DE4312337A1 - Transistor mit Strommeßanschluß - Google Patents

Transistor mit Strommeßanschluß

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor, dessen Strom meßbar ist und der aus einem Haupttransistor, über den ein Hauptstrom fließt, und einem Meßtransistor zum Erfassen eines in dem Haupttransistor fließenden Stroms besteht; im einzelnen betrifft die Erfindung einen Transistor mit einem Strommeßanschluß, an dem eine durch eine Temperaturänderung wenig beeinflußte stabile Meßspannung dadurch anliegt, daß ein Widerstand vorgesehen ist, dessen Temperaturkoeffizient dafür geeignet ist, die Meßspannung von einer Temperaturänderung unabhängig zu halten.
Bei einem Leistungstransistor, über den ein starker Strom fließt, ist zu dessen Schutz ein schnelles Erfassen eines Überstroms erforderlich. Zu diesem Zweck wurde ein Leistungstransistor entwickelt und in den Handel gebracht, der zusätzlich zu einem Meßtransistor zur Strommessung einen Emitteranschluß für die Strommessung hat.
In einem Strommessungstransistor mit einem Haupttransistor, über den ein Hauptstrom fließt, und einem Meßtransistor für das Messen des über den Haupttransistor fließenden Stroms wird ein nachstehend als Meßwiderstand bezeichneter Widerstand dazu benötigt, eine Meßspannung als durch den über den Meßtransistor fließenden Strom verursachten Spannungsabfall zu erhalten. Zum genauen Messen des Meßtransistor-Stromwertes wird gewöhnlich ein temperaturunabhängiger Meßwiderstand verwendet.
In Fig. 1 ist eine Äquivalenzschaltung eines mit einem Meßwiderstand versehenen Transistors mit Strommeßmöglichkeit im Sättigungszustand dargestellt.
Allgemein können bei der Sättigung ein Haupttransistor und ein Meßtransistor als Widerstände mit einem Verhältnis von n : 1 angesehen werden. Wenn der Haupttransistor und der Meßtransistor durch eine Vielzahl von Zellen gebildet sind und das Verhältnis der Zellenanzahl des Haupttransistors zu derjenigen des Meßtransistors n : 1 ist, so ist Rce der EIN- Widerstand des Haupttransistors, nämlich der Widerstand für den in Normalrichtung zwischen dem Kollektor und dem Emitter fließenden Strom, und nRce der EIN-Widerstand des Meßtransistors.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Äquivalenzschaltung ist der EIN-Widerstand Rce des Haupttransistors zwischen dessen Kollektor C und dessen Emitter E zu dem EIN-Widerstand nRce des Meßtransistors zwischen dem Kollektor C und einem Meß- Emitter Es parallel geschaltet. Ferner ist der EIN- Widerstand nRce des Meßtransistors mit einem Meßwiderstand Rs in Reihe geschaltet.
Wenn ein Kollektorstrom und ein Meßstrom bzw. Meßtransistorstrom jeweils Ic und Is sind, entspricht eine Meßspannung Vs dem folgenden Ausdruck:
Da der EIN-Widerstand Rce eines Halbleiterelementes temperaturabhängig ist, kann er folgendermaßen ausgedrückt werden:
Rce = (1 + αk ΔT) Rceo (2)
wobei αk der Temperaturkoeffizient eines Halbleiterelements ist, ΔT eine Temperaturänderung ist und Rceo ein Ausgangswert des EIN-Widerstands Rce ist.
Da der Meßwiderstand Rs nicht temperaturabhängig ist, ergibt sich die Meßspannung Vs folgendermaßen:
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist zwar der Meßwiderstand Rs temperaturunabhängig, jedoch ist der EIN- Widerstand Rce temperaturabhängig. Wie aus der vorstehenden Gleichung (3) ersichtlich ist, verursacht daher eine Temperaturänderung eine Änderung der Meßspannung Vs. Infolgedessen kann ein Strom nicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden, so daß ein Schwellenwert für einen Überstrom nicht genau bestimmt werden kann.
