DE2054863B2 - Spannungsverstaerker - Google Patents

Spannungsverstaerker

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DE2054863B2 DE19702054863 DE2054863A DE2054863B2 DE 2054863 B2 DE2054863 B2 DE 2054863B2 DE 19702054863 DE19702054863 DE 19702054863 DE 2054863 A DE2054863 A DE 2054863A DE 2054863 B2 DE2054863 B2 DE 2054863B2
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Description

7. Verstärker nach Anspruch 5 oder 6, bei dem 45 niedriger als der Basiseingangswiderstand des Hilfsin die gemeinsame Emitterlekung des ersten Tran- transistors ist.
sistors ein als Stromquelle geschalteter Transistor Die erwähnten bekannten Lösungen sind im allgeaufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß meinen nicht besonders empfehlenswert, wenn der erdie Basis des zweiten Transistors mit der des als wähnte erste Transistor bei einem niedrigen EinStromquelle geschalteten Transistors verbunden 50 Stellstrom betrieben werden soll. Ein derartiger nieist, driger Einstellstrom ist z. B. erwünscht, wenn ein
8. Verstärker nach einem der vorangehenden hoher Basiseingangswiderstand dieses Transistors erAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er reicht werden soll. Dieser niedrige Einstellstrom einen Halbleiterkörper enthält, in dem ein müßte dann mit Hilfe hoher Widerstände erhalten lateraler Tranaistor angebracht ist, wobei die 55 werden, wodurch sich der Verstärker schwieriger in Basiszone dieses Transistors vom einen Leit- Form einer integrierten Schaltung ausführen läßt, fähigkeitstyp ist und an mindestens eine Emitter- Auch die Verwendung einer Reihenschaltung mehre- und mindestens eine Kollektorzone vom anderen rer Dioden als Kollektorwiderstand ist ungünstig, weil Leitfähigkeitstyp grenzt und diese Zonen im eine dem verlangten Verstärkungsfaktor proportio-Halbleiterkörper umgibt, und wobei eine dieser 60 nale Anzahl von Dioden verwendet werden muß, wobeiden Zonen, die bis zu einer Oberfläche des durch in der betreffenden integrierten Schaltung Halbleiterkörpers reichen, einen Kontaktteil auf- Raum auf dem Halbleiterelement und Speisespannung weist, von dem sich ein oder mehrere Ausläufer für den erwähnten ersten Transistor verlorengehen, erstrecken, während die andere dieser beiden Die Erfindung schafft eine besonders einfache Maß-Zonen den Ausläufer (die Ausläufer) an der Ober- 65 nähme, durch die die obenerwähnten Nachteile befläche wenigstens teilweise umgibt. hoben werden, und ist dadurch gekennzeichnet, daß
9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch ge- mit Hilfe eines zweiten Transistors vom entgegengekennzeichnet, daß die mit Ausläufern versehene setzten Leitfähigkeitstyp dem Kollektor des zuerst
erwähnten Transistors ein Einstellgleichstrom zugeführt wird, der größer als der den gleichrichtenden Übergang durchfließende Gleichstrom ist.
