DE1639173C3

DE1639173C3 - Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung

Info

Publication number: DE1639173C3
Application number: DE1639173A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Phys. Dr. Eindhoven Weinerth (Niederlande)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1967-12-09
Filing date: 1968-01-20
Publication date: 1979-03-15
Also published as: DE1764251C3; DE1764251A1; GB1245668A; US3567965A; DE1639173B2; DE1589707A1; DE1639173A1; GB1230879A; DE1589707B2; GB1245531A; DE1764251B2; NL6817648A; FR1599179A

Description

Das Hauptpatent 15 89 707 betrifft eine temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Diese temperaturkompensierte Z-Diode nach dem Hauptpatent ist in hohem Maße temperaturkompensiert, und zwar auf Grund der sich ergänzenden Wirkungen des negativen Temperaturkoeffizienten der als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen und der mit positivem Temperaturkoeffizienten versehenen, als Z-Dioden wirkenden Transistorstrukturen.

Bei der Massenfertigung solcher temperaturkompensierter Z-Dioden tritt die Schwierigkeit auf, daß von Bauelement zu Bauelement die Güte der Temperaturkompensation schwankt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei der Fertigung die technologischen Parameter schwanken. Insbesondere schwankt von Bauelement zu Bauelement die Abbruchspannung der ais Z-Diudcn wirkenden Transistorstrukturen; ferner schwankt aber auch der Temperaturkoeffizient Her Z-Dioden in Abhängigkeit von der Abbruchspannung.

Dieses Problem kann nach dem Hauptpatent dadurch gelöst werden, daß die Anzahl der als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen so gewählt wird, daß

eine optimale Temperaturkompensation des jeweiligen Bauelements erreicht wird. Diese Lösungsmöglichkeit ist jedoch relativ aufwendig, da die überflüssigen, als Flußdioden wirkenden Transistorstruktuien nicht verwendet werden können, jedoch auf dem Halbleiterkörper unnötig viel Platz beanspruchen. Außerdem ist dieser Abgleich nur in ganzzahligen Stufen des Temperaturkoeffizienten der Flußdioden möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die zusätzliches und nicht verwendeten, als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen einzusparen und durch eine andere Abgleichmöglichkeit zu ersetzen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in den die gemeinsame KoUektorzone darstellenden Halbleiterkörper eine weitere Transistorstruktur eingebracht ist, deren Kollektor aus einem Teil der gemeinsamen Kollektorzone besteht, daß Basis und Emitter der weiteren Transistorstruktur mit einem Wirkwiderstand und ebenso Basis und Kollektor mit eh>em weiteren Wirkwiderstand überbrückt sind, daß der Emitter bei η-leitender KoUektorzone am positivsten Punkt der in Reihe geschalteten, als Fluß- oder Z-Dioden wirkenden Transistorstrukturen, dagegen bei p-leitender KoUektorzone am negativsten Punkt der Reihenschaltung angeschlossen ist und daß im Falle eines erforderlichen Abgleichs des Temperaturkoeffizienten der optimale Widerstandswert mindestens eines der Wirkwiderstände durch mindestens teilweises Kurzschließen oder durch Entfernen von Teilen der Wirkwiderstände mittels Ätzens oder Sandstrahlens eingestellt ist Durch diese Anordnung wird erreicht, daß nur noch wenige, als Flußdioden wirkende Transistorstrukturen notwendig sind, die den differentiellen Widerstand der temperaturkompensierten Z-Diode auf einen niederen und optimalen Wert begrenzen.

Die Erfindung sowie Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung werden nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher beschrieben und erläutert.

F i g. 1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der weiteren Transistorstruktur und der Wirkwiderstände nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine Ausbildungsform der Erfindung, bei der die weitere Transistorstruktur und die Wirkwiderstände an das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 des Hauptpatents angeschlossen ist;

F i g. 3 zeigt im Grundriß einen Ausschnitt aus dem Halbleiterkörper der temperaturkompensierten Z-Diode, der die weitere Transistorstruktur nach der Erfindung sowie die Wirkwiderstände enthält;

F i g. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine andere Anordnung der zusätzlichen Wirkwiderstände;

Fig.5 zeigt in schematischer Darstellung eine gegenüber Fig.4 andere Anordnung der Wirkwiderstände;

Fig.6 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der Wirkwiderstände.

