezember 1957, S. 376, rechte Spalte).

Diese Art der Temperaturkompensation ist nur für Abbruchspannungen von wenig mehr als 5 V mit sinnvollem Aufwand durchführbar. Da die temperaturbezogene Abbruchspannungsänderung mit wachsender Abbruchspannung steigt, andererseits aber die temperaturbedingte Abbruchspannungsänderung einer in Flußrichtung betriebenen Silicium-Halbleiterdiode etwa ao —2 mV/°C beträgt, wird für höhere Abbruchspannungen, insbesondere für solche, die oberhalb von etwa 8 bis 10 V liegen, eine so große Anzahl von Flußdioden benötigt, daß diese Art der Temperaturkompensation mittels diskreter Bauelemente unwirtschaftlich wird. So erfordert beispielsweise eine Z-Diode mit einer Abbruchspannung von 15 V sieben Flußdioden.

Es sind auch temperaturkompensierte Z-Dioden von Abbruchspannungen um 8 V im Handel, bei denen innerhalb eines Gehäuses eine separate Z-Diode und die zur Temperaturkompensation erforderliche Anzahl von in Flußrichtung geschalteten Halbleiterdioden angeordnet sind (INTERMETALL-Datenbuch Transistoren-Dioden, 1965/66, S. 480 bis 485).

Diese Z-Diodenkombination besitzt jedoch auf Grund ihres aus diskreten einzelnen Halbleiterbauelementen innerhalb eines Gehäuses untergebrachten Aufbaus noch Abmessungen (z. B. 2,8 cm³), die erheblich größer sind als die einer einzelnen Z-Diode vergleichbarer Verlustleistung (z. B. 0,02 cm³). Außerdem wächst der differentielle Widerstand mit zunehmender Abbruchspannung unvorteilhaft hoch an.

Das Bestreben geht nun einerseits dahin, die Größe des temperaturkompensierten Bauelements zu verkleinern, andererseits aber auch die Temperaturkompensationsgüte sowie den differentiellen Widerstand noch weiter zu verbessern.

Der Verkleinerung der Abmessungen bietet sich die bekannte Technik der monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen an. So ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 3 244 949 eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung in Form einer Halbleiterschaltung bekannt, bei der eine zwischen Basis und Kollektor eines Transistors angeordnete Z-Diode und dieser Transistor in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet sind.

In dieser Schaltung ist nur eine einzige Z-Diode und nur eine einzige Flußdiode vorhanden, so daß die Schaltung, wie oben geschildert, eine Abbruchspannung von lediglich etwas mehr als 7 V besitzt.

Tritt nun die Forderung auf, Bauelemente mit wesentlich höheren Abbruchspannungen herzustellen, so lassen sich mehrere dieser Bauelemente in Reihe schalten. Soll nun eine solche Reihenschaltung in Form einer Halbleiterschaltung aufgebaut werden, so läßt sich dies aber nur dadurch realisieren, daß jedes einzelne Bauelement in einer separaten Isolierwanne auf einem gemeinsamen Substrat untergebracht wird. Dies bedeutet aber eine wesentliche Komplizierung des Herstellverfahrens, da für die Bildung der Isolierwannen ein weiterer Verfahrensschritt notwendig wird.

Ferner ist aus den USA.-Patentschriften 2 937 963 und 3140 438 bekannt, Z-Diode und Flußdiode zwecks Temperaturkompensation als ein einziges Bauelement herzustellen, das in seinem Aufbau dem Aufbau eines Transistors mit einer Zonenfolge von abwechselndem Leitungstyp entspricht, dessen Wirkungsweise sich jedoch durch die gegenüber einem üblichen Transistor andersartigen Dotierungsverhältnisse der einzelnen Zonen von der Wirkungsweise eines Transistors unterscheidet.

Die Erfindung betrifft somit eine temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer Halbleiterschaltung, die aus mehreren nichtlinearen und gegebenenfalls linearen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper des einen Leitungstyps angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Einzelelementen besteht und die mit zwei äußeren Anschlüssen versehen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung, insbesondere mit hoher Abbruchspannung, mit geringem Aufwand zu schaffen, bei der die Temperaturkompensationseigenschaften und der differentielle Widerstand gegenüber den bekannten, aus diskreten Bauelementen bestehenden temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen wesentlich verbessert sind.

Diese Aufgabenstellung findet ihre Lösung erfindungsgemäß darin, daß als Einzelelemente mehr als zwei Transistorstrukturen dienen, daß der Halbleiterkörper die gemeinsame Kollektorzone aller Transistorstrukturen darstellt, daß die Basis-Emitter-pn-Ubergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet sind, daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Übergänge in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, daß zur Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstands die Transistorwirkung von mindestens einem Teil der als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen herangezogen ist und daß der Halbleiterkörper mit dem ersten äußeren Anschluß, sowie entweder die Basis der letzten Z-Diode oder der Emitter der letzten Flußdiode mit dem zweiten äußeren Anschluß verbunden ist.