Dabei sei bemerkt, daß es an sich bekannt ist, die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp als Kollcktorbelastungswiderstand des ersten Transistors zu schalten. In Lesern Falle bildet diese Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors den einzigen Belastungswiderstand für den ersten Transistor, während hingegen bei dem Verstärker nach der Erfindung der Innenwiderstand des erwähnten pn-Übergangs den Kollektorbelastungswiderstand des ersten Transistors bestimmt, aber der Innenkollektorwiderstand des zweiten Transistors in bezug auf den Innenwiderstand des pn-Ubergangs hoch ist, so daß die nichtlineare Strom-Spannungskennlinie des pn-Übergangs völlig ausgenutzt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie, die der Emitterstrom — und bei Vernachlässigung des Basistroms also auch der Kollektorstrom — des ersten Transistors als Funktion seiner Emitter-Basisspannung aufweist, und auch die Strom-Spannungskennlinie des erwähnten pn-Übergangs einen exponentiellen Charakter haben, sr daß daher der Strom-Spannungs-Differentialquotient dem eingestellten Gleichstrom proportional ist. Auf diese Weise kann dadurch, daß durch den pn-übergang ein erheblich kleinerer Gleichstrom als durch den Basis-Emitter-Übergang eines Transistors fließt, erreicht werden, daß unter Beibehaltung des vorerwähnten Ausgleichs der Nicht-Iinearität der dynamischen Widerstand des erwähnten pn-Übergangs wesentlich vergrößert wird.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine erste Ausführungsform,
Fig. 2 eine Abwandlung der Fig. 1,
F i g. 3 die Anordnung der Schaltung nach F i g. 2,
F i g. 4 eine zweite Ausfuhrungsform und
F i g. 5 eine dritte Ausführungsform.
In F i g. 1 ist ein Differentialverstärker dargestellt, der zwei Verstärkertransistoren la und 16 enthält, in deren gemeinsame Emitterleitung eine Stromquelle Il aufgenommen ist, deren Innenwiderstand in bezug auf den Emittereingangswiderstand der Transistoren 1 α bzw. 1 b groß ist, während den Basen dieser Transistoren eine zu verstärkende Eingangsspannung + Vt bzw. — V1 im Gegentakt zugeführt wird. In die Kollektorkreise dieser Transistoren sind pn-Dioden la bzw. 2 b aufgenommen, deren Stromdurchlaßrichtungen den Kollektorströmen der Transistoren la bzw. Ib entsprechen. Die von den Kollektoren abgekehrten Anschlüsse der Dioden la und Ib sind mit einem Punkt konstanten Potentials, oder, wie in der Figur dargestellt ist, mit den Basen zweier Hilfstransistoren 3 a bzw. 3 b vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp verbunden, deren Emitter an die Speiseklemme gelegt sind, während ihre Kollektoren mit den Kollektoren der zuerst erwähnten Transistoren la bzw. Ib verbunden sind. Auf diese Weise wird zwischen den Kollektoren der Transistoren la und Ib eine verstärkte Spannung +Vu bzw. — Vu erzeugt. Wenn diese Ausgangsspannung ± V11 kreuzweise an die Basen zurückgeleitet wird, wird eine Kippschaltung vom Eccles-Jordan-Typ gebildet.
Wenn der die Dioden la bzw. Ib durchfließende Gleichstrom gleich /, und die Kollektorgleichströme der Transistoren 3 a bzw. 3 b gleich I3 gewählt werden, wobei der Strom der Stromquelle Il gleich dei Summe all dieser erwähnten Gleichströme (somit / = L +I3) ist, ist also der dynamische Widerstand
der Dioden 2 a bzw. Ib um einen Faktor-j- erhöht,
so daß, wenn /3 erheblich größer als /, ist, eine entsprechende Spannungsverstärkung erhalten wird. Da
ίο in der Ausführungsform nach Fig. 1 /„ auch gleich dem Basistrom der Transistoren 3 α bzw? 3 b ist, während I3 gleich dem Kollektorgleichstrom dieser Transistoren ist, kann diese Bedingung auf einfache Weise erfüllt werden.
In der Technik der integrierten Schaltungen werden die Transistoren 1 α und 1 b im allgemeinen als »vertikale Transistoren« ausgebildet, d. h., daß — von der oberen Fläche eines betreffenden Halbleiterelements her gesehen — die aktiven Teile der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen untereinander liegen. Auch die Stromquelle II ist dann als ein vertikaler Transistor 10 vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Transistoren la und Ib ausgebildet. Die Transistoren 3 a und 3 b werden dagegen vorzugsweise als
as laterale Transistoren ausgebildet, d. h., daß — von der oberen Fläche des Halbleiterelements her gesehen — die aktiven Teile der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen dann nebeneinander liegen. Die Dioden 2 a und Ib können als Schottky-Dioden ausgebildet sein, die den Vorteil aufweisen, daß darin nahezu keine Ladungsspeicherung (storage) auftritt, so daß sie schneller wirken.
