DE1249933B - Schaltungsanordnung zum Verstar ken elektrischer Signale mit Feldeffekttran sistoren, die eine isolierte Steuerelektrode enthalten - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

249 933 Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2 -18/08

Nummer: 1 249 933

Aktenzeichen: R 38345 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 10. Juli 1964

Auslegetag: 14. September 1967

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verstärken elektrischer Signale mit Feldeffekttransistoren, die eine isolierte Steuerelektrode enthalten.

Bestimmte Arten von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode enthalten eine Quellen- und eine Abflußelektrode, die auf eine Unterlage aus Halbleitermaterial aufgebracht sind. Eine Steuerelektrode, die von der Quellen- und Abflußelektrode isoliert ist, steuert die Leitfähigkeit einer Strombahn zwischen Quellen- und Abflußelektrode. Die Schaltungsanordnungen nach der Erfindung enthalten einen solchen Feldeffekttransistor und ein Impedanzelement, wie z. B. einen Widerstand, das zwischen Quellenelektrode und ein Bezugspotential geschaltet ist. Es wurde gefunden, daß der Entwurf und die Arbeitsweise derartiger Schaltungsanordnungen wesentlich verbessert werden können, wenn man die Halbleiterunterlage direkt mit der Quellenelektrode verbindet.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Arbeitsweise an Hand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode, der sich für Schaltungsanordnungen nach der Erfindung eignet,

F i g. 2 einen Querschnitt in einer Schnittebene 2-2 der F i g. 1,

F i g. 3 eine Schar von Quellenstrom-Quellenabflußspannungs-Kennlinien für verschiedene Werte der Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode des Transistors nach F i g. 1,

F i g. 4 ein Schaltbild eines Hochfrequenzverstärkers gemäß der Erfindung,

F i g. 5 ein Schaltbild eines Verstärkers gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Feldeffekttransistor 10, der in Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung benutzt werden kann und eine Unterlage oder einen Grundkörper 12 aus Halbleitermaterial enthält. Der Körper 12 kann ein- oder polykristallin sein und aus irgendeinem in der Halbleitertechnik zur Herstellung von Transistoren gebräuchlichen Halbleitermaterial bestehen. Der Körper 12 kann z. B. aus fast eigenleitendem Silizium, wie etwa schwach dotiertem P-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohmzentimeter bestehen.

Bei der Herstellung des in F i g. 1 dargestellten Schaltungselements wird stark dotiertes Siliziumdioxyd auf die Oberfläche eines Siliziumkörpers 12 aufgebracht. Das Siliziumdioxyd ist mit Verunreinigungen vom N-Typ dotiert. Mittels einer licht-Schaltungsanordnung zum Verstärken
elektrischer Signale mit Feldeffekttransistoren,
die eine isolierte Steuerelektrode enthalten

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld

und Dr. D. v. Bezold, Patentanwälte,

München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:
Leopold Albert Harwood,
Cherry Hill, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 19. Juli 1963 (296 305)

empfindlichen Ätzschutzschicht oder mittels anderer geeigneter Verfahren wird das Siliziumdioxyd dort, wo die Steuerelektrode aufgebracht werden soll, und am äußeren Rand der in F i g. 1 dargestellten Siliziumscheibe entfernt. Dort, wo die Quellen- und Abflußbereiche gebildet werden, verbleibt das aufgebrachte Siliziumdioxyd.

Dann wird der Körper 12 in einer geeigneten Atmosphäre, wie z. B. in Wasserdampf, erhitzt, so daß die frei liegenden Siliziumbereiche oxydieren und gewachsene Siliziumdioxydschichten entstehen, was durch die schwach punktierten Bereiche in F i g. 1 dargestellt ist. Während des Erhitzens diffundieren Verunreinigungen von der aufgebrachten Siliziumdioxydschicht in den Siliziumkörper 12 und bilden den Quellen- und den Abflußbereich. Die Quellen- und Abflußbereiche sind in Fig. 2, die eine Querschnittansicht in der Schnittebene .2-2 der F i g. 1 darstellt, mit S bzw. D bezeichnet.

Mittels einer weiteren lichtempfindlichen Ätzschutzschicht oder durch einen ähnlichen Verfahrens-

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schritt wird das aufgebrachte Siliziumdioxyd über höher dabei die Temperatur in trockener Sauerstoffeinem Teil des Quellen- und Abflußbereichs entfernt. atmosphäre ist, desto größer wird der Abflußstrom Mittels einer Aufdampfmaske werden Elektroden für für einen gegebenen Betrag der Abflußspannung und die Quellen-, Abfluß- und Steuerbereiche durch Auf- der Vorspannung Null zwischen Quellen- und Steuerdampfen eines leitenden Materials hergestellt. Das 5 elektrode.

aufgedampfte leitende Material kann Chrom oder F i g. 4 zeigt ein Schaltbild eines abstimmbaren

Gold in dieser Reihenfolge oder auch anderes geeig- Verstärkers mit Verstärkungsregelung, der einen

netes Metall sein. Fig. 1 und 2 entsprechenden Feldeffekttransistor 50

Die fertige Scheibe ist in F i g. 1 dargestellt, wobei mit isolierter Steuerelektrode enthält. Der Transistor der schwach punktierte Bereich zwischen dem äuße- io 50 weist eine Eingangs- oder Steuerelektrode 52, eine ren Rand und der ersten dunkleren Zone 14 gewach- Ausgangs- oder Abflußelektrode 54, eine gemeinsenes Siliziumdioxyd ist. Der weiße Bereich 16 be- same Quellenelektrode 56 und eine Unterlage 58 aus deutet die der Quelle entsprechende Metallelektrode. Halbleitermaterial auf. Hochfrequente Signale, wie Die stärker punktierten Bereiche 14 und 18 sind auf- z. B. HF- oder ZF-Signale, die verstärkt werden gebrachte Siliziumdioxydschichten, die über dem 15 sollen, werden einer Primärwicklung eines Koppdiffundierten Quellenbereich liegen, und der dunkle lungstransformators 60, der außerdem eine Sekun-Bereich 20 ist eine aufgebrachte Siliziumdioxyd- därwicklung 62 besitzt, zugeführt. Ein Ende der Seschicht, die über dem diffundierten Abflußbereich kundärwicklung 62 ist mit der Steuerelektrode 52 liegt. Die weißen Bereiche 22 und 24 stellen Metall- verbunden, das andere Ende der Sekundärwicklung elektroden dar, die der Steuer- und bzw. Abfluß- 20 führt an eine Regelspannungsklemme (AGC) 63, der elektrode entsprechen. Der punktierte Bereich 28 eine auf Masse bezogene Regelspannung zugeführt stellt eine Schicht gewachsenes Siliziumdioxyd auf wird. Die Regelspannungsklemme 63 ist durch einen einem Abschnitt, auf dem die Steuerelektrode 22 Ableitkondensator 64 für die Signalwechselspannung angebracht ist, dar und isoliert die Steuerelektrode geerdet. Die Sekundärwicklung 62 ist mittels eines 22 vom darunterliegenden Siliziumkörper 12 und von 25 zwischen die Steuerelektrode 52 und Masse geschalder Quellen- und Abflußelektrode, was aus F i g. 2 teten Abstimmkondensators 66 auf eine gewünschte ersichtlich ist. Der Eingangswiderstand für niedrige Frequenz abgestimmt.

Frequenzen, gemessen zwischen der Steuer- und der Die Quellenelektrode 56 ist über einen Quellen-Quellenelektrode, liegt etwa bei 10¹⁴ Ohm. Die widerstand 68, der für die Signalspannung durch Schicht gewachsenen Siliziumdioxyds 28, auf der die 30 einen Kondensator 70 überbrückt ist, mit Masse ver-Steuerelektrode 22 angeordnet ist, überdeckt eine bunden. Der Kondensator 70 kann so bemessen Inversionsschicht oder einen leitenden Kanal C₁ der werden, daß er die Signalwechselspannung ganz oder den Quellen- und den Abflußbereich verbindet. Die teilweise ableitet. Die am Quellenwiderstand 68 ab-Steuerelektrode 22 ist gegen den Quellenbereich hin fallende Gleichspannung bestimmt zusammen mit der versetzt und kann, falls erwünscht, über den Rand der 35 Regelspannung den Arbeitspunkt des Verstärkers. In aufgebrachten Siliziumdioxydschicht 18 übergreifen. der vorliegenden Schaltungsanordnung ist die Vor-