Allgemeine Prinzipien des Aufbaus von Halbleiterschaltungen sind in »Scientia electrica«, 1963, S. 67 bis 91, insbesondere S. 79, 85 und 88, beschrieben. Dort ist angegeben, daß für Dioden und Z-Dioden die Basis-Kollektor- oder die Basis-Emitter-pn-Übergänge von Transistorstrukturen verwendet werden können. Diese Angaben beziehen sich jedoch auf Halbleiterfestkörperschaltungen für Verstärker- oder Schaltanwendungen, sogenannte lineare oder digitale Halbleiterfestkörperschaltungen, bei denen die beabsichtigte Funktion schon a priori Transistorstrukturen bedingt. Zusätzlich benötigte Dioden oder Z-Dioden werden dann bei solchen Halbleiterschaltungen in der angegebenen Weise realisiert.

Für einen reinen Zweipol, wie ihn die erfindungsgemäße temperaturkompensierte Z-Diode darstellt, ist diese Art der Realisierung von Z-Dioden und Halbleiterdioden jedoch nicht naheliegend, da die Verwendung von Transistorstrukturen für Dioden vom Stand-

punkt der üblichen Schaltungstechnik aus betrachtet aufwendiger ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der temperaturkompensierten Z-Diode ergeben sich auch nicht selbstverständliche vorteilhafte Wirkungen, die noch näher erläutert werden sollen.

Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert und beschrieben. In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt den üblichen bekannten Aufbau einer Halbleiterschaltung mit einer Transistorstruktur und einer Diodenstruktur;

F i g. 2 zeigt gleichsinnig in Reihe geschaltete Dioden, die sich in einer gemeinsamen Kollektorzone befinden;

F i g. 3 a ist das elektrische Ersatzschaltbild von in Reihe geschalteten Z-Dioden, angeordnet nach F i g. 2;

F i g. 3 b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild von in Reihe geschalteten Flußdioden, die sich in einer gemeinsamen Kollektorzone befinden und ebenfalls entsprechend F i g. 2 angeordnet sind;

F i g. 4 zeigt in umgezeichneter Weise die Flußdiodenkette der Fig. 3b;

F i g. 5 zeigt das durch Emitterwiderstände ergänzte Ersatzschaltbild der Fig. 4;

Fig. 6a zeigt in Reihe geschaltete Z-Dioden und Flußdioden in einer gemeinsamen Kollektorzone;

Fig. 6b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 6a;

F i g. 7 zeigt eine vorteilhafte Abwandlung der Anordnung nach den F i g. 6a und 6b;

F i g. 8 zeigt eine andere vorteilhafte Abwandlung der Anordnung nach den Fig. 6a und 6b;

F i g. 9 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt aus Fig. 6a;

F i g. 10a zeigt eine unter Verwendung der Teilanordnung nach F i g. 9 aufgebaute vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Z-Diode;

Fig. 10b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung der F i g. 10 a;

F i g. 11 zeigt eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Z-Diode;

Fig. 12 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung nach F i g. 11;

Fig. 13 zeigt eine andere Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 11.

In F i g. 1 ist der bekannte Aufbau einer Halbleiterschaltung dargestellt, die der Einfachheithalber lediglich eine Transistorstruktur und eine Diodenstruktur enthält. Als Diodenstruktur wird ebenfalls eine Transistorstruktur verwendet, wobei der Kollektoranschluß C mit dem Basisanschluß B verbunden ist, so daß der Kollektor-Basis-pn-Übergang kurzgeschlossen ist. Das Kollektorgebiet nc ist über die gleichzeitig mit der Emitterzone πε entstandene Kontaktierzone ns und den Kontaktbelag Al mit dem Kollektoranschluß C verbunden.

Ebenso sind die Basiszone pe und die Emitterzone riß mit ihrem jeweiligen äußeren Anschluß B bzw. E über den Kontaktbelag Al verbunden. Durch die Isolationsdiffusion pj, die sich von der einen Oberfläche durch die «c-Zone hindurch bis zum Substrat ps erstreckt, werden einzelne, durch pnrÜbergänge voneinander isolierte Kollektorzonen nc geschaffen. Die Oberfläche ist mit Ausnahme der Kontaktbezirke mit einer passivierenden Schutzschicht Ss bedeckt.

Die Dioden können als Durchlaß- oder als Sperrdioden, z. B. als Z-Dioden, in bekannter Weise in Spannungskonstanthalterschaltungen betrieben werden. Maßgebend für die Abbruchspannung dieser als Referenzspannungsquelle betriebenen Bauelemente sind jeweils im wesentlichen die Durchlaß- bzw. Abbrucheigenschaften des die Diode bildenden pn-Ubergangs.

Da man bei Halbleiterschaltungen vor allem die Abbruchspannung der pn-Übergänge nur in engen Grenzen frei wählen kann, ist es oft erforderlich, mehrere Z-Dioden in Reihe zu schalten, um die gewünschte Abbruchspannung zu erhalten.

