DE2231932A1

DE2231932A1 - Transistorschaltung mit tandemanordnung

Info

Publication number: DE2231932A1
Application number: DE2231932A
Authority: DE
Inventors: Tokio Furuhashi
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1971-06-29
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1973-02-08
Also published as: FR2144366A5; IT959993B; DE2231932B2; US3725754A; NL7207950A; NL175569B; JPS5135113B1; DE2231932C3; NL175569C; GB1399530A

Description

PATENTANWÄLTE

DR₁-ING₁RICHARDGLAWe · DIPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS₁ DR. WALTER MOLL

MÜNCHEN HAMBURG MÜNCHEN

8 MDNCHEN 26 2 HAMBURG

POSTFACH 37 WAITZSTR. LIEBHERRSTR. 20 TEL (0411) 89 22 TEL. (0811)22 65 48 TELEX 212921 spez IHRZEICHEN IHRENACHRICHTVOM UNSERZEICHEN MÜNCHEN

BETRIFFT.

Transistorschaltung mit Tandemanordnung

Die Erfindung betrifft eine Transistorschaltung, und insbesondere eine Transistorsclialtung mit einer Tandemanordnung, die einen HPN-Transistor und einen PITP-Transistor aufweist, die so zusammengeschaltet sind, daß sie insgesamt als einziger PNP-Transistor wirken.

Bei der Herstellung von,integrierten Halbleiterschaltkreisen, die in einem P-Typ-Silizium-Substrat ausgebildet werden, treten gewöhnlich Schwierigkeiten auf, wenn ein PNP-Transistor mit einer hohen Stromverstärkung hergestellt werden soll. Der PNP-Seitentransistor ist einer der erwähnten PNP-Transistoren. Solch ein PNP-Seitentransistor hat P-Typ-Emitter- und Kollektorbereiche, die seitlich zueinander in einer N-Typ-Basisregion angeordnet sind. Der PNP-Seitentransistor hat jedoch eine geringe Stromverstärkung. Die PNP-Transistoren nach anderen Typen haben denselben Nachteil. Zur Lösung dieser

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POSTSCHECK· HAMBURG 1476 07 · BANK: COMMERZBAHK, HAMUIJRG, 5)/K9O4 · TELfGR₁ SPECHTÜE5 !1-¹MHJSO t»-,/. SPECHTZIES MÜNCHEN

Probleme wurde bereits angeregt, aaß ein PHP-Transistor und ein NPN-Transistor mit einer großen Stromverstärkung kombiniert werden, so daß sie als Äquivalent für einen einzigen PNP-Transistor wirken, wodurch eine hohe Stromverstärkung erzielt wird. Die Kombination der beiden Transistoren wird bisher gewöhnlich dadurch erreicht, daß der Kollektor des PNP-Transistors mit der Basis des NPN-Transistors kombiniert und der Emitter des PNP-Transistors zu dem Kollektor des NPN-Transistors gemacht wird. In dieser Schaltung wird die Basis des PNP-Transistors als Basis für die Tandemanordnung, der Emitter des NPN-Transistors als Kollektor und die Grenzfläche des Emitters des PNP-Transistors und des Kollektors des NPN-Transistors als Emitter verwendet.

