DE3910526A1 - Monolithisch integrierte transistoranordnung zum klammern stoerspannungsbelasteter spannungen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Transistoranordnung zum Klammern störspannungsbelaste­ ter Spannungen gemäß der Gattung des Hauptanspruchs.

Werden derartige Halbleiterschaltungen in Netzen be­ trieben, die große Störamplituden aufweisen, wie dies in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz der Fall ist, so müssen an Ein- und Ausgängen Vorkehrungen getroffen werden, um die Störspannungen abzufangen. Die Störspannungen tre­ ten insbesondere beim Schalten induktiver oder kapazi­ tiver Lasten auf.

Halbleiteranordnungen mit p-dotiertem Substrat besitzen n-dotierte Wannen, die mit störspannungsbelasteten Ein- oder Ausgängen verbunden sind, so daß durch negative Spannungen die n-dotierten Wannen zu Emittern von para­ sitären NPN-Transistoren werden. Deren Basis wird vom Substrat und einer Isolationsdiffusion und deren Kol­ lektoren von weiteren n-dotierten Wannen innerhalb der integrierten Schaltung gebildet. Insbesondere Elemente, die in n-dotierten Wannen untergebracht sind, die den als Emitter dienenden Wannen unmittelbar benachbart sind, werden dadurch in ihrer Funktion stark gestört.

Negative Spannungen an einer Ein- oder Ausgangsklemme der integrierten Schaltung können daher zu Funktions­ störungen und in deren Folge auch zur Zerstörung der integrierten Schaltung führen. Die aus diesem Grunde verwendeten Klemm- oder Abfangschaltungen haben die Aufgabe, negative Störspannungen an Ein- oder Ausgängen der integrierten Schaltung niederohmig zu klammern, so daß die Aussteuerung der beschriebenen parasitären NPN- Transistoren unterbleibt.

Vorteile der Erfindung

Die Transistorschaltung mit den Merkmalen des Hauptan­ spruchs hat den Vorteil, daß ein NPN-Transistor mit ho­ her Basis-Emitter-Durchbruchspannung als Spannungsfol­ ger anstelle von Transistoren mit niedriger Durchbruch­ spannung und zusätzlichen flächenintensiven Dioden zum Schutz des NPN-Transistors gegen Spannungen <7 V Verwen­ dung findet. Die Emitter-Basis-Durchbruchspannung des erfindungsgemäßen Transistors liegt etwa bei 40 Volt, wodurch dieser Transistor ohne weiteres den in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz auftretenden Störspannungen standhält.

Wird die n⁺-dotierte Kollektor-Anschlußdiffusion nach unten bis zur Leitschicht geführt, so erhält man eine Reduzierung des Kollektor-Bahnwiderstandes, die es erlaubt, den Transistor auch bei höheren Strömen zu be­ treiben.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung kann als Klam­ merschaltung derart Verwendung finden, daß am Emitter die mit Störspannungen belastete Ausgangsklemme über einem eventuell mitintegrierten Widerstand angeschlos­ sen ist, wobei die Basis mit einer Hilfsspannung und der Kollektor mit einer Versorgungsspannung beauf­ schlagt sind.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung findet insbe­ sondere Anwendung in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen, da dort durch kapazitive und induktive Verbraucher an Ein- und Ausgangsklemmen häufig Störspannungen auftreten, die durch erfindungsgemäße Halbleiteranordnungen abge­ fangen werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung na­ her erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine bekannte Klammerschaltung,

Fig. 2 eine bekannte Klammerschaltung mit Elementen zur Erzeugung einer Hilfsspannung,

Fig. 3 eine bekannte Klammerschaltung mit spannungsfe­ sten zusätzlichen Dioden zum Schutz gegen positive Störspannungen und

Fig. 4 die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung zur Realisierung einer weitgehend störspannungsfesten Klammerschaltung.

