DE3877456T2 - In vertikaler integrationstechnologie hergestellter integrierter monolitischer regulator des induktionsanregungsstromes eines wechselstromgenerators mittels einer wiederdurchflussdiode. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen monolithischen Regulator des Induktionsanregungsstromes eines Wechselstromgenerators in vertikaler Integrationstechnik.
• Regulatoren für den Induktionsanregungsstrom eines Wechselstromgenerators, wie zum Beispiel einer Automobil-Lichtmaschine, werden derzeit in Form integrierter Schaltungen ausgeführt. Solche integrierten Schaltungen für das Automobil sind aus der IEEE J. Solid State Circuits, Band SC-8, No. 6, 1973, Seite 419-427, bekannt.
• Nach einer ersten, klassischen Schaltungsart ist der Induktor 1, wie er in Figur 1a dargestellt ist, zwischen der Plusklemme der Batterie und der Schalt- oder Drain-Klemme eines Leistungsschalttransistors (2) vom Typ MOS angeschlossen, dessen Source-Elektrode an das Bezugspotential gelegt ist. Die Steuerelektrode des MOS-Leistungsschalttransistors wird durch Impulse mit einem gegebenen zyklischen Impuls-Pausenverhältnis gesteuert und der dem Induktor zugeführte Strom ist direkt proportional zum zyklischen Impuls-Pausenverhältnis der Steuerimpulse. Eine als Wiederdurchflußdiode bezeichnete Diode 3 ist parallel zum Induktor geschaltet und die Funktion dieser Diode besteht darin, die Aufhebung des Stroms im Induktor zu vermeiden, wenn der MOS-Transistor blockiert ist. Die Wiederdurchflußdiode ist umgekehrt gepolt, wenn der MOS-Schalttransistor leitet.
• Eine zweite Schaltungsart, in angelsächsischer Ausdrucksweise "High side"-Schaltung, besteht im direkten Anschluß des Induktors 1 und der Wiederdurchflußdiode 3, wie in Figur 1b dargestellt, an das Bezugspotential, wobei der MOS-Schalttransistor direkt zwischen Induktor 1 und Speisebatterie angeschlossen ist.
• Diese Schaltungsart hat den Vorteil, die durch die Schaltströme erzeugten Störungen zu reduzieren, wobei eine der Induktorklemmen stets mit dem Bezugspotential verbunden ist.
• Außerdem wird im Falle einer Beschädigung einer der Kontaktbürsten des Induktors durch Kurzschließen dieser Bürste mit dem Bezugspotential der volle Erregungszustand des Wechselstromgenerators sowie die Zerstörung der Batterie durch Überstrom vermieden.
• Die derzeit im Handel erhältlichen monolithischen Regulatoren sind in einer Technologie ausgeführt, die von der bipolaren Technik abgeleitet ist.
• Bei dieser Art von Technologie sind die verschiedenen Elemente der integrierten Schaltung durch "Isolierkästen" getrennt, die in Form von Verbindungen ausgeführt sind, welche stets umgekehrt gepolt sind, sich also im nichtleitenden Zustand befinden. Diese umgekehrte Polung der Kästen wird durch Anschluß des Bezugspotentials an das Substrat der integrierten Schaltung bewirkt, und dieses Bezugspotential muß stets das negativste Potential sein.
• Diese Bedingung liegt im Fall der zweiten, der "High side"-Schaltungsart nicht vor, wenn die Wiederdurchflußdiode 3 leitend wird. In diesem Falle erfüllt sie die Funktion einer Störtransistor-Emitter-Basis-Verbindung, deren Kollektoren aus den benachbarten Kästen bestehen. Ein monolithischer Regulator, der in der vorbezeichneten Technologie ausgeführt ist, kann nicht ohne weiteres nach der zuvor beschriebenen zweiten Schaltungsart, der sogenannten "High side"-Schaltung, verwendet werden.
• Eine andere Art von Technologie, die sogenannte vertikale Technik, gestattet die Lösung dieses Problems gemäß der Erfindung. Diese Technologie ist von der Technologie abgeleitet, die für MOS-Leistungstransistoren eingesetzt wird, wobei der von diesem MOS-Transistor gelieferte Strom die Siliciumplatte vertikal durchströmt. Diese Technologie wird dadurch erzielt, daß man neben dem MOS-Transistor eine Steuerzone vorsieht, die Isolierkästen entsprechend Figur 1C aufweist. Für die Anwendung in Verbindung mit einem monolithischen Regulator enthält einer der Kästen die Wiederdurchflußdiode 3. Wenn der Regulator entsprechend der vorherigen zweiten Schaltungsart, der "High side"-Schaltung, geschaltet ist, um die entsprechenden Vorteile zu erzielen, und falls während der Umschaltung die Wiederdurchflußdiode in Leitungsrichtung gepolt wird, zeigt sich das gleiche Störtransistorphänomen und führt zu den gleichen Nachteilen, wie sie zuvor erwähnt wurden. Die sogenannte vertikale Technik ermöglicht jedoch die Herstellung separater oder unabhängiger Isolierkästen, also solcher Isolierkästen, die keine gemeinsame Trennwand aufweisen, was bei der zuerst genannten Technologie, die von der bipolaren Technik abgeleitet ist, unmöglich ist.
