DE1285551B - Transistorverstaerker, bestehend aus der Kaskadenschaltung eines Feldeffekttransistors und n Schichttransistoren (n mindestens gleich 1) mit hoher Steiheit und niedrigemKlirrfaktor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor- Je kleiner man deswegen den Widerstand R macht, Verstärker, der aus der Kaskadenschaltung eines Feld- um so größer wird die Steilheit des Feldeffekttraneffekttransistors und η Schichttransistoren (n minde- sistors T₁ und damit die Gesamtsteilheit von (T₁ + T₂). stens gleich 1) besteht, wobei eine Ausgangselektrode Wenn man dagegen den Widerstand R so klein macht, des Feldeffekttransistors und eine Eingangselektrode 5 daß dieser mit dem Innenwiderstand des ihm folgenden des ersten Schichttransistors galvanisch miteinander Schichttransistors T₂ vergleichbar wird, so wird auch verbunden sind. In bekannten Schaltungen dieser Art das <x' des erwähnten Schichttransistors stark abist die Quelle des Feldeffekttransistors mit der Basis- nehmen, und damit wird die Gesamtsteilheit der elektrode des ersten Schichttransistors verbunden. Die Transistoren (T₁ -j- T₂) auch abnehmen. Es wird somit Erfindung bezweckt, einen Verstärker mit hoher io ein Maximalwert für die Gesamtsteilheit der Tran-Steilheit und/oder niedrigem Klirrfaktor zu schaffen, sistoren (T₁ + T₂) als Funktion des Widerstandes R der geeignet ist, um als integrierte Schaltung ausgeführt gefunden. In F i g. 2 ist dieses Verhalten der Gesamtzu werden. Steilheit als Funktion des Widerstandes R durch die

Die Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß Kurve A dargestellt. Diese Steilheit (g) ist auf der

zwischen der Basis und dem Emitter des η Schicht- 15 rechten senkrechten Achse der F i g. 2 aufgetragen

transistors ein Widerstand geschaltet ist, dessen Wert und in mA/V ausgedrückt. Bei dieser Messung be-

,„..„ , 5„,j. trugen die Widerstandswerte: R₁ = 1 Megohm, R₂

von der Größenordnung vom ^-fachen des inneren ₌ ^_{500 Ohm und} ^ _{= 15 Qhm} ^ _Gesa^_{tstrom 7}J

Basis-Emitter-Widerstandes des η · Schichttransistors durch den Widerstand R₂ war auf 10 mA eingestellt,

ist. ao Bei den gegebenen Widerstandswerten für R₁, R₂ und

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß R₃ und bei der gewählten Gleichstromeinstellung

durch die Anordnung des erwähnten Widerstandes R stellte sich heraus, daß dieses Maximum bei ungefähr

die Stromeinstellung und dadurch die mögliche 800 Ohm lag.

Verstärkung (Steilheit) des Feldeffekttransistors be- Weil die Steilheit eines Feldeffekttransistors pro-

trächtlich erhöht werden kann. Außerdem kann bei 25 portional zur Wurzel aus dem Strom ist, wird bei

einer richtigen Wahl der Größe dieses Widerstandes großer Aussteuerung des Feldeffekttransistors auch ein

der Klirrfaktor klein gehalten werden. großer Klirrfaktor auftreten. Durch die Anordnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den des Widerstandes R kann man den Ruhestrom des

Zeichnungen dargestellt, und werden im folgenden Feldeffekttransistors gegenüber dem Steuerstrom des

näher beschrieben. Es zeigt 30 nachfolgenden Schichttransistors vergrößern. Dadurch

Fig. 1 das Prinzip der Erfindung, wird der Klirrfaktor des Feldeffekttransistors verringert.

F i g. 2 und 4 graphische Darstellungen zur Er- Wenn der Widerstand R jedoch zu niedrig gewählt

läuterung der Erfindung, wird, so nimmt der Klirrfaktor des nachfolgenden

F i g. 3 eine weitere Abänderung der Fig. 1, Schichttransistors stark zu. Dieses Verhalten des Klirr-

F ig. 5 a schematisch eine Draufsicht eines Aus- 35 faktors D als Funktion des erwähnten Widerstandes R

f ührungsbeispiels einer zusammengestellten Halbleiter- ist in Fig. 2, Kurven B, bei verschiedenen Ampli-

vorrichtung, in welcher der innerhalb der gestrichelten tudenwerten der Wechselstromaussteuerung dargestellt.

Linie in F i g. 1 liegende Teil der Schaltung nach Aus F i g. 2 ist ersichtlich, daß ein Minimum auftritt

dieser Figur integriert ist, ' im Gesamtklirrfaktor D als Funktion des Wider-

F i g. 5 b schematisch einen Querschnitt durch 40 Standes R und auch, daß der Punkt der maximalen

diese zusammengestellte Halbleitervorrichtung gemäß Steilheit und der Punkt des minimalen Klirrfaktors

den Linien 0-A, A-B, B-C, C-D und D-Fder Fig. 5a. nahe beieinanderliegen.

In F i g. 1 ist T₁ ein Feldeffekttransistor, in dem 4 Mit Hilfe des Widerstandes R kann man also einer-

die Torelektrode, 3 die Quelle und 5 die Senke dar- seits die Gesamtsteilheit auf einen Höchstwert und

stellen. Dabei wird insbesondere an einen Feldeffekt- 45 andererseits den Klirrfaktor auf einen Mindestwert

transistor vom Typ mit isiolierter Torielektrode einstellen. Auf empirischem Wege wurde festgestellt,

gedacht, wie dieser in der Literatur z. B. als MOS- daß, wenn man für die Größe des Widerstandes R

oder als MNS-Transistor beschrieben wird ^ _{w { der Größenord} vom-^-fachen

Das zu verstärkende Signal V₁ wird dem Feldeffekt- ⁶ ]/« transistor zwischen der Torelektrode und der Quelle 50 des inneren Basis-Emitter-Widerstandes des η · Schichtzugeführt. Die Senke 5 des Transistors T₁ ist mit der transistors wählt, der Quotient Basiselektrode des Transistors T₂ und einem Wider- Gesamtverstärkung

stand R galvanisch verbunden. Der Widerstand R —=

liegt zwischen der Basiselektrode und der Emitter- Uesamtöintattor

elektrode des Schichttransistors T₂. 55 einen Höchstwert annimmt. Dabei stellt η die Anzahl

Die Quelle des Transistors T₁ und die Kollektor- Schichttransistoren dar, die dem Feldeffekttransistor

elektrode des Transistors T₂ sind gemeinsam über einen folgen. Für diesen Basis-Emitter-Widerstand des

Belastungswiderstand R₂ mit der Speisequelle ver- Transistors T₂ der F i g. 1 wird unter den oben-

bunden. erwähnten Verhältnissen ein Wert von 250 Ohm

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß der Ruhestrom des 60 gemessen.

τ, . . rr λ ■ u τ τ ι ^vbe ■ ₊ u-ry In F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der

Transistors T-, gleich la = /H—s- ist, wobei Vbe t-_c j j ^i^tj- τ» · · ι j· i j

^{1 s} R Erfindung dargestellt. In diesem Beispiel folgen dem

die Basis-Emitter-Spannung und h den Basisstrom Feldeffekttransistor zwei Schichttransistoren, also

des Transistors T₂ darstellen. Wenn der Basisstrom η — 2. In dieser Figur ist T₁ der Feldeffekttransistor,

des Transistors T₂ und der Widerstand R klein sind, 65 bei dem 4 die Torelektrode, 3 die Quelle und 5 die

ergibt sich näherungsweise, daß der Ruhestrom des Senke darstellen. Das zu verstärkende Signal V₁ wird

„ . „, , . , _T Vbe ■ dem Feldeffekttransistor über die Torelektrode und

Transistors T₁ gleich Ia =-^- ist. _{die Quelle zugefiihrt Die Senke 5 des Transistors Τχ}

Claims (5)

1. 3 4

   ist wieder mit der Basiselektrode des ersten Schicht- Torelektrode aus der auf der Oxidschicht 2 ange-

   transistors T₂ galvanisch gekoppelt. Die Quelle des brachten Metallschicht 4, die durch die Öffnung 90

   Transistors T₁ und die Kollektorelektroden der Tran- in der Oxidschicht 2 mit der p-leitenden Zone 14

   sistoren T₂ und T₃ sind gemeinsam über einen Be- verbunden ist, die mit dem umringenden Halbleiter-

   lastungswiderstand R₂ mit der Speisequelle verbunden. 5 material die Diode D₁ bildet.

   Im Prinzip könnte man den Widerstand R der F i g. 1 Zwischen der p-leitenden Zone 14 der Diode D₁

   auch zwischen der Basiselektrode des Transistors T₁ und den p-leitenden Zonen 13 und 15 des Feldeffekt-

   und der Emitterelektrode des Transistors T₃ der transistors ist die η-leitende Zone 16 angebracht,

   F i g. 3 anbringen. Aus Versuchen hat es sich jedoch deren spezifischer Widerstand kleiner ist als der des

   herausgestellt, daß das Anbringen des Widerstandes R io η-leitenden Halbleiterkörpers 1. Diese Zone 16 ver-

   zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode hindert eine parasitäre Feldeffekttransistorwirkung

   des Transistors T₃ mit Hinsicht auf die Verstärkung der p-leitenden Zone 14 und der Zone 13 und/oder 15.

   und den Klirrfaktor vorzuziehen ist. F i g. 4 zeigt Der Transistor T₂ enthält die p-leitende Basiszone 17

   die Gesamtsteilheit (Kurve A) und den Klirrfaktor und die η-leitenden Emitterzonen 18. Die Koüektor-

   (Kurven B) als Funktion des Widerstandes R nach 15 zone wird durch das die Basiszone 17 umringende

   Fig. 3. Bei diesen Messungen betrugen die Wider- Halbleitermaterial des η-leitenden Körpers 1 gebildet,

   standswerte: R₁ = 1 Megohm, -R₂ = 1500 Ohm, R₃ Durch die Öffnungen 10 in der Oxidschicht 2 ist der

   = 15 Ohm. Leiter 5 mit der Basiszone 17 verbunden. Der Leiter 6

   Der innere Basis-Emitter-Widerstand des Tran- ist durch die Öffnungen 20 in der Oxidschicht 2

   sistors T₃ betrug wieder 250 Ohm. Der Gleichstrom It 20 mit den Emitterzonen 18 und durch die Öffnung 60

   war auf 10 niA eingestellt. Diese F i g. 4 zeigt, daß mit der p-leitenden Zone 25 verbunden, die den

   auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine maximale Widerstand R bildet und sich an die p-leitende, die

   Gesamtsteilheit g und zugleich ein minimaler Klirr- Senke des Feldeffekttransistors bildende Zone 15

   faktor D als Funktion des Widerstandes R auftritt. anschließt.

   Wenn man als Wert für diesen Widerstand R einen 25 Der η-leitende Halbleiterkörper 1 kann auf die in

   u/ t · a - η --η r-A ⁵ t u*_n α der Halbleitertechnik übliche Weise auf einem Metall-Wert in der Größenordnung vom py-fachen des _{tfäger befestigt} ^ _der ^^ ^ _{Zuführungsleiter}

   Basis-Emitter-Widerstandes des Transistors T₃ wählt, dient. Weiter kann ein Zuführungsleiter auf die

   dann ergibt sich, daß der Quotient übliche Weise mit den Leitern 3, 4 und 6 verbunden

   Gesamtverstärkung ^{3o werden}· Gewünschtenfalls kann der Leiter 3 durch in

   —= γγ.—j—j—— der Oxidschicht 2 anzubringende Öffnungen mit dem

   Gesamtkhrrtaktor η-leitenden Material des Halbleiterkörpers 1 kurzeinen maximalen Wert annimmt. geschlossen werden.

   Die mit gestrichelten Linien angegebene Diode D₁ Die interdigitalen p-leitenden Zonen 13 und 15

   in den F i g. 1 und 2 zwischen der Quelle 3 und der 35 und die p-leitenden Zonen 14, 25 und 17 können auf

   Torelektrode 4 ist eine sogenannte Schutzdiode, die eine in der Halbleitertechnik bekannte Weise durch

   vorzugsweise aufgenommen wird und die dazu dient, Diffusion eines p-Aktivators erhalten werden. Diese

   die Isolierschicht unter der Torelektrode vor Durch- Zonen haben z. B. eine Dicke von 4 μπι und einen

   bruch zu schützen. Dazu wird eine Diode gewählt, Schichtwiderstand von 180 Ohm/Quadrat. Die Breite

   deren Durchbruchspannung kleiner ist als die der 40 der ineinandergreifenden Finger der Zonen 13 und 15

   betreffenden Isolierschicht. beträgt z. B. 14 μπι und die Länge ungefähr 128 μπι,

   Vorzugsweise sind der Widerstand R, der Feld- während die Abmessungen der Zone 17 z. B. 140 · 110-

   effekttransistor T₁ und die Schichttransistoren T₂ und während die Abmessungen der Zonel7z.B. 140·110μηα

   T₃ im gemeinsamen Halbleiterkörper integriert. betragen. Die p-leitende Zone 14 hat z. B. die Ab-

   F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des innerhalb 45 messungen 25 · 75 μπι. Die η-leitenden Zonen 16 der gestrichelten Linien liegenden Teils der Schaltung und 18 sind durch Diffusion eines η-leitenden Aktivanach F i g. 1 in einer integrierten Form. Die Schutz- tors auf eine in der Halbleitertechnik übliche Weise diode D₁ hier ebenfalls integriert. erhalten, und ihre Abmessungen betragen ungefähr

   Die zusammengestellte (integrierte) Halbleiter vor- 3 · 15 · 90 μηι bzw. 3 · 25 · 115 μηι. Der Schichtrichtung nach F i g. 5 besteht aus einem η-leitenden so widerstand dieser Zonen beträgt ungefähr 1,5 Ohm/ Halbleiterkörper 1, mit Abmessungen von ungefähr Quadrat.

   120 · 400 · 400 μΐη, der einseitig mit einer Isolierschicht Die p-leitende Zone 25, die den Widerstand R

   2, z. B. einer 0,2 μηι dicken Siliziumdioxidschicht, bildet, hat ebenso wie die übrigen p-leitenden Zonen

   versehen ist. Auf der Seite der Isolierschicht 2 und einen Schichtwiderstand von 180 Ohm/Quadrat, wäh-

   unter dieser Schicht sind die Schaltelemente vorhanden, 55 rend die Abmessungen α und b in Fig. 5 a bzw.

   während auf der Isolierschicht vier Leiter 3, 4, 5 und 6 104 μπι betragen, so daß R einen Widerstand von

   angebracht sind, die zur Bildung von leitenden Ver- ungefähr 1000 Ohm hat.
   bindungen mit diesen Schaltelementen dienen. In der

   Isolierschicht 2 sind die Öffnungen 10, 20, 60, 70, 80 Patentansprüche:

   und 90 angebracht, durch welche Öffnungen hindurch 60

   die Leiter mit dem unter der Oxidschicht 2 liegenden 1. Transistorverstärker, der aus der Kaskaden-Zonen der Schaltelemente kontaktiert werden. schaltung eines Feldeffekttransistors und η Schicht-

   Der Feldeffekttransistor T₁ enthält eine Quelle, die transistoren (n mindestens gleich 1) besteht,

   aus einer p-leitenden Zone 13 besteht, mit welcher dadurch gekennzeichnet, daß die

   der Leiter 3 über die Öffnung 80 in der Oxidschicht 2 65 Senke (5) des Felde ffekttranistors (T₁) mit der

   verbunden ist, und eine Senke, die aus einer p-leitenden Basiselektrode des ersten Schichttransistors (T₂)

   Zone 15 besteht, mit welcher der Leiter 5 durch die verbunden ist und daß zwischen der Basiselektrode

   Öffnung 70 in der Oxidschicht 2 verbunden ist. Die und der Emitterelektrode (6) des η · Schicht-

   transistors ein Widerstand (R) geschaltet ist, dessen Wert von der Größenordnung vom -ψ^- fachen des inneren Basis-Emitter-Widerstandes des η · Schichttransistors ist.
2. 2. Transistorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldeffekttransistor (T₁) zwei Schichttransistoren (T₂, T₃) folgen, wobei die Emitterelektrode (6) des ersten Schichttransistors (TVj mit der Basiselektrode des zweiten Schichttransistors (T₂) galvanisch verbunden ist.
3. 3. Transistorverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R), die Schichttransistoren (T₂, T₃) und der erwähnte Feldeffekttransistor (T₁), vorzugsweise vom Typ mit isolierter Torelektrode, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (1) integriert sind.
4. 4. Transistorverstärker nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Feldeffekttransistor vom Typ mit isolierter Torelektrode ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (2) zwischen der Torelektrode (4) und dem Halbleiterkörper (1) des Feldeffekttransistors gegen Durchbruch von einer zwischen der Torelektrode (4) und den Halbleiterkörper (1) geschalteten Schutzdiode (D₁) geschützt ist.
5. 5. Transistorverstärker nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (D₁) ebenfalls in demselben Halbleiterkörper (1) integriert ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen