DE2921037C2 - Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung - Google Patents

Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung

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DE2921037C2 DE2921037A DE2921037A DE2921037C2 DE 2921037 C2 DE2921037 C2 DE 2921037C2 DE 2921037 A DE2921037 A DE 2921037A DE 2921037 A DE2921037 A DE 2921037A DE 2921037 C2 DE2921037 C2 DE 2921037C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung, insbesondere eine derartige Schaltung für Hochspannungsbetrieb von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (im folgenden kurz als MOSFETs bezeichnet).
Eine Schaltung dieser Gattung gehört gemäß der deutschen Offenlegungsschrift Nr. 27 40 800 zum Stand der Technik. Bestimmte Gegebenheiten dieser Schaltung sollen im folgenden anhand des vereinfachten Schaltbildes der F i g. 1 erläutert werden. Es ist bekannt, daß bei Verwendung der in F i g. I gezeigten Schaltung, bei der zwei MOSFETs 1 und 2 in Totempfahlweise miteinander verbunden sind und eine Spannung zwischen den beiden Anschlüssen 5 und 6 in einem Widerstandsverhältnis geteilt wird, die scheinbare Durchbruchspannung gegenüber demjenigen bei einem einzelnen MOSFET erhöht werden kann.
Bei einer Serienschaltung der MGSFETs 1 und 2, bei welcher anders als in F i g. I keine Widerstände 3 und 4 angeschlossen sind, steigt bei Anlegen einer Spannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 das Potential in einem Punkt 7 mit dem Einschalten des MOSFET 2 an, und die Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 ist auf die Elementdurchbruchspannung des MOSFET1 beschränkt. Mit dem Abschalten des MOSFET 2 wird eine Spannung zwischen den Anschlüssen 6 und 7 angelegt, und die Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 ist auf die Elementdurchbruchspannung des MOSFET 2 beschränkt.
Aus diesem Grund sind die Widerstände 3 und 4 vorgesehen, um eine Möglichkeit zu schaffen, die Potentiale der Anschlüsse 7 und 8 durch das Widerstandsverhältnis zu bestimmen. Es ist dabei im Ergebnis möglich, die Widerstände so auszuwählen, daß die Durchbruchspannung zwischen den Anschlüssen 5 und 6 gleich der Summe aus den Durchbruchspannungen der MOSFETs 1 und 2 wird. Das heißt, es ist möglich, das Potential des Anschlusses 7 zu steuern. Es wird also eine Schaltung mit hoher Durchbruchspannung durch die Verwendung mehrerer MOSFETs realisiert.
Bei der Schaltung der F i g. 1 fließt jedoch kein Strom, bevor die Spannung zwischen utr. Anschlüssen 7 und 8
mindestens gleich der Schwelienspannung Vr des MOSFETs 2 bei der dieser MOSFET einschaltet, wird, so daß die Anstiegscharakteristik schiecht ist.
Die hohe Durchbruchspannung der Schaltung der F i g. 1 wird nämlich deshalb erreicht, weil das Potential des Anschlusses 8 durch das Verhältnis der Widerstände 3 und 4 bestimmt wird, während das Potential des Anschlusses 7 festliegt. Andererseits wird der Anstieg der Strom-Spannungccharakteristik (genannt der »Durchlaßwiderstand«) der Schaltung qualitativ in schlecht, weil überhaupt kein Strom fließt, bis der MOSFET 2 aufgrund der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen 7 und 8 einschaltet
Hinsichtlich eines einzelnen, in Fig.2 gezeigten MOSFET ist die Strom-Spannungscharakteristik zwi- r> sehen Anschlüssen 5' und 6' bei einer Spannung von —5 V am Gate 9' in Fig.3A wiedergegeben, während Strom-Spannungscharakteristiken, wenn die Gate-Spannung verändert wird, in Fig.3B wiedergegeben sind. Hinsichtlich der Schaltung der F i g. 1 ist die Strom-Spannungscharakteristik zwischen den Anschlüssen 5 und 6 bei einer Gate-Spannung (der Spannung am Anschluß 9) von — 5 V in Fi g.4A gezeigt, während Strom-Spannungscharakteristiken, wenn die Gate-Spannung verändert wird, in F i g. 4B wiedergege- 2=> ben sind. Wie aus den F i g. 3A, 3B, 4A und 4B ersichtlich, ist bei der Schaltung der F i g. 1 die Durchbruchspannuiig angehoben (von 200 V auf 400 V erhöht), aber die Strom-Spannungscharakteristik für den Fall der Veränderung der Gate-Spannung qualitativ verschlech- »> tert Dies zeigt an, daß der Durchlaßwiderstand in der Schaltungsform der F i g. 1 erhöht ist.