Wie oben bereits erwähnt, können die Z-Dioden in bekannter Weise mit Flußdioden in Reihe geschaltet werden, um den positiven Temperaturkoeffizienten der Abbruchspannung durch den negativen Temperaturkoeffizienten der Flußspannung zu kompensieren. Alle diese Schaltungen sind auch hier möglich, solange die Spannungen zwischen den Kollektorbereichen der

ao einzelnen Dioden und dem Substratgebiet sicher unterhalb der Kollektor-Substrat-Abbruchspannung liegen. Das Substrat ist nämlich der negativste bzw. positivste Punkt der Schaltung, je nach Leitungstyp des Substrats.

In den F i g. 2 und 3 a ist eine Anzahl in Reihe und als Z-Dioden geschalteter Transistorstrukturen dargestellt. Die maximale Anzahl n_max der in Reihe geschalteten Z-Dioden ist vom Anschluß des Substrats bzw. des Grundmaterials der Kollektorzone nc abhängig.

Es sind folgende Möglichkeiten des Anschlusses denkbar, die in den F i g. 2 und 3 a durch die entsprechenden kleinen Buchstaben angegeben sind:

α Das Substrat ist nicht angeschlossen. Da das Substrat elektrisch keinem Schaltungspotential zugeordnet ist, ist diese Betriebsweise ungünstig. Für n_max läßt sich folgende Beziehung angeben:

Uc E

n_max = ganze Zahl < --—·
Ueb

wobei Ueb die Abbruchspannung der Emitter-Basis-Dioden und Uce die Abbruchspannung der Kollektor-Emitter-Strecke der Transistorstrukturen, insbesondere die Kollektor-Lmitter-Abbruchspannung der Transistorstruktur 1. symbolisiert.

b Das Substrat ist mit dem ersten äußeren Anschluß I, also mit dem Pluspol einer äußeren Stromquelle verbunden Dies ergibt >-*rfindungsgemäß die sicherste Betriebsweise. Imc maximale Anzahl der in Reihe sch.iltbaren Z-Dioden ergibt ■ sich zu:

= ganze Zj η I <

Uch Ubb

c Das Substrat ist mit dem pß-Gebiet der ersten Z-Diode in der Kette verbunden. Die->e Anschlußmöglichkeit ist wie die des Falles α ungünstig.
d, e Diese Anschlußmöglichkeiten erweisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.

Mit der Möglichkeit nach b kann man Abbruchspannungen der gesamten Anordnung im Bereich zwischen der Abbruchspannung Uer des Basis-Emitter-pn-Übergangs und der Abbruchspannung Ucn des

Basis-Kollektor-pn-Übergangs als ganzzahlige Viel-

fache der Basis-Emitter-Abbruchspannung Ubb erhalten.

Die übrigen Eigenschaften der Anordnung unterscheiden sich nicht wesentlich von den Eigenschaften üblicher Z-Dioden. Das gilt auch für den dynamischen Widerstand, der mit wachsender Anzahl/: steigt, ebenso wie bei üblichen Z-Dioden der dynamische Widerstand mit wachsender Abbruchspannung steigt.

Im Ersatzschaltbild der F i g. 3a sind von den η als Z-Dioden wirksamen Transistorstrukturen die zwei ersten und die zwei letzten gezeigt, die mit 1, 2, (n — 1) und η bezeichnet sind. Der Emitter der Transistorstruktur 1 liegt am ersten äußeren Anschluß 1. Die Basis der Transistorstruktur 1 ist mit dem Emitter der nächstfolgenden Transistorstruktur 2 verbunden, ebenso die Basis dieser Transistorstruktur mit dem Emitter der nächstfolgenden usw. bis zum Emitter der letzten Transistorstruktur n. Die Basis dieser letzten Transistorstruktur liegt am zweiten äuBeren Anschluß U, der mit dem Minuspol einer äußeren Stromquelle verbunden ist.

Die Fig. 3 b zeigt die den F i g. 2 und 3a entsprechenden, nun aber in Flußrichtung betriebenen Transistorstrukturen X bis tn. Die maximale Anzahl m_max der in Reihe geschalteten Flußdioden ist vom Anschluß des Substrats bzw. vom Anschluß des Grundmaterials der Kollektorzone nc abhängig. Folgende Möglichkeiten sind für den Anschluß denkbar:

α Das Substrat ist nicht angeschlossen. Dieser Fall ist aus den gleichen Gründen wie der Fall α der Z-Diodenkette ungünstig. Es gilt folgende Beziehung:

= ganze Zahl <

wobei Uve die Kollektor-Emitter-Abbruchspannung der letzten .Transistorstruktur _nj und Uj_IE die Emitter-Basis-Flußspannung der Transistorstrukturen darstellt.

c Das Substrat ist mit dem Pluspol einer äußeren Spannungsquelle verbunden. Es gilt folgende Beziehuna:

'maj- ~ ganze Zahl <

Uvr. Übe

Dies ergibt erfindungsgemäß die sicherste Betriebsweise.

el Das Substrat ist mit dem Emitter der letzten Transistorslruktur./» verbunden. Diese Anschlußweise ist ähnlich ungünstig wie die unter α geschilderte.

/). c Diese .Anschlüsse erweisen sich als unbrauchbar und sind daher als verboten anzusehen.

