DE2054863C3 - Spannungsverstärker - Google Patents

Spannungsverstärker

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DE2054863C3 DE2054863A DE2054863A DE2054863C3 DE 2054863 C3 DE2054863 C3 DE 2054863C3 DE 2054863 A DE2054863 A DE 2054863A DE 2054863 A DE2054863 A DE 2054863A DE 2054863 C3 DE2054863 C3 DE 2054863C3
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Description

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch ge- nommen ist. Ein derartiger an sich bekannter Verkennzeichnet, daß der gleichrichtende Übergang stärker (siehe z.B. DE-PS 1277 946) hat den Vorzwischen rtsr Basis des zweiten Transistors und teil, daß die zwischen dem Emitterstrom und der dem Kollektor des ersten Transistors eingeschal- ao Emitter-Basis-Spannung eines Transistors bestehende tetist. Nichtlinearität von einer entsprechenden Nicht-
3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch linearität der Strom-Spannungskennlinie des erwähngekennzeichnet, daß der gleichrichtende Über- ten gleichrichtenden Übergangs mehr oder weniger gang eine Schottky-Diode ist. ausgeglichen wird, so daß über einen verhältnismäßig
4. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch *s großen Aussteuerbereich eine lineare Beziehung zwigekennzeichnet, daß der gleichrichtende Übergang sehen der am KoEektor eines Transistors erzeugten durch die Basis-Emitterstrecke eines weiteren verstärkten Spannung und der der Basis dieses Tran-Transistors, der den gleichen Leitfähigkeitstyp sistors zugeführten Eingangsspannung 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 Spannungsverstärkung nur geordnung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, ring. Es ist daher üblich, in den Kollektorkreis eines daß der zweite Transistor ak ein Transistor mit Transistors eine Anzahl in Reihe geschalteter Gleicheinem einzigen Emitter, einer einzigen Basis und richter aufzunehmen. Das gleiche Ergebnis wird erzwei 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- ♦<> 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
7. Verstärker nach Anspruch 5 oder 6, bei dem 45 niedriger als der Basiseingangswiderstand des Hilfsin die gemeinsame Emitterleitung des ersten Tran- transistors ist.
sistors ein ate 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 Transistor angebracht ist, wobei die 55 werden, wodurch sich der Verstärker schwieriger in Basiszone dieses Transistors vom einen Leit- Form einer integrierten Schallung 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, wobeklen 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 bcfiäche 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 Kollektorbelastungswiderstand des ersten Transistors zu schalten. In diesem 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 Kollektorbelastungswidei'stand des ersten Transistors bestimmt, aber der Innenkollektorwiderstand des zweiten Transistors in bezug auf den Innenwiderstand des pn-Übergangs 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 Fiisistroms 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, so 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 Nichtlinearität 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,
F i g. 2 e:ne Abwandlung der F i g. 1,
F i g. 3 die Anordnung der Schaltung nach F i g. 2, F i g. 4 eine zweite Ausführungsform und
F i g. 5 eine dritte Ausführungsform.
In F i g. 1 ist ein Differentialverstärker dargestellt, der zwei Verstärkertransistoren la und Ib enthält, in deren gemeinsame Emitterleitußg eine Stromquelle Il aufgenommen ist, deren Inn en widerstand in bezug auf den Emittereingangswiderstand der Transistoren 1 α bzw. 1 b groß ist, während den Basen dieser Transistoren eine zu verstärkende Eingangsspannung + V1 bzw. - V1 im Gegentakt zugeführt wird. In die KoI-lektorkrefce dieser Transistoren sind pn-Dioden la bzw. 2 b aufgenommen, deren Stromdurchlaßrichtungen den Kollektorströmen der Transistoren la bzw. 1 b entsprechen. Die von den Kollektoren abgekehrten Anschlüsse der Dioden 2 a und 2 b sind mit einem Punkt konstanten Potentials, oder, wie in der Figur dargestellt ist, mit den Basen zweier Hilfstransistoren 3« bzw. 3 ft vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp verbunden, deren Emitter an die Speiseklemme gelegt sind, während ihre Kollektoren mit den Kollektoren der zuerst erwähnten Transistoren Ι« bzw. Ib verbunden sind. Auf diese Weise wird zwischen den Kollektoren der Transistoren la und 1 b eine verstärkte Spannung + V11 bzw. — K11 erzeugt. Wenn diese Ausgangsspannung ± V1, kreuzweise an die Basen ^.»rückgeleitet wird, wird eine Kippschaltung vom Eccles-Jordan-Typ gebildet.
