DE2746539A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Henkel, Kern, Failer fr I tänzel Patentanwälte

Tokyo ShIbaura Electi'ic Co., Ltd.
Kawnsaki-shl, Japan

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

17. Okt. 1977

Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, welche die Zufuhr eines konstanten Vorspannstroms bzw. einer konstanten Vorspannung auch dann ermöglicht, wenn Änderungen im Stromverstärkungsfaktor eines Transistors beispielsweise in einem Vorspannkreis auftreten.

Zur änderung des Verstärkungsgrads von Signalen z.B. in einem integrierten Schaltkreis wird im allgemeinen ein Transistor eingesetzt. Wenn mehrere Ausgangetröme (-spannungen), die Über Signalstromwege (-spannungswege) geliefert werden, gehandhabt werden sollen, ist es aufgrund von Schwankungen im Stromverstärkungsfaktor der die Signal wege bildenden Transistoren oder aufgrund eines olgnalverlusts infolge von Temperaturänderungen schwierig, einen stabilen Betrieb des integrierten Schaltkreises zu gewährleisten. Insbesondere dann, wenn die/jeweiligen Signalwege oder -bahnen durch unterschiedliche Zahlen von Transistoren gebildet werden, muß eine Korrektureinrichtung vorgesehen sein, um den Strom bzw. die Ströme in einem vorbestimmten Verhältnis über die Signalwege zu leiten. Fig. 1

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veranschaulicht eine bisher übliche Schaltung, die keine Gegenmaßnahmen für Abweichungen in den Eigenschaften der verwendeten Transistoren aufweist. Bei dieser bisherigen Schaltung ist die Basis eines Transistors Q₁ mit einer Vorspann-Stromquelle V₁ verbunden. Der Emitter des Transistors Q₁ ist über einen Widerstand R_E1 an Masse gelegt, wahrend sein Kollektor mit dem Emitter eines Transistors Q, verbunden ist, dessen Basis mit einer Signal- oder Stromquelle +B₁ verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q, ist mit einer Last 1 zur Messung des Stroms (der Spannung) verbunden. Die Basis eines Transistors Q₂ ist an eine Vorspann-Stromquelle Vp angeschlossen, während der Emitter des Transistors Q₂ über einen Widerstand IU₂ an Masse liegt und sein Kollektor mit einer Last 2 zur Messung von Strom (oder Spannung) verbunden ist.

Im folgenden ist die Arbeitsweise dieser bisherigen Schaltung erläutert. Wenn mit B der Stromverstärkungsfaktor der Transistoren bezeichnet wird, lassen eich die der Last 1 und der Last 2 eingespeisten Ströme I₁, I₂ durch folgende Gleichungen ausdrücken:

ß .2

(mit ν_ΏΤ,₄ = die über Basis und Emitter des Transistors Q₄ aufgeprägte Spannung)

(mit Vggg = Spannung über Basis und Emitter des Transietore Q₂),

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Zur Vereinfachung der Beschreibung wird dieser die Voraussetzung V₁=V₂, VqE₁=VqE₂ ^{und R}E1^=RE2 ^zuß^rundeßelegt. Wenn in diesem Fall der Stromverstärkungsfaktor ß einen ausreichend großen Wert besitzt, so ergibt der Ausdruck ungefähr 1.

Dies bedeutet, daß beide Ströme I₁ und Ip dieselbe Größe besitzen. Wenn die Größe von ß abnimmt, so erhält der Ausdruck -rrjg einen Wert kleiner als 1, so daß der Strom kleiner wird als der Strom Ip. Im allgemeinen ändert sich der Stromverstärkungsfaktor ß eines Transistors, insbesondere in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, zwischen einem vergleichsweise kleinen Wert und einem vergleichsweise großen Wert. Da sich hierbei eine Nichtübereinstimmung zwischen dem beim Entwurf der Schaltungsanordnung geschätzten Stromverstärkungsfaktor ß und dem im tatsächlichen Betrieb der Schaltung auftretenden Stromverstärkungsfaktor β ergibt, besitzt eine solche Halbleitervorrichtung im praktischen Gebrauch instabile Eigenschaften.

Die Erfindung wurde nun im Hinblick auf die vorstehend geschilderten Umstände entwickelt, und der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor der eingesetzten Transistoren jederzeit eine stabile Arbeitsweise gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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-V-

Im folgenden sind bevorzugte AusfUhrungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Halbleitervorrichtung gemäß dem Stand der Technik, die keine Gegenmaßnahmen für Schwankungen in den Eigenschaften eines Transistors enthält, und

Fig. 2 und 5 Schaltbilder von Halbleitervorrichtungen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.

