DE3221363A1 - Integrierter ueberlast-schutzschaltkreis und integrierte ueberlast-schutzschaltung - Google Patents
Integrierter ueberlast-schutzschaltkreis und integrierte ueberlast-schutzschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen integrierten Überlast-Schutzschaltkreis
mit einem halbleitenden Substrat des einen Leitungstyps, einer Halbleiterschicht des anderen Leitungstyps
auf dem Substrat, einer sich durch die Halbleiterschicht bis zum Substrat erstreckenden, einen Aktivbereich der Halbleiterschicht
völlig umgebenden und damit gegenüber dem Rest der Schicht isolierenden, ersten hochdotierten Zone
des ersten Leitungstyps, einer sich teilweise in den Aktivbereich der Halbleiterschicht von deren Oberfläche aus erstreckenden
Wannenzone des ersten Leitungstyps, einer sich mit Abstand von der Wannenzone von deren Oberfläche aus in
den Aktivbereich hineinerstreckenden, zweiten hochdotierten Zone des zweiten Leitungstyps, einer sich von der Oberfläche
aus in die Wannenzone mit Abstand von. deren Rand hineinerstreckenden dritten hochdotierten Zone des zweiten
Leitungstyps, und einer vierten hochdotierten Zone des zweiten Leitungstyps zwischen dem Aktivbereich der Halbleiterschicht
und dem Substrat, die sich zumindest im Bereich unterhalb der zweiten und dritten hochdotierten Zone erstreckt.
Die Erfindung betrifft ferner eine integrierte Überlast-Schutzschaltung .mit einem Bipolar-Verstärkertransistor
des einen Typs und zugeordnetem Bipolar-Schutztransistor des anderen Typs, in der der Emitter des Schutztransistors
mit ■ der Basis des Verstärkertransistors und die Basis des Schutztransistors mit dem Kollektor des 'Verstärkertransistors
verbunden sind.
Wenn ein integrierter Verstärker in Emitterschaltung erregt wird, ist die Polarität des Ausgangssignals gegenüber derjenigen
des Eingangssignals invertiert. Zur Erläuterung wird auf das schematische Schaltbild eines bekannten Verstärkerkreises
in Emitterschaltung gemäß Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung Bezug genommen. Diese typische Emitter-
Verstärkerschaltung enthält einen npn-Transistor Q. Der Kollektor' des Transistors Q wird über einen Lastwiderstand
RT mit der positiven Versorgungsspannungsklemme +V verbunden.
Der Emitter des Transistors Q wird über den Emitterwiderstand R1-, geerdet. Ein Eingangssignal v_. wird durch
einen Eingangswiderstand RG auf die Basis des Transitsors Q
geschaltet. Der resultierende Eingangs-Basisstrom hat einen
Kollektorstrom zur Folge, der gleich dem Produkt aus der Stromverstärkung (Beta) und dem Eingangs-Basisstrom ist.
Die zwischen dem Kollektor des Transistors Q und Erde gemessene Ausgangsspannung ν wird folglich eine verstärkte
und invertierte Abbildung der Eingangsspannung v..
Die Emitterspannung eines Verstärkers in Emitterschaltung mit Emitterwiderstand versucht, der Eingangsspannung nach
Art des sogenannten "Emitterfolgers" zu folgen. Wenn also die Ausgangsspannung ν durch die Wirkung eines ansteigenden
Eingangssignals v. abfällt, nimmt die Emitterspannung zu. Abhängig von den relativen Kennwerten der Bauelemente
der Schaltung und der Größe der verfügbaren Eingangser.regung ist es möglich, daß der Transistor Q gesättigt wird
und dann während Eingangsspitzen genug Erregerleistung für ein Dominieren der Emitterspannung über die Kollektorspannung
vorhanden ist. Während also normalerweise die in durchgezogener Linie in der Nähe des Schaltungseingangs (Fig. 1)
dargestellte Eingangsspannung v. als in der Nähe des Schaltungsausgangs
in durchgezogener Linie dargestellte Ausgangsspannung ν übertragen wird, kann es im negativsten Teil
des Ausgangssignals zu einem inversen Verlauf der Ausgangsspannung gemäß der gestrichelten Linie kommen. Dieses
Ergebnis tritt besonders dann auf, wenn der Eingangswiderstand Rg relativ klein ist und ein relativ großes Erregersignal
vorliegt.