In den Fig. 1 und 2 sind die MOSFETs 1, 2 und Γ Anreicherungs-N-Kanal-MOSFETs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den η Durchlaßwiderstand bei einer Schaltung der eingangs bezeichneten Gattung zu verringern.
Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den Kennzeichenteilen der Ansprüche 1 und 2 angegeben. Danach wird der Durchlaßwiderstand der 4" Schaltung dadurch verringert, daß gemäß Anspruch 1 die zweiten bis n-ten Transistoren durch Beaufschlagung mit Vorspannungen im nahezu oder vollständig eingeschalteten Zustand gehalten werden oder daß gemäß Anspruch 2 diese Transistoren Verarmungs-Feld- 4' effekttransistoren sind.
Werden diese beiden Maßnahm·; π gemäß Anspruch 3 gemeinsam angewendet, so läßt sich eine noch wirkungsvollere Absenkung des Durchlaßwiderstandes erzielen. ·°
Ausführungsbeispiei? der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine bekannte MOSFET-Totempfahl-Schaltung, 5>
F i g. 2 einen einzelnen MOSFET,
Fig.3A und 3B Kurven, die Strom-Spannungscharakteristiken des einzelnen MOSFET der Fig.2 wiedergeben,
Fig.4A und 4B Kurven, die Strom-Spannungscha- b0 rakteristiken der Schaltung der Fig. 1 wiedergeben, Fig.5 eine Ausführungsform einer Hochspännüngsschaltung für MOSFETs gemäß der Erfindung.
Fig. 6 Strom-Spannungscharakteristiken der Schaltung der Fig.5. wenn die Gate-Spannung verändert wird,
Fig. 7 bis 11 weitere Ausführungsformen der Hochspannungsschalt'jn.g für MOSFETs gemäß der Erfindung,
F i g. 12 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, weiche eine Totempfahl-Schaltung unter Verwendung dreier MOSFETs ist,
F i g. 13 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, weiche eine Totempfahl-Schaltung unter Verwendung von π MOSFETs ist,
F i g. 14 eine weitere Ausführungsform der Erfindimg, welche eine mit einer Zener-Diode vorgespannte Schaltung ist,
F i g. 15 eine weitere Ausfühningsform der Erfindung, welche eine mit einem Obergang eines bipolaren Transistors vorgespannte Schaltung ist,
F i g. 1G Strom-Spannungscharakteristiken der Schaltung der Fig. 15 für verschiedene Gate-Spannungen, und
Fig. 17 Strom-Spannungscharakteristiken für verschiedene Gate-Spannungen bei einer Schaltung mit hoher Durchbruchspannung gemäß der Erfindung, weiche mit vier vorwärts-verschalteten Dioden vorgespannt ist, die als Impedanzelement mit Schwellenwert dienen.
