NL7902632A

NL7902632A - Transistorschakelaar.

Info

Publication number: NL7902632A
Application number: NL7902632A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1980-10-07
Also published as: FR2453547B1; GB2046050B; IT1140809B; JPS55134968A; GB2046050A; JPS6355222B2; CA1135800A; IT8021119A0; DE3012843C2; DE3012843A1; US4317128A; FR2453547A1

Description

i "Si ïf.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

3-4-1979 1 PHN 9405

Trans istorschakelaar.

De uitvinding· heeft betrekking op een transis-torschakelaar omvattende een eerste transistor waarvan de kollector-emitterstroombaan de schakelweg vormt, en een tweede transistor waarvan de emitterelektrode met de ba-5 siselektrode van de eerste transistor is verbonden en de basiselektrode een schakelingang vormt.

Meestal is bij een dergelijke schakelaar de kollektorelektrode van de tweede transistor met die van de eerste transistor verbonden - een Darlingtonschakeling -10 wat ten opzichte van een enkelvoudige transistor het voordeel heeft dat het signaalstroomverlies tengevolge van basisstromen aanmerkelijk kleiner is. Ten opzichte van een enkelvoudige transistor blijkt de in de aanhef genoemde transistorkombinatie als schakelaar aanmerkelijk trager 15 te zijn.

De uitvinding beoogt een schakelaar van het in de aanhef genoemde type met verbeterde schakelsnelheid en heeft daartoe als kenmerk, dat de totale tussen basis en emitter van de tweede transistor aanwezige kapaciteit ten 20 opzichte van de aan de basiselektrode van de eerste transistor aanwezige kapaciteit zodanig gedimensioneerd is dat bij geleidende toestand van de eerste en tweede transistor een spanningsvariatie op de basiselektrode- van de tweede transistor ten opzichte van de spanning op de emitterelektrode van de eerste transistor in hoofdzaak gelijkelijk 7S0 26 32 % 7Γ 2 PHN 9^05 over de basis-emitterovergangen van de eerste en tweede transistor verdeeld wordt.

De uitvinding berust op het inzicht dat bij de gebruikelijke Darlingtontransistorschakelaars dé parasitaire 5 kapaciteit tussen basis en emitter van de tweede transistor kleiner is dan die tussen basis en emitter van de eerste transistor in hoofdzaak omdat de tweede transistor de ba-sisstroom van de eerste transistor voert waardoor de stroom die de tweede transistor voert aanmerkelijk kleiner is 10 dan de stroom die de eerste transistor voert waardoor de stroom afhankelijke opslagkapaciteit (storagecapacitance) van de tweede transistor kleiner is dan die van de eerste transistor.en ook wel omdat vanwege het lagere stroomniveau de tweede transistor kleiner gedimensioneerd kan worden 15 dan de eerste transistor waardoor ook de depletiekapaciteit kleiner is. Daarbij komt dat de kollektor-basiskapaciteit van de eerste transistor vanuit de emitter van de tweede transistor gezien parallel aan de basis-emitterkapaciteit van de eerste transistor werkzaam is. Dit verschil in pa-20 rasitaire kapaciteitswaarden leidt er bij afschakelen toe dat een spanningsverandering aan de basis van de tweede transistor in eerste instantie over de basis-emitterover-gang van de tweede transistor verschijnt en deze afschakelt. Na afschakeling van de tweede transistor zijn de met de 25 basiselektrode van de eerste transistor verbonden parasitaire kapaciteiten enerzijds met een hoogohmig punt tussen de emitter van de afgeschakelde tweede transistor en de basis van de eerste transistor verbonden zodat het met het afschakelen van de eerste transistor gepaard gaande ontla-30 den van die kapaciteiten aanmerkelijk trager verloopt dan het het geval is bij een enkelvoudige transistorschakelaar waar de basiselektrode met een laagohmige bron voor de schakelspanning is verbonden.

De vergroting van de basis-emitterkapaciteit van 35 de tweede transistor kan op veel manieren geschieden onder andere door het parallel aan die basis-emitterovergang schakelen van een kondensator die bijvoorbeeld door een gesperde halfgeleiderovergang gevormd kan worden. Een 7 ÖO 2 6 3 2 & 3 PHN 9405 voorkeursuitvoeringsvorm van de transistor schakelaar volgens de uitvinding wordt voor het vergroten van de kapaciteit gekenmerkt doordat de eerste en tweede transistor gelijksoortig zijn uitgevoerd in één substraat en dat 5 het oppervlak van de basis-emitterovergang van de tweede transistor groter is dan het oppervlak van de basis-emitterovergang van de eerste transistor.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de figuur waarin 10 Figuur 1 een Darlingtonconfiguratie toont ter verklaring van de uitvinding.