Da sowohl die Emitter wie auch die Basen der Transistoren 3 a und 3 b elektrisch miteinander verbunden sind, können die Transistoren 3 a und 3 b auf einfache Weise dadurch zusammengebaut werden, daß einer Emitterzone gegenüber zwei Kollektorzonen 6, 7 angeordnet werden, wie in F i g. 2 dargestellt ist. Wenn außerdem eine dritte Kollektorzone 8 dieser einen Emitterzone gegenüber angeordnet wird, welche dritte Kollektorzone leitend mit der Basis verbunden wird, wird erreicht, daß der von der Emitterzone herrührende Gleichstrom sich über die Kollektorzonen im Verhältnis zu den Längsabmessungen der einander gegenüberliegenden Zonen verteilt.
F i g. 3 zeigt die Anordnung einer solchen integrierten Schaltung. Dabei sind die npn-Transistoren la, Ib und 10 der Fig..2 in drei isolierten Inseln 14, 15 und 16 eines Halbkörpers untergebracht. In jeder dieser Inseln, die η-leitend sind, ist eine p-leitende Basiszone 17, eine η-leitende Emitterzone 18 und eine zugleich mit der Emitterzone erhaltene Kollektorkontaktzone 19 angebracht. Die Insel 20 enthält den übrigen Teil der Schaltung nach F i g. 2, wobei ein lateraler pnp-Transistor mit einer besonderen Geometrie verwendet wird, der statt in der vorliegenden Verstärkerschaltung auch in anderen Schalfungen vorteilhaft benutzt werden kann. Dieser laterale pnp-Transistor weist eine Zone 21 mit einem mittleren Teil auf, der genügend groß ist, um diese Zone mit einem Kontakt versehen zu können, wobei in diesem Teil ein Kontaktfenster 22 in der auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegenden passivierenden Isolierschicht angebracht ist. Von diesem Kontaktteil her erstrecken sich ein oder mehrere (im vorliegenden Beispiel drei) Ausläufer, die schmal sein können, weil darauf keine Metallisierung angebracht ist. Im vorlieeenden Ausführunesbeisniel bil-
torzonen reichenden vergrabenen Schicht ausgeführt werden.
Die für die Schaltung benötigten Verbindungsleilungen und Anschlüsse sind auf übliche Weise durch 5 ein auf der Isolierschicht angebrachtes Metallisierungsmuster, das über Öffnungen in der Isolierschicht mit den unterschiedlichen Halbleiterzonen der Schaltungselemente verbunden ist, hergestellt.
Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß der ίο laterale Transistor auch mit einer anderen Geometrie, z. B. mit einer oder mehreren kreisförmigen oder tüpfeiförmigen Emitterzonen, um welche eine oder mehrere Kollektorzonen herum angeordnet sind, ausgeführt werden kann.
Übrigens kann die integrierte Schaltung nach Fig. 3 völlig auf die in der Halbleitertechnik übliche Weise hergestellt und abmontiert werden, wobei z. B. von einem p-leitenden Substrat ausgegangen werden kann, auf dem nach einer etwaigen Diffusion zum Erhalten
det die Zone 21 die Emitterzone des lateralen Transistors, wobei um diese Emitterzone 21 herum in geringer Entfernung eine oder mehrere Kollcktorzoncn 23, 24 und 25 gruppiert werden können.
Die Geometrie der Emitterzone2t ergibt eine große Randlänge bei einer verhältnismäßig kleinen Oberfläche. Dabei ist unter «Randlänge« die Länge der Schnittlinie zwischen dem betreffenden pn-Ubergang und der Halbleiteroberfläche zu verstehen.
