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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung der Stromstärke eines
einem Verbraucher zuzuführenden,
durch eine Strom-/Spannungsquelle erzeugten elektrischen Stroms.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Verbraucher.
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Elektrische
Verbraucher sind häufig
direkt mit der sie speisenden Strom-/Spannungsversorgung verbunden.
Der Strompfad zwischen Strom-/Spannungsversorgung und elektrischem
Verbraucher weist in der Regel einen bestimmten Widerstand auf,
der durch zusätzliche,
in den Strompfad geschaltete Widerstände vergrößert werden kann.
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In 1 ist eine Anordnung aus
elektrischem Verbraucher 1 und Strom-/Spannungsversorgung 2 gezeigt,
wobei hier der elektrische Verbraucher 1 eine lichtemittierende
Diode (LED) ist, die über einen
Widerstand R an die Strom-/Spannungsversorgung 2 angeschlossen
ist. Der Widerstand R fungiert als Strombegrenzer.
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Nachteilig
an der in 1 beschriebenen Anordnung
ist, dass Leistungsschwankungen der Strom-/Spannungsversorgung unmittelbar
auf die Lichtintensität
des durch die lichtemittierende Diode 1 erzeugten Lichts "durchschlägt". Ein weiterer Nachteil
ist, dass bei schwankender Leistung der Strom-/Spannungsversorgung 2 auch
die in der lichtemittierenden Diode 1 erzeugte Verlustleistung
und damit die in der lichtemittierenden Diode 1 vorherrschende
Temperatur stark variiert, womit die Diode 1 auf hohe thermische
Belastbarkeit ausgelegt werden muss.
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Um
diesem Problem zu begegnen ist es bekannt, in den Strompfad zwischen
der Strom-/Spannungsversorgung 2 und dem elektrischen Verbraucher 1 eine
Einrichtung 3 zur Regelung der Stromstärke des durch die Strom-/Spannungsversorgung 2 erzeugten
Stroms zu schalten, wie in 2 gezeigt ist
("aktive Stromquelle"). Die Einrichtung 3 weist eine
Steuerschaltung zur Regelung der Stromstärke auf, die in einen Halbleiterchip 4 integriert
ist. Der Halbleiterchip 4 ist auf einen Träger 5 montiert,
wobei zwischen dem Träger 5 und
dem Halbleiterchip 4 eine Isolationsschicht 6 vorgesehen
ist. Der Halbleiterchip 4 wird auf dessen Oberseite durch
Bonddrähte 7 kontaktiert,
die mit Anschlussbeinchen 8 elektrisch verbunden sind.
Die gesamte Einrichtung 3 ist von einem Gehäuse 9 umschlossen.
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Die
in 2 gezeigte Anordnung
hat, wie bereits erwähnt,
den Vorteil, dass die lichtemittierende Diode 1 mit einem
konstanten Eingangsstrom versorgt wird. Nachteilig ist jedoch, dass
die Kosten des Gehäuses 9 sowie
die Kosten zum Montieren des Halbleiterchips und des Trägers 5 in
das Gehäuse 9 relativ
hoch sind.
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Die
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist, eine Einrichtung zur
Regelung der Stromstärke
eines einem Verbraucher zuzuführenden, durch
eine Strom-/Spannungsversorgung erzeugten elektrischen Stroms anzugeben,
der kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Zur
Lösung
der Aufgabe stellt die Erfindung eine Einrichtung zur Regelung einer
Stromstärke
gemäß Patentanspruch
1 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung einen elektrischen Verbraucher
gemäß Patentanspruch
11 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des
Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
zur Regelung der Stromstärke
eines einem Verbraucher zuzuführenden,
durch eine Strom-/Spannungsquelle erzeugten
elektrischen Stroms weist auf:
- – einen
Halbleiterkörper,
- – eine
erste Elektrode, die die Vorderseite des Halbleiterkörpers elektrisch
verbunden und mit der Strom-/Spannungsquelle elektrisch verbindbar
ist, und
- – eine
zweite Elektrode, die mit der Rückseite
des Halbleiterkörpers
elektrisch verbunden und mit dem Verbraucher elektrisch verbindbar
ist,
- – einen
in dem Halbleiterkörper
ausgebildeten vertikalen Transistor, durch den elektrische Stromflüsse zwischen
der ersten und zweiten Elektrode erzeugbar/steuerbar sind, und
- – eine
Steuerschaltung, die den Transistor so ansteuert, dass die Stärken der
Stromflüsse
zwischen der ersten und zweiten Elektrode auf bestimmte Werte geregelt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform grenzt
die erste Elektrode direkt an die Vorderseite des Halbleiterkörpers an.
