DE3106703A1 - Integrierte halbleiterschaltung mit temperaturkompensation - Google Patents
Integrierte halbleiterschaltung mit temperaturkompensationInfo
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Description
PATENTANWÄLTE F.«/."HEMMERKK- GERD MUtLEB ■ D. GROSSE · F. POLLMEIER
•k-
Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawacho,
Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagaw-ken (Japan)
Integrierte Halbleiterschaltung mit Temperaturkompensation
- bh 16.2.1981
Gegenstand der Erfindung ist eine integrierte Halbleiterschaltung
mit Temperaturkompensation unter Verwendung von Widerstandselementen.
Es darf als bekannt vorausgesetzt werden, daß sich das Verhalten von Halbleiterelernenten, beispielsweise
von Transistoren, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur verändert.
Wegen Schwankungen in der Umgebungstemperatur verhalten
sich integrierte Halbleiterschaltungen, bei denen
auf Halbleiterschichten viele Schaltungselemente
integriert vorhanden sind, nicht spezif ikationsgeniäß, Um ein normales Arbeiten oder eine normale Funktion
zu erhalten, sind in solchen Halbleiterschaltungen deshalb Schaltungselemente für die Temperaturkompensation
vorhanden. Solche Temperaturkompensations-Schaltungselemente
können beispielsweise Dioden mit einer in Vorwärtsrichtung temperaturabhängigen Durchlaßspannung
sein oder andere diskrete Schaltungselementen, wie beispielsweise Thermistoren.Für die Kompensation
werden jedoch häufig solche Schaltungselemente verwendet, die sich nicht so leicht in eine
typische Halbleiter-Grundschicht integrieren und einarbeiten lassen, was wiederum zur Folge hat, daß die
Halbleiter-Grundschicht zur Aufnahme solcher Schaltungselemente
vergrößert werden muß.
Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, eine
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*» Λ
: ."..·-. .-% .: 3105703
PATENTANWÄLTE F.W.-HEMMEflltH * GEftD MÜU.EE · D. GROSSE ■ F. POLLMEIER
16.2.1981
Halbleiterschaltung mit verbesserter Temperaturkompensation
zu schaffen, bei der die Temperaturkompensation von solchen Schal tungselernenten bewirkt wird,
die in eine typische Halbleiter-Grundschicht oder Halbleiterträgerschicht integriert werden können.
Die Erfindung löst die ihr gestellte Aufgabe dadurch, daß sie eine temperaturkompensierte Halbleiterschaltung
vorsieht, welche sich zusammensetzt aus: einem ersten Widerstand mit einem ersten Temperaturkoeffizienten;
einem zweiten Widerstand mit einem zweiten Temperaturkoeffizienten und einem Halbleiterelement
mit temperaturabhängigem Verhalten, welches mit den ersten und zweiten Widerständen verbunden ist und
Werte aufzuweisen hat, die einen gemeinsamen Temperaturkoeffizienten
des ersten Widerstandes und des zweiten Widerstandes entstehen lassen, durch den
dann das Verhalten des vorerwähnten temperaturabhängigen Halbleiterelementes derart verschoben wird,
daß die vorerwähnte Halbleiterschaltung im wesentlichen
temperaturunabhängig arbeitet und funktioniert.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine integrierte Halbleiterschaltung, welche durch Schaltungselemente
temperaturkompensiert wird, die in eine typische Halbleiter-Grundschicht oder Halbleiter-Trägerschicht
integriert werden können. Zu den vorerwähnten Schaltungselementen gehören Widerstände, welche unter Verwendung
verschiedenartiger Mittel derart hergestellt werden, daß sie unterschiedliche Temperaturkoeffizienten
aufzuweisen haben, die derart ausgelegt sind, daß der gemeinsame Temperaturkoeffizient der Widerstände
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PATENTANWÄLTE F.W.-HFMMEfllCH: GERD MCfL-LER · D. GROSSE · F. POLLMEIER
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durch das Ändern der Widerstandswerte nachgeführt oder einjustiert werden kann.
Die Erfindung soll nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, (der
in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher
erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:-
Fig. 1,2 Schaltbilder betreffend die verschiedenen """ Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Fig. 3 Ein Kennliniendiagramm, dem die Temperaturkoeffizienten
der in Fig. 2 dargestellten Widerstände entnommen werden können.
Nachstehend soll nun anhand von Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes im Zusammenhang mit einer als hybride Halbleiterschaltung
ausgeführten Kontantstromquelle beschrieben werden.
Die jeweils zutreffenden Widerstände R,, R3 und R5
sind schaltungsmäßig zwischen einer Spannungsquelle
V und jeweils den Basisanschlüssen der bipolaren Transistoren Q-,, Qp und (K angeordnet. Darüber
hinaus ist der Basisanschluß des Transistors Qi auch
noch auf die Anode einer Diode D geführt, die ihrerseits wiederum über einen Widerstand Rp an Erde/Masse
gelegt ist. Der KoIlektoranschluß des Transistors Q, iJtt mit dem Basisanschluß des Transistors Q2 verbunden.
Mit seinem KoIlektoranschluß und seinem Emitteranschluß ist der Transistor Q, einmal auf den Ba-
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PATENTANWÄLTE F.VyrHEMISlBfifcH-*· GEflP) MUkLECi · D. GROSSE ■ F. POLLMEIER
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sisanschluß des Transisotrs Q3 geführt und zum anderen
an Erde/Masse gelegt. Der Emitteranschluß des Transistors Q-, ist über eine als Reihenschaltung ausgeführte
mit zusammen mit R. bezeichnete Widerstandsgruppe (Rji, RbJ mit dem Emitteranschluß des Transistors
Q3 verbunden und ist weiterhin über einen Widerstand Rg an Erde/Masse gelegt. Das Ausgangssignal
dieser Schaltung steht am KoIlektoranschluß des Transistors Q3 an.
Die Schaltung arbeitet und funktioniert nun derart,
daß der Transistor Q-. im Ansprechen auf einen Vergleich
der am Widerstand R, anstehenden Spannung und der Bezugsspannung VDirt: angesteuert und geschaltet,
Ktr
wobei die nachstehend angeführte Gleichung gilt:-
VREF = /Λ - W R2
In diese Gleichung sind die nachstehend angeführ ten Größen eingesetzt:-
Vp0 - Durchlaßspannunu an der Diode D
BEQ= Basis-Emitter-sPannLin9 des Transistors
Ist VREp größer als VE, dann hat dies zur Folge, daß
der Transistor Q, stärker leitet, daß der Transistor Q2 in der Leitfähigkeit schwächer ist und der Transistor
Q- stärker. Ist emgegenüber VREF kleiner als VE,
dann weist als Folge davon der Transistor Q, eine schwächere Leitfähigkeit auf, der Transistor Q^ eine
stärkere leitfähigkeit und der Transistor Q3 eine
schwächere Leitfähgiekti.
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31Q67Q3
PATENTANWÄLTE F.\#: Ή.ΕΜΙΜBRtC^- G€*RD MÜL
O. GROSSE ■ F. POLLMEIER
Bei der mit Fig. 1 dargestellten Schaltung handelt
es sich deshalb um eine hybride integrierte Halbleiterschaltung,
weil der Bereich I auf einer Halbleiter-Grundschicht oder Halbleiter-Trägerschicht
als eine monolithische integrierte Halbleiterschaltung
ausgeführt ist, im Bereich II jedoch unabhängig unter Verwendung der Dickschichttechnik hergestellt
ist. Für die Schaltung arbeitet der Widerstand R. als Einheitswiderstand, wobei jedoch dieser
Widerstand sich zusammensetzt aus den beiden jeweils einer Zone zugeordneten Teilwiderständen
Ra und R]).
Bei der Herstellung der Hybridschaltung wird die integrierte Halbleiter-Grundschicht oder Halbleiter-Trägerschicht
I zusammen mit den als Dickschicht hergestellten Schaltungselementen, die mit der allgemeinen
Hinweiszahl II gekennzeichnet sind, auf eine isolierende Grundschicht oder Trägerschicht
aufgesetzt. Die Widerstände R^, Rp, R3 und Rji entstehen
dadurch, daß Verunreinigungen in die Bereiche der als Halbleiter ausgeführten Grundschicht
oder Trägerschicht eindiffundiert werden. Alternativ
kann der Widerstand Rji auch aus einem polykristallinen
Silizium hergestellt werden. Die Herstellung der Dickschichtwiderstände R5, Rß und
RJd erfolgt dadurch, daß pulverförmiges Material
auf die isolierende Grundschicht/Trägerschicht aufgedruckt
und dann gesintert wird. Als pulverförmiges Material können dabei Kohlenstoff, Rutheriiunioxid,
ein Gemisch aus Palladiumoxid und Metall oder
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PATENTANWÄLTE F1WrHeMlOtE1RICH:- CcRD WUtLES · D. GROSSE · F. POLLMEIER
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• J.
dergleichen verwendet werden. Der Temperaturkoeffizient
der eindiffundierten Widerstände liegt im allgemeinen höher als jener der als Dickschichtkonstruktion
ausgeführten Widerstände. So liegt beispielsweise der Temperaturkoeffizient der als
Dickschichtkonstruktion ausgeführten Widerstände in der Größenordnung von 200 PPM/Grad C, während
der Temperatur eines eindiffundierten Widerstandes eine Größenordnung von 2000 PPM/Grad C aufzuweisen
hat . Damit aber besteht die Möglichkeit, das Temperaturverhalten der bereits angeführten Spannung
VRf-p in einem gewissen Grade dadurch zu steuern
und zu regeln, daß man die Werte der Widerstände R_a und RJd verändert, d.h. das Verhältnis der vorerwähnten
Widerstandswerte.
Die Änderungsgröße /S, R4 des dem Widerstand R. zugehörigen
Widerstandswertes mit der Temperatur ist mit der nachstehend angeführten Gleichung dargestelIt:-
AR4 = R- + R- »
wobei es sich bei den Größen R_a und RJ3 jeweils
um die Änderungsgrößen des Widerstandswertes von Ra und von R]) handelt. Damit erhält man den Temperaturkoeffizienten
ÄR*/R4 des Widerstandes R- mit der
nachstehend angeführten Gleichung:-
= (Ra ZR4) U Ra ZRa) + (RJiZR4) (*Rb/Rb).
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PATENTANWÄLTE F.W.-HEMMER itH- GERD MCJLLEF? · D. GROSSE · F. POLLMEIER
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. AO-
" r '
In dieser Gleichung stehen A R.a/R.a und /j R_b/RJb jeweils
für die Temperaturkoeffizienten der Widerstände Ra- und R_b. Setzt man nun die zuvor angeführten
tatsächlichen Widerstandskoeffizienten für die Widerstände
Rja und RJd ein, dann ergibt sich die nachstehend
angeführte Gleichung:-
R4/R4 = (2000 PPM) Ra/R4 + (200 PPM) Rb1ZR4.
Das aber bedeutet, daß die Knderungsgröße/\ R4ZR4 und
das ist der Temperaturkoeffizient des Widerstandes R4 - so geführt werden kann, daß er innerhalb
der Grenzwerte von 200 PPM/Grad C und 2000 PPM/Grad C liegt. Der Wert des Dickschichtwiderstandes Rb kann
durch Trimmen des Widerstandes reguliert werden.
Die mit Fig. 1 dargestellte Schaltung soll einen konstanten Strom abgeben und liefern. Ohne Temperaturkompensation
verändert sich der durch den Transistor Q3 fließende Strom temperaturabhängig. Um nun
diese Temperaturabhängigkeit zu verringern oder sogar
vollständig auszuschalten, werden der Widerstandswert
des Widerstandes Rb und/oder der Widerstandswert des Widerstandes Ra- während des Fertigungsvorganges
zur Veränderung des dem Widerstand R4 zugehörigen Temperaturkoeffizienten solange verändert,
bis daß man die gewünschte Temperaturunabhängigkeit
- d.h. der gewünschte Grad der Temperaturunabhängigkeit - erreicht hat.
Bei dem mit Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Widerstände R^ und Rb^ in Reihe geschaltet.
Es kann aber auch eine Parallelschaltung dieser Widerstände
Anwendung finden. Bei dem Widerstand R.
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PATENTANWÄLTE F .Wr HEMMER !CH- G1ERR MükLEH · D. GROSSE · F. POLLMEIER
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kann es sich auch um eine Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung aus drei oder mehr Widerständen
handeln.
Fig. 2 zeigt nun eine Eingangsschaltung, welche auf einer aus einer Einzelgrundschicht bestehenden integrierten
Halbleiterschaltung hergestellt werden kann. Die Schwellenspannung aber verändert sich mit
der Temperatur. Zur Stabilisierung der Schwelienspnannung
im Hinblick auf die Temperatur werden die Widerstände R7 und R8 unter Anwendung des EindiffundierungsVerfahrens
hergestellt. So erfolgt die Herstellung des Widerstandes R7 durch Ionenimplantation,
und dieser Widerstand hat einen Temperaturkoeffizienten von 4000 PPM/Grad C. Der Widerstand Rg, der mit
der Basis des Transistors Q- im gleichen Bereich hergestellte wird, hat einen Temperaturkoeffizienten
von 2000 PPM/Grad C. Die Schwellenspannung kann nun unter Verwendung der nachstehend angeführten Gleichung
wie folgt berechnet werden:-
VTH = Ke x (R7 + R8>/R8
Fig. 3 zeigt die Temperaturkennlinien oder das Temperaturverhalten
der Widerstände R^ und Rß. Die
Widerstandswerte der Widerstände R-, und R0 können
/ O
nun derart ausgelegt werden und eingestellt werden, daß man für die Reihenschaltung aus Widerstand R7
und aus Widerstand R0 einen Temperaturkoeffizienten
erhält, der das Temperaturverhalten des Transistors
Q. ausgleicht. Mit diesem Vorgang kann dann auch die SChwellenspannung im wesentlichen temperaturunabhängig
gemacht werden, wobei man eine im wesent-
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PATENTANWÄLTE F.W HEMMtRrCH"- GE-RD MGLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER
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liehen temperaturunabhängige Schwellenspannung VT[,
erhält, ohne daß dazu ganz speziell für die Temperaturkompensation irgendwelche weiteren Schaltungselemente
erforderlich sind.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung können zusammen mit den Widerständen, welche verschiedene Temperaturkoeffizienten
haben, auch aktive Schaltungskompententen verwendet werden, die dann ein Signal erzeugen, welches sich temperaturabhängig auf eine
vorgegebene Weise verändert. Das Ausgangssignal solcher Schaltungskomponenten kann dann in jedem
Anwendungsfall Anwendung finden, bei dem ein Signal
erforderlich ist, dessen Wert sich in bekannter Weise als Funktion der Temperatur verändert. Beivder
mit Fig. 4 wiedergegebenen Schaltung handelt es sich um einen üblichen Komparator, dessen Bezugsspannung
einem Spannungsteiler abgenommen wird, der aus den Widerständen Rq und R,„ besteht Die Widerstände
Rg und R,Q haben jedoch unterschiedlich große Temperaturkoeffizienten,
das wiederum bedeutet, daß sich auch das Signal am Eingang des !Comparators
mit der Temperatur verändert. Durch eine entsprechend richtige Auswahl der Widerstandswerte für
die Widerstände Rg und R,« kann das Temperaturverhalten
der Halbleitervorrichtung gesteuert und geregelt
werden. Als Resultat der Verbesserung erhält man ein Ausgangssignal, daß sich in einer vorgegebenen
Weise temperaturabhängig verändert.
Ebenfalls können andere Widerstandskombinationen Anwendung finden, um einen vorgegebenen Temperatur-
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PATENTANWÄLTE F.Wf HEMIOIETRICH:· GtRD 6/fütLEfl · D. GROSSE · F. POLLMEIER
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koeffizienten zu erhalten. Beispielsweise, ein Basiswiderstand
und ein Enii tterwiders tand, ein Ionenirnpl
antationswiders tand und ein Widerstand aus polykristallinem
Silizium und dergleichen mehr.
Ohne von Geist und Umfang der Erfindung abweichen zu müssen, können natürlich viele Änderungen und
Modifikationen eingeführt und vorgenommen werden. Deswegen sollen für den Erfindungsumfang auch nur
die beiliegenden Patentansprüche gelten.
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Leerseite
Claims (7)
- PATENTANWÄLTE F.W.-NEMMERfeH*--6EHD Ml1LLER- D. GROSSE · F. POLLMEIER19. Februar 1981 gr.ni 73 486Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawacho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken (Japan)Patentansprüchefi/ Integrierte Halbleiterschaltung mit einer Temperaturkompensation ,gekennzeichnet durch einen ersten Widerstand, der einen ersten Temperaturkoeffizienten besitzt,einen zweiten Widerstand, der einen zweiten Temperaturkoeffizienten aufweist,und ein Halbleiterelement mit einer temperaturabhängigen Charakteristik, welches mit dem ersten und dem zweiten Widerstand verbunden ist, wobei die Temperaturkoeffizienten dieser beiden Widerstände einen gemeinsamen Temepraturkoeffizienten ergeben, der die temperaturabhängige Charakteristik des Halbleiterelementes derart ausgleicht, daß die integrierte Halbleiterschaltung im wesentlichen temperaturunabhängig wird.
