DE2508553B2

DE2508553B2 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2508553B2
Application number: DE2508553A
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: 1980-09-25
Also published as: FR2302590B1; CA1070854A; JPS51110286A; FR2302590A1; JPS6019668B2; DE2508553C3; GB1533569A; IT1062863B; DE2508553A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Funktionselementen in einem Halbleiterkörper mit einer Versorgungs-Wechselspannung für wenigstens einen Teil der Funktionselemente.

Eine derartige Halbleiterschaltungsanordnung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 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 Halbleiterschaltungsanordnung mit Wechselspannungen hoher Frequenzen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung, auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindlichen Isolationsschicht eine Metallelektrode vorgesehen ist, welche mit der Isolationsschicht und dem Halbleiterkörper wenigstens eine Kapazität zur Einkopplung der hochfrequenten Wechselspannung in aktive Funktionselementc bildet, und daß parallel zum Eingangskreis wenigstens eines der aktiven Funktionselemente eine Diode liegt, die so gepolt ist, daB sie in der Halbwelle, in der der Eingangskreis der aktiven Funktionselcmente sperrt, leitet.

Zur optimalen Nutzung dieser Art der Spannungsver-

sorgung ist es vorteilhaft, die in den Unteransprüchen gekennzeichneten Transistorstrukturen zu verwenden.

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

*'> Fig. 1 ein Schaltbild einer logischen Schaltung mit Transistoren zur Erläuterung des Prinzips der Spannungsversorgung mit einer hochfrequenten Wechselspannung;

Fig.2 einen Teil einer integrierten Halbleiterschal·

V) tungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform von Transistorstrukturen;

F i g. 3 einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit einer zweiten Ausführungsform von Transistorstrukturen; und

'■>'■< Fig.4 eine Ausbildung von streifenförmigen Basis- und Kollektorzoner bei Transistorstrukturen nach Fig. 3.

In der Schaltung nach F i g. 1 sind in Emitterschaltung betriebene Transistoren 71 bis T<,'m Kaskade geschaltet.

w> Um anzudeuten, daß eine solche Schaltung im Prinzip beliebig erweitert werden kann, ist im ausgezogen gezeichneten Teil der Schaltung ein Transistor T_t in gestrichelter Darstellung hinzugefügt.

Den Kollektoren der Transistoren Tl und T2, der Basis

fr'» und dem Kollektor des Transistors T₁ (und falls zugeschaltet auch dem Kollektor des Transistors Ta) sowie der Basis des Transistors Ti werden über die Kapazitäten Ci bzw. G von einer Klemme S eine

hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung zugeführt Weiterhin wird dem Kollektor des Transistors 7s über einen Arbeitswiderstand R eine gesonderte Versorgungsgleichspannung von einer Klemme U zugeführt Die Transistoren T₁ und T₂ (und falls zugeschaltet auch der Transistor 7"₄) sind an Klemmen I\ bis I₃ über ihre Basen ansteuerbar. Eine Klemme O bilde" 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 15 Mhz besitzt Ober die Kapazität C\ und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₃ sowie über die Kapazität C₂ und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 7s fließt während der positiven Halbwelle der hochfrequenten Wechselspannung an der Klemme Sein Strom, wobei jedoch die an den Kollektoren der Transistoren entstehende Spannung aufgrund der Niederohrnigkcit der Basis-Emitter-Strecken kleiner als die Versorgungsupannung ist Die Kapazitäten bilden für die Transistoren also hochfrequente Stromgeneratoren.

Wird einer der Transistoren T₁ oder Tz an der Klemme h 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 Ts kein Strom mehr fließen kann, & h, der Transistor Ti wird gesperrt Liegen die Klemmen Z₁ und I₂ auf Erdpotential, wobei die Transistoren 7i und T₂ gesperrt sind, so fließt die positive Halbwelle des hochfrequenten Stroms über die Basis des Transistors Ts- In diesem Fall ist der Transistor T₃ leitend, so daß er den über die Kapazität Q 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 U. Ist der Transistor T₃ jedoch gesperrt, so schwankt die Spannung am Ausgang O im Takt der hochfrequenten Versorgungsspannung zwischen Erdpotential und der Versorgungsspannung U. Dieses hochfrequente Ausgangssignal sowie auch ein daraus durch Siebung gewonnenes Gleichstromsignal eignen sich zur Ansteuerung weiterer Schaltungen.

Die Realisierung der vorstehend beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten r;i 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 Metallbelegungen 4 aufgebracht. Diese Metallbelegungen 4 bilden einerseits im großflächigen Teil Schottky-Kontakte 5 und andererseits ohm'sche Kontakte H mit π+ -leitenden Zonen in den η-leitenden Zonen 3· Die η *-leitenden Zonen sind in F i g. 2 durch Doppelrchraffur angedeutet.

Auf die Struktur aus halbleitenden Bereichen und Metallbelegunzen ist ein; Isolationsschicht 8 aufgebracht, auf der sich wiederum eine Metallelektrode 9 befindet. Auf der Unterseite des Substratkörpers 1 ist

ίο

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 F i g. I wurde nun an die Metallelektrode 9 eine hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung angelegt Die integrierte Struktur nach F i g. 2 bietet dabei den Vorteil, daß Kapazitäten, wie die Kapazitäten Q und C₂ nach Fig. 1, nicht zusätzlich integriert werden müssen. Diese Kapazitäten werden vielmehr durch die Isolationsschicht 8 gebildet

Durch die ohm'schen Kontakte 6 ist gleichzeitig eine Verschaltung zwischen dem Kollektor eines Transistors und der Bar.is eines anderen Transistors möglich. Die schwach dotierte oder eigenleitende U'.hicht 2 gewährleistet eine isolation zwischen den Transistoren. Eine zusätzliche Isolationsdiffusion oder eine Isolation durch Oxid ist nicht erforderlich, weil die zu isolierende Spannung maximal 0,6 Volt (Schwellspannung der Basis-Err itter-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 F i g. 2. Die Kollektoren werden jedoch hierbei nicht durch Metallbelegungen sondern durch Halbleiterzonen 13 (beispielsweise durch Diffusion hergestellt) gebildet, weiche in Bezug auf die Basiszonen 3 von entgegengesetztem Leitungstyp sind. OhnVsche 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 Fig.2 pnp-Transistoren und mit einer Anordnung nach F i g. 3 npn-Transistoren ralisierbar.

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 Basissfc'.fen 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 Versorgunj'ssparmung fließen kann, muß dafür Sorge getragen werden, daß die gleiche Ladungsmenge auch in der negativen Halbwelle abfließen kann, damit sich die Anordnung durch den Gleichrichtereffckt nicnt selbst sperrt. Bei den Anordnungen nach Fig. 4 ist dies durch den Parallelwiderstand zur Basis-F.mitter-Sirecke gewährleistet, der sich durch fehlende Isolation, beispielsweise Isolationsdiffusion ergibt. Hei wenigen in Kaskade eeschalteten

Transistorstufen kanu die Ladung in der negativen Halbwelle über die in Flußrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Strecken abfließen. Grundsätzlich kann aber auch parallel zur Basis-Emitter-Strecke eine gegen diese invers geschaltete: Diode vorgesehen werden, welche dem gleichen Zweck dient. Eine solche Diode ist dabei nicht für alle Transistorstufen erforderlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Funktionselementen in einem Halbleiterkörper mit einer Versorgungs-Wechsel- s spannung für wenigstens einen Teil der Funktionselemente, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung, auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1, 2) befindlichen Isolationsschicht (8) eine ι ο Metallelektrode (9) vorgesehen ist, welche mit der Isolationsschicht (8) und dem Halbleiterkörper (1,2) wenigstens eine Kapazität (Q oder Cj) zur Einkopplung der hochfrequenten Wechselspannung in aktive Funktionselemente bildet, und daß parallel is zum Eingangskreis wenigstens eines der aktiven Funktionselemente (Tu T₂, T₃) eine Diode liegt, die so gepolt ist, daß sie in der Halbwelle, in der der Eingangskreis der aktiven Funktionselemente (Tu Ti. Ti) spent. leitet

2. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungswechselspannung sinusförmig ist.

3. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Ausbildung von Transistoren: Einen als Emitter wirkenden, hochdotierten Substratkörper (1) des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper (1) vorgesehene schwachdotierte oder eigenleitende Schich» (2), in der schwachdotierten oder «> eigenleitenden Schicht (2) befindliche, räumlich voneinander getrennte Basiszonen (3) des anderen Leitungstyps, und auf der. Basiszonen (3) vorgesehene, diese mindestens teilweise bet. eckende Metallbelegungen (4), welche jeweils mit einer Basiszone (3) « einen Schottky-Kontakt (5) bilden und als Kollektor wirken (F ig. 2).

4. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kollektoren wirkenden Metallbelegungen (5) mindestens zum Teil über die schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2) bis zu einer benacnbarten Basiszone (3) geführt sind und mit dieser einen ohm'schen Kontakt (6) bilden (F i g. 2).

5. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Ausbildung von Transistoren: Einen als Emitter wirkenden, hochdotierten Substratkörper (1) des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper (1) vorgesehene schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2), in der schwachdotienan oder eigenlcitenden Schicht (2) befindliche, räumlich voneinander getrennte Basiszonen (3) des anderen Leitungstyps und in den Basiszonen (3) befindliche Zonen (13) des einen Leitungstyps, die als Kollektor wirken (F i g. 3).

6. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kollektoren wirkenden Zonen (13) wenigstens zum Teil durch die schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2) bis zu einer benachbarten Basiszone (3) geführt sind und mit dieser einen, beispielsweise durch starke Dotierung erzeugten, ohmschen Kontakt (14) bilden (F i g. 3).

7. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszonen (3) und die Kollektorzonen (13) streifenförmig ausgebildet sind und sich rasterförmig überlappen (F i g. 4).