Nachstehend ist anhand von Fig. 2 eine AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung beschrieben. Dabei ist die Basis eines Transistors Q₁ mit einer Vorspann-Stromquelle V₁ verbunden, während sein Emitter über einen Emitterwiderstand Rg₁ an Masse liegt. Der Kollektor des Transistors Q₁ ist an den Emitter eines Transistors Q-, angeschlossen, dessen Basis mit einer Signalquelle (oder Stromquelle) +B₁ verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q ist mit einer Last 1 für den Meßstrom (Spannung) verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist eine Zahl von η Transistoren in Kaskadenschaltung zusammengeschaltet, so daß sie als Signaleinlaß oder Vorspann-Stromquelle wirken. Zum Vergleich der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit derjenigen nach dem Stand der Technik sei zunächst ein Transistor betrachtet. Die Basis eines Transistors Q₂ ist über einen Widerstand R_Q mit einer Signalquelle (oder Stromquelle) verbunden. Der Emitter des Transistors Q₂ ist über einen Widerstand Rg₂ an Masse gelegt, während sein Kollektor mit einer Last 2 zur Messung von Strom (Spannung) verbunden ist. Wenn der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors mit ß bezeichnet wird,

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lassen sich die der Last 1 und der Last 2 zugeführten Ströme I' bzw. I¹ durch folgende Gleichungen ausdrücken :

_, _T ^V1"^VBE1

^{1 λ}

(mit V„_E1= über Basis und Emitter des Transistors Q₁ aufge prägte Spannung)

(mit Vggp ■ Spannung über Basis und Emitter des Transistors Q2), Die obige Gleichung (?) läßt sich wie folgt umschreiben:

Unter Berücksichtigung des Umstands, daß der Stromverstärkungsfaktor B eines Transistors im tatsächlichen Betrieb eine Mindestgröße von 20 - 40 besitzt, kann der dritte Ausdruck der obigen Gleichung (5) als einen kleineren Wert als die anderen Ausdrücke besitzend angesehen werden. Infolgedessen ergibt sich die folgende Gleichung:

V₁-V

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Unter der Voraussetzung, daß die durch Last 1 und Last 2 fließenden Ströme I^ bzw. l'₂ die gleiche Größe besitzen müssen, läßt sich die Bedingung für I¹ =I' anhand nachstehender Gleichung (7) bestimmen:

R-

V^VBE1„ 2 . V^VBE2

⁽¹-ITF> -

Wenn zur Vereinfachung der Beschreibung V₁=V₂, βΕ1βΕ2 und RpM-Rrp ^anS^{enommen wer(}^^en* läßt sich die obige Gleichung (7) umschreiben zu:

R_n (8)

E2

Weiterhin sei angenommen, daß die folgende Formel

^R0
ß+1 >> ~ (9)

an die rechte Seite der obigen Gleichung (8) gesetzt werden kann; hieraus ergibt sich dann die folgende Gleichung:

2 E2
I+F * TW ⁽¹⁰⁾

Hierdurch wird ermittelt, daß sich die Bedingung zur Bestimmung von I¹4=1'2 ^durcn folgende Gleichung ausdrücken läßt:

R_n

»1 (11)

S2

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-X-⁹

Wenn der Widerstand R_Q, wie bei der vorstehend beschriebenen AusfUhrungsform, mit praktisch demselben Widerstandswert gewählt wird wie der Widerstand Rg₂* ^so können die Ströme I' I¹2 auch dann ungefähr dieselbe Größe besitzen, wenn der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors abfallen sollte. Es ist somit möglich, mittels der Ströme I¹-* I'₂ Signale beliebig zu handhaben.

Nachstehend ist nunmehr der Fall beschrieben, in welchem eine Anzahl von η Transistoren anstelle eines einzigen Transistors Q, in Kaskade geschaltet sind.

Der der Last 1 zugeftlhrte Strom I' besitzt eine Größe, die sich durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

Die durch die ersten beiden Ausdrücke aus obiger Gleichung (12) entwickelten Gleichung dargestellte. Näherungsgleichung läßt sich wie i'olgt darstellen:

Nunmehr sei angenommen, daß Gleichung (15) und Gleichung denselben Wert besitzen, und wenn die Gleichungen V₁=V₂* ^VBE1~^VBE2 ^{und R}E1^=RE2 ^{als anwen(Jlt)lir} betrachtet werden, so ergibt die Berechnung anhand der vorstehenden Näherungsglei-

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chung folgende Gleichung:

R₀ ■ nR_E2 (14)

Wenn daher der Widerstand R_ mit einem Widerstandswert ausgelegt wird, der um das η-fache größer ist als derjenige des Widerstands Rg₂* dann können die Ströme I¹.·» I¹« &ie gleiche Größe besitzen. Ersichtlicherweise kann eine derartige Halbleitervorrichtung somit ebenso stabil arbeiten wie die vorher beschriebene Anordnung, und zwar unabhängig von Änderungen im Stromverstärkungsfaktor der verwendeten Transistoren. Bei der ersten AusfUhrungsform wurde das Verhältnis zwischen den Werten bzw. Größen der Ströme I' , I' mit 1 gewählt, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn beispielsweise dafür gesorgt wird, daß der Emitterwiderstand R_E1 des Transistors Q₁ den vorgeschriebenen Widerstandswert besitzt, besitzen die Ströme I', I' das vorbestimmte Verhältnis zueinander, sofern Gleichung (14) erfüllt ist.