In Fig. 1 ist die gegenüber den nach dem Hauptpatent im gemeinsamen Halbleiterkörper einge- &o brachten Transistorstrukturen zusätzliche Transistorstruktur T zusammen mit dem aus den Wirkwiderständen R\ und R₂ bestehenden Spannungsteiler als elektrisches Ersatzschaltbild dargestellt Der Wirk-'.viderstarvi Rf liegt zwischen Basis und Kollektor der b5 Transistorstruktur Tund besteht aus den Tcüwiderständen R₂U R22, R23, ^_2n. Der Wirkwiderstand R\ liegt zwischen Basis und Emitter der Transistorstruktur T.

Für diese Schaltungsanordnung gelten in guter Näherung die beiden folgenden Beziehungen:

* ίο V R₁)'

wobei i/cEdie Kollektor-Emitter-Spannung und £/53 die Basis-Emitter-Spannung der Transistorstruktur T bezeichnen. Mit Δ Lice und Δ Ueb sind die Spannungsänderungen der Kollektor-Emitter-Spannung bzw. der Basis-Emitter-Spannung bezeichnet die von einer mit Δ& bezeichneten Temperaturändening hervorgerufen werden. Da nun aber die temperaturbezogene und temperaturbedingte Spannungsänderung der Basis-Emitter-Spannung Ueb etwa -2 mV/°C beträgt, kann durch Verändern der Widerstandswerte der Wirkwiderstände R] und R₂ die temperaturbedingte und temperaturbezogene Spannungsänderung der Kollektor-Emitter-Spannung Uce eingestellt werden. Der eben geschilderte Sachverhalt ist an sich bekannt, und zwar aus der von Fairchild Semiconductors, Mountain View, California, am 24. November 1965 herausgegebenen »Consumer Application Note: 15 Watt Audio Amplifier with short circuit protection« des Verfassers Don Smith.

In F i g. 2 ist der in F i g. 1 gezeigte Schaltungsteil mit einer als temoeraturkompensierte Z-Diode wirkenden Anordnung zusammengeschaltet. Diese Anordnung entspricht im wesentlichen der in F i g. 13 des Hauptpatents gezeigten Anordnung. Der Emitter der Transistorstruktur Tist am positivsten Punkt der Anordnung nach der Fig. 13 des Hauptpatents angeschlossen; dadurch kann die Transistorstruklur T in die gemeinsame KoUektorzone nc der temperaturkompensierten Z-Diode eingebracht werden.

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Halbleiterkörper der temperaturkompensierten Z-Diode nach der Erfindung, und zwar im Grundriß denjenigen Ausschnitt, der die Transistorstruktur Tund die Wirkwiderstände R\ und Ri enthält. Durch die gestrichelten Linien sind die im Halbleiterkörper, der die gemeinsame KoUektorzone nc bildet, erzeugten Zonen der Widerstände dargestellt. Die Emitter- und die Basiszone sind nicht gezeichnet, die gestrichelt gezeichneten Quadrate und Rechtecke sind als öffnungen in einer den Halbleiterkörper bedeckenden Isolierschicht zu betrachten, welche öffnungen die darunterliegenden Zonen freilegen. In diesen öffnungen ist auf den jeweiligen Zonen ein Metallbelag aufgebracht, der die Zonen kontaktiert. In der Zeichnung sind folgende Zonen mit den entsprechenden Öffnungen in der Isolierschicht und den daran angebrachten Kontakten gezeigt: Der Wirkwiderstand R\ mit den an seinen Enden sich befindenden öffnungen la und Xb, ferner der Wirkwiderstand R₂, der aus den hintereinandergeschalteten Teilwiderständen /?₂i, R22, R23, Ri* besteht. Die Serienschaltung dieser Widerstände besitzt die Kontaktierungsöffnungen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e. Über den drei Zonen der Transistorstruktur Tsind die Kontaktierungsöffnungen B für die Basis, C für den Kollektor und E für den Emitter vorhanden und in diesen öffnungen ebenfalls ein Kontaktbelag aufgebracht.

Mit Ausnahme der in den Öffnungen erzeugten Kontaktierungsbeläge ist die Oberfläche des Halbleit :rkörpers mit einer weiteren Isolierschicht bedeckt. »V.it

dieser Isolierschicht sind die strichpunktiert eingezeichneten Bezirke mit einem Metallbelag versehen, der die Fläche der darunterliegenden Kontakte vergrößert. Ein Teil dieser größeren Kontaktbeläge stellt auch elektrisch leitende Verbindungen zwischen einzelnen darunterliegenden Kontaktbelägen her. Im einzelnen sind folgende größere Kontaktbeläge vorhanden: Der K.ontaktbeiag 31, der den Emitterkontakt Fund das eine Ende 1.2 des Wirkwiderstandes R) miteinander verbindet; ferner der Kontaktbelag 32, der den Basiskontakt B, das andere Ende \b des Wirkwiderstandes R\ und das eine Ende 2a dos Wirkwiderstandes R₂ miteinander verbindet; ferner der Kontaktbelag 33, der die Fläche des Kontaktbelags 2d vergrößert; weiter die Kontaktbeläge 34 und 35, die jeweils die Kontaktfläche der Kontaktbeläge 2b und 2c· vergrößern; schließlich der Kontaktbelag 36, der das andere Ende 2e des Wirkwiderstandes R₂ mit dem Kollektorkontakt C verbindet

