DE4201947A1 - Integrierte transistorschaltung mit reststromkompensation - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Transistorschaltung mit einem Transistor, dessen Kollektor mit einem Eingang einer anzusteuernden Schaltung verbunden ist und zwischen dessen Basis und Kollektor eine Antisätti­ gungsdiode liegt.

In intergrierten Schaltungen, die laterale pnp-Transistoren mit Antisättigungs-Schottky-Dioden zwischen Basis und Kollek­ tor aufweisen, treten an den Schottky-Übergängen unerwünschte Leckströme auf. Insbesondere bei hohen Temperaturen erhöhen sich die durch die Schottky-Übergänge fließenden Leckströme der in Sperrichtung betriebenen Übergänge dermaßen, daß von den Transistorschaltungen gesteuerte elektronische Schaltun­ gen nicht mehr in der gewünschten Weise gesteuert werden kön­ nen.

In Sperrichtung betriebene Antisättigungs-Schottky-Dioden weisen bei einer Temperatur von etwa 150°C einen in Sperr­ richtung fließenden Leckstrom von etwa 1 µA auf, wenn eine Sperrspannung von etwa 5 V angelegt ist. Dieser Leckstrom fließt zwangsläufig als Basisstrom I_B über die Basis-Emitter- Strecke des zugehörigen Transistors und erzeugt demzufolge einen unerwüschten Kollektorstrom I_C, der gleich dem mit dem Verstärkungsfaktor h_fe multiplizierten Basisstrom des in Emitterschaltung betriebenen Transistors ist. Bei einem Ver­ stärkungsfaktor h_fe von etwa 10 beträgt der in Sperrichtung fließende Kollektorstrom etwa 12 µA. Dieser Kollektorstrom kann bereits zu einer Ansteuerung der von der Transistor­ schaltung gesteuerten Schaltung führen, obwohl noch kein Ba­ sisansteuersignal an die Transistorschaltung angelegt ist.

Zur Vermeidung der Auswirkungen der unerwünschten Leckströme wurden Transistoren in integrierten Schaltungen mit (n⁺)- oder (p⁺)-Schutzringen umgeben. Trotz dieser Maßnahmen konn­ ten bei herkömmlichen integrierten Transistorschaltungen in­ folge von Leckströmen auftretende Substrateffekte nicht genü­ gend verhindert werden. Eine nachteilige Folgewirkung dieser Substrateffekte besteht darin, daß ein inverser Betrieb sol­ cher integrierter Transistorschaltung nicht möglich ist. Wei­ tere Nachteile herkömmlicher integrierter Transistorschaltun­ gen sind darin zu sehen, daß durch das Vorsehen der Schutz­ ringe die ohnehin knapp bemessene Siliziumfläche übermäßig in Anspruch genommen wird; die durch Schutzringe geprägte Geome­ trie integrierter Schaltkreise ist daher bei modernen Schal­ tungen mit hoher Packungsdichte nicht wünschenswert.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine inte­ grierte Transistorschaltung mit erheblich verringerten Leck­ strömen bei erhöhter Betriebstemperatur zu schaffen. Diese Aufgabe wird in einer integrierten Schaltung der oben ge­ schilderten Art mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße integrierte Transistorschaltung zeichnet sich durch einen weiteren Stromzweig aus, der aus einer Se­ rienschaltung einer Diode und eines Widerstands besteht und der die Basis des Transistors mit dem Emitter des Transistors verbindet. Dadurch fließt der auftretende Leckstrom nicht über die Basis-Emitter-Diode, sondern über den die Diode und den Widerstand aufweisenden Stromzweig. Die erfindungsgemäße Schaltung besitzt gegenüber herkömmlichen integrierten Schal­ tungen den Vorteil, daß der Leckstrom vom Emitter über den Widerstand und die Diode zur Basis fließt, so daß eine Ver­ stärkung des Leckstroms um den Verstärkungsfaktor des Transi­ stors ausbleibt. Erfindungsgemäße integrierte Transistor­ schaltungen eignen sich insbesondere für den Einsatz bei er­ weitertem Betriebstemperaturbereich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben. Mit der im Anspruch 7 gekennzeichneten integrierten Transistorschaltung wird deren Betrieb in beide Stromrichtungen ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anschließend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen integrierten Transistorschaltung,

Fig. 2 ein Anwendungsbeispiel für das anhand von Fig. 1 ver­ anschaulichte Prinzip.