• Diese Besonderheit der Herstellung unabhängiger Isolierkästen wird gemäß der Erfindung eingesetzt, um den Störtransistoreffekt zu unterdrücken.
• Zur Unterdrückung des zuvor erwähnten Störtransistoreffekts wurde im Falle von Regulatoren, die in vertikaler Technik ausgeführt wurden, vorgeschlagen, den Isolierkasten der Wiederdurchflußdiode und den Isolierkasten der Steuerkreiszone an der Oberfläche durch einen Metallüberzug zu verbinden, wobei die vorerwähnten Kästen voneinander unabhängig gemacht wurden, wie dies in Figur 1d dargestellt ist. Diese Verbindung hat wegen ihrer metallischen und nicht durch Halbleiter bedingten Leitung die Wirkung, daß der Störtransistoreffekt zwischen den Kästen unterbunden wird. Die vorerwähnte Lösung schaltet jedoch nicht den Störtransistoreffekt zwischen vom Substrat gebildeten Diodenverbindungen, dem Isolierkasten der Wiederdurchflußdiodenzone und der Diodenverbindung der Wiederdurchflußdiode selbst aus. Dieser Störeffekt hat den Nachteil, einen von der Speisebatterie gelieferten Störstrom zu erzeugen, der einen nicht vernachlässigbaren Überverbrauch verursacht, der mit Erwärmungsrisiken einhergeht.
• Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, die vorgenannten Schwierigkeiten durch Verwendung eines monolithischen Regulators in vertikaler Technik auszuschalten, der in der sogenannten "High side"-Schalttechnik, wie in Figur 1b dargestellt, verwendet werden kann und wobei jeder Störtransistoreffekt unterdrückt wird.
• Der monolithische Regulator des Induktionsanregungsstromes eines Wechselstromgenerators, der Gegenstand der Erfindung ist, ist im Anspruch 1 definiert.
• Der der Erfindung zugrundeliegende Regulator findet Anwendung in Erregungsstromkreisen von Kraftfahrzeug-Wechselstromgeneratoren.
• Die Erfindung wird besser verständlich beim Lesen der Beschreibung und mit Hilfe der Zeichnungen, in denen, neben Figur 1a, 1b, 1c, 1d für Schaltungen oder Vorrichtungen nach dem bisher bekannten Stand der Technik folgendes dargestellt ist:
• - Figur 2 a) zeigt ein Teil-Einbauschema eines monolithischen Regulators gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer ersten, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsform.
• - Figur 2 b) zeigt ein entsprechendes Schaltschema des in Figur 2a dargestellten Regulators.
• - Figur 3a zeigt ein Einbauschema eines monolithischen Regulators gemäß dem Zweck der vorliegenden Erfindung nach einer vorzuziehenden, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsform.
• - Figur 3b zeigt ein entsprechendes Schaltschema des in Figur 3a dargestellten Regulators.
• - Figur 4 zeigt ein Ausführungsdetail der oberen Fläche, der sogenannten Integrationsfläche des Substrats nach einer ersten, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsart.
• - Figur 5 zeigt ein Ausführungsdetail der oberen Fläche, der sogenannten Integrationsfläche des Substrats in einer nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsvariante.
• - Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsdetail.
• Der monolithische Regulator des Induktionsanregungsstroms eines Wechselstromgenerators, der dieser Erfindung zugrundeliegt, wird zunächst in Verbindung mit Figur 2 und unter besonderer Bezugnahme auf die Punkte a und b derselben beschrieben.
• Der monolithische Regulator des Induktionsanregungsstroms 1 eines Wechselstromgenerators gemäß der Erfindung enthält auf dem gleichen Substrat S aus Halbleitermaterial einen Leistungstransistor vom Typ MOS, der mit den Buchstaben TP bezeichnet ist. Natürlich wird man verstehen, daß der Leistungstransistor TP tatsächlich aus einer Vielzahl von MOS- Transistorzellen bestehen kann. Die elementaren MOS-Transistorzellen sind parallel geschaltet. Diese klassische Ausführungsart wird nicht beschrieben, denn sie ist dem Fachmann bestens bekannt.
• Der monolithische Regulator des Induktionsanregungsstroms eines Wechselstromgenerators gemäß der Erfindung besitzt ebenfalls eine mit ZC bezeichnete Steuerzone, die eine Umschaltsteuerung des Speisestroms des Induktors 1 entsprechend dem zyklischen Impuls-Pausenverhältnis, wie es weiter oben erwähnt wurde, gewährleistet. Die Steuerkreiszone ZC wird nicht im einzelnen beschrieben, denn sie entspricht dem klassischen Steuerstromkreis für den Induktionsanregungsstrom eines Wechselstromgenerators, wie er normalerweise in monolithischen Regulatoren des Induktionsanregungsstroms eines handelsüblichen Wechselstromgenerators vorhanden ist.
• Das Substrat S, wie es insbesondere in Figur 2 a) dargestellt ist, enthält auch eine mit ZD bezeichnete Wiederdurchflußdiodenzone, wobei diese Wiederdurchflußdiodenzone ZD es ermöglicht, die Funktion einer Wiederdurchflußdiode zu erfüllen, wie sie weiter oben in der Einleitung zur Beschreibung beschrieben wurde.