Man kann auf diese Weise Flußspannungen der gesamten Anordnung von ganzzahligen Vielfachen der Flußspannung eines einzelnen Basis-Emitter-pn-Übergangs erhallen. Die übrigen Eigenschaften der Anordnung unterscheiden sich jedoch teilweise erheblich von den Eigenschaften in Reihe geschalteter diskreter Flußdioden. Das gilt vor allem für den dynamischen Widerstand.

Im Ersatzschaltbild der F i g. 3 sind von den m als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen die beiden ersten und die beiden letzten gezeigt, die mit J_. 2. (w — 1) und./» bezeichnet sind. Der Emitter der ersten Tr.'iiisisiorstruktur 1 ist mit dem erslen äußeren Anschluß. der an den Minuspol einer äußeren Stromquelle angeschlossen isl. verbunden. Hie H;ims dieser Transistorstruktur ist mit dem Emitter der nächstfolgenden TransistorstrukturJ, verbunden, deren Basis wieder mit dem Emitter der nächstfolgenden Transistorstruktur verbunden ist usw. bis zum Emitter der letzten Transistorstruktur m. Die Basis dieser letzten Transistorstruktur liegt am zweiten äußeren Anschluß II, der am Pluspol der äußeren Spannungsquelle anzuschließen ist.

In F i g. 4 ist das Ersatzbild der F i g. 3 in umgezeichneter Weise dargestellt. Verbindet man die Kollektorzone nc mit dem an Plus liegenden äußeren Anschluß II, so stellt die Flußdiodenkette einen m-fachen DARLINGTON-Verstärker dar. Die jeweiligen Basisströme der rn Transistorstrukturen sind mit Λ bis

>5 J(m+i) bezeichnet. Der Basisstrom der (m — T)-ten Transistorstruktur ist gleich dem Emitterstrom der ^w-ten Transistorstruktur.

Der dynamische Widerstand τ dieser Anordnung wird im wesentlichen von den Eigenschaften der Tran-

ao sistorstrukturj, bestimmt, r ist nämlich angenähert umgekehrt proportional zur Steilheit S₁ der TransistorstrukturX da nahezu der gesamte, durch die Anordnung fließende Strom J über den Kollektor der Transistorstruktur_l_ geführt wird und diese somit als Transistor, d. h. stromverstärkend arbeitet. Der Kollektorstrom Jei der TransistorstrukturJl_ ist nämlich gleich dem GeTamtstrom J vermindert um den Emitterstrom J^ der Transistorstruktur 2^ J^ ist aber um den Stromverstärkungsfaktor B^ der Transistorstruktur_l

kleiner, so daß Jc, ungefähr gleich J ist.

Durch eine geeignete geometrische Ausbildung der Transistorstruktur 1 kann dafür gesorgt werden, daß auch bei sehr hohen Strömen die günstigen Eigenschaften erhalten bleiben.

Der DARLINGTON-Verstärker wird vom Potential des äußeren Anschlusses I gesteuert. Als Flußspannung der Anordnung stellt sich, wie oben beschrieben, die Summe der Flußspannungen der Basis-Emitler-pn-Übergänge ein. Der Transistoreffekt der TransistorstrukturenJ, bis rn_wird also ausgenutzt.

Die Schaltung der F i g. 4 kann hinsichtlich der weiteren Erniedrigung des dynamischen Widerstandes r verbessert und weitergebildet werden, indem die mit wachsender Ordnungszahl geringer werdenden Basisströme der als Emitterfolger wirkenden Transistorstrukturen 2 bis in erhöht werden, so daß auch weitere Transistorstrukturen einen Arbeitspunkt erhalten, in dem die stromverstärkende Transistorwirkung auftritt. Der Kollektor der Transistorstruktur_1_ führt nahezu den gesamten Strom J. Für die Emitterströme JEm, gilt näherungsweise bei hinreichend großen Stromverstärkungsfaktoren Bm, daß der_/w4e Emitterstrom gleich ist dem Gesamtstrom J dividiert durch das Produkt der ersten m Stromverstärkungsfaktoren B„,. Damit nimmt aber auch die Flußspannung i/jn der Flußdioden mit wachsender Ordnungszahl m ab, da U₁₁₁ proportional dem natürlichen Logarithmus des Quotienten aus dem_w-ten Emitterstrom und dem zugehörigen Emitterreststrom ist. Auch steigt mit kleiner werdendem Emitierstrom der Betrag des relativen und absoluten Temperaturkoeffizienten an, und die Stromverstärkung B_m sinkt ebenfalls ab. ,

Man kann die Emitterströme Je_m in gewissen Grenzen frei wählen, wenn man der Anordnung nach I" i g. 4 in Weiterbildung der Erfindung vorteilhafterweise Wirkwiderstiinde einfügt, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

In die Cmiuer/uleitiing jeder der Transistorstruk-

türen 2_ bis rn ist je ein Wirkwiderstand R. bis A₂, eingefügt, deren emitterfernes Ende mit dem zweiten äußeren Anschluß II verbunden ist. Der Emitter der Transistorstruktur χ führt den Strom J', während der Basisstrom der Transistorstrukturjw mit J(m+j) bezeichnet ist.

