DE1437435B2

DE1437435B2 - Hochfrequenzverstärker mit Feldeffekttransistor

Info

Publication number: DE1437435B2
Application number: DE1437435A
Authority: DE
Inventors: D Carlson; G Theriault
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1963-04-01
Filing date: 1964-04-01
Publication date: 1978-07-06
Also published as: NL6403409A; SE318314B; BR6457999D0; DE1437435C3; GB1060242A; DE1437435A1; BE645953A; US3268827A; FR1397523A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenzverstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei dem Hochfrequenzverstärker gemäß der Erfindung werden sogenannte Isolierschicht-Feldeffekttransistoren verwendet, bei denen die Leitfähigkeit eines sich zwischen einer Quellen-Elektrode und einer Abfluß-Elektrode erstreckenden Stromweges, des sogenannten »Kanals« durch die Spannung an einer bezüglich des Kanals isolierten Gate- oder Steuer-Elektrode gesteuert werden kann. Die Quellenzone, die

45~ Abflußzone und der Kanal sind in einem Substrat aus Halbleitermaterial gebildet, das einen anderen Leitfähigkeitstyp als die Quellen- und Abflußzone, so daß sich PN-Übergänge zwischen dem Substrat und der Quellenbzw. Abflußzone befinden.

In der DE-PS 12 93 229 ist bereits eine Verstärkeranordnung mit einem Feldeffekttransistor vorgeschlagen worden, der ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps, eine Quellen- und eine Abflußzone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die mit der Halbleiter-

unterlage je einen PN-Übergang bilden und eine zwischen Quellen- und Abflußzone angeordnete, von der Halbleiterunterlage isolierte Gate-Elektrode enthält Zwischen der Gate-Elektrode und der Halbleiterunterlage ist eine ohmsche Gleichstromverbindung vorgesehen, deren Impedanz derart bemessen ist, daß einerseits bei fehlenden Eingangssignalen am PN-Übergang zwischen dem Substrat und der Quellenzone keine Vorspannung liegt andererseits an der Gate-Elektrode anliegende Spannungsschwankungen in einer Richtung

durch den PN-Übergang zwischen Halbleiter Unterlage und Quellenbereich zur Bildung einer von der Amplitude der Spannungsschwankungen abhängigen Gate-Elektrodenvorspannung gleichgerichtet werden.

Bei der Verwendung von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren in Signalübertragungs- bzw. Verstärkerschaltungen für hohe Frequenzen können Probleme hinsichtlich der Stabilität auftreten. Bei gewöhnlichen bipolaren Transistoren und bei Röhren läßt sich dieses Problem dadurch weitgehend beheben, daß man das aktive Verstärkerelement (Bipolartransistor, Röhre) in Basisschaltung bzw. Gitter-Basisschaltung betreibt, da bei dieser Schaltung die Rückkopplung zwischen Ausgangskreis und Eingangskreis sehr klein ist. Beim Isolierschicht-Feldeffekttransistor läßt sich diese Problem jedoch durch eine Gate-Schaltung nicht vollständig lösen und man mußte daher Hochfrequenzverstärker-Schaltungen, die mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren arbeiten, mit relativ niedrigem Verstärkungsgrad betreiben.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor-Hochfrequenzverstärker zu schaffen, bei dem die Rückkopplung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis gering ist und der auch sonst ein besseres Betriebsverhalten zeigt als die bekannten Verstärkerschaltungen dieser Art.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Hochfrequenzverstärker der eingangs genannte Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem Hochfrequenzverstärker gemäß der Erfindung ist nicht nur die Rückkopplung zwischen Ausgangskreis und Eingangskreis sehr gering, so daß man den Verstärker mit hohen Verstärkungsgraden betreiben kann, er ist vielmehr auch weniger anfällig gegen Verzerrungen, die vor allem bisher bei Hochfrequenzverstärkern in Kaskode-Schaltungen auftraten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

F i g. 1 eine schematische Grundrißansicht eines für die erfindungsgemäßen Schaltungen geeigneten Feldeffekt-Transistors mit isolierter Gateelektrode,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 das Schaltsymbol eines Feldeffekt-Transistors mit isolierter Gateelektrode,

Fig.4 ein Diagramm der Abflußstrom-Abflußspannungskennlinien für verschiedene Werte der Gateelektroden-Quellenspannung für den Transisitor nach F i g. 1 und 2,

Fig.5 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig.6 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels in Form eines Kaskodeverstärkers,

F i g. 7 eine teils perspektivische, teils querschnittliche Ansicht zweier für den Kaskodeverstärker gemäß F i g. 6 geeigneter Feldeffekt-Transistoren mit isolierter Gateelektrode und gemeinsamen Substrat,

F i g. 8 eine teils perspektivische, teils querschnittliche Ansicht einer anderen Feldeffekt-Transistoranordnung, die bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann und

F i g. S eine teils perspektivische, teils querschnittliche Ansicht eines für gewisse Ausführungsformen der Erfindung geeigneten Feldeffekt-Transistors mit zwei Gateelektroden und einen einzigen stromführenden Kanal.