• Entsprechend einem besonders vorteilhaften Merkmal des der Erfindung zugrundeliegenden Regulators ist jede der Zonen, die Steuerkreiszone ZC und die Wiederdurchflußdiodenzone ZD vom Substrat S durch einen unabhängigen Isolierkasten getrennt. Die unabhängigen Isolierkästen bestehen vorteilhafterweise aus einer mit 101 bzw. 201 bezeichneten Diode.
• Wie insbesondere aus Figur 2a zu ersehen, weist der Isolierkasten 101 der Wiederdurchflußdiodenzone und der Wiederdurchflußdiodenzone ZD wenigstens zwei in Kaskade geschaltete Diodenverbindungen mit der Bezeichnung 101, 102 auf. Diese beiden in Kaskade geschalteten Dioden 101, 102 können bei Umpolung der an den Induktor 1 angelegten Spannung einen Störtransistor zu bilden, der mit tp bezeichnet ist und in Figur 2 a) als punktierte Linie dargestellt ist. Man wird auch bemerken, daß die Verbindungsdioden 101 und 102 durch das Symbolschema einer in strichpunktierter Linie dargestellten Diode symbolisiert sind.
• Entsprechend einem besonders vorteilhaften Aspekt des Gegenstands der Erfindung wird die Diodenverbindung 102, die die Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp bilden kann, durch mit 103 bezeichnete Verbindungsmittel so kurzgeschlossen, daß der Störleitstrom des Störtransistors tp unterdrückt wird.
• Tatsächlich verhält sich die Wiederdurchflußdiode 102 in dieser Konfiguration wie die Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp, dessen Kollektor-Basis-Verbindung aus den Isolierkastenverbindungen, der Diodenverbindung 101 mit umgekehrter Polung, besteht.
• In Figur 2 b) ist das Schaltschema dargestellt, welches dem Einbauschema der verschiedenen vorgenannten Zonen auf dem Substrat S entspricht. Hinsichtlich der elektrischen Funktionsweise speist der Leistungstransistor TP den Induktor 1 aus der positiven Speisespannung der mit +Vbat bezeichneten Batterie. Die Dioden 101 und 201 sind die Kollektor-Basis-Verbindungen, bestehend aus den Isolierkästen der Steuerkreiszonen ZC und der Wiederdurchflußdiodenzonen ZD.
• Wenn sich die Wiederdurchflußdiode 102 in leitendem Zustand befindet, strömt ein Teil des Stroms durch die Diodenverbindung 101 und dies führt zu einer übermäßigen Erwärmung von deren Substrat.
• Das Kurzschließen der Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp, der aus der Diodenverbindung 102 bestehenden Emitter-Basis-Verbindung, hat natürlich die Auswirkung, daß der Störtransistoreffekt durch die entsprechende Blockierung unterdrückt wird.
• Eine erste Ausführungsart des der Erfindung zugrundeliegenden monolithischen Regulators wird in Verbindung mit Figur 2 a) derselben näher beschrieben.
• Wie aus der vorgenannten Figur hervorgeht, können die Verbindungsmittel 103, die das Kurzschließen der Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp, der aus der Diodenverbindung 102 bestehenden Verbindung, ermöglichen, vorteilhafterweise einen MOS-Transistor mit der Bezeichnung 1030 aufweisen, der im wesentlichen der Wiederdurchflußdiode 102 überlagert ist. Wie in Figur 2 a) und ebenfalls b) dieser Figur dargestellt, weist der Transistor vom Typ MOS 1030 eine mit der Bezeichnung 1030 versehene Steuerelektrode auf, die die Halbleitermaterialzonen bedeckt, welche die Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp bilden. Auf herkömmliche Weise kann die Steuerelektrode des MOS-Transistors 1030 wie auch die Steuerelektrode des Leistungstransistors TP aus einem Material wie polykristallinem Silicium bestehen. Dieses Material weist keine Halbleitereigenschaft auf, ermöglicht jedoch das Kurzschließen der Diodenverbindung 102, die die Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp bildet. Wie in Figur 2 a) und b) dargestellt, ist außerdem ein Komparator 1031, der direkt in das Substrat S integriert, jedoch in Figur 2 a) nicht dargestellt ist, so angeschlossen, daß die Plus- und Minuseingänge desselben an die Bezugsspannung des Regulators bzw. die umgeschaltete Klemme des Induktors angelegt sind. Die umgeschaltete Klemme des Induktors 1 ist natürlich diejenige Klemme, die in direktem Kontakt mit der Source-Elektrode des MOS-Leistungstransistors TP steht.