Die Wirkwiderstände können mit in die Halbleiterschaltung einbezogen werden, und zwar können sie beispielsweise durch die ^B-Diffusion gebildet und in das den gemeinsamen Kollektor der Flußdioden 1, bis m_ darstellenden /ic-Grundmaterial eingebettet werden. Da die Basis-Kollektor-pn-Ubergänge dieser Wirkwiderstände stets in Sperrichtung vorgespannt sind, ergibt sich der für die Einfachheit der Halbleiterfestkörperschaltung sehr wesentliche Vorteil, daß keine weiteren Isolationsinseln nötig sind. Die Wirkwiderstände können aber auch auf dem Halbleiterkörper in Form von Widerstandsschichten aufgebracht sein. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Einfügens der Wirkwiderstände ist darin zu sehen, daß der Temperaturkoeffizient der Flußspannung der Anordnung in Grenzen frei wählbar ist, da er stromabhängig ist und durch den Widerstandswert fein eingestellt werden kann.

Die F i g. 6 a und 6 b zeigen nun die Reihenschaltung der oben getrennt betrachteten Z-Diodenkette und Flußdiodenkette, η Z-Dioden und m Flußdioden mit den zugehörigen Emitterwiderständen R₂ bis Ä« sind in die gemeinsame Kollektorzone nc eingelassen. Der zum Einstellen des durch die Z-Diodenkette fließenden Stromes benötigte Wirkwiderstand R_n wird vorteilhafterweise ebenfalls in der gemeinsamen Kollektorzone angeordnet.

Die gemeinsame Kollektorzone kann wieder in unterschiedlicher Weise angeschlossen werden. Von den drei eingezeichneten Möglichkeiten a, b, c ist die Verbindung nach b zu bevorzugen, da in diesem Fall, entsprechend der Anordnung nach F i g. 4, wieder der größte Anteil des Gesamtstroms durch die Transistorstruktur J_ fließt. Die Verbindungen α und c sind dagegen ungünstiger.

Der dynamische Widerstand r dieser Anordnung ist im Falle der Verbindung b angenähert umgekehrt proportional zur Steilheit S, der Transistorstruktur 1; dieser Wert ist aber klein gegen den dynamischen Widerstand von üblichen Z-Dioden.

Die Anzahl der Flußdioden wird so gewählt, daß der Temperaturkoeffizient ihrer Basis-Emitter-Flußspannung den Temperaturkoeffizienten der Abbruchspannung der η Z-Dioden gerade kompensiert.

Eine feine Einstellung der Kompensation erreicht man in Weiterbildung der Erfindung durch entsprechende Wahl der Emitterströme der Flußdioden mittels des Wertes der Wirkwiderstände i^bis Rm.

Den durch die Z-Dioden fließenden Strom wählt man mittels R_n zweckmäßig so, daß das Rauschen der Z-Dioden möglichst klein wird.

Es ist nicht notwendig, daß die Z-Dioden und die Flußdioden jeweils in zusammengehörenden Gruppen in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise läßt sich nach F i g. 7 ein Teil der Flußdioden vor und ein Teil hinter die Z-Dioden schalten, was fertigungstechnische Vorteile mit sich bringen kann.

Im Beispiel nach F i g. 7 bestimmt der Wirkwiderstand Λ, den Strom durch die Transistorstruktur JS, der Wirkwideretand R^ den Strom durch die Transistorstruktur 4_ und der Wirkwiderstand R₂ den Strom durch die Z-Dioden J. 2 und die Transistorstruktiir 3.

Alle Wirkwiderstände sind dabei relativ niederohmig, also besonders günstig innerhalb der Kollektorzone ohne großen Platzbedarf unterzubringen.

In F i g. 8 ist ein weiterer vorteilhafter Aufbau einer temperaturkompensierten Z-Diode gezeigt. Durch eine gegenüber der Anordnung nach F i g. 7 andere Aufteilung der Wirkwiderstände erhalten diese für Halbleiterschaltungen noch günstigere, d. h. niedrigere Widerstandswerte. Anstatt das emitterferne Ende jedes

ίο einzelnen Emitterwiderstandes mit dem zweiten äußeren Anschluß II zu verbinden, schaltet man die Emitterwiderstände so, daß das emitterferne Ende mit dem Emitter der vorherigen Transistorstruktur in Weiterbildung der Erfindung verbunden ist. So ist beispiels-

t5 weise der zur Flußdiode der Transistorstruktur 2 gehörende Wirkwiderstand A₂ mit dem Emitter der vorherigen Transistorstruktur T verbunden.

Der Wirkwiderstand R„ stellt den Vorwiderstand für die Z-Dioden der Transistorstruktur 1 bis η dar;

ao er liegt zwischen Emitter und Basis der letzten Transistorstruktur/n der Flußdioden-Kette. Rn kann vorteilhaft durch den Wirkwiderstand R_n ersetzt werden, der die Basis der letzten Flußdiodejm direkt mit dem äußeren Anschluß II verbindet. Somit fließt der unter

as Umständen große Querstrom der Z-Dioden nicht durch die Kette der Emitterwiderstände, was günstigere Eigenschaften ergeben kann.