J)iese Tandemschaltung hat einige Nachteile. Als erstes erzeugt die Schaltung eine Schwingung bei einer speziellen Frequenz, die durch eine große Phasendifferenz erzeugt wird, die zwischen dem Emitter und dem Kollektor des PNP-Transistors auftritt, und hängt von der Struktur des verwendeten Transistors ab. Besonders wenn die Basisbreite des verwendeten PNP-Transistors groß ist, wird die Schwingungsfrequenz so niedrig, daß der normale Betrieb in seinem Frequenzband beeinflußt wird. Die Basisbreite muß daher kleiner als ein bestimmter Wert sein. Ferner ist es sehr schwierig, die Basisbreirf¹" der Herstellung des herkömmlichen PNP-Transistors genau zu steuern. Daher ist es auch schwierig, die Frequenz der unerwünschten Schwingung vorauszusagen. Solch eine unerwünschte Schwingung kann dadurch verhindert werden, daß ein Nebenschluß zwischen der Basis des NPN-Transistors und Erde ausgebildet wird. Dieser Nebenschluß benötigt jedoch eine Kapazität, die nicht auf demselben Substrat wie die integrierte Schaltung selbst ausgebildet werden kann. Daher muß die Kapazität als zusätzliches äußeres Element zugefügt werden, sodaß die Vorrichtung insgesamt komplizierter wird. Wenn die Kapazität dennoch in dem Substrat ausgebildet werden soll, ergibt sich unausweichlich eine größere Halbleitereinrichtung.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transistorschaltung mit Tandemanordnung zu schaffen, die in einer integrierten Schaltung hergestellt werden kann und bei der die unerwünschte Schwingung verhindert werden kann, ohne daß auf ein kapazitives Element zurückgegriffen werden muß.

Erfindungsgemäß ist daher eine Transistorschaltung mit Tandemanordnung vorgesehen, die einen ersten Transistor vom PEP (oder NPN)-Typ einen zweiten Transistor vom NPN (oder PNP)-Typ, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist, und einen zusätzlichen Transistor vom PNP (oder NPN)-Typ aufweist, dessen Basis mit dem Emitter des ersten Transistors und dessen Emitter mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, so daß insgesamt ein Äquivalent für einen einzigen PNP (oder NPN)-Transistor geschaffen wird.

Die Erfindung hat verschiedene technische Vorteile gegenüber bekannten Einrichtungen. Kurz gesagt, ist der Verstärkungsgrad der internen Rückkopplungsschleife der Tandemanordnung kleiner als 1 aufgrund des zusätzlichen Transistors. Daher wird keine Schwingung verursacht. Die Erfindung hat den Vorteil, daß kein kapazitives Element erforderlich ist, das eine äußere Zusatzanordnung benötigt. Die Stromverstärkung wird nicht geopfert, da ein zusätzlicher Transistor vorgesehen ist, ohne daß er einen erheblichen Raum auf der Fläche des Substrates in Anspruch nimmt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig.1 ein Schaltungsdiagramm, das eine herkömmliche Transistorschaltung in Tandemanordnung (Darlington-Schaltung) zeigt j

Fig.2 ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen Transistorschal tung mit Tandemanordnungj

Fig.3 ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles in seiner Schaltung an einem Verstärker; und

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Pig.4 einen Querschnitt durch den Aufbau des Transistors, der in' dem Ausführungsbeispiel von Fig.3 verwendet wird.

Der Kollektor des PNP-Transistors 1 (Fig.1) ist mit der Basis eines NPN-Transistors 2 verbunden, dessen Stromverstärkung größer als die des PNP-Transistors 1 ist. Der Kollektor des NPN-Transistors 2 ist mit dem Emitter des PNP-Transistors 1 verbunden, wobei eine Anschluß 3 von der Basis des PNP-Transistors 1 als Basisanschluß der Tandemschaltung, ein Anschluß 4 von dem Emitter des PNP-Transistors 1 als Emitteranschluß und ein Anschluß 5 von dem Emitter des NPN-Transistors 2 als Kollektoran- ι Schluß verwendet wird. Die Tandemschaltung wirkt als Äquivalent eines einzigen PNP-Transistors und hat eine hohe Stromverstärkung.

