DE2452107A1

DE2452107A1 - Temperaturkompensierte z-diodenanordnung

Info

Publication number: DE2452107A1
Application number: DE19742452107
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Hoehn
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1974-11-02
Filing date: 1974-11-02
Publication date: 1976-05-06
Also published as: JPS5167949A; US3997802A; DE2452107C3; DE2452107B2; FR2289957B1; GB1478247A; IT1049001B; FR2289957A1

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Problem, das bei der Verwendung der aus der DT-OS und der dazugehörigen DT-AS 1 5 89 bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung auftritt. Diese ist in Form einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut, die aus mehreren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper
angeordneten und durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Transistorstrukturen besteht. Dabei sind die Basis-Emitter-pn-übergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstrorns derart in Reihe geschaltet, d=iß ein Teil davon in Sperrichtung bis ins
Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind.

Diese temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen weisen einen Temperaturkoeffizienten auf, der ihre Verwendung in kapazitätsdiodenabgestimmten Rundfunk- und Fernsehempfänger ermöglicht, wo sie die zur Abstimmung der Kapazitätsdioden erforderliche
temperaturstabile und konstante Vorspannung erzeugen. Hierbei werden die bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen wie eine übliche Z--Diode betrieben, d.h. es wird mittels eines Vorwiderstandes, der einseitig an einer nichtstabilisierten

Gleichspannungsquelle liegt, eine übliche Parallelstabilisie-

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rungsschaltung gebildet.

Aufgrund der Weiterentwicklung der Tuner zu vollelektronischen Tunern mit Beruhrungskontaktenbetatigung und Fernbedienungsmöglichkeit ist der Strombedarf der mit einer bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung stabilisierten Abstimmspannungsquelle so groß, daß durch die Z-Diodenanordnung ein so hoher Gesamtstrorn fließt, daß sie nahe bei der max. zulässigen Verlustleistung betrieben wird, d.h. die Temperatur des Halbleiterkörpers kann bis zu 1OO°C höher als die Umgebungstemperatur liegen. Die Gehäusetemperatur der temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung liegt dabei nur wenig niedriger als die Temperatur des Halbleiterkörpers.

Dieses hohe Temperaturgefälle zwischen Halbleiterkörper und Umgebung führt dazu, daß seine Temperatur trotz konstanter Umgebungstemperatur stark schwanken kann. Der Grund hierfür ist, daß im Fernsehgerät durch weitere Verlustleistung umsetzende Bauelemente Luftkonvektion entsteht, die eine verstärkte Abfuhr der von der temperaturkonpensierten Z-Diodenanordnung erzeugten Wärme bewirkt. Da diese Luftkonvektion aber nicht laminarer, sondern turbulenter Art ist, bedeutet dies eine zeitlich ständig schwankende Temperatur des Halbleiterkörpers.

Eine weitere Temperaturänderung des Halbleiterkörpers ergibt sich durch Schwankungen der unstabilisierteri Spannung, z.B. aufgrund von Schwankungen der Netzspannung. Diese kann im betrachteten Fall der starken Stromentnahme aus der Parallelstabilisierungsschaltung, was den erwähnten hohen Querstrora in der Z-Diodenanordnung bedingt, dazu führen, daß dieser Querstrom sich um einen Faktor 2 bis 3 bei Netzschwankungen zwischen + 15 % und - 20 % ändert, was wiederum zu einer starken Temperaturänderung des Halbleiterkörpers, beispie]sweise
kann.

weise zu einer Temperaturänderung von 30 bis 100 C führen

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Da andererseits die bekannten temperatuikompensierten Z-Diodenanordnungen selbstverständlich einen zwar minimalen jedoch noch vorhandenen Temperaturkoeffizienten aufweisen, führen solche starken Halbleiterkörpertemperaturänderungen zu untragbaren Spannungsänderungen der stabilisierten Spannung.

Da sich eine Verbesserung des Temperaturkoeffizienten bei den bekannten temperaturkompensierten k.-Diodenanordnungen mittels halbleitertechnologischer Maßnahmen unter Berücksichtigung des vertretbaren Aufwandes verbietet, ist es Aufgabe der Erfindung, für eine temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung eine Anordnung anzugeben, die die aufgezeigt·=¹ Problematik dahingehend beseitigt, daß die Schwankungen der stabilisierten Spannung so gering bleiben, daß sie nicht zu einer merkbaren Frequenzverschiebung der mittels Kapazitätsdioden abgestimmten Rundfunk- oder Fernsehgeräte führen. Die bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen sollen also so verbessert werden, daß sie bei vertretbarem halbleitertechnologischem Aufwand (Kristallgröße, Verwendbarkeit des Standard^Planarverfahrens, gleiches Gehäuse, gleiche max. Verlustleistung) in Spannungsstabilisierungsschaltungen eingesetzt werden können, denen der für vollelektronische Tuner erforderliche Strom ohne Beeinträchtigung der Spannungsund Temperaturstabilisierungseigenschaften entnommen werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Durch die Erfindung ergibt sich somit der Vorteil, daß in der integrierten Halbleiterschaltung wesentlich weniger Verlustwärme entsteht als bei den bekannten Anordnungen und somit die Temperatur des Halbleiterkörpers nur wenig oberhalb der- Umgebungstemperatur liegt, ohne daß die temperaturkompensierenden Eigenschaften der Gesamtschaltung beeinträchtigt werden.