Diese Verstärkungs- bzw. Übertragungsfehler können sich beispielsweise bei einem Gegenkopplungsverstärker, in dem
ein Teil des Ausgangssignals zwecks Linearisierung der Übertragungskennlinie auf den Eingang rückgekoppelt wird, negativ auswirken, indem der Verstärker unter Überlast sogar
in die Funktion eines Mitkopplungsverstärkers umschlagen kann. In in Schaltkreisen von Fernsehgeräten vorgesehenen
Videoverstärkern kann, das einer automatischen Verstärkungsregelung
(AGC) vorhergehende Übersteuern des Video-Verstärkers zu einer "Leistungssperrß" mit dem Ergebnis eines verstümmelten
Bildes führen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das vorgenannte Problem auch bei vielen anderen Verstärkern
in Emitterschaltung, insbesondere auch in Differential- und Operations-Verstärkern, auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung
bzw. einen Schutzschaltkreis zu schaffen, mit dessen Hilfe die beschriebenen Nachteile, insbesondere das Übersteuern
des Emitterschaltungs-Verstärkers, zu vermeiden sind. Für eine integrierte Überlast-Schutzschaltung eingangs
genannter Art ist die erfindungsgemäße Lösung gekennzeichnet durch eine höher als die Wannenzone dotierte, sich
von deren Oberfläche aus durch die Grenzfläche von Wannenzone und isoliertem Bereich hindurcherstreckende, fünfte
hochdotierte Zone des ersten Leitungstyps, wobei die dritte hochdotierte Zone zwischen der zweiten hochdotierten Zone
und der fünften hochdotierten Zone liegt. Ferner besteht die erfindungsgemäße Lösung für die integrierte Überlast-Schutzschal
tung eingangs genannter Art darin, daß der Kollektor des Schutztransistors auf eine Versorgungsspannungsklemme
zu schalten ist, die der Versorgungsspannungsklemme, auf welche die Klemme eines mit dem Kollektor des Verstärkertransistors
verbundenen Lastgliedes in verstärkender
Emitterschaltung zu schalten wäre, entgegengesetzt ist, und daß die Stromverstärkung (Beta) des Schutztransistors
einen relativ hohen Wert besitzt.
Ein Überlastschutz für einen integrierten Schaltkreis, der ein Umschlagen eines Gegenkopplungs-Verstärkers in
einen Mitkopplungs-Verstärker verhindert, besteht erfindungsgemäß somit im wesentlichen aus einem Bipolar-Verstärkertransistor
des einen Typs, z.B. npn, und einem Bipolar-Schutztransistor des anderen Typs, z.B. pnp, der
den Verstä'rkertransistor gegenüber zu hohen Eingangssignalen schützt. Dabei werden der Emitter des Schutztransistors
mit der Basis des geschützten Transistors und die Basis des Schutztransistors mit dem Kollektor des ge- ·
schützten Transistors verbunden. Der Kollektor des Schutztransistors liegt an der Versorgungsspannungsklemme, die
derjenigen Versorgungsspannungsklemme entgegengesetzt ist, auf welche die Klemme des Lastglieds des geschützten
Transistors zu schalten ist. Verbesserungen' und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen
beschrieben.
Anhand der schematisehen Darstellung' in der Zeichnung
werden nachfolgend Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des oben beschriebenen,
bekannten Verstärkers in Emitterschaltung mit repräsentativen Eingangs- und Ausgangssignalen;
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Verstärkerkreises
mit erfindungsgemäßen Schutzschaltkreis;
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schutzschaltung; und
Fig. 4 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Die Verstärkerschaltung 10 gemäß Fig. 1 wurde bereits eingangs beschrieben.
In Fig. 2 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß geschützten Verstärkerschaltung 12 dargestellt.