Der PNP-Transistor 1 hat, wenn er in Form einer integrierten Schaltung mit einem P-Typ-Substrat hergestellt wird, gewöhnlich schlechte Kennwerte, wodurch die Signale an seinem Emitter und Kollektor eine große Phasendifferenz haben. Dadurch entwickelt der Kreis. 6 (Kollektor des PNP-Transistors 1 - Basis des NPN-Transistors 2 - Kollektor des NPN-Transistors 2 - Emitter des PNP-Transistors 1 - Kollektor des PNP 1) eine positive Rückkopplung bei einer speziellen Frequenz, so daß die Schaltung in Schwingung versetzt wird. Die Schwingungsfrequenz liegt bei einigen Mega-Hefe, insbesondere, wenn der PNP-Transistor 1 aus einem PNP-Seitentransistor besteht. Dies wird im folgenden noch unter Bezugnahme auf Fig.4 beschrieben.

Die Schwingung kann dadurch verhindert werden, daß die Verstärkung des Kreises 6 herabgesetzt wird oder in anderen Worten, \ daß die Stromverstärkung des PNP-Transistors 2 herabgesetzt wirdJ Die Herabsetzung der Stromverstärkung des NPN-Transistors 2 ist jedoch dem Zweck nicht dienlich, eine hohe Stromverstärkung bei ' der Tandemschaltung insgesamt zu verwirklichen. :)■!.·:

Die Schwingungsfrequenz hängt weitgehend von der Basisbreite des ' PHP-Transistors 1 ab. Um zu verhindern, daß die schwingung bei \ einem niedrigen Frequenzbereich sich bis zur Betriebsfrequenz !

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der Schaltung erstreckt, muß die Basisbreite so klein wie möglich sein. Es ist Jedoch bei dem HerstellungspÄess sehr schwierig, die Basisbreite auf einen sehr kleinen Wert zu begrenzen. Auch macht die genaue Eontrolle der Basisbreite bei ; der Herstellung die Steuereinrichtung kompliziert, die für die Massenherstellung von integrierten Halbleiterschaltungen benötigt wird, auch wird die Ausbeute kleiner.

Ein anderer Versuch, die unerwünschte Schwingung zu verhindern, _:

besteht darin, eine Nebenschlußkapazität zwischen der Basis des ^: NPN-Transistors 2 und Erde einzusetzen. Wenn die Kapazität je- , doch in das Substrat eingearbeitet werden soll, wird eine größere Substratfläche benötigt, was der Miniaturisierung der in- ^: tegrierten Schaltung abträglich ist.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Mangel dadurch, daß eine neue Anordnung geschaffen wird, bei der ein zusätzlicher j PNP-Transistor zwischen dem Emitter des PHP-Transistors von !" ; Fig.1 und dem Kollektor des NPN-Transistors vorgesehen lord, so \ daß die Basis-Emitter-Verbindung des zusätzlichen PNP-Transistors in derselben Richtung bezüglich der Basis-Emitter-Verbindung des* PMP-Transistors angeschlossen ist. Die Stromverstärkung des zu-■ sätzlichen PHP-Transistors in der geerdeten Emitter-Schaltungs-Anordnung wird so bestimmt, daß die gesamte Schleifenverstärkung kleiner als 1 gehalten wird.

Fig.2 zeigt schematisch das Ausfühxungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein zusätzlicher PHP-Transistor 7 in die her- j kömmliche Schaltung von Fig.1 eingesetzt ist. Die Basis dieses zusätzlichen PNP-Transistors 7 ist mit dem Emitter des ersten PNP-Transistors 1 verbunden, während der Emitter des Transistors 7 mit dem Kollektor des NPN-Transistors 2 verbunden ist. Der Anschluß 5 kann direkt mit dem Anschluß 8 verbunden sein. Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung kann der Anschluß 5 mit dem Anschluß 8 durch einen Widerstand (in lig.2 nicht ge zeig];) verbunden,sein, der zur Messung eines übermäßigen Stromes oder zu anderen Zwecken verwendet werden kann. Der Kollektor des

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^:zusätzlichen PNP-Transistors 7» der an den Anschluß 8 angeschlossen ist, soll als Kollektoranschluß der gesamten Schaltung dienert. Die Spannung wird zwischen den Anschlüssen 4 und 8 durch eine Lastimpedanz (in Fig.2 nicht gezeigt) angelegt. Wie dargestellt ist, ist die EraitterBasis-Verbindung des zusätzlichen PNP-Transistors 7 in einen Kreis 9 eingesetzt (Kollektor des PNP-Transistors 1 - Basis des NPN-Transistors 2 - Kollektor des NPN-Transistors 2 - Emitter des zusätzlichen PNP-Transistors 7 - Baas-des zusätzlichen PNP-Transistors 7 - Emitter des PNP-Transistors 1 - Kollektor des PlP-Transistors 1), und der Basisstrom des zusätzlichen PNP-Transistors 7 hat einen Wert, : der gleich der inversen Zahl der Stromverstärkung h^-g^ ,,des zusätzlichen PNP-Transistors 7 ist. Daher wird die Verstärkung des Kreises 9 stuf einen Wert von 1/h-p-g^ mal der Verstärkung des Kreises 6 von Fig.1 herabgesetzt. Der Wert von hg,-^ wird geeignet bestimmt, um die Verstärkung des Kreises 9 unter 1 zu halten.

Auf diese Weise verursacht die Transistorschaltung in Tandeman-I Ordnung keine parasitäre Schwingung. Ferner kann die gesamtstromverStärkung, die in der geerdeten Emitterschaltungsanordnung erzielt wird, erhöht werden, wobei auf die hohe Stromverstärkung I hnrgo d-^es NPN-Transistors 2 für die geerdete Emitteranordnuhg zurückgegriffen wird. Wenn eine Last an den Anschluß 4 angeschaltet ist, um die Transistor-Schaltung in Tandemanordnung insgesamt als Emitterfolge zu verwenden, kann die Stromzufuhr zu der Last beachtlich erhöht werden. Speziell kann der Emitterstrom des PNP-Transistors 7 ausgedrückt werden als: i-Q+i-r,· Iw_nV₁ (wobei i_ß der BasJsatrom an dem Anschluß 3 ist). Auf ähnliche Weise kann der Emitter-Strom des zusätzlichen PNP-Transistors 7 angegeben werden als:(i_B+i_B ^#hp_Ex]) + (iß+iB'^jji^ ■^tLFE3^# ^^e Summe ^des Etoitterstromes des zusätzlichen PNP-Transistors 1 und des Kollektorstromes des NPN-Transistors 2 ausgedrückt durch: iB*h.j>j;i"*VE2 wird an den Anschluß 4 zugeführt. Der Gesamtstrom ist um den Wert (i-Q+i-r,'Iw₁-V₁) h-c-po größer als der Wert, der mit der Schaltung von Fig.1 zu erzielen ist, I

