WO1990003065A1 - Elektronisches, monolithisch integriertes gerät - Google Patents

Elektronisches, monolithisch integriertes gerät Download PDF

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WO1990003065A1
WO1990003065A1 PCT/DE1989/000523 DE8900523W WO9003065A1 WO 1990003065 A1 WO1990003065 A1 WO 1990003065A1 DE 8900523 W DE8900523 W DE 8900523W WO 9003065 A1 WO9003065 A1 WO 9003065A1
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transistor
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monolithically integrated
electronic
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Inventor
Gerhard Conzelmann
Gerhard Fiedler
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203—Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0214—Particular design considerations for integrated circuits for internal polarisation, e.g. I2L
    • H01L27/0229—Particular design considerations for integrated circuits for internal polarisation, e.g. I2L of bipolar structures
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents

Definitions

  • the invention relates to an electronic, monolithically integrated device according to the preamble of the main claim.
  • the transistor Because of the long lifespan of the charge carriers generated compared to the period of the alternating voltage, the transistor also remains with the Return from inverse operation to normal operation conductive if the charge carriers cannot flow out of the base. This means that the transistor can change from switched off to switched on under the influence of high-frequency alternating voltages, although it usually remains more high-resistance than when controlled by the regular base current.
  • the electronic device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the blocked state of the transistor concerned is maintained. Further advantages result from subclaims 2 to 12 and from the description.
  • Figure la, b shows the circuit of an NPN and PNP transistor
  • FIG. 2 shows the time course of the collector voltage of the transistor generating the direct current under the influence of a superimposed high-frequency alternating voltage, provided the transistor remains blocked.
  • FIG. 3 shows the circuitry of the transistor with a sufficiently low resistance between base and emitter or a controlled transistor as a replacement
  • FIG. 4 shows a suitable control circuit for the transistor to be kept blocked.
  • FIG. 5 shows an improved circuit compared to the circuit of FIG. 4, which is further simplified in FIG. 6.
  • Figures 7 and 8 show a bracketing of the regular collector-base section with a Schottky diode. Description of the invention
  • 01 is the ground-side connection
  • 02 the connection for the positive pole of the operating voltage and 2 an NPN transistor, as is customarily shown on a p-type substrate, 21 its emitter, for example, directly connected to ground 01, 22 its base and 23 its collector, which is connected on the one hand to the connection pad 03 and on the other hand forms the parasitic diode 3 with the substrate as the anode 32; whose cathode 31 thus corresponds to the collector 23 of 2.
  • the arrangement for a PNP transistor 2 * is shown in FIG. 1b.
  • FIG. 2 shows the time course of the collector potential U against ground. If the line connected to the connection spots 01, 03 comes into the field of a strong transmitter, then amplitudes can be influenced which go far beyond the direct potential U currently present between the collector 23 and the emitter 21; this occurs at time t.
  • a rich current is preferably produced in the substrate diode 3, which raises the DC potential U 1 to the value U 1, provided that the transistor is not switched on by the high frequency due to the partial current flowing to the base.
  • Directional current is preferably produced in the substrate diode 3, which raises the DC potential U 1 to the value U 1, provided that the transistor is not switched on by the high frequency due to the partial current flowing to the base.
  • the transistor in this example normally remains conductive even during the positive half-wave, unless the charge carriers according to FIG. 3 have an intermediate base 22 and emitter 21 switched low-resistance resistor 4 can flow off.
  • the low-resistance resistor 4 requires a high drive current for the base 22 of the transistor 2; it is therefore expedient to replace it with a controllable resistor, for example transistor 5.
  • 6 is, for example, a current source that supplies the base current for the transistor 2; if 2 is to be de-energized, transistor 5 must be switched on via its base 52.
  • the base current flowing at 52 is now to be chosen so high that the transistor 5 can not only derive the current from the current source 6, but also the portion of the directional current flowing based on 2.
  • FIG. 5 shows a possible example: the transistor 55 supplies the additional auxiliary current from the alternating voltage rectified at its base-emitter diode, which is fed in via the capacitor 5 ⁇ .
  • the directional current effective at the base of 54 is determined by means of the resistor 55. So that the transistor 5 can be switched on and off via its base input 52 even when larger RF voltages are present, the collector current of the transistor 54 is fed to the base of FIG. 5 via the AND link 53. So the RF voltage can only be effective if 52 is positive, ie transistor 5 is live and transistor 2 is blocked.
  • the circuit according to FIG. 5 can be simplified considerably according to FIG. 6: the powerful direct current flowing in the substrate diode 3 injects a minority current into the substrate. Part of this current can be used as the base current for transistor 54; if the transistor 54 is arranged adjacent to the transistor 2, a part of the minority current consisting of electrons flows onto the n-doped base of 54, which is connected to positive voltage; the system controls itself. Capacitor 56 and resistor 55 can be saved. From fast bipolar logic circuits it is known to avoid the saturation range of the collectors by a Schottky diode from the collector to the base of the switching transistors, whereby the transistors switch considerably faster. This measure also helps here: If, as in FIG.
  • the cathode of the Schottky diode 8 is connected to the collector 23 and the anode is connected to the base 22, the directional current generated when the collector 23 is immersed below the ground potential 01 is largely dependent on the Schottky diode 8 men.
  • Figure 8 shows the wiring of a corresponding PNP transistor.

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Abstract

Es wird ein elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor (2) vorgeschlagen, zu dessen Kollektor von außen eine Leitung geführt ist, wobei auf dieser Leitung durch äußere hochfrequente elektromagnetische Felder, wie sie in der Umgebung starker Sender auftreten, hochfrequente Wechselspannungen influenziert werden mit Amplituden ähnlicher Größenordnung, vorzugsweise größer als die etwa momentan zwischen Kollektor und Emitter wirksame Gleichspannung, wodurch der normalerweise gesperrte pn-Übergang, den die Kollektorzone mit mindestens einer an sie angrenzenden Zone umgekehrter Dotierung bildet, durch die influenzierte hochfrequente Wechselspannung im Bereich negativer oder positiver Halbwellen in Durchlaßrichtung gepolt ist, wodurch als Basisströme wirksame Richtströme entstehen, die zum Einschalten des vorher gesperrten Transistors (2) führen. Das Einschalten des Transistors (2) ist im Bereich der influenzierten hochfrequenten Wechselspannung verhindert durch einen hinreichend niederohmigen Widerstand (4) zwischen Basis und Emitter des gesperrt zu haltenden Transistors (2).

Description

Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein elektronisches, monolithisch integriertes Gerät nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Wie bereits in den DE-Patentan eldungen P 38 02 822 und P 38 27 052 gezeigt wurde, werden in Fahrzeugleitungen im hochfrequenten Feldbe¬ reich starker Sender Spannungen beachtlicher Amplitude influenziert. Führen solche Leitungen zu elektronischen Geräten, so können diese gestört werden. Die bereits genannten Vorschläge ermöglichen einen störungsfreien Betrieb, jedoch mit einer Ausnahme: Führen nämlich Leitungen zu einem Anschlußfleck einer monolithisch integrierten Schaltung, der direkt mit dem Kollektor eines Transistors, dessen Emitter praktisch auf Masse oder auf Betriebsspannung liegt, verbun¬ den ist, so hängt die Funktion von den Ansteuerbedingungen an der Basis des Transistors ab. Übersteigt die hochfrequente Wechselspan¬ nung die momentan zwischen Kollektor und Emitter anliegende Gleich¬ spannung, so wird die Kollektorzone zum Emitter eines invers betrie¬ benen Transistors und die Basis mit Strom beaufschlagt. Wegen der gegenüber der Periodendauer der Wechselspannung großen Lebensdauer der erzeugten Ladungsträger bleibt der Transistor auch bei der Rückkehr aus dem inversen Betrieb in den Normalbetrieb leitfähig, sofern die Ladungsträger nicht aus der Basis abfließen können. Dies bedeutet, daß der Transistor unter dem Einfluß hochfrequenter Wech¬ selspannungen vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand übergehen kann, wobei er jedoch meist hochohmiger bleibt als bei ei¬ ner Ansteuerung durch den regulären Basisstrom.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße elektronische Gerät mit der kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der gesperrte Zustand des betroffenen Transistors aufrechterhalten wird. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 12 und aus der Beschreibung.
Zeichnung
Die Erfindung sei anhand der Figuren 1 bis 8 erläutert: Figur la, b zeigt die Schaltung eines NPN- und PNP-Transistors; in Figur 2 ist der Zeitverlauf der Kollektorspannung des Richtstrom er¬ zeugenden Transistors unter dem Einfluß einer überlagerten hochfre¬ quenten Wechselspannung dargestellt, sofern der Transistor gesperrt bleibt. Figur 3 zeigt die Beschaltung des Transistors mit einem hin¬ reichend niederohmigen Widerstand zwischen Basis und Emitter bzw. einem gesteuerten Transistor als Ersatz, Figur 4 eine geeignete An¬ steuerschaltung für den gesperrt zu haltenden Transistor. In Figur 5 ist eine gegenüber der Schaltung von Figur 4 verbesserte Schaltung wiedergegeben, die in Figur 6 weiter vereinfacht ist. Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Klammerung der regulären Kollektor-Basis-Strecke mit einer Schottky-Diode. Beschreibung der Erfindung