• Während des Betriebs wird der MOS-Transistor 1030 durch den Komparator 1031 wie folgt gesteuert. Wenn der Schalttransistor TP den Induktor 1 speist, ist die Wiederdurchflußdiode 102 wie auch der MOS-Transistor 1030 blockiert. Wenn der MOS-Leistungstransistor TP aufgrund der Steuerung durch die Steuerimpulse, wie in der Beschreibung weiter oben erwähnt, in den blockierten Zustand überwechselt, kehrt sich die elektromotorische Kraft an den Klemmen des Induktors 1 um und der Komparator 1031 reagiert, indem er den MOS-Transistor 1030, der der Wiederdurchflußdiode 102 überlagert ist, leitend macht. Die Leitfähigkeit des MOS-Transistors 1030 bewirkt das Kurzschließen der Wiederdurchflußdiode 102 und der Störtransistor tp bleibt somit blockiert, da seine Emitter-Basis-Verbindung kurzgeschlossen ist. Die Diodenverbindung 101 hat somit die Funktion eines Isolierkastens für den MOS-Transistor 1030.
• Um ein einwandfreies Kurzschließen der Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp, bestehend aus der Durchflußdiode 102, zu gewährleisten, besitzt der MOS-Transistor 1030 eine bereits erwähnte Steuerdiode 10300, die eine Abdeckbreite 1 der Diodenverbindung 102 aufweist, welche es gestattet, das Potential der die vorgenannte Verbindung bildenden Halbleitermaterialzonen anzulegen.
• Natürlich handelt es sich bei den Transistoren vom Typ MOS, dem Leistungstransistor TP und dem Transistor 1030 um eine klassische Konstruktion, wobei die Source-Elektrode dieser Transistoren durch einen Metallüberzug 10301 gebildet wird, der die Steuerelektrode 10300 bedeckt. Die Source-Elektrode besteht somit auf klassische Weise aus einem Metallüberzug. In Figur 2 a) sind die Halbleitermaterialzonen, die die Transistoren vom Typ MOS, den Leistungstransistor TP und den Transistor 1030 bilden, und die Art dieser Halbleitermaterialzonen mit den klassischen, eingekreisten Buchstaben N oder P bezeichnet. Der Aufbau dieser MOS-Transistoren wird nicht näher beschrieben, denn er entspricht einem klassischen Aufbau dieses Transistortyps. Ebenso ist die Halbleitereigenschaft der Zonen, die die verschiedenen Diodenverbindungen bilden, durch die klassischen, eingekreisten Buchstaben N oder P bezeichnet. Die Diodenverbindungen 101, 102, welche den Isolierkasten bzw. die Wiederdurchflußdiode bilden, werden auf klassische Weise durch Streuung einer entsprechenden Verunreinigung im Substrat erzielt, welches zunächst aus einem Substrat vom Typ N bestehen kann. Vorteilhafterweise weist die Diodenverbindung 102 in Höhe der Steuerelektrode 10300 des MOS-Transistors 1030 einen Absatz auf, der im Verhältnis zur Zone vom Typ N einen Bereich vom Typ "pod" oder Überhang bildet, der ein zweckmäßiges Kurzschließen der Diodenverbindung 102 durch die Steuerelektrode 10300 des MOS-Transistors 1030 gewährleistet, wie in Figur 2 a) dargestellt. Der Bereich vom Typ "pod" befindet sich in Nähe des Pfeils, der die Überzugsbreite 1 bezeichnet. Die Streuung der verschiedenen Verunreinigungen im Substrat wird auf klassische Weise mit Hilfe einer Maskiertechnik bewirkt und wird in der Beschreibung nicht näher erläutert.
• Eine zweite, besonders vorteilhafte Ausführungsart des monolithischen Regulators des Induktionsanregungsstromes eines Wechselstromgenerators gemäß der Erfindung wird in Verbindung mit den Figuren 3a und 3b beschrieben.
• Gemäß den vorgenannten Figuren und auf besonders vorteilhafte Weise weist die Wiederdurchflußdiodenzone ZD in Kaskadenschaltung eine erste Diodenverbindung 101 auf, die den Isolierkasten der Wiederdurchflußdiodenzone ZD bildet. Die erste Diodenverbindung 101 wird beim Betrieb auf eine Schwebespannung gebracht, insbesondere am Potential der source-Elektrode des MOS-Leistungstransistors TP. Die Wiederdurchflußdiodenzone ZD weist ebenfalls eine zweite, mit 102 bezeichnete Diodenverbindung auf, die die Emitter-Basis-Verbindung des in Figur 3a in strichpunktierter Linie dargestellten Störtransistors tp bilden kann und kurzgeschlossen wird. Der Kurzschluß ist durch den Hinweis 402 bezeichnet.
• Die Wiederdurchflußdiodenzone ZD weist ebenfalls eine dritte Diodenverbindung 113 auf, die die Wiederdurchflußdiode bildet. Die erste Diodenverbindung 101 ist ständig umgekehrt gepolt, um den Isolierkasten der Wiederdurchflußdiodenzone ZD zu bilden. Die dritte Diodenverbindung 113 stellt somit die Wiederdurchflußdiode dar und ist damit durch den Isolierkasten 101 isoliert, wenn kein Störleitstrom des Störtransistors tp vorhanden ist, wofür die Diodenverbindung 102 die Emitter-Basis- Verbindung und die Diodenverbindung 101 die Kollektor-Basis-Verbindung bildet. Die Wiederdurchflußdiode 113 wird somit durch das Kurzschließen der Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp isoliert, der damit blockiert ist.
• Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt des erfindungsgemäßen monolithischen Regulators, wie er in Figur 3a dargestellt ist, kann das Kurzschließen 402 der zweiten Diodenverbindung 102 vorteilhafterweise durch einen Metallüberzug bewirkt werden, der die Substratoberfläche, die Integrationsoberfläche des Substrats, bedeckt, wobei die Halbleitermaterialzonen die zweite Diodenverbindung 102 bilden. In Figur 3a sind die das Substrat S bildenden Halbleitermaterialzonen als Zone C, die die erste Diodenverbindung 101 bildende Zone mit dem Halbleitermaterial des Substrats als B, die Halbleitermaterialzone, welche mit der vorhergehenden Zone die Diodenverbindung 102 bildet, mit A und die Halbleitermaterialzone, die die Anode der Wiederdurchflußdodenverbindung 113 bildet, mit D bezeichnet.
• Wie außerdem in der Figur 3a dargestellt, weist die Halbleitermaterialzone D, welche die Anode der Wiederdurchflußdiode 113 bildet, an der Oberfläche einen mit 403 bezeichneten verbindenden Metallüberzug auf, der einerseits an die Bezugsspannung und andererseits an die Klemme des Induktors 1 angelegt ist. Der Metallüberzug 402, der das Kurzschließen der zweiten Diodenverbindung 102 bewirkt, ist seinerseits mit der umgeschalteten Klemme des Induktors 1 und mit der Source-Elektrode des MOS- Leistungstransistors TP verbunden.
• In einer vorteilhaften, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsform sind das Substrat S und das mit C bezeichnete Halbleitermaterial vom Typ N, und die erste Diodenverbindung 101 besteht aus einer ersten Zone B aus Halbleitermaterial vom Typ P, welches im Substrat verstreut ist. Die zweite Diodenverbindung 102 besteht aus der zweiten Zone A aus Halbleitermaterial vom Typ N, welches in der ersten Zone B aus zerstreutem Halbleitermaterial verteilt ist. Die dritte Diodenverbindung 113 besteht aus der dritten Zone D aus Halbleitermaterial vom Typ P, welches in der zweiten Zone A aus Halbleitermaterial zerstreut ist. Natürlich können die verschiedenen Streuungszonen, die weiter oben im Hinblick auf die Wiederdurchflußdiodenzone ZD oder sogar die Schaltkreiszone ZC oder den Leistungstransistor TP beschrieben wurden, auch durch Streuung von Dotiermaterial nach der klassischen Maskiertechnik bei der Herstellung von integrierten Schaltungen hergestellt werden. Diese Herstellungsabläufe werden nicht beschrieben, denn sie entsprechen klassischen Vorgängen in der Technik der integrierten Schaltungen.
• Wie in Figur 3a dargestellt, kann die Anode der Wiederdurchflußdiode, die mit D bezeichnete Halbleitermaterialzone, durch eine Streuung vom Typ P und die Kathode derselben Diode kann durch eine epitaktische Schicht N, die als A bezeichnete Halbleitermaterialschicht, gebildet werden. Das Ganze ist in dem aus der Verbindung 101 gebildeten Isolierkasten angeordnet, wobei diese verbindung ihrerseits durch die Streuung von Material vom Typ P, der mit B bezeichneten Halbleitermaterialzone im Material vom Typ N mit der Bezeichnung C, entsprechend dem Substrat S, gebildet wird. Die verschiedenen Isolierkästen 101 und 201 haben keinerlei Berührungspunkt und sind völlig voneinander getrennt.
• Ebenso wie im Falle der Figur 2 a) ist der Störtransistor in Figur 3a mittels punktierter Linie in der Dicke des Isolierkastens dargestellt. Das Kurzschließen der Emitter-Basis-Verbindung des Störtransistors tp wird durch den Metallüberzug 402 bewirkt, der die mit A bezeichnete epitaktische Schicht vom Typ N mit der als B bezeichneten Materialstreuung vom Typ P verbindet. Dieser Metallüberzug 402 ist somit, wie bereits erwähnt, mit der umgeschalteten Klemme des Induktors 1 und mit der Source-Elektrode des MOS-Leistungstransistors TP verbunden.
• Das Potential des aus der Diodenverbindung 101 bestehenden Isolierkastens ist somit veränderlich, aber die Isolierfunktion ist aus folgenden Gründen stets gewährleistet:
• - Es verbleibt stets ein Potential, welches kleiner ist als die positive Batterie-Speisespannung mit der Bezeichnung +Vbat, auf die das Substrat S, wie in Figur 3a dargestellt, tatsächlich gebracht wird.
• - Es ist nicht mit dem angrenzenden Kasten verbunden, der aus der Diodenverbindung 201 besteht, welche an das Bezugspotential der Vorrichtung durch den als 404 bezeichneten Metallüberzug angelegt ist.
• In Figur 3b ist das entsprechende Schaltschema für den Einbau der verschiedenen in Figur 3a dargestellten Elemente dargestellt.
• Man wird natürlich verstehen, daß die Einbauarten, wie sie in Figur 3a und 2 a) dargestellt sind, die Konfiguration einer MOS-Elementarleistungszelle mit der Bezeichnung TP betreffen, wobei eine Vielzahl dieser MOS-Zellen, wie bereits erwähnt, parallel geschaltet sein können, um den eigentlichen MOS-Leistungstransistor TP zu bilden, sowie eine Vielzahl von Steuerkreiszonen ZC und Wiederdurchflußdiodenzonen ZD, die ebenfalls im gleichen Substrat integriert und parallel geschaltet sein können, um beispielsweise im Falle der Figur 2 a) und b) die entsprechende Wiederdurchflußdiode 102 und die Isolierdioden 101, 201 oder im Falle der Figur 3a und 3b die Wiederdurchflußdiode 113 zu bilden.