Figuur 2 een schematische weergave van de meest . optimale verhouding van de oppervlakken van de basis-emit-terovergangen van transistoren en Tg toont, en 15 Figuur 3 een geïntegreerde uitvoeringsvorm van een transistorschakelaar volgens de uitvinding toont.

Figuur 1 toont een Darlingtonconfiguratie van transistoren en Tg, waarbij op bekende wijze de emitter-elektrode van transistor Tg met de basiselektrode van 20 transistor is verbonden en de beide kollektorelektroden onderling zijn doorverbonden. De emitterelektrode van transistor T^ is met een aansluitpunt 2 en de kollektor-elektrode met een aansluitpunt 3 verbonden. Tussen de aansluitpunten 2 en 3 kan de Darlingtonconfiguratie als 25 schakelaar fungeren door aan het met de basiselektrode van transistor Tg verbonden aansluitpunt 1 een geschikt gekozen stuursignaal toe te voeren.

Elke transistor vertoont tussen zijn basis en emitter een parasitaire kapaciteit die bestaat uit een 30 depletiekapaciteit die evenredig is met het oppervlak van de basis-emitterovergang en een ladingsopslagkapaciteit die evenredig is met de kollektorstroom van de transistor. Omdat bij een Darlingtonconfiguratie de stuurtransistor Tg een veel kleinere kollektorstroom voert dan de andere 35 transistor T^, is de ladingopslagkapaciteit van de transistor Tg kleiner dan de ladingopslagkapaciteit van transistor T.j . Omdat vanwege de kleinere stroom door transistor Tg ook het emitteroppervlak van transistor Tg kleiner 790 2 6 3 2.

r V ' " k PHN 9^05 gekozen kan worden dan dat van transistor zal ook de depletiekapaciteit van transistor kleiner zijn dan die van transistor , zodat bij de bekende Darlingtonconfi-guratie de basis-emitterkapaciteit Ce2 van de stuurtran-5 sistor kleiner zal zijn dan de basis-emitterkapaciteit Ce_j van transistor T1 . Zijn transistoren en T2 in geleiding en wordt de spanning tussen aansluitpunten T en 2 verlaagd teneinde de transistoren in de ongeleidende toestand te schakelen, dan zal zo'n spanningsverlaging zich 10 verdelen over de kapaciteit en Cq2met parallel daaraan de kollektorbasiskapaciteit van transistor en eventuele andere kapaciteiten zoals een kapaciteit tussen de basis van transistor en massa. Omdat de kapaciteit 0^2 kleiner is dan kapaciteit met parallel daaraan de 15 kapaciteit C zal het grootste gedeelte van de spannings-

O I

verlaging in eerste instantie over kapaciteit Ce2 optreden zodat transistor spert voordat transistor spert waardoor kapaciteiten C 1 en C 0 enerzijds niet meer ver-bonden zijn met de bij geleiding laagohmige emitter van 20 transistor en dus veel trager ontladen dan het het geval zou zijn indien transistor niet eerder dan transistor zou sperren. Een oplossing is het vergroten van de kapaciteit Cq2 zodat een spanningsvariatie tussen punten 1 en 2 gelijkelijk over beide basis-emitterovergangen 25 verdeeld wordt en beide transistoren gelijktijdig sperren hetgeen de meest optimale situatie is omdat indien de kapaciteit Ce2 te groot gekozen wordt de situatie verslechtert. In dat geval spert transistor eerst’ en blijft transistor T2 onnodig lang in geleiding vanwege de te hoge 30 kapaciteit 0^2, hetgeen onder andere een onnodige lage grensfrequentie van de stuurtransistor betekent. Bovendien wordt kapaciteit dan niet verder via de basis- emitterovergang van transistor- ontladen maar via transistor T2 waardoor er kapacitieve laadstroom door aan-35 sluitpunt 3 vloeit terwijl transistor reeds gesperd is.

Vergroting van kapaciteit Cq2 kan bijvoorbeeld geschieden door parallel aan de basis-emitterovergang van transistor T2 een extra kapaciteit aan te sluiten. In 7 ¢0 2 6 3 2 5 PHN 9^05 geïntegreerde schakelingen zal het veelal de voorkeur verdienen deze kapaciteitsvergroting te verkrijgen door het vergroten van het oppervlak A^ van de basis-eraitterovergang van transistor ten opzichte van het oppervlak van de § basis-emitterovergang van transistor .

Figuur 2 toont schematisch de meest optimale oppervlak verhouding A^: A^ als funktie van de te schakelen stroom Ιβ. Deze verhouding neemt toe met de te schakelen stroom en is ook voor zeer kleine stromen Ic groter dan 10 één omdat tengevolge van de kollektor-basiskapaciteit C Λ de kapaciteit C „ groter dan de kapaciteit C moet zijn.

6 I

Computerberekeningen aan Darlingtonconfiguraties geïntegreerd volgens gebruikelijke technieken hebben aangetoond dat deze oppervlakte verhouding bijvoorbeeld drie kan 15 bedragen voor te schakelen stromen van bijvoorbeeld 2mA.

Wordt voor het vergroten van de basis-emitter-kapaciteit van transistor ten opzichte van die van transistor T.j gekozen voor het vergroten van het oppervlak van de basis-emitterovergang van transistor dan leidt 20 dit tot de bij Darlingtonconfiguraties ongebruikelijke situatie dat de stuurtransistor (T^) een groter basis-emitteroppervlak vertoont dan de transistor . Zo’n oplossing toont figuur 3 schematisch, -welke geschikt is voor toepassing in geintegreerde schakelingen. In een 25 n-type gebied 4 dat als gemeenschappelijke kollektor voor beide transistoren fungeert zijn twee p-type basisgebieden 5 en 7 aangebracht. In het basisgebied 5 is ©en n-type emittergebied 6 aangebracht en in het. basisgebied 7 een n-type emittergebied 8. In het kollektorgebied 4 is een 30 n+ diffusie 9 aangebracht waarop het gezamelijke kollektor-aansluitpunt 3'kan worden aangebracht. De gebieden 4, 5 en 6 vormen transistor en de gebieden 4, 7 en 8 transistor T^· Op de gebieden worden op bekende wijze, in de figuur eenvoudigheidshalve niet weergegeven, kontakten aangebracht 35 die onderling worden verbonden overeenkomstig het schakelschema van figuur 1. Om de gewenste oppervlakteverhouding te bereiken is de emitter 8 van transistor breder dan de emitter 6 van transistor . Ook kan om de gewenste· 790 2 8 32

Claims

6 PHN 9^05 oppervlakteverhouding te bereiken de emitter 8 van transistor langer gekozen worden dan de emitter 6 van transistor . De uitvinding beperkt zich niet tot de getoonde 5 uitvoeringsvorm. Er zijn andere manieren om genoemde oppervlakteverhouding te verkrijgen en ook andere mogelijkheden dan oppervlaktevergroting om de kapaciteit C „ te Θα vergroten. Daarnaast kan de uitvinding op eenzelfde wijze ook... toegepast worden bij Darlingt onkombinaties met pnp-10 transistoren. Ook beperkt de uitvinding zich niet tot een Darlingtoneonfiguratie. ¥anneer de nauwkeurigheid van de schakelaar minder belangrijk is, kan de kollektor van transistor ook bijvoorbeeld met een voedingsaansluit-punt in plaats van met de kollektor van transistor 15 worden verbonden.

1. Transistorschakelaar omvattende een eerste tran sistor, waarvan de kollektor-emitterstroombaan de schakel-weg vormt en een twëede transistor waarvan de emitter-20 elektrode met de basiselektrode van de eerste transistor is verbonden en de basiselektrode een schakelingang vormt, gekenmerkt doordat de totale tussen basis en emitter van de tweede transistor aanwezige kapaciteit ten opzichte van de aan de basiselektrode van de eerste transistor aanwezige 25 kapaciteit zodanig gedimensioneerd is dat bij geleidende toestand van de eerste en tweede transistor een spannings-variatie op de basiselektrode van de tweede transistor ten opzichte van de spanning op de emitterelektrode van de eerste transistor in hoofdzaak gelijkelijk over de basis-30 emitterovergangen van van de eerste en tweede transistor verdeeld wordt.

2. Transistorschakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de eerste en tweede transistor gelijksoortig zijn uitgevoerd in één substraat en dat het opper-35 vlak van de basis-emitterovergang van de tweede transistor groter is dan het oppervlak van de basis-emitterovergang van de eerste transistor. 790 2 6 3 2