Eine große Randlänge wird verlangt, weil die Stromverteilung über die Kollektorzonen 23, 24 und 25 von den gegenseitigen Verhältnissen der Randlängen der der Emitterzone 21 zugewandten Seiten der Kollektorzonen abhängig ist. Um ein vorher gewähltes Verhältnis mit genügender Genauigkeit zu 15 erzielen, müssen die erwähnten Randlängen der Kollektorzonen und also auch die Gesamtrandlänge der Emitterzone nicht zu klein sein. Ferner besteht eine Beziehung zwischen dem gegenseitigen Verhältnis der
Randlänge und der Oberfläche der Emitterzone und 20 einer oder mehrerer vergrabener Schichten eine n-lei-
dem Kollektor-Emitter-Stromverstärkungsfaktor α des tende epitaktische Schicht mit einer Dicke von z.B.
lateralen Transistors. Die am Rande der Emitterzone etwa 4 um und einem spezifischen Widerstand von
injizierten Minoritätsladungsträger werden größten- z. B. 0,3 bis 0,6 Ω · cm angebracht wird. Dann kön-
teils von den Kollektorzonen kollektiert, aber von den nen durch die üblichen Photoätz- und Maskierungs-
in einer Richtung quer zur Halbleiteroberfläche inji- 25 techniken z. B. Phosphor und Bor diffundiert wer-
zierten Ladungsträgern wird der größte Teil durch den, um die Isolierzonen und die unterschiedlichen
Rekombination verlorengehen. Ein großes gegenseiti- Halbleiterzonen der Schaltungselemente zu erhalten.
ges Verhältnis der Randlänge und der Oberfläche hat Die BordifTusionszonen 17, 21, 23, 24 und 25 weisen
eine günstige Einwirkung auf den Emitterwirkuiigs- z.B. einen Quadratswiderstand von etwa 125 bis
grad und somit auf den erwähnten Stromverstärkungs- 30 200 Ω/Q auf.
faktor. Dies trifft insbesondere bei kleinen Emitter- Erwünschtenfalls können die Dioden la bzw. Ib
strömen in der Größenordnung von Mikroamperes der Fig. 1 durch die Kollektor-Emitter-Strecken
oder kleiner zu, wobei der von dem durch die nicht- zweier weiterer Hilfstransistoren 4a bzw. Ab ersetzt
kontaktierten Ausläufer der Emitterzone fließenden werden, wie in F i g. 4 dargestellt ist. Das zu verstär-
Strom herbeigeführte Spannungsabfall praktisch ver- 35 kende Gegentaktsignal ± V1 wird wieder den Basen
nachlässigbar ist. Die mehr oder weniger sternför- der Verstärkertransistoren la und Xb zugeführt, in mige Emitterzone 21 besitzt drei Ausläufer mit einer
Länge von z.B. etwa 12μΐη und einer Breite von
z. B. etwa 4 μΐη.
