Brevet FR2160409A1 — publié le 19730629

La présente invention concerne un dispositif de circuit à courant constant, et plus particulièrement un dispositif de circuit à courant constant sous la forme ddtun dispositif de circuit semi- conducteur intégré utilisant des transistors. Ainsi que cela est bien connu, le courant de collecteur d'un transistor reste sensiblement constant même pour des modifications de tension collecteur-émetteur pour autant que le courant de base soit constant. En conséquence, une source à courant constant ayant de bonnes caractéristiques peut autre réalisée avec un transistor. La figure 1 représente un circuit à courant constant transistorisé de l'art antérieur, qui comprend un transistor à courant constant Q1, un transistor de polarisation Q2 et une résistance R. Le transistor de polarisation R2 a son collecteur et sa base courtcircuités et a un fonctionnement équivalent à celui d'une diode polarisée en direct. La base et l'émetteur du transistor de polarisation Q2 sont respectivement connectés à la base et à ltémet- teur du transistor à courant constant Q1- La résistance R est connectée entre la base du transistor de polarisation et une borne B d'une alimentation.Lorsque, dans le circuit représenté, une source de puissance E est connectée entre une extrémité de la résistance R et l'émetteur de Q2, un courant direct circule entre la base et l'émetteur du transistor de polarisation Q2' pour engendrer une tension de polarisation qui est déterminée par les caractéristiques courant-tension base-émetteur de celui-ci. Le courant de polarisation polarise le circuit émetteur-base du transistor à courant constant Q1, de façon à faire circuler un courant de base prédéterminé.Il en résulte que si la tension émetteur-collecteur du transistor à courant constant Q1 dépasse la tension de montée de celui-ci, un courant sensiblement constant circule à travers le collecteur du transistor Q1 avec pratiquement pas d'influence de la valeur de la tension émetteur-collecteur . Le réglage du courant de collecteur du transistor à courant constant Qî est effectué, si la tension d'alimentation est constante, de telle manière que la valeur de la résistance R est modifiée pour modifier ainsi le courant direct du transistor de polarisation ou le point de fonctionnement de celui-ci. Un dispositif pour autre réalisé sous la forme d'un dispositif de circuit semi-conducteur intégré devrait ne jamais avoir ses caractéristiques facilement modifiées par des fluctuations dans les conditions de fabrication ou toutes autres conditions. De plus, le contrôle des caractéristiques devrait titre aisé. Lorsque le circuit à courant constant de la figure 1 doit titre réalisé sous la forme drun dispositif de circuit semi-conducteur intégré, le transistor à courant constant Qî et le transistor de polarisation Q2 sont réalisés par un traitement simultané, et sont fabriqués de façon identique en dimension et configuration.Par conséquent, les caractéristiques de montée des transistors Qî et c'est-à-dire leurs caractéristiques courant-tension émetteur-base, sont rendues identiques, de telle sorte que le courant émetteurcourant du transistor de polarisation Q2 et le courant de collecteur du transistor à courant constant Qî peuvent avoir sensiblement les mimes valeurs. Habituellement, la tension de l'alimentation E est rendue suffisamment plus élevée que la tension de montée émetteur-base du transistor Q2. En conséquence, le courant émetteur-collecteur du transistor Q2, notamment, le courant de collecteur du transistor Q1 est essentiellement déterminé par la résistance R et l'alimentation E.Qu'il en soit ainsi ou non, un transistor, connecté en diode dans un circuit semi-conducteur intégré, est déterminé par une configuration d'interconnexion et n'est pas affecté par tout accroissement du nombre des opérations et des traitements de fabrication. On peut dire par conséquent que le circuit à courant constant de la figure 1 convient à un circuit semi-conducteur intégré. Le circuit tel que ci-dessus décrit nécessite toutefois un courant de polarisation de la même valeur que celui du courant constant afin de réaliser le courant constant. En d'autres termes, ceci signifie qu'une puissance double est consommée pour le fonctionnement du circuit. Le circuit ne convient par conséquent pas lorsque la consommation de puissance constitue un problème dans un appareil électronique portatif, un dispositif électronique miniaturisé, etc... Un procédé, considéré comme résolvant le problème ci-dessus, consiste à rendre différentes les dimensions externes des transistors Q1 et Q2, de telle sorte que les caractéristiques de montée