DE2926377A1

DE2926377A1 - Halbleiter-spannungsregler

Info

Publication number: DE2926377A1
Application number: DE19792926377
Authority: DE
Inventors: Shiroh Iwatani; Mitsuhara Morishita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1980-01-03
Also published as: GB2024515A; US4310792A; MY8500530A; FR2430036A1; DE2926377C2; FR2430036B1; GB2024515B

Description

Henkel, Kern, Feiler öHänzel .. Patentanwälte

Registered Representatives before the EuropearvPatenf Office

292637?

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,

MöhlstraBe 37 Tokio, Japan D-8000München80

Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

29. Juni 1979

FAM-4476

Halbleiter-Spannungsregler

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Spannungsregler zur Regelung der Ausgangsspannung eines durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen Wechselstrom-Generators (Lichtmaschine) auf eine vorbestimmte Größe, insbesondere eine verbesserte Konstruktion eines solchen Halbleiter-Spannungsreglers .

Halbleiter-Spannungsregler der genannten Art bestehen aus einem zwischen Masse und das eine Ende einer Feldwicklung des zugeordneten Wechselstromgenerators, die mit einer Vollweg-gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators erregt wird, geschalteten npn-Leistungstransistor und Steuer- oder Regelschaltungselementen zur Steuerung des Durchschaltens und Sperrens des Leistungstransistors, um dadurch die Ausgangsspannung des Generators auf eine vorbestimmte Größe zu regeln. Die Steuerschaltungselemente umfassen eine Zenerdiode, die an ein Spannungsteiler-Widerstandsnetz angeschlossen ist, das seinerseits zwischen das an einem positiven Potential liegende andere Ende

909881/093Λ

292637?

der Feldwicklung und Masse eingeschaltet ist, um eine Bezugsspannungsquelle zu bilden, und einen auf die Betätigung der Zenerdiode ansprechenden Steuertransistor zur Durchführung der Durchschalt- und Sperr-Steuerung des Leistungstransistors.

Bei den bisherigen Spannungsreglern der vorstehend beschriebenen Art sind Schaltungselemente, wie Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren, unter Bildung einer integrierten Dickschicht-Hybrid-Schaltung getrennt auf einem Keramiksubstrat angeordnet. Hierbei sind zahlreiche Anschlüsse oder Verbindungen erforderlich, worunter die Zuverlässigkeit leidet. Da außerdem die verschiedenen Schaltungselemente getrennt mit dieser Dickschichthybridschaltung verbunden sind, erwies es sich bisher als schwierig, diese Elemente automatisch in der Dickschicht-Hybrid-Schaltung zu montieren, so daß der Ausstoß bei der Massenfertigung außerordentlich niedrig ist. Weiterhin muß das Keramiksubstrat wegen der großen Zahl der verwendeten Schaltungselemente ziemlich groß sein und tatsächlich in ein großes Gehäuse eingekapselt werden, woraus sich der Nachteil ergibt, daß dieser Halbleiter-Spannungsregler große Abmessungen erhält.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Ausschaltung der den bisherigen Konstruktionen anhaftenden Nachteile durch Schaffung eines verbesserten und zweckmäßigen Halbleiter-Spannungsreglers, der eine hohe Zuverlässigkeit bietet und bei kleinen Abmessungen einfach automatisch zusammenzusetzen bzw. zu montieren ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiter-Spannungsregler der genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen zwischen das eine Ende einer Feldwicklung eines Wechsel-

909881/093Ä

292637?

strom-Generators und Masse eingeschalteten npn-Leistungstransistor, wobei das andere Ende der Feldwicklung an einem positiven Potential liegt und durch eine gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators erregbar ist, durch Steuer-Schaltungselemente zur Steuerung des Durchschaltens und Sperrens des npn-Leistungstransistors zwecks Regelung der Ausgangsspannung des Generators auf eine vorbestimmte Größe, durch ein gemeinsames Halbleitersubstrat, auf dem die einzelnen aktiven Elemente angeordnet sind, und einem Substrat für eine integrierte Dickschicht-Hybridschaltung, auf dem die passiven Elemente angeordnet sind.

