DE1075746B - Vorrichtung zur Temperaturkompensation eines Flächentransistors - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erweitern des Temperaturbereichs, in dem Transistorschaltungen zufriedenstellend arbeiten, und zwar dergestalt, daß die Fähigkeit des Transistors zum Beherrschen der Leistung gleichfalls erhöht wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation von durch die Temperatur verursachten Abweichungen der den Transistor vorbelastenden Gleichströme von den optimalen Betriebs werten.

Es ist bekannt, daß nahezu jeder Parameter von Verstärkungseinrichtungen mit Halbleitern, d.h. sogenannten Transistoren, temperaturempfindlich ist. So bewirken Erhöhungen der Betriebstemperatur eines Transistors eine Abnahme des inneren Widerstands der Einheit, was sich als Vergrößerung des Vorbelastungsstromes, Störung der Widerstandsverhältnisse im äußeren Stromkreis, niedrigere Verstärkung und geringere Fähigkeit der Einheit zur Leistungsbeherrschung auswirkt. Auch kann eineTransistoreinheit für die Dauer beschädigt werden, wenn der Stromkreis, in welchem sie gebraucht wird, so kritisch ist, daß er eine sammelnde Wirkung ermöglicht, indem die Zunahme des Belastungsstroms eine weitere Erhitzung des Halbleiterkörpers bewirkt, die eine noch größere Erhöhung des Vorbelastungsstroms und wiederum eine weitere Erhitzung zur Folge hat, bis die Einheit ihre Maximaltemperatur überschritten hat, die dauernde Veränderungen der Eigenschaften verursacht.

Es sind zahlreiche Temperaturkompensationsschaltungen entwickelt worden, welche temperaturempfindliche Elemente in dem äußeren Stromkreis verwenden. Solche Schaltungen schaffen jedoch eine Gegenwirkung nur für Veränderungen der Außentemperatur; die Wirkungen von Veränderungen der Temperatur in dem Halbleitermaterial selbst, d. h. die Veränderungen der Temperatur der pn-Übergänge, die bei allen Transistoren und insbesondere Leistungstransistoren auftreten, bleiben unkompensiert.

Diesem Nachteil begegnet die Vorrichtung zur Temperaturkompensation eines Flächentransistors, bei dem drei oder mehrere Zonen von abwechselndem entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp mit je einer nichtgleichrichtenden bzw. ohmschen Elektrode als Emitter-, Basis- und Kollektorelektrode und weiterhin eine gleichrichtende bzw. nichtohmsche Elektrode an der einen äußeren Zone vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist die gleichrichtende Elektrode, die mit der nichtgleichrichtenden Elektrode der gleichen Zone eine Diode bildet, in so weitem Abstand von dem pn-übergang von zwei äußeren Zonen angebracht, daß der Flächentransistor nicht beeinträchtigt wird und daß die Temperaturabhängigkeit der Widerstandscharakteristik der Diodenstrecke zur Kompensation der

Vorrichtung zur Temperaturkompensation eines Flächentransistors

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated,
Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 15,

und Dipl.-Ing, W. Niemann,
Hamburg 1, Ballindamm 26, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Dezember 1955

Arthur Dunn Evans und Roger Robinson Webster,

Dallas, Tex. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Temperaturabhängigkeit der Emitterbasisstrecke des Flächentransistors verwendet ist. Diese Halbleitervorrichtung spricht sowohl auf die Innentemperatur als auch auf die Umgebungstemperatur an und hat weiterhin den Vorteil, daß sie eine Widerstands-Temperaturcharakteristik aufweist, die mit derjenigen der zu kompensierenden Transistoreinheit nahezu identisch ist.

Wenngleich die Vorrichtung der hier beschriebenen Erfindung ein ausgezeichnetes Temperaturkompensationselement für Transistorstromkreise darstellt, so ist die Erfindung doch in keiner Weise auf diesen Zweck allein beschränkt, da das Diodenelement völlig unabhängig ist und weder die Wirkung des Transistors in dem Körper, von dem es ein Teil ist, beeinflußt noch dadurch beeinflußt wird. Somit kann die Diode auch dazu benutzt werden, um äußere Dioden zahlreicher Stromkreise bei Gesamtkosten, die durch Ersparnisse bei den Herstellungs-, Betriebs-, Lagerhaltungs- und Montagekosten beträchtlich niedriger sind, zu ersetzen.

