DE1639013A1 - Integrierte Schwingschaltanordnung - Google Patents

Integrierte Schwingschaltanordnung

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DE1639013A1
DE1639013A1 DE19681639013 DE1639013A DE1639013A1 DE 1639013 A1 DE1639013 A1 DE 1639013A1 DE 19681639013 DE19681639013 DE 19681639013 DE 1639013 A DE1639013 A DE 1639013A DE 1639013 A1 DE1639013 A1 DE 1639013A1
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DE
Germany
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zone
capacitance
emitter
blocking
collector
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Application number
DE19681639013
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English (en)
Inventor
Dieter Dipl-Chem Millner
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Halbleiterwerk Frankfurt Oder VEB
Original Assignee
Halbleiterwerk Frankfurt Oder VEB
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0688Integrated circuits having a three-dimensional layout
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor

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Description

  • Integrierte Schwingschaltanordnung Die Erfindung betrifft eine integrierte Schcringschaltanordnung auf Halbleiterbasisq deren Verhalten hinsichtlich der Frequenz, des Tastverhältnisses sowie der Schwingungsform variierbar ist,und die demgemäß vielseitig als Schwingungsgenerator, z.B. als Zerhacker, eingesetzt werden kann. Es sind in vielfältiger Art Schwingungssehaltanordnungen bekannte die jeweils für einen bestimmten Bedarfsfall ausgebildet werden. Zur Verbesserung ihrer Kenndaten und der Herstellungsmöglichkeit in miniaturisierter Form sind spezielle elektronische Bauelemente und Schaltungen entwickelt worden. Ihre Integration mit Hilfe der Dünnfilmtechnik erfolgt durch Aufdampfen der passiven-Bauelemente auf ein Substrat und anschließendes Einsetzen der individuell gefertigten aktiven Elemente. Im Gegensatz dazu sind nach Integration durch Anwendung der Halbleitertechnik alle Bauelemente ein unteilbarer und unveränderlicher Teil des Halbleitermaterials, in dem sie geschaffen wurden. Die wahrscheinlich günstigste Lösung des Miniaturisierungsproblems bietet jedoch die Molekularelektronik. Die auf der Basis dieser Technik hergestellten Bausteine erfüllen eine elektronische Funktiong ohne daß sich in ihnen die konven- tionellen Schaltungen und Bauelemente erkennen lassen. Infolge Fehlens umfangreicher Induktivitäten spielen in den integrierten Sohwingsohaltanordnungen die Kippsohwingkreise eine große Rolle. Doch auch sie besitzen in den bekannten Ausführungen den Nachteil eines relativ hohen Sehaltungs-und Bauelementeaufwandesg wodurch die Integrierung infolge der erforderlichen komplizierten Halbleitervielschicntstrukturen erschwert wird. Demzufolge ist die Ausbeute an funktionstüchtigen bzw, typengerechten integrierten Schwingungsgeneratoren sowie deren Lebensdauer nicht zufriedenstellend und die Störanfälligkeit noch zu groß, Um außerdem der Porderung gerecht zu werden, die elektrischen rarameterg inebe- sondere den Wirkungsgrad, zu verbesserng sind umfangreiche 'fertigungstechnische Maßnahmen notwendig.
  • Zweck der Erfindung ist es, den Produktionsaufwand und den Raumbedarf für ein die Erfindung betreffendes Erzeugnis zu vermindern und dessen qualitätsgerechte-=iusbringung zu er- höhen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Sohwingsohaltanordnung zu schaffeng die mit einer geringen Anzahl von Sehiohtanordnungen in Halbleitertechnik auszu- bilden und vorteilhaft in der Kolekularelektronik anzuwenden ist, durch die kritische Basisdicken sowie der zusätzliche Einsatz von herkömmlichen Bauelementen vermieden werden und vit der bei verbessertem Wirkungsgrad und höherer Leistungsfähigkeit unterschiedliche Schwingungsformen, Prequenzen sowie Tastverhältnisse zu erzielen sind.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auf der Grundlage eines Kippkreises dadurch gelöst, daß, ausgehend von einer Reihen= schal tung, in der sich ein elektronischer Sehalter, eine Gleichspannungsquelle und ein Kondensator mit einem diesen parallel geschaltetem Widerstand befinden, eine Struktur, be- stehend aus mehreren Halbleiterschichten alternierenden Leitungstype, geschaffen wirdg in der eine Kollektor-, eine Zmitter- und eine Kapazitäts-pn-Zone elektrisch in Reihe geschal- tet sind. Der Abstand zwischen der Emitter- und der Kollektorpn-Z one ist größer als die Basisdicke herkömmlicher Legierungstransistoren, während die Mindestentfernung zwischen der Emitter- und der Kapazitäts-pn-Zone größer als die in diesem Raum mögliche Weglänge der Minoritätsträger infolge Diffusion und des während des Betriebes herrschenden Driftfeldes ist. In den beiden Endabschnitten der Schaltungsanordnung befinden sich sperrfreie Kontakte, die mit der Gleichspannungsquelle zu verbinden sind. Zur Steuerung der Schaltspannungen ist der Abschnitt zwischen der Kollektor- und der Emitterzone mit einem sperrfreien Zusatzkontakt zu versehen. llit Hilfe eines weiteren stroarichtungsuna.bhängigen Zusatzkontaktes, der an dem Abschnitt z@.ischen der Emitter- und der flpazitäts-p£Zone angebracht ist,, kann das Spannun-sverhältnis innerhalb der Sehcrinbschaltanordnung beeinflußt werden. Zur Verbesserun- der elektrischen und der geometrischen Werte sind in dem vor;enannten Abschnitt Gebiete hoher Rekombinati onsgeschwindigkeit und hoher Strorsleitßähigkeit ausgebildet.
  • Die Schwingungen sind jeweils an zwei der insgesamt existierenden Kontaktelektroden der integrierten Schwingschaltanordnunn oder an einem gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Außenwiderstand abzugreifen.
  • In dieser Beschreibung wurde im Gegensatz zur allge.::ein gebräuchlichen Verwendung die Bezeichnung '1pn-Z one" auch für den Metall-Halbleiterkontalct benutzt. Sie wurde außerdem dahingehend erweitert, daß die pn-Z one sowohl den-einzelnen pn Übergang bezeichnet, als auch dadurch definiert ist, daß ein pn-Übergang in mehrere Zonen unterteilt werden kann, die für das Funktionieren einer Anordnung von unterschiedlicher Bedeutung, sind. Demzufolge ist unter der Kapazitäts-pn-Zone ein in Sperrichtung gepolter'einzelner pn Übergang oder der Teil eines pn iberganges, dessen kapazitive Wirkung ausgenutzt werden soll, zu verstehen. Die ebenfalls in Sperrichtung vorgespannte Kollektor-pn Zone besitzt Yrie üblich die Aufgabe, die von der in Durchlaßrichtung gepolten Umitterzone injizierten Minoritätsträger zu sammeln. Es ist zu beachten, daß die Kapazitäts- und die Kollel:tor-pn-Zone nur eine begrenzte äperrfähigl:eit aufweisen.
  • In einen auf der Erfindung basierenden Schwingungsgenerator sind mit Ausnahme der Spannungsquelle sämtliche ndxrendigen Bauelemente enthalten. Die Schwingungsform, die Frequenz und das Tastverhältnis lassen. sich durch Änderung der 'elektri.-sehen und geometrischen Werte der verschiedenen Schichten sowie durch die an diesen Schichten und pn-Z onen anliegenden Spannungen und gegebenenfalls durch einen in den Zuleitungen zur Spannungsquelle liegenden Außenwiderstand variieren. Es können sowohl Kipp- als auch sinusähnliche Schwingungen erzeugt und mit einem externen Signal etriügert oder synchronisiert werden. Da die beschriebene Halbleiterstruktur keine schwierig herzustellenden bzw, nur wenige Schichten aufweist kann man sie in großer Stückzahl mit reproduzierbarer Qualität fertigen. Es besteht die Möglichkeit,- die Schwingschaltanordnung sowohl in bekannter .eise in einem Halbleiterblock oder auf einem Substrat als auch in Form eines'Funktionsblocks der Wolekularelektronik zu erzeugen.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert Werden, In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 die der Erfindung zugrunde liegende Kippreihenschaltung Fig, 2 eine Form der integrierten Sohwingschaltanordnung4 Fig. 3 eine molekularelektronisehe Variante der integrierten Schwingschaltanordnung.
  • Die Wirkungsweise des Kippkreises nach Fig. 1' bestehend aus dem elektronischen Schalter 1, der Gleichspannungsquelle 2, dem Kondensator 3 und dem Viiderstand 4, ist bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
  • Mit Ausnahme der Gleichspannungsquelle 2 sind alle Bauelemente der Schaltung, nach Piv. 1 in dem Halbleiterblock 5 der Fig. 2 nachgebildet. Der Kondensator 3 und der Widerstand 4 werden 3urch die Kapazität und den ohmschen Übergangswiderstand der Kapazitäts-pn Zone 6 ersetzt, während die Aufgabe des Schalters 1 von der Emitter-pn-Zone 7 und der Kollektor-pn-Zone a übernommen wird. Über die sperrfreien Kontakte 9 und 10 ist die Verbindung zur Gleichspannungsquelle 2 hergestellt. Zur Gewährleistung der Funktion der Kapazitäts-pn-Zone 6 dürfen von der Emitter-pn-Zone 7 nährend des Betriebes keine :.Tinoritätsträger in das Gebiet der Kapazitäts-pn-Zone 6 gelangen. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der Mindestabstand zwischen beiden Zonen größer als die in diesem libschnitt mögliche 71eglänge der L.iinoritätsträger infolge der Diffusion und des Driftfeldes ist. Befindet sich weiterhin die Emitterpn-Zone 7 in einer Entfernung von der Kollektor-pn-Zone 8, die wesentlich größer als die übliche Basishalbleiterdicke bei Legierungstransistoren ist, so erreichen die von der Bmitter-pnZone 7 injizierten Idinoritätsträüer erst dann die Kollektor-pn Zone 8, wenn die über beiden Zonen liegende Spannung einen bestimmten ,'fiert überschritten hat. Der daraufhin verstärkte Kollektorstrom bewirkt über die relativ niederohmige Spannungsquelle 2 und den kapazitiven Widerstand der Kapazitäts-pn-Zone 6 eine weitere Vergrößerung der Emitterinjektion und damit ein Umschalten der Anordnung in den Durchlässigkeitszustand. Der erhöhte Strom verursacht jedoch gleichzeitig ein allmähliches ansteigen der Spannung an der Kapazitäts-pn Zone 6, was wiederum die Verringerung der Emitterinjektion und das Zurückschalten der Anordnung in den Sparrzustand zur Folge hat. Die Wiederholung dieses Zyklus erfolgt nach der Entladung der Kapazitäts-pn-Zone 6 über den eigenen ohmsehen Übergangswiderstand. Der Steuerung der Schaltspannungen dient der sperrfreie Zusatzkontaht 11y während über den sperrfreien Zusatzkontakt 12 das Spannungsverhältnis innerhalb des Blockes 5 geregelt werden kann. Zur Verbesserung der elektrischen und geometrischen Eigenschaften ist zusätzlieh ein Gebiet hoher Rekombinationsgeschvrindigkeit 13 und ein Gebiet hoher Stromleitfähigkeit 14 enthalten. Eine günstige Form der beschriebenen Schwingschaltanordnung stellt der pnp-Funktionsblock 15 nach Pig. 3 dar. In ihm bilden sich während des Betriebes auf einem pn Übergang eine Emitter-pn-Zone 16 und eine Kapazitäts-pn Zone 1? aus. Infolge gegenseitiger Beeinflussung dieser zwei nicht streng lokalisierten Zonen ist es möglich, sinusähnliche Schwingungen zu erzeugen, die vorzugsweise -über die sperrfreien Kontakte 9 und 12 bzw. 10 und 12 abgenommen werden.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Integrierte Schwingschaltanordnung auf Iialbleiterbasi s q der eine Kippschaltung zugrunde liegt, dadurch g e -k e n n z e i e h n e t 9 daß in ihr eine Y,apazit:its-9 eine Emitter- und eine Kollektor-pn-Zone elektrisch in ßeirie geschaltet sind, bei denen der.#bstand zwischen der Emitter- und der Zollektor-pn-Zone größer ist als die B4sisdicke herkömmlicher Legierungstransistoren und die Mindestentfernung; zwischen der U-mitter- und der Kapazitätspn-Zone größer ist als die in diesem Raum mögliche Weglänge der Minoritätsträger infolge Diffusion-und des während des Betriebes herrschenden Driftfeldesq und daß an den beiden Endabschnitten der Schaltunasanordnunr; sperrfreie Kontakte angeordnet sind.
  2. 2. Integrierte Schwingschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch d e 1c e n n z e i c h n e t 9 daß die Abschnitte zwischen den pn-Zonen mit sperrfreien Zusatzkontakten versehen sind.
  3. 3, Integrierte Schwingschaltanordnund nach Anspruch 1 oder 29 dadurch d, e k e n n z e i c h n e t 9 daß in den Abschnitt, der sich zwischen der Emitter- und der Kapazitäts-pn Zone befindet, ein Gebiet hoher Rekonbinationsgeschwindidkeit enthalten ist.
  4. 4. Integrierte Schwingschaltanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i e 11 n e t daß in dem Abschnitt g der sich zwischen der Emitter- und der hapazitö,ts-pn-Zone befindet' ein Gebiet hoher Stromleitfähigkeit enthalten ist. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Elektronischer Schalter 2 Gleichspannungsquelle 5 Kondensator 4 Widerstand 5 Halbleiterblock 6 Kapazitäts-pn-Zone 7 Tmit t er-pn-Zone 8 Kollektor-pn-Zone sperrfreier Kontakt 10 sperrfreier Kontakt 1.1 sperrfreier Zusatzkontakt 12 sperrfreier Zusatzkontakt 13 Gebiet hoher RekombinationsgeschwindiGkeit 14 Gebiet hoher Stromleitfähigkeit 15 pnp-Funktionsblock 16 Lmitter-pn-Zone 17 Kapazitäts-pn-Zone
DE19681639013 1968-02-07 1968-02-07 Integrierte Schwingschaltanordnung Pending DE1639013A1 (de)

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