Die Anordnung der vergrößernden Kontaktbeläge 31 bis 36 ist nun in vorteilhafter Weise und in Weiterbildung der Erfindung so gewählt, daß jeder Kontaktbelag bis in die Nähe des anderen geführt ist Dies ist z. B. aus der geometrischen Anordnung des Kontaktbelags 31 ersichtlich, dessen die Kontaktbeläge fund la verbindender Teil 31a über den Teil 31£> zum Teil 31c führt, damit der Kontaktbelag 31 sich bis nahe an den Kontaktbelag 36 hin erstreckt Die Kontaktbeläge 33 bis 35 sind in ihrer Fläche so groß gewählt, daß zwischen ihnen nur ein geringer Abstand besteht Es verlaufen jeweils zwei Kanten dieser Kontaktbeläge parallel zueinander. Ebenso sind auch die Kontaktbeläge 31,32 und 36 so ausgebildet daß jeweils zwei Kanten parallel zueinander verlaufen.

Der Verlauf des Wirkwiderstandes Ri und die Anordnung der Kontaktierungsöffnungen 2a bis 2e sind so gewählt, daß die größeren Kontaktbeläge 33 bis 35 nebeneinander angeordnet werden können. In F i g. 3 ist dies durch den etwa U-förmigen Verlauf des Wirkwiderstandes R₂ erreicht

Auf Grund der geschilderten Anordnung der vergrößerten Kontaktbeläge 31 bis 36 und auf Grund der geschilderten Anordnung des Wirkwiderstandes R2 ist es nun möglich, entweder Teile des Wirkwiderstandes R₂ oder die gesamte Transistorstruktur einschließlich der Wirkwiderstände R) und R₂ kurzzuschließen. Dies bedeutet daß die temperaturabhängige Spannungsänderung Δ Uce der Kollektor-Emitter-Spannung in Abhängigkeit des Widerstandswertes des Wirkwiderstandes R₂ gewählt werden kann. Somit kann aber das gesamte Bauelement der temperaturkompensierten Z-Diode auf optimalen Temperaturkoeffizienten abgeglichen werden. Die geschilderte Anordnung des Wirkwiderstandes R₂ und der Kontaktbeläge 31 bis 36 gestattet es, mit nur einem zusätzlichen Metaübelag einen, zwei, drei oder vier Teilwiderstände wirksam bleiben zu lassen oder die gesamte Anordnung kurzzuschließen. Es sind folgende Kurzschlußverbindungen, die aus einer entsprechend aufgebrachten Metallschicht bestehen können und deren Fläche in der Fig.3 durch die ausgezogen gezeichneten Rechtecke angedeutet ist, vorhanden: Der Kurzschlußbelag I, der drei Teilwiderstände, nämlich die Teilwiderstände Rn, R₂₂ und R23, kurzschließt; ferner der Kurzschlußbelag II, der den Teilwiderstand R₂₂ kurzschließt; der Kurzschlußbelag III, der den Teilwiderstand R22 und den Teilwiderstand R23 kurzschließt; der Kurzschlußbelag IV, der den gesamten Wirkwiderstand R₂ kurzschließt; schließlich der Kurzschlußbelag V. der die Kollektor-Emitter-Strecke der Transistorstruktur T kurzschließt. D.i: Wirkwiderstände R, und R₂ mit den entsprechenden Teilwiderständen können, wie an Hand des Ausführungsbeispiels der Fig.3 angegeben, als in die gemeinsame Kollektorzone eindiffundierte Zonen vom zum Leitungstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitungstyp hergestellt werden. Es ist aber auch nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung möglich, die Wirkwiiierstände als auf den Halbleiterkörper aufgebrachte Widerstandsschichten herzustellen.