Die Grenzflächen, die den Quellen- und Abfluß- " spannung des Verstärkers so eingestellt, daß sich eine

bereich S und D (Fig. 2) von der Siliziumunterlage lineare Verstärkung der Eingangsfrequenz ergibt, was

12 trennen, stellen praktisch zwei gleichrichtende etwa einem Ruhearbeitspunkt auf der Kurve 36 der

Sperrschichten dar, die die Siliziumunterlage 12 mit 40 F i g. 3 entspricht.

der Quellen- und der Abflußelektrode 16 bzw. 24 Die Kollektorelektrode 54 ist über eine Primärkoppeln, und zwar derart, daß eine in bezug auf die wicklung 74 eines Ausgangsübertragers 76 mit einer Quellen- und Abflußelektroden positive Vorspannung Betriebsspannungsquelle 72 verbunden. Die Betriebsder Unterlage die Sperrschichten in Durchlaßrichtung Spannungsquelle ist mit einem Kondensator 77 für beaufschlagt. Die Quellen- und Abflußelektroden 45 die Signalwechselspannung überbrückt, und die Prisind durch einen leitenden Kanal C miteinander ver- märwicklung 74 wird durch einen Kondensator 78 bunden. Die Ladungsträger (in diesem Fall Elek- auf die gewünschte Signalfrequenz abgestimmt. Die tronen) fließen in dem schmalen leitenden Kanal nahe an einer Sekundärwicklung 80 des Übertragers 76 der Oberfläche von der Quelle zum Abfluß. Der lei- auftretenden verstärkten Signale werden einem nicht tende Kanal C ist in F i g. 2 dargestellt. 50 dargestellten Verbraucher zugeführt.

F i g. 3 zeigt eine Schar Abflußstrom-Abflußspan- Erfindungsgemäß ist die Halbleiterunterlage 58 nungs-Kennlinien 30 bis 39 des Transistors nach durch einen nicht über das Bezugspotential führen-F i g. 1 für verschiedene Werte der Spannung zwi- den Gleichstromweg mit der Quellenelektrode 56 des sehen Steuer- und Quellenelektrode. Ein Merkmal Feldeffekttransistors 50 mit isolierter Steuerelektrode von Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelek- 55 verbunden. Diese Verbindung kann auf verschiedene trode besteht darin, daß jede der Kurven 30 bis 39 Weise erfolgen, wie etwa durch Verbinden der Ander Vorspannung Null entsprechen kann. Für F i g. 3 schlußplatte 26, die in F i g. 2 dargestellt ist, mit dem entspricht die Kurve 37 der Vorspannung Null zwi- Anschluß der Quellenelektrode oder durch eine sehen Steuer- und Quellenelektrode. Die Kurven 38 schon bei der Herstellung des Transistors eingebaute und 39 entsprechen einer positiven und die Kurven 30 60 Verbindung zwischen der Quellenelektrode und der bis 36 einer negativen Spannung der Steuerelektrode Halbleiterunterlage. Diese Verbindung kann durch gegenüber der Quelle. , eine leitende Elektrode 81 (s. F i g. 1), die auf der

Die Lage der der Vorspannung Null entsprechen- Unterlage aufliegt und in ohmschem Kontakt mit ihr

den Kennlinie kann während der Herstellung des steht, erfolgen. Die Elektrode 81 kann ein integraler

Transistors z. B. durch Steuerung der Zeit und/oder 65 Bestandteil der Quellenelektrode 16 sein und ist an

der Temperatur während des Züchtens der in F i g. 1 einer Stelle an der Unterlage angebracht, von der die

und 2 dargestellten Siliziumdioxydschicht bestimmt gezüchtete Siliziumdioxydschicht entfernt wurde. Die

werden. Je länger der Transistor erhitzt wird und je letzterwähnte Verbindungsart kann vorteilhaft sein,

wenn der Transistor einen Teil eines integrierten Kreises bildet, der aktive und passive Schaltungselemente auf einer einzigen Halbleiterscheibe enthält.

