-
Die Erfindung betrifft eine integrierte Stromspiegelanordnung mit einem
ersten und einem zweiten Transistor mit je einer Basis, einem Kollektor und einem
Emitter, wobei deren Basen miteinander verbunden und mit dem Kollektor des ersten
pnp-Transistors gekoppelt sind.
-
Stromspiegelanordnungen an sich sind in einer großen Vielfalt bekannt
und brauchen daher nicht näher erläutert zu werden, siehe beispielsweise das Dokument
US-A-4057763. Wenn eine Stromspiegelanordnung mit Hilfe vertikaler Transistoren
realisiert werden soll, tritt das Problem auf, daß in vertikalen Transistoren die zwischen
dem Kollektorgebiet und der das Kollektorgebiet von dem Substrat trennenden
Zwischenschicht gebildeten parasitären Kapazitäten das korrekte Arbeiten der Anordnung
negativ beeinflussen. Die genannte Zwischenschicht, deren Leitungstyp dem der
Kollektorgebiete entgegengesetzt ist, sollte auf einer solchen Spannung liegen, daß der
Übergang zwischen dem Kollektorgebiet und der Zwischenschicht und der Übergang
zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht nicht leitend werden kann. Hierzu ist die
Zwischenschicht normalerweise mit einem positiven Spannungsversorgungsanschluß
oder dem Emitter des entsprechenden vertikalen Transistors verbunden. Im Falle einer
Stromspiegelanordnung würde dies dazu führen, daß die zwischen dem Kollektorgebiet
und der Zwischenschicht vorhandene parasitäre Kapazität parallel zum Hauptstrompfad
des Transistors liegt, was einen unerwünschten Hochfrequenzpol in der
Übertragungsfunktion zwischen dem Eingangsstrom und dem Ausgangsstrom der
Stromspiegelanordnung ergäbe. Außerdem entstände eine unerwünschte kapazitive Kopplung für
Störsignale von der Stromversorgungsleitung bis zum Ausgangsstromanschluß.
-
Die parasitäre Kapazität ist bekannt, beispielsweise aus dem japanischen
Patent mit der Zusammenfassungsnummer 60-123051.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Realisierung
einer integrierten Stromspiegelanordnung mit Hilfe vertikaler Transistoren zu
verschaffen, bei dem die oben genannten Probleme nicht auftreten.
-
Erfindungsgemäß ist eine integrierte Stromspiegelanordnung mit einem
ersten und einem zweiten pnp-Transistor mit je einer Basis, einem Kollektor und einem
Emitter, wobei deren Basen miteinander verbunden und mit dem Kollektor des ersten
pnp-Transistors gekoppelt und deren Emitter miteinander verbunden sind, wobei der
erste und der zweite pnp-Transistor als vertikale Transistoren ausgeführt sind, mit je
einem Kollektorgebiet eines ersten Leitungstyps, wobei die Kollektorgebiete von einem
Substrat des ersten Leitungstyps durch eine Zwischenschicht eines zweiten Leitungstyps
isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung zwischen der
Zwischenschicht und den miteinander verbundenen Basen des ersten und des zweiten
pnp-Transistors vorhanden ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Figur 1 schematisch eine Schnittansicht eines an sich bekannten
integrierten vertikalen Transistors.
-
Figur 2 zwei Ersatzschaltbilder des in Figur 1 dargestellten Transistors, in
denen die parasitären Kapazitäten und parasitäre Übergange angegeben sind,
-
Figur 3 die Anordnung, die man erhalten würde, wenn die
Zwischenschicht zwischen den Kollektorgebieten der Transistoren und dem Substrat in bekannter
Weise mit der Versorgungsspannung oder den Emittern der betreffenden Transistoren
verbunden würde.
-
Figur 4 die Anordnung, die erhalten wird, wenn die verschiedenen
Gebiete miteinander in einer von der Erfindung vorgeschlagenen Weise verbunden werden,
-
Figur 5 ist eine Schnittansicht einer integrierten Struktur mit zwei
vertikalen Transistoren, die erfindungsgemäß in einer Stromspiegelanordnung angeordnet
sind,
-
Figur 6 eine von einer erfindungsgemäßen Stromspiegelanordnung
angesteuerte Leistungsausgangsstufe.
-
Figur 1 zeigt einen an sich bekannten integrierten vertikalen Transistor
eines Typs, wie er beispielsweise in DE 3.609.629 beschrieben ist. Die vertikale
Transistorstruktur umfaßt ein p-Substrat 1, auf dem sich eine n-Isolierschicht 2 befindet, auf
der ein p-Kollektorgebiet 3 liegt. Das n-Basisgebiet 4 liegt auf dem Kollektorgebiet 3
und ist über eine hochdotierte n+-Insel 5 mit dem Basisanschluß 6 verbunden. In dem
Basisgebiet 4 ist ein p-dotiertes Emittergebiet 7 gebildet, auf dem der Emitteranschluß 8
angeordnet ist. Das Kollektorgebiet 3 ist über ein p+-dotiertes Gebiet 9 mit dem
Kollektoranschluß
10 verbunden. Die Zwischenschicht 2 ist über ein n+-dotiertes Gebiet 11
mit einem Anschluß 12 verbunden und das Substrat kann über ein p+-dotiertes Gebiet
13 mit einem Substratanschluß 14 verbunden sein.
-
Figur 2 zeigt zwei Ersatzschaltbilder dieser vertikalen Transistorstruktur.
Der Transistor T in Figur 2a wird aus dem Kollektorgebiet 3, dem Basisgebiet 4 und
dem Emittergebiet 7 aus Figur 1 gebildet und umfaßt den Emitteranschluß 8, einen
Basisanschluß 6 und einen Kollektoranschluß 10. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist
zwischen den Gebieten 2 und 3 ein pn-Übergang vorhanden, und zwischen den Gebieten
1 und 2 ist ein entgegengesetzter pn-Übergang vorhanden. In Figur 2a werden diese
Übergänge schematisch als Kapazitätsdiodenelemente D1 und D2 dargestellt. Die
Kombination dieser beiden Übergänge kann als parasitärer Transistor Tp betrachtet werden,
wie in Figur 2b schematisch angegeben wird.
-
Wie sowohl aus Figur 2a als auch Figur 2b ersichtlich ist, wird der
Einfluß dieser parasitiiren Elemente D1, D2 oder Tp beseitigt, indem die Schicht 2 über
den Anschluß 12 auf eine verhältnismäßig hohe Spannung gebracht wird. Hierdurch
werden die beiden parasitären Übergänge gesperrt. Wenn dies für zwei solcher
Transistoren durchgeführt wird, die zusammen in einer Stromspiegelanordnung aufgenommen
sind, ergibt dies das Ersatzschaltbild von Figur 3.
-
Figur 3 zeigt die zusammen in einer Stromspiegelanordnung
aufgenommenen Transistoren Ta und Tb. Die Emitter beider Transistoren sind mit der
Stromversorgungsleitung +V gekoppelt, und ihre Basen sind miteinander und mit dem Kollektor
des Transistors Ta verbunden. Der Eingangsstrom Iin fließt durch den Transistor Ta,
und der Ausgangsstrom Iout fließt durch den Transistor Tb. Werden diese beiden
Transistoren Ta und Tb als integrierte vertikale Transistoren ausgeführt und, wie oben
angegeben, die isolierenden Zwischenschichten 2 über die betreffenden Verbindungen mit
der Stromversorgungsleitung +V verbunden, dann liegen die parasitaren
Kapazitätsdioden D1a und D1b, wie in Figur 3 gezeigt, parallel zu den Hauptstrompfaden der
Transistoren Ta und Tb. Diese beiden parasitären Kapazitäten D1a und D1b ergeben einen
unerwünschten Hochfrequenzpol in der Übertragungsfunktion zwischen Iin und Iout.
Außerdem wird deutlich sein, daß auf der Stromversorgungsleitung +V auftretende
hochfrequente Störsignale über Dlb dem Ausgangsstrom Iout überlagert werden
können.
-
Figur 4 zeigt, wie diese Probleme erfindungsgemaß beseitigt werden
können. Figur
4 zeigt wieder die in einer Stromspiegelanordnung aufgenommenen
Transistoren Ta und Tb, angeschlossen an die Stromversorgungsleitung +V. Die
Isolierschicht 2 jedes Transistors ist jetzt jedoch über den betreffenden Anschlußpunkt mit den
miteinander verbundenen Basen der beiden Transistoren Ta und Tb verbunden.
Demzufolge ist die Kapazität D1a faktisch kurzgeschlossen und spielt keine Rolle mehr. (Daher
ist diese Kapazität mit gestrichelten Linien angedeutet). Die Kapazität D1b wird jetzt
über die Basis-Kollektor-Strecke von Tb geschaltet. Auf diese Weise wird der
unerwünschte Hochfrequenzpol in der Übertragungsfunktion vom Eingang Iin zum Ausgang
Iout wirksam beseitigt. Außerdem wird der kapazitive Pfad für Störsignale aus der
Stromversorgungsleitung +V zum Ausgang Iout so wirksam beseitigt. Darüberhinaus
wird über Dlb eine direkte Hochfrequenzverbindung zwischen dem Eingang und dem
Ausgang der Stromversorgungsleitung hergestellt, welche Hochfrequenzverbindung als
Bypass- oder Mitkopplungsverbindung bekannt ist.
-
Figur 5 zeigt, wie diese Schaltungsanordnung mit Hilfe vertikaler
Transistorstrukturen in integrierter Form realisiert werden kann, wobei eine verhältnismäßig
Meine Anzahl unterschiedlich dotierter Gebiete verwendet wird. In Figur 5 hat das p-
Substrat das Bezugszeichen 21. Auf diesem Substrat ist eine n-Zwischenschicht 22
angeordnet, auf der zwei p-Kollektorgebiete 23a und 23b gebildet sind. Auf dieser
Lagen struktur ist eine Epitaxieschicht 24 vom n-Typ gebildet. In dieser Epitaxieschicht
24 werden zwei getrennte Basisgebiete 27 und 28 durch zwei tiefe ringförmige
Diffusionen 25 und 26 abgegrenzt. Mit Hilfe gesonderter n+-dotierter Gebiete 29 und 30 sind
die Basiskontkkte Ba und Bb gebildet. In diesen Basisgebieten werden die Emittergebiete
31 und 32 von mit den jeweiligen Emitteranschlüssen Ea und Eb versehenen p-dotierten
Gebieten gebildet. Die genannten tiefen ringförmigen dotierten Gebiete 25 und 26 sind
25 mit den Kollektoranschlüssen Ca und Cb versehen. Ein weiteres tiefes n-dotiertes Gebiet
33 reicht bis zur Zwischenschicht 22 hinunter und ist an seiner Oberseite mit dem
Anschluß Bn versehen. Falls erwünscht, kann ein weiteres tief dotiertes Gebiet 34
verwendet werden, das sich bis zum Substrat erstreckt und mit einem getrennten
Substratkontkkt Sc versehen werden kann.
-
Wie in Figur 5 gezeigt, ist eine externe leitende Verbindung 35
vorhanden, die die Kontakte Ba, Ca, Bb, Bn miteinander verbindet. Eine zweite leitende
Verbindung 36 verbindet die Kontakte Fa und Eb miteinander. Ein Vergleich zwischen
Figur 4 und Figur 5 zeigt daß es nur notwendig ist, die Versorgungsspannung +V an
die Verbindung 36 zu legen, wobei der Eingangs- und der Ausgangsstrom Iin und Iout
dann über die beiden Kollektoranschlüsse Ca und Cb fließen.
-
Figur 6 zeigt eine weitere Verwendung des Erfindungsprinzips in einer
Leistungsausgangsstufe, bei der die Stromspiegelanordnung mit einem
Ausgangstransistor gekoppelt ist. Die eigentliche Stromspiegelanordnung umfaßt wieder die
Transistoren Ta und Tb, und die Ausgangsstufe enthält den Transistor Tc. Wenn gemäß dem
Erfindungsprinzip die isolierenden Kollektor-Zwischenschichten mit den miteinander
verbundenen Basen der Transistoren Ta und Tb gekoppelt werden, wird dadurch die
parasitäre Struktur des Transistors Ta vollständig beseitigt. Die parasitäre Struktur von
Tb, im vorliegenden Fall als parasitärer Transistor Tpb dargestellt, wird dann wie in
Figur 6 gezeigt geschaltet. Der Emitter dieser parasitären Struktur ist mit dem Kollektor
des Transistors Tb gekoppelt, die Basis von Tbp ist mit den miteinander verbundenen
Basen der Transistoren Ta und Tb gekoppelt, und der Kollektor ist mit dem
Substratkontakt verbunden.
-
Wenn die Kollektor-Emitter-Spannung des Ausgangstransistors Tc Meiner
als die Basis-Emitter-Spannung ( 0,6 V) wird, dann wird der parasitäre Transistor
Tpb leitend. Folglich fließt ein Teil des Kollektorstroms von Tb über den genannten
parasitären Transistor Tpb zum Substrat, so daß dem Ausgangstransistor Tc Basisstrom
entzogen wird. Hierdurch kann der Ausgangstransistor Tc nicht in Sättigung gelangen,
was in Leistungsausgangsstufen im allgemeinen ein wünschenswerter Effekt ist.