In der Anordnung nach Fig. 6b sind die Basiszuleitungen der Transistorstrukturen η und «t. miteinander verbunden. Deshalb können die beiden zugehörigen Emitterzonen in ein gemeinsames Basisgebiet, wie in F i g. 6a gezeigt, eingebracht werden.

In Fig. 9 ist diese Anordnung vergrößert dargestellt. Die so gebildete Doppeldiode stellt einen lateralen npn-Transistor dar, da die rechte np-Diode in Durchlaßrichtung, also mit Injektion, die linke pn-Diode in Sperrichtung und im Abbruchgebiet betrieben wird.
Solche lateralen Transistoren und ihre Eigenschaften sind zwar aus »Proceedings of the IEEE«, Dezember 1964, S. 1491 bis 1495, und aus »Solid State Electronics«, 1967, S. 225 bis 234, bekannt. Die Anwendung auf die erfindungsgemäße temperaturkompensierte Z-Diode erbringt jedoch insofern eine überraschende Wirkung, als die Eigenschaften der Z-Diode durch Wahl des Stromverstärkungsfaktors zweckmäßig und vorteilhaft beeinflußt werden können. So nimmt beispielsweise die Abbruchspannung mit geringer werdender Basisweite Xs ab. Ist dieser Effekt unerwünscht, so wird Xb groß gemacht, bei den üblichen Planarstrukturen sind hierzu Werte von Xb > 30 bis 50 μηι ausreichend. Durch den Stromverstärkungsfaktor lassen sich der dynamische Innenwiderstand, die Güte der Temperaturkompensation und die Rauscheigenschaften der temperaturkompensierten Z-Diode beeinflussen. Die Verwendung der Doppelstrukturen ist bei der temperaturkompensierten Z-Diode nach der Erfindung besonders vorteilhaft, weil auf Grund des mit Injektion betriebenen einen

pn-Übergangs das Rauschen wesentlich vermindert wird. Ferner kann der positive Temperaturkoeffizient der Abbruchspannung der Z-Diode unabhängig von der durch die Flußdioden gegebenen Temperaturkompensation weiter reduziert werden. Ebenso wird der dynamische Widerstand reduziert und einstellbar gemacht, so daß auch der dynamische Widerstand der Gesamtanordnung vermindert wird.

Die F i g. 10a und 10b zeigen den Aufbau einer be-

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sonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Z-Diode. Es sind nämlich alle als Z-Dioden vorgesehenen Transistorstrukturen mit je einer als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur zu einer demzufolge aus zwei Transistorstrukturen bestehenden Doppelstruktur zusammengefaßt, so daß die Doppelstrukturen 1' bis ρ entstehen. Diese sind so untereinander verbunden, daß der Emitter der als Z-Diode wirkenden Teilstruktur der Doppelstruktur 1' mit dem äußeren Anschluß I, also dem Pluspol einer äußeren Spannungsquelle verbunden ist, während der Emitter der als Flußdiode wirkenden Teilstruktur von Γ mit dem zur Z-Diode gehörenden Emitter der nächsten Doppelitruktur 2' verbunden ist. Der Emitter der Flußdiode von 2' führt dann wieder zum Emitter der Z-Diode der nächsten Doppelstruktur und so fort bis zur Doppelstruktur p. Der Emitter der Flußdiode der Doppelstruktur ρ kann gegebenenfalls mit der ersten Basis einer zusätzlichen Flußdiodenkette, entsprechend dem Anschluß II der Anordnung nach Fig. 3, verbunden sein; von dieser Flußdiodenkette ist die erste Transistorstruktur JL in den Fig. 10 a und 10 b gezeigt.

Durch die in die Kollektorzone nc ebenfalls einbringbaren Wirkwiderstände Rbi> bis Rb_p, die mit der Basis der zugehörigen Doppelstruktur verbunden sind, können die in den Z-Dioden fließenden Ströme gewählt werden. Durch die ebenfalls in die Kollektorzone nc einbringbaren Wirkwiderstände Re^ bis Rep, die zu den zur jeweiligen Flußdiode gehörenden Emittern der Doppelstrukturen führen, werden die Emitterströme der als Flußdioden wirksamen Teilstrukturen der Doppelstrukturen eingestellt.

Die Wirkwiderstände Rbi' bis Rb_p und A^₁' bis Re? sind also erfindungsgemäß ebenfalls in die gemeinsame Kollektorzone nc eingelassen, so daß keine isolierten anderen «c-Gebiete benötigt werden.

Unter Ausnutzung der an Hand der F i g. 10a und 10 b erläuterten Prinzipien und unter Heranziehung der bei der Erläuterung der F i g. 5, 7 und 8 gemachten Erwägungen kann die Anordnung der Fig. 10a und 10 b noch weiter in vorteilhafter Weise abgeändert und vereinfacht werden. Dies zeigt F i g. 11.