Ausführungsform 1
Eine Schaltung gemäß einer ersten AusführLTigsform der Erfindung ist in F i g. 5 gezeigt Gemäß der Figur sind ein MOSFET 1 und ein weiterer MOSFET 2 in Totempfahlweise verschaltet, wobei eine Spannung zwischen dem Source-Anschluß 5 des MOSFET1 und dem Drain-Anschluß 6 des MOSFET 2 durch Widerstände 3 und 4 geteilt wird, deren gemeinsamer Punkt 8 am Gate-Anschluß des MOSFET 2 liegt. Als Durchbruchspannung einer Schaltung mit den Anschlüssen 6 und 5 und einem Gate-Anschluß 9 wird daher die Summe der Durchbruchspannungen des MOSFET1 und des MOSFET 2 beobachtet. Wie weiter oben ausgeführt, wird jedoch auch der Durchlaßwiderstand dieser Schaltung gleich der Summe aus dem Durchlaßwiderstand des MOSFET 1 und demjenigen des MOSFET 2 oder größer, wenn allein die Spannungsteilerwiderstände verwendet werden. Deshalb wird eine Vorspannungsquelle 10, welche das Gate des MOSFET 2 vorwärtsvorspannt, eingefügt AJs diese Vorspannungsquelle kann eine solche verwendet werden, deren Spannung wenigstens gleich der Schwelisnspannung des MOSFET 2 ist, wobei eine mit höherer Spannung besser geeignet ist.
Indem man das Gate des MOSFET 2 in der obigen Weise vorspannt, läßt sich die Einschalt- bzw. Durchlaßwiderstandskomponente des MOSFET 2 vermindern, womit sich der Einschalt- bzw. Durchlaßwiderstand der ganzen Schaltung vermindern läßt. Insbesondere wenn es sich bei beiden der MOSFETs 1 und 1 um Anreicherungs-MOSFETs handelt, ist der Durchlaßwiderstand normalerweise groß, weil kein Strom fließt, bis der MOSFET 2 einschaltet, weshalb die Auswirkungen, die diese Schaltung mit sich bringt, bemerkenswert sind. Die der Einfügung der Vorspannungsquelle zuschreibbare Verminderung der Durchbruchspannung dieser Schaltung ist kaum merklich. Durch Hinzufügung einer Kapazität C werden die Schalteigenschaften des MOSFET 2 wirkungsvoll verbessert.
Die Auswirkungen der Schaltung, aufgedrückt in der Charakteristik, sind die folgenden. Wie weiter oben ausgeführt, zeigen die Fig.4A und 4B die Spannungs-Stromcharakteristr'cen einer bekannten Schaltung. Das Anstiegsverhalten ist schlecht. Demgegenüber zeigt Fig. 6 die Charakteristiken der gerade beschriebenen
Schaltung, und es ist klar ersichtlich. daß das Ansiiegsverhaltcn merkbar verbessert ist. Die Charakteristiken in Fig. b entsprechen dem Fall, daß die Widerstände 3 und 4 150 Ω betragen, die Vorspannung 10 15 V ist und die MOSFETsI und 2 des Typs · »2SKI34« der Hitachi Ltd. sind. Damit ergibt sich quantitativ folgender Durchlaßwiderstand. Wenn Vf;s=10V und //,=4 A. beträgt der Durchlaßwiderstand 4.6 Ω bei der Schaltung der Fig. 1 und 2,2 Ω bei der erfindungsgemäßen Schaltung, so daß also eine '" Verbesserung ungefähr um den Faktor zwei beobachtet wird. In beiden Fällen beträgt die Durchbruchspannung ungefähr 400 V.
Bei der gerade beschriebenen Aiisiühriingsform wird eine Vorspannungsquelle 10 zum Vorspannen des ι ■ MOSFET 2 verwendet, der gleiche Effekt läßt sich jedoch auch auf andere Weise erreichen.