Die in Fig. 1 gezeigte Transistorschaltung enthält einen Transistor Q1 mit einem Emitter, einem Kollektor und einer Basis, einer Antisättigungs-Schottky-Diode D1 zwischen der Basis und dem Kollektor und eine aus einem Widerstand R1 und einer Diode D2 bestehende Serienschaltung zwischen der Basis und dem Emitter. Die Basis des Transistors Q1 ist einerseits über die Schottky-Diode D1 mit dem Kollektor und andererseits über den Widerstand R1 und die Diode D2 mit dem Emitter ver­ bunden. Der Kollektor des Transistors Q1 ist ferner mit einem Eingang einer nicht näher dargestellten Schaltung S verbun­ den, die mittels des Kollektorstroms angesteuert werden soll. Der Emitter des Transistors Q1 ist mit einer Konstantstrom­ quelle S1 verbunden, die den Strom I₁ liefert. Die Basisan­ steuerung erfolgt ebenfalls über eine Konstantstromquelle, die den Strom I₂ liefert.

Wie erwähnt, wird der Transistor Q1 durch den von der zweiten Stromquelle S1 gelieferten Strom I₁ gespeist und mittels der zweiten Stromquelle S2 angesteuert. Wenn über die Stromquelle S2 ein Strom I₂ fließt, so fließt ein Basisstrom I_B und öff­ net den Transistor Q1. Über den leitenden Transistor Q1 wird dann die Schaltung S angesteuert, indem der Schaltung S der Kollektorstrom I_C zugeführt wird. Wenn kein Basisstrom I_B fließt, sperrt dar Transistor Q1, so daß kein Kollektorstrom I_C mehr fließt. Bei höheren Temperaturen fließt jedoch durch die Schottky-Diode D1 ein Leckstrom I_L, der für den Transi­ stor wie ein Basisstrom wirkt. Ohne Vorsehen besonderer Maß­ nahmen würde dieser Basisstrom zu einem durch die Emitter- Kollektor-Strecke des Transistors Q1 fließenden Kollektor­ strom I_C führen, der gleich dem mit dem Verstärkungsfaktor h_fe des Transistors multiplizierten Basisstrom I_B ist. Je nach der Größe das Verstärkungsfaktors und der Höhe der Tem­ peratur könnte der Kollektorstrom I_C so weit ansteigen, daß die Schaltung S angesteuert wird, obwohl die Stromquelle S2 abgeschaltet ist, also keine tatsächliche gewollte Basisan­ steuerung des Transistors Q1 vorhanden ist.

Zur Vermeidung dieses bei höheren Temperaturen auftretenden Effekts kann der Leckstrom über den von der Schottky-Diode D2 und dem Widerstand R1 gebildeten Nebenschlußweg zur Basis- Emitter-Diode des Transistors Q1 fließen und unterliegt daher nicht mehr der Verstärkung durch den Transistor Q1. Weil die Durchlaßspannung der Schottky-Diode kleiner als die Durchlaß­ spannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors ist, wird der Nebenschlußweg bei einem Temperaturanstieg eher leitend als die Emitter-Basis-Strecke des Transistors. Dies bedeutet, daß auch bei höheren Temperaturen keine auf den Leckstrom I_L zurückzuführende Erhöhung des Kollektorstroms I_C des Transi­ stors Q1 auftritt, die zu einer unerwünschten Ansteuerung der Schaltung S führen könnte.

