DE2560247C2

DE2560247C2 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2560247C2
Application number: DE2560247A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-02-27
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1983-04-14

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte '5 Halbleiterschaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Halbleiterschaltungsanordnung ist aus der DE-OS 20 36 686 bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird eine niederfrequente Wechselspannung über ohmsche Kontakte eingespeist, d.h. über Elektroden, die unmittelbar auf dem Halbleiterkörper aufliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Versorgung einer integrierten Hulbleiterschaltungsanordnung mit Wechselspannung hoher Frequenzen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Zur optimalen Nutzung dieser Art der Spannungsversorgung der Fiinktionselemente ist es vorteilhaft, die im Anspruch 2 gekennzeichneten Transistorstrukturen zu verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer logischen Schaltung mit Transistoren /ur Erläuterung des Prinzips der Spannungsversorgung mit einer hochfrequenten Wechselspannung;

Fig. 2 einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform von Transistorstrukturen;

Fig. J einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit einer zweiten Ausführungsform von Transistorstrukturen; und

F i g. 4 eine Ausbildung von streifenförmigen Basis-

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b5 und Kollektorzonen bei Transistorstrukturen nach Fig. 3.

In der Schaltung nach F i g. 1 sind in Emitterschaltung betriebene Transistoren T\ bis Ts in Kaskade geschaltet. Um anzudeuten, daß eine solche Schaltung im Prinzip beliebig erweitert werden kann, ist im ausgezogen gezeichneten Teil der Schaltung ein Transistor T> in gestrichelter Darstellung hinzugefügt.

Den Kollektoren der Transistoren Γι und T₂, der Basis und dem Kollektor des Transistors T₃ (und falls zugeschaltet auch dem Kollektor des Transistors T₄) sowie der Basis des Transistors Ts werden über die Kapazitäten G bzw. C₂ von einer Klemme 5 eine hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung zugeführt. Weiterhin wird dem Kollektor des Transistors Ti über einen Arbeitswiderstand R eine gesonderte Versorgungsgleichspannung von einer Klemme U zugeführt. Die Transistoren T₁ und T₂ (und falls zugeschaltet auch der Transistor Ti) sind an Klemmen I, bis I₃ über ihre Basen ansteuerbar. Eine Klemme O bildet den Ausgang der Schaltung.

An der Klemme S liegt in bezug auf Erde als Versorgungsspannung eine hochfrequente Wechselspannung, die beispielsweise einen sinusförmigen oder rechteckförmigen Verlauf hat und bei einem Spannungswert von 5 Volt eine Frequenz von 15MHz besitzt. Über die Kapazität C, und die Easis-Emitter-Strecke des Transistors T₃ sowie über die Kapazität C₂ und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Ts fließt während der positiven Halbwelle der hochfrequenten Wechselspannung an der Klemme S ein Strom, wobei jedoch die an den Kollektoren der Transistoren entstehende Spannung aufgrund der Niederohmigkeit der Basis-Emitter-Strecke kleiner als die Versorgungsspannung ist. Die Kapazitäten bilden für die Transistoren also hochfrequente Stromgeneratoren.

Wird einer der Transistoren Γι oder T₂ an der Klemme I, bzw. I₂ durch ein positives Steuersignal in den leitenden Zustand geschaltet, so wird der über die Kapazität C\ fließende hochfrequente Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des leitenden Transistors kurzgeschlossen, so daß in die Basis des Transistors Tj kein Strom mehr fließen kann, d. h., der Transistor T₃ wird gesperrt. Liegen die Klemmen Λ und I₂ auf Erdpotential, wobei die Transistoren Ti und T₂ gesperrt sind, so fließt die positive Halbwelle des hochfrequenten Stroms über die Basis des Transistors T₃. In diesem Fall ist der Transistor T₃ leitend, so daß er den über die Kapazität C₂ fließenden hochfrequenten Strom kurzschließt. Da der die letzte Stufe bildende Transistor Ts mit einer gesonderten Versorgungsgleichspannung von z. B. 5 Volt betrieben wird, liegt am Ausgang O bei durchgesteuertem Transistor T₃ dauernd die Versorgungsspannung LJ. Ist der Transistor T₃ jedoch gesperrt, so schwankt die Spannung am Ausgang O im Takt der hochfrequenten Versorgungsspannung zwischen Erdpotential und der Versorgungsspannung LJ. Dieses hochfrequente Ausgangssignal sowie auch ein daraus durch Siebung gewonnenes Gleichstromsignal eignen sich zur Ansteuerung weiterer Schaltungen.

Die Realisierung der vorstehend beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten in integrierter Technik wird anhand der Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 3 erläutert.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist auf einen hochdotierten Substratkörper 1 eines Leitungstyps (beispielsweise p ⁺ -Typ) eine schwach dotierte oder eigenleitende Schicht 2 aufgebracht. In dieser Schicht 2

sind — beispielsweise durch Diffusion hergestellte — Zonen 3 des anderen Leitungstyps (beispielsweise η-Typ) vorgesehen. Auf die Oberfläche dieser Halbleiterstruktur sind Metailbelegungen 4 aufgebracht. Diese Metailbelegungen 4 bilden einerseits im großflächigen Teil Schottky-Kontakte 5 und andererseits ohmsche Kontakte 6 mit η+-leitenden Zonen in den η-leitenden Zonen 3. Die η+ -leitender. Zonen sind in F i g. 2 durch Doppelschraffur angedeutet

Auf die Struktur aus halbleitenden Bereichen und Metallbelegungen ist eine Isolationsschicht 8 aufgebracht, auf der sich wiederum eine Metallelektrode 9 befindet. Auf der Unterseite des Substratkörpers 1 ist eine weitere Metallelektrode 7 vorgesehen.

Werden nun der pn-Übergang zwischen dem Substratkörper 1 und den Zonen 3 in Durchlaßrichtung und die Schottky-Kontakte zwischen den Zonen 3 und den Metallbelegungen 5 in Sperrichtung betrieben, so arbeiten die Zonenfolgen als Transistoren mit Emitter 1, Basis 3 und Kollektor 4.

Im Sinne der Ausführungen zur Schaltung nach Fig. 1 wird nun an die Metallelektrode 9 eine hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung angelegt. Die integrierte Struktur nach Fig. 2 bietet dabei den Vorteil, daß Kapazitäten, wie die Kapazitäten C, und C₂ nach Fig. 1, nicht zusätzlich integriert werden müssen. Diese Kapazitäten werden vielmehr durch die Isolationsschicht 8 gebildet.

Durch die ohmschen Kontakte 6 ist gleichzeitig eine Verschaltung zwischen dem Kollektor eines Transistors Jo und der Basis eines anderen Transistors möglich. Die schwach dotierte oder eigenleitende Schicht 2 gewährleistet eine Isolation zwischen den Transistoren. Eine zusätzliche Isolationsdiffusion oder eine Isolation durch Oxid ist nicht erforderlich, weil die zu isolierende s-> Spannung maximal 0,6 Volt (Schwellspannung der Basis-Emitter-Diode) beträgt und weil ein ins Gewicht fallender Teil dieser Spannung durch die Potentialbarriere der Schicht 2 aufgefangen wird. Noch fließende Isolationsströme sind vernachlässigbar.

F i g. 3, in der gleiche Teile wie in F i g. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine weitere Ausführungsform der Transistorstrukturen. Dabei entsprechen die Emitter- und Basisbereiche denjenigen nach Fig. 2. Die Kollektoren werden jedoch hierbei nicht durch Metallbelegungen sondern durch Halbleiterzonen 13 (beispielsweise durch Diffusion hergestellt) gebildet, welche in bezug auf die Basiszonen 3 von entgegengesetztem Leitungstyp sind. Ohmsche Kontakte 14, welche zur elektrischen Verbindung der Einzeltransistoren dienen, ergeben sich durch starke Dotierung, was wiederum durch eine Doppelschraffierung angedeutet ist.