Zu der Verstärkerschaltung 12 gehört ein verstärkender npn-Transistor Ql in Emitterschaltung. Ein üblicher
Verstärker in Emitterschaltung wird häufig von einer durch die Widerstände R„ und Rp gebildeten Widerstandsquelle
erregt. Die Widerstände R0, und Rp dienen dazu,
ein Eingangssignal v. auf .die Basis des Transistors Ql
zu schalten. Erfindungsgemäß· wird ein zweiter Transistor
Q2 vorgesehen, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors Ql und dessen Emitter über den Schutzwiderstand
R mit der Basis des Transistors Ql verbunden werden. Der Kollektor des Transistors Q2 wird im Ausführungsbeispiel
geerdet, da der Verstärkertransistor Ql ein npn-Transistor und der Schutztransistor Q2 ein pnp-Transistör
ist. Wäre Ql ein pnp-Transistor, dann würde für Q2 ein npn-Transistor vorgesehen, dessen Kollektor auf die
positive Spannungsklemme +V zu schalten wäre.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden der Lastwiderstand
RL mit der positiven Spannungsklemme +V und der
Kollektor des Transistors Q2 mit der entgegengesetzten Spannungsklemme, insbesondere Erde, verbunden. Wäre stattdessen
Ql ein pnp-Transistor, würde der Kollektor von Q2 mit der positiven Spannungsklemme zu verbinden sein.
Wenn bei Betrieb der Transistor Ql gesättigt wird, schaltet der Transistor Q2 ein und blockiert das Basis-Erregersignal
auf ein Potential, das gerade leicht oberhalb der
anfänglichen Sättigungsspannung von Ql ist, so daß eine Inversion des Ausgangssignals ν vermieden wird. Um zu
erreichen, daß die Schaltung nach Fig. 2 die eingangs genannte "Leistungssperre" wirksam verhindert, ist es erforderlich,
daß die Stromverstärkung (Beta) des Schutztransistors Q2 einen relativ hohen Wert hat und daß der
Schutzwiderstand Rp einen relativ hohen Impedanzwert besitzt.
Vorzugsweise soll die Stromverstärkung des Schutztransistors Q2 den Wert 15 übersteigen. - Wenn in der
Schaltung- Transistoren des in bezug auf Fig. 2 jeweils entgegengesetzten Typs eingesetzt werden, wird bei erfindungsgemäßer
Ausbildung erreicht, daß der Ausgang des' Transistors Ql nicht unter den Wert der ursprünglichen
Sättigungsspannung fällt.
In den Fig. 3 und 4 werden eine Draufsicht und ein Längsschnitt eines erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises
20 dargestellt. Der Schaltkreis 20 umfaßt einen integrierten Verstärker-Transistor des einen Typs, der mit
einem' Schutz-Transistor des anderen Typs kombiniert ist. Namentlich handelt es sich bei dem Verstärker-Transistor
um einen npn-Transistor und bei dem Schutz-Transistor um einen pnp-Transistor. .
Der integrierte Schutzschaltkreis 20 wird auf einem typischerweise
aus p-leitehdem Silizium bestehenden Halbleitersubstrat
22 hergestellt. Auf dem Substrat 22 wird eine η-leitende Epitaxialschicht 24 gebildet. Ein Teil der
Epitaxialschicht 24 wird mit Hilfe einer hochdotierten p+-leitenden Isolierzone 38 vom Rest der Epitaxialschicht
abgetrennt. Die Isolierzone 38 umgibt daher einen ebenfalls mit 24 bezeichneten Aktivbereich innerhalb der Epitaxialschicht
vollkommen. Die p+-leitende Isolierzone 38
wirkt auch als Kollektor des pnp-Schutztransistors
Q2. In die η-leitende Epitaxialschicht 24 erstreckt sich
innerhalb des Aktivbereichs eine p-leitende Wannenzone 26. Die Wannenzone 26 wirkt als Basis des Verstärker-Transistors
Ql. Ähnlich wirkt eine sich ebenfalls in die Epitaxialschicht 24 hineinerstreckende n+-leitende Halbleiterzone
28 als Kollektor des Verstärker-Transistors Ql. Der isolierte Aktivbereich der η-leitenden Epitaxialschicht
24 wirkt als Basis des Schutz-Transistors Q2.
Zum Vergrößern der Stromverstärkung des Schutz-Transistors
Q2 wird im integrierten Schaltkreis 20 eine hochdotierte, tiefe p+-leitende Halbleiterzone 30 vorgesehen.
Die Halbleiterzone 30 erstreckt sich durch die p-leitende Wanne 26 hindurch in das Material der darunterliegenden
Epitaxialschicht 24 und wirkt als Emitter des Schutz-Transistors Q2.
Als Emitter des Verstärker-Transistors Ql wird eine hochdotierte η-leitende Zone 32 vorgesehen. Ferner erstreckt
sich eine hochdotierte η-leitende vergrabene Zone 34 im p-leitenden Substrat 22 zwischen diesem und der Epitaxialschicht
24 und dient dazu, den Widerstand zwischen Emifterund
Kollektor des Verstärker-Transistors Ql zu vermindern. Die vergrabene Zone 34 liegt unterhalb der n-leitenden
Zonen 28 und 32.
Vorzugsweise weist die p-leitende Wannenzone 26 einen von oben gesehen schmalen Bereich in Form einer Einschnürung
36 auf. Die Einschnürung 36 bildet den Schutzwiderstand Rp relativ hohen Impedanzwertes gemäß Fig. 2. Der
Widerstandswert der Einschnürung 36 wird durch deren Form
und den spezifischen Widerstand des Materials der Wanne 26 bestimmt.
Der erfindungsgemäße Schaltkreis kann in an sich bekannten Verfahrensschritten hergestellt werden. .Namentlich besteht
ein Vorteil der Erfindung darin, daß es nicht erforderlich ist, irgendeinen Schritt der Photolithographie,
des Niederschiagens oder der Diffusion gegenüber der Verfahrensweise herkömmlicher Art abzuwandeln. Für
den Fachmann ist somit klar, daß beim Herstellen zunächst die hochdotierte, η-leitende Zone 34 in das p-leitende
Silizium-Substrat 22 einzudiffundieren ist. Die entstehende η-leitende vergrabene Zone 34 soll typischerweise einen
Flächenwiderstand in der Größenordnung von 40 Ohm/ Quadrat besitzen.
Als nächstes wird auf der Oberfläche des Substrats 22 eine η-leitende Epitaxialschicht 24 mit einem typischen
Widerstandswert in der Größenordnung von 1000 Ohm/Quadrat aufgewachsen. Ein Teil der η-leitenden Epitaxialschicht,
nämlich der für die Erfindung wesentliche Aktivbereich 24, wird vom Rest der Epitaxialschicht durch eine hochdotierte
p-leitende Isolierzone 38 abgetrennt. Daraufhin werden der hochdotierte p-leitende Basiskontakt 30 und
sodann die p-leitende Wannenzone 26 begrenzt und gebildet.
Als nächster Schritt beim Herstellen des Schaltkreises 20 folgt das Bilden der hochdotierten η-leitenden Zonen 28
und 32. Auch hierbei wird nach herkömmlichen Verfahren gearbeitet.
Abschließend werden eine nicht gezeichnete Oxidschicht auf die Oberfläche des Schaltkreises aufgebracht, in der
Oxidschicht Kontaktöffnungen gebildet und leitendes Kontaktmaterial aufgebracht sowie in üblicher Weise begrenzt.
Ersichtlich können sämtliche vorgenannten Verfahrensschritte nach herkömmlichen bekannten Photolithographie-,
Abscheide-, Diffusions- und Ätz-Techniken ausgeführt werden. Auch der Ersatz des npn-Verstärker-Transistors mit
pnp-Schutztransistor gemäß Fig. 3 und 4 durch die Kombination von pnp-Verstärker-Transistor und npn-Schutz-Transistor
ist dem Fachmann nach Schaltung und Herstellung vertraut.
