DE4135853A1 - Aktives halbleiterbauelement mit regelbarer waermequelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Halbleiterbauelement mit einer vom Arbeitspunkt des Halbleiterbauelements unabhängig regelbaren Heizung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einer Schaltungsanordnung mit einem solchen aktiven Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 7.

Es ist allgemein bekannt, daß die Ausgangskennlinie eines aktiven Halbleiterbauelements eine temperaturabhängige Größe ist. Bei empfindlichen Schaltungen kann diese Temperaturabhängigkeit durch große Temperaturschwankungen zu einer nicht tragbaren temperaturbedingten Drift von elektrischen Größen führen. Dies tritt insbesondere dann auf, vor allem wenn die aktiven Halbleiterbauelemente für den Betrieb mit höheren Frequenzen vorgesehen sind.

Eine der Möglichkeiten, die Wirkung einer solchen Drift zu verhindern, ist z. B. aus der Druckschrift IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IM-28, No. 1 March 1979, Seiten 32 bis 36 für eine Feldeffekttransistorschaltung beschrieben, bei der eine Spannungsdrift durch eine Kompensationsschaltung unterdrückt wird.

Solche Kompensationsschaltungen beeinflussen inbesondere bei Hochfrequenzschaltungen das Ausgangssignal und sind daher nur beschränkt verwendbar. Ferner erfordern solche Kompensationsschaltungen zusätzliche Halbleiterbauelemente.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein aktives Halbleiterbauelement oder eine Schaltungsanordnung mit einem solchen aktiven Halbleiterbauelement zu schaffen, bei dem eine durch eine Temperaturveränderung verursachte Drift einer elektrischen Größe auf einfache Weise reduziert wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der integrierten Ausbildung einer Wärmequelle in dem aktiven Halbleiterbauelement.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gegenstandes,

Fig. 2 ein aktives Halbleiterbauelement mit externer Wärmequelle, und

Fig. 3 ein aktives Halbleiterbauelement mit einer monolithisch integrierten, regelbaren Wärmequelle.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Schwankungen von elektrischen Strömen oder Spannungen als Ausgangssignale aktiver Halbleiterbauelemente, die von der Temperaturempfindlichkeit oder aktiven Halbleiterbauelemente herrühren, nicht durch aufwendige Schaltungen zu kompensieren sondern sie zu verhindern. Dies geschieht, indem die Temperatur der aktiven Halbleiterbauelemente oder auch nur Teile davon auf einen möglichst konstanten Wert geregelt werden. Dabei liegt die geregelte Temperatur über der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur.

Besondere Bedeutung hat die Erfindung für aktive Halbleiterbauelemente oder Baugruppen mit solchen Halbleiterbauelementen, die für Hochfrequenzgeräte bestimmt sind, die einer großen Temperaturschwankung unterliegen, wie z. B. für Geräte in Relaisstationen von Richtfunksystemen oder Repeaterstationen von optischen Übertragunssystemen.

Gerade die als Beispiel genannten Relaisstationen befinden sich oft in dünn besiedelten Gebieten fernab jeglicher zentralen Stromversorgung und müssen somit lokal mit Strom versorgt werden, z. B. durch Sonnenenergie, was bei hohem Stromverbrauch zu einem beträchtlichen Aufwand führen kann. Es ist daher in der Regel nicht möglich, ganze Geräte oder auch nur Baugruppen auf die mit großer Wahrscheinlichkeit maximal zu erwartende Umgebungstemperatur zu heizen.

Der Kern der Erfindung liegt nun darin, daß nur die aktiven Halbleiterbauelemente einer Schaltgruppe mit kritischen temperaturempfindlichen Ausgangssignalen und in einer vorteilhaften Ausführung oder auch nur Teile von solchen Halbleiterbauelementen, günstigerweise der aktive Bereich, durch Erwärmen auf eine maximal zu erwartende Temperatur geregelt werden. Bei der Vorgabe des Temperaturwertes darf ein bauelementespezifischer Schwellwert, dessen Überschreitung zu einer schnellen Alterung oder Zerstörung empfindlicher Halbleiterbauelemente führt, nicht überschritten werden.

Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 1 abgebildet. Eine regelbare Wärmequelle WQ ist zum Erwärmen eines aktiven Halbleiterbauelements FET über eine Wärmebrücke WB mit dem aktiven Halbleiterbauelement FET verbunden.