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Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Fig.1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer temperaturkompensier l:en Z-Diodenanordnung nach der Erfindung und

Fig.2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild einer weiteren temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung nach der Erfindung.

In Fig.1 ist innerhalb des gestrichelten Rechtecks die elektrische Ersatzschaltung des integrierten Teils der Z-Diodenanordnung nach der Erfindung gezeigt, wobei das gestrichelte Rechteck das Gehäuse der integrierten Halbleiterschaltung andeuten soll. Als Gehäuse dient insbesondere ein von Transistoren her bekanntes Plastikgehäuse, z.B. das sogenannte TO-92-Gehäuse. Die Halbleiterschaltung wird nach dem für die monolithische Integrierung von Bipolarschaltungen üblichen Planarverfahren in einem Halbleiterkörper hergestellt, an dessen einer Oberfläche die für die Halbleiterschaltung benötigten gegeneinander durch pn-Übergänge isolierten Bezirke, die sogenannten Isolierwannen,, angeordnet sind. Der Halbleiterkörper selbst, der im allgemeinen auch als Substrat bezeichnet wird, ist mit einem eigenen elektrischen Kontakt versehen, der in Fig.1 mit S bezeichnet ist, im Ersatzschaltbild jedoch aufgrund der latsache, daß er mit den Einzelstrukturen der integrierten Schaltung keine funktioneile elektrische Verbindung hat, .-nit keinem der Elemente des Ersatzschaltbildes verbunden.

In Fig.1 sind zwei als Z-Dioden wirkende Transistorstrukturen TZ1, TZ2 und drei als Flußdioden wirkende Transistorstrukturen TF1, TF2, TF3 gezeigt, die sämtlich jnit ihren Basis-Emitter-pn-Übergängen in Serie geschaltet sind und zwischen dem ersten äußeren Anschluß -I und dem zweiten äußeren Anschluß II elektrisch angeordnet sind.

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Ferner liegt zwischen der Basis der Transistorstruktur TF1 sowie zwischen der Basis der Trcmsistorstruktur TF2 und dem äußerer Anschluß II jeweils ein Widerstand R1 bzw. R2.

An dieser Stelle sei hervorgehoben, daß die Anzahl der Flußdioden und Z-Dioden vom gewünschten zu stabilisierenden Spannungswert abhängig ist, wie dies in den eingangs genannten Offenlegungsschriften und auch in der DT-OS 1 539 867 ausführlich erläutert ist.

Die Kollektoven der beiden als Flußdioden v/irkenden Transistorstrukturen TF1, TF2 nach Fig.1 sind zum dritten äußeren Anschluß III geführt, während der Emitter des letzten als Flußdiode wirkenden Transistors TF2 am zweiten äußeren Anschluß II angeschlossen ist. Die beiden als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen TF1, TF2 sind in einer eigenen Isolierwanne des Halbleiterkörpers angeordnet.

Die als Z-Dioden wirkenden Transis'torstrukturen TZ1, TZ2 liegen ebenfalls in einer eigenen Isolierwanne und führen mit ihren Kollektoren zum ersten äußeren Anschluß I₇ an dem auch die Basis und der Kollektor der weiteren als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur TF3 angeschlossen sind, die zusammen mit den Transistorstrukturen TZI, TZ2 in deren Isolierwanne angeordnet ist.

Zwischen dem ersten und dem dritten äußeren Anschlu.3 ist außerhalb des Gehäuses der integrierten Halbleiterschaltung ein lineares oder nichtlineares zweipoliges Bauelement BE angeordnet. Über dieses Bauelement fließt Bei Betrieb ein Großteil des durch die temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung fließenden Querstroms, so daß in Verbindung mit dem an diesem Bauelement entstehenden Spannungsabfall ein Großteil der in der Gesamtanordnung entstehenden Verlustwärme außerhalb des Gehäuses der integrierten Halbleiterschaltung entsteht. Dadurch erwärmt sich der Halbleiter-

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körper in weit geringerem Maße als bei den bekannten temporaturko.mpensierten Z-Diodenanorcinungen, und Schwankungen 3er ungeregelten Spannung U„, die über den Vorwiderstand R an der Anordnung liegt, haben einen wesentlich verringerten Einfluß auf die Konstanz der stabilisierten Spannung U_c.

In Fig.2 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer anderen temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung nach der Erfindung gezeigt, bei der die in der Isolierwanne der als Z-Dioden wirkenden Transistorstrukturen angeordnete Flußdioden-Transistorstruktur TF3 nach Fig.1 nicht vorhanden ist. Somit liegt der Emitter der Transistorstruktur TZ1 am ersten äußeren Anschluß Als nichtlineares zweipoliges Bauelement ist die Z-Diode Z vorgesehen, die zwischen dem ersten und dritten äußeren Anschluß angeordnet ist. Ihre Z-Spannung ist unter Berücksichtigung der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung der beiden als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen TF1, TF2 und der stabilisierten Spannung U„ zu wählen.