Es wurde eine Lösung dieses Problems in Betracht gezogen, bei der ein gesonderter Widerstand für das Kompensieren der durch die Temperaturänderung verursachten Änderung des EIN- Widerstands vorgesehen ist, um dadurch die Meßspannung Vs von einer Temperaturänderung unabhängig zu machen. Da jedoch diese Lösung eine Erhöhung der Anzahl von Teilen mit sich bringt, steht das in Widerspruch zu der geforderten Miniaturisierung des Transistors.
In Anbetracht dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Transistor mit Strommeßmöglichkeit zu schaffen, dessen Strom dadurch mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann, daß eine als Meßergebnis erhaltene Meßspannung von der Temperatur unabhängig wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Transistor gelöst, dessen Strom meßbar ist und der einen Haupttransistor, über den ein Hauptstrom fließt, und zum Erfassen des über den Haupttransistor fließenden Hauptstroms einen Meßtransistor mit einem an dessen Emitter angeschlossenen Meßwiderstand enthält, dessen Temperaturkoeffizient annähernd auf einen für ein von der Temperatur unabhängiges Konstanthalten der Meßspannung an dem Meßwiderstand geeigneten Wert gemäß der folgenden Gleichung (A) gewählt ist:
wobei αs der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstands Rs ist, αk der Temperaturkoeffizient eines Halbleiterelementes ist, Rceo der Ausgangswert eines EIN-Widerstands Rce ist, Rso der Ausgangswert des Meßwiderstands Rs ist und n das Verhältnis der Zellenanzahl bzw. Emitterübergangsfläche des Haupttransistors zu derjenigen des Meßtransistors ist.
Wahlweise können in dem Transistor der Kollektor und die Basis des Haupttransistors jeweils mit dem Kollektor und der Basis des Meßtransistors verbunden sein.
Außerdem kann in dem Transistor, dessen Strom meßbar ist, der Emitter des Meßtransistors über den Meßwiderstand mit dem vorstehend genannten Temperaturkoeffizienten mit dem Emitter des Haupttransistors verbunden sein.
Weiterhin können der Haupttransistor, der Meßtransistor und der Meßwiderstand des Transistors mit dem Strommeßanschluß auf einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet sein.
Durch die vorstehend angeführte Gestaltung wird eine Temperaturdrift der Meßspannung unterdrückt, was das Messen eines Stroms mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der
Fig. 1 eine Äquivalenzschaltung eines mit einem Meßwiderstand versehenen Transistors, dessen Strom meßbar ist, im Sättigungszustand zeigt,
Fig. 2 schematisch die Gestaltung eines erfindungsgemäßen Transistors mit Strommeßanschluß zeigt und
Fig. 3 eine Schnittansicht ist, die den Innenaufbau einer Halbleitervorrichtung zeigt, in der ein bipolarer Transistor mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ausgebildet ist.
In der Fig. 2 ist schematisch die Gestaltung eines erfindungsgemäßen Transistors dargestellt, dessen Strom meßbar ist. Gemäß Fig. 2 enthält ein Transistor Tr mit Strommeßmöglichkeit einen Haupttransistor, über den ein Hauptstrom fließt, und einen Meßtransistor zum Erfassen des über den Haupttransistor fließenden Stroms, wobei die Transistoren jeweils einen Kollektor und eine Basis haben. Der Kollektor C und die Basis B des Haupttransistors sind jeweils mit dem Kollektor und der Basis des Meßtransistors verbunden und aus der durch gestrichelte Linien dargestellten Zelleneinheit herausgeführt. Der Emitter des Haupttransistors, d. h. der Hauptemitter Em ist ebenso wie der Kollektor C und die Basis B als Emitter E des Transistors aus der Zelleneinheit herausgeführt.