Die Kollektorzone 25 ist größer als unbedingt er- 40 16 hauptsächlich mit Hilfe der Transistoren 3 α und forderlich ist, wodurch ein genügend großer Raum 3 b vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zugeführt zur Verfügung kommt, um darin zwei η-leitende werden. Die Basen der Transistoren Aa und 4 b wer-Zonen 26 und 27 anzubringen, die zusammen mit den an einen Punkt konstanten Potentials Vb gelegt, der Zone 25 die beiden pn-Dioden der Schaltung bil- wodurch ein zusätzlicher Freiheitsgrad zum Erreichen den. Dabei weist die Zone 25 eine Aussparung auf, 45 einer optimalen Einstellung erhalten wird. Die Basisin der zugleich mit den Emitterzonen 18 und den Emitter-Übergänge dieser Hilfstransistoren Aa und Diodenzonen 26 und 27 eine Kontaktzone 28 ar.gc- 4 b bilden dann wieder die Kollektorbelastungswiderbracht wird. Über die Öffnung 29 in der Isolierschicht stände für die Transistoren 1 α bzw. 1 b, während die und die darin angebrachte Metallisierung 30 ist die die Transistoren 4 α und 4 b durchfließenden Gleich-Kollektorzone 25 mit der durch die Insel 20 gebilde- 50 ströme wieder gleich den Basisgleichströmen der ten Basiszone des lateralen Transistors kurzgeschlos- Transistoren 3 a bzw. 3 b sind, die ihrerseits erhebsen. Auf diese Weise sind der laterale Transistor mit lieh kleiner als die Kollektorgleichströme dieser Tranmehreren Kollektoren und die beiden mit der Basis- sistoren sind. Auf diese Weise wird eine gleiche Wirzone dieses Transistors verbundenen Dioden zu einer kung wie mit dem Verstärker nach Fig. 1 erhalten, besonders gedrängten und wenig Raum beanspruchen- 55 Selbstverständlich können auch die in bezug auf den Struktur zusammengebaut. Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen Maßnahmen auf Unterhalb der Emitterzone 21 und des Basiskon- diesen in Fig. 4 gezeigten Verstärker angewandt wertakts 30 ist auf bekannte Weise eine sogenannte ver- den.
grabene Schicht, ein Teil mit einem niedrigeren spe- In der Abwandlung nach F ig. 5 sind die Dioden 2 a zifischen Widerstand als der angrenzende Teil der 60 und 2b mit ihren von den Kollektoren der Ver-Tnsel, angebracht, die in der Figur mit einer gestrichel- Stärkertransistoren la bzw. Ib abgekehrten Enden ten Linie angedeutet ist. Dabei kann die Injektion an einen Punkt festen Potentials (und zwar die posivon Ladungsträgern in einer Richtung quer zur Halb- tive Speiseklemme) angeschlossen, während der lederoberfläche herabgesetzt werden, wenn gesichert (laterale) Transistor 3 vom entgegengesetzten Leitwird, daß die Emitterzone und die vergrabene Schicht 65 fähigkeitstyp ist und seine Kollektoren 6 bzw. 7 wienahe genug beieinander liegen. Übrigens kann diese der mit den Kollektoren der Transistoren la bzw. 16 Struktur erwünschtenfalls auch ohne vergrabene verbunden sind. Der Kollektor 8 des Transistors 3, Schicht oder mit einer auch bis unterhalb der Kollek- der eine etwa zweimal größere kollektierende Rand-
deren Kollektorleitungen nun die Hilfstransistoren 4 a bzw. Ab aufgenommen sind, während die Gleichströme für die Kollektoren der Transistoren la und
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länge als die Kollektoren 6 und 7 aufweist, ist nicht nur mit der Basis des Transistors 3, sondern auch mit der Basis des als Stromquelle wirkenden Transistors
10 verbunden, dessen Basis-Emitter-Strcckc von einer Diode oder einem als Diode geschalteten Transistor
11 überbrückt ist. Der Strom der Basis und des Kollektors 8 des Transistors 3 erzeugt auf diese Weise einen praktisch gleich großen Kollektorstrom im Transistor 10, so daß durch richtige Bemessung der
kollekticrenden Randlänge des Kollektors 8 in bezug auf die der Kollektoren 6 und 7 erreicht werden kann, daß der die Transistoren 1 α und I b durchfließende Gleichstrom gerade etwas größer als der von der Kollektoren 6 und 7 gelieferte Gleichstrom ist, so dafi die Dioden la und 26 wieder mit einem hohen dynamischen Widerstand, der jedoch niedriger als die inneren Kollektorwiderstände —gemessen an den Kollektoren 6 und 7 — ist, betrieben werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Zone die Emitterzone des Transistors bildet, wo- Patentansoriiche- bei um die Emitterzone herum mindestens zwei i-atemansprucne. Kollektorzonen angeordnet sind, von denen eine
1. Transistorverstärker für elektrische Span- leitend mit.der Basiszone ^des Transistors ver-
nungen, bei dem in den Kollektorkreis eines er- 5 bunden und in dieser Kollektorzone mmdestens sten Transistors wenigstens ein in der Durch- eine D.odenzone m Form emer Oberflachenzone
laßrichtung vom Kollektorstrom durchflossener vom anen Leitfäh.gkeitstyp angebracht ist.