In spezieller Ausführungsform kennzeichnet sich dieser Halbleiter-Spannungsregler durch einen zwischen das eine Ende einer Feldwicklung eines Wechselstrom-Generators und Masse geschalteten npn-Leistungstransistors, wobei die Feldwicklung mit ihrem anderen Ende an einem positiven Potential liegt und durch eine Vollweg-gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators erregbar ist, durch eine Steuerschaltung zur Steuerung des Durchschaltens und Sperrens des npn-Leistungstransistors zwecks Regelung der Ausgangsspannung des Generators auf eine vorbestimmte Größe, durch eine Halbleiter-Diode zum Absorbieren von an der Feldspule erzeugter Induktionsenergie und durch ein gemeinsames Halbleitersubstrat, auf dem der npn-Leistungstransistor, die Steuerschaltung und die Halbleiter-Diode angeordnet sind.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Reglers zur Regelung der Ausgangsspannung eines Wechselstrom-Generators auf eine vorbestimmte Größe, wobei der Regler von der Art ist, auf welche sich die Erfindung bezieht,

909881/093Λ

292637?

Fig. 2 eine Schnittansicht eines bisherigen Halbleiter-Spannungsreglers nach Fig. 1 mit in Seitenansicht dargestellten Teilen,

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnelnde Teilschnittansicht einer Konstruktion gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Spannungsregler nach Fig. realisiert ist,

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 eine Schnittansicht der Einzelheiten einer Abwandlung des in Fig. 3 oder 4 dargestellten integrierten Halbleiterelements.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 veranschaulicht beispielhaft eine Regelschaltung zur Regelung der Ausgangsspannung eines Wechselstrom-Generators auf eine vorbestimmte Größe. Die dargestellte Anordnung umfaßt einen Wechselstrom-Generator 10 mit einer Dreiphasen-Statorwicklung 100 in Sternschaltung und einer Feldwicklung 102 sowie eine Dreiphasen-Vollweggleichrichterbrücke 20, die zur Vollweg-Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Generators 10 mit der Stator- bzw. Ständerwicklung 100 verbunden ist. Die Gleichrichterbrücke 20 umfaßt drei Gleichrichter-Ausgangsklemmen 200, 202 und 204 zur Lieferung zweier gleichgerichteter Spannungen über erste und dritte bzw. über zweite und dritte Ausgangsklemme. Die dritte Ausgangsklemmen 204 liegt dabei an Masse.

9 0 9 B 8 1 / D «-1 '* ^;:

2S2&37?

Die Feldwicklung ΐΟ2 des Generators 10 und die Ausgangsklemmen 202 und 204 der Gleichrichterbrücke 20 sind an einen Halbleiter-Spannungsregler 30 angeschlossen, welcher die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators 10 auf eine vorbestimmte Größe zu regeln vermag. Der Spannungsregler 30 umfaßt insbesondere eine Entstörungs-Diode 300, deren Anode mit dem einen Ende der Feldwicklung 102 des Generators 10 und auch mit dem Kollektoren von zwei npn-Transistoren 302 und 304 in Darlington-Schaltung verbunden ist. Die Entstörungs-Diode 300 absorbiert die an der Feldwicklung 102 erzeugte induktive Energie. Der Transistor 302 ist mit seinem Emitter an die dritte Ausgangsklemme 204 der Gleichrichterbrücke 20 und daher an Masse angeschlossen, wobei er durch den Transistor 304 angesteuert wird und als Ausgangs-Leistungstransistor zur Unterbrechung und Herstellung eines Feldstroms durch die Feldwicklung 102 arbeitet.

Der Treibertransistor 304 ist mit seiner Basis mit einem Basiswiderstand 306 verbunden, der anschließend über einen Anfangserregungswiderstand 308 mit der Kathode der Diode 300 und außerdem mit dem Kollektor eines npn-Regel- bzw. -Steuertransistors 310 verbunden ist. Der Steuertransistor 310 ist mit seiner Basis an die Anode einer Zener-Diode 312 angeschlossen und liegt außerdem mit Emitter und Kollektor über einen Basiswiderstand 314 bzw. einen Kondensator 316 an der Basis dieser Diode, wobei der Emitter außerdem mit dem Emitter eines Leistungstransistors 302 verbunden ist. Der Steuertransistor 310 bewirkt das Durchschalten und Sperren der Transistoren 304 und 302. Die Zener-Diode 312 ist mit ihrer Kathode über die Verzweigung oder Verbindung zwischen Widerständen 318 und

