DE3220736C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Halbleiterschaltungen dieser Art sind aus der GB-PS 7 69 584 bekannt.

Seit der Verfügbarkeit von Halbleiterbauelementen ist man in der Lage, komplizierte elektronische Funktionen bei äußerst niedrigen Kosten durchzuführen. Einer der wesentlichen Faktoren der Kostensenkung ist die Möglichkeit, derartige Bauelemente vor dem endgültigen Zusammenbau zu testen und/oder abzugleichen. Mit dem Abgleich erhält man Leistungsverbesserungen; das Testen vor dem endgültigen Zusammenbau eliminiert schadhafte oder nicht leistungsgerechte Elemente, bevor zusätzliche Kosten anfallen.

Ein Hauptgrund für die Verwendung von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET′s) ist der sehr niedrige Eingangsstrom, der sich aus dem Sperrstrom der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht an der Gate-Elektrode ergibt, die ihrerseits den Ausgangsstrom des Transistors steuert - im Gegensatz zu einem bipolarem Transistor, dessen Basis in Flußrichtung vorgespannt ist und einen Ruhestrom führt, der bei niedrigem Stromverstärkungsfaktor erhebliche Werte annehmen kann. Dieses häufig auftretende Herstellungsproblem verlangt einen Kompromiß zwischen Kostenaufwand und Resultat. Demgegenüber läßt der Sperrstrom in der in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht eines JFET sich äußerst geringhalten. Ein Eingangsstrom von einem Picoampere bei Raumtemperatur wird routinemäßig erreicht; noch niedrigere Werte sind ebenfalls möglich.

Bei jedem Halbleiterelement mit in Sperrichtung vorgespannter Sperrschicht tritt jedoch das Problem auf, daß der Sperrstrom sich für jeweils etwa 10°C Temperaturzunahme verdoppelt; der bei 0° fließende Sperrstrom eines solchen Halbleiterelements ist daher bei 125°C auf etwa das 5700-fache angestiegen.

Während dieser extreme Anstieg des Sperrstroms für in Sperrichtung vorgespannte Sperrschichthalbleiterelemente an sich bei Differenzverstärkern im allgemeinen weniger stark ins Gewicht fällt, wird durch den Temperaturanstieg die Ungleichheit der Sperrströme der Eingangstransistoren vergrößert, d. h. eine 10%ige Differenz zwischen Eingangstransistoren mit einem Nenn-Sperrstrom von einem Picoampere bei 0° wird bis 125°C zu einer Sperrstromdifferenz von fast einem Nanoampere.

In der Vergangenheit hat man wie bei den bekannten Schaltungen gemäß DE-OS 2 14 717 üblicherweise den Temperaturgang der Sperrstromdifferenz zwischen den Eingangstransistoren vorweg kompensiert, indem man ein einfach zweites Halbleiterelement mit in Sperrichtung vorgespannter Sperrschicht vorsah, um den Sperrstrom des bzw. der Eingangstransistoren zu kompensieren. Dieser Ansatz unterliegt jedoch den gleichen Schwierigkeiten, die oben beschrieben sind, d. h., es ist schwierig, zwei in Sperrichtung vorgespannten Sperrschichten mit genau dem gleichen Temperaturgang herzustellen.

Es besteht daher Bedarf für verbesserte Halbleiterschaltungen der genannten Gattung bei denen nur genauer Sperrstrommessung Halbleiterelemente mit ähnlichen Temperaturgang ausreichen.

Weiterhin sind einige Nachkompensationsverfahren bekannt, bei denen man aktive oder zugeordnete passive Transistoren (bspw. Lastelemente) aufgrund gemessener Sperrstromwerte nach der Herstellung, aber vor dem endgültigen Zusammenbau abgleicht. Mit am Chip angesetzten Sonden ist man jedoch nicht in der Lage, Sperrströme oder Sperrstromdifferenzen in der Größenordnung von 100 pA oder weniger genau genug zu messen und genau genug abzugleichen; dieses Problem bei der Sperrstrommessung wird durch elektrische Rausch- bzw. Störanteile und durch den Umlichteinfluß verschärft. Es besteht daher auch Bedarf an verbesserten Sperrstrom-Kompensationsverfahren für kleine Ströme in Halbleiteranordnungen mit in Sperrichtung vorgespannter Sperrschicht wie bspw. Sperrschicht-Sperrströmen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung und ein Verfahren zum Verringern der Größe, Variationsbreite und der Differenzen unerwünschter Gate-Sperrströme in Schaltungen mit in Sperrichtung vorgespannten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren anzugeben.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Schaltung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gelöst. Ein Verfahren, bei dem bei erhöhter Temperatur abgeglichen wird, ist aus der US-PS 42 84 872 bekannt.

Die Unteransprüche 2 und 3 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Schaltung gemäß Anspruch 1.

Die Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 3 ist ein Differenzverstärker mit niedrigem Eingangsruhestrom über einen breiten Temperaturbereich, bei dem die Sperrströme der Halbleiteranordnungen sowie der Halbleitervorrichtungen im wesentlichen einander angeglichen werden, um den effektiven Eingangsruhestrom über einen Bereich von Temperaturen zu verringern. Dieser Differenzverstärker weist zwei integrierte spannungsempfindliche abgleichbare Stromquellen zur Kompensation der temperaturabhängigen Sperrströme in den miteinander verbundenen Halbleiterelementen auf. Die Ströme der Stromquellen und der Halbleiteranordnungen werden dabei ebenfalls bei einer Temperatur gemessen, bei der die Kompensierströme hoch sind, und die Spannungssteuereinrichtung wird durch Abgleich auf beste Kompensation eingestellt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung nach der vorliegenden Erfindung zum Kompensieren eines Sperrschicht-Sperrstroms durch Abgleich;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Schaltung nach der vorliegenden Erfindung zum Kompensieren der Sperrschicht-Sperrströme in zwei Halbleiterelementen für eine Differenz-Eingangsschaltung, und

Fig. 3 als Diagramm den Eingangsruhestrom (ordinate) als Funktion der Temperatur (Abszisse) für die Schaltung der Fig. 1 vor und nach dem Abgleich.

Die Fig. 1 zeigt nun schematisiert eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung der Fig. 1 enthält einen Sperrschicht- Feldeffekttransistor (JFET) 1 beliebiger Polarität. Eine temperatur- und spannungsempfindliche Kompensiereinrichtung 2 (bspw. ebenfalls ein Transistor) ist mit dem JEFT 1 verbunden, wie dargestellt. Abgleichbare Spannungssteuereinrichtungen 4, 6 sind angeschlossen, wie dargestellt, um die Spannungen über der Kompensiereinrichtung 2 und dem Transistor 1 einzustellen.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 hat der Transistor 1 einen Gate-Strom, der sowohl von der Temperatur als auch von der Sperrspannung zwischen Drain und Gate abhängt. Die Stromkompensiereinrichtung 2 ist erwünschterweise ein mit dem Transistor 1 ähnlicher bzw. identischer Transistor, um den besten Temperaturgleichlauf des Kompensations- und des Gate-Stroms zu erreichen. In diesem Fall handelt es sich bei der Kompensiereinrichtung 2 ebenfalls um einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor, dessen Drain- und Sourceanschlüsse miteinander und mit dem Gate des Transistors 1 verbunden sind. Da die Sperrströme sowohl des Transistors 1 als auch der Einrichtung 2 mit der Spannung (und mit der Temperatur) zunehmen, können die abgleichbaren Spannungssteuereinrichtungen 4, 6 auf besten Kompensation eingestellt werden. Bei den abgleichbaren Spannungssteuereinrichtungen 4, 6 kann es sich bspw. um abgleichbare Widerstandsnetzwerke handeln.

Das Verfahren des Kompensationsabgleichs sei anhand der Fig. 3 erläutert. Obgleich man die Einrichtung 2 und den Transistor 1 vorzugsweise schon auf möglichst gleichen Sperrstrom selektiert, beträgt der Eingangsruhestrom vor dem Abgleich (vergl. die obere Gerade) bei 25°C fast 10 pA und steigt bis 150°C auf über 10 nA an. Bei Raumtemperatur ist der zum Transistor 1 fließende Eingangsruhestrom so niedrig, daß er sich in der Fertigung (bspw. mit Chipsonden) kaum noch genau genug messen läßt, um den erforderlichen Abgleich zuzulassen. Indem man die Schaltungskombination bspw. auf eine beheizte Einspannvorrichtung setzt und die Temperatur auf bspw- 150°C anhebt, wird der gemessene Eingangsruhestrom weit weniger empfindlich gegenüber Störsignalen und man kann einen präzisen Abgleich - mindestens bis zu einem wiederum vom Rauschen bestimmten Wert - durchführen. Bspw. kann man den Eingangsruhestrom durch Verstellen der Einrichtungen 4, 6 bei 150°C von etwa 25 nA auf etwa 100 pA verringern.

Diese beispielhafte Differenz um den Faktor 250 bleibt über den in Fig. 3 gezeigten Temperaturbereich erhalten, so daß sich der Eingangsruhestrom bei 25°C auf etwa 20 fA verringert. Die praktische Grenze dieser Verringerung wird von der Auflösung und Genauigkeit der Strommessung bei erhöhten Temperaturen bestimmt; die Kompensation wird also besser, wenn man bei der mit anderen Einflußfaktoren kompatiblen höchstmöglichen Temperatur mißt.

Die Fig. 2 zeigt eine analoge Schaltungsanordnung für den Fall von zwei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren 11, 33, die als Differenzelemente (bspw. in einem Differenzverstärker) arbeiten sollen. Zwei Stromkompensiereinrichtungen 22, 42 bewirken eine individuelle Sperrstromkompensation der JFET′s 11 bis 33 durch Einstellen der beiden abgleichbaren Spannungssteuereinrichtungen 44, 66 (die den Einrichtungen 4, 6 der Fig. 1 entsprechen). Die Einrichtung 66 kann bspw. Lastelemente für die Transistoren 11, 33 enthalten, die, um die Unterschiede der Arbeitseigenschaften der Transistoren 11, 33 auszugleichen, bei erhöhter Temperatur vor der abschließenden Sperrstromkompensation durch Abgleich der beiden Spannungssteuereinrichtungen 44 (die entsprechend der Einrichtung 4 abgleichbar sind) eingestellt werden.

Die oben beschriebenen Anordnungen und Verfahrensweisen lassen sich auch auf andere Halbleiteranordnungen anwenden, deren Sperrströme die Leistungsfähigkeit von Schaltungen beeinträchtigen. Bspw. wird bei einem bipolaren Transistor der Kollektor-Basis-Sperrstrom mit dem Stromverstärkungsfaktor multipliziert und erzeugt bei höheren Temperaturen unerwünschte Störanteile. Eine geeignte Stromkompensiereinrichtung kann vorgesehen werden, die man bei erhöhter Temperatur präzise abgleicht, um eine über einen breiten Temperaturbereich wirkende Kompensation zu erreichen. Dieses Verfahren ist allgemein immer dann anwendbar, wenn ein temperaturabhängiger Strom bei hohen Temperaturen unerwünschte Störsignale bewirkt.

Das offenbarte Kompensationsverfahren ist insbesondere auch anwendbar, wenn für zwei mit der Temperatur zunehmende Ströme über einen breiten Temperaturbereich ein genauer Temperaturgleichlauf erforderlich ist; das Verhältnis dieser Ströme kann sich auch von 1 : 1 unterscheiden, wie im Fall der oben beschriebenen Sperrstromkompensation.

Claims (6)

1. Halbleiterschaltung zum Betrieb über einen breiten Temperaturbereich, mit einer für den Betrieb vorgesehenen Halbleiteranordnung (1), die bei Raumtemperatur einen niedrigen und bei höherer Temperatur einen höheren Sperrstrom aufweist, mit einer zur Kompensation der Sperrstromes der Halbleiteranordnung (1) vorgesehenen Halbleitervorrichtung (2), deren Sperrstrom einen Temperaturgang aufweist, der dem Temperaturgang des Sperrstromes der ersten Halbleiteranordnung (1) ähnlich ist, und die so an die letztere angeschlossen ist, daß sie dieser mindestens einen Teil von deren Sperrstrom liefert, und mit einer trimmbaren Spannungssteuereinrichtung (4, 6) zum Einstellen der Größe der Sperrströme der Halbleiteranordnung und -Vorrichtung im wesentlichen auf Gleichheit oder ein vorbestimmtes Verhältnis dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung (1) und die Halbleitervorrichtung (2) Sperrschicht-Feldeffekttransistoren sind, daß DRAIN und SOURCE des die Halbleitervorrichtung (2) bildenden Sperrschicht-Feldeffekttransistors miteinander und mit dem GATE des die Halbleiteranordnung (1) bildenden Sperrschicht-Feldeffekttransistors verbunden sind und daß die Spannungssteuereinrichtung (4, 6) die Spannung zwischen GATE und SOURCE bzw. DRAIN der Halbleitervorrichtung (2) und die Spannung zwischen DRAIN und SOURCE der Halbleiteranordnung (1) einstellt.

2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuereinrichtung (4, 6) zwei jeweils für sich trennbare Einheiten (4 bzw. 6) aufweist, von denen die eine (4) die für den Sperrstrom der Halbleitervorrichtung (2) maßgebliche Spannung und die andere (6) die für den Sperrstrom der Halbleiteranordnung (1) maßgebliche Spannung einstellt.

3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung einen Differenzverstärker bildet, bei dem beide Eingangsstufen als Halbleiterschaltungen jeweils mit einer Halbleiteranordnung (11 bzw. 33), einer Halbleitervorrichtung (22 bzw. 42) und einer Spannungssteuereinrichtung (44, 66) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt sind.

4. Verfahren zum Abgleichen der Halbleiterschaltungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Schaltung in für sich bekannter Weise auf eine gegenüber der normalen Betriebstemperatur wesentlich höhere Temperatur erhitzt wird und im erhitzten Zustand der Schaltung die Spannungssteuereinrichtung (44, 66) getrimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuereinrichtung (44, 66) derart getrimmt wird, daß der effektive Sperrstrom der Halbleiteranordnung auf eine Minimum herabgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuereinrichtung derart getrimmt wird, daß der Sperrstrom der Halbleitervorrichtung (2) und der Sperrstrom der Halbleiteranordnung (1) in einem vorbestimmten Größenverhältnis stehen.