Wenn der die Dioden la bzw. Ib durchfließende Gleichstrom gleich /a und die Kollektorgleichströrne der Transistoren 3 β bzw. 3 b gleich I3 gewählt werden, wobei der Strom der Stromquelle Il gleich der Summe all dieser erwähnten Gleichströme (somit / = I3 + /3) ist, ist also der dynamische Widerstand
der Dioden la bzw. Ib um einen Faktor-^ erhöht,
so daß, wenn I3 erheblich größer als h ist, eine entsprechende Spannungsverstärkung erhalten wird. Da ίο in der Ausführangsform nach F i g. 1 I2 auch gleich dem Basistrom der Transistoren 3 a 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 la und Ib im allgemeinen als »vertikale Transistoren« ausgebildet, d. h., daß — von der oberen Fläche eines betreffenden Halbleiterelements her gesehen — die aktiven Teile der Emitter-, ao Basis- und Kollektorzonen untereinander liegen. Auch die Stromquelle II ist dann als ein vtrtikaler Transistor 10 vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Transistoren la und 16 ausgebildet Die Transistoren 3a und 3b 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 la 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, weiche 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 Kolleklorkontaktzone 19 angebracht. Die Insel 20 enthält den übrigen Teil der Schaltung nach F ι g. 2, Wobei ein lateraler pnp-Transistor mit einer besonderen Geometrie verwendet wird, der statt in der vorliegenden Verstärkerschaltung auch in anderen Schaltungen 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 vorliegenden Ausführungsbeispiel bil-
det die Zone 21 die Emitterzone des lateralen Transistors, wobei um diese Emitterzone 21 herum in geringer Entfernung eine oder mehrere Kollektorzonen 23, 24 und 25 gruppiert werden können.
Die Geometrie der Emitterzone 21 ergibt eine große Randlänge bei einer verhältnismäßig kleinen Oberfläche. Dabei ist unter »Randlänge« die Länge der Schnittlinie zwischen dem betreffenden pn-übergang 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 erzielen, müssen die erwähnten Randlängen der Kollektorzonen und also auch die Gesamtrandlänge der
l_:ilIiUCI IAJIIC llll»lll Z-U IMWtI 3*~1II. 1 Vlltt.1 I/I.JI1.II1 WlIV Beziehung zwischen dem gegenseitigen Verhältnis der Randlänge und der Oberfläche der Emitterzone und ao dem Kollektor-Emitter-Stromverstärkungsfaktor λ' des lateralen Transistors. Die am Rande der Emitterzone injizierten Minoritätsladungsträger werden größtenteils von den Kollektorzonen kollektiert, aber von den in einer Richtung quer zur Halbleiteroberfläche inji- as zierten Ladungsträgern wird der größte Teil durc!. Rekombination verlorengehen. Ein großes gegenseitiges Verhältnis der Randlänge und der Oberfläche hat eine günstige Einwirkung auf den Emitterwirkungsgrad und somit auf den erwähnten Stromverstärkungsfaktor. Dies trifft insbesondere bei kleinen Emitterströmen in der Größenordnung von Mikroamperes oder kleiner zu, wobei der von dem durch die nichtkontaktierten Ausläufer der Emitterzone fließenden Strom herbeigeführte Spannungsabfall praktisch vernachlässigbar ist. Die mehr oder weniger sternförmige Emitterzone 21 besitzt drei Ausläufer mit einer Länge von z. B. etwa 12 μΐη und einer Breite von z. B. etwa 4 [im.
Die Kollektorzone 25 ist größer als unbedingt er- 4» forderlich ist. wodurch ein genügend großer Raum zur Verfügung kommt, um darin zwei n-leitende Zonen 26 und 27 anzubringen, die zusammen mit der Zone 25 die beiden pn-Dioden der Schaltung bilden. Dabei weist die Zone 25 eine Aussparung auf, in der zugleich mit den Emitterzonen 18 und den Diodenzonen 26 und 27 eine Kontaktzone 28 angebracht wird. Über die Öffnung 29 in der Isolierschicht und die darin angebrachte Metallisierung 30 ist die Kollektorzone 25 mit der durch die Insel 20 gebildeten Basiszone des lateralen Transistors kurzgeschlossen. Auf diese Weise sind der laterale Transistor mit mehreren Kollektoren und die beiden mit der Basiszone dieses Transistors verbundenen Dioden zu einer besonders gedrängten und wenig Raum beanspruchenden Struktur zusammengebaut.
Unterhalb der Emitterzone 21 und des Basiskontakts 30 ist auf bekannte Weise eine sogenannte vergrabene Schicht, ein Teil mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als der angrenzende Teil der Insel, angebracht, die in der Figur mit einer gestrichelten Linie angedeutet ist. Dabei kann die Injektion von Ladungsträgern in einer Richtung quer zur Halbleiteroberfläche herabgesetzt werden, wenn gesichert wird, daß die Emitterzone und die vergrabene Schicht nahe genug beieinander liegen. Übrigens kann diese Struktur erwünschtenfalls auch ohne vergrabene Schicht oder mit einer auch bis unterhalb der Kollektorzonen reichenden vergrabenen Schicht ausgeführt werden.