Der in F i g. 1 gezeigte Feldeffekt-Transistor 10 hat einen Körper 12 aus Halbleitermaterial. Für den entweder einkristallinen oder polykristallinen Körper 12 kann man irgendeines der in der Transistorherstellung üblichen Halbleitermaterialien verwenden. Beispielsweise kann man den Körper 12 aus nahezu eigenleitenden Silicium, z. B. schwach dotiertem p-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohmzentimeter herstellen.

Bei der Herstellung des Bauelementes nach F i g. 1 geht man so vor, daß man als erstes stark dotiertes

ίο Siliciumdioxyd auf die Oberfläche des Siliciumkörpers 12 aufbringt Das Siliciumdioxyd ist mit Verunreinigungen vom η-Typ dotiert. Anschließend wird mit Hilfe des Photoresist- und Säureätzverfahrens oder einer anderen geeigneten Verfahrensweise das Siliciumdioxyd in dem Bereich, wo die Steuerelektrode gebildet werden soll, sowie rund um die Außenränder (gesehen in F i g. 1) des Siliciumscheibchens entfernt. In denjenigen Bereichen, wo die Quellen- und Abflußelektroden gebildet werden sollen, bleibt das aufgebrachte Siliciumdioxyd unberührt

Anschließend wird der Körper 12 in einer geeigneten Atmosphäre z. B. in Wasserdampf erhitzt, wobei die freiliegenden Siliciumbereiche unter Bildung aufgewachsener Siliciumdioxydschichten (in F i g. 1 durch die hellpunktierten Bereiche angedeutet) oxydieren. Während dieses Erhitzungsvorganges diffundieren Verunreinigungen aus der aufgebrachten Siliciumdioxydschicht unter Bildung der Quellenzone bzw. der Abflußzone in den Siliciumkörper 12. In F i g. 2 sind die Quellenzone mit 5 und die Abflußzone mit D bezeichnet.

Mit Hilfe eines weiteren Photoresist- und Säureätzoder dgl. Verfahrensschrittes wird sodann das aufgebrachte Siliciumdioxyd über einem Teil der diffundierten Quellen- und Abflußzonen entfernt. Durch Aufdampfen eines Leitermaterial mit Hilfe einer Aufdampfmaske werden Elektroden für die Quellenzone, die Abflußzone und die Gatezone gebildet. Als aufzudampfendes Leitermaterial kann man Chrom und Gold in der genannten Reihenfolge oder auch andere geeignete Metalle verwenden.

Das fertige Scheibchen ist in F i g. 1 gezeigt, wobei der hellpunktierte Bereich zwischen dem Außenumfang und der ersten dunkleren Zone 14 aufgewachsenes Siliciumdioxyd ist Der weiße Bereich 16 ist die der Quellenelektrode entsprechende Metallelektrode. Die dunkleren oder stärker punktierten Bereiche 14 und 18 stellen die diffundierte Quellenzone überlagernde Zonen aus aufgebrachtem Siliciumdioxyd dar, während der dunkle Bereich 20 eine die diffundierte Abflußzone

so überlagernde Zone aus aufgebrachtem Siliciumdioxyd ist. Die weißen Bereiche 22 und 24 stellen die der Gateelektrode bzw. der Abflußelektrode entsprechenden metallischen Elektroden dar. Bei dem hellpunktierten Bereich 28 handelt es sich um die Steuerzone in Form einer Schicht aus aufgewachsenem Siliciumdioxyd, wobei die Steuerelektrode 22 auf einen Teil dieser Schicht aufgedampft ist

Das Siliciumscheibchen wird auf einer leitenden Unterlage oder einem Systemträger 26 montiert, wie in Fig.2 gezeigt. Der Eingangswiderstand des Bauelementes bei niedrigen Frequenzen liegt in der Größenordnung von 10¹⁴Ohm. Die Gatezone 28, auf der die Gateelektrode 22 angebracht ist überlagert eine Inversionsschicht oder einen stromführenden Kanal C der die Quellenzone und die Abflußzone untereinander verbindet Die Gateelektrode 22 liegt symmetrisch zwischen der Quellenzone 5 und der Abflußzone D. Gewünschtenfalls kann die Gateelektrode 22 auch

näher bei der Quellenzone angebracht sein und die aufgebrachte Siliciumdioxydschicht 18 überlappen.