Die Wärmequelle WQ wird dabei über ein Regelsignal f_(T) derart geregelt, daß sich das aktive Halbleiterbauelement FET oder auch nur Teile davon, z. B. wenigstens ein Teil des aktiven Bereichs, auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt.

Das Regelsignal f_(T) kann durch einen Temperatursensor gewonnen werden, der sich günstigerweise in dem zu erwärmenden aktiven Halbleiterbauelement oder auch nur in dessen Nähe befindet. Bei hermetisch abgedichteten Schaltgruppen kann man davon ausgehen, daß Temperaturschwankungen, die durch äußere Einflüsse bedingt sind, sich auf eine Schaltgruppe gleichermaßen auswirken. In diesem Fall kann der Temperatursensor an einer beliebigen Stelle innerhalb der Schaltgruppe, oder wenn sich diese in einem Gehäuse befindet, an der Gehäusewand angeordnet werden.

Die Menge der zugeführten Wärme wird durch das Regelsignal f_(T) geregelt. Liegt in der Baugruppe eine tiefe Temperatur vor, wird die Wärmequelle WQ auf eine hohe Temperatur geregelt. Liegt die maximal zu erwartende Temperatur vor, wird die Wärmequelle WQ abgeschaltet.

Die Dimensionierung der Wärmequelle WQ hinsichtlich der zu erzeugenden Temperatur und der abzugebenden Wärme richtet sich nach der Art der Wärmekopplung mit dem aktiven Halbleiterbauelement FET und der maximal erforderlichen Wärmemenge für das aktive Halbleiterbauelement FET.

Da die temperaturbedingte Schwankung des Ausgangssignals eines aktiven Halbleiterbauelements FET primär von der Temperaturschwankung des aktiven Bereichs abhängt, wird, um die Heizleistung zu minimieren, in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch nur der aktive Bereich durch die Wärmequelle WQ erwärmt.

Bekannterweise erwärmt sich der aktive Bereich eines aktiven Halbleiterbauelements FET auch durch das Betreiben eines Halbleiterbauelementes FET selbst, und zwar in Abhängigkeit der Aussteuerung des aktiven Halbleiterbauelements. Diese Eigenerwärmung ist bei der Zuführung von Wärme über die Wärmequelle WQ zu berücksichtigen.

Wird in einer Ausführungsart nur der aktive Bereich erwärmt und das Regelsignal f_(T) durch die Temperatur außerhalb des aktiven Halbleiterbauelements FET bestinmt, erfährt das Ausgangssignal des aktiven Halbleiterbauelements FET noch eine zusätzliche meßbare, durch Eigenerwärmung des Halbleiterbauelements temperaturbedingte Drift, deren Wert von der Aussteuerung abhängt. Der Wert einer solchen Drift kann minimiert werden, indem der durch die Wärmequelle WQ erwärmte Bereich vergrößert wird, in dem z. B. das gesamte Halbleiterbauelement FET auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird. Dies bedingt allerdings wieder einen erhöhten Bedarf an Heizleistung.

Zur Lösung dieses Problems wird das Regelsignal f_(T) vorteilhafterweise aus dem Ausgangssignal des aktiven Halbleiterbauelements FET oder einem daraus abgeleiteten Signal gewonnen. Dies hat ferner den Vorteil, daß hier kein Temperatursensor benötigt wird. Hierbei wird die zu regelnde Größe (z. B. Frequenz) direkt als Regelsignal verwendet, wodurch die durch das Betreiben des aktiven Halbleiterbauelements FET erzeugte Wärme im Regelsignal berücksichtigt wird.

In einem Ausführungsbeispiel stellt das aktive Halbleiterbauelement FET einen in einem Gehäuse befindlichen Feldeffekttransistor FET dar, bei dem der oder die Anschlüsse z. B. für Source S und Drain D mit einem Miniatur-Chip-Widerstand verlötet sind, wie dies schematisch in Fig. 2 gezeigt ist.