• Verschiedene Einbaukonfigurationen der Zonen A, B, C, D, einer Wiederdurchflußdiodenzone ZD, wie in Figur 3a dargestellt, werden nunmehr in Verbindung mit den Figuren 4, 5 und 6 beschrieben.
• Entsprechend der vorgenannten Figur 4 kann der Metallüberzug 402, der die Oberfläche der die zweite Diodenverbindung 102 bildenden Halbleitermaterialzonen bedeckt, an der Integrationsoberfläche des Substrats S ausgebildet sein. Er kann vorteilhafterweise die Form einer geschlossenen Schleife aufweisen, wie in der vorgenannten Figur 4 dargestellt, und der an der Oberfläche der die Wiederdurchflußdiode 113 bildenden Halbleitermaterialzone angeordnete Verbindungsmetallüberzug 403 kann somit im Innern der geschlossenen Schleife 102 liegen. In der vorgenannten Figur 4 sind die Diodenverbindungen für die erste Diodenverbindung 101, die zweite Diodenverbindung 102, die dritte Diodenverbindung 103, entsprechend der Begrenzung der vorgenannten Streuungszonen, in strichpunktierter Linie dargestellt.
• Nach einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsvariante, wie sie in Figur 5 dargestellt ist, besteht die Zone D aus Halbleitermaterial, welche die Wiederdurchflußdiode der Diodenverbindung 113 bildet, vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von verschiedenen, gestreuten Elementarzonen, wobei diese Zonen auf nicht einschränkende Weise als D1, D2, D3, D4 bezeichnet sind. Diese Zonen können durch Mehrfach-P-Basis-Diffusionen erzielt werden; die Vergrößerung des Diffusionsperimeters, das heißt der Länge der Kontur, die die verschiedenen Zonen begrenzt, ermöglicht eine Erhöhung der Wirksamkeit der entsprechenden Diodenverbindung.
• Außerdem wird der Metallüberzug 403, der an der Oberfläche der Halbleitermaterialzone D angeordnet ist, die die Anode der Wiederdurchflußdiode 113 bildet, an jeder einzelnen Elementar-Streuungszone D1, D2, D3, D4 durch eine Vielzahl verschiedener Metallüberzüge mit den Bezeichnungen 4031, 4032, 4033, 4034 gebildet. Jeder verschiedene Metallüberzug 4031 bzw. 4032, 4033 oder 4034 kann somit parallel geschaltet werden, um den Ausgang der Wiederdurchflußdiode 113 zu erzielen.
• Eine letzte Ausführungsform des Einbaus der Streuungszonen an der Oberfläche des Substrats, das heißt an der Integrationsfläche desselben, wird in Verbindung Figur 6 beschrieben. Gemäß der vorgenannten Figur 6 sind der Metallüberzug 402 zur Abdekkung der Oberfläche der Halbleitermaterialzonen für die zweite Diodenverbindung 102 und der verbindende Metallüberzug 403, der an der Oberfläche der Zone D1, D2, D3, D4 aus Halbleitermaterial angeordnet ist, welches die Anode der Wiederdurchflußdiode 113 bildet, an der Oberfläche des Halbleiters S ausgebildet und parallel geschaltet oder verschachtelt. Eine solche Ausführungsart gestattet insbesondere die Verringerung des Reihenwiderstandes der Diode 113 ohne Vergrößerung der dieser Diode vorbehaltenen Siliciumfläche.
• In diesem Falle sind die parallel geschalteten Metallüberzüge 402, 403 am Halbleiter S mittels einer Siliciumoxidschicht 500 ausgebildet. Diese Siliciumoxidschicht ist elektrisch isolierend und die Vielzahl von Metallüberzügen 4031, 4032, 4033, 4034, die den verbindenden Metallüberzug bilden, welcher an der Oberfläche der Halbleitermaterialzone D1, D2, D3, D4 angeordnet ist, welche die Anode der Wiederdurchflußdiode 113 bildet, bestehen somit aus den mit 5031, 5032, 5033, 5034 bezeichneten Fenstern, die in der Siliciumoxidschicht 500 angebracht sind. Der Metallüberzug 403 wird somit an den vorgenannten Fenstern in der Weise vorgenommen, daß der elektrische Kontakt mit den entsprechenden Streuungszonen D1, D2, D3, D4 gewährleistet ist.
• Ganz allgemein wird man verstehen, daß das MOS- Schaltelement durch ein Schaltelement anderer Art, zum Beispiel durch ein bipolares Schaltelement, ersetzt werden kann, ohne dadurch den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu sprengen, denn diese betrifft insbesondere den Wegfall des mit der Wiederdurchflußdiode parallel zur Induktanz verbundenen Störtransistors.
• Somit wurde ein monolithischer Regulator des Induktionsanregungsstroms eines Wechselstromgenerators beschrieben, bei dem die Wiederdurchflußdiode in vertikaler Integrationstechnik integriert ist. Diese Art von Regulator ist in dem Maße besonders vorteilhaft, wie sie bei integrierter Wiederdurchflußdiode die Nutzung aller Vorteile der bisher bekannten Schaltungen gestattet, bei denen die Schaltung im Verhältnis zum Batteriepotential, die sogenannte "High side"-Schaltung, eingesetzt wurde.