Durch den gegenüber den bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen andersartigen Aufbau der integrierten Halbleiterschaltung und die dadurch bedingte andersartige Ausbildung des Halbleiterkörpers kann bei Betrieb der Anordnung nach der Erfindung eine unerwünschte Schwingneigung der Schaltung auftreten, d.h., die Gesamtschaltung wirkt in unerwünschter Weise als Generator einer mehr oder weniger hochfrequenten Schwingung. Zur Vermeidung dieses allfälligen Effektes wird in Weiterbildung der Erfindung eine Maßnahme ergriffen, die sich an sich bei integrierten Halbleiterschaltungen verbietet, es wird nämlich der Halbleiterkörper über seinen Substratanschluß S mit dem dritten äußeren Anschluß III verbunden. Bei üblichen integrierten Halbleiterschaltungen besteht nämlich in der Fachwelt die grundlegende Auffassung, daß der Substratanschluß immer mit dem negativsten Punkt der Gesamtschaltung zu verbinden ist. Hiervon weicht die Weiterbildung der Erfindung bewußt ab und verbindet den Substratanschluß mit einem Schaltungspunkt, dessen Potential im Betrieb sogar

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starken Spannungsschwankungen unterworfen sein kann, nämlich dann, wenn als zweipoliges Bauelement BE ein Bauelement ohne ausgeprägte Begrenzungscharakteristik/ wie z.B. ein ohmscher Widerstand oder ein VDR-Widerstand verwendet wird. Es ist für den Erfinder völlig überraschend gewesen/ daß diese Maßnahme zu der erwünschten Schwingungsunterdrückung führt, ohne den beabsichtigten Betrieb der Gesamtschaltung als temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung zu stören.

Als zweipoliges Bauelement kann, wie bereits erwähnt, eine Z-Diode, ein ohmscher Widerstand oder ein VDR-Widerstand verwendät werden. Darüberhinaus können jedoch auch Glimmlampen oder Leuchtdioden als zweipoliges Bauelement eingesetzt werden.

Die in der eingangs genannten DT-OS 1 589 707 zur Ausbildung einer temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung erwähnten weiteren Maßnahmen können bei der Erfindung ebenfalls, wie im übrigen auch die Maßnahmen der zu dieser Offenlegungsschrift als Zusätze gehörenden Offenlegungsschriften 1 639 173 und 1 764 251, angewendet v/erden. Dies betrifft insbesondere die in den letztgenannten Offenlegungsschriften angegebene Anordnung zum Feinabgleich des Temperaturkoeffizienten, die aus einer in die Serienschaltung der als Flußdioden bzw. Z-Dioden wirkenden Transistorstrukturen eingefügten weiteren Transistorstruktur besteht, deren Basis-Emitter-Strecke und deren Basis-Kollektor-Strecke jeweils mit einem Widerstand beschaltet sind.

4 Patentansprüche

1 Blatt Zeichnung mit 2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer integrierten Halbleiterschaltung, die aus mehreren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten und durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Transistorstrukturen besteht, bei der die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet sind, daß e.'.n Teil davon in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, und bei der der Emitter der ersten als Z-Diode wirkenden Transistorstruktur oder die Basis einer als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur zusammen mit dem Kollektor dieser Transistorstruktur mit einem ersten äußeren Anschluß und der Emitter der letzten als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur mit einem zweiten äußeren Anschluß ver-• bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die als Z-Dioden wirkenden Transistorstrukturen (TZ1, TZ2) mindestens teilweise in einer ersten Isolierwanne des Halbleiterkörpers, daß die als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen (TF1, TF2) mindestens teilweise in einer zweiten Isolierwanne des Halbleiterkörpers und daß die nicht in der zweiten Isolierwanne angeordneten, als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen (TF3) entweder in der ersten Isolierwanne oder (x) in der zweiten Isolierwanne angeordneten Transistorstrukturen mit einem dritten äußeren Anschluß (III) verbunden sind und daß ein lineares oder nichtlineares, außerhalb des Gehäuses der integrierten Halbleiterschaltung angeordnetes zweipoliges Bauelement mit dem ersten (I) und dem dritten äußeren Anschluß (III) verbunden ist.

(x) in weiteren Isolierwannen angeordnet sind, daß die

Kollektoren öer - 9 -

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.3 sämtliche als Z-Dioden wirkende Transistorstrukturen (TZ1, TZ2) in der ersten Isolierwanne des Halbleiterkörpers und sämtliche als Fluß-Dioden wirkende Transistorstrukturen (TF1, TF2) in der zweiten Isolierwanne des Halbleiterkörpers angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (S) des Halbleiterkörpers mit dem dritten äußeren Anschluß (III) verbunden ist.
4. Anordnung r.ach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zweipoliges Bauelement ein ohmscher Widerstand, ein VDR-Widerstand, eine Z-Diode, eine Glimmlampe oder eine Leuchtdiode dient.

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