- 2. Integrierte Halbleiterschaltung mit einer Temperaturkompensation,gekennzeichnet durch einen ersten Widerstand mit einem ersten Temperaturkoeffizienten,einen zweiten Widerstand mit einem zweiten Temperaturkoeffizienten,und ein Halbleiterelement mit einer temperaturabhängigen Charakteristik, welches mit dem ersten und dem zweiten Widerstand verbunden ist, wobei die Temperaturkoeffizienten dieser beiden Widerstände einen gemeinsamen Temperaturkoeffizienten ergeben, und das Halbleiterelement veranlaßt wird, seinen Widerstand auf vorgegebene Weise mit der Temperatur zu verändern.130064/0589 - 2 -.".-;: :-V- ■> .: 3108703PATENTANWÄLTE F.VV.-HEMMERICH"--GEfJD MiJLLEß- D. GROSSE · F. POLLMEIER - jf -■i-
- 3. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand in einer Halbleiter-Grundschicht integriert ist, und daß der zweite Widerstand als ein in Dickfilmtechnik hergestellter Widerstand ausgeführt ist.
- 4. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem ersten und bei dem zweiten Widerstand jeweils um Widerstände handelt, die in der Halbleiter-Grundschicht integriert sind.
- 5. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch geken nzeichnet, daß das Halbleiterelement eine erste Halbleitervorrichtung aufweist, die einen Steueranschluß mit einem ersten und einem zweiten stromführenden Anschluß sowie mit einer temperaturabhängigen Charakteristik besitzt, daß eine Vorrichtung zum Speisen des Steueranschlusses mit einer Steuerspannung vorgesehen ist, daß eine zweite Halbleitervorrichtung vorhanden ist, deren Steuerelektrode mit dem ersten stromführenden Anschluß der ersten Halbleitervorrichtung verbunden ist, und die eine erste stromführende Elektrode, welche auf eine Ausgangsklemme geführt ist, eine zweite stromführende Elektrode und eine temperaturabhängige Charakteristik aufweist, wobei der erste und der zweite Widerstand die zweite stromführende Elektrode der zweiten Halbleitervorrichtung mit dem zweiten stromführenden Anschluß der ersten Halbleitervorrichtung derart miteinander verbindet, daß von der Ausgangsklemme ein konstanter und von der Temperatur unabhängiger Strom abgenommen werden kann.130064/0589PATENTANWÄLTE F.W.* ^EMMERICh) -"G't^D MÜLLER"· D. GROSSE · F. POLLMEIER - /jf
- 6. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement zumindest zwei stromführende Elektroden und einen Steueranschluß hat, daß die beiden stromführenden Elektroden dann Strom führen, wenn dem Steueranschluß ein temperaturabhängiges Schwellsignal aufgeschaltet wird,daß dem ersten Anschluß des ersten Widerstandes ein Eingangssignal aufgeschaltet wird, während der zweite Anschluß auf den Steueranschluß geführt ist, daß der erste Anschluß des zweiten Widerstandes mit der Steuerelektrode verbunden ist, und sein zweiter Anschluß auf eine der stromführenden Elektroden geführt ist, so daß die Halbleiterschaltung bei einem Schwellwert schaltet, der nicht temperaturabhängig ist.
- 7. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement einen Verstärker mit einem nicht invertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einer Ausgangsklemme aufweist, daß an der Ausgangsklemme ein Signal ansteht, welches von der Differenz zwischen den Signalen an den Verstärkereingängen und der Temperatur des Verstärkers abhängig ist, daß der erste und der zweite Widerstand in Reihe geschaltet sind, wobei einer der Verstärkereingänge zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand angeordnet ist, während dem zweiten Verstärkereingang ein Eingangssignal aufgeschaltet wird, '■ und daß der erste und der zweite Widerstand Werte aufweist, die eine gemeinsame Temperaturcharakteristik ergeben, welche die Temperaturcharakteristik des Verstärkers derart verändert, daß eine vorgegebene Temperaturabhängigkeit erreicht wird.130064/0589
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