In Figur la ist 01 der masseseitige Anschluß, 02 der Anschluß für den positiven Pol der Betriebsspannung und 2 ein wie gebräuchlich auf einem p-Substrat dargestellter NPN-Transistor, 21 sein bei¬ spielsweise direkt mit der Masse 01 verbundener Emitter, 22 seine Basis und 23 sein Kollektor, der einerseits mit dem Anschlußfleck 03 verbunden ist und andererseits mit dem Substrat als Anode 32 die parasitäre Diode 3 bildet; deren Kathode 31 entspricht somit dem Kollektor 23 von 2. In Figur lb ist die Anordnung für einen PNP-Transistor 2* wiedergegeben.
In Figur 2 ist der Zeitverlauf des Kollektropotentials U gegen Masse dargestellt. Gerät die an die Anschlußflecken 01, 03 ange¬ schlossene Leitung in das Feld eines starken Senders, so können Am¬ plituden influenziert werden, die weit über das momentan zwischen Kollektor 23 und Emitter 21 anstehende Gleichpotential U hinaus¬ gehen; dieser Fall trete zum Zeitpunkt t ein. Es entsteht vor¬ zugsweise ein Richstrom in der Substrat-Diode 3, der das Gleichpo¬ tential U,„ auf den Wert U, _, anhebt, sofern der Transistor nicht 13 14 durch die Hochfrequenz eingeschaltet wird durch den auf die Basis fließenden Teil-Richtstrom.
Durch die hohe Lebensdauer der Ladungsträger im Basisraum, die um Größenordnungen höher sein kann als die Periodendauer der Wechsel¬ spannung, bleibt normalerweise der Transistor in diesem Beispiel auch während der positiven Halbwelle leitend, sofern die Ladungsträ¬ ger nicht nach Figur 3 über einen zwischen Basis 22 und Emitter 21 geschalteten niederohmigen Widerstand 4 abfließen können. Der nie- derohmige Widerstand 4 bedingt einen hohen Ansteuerstrom für die Basis 22 des Transistors 2; er ist deshalb zweckmäßig durch einen steuerbaren Widerstand, beispielsweise den Transistor 5, zu ersetzen. In der daraus resultierenden AnsteuerSchaltung nach Figur 4 ist bei¬ spielsweise 6 eine Stromquelle, die den Basisstrom für den Transi¬ stor 2 liefert; soll 2 stromlos werden, so ist der Transistor 5 über seine Basis 52 einzuschalten. Der auf 52 fließende Basisstrom ist nun so hoch zu wählen, daß der Transistor 5 nicht nur den Strom der Stromquelle 6 abzuleiten vermag, sondern auch noch den auf die Basis von 2 fließenden Anteil am Richtstrom.
Da dieser Anteil im normalen Betrieb nicht erforderlich ist, ist es vorteilhaft, ihn durch die hochfrequente Wechselspannung selbst zu erzeugen.
Figur 5 zeigt hierzu ein mögliches Beispiel: Den zusätzlichen Hilfs¬ strom liefert der Transistor 55 aus der an seiner Basis-Emitter-Dio¬ de gleichgerichteten Wechselspannung, die über den Kondensator 5δ eingespeist ist. Der an der Basis von 54 wirksame Richtstrom wird mittels des Widerstands 55 bestimmt. Damit der Transistor 5 über seinen Basiseingang 52 auch beim Vorliegen größerer HF-Spannungen ein- und ausschaltbar bleibt, wird der Kollektorstrom des Transi¬ stors 54 über die UND-Verknüpfung 53 der Basis von 5 zugeführt. So kann die HF-Spannung nur wirksam werden, wenn 52 positiv ist, also Transistor 5 stromführend und Transistor 2 gesperrt ist.
Die Schaltung nach Figur 5 läßt sich gemäß Figur 6 erheblich verein¬ fachen: Der in der Substratdiode 3 fließende kräftige Richtstrom in¬ jiziert einen Minoritätsstrom in das Substrat. Ein Teil dieses Stroms kann als Basisstrom für den Transistor 54 genutzt werden; wird der Transistor 54 benachbart zum Transistor 2 angeordnet, so fließt ein Teil des aus Elektronen bestehenden Minoritätsstroms auf die an positiver Spannung liegende n-dotierte Basis von 54; das Sy¬ stem steuert sich selbst. Kondensator 56 und Widerstand 55 lassen sich einsparen. Von schnellen bipolaren Logikschaltungen her ist es bekannt, den Sättigungsbereich der Kollektoren durch eine Schottky-Diode vom Kol¬ lektor zur Basis der Schalttransistoren zu vermeiden, wodurch die Transistoren erheblich schneller schalten. Diese Maßnahme hilft auch hier: Wird wie in Figur 7 die Kathode der Schottky-Diode 8 mit dem Kollektor 23 und die Anode mit der Basis 22 verbunden, so wird der beim Untertauchen des Kollektors 23 unter das Massepotential 01 ent¬ stehende Richtstrom größtenteils von der Schottky-Diode 8 aufgenom¬ men.
Figur 8 zeigt die Beschaltung eines entsprechenden PNP-Transistors.