- I In Fig, 3 ist Gin bevorzugtes Ausfülirungsbeispiel der Erfindung

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in Anwendung auf einen Eniitt erf olger gezeigt. Der Anschluß 4 ist mit der positiven Elektrode einer Stromquelle 11 durch eine Last 10 und der Anschluß 8 mit der negativen Elektrode der Strom· quelle 11 verbunden. Ein Widerstand 12 ist zwischen den Anschlüssen 5 und 8 angeschlossen, um einen übermäßigen Strom zu messen. Ein übermäßiger Laststrom wird an dem Anschluß 13 gemessen, der an den Anschluß 5 angeschlossen ist. Ein Widerstand 14 ist zwischen der Basis und dem Kollektor eines PNP-Transistors 2 angeschaltet. Der Kollektorstrom des ersten PNP-Transistors 1 fließt durch den Widerstand 14, um den NPN-Transistors 2 in einen geöffneten Zustand zu bringen. Die Schaltung von Fig.3 kann in einer integrierten Schaltungseinrichtung verwirklicht werden. (Fig.4). Die Transistoren 1, 2 und 7 werden hergestellt, wie in Fig.4 gezeigt ist. Wechselseitig voneinander getrennte N-Typ-Regionen 16, 17 und 18 werden auf einem P:-Typ Halbleitersubstrat 15 ausgebildet. Zwei seitlich zueinander angeordnete P-Typ-Regionen werden in der Region 16 angeordnet, um den PNP-Transistor 1 zu bilden. Eine P-Typ-Region wird in der Region 17 ausgebildet, und eine N-Typ-Region wird wMerum in dieser P-Typ-Region ausgebildet, so daß ein NPN-Transistor 2 gebildet wird. Ferner wird eine P-Typ-Region in der Region 18 ausgebildet, so daß ein zusätzlicher PNP-Transistor 7 mit der P-Typ-Region als Emitter der Region 18 als Basis und dem Substrat 15 als Kollektor hergestellt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es, da der Kollektoranschluß 8 auf einem minimalen Potential gehalten wird, möglich, den zusätzlichen PNP-Transistor 7 aufzubauen, wie in Fig.4 gezeigt ist. Er kann daher so ausgelegt werden, daß, wenn der Emitterstrom erheblich erhöht wird, die Stromverstärkung des zusätzlichen PNP-Transistors 7 schneller abfällt, als die des NPN-Transistors 2. Wenn ein übermäßiger Laststrom fließt, wird daher der größte Teil dieses übermäßigen Stromes durch den NPN-Transistor:· und nicht durch den zusätzlichen PNP-Transistor 7 geführt, so daß eich ein sehr schneller Anstieg in dem Spannung* abfall an dem Widerstand 12 ergibt, wodurch der Anschluß 13

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als Anschluß für die Messung eines übermäßigen Laststromes dienen kann. Dieser Meßausgang kann beispielsweise dazu verwendet werden, eine notwendige Schutzschaltung zu betätigen.

Die Erfindung wurde im Zusammenhang mit integrierten Halbleiterschaltungen beschrieben, die in einem P-Typ-Halbleitersubstrat ausgebildet wurden. Es ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf integrierte Halbleiterschaltungen anwendbar ist, die in einem N-Typ Halbleitersubstrat ausgebildet sind. Dabei muß lediglich der HJP-Transistor 1 und der zusätzli- ; ehe PHP-Transistor 7 durch NPN-Transistoren und der NPN-Transis- I tor 2 durch einen PNP-Transistor ersetzt werden. Es ist ferner ersichtlich, daß die Erfindung auch auf Transistorschaltungen mit Tandemanordnung anwendbar ist, die durch getrennte Transis- ! toren aufgebaut und nicht in !Form integrierter Schaltungen hergestellt sind, lerner ist bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Basis-Emitter-Verbindung des Zusätzlichen PHP-Transistors zwischen dem Emitter des PNP-Transisters 1 und dem Kollektor des NPN-Transistors 2 eingesetzt. Stattdessen können die Basis-Emitter-Verbindungen einer Vielzahl von PNP-Transistoren dazwischen in einer Kaskade in derselben Richtung eingesetzt sein.

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Claims

_ 9 Pate±ansprüehe

Λ.yTransistorechaltung in Tandemanordnung gekennzeichnet durch einen ersten Transistor(i), einen zweiten Transistor (2) entgegengesetzter Polarität zu dem ersten Transistor (1), wobei der zweite Transistor (2) mit seiner Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors (1) verbunden ist, und durcji einen dritten Transistor (7) mit einer Polarität gleich der des ersten Transistors (1), wobei die Basis des dritten Transistors (7) mit dem Emitter des ersten Transistors (1) und der Emitter des dritten Transistors (7) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (2) verbunden ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drste Transistor (1) und der dritte Transistor (7) PNP-Transistoren sind, und daß der zweite Transistor (2) ein NPN-Transistor ist. _
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (1) so aufgebaut ist, daß die Emitter-EgjLon und die Kollektor-Region seitlich zueinander in der Basisregion angeordnet sind.

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