Der Meßemitter Es, d. h., der Emitter des Meßtransistors ist mit dem Hauptemitter E über einen Meßwiderstand Rs mit einem Temperaturkoeffizienten verbunden, welcher nachfolgend beschrieben wird. Die Verbindungsstelle zwischen dem Meßemitter und dem Meßwiderstand ist aus der Zelleneinheit als erster Meßspannungsanschluß 51 herausgeführt. Ferner ist die Verbindungsstelle zwischen dem Meßwiderstand Rs und dem Hauptemitter E aus der Zelleneinheit als zweiter Meßspannungsanschluß S2 herausgeführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß der Haupttransistor, der Meßtransistor und der Meßwiderstand Rs auf einem einzigen Halbleitersubstrat beispielsweise aus Silicium ausgebildet sind.
Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die den Innenaufbau der Halbleitervorrichtung veranschaulicht, in der ein bipolarer Transistor mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ausgebildet ist.
Gemäß der Fig. 3 haben eine Haupttransistoreinheit 30m und eine Meßtransistoreinheit 30s eines bipolaren NPN- Transistors 30 als Kollektorfläche ein N⁺-Siliciumsubstrat 31 gemeinsam. Das N⁺-Siliciumsubstrat 31 ist mit einer epitaxialen N-Schicht 32 überzogen. Über der Schicht ist ein SiO2- bzw. Siliciumoxidfilm 33 gebildet. Durch abwechselnd wiederholtes Bilden und Abtragen des Films ist durch thermische Diffusion eine Vielzahl von P-Basisflächen 34m und 34s in vorbestimmten Abständen gebildet. Dabei ist die P-Basisfläche 34m eine Basiszone der Haupttransistoreinheit 30m und die P-Basisfläche 34s eine Basiszone der Meßtransistoreinheit 30s.
Über jeder der P-Basiszonen 34m ist eine n⁺-Emitterzone 35m der Haupttransistoreinheit 30m gebildet, während über jeder der P-Basiszonen 34s eine N⁺-Emitterzone 35s der Meßtransistoreinheit 30s gebildet ist.
An jeder der P-Basiszonen 34m ist durch Öffnungen in dem Siliciumoxidfilm 33 hindurch eine Basiselektrode 36m der Haupttransistoreinheit 30m angebracht, während an jeder der N⁺-Emitterzonen 35m eine Emitterelektrode 37m der Haupttransistoreinheit 30m angebracht ist. Gleichermaßen ist an jeder der P-Basiszonen 34s durch Öffnungen in dem Siliciumoxidfilm 33 hindurch eine Basiselektrode 36s der Meßtransistoreinheit 30s angebracht, während an jeder der N⁺-Emitterzonen 35s eine Emitterelektrode 37s der Meßtransistoreinheit 30s angebracht ist.
An die Rückseite des N⁺-Siliciumsubstrats 31, d. h., an die gemeinsame Kollektorzone ist eine Kollektorelektrode 38 angeschlossen. Auf diese Weise können die Haupttransistoreinheit 30m und die Meßtransistoreinheit 30s des bipolaren NPN-Transistors 30 mit einem gemeinsamen Kollektoranschluß C versehen werden.
Weiterhin werden die Vielzahl der Basiselektroden 36m der Haupttransistoreinheit 30m und die Vielzahl der Basiselektroden 36s der Meßtransistoreinheit 30s auf geeignete Weise mit einem gemeinsamen Basisanschluß B verbunden. Die Vielzahl der Emitterelektroden 37m der Haupttransistoreinheit 30m ist mit einem Hauptemitteranschluß Em verbunden, der zu einem Emitteranschluß E des NPN-Transistors 30 geführt ist. Die Vielzahl der Emitterelektroden 37s der Meßtransistoreinheit 30s ist mit einem Meßemitteranschluß Es verbunden, welcher über einen Meßwiderstand Rs mit dem Emitteranschluß E des NPN-Transistors 30 verbunden ist.