Die Grenzzonen, die den SÜiciumkörper 12 von der Quellenzone 5 und der Abflußzone D trennen (siehe F i g. 2) wirken effektiv als gleichrichtende Übergänge oder Sperrschichten und koppeln den SÜiciumkörper 12 derart mit der Quellenelektrode 16 bzw. der Abflußelektrode 24, daß bei Anlegen einer gegenüber der Quellenelektrode 16 und der Abflußelektrode 24 positiven Vorspannung am Substrat die gleichrichtenden Übergänge leiten, d. h. in der Durchlaß- oder Flußrichtung vorgespannt sind.

Die beschriebene Polung der gleichrichtenden Übergänge gilt für einen Transistor von der in F i g. 1 und 2 gezeigten, das sog. Substrat des Feldeffekt-Transistors bildenden Art, bei dem der Körper, bzw. das Substrat des Feldeffekt-Transistors aus in Bezug auf die Quellenelektrode und die Abflußelektrode p-leitendem Material besteht. Man kann den Transistor jedoch auch so herstellen, daß das Substrat aus in Bezug auf die Quellenelektrode und die Abflußelektrode n-leitendem Material besteht. Bei derartigen Einrichtungen wären die gleichrichtenden Übergänge so gepolt, daß ihre Anodenseite bei der Quellen- und der Abflußelektrode und ihre Kathodenseite beim Substrat liegt. Die in den weiteren Figuren gezeigten Einrichtungen sind von der im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 beschriebenen Art, wobei das Substrat in Bezug auf die Quellenelektrode und die Abflußelektrode p-leitend ist.

F i g. 3 zeigt das Schaltsymbol für den im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 beschriebenen Unipolar- oder Feldeffekt-Transistor mit isolierter Gateelektrode. Dabei sind die Gateelektrode mit G, die Abflußelektrode mit D, die Quellenelektrode mit S und das Substrat aus Halbleitermaterial mit S_u bezeichnet. Dabei ist zu beachten, daß die Elektroden D und 5 je nach der Polarität der zwischen ihnen angelegten Vorspannung entweder als Abfluß oder als Quelle und umgekehrt arbeiten können; d. h. diejenig Elektrode, die gegenüber der anderen Elektrode positiv vorgespannt ist, arbeitet jeweils als Abfluß, während die andere Elektrode als Quelle arbeitet.

Die Abfluß- und die Quellenelektrode sind durch einen stromführenden Kanal C miteinander verbunden. Die Majoritätsladungsträger (im vorliegenden Falle Elektronen) fließen in dieser dünnen Kanalzone dicht bei der Oberfläche von der Quelle zum Abfluß. Der stromführende Kanal C ist in F i g. 2 durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die im Diagramm nach F i g. 4 gezeigte Kurvenschar 30—39 stellt die Abflußstrom-Abflußspannungskennlinien des Transistors nach F i g. 1 für verschiedene Werte der Geateelektroden-Quellenspannung dar. Ein Merkmal des Feldeffekttransistors mit isolierter Gateelektrode besteht darin, daß als Nullvorspannungskennlinie irgendeine der Kurven 30—39 festgelegt werden kann. In F i g. 4 entspricht die Nullvorspannungskennlinie der Kurve 37. Die Kurven 38 und 39 entsprechen gegenüber der Quelle positiven Gateelektrodenspannungen, während die Kurven 30—36 der Quelle negativen Gateelektrodenspannungen entsprechen.

Die Lage der Nullvorspannungskurve wird während der Herstellung des Transistors nach Wahl festgelegt, indem man z. B. die Zeitdauer und/oder die Temperatur des Verfahrensschrittes des Aufwachsens der Siliciumdioxydschicht 28 (F i g. 1 und 2) in geeigneter Weise steuert. Je länger und bei je höherer Temperatur man den Transistor in einer Atmosphäre trockenen Sauerstoffs brennt oder sintert, desto größer wird der Abflußstrom für einen gegebenen Abflußspannungswert bei der Vorspannung 0 zwischen Quelle und Gateelektrode.

Fig. 5 zeigt schematisch das Schaltbild einer Verstärkerstufe, die mit einem Feldeffekt-Transistor 50 mit isolierter Gateelektrode von der in F i g. 1 und 2 gezeigten Art arbeitet. Der Transistor 50 hat eine Eingangs- oder Quellenelektrode 52, eine Ausgangs- oder Abflußelektrode 54, eine gemeinsame oder Gateelektrode 56 und einen Block 58 aus Halbleitermaterial. Die Eingangs- und die Ausgangselektrode 52 bzw. 54 arbeiten je nach der Polarität der zwischen ihnen liegenden Spannung als Quellen- und Abflußelektrode. Das heißt, diejenige Elektrode, die gegenüber der anderen positive Spannung führt, arbeitet jeweils als Abflußelektrode.

