CH626203A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Signalübertragungsschaltung mit einem Schalttransi stor und einer zugeordneten Vorspannungsschaltung.

In analogen Vermittlungsschaltungen sind die Einfügungsdämpfung eines Schalters und die Linearität der Übertragung über den Schaltkreis von Bedeutung. Schalter mit metallischen Kontakten, beispielsweise Reed-Relais, Koordinatenschalter usw. sind in grossem Umfang verwendet worden, da solche Schalter niedrige Einfügungsdämpfung und hohe Leerlaufimpedanz sowie für einen grossen Bereich von Signalamplituden und -frequenzen lineare Übertragungseigenschaften besitzen und doppelt gerichtet sind. Ausserdem ist bei solchen Schaltern mit metallischen Kontakten die Steuerschaltung mechanisch und elektrisch von der geschalteten Übertragungsstrecke isoliert. Halbleiterschalter, die aus zwei oder mehreren unsymmetrischen Transistoren in einer Vielzahl von Reihen- und Parallelanordnungen bestehen, sowie PNPN-Schalter sind nach dem Stand der Technik verwendet worden. Solche Anordnungen befriedigen jedoch bezüglich einer oder mehrerer der oben erwähnten Eigenschaften nicht.

Die Erfindung hat sich demgemäss die Aufgabe gestellt, eine Halbleiter-Signalübertragungsschaltung mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Signalübertragungsschaltung der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, dass der

Schalttransistor symmetrisch ist und erste und zweite elektrisch gleiche Übertragungszonen sowie eine Basiszone aufweist, und dass der Basisstromkreis eine an eine der Übertragungszonen und die Basiszone angeschlossene Schaltung hoher Impedanz aufweist, um Gleichströme gleicher Grösse über die Basiszone und die angeschlossene Übertragungszone aufrecht zu halten, so dass Signalströme, die über den Transistor mit seinen Übertragungszonen geführt werden, von der Vorspannungsschaltung entkoppelt sind.

Generell weist also nach der Erfindung ein analoger Schaltkreis einen symmetrischen Schalttransistor und steuerbare Stromsteuerschaltungen hoher Impedanz zur selektiven Sättigung des Schalttransistors auf. Der Schalttransistor besitzt identische Übertragungselektroden, von denen jede entweder als Emitter oder als Kollektor abhängig von der Richtung der Signalübertragung über den Transistor arbeitet. Daher wird jede dieser Elektroden nachfolgend als «Emitter/Kollektor»-Elektrode bezeichnet. Die Stromsteuerschaltungen sind mit dem Basis- und den Emitter/Kollektoranschlüssen des Schalttransistors verbunden. Es ist zweckmässig, eine Stromsteuerschaltung nur in einem Emitter/Kollektorstromkreis anzuordnen. Bei der Verwirklichung der Erfindung kann jedoch eine Stromsteuerschaltung in beiden Emitter/Kollektorstromkreisen vorgesehen werden. Die Stromsteuerschaltungen dienen zur Aufrechterhaltung gleicher Ströme im Basis- und Emitter/ Kollektorkreis.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Schaltkreises nach der Erfindung;

Fig. 2 die Aufsicht eines in integrierter Form hergestellten Paares symmetrischer Transistorkreuzpunkte;

Fig. 3 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein zweiseitiger (doppelt gerichteter) bipolarer Transistor 101 gezeigt, der zur selektiven Verbindung der Eingangssignalquelle 102 mit der Ausgangsschaltung 103 verwendet wird. Es ist zwar nur eine Übertragung in Richtung von der Signalquelle 102 zur Ausgangsschaltung 103 dargestellt, der Transistor 101 ist jedoch als doppelt gerichteter Schalter aufzufassen, der bipolare Signale nach beiden Seiten übertragen kann. Entsprechend der Erfindung ist die Vorspannungsschaltung des Kreuzpunktes, die die Transistoren 105,131 und 113 umfasst, so ausgelegt, dass sie einen genügend grossen Strom liefert, um den Transistor 101 zu sättigen (beide pn-Übergänge sind in Durchlassrichtung vorgespannt) und sicherzustellen, dass der Gleichstrom (IB2), der in den Emitter/Kollektor 118 fliesst, gleich dem Gleichstrom (IBi) ist, der aus der Basis des Transistors 101 fliesst. Ausserdem weisen die an den Emitter/ Kollektoranschluss und den Basisanschluss des Transistors 101 angekoppelten Vorspannungsschaltungen Stromsteuerschaltungen auf, die je hohe Ausgangsimpedanz besitzen.