Ausfiihrungsform 2
i_ £j~»~ weiteren Ausführungsforrn wird 'Jc MOS- -'" FET 2 zu einer äquivalent vorgespannten Einrichtung gemacht, d. h., es wird eine Einrichtung verwendet, deren Schwellenspannung niedriger als diejenige des MOSFET 1 ist (beispielsweise kann ein Verarmungs-MOSFET verwendet werden). Es ist ohne weiteres ■ möglich, dies gemeinsam mit dem Vorspannungssystem der Ausfiihrungsform 1 zu verwenden.
Ausführungsform 3
Als dritte Ausfiihrungsform wird die Vorspannungs- J" quelle 10 durch die in F i g. 7 gezeigte Schaltung ersetzt, nach der der in Fig. 5 gezeigte Anschluß 8 mit einer externen Spannungsquelle vorgespannt werden kann.
Bei der Schaltung der Fig. 7 ist die Vorspannung durch die Spannungsteilung gegeben, wobei 11 einen ^ Vorspannungsanschluß und 12 und 13 Vorspannungswiderstände bezeichnen. Beispielsweise kann unter den gleichen Bedingungen wie bei der Ausfiihrungsform 1 eine Spannung von 100 V an den Anschluß 11 gelegt werden, und können Widerstände von 90 kΩ und IO kΩ 4" als die Widerstände 12 und 13 verwendet werden.
Andere Vorspannungssysteme als in der Schaltung der Fig. 7 sind in den Fig. 8,9. 10 und. 11 dargestellt.
In Fig. 8 ist die Lage der Vorspannungsquelle 10 abgeändert. i'
In Fig. 9 sind die Vorspannungsquelle 10 und eine Diode 14 mit dem Anschluß 8 verbunden.
Nach dem Vorspannungssystem der Fig. 10 ist eine Spannungsteilungsvorspannung durch Widerstände 15 und 16 im System der F i g. 9 gegeben. '"
In Fig. 11 wird eine Vorspannung vom Gate-Anschluß 9 her aufgegeben.
Ausführungsform '·
Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. "" bei welcher drei MOSFETs in Totempfahlweise verschaltet sind. Gemäß der Figur sind MOSFETs Q 1. QI und Q 3 in Reihe miteinander verbunden, wobei die Gates G 2 und G 3 der MOSFETs Q 2 und Q 3 über einen Vorspannungsanschluß VB durch die auf die tn Widerstände R 1. RZ R 3, R 4 und R 5 zurückgehende Widerstandsspannungsteilung vorgespannt werden, d bezeichnet eine Diode, G bezeichnet einen Gate-Anschluß des MOSFET Qi, der als Gate-Anschluß der Schaltung fungiert, und D und S bezeichnen einen nl Drain- bzw. einen Source-Anschluß der Schaltung.
Fig. 13 zeigt nun eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher η MOSFETs in Totempfahlweise verschallet sind. In tier Figur bezeichnen Q I bis Qn MOSFITs. «I bis R "in Widerstände, ι/1 bis d(n-\) Dioden. Ci. D und S einen Gate-, Drain- b/w. Source-Anschluß der Schaltung und Vn einen Vorspannungsanschluß.
Ausfiihrungsform 5
Fig. 14 zeigt eine fünfte Ausfiihrungsform der Erfindung.