Eine Eingangssignalquelle 60 in Form eines Signalgenerators 62 mit einem durch ein Widerstandselement 64 angedeuteten Innenwiderstand ist über einen Koppelkondensator 66 zwischen die Eingangselektrode 52 und einen Punkt festen Potentials, beispielsweise den Schaltungsnullpunkt oder Masse gekoppelt. Durch C einen Widerstand 67 wird die Eingangselektrode 52 auf Masse oder Nullpotential bezogen. Die gemeinsame Elektrode 56 ist über einen Widerstand 68 an eine Vorspannungsquelle £Ί (nicht gezeigt), durch die der Arbeitspunkt des Transistors eingestellt wird, angeschlossen. Die gemeinsame Elektrode 56 ist durch einen Kondensator 70 für die Signalfrequenzen geerdet. Durch diese signalfrequenzmäßige Erdung der gemeinsamen Elektrode 56 wird die Rückkopplung der Signalfrequenzen über die Eigenkapazität des Feldeffekt-Transistors 50 zwischen Ausgangs- und Eingangselektrode verringert.

Zwischen dem Substrat 58 aus Halbleitermaterial und der eingangselektrode 52 einerseits und der Ausgangselektrode 54 andererseits besteht je ein gleichrichtender Halbleiterübergang 72 bzw. 74. Die beiden Übergänge 72 und 74 sind so gepolt, daß, wenn am Substrat eine gegenüber der Eingangselektrode 52 oder der Ausgangselektrode 54 positive Spannung gelegt wird, die Übergänge leiten, die beiden Übergänge 72 und 74 haben eine Eigenkapazität, die im vorliegenden Falle ( einen Rückkopplungsweg zwischen dem Ausgangskreis und dem Eingangskreis schafft.

Das Substrat 58 liegt direkt an Masse. Dadurch wird die Energieübertragung zwischen dem Ausgangskreis und dem Eingangskreis bzw. die Kopplung dieser Kreise über das Substrat verringert und durch die Eigenkapazitäten gebildete Spannungsteiler (zwischen Eingangsund Ausgangselektrode) wird in zwei zwischen die Eingangselektrode bzw. die Ausgangselektrode einerseits und Masse andererseits geschaltete Kapazitäten umgewandelt.

Zwischen die Eingangselektrode und die Ausgangselektrode wird über eine Induktivität 76 eine Betriebsspannung Vsd aus einer Vorspannungsquelle (nicht gezeigt), beispielsweise einer Batterie, gelegt Zwischen das signalmäßige Niederspannungsende der Spule 76 und Masse ist ein Ableitkondensator 78 geschaltet. Die von der Ausgangselektrode 54 abgenommenen Ausgangssignale werden über einen Drehkondensator 80 auf eine Verbraucherschaltung (nicht gezeigt) gekoppelt.

Im Betrieb würde bei nicht geerdetem Substrat 58 normalerweise ein Teil des an der Ausgangselektrode 54 auftretenden Ausgangssignals über den durch die

Eigenkapazitäten der gleichrichtenden Übergänge 72 und 74 gebildeten kapazitiven Spannungsteiler rückgekoppelt. Durch die Erdung des Substrats 58 wird jedoch die Kopplung von Signalenergie vom Ausgangskreis auf den Eingangskreis verringert, so daß auf diese Weise die Schaltung stabilisiert wird. Die Erdung des Substrats hat außerdem zur Folge, daß die gleichrichtenden Übergänge 72 und 74 Sperrrichtung vorgespannt werden und dadurch die Eigenkapazität dieser Übergänge entsprechend verkleinert wird. Außerdem wird die Eigenkapazität durch Bildung zweier getrennter Wege nach Masse aufgeteilt.

Das Substrat 58 ist zwar bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel unmittelbar geerdet oder mit Masse verbunden, der für die Verringerung der Energierückkopplung von der Ausgangselektrode auf die Eingangselektrode des Feldeffekt-Transistors 50 wesentliche Gesichtspunkt liegt jedoch darin, daß das Substrat 58 in Bezug auf die Vorspannung sowohl der Eingangselektrode 52 als auch der Ausgangselektrode 54 gleichstrommäßig in der Sperrichtung vorgespannt ist und wechselstrommäßig auf Bezugs- oder Nullpotential liegt. Beispielsweise kann das Substrat 58 auch an ein Spannungsteilernetzwerk in Form zweier zwischen die Betriebsspannungswelle V_s<j und Masse geschalteter Widerstände angeschlossen und Wechselstrommäßig über einen parallel mit einem der Spannungsteilerwiderstände an Masse angeschlossenen Kondensator mit für die Signalfrequenzen niedriger Impedanz geerdet sein.