909881/0 9

29207?

geschaltet, die ihrerseits in Reihe über zweite und dritte Ausgangsklemme 202 bzw. 204 der Gleichrichterbrücke 20 geschaltet sind und einen Spannungsteiler bilden. Die Zener-Diode 312 spricht an, wenn die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators 10 oder die Spannung an der Verzweigung zwischen den- Widerständen 3T~8 und 320 eine vorbestimicite Größe erreicht, um in den Leit- bzw... Durchschaltzustand überzugehen.

Der Spannungsregler 30 umfaßt einen ersten Anschluß 322 zur Verbindung der Emitter der Transistoren 302 und 3Q4 mit Masse, einen zweiten Anschluß 324 zum Anschließen der Kollektoren dieser Transistoren an das eine Ende der Feldwicklung 102 des Generators 10, einen dritten Anschluß 326 zur Verbindung des Widerstands 318 und der Kathode der Entstörungsdiode 300 mit der zweiten Ausgangsklemme 202 der Gleichrichterbrücke 20, die anschließend an das andere Ende der Feldwicklung 102 angeschlossen ist, und einen vierten Anschluß 328, der mit der Verbindung zwischen den Widerständen 306 und 308 verbunden ist.

Die erste Ausgangsklemme 200 der Gleichrichterbrücke 20 ist mit dem Pluspol eines Akkumulators bzw. Speichers verbunden, dessen Minuspol an Masse liegt und daher mit der dritten Ausgangsklemme 204 der Gleichrichterbrücke 20 verbunden ist. Der Pluspol des Akkumulators 40 ist außerdem mit der zweiten Ausgangsklemme 202 der Gleichrichterbrücke 20 über eine Reihenschaltung aus einem tastenartigen Zündschalter 50 und einer Ladungsanzeigelampe verbunden.

Wenn der Zündschalter 50 in Schließstellung gebracht wird, liefert der Akkumulator 40 über den nunmehr geschlossenen Schalter 50 und den Basiswiderstand 306 einen Basisstrom zum. Treibertransistor 304^ um die Transistoren 304 und

909881/0-93Λ

23263??

durchzuschalten und dadurch einen Feldstrom über den Schalter 50, die Anzeigelampe 60, die Feldwicklung 102 des Generators 10 und die nunmehr durchgeschalteten Transistoren 302 und 304 fließen zu lassen. Hierdurch wird eine magnetomotorische Feldkraft erzeugt. Außerdem zeigt die Ladungsanzeigelampe 60 an, daß der Akkumulator 40 nicht geladen wird.

Gleichzeitig wird eine nicht dargestellte, zugeordnete Brennkraftmaschine angelassen, -So daß der Wechselstrom-Generator 10 in Drehung versetzt wird. Der Generator" 10 liefert eine Ausgangs-Wechselspannung über die Statorwicklung 2 0Ό, wobei die Vollweg-Glelchrichterbrücke 20 die induzierte Ausgangswechselspannung zu einer Ausgangsgleichspannung gleichrichtet. Anfänglich ist die gleichgerichtete Ausgangs spannung der Brückenschaltung 20 und daher das Potential an der Verzweigung oder Verbindung der Widerstände 318 und 320 so niedrig, daß die Zener-Diode 312 im Sperrzustand verbleibt.

Anschließend erhöht sich die Drehzahl des Wechselstrom-Generators 10 allmählich, bis seine Ausgangsspannung eine vorbestimmte Größe erreicht oder übersteigt. An diesem Punkt ist auch das Potential an der Verzweigung der Widerstände 318 und 320 hoch genug, um die Zener-Diode 312 leiten zu lassen. Die leitende Zeher-Diode 312 läßt einen Basisstrom über den Steuertransistor 310 fließen, um diesen durchzuschalten. Beim Durchschalten des Steuertransistors 310 werden die Transistoren 304 und 302 in den Sperrzustand versetzt, wodurch der durch die Feldwicklung fließende Feldstrom unterbrochen wird. Die Ausgangsspannung des Generators 10 fällt folglich unter die vorbestimmte Größe ab, worauf die Zener-Diode 312 wieder in den ursprünglichen Sperrzustand zurückkehrt und den Steuertransistor 310 sperrt. Demzufolge werden die Transistoren 304 und