Das Kurzschließen der Teilwiderstände oder der Kollektor-Emitter-Strecke der Transistorstruktur T erfolgt vorteilhafterweise durch aufgedampfte Metallschichten, die durch entsprechende Masken hindurch aufgedampft werden. Nach einer anderen Ausführungsform kann das Kurzschließen aber auch mittels dünner Drähte erfolgen, die durch eines der üblichen Bondingverfahren an den vergrößerten Kontaktbelägen befestigt werden.

Die Anordnung nach der Fig.3 gestattet einen Temperaturkoeffizienten-Abgleich in Stufen, die durch den Widerstandswert der Teilwiderstände R₂) bis R₂A gegeben sind. Diese Abgleichmöglichkeit reicht in vielen Fällen für den gewünschten Temperaturkoeffizientenabgleich aus. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen eine verfeinerte und bessere Abgleichmöglichkeit notwendig ist In diesen Fällen müssen die Wirkwiderstände R) und R₂ anders angeordnet werden.

jo Eine solche andere Anordnung ist in schematischer Weise in F i g. 4 gezeigt Die Wirkwiderstände R) und R₂ sind in die Teilwiderstände An bis R₁₆ bzw. R₂) bis R₂^, aufgeteilt Der Widerstandswert der Teilwiderstände wird durch die jeweilige Länge der eindiffundierten oder aufgebrachten Zone bestimmt Diese Länge ist im Ausführungsbeispiel der F i g. 4 von Teilwiderstand zu Teilwiderstand verschieden groß, so daß die Teilwiderstände ebenfalls verschieden groß sind. Die Teilwiderstände Rn bis R)t sind so gewählt daß ihr Widerstandswert von Widerstand zu Widerstand abnimmt während der Widerstandswert der Teilwiderstände /?2i bis /?26 von Widerstand zu Widerstand zunimmt Der Wirkwiderstand R) hat die Endkontakte 11 und 17, während der Wirkwiderstand R₂ die Endkontakte 21 und 27 besitzt Die Kontakte 12 bis 16 verbinden die Teilwiderstände R)) bis R^ miteinander: ebenso die Kontakte 22 bis 26 die Teilwiderstände R₂) bis Ä26· Die Anordnung der Endkontakte und der Verbindungskontakte 11 bis 17 und 21 bis 27 ist so gewählt daß sie einerseits nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind und daß andererseits jeweils entsprechende Kontakte der Teilwiderstände sich gegenüberliegen. So sind die Kontakte 11 bis 17 in einer Reihe angeordnet ebenso die Kontakte 21 bis 27, und es liegen sich jeweils die Kontakte 11 und 21,12 und 22 usw. bis 17 und 27 gegenüber. Zwischen den gegenüberliegenden Kontakten ist eine streifenförmige Kontaktbahn 28 aufgebracht die mit dem Basiskontakt der Transistorstruktur T verbunden ist Mittels einer einzigen Kontaktbrücke Vl, die in F i g. 4 die Kontakte 14 und 24 miteinander und mit der Kontaktbahn 28 verbindet, ist ein feingestufter Abgleich in weiten Grenzen möglich.

F i g. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine andere Möglichkeit der Anordnung der beiden Wirkwiderstände Ri und R₂. Der Wirkwiderstand Äi besitzt wie im Ausführungsbeispiel der Fig.3 einen festen Wert, während der Wirkwiderstand R₂ entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig.4 aus Teilwiderständer

Wii bis Ä25 besteht. Ein Abgleich wird in diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß mehrere Kurzschlußbeläge, in diesem Beispiel die Kurzschlußbeläge VH und VIII, einzelne Teilwiderstände kurzschließen. So werden in F i g. 5 die Teilwiderstände Rn und Ä24 kurzgeschlossen. Durch die Verwendung von mehreren kurzschließenden Kontaktbelägen ist ein verfeinerter und fein abgestufter Abgleich des Teinperaturkoeffizienten möglich.

Die F i g. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie durch Verändern des Widerstandswertes des Wirkwiderstandes /?2 der Temperaturkoeffizient abgeglichen werden