gleichrichtender Übergang als Kollektorbe-
lastungswiderstand dieses Transistors aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß i° . . . . „ mit Hilfe eines zweitfn Transistors vom entge- Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorgengesetzten Leitfähigkeitstyp dem Kollektor des verstärker fur elektrische Spannungen, bei dem in ersten Transistors ein Einstellgleichstrcm züge- den Kollektorkreis eines ersten Transistors wen.gffihrt wird, der erheblich größer als der den stens ein in der Durchlaßnchtung vom Kollektorstrom gleichrichtenden Übergang durchfließende Gleich- 15 durchflossener gleichncntender Übergang als Kolstromist lektorbelastungswiderstand dieses Transistors aufge-
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch ge- nommen ist. Ein derartiger an sich bekannter Verkennzeichnet, daß der gleichrichtende Übergang stärker hat den Vorteil, daß die zwischen dem Eirnttwischen der Basis des zweiten Transistors und terstrom und der Emitter-Basis-Spannung eines Trandem Kollektor des ersten Transistors eingeschal- a° sistors bestehende Nichthneantat von einer enttetist sprechenden Nichthneantat der atrom-Spannungs-
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch kennlinie des erwähnten gleichrichtenden Übergangs gekennzeichnet, daß der gleichrichtende Über- mehr oder weniger ausgeglichen wird, so daß über gang eine Schottky-Diode ist. einen verhältnismäßig großen Aussteuerbsreich eine
4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 35 lineare Eezkhung zwischen der am Kollektor eines gekennzeichnet, daß der gleichrichtende Übergang Transistors erzeugten verstärkten Spannung und der durch die Basis-Emitterstrecke eines weiteren der Basis dieses Transistors zugefuhrten Eingangs Transistors, der den gleichen Leitfähigkeitstyp spannung erhalten wird.
wie der erste Transistor aufweist, gebildet wird. Bei Verwendung eines einzigen pn- oder Metall-
5. Verstärker nach einem der vorangehenden 30 Halbleiterübergangs als Kollektorbelastungswider-Ansprüche, der als eine Gegentaktschaltungsan- stand ist die erhaltene Spannungsverstarkung nur geordnung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, ring. Es ist daher üblich, in den Kollektorkreis eines daß der zweite Transistor als ein Transistor mit Transistors eine Anzahl in Reihe geschalteter Gleicheinem einzigen Emitter, einer einzigen Basis und richter aufzunehmen. Das gleiche Ergebnis wird er-2wei Kollektorzonen ausgebildet ist, welche mit 35 zielt, wenn statt einer derartigen Reihenschaltung ein den Kollektoren zweier dem ersten Transistor ent- zweiter Transistor verwendet wird, dessen Emittersprechender Transistoren verbunden sind, an Kollektor-Strecke von einem Potentiometer überderen Basen die zu verstärkende Gegentaktein- brückt ist, das von einem Strom durchflossen wird, gangsspannung angelegt wird. der erheblich kleiner als der diesen Hilfstransistor
6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch ge- 40 durchfließenden Strom ist, während eine Anzapfung kennzeichnet, daß der zweite Transistor außer- dieses Potentiometers mit der Basis des Hilfstrandem mit einer dritten Kollektorzone versehen ist, sistors verbunden ist, derart, daß die Impedanz des die elektrisch mit der Basis dieses Transistors zwischen der Basis und dem Emitter des Hilfsverbunden ist. transistors liegenden Potentiometerteiles erheblich
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