Das vorstehend beschriebene Beispiel betrifft einen NPN- Transistor. Die Erfindung ist jedoch gleichfalls bei einem PNP-Transistor anwendbar.
Im folgenden wird der für das Erzielen der Temperaturunabhängigkeit der Meßspannung geeignete Temperaturkoeffizient des Meßwiderstands Rs beschrieben.
Die Fig. 1 stellt die Äquivalenzschaltung des Transistors Tr gemäß diesem Ausführungsbeispiel im Sättigungszustand dar.
Die bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels verwendeten Elemente, die die gleichen wie die bei der Beschreibung des Standes der Technik verwendeten sind, haben die gleichen Bezeichnungen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß der Meßwiderstand Rs gleichfalls temperaturabhängig ist, und zwar folgendermaßen:
Rs = (1 + αs ΔT) Rso (4)
wobei αs der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstands Rs ist, ΔT eine Temperaturänderung ist und Rso der Anfangswert bzw. Ausgangswert des Meßwiderstands Rs ist.
Infolgedessen kann die Gleichung (1) umgeformt werden zu:
Nachstehend wird die Bestimmung der notwendigen und ausreichenden Bedingung dafür beschrieben, daß die Meßspannung Vs von der Temperaturänderung ΔT unabhängig ist, wobei die Bedingung unter Anwendung einer linearen Annäherung bezüglich der Temperaturänderung ΔT erreicht wird.
Da gemäß der vorangehenden Erläuterung zu Fig. 1
(nRce + Rs)Is = Rce (Ic - Is)
gilt, ergibt sich
Ferner gilt:
RCE = (1 + αK ΔT) RCEO (2)
RS = (1 + αS ΔT) RSO (4)
Somit ergibt sich aus den Gleichungen (1), (2) und (4):
Entsprechend der Gleichung (5) kann M linear angenähert werden zu:
Die Ableitung von M in bezug auf ΔT ergibt:
Wenn M′ gleich 0 ist, gilt
(αK + αS) [(n + 1) RCEO + RSO + {(n + 1) αK RCEO + αS RSO} ΔT]
= {1 + (αK + αS) ΔT} {(n + 1) αK RCEO + αS RSO} (αK + αS) {(n + 1) RCEO + RSO} = (n + 1) αK RCEO + αS RSO
Dies wird zu
αs(n+1) Rceo = -αk Rso
umgeformt, so daß sich daher folgendes ergibt:
wobei αs der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstands Rs ist, αk der Temperaturkoeffizient des Halbleiterelementes ist, Rceo der Ausgangswert des EIN-Widerstands Rce ist, Rso der Ausgangswert des Meßwiderstands Rs ist und n das Verhältnis der Zellenanzahl des Haupttransistors zu derjenigen des Meßtransistors ist.
Die Gleichung (6) stellt die notwendige und ausreichende Bedingung dafür dar, daß die Meßspannung Vs von der Temperaturänderung ΔT unabhängig ist. Im Rahmen der Erfindung sind Abweichungen von ±10% von dem der Gleichung (6) genügenden Temperaturkoeffizienten αs zulässig.
Falls demnach der Temperaturkoeffizient αs des Meßwiderstands Rs derart gewählt ist, daß die Gleichung (6) erfüllt ist, kann die Meßspannung Vs von der Temperaturänderung ΔT unabhängig gehalten werden. D. h., das Anschließen des Meßwiderstands Rs mit dem Temperaturkoeffizienten αs an den Emitter des Meßtransistors ermöglicht es, daß die zwischen den beiden Enden des Meßwiderstands Rs auftretende Meßspannung Vs von einer Temperaturänderung nur wenig beeinflußt wird. Der durch die Gleichung (6) angegebene Wert wird durch Anwendung einer linearen Annäherung erreicht. Damit ist der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstands Rs eine Annäherung an den durch die Gleichung (6) angegebenen Wert, mit dem die Meßspannung Vs von der Temperatur unabhängig gehalten werden kann.
Der Meßwiderstand Rs wird beispielsweise auf einem Siliciumsubstrat zusammen mit dem Haupttransistor und dem Meßtransistor der Meßwiderstand Rs aus Polysilicium mit einem negativen Temperaturkoeffizienten gebildet. Der Wert des Temperaturkoeffizienten αs des Meßwiderstands Rs kann auf geeignete Weise durch Ändern von verschiedenerlei Bedingungen eingestellt werden, wie der Fremdstoffkonzentration und des Herstellungsprozesses.
Obgleich die vorstehende Beschreibung ein Ausführungsbeispiel betrifft, bei dem die Erfindung an einem gewöhnlichen Transistor angewandt ist, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung auch bei einem Feldeffekttransistor (FET) oder einem Transistor mit statischer Induktion (SIT) angewandt werden kann, wobei in diesem Fall der Kollektor, der Emitter und die Basis jeweils dem Drain, der Source und dem Gate entsprechen.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ergibt die Erfindung einen Transistor mit einem Strommeßanschluß, an dem zwischen den beiden Enden des Meßwiderstands Rs die von der Temperaturänderung ΔT unabhängige Meßspannung Vs abgenommen werden kann.
Ein mit einem Strommeßanschluß versehener Transistor enthält einen Haupttransistor, über den ein Hauptstrom fließt, und einen Meßtransistor zum Erfassen des über den Haupttransistor fließenden Stroms. An den Emitter des Meßtransistors ist ein Meßwiderstand mit einem Temperaturkoeffizienten angeschlossen, der dafür geeignet ist, eine Meßspannung unabhängig von einer Temperaturänderung konstant zu halten. Da die Meßspannung zwischen den beiden Enden des Meßwiderstands mit geringer Temperaturdrift abgenommen werden kann, bleibt die als Meßergebnis erhaltene Meßspannung von der Temperatur unabhängig, wodurch das Messen eines Stroms mit hoher Genauigkeit ermöglicht ist.

Claims (5)

1. Transistor, dessen Strom meßbar ist und der einen Haupttransistor, über den ein Hauptstrom fließt, zum Erfassen des über den Haupttransistor fließenden Stroms einen Meßtransistor und einen an dessen Emitter angeschlossenen Meßwiderstand enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (Rs) einen Temperaturkoeffizienten hat, der zumindest annähernd auf einen für das Erhalten einer Temperaturunabhängigkeit einer Meßspannung (Vs) an dem Meßwiderstand geeigneten Wert gemäß der nachstehenden Gleichung eingestellt ist: wobei αs der Temperaturkoeffizient des Meßwiderstands (Rs) ist, αk der Temperaturkoeffizient eines Halbleiterelementes ist, Rceo der Ausgangswert eines EIN-Widerstands Rce des Haupttransistors ist, Rso der Anfangswert des Meßwiderstands Rs ist und n das Verhältnis der Zellenanzahl des Haupttransistors zu derjenigen des Meßtransistors ist.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupttransistor und der Meßtransistor jeweils einen Kollektor und eine Basis haben, wobei der Kollektor (C) und die Basis (B) des Haupttransistors jeweils mit dem Kollektor und der Basis des Meßtransistors verbunden sind.
3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter (Em) des Haupttransistors mit dem Emitter (Es) des Meßtransistors über den Meßwiderstand (Rs) mit dem Temperaturkoeffizienten αs verbunden ist.
4. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupttransistor, der Meßtransistor und der Meßwiderstand (Rs) auf einem einzigen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
5. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient αs bezüglich einer Temperaturänderung ΔT ein linearer Näherungswert eines Temperaturkoeffizienten ist, der der Bedingung Vs = IsRs genügt, wobei Vs eine Meßspannung an dem Meßwiderstand ist, Is ein Meßstrom über den Meßtransistor ist und Rs der Widerstandswert des Meßwiderstands ist, so daß die Meßspannung Vs von der Temperatur unabhängig gehalten ist.
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