Demgemäß ist es ein Zweck der Erfindung, eine Temperaturkompensationseinrichtung für Transistor-Stromkreise zu schaffen, die auf die Temperatur des Halbleitermaterials der Transistoreinheit anspricht.

Ein weiterer Zweck' der Erfindung besteht darin, eine Transistorbauweise zu schaffen, die eine Verstärkereinheit und eine oder mehrere nichtlineare

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Widerstandseinheiten, von denen jede von der Wirkung sämtlicher übrigen unabhängig ist, in einer Vorrichtung zu vereinigen.

Weitere Zwecke und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema zur Erläuterung eines gebräuchlichen Verfahrens zum Anlegen von Gleichstromvorbelastungen bei einer Art von Transistorstromkreisen;

Fig. 2 erläutert bevorzugte Ausführungsformen der Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Schaltschema, das die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem Stromkreis zur Schaffung einer Temperaturkompensation der Gleichstromvorbelastungen bei einem Transistorverstärker veranschaulicht;

Fig. 4 ist ein Schaltschema zur Erläuterung der Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung als letzter Zwischenfrequenzverstärker und zweiter Detektor einer Hochfrequenz-Transistorschaltung;

Fig. 5 ist ein Schaltschema, welches eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung erläutert, wie sie in einer anderen Schaltung der Kombination eines letzten Zwischenfrequenzverstärkers und eines zweiten Detektors verwendet werden kann.

Wenngleich die Form des n-p-n-Transistors in der nachfolgenden Beschreibung bei den besonderen Beispielen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzt wird, so ist doch die Erfindung in keiner Weise beschränkt auf die n-p-n-Form; für die hier gezeigten Prinzipien lassen sich p-n-p-, n-p-i-n-, p-n-i-p- sowie auch sonstige Transistorformen verwenden.

In Fig. 1 ist schematisch eine Transistorschaltung mit geerdetem Emitter gezeigt, die eine typische Vorbelastungsanordnung für einen n-p-n-Flächentransistor darstellt. Schaltungen dieser Art verwenden im allgemeinen eine einzelne Vorspannungsbatterie 1, deren positive Klemme mit dem Kollektor des Transistors 2 und deren negative Klemme mit dem Emitter verbunden ist. Die Basisvorspannung wird aus einem Spannungsteilernetzwerk von Reihenwiderständen 3 und 4 zwischen (+) -Batterie und Erde erhalten. Der Widerstand 3 hat normalerweise einen bedeutend kleineren Wert als der Widerstand 4. Daher haben Veränderungen des durch den Widerstands fließenden Basis-Vorbelastungsstroms nur eine sehr geringe Auswirkung auf die Spannung an der Basis des Transistors; diese Spannung bleibt im wesentlichen konstant. Temperaturschwierigkeiten treten bei einer solchen Schaltung insofern auf, als der Kollektorstrom und die Verstärkungscharakteristik der Schaltung eine Funktion des Basis-Emitterstroms sind, der, wenn ^ine konstante Spannung angelegt ist, lediglich von dem Widerstand zwischen Emitter und Basis der Transistoreinheit abhängt. Jede Veränderung der Verbindungsstellentemperatur des Transistors verursacht somit eine Veränderung des Widerstands der Verbindungsstelle und ergibt eine Verschiebung des Vorbelastungsstroms zwischen Basis und Emitter in Abweichung vom optimalen Wert und eine entsprechende Änderung der Stromkreischarakteristik. Eine erfolgreiche Temperaturkompensation muß daher eine Einrichtung zum Aufrechterhalten eines konstanten Vorbelastungsstroms über einen sich ändernden Widerstand zwischen Emitter und Basis schaffen.

Ein Verfahren zum Herabsetzen der Temperaturauswirkungen auf den Vorbelastungsstrom würde darin bestehen, den Widerstand 4 mit einer Diode parallel zu schalten oder zu ersetzen, deren Vorwärtswiderstands-Temperaturcharakteristik ähnlich oder gleich derjenigen der Basis-Emitterverbindungsstelle des Transistors ist. Wenn jedoch eine solche Anordnung Temperaturänderungen des Halbleitermaterials des Transistors selbst kompensieren soll, so muß das Diodenelement auf der gleichen Temperatur wie dieses Material gehalten werden. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung schafft eine Möglichkeit, um eine HaIbleiterdiode und einen Transistor durch Bildung einer einzelnen Einheit, welche beide Halbleiteranordnungen enthält, auf genau der gleichen Temperatur zu halten.

Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt, die einen gewachsenen Flächentransistor oder einen Transistor mit gewachsenen pn-Übergängen üblicher Bauweise mit zwei relativ dicken Lagen oder Zonen 5 und 6 eines Halbleitermaterials mit Leitfähigkeit vom einen Leitfähigkeitstyp zeigt, die durch eine relativ

ao dünne Zone 7 aus einem Halbleitermaterial mit Leitfähigkeit vom anderen Leitfähigkeitstyp getrennt sind. Zusätzlich zu den üblichen ohmschen Kontakten 8,9 und 10, die Kollektor-, die Basis- und die Emitterelektroden ist eine vierte Elektroden an einer der

ag Zonen, in diesem Falle der Emitterzone, vorgesehen. Die Elektroden ist durch irgendeine der verschiedenen, weiter unten beschriebenen Einrichtungen als Gleichrichterkontakt ausgestaltet und bildet eine Diode, deren Temperatur-Widerstandscharakteristik annähernd identisch mit derjenigen der Emitter-Basisdiode des Transistorelements der Vorrichtung ist. Diese Trioden-Dioden-Halbleiteranordnung bildet, wenn sie so, wie in Fig. 3 gezeigt, geschaltet ist, einen ausgezeichneten temperaturkompensierten Verstärker.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 ist der Kollektor der Transistor-Diode 16 mit dem Pluspol der Batterie und der Emitter, der auch die Kathode des Diodenelements ist, mit Erde verbunden, genau wie bei der Schaltung gemäß Fig. 1. Jedoch sind die Widerstände 12 und 13, welche die Basisvorspannung schaffen, in dem Spannungsteilernetzwerk der Widerstände 12, 13 und 14 durch das Diodenelement der Triode-Diode überbrückt. In einer solchen Anordnung ist die zwischen den Widerständen 12 und 13 und Erde bestehende Spannung identisch mit der Spannung an der sie überbrückenden Diode. Wenn der Wert des Widerstands 14 im Vergleich zu dem der Widerstände 12 und 13 und der Diode groß ist, so ist der Strom in der Schaltung fast nur durch den Widerstand 14 bestimmt und im wesentlichen konstant. Die an den Widerständen 12 und 13 und an der Diode entwickelte Spannung ist eine Funktion des Widerstands der Diode und damit eine Funktion der Temperatur des Halbleitermaterials der Einheit. Somit ist die Basisvorspannung, die längs dem Widerstand 12 entwickelt wird, eine inverse Funktion der Temperatur des Materials;

- außerdem wird der Neigung des Basis-Emitterstroms, mit der Temperatur anzusteigen, durch eine Abnahme der Basisvorspannung entgegengewirkt.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung stellt nur ein Beispiel der Temperaturkompensation in Transistorkreisen, bei welchen eine Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt wird, dar. Die hier angegebene Triode-Diode kann aber auch benutzt werden, um die Güte vieler anderer bekannter Transistorschaltungen mit Temperaturkompensation, lediglich durch Einsetzen der Triode-Diode gemäß der Erfindung in die Schaltung und Verwenden des Diodenteils der Vorrichtung als temperaturempfindliches Element der Schaltung, zu verbessern. Bei der Herstellung der Vorrichtung

gemäß der Erfindung kann der Gleichrichterkontakt durch irgendeines -der verschiedenen zur Zeit bekannten Verfahren gebildet werden. Beispielsweise kann ein Gleichrichterkontakt mit Halbleitermaterial von η-Leitfähigkeit dadurch erzeugt werden, daß ein Legierungsdraht aus 99 % Gold und 1 % Gallium gegen das η-Material gelegt und dieses erhitzt wird, bis die ■ Spitze des Drahtes schmilzt und sich mit dem benachbarten Halbleitermaterial vereinigt. Es ist dies das bevorzugte Verfahren, wenn das Halbleitermaterial Germanium ist; für η-Silizium ist die bevorzugte Technik die gleiche, es wird jedoch an Stelle des Gold-Galliumdrahtes ein Aluminiumdraht genommen. Die Erfindung ist indessen in keiner Weise auf die. vorerwähnten technischen Möglichkeiten beschränkt, sondem umfaßt die Schaffung eines Transistors mit einer oder mehreren zusätzlichen pn-Übergängen, die als Diode der allgemeinen vorerwähnten Arten wirken, wie gewachsene flächenhafte pn-Übergänge, legierte oder diffundierte pn-Übergänge, Punktkontakte usw.

Wie bereits erwähnt, kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch viele andere vorteilhafte Anwendungen als die zur Temperaturkompensation finden. Zum Beispiel werden zur Zeit dieFunktionen des letzten Z.F.-Verstärkers und zweiten Detektors in einer Hochfrequenz-Transistorschaltung durch zwei getrennte Vorrichtungen erfüllt. Die Triode-Diode ermöglicht es, diese Funktionen beide durch eine einzelne Einheit zu erfüllen, wie sie z. B. in dem Schaltschema von Fig. 4 dargestellt ist. In dem Stromkreis von Fig.. 4 wird das ankommende Z.F.-Signal der Basis des Transistorelements der Triode-Diode 17 zugeführt, und das verstärkte Signal aus dem Kollektor wird an die Sekundärwicklung des Transformators 18 herangeführt. In dem Sekundärkreis des Transformators riehtet das Diodenelement des Transistors bzw. der Triode-Diode 17 das Z.F.-Signal gleich, und das resultierende Tonfrequenzsignal wird über die Kopplungskapazität 19 der nächsten Stufe, z. B. einem Hörfrequenzverstärker, zugeführt.

Das schematische Symbol für die Triode-Diode 17 von Fig. 4 ist etwas verschieden von dem in Fig. 3 für die Triode-Diode 16 gebrauchten Symbol. Der Unterschied des benutzten Symbols soll eine Unterschiedlichkeit bezüglich der physikalischen Anordnung des Gleichrichterkontakts an dem Transistorkörper bei beiden Einheiten angeben. Das Symbol von Fig. 3, in welcher der die Diode bezeichnende Pfeil auf der Basisseite der Abbiegung der Emitterleitung angeordnet ist, bezeichnet eine Diode-Triodeeinheit, bei welcher die Anordnung des gleichrichtenden Kontakts sich zwischen der wirksamen Emitterleitung 10 von Fig. 2 und der Basisschicht 7 befindet. Bei einer solchen Anordnung stellt der Widerstand des Teils des Körpers zwischen dem gleichrichtenden Kontakt und der Emitterleitung einen kleinen, sowohl dem Diodenkreis als auch dem Triodenkreis gemeinsamen Widerstand dar und erzeugt einen leichten Kopplungseffekt. Dieses leichte Koppeln ist für die Temperaturkompensation unschädlich, kann aber eine unerwünschte Rückkopplung in dem Verstärker-Detektorkreis von Fig. 4 verursachen. Jedoch sind die Effekte des gemeinsamen Widerstands und der Kopplung leicht dadurch zu eliminieren, daß der Emitteranschluß an dem Halbleiterkörper dichter an die Basiszone gelegt und der Gleichrichtungskontakt nahe an das Ende des Körpers auf der anderen Seite der Emitterleitung gebracht wird. Eine solche physikalische Anordnung wird durch das schematische Symbol des Transistors bzw. der Triode-Diode 17 von Fig. 4 angezeigt.

Man muß sich vorstellen, daß die Diode der Triode-Diode gemäß der Erfindung auch als Teil der Kollektorzone statt als Teil der Emitterzone ausgebildet sein kann, Die anwendbaren Verfahren zum Bilden oder Formieren des Kontakts sind in beiden Fällen genau die gleichen. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Detektorwirkung im Kollektorkreis eines kombinierten letzten Z.F.-Zweidetektorkreises, wie in dem Schaltschema von Fig. 5 dargestellt. In diesem Stromkreis wird das Z.F.-Signal der Basis der Transistoreinheit 21 zugeführt, und das gleichgerichtete (Hörfrequenz-) Signal wird über die Diode direkt aus dem Kollektorbereich genommen und über die Kapazität 20 mit dem Hörfrequenzverstärker gekoppelt.