Wäre das Substrat 58 ohne Anschluß, so würde eine Signalverzerrung auftreten. Beispielweise würde der gleichrichtende Übergang 72 bei genügend kräftigen negativen Signalauswanderungen zu leiten beginnen, was eine Signalabschneidung oder -abkappung zur Folge haben würde. Eine derartige Signalabkappung wird durch Anschließen des Substrates 58 an einen Punkt festen oder Bezugspotentials in der zuvor beschriebenen Weise verhindert.

Fig. 6 zeigt schematisch des Schaltbild eines Verstärkers mit zwei Feldeffekt-Transistoren 90 und 92 von der in F i g. 1 und 2 gezeigten Art. Die beiden Feldeffekt-Transistoren 90 und 92 liegen mit ihren Quelle-Abflußstrecken 94 und 96 in Reihe, indem die Abflußelektrode 100 des Transistors 92 mit der Quellenelektrode 98 an einen Punkt mit Bezugspotential angeschlossen, d. h. im vorliegenden Falle geerdet ist.

Die Eingangssignale gelangen von einer Signalquelle (nicht gezeigt) über einen Koppelkondensator 104 zur Gateelektrode 106 des Feldeffekt-Transistors 92. Die Ausgangssignale werden von der Abflußelektrode 108 des Feldeffekt-Transistors 90 abgenommen und über einen Drehkondensator 110 einer Verbraucherschaltung (nicht gezeigt) zugeleitet. Zwischen die Abflußelektrode 108 des Transistors 90 und die Quellenelektrode 98 des Transistors 92 wird über eine Spule 111 eine Gleichspannung V«/ aus einer Betriebsspannungsquelle (nicht gezeigt), beispielsweise einer Batterie gelegt. Ein Kondensator 112 schließt die Betriebsspannungsquelle signalfrequenzmäßig kurz. Die Gateelektroden 118 und 106 der Transistoren 90 bzw. 92 werden gegenüber den Quellenelektroden 102 bzw. 98 aus Vorspannungsquellen £ϊ bzw. E₂ über Widerstände 114 bzw. 116 vorgespannt. Die Gateelektrode 118 des Transistors 90 ist mittels eines Kondensators 120 für Signalfrequenzen geerdet.

Zwischen dem Halbleitersubstrat 126 des Feldeffekt-Transistors 90 und der Abflußelektrode 108 sowie der Quellenelektrode 102 bestehen gleichrichtende Übergänge 122 bzw. 124. Ebenso bestehen auch zwischen dem Halbleitersubstrat 132 und der Quellenelektrode 100 sowie der Abflußelektrode 98 des Feldeffekt-Transistors 92 zwei gleichrichtende Übergänge 128 bzw. 130.

Die Übergänge 122,126,128 und 130 sind so gepolt, daß ihre Anoden jeweils auf der Seite des Substrats 126 bzw. 132 liegen.

Durch die Erdung der Substrate 126 und 132 werden

ίο jeweils die Ausgangselektroden von den Eingangselektroden isoliert und dadurch die Verstärkerschaltung stabilisiert. Die Eingangsstufe des Verstärkers (mit dem Feldeffekt-Transistor 92 als aktivem Element) wird durch die durch den niedrigen Eingangswiderstand der Ausgangsstufe (mit dem Feldeffekt-Transistor 90 als aktivem Element) bedingte Belastung stabilisiert Der Eingangswiderstand der Stufe mit Gateelektrode als gemeinsamer Elektrode ist deshalb niedrig, weil er durch den Widerstand der Quellen-Abflußstrecke gebildet wird, der nur in der Größenordnung von einigen hundert Ohm, gegenüber dem hohen Eingangswiderstand (10¹⁴ Ohm) der Anordnung mit Quellenelektrode als gemeinsamer Elektrode, beträgt
Die Ausgangsstufe des Verstärkers wird mittels des Kondensators 120 stabilisiert, der die Gateelektrode 118 wechselstrommäßig erdet, so daß die Ausgangselektrode 108 von der Eingangselektrode 102 isoliert und dadurch die Kopplung von Energie zwischen der Gateelektrode und der Ausgangselektrode bzw. der Eingangselektrode über die Eigenkapazität verringert v/ird. Allerdings wird durch die Eigenkapazität der gleichrichtenden Übergänge 122 und 124 ein weiterer Rückkopplungsweg, der Instabiltäten verursacht gebildet. Die Energierückkopplung über die gleichrichtenden

Übergänge wird durch die Erdung des Halbleitersubstrats 126 unter Bildung einer wirksamen Abschirmung zwischen der Ausgangselektrode 108 und der Eingangselektrode 102 verringert. Durch die Erdung der Substrate 126 und 132 wird außerdem die Kapazität der

gleichrichtenden Übergänge 122, 124, 128 und 130 verringert, da diese Übergänge auf diese Weise in der Sperrichtung vorgespannt werden.

Ließe man die Substrate 126 und 132 unangeschlossen, so würde sich eine Verzerrung des Ausgangssignals ergeben. Wenn beispielsweise an der Quellenelektrode 102 erscheinende Signal mit gegenüber der Spannung am Substrat 126 negativer Amplitude ausschwingt würde in diesem Falle der gleichrichtende Übergang 124 leitend, was eine Gleichrichtung des Signals zur Folge haben würde. In entsprechender Weise würde der Übergang 128 eine Gleichrichtung oder Abkappung der Signale bewirken. Der Grund hierfür ist, daß das Substrat 132 über den Sperrwiderstand der gleichrichtenden Übergänge 128 das mittlere positive Potential der Abflußelektrode 100 anzunehmen bestrebt ist. Wenn daher die Spannung am Abfluß 100 mit ihrer Amplitude genügend weit in der negativen Richtung ausschwingt, leitet der Übergang 128, so daß eine Signalbeschneidung oder Abkappung eintritt.

Durch Erdung beider Substrate 126 und 132 werden die gleichrichtenden Übergänge gesperrt (in der Sperrichtung vorgespannt gehalten, so daß eine Verzerrung des Ausgangssignals vermieden wird. Gewünschtenfalls kann man die Schaltung nach F i g. 6 so abwandeln, daß der Feldeffekt-Transistor 90 mit Nullvorspannung arbeitet, indem man den Widerstand 114 zwischen die Gateelektrode 118 und die Quellenelektrode 102 schaltet.

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Die Gateelektrode 106 kann je nach den Eigenschaften des Feldeffekt-Transistors 92 positiv oder negativ gegenüber der Quellenelektrode 98 vorgespannt werden.

F i g. 7 zeigt teils perspektivisch, teils im Schnitt ein intergriertes Halbleiter-Bauelement mit zwei Feldeffekt-Transistoren mit gemeinsamem Substrat. Das integrierte Bauelement besteht aus einem Körper 140 aus einem Körper 140 aus Halbleitermaterial, auf dem zwei Gateelektroden 144 und 146 angebracht sind. Die Steuerelektroden 144 und 146 sind vom Substrat durch Schichten aus aufgewachsenem Siiiciumdioxyd isoliert, die eine Inversionsschicht oder einen stromführenden Kanal C überlagern, der die durch Eindiffundieren von dotiertem Siiiciumdioxyd in der im Zusammenhang mit F i g. 1 und 2 erläuterten Weise gebildeten Quellen- und Abflußzonen 5 und D untereinander verbindet. Ein Teil der diffundierten Quellen- und Abflußzonen S und D werden in der ebenfalls bereits erläuterten Weise von aufgebrachten Siiiciumdioxyd überlagert. Die Quellenelektroden werden durch die leitenden Elektroden 148 und 152, die Abflußelektroden durch die leitenden Elektroden 150 und 154 gebildet. Ein Leiter 156 verbindet die Abflußelektrode 150 mit der Quellenelektrode 152, so daß die Quellen-Abflußstromwege der beiden Feldeffekt-Transistoren in Reihe geschaltet sind.

Das Bauelement nach F i g. 7 kann eingekapselt oder verpackt werden, so daß man einen »Sechspol-Feldeffekttransistor« erhält, den man als einziges aktives Element eines Kaskodeverstärkers von der in Fig.6 gezeigten Art verwenden kann. Der Halbleiterkörper 140 ist auf einer leitenden Unterlage oder einem Systemträger 142 montiert. Der Systemträger 142 kann an einen Punkt fester Vorspannung angeschlossen werden, um das Substrat des Doppeltransistors gleichstrommäßig in bezug auf die Betriebsspannung der Quellen- und Abflußelektroden in der Sperrichtung vorgespannt zu halten. Dadurch wird die gewünschte Isolation zwischen dem Ausgangskreis und dem Eingangskreis des Verstärkers sowie wechselstromsignalmäßige Nullung erzielt, so daß die Schaltung ohne Signalverzerrung arbeitet

Um das integrierte Bauelement nach F i g. 7 in Kaskodeverstärkerschaltung zu betreiben, werden zwischen die Gateelektrode 144 und die Quellenelektrode 148, die geerdet ist, Eingangssignale gelegt. Die Ausgangssignale werden von der Abflußelektrode 154 abgenommen. Die Steuerelektrode 146 ist über einen Kondensator geerdet, um die Abflußelektrode 154 von der Quellenelektrode 152 in der bereits erklärten Weise zu isolieren. Der Systemträger 142 ist geerdet, um das gemeinsame Substrat gegenüber den Abflußelektroden 150 und 154 und der Quellenelektrode 152 gleichstrommäßig in der Sperrichtung vorzuspannen. Zwischen die Abflußelektrode 154 und die Quellenelektrode 148 wird eine Betriebsspannung gelegt, und an die Gateelektroden 144 und 146 ist eine Vorspannschaltung angekoppelt, um den Arbeitspunkt des integrierten Bauelementes einzustellen. Die Buchstaben a, b, c, d, e und / in Fig.6 und 7 bezeichnen diejenigen Elektroden der Einrichtung nach Fig.7, die den verschiedenen Elektroden der Transistoren 50 und 52 in F i g. 6 entsprechen.