Mit einem MOSFETI, welcher eine Drain-Durchbruchspannting von 220 V hat, ist ein weiterer MOSFET 2. der die gleiche Größenordnung von Durchbruchspannung hat. in Totempfahlweise verbunden. Eine zwischen dem Source-Anschluß 5 des MOSFETl und dem Drain-Anschluß des MOSFET 2 angelegte Spannung wird durch Widerstände 3 und 4 und 150 kΩ geteilt, deren gemeinsamer Punkt am Gate-Anschluß 8 des MOSFET 2 liegt. Als Folge davon wird die Durchbruchspannung einer Schaltung mit den Anschlüssen 5 und 6 und einem Gate-Anschluß 9 des MOSFET 1 gleich der Summe aus der Durchbruchspannung des MOSFET 1 und derjenigen des MOSFET 2 bzw. also 440 V. Gleichzeitig wird der Durchlaßwiderstand der Schaltung größer als die Summe aus dem Durchlaßwiderstand des MOSFET 1 und demjenigen des MOSFET 2. weil der MOSFET 2 eine positive Schweüenspannung hat. Aus diesem Grunde wird eine Zener-Diode 17 mit einer Durchbruchspannung von IO V eingefügt. Wenn also die an den Anschluß 6 gelegte Spannung niedrig ist, blockiert die Zener-Diode den Strom und hebt daher das Potential des Anschlusses 8 an. wodurch ein Ansteigen des Durchlaßwiderstandes verhindert wird. Wenn die angelegte Spannung hoch ist. schaltet die Zener-Diode durch, gestattet einen Stromfluß und hält das Potential des Anschlusses im wesentlichen auf einem mittleren Grad, womit sie dazu dient, die Spannung der Schaltung zu ungefähr 440 V zu machen.
Die gerade beschriebene Ausführungsiorm besteht darin, daß ein Impedanzelement mit einem Schwellenwert, wie etwa eine Zener-Diode, in die bekannte Totempfahlschaltung eingebaut wird. Es liegt auf der Hand, daß gemäß der Ausführungsform der F i g. 14 die Anstiegscharakteristik der Schaltung verbessert ist. Gibt man die Verbesserung, ausgedrückt durch den Durchlaßwiderstand, quantitativ an. so beträgt der Durchlaßwiderstand 4.6 Ω beim Stand der Technik, während er 2,8 Ω bei der Erfindung wird, was gleichbedeutend damit ist. daß er um ungefähr 70% vermindert werdenTcann.
Bei der gerade beschriebenen Ausführungsform wird eine Zener-Diode als Impedanzelement mit Schwr'lenwert verwendet, es ist jedoch auch möglich, einen Übergang eines herkömmlichen bipolaren Transistors als Impedanzelement 17 mit Schwellenwert zu verwenden, wie dies bei 18 in F i g. 15 dargestellt ist, und ebenso können mehrere Dioden verwendet werden. Was die Anschlußweise bei der Verwendung des Transistorübergangs oder der Dioden anbelangt, so kann entweder die Vorwärtsrichtung oder die Rückwärtsrichtung angewandt werden, der Anschluß in Rückwärtsrichtung ist jedoch wirkungsvoller. F i g. 16 zeigt Strom-Spannungscharakteristiken, wenn die Gate-Spannung in der den Transistorübergang ausnützenden Schaltung der Fig. 15 verändert wird, während Fig. 17 Strom-Spannungscharakteristiken zeigt, wenn die Gate-Spannung in einer Schaltung, weiche vier in Vorwärtsrichtung verschaltete Dioden enthält, verändert wird.
Km Merkmal tier gerade beschriebenen Schaltung liegt darin, daß die Maßnahme sehr einfach durchgeführt werden kann, ohne durch irgendein anderes Sehaltkreiselement Kinschrankungeii unterworfen zu sein.
Die vorstehenden Ausführungsformen waren in erster Linie auf N-Kanal-Anreicherungs-MOSKKTs
bezogen. Die Erfindung ist jedoch auch auf I'-Kanal-MOSKKTs anwendbar, indem man die Polaritäten der Spannungsversorgung usw. umkehrt. Es versteht sich von selbst, daß sich die gewünschten Auswirkungen der erfindungsgemäUen Maßnahme ergeben, wenn sie bei Verarmiings-MOSl·'KTs angewandt wird.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung, bei der n Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (1, 2; ^ Qi, QZ Q3...Qn) durch Verbindung der Drain-Elektrode jedes Transistors mit der Source-EIektrode des jeweils nächsten Transistors in Reihe geschaliet sind, wobei die Source- und die Gate-Elektrode des ersten Transistors (I; Q1) als Source-Anschluß (5; 5; bzw. Gate-Anschluß (9; G) und die Drain-Elektrode des n-ten Transistors als Drain-Anschluß (6; D) der Schaltung dienen und die Gate-Elektroden des zweiten bis n-ten Transistors (2; Q Z Q 3... Qn) mit Abgriffen eines zwischen den ι -, Source- und den Drain-Anschluß (5, 6; 5. D) eingeschalteten Widerstands-Spannungsteilers (3,4; Al, R2, R3...Rn) verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Vorspanneinrichtung (10; 11; 9; V8; 6, 17, 18) zur Beaufschlagung der >o Gate-EIektr**ien des zweiten bis n-ten Transistors {2; Q 2, Q 3... Qr.) mit einer Vorspannung, die d iese Transistoren (2; Q2, Q3... Qn) im nahezu oder vollständig eingeschalteten Zustand hält
2. Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung, >j bei der η Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (1, 2; Ql. QZ Q3...Qn) durch Verbindung der Drain-Elektrode jedes Transistors mit der Source-Elektrode des jeweils nächsten Transistors in Reihe geschaltet sind, wobei die Source- und die Gate- jo Elektrode des ersten Transistors (1; Q\) als Source-Ansch'.-.tS (5; 5; bzw. Gate-Anschluß (9; G) und die Drain-Elektrode des n-ten Transistors als Drain-Anschluß (6; D) tier Schaltung dienen und die Gate-Elektroden des zweit-in bis /Men Transistors j; (2; Q2, Q3... Qn)mit Abgriffen -.ines zwischen den Source- und den Drain-Anschluß (5, 6; S, D) eingeschalteten Widerstands-Spannungsteilers (3,4; Rl, RZ R 3... Rn) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite bis n-te Transistor (2; Q2, Q3... Qn) Verarmungs-Feldeffekttrasistoren sind.
3. Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnei durch eine Vorspanneinrichtung (10; 11; 9; V8: 6, 17, 18) zur Beaufschlagung der Gate-Elektroden des zweiten bis n-ten Transistors (2;Q\,Q3... Qn)mit einer Vorspannung, die diese Transistoren (2; Q 2, Q3 ... Qn)\m nahezu oder vollständig eingeschalteten Zustand hält.
4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch ,o gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung eine jeweils zwischen den Abgriff des Spannungsteilers (3, 4) und die damit verbundene Gate-Elektrode eingeschaltete Vorspannungsquelle (10) umfaßt.
5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 3. dadurch 5i gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung (10; 11; Vg) über Gleichrichter (14; d;dl... d(n- 1) mit den Gate-Elektroden verbunden ist.
6. Schaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung einen t>o weiteren, mit seinem einen Ende an eine Vorspannungsquelle (11; V8) angeschlossenen Widerstands-Spannungsteiler (15, 16; A4, R5: R(n+\)... R2n) umfaßt, dessen Abgriffe mit den Gate-Elektroden des zweiten bis n-ten Transistors (2; Q 2. Q3 ... Qn) n> verbunden sind.
7. Schaltung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß einer der Abgriffe des zweiten Spannungsteilers (R(n+\)...R2n)mit einem Ende des erstgenannten Spannungsteilers (Rl...Rn) verbunden ist
8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffe des weiteren Spannungsteilers (R(n+\)... R2n) über Gleichrichter (14; d: d 1... d(n-1)) mit den. Gate-Elektroden des zweiten bis n-ten Transistors (2; Q2... Qn) verbunden sind.
9. Schaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils benachbarte Widerstände (3,4) des erstgenannten Spannungsteilers ein einen Schwellenwert aufweisendes Impedanzelement (17; 18) eingefügt ist
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement eine Zener-Diode (17) oder ein als Diode geschalteter bipolarer Transistor (18) ist.
DE2921037A 1978-05-24 1979-05-23 Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Schaltung Expired DE2921037C2 (de)

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