Die Emitter der Doppelstrukturen 1' bis 8 sind in der bei Erläuterung der F i g. 10a angegebenen Weise miteinander verbunden. Dem Emitter der als Flußdiode wirksamen Teilstruktur der Doppelstruktur ρ folgt noch die Flußdiodenkette X bis m, von der die beiden Transistorstrukturen X und.m gezeichnet sind. Die Wirkwiderstände Rb-i bis Rb'p bilden eine Serienschaltung, wobei ihr Anfang, nämlich das eine Ende von Rb'i mit der Basis der Doppelstruktur 1' verbunden ist, während ihr Ende am zweiten äußeren Anschluß II liegt.

An jedem Verbindungspunkt 22 bis pp zweier aufeinanderfolgender Wirkwiderstände der Kette /?βί bis Rb'p ist die Basis der entsprechenden nächsten Doppelstruktur angeschlossen, also z. B. am Verbindungspunkt 22 von Rb'i und Rb'2 die Basis der Doppelstruktur 2'. Ferner führt von diesen Verbindungspunkten je ein Wirkwiderstand Αεί bis Re'{_V-\) zu den Emittern der als Flußdioden wirksamen Teilstrukturen der zugehörigen Doppelstrukturen. So liegt etwa der Wirkwiderstand Re'i zwischen dem Flußdiodenemitter der Doppelstruktur Γ und dem Verbindungspunkt 22 von Κβί und Äs-a, also auch an der Basis der Doppelstruktur 2'. Der letzte Wirkwiderstand Rs'p der Äg-Reihe führt im Gegensatz dazu vom Flußdiodenemitter der Doppelstruktur p, der auch mit der Basis der Flußdiode der Transistorstruktur rn verbunden ist, zum Emitter der Transistorstruktur rn und zur Basis der nächstniederen Flußdioden-Transistorstruktur, hier also zur Basis der Transistorstruktur 1. Zwischen der Basis der nächstniederen Transistorstruktur und deren Emitter liegt der Widerstand/C

In den F i g. 12 und 13 sind weitere Möglichkeiten gezeigt, wie die Doppelemitterstrukturen hintereinandergeschaltet werden können. Es ergibt sich eine Einsparung von Wirkwiderständen.

So zeigt die F i g. 12 eine Anordnung, bei der die die Basis mit dem Flußdiodenemitter der vorhergehenden Doppelemitterstruktur verbindenden Wirkwiderstände Re'i bis Re'ip-i) durch einen Kurzschluß ersetzt sind, d. h. durch eine direkte leitende Verbindung. Ferner ist der Wirkwiderstand Re_v des Flußdiodenemitters der letzten Doppelemitterstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß II verbunden. Ebenso liegt der

so Widerstand Rm, der in die Emitterleitung der letzten der nachfolgenden Flußdiodenkette eingefügt ist, am äußeren Anschluß II. Auch die Emitterwiderstände weiterer Flußdioden können am äußeren Anschluß II angeschlossen sein, wie schon in der F i g. 5 gezeigt

as wurde.

Eine andere Weiterbildung der Anordnung nach Fig. 11 ergibt sich, wenn zusätzlich zu den nach Fig. 12 getroffenen Maßnahmen die Reihenschaltung der Wirkwiderstände Rb>\ ■ ■ ■ Rb'p durch Weglassen der diese Wirkwiderstände verbindenden Leitungen oder Leitbahnen aufgelöst wird. Auch hier können an den Emitter der Z-Diode der letzten Doppelstruktur ρ wieder Flußdioden angefügt werden, die in Fig. 13 jedoch der Anschaulichkeit halber nicht mehr gezeichnet sind.

Die in den Figuren gezeigten Möglichkeiten der Anordnung der einzelnen Wirkwiderstände sind noch weiter abwandelbar und können der jeweilig geforderten Güte der temperaturkompensierten Z-Diode angepaßt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer Halbleiterschaltung, die aus mehreren nichtlinearen und gegebenenfalls linearen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper des einen Leitungstyps angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Einzelelementen besteht und die mit zwei äußeren An-Schlüssen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Einzelelemente mehr als zwei Transistorstrukturen dienen, daß der Halbleiterkörper die gemeinsame Kollektorzone (nc) aller Transistorstrukturen darstellt, daß die Basis-Emitter-pn-Ubergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms (/) derart in Reihe geschaltet sind, daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Übergänge in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, daß zur Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstands die Transistorwirkung von mindestens einem Teil der als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen herangezogen ist und daß der Halbleiterkörper mit dem ersten äußeren Anschluß (I), sowie entweder die Basis der letzten als Z-Diode wirkenden Transistorstruktur oder der Emitter der letzten als Flußdiode wirken-

den Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß (H) verbunden ist.

2. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des über einzelne pn-Übergänge fließenden Stromes Wirkwiderstände entweder in der gemeinsamen Kollektorzone (nc) als den dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitungstyp besitzende Zonen oder auf dem Halbleiterkörper als aufgebrachte Wider-Standsschichten angeordnet sind.

3. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wirkwiderstände zum Einstellen des über die als Z-Dioden wirkenden pn-Übergänge fließenden Stromes dient.

4. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Erniedrigung des dynamischen Innenwiderstandes ein Wirkwider- ao stand (Rj^... Rm) in die Emitterzuleitung jeder, mit Ausnahme der letzten Flußdiode der Kette einge-• schaltet ist und daß das emitterferne Ende des Wirkwiderstandes bzw. der Emitter der letzten Flußdiode mit dem zweiten äußeren Anschluß (II) verbunden sind.

5. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das emitterferne Ende jedes in der zu einer Flußdiode (2 ... jm) gehörenden Emitterzuleitung angeordneten Wirkwiderstands (R^ ... R^) mit dem Emitter der vorherigen Flußdiode (1 ... m —■ I) verbunden ist und daß der Emitter der ersten Flußdiode (1) der Kette direkt mit dem zweiten äußeren Anschluß (II) verbunden ist (F i g. 8).

6. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine als Z-Diode wirkende Transistorstruktur und je eine als Flußdiode wirkende Transistorstruktur zu einer Doppelstruktur (I' ... p) zusammengefaßt und in einer gemeinsamen, als Basiszone wirkenden Zone vom dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitungstyp dadurch angeordnet sind, daß in die Basiszone von der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers her nebeneinander zwei als Emitter wirksame Zonen (ηε) vom Leitungstyp des Halbleiterkörpers eingelassen sind (Fi g. 9).

7. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Stromverstärkungsfaktor des von den nebeneinander in die Basiszone eingelassenen Emitterzonen (n_B) gebildeten lateralen Transistors der dynamische Innenwiderstand, die Temperaturkompensationsgüte, minimales Rauschen und die Abbruchspannung der Z-Diode eingestellt ist.

8. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach den Ansprüchen 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl Doppelstrukturen (Γ ... p) und gegebenenfalls weitere als Flußdioden wirksame Transistorstrukturen (1... ja) derart hintereinandergeschaltet sind, daß der zur Z-Diode gehörende Emitter der ersten Doppelstruktur (Γ) mit dem ersten äußeren Anschluß (I), der zur Flußdiode gehörende Emitter der ersten Doppelstruktur (1') mit dem Z-Diodenemitter der nächsten Doppelstruktur (2') usw. bis zur letzten Doppelstruktur (p) verbunden ist, wobei der Flußdiodenemitter der letzten Doppelstruktur (p) entweder am zweiten äußeren Anschluß (I I) oder an der Basis der letzten Transistorstruktur im) der Flußdiodenkette angeschlossen ist, daß ferner zwischen der Basis der ersten Doppelstruktur (Γ) und dem zweiten äußeren Anschluß (II) eine Reihenschaltung aus Wirkwiderständen (R βί ... Rb'p) liegt, an deren Verbindungspunkte (22 ... pp) die Basis der nächsten Doppelstruktur (2' ... p) sowie je ein weiterer Wirkwiderstand (Re'i ■.. Re'(p-i)) angeschlossen sind, der jeweils zum Flußdiodenemitter der vorhergehenden Doppelstruktur (V ... ρ — 1) führt, daß ferner im Falle weiterer als Flußdioden vorgesehener Transistorstrukturen (1_... nt) vom Flußdiodenemitter der letzten Doppelstruktur (p) und der Basis der letzten Flußdioden-Transistorstruktur (m) ein Wirkwiderstand (Re'p) zum Emitter dieser Flußdiodenstruktur (m) führt und daß der Emitter und die Basis der ersten als Flußdiode wirksamen Transistorstruktur (1) durch einen Wirkwiderstand (R¹J₁) überbrückt ist (Fig. 11). -

9. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basis und den Flußdiodenemitter der vorhergehenden Transistorstruktur verbindenden Wirkwiderstände (Rb'i ... Re-(p-i)) durch eine direkte leitende Verbindung ersetzt sind und daß die in den Emitterzuleitungen der nachfolgenden als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen (1 ...jn) gegebenenfalls angeordneten Wirkwiderstände (Ä_s ... Rm) direkt mit dem zweiten äußeren AnscHIuß (II) verbunden sind (F i g. 12).

10. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basis und den Flußdiodenemitter der vorhergehenden Transistorstruktur verbindenden Wirkwiderstände (Re-i ■ ■ Rb'(p-v durch eine direkte leitende Verbindung ersetzt sind, daß die leitende Verbindung zwischen den Wirk widerständen (Rb'i · ■ ■ Rb'p) der Reihenschaltung unterbrochen ist und daß Basis und Flußdiodenemitter jeder Doppelstruktur mit je einem dieser Wirkwiderstände (Rb'i . ■ ■ Rb'p) überbrückt ist (F i g. 13).

11. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensation durch Wahl des Widerstandswertes der Emitterwiderstände (R₂ ... R₂) optimal eingestellt ist. ~

12. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß minimales Rauschen durch Wahl des Widerstandswertes des den durch die Z-Dioden fließenden Strom bestimmenden Wirkwiderstandes (A_n) eingestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen