DE1589681A1

DE1589681A1 - Electronic crosspoint

Info

Publication number: DE1589681A1
Application number: DE19671589681
Authority: DE
Inventors: Kirchner Dipl-Ing Joerg-Hagen
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1967-03-07
Filing date: 1967-03-07
Publication date: 1970-04-30

Description

"Elektronischer KoppelpunktII Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter, der insbesondere als Koppelpunkt, zur Durchschaltung des Sprechwegnetzes in der Fernsprechvermittlungstechnik verwendet werden kann, als auch als Relais und überall dort, wo zusätzlich zur Signaldurchschaltung Gleichstromdurchschaltung erforderlich ist. Ein derartiger elektronischer Koppelpunkt ersetzt die mechanischen Schalter und Relais. Die Forderung nach gleichstrommäßiger Durchschaltung ergibt sich aus der notwendigen Übertragung der Steuerkriterien für den Verbindungsaufbau und der heute angewandten Leitungsprüftechnik. Als Schalter für die gleichstrommäßige Durchschaltung ist es in der Starkstromtechnik bekannt, Halbleiterstromtore mit bistabilem Verhalten einzusetzen. Neben der Gleichstromdurchlässigkeit und einem hohen Schaltverhältnie wird bei einem solchen elektronischen Koppelpunkt eine weitgehende Entkopplung des Steuerkreises vom Arbeitekreis angestrebt. Ansonsten besteht die Gefahr, daß über gemeinsame Steuerglieder Nebenschlüsse auftreten, die den hohen Sperrwiderstand im offenen Zustand herabsetzen und Nebensprechen verursachen, ein Problem, das bei elektromechanischen Koppelfeldern mit galvanischer Trennung des Steuerkreises vom Arbeitskreie nicht auftreten kann. Es ist bereits von eigener Seite vorgeschlagen worden, eine galvanische Trennung des Steuerkreises von Arbeitskreis eines Halbleiterschalters dur ch Einfügung eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode zu erzielen."Electronic Crosspoint II The invention relates to an electronic Switch, in particular as a cross point, for switching through the speech path network Can be used in telephone switching technology as well as a relay and wherever direct current connection in addition to signal connection is required. Such an electronic coupling point replaces the mechanical one Switches and relays. The requirement for direct current connection results from the necessary transmission of the control criteria for the connection establishment and the line testing technology used today. As a switch for direct current Through switching it is known in heavy current engineering, semiconductor current gates with to use bistable behavior. In addition to direct current permeability and a high switching ratio becomes an extensive one with such an electronic coupling point Striving to decouple the control group from the working group. Otherwise the Danger that shunts occur over common control elements, which the high Reduce the blocking resistance in the open state and cause crosstalk Problem that occurs in electromechanical switching networks with galvanic isolation of the The control group of the working groups cannot occur. It is already has been proposed by our own side, a galvanic separation of the control circuit from the working group of a semiconductor switch by inserting a field effect transistor to achieve with an isolated control electrode.

Zur galvanischen Trennung des Steuerkreises vom Arbeitskreis ist neben dem Halbleiterschalter demnach ein weiteres Bauelement notwendig. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, beide Halbleiterbauelemente zu einem einzigen integrierten Bauelement zu vereinigen.For galvanic separation of the control circuit from the working circuit is next to the semiconductor switch therefore requires a further component. The task of Invention consists in integrating both semiconductor components into a single one Unite component.

Die Erfindung geht dabei von einem Halbleiterstromtor mit wenigstens 4 Zonen wechselnder Dotierung und je einer Elektrode an beiden Endzonen aus.The invention is based on a semiconductor current gate with at least 4 zones of alternating doping and one electrode each at both end zones.

Die Aufgabe der Erfindung wird dad-i2rch gelöst, daß auf wenigstens der im wesentlichen senkrecht zu der Zonenfolge verlaufenden Begrenzungsflächen eine isolierende Schicht und auf dieser wenigstens eine met-allische Steuerelektrode derart aufgebracht ist, daß die Influer-zw-';.riur.,.1- der mit der Steuerspannung beaufschlagten Steuerelektrode sich über drei benachbarte Zonen erstreckt.The object of the invention is dad-i2rch that at least the delimitation surfaces running essentially perpendicular to the zone sequence an insulating layer and on this at least one metallic control electrode is applied in such a way that the Influer-zw - ';. riur.,. 1- the one with the control voltage applied control electrode extends over three adjacent zones.

Je nach den Anforderungen an die gleichstrommäßige Durchschaltung wird man das feldgesteuerte Halbleiterstromtor in bezug auf seine Zonenfolge verschieden ausführen.Depending on the requirements for direct current connection the field-controlled semiconductor current gate is different in terms of its zone sequence carry out.

Ist eine Gleichstromdurchlässigkeit nur in einer Richtung notwendig, so wird man für das Halbleiterstromtor eine Zonenfolge pnpn vorsehen und die Influenzwirkung der Torelektrode sich über 3 Zonen, pnp oder npn, erstrecken lassen, also ein feldgesteuertes Stromtor mit den Eigenschaften eines Thyristors erhalten.If direct current permeability is only necessary in one direction, a zone sequence pnpn will be provided for the semiconductor current gate and the influencing effect of the gate electrode will extend over 3 zones, pnp or npn, i.e. a field-controlled current gate with the properties of a thyristor will be obtained.

Wird eine Gleichstromdurchläaeigkeit in beiden Richtungen gefordert, so wird man für das Halbleiterstromtor eine Zonenfolge npnpn bzw. pnpnp, also die eines Triacs, vorsehen. Die Influenzwirkung der Steuerelektrode erstreckt sich infolge des symmetrischen Aufbaus des Halbleiterstromtors dann auf die drei mittleren Zonen.Will have direct current permeability in both directions required, so one becomes a zone sequence npnpn or pnpnp for the semiconductor current gate, that is to say the of a triac. The influence of the control electrode extends as a result the symmetrical structure of the semiconductor current gate then to the three middle zones.

Um logische Verknüpfungen, zum Beispiel ein'ODER-TOR zu verwirklichen, wird man das Halbleiterstromtor auf zwei Begrenzungsflächen mit je einer isolierenden Schicht und je einer Torelektrode versehen.In order to implement logical links, for example an'OR-TOR, the semiconductor current gate is provided with an insulating layer and a gate electrode each on two boundary surfaces.

Halbleiterstromtore mit 4 pn-Übergängen, die in beiden Richtungen gleichstromdurchlässig sind, gehören an sich ebenfalls zum Stand der Technik. Sie werden im angelsächsischen Sprachgebrauch allgemein als Triac bezeichnet. (Storm, H. F.: Silicon gate-controlled ac switch and its applications IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG. -1, März 1965, Seite 36 - 42.Semiconductor current gates with 4 pn junctions, which are direct current permeable in both directions, also belong to the prior art. They are commonly referred to as triac in Anglo-Saxon parlance. (Storm, HF:.. Silicon gate-controlled ac switch and its Applications, IEEE Transactions on Magnetics, Vol MAG-1, March 1965, page 36 - 42.

Köhlg G.: Ein bilateral schaltendes Thyristorsystem Internat. El. Rdsch. (20) 1966 Nr. 6, Seite 353 - 356). Köhlg G .: A bilateral switching thyristor system Internat. El. Rdsch. (20) 1966 No. 6, pages 353 - 356).

Für die isolierende Oxydschicht wird man, wie aus der Planarttechnik bekannt, Siliziumdioxyd oder, wegen seiner höheren Dielektrizitätskonstanten, Siliziumnitrid verwenden.For the insulating oxide layer one becomes, as from the planart technique known, silicon dioxide or, because of its higher dielectric constant, silicon nitride use.

Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise der Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figur 1 zeigt einen feldgesteuerten Thyristor, der aus einer Zonenfolge pnpn besteht. An seinen beiden Endzonen ist je ein sperrfreier Kontakt angebracht. Auf einer seiner senkrecht zur Zonenfolge verlaufenden Begrenzungsflächen ist eine SiO 2-Schicht aufgebracht. Auf dieser isolierenden Oxydschicht befindet sich die metallische Steuerelektrode T, die sich von der ersten bis zur dritten Zone, also über eine Zonenfolge pnp, erstreckt. Das Bauelement liegt in der in der Zeichnung angegebenen Polarität an einer Vorspannung. Die Feldsteuerung des Thyristors erfolgt dann auf folgende Weise: Bei Anlegen einer negativen Spannung an die Elektrode T werden durch Influenzwirkung die negativen Ladungsträger von der Elektrode T weg und die (in Minderheit auch vorhandenen) positiven Ladungsträger auf sie zu bewegt. Die Anhäufung positiver Ladungsträger direkt unter der SiO 2- Isolierschicht wird so groß, daß sie die negat.Lven Ladungsträger überwiegt und dadurch eine p-Inversionsschicht an der Kristallseitenfläche hervorruft. Durch d--;--3en P-Kanal fließt dann ein Majoritäts- p-Schicht und zündei den Thyristor.The mode of operation of the invention is explained below with reference to several exemplary embodiments. FIG. 1 shows a field-controlled thyristor which consists of a zone sequence pnpn. A lock-free contact is attached to each of its two end zones. An SiO 2 layer is applied to one of its boundary surfaces running perpendicular to the zone sequence. The metallic control electrode T, which extends from the first to the third zone, that is to say over a zone sequence pnp, is located on this insulating oxide layer. The component is preloaded in the polarity shown in the drawing. The field control of the thyristor then takes place in the following way: When a negative voltage is applied to the electrode T, the negative charge carriers are moved away from the electrode T and the positive charge carriers (which are also present in a minority) towards it. The accumulation of positive charge carriers directly under the SiO 2 insulating layer becomes so large that it outweighs the negative charge carriers and thus creates a p-inversion layer on the side surface of the crystal. A majority then flows through the P-channel p-layer and ignite the thyristor.

Die Figur 2 zeigt ein symmetrisch aufgebautes Halbleiterstromtor mit der Zonenfolge npnpn, das in beiden Richtungen gleichstromdurchlässig ist, also ein feldgesteuertes Triac, Die Influenzwirkung der Torelektrode erstreckt sich auf die drei mittleren pnp-Zonen.FIG. 2 shows a symmetrically constructed semiconductor current gate the zone sequence npnpn, which is direct current permeable in both directions, that is a field-controlled triac, the influence of the gate electrode extends to the three middle pnp zones.

Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Triac in Planartechnik. In ein n-dotiertes Substrat werden nacheinander p- undn-dotierte Zonen eindiffundiert und die Anschlüsse 1 und 2 in gezeichneter Weise kontaktiert. Über einer Siliziumdioxyd- oder Siliziumnitridschicht wird isoliert die Steuerelektrode T derart angebracht, daß sie dJe rechte p-, die mittleren- und die linke p-dotierte Schicht überdeckt. Die Torelektrode T wird mit einer negativen Spannung in bezug auf den Anschluß 1 oder 2 belegt und, wie beschrieben, positive Ladungsträger an der Kristalloberfläche und damit ein p-Kanal induziert, der einen Stromfluß von Anschluß 1 nach 2 oder umgekehrt ermöglicht. Dieser Stromfluß zündet daraufhin das Triac. Die Figur 4 zeigt einen mit den erfindungsgemäßen feldgesteuerten Halbleiterstromtor aufgebauten elektronischen Koppelpunkt für die zweiadrige Durchschaltung des Sprechwegs für eine elektronische Fernsprechvermittlung. In jedem Koppelzweig befindet sich ein feldgesteuertes Halbleiterstromtor nach der Erfindung. Die Torelektroden liegen gemeinsam an einer, über eine bistabile Kippstufe erzeugten, das Halbleiterstromtor öffnenden bzw. schließenden Schaltspannung. Es wird also die Schaltspannung für die Halbleiterstromtore nicht kurzzeitig, sondern während der ganzen Dauer des Gespräches über ein bistabiles Element (hier Triac) an die Torelektrode der feldgesteuerten Halbleiterstromtore gelegt.FIG. 3 shows a further embodiment of a triac using planar technology. In an n-doped substrate successively p- and n-doped regions are diffused and contacted in drawn, the terminals 1 and 2. FIG. The control electrode T is insulated and attached over a silicon dioxide or silicon nitride layer in such a way that it covers the right p-doped, the middle and the left p-doped layer. The gate electrode T is given a negative voltage with respect to the terminal 1 or 2 and, as described, positive charge carriers are induced on the crystal surface and thus a p-channel which enables a current to flow from terminal 1 to 2 or vice versa. This flow of current then ignites the triac. FIG. 4 shows an electronic coupling point constructed with the field-controlled semiconductor current gate according to the invention for the two-wire connection of the speech path for an electronic telephone exchange. In each coupling branch there is a field-controlled semiconductor current gate according to the invention. The gate electrodes are jointly connected to a switching voltage which is generated via a bistable multivibrator and which opens or closes the semiconductor current gate. The switching voltage for the semiconductor current gates is therefore not applied briefly, but for the entire duration of the conversation via a bistable element (here triac) to the gate electrode of the field-controlled semiconductor current gates.

Bekanntermaßen weisen Halbleiterstromtore ein bistabiles Verhalten auf; wenn der Haltestrom während des Gesprächs nicht, z.B. durch Fehlverhalten des Teilnehmers, unterbrochen werden kann, ist während des durchgeschalteten Zustandes keine dauernd am Tor anstehende Steuerspannung notwendig, so daß der Koppelpunkt auch ohne ein weiteres bistabiles Glied zur Speicherung des Steuerimpulses funktionsfähig wäre.It is known that semiconductor current gates exhibit bistable behavior on; if the holding current is not available during the call, e.g. due to incorrect behavior of the Participant who can be interrupted is during the connected state no control voltage constantly present at the gate necessary, so that the coupling point also functional without another bistable element for storing the control pulse were.

Für die Anwendung von feldgesteuerten Halbleiterstromtoren zur Durchschaltung des Sprechwegnetzes in der Fernsprechvermittlungstechnik müssen die Bauelemente mit Kennlinien versehen sein, deren positive und negative Sperrspannung ungefähr 500 V beträgt, da z.B. Störspannungen von bis 500 V auf den Leitungen auftreten können. Große Werte von Sperrdämpfungen lassen sich erreichen, wenn man den positiven Sperrstrom auf sehr kleine Werte herabsetzt (etwa 0,5 /uA für einen Sperrwiderstand von 100 M A Im durchgeschalteten Zustand sollen die feldgesteuerten Halbleiterstromtore einen differenziellen Widerstand als ein Ohm'bäsit-zen.#For the use of field-controlled semiconductor current gates to switch through the speech path network in telephone exchange technology, the components must be provided with characteristic curves, the positive and negative blocking voltage of which is approximately 500 V, since interference voltages of up to 500 V can occur on the lines, for example. Large values of blocking attenuation can be achieved if the positive blocking current is reduced to very small values (about 0.5 / uA for a blocking resistance of 100 M A) . #

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electronic switch, in particular for crosspoints in telephone switching technology, consisting of a semiconductor current gate with at least 4 zones of alternating doping and one electrode at each of the two end zones, characterized in that an insulating surface is provided on at least one of the boundary surfaces running essentially perpendicular to the zone sequence Layer and on this at least one metallic control electrode is applied in such a way that the influencing effect of the control electrode to which the control voltage is applied extends over three adjacent zones. 2. Electronic switch according to claim 1, characterized in that the semiconductor current gate has a zone sequence pnpn and the influence of the control electrode extends to the pnp or npn zones. (Figure 1) 3. Electronic switch according to claim 1, characterized in that the semiconductor current gate has a zone sequence npnpn or pnpnp, and the influence of the control electrode extends to the three middle (pnp or npn) zones. (Figures 2 and 3). 4. Electronic switch according to claim 1, characterized in that the semiconductor current gate is provided on two opposing boundary surfaces with an insulating layer and a gate electrode each. 5. Ele] #tronic switch according to claim 1, characterized in that the insulating layer consists of silicon dioxide. 6. Electronic switch according to claim 1, characterized in that the insulating layer consists of silicon nitride.