Fig. 1 zeigt eine gebräuchliche Klammerschaltung zum Schutz gegen negative Störspannungen, die aus einem NPN-Transistor T 1 besteht, an dessen Basis B eine Hilfsspannung UH anliegt. Der Emitter E des Transistors T 1 liegt an einer Klemme K, an der die Klemmenspannung UK auftritt. Diese Klemmenspannung wird mit Störspan­ nungen beaufschlagt, die hier als Störspannungsquelle US mit Innenwiderstand RI dargestellt sind. Da die Emitter-Basis-Durchbruchspannung bei herkömmlichen mo­ nolithisch integrierten Transistoranordnungen etwa 7 bis 8 Volt beträgt, können positive Störspannungen US die größer als 8 Volt sind zu Zerstörungen im Bereich des Transistors T 1 führen. Die Klammerung für negative Spannungen wird dann unwirksam, so daß die Störspannung gen ungehindert in einer mit der Klemme K verbundenen Schaltung S wirksam werden. Die Schaltung S ist bei­ spielsweise die elektronische Steuerung eines Kraft­ fahrzeugs, welche ebenfalls in monolithisch integrier­ ter Technik ausgeführt ist.

Solange die Klammerschaltung gemäß Fig. 1 wirksam ist, hält der als Emitterfolger ausgebildete Transistor T 1 das Potential an der Klemme K auf der Spannung UK = UH - UD, wobei UD die Flußspannung der Basis-Emitter-Diode von T 1 ist. Die Potentialdifferenz zwischen UK und US wird durch den Spannungsabfall an RI ausgeglichen. Der Strom durch den Widerstand RI wird über den Transistor T 1 aus der Betriebsspannung UB als Kollektorstrom IK entnommen. Durch geeignete Wahl der Hilfsspannung UH kann erzielt werden, daß die Klemmenspannung UK keine oder nur geringe negative Werte annehmen kann.

In Fig. 2 ist eine Möglichkeit zur Erzeugung der Hilfsspannung UH angegeben. UH ergibt sich aus der Flußspannung der Basis-Emitter-Diode eines weiteren Transistors T 2, dessen Basis mit der Basis B des Tran­ sistors T 1 verbunden ist. Der Emitter des Transistors T 2 liegt auf Masse, während sein Kollektor mit der Ba­ sis kurzgeschlossen ist. Am Kollektor des Transistors T 2 wird mittels einer Spannungsquelle Q ein Strom IQ eingeprägt. Die Hilfsspannung UH und die Durchflußspan­ nung UD besitzen näherungsweise gleiches Temperaturver­ halten, so daß die Klemmenspannung UK nahezu tempera­ turunabhängig und ungefähr gleich Null wird.

Es sind auch Schaltungen bekannt, die zusätzlich den Steuerstrom IQ in Abhängigkeit von IK nachführen und so die Klemmenspannung UK auch nahezu lastunabhängig ma­ chen.

Nachteil der Schaltungen aus Fig. 1 und Fig. 2 ist es, daß positive Störspannungen einen Wert von UH + UEB0 nicht überschreiten dürfen, wobei UEB0 die Durch­ bruchspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors T 1 ist. Diese Spannung liegt bei den meisten Bipolar­ prozessen bei etwa 7 bis 8 Volt. Um die Abfangschaltung gegen höhere positive Störspannungen zu schützen, wer­ den bei bekannten Anordnungen zusätzliche spannungsfe­ ste Dioden eingefügt, wie Sie z.B. in Fig. 3 als Tran­ sistoren T 3 und T 4 dargestellt sind. Diese als Dioden geschalteten Transistoren T 3, T 4 werden aus Lateral­ transistoren gebildet, die sehr flächenintensiv sind und damit die gesamte integrierte Schaltungsanordnung beträchtlich verteuern.

Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wird anstelle der Dioden gemäß Fig. 3 ein Transistor mit hoher Emitter-Basis- Durchbruchspannung realisiert. Es kann somit eine Schaltungsanordnung realisiert werden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, jedoch mit dem wesentlichen Unter­ schied, daß die Durchbruchspannung der Basis-Emitter- Diode des Transistors T 1 bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung den auftretenden Störspannungen oh­ ne zusätzliche Schutzmaßnahmen standhält.

Die in Fig. 4 dargestellte Halbleiteranordnung besitzt ein p-dotiertes Substrat 1 und eine n-dotierte Epi­ taxie, die als n-dotierte Insel oder Wanne bezeichnet werden kann. Die Insel 2 wird durch jeweils eine obere und eine untere seitliche Isolationsdiffusion 3, 4 begrenzt. Die Isolatonsdiffusionen 3, 4 sind p-dotiert.

In der Insel 2 ist ein NPN-Transistor ausgebildet, der als Transistor T 1 gemäß Fig. 1 verwendbar ist. Sein Kollektoranschluß C steht mit einer Kollektor-An­ schlußdiffusion 5 in Verbindung, die n-dotiert ist. Der Kollektor wird von einer n⁺-dotierten Leitschicht 6 gebildet, die auch als Burried Layer bezeichnet wird. Die Kollektor-Anschlußdiffusion 5 kann auch wie mit un­ terbrochener Linie dargestellt bis zur Leitschicht 6 geführt sein.

Im Innern des Transistors ist oberhalb der Leitschicht 6 eine untere Isolation 7 ausgebildet, die p-dotiert ist und in Verbindung mit einer Anschlußdiffusion 8 und ei­ ner oberen Isolationsdiffusion 9 die Basis B des Tran­ sistors bildet. Den Emitter bilden eine von der Basis- Anschlußdiffusion 8, 9 umschlossene inliegende Epitaxie 10 und das im wesentlichen n⁺-dotierte Gebiet der Emitter-Anschlußdiffusion 11.

Der Transistor mit Basis B, Emitter E und Kollektor C läßt sich in einer Gattung gemäß Fig. 1 als Transistor T 1 verwenden und besitzt eine Durchbruchspannung am Basis-Emitter-Ubergang in Höhe von etwa 40 Volt. Die Basis B kann bei Verwendung in einer Klammerschaltung wie in Fig. 1 mit einer Hilfsspannung beaufschlagt sein. Es kann ein zusätzlicher, integrierter Emitterwi­ derstand vorgesehen sein, über den der Emitter E an die Klemme K angeschlossen wird. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Hilfsspannung UH durch eine integrier­ te Diodenanordnung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, zu realisieren.

Der Aussteuerstrom (Basisstrom) kann in geeigneter Wei­ se in Abhängigkeit vom Kollektorstrom des Transistors beeinflußt werden.

Dazu wird der Kollektorstrom oder ein Teil des Kollek­ torstroms einem Stromspiegel zugeführt. Der mit dem Kollektorstrom ansteigende Ausgangsstrom des Stromspie­ gels wird dann für die Ansteuerung des Transistors T 1 verwendet.

Claims (5)

1. Monolithisch integrierte Transistoranordnung zum Klammern störspannungsbelasteter Spannungen, mit p- dotiertem Substrat und einer oberhalb des Substrats ausgebildeten, durch p-dotierte obere und untere seit­ liche Isolationdiffusion begrenzten n-dotierten Epitaxie, die eine untere p-dotierte Isolationsdiffusi­ on besitzt, die durch eine n-dotierte Leitschicht vom Substrat getrennt ist und über die obere p-dotierte Isolationsdiffusion mit einer p-dotierten oberen ersten Anschlußdiffusion in Verbindung steht und in der eine zweite n⁺-dotierte Anschlußdiffusion vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anschlußdiffusion (8) in Verbindung mit der oberen und unteren p- dotierten Isolationsdiffusion (9) die Basis (B) eines NPN-Transistors (T 1) bildet, dessen Kollektor (C) von der Leitschicht und einer zugehörigen n⁺-dotierten Kollektor-Anschlußdiffusion (5) gebildet wird, und daß die n⁺-dotierte zweite Anschlußdiffusion (11) die von der Basis-Anschlußdiffusion (8) und oberer und unterer Isolationsdiffusion (7, 9) vollständig umschlossene Emitterdiffusion darstellt.

2. Transistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die n⁺-dotierte Kollektor-Anschluß­ diffusion (5) in der Epitaxie (2) nach unten bis zur Leitschicht (6) ausgebildet ist.

3. Transistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Basis (B) eine Hilfsspannung (UH), am Emitter (E) eine Klemmenspannung (UK) und am Kollektor (C) die Versorgungsspannung (UB) anliegt.

4. Transistoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Emitter (E) über einen Widerstand (RI) eine Störspannungsquelle (US) anliegt.

5. Verwendung der monolithisch integrierten Transistor­ anordnung mit den Merkmalen eines der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistor­ anordnung für den Einsatz in elektrischen Einrich­ tungen, in denen hohe Storspannungen auftreten, insbe­ sondere im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, als störspan­ nungsfester Transistor (T 1) vorgesehen ist.