Auf analoge Art und Weise kann die zweite Elektrode direkt an die
Rückseite
des Halbleiterkörpers
angrenzen. Die Herstellung einer Einrichtung mit vertikalem Aufbau
ist fertigungstechnisch gesehen einfacher als die Herstellung einer Einrichtung
mit planarem Aufbau.
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Vorteilhafterweise
sollten die Flächenausmaße der ersten
und/oder zweiten Elektrode den Ausmaßen der Vorderseite beziehungsweise
Rückseite des
Halbleiterkörpers
entsprechen. Damit stehen im Vergleich zu einer lateralen Ausgestaltung
der Einrichtung relativ große
Kontaktflächen
(jede Elektrode kann auf die gesamte Oberfläche, die durch die Vorderseite
beziehungsweise Rückseite
des Halbleiterkörpers
ausgebildet wird, ausgedehnt werden; damit steht im Vergleich zu
einer Stromstärken-Regelungseinrichtung
mit planarem Aufbau für
die Elektroden die doppelte Grundfläche zur Verfügung) zum
Verbinden der Einrichtung mit der Strom-/Spannungsquelle bzw. mit
dem elektrischen Verbraucher zur Verfügung, was entsprechende Kontaktierprozesse
der Einrichtung erleichtert.
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Bondingprozesse
zum Verbinden der Einrichtung mit elektrischen Anschlüssen, wie
dies in der in 2 gezeigten Einrichtung notwendig
ist, entfallen.
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Der
Transistor kann beispielsweise ein MOS-(Metall-Oxid-Halbleiter-)Transistor
oder ein Bipolartransistor sein. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf
beschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Emitter bzw. das Sourcegebiet des Transistors mit der ersten
Elektrode, und der Kollektor bzw. das Draingebiet des Transistors
mit der zweiten Elektrode elektrisch verbunden.
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Zwischen
der ersten Elektrode und der Vorderseite des Halbleiterkörpers kann
eine Isolationsschicht angeordnet sein, die von einer elektrischen Durchführung durchsetzt
ist, derart, dass der Emitter bzw. das Sourcegebiet über die
elektrische Durchführung
mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden ist.
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Die
Steuerschaltung zur Ansteuerung des Transistors ist vorteilhafterweise
in den Halbleiterkörper
integriert. Um den Transistor ansteuern zu können, muss die Steuerschaltung
hierbei mit der Basis bzw. der Gateelektrode elektrisch verbunden
sein. Ist zwischen der ersten Elektrode und der Vorderseite des
Halbleiterkörpers
und/oder zwischen der zweiten Elektrode und der Rückseite
des Halbleiterkörpers eine
Isolationsschicht angeordnet, so kann eine entsprechende elektrische
Verbindung zwischen der Steuerschaltung und der Basis bzw. Gateelektrode innerhalb
der Isolationsschicht verlaufen. Dasselbe gilt analog für elektrische
Verbindungen zwischen der Steuerschaltung und dem Emitter bzw. dem
Sourcegebiet oder dem Kollektor bzw. dem Draingebiet des Transistors.
Innerhalb der Isolationsschichten können also "Verdrahtungsebenen" zur Verbindung von Transistor und Steuerschaltung
oder zur Erfüllung anderer
Zwecke vorgesehen werden. Alternativ ist es möglich, den Emitter bzw. das
Sourcegebiet sowie den Kollektor bzw. das Draingebiet des Transistors mit
der Steuerschaltung über
die erste und zweite Elektrode zu verbinden.
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Der
Halbleiterkörper
besteht vorzugsweise aus Silizium, das eine gute mechanische Stabilität aufweist,
kann jedoch auch aus anderen Materialien bestehen.
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Die
Erfindung stellt weiterhin einen elektrischen Verbraucher bereit,
der einen Kontakt aufweist, über
den diesem ein elektrischer Strom zuführbar ist. Der elektrische
Verbraucher zeichnet sich dadurch aus, dass dieser mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Regelung der Stromstärke
eines elektrischen Stroms versehen ist, wobei die zweite Elektrode
der Einrichtung mit dem Kontakt des Verbrauchers elektrisch verbunden
ist, und die erste Elektrode mit einer Strom-/Spannungsversorgung verbindbar ist.