kann. In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Widerstand R2 aus einer gegenüber dem Wirkwiderstand Äi wesentlich breiteren, in den Halbleiterkörper eindiffundierten Zone oder aus einer breiteren aufgebrachten Schicht aus Widerstandsmaterial. Durch Sandstrahlen oder Ätzen wird an der durch den Pfeil gekennzeichneten Stelle so viel von dem aufgebrachten Widerstandsmaterial des Wirkwiderstandes R2 entfernt, bis ein optimaler Temperaturkoeffizientenabgleich erreicht ist. Dieses Abgleichverfahren besitzt gegenüber den oben beschriebenen den Vorteil, daß der Widerstandswert von /?2 kontinuierlich geändert werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung in Form einer Halbleiterschaltung, die aus mehreren nichtlinearen und linearen, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper des einen Leitungstyps angeordneten, durch aufgebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Einzelelementen besteht und die mit zwei äußeren Anschlüssen versehen ist, bei der als Einzelelement mehr als zwei Transistorstrukturen dienen, der Halbleiterkörper die gemeinsame Kollektorzone aller Transistorstrukturen darstellt, die Basis-Emitter-pn-Obergänge der Transistorstrukturen bezüglich der Richtung des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet sind, daß ein Teil der Basis-Emitter-pn-Übergänge in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind, und bei der gegebenenfalls der Emitter der letzten als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß verbunden ist, wobei nach Patent 15 89 707 Wirkwiderstände zum Einstellen des über einzelne pn-Übergänge fließenden Stromes entweder in der gemeinsamen Kollektorzone als den dem Leitungstyp des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitungstyp besitzende Zonen oder auf dem Halbleiterkörper als aufgebrachte Widerstandsschichten angeordnet sind, zur Erniedrigung des dynamischen jo Innenwiderstandes die Transistorwirkung von mindestens einem Teil der als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen herangezogen ist und der Halbleiterkörper mit dem ersten äußeren Anschluß sowie entweder die Basis der letzten als Z-Diode y, wirkenden Transistorstruktur oder der Emitter der letzten als Flußdiode wirkenden Transistorstruktur mit dem zweiten äußeren Anschluß verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den die gemeinsame Kollektorzone (n_c) darstellenden Halbleiterkörper eine weitere Transistorstruktur (T) eingebracht ist, deren Kollektor aus einem Teil der gemeinsamen Kollektorzone (n_c) besteht, daß Basis und Emitter der weiteren Transistorstruktur mit einem Wirkwiderstand (Ri) und ebenso Basis und v> Kollektor mit einem weiteren Wirkwiderstand (Ä2) überbrückt sind, daß der Emitter bei n-leitender Kollektorzone am positivsten Punkt der in Reihe geschalteten, als Fluß- oder Z-Dioden wirkenden Transistorstrukturen, dagegen bei p-leitender KoI-lektorzone am negativsten Punkt der Reihenschaltung angeschlossen ist und daß im Falle eines erforderlichen Abgleichs des Temperaturkoeffizienten der optimale Widerstandswert mindestens eines der Wirkwiderstände (Ru R2) durch mindestens « teilweises Kurzschließen oder durch Entfernen von Teilen der Wirkwiderstände (R2) mittels Ätzens oder Sandstrahlens eingestellt ist.

2. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die mi Wirkwiderstände aus in Reihe geschalteten TeilwidcrständenC?:· /?w:/??i... R₂₇)bestehen.

3. Temperaturkompensierte Z-Diodenanordnung nach einem der Ansprüche t bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Widerstandswert der Wirkwiderstände durch mindestens teilweises Kurzschließen mittels aufgedampfter Metallschichten (1... Viii) eingesteiit ist.

4. Anordnung der zusätzlichen Transistorstruktur und der Wirkwiderstände auf dem Halbleiterkörper der temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden (la, \b, 2a... 2e^der Teilwiderstände und der Zonen (B, C, E) der Transistorstruktur (T) auf einer diese Kontaktbeläge frei lassenden Isolierschicht größerflächige Metallbeläge (31... 36) aufgebracht sind, von denen einige (31,32,36) auch als Zwischenverbindungen dienen, daß die größerflächigen Metallbeläge derart einander benachbart sind, daß zwei Seitenkanten benachbarter größerflächiger Metallbeläge parallel verlaufen, und daß durch eine einzige, auf zwei benachbarte größerflächige Metallbeläge aufgebrachte Metallschicht (I...V) oder einen einzigen Verbindungsdraht der Temperaturkoeffizient optimal eingestellt ist (F i g. 3).

5. Verfahren zum Herstellen einer temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erzeugen sämtlicher Wirkwiderstände und Transistorstrukturen der Temperaturkoeffizient der temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung gemessen wird und daß nach der Messung die kurzschließenden) Metallschicht(en) oder der (die) kurzschließende^) Verbindungsdraht \drähte) aufgebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (I... VIII) durch Masken hindurch aufgedampft werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des optimalen Widerstandswertes die Wirkwiderstände durch mittels üblicher Bondingverfahren erzeugte Drahtverbindungen mindestens teilweise kurzgeschlossen werden.