9098 8 1 /0 93/:

·— 10 -

292637?

wieder durchgeschaltet, so daß der Feldstrom wieder durch die Feldwicklung 102 fließen kann und die Ausgangsspannung des Generators 10 wieder ansteigt.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß das Durchschalten und Sperren der Transistoren 302 und 304 durch eine Regel- bzw. Steuerschaltung erfolgt, welche den Steuertransistor 310, die Zener-Diode 312 sowie den zugeordneten Kondensator 316 und die zugeordneten Widerstände 314, 318 und 320 umfaßt.

Durch Wiederholung der vorstehend beschriebenen Vorgänge wird die Ausgangsspannung des Wechselstrom-Generators 10 auf der vorbestimmten Größe gehalten. Die vom Generator abgegebene, geregelte Spannung wird einer Vollweg-Gleichrichtung durch die Gleichrichterbrücke 20 unterworfen und an den Akkumulator bzw. Sammler 40 angelegt, um diesen auf ein«: vorbestimmte Spannung aufzuladen.

Andererseits ist die gleichgerichtete Ausgangsspannung an der zweiten Ausgangsklemme 202 der Gleichrichterbrücke 20 praktisch gleich der Spannung über den Akkumulator 40, wobei sie die Zufuhr des Feldstroms übernimmt. Unter diesen Bedingungen leuchtet die Ladungsanzeigelampe 60 nicht auf, wodurch das Aufladen des Sammlers bzw. Akkumulators angezeigt wird.

Der Halbleiter-Spannungsregler 30 gemäß Fig. 1 enthält eine Anzahl aktiver Elemente, wie die Transistoren 302, 304 und 3IO sowie die Dioden 300 und 3 12, und eine Anzahl passiver Elemente, wie die Widerstände 306, 308, 314, 318 und 320 sowie den Kondensator 3 16. Diese Elemente wurden daher bisher nut die in Fig. 2 gezeigte Weise auf vorbestimmten, getrennten oder diskreten Abschnitten oder Oberfläche eines einzigen Keramiksubstrats angeordnet, wobei

9 0 9 8 B 1 / Π 9 J /

ORIGINAL INSPECTED

auf diesem eine sogenannte integrierte DickscEieht— Hybridschaltung gebildet wurde. GemäB Fig. 2 sind die in Darlingtonschaltung^ angeordneten Transistoren 302 und 304, die Entstörungsdiode 300, der Steuer transistor. 310 und die Zener-Diode 312 in einem vorbestimmten Muster oder Schema auf der einen Fläche bzw. der gemäß Fig. 2 oberen Fläche eines einstückigen Keramiksubstrats 3JO über Bindezwischen&chichten oder Anschlußstreifen 33"4 und Elektroden 332 befestigt. Die einzelnen Elektroden 332 bestehen jeweils aus Dickschicht-Leitern, die auf vorbestimmte, ausgewählte Abschnitte der Oberseite des Keramiksubstrats 330 aufgetragen und ausgehärtet (baked), wurden; die aus einem Lötmetall oder Gold bestehenden Anschlußstreifen 334 dienen zur Verbindung der mit ihnen unterlegten aktiven Elemente mit den zugeordneten Elektroden 332. Diese aktiven Elemente sind schematisch als Blöcke dargestellt, welche mit den für die jeweiligen Elemente geltenden Bezugszeichen" bezeichnet sind. Beispielsweise bezeichnet der Block 310 den Steuertransistor 310.

Der schematisch durch den Block 316 angedeutete Kondensator 316 ist weiterhin in einer vorbestimmten Stellung an der Oberseite des Keramiksubstrats 330 mit Hilfe zweier auf Abstand stehende Elektroden 332 befestigt, so daß er von der Zener-Diode 312 auf Abstand angeordnet ist und an seinen gegenüberliegenden Seiten mit den benachbarten Elektroden 332 verbundene Anschlußstreifen 334 aufweist. Der Widerstand 318 erstreckt sich über zwei auf Abstand stehende Elektroden 332, wobei er einen Mittelabschnitt aufweist, welcher das Keramiksubstrat 330 in einem vorbestimmten Abstand vom Kondensator 316 berührt. Der Widerstand 318 besteht aus einem Widerstandselement oder -material, das auf einen vorbestimmten Teil der Oberfläche des Keramiksubstrat 330 aufgetragen und an ihm ausgehärtet wurde

909881/0934

Die anderen Widerstände 306, 308, 314 und 320 sind - obgleich aus Ubersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt auf ähnliche Weise auf den vorgesehenen Abschnitten der Substratoberfläche ausgebildet.

Das Keramiksubstrat 330 wird sodann mittels einer Klebmittelschicht 350 an der Unterseite mit einem Kühlkörper 340 verbunden.

Die bisherigen Konstruktionen der in Fig.. 2 gezeigten Art sind insofern unvorteilhaft, als sie eine große Zahl von Verbindungen oder Anschlüssen benötigen und daher eine vergleichsweise geringe Zuverlässigkeit besitzen, weil alle aktiven und passiven Elemente in gegenseitigem Abstand auf dem Keramiksubstrat 330 angeordnet sind und auf diesem eine integrierte Dickschicht-Hybridschaltung bilden. Da weiterhin die einzelnen Elemente jeweils einzeln mit den zugeordneten Elektroden und miteinander verbunden sind, läßt sich die automatische Montage schwierig durchführen, so daß sich eine außerordentlich niedrige Ausstoßleistung bei der Massenfertigung ergibt. Außerdem muß das Keramiksubstrat wegen der großen Zahl einzelner Elemente vergleichsweise groß sein. Dies führt selbstverständlich zur Notwendigkeit für ein großes Gehäuse zur Kapselung der aktiven und passiven Elemente, woraus sich der weitere Nachteil ergibt, daß die erhaltene Vorrichtung große Abmessungen besitzt.

Die Erfindung bezweckt nun die Ausschaltung der den bisherigen Konstruktionen anhaftenden Nachteile durch Anordnung der aktiven Elemente auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat .

Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Halbleiter-Spannungsregler 30 gemäß Fig. 1

90 98 8 1 /093L

1923-373

realisiert .ist. J3ie dargestellte Anordnung unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 2 nur dadurch/ daß in J'ig.3 die Blöcke 3.02 i>is 304, 300, 316 und 312 duxch .einen einzigen Block 360 ersetzt sind» Genauer gesagt: die LeI-stungs-, Treiber- und Steuerirans is tor en 302, 304 bzw. 31J3, jdis Entstörungsdiode 3TDÖ and die Zener-ßiode 312_r welche die aktiven Elemente darstellen, sand in einem integrierten Halbleiterelement verkörpert, das auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat angeordnet ist. Der Block 36Ό bezeichnet das integrierte Halbleiterelement bzw. die integrierten Elemente mit dem Halbleitersubstrat. Das integrierte Halbleiterelement 360 besitzt einen mehrlagigen Aufbau mit einem N -Halbleitersubstrat aus einem N Kollektorbereich des Leistungstransistors 302 sowie darauf angeordneten aktiven Elementen 3OD, 302, 304, 310 und 312.

Das integrierte Halbleiterelement 360 wird sodann über Anschlußstreifen und Elektroden mit dem Keramiksubstrat 33Ό verbunden. In Tig-. 3 ist das Element 36Ό jedoch nur unter Zwischenfügung eines einzigen Anschlußstreifens und einer einzigen Elektrode 332 am Keramiksubstrat 330 angeordnet dargestellt. Infolgedessen sind nur noch die passiven Elemente, wie der Kondensator 316 und die Widerstände, etwa der Widerstand 318, unter Bildung einer Dickschicht-Hybridschaltung auf dem Keramiksubstrat 330 angeordnet.

Die Anordnung gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 3 nur dadurch, daß das integrierte Halbleiterelement 360 unmittelbar über die Elektroden 332 über einen verlötbaren Kühlkörper 370 anstelle des Kühlkörpers 340 gemäß Fig. 2 und 3 hart verlötet ist.

Fig. 5 veranschaulicht Einzelheiten einer Abwandlung des integrierten Halbleiterelements 360 der in den Fig. 3 oder schematisch dargestellten Art. Diese Anordnung umfaßt ein

9 0 9 8 8 1 / 0 Ο Ι λ

232637?

^-Halbleitersubstrat 302a bis 304a, welches den Kollektorbereich des Leistungs- und des Treibertransistors 302 bzw. 304 bildet, eine erste N~-Halbleiterschicht 380 auf dem Halbleitersubstrat 302a bis 304a und eine zweite N -Halbleiterschieht 382 auf der ersten N -Halbleiterschicht 38O„

Der in dem gemäß Fig, 5 linken Endabschnitt der dreilagigen Struktur 302a bis 304a, 380, 382 angeordnete Leistungstransistor 302 umfaßt einen P -Basisbereich 302b in der zweiten N -Halbleiterschicht 382, welcher einen N -Emitterbereich 302c umschließt, wobei beide Bereiche an der Oberflache der zweiten N⁺-Halbleiterschicht 332 freiliegen. Der gemäß Fig. 5 an der rechten Seite des Leistungstransistors 302 in einem vorbestimmten Abstand von diesem angeordnete Treibertransistor 304 enthält einen P -Basisbereich 304b und einen N -Emitterbereich 304c, ähnlich den entsprechenden Bereichen des Leistungstransistors 302.

Die Entstörungsdiode 300 ist gemäß Fig. 5 rechts vom Treibertransistor 304 "in einem vorbestimmten Abstand von diesem angeordnet, und sie umfaßt einen in die erste N Halbleiterschicht 380 in deren Längsrichtung eingelassenen Anodenbereich 300a sowie zwei P -Anodenwände 300b, die von den beiden Enden des Anodenbereichs 300a abgehen und im wesentlichen senkrecht zur zweiten W -Halbleiterschicht 382 verlaufen. Die Anodenwände 300b liegen an der Oberfläche der zweiten N -Halbleiterschicht 382 frei und legen zwischen sich einen N -Kathodenbereich 3 00c fest. Im N~- Kathodenbereich 300c ist ein N -Kathodenbereich 30Od angeordnet, der an der Oberfläche der zweiten N -Halbleiterschicht 382 freiliegt.

η o 9 a R1 / η <m

Der restliche Teil der zweiten N~-Halbleiterschicht,382. enthält gemäß Fig. 4 den Steuertransistor 310, die -■-.-=.-Zener-Diode 312 und den Widerstand 318, die jeweils in der angegebenen Reihenfolge in vorbestimmten gegenseiti- _r. gen Abständen.in der zweiten N~-Halbleiterschicht-382 liegen und von einem P -Isolierhalbleiterbereich 384. für den Steuertransistor 310 umschlossen sind, welcher sich über die gesamte Dicke der zweiten ^"-Halbleiter-, schicht 382 erstreckt und in einem vorbestimmten.Abstand von der Entstörungsdiode 300 angeordnet ist.,Der der Diode, .-300 am nächsten gelegene Steuertransistor: 310 enthält .-; v einen N -Kollektorbereich 310a, einen P -Basisbereich ,31Ob : und einen N -Emitterbereich 310c, deren Enden jeweils.an. __ -_ der Oberfläche der zweiten ,N~-Halbleiterschicht.382 (nach.- , außen hin) freiliegen. . . . . : ■

Die Zener-Diode 312 befindet sich in einem N -Halbleiterabschnitt 312a an der gemäß Fig. 5 rechten Seite des ._ Steuertransistors 310, und sie umfaßt einen P -Anodenbereich 3.12b sowie einen N⁺-Kathodenbereich 312c, deren Enden jeweils an der Oberfläche der zweiten N~-Halbleiterschicht 382 freiliegen. .

Der Widerstand 318 ist in einem anderen N -Halbleiterbereich 318a an der gemäß Fig. 5 rechten Seite der Diode 312 ange<
318b aufweist.