Damit die beschriebene Transistorschaltung optimal funktio­ niert, muß die Schottky-Diode D2 so dimensioniert sein, daß ihre Durchlaßspannung kleiner als die Emitter-Basis-Spannung des Transistors Q1 ist. Gleichfalls setzt ein optimales Funk­ tionieren der Transistorschaltung voraus, daß der Widerstand so dimensioniert ist, daß er bei hohen Temperaturen (150°C) und gesperrtem Transistor Q1 eine nur geringfügige Wirkung zeigt, d. h. daß der Leckstrom ungehindert über die Diode D2 und den Widerstand R1 fließen kann. Bei niedrigen Temperatu­ ren (-40°C) und bei durchgeschaltetem Transistor Q1 soll der Widerstand R1 dagegen ausreichend hoch sein, so daß nur eine hochohmige Verbindung zwischen Emitter und Basis vorhanden ist. Wird der Widerstand R1 wie oben beschrieben dimensio­ niert, so ist der durch ihn fließende Strom wesentlich gerin­ ger als der Basisstrom, wenn der Transistor Q1 leitet, und in etwa gleich dem Leckstrom der Diode D1, wenn der Transistor Q1 sperrt.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen integrierten Tran­ sistorschaltung kann der Widerstand R1 entweder in einer se­ paraten Wanne integriert werden, oder er kann zusammen mit der Schottky-Diode D2, dem Transistor Q1 und der Schottky- Diode D1 in einer Wanne untergebracht werden. Eine besonders vorteilhafte und platzsparende Anordnung der integrierten Transistorschaltung wird erhalten, wenn der Widerstand R1 als Teil der Schottky-Diode D2 ausgebildet wird, die zusammen mit dem Transistor Q1 und der Schottky-Diode D1 in einer Wanne integriert ist.

Eine vorteilhafte Anwendung des in der Schaltung von Fig. 1 verwirklichten Prinzips bei einem bidirektionalen Schalter ist in Fig. 2 gezeigt. Die Schaltung von Fig. 2 unterscheidet sich lediglich dadurch von der Schaltung aus Fig. 1, daß sie einen zweiten, zum Transistor Q1 antiparallel geschalteten Transistor Q2 aufweist. Der Kollektor und der Emitter des zweiten Transistors Q2 sind mit Emitter bzw. Kollektor des Transistors Q1 verbunden. Die Basis des zweiten Transistors Q2 ist mit dem mit dem Widerstand R1 verbundenen Anschluß der Diode D2 verbunden und an eine weitere Stromquelle S3 ange­ schlossen. Die Diode D2 ist dabei gleichzeitig die Antisätti­ gungs-Schottky-Diode des Transistors Q2. Mittels dieser Aus­ führungsform der Transistorschaltung kann zu der anzusteuern­ den Schaltung sowohl ein positiver Strom als auch ein negati­ ver Strom durchgeschaltet werden, je nachdem, welchen Strom die Stromquelle S1 liefert.

Liefert die Stromquelle S1 einen positiven Strom I₁, so öff­ net Transistor Q1, und ein Strom I₂ fließt über die Basis in die Stromquelle S2. Der Basisstrom ist in etwa dem Strom I₂ gleich, den die Stromquelle S2 zieht. Der anzusteuernden Schaltung S wird über den Kollektor des Transistors Q1 ein positiver Strom I zugeführt, der ungefähr gleich dem Strom I₁-I₂-I₃ ist. Die Stromquellen S2 und S3 sind so dimensio­ niert, daß sie beispielsweise bei einem Strom I₁ von etwa 300 µA lediglich einen Strom von etwa 50 µA ziehen.

In diesem Zustand der Schaltung ist der Transistor Q2 ge­ sperrt, der nur dann zum Einsatz kommt, wenn ein negativer Strom an der Stromquelle S1 zur anzusteuernden Schaltung S durchgeschaltet werden soll. Bei erhöhten Temperaturen fließt jedoch über die Antisättigungs-Schottky-Diode D2 des Transi­ stors Q2 ein Leckstrom, der auch als Basisstrom für diesen Transistor wirkt. Der aufgrund dieses Leckstroms fließende Basisstrom des Transistors Q2 kann über die Schottky-Diode D1 und den Widerstand R1 abgeleitet werden, so daß er nicht über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Q2 fließen muß; er wird demnach auch nicht durch den Verstärkungsfaktor h_fe dieses Transistors verstärkt. Eine Temperaturerhöhung hat somit keine nennenswerte Veränderung des Stroms zur Folge, der bei gesperrten Transistoren Q1 und Q2 zur Schaltung S fließt.

Wird der Transistor Q1 durch Abschalten der Stromquelle S2 gesperrt, soll kein Strom mehr zur Schaltung S fließen. Bei höheren Temperaturen fließen jedoch Leckströme durch die Dio­ den D1 und D2, die jeweils wie Basisströme für die Transisto­ ren Q1 bzw. Q2 wirken. Die Serienschaltung aus der Diode D2 und dem Widerstand R1 einerseits und die Serienschaltung aus der Diode D1 und dem Widerstand R1 andererseits wirken jedoch wie Nebenstromwege zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors Q1 bzw. zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors Q2, so daß der jeweilige von dem Basisstrom er­ zeugte Strom in der Zuleitung zur Schaltung S nicht über die Emitter-Kollektor-Strecke des jeweiligen Transistors fließen muß und somit nicht der Stromverstärkung unterliegt. Der auf­ grund der Leckströme fließende Ruhestrom in der Ansteuerlei­ tung der Schaltung S bleibt daher auf einem vernachlässigba­ ren kleinen Wert.

Die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform der be­ schriebenen Schaltung kann, wie erwähnt, auch mit umgekehrten Stromrichtungen betrieben werden. Die obige Wirkungsbeschrei­ bung gilt dabei ebenfalls, allerdings ist im Durchschaltzu­ stand nicht der Transistor Q1, sondern der Transistor Q2 lei­ tend.

Ein besonderer Vorteil der in Fig. 2 abgebildeten Schaltung ist der, daß keine zwei weiteren Dioden und nur ein Wider­ stand zur Umleitung des Leckstroms benötigt werden. Der Leck­ strom wird nämlich jeweils über die Antisättigungsdiode des sperrenden Transistors und über den Widerstand R1 umgeleitet.

Claims (9)

1. Integrierte Transistorschaltung mit einem bipolaren Tran­ sistor (Q1), dessen Kollektor mit einem Eingang einer anzu­ steuernden Schaltung (S) verbindbar ist, und zwischen dessen Basis und Kollektor eine Antisättigungsdiode (D1) liegt, da­ durch gekennzeichnet, daß der Emitter und die Basis des Tran­ sistors (Q1) über eine Serienschaltung aus einer Diode (D2) und einem Widerstand (R1) miteinander verbunden sind.

2. Integrierte Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R1) so dimensioniert ist, daß durch ihn ein gegenüber dem Basisstrom vernachlässigbar geringer Strom fließt, wenn der Transistor (Q1) leitet, und ein in etwa dem Leckstrom der Antisättigungsdiode (D1) glei­ cher Strom fließt, wenn der Transistor (Q1) sperrt.

3. Integrierte Transistorschaltung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D2) eine Schottky- Diode ist und eine niedrigere Durchlaßspannung (U_D) als die Emitter-Basisspannung (U_EB) des Transistors (Q1) aufweist.

4. Integrierte Transistorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Q1) ein lateraler pnp-Schottky-Transistor ist.

5. Integrierte Transistorschaltung nach einem der vorherge­ henden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R1) in einer separaten Wanne eines Halbleitersubstrats inte­ griert ist.

6. Integrierte Transistorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R1) und die Diode (D2) zusammen mit dem Transistor (Q1) und der Antisät­ tigungsdiode (D1) in einer Wanne eines Halbleitersubstrats integriert ist.

7. Integrierte Transistorschaltung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R1) als Teil der Diode (D2) in der Wanne des Transistors (Q1) und der An­ tisättigungsdiode (D1) integriert ist.

8. Integrierte Transistorschaltung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Kollektor des Transistors (Q1) mit Kollektor bzw. Emitter ei­ nes zweiten Transistors (Q2) verbunden sind und daß der mit dem Widerstand (R1) verbundene Anschluß der Diode (D2) mit der Basis des zweiten Transistors verbunden ist.

9. Integrierte Transistorschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (Q2) ein lateraler pnp-Schottky-Transistor ist.