Im folgenden ist anhand von Fig. 3 eine Halbleitervorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher die Basis eines Transistors Q₁ mit einer Vorspann-Stromquelle V verbunden ist.

Der Emitter dieses Transistors Q₁ liegt über einen Widerstand Rg₁ an Masse. Der Kollektor des Transistors Q₁ ist mit einem gemeinsamen Emitteranschluß von Transistoren Q_, Q₁. eines Differentialverstärkers verbunden, deren Basis-Elektroden gemeinsam mit einer Vorspann-Stromquelle (oder Signalquelle) +B₁ verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren Q,, Q₁. sind mit den Emitterschaltungen zweier Gruppen von Transistoren

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Qf--Qg und Q₇-Qg verbunden, die in einem Ring-Differentialverstärker enthalten sind. Die Basis-Elektroden der Transistoren Q₁-, Qg sind an die Vorspann-Stromquelle (oder Signalquelle) angeschlossen. Die Basis-Elektroden der Transistoren Qg, sind dagegen mit einer Vorspann-Stromquelle (oder Signalquelle) +B, verbunden. Die Kollektorschaltungsklemme der Transistoren Q₁-, Q₇ liegt an einer Last 1 zur Messung von Strom (Spannung). Die Kollektorschaltunesklemme der Transistoren Qg, Qq ist an eine Stromquelle V--, angeschaltet. Die Basis des Transistors Q₂ liegt über einen Widerstand R₀ an Masse. Der Emitter des Transistors Q₂ liegt Über einen Widerstand R_E2 an Masse, während sein Kollektor mit einer Last 2 zur Messung von Strom (Spannung) verbunden ist.

Die vorstehend beschriebene Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten AusfUhrungsform der Erfindung arbeitet wie folgt: Wenn mit 0 der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors bezeichnet wird, lassen eich die an die Lasten 1 und 2 angelegten Ströme I" , I" durch folgende Gleichungen ausdrücken:

^(1+ß)

IC
⁰

Wenn zur Vereinfachung der Beschreibung die Gleichungen

^RE1~2^RE2 "¹^* ^VBE1^eVBE2 ^{als zutreffend} vorausgesetzt werden und dieselbe Näherungeberechnung wie im vorherigen Fall durchgeführt wird, empfiehlt es sich, den Widerstand R_Q mit einem

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etwa doppelt so großen Widerstandswert wie demjenigen des Widerstands R™ auszulegen. Die Ströme I¹¹*, l"p besitzen dann dieselbe Größe, auch wenn der Stromverstärkungsfaktor ß eines Transistors abfällt, so daß die Halbleitervorrichtung genauso stabil arbeiten kann wie dann, wenn der Stromverstärkungsfaktor ß den vollen großen Wert besitzt.

Die schwankende Arbeitsweise einer Halbleitervorrichtung aufgrund von Änderungen im Stromverstärkungsfaktor ß eines Transistors führt zu Schwierigkeiten bei der Integration einer Anzahl von Transistoren. Mit der Erfindung wird dagegen eine Halbleitervorrichtung geschaffen, die sich gut für die Integration eignet und mit welcher die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten dadurch ausgeräumt werden können, daß das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der bestimmten Widerstände, das durch eine Anzahl von in Kaskade geschalteten Transistoren bestimmt wird, auf eine vorbestimmte Größe festgelegt wird.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch eLnen ersten und einen aweiten Stromweg, von denen jeder mindestens einen Transistor enthält und in denen der Strom jeweils in einem vorbestimmten Verhältnis über den Transistor geleitet wird, durch eine Anzahl von η Transistoren , die an den einen der beiden Stromwege angeschlossen und mit Jeweils dem einen Transistor in Kaskade geschaltet sind, und durch an Emitter und Basis des anderen Transistors angeschlossene und mit dem anderen der beiden Stromwege verbundene Emitter- und Basis-Impedanzen, wobei das Verhältnis zwischen Emitter- und Basis-Impedanz(en) mit einer Größe von ungefähr η gewählt ist.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Basisimpedanz jeweils durch einen Widerstand gebildet sind.

   Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte von Emitterwiderstand und Basiswiderstand ein Verhältnis zueinander besitzen, das sich etwa durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

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   -2-

   .Γ/46539

   Widerstandswert des Emitterwiderstands

   Widerstandswert des Baslswlderstands ~ η

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß eine Einitterimpedanz an den EmLtter eines Transistors angeschlossen ist, der mit einem der beiden Stromwege verbunden ist, und daß die Emitterimpedanz so gewählt 1st, daß sie das vorbestimmte Verhältnis :air Emitterimpedanz eines anderen, mit dem anderen Stromwep; verbundenen Transistors besitzt, so daß die hauptsächlich Über die beiden Stromwege fließenden Ströme im vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennue Ich net, daß die beiden Stromwege Jeweils mit einer Last versehen sind.

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