émetteur-base soient rendues différentes afin de rendre le courant de collecteur du transistor Q1 plus grand que celui du transistor et etainsi diminuer la consommation de puissance en dessous de la valeur double. Dans le procédé précité, toutefois, à cause du fait que les caractéristiques de montée des transistors ne sont pas proportionnelles aux dimensions externes, des facteurs empiriques sont introduits dans la conception des transistors à caractéristiques de montée différentes. Beaucoup de temps est par conséquent nécessaire, ce qui conduit à l'inconvénient que la conception des transistors n'est pas facile.Un problème plus grave provenant du procédé de réalisation des dimensions externes des deux transistors de façon différente dans le circuit à courant constant de la figure 1, réside dans le fait qutil provoque un abaissement du rendement de fabrication. Plus particulièrement, dans un dispositif de circuit semi-conducteur intégré, un ensemble de transistors, diodes, résistances, capacités, fils et les éléments de circuit analogues sont réalisées par la répétition de techniques de traitement de précision telles que le traitement de photogravure plusieurs fois ou un grand nombre de fois. 'alignement de configuration lors de ltexécution du traitement de précision entraîne d'inévitables erreurs d'alignement.Des fluctuations dans les caractéristiques entre les transistors de dimensions externes différentes et attribuables au désalignement, deviennent différentes. Particulièrement dans les traitements de précision dans lesquels le désalignement parvient en sortie, le rendement de fabrication est abaissé à cause des différentes fluctuations. C'est par conséquent un des buts de la présente invention de fournir un dispositif de circuit à courant constant qui a une faible consommation d'énergie. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de circuit à courant constant dont le controle des caractéristiques est aisé. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de circuit à courant constant dont le rendement de fabrication est élevé. Encore un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de circuit à courant constant qui convient pour un dispositif de circuit semi-conducteur intégré. D'autres buts de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre. L'objet de la présente invention réside dans un dispositif de circuit à courant constant comprenant un ensemble de premiers transistors dont les collecteurs, les bases et les émetteurs sont reliés en commun et qui ont une configuration d'émetteur, une largeur de base et une répartition de concentration d'impuretés rendues égales parmi lesdits transistors, un second transistor qui a une configuration d'émetteur, une largeur de base et une répartition de concentration impuretés égales à celles desdits premiers transistors, et des moyens d'alimentation en courant de polarisation, lesdites bases desdits premiers transistors et la base dudit second transistor étant court-circuitées, lesdits émetteurs desdits premiers transistors et l'émetteur dudit second transistor étant court-circuités, le collecteur et la base dudit second transistor étant court-circuités, lesdits moyens d'alimentation en courant de polarisation étant reliés audit collecteur dudit second transistor, lesdits collecteurs desdits prerniers transistors constituant une borne de sortie commune. L'invention sera décrite en détail ci-après conjointement avec plusieurs modes de réalisation illustrés sur les dessins annexés. La figure 1 représente un circuit à courant constant de l'art antérieur. La figure 2 représente un circuit à courant constant d'un mode de réalisation de la présente invention. La figure 3 est une perspective partielle d'un dispositif de circuit semi-conducteur intégré formant le circuit à courant constant de la figure 2. Les figures 4 et 5 sont des coupes prises selon IV-IV et V-V à la figure 3, respectivement. La figure 6 est une perspective partielle d'un autre dispositif de circuit semi-conducteur intégré. La figure 7 est une coupe selon Vil-Vil de la figure 6. La figure 2 représente un schéma de circuit d'un mode de réalisation dans lequel la présente invention est appliquée à un amplificateur différentiel. Sur la figure, Q3 et Q4 représentant des transistors dont les émetteurs sont couplés et qui accomplissent le fonctionnement différentiel. La base du transistor Q3 est reliée à une borne d'entrée 1, tandis que le collecteur est directement relié à une borne d'alimentation 3. La base du transistor Q4 est reliée au collecteur d'un transistor Q50 Le collecteur du transistor Q4 est relié à travers une résistance de charge R2 à la borne d'alimentation 3, et est également relié à une borne de sortie 2. Afin de stabiliser le point de fonctionnement contre des conditions environnantes externes, telles que la température, ltampli- ficateur différentiel et pour obtenir des caractéristiques prédéterminées, par exemple un certain gain, les transistors Q3 et Q4 devraient être égaux dans différentes caractéristiques électriques, et devraient avoir des courants sur les émetteurs reliés en commun rendus constants. Ainsi que cela est bien connu, un procédé pour rendre constants les courants dans l'amplificateur différentiel consiste en une résistance qui donne naissance à une chute de tension d'une valeur suffisamment grande par rapport aux tensions de signaux à traiter et qui est connectée entre les émetteurs reliés en commun et une des bornes de l'alimentation.Du fait de la grande chute de tension provoquée par la résistance, toutefois, ce procédé est médiocre dans le facteur d'utilisationde la tension d'alimentation, et la consommation d'énergie dans la résistance est élevée. De plus, un bon fonctionnement ne peut pas autre espéré pour une faible tension d'alimentation. Lorsque des transistors sont utilisés pour une source à courant constant, de bonnes caractéristiques peuvent autre obtenues avec une tension suffisamment faible. L'accroissement du facteur d'utilisation de la tension peut autre atteint, et la commande à basse tension est rendue possible. Qll à Q13 désignent des transistors à courant constant, qui rendent constants les courants des émetteurs connectés en commun des transistors différentiels Q3 et 44. Les collecteurs, bases et émetteurs des transistors Qll à Q13 sont reliés en commun, respectivement. Les collecteurs communs sont reliés aux émetteurs communs des transistors différentiels Q3 et Q4, les bases communes sont reliées à la base d'un transistor de polarisation Q2, et les émetteurs communs sont reliés à une borne d'alimentation 4. Le transistor Q2 sert à fournir un courant de polarisation aux transistors à courant constant Q11 à Q13. Sa base est directement reliée à son collecteur, son collecteur est relié à l'émetteur du transistor Q5, et son émetteur est relié aux émetteurs communs des transistors à courant constant. Les transistors à courant constant Q à Q13 et le transistor de polarisation Q2 ont des caractéristiques de montée de tension et de courant émetteur-base égales, et ont des facteurs d'amplification en courant égaux, respectivement. En conséquence, les courants de collecteur respectifs des transistors à courant constant 11 à Q13 et le courant de collecteur du transistor de polarisation Q2 sont sensiblement égaux. Lorsque le circuit représenté est en fonctionnement, un courant trois fois plus intense que le courant de collecteur du transistor de polarisation Q2 circule à travers le point de connexion d'émetteur des transistors différentiels Q3 et Q4. Si n transistors à courant constant sont incorporés, le courant au point de connexion est n fois plus intense que le courant de collecteur du transistor Q2. Le transistor Q5 sert à appliquer une polarisation au transistor différentiel i4. Son collecteur et sa base sont court-circuités, son émetteur est relié au collecteur du transistor de polarisation Q2, et son collecteur est relié à la base du transistor différentiel Q4 et à une résistance La résistance RI sert à fournir des courants de polarisation aux transistors Q2, Q4, et Q5, et son extrémité éloignée du transistor Q5 est relié#e à la borne d'alimentation 3. La valeur de la résistance RI détermine le courant de polarisation des émetteurs communs des transistors différentiels Q3 et Q4. Comme indiqué cides sus, le courant de polarisation des émetteurs communs devient approximativement trois fois plus intense que le courant circulant à travers la résistance R1. Les transistors à courant constant Qll à Q13 et le transistor de polarisation Q2 peuvent autre réalisés dans des corps semi-conducteurs indépendants. Dans les modes de réalisation concrets qui seront décrits ci-après, toutefois, les transistors Qll à Q13 et Q2 sont de préférence réalisés dans un circuit semi-conducteur intégré dans lequel ils sont formés simultanément dans le mtme substrat. La figure 3 représente un dispositif de circuit semi-conducteur intégré dtun mode de réalisation concret dont le circuit équivalent est la disposition de circuit de la figure 2. A la figure 3, les éléments remplissant les mimes fonctions que ceux de la figure 2 sont représentés par les mimes références. La figure 4 représente une coupe A-A de la figure 3, et la figure 5 une coupe B-B. Le dispositif de circuit semi-conducteur intégré peut autre réalisé selon des techniques de fabrication bien connues. La référence 10 désigne un substrat semi-conducteur de type P, 11 une couche de type N+ élaborée dans la surface du substrat 10, 12 une couche de type N élaborée par épitaxie sur la surface du substrat 10, et 13 une zone d'isolement de type P+ formée de façon à atteindre le substrat 10. En 14 est représentée une zone de la couche épitaxiale 12 formant un élément de type N, entouré par le substrat 10 et la zone d'isolement 13 de type P+. Lorsque l'été ment est un transistor, la zone formant l'élément de type N constitue la zone de collecteur du transistor.La référance 15 désigne une zone de base de type P à l'intérieur de la zone de collecteur, 16 une zone d'émetteur de type N élaborée à l'intérieur de la zone de base 15, 17 un film isolant d'oxyde de silicium, par exemple, couvrant la surface de la couche épitaxiale 12, et 18 une couche d'interconnexion qui stétend sur le film isolant et qui relie les éléments. Comme représenté en pointillés sur la figure 3, les éléments sont isolés électriquement les uns des autres par des jonctions P-N 20. Les transistors à courant constant Qll à Q13 ont une zone de collecteur commune. Leurs zones de base et d'émetteur sont formées de façon indépendante, respectivement. Les zones de base et d'émst- teur sont actuellement reliées en prévoyant des ouvertures dans le film isolant 17 et en formant la couche d'interconnexion 18. Les résistances RI et R2 sont élaborées à l'intérieur d'une zone commune de l'élément, et sont réalisées simultanément avec les zones de base des transistors. Les transistors Q11 à Q13 ont les mimes configurations de base et d'émetteur, de telle sorte que leurs caractéristiques couranttension émetteur-base sont rendues égales. Dans le mode de réalisation concret, les transistors Q11 à Q13 ne sont pas isolés l'un de l'autre. La surface d'isolement est par conséquent réduite de moitié. La figure 6 représente un autre mode de réalisation dans lequel les transistors à courant constant et le transistor de polarisation sont constitués par des transistors de type latéral. La figure 7 montre une section A-A de la figure 6. On se réfère aux figures 6 et 7. Les transistors à courant constant Qll à Q13, le transistor de polarisation Q2 et les résistances R sont formés à l'intérieur de la zone 14 formant un seul élément. La zone 14 devient une zone commune de base des transistors Q11 à Q13 et Q2 les zones d'émetteur des transistors Qll à Q13 et Q2' les emplacements de leurs jonctions P-N étant représentés en pointillés à la figure 6, sont respectivement reliées au moyen d'une couche d'interconnexion d'émetteur 30 s'étendant sur le film isolant 17. De façon similaire, les zones de collecteur des transistors Qll à Q13 sont respectivement reliées au moyen d'une couche d'interconnexion de collecteur 31.A proximité des zones de collecteur des transistors Q11 à Q13' un fil commun 32 de polarisation des bases est relié à celles-ci. Le fil 32 est également relié à la zone de collecteur du transistor de polarisation Q2 et à une extrémité de la zone de la résistance R. Un film 33 est relié à l'autre extrémité de la zone de la résistance R. La zone de la résistance R est disposée de façon à entourer les transistors Q11 à Q13 et Q2. Dans le mode de réalisation, les jonctions P-N qui sont élaborées entre la zone de la résistance R entourant les transistors individuels Q11J Q12 Q13 Q2 et la zone commune de base 14 sont polarisées en inverse. Pour cette raison, parmi les porteurs minoritaires injectés depuis les zones d'émetteurdes transistors individuels dans la zone de base, ceux qui ntont pas été absorbés par les zones de collecteur correspondant aux zones d'émetteur sont absorbés par la zone de la résistance R ou sont recombinés dans la zone de base.Du fait de la zone de résistance R, le phénomène selon lequel les porteurs minoritaires injectés depuis la zone d'émetteur d'un des transistors, par exemple Qll dans la zone commune de base 14 atteignent la zone de collecteur d'un autre transistor, par exemple Q1~' est considérablement réduit. Par conséquent, les influences réciproques des caractéristiques électriques sont éliminées parmi les transistors Qll à Q13 et Q2. Les caractéristiques respectives de tels transistors sont rendues égales. Lorsque,dans le dispositif de circuit intégré ci-dessus, les résistances, les transistors et la zone d'isolement sont réalisés par la technologie de la diffusion thermique sélective d'impuretés, le fait que la profondeur de la zone de la résistance R est plus faible que la profondeur de la zone d'isolement conduit aux possibilités de réalisation d'étalement latéral faible des