Feldeffekttransistoren für Frequenzen im GHz-Bereich weisen in der Regel zwei Source-Anschlüsse auf. In diesem Fall können, z. B. um eine bessere thermische Kopplung zu erreichen, beide Source-Anschlüsse mit einer Wärmequelle WQ verlötet werden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines aktiven Halbleiterbauelements FET mit gekoppelter Wärmequelle in Form eines Feldeffekttransistors mit monolithisch integrierter Wärmequelle WQ und monolithisch integriertem Temperatursensor TS abgebildet. Die Wärmequelle WQ weist zwei elektrische Anschlüsse H₁, H₂ auf und stellt eine Schicht mit hohem elektrischem Widerstand dar. Der Temperatursensor TS mit den Anschlüssen T₁, T₂ ist als eine Widerstandsschicht ausgebildet, deren elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Das aktive Halbleiterbauelement kann auch wahlweise nur die Wärmeqwuelle WQ oder nur den Temperatursensor TS in monolithisch integrierter Form enthalten.

In einem nicht abgebildeten Ausführungsbeispiel befindet sich der Chip eines aktiven Halbleiterbauelements FET auf einer Seite eines Substrats, und auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats ist die Wärmequelle angebracht. Die Wärmekopplung erfolgt hierbei durch das Substrat (nicht abgebildet).

Wie aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich, bestehen viele Möglichkeiten, die Erfindung zu realisieren. Dabei muß für jede einzelne Ausgestaltung gegebenenfalls experimentell ermittelt werden, welche Wärmemenge bei welcher Temperatur die Wärmequelle zu erbringen hat, um die Temperatur des aktiven Bereichs des Halbleiterbauelements oder das aktive Halbleiterbauelement als Ganzes auf einen vorgegebenen konstanten Wert zu regeln.

Eine besondere Bedeutung hat die Erfindung für aktive Halbleiterbauelemente, die bei hohen Frequenzen betrieben werden und großen Temperaturschwankungen unterliegen. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente oder Schaltungen finden ihre Anwendung daher insbesondere in Geräten wie z. B. Mischern oder Frequenzteilern, die mit Frequenzen im GHz-Bereich betrieben werden und großen Temperaturschwankungen von z. B. von -40°C bis +70°C unterliegen. Vorteilhafterweise werden nur die aktiven Hochfrequenzhalbleiterbauelemente, z. B. ein Hochfrequenztransistor, auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt.

Als erfindungsgemäße aktive Halbleiterbauelemente eignen sich über die schon in den Ausführungsbeispielen genannten Feldeffekttransistoren auch andere elektrische Halbleiterbauelemente, wie z. B. bipolare Transistoren, Dioden oder auch elektrooptisch aktive Halbleiterbauelemente, wie z. B. Laserdioden oder Fotodioden. Bei den elektrooptisch aktiven Halbleiterbauelementen liegen in der Regel noch weitere kritische temperaturabhängige Größen, z. B. der Ausgangspegel bei Laserdioden, vor, die fallweise berücksichtigt werden müssen.

Claims (11)

1. Aktives Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer vom Arbeitspunkt des Halbleiterbauelements (FET) unabhängig regelbaren Wärmequelle (WQ) thermisch gekoppelt ist.

2. Aktives Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein aus mehreren Schichten bestehendes Halbleiterbauelement (FET) ist und eine Widerstandsschicht als monolithisch integrierte Wärmequelle (WQ) aufweist.

3. Aktives Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des aktiven Bereiches mit der Wärmequelle (WQ) thermisch gekoppelt ist.

4. Aktives Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich über einen elektrischen Anschluß mit der Wärmequelle (WQ) thermisch gekoppelt ist.

5. Aktives Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (WQ) ein Miniatur-Chip-Widerstand ist.

6. Aktives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Feldeffekttransistor oder bipolarer Transistor ist.

7. Schaltungsanordnung mit einem aktiven Halbleiterbauelement und einer regelbaren Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Halbleiterbauelement (FET) mit einer vom Arbeitspunkt des Halbleiterbauelements (FET) unabhängig regelbaren Wärmequelle (WQ) thermisch gekoppelt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (WQ) über einen Temperatursensor geregelt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor ein elektrisches Widerstandselement (NTC) ist, dessen elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (WQ) durch eine durch das aktive Halbleiterbauelement (FET) erzeugte oder einer daraus abgeleiteten elektrischen Größe geregelt wird.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das oder eines der aktiven Halbleiterbauelemente (FET) ein in einem Frequenzteiler oder Mischer befindlicher Hochfrequenztransistor ist.