Claims (11)

1. Monolithischer Regulator des Induktionsanregungsstromes (1) eines Wechselstromgenerators, enthaltend auf dem gleichen Substrat (S) aus Halbleitermaterial einen Leistungstransistor (TP) vom Typ MOS, eine Steuerkreiszone (ZC) und eine Wiederdurchflußdiodenzone (ZD), dadurch gekennzeichnet, daß jede der genannten Zonen (ZC, ZD) gegen das genannte Substrat (S) durch einen als Verbindung zwischen Diode (101, 102) und dem Substrat dienenden, unabhängigen Isolierkasten getrennt ist, wobei der Isolierkasten (101) der Wiederdurchflußdiodenzone eine erste Verbindung der Diode (101) mit dem genannten Substrat bildet, und daß die genannte Wiederdurchflußdiodenzone (ZD) wenigstens eine zweite Diodenverbindung (102) bildet, wobei die wenigstens zwei Diodenverbindungen (101, 102) in Kaskade geschaltet sind und geeignet sind, bei Umkehrung der Polarität der an den genannten Induktor (1) angelegten Spannung einen Störtransistor (tp) zu bilden, während die genannte zweiten Diodenverbindung (102), die zur Bildung der Emitter-Basis-Verbindung des genannten Störtransistors (tp) geeignet ist, durch Verbindungsmittel (103) so kurzgeschlossen ist, daß der Störleitungsstrom des genannten Störtransistors (tp) unterdrückt wird.

2. Regulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Verbindungsmittel (103) das Kurzschließen der genannten Emitter-Basis-Verbindung (102) ermöglichen und folgendes enthalten:

- einen Transistor vom Typ MOS (1030), dessen Steuerelektrode die Halbleitermaterialzonen, die die genannte Emitter-Basis-Verbindung bilden, bedeckt,

- einen Komparator (1031), dessen Plus- und Minusklemmen mit der Bezugsspannung bzw. der umgeschalteten Induktorklemme verbunden sind.

3. Regulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des genannten Transistors MOS (1030) aus polykristallinem Silicium besteht und eine Abdeckungsbreite (1) der genannten Emitter-Basis-Verbindung (102) aufweist, die es ermöglicht, das Potential der Halbleitermaterialzonen, die die genannte Verbindung (102) bilden, anzulegen.

4. Regulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wiederdurchflußdiodenzone (ZD) in Kaskadenschaltung folgendes enthält:

- eine erste Diodenverbindung (101), die den genannten Isolierkasten bildet, auf Schwebespannung gebracht,

- eine zweite Diodenverbindung (102), wobei die genannte Diodenverbindung (102) geeignet ist, die Emitter-Basis-Verbindung des genannten Störtransistors zu bilden, in Kurzschlußschaltung (402),

- eine dritte Diodenverbindung (113), die die genannte Wiederdurchflußdiode bildet, wobei die genannte erste Diodenverbindung (101) ständig umgekehrt gepolt ist, um den genannten Isolierkasten zu bilden, während die genannte dritte Diodenverbindung (113) die genannte Wiederdurchflußdiode bildet und somit durch den genannten Isolierkasten isoliert ist, wenn kein Störleitungsstrom vom genannten Störtransistor (tp) vorhanden ist.

5. Regulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußschaltung (402) der genannten zweiten Diodenverbindung (102) durch einen Metallüberzug bewirkt wird, der die Oberfläche der Halbleitermaterialzonen, welche die genannte zweite Diodenverbindung (102) bilden, bedeckt.

6. Regulator nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermaterialzone (D), die die Anode der genannten Wiederdurchflußdiode (113) bildet, an der Oberfläche einen Verbindungsüberzug (403) aufweist, der einerseits an das Bezugspotential und andererseits an die Klemme des Induktors (1) angeschlossen ist, wobei der genannte Metallüberzug (402) das Kurzschließen der genannten zweiten Diodenverbindung (102) bewirkt, die an die umgeschaltete Klemme des genannten Induktors (1) und an die Source-Elektrode des genannten Leistungstransistors vom Typ MOS (TP) angeschlossen ist.

7. Regulator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Substrat (S) ein Material (C) vom Typ N ist, wobei die genannte erste Diodenverbindung (101) aus einer ersten Streuzone (B) aus Halbleitermaterial vom Typ P im genannten Substrat besteht, während die genannte zweite Diodenverbindung (102) aus einer zweiten Streuzone (A) aus Halbleitermaterial besteht.

8. Regulator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Metallüberzug (402), der die Oberfläche der Halbleitermaterialzonen bedeckt, die die genannte zweite Diodenverbindung (102) bilden, auf der Integrationsoberfläche des Substrats (S) ausgebildet wird und die Form einer geschlossenen Schleife aufweist, wobei der genannte verbindende Metallüberzug (403), der an der Oberfläche der Halbleitermaterialzone liegt, die die Anode der Wiederdurchflußdiode bildet, im Innern der genannten geschlossenen Schleife angeordnet ist.

9. Regulator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermaterialzone (D), die die Anode der Wiederdurchflußdiode bildet, aus einer Vielzahl von verschiedenen, verteilten Elementarzonen (D1, D2, D3, D4) besteht, wobei der genannte verbindende Metallüberzug (403), der an der Oberfläche der Halbleitermaterialzone (D) liegt, die die Anode der Wiederdurchflußdiode (113) bildet, in jeder unterschiedlichen, verteilten Elementarzone (D1, D2, D3, D4) durch eine Vielzahl verschiedener Metallüberzüge (4031, 4032, 4033, 4034) gebildet wird.

10. Regulator nach einem der Ansprüche 5 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Metallüberzug (402), der die Oberfläche der Halbleitermaterialzonen bedeckt, welche die genannte zweite Diodenverbindung (102) bilden, und der genannte Metallüberzug (403), der an der Oberfläche der Halbleitermaterialzone (D1, D2, D3, D4) liegt, welche die Anode der Wiederdurchflußdiode bildet, an der Oberfläche des Halbleiters (S) ausgebildet und parallelgeschaltet sind.

11. Regulator nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten parallelgeschalteten Metallüberzüge (402, 403) auf dem Halbleiter (S) mittels einer Siliciumoxidschicht (500) ausgebildet sind, wobei die genannte Vielzahl von verschiedenen Metallüberzügen (4031, 4032, 4033, 4034), die den genannten verbindenden Metallüberzug an der Oberfläche der Halbleitermaterialzone (D1, D2, D3, D4) bilden, woraus die Anode der Wiederdurchflußdiode besteht, von Fenstern (5031, 5032, 5033, 5034) gebildet werden, die in der genannten Siliciumoxidschicht (500) angebracht sind, woran der genannte Metallüberzug vorgenommen wird.