Da die Ströme im Basis- und Emitter/Kollektorkreis aneinander angepasst sind, braucht der Basisstrom für den Transistor 101 nicht über die externen Schaltungen 102 und 103 zurückgeführt oder über diese geliefert werden. Da die Ausgangsimpedanz der an den Basis- und Emitter/Kollektoran-schluss des Transistors 101 angekoppelten Vorspannungsschaltungen hoch ist, entkoppeln sie auf wirksame Weise das von der Eingangssignalquelle gelieferte Signal von der Steuerschaltung.

Gemäss Fig. 1 weist der Transistor 105 einen einzigen Emitter und mehrere Kollektoren auf. Der Transistor 105 ist so aufgebaut, dass die elektrischen Eigenschaften für die Kollektoren 107,108 und 140 identisch sind. Ein Transistor 104 steuert abhängig von Signalen am Steueranschluss 130 den Transistor 105. Ein positives Signal am Anschluss 130 schaltet den Transistor 104 ein und bringt dessen Kollektor 106 etwa auf Erdpotential. Dann wird der Strom über den Widerstand 109 in erster Linie von dem an die Basis 111 des Transistors 105 angeschlos2

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senen Kollektor 140 geliefert. Demgemäss wird der Strom IB2b über den Kollektor 140 durch den Widerstand 109 und die Spannung Vi abzüglich der Emitter-Basisspannung des Transistors 105 und der Kollektor-Emitterspannung des Transistors 104 bestimmt. Der Transistor 105 wird also eingeschaltet, und 5 es fliessen gleiche Ströme IB2 und IB2a (die je gleich IB2b sind) über die externen Schaltungen der Kollektoren 107 und 108.

Eine Stromspiegelschaltung, die den als Diode geschalteten Transistor 131 sowie den Transistor 113 aufweist, dient zur Aufrechterhaltung gleicher Ströme in den Basis- und Emitter/Kol- 10 lektorkreisen des Transistors 101. Gemäss Fig. 1 ist der Kollek-toranschluss 116 des Transistors 131 mit seinem Basisanschluss 112 verbunden, so dass der Transistor 131 als Diode zwischen dem Basisanschluss 112 und dem Emitteranschluss 133 wirkt. Da die Basisanschlüsse 112,117 und die Emitteranschlüsse 133, 15 132 der Transistoren 133 und 113jeweils miteinander verbunden sind, ist der Spannungsabfall am Basis-Emitterübergang 112-133 des als Diode geschalteten Transistor 131 gleich dem Spannungsabfall am Übergang 117-132 des Transistors 113. Da die Transistoren 131 und 113 so ausgelegt sind, dass sie identi- 20 sehe Betriebseigenschaften haben, fliessen auf Grund der oben beschriebenen Verbindungen gleiche Ströme über den als Diode geschalteten Transistor 131 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 113. Da weiterhin der vom Kollektor 107 des Transistors 105 zum Emitter des Transistors 101 flies- 25 sende Strom gleich dem Strom über den Kollektor 108 ist, wird die gewünschte Bedingung, wonach der zur Basis des Transistors 101 gelieferte Strom gleich dem vom Emitter/Kollektor dieses Transistors geführten Strom ist, erreicht.

Es wird angenommen, dass von einer Quelle, beispielsweise 30 der Signalquelle 102, zu einer Last, beispielsweise der Ausgangsschaltung 103 zu übertragende Signale in ihrer Amplitude so begrenzt sind, dass der Schalttransistor 101 für alle übertragenen Signale in der Sättigung gehalten wird. Dann bietet der Transistor 101 eine verhältnismässig niedrige Impedanz 35 zwischen den Anschlüssen 118,119 dar und die Betriebseigenschaften des Transistors 101 bleiben um den Nulldurchgang der Spannungsstromkennlinie linear.

Wenn ein Schalttransistor in integrierter Form hergestellt wird, beispielsweise entsprechend der Darstellung in Fig. 2 und 40 3, die nachfolgend erläutert werden, sind, wie in Fig. 1 gezeigt, zwei parasitäre pnp-Transistoren 120 und 121 vorhanden, die jeweils an die beiden Emitter/Kollektoranschlüsse des Transistors 101 angeschaltet sind. Die parasitären Transistoren 120 und 121 teilen jweils die Emitter- und Basiszone mit dem Schalt-45 transistor 101, und die Kollektorzone dieser parasitären Transistoren umfasst aktive Teile des Substrats, auf dem die integrierte Schaltung aufgebaut ist. Demgemäss ist der Kollektor der Transistoren 120 und 121 mit dem gleichen Potential wie das Substrat verbunden. Bei den oben beschriebenen Verbin- 50 düngen fliesst ein kleiner Gleichstrom über diese parasitären Transistoren, aber für jeden den Transistor 120 zum Substrat fliessenden Verlustanteil eines externen Wechselstromsignals fliesst ein Wechselstrom gleicher Amplitude und entgegengesetzter Polarität über den Transistor 121, wenn der Transistor 55 101 genau symmetrisch ist. Demgemäss ist für alle externen Wechselstromsignale, die einem Emitter/Kollektoranschluss, beispielsweise dem Anschluss 118 zugeführt werden, der kombinierte Einfluss der parasitären Transistoren 120,121 gleich Null.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Schalttransistor und die Treibschaltungsanordnung nach der Erfindung in diskreter statt in integrierter Form hergestellt werden können. In diskreter Form aufgebaute Schalttransistoren weisen jedoch nicht die vorstehend beschriebenen parasitären Transistoren auf, 65

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und der oben beschriebene Vorteil bezüglich der Auslöschungseffekte der parasitären Transistoren wird nicht erreicht.

In Fig. 2 sind zwei Schalttransistoren dargestellt, die entsprechend einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung hergestellt sind. Ein Querschnitt des oberen Transistors in Fig. 2 zeigt Fig. 3. Die Schalttransistoren in Fig. 2 und 3 sind in einem Halbleiterkörper verwirklicht, der ein p-leitendes Substrat 201 und eine n-leitende Epitaxialschicht 202 auf dem Substrat 201 aufweist. Im Halbleiterkörper ist eine Vielzahl von vergrabenen n+-Inseln gebildet, über denen die einzelnen Schalttransistoren hergestellt sind. Die Transistoren in Fig. 2 und 3 weisen streifenförmige (d. h. nicht ringförmige) ausgebildete Emitter/Kollektorzonen 205,206 auf, die gleiche Grösse, Form und Dotierdichte besitzen. Eine Verbindung zu diesen Emitter/Kollektorzonen ist über Metallisierungen 207,208 und Leitungen 209,210 hergestellt. Die Zone 202' der Epitaxialschicht zwischen den beiden Emitter/Kollektorzonen 205,206 bildet die Basis des Schalttransistors. Eine Verbindung zu dieser Basis verläuft über die vergrabene n+-Insel 212, die rechteckige n+-Zone 204, die von der vergrabenen Insel zur freilie- -genden Oberfläche der Epitaxialschicht führt, die Metallisierung 213 und die Leitung 214. Die einzelnen Schalttransistorkreuzpunkte sind durch die rechteckigen tiefen p-t~Isolierzo-nen 203 voneinander getrennt. Die tiefen Oxidzonen 302 und 303, die nach Wahl zusätzlich verwirklicht werden können, dienen zur Begrenzung einer Wechselwirkung zwischen der n+-Zone 204, der Isolierzone 203 und den beiden Emitter/Kollektorzonen 205,206.

Wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert, weist ein symmetrischer Transistor, der in integrierter Form beispielsweise entsprechend Fig. 2 und 3 aufgebaut ist, zwei parasitäre Transistoren 120,121 auf. Diese parasitären Transistoren umfassen in Fig. 2 und 3 beispielsweise eine Emitter/Kollektorzone 205, einen Teil der vergrabenen n+-Schicht 212 und einen Teil des Substrats 201. Ein ähnlicher parasitärer Transistor ist für die Emitter/Kollektorzone 206 vorhanden. Die Vorspannungsschaltung gemäss Fig. 1 ist in den Fig. 2 und 3 nicht dargestellt. Sie kann auf dem gleichen oder einem anderen Halbleiterplätt-chen verwirklicht sein.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 ist die Vorspannungsschaltung mit der Emitter/Kollektorelektrode 118 verbunden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Vorspannungsschaltung in gleicher Weise auch allein mit der Emitter/ Kollektorelektrode 119 verbunden sein kann oder alternativ Vorspannungsschaltungen mit beiden Emitter/Kollektorelektroden 118,119 verbunden sein und die Ströme in diesen Schaltungen so eingestellt sein können, dass sie einander gleich sind und ihre Summe gleich dem in den Basisstromkreis fliessenden Strom IBi ist. Bei einer solchen Anordnung kann die Offsetgleichspannung zwischen den beiden Emitter/Kollektoranschlüssen wesentlich herabgesetzt werden. Das kann bei bestimmten Anwendungen der offenbarten Schaltung von Vorteil sein. In analogen Übertragungsschaltungen der hier beschriebenen Art ist jedoch diese Verringerung der Offsetspannung ohne oder nur von kleiner Bedeutung.

In den Fig. 1,2 und 3 ist der Schalttransistor 101 als pnp-Struktur dargestellt und die Transistoren in den Vorspannungsschaltungen sind entsprechend gewählt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass npn-Kreuzpunkte bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung benutzt werden können und in diesem Fall die Transistoren in den Vorspannungsschaltungen so gewählt sind, dass sie mit npn-Kreuzpunkten zusammenarbeiten.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Halbleiter-Signalübertragungsschaltung mit einem Schalttransistor und einer zugeordneten Vorspannungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttransistor (101) symmetrisch ist und erste und zweite elektrisch gleiche Übertragungszonen (Fig. 3:205,206) sowie eine Basiszone (202') aufweist, und dass der Basisstromkreis eine an eine der Übertragungszonen (z. B. 206) und die Basiszone angeschlossene Schaltung hoher Impedanz aufweist, um Gleichströme gleicher Grösse über die Basiszone und die angeschlossene Übertragungszone aufrechtzuhalten, so dass Signalströme, die über dem Transistor mit seinen Übertragungszonen geführt werden, von der Vorspannungsschaltung entkoppelt sind.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsschaltung zwei Schaltungen hoher Impedanz beinhalten, von denen jede zwischen die Basiszone und eine andere der Übertragungszonen geschaltet ist und die Gleichströme in jeder der Übertragungszonen aufrechterhalten, deren Summe gleich dem über die Basiszone geführten Strom ist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttransistor ein bipolarer, doppelseitiger Transistor ist, und dass die Vorspannungsschaltung den Transistor für den Bereich der zu übertragenden Wechselstromsignale in der Sättigung halten.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungsschaltung erste und zweite Stromquellen (105, 107,108) hoher Impedanz aufweist, die Konstantströme gleicher Höhe liefern, dass eine der Stromquellen (107) mit der angeschlossenen Übertragungszone verbunden ist, und dass eine Stromregeleinrichtung (113,131) zwischen die andere Stromquelle und die Basiszone des Transistors geschaltet ist, um den Basisstrom des Transistors gleich dem von den Stromquellen gelieferten Strom zu halten.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (105,107) und zweite Stromquelle (105,108) unterschiedliche Kollektorzonen des gleichen Transistors umfasst.