Claims

Ansprüche
1. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor (2, 2'), zu dessen Kollektor von außen eine Leitung geführt ist, wobei auf dieser Leitung durch äußere hochfrequente elektromagnetische Felder, wie sie in der Umgebung starker Sender auftreten, hochfrequente WechselSpannungen influenziert werden mit Amplituden ähnlicher Größenordnung, vorzugsweise größer als die etwa momentan zwischen Kollektor und Emitter wirksame Gleichspannung, wo¬ durch der nomalerweise gesperrte pn-Ubergang, den die Kollektorzone mit mindestens einer an sie angrenzenden Zone umgekehrter Dotierung wie beispielsweise die Basis- und/oder Substratzone bildet, durch die influenzierte hochfrequente WechselSpannung im Bereich negativer oder positiver Halbwellen in Durchlaßrichtung gepolt ist, wodurch als Basisströme wirksame Richtströme entstehen, die zum Einschalten des vorher gesperrten Transistors (2, 2') führen, gekennzeichnet durch Mittel, die das ungewollte Einschalten des Transistors durch hochfrequente Wechselspannungen bzw. -Ströme verhindern (Figur 1) .
2. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschalten des Transistors (2) im Bereich der influenzierten hoch¬ frequenten Wechselspannung verhindert ist durch einen hinreichend niederohmigen Widerstand (4) zwischen Basis und Emitter des gesperrt zu haltenden Transistors (Figur 3).
3. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Basis und Emitter des gesperrt zu haltenden Transistors (2) geschaltete niederohmige Widerstand ein steuerbarer Widerstand, vor¬ zugsweise ein Transistor (5) ist (Figur 3).
4. Elektronisches, monolithisch integriertes .Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der als steuerbarer niederohmiger Widerstand zwischen Basis und Emitter des gesperrt zu haltenden Transistors (2) geschaltete Transistor (5) nur niederohmig geschaltet ist während der regulären Ausschaltzeit des gesperrt zu haltenden Transistors (Figur 4).
5. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des als steuerbarer niederohmiger Widerstand zwischen Basis und Emitter des gesperrt zu haltenden Transistors (2) geschal¬ teten Transistors (5) von der Amplitude der hochfrequenten Wechsel¬ spannung abhängig gemacht ist.
6. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des als steuerbarer niederohmiger Widerstand zwischen Basis und Emitter geschalteten Transistors (5) durch die Amplitude der hochfrequenten WechselSpannung verstärkt ist.
7. Elektronisches, monolithisch intergriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des als steuerbarer niederohmiger Widerstand zwischen Basis und Emitter geschalteten Transistors (5) durch die Amplitude der hochfrequenten Wechselspannung verstärkt ist, wobei durch eine logische UND-Verknüpfung (53) mit dem regulären Steuersignal (52) die Verstärkung nur während seiner Einschaltzeit wirksam ist (Fi¬ gur 5) .
8. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der zur Verstärkung des Basisstroms des als steuerba¬ rer niederohmiger Widerstand zwischen Basis und Emitter geschalteten Transistors (54) aus der hochfrequenten Wechselspannung erzeugt ist durch den in der Substratdiode (3) fließenden Richtstrom, bzw. durch den damit verbundenen Minoritätsstrom.
9. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß min¬ destens ein Teilstrom des durch die hochfrequente Wechselspannung in der Substratdiode (3) in das Substrat injizierten Minoritätsstroms als Basisstrom eines Transistors (54) dient, dessen Kollektor über die UND-Verknüpfung (53) mit der Basis (52) des Transistors (5) ver¬ bunden ist (Figur 6).
10. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn¬ zeichnet durch eine Schottky-Diode (8), die zwischen Kollektor und Basis des gesperrt zu haltenden Transistors (2, 2') geschaltet ist (Figur 7, 8) .
11. Elektronisches, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Schottky-Diode (8), deren Kathode mit dem Kollektor und deren Anode mit der Basis des gesperrt zu haltenden NPN-Transistors (2) verbun¬ den ist (Figur 7) .
12. Elektronische, monolithisch integriertes Gerät mit mindestens einem Transistor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Schottky-Diode (8), deren Anode mit dem Kollektor und deren Kathode mit der Basis des gesperrt zu haltenden PNP-Transistors (2') verbun¬ den ist (Figur 8).
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DE3829843A1 (de) 1990-03-08
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