Diode 312 angeordnet, wobei er einen P -Widerstandsbereich

Die restlichen Widerstände 306, 308, 314 und 320 sind auf ähnliche Weise auf vorbestimmten Abschnitten der zweiten N"-Halbleiterschicht 382 ausgebildet, obgleich sie der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt sind.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 wird ersichtlicherweise der Kondensator 316 getrennt angefertigt und elektrisch mit dem Steuertransistor310 verbunden. Der Kondensator

-909881/0934

- Tfr -

ist daher in Fig. 5 rrieht veranschaulicht.

Die Widerstände können gewünschtenfalls bei der Anordnung nach Fig. 5 weggelassen werden.

Bei der Herstellung der Anordnung nach Fig. 5 wird zunächst die N -Halbleiterschicht 380 durch eptaxiales Aufwachsen auf z.B. der gemäß Fig. 5 oberen Fläche des N Halbleitersubstrats 3 02a, 304a über dessen Gesamtfläche hinweg geformt.

Sodann wird der eingelassene P -Anodenbereich 300a der Entstörungsdiode 300 nach selektiver Diffusionstechnik im vorgesehenen Abschnitt der gezüchteten N -Schicht geformt. Anschließend wird die zweite Ii -Halbleiterschicht 382 auf der ersten N~-Halbleiterschicht 380 durch epitaxiales Aufwachsen so angeordnet, daß es sich über die Gesamterstreckung dieser zweiten Schicht erstreckt.

Anschließend werden durch selektive Diffusion die P⁺-Basisbereiche 302b und 304b von Leistungs- und Treibertransistor 302 bzw. 304, die P⁺-Anodenwände 300b der Entstörungsdiode 300 und der P -Trennbereich 384 gleichzeitig in ihren vorgesehenen Abschnitten bzw. Positionen auf der zweiten N -Halbleiterschicht 382 angeordnet. Dabei wird der N~-Kathodenbereich 300c durch den Anodenbereich 300a und die Anodenwände 300b der Entstörungsdiode 300 festgelegt.

Durch selektive Diffusion werden außerdem gleichzeitig die N -Emitterbereiche302c und 304c von Leistungs- und Treibertransistor 302 bzw. 304 in deren P -Basisbereichen 302b bzw. 304b sowie der N⁺-Kollektorbereich 310a des Steuertransistors 310, die N⁺-Halbleiterbereiche 312a und 318a für die Zener-Diode 312 bzw. den Widerstand

881/093^

jeweils in den vorgesehenen Abschnitten des P -Trennbzw. -Isolierbereichs 384 und die N -Halbleiterbereiclie für die restlichen Widerstände ausgebildet.

Im Anschluß hieran werden der P -Basisbereich 310b ,des Steuertransistors 310, der P -Anodenbereich 312b der Zener-Diode 312 und der P -Widerstandsbereich 318b gleichzeitig im Kollektorber-eich 310a durch selektive Diffusion ausgebildet, ebenso wie die N -Halttleiterbereiche 312a und 318a. Dabei werden -die P -Widerstandsabschnitte für die restlichen Widerstände auf ähnliche Weise'in den zugeordneten N — Halt>leiterbereichen geformt.

Durch selektive Diffusion werden weiterhin schließlich -der N -Diodenkathodenbereich 30Od, der N -Steueremitterbereich 310c und der N -Zenerkathodenbereich 312c im N -Diodenkathodenbereich 300c, der P -Steuerbasisbereich 310b sowie der P -Zeneranodenbereich 312b gleichzeitig geformt.

Hierauf ist die Anordnung nach Fig. 5 fertiggestellt.

Danach werden in an sich bekannter Weise Elektroden an den zugeordneten Halbleiterbereichen angebracht, und die einzelnen Elemente gemäß Fig. 1 werden mittels Anschlußstreifen miteinander verbunden, worauf das integrierte Halbleiterelement 360 gemäß Fig. 3 und 4 fertiggestellt ist.

Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Beispielsweise besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit, weil sämtliche aktiven Elemente mit oder ohne passive Elemente, wie Widerstände, auf einem einzigen Halbleitersubstrat integriert sind, wodurch die Zahl der den Halbleiter-Spannungsregler bildenden Bauteile verringert wird. Diese Verkleinerung der Zahl der Bauteile ist mit einer beträchtlichen Verkleinerung der Zahl von Verbin-

9 0 9 B R 1 / 0 9 -'-, l

düngen oder Anschlüssen verbunden. Außerdem läßt sich ohne weiteres eine automatische Montage durchführen, wodurch sich der Ausstoß bei der Massenfertigung erhöht. Darüber hinaus besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung kleine Abmessungen, und sie ist vergleichsweise billig, well bei ihr, obgleich grundsätzlich im integrierten Halbleiterelement Wärme erzeugt wird, das zugeordnete Gehäuse Tiur so groß zu sein braucht, daß es einen für die Abfuhr dieser Wärme ausreichenden Kühlkörper und ein Keramiksubstrat umschließen Jkann, auf dem nur die passiven Elemente angeordnet sind. Das Halbleitersubstrat enthält weiterhin den Leistungstransistor und den ziemlich weit vom Steuertransistor angeordneten Treibertransistor, und es bildet den Kollektorbereich des Leistungstransistors, in welchem die größte Wärmemenge entsteht. Infolgedessen können auf ein und demselben Halbleitersubstrat sowohl ein Hochleistungstransistor, der höhe Spannungen auszuhalten vermag und eine hohe Beständigkeit gegen thermischen Durchbruch besitzt, als auch ein Steuertransistor zur Verarbeitung schwacher Signale angeordnet werden. Die erfindungsgemäß hergestellte Vorrichtung besitzt daher insgesamt ebenfalls eine hohe Beständigkeit gegenüber thermischem Durchbruch. Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nach bestehenden Fertigungsverfahren in Massenfertigung hergestellt werden, ohne daß spezielle Fertigungsverfahren und -vorrichtungen angewandt zu werden brauchen.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 4, bei welcher das integrierte Halbleiterelement 360 unmittelbar mit dem Kühlkörper 370 verlötet ist, wird eine besonders gute Wärmezerstreuung gewährleistet, wobei der Kühlkörper 370 als Anschlußklemme 324 (vgl. Fig. 1) dient, weil er am Kollektorpotential des Leistungstransistors 302 liegt.

9 0 9 8 R 1 / f ι ⁽<

Obgleich vorstehend nur einige derzeit bevorzugte Äüsführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Abwandlungen und Änderungen möglich, ohne daß vom Rahmender Erfindung abgewichen wird.

■9096 81/09 3

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

2S26377

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,

MöhlstraBe 37 Tokio, Japan D-8000München80

: Tel.: 089/982085-87

Telex: 0529802 hnkl^ Telegramme: ellipsoid

29. Juni 1979

FAM-4476

Halbleiter-Spannungsregler

Patentansprüche

\ 1 .,. Halbleiter-Spannungsregler, gekennzeichnet durch einen ~" zwischen das eine Ende einer Feldwicklung eines Wechselstrom-Generators und Masse eingeschalteten npn-Leistungstransistor, wobei das andere Ende der Feldwicklung an einem positiven Potential liegt und durch eine gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators erregbar ist, durch Steuer-Schaltungselemente zur Steuerung des Durchschaltens und Sperrens des npn-Leistungstransistors zwecks Regelung der Ausgangsspannung des Generators auf eine vorbestimmte Größe, durch ein gemeinsames Halbleitersubstrat, auf dem die einzelnen aktiven Elemente angeordnet sind, und einem Substrat für eine integrierte Dickschicht-Hybridschaltung, auf dem die passiven Elemente angeordnet sind.

2. Halbleiter-Spannungsregler, gekennzeichnet durch einen zwischen das eine Ende einer Feldwicklung eines Wechsel-

strom-Generators und Masse geschalteten npn-Leistungstransistor, wobei die Feldwicklung mit ihrem anderen Ende an einem positiven Potential liegt und durch die Vollweg-gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators erregbar ist, durch eine Steuerschaltung zur Steuerung des Durchschaltens und Sperrens des npn-Leistungstraiisistors zwecks Regelung der Aus gangs spannung des Generators auf eine vorbestimmte Größe, durch eine Halbleiter-Diode zum Absorbieren von an der Feldspule erzeugter Induktionsenergie und durch ein gemeinsames Halbleitersubstrat, auf dem der npn-Leistungstransistor, die Stueerschaltung und die Halbleiter-Diode angeordnet sind.

9 0 9 3 8 1 / 0 9 '' '