Eine Schaltungsanordnung, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist, weist, verglichen mit Schaltungsanordnungen, bei denen die Halbleiterunterlage 58 nicht beschaltet oder mit Masse verbunden ist, verschiedene Vorteile auf. Es wurde beobachtet, daß die Unterlage 58 eine Steuerung des zwischen Quellen- und Abflußelektrode 56 und 54 fließenden Stromes bewirkt. Bei negativem Potential der Unterlage 58 in bezug auf die Quellenelektrode 56 wird die durch die Unterlage bewirkte Steuerung anscheinend durch Feldeffekte verursacht. Die durch die Halbleiterunterlage bewirkte Steuerung des Abflußstromes zeigt sich auf zweierlei Weise: Erstens moduliert eine zwischen Unterlage und Quellenelektrode auftretende Signalwechselspannung den Abflußstrom, und zweitens übt die Gleichspannung zwischen der Unterlage und der Quellenelektrode einen Einfluß auf die Steilheit aus, also auf das Verhältnis der Änderung des Abflußstromes zur Spannungsänderung an der Steuerelektrode.

Wenn die Halbleiterunterlage 58 direkt mit der Quellenelektrode 56 verbunden wird, kann keine Gleich- oder Signalspannung zwischen diesen Elektroden auftreten, und demgemäß ist auch eine Feldeffektsteuerung des zwischen der Quellenelektrode 56 und der Abflußelektrode 54 fließenden Stromes als Wirkung einer Spannung an der Unterlage ausgeschlossen.

Die Verbindung der Unterlage mit der Quellenelektrode 56 ergibt im Vergleich mit Schaltungsanordnungen, bei denen die Unterlage nicht beschaltet oder mit Masse verbunden ist, eine größere Steilheit, und die Überbrückung des Quellenwiderstandes 68 wird unkritischer.

Die größere Steilheit bei einer bestimmten Vorspannung der Steuerelektrode gegenüber der Quellenelektrode läßt sich folgendermaßen erklären: Bei einer gegebenen Vorspannung der Steuerelektrode gegenüber der Quellenelektrode wird der Abflußstrom kleiner, wenn die Unterlage gegenüber der Quellenelektrode negativer wird. Zusätzlich zu dieser Verminderung des Abflußstromes bewirkt die negativere Spannung der Unterlage in bezug auf die Quelle eine gegenseitige Annäherung der Kurven 30 bis 39 (Fig. 3), wodurch die Steilheit des Transistors herabgesetzt wird.

Wenn die Unterlage 58 nicht beschaltet ist, entsteht an ihr entsprechend der Höhe der Signalspannung eine bezüglich der Quellenelektrode 56 negative Gleichspannung. Anscheinend rührt die an der Unterlage 58 auftretende Spannung von einer kapazitiven Kopplung des an der Steuerelektrode 52 liegenden Signals auf die Unterlage 58 her, und die Gleichrichtung dieses Signals erfolgt durch die Sperrschicht zwischen der Unterlage 58 und der Quellenelektrode 56. Diese negative Spannung an der Unterlage vermindert den Abflußstrom und die Steilheit des Transistors bei einer gegebenen Vorspannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode.

Wenn die Unterlage 58 mit Masse verbunden ist, addiert sich die vom Signal abhängige Gleichspannung, die wie in der oben beschriebenen Weise entsteht, zu der am Quellenwiderstand abfallenden Spannung, und man erhält an der Unterlage eine zusammengesetzte negative Spannung gegenüber der Quellenelektrode 56. Wie oben ausgeführt, verringert dies den Abflußstrom und die Steilheit des Kreises bei gegebener Vorspannung der Steuerelektrode gegenüber der Quelle.

Der bei einer Verbindung von Unterlage und Quelle geringere Aufwand an Uberbrückungsmitteln für den Quellenwiderstand 68 erklärt sich folgendermaßen: Erstens ist bekanntlich die kapazitive Reak-, tanz bei einer bestimmten Eingangsfrequenz, die für

ίο die Überbrückung des Quellenwiderstandes erforderlich ist, von der Eingangsimpedanz der Schaltungsanordnung abhängig. Je höher die Eingangsimpedanz der Schaltungsanordnung ist, desto geringer ist die erforderliche kapazitive Reaktanz, um einen bestimmten Grad der Überbrückung von Signalspannung am Quellenwiderstand zu erhalten. Die an der Steuerelektrode 52 gemessene Eingangsimpedanz der Schaltung ist sehr hoch, so daß für eine praktisch vollständige Überbrückung ein verhältnismäßig kleiner Kon-

ao densator genügt. Die an der Unterlage 58 gemessene Eingangsimpedanz ist jedoch sehr viel kleiner als an der Steuerelektrode 52. Wenn die Unterlage nicht beschaltet oder mit Masse verbunden ist, tritt die am Quellenwiderstand 68 abfallende Signalspannung zwi-

s5 sehen der Quellenelektrode 56 und der Unterlage 58 auf. Demgemäß ist bei einer solchen Schaltungsanordnung eine relativ größere Uberbrückungskapazität 70 notwendig, um zu verhindern, daß die Signalspannung durch Steuerung über die Unterlage gegenkoppelnd wirkt, als wenn die am Quellenwiderstand 68 abfallende Signalspannung nicht zwischen Quelle 56 und Unterlage 58 gelangen kann, was bei der Schaltung nach F i g. 4 der Fall ist.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach F i g. 4 ergibt sich daraus, daß die Unterlage 58 gegenüber Masse positives Potential besitzt, so daß die Gesamtspannung, die an der gleichrichtenden Sperrschicht zwischen Quelle und Unterlage liegt, verringert wird. Hierdurch ergeben sich vielseitige Anwendungsmöglichkeiten in Transistorschaltungen, da die Anforderungen bezüglich der maximal zulässigen Sperrspannungen für die Sperrschichten zwischen Unterlage und Quelle sowie Unterlage und Abfluß herabgesetzt werden.

F i g. 5 zeigt das Schaltbild eines 2?C-gekoppelten Verstärkers und stellt eine Abwandlung der Erfindung dar, bei der die Unterlagenelektrode an einen Abgriff des Quellenwiderstandes des Verstärkers gelegt ist. In dieser Schaltung wird das Signal der Steuerelektrode 122 des Feldeffekttransistors 120 mit isolierter Steuerelektrode über einen Koppelkondensator 124 zugeführt. Die Steuerelektrode 122 ist durch einen Widerstand 126 gleichstrommäßig mit Masse verbunden. Auch die Quellenelektrode 128 des Transistors 120 ist über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 130 und 132 mit Masse verbunden. Ein Ableitkondensator 134 ist zwischen Quellenelektrode 128 und Masse geschaltet.

Über einen Ausgangswiderstand 136, der zwischen Abflußelektrode 138 und Betriebsspannungsquelle 140 geschaltet ist, kann die verstärkte Eingangsspannung abgenommen werden. Die Ausgangsspannung wird über einen Kondensator 144 auf einen weiteren, nicht dargestellten Kreis gekoppelt.

Die Halbleiterunterlage 146 des Transistors 120 ist an die Verbindung zwischen den beiden Widerständen 130 und 132 angeschlossen. Diese Schaltung der Unterlage nach F i g. 5 ergibt Effekte, die zwi-

sehen denen liegen, die man erhält, wenn die Unterlage mit Masse bzw. mit der Quellenelektrode verbunden ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Verstärken elektrischer Signale mit einem Feldeffekttransistor als aktives Schaltungselement, der auf einer Halbleiterunterlage eine Quellenelektrode, eine Abflußelektrode und eine isolierte Steuerelektrode enthält, und mit einem Impcdanzelement, das zwischen die Quellenelektrode und einen auf Bezugspotential liegenden Schaltungspunkt geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage durch einen nicht über das Bezugs-

potential führenden Gleichstromweg mit der Quellenelektrode verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Bezugspotential und die Quellenelektrode ein mit einer Kapazität parallelgeschalteter Widerstand geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Quellenelektrode und das Bezugspotential zwei in Reihe liegende Widerstände geschaltet sind, daß ein Signalüberbriickungskondcnsator mindestens einem der Widerstände parallel geschaltet ist und daß zwischen der Unterlage und dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände eine Gleichslioinverbindung vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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