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Vorteilhafterweise
ist der Kontakt des elektrischen Verbrauchers als Kontaktfläche ausgestaltet, auf
der die zweite Elektrode der erfindungsgemäßen Einrichtung direkt aufliegt.
Der Vorteil eines derartigen elektrischen Verbrauchers ist, dass
das "Ensemble" aus elektrischem
Verbraucher und der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung fertigungstechnisch äußerst einfach
herstellbar ist. Weiterhin können
die Abmessungen des Ensembles gering gehalten werden. Schließlich kann auf
ein Gehäuse
zur Aufnahme der Einrichtung verzichtet werden, was die Herstellungskosten
weiter senkt.
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Der
elektrischer Verbraucher kann prinzipiell ein beliebiger Verbraucher
sein. Die Erfindung lässt sich
jedoch insbesondere im Zusammenhang mit einem LED-Bauteil als elektrischer
Verbraucher vorteilhaft einsetzen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in
beispielsweiser Ausführungsform
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ersatzschaltbild einer bekannten aus Strom-/Spannungsquelle, Widerstand und lichtemittierender
Diode bestehende Anordnung.
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2 eine
schematische Darstellung einer aus Strom-/Spannungsquelle, Strombegrenzer sowie lichtemittierender
Diode bestehenden bekannten Anordnung.
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3 eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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4 eine
schematische Darstellung einer aus Strom-/Spannungsquelle, lichtemittierender
Diode sowie der in 3 gezeigten Einrichtung bestehenden
Anordnung.
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5 eine
Detaildarstellung der in 3 gezeigten erfindungsgemäßen Einrichtung.
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6 ein
Ersatzschaltbild einer Steuerschaltung, die in den in 3 und 5 gezeigten
erfindungsgemäßen Einrichtungen
zum Einsatz kommen kann.
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7 eine
mögliche
Realisierung der in 4 schematisch angedeuteten Anordnung.
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In
den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche,
Bauteile oder Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Weiterhin
können
die Dotiertypen der Halbleitergebiete in sämtlichen Ausführungsformen
invers ausgestaltet sein, d. h. p-Gebiete können durch n-Gebiete ersetzt
werden und umgekehrt.
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In 3 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
gezeigt. Eine Einrichtung 10 weist einen Halbleiterkörper 11, eine
erste Elektrode 12, die mit der Vorderseite 13 des
Halbleiterkörpers 11 elektrisch
verbunden ist, eine zweite Elektrode 14, die mit der Rückseite 15 des
Halbleiterkörpers 11 elektrisch
verbunden ist, eine Isolationsschicht 16, die zwischen
der ersten Elektrode 12 und der Vorderseite 13 des
Halbleiterkörpers 11 angeordnet
ist, eine elektrische Durchführung 17 sowie
eine Verdrahtungsstruktur 18, wobei die elektrische Durchführung 17 ("Via") sowie die Verdrahtungsstruktur 18 innerhalb
der Isolationsschicht 16 angeordnet sind. Innerhalb des
Halbleiterkörpers 11 ist
ein vertikaler pnp-Transistor ausgebildet, der aus einem p+-dotierten
Emitter 19, einer n-dotierten Basis 20 sowie einem
p-dotierten Kollektor 21 besteht.
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Durch
den vertikalen Transistor kann die Stärke eines elektrischen Stroms,
der von der ersten Elektrode 12 zu der zweiten Elektrode 14 durch
den Halbleiterkörper 11 hindurchfließt, gesteuert
werden.
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Die
erste Elektrode 12 ist über
die elektrische Durchführung 17 und
die Verdrahtungsstruktur 18 mit dem Emitter 19 des
vertikalen Transistors elektrisch verbunden. Die Verdrahtungsstruktur 18 kann
beispielsweise auch den Zweck erfüllen, eine (hier nicht gezeigte)
Steuerschaltung mit dem Emitter 19 elektrisch zu verbinden.
Weiterhin kann über
die Verdrahtungsstruktur 18 die Basis 20 des vertikalen
Transistors mit der Steuerschaltung verbunden werden (hier nicht
gezeigt). Die Verdrahtungsstruktur 18 kann also gleichermaßen zum
Verbinden von Emitter 19, Basis 20 sowie Kollektor 21 mit
der Steuerschaltung dienen.