zones diffusées d'impuretés et de réalisation de la largeur de la zone de la résistance R plus faible que celle de la zone dtisolement.De plus, étant donné le fait qu'un isolement spécial n'est pas nécessaire pour le transistor de polarisation Q2, les distances entre les transistors peuvent autre rendues suffisamment petites. La zone à concentration élevée 11 en-dessous de la zone commune de base 14 sert à recombiner suffisamment les porteurs minoritaires lorsqutils atteignent l'intérieur de celle-ci. Par conséquent elle évite un accroissement du courant de fuite de la fonction P-N dtisolement. Un transistor latéral P-N-P est souvent utilisé lorsqu'un transistor N-P-N est formé à l'intérieur dtun substrat semi-conducteur identique. Il présente l'avantage que, puisqu'il est élaboré simultanément avec la zone de base du transistor N-P-N, un traitement particulier de fabrication pour le transistor P-N-P n'est pas nécessaire. Le circuit à courant constant à transistor latéral P-N-P peut constituer la charge du transistor N-P-N élaboré à l'intérieur du substrat semi-conducteur identique. Dans un dispositif de visualisation dans lequel un ensemble d'éléments lumineux à l'arséniure de gallium sont disposés convenablement de façon à visualiser des symboles appropriés, un substrat commun d'arséniure de gallium ou des substrats d'arséniurede gallium reliés en commun sont du type N, et on fait des courants constants directs à travers des jonctions P-N afin de faire émettre par les éléments respectifs une lumière uniforme. Par conséquent, le circuit à courant constant à transistor P-N-P convient pour la polarité de tension du dispositif à l'arséniure de gallium émettant de la lumière.Plus particulièrement, dans ce cas, la cathode commune du dispositif lumineux est reliée à la terre, tandis que les anodes respectives sont reliées aux collecteurs des transistors à courant constant latéraux P-N-P connectés en paral lèle. Au point de connexion entre les bases des transistors à courant constant et le transistor de polarisation, un élément de commutation approprié tel qu'un transistor est connecté à la place de la résistance. Il va de soi que si le circuit à courant constant à transistor P-N-P latéral est réalisé de façon indépendante des autres circuits, la zone d'isolementn'est pas nécessaire. La technique d'isolement dans le mode de réalisation concret précédent est bien connue, et elle peut autre remplacée par une autre technique d'isolement bien connue. Bien qu'il ait été seulement question de transistors bipolaires, des transistors à effet de champ, etc., peuvent aussi titre utilisés en conformité avec lrobjet de la présente invention. De plus, les transistors à courant constant dans la présente invention couvriront les transistors dont les collecteurs et les bases sont communes et dont les émetteurs seulement sont indépendants, ou les transistors dont les collecteurs, les bases et les émetteurs ne sont pas communs. Comme il ressort des modes de réalisation précédents, le dispositif de circuit à courant constant de la présente invention diminue la consommation de puissance du transistor de polarisation pour connecter les transistors à courant constant, et a son réglage rendu très facile par l'emploi de transistors de caractéristiques identiques. L'invention peut autre mise en oeuvre avec des transistors indépendants. Si l'invention est réalisée sous la forme d'un dispositif semi-conducteur intégré, les caractéristiques d'un ensemble de transistors sont rendues plus uniformes, et par suite, un dispositif à meilleures caractéristiques peut autre réalise. REVENDICATION Dispositif de circuit à courant constant, caractérisé en ce qutil comprend un ensemble de premiers transistors dont les collecteurs, les bases et les émetteurs sont reliés en commun et qui ont une configuration d'émetteur, une largeur de base et une répartition de concentration dtimpuretés rendues égales parmi lesdits transistors, un second transistor qui a une configuration d'émetteur, une largeur de base et une répartition de concentration dtimpuretés rendues égales à celles desdits premiers transistors, et des moyens d'alimentation en courant de polarisation, lesdites bases desdits premiers transistors et la base dudit second transistor étant court-circuitées, lesdits émetteurs desdits premiers transistors et l'émetteur dudit second transistor étant courtcircuités, le collecteur et la base dudit second transistor étant court-circuités, lesdits moyens d'alimentation en courant de polarisation étant reliés audit collecteur dudit second transistor, lesdits collecteurs desdits premiers transistors constituant une borne de sortie commune.