Die für die Schaltung benötigten Verbindungsleitungen und Anschlüsse sind auf übliche Weise durch 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 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 i
«titinrvk n.leilofirlen Ciikotrit
γΗ*»π
auf dem nach einer etwaigen DifTiiMon zum Erhalten einer oder mehrerer vergrabener Schichten eine n-leitende epitaktische Schicht mit einer Dicke von z. B. etwa 4 um und einem spezifischen Widerstand von z. B. 0,3 bis 0,6 Ω · cm angebracht wird. Dann können durch die üblichen Photoätz- und Maskierungstechniken z. B. Phosphor und Bor diffundiert werden, um die Isolierzonen und die unterschiedlichen Halble'!erzonen der Schaltungselemente zu erhalten. Die Bordiffusionszonen 17, 21, 23, 24 und 25 weisen ?. B. einen Quadratswiderstand von etwa 125 bis 200 Ω/Π auf.
Erwünschtenfalls können die Dioden la bzw. Ib der F i g. 1 durch die Kollektor-Emitter-Strecken zweier weiterer Hilfstransistoren 4 a bzw. 4 b ersetzt werden, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Das zu verstärkende Gegentaktsignal ± V1 wird wieder den Basen der Verstärkertransistoren 1 α und 1 b zugeführt, in deren Kollektorleitungen nun die Hilfstransistoren 4a bzw. 4 £> aufgenommen sind, während die Gleichströme für die Kollektoren der Transistoren 1 α und Xb hauptsächlich mit Hilfe der Transistoren 3a und
3 b vom enteeeeneesetzten Leitfähiekeitstvp zugeführt werden. Die Basen der Transistoren 4 a und 4 b werden an einen Punkt konstanten Potentials Vb gelegt, wodurch ein zusätzlicher Freiheitsgrad zum Erreichen einer optimalen Einstellung erhalten wird. Die Basis-Emitter-Übergänge dieser Hilfstransistoren 4 a und
4 b bilden dann wieder die Kollektorbelastungswiderstände für die Transistoren 1 α bzw. 1 b, während die die Transistoren 4 α und 4 b durchfließenden Gleichströme wieder gleich den Basisgleichström^r. der Transistoren 3 β bzw. 3 b sind, die ihrerseits erheblich kleiner als die Kollektorgleichströme dieser Transistoren sind. Auf diese Weise wird eine gleiche Wirkung wie mit dem Verstärker nach Fig. 1 erhalten. Selbstverständlich können auch die in bezug auf F i g. 2 und F i g. 3 beschriebenen Maßnahmen auf diesen in F i g. 4 gezeigten Verstärker angewandt werden.
In der Abwandlung; nach F i g. 5 sind die Dioden 2 α und 2 b mit ihren von den Kollektoren der Verstärkertransistoren la bzw. Ib abgekehrten Enden an einen Punkt festen Potentials (und zwar die positive Speiseklemme) angeschlossen, während der (laterale) Transistor 3 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ist und seine Kollektoren 6 bzw. 7 wieder mit den Kollektoren der Transistoren la bzw. 1 b verbunden sind. Der Kollektor 8 des Transistors 3, der eine etwa zweimal größere kollektierende Rand-
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-Strecke von einer Diode oder einem als Diode geschalteten Transistor
11 überbrückt ist. Der Strom der Basis und des Kollektors λ des Transistors 3 erzeugt auf diese Weise einen praktisch gleich großen Kollektorstrom im Transistor 10, so daß durch richtige Bemessung der
kol taktierenden Randlänge des Kollektors 8 in bezug auf die der Kollektoren 6 und 7 erreicht werden kann, daß der die Transistoren la und ih durchfließende Gleichstrom gerade etwas größer als der von den Kollektoren 6 und 7 gelieferte Gleichstrom ist, so daß die Dioden la und Ib 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 (1)

1 2 Zone die Emitterzone des Transistors bildet, wo- Patentanspriiche: bei um die Emitterzone herum mindestens zwei Kollektorzonen angeordnet sind, von denen eine
1. Transistorverstärker für elektrische Span- leitend mit der Basiszone des Transistors vernungen, bei dem in den Kollektorkreis eines er- 5 bunden und in dieser Kollektorzone mindestens sten Transistors wenigstens ein in der Durch- eine Diodenzone in Form einer Oberflächenzone laßricbtung vom Kollektorstrom durchflossener vom einen Leitfähigkeitstyp angebracht ist,
gleichrichtender Übergang als Kollektorbelastungswiderstand dieses Transistors aufgenom-
men ist, dadurch gekennzeichnet, daß io
mit Hilfe eines zweiten Transistors vom entge- Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorgengesetzten Leitfähigkeitstyp dem Kollektor des verstärker für elektrische Spannungen, bei dem in ersten Transistors ein Einstellgleichstrom züge- den .Kollektorkreis eines ersten Transistors wenigführt wird, der erheblich größer als der den itens ein in der Durchlaßrichtung vom Kollektorstrom gleichrichtenden Übergang durchfließende Gleich- 15 durchflossener gleichrichtender Übergang als Kolstromist, lektorbelastungswiderstand dieses Transistors aufge-
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