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In 5 ist
eine Ausführungsform
der in 3 gezeigten Einrichtung dargestellt, bei der die Steuerschaltung 22 (in
vorzugsweise planarer Ausführungsform)
direkt in den Halbleiterkörper 11 integriert
ist, wobei die Steuerschaltung 22 durch eine Isolationsschicht 23 gegenüber dem
Halbleiterkörper 11 elektrisch
isoliert ist. Links der gestrichelten Linie L ist die Steuerschaltung 22,
rechts der gestrichelten Linie L der vertikale Transistor 24 zu
sehen. Über
die Verdrahtungsstruktur 18 wird die Steuerschaltung 22 mit
der Basis 20 sowie dem Emitter 19 elektrisch verbunden.
Die Verbindung des Kollektors 21 mit der Steuerschaltung 22 erfolgt über die
zweite Elektrode 14.
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Die
Steuerschaltung 22 kann jedoch auch an einer anderen Stelle
vorgesehen werden, beispielsweise in einem externen Chip, der mit
der Einrichtung 10 mechanisch als auch elektrisch verbunden
ist (beispielsweise in Form einer "Chip-on-Chip"-Anordnung).
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Steuerschaltung 22 ist in 6 gezeigt.
Prinzipiell können beliebige
Steuerschaltungen zum Einsatz kommen.
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Die
in 3 gezeigte Einrichtung 10 zeichnet sich
durch äußerst kompakte
Abmessungen sowie durch eine hohe mechanische Robustheit aus. Da
die erste und zweite Elektrode 12, 14 sowohl als elektrische
Kontakte als auch als mechanische Auflageflächen genutzt werden können, kann
auf ein die Einrichtung 10 einschließendes Gehäuse, wie in 2 gezeigt,
verzichtet werden. Damit lassen sich die Herstellungskosten deutlich
reduzieren. Außerdem
kann hierdurch das Herstellungsverfahren vereinfacht werden.
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In 4 ist
(schematisch) gezeigt, wie sich die in 3 gezeigte
Einrichtung 10 mit einer Strom-/Spannungsversorgung 2 sowie
einem elektrischen Verbraucher 1 verschalten lässt.
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In 7 ist
eine mögliche
Realisierung des in 4 gezeigten Ensembles gezeigt.
Zu sehen ist eine lichtemittierende Diode 1, die einen
elektrischen Verbraucher darstellt, wobei auf der Oberseite der lichtemittierenden
Diode 1 zwei elektrisch voneinander getrennte Kontaktflächen 25 und 26 vorgesehen sind.
Die Kontaktfläche 26 dient
hierbei als Kontakt zum Zuführen
eines durch eine Strom-/Spannungsversorgung (hier nicht gezeigt)
bereitgestellten elektrischen Stroms, der über die Leitung 27 zugeführt wird.
Zwischen die Leitung 27 und die Kontaktfläche 26 ist
die in 3 gezeigte Einrichtung 10 geschaltet, wobei
die zweite Elektrode 14 direkt auf der Kontaktfläche 26 aufliegt.
Die erste Elektrode 12 der Einrichtung 10 ist
mit der Leitung 27 über
einen Bonddraht 28 elektrisch verbunden. Die erste Kontaktfläche 25 ist über einen
Bonddraht 29 mit einer Leitung 30 elektrisch verbunden
und dient zum Schließen
des Stromkreises.
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Wie 7 zu
entnehmen ist, benötigt
die Einrichtung 10 kein separates gehäuse und lässt sich auf äußerst einfache
Art und Weise mit dem elektrischen Verbraucher 1 verschalten.
Die gesamte in 7 gezeigte Anordnung kann von
einem Gehäuse 31 umschlossen
werden.
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- 1
- elektrischer
Verbraucher
- 2
- Strom-Spannungsversorgung
- R
- Widerstand
- 3
- Einrichtung
- 4
- Halbleiterchip
- 5
- Träger
- 6
- Isolationsschicht
- 7
- Bonddraht
- 8
- Anschlussbeinchen
- 9
- Gehäuse
- 10
- Einrichtung
- 11
- Halbleiterkörper
- 12
- erste
Elektrode
- 14
- Vorderseite
- 15
- Rückseite
- 16
- Isolationsschicht
- 17
- elektrische
Durchführung
- 18
- Verdrahtungsstruktur
- 19
- Emitter
- 20
- Basis
- 21
- Kollektor
- 22
- Steuerschaltung
- 23
- Isolationsschicht
- L
- Linie
- 24
- Transistor
- 25,
26
- Kontaktfläche
- 27
- Leitung
- 28,
29
- Bonddraht
- 30
- Leitung
- 31
- Gehäuse