Andere Ausführungsformen eines Feldeffekt-Transistors, die bei den vorliegenden Schaltungen verwendet werden können, sind in Fig.8 und 9 gezeigt. Fig.8 zeigt einen Doppel-Feldeffekt-Transistor mit isolierter Gateelektrode, der eine Quellenelektrode 160, eine Abflußelektrode 162, Steuerelektroden 164 und 166 sowie eine in bezug auf die Quellenelektrode 160 als Abfluß und in bezug auf die Abflußelektrode 162 als Quelle arbeitende Zwischenelektrode 168 aufweist. Das Bauelement nach F i g. 8 kann gekapselt sein und Anschlüsse an die verschiedenen Elektroden einschließlich des gemeinsamen Substrats 170 aufweisen, so daß die Einrichtung für den Betrieb als Kaskodeverstärker

ίο geschaltet werden kann.

Die Quellenelektrode 160 und die Abflußelektrode 162 entsprechen der Quellenelektrode 148 bzw. der Abflußelektrode 154 des Bauelementes nach F i g. 7. Die Eingangssignale werden der Gateelektrode 164 zugeleitet. Die Elektrode 168 hat eine Anschlußklemme, so daß die Gateelektrode 166 gleichstrommäßig auf die Elektrode 168 bezogen und dadurch die Ausgangstufe mit Nullvorspannung betrieben werden kann. Die Elektroden der Einrichtung nach F i g. 8 sind zusätzlich mit den Kleinbuchstaben a, b, c, d, eund /versehen, um zu zeigen, wie die Einrichtung als Kaskodeverstärker ähnlich wie in F i g. 6 geschaltet werden kann.

F i g. 9 zeigt einen Feldeffekt-Transistor mit isolierter Gateelektrode, der zwei Steuerelektroden 172 und 174 aufweist die einen einzigen, die Quellenzone S mit der Abflußzone D verbindenden stromführenden Kanal C steuern. Die Quellenelektrode 176 und die Abflußelektrode 178 entsprechen der Quellenzone S bzw. der Abflußzone D.

Das in F i g. 9 gezeigte Bauelement hat ein einziges Substrat 180, so daß man für den Betrieb als Kaskodeverstärker nur einen einzigen Massenschluß vorsieht. Die Eingangssignalenergie kann der Gateelektrode 172 zugeleitet werden. Die Gateelektrode 174 ist auf ein Potential zwischen dem der Quellenelektrode 176 und dem der Abflußelektrode 178 vorgespannt. Wenn die Einrichtung nach F i g. 9 für den Betrieb als Kaskodeverstärker geschaltet ist, kann sie als mit einer virtuellen, der Abflußelektrode des Eingangstransistorteils und der Quellenelektrode des Ausgangstransistorteils entsprechenden Zwischenelektrode arbeitend aufgefaßt werden. Entsprechend kann die Bleichstromvorspannung an der Gateelektrode 174 als auf die vituelle Elektrode bezogen aufgefaßt werden.

Die Einrichtung nach Fig.9 kann ebenfalls als Kaskodenverstärker ähnlich wie in Fig.6 geschaltet sein. Ausch in Fig.9 sind die Quellen-, Gate- und Abflußelektroden zusätzlich mit den Kleinbuchstaben a, b, c, d, e und / bezeichnet, um zu zeigen, wie die Finrichtung in einem Kaskodenverstärker nach F i g. 6 zu schalten ist.

Zu beachten ist, daß die in F i g. 7, 8 und 9 gezeigten Feldeffekt-Transistoren mit isolierter Gateelektrode, im Gegensatz zu dem in F i g. 1 gezeigten Transistor, nicht eine runde oder konzentrische Elektrodenanordnung haben. Vielmehr verlaufen die Quellenelektroden, Gateelektroden und Abflußelektroden jeweils in einem Winkel aus der Zeichenebene heraus. Wie bereits erklärt, hat der in F i g. 2 gezeigte Transistor eine einzige Abflußelektrode 24, eine einzige Gateelektrode 22 und eine einzige Quellenelektrode 16. Im Gegensatz hierzu hat der Doppel-Transistor nach F i g. 7 zwei Abflußelektroden 150 und 154, zwei Quellenelektroden 148 und 152 und zwei Gateelektroden 144 und 146.