Bei entsprechender Wahl der Leitfähigkeitstypen sind beispielsweise mit einer Anordnung nach F i g. 2 pnp-Transistoren und mit einer Anordnung nach Fi g. J npn-Transistoren realisierbar.

Die Anordnung nach Fig.3 besitzt weiterhin den Vorteil, daß der Halbleiterkörper nicht durch Metallbahnen unterbrochen wird, so daß bei dem beschriebenen Aufbau auch dreidimensionale Strukturen realisierbar sind. Dabei können solche Transistoren und die Zuführungen für die Versorgungsspannung auch übereinander angeordnet werden.

Gemäß Fig.4 läßt sich eine Transistoranordnung noch dadurch vereinfachen, daß die Basen und die Kollektoren streifenförmig ausgebildet sind, wobei ein Kollektor dort entsteht, wo sich ein Streifen 13 großflächig mit einem Streifen 3 kreuzt. Die Bereiche 14 stellen wiederum elektrische Verbindungspunkte und Basisanschlüsse dar. Bei Bedarf können über einen Basisstreifen auch mehrere Kollektorstreifen geführt werden. Dabei sind große geometrische Toleranzen zulässig, weil die verschiedenen Zonen nicht wie bei konventionellen Transistoren ineinander verschachtelt angeordnet sind. Daraus ergeben sich kleinere Transistorstrukturen, wodurch die Packungsdichte weiter erhöht wird.

Da über die Basis der Transistoren nur die positive Halbwelle der hochfrequenten Versorgungsspannung fließen kann, muß dafür Sorge getragen werden, daß die gleiche Ladungsmenge auch in der negativen Halbwelle abfließen kann, damit sich die Anordnung durch den Gleichrichtereffekt nicht selbst sperrt. Bei den Anordnungen nach Fig.4 ist dies durch den Parallelwiderstand zur Basis-Emitter-Strecke möglich, der sich durch fehlende Isolation ergibt. Bei wenigen in Kaskade geschalteten Transistorstufen kann die Ladung in der negativen Halbwelle auch über die in Flußrichlung vorgespannten Kollektor-Basis-Strecken abfließen. Grundsätzlich ist aber parallel zur Basis-Emitter-Strekke wenigstens eines der Transistoren eine gegen diese invers geschaltete Diode vorgesehen, welche dem Ladungsabfluß dient. Eine solche Diode ist dabei nicht für alle Transistorstufen erforderlich.

Bei einer großen Anzahl von Stufen kann es wegen der endlichen Signallaufzeit notwendig sein, die Versorgungsspannung an verschiedenen Stufen mit einer unterschiedlichen Phasenlage oder Frequenz zuzuführen. Dabei ist insbesondere ein Dreiphasensystem mit einer Phasendifferenz von 120° «on Bedeutung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Funktionselementen in einem Halbleiterkörper und mit einer Versorgungs-Wechselspannung für wenigstens einen Teil der Funktionselemente, dadurch gekennzeichnet daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1, 2) befindlichen Isolations- ίο schicht (8) eine niederohmige polykristalline Halbleiterschicht vorgesehen ist, welche mit der Isolationsschicht (8) und dem Halbleiterkörper (1, 2) wenigstens eine Kapazität (C, oder C₂) zur Einkopplung der hochfrequenten Wechselspannung is für Transistoren von in Kaskade geschalteten Transistorstufen (T, bis T₄) bildet, und daß parallel zur Basis-Emitter-Strecke -venigsteLs eines der Transistoren (Tu T₂, T₃) eine Diode liegt, die so gepolt ist, daß sie in der Halbwelle, in der die Basis-Emit!:er-Strecke der Transistoren (T₁, T₂, T₃) sperrt, leitet.

2. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung im Halbleiterkörper (1, 2) eine in Sperrichtung betriebene Sperrschicht in Form eines pn-Übergangs oder eines Schottky-Kontaktes vorgesehen ist, über welche die hochfrequente Wechselspannung in die Transistorstufen (T, bis Ta) einkoppelbar ist.