DE1591403C - Schaltungsanordnung zum Mischen elektrischer Signale mit einem Feldeffekttransistor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung leitendem Silizium, wie etwa schwach dotiertem

zum Mischen elektrischer Signale mit einem Feld- P-SUizium mit einem spezifischen Widerstand von

effekttransistor als aktives Schaltungselement, der auf 100 Ohm cm, bestehen.

einer Halbleiterunterlage eine Quellenelektrode, eine Bei der Herstellung des in F i g. 1 dargestellten

Abflußelektrode und eine isolierte Steuerelektrode 5 Transistors wird stark dotiertes Siliziumdioxyd auf

enthält. ' die Oberfläche eines Siliziumkörpers 12 aufgebracht.

Es sind Feldeffekttransistoren bekannt, die eine Das Siliziumdioxyd ist mit Verunreinigungen vom Quellen- und eine Abflußelektrode enthalten, die auf N-Typ dotiert. Mittels eijier lichtempfindlichen Ätzeine Unterlage aus Halbleitermaterial aufgebracht schutzschicht oder mittels anderer geeigneter Versind. Eine Steuerelektrode, die von der Quellen- und io fahren wird das Siliziumdioxyd dort, wo die Steuerder Abflußelektrode isoliert ist, steuert die Leitfähig- elektrode aufgebracht werden soll, und am äußeren keit der Strombahn (»Kanal«) zwischen Quellen- und Rand der in Fig. 1 dargestellten Siliziumscheibe ent-Abflußelektrode. fernt. Dort wo die Quellen- und Abflußbereiche ge-

Bei den bekannten Schaltungsanordnungen mit bildet werden, verbleibt das aufgebrachte Silizium-Feldeffekttransistoren ist die Halbleiterunterlage 15 dioxyd.
nicht beschaltet, oder sie liegt an Masse. Der Körper 12 wird dann in einer geeigneten

In der Zeitschrift ^International Electronics«, Mai Atmosphäre, wie z. B. in Wasserdampf, erhitzt, so 1963, wird auf den Seiten 28 bis 31 über neue Ent- daß die freiliegenden Siliziumbereiche oxydieren und wicklungen auf dem Gebiet der Halbleitertechnik be- gewachsene Siliziumdioxydschichten entstehen, was richtet. Auf Seite 30 wird an Hand von Fig. 2 ein 20 durch die schwach punktierten Bereiche in F i g. 1 MOS-Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelek- dargestellt ist. Während des Erhitzens diffundieren trode beschrieben, der besonders für Verknüpfungs- Verunreinigungen von der aufgebrachten Siliziumglieder niedriger Verlustleistung ohne die Verwen- dioxydschicht in den Siliziumkörper 12 und bilden dung von Widerständen oder anderen Komponenten den Quellen- und den Abflußbereich. Die Quellengeeignet ist. In der Fig. 2 ist mittels eines Pfeiles an- 35 und Abflußbereiche sind aus Fig. 2, die eine Quergedeutet, daß sich an der Unterseite der Quelle, die schnittsansicht in der Schnittebene 2-2 der Figur darsich zum Teil über das Halbleitersubstrat erstreckt, stellt, mit 5 und D bezeichnet.

eine Aluminiummetallisierung befindet. Der Zweck Mittels einer weiteren lichtempfindlichen Ätz-

dieser Metallisierung wird aber ebensowenig erläu- schutzschicht oder durch einen ähnlichen Verfah-

tert wie ihre genaue elektrische Anordnung zwischen 30 rensschritt wird das aufgebrachte Siliziumdioxyd

der Quelle und dem Substrat. Das Substrat ist im be- über einem Teil des Quellen- und Abflußbereichs

kannten Fall nicht beschaltet. Auch findet sich kein entfernt. Mittels einer Aufdampfmaske werden Elek-

Hinweis, das bekannte Transistorsystem in einer troden für die Quellen-, Abfluß- und Steuerbereiche

Mischschaltung zu verwenden, mit deren Problemen durch Aufdampfen eines leitenden Materials her-

sich die Erfindung befaßt. 35 gestellt. Das aufgedampfte leitende Material kann

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Chrom und Gold in dieser Reihenfolge oder auch

Schaltungsanordnung anzugeben, die in ihren Be- anderes geeignetes Metall sein,

triebseigenschaften den bekannten Mischschaltungs- Die fertige Scheibe ist in F i g. 1 dargestellt, wobei

anordnungen überlegen ist und insbesondere einen der schwach punktierte Bereich zwischen dem äuße-

bei letzteren festgestellten ungünstigen Einfluß der 4° ren Rand und der ersten dunkleren Zone 14 gewach-

Halbleiterunterlage auf den Abflußstrom vermeidet. senes Siliziumdioxyd ist. Der weiße Bereich 16 be-

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 an- deutet die der Quelle entsprechende Metallelektrode,

gegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildun- Die stärker punktierten Bereiche 14 und 18 sind auf-

gen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Der gebrachte Siliziumdioxydschichten, die über dem dif-

durch die Erfindung erzielte Fortschritt wird weiter 45 fundierten Quellenbereich liegen, und der dunkle Be-

unten noch näher erläutert werden. reich 20 ist eine aufgebrachte Siliziumdioxydschicht,

Im folgenden wird die Erfindung und ihre Arbeits- die über dem diffundierten Abflußbereich liegt. Die

weise an Hand der Zeichnungen näher erläutert; es weißen Bereiche 22 und 24 stellen Metallelektroden

zeigt ' · ■ dar, die jeweils der Steuer- bzw. der Abflußelektrode

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Feldeffekt- 5° entsprechen. Der punktierte Bereich28 stellt eine

transistors mit isolierter Steuerelektrode, der sich für Schicht gewachsenes Siliziumdioxyd auf einem Ab-

Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung eignet, schnitt, auf dem die Steuerelektrode 22 angebracht

F i g. 2 einen Querschnitt in einer Schnittebene 2-2 ist, dar und isoliert die Steuerelektrode 22 vom dar-

derFig. 1, unterliegenden Siliziumkörper 12 und von der

Fig. 3 eine Schar von Quellenstrom/Quellen-Ab- 55 Quellen- und Abflußelektrode,.was aus Fig.2 er-

fluß-Spannungskennlinien für verschiedene Werte der sichtlich ist. Der Eingangswiderstand für niedrige

Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode des Frequenzen, gemessen zwischen der Steuer- und der

Transistors nach F i g. 1 und Quellenelektrode, liegt bei etwa 10¹⁴ Ohm. Die

F i g. 4 ein Schaltbild einer Mischstufe gemäß der Schicht gewachsenen Siliziumoxyds 28, auf der die

Erfindung. 60 Steuerelektrode 22 angeordnet ist, überdeckt einen

F i g. 1 zeigt einen Feldeffekttransistor 10, der in aus einer Inversionsschicht bestehenden leitenden Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung be- Kanal C, der den Quellen- und den Abflußbereich nutzt werden kann und eine Unterlage oder einen verbindet. Die Steuerelektrode 22 ist gegen den Grundkörper 12 aus Halbleitermaterial enthält. Der Quellenbereich hin versetzt und kann, falls erKörper 12 kann ein- oder polykristallin sein und aus 65 wünscht, über den Rand der aufgebrachten Siliziumirgendeinem in der Halbleiter;technik zur Herstellung dioxydschicht 18 übergreifen.

von Transistoren gebräuchlichen Halbleitermaterial Die Grenzflächen, die den Quellen- und Abflußbestehen. Der Körper 12 kann z. B. aus fast eigen- bereichS und D (Fig. 2) von der Siliziumunterlage

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12 trennen, stellen praktisch zwei gleichrichtende auf die Zwischenfrequenz abgestimmt ist. Ein Kop-

Sperrschichten dar, die die Siliziumunterlage 12 mit pelkondensator 112 verbindet das Kabel 110 mit der

der Quellen- und der Abflußelektrode 16 bzw. 24 Induktivität 106. Die Kapazität des Kabels 110 und

koppeln, und zwar derart, daß eine in bezug auf die der Kondensator 108 liegen praktisch in Reihe zur

Quellen- und Abflußelektroden positive Spannung 5 Spule 106, und die Ausgangsspannung wird parallel

der Unterlage die Sperrschichten in Durchlaßrichtung zur Kabelkapazität abgenommen,

beaufschlagt. Die Quellen- und Abflußelektroden Die Abflußelektrode 111 ist über die Induktivität

sind durch den leitenden Kanal C miteinander ver- 106 und den Widerstand 116 an den Pluspol einer

bunden. Die Ladungsträger (in diesem Fall Elek- Betriebsspannungsquelle 114 angeschlossen. Der

tronen) fließen in dem dünnen Kanal nahe der Ober- io Widerstand 116 dämpft den Parallelausgangskreis

fläche von der Quelle zum Abfluß. Der Kanal C ist für die ZF, so daß die gewünschte Bandbreite erzielt

in F i g. 2 dargestellt. wird. Ein Durchführungskondensator 118 hält die

In F i g. 3 ist eine Schar Kennlinien 30 dargestellt, ZF-Spannung der Betriebsspannungsquelle 114 fern,

die die Abhängigkeit des Abflußstromes des Tran- Erfindungsgemäß ist die Halbleiterunterlage 58 mit

sistors nach F i g. 1 von der Spannung zwischen Ab- 15 der Quellenelektrode 98 des Feldeffekttransistors 96

fluß und Quelle für verschiedene Werte der Spannung mit isolierter Steuerelektrode verbunden. Diese Ver-

zwischen Steuer- und Quellenelektrode zeigen. Ein bindung kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie

Merkmal von Feldeffekttransistoren mit isolierter etwa durch Verbinden der Anschlußplatte 26, die in

Steuerelektrode besteht darin, daß jede der Kurven F i g. 2 dargestellt ist, mit dem Anschluß der Quellen-

30 bis 39 der Vorspannung Null entsprechen kann. 20 elektrode, oder durch eine schon bei der Herstellung

Für F i g. 3 entspricht die Kurve 37 der Vorspannung des Transistors eingebaute Verbindung zwischen der

Null zwischen Steuer- und Quellenelektrode. Die Quellenelektrode und der Halbleiterunterlage. Diese

Kurven 38 und 39 entsprechen einer positiven und Verbindung kann durch eine leitende Elektrode 81

die Kurven 30 bis 36 einer negativen Spannung der (s. F i g. 1), die auf der Unterlage aufliegt und in

Steuerelektrode bezüglich der Quelle. 25 ohmschem Kontakt mit ihr steht, erfolgen. Die Elek-

Der Lage der der Vorspannung Null entsprechen- trode 81 kann ein integraler Bestandteil der Quellenden Kennlinie kann während der Herstellung des elektrode 16 sein und ist an einer Stelle an der UnterTransistors z. B. durch Steuerung der Zeit und/oder lage angebracht, von der die gezüchtete Siliziumder Temperatur während des Züchtens der in F i g. 1 dioxydschicht entfernt wurde. Die letzterwähnte Ver- und 2 dargestellten Siliziumdioxydschicht bestimmt 30 bindungsart kann vorteilhaft sein, wenn der Transistor werden. Je länger der Transistor erhitzt wird und je ein Teil einer integrierten Schaltung bildet, die aktive höher dabei die Temperatur in trockener Sauerstoff- und passive Schaltungselemente in einer einzigen atmosphäre ist, desto größer wird der Abflußstrom Halbleiterscheibe enthält.

für einen gegebenen Betrag der Abflußspannung und Eine Schaltungsanordnung, wie sie in F i g. 4 dar-

der Vorspannung Null zwischen Quellen- und 35 gestellt ist, weist bezüglich bekannten Schaltungsan-

Steuerelektrode. Ordnungen, bei denen die Halbleiterunterlage 58

Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform der nicht beschaltet oder mit Masse verbunden ist, ver-Erfindung ist eine Mischstufe für einen Überlage- schiedene Vorteile auf. Es wurde nämlich festgestellt, rungsempfanger, z. B. einen Fernsehempfänger. Von daß die Unterlage 58 eine Steuerung des zwischen einer nicht dargestellten Quelle werden hochfrequente 40 Quellen- und Abflußelektrode 56 und 54 fließenden Signale (HF) einem Primärkreis 82 zugeführt, der Stroms ermöglicht. Bei negativem Potential der mittels eines Schalters 84, durch den Teile einer Unterlage 58 bezüglich der Quellenelektrode 56 wird Primärkreisinduktivität 86 kurzgeschlossen werden die durch die Unterlage bewirkte Steuerung anscheirkönnen, abstimmbar ist. Die der Primärspule 82 zu- nend durch Feldeffekt verursacht. Die durch die geführten Signale werden auf die Sekundärspule 88 45 Halbleiterunterlage bewirkte Steuerung des Abflußgekoppelt, die mittels eines Schalters 90 abstimmbar Stroms zeigt sich auf zweierlei Weise: Erstens moduist, der Teile der Sekundärinduktivität 92 kurzzu- liert eine zwischen Unterlage und Quellenelektrode schließen gestattet und mit dem Schalter 84 gekup- auftretende Signalwechselspannung den Abflußstrom, pelt ist. und zweitens übt die Gleichspannung zwischen der

Die Sekundärspule 88 ist mit der Steuerelektrode 50 Unterlage und der Quellenelektrode einen Einfluß

94 eines Feldeffekttransistors mit isolierter Steuer- auf die Steilheit aus, also auf das Verhältnis der

elektrode 96 gekoppelt. Die Quellenelektrode 98 des Spannungsänderung an der Steuerelektrode zur

Transistors 96 ist über einen Vorwiderstand 100, der Änderung des Abflußstroms.

für die Signalwechselspannung durch eine Kapazität Wenn die Halbleiterunterlage 58 direkt mit der

102 überbrückt ist, mit Masse verbunden. Die Span- 55 Quellenelektrode 98 verbunden ist, kann keine

nung eines nicht dargestellten Oszillators wird der Gleich- oder Signalspannung zwischen diesen Elek-

Steuerelektrode 94 über einen Koppelkondensator troden auftreten, und demgemäß ist auch eine FeId-

104 zugeführt. effektsteuerung des zwischen der Quellenelektrode 56

Die nichtlineare Wechselwirkung der Oszillator- und Abflußelektrode 111 fließenden Stroms durch frequenz mit der HF-Spannung im Transistor 96 setzt ⁶° eine Spannung an der Unterlage 58 ausgeschlossen, die modulierte HF-Spannung in entsprechende ZF- Die Verbindung der Unterlage mit der Quellen-Schwingungen um. Im allgemeinen wird als Zwi- elektrode 56 ergibt im Gegensatz zu Schaltungsanschenfrequenz die Differenz zwischen der Frequenz Ordnungen, bei denen die Unterlage nicht beschaltet der Oszillatorschwingung und der Eingangsfrequenz oder mit Masse verbunden ist, eine größere Steilheit, verwendet. Die ZF-Schwingung entsteht an einem 65 und die Überbrückung des Quellenwiderstandes 100 Parallelresonanzkreis, der eine Induktivität 106, die wird unkritischer.

mittels eines Kondensators 108 der Kapazität zwi- Die größere Steilheit bei einer bestimmten Vorsehen den Leitern eines Koaxialausgangskabels 110 spannung der Steuerelektrode gegenüber der Quellen-

elektrode läßt sich folgendermaßen erklären: Bei <?iner gegebenen Vorspannung der Steuerelektrode gegenüber der Quellenelektrode wird der Abflußstrom kleiner, wenn die Unterlage gegenüber der Quellenelektrode negativer wird. Zusätzlich zu dieser Verminderung des Abflußstroms bewirkt die negativere Spannung der Unterlage in bezug auf die Quelle eine gegenseitige Annäherung der Kurven 30 bis 39 (F i g. 3), wodurch die Steilheit des Transistors herabgesetzt wird.

Wenn die Unterlage 58 nicht beschaltet ist, entsteht an ihr eine bezüglich der Quellenelektrode 98 negative Gleichspannung entsprechend der Höhe der Signalspannung. Anscheinend rührt die an der Unterlage 58 auftretende Spannung von einer kapazitiven Kopplung des an der Steuerelektrode 94 liegenden Signals auf die Unterlage 58 und einer Gleichrichtung dieses Signals an der Sperrschicht zwischen der Unterlage 58 und der Quellenelektrode 98 her. 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 100 abfallenden Spannung, und man erhält an der Unterlage eine zusammengesetzte negative Spannung gegenüber der Quellenelektrode. Wie oben ausgeführt, verringert dies den Abflußstrom und damit die Steilheit.

Der bei einer Verbindung von Unterlage und Quelle geringere Aufwand an Uberbrückungsmitteln für den Quellenwiderstand 100 erklärt sich folgendermaßen: Erstens ist bekanntlich die kapazitive Reaktanz bei einer bestimmten Eingangsfrequenz, die für die Überbrückung des Quellenwiderstandes erforderlich ist, von der Eingangsimpedanz der Schaltungsanordnung abhängig. Je höher die Eingangsimpedanz der Schaltungsanordnung ist, desto gerin- ger ist die erforderliche kapazitive Reaktanz, um einen bestimmten Grad der Überbrückung von Signalspannung am Quellenwiderstand zu erhalten. Die an der Steuerelektrode 94 gemessene Eingangsimpedanz der Schaltung ist sehr hoch, so daß für eine praktisch vollständige Überbrückung ein verhältnismäßig kleiner Kondensator 102 genügt. Die an der Unterlage 58 gemessene Eingangsimpedanz ist jedoch sehr viel kleiner als an der Steuerelektrode 94. Wenn die Unterlage nicht beschaltet oder mit Masse verbunden ist, tritt die am Quellenwiderstand 100 abfallende Signalspannung zwischen der Quellenelektrode 98 und der Unterlage 58 auf. Demgemäß ist bei einer solchen Schaltungsanordnung ein relativ größerer Überbrückungskondensator notwendig, um zu verhindern, daß die Signalspannung durch Steuerung über die Unterlage gegenkoppelnd wirkt, als wenn die am Quellenwiderstand 100 abfallende Signalspannung nicht zwischen Quelle 98 und Unterlage 58 gelangen, 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 vielseitigere Anwendungsmöglichkeiten in Transistorschaltungen, da die Anforderungen bezüglich der maximal zulässigen Sperrspannungen für die Sperrschichten zwischen der Unterlage und Quelle sowie Unterlage und Abfluß herabgesetzt werden.

Die Halbleiterunterlage des Transistors kann auch an einen Abgriff des Quellenwiderstandes angeschlossen werden. Die Eigenschaften einer solchen Schaltung liegen zwischen denen von Schaltungen, bei denen die Unterlage mit Masse bzw. direkt mit der Quellenelektrode verbunden ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Mischen elektrischer Signale mit einem Feldeffekttransistor als aktives Schaltungselement, der eine Halbleiterunterlage, eine Quellenelektrode, eine Abflußelektrode und eine isolierte Steuerelektrode enthält, und mit einem Impedanzelement, das zwischen die Quellenelektrode und einen auf Bezugspotential liegenden Schaltungspunkt geschaltet ist, dadurchgekennzeichnet, daß die Unterlage (58) durch einen nicht über das Bezugspotential führenden Gleichstromweg mit der Quellenelektrode (98) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das Impedanzelement einen zwischen die Quellenelektrode und das Bezugspotential geschalteten Quellenwiderstand enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (58) an einen Abgriff des Quellenwiderstandes (100) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement einen zwischen die Quellenelektrode und das Bezugspotential geschalteten Kondensator (102) enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen