DE3012843A1

DE3012843A1 - Transistorschalter

Info

Publication number: DE3012843A1
Application number: DE19803012843
Authority: DE
Inventors: Eise Carel Dijkmans; Rudy Johan Van De Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1980-10-23
Also published as: CA1135800A; DE3012843C2; GB2046050A; JPS55134968A; FR2453547A1; IT1140809B; JPS6355222B2; IT8021119A0; NL7902632A; FR2453547B1; US4317128A; GB2046050B

Description

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N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken PHN 9405

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Transistorschalter

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistorschalter mit einem ersten Transistor, dessen Kollektor-Emitterstromweg den Schaltweg bildet, und einem zweiten Transistor, dessen Emitter-Elektrode mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen Basis-Elektrode einen Schalteingang bildet.

Meistens ist bei einem derartigen Schalter die Kollektor-Elektrode des zweiten Transistors mit der des ersten Transistors verbunden (eine Darlingtonschaltung), was im Vergleich zu einem einfachen Transistor den Vorteil ergibt, daß der Signalstromverlust infolge von Basisströmen erheblich kleiner ist. Jedoch ist die eingangs genannte Transistorkombination als Schalter erheblich träger als ein einfacher Transistor.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Schalter der eingangs genannten Art mit verbesserter Schaltgeschwindigkeit zu schaffen, und ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors vorhandene Kapazität in bezug auf die an der Basis-Elektrode des ersten Transistors vorhandene Kapazität derart bemessen ist, daß im leitenden Zustand des ersten und des zweiten Transistors eine Spannungsänderung an der Basis-Elektrode des zweiten Transistors in bezug auf die Spannung an der Emitter-Elektrode des ersten Transistors im wesentlichen gleichmäßig über die Basis-Emitter-Übergänge des ersten und des zweiten Transistors verteilt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei den

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üblichen Darlingtontransistorschaltern die Streukapazität zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors kleiner als die zwischen der Basis und dem Emitter des ersten Transistors ist, im wesentlichen weil der zweite Transistor den Basisstrom des ersten Transistors führt, vodurch der Strom, den der zweite Transistor führt, erheblich kleiner als der Strom ist, den der erste Transistor führt, so daß die stromabhängige Speicherkapazität (storage capacitance) des zweiten Transistors kleiner als die des ersten Transistors ist, und auch weil wegen des niedrigeren Strompegels der zweite Transistor kleiner als der erste Transistor bemessen werden kann, wodurch auch die Verarmungskapazität kleiner ist. Hinzu kommt noch, daß die Kollektor-Basis -Kapazität des ersten Transistors, vom Emitter des zweiten Transistors her gesehen, parallel zu der Basis-Emitter-Kapazität des ersten Transistors wirksam ist. Dieser Unterschied in Streukapazitätswerten führt beim Ausschalten dazu, daß eine Spannungsänderung an der Basis des zweiten Transistors in erster Linie über dem Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors erscheint und diesen Transistor ausschaltet. Nach dem Ausschalten des zweiten Transistors sind die mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbundenen Streukapazitäten auf einer Seite mit einem hochohmigen Punkt zwischen dem Emitter des ausgeschalteten zweiten Transistors und der Basis des ersten Transistors verbunden, so daß die mit dem Ausschalten des ersten Transistors gepaarte Entladung dieser Kapazitäten erheblich träger als bei einem einfachen Transistorschalter vor sich geht, bei dem die Basis-Elektrode mit einer niederohmigen Quelle für die Schaltspannung verbunden ist.

Die Vergrößerung der Basis-Emitter-Kapazität des zweiten Transistors kann auf vielerlei Weise erzielt werden, u.a. dadurch, daß zu diesem Basis-Emitter-Übergang ein Konden-³⁵sator parallelgeschaltet wird, der z.B. durch einen gesperrten Halbleiterübergang gebildet werden kann. Eine be-

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vorzugte Ausführungsform des Transistorschalters nach der Erfindung ist zur Vergrößerung der Kapazität dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor gleichartig in einem einzigen Substrat ausgeführt sind, und daß die Oberfläche des Basis-Emitter-Überganges des zweiten Transistors größer als die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs des ersten Transistors ist.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Darlingtonkonfiguration zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 2 schematisch das optimale Verhältnis der Oberflächen der Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren T₁ und T₂» und

Fig. 3 eine integrierte Ausführungsform eines Transistorschalters nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Darlingtonkonfiguration von Transistoren T₁ und Tp» wobei auf bekannte Weise die Emitter-Elektrode des Transistors T₂ mit der Basiselektrode des Transistors T₁ verbunden ist und die beiden Kollektor-Elektroden miteinander verbunden sind. Die Emitter-Elektrode des Transistors T₁ ist mit einem Anschlußpunkt 2 und die Kollektor-Elektrode dieses Transistors ist mit einem Anschlußpunkt 3 verbunden. Zwischen den Anschlußpunkten 2 und 3 kann die Darlingtonkonfiguration als Schalter wirken, dadurch, daß dem mit der Basis-Elektrode des Transistors T₂ verbundenen Anschlußpunkt 1 ein passend gewähltes Steuersignal zugeführt wird.

Jeder Transistor weist zwischen seiner Basis und seinem Emitter eine Streukapazität auf, die aus einer Verarmungs-

kapazität , die die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs proportional ist, und einer LadungsSpeicherkapazität be-

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steht, die dem Kollektorstrom des Transistors proportional ist. Da bei einer Darlingtonkonfiguration der Steuertransistor T₂ einen viel kleineren Kollektorstrom als der andere Transistor T₁ führt, ist die Ladungsspeicherkapazitat des Transistors Tp kleiner als die Ladungsspeicherkapazität des Transistors T₁. Da wegen des kleineren Stromes durch den Transistor T₂ auch die Emitteroberfläche des Transistors Tp kleiner als die des Transistors T,, gewählt werden kann, wird auch die Verarmungskapazität des Transistors T₂ kleiner als die des Transistors T₁ sein, so daß bei der bekannten Darlingtonkonfiguration die Basis-Emitter-Kapazität C₂ des Steuertransistors T₂ kleiner als die Basis-Emitter-Kapazität C^ des Transistors T₁ sein wird. Wenn die Transistoren T₁ und T₂ leitend sind und die Spannung zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 herabgesetzt wird, um die Transistoren in den nichtleitenden Zustand zu schalten, wird sich eine solche Spannungsherabsetzung über die Kapazitäten C_q1 und C_e2 mit der dazu parallelgeschalteten Kollektor-Basis-Kapazität C_c1 des Transistors T₁ und etwaige andere Kapazitäten, wie eine Kapazität zwischen der Basis des Transistors T₁ und Masse, verteilen. Da die Kapazität C_e2 kleiner als die Kapazität C_q1 mit dazu parallelgeschalteter Kapazität C. ist, wird der größte Teil der Spannungsherabsetzung in erster Linie über die Kapazität C auftreten, so daß der Transistor T₂ gesperrt wird, bevor der Transistor T₁ gesperrt wird, wodurch die Kapazitäten C_q1 und C_c1 auf einer Seite mit dem nicht mehr niederohmigen Emitter des Transistors T₂ verbunden sind und sich also viel träger entladen als dies der Fall wäre, wenn der Transistor T₂ nicht eher als der Transistor T₁ gesperrt werden würde. Eine Lösung ist die Vergrößerung der Kapazität C_e2 derart, daß eine Spannungsänderung zwischen den Punkten 1 und 2 gleichmäßig über beide Basis-Emitter-Übergänge verteilt wird und beide Transistoren gleichzeitig gesperrt

³⁵werden, wodurch eine optimale Situation erhalten wird, weil, wenn die Kapazität C₂ zu groß gewählt wird, die Situation

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ungünstiger wird. In diesem Falle wird der Transistor T₁ zuerst gesperrt und bleibt der Transistor T₂ unnötig lange leitend wegen der zu hohen Kapazität C₂, was u.a. eine unnötig niedrige Grenzfrequenz f^ des Steuertransistors bedeutet. Außerdem wird die Kapazität C₁ dann nicht weiter über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors T₁, sondern über den Transistor T₂ entladen, wodurch ein kapazitiver Ladestrom durch den Anschlußpunkt 3 fließt, während der Transistor T₁ bereits gesperrt ist.

Eine Vergrößerung der Kapazität C_e2 kann z.B. dadurch erzielt werden, daß zu dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors Tp eine zusätzliche Kapazität parallel angeordnet wird. In integrierten Schaltungen ist es häufig zu bevorzügen, diese Kapazitätsvergrößerung dadurch zu erreichen, daß die Oberfläche A₂ des Basis-Emitter-Überganges des Transistors T₂ in bezug auf die Oberfläche A₁ des Basis-Emitter-Überganges des Transistors T₁ vergrößert wird. Fig. 2 zeigt schematisch ein optimales Oberflächenverhält-

²⁰nis A^ : A₀ als Funktion des zu schaltenden Stromes I„. Dieses Verhältnis nimmt mit dem zu schaltenden Strom zu und ist auch für sehr kleine Ströme I_c größer als 1, weil infolge der Kollektor-Basis-Kapazität C_q1 die Kapazität C_e2 größer als die Kapazität C-] sein muß. Computerberechnungen an Darlingtonkonfigurationen, die nach bekannten Techniken integriert sind, haben nachgewiesen, daß dieses Oberflächenverhältnis für zu schaltende Ströme von z.B. 2 mA z.B. 3 betragen kann.

Venn, zur Vergrößerung der Basis-Emitter-Kapazität des Transistors T₂ in bezug auf die des Transistors T₁ die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors T₂ vergrößert wird, führt dies zu der bei Darlingtonkonfigurationen ungebräuchlichen Situation, daß der Steuertransistor T₂

eine größere Basis-Emitter-Oberfläche als der Transistor T₁ aufweist. Eine solche Lösung ist in Fig. 3 schematisch

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dargestellt, die für Anwendung in integrierten Schaltungen geeignet ist. In einem η-leitenden Gebiet 4, das als den beiden Transistoren gemeinsamer Kollektor wirkt, sind zwei p-leitende Basisgebiete 5 und 7 erzeugt. Im Basisgebiet 5 ist ein η-leitendes Emittergebiet 6 und im Basisgebiet 7 ein η-leitendes Emittergebiet 8 erzeugt. Im Kollektorgebiet 4 ist eine n⁺-Diffusion 9 gebildet, auf der der gemeinsame Kollektoranschlußpunkt 3 angebracht werden kann. Die Gebiete 4, 5 und 6 bilden den Transistor T₁ und die Gebiete 4, 7 und 8 den Transistor Tp. Auf den Gebieten werden in bekannter Weise (in der Figur der Einfachheit halber nicht dargestellt)· Kontakte gebildet, die entsprechend dem Schaltbild nach Fig. 1 miteinander verbunden werden. Um das gewünschte Oberflächenverhältnis zu erhalten, ist der Emitter 8 des Transistors Tp breiter als der Emitter 6 des Transistors T^. Auch kann zum Erreichen des gewünschten Oberflächenverhältnisses der Emitter 8 des Transistors T₂ langer als der Emitter 6 ces Transistors T₁ gewählt werden.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die gezeigte Ausführungsform. Das genannte OberflächenverläLtnis kann auch auf andere Weise erhalten werden, während die Kapazität C_e2 auch auf andere Weise als durch Oberflächenvergrößerung vergrößert werden kann. Außerdem kann die Erfindung auf gleiche Weise auch bei Darlingtonkombinationen mit pnp-Transistoren angewandt werden. Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf eine Darlingtonkonfiguration. Wenn die Genauigkeit des Schalters weniger bedeutend ist, kann der Kollektor des Transistors T₂ auch z.B. mit einem Speiseanschlußpunkt statt mit dem Kollektor des Transistors T₁ verbunden werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

Transistorschalter mit einem ersten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Stromweg den Schaltweg bildet, und einem zweiten Transistor, dessen Emitter-Elektrode mit der Basis-Elektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen Basis-Elektrode einen Schalteingang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors (Tp)vorhande Kapazität (Cp) in bezug auf die an der Basis-Elektrode des ersten Transistors (T^) vorhandene Kapazität (C ^) derart bemessen ist, daß im leitenden Zustand des ersten und des zweiten Transistors (T,,, T₀) eine Spannungsänderung an der Basis-Elektrode des zweiten Transistors(Tp) in bezug auf die Spannung an der Emitter-Elektrode des ersten Transistors (T.) im wesentlichen gleichmäßig über die Basis-Emitter-Übergänge des ersten und des zweiten Transistors verteilt wird.
2. Transistorschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zvelte Transistor gleichartig in einem einzigen Substrat ausgeführt sind, und daß die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs des zweiten Transistors größer als die Oberfläche des Basis-Emitter-Übergangs des ersten Transistors ist.

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ORIGINAL INSPECTED