9 md/fu
Leerseite
Claims (9)
1. Integrierter Überlast-Schutzschaltkreis mit
a) einem halbleitenden Substrat (22) des einen Leitungstyps (p);
b) einer Halbleiterschicht des anderen Leitungstyps
(n) auf dem Substrat (22);
(n) auf dem Substrat (22);
c) einer sich durch die Halbleiterschicht bis zum Substrat (22) erstreckenden, einen Aktivbereich (24)
der Halbleiterschicht völlig umgebenden und damit gegenüber dem Rest der Schicht isolierenden ersten
hochdotierten Zone (38) des ersten Leitungstyps
d) einer sich teilweise in den Aktivbereich (24) . der Halbleiterschicht von deren Oberfläche aus erstrekkenden
Wannenzone (26) des ersten Leitungstyps (p);
e) einer sich mit Abstand von der Wannenzone (26) von deren Oberfläche aus in den Aktivbereich (24) hineinerstreckenden,
zweiten hochdotierten Zone (28) des zweiten Leitungstyps (n);
f) einer sich von der Oberfläche aus in die Wannenzone (26) mit Abstand von deren Rand hineinerstreckenden
dritten hochdotierten Zone (32) des zweiten Leitungstyps (n); und
dritten hochdotierten Zone (32) des zweiten Leitungstyps (n); und
g) einer vierten hochdotierten Zone (34) des zweiten
Leitungstyps (n) zwischen dem Aktivbereich (24) der Halbleiterschicht und dem Substrat (22), die sich
zumindest im Bereich unterhalb der zweiten und dritten hochdotierten Zone (28, 32) erstreckt; gekennzeichnet durch
eine höher als die Wannenzone (26) dotierte, sich von
deren. Oberfläche aus durch die Grenzfläche von Wannenzone (26) und isoliertem Bereich (24) hindurcherstrekkende,
fünfte hochdotierte Zone (30) des ersten Leittungstyps (p), wobei die dritte hochdotierte Zone (32)
zwischen der zweiten hochdotierten Zone (28) und der fünften hochdotierten Zone (30) liegt.
2. Schutzschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei p-leitendem Substrat (22) und sich nicht unter die. fünfte hochdotierte Zone (30) erstrekkender
vierter hochdotierter Zone (34) die zweite hochdotierte Zone (28) die Kollektorzone, die dritte hochdotierte
Zone (32) die Emitterzone und die Wannenzone (26) die Basiszone eines npn-Transistors (Ql) sowie die fünfte
hochdotierte Zone (30) den Kontakt der Basiszone bilden.
3. Schutzschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wannenzone (26) zwischen der dritten hochdotierten Zone (32) und der fünften hochdotierten
Zone (30) einen eingeschnürten Bereich (36) enthält (Fig. 3).
4. Schutzschaltkreis nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,. dadurch gekennzeichnet, daß sich die unter der
zweiten und dritten hochdotierten Zone (28, 32) liegende vierte hochdotierte Zone (34) nur teilweise unter den
eingeschnürten Bereich (36) der Wannenzone (26) erstreckt.
5. Integrierte Überlast-Schutzschaltung mit einem Bipolar-Verstärkertransistor
(Ql) des einen Typs und zugeordnetem Bipolar-Schutztransistor (Q2) des anderen Typs, in
der der Emitter des Schutztransistors (Q2) mit der Basis des Verstärkertransistors (Ql) und die Basis des Schutztransistors
(Q2) mit dem. Kollektor des Verstärkertransistors (Ql) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kollektor (38) des Schutztransistors (Q2) auf eine Versorgungsspannungsklemme zu schalten ist, die der Versorgungsspannungsklemme (+V), auf welche die Klemme
eines mit dem Kollektor des Verstärkertransistors (Ql) verbundenen Lastgliedes (Rt ) in verstärkender Emitterschaltung
zu schalten wäre, ■ entgegengesetzt ist, und daß die Stromverstärkung (Beta) des Schutztransistors (Q2)
einen relativ hohen Wert besitzt. .
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen in Reihe zwischen den Emitter (30) des Schutztransistors
(Q2) und die Basis (26) des Verstärkertransistors (Ql) geschalteten Schutzwiderstand (Rp) mit relativ
hohem Impedanzwert und Mitteln (R_) zum Schalten
"eines Eingangssignals (V.) auf den Emitter (30) des
Schutztransistors (Q2).
Schutztransistors (Q2).
-A-
7. Schutzschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärkertransistor (Ql) ein npn-Transistor und der Schutztransistor (Q2) ein pnp-Transistor
ifit. '
8. Schutzschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor (38)
des pnp-Transistors (Q2) geerdet ist.
9. Schutzschaltung nach einem oder mehreren' der Ansprüche
1 bis 8, gekennzeichnet durch die Ausbildung als monolithischer integrierter Schaltkreis.
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