Entsprechend sind auch die Feldeffekt-Transistoren nach F i g. 8 und 9 planar statt rund ausgebildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzverstärker mit einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor, der eine Quellenelektrode, eine Abflußelektrode und eine isolierte Gate-Elektrode, die auf einem Substrat angeordnet sind, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (50) in Gate-Schaltung geschaltet ist und daß das Substrat (58) bezüglich der Quellen- und der Abflußelektrode (52 bzw. 54) in Sperrrichtung vorgespannt ist sowie bezüglich Signalfrequenzen auf Bezugspotential liegt.

2. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (56) auf einem festen Bezugspotential (£Ί) gehalten ist

3. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellenelektroden (52) mit einem Signaleingangskreis (60, 66) und die Abflußelektrode (54) mit einem Signalausgangskreis (76,78,80) gekoppelt sind.

4. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen-Abfluß-Strecke (c-e) des Feldeffekttransistors (90) mit der Quellen-Abfluß-Strecke (a-c) eines zweiten Feldeffekttransistors (92) in Reihe geschaltet ist, dessen Abflußelektrode (c) durch die Quellenelektrode des ersten Feldeffekttransistors gebildet ist; daß die Gate-Elektrode (d) des ersten Feldeffekttransistors (90) über einen Widerstand (114) mit einer Vorspannungsquelle (£Ί) und über einen Kondensator (120) mit einem Bezugspotential (Masse) gekoppelt ist; daß zwischen die Gate-Elektrode (b) des zweiten Feldeffekttransistors (92) und das Bezugspotential eine Schaltungsanordnung (104) zum Zuführen eines Eingangssignales geschaltet ist; daß zwischen die Abflußelektrode (e) des ersten Feldeffekttransistors und als Bezugspotential ein Ausgangskreis (111, 112) geschaltet und daß die Quellenelektrode (a) des zweiten Feldeffekttransistors (92) und daß beiden Feldeffekttransistoren gemeinsame Substrat, mit dem die Quellen- und Abflußelektroden (a, c, e^der beiden Feldeffekttransistoren (90, 92) jeweils einen gleichrichtenden Übergang bilden, mit dem Bezugspotential gekoppelt sind.

5. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Substrat (180 in F i g. 9) und die drei Elektroden (a, c, e) so ausgebildet sind, daß die zwischen diesen Elektroden und dem Substrat vorhandenen gleichrichtenden Übergänge durch ein bezüglich der Elektroden positives Substratpotential in Flußrichtung vorgespannt werden.

6. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellen-Abfluß-Strecke des Feldeffekttransistors (92) mit der Quellen-Abfluß-Strecke (102—108) eines zweiten Feldeffekttransistors (90) in Reihe geschaltet ist, welcher ferner ein Substrat und eine isolierte Gate-Elektrode (118) aufweist; daß zwischen die Gate-Elektrode (106) und die Quellen-Elektrode (98) des ersten Feldeffekttransistors (92) ein Signaleingangskreis (104) gekoppelt ist; daß zwischen die Abfluß-Elektrode (108) des zweiten Feldeffekttransistors (90) und die Quellen-Elektrode (98) des ersten Feldeffekttransistors (92) ein Ausgangskreis (110,

111,112) gekoppelt ist; daß die Gate-Elektrode (118) des zweiten Feldeffekttransistors (90) über eine Schaltungsanordnung (120), die für Signalfrequenzen eine niedrige Impedanz aufweist, mit der Quellen-Elektrode (98) des ersten Feldeffekttransistors (92) gekoppelt ist; und daß die Substrate des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors über einen Stromweg, der für Signalfrequenzen eine niedrige Impedanz hat, mit der Quellen-Elektrode (98) des ersten Feldeffekttransistors (92) gekoppelt ist.

7. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (92) und ein zweiter Feldeffekttransistor (90), welcher eine Quellen-Elektrode (102) sowie eine Abfluß-Elektrode (108), die auf einem Substrat (126) aus Halbleitermaterial gebildet sind, und eine gegen das Substrat isolierte Gate-Elektrode (118) aufweist, als aktive Einrichtungen des Verstärkers geschaltet sind, wobei mit den Elektroden der beiden Feldeffekttransistoren eine Eingangsklemme, eine Ausgangsklemme und eine gemeinsame Klemme verbunden sind, und daß das Substrat derart mit der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, daß es für Signalfrequenzen im wesentlichen auf eiern Potential der gemeinsamen Klemme liegt und eine gleichvorspannung eines Wertes erhält, daß das Substrat bezüglich der Quellen-Elektrode und der Abfluß-Elektrode, in Sperrichtung vorgespannt ist.