Eine weitere Abwandlung der Erfindung sieht eine zweifache Diode-Triode vor, bei denen die beiden Dioden als Teil der Verstärkervorrichtung durch die gleichen Verfahren, wie oben beschrieben, gebildet werden können. Je nach den Erfordernissen der Schaltung, in welcher die Einheit gebraucht werden soll, können beide Dioden auf der Emitterzone des Halbleiterkörpers oder beide auf der Kollektorzone oder aber eine auf der Emitterzone und eine auf der Kollektorzone gebildet werden.

Die Anwendung der Diode-Triode gemäß der Erfindung in den obenerwähnten Schaltungen und natürlich auch in einer großen Zahl anderer Schaltungen ist vor allem insofern vorteilhaft, als die gleiche Brauchbarkeit der Schaltung mit geringeren Kosten erreicht wird, als es durch die Verwendung getrennter Dioden undVerstärkervorrichtungen möglich ist. ZumBeispiel erfordert die kombinierte Einheit weniger Halbleitermaterial als die beiden getrennten Einheiten, und es werden, da nur ein einzelnes Gehäuse oder nur eine Umhüllung benötigt wird, auch weitere Erfordernisse an Material vermindert. Ferner braucht statt zweier nur ein Posten von den Herstellern der Geräte auf Lager gehalten zu werden.

Mit der Erfindung wird also eine neuartige Transistorvorrichtung offenbart, die in einer einzelnen Einheit Funktionen kombiniert, welche vorher zwei oder mehr getrennte Einheiten erforderten, geschaffen, und außerdem eine neuartige Wirkung für die Temperaturkompensation bei Transistorstromkreisen erzielt, und zwar eine Wirkung entsprechend der Temperatur des Halbleitermaterials des Transistors selbst.

Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zur Temperaturkompensation eines Flächentransistors, bei dem drei oder mehrere benachbarte Zonen von abwechselndem entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp mit je einer nichtgleichrichtenden bzw. ohmschen Elektrode als Emitter-, Basis- und Kollektorelektrode und weiterhin eine gleichrichtende bzw. nichtohmsche Elektrode an der einen äußeren Zone vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode, die mit der nichtgleichrichtenden Elektrode der gleichen Zone eine Diode bildet, in so weitem Abstand von dem pn-übergang von zwei äußeren Zonen angebracht ist, daß der Flächentransistor nicht beeinträchtigt wird, und daß die Temperatur abhängigkeit der Widerstandscharakteristik der Diodenstrecke zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Emitterbasisstrecke des Flächentransistors verwendet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode

zwischen einer mit einer Zone des ersterwähnten Leitfähigkeitstyps verbundenen nichtgleichrichtenden Elektrode und der mit der dritten Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps verbundenen nichtgleichrichtenden Elektrode angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode neben der Verbindungslinie der nichtgleichrichtenden Elektroden angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode aus einer vierten vorgelagerten Zone aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und einer nichtgleichrichtenden Elektrode an dieser vierten Zone besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode ein Punktkontakt ist, der an einer der Zonen des einen Leitfähigkeitstyps angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode durch Anlegieren eines Drahtes an der Zone des einen Leitfähigkeitstyps hergestellt ist, der ein Material enthält, welches einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp im Halbleiterkörper hervorbringt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier aufeinanderfolgende Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps verwendet sind und daß eine Emitterelektrode an einer dieser Zonen, eine Kollektorelektrode an einer anderen Zone des gleichen Leitfähigkeitstyps und eine Basiselektrode an der Zone zwischen Emitter- und Kollektorzone angebracht ist und eine gleichrichtende Elektrode an der vierten Zone vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden flächenhaft ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode an der Emitterzone angebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode an der Kollektorzone angebracht ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende Elektrode so angebracht ist, daß ihre Temperaturwiderstandscharakteristik annähernd identisch mit der der Emitterbasisstrecke ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichrichtenden Elektrode eine Zone aus Halbleitermaterial neben dem Emitterbereich des Transistors vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgelagert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung S 32394 VIII c/21 g

(bekanntgemacht am 10. 2. 1955);
USA.-Patentschrift Nr. 2 655 610;
R. F. Shea, »Transistor Circuits«, 1953, S. 177

bis 179.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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