DE1914173C3 - Richtungskoppler - Google Patents

Description

zur Verwendung in integrierten Schaltungsanordnung migen Masseleitern bestehen. Bandleiter mit einem gen vorgesehen. Jedoch befriedigt dieser Richtungs- solchen Aufbau weisen einen niedrigen Wellenwiderkoppler noch nicht alle Forderungen, die an die neu- stand auf, was bei manchen Anwendungen wegen der zeitlichen monolithischen oder mikrominiaturisierten günstigen Anpassung an niedrige Eingangs- und Aus-Schaltungsanordnungen gestellt werden. Abgesehen 5 gangswiderstände erwünscht ist Bei einer in der von dem Vorzug der steuerbaren Kopplung, bestehen USA.-Patentschrift 33 70184 beschriebenen Ausin den Anwendungsfällen, wo diese nicht erforderlich führungsform einer solchen Bandleitung besteht das ist, und das ist bei den meisten Anwendungen der Fall, Dielektrikum aus Halbleitermaterial, und der Mitteldie Nachteile, daß der Richtungskoppier untir den leiter ist gegenüber diesem mittels einer Isolierschicht Leiterbahnen sich erstreckende Dotierungszonen auf- io z. B. aus Siliziumdioxyd isoliert,
weisen muß, daß die Halbleiterscbicht nicht konti- Der erfindungsgemäße Richtungskoppler ist durch nuierlich ist und demzufolge Fabnkationsprozesse diese Veröffentlichung nicht nahegelegt, da die Auserforderlich sind und daß zur Aufrechterhaltung der bildung eines virtuellen Masseleiters an der Trenngewünschten Kapplung eine konstante Steuerungs- schicht zwischen Halbleiter und Isolator in der VerVorspannung an die dotierten Steuerungszonen zu 15 öffentlichung nicht beschrieben ist und bei einer schalten ist. einzelnen Leitung anders als bei einem Richtungs-

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, koppler die Verzögerung der Welle uninteressant wenn einen in der sogenannten »Streifenleiter-Technik« her- nicht sogar unerwünscht ist. Außer dem kann der gestellten Richtungskoppler für ein konstantes Kopp- USA.-Patentschrift 33 70 184 keine Anregung für die lungsverhältnis zu schaffen, der die vorgenannten ao erfindungsgemäße Bemessung der Isolierschicht entNachteile nicht aufweist, der eine gleiche kontinuier- nommen werden.

liehe Halbleiterschicht enthält, der einfach, sehr genau Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen und doch preisgünstig in noch kleineren Abmessungen Richtungskopplers ist in der Zeichnung dargestellt herstellbar ist und der auch zur Verwendung in mikro- und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt miniaturisierten oder monolithischen Schaltungsan- 25 F i g. 1 in prinzipieller Darstellung die Grundordnungen verwendbar ist. struktur eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch F i g. 2 ein entsprechendes Prinzipschaltbild des

gelöst, daß zwischen der Halbleiterschicht und den erfindungsgemäßen Richtungskopplers.

beiden Leitern (Primärleiter und Sekundärleitvr) eine Gemäß der F i g. 1, welche in perspektivischer

Isolierschicht angeordnet ist und daß die Dicke der 30 Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen

Isolierschicht viel kleiner und die Dicke der Halb- Richtungskopplers zeigt, dient ein Plättchen 5, das

leiterschicht viel größer ist als der Abstand zwischen aus Halbleitermaterial besteht, als Träger für die

Primärleiter und Sekundärleiter. Übertragungsleitungen des Richtungskopplers und

Durch diese zwischen der Halbleiterschicht und den der Komponenten der integrierten Schaltungskreise.

Übertragungsleitern befindliche, sehr dünne Isolier- 35 Vorzugsweise wird für das Trägerplättchen 5 SiIi-

schicht wird eine große Kapazität dadurch erzielt, zium verwendet, jedoch sind auch andere Halbleiter-

daß die als Kondensatoren-Elektrode dienende Masse- materialien dafür verwendbar. Eine Oberflächenseite

schicht scheinbar die Halbleiterschicht durchdringt dieses Trägerplättchens 5 trägt eine Isolierschicht 4,

und virtuell an der Grenzfläche zwischen der Halb- die vorzugsweise aus Siliziumdioxyd besteht und die

leiterschicht und der Isolierschicht liegt. Außerdem 40 nach einem der bekannten Verfahren aufzubringen

weist diese Anordnung durch den relativ großen Ab- ist. An Stelle von Siliziumdioxyd können auch andere

stand der Masseschicht zu den Übertragungsleitern Materialien als Isolierschicht 4 verwendet werden,

eine große Induktivität auf, so daß sich eine sehr kurze Eine Masseschicht 3, die aus leitendem Material

Übertragungsleitung mit einer großen Verzögerung besteht, ist auf der Unterseite des Trägerplättchens 5

ergibt. 45 angeordnet. Auf der Isolierschicht 4 verlaufen, wie

Gegenüber dem zuletzt genannten bekannten Steuer- in F i g. 1 dargestellt ist, zwei aus leitendem Material

baren Richtungskoppler hat der erfindungsgemäße bestehende Leiter, der Primärleiter 1 und der Sekun-

Richtungskoppler noch einen gedrängten Aufbau, so därleiter 2. Für diese Leiter 1 und 2 wird vorzugsweise

kann z. B. die Breite der Übertragungsleitungen etwa ein metallisches Material verwendet, z. B. nieder-

nur das O.lfache betragen. 50 geschlagenes Aluminium.

Dieser erfindungsgemäße Richtungskoppler, bei Um die geforderte Kopplung bzw. Übertragungsdem ein Paar von parallel verlaufenden Übertragungs- funktion des Richtungskopplers zu erhalten, sind leitungen von einer auf Massepotential liegenden gemäß der Darstellung in F i g. 1 die Abmessungen Platte durch eine mit einem Isolierüberzug versehene für die Dicke t, Breite b und den Zwischenabstand d Halbleiterschicht beabstandet ist, hat außerdem gegen- 55 der Leiter 1 und 2 zu variieren. Bei einem ausgeführten über den bekannten Richtungskopplern mit dielek- Richtungskoppler dieses Systems betrugen die Abtrischer Abstandsschicht den Vorteil, daß sich mehrere messungen der Leiter: Breite b 25 μιη, Dicke t 1 μπι. Möglichkeiten der Energieverteilung ergeben. Wird bei Vorzugsweise sollte jedoch die Dicke eines Leiters 2 μιη dem erfindungsgemäßen Richtungskoppler an einem und die Breite 50 μπι sein.

Ende der Primärleitung eine Energie eingespeist, dann fio Der in F i g. 1 dargestellte Richtungskoppler ist

kann diese an dem weitest entfernten Ende der Sekun- speziell zur Verwendung in Schaltungskreisen, die

därleistung abgenommen werden, dies ist bei bekann- in integrierter Schaltungstechnik hergestellt sind,

ten Richtungskopplern, die¹ nur eine homogene dielek- vorgesehen. Eine einzige Leitung auf der Oberseite

trische Schicht zwischen der Masseschicht und den einer integrierten Schaltungsanordnung hat eine

Übertragungsleitern aufweisen, nicht möglich. 65 scheinbare Massefläche, die sich in der Halbleiter-

Es sind Bandleitungen bekannt, die aus einem in schicht in der Nähe der Siliziumdioxyd-Silizium-Dielektrikum eingebetteten bandförmigen Mittelleiter Trennschicht befindet und die die Kapazität der und zwei symmetrisch dazu angeordneten bandför- Übertragungsleitung bestimmt. Die metallische Masse-

fläche, in diesem Beispiel die Masseschicht 3 nach von /ft gleich dem von kc, dies hat zur Folge, daß F i g. 1, dient bei der Betrachtung zur Bestimmung sich alle Wellen mit nur einer Geschwindigkeit fortder Induktivität der Übertragungsleitung als Pfad pflanzen. Bei dem erfindungsgemäßen Richtungsfür die Stromrückführung. Die Kapazität dieser koppler hingegen ergibt sich eine Welle langsamer Anordnung ist groß, weil die isolierende Oxydschicht 4 5 Geschwindigkeit und eine Welle schneller Geschwinsehr dünn ist, und die Induktivität ist auch groß, weil digkeit. Die Laufzeitverzögerung in diesem Richtungsdie Dicke Λ₂ der Halbleiterschicht sehr groß ist im koppler erscheint dadurch verschieden zu den zwei Vergleich zu der Breite i> des Leiters. Es ergibt sich Wellen mit den unterschiedlichen Ausbreitungssomit als Resultat dieser Betrachtung, daß eine einzige geschwindigkeiten.

Übertragungsleitung auf einem Trägerplättchen einer io Auf Grund der Symmetrie der beiden Übertraintegrierten Schaltung eine große Übertragungsver- gungsleitungen im erfindungsgemäßen Richtungszögerung aufweist, da diese Anordnung eine große koppler wird angenommen, daß die Selbstinduk-Kapazität und große Induktivität hat. Ein weiteres tivitäten der zwei Leitungen gleich sind (L_n = L_M) Ergebnis dieser Betrachtung ist, daß zwei einander und daß die Eigenkapazitäten dieser beiden Leitungen benachbarte, parallele Leiter auf einer integrierten 15 ebenfalls gleich sind (C₁, = C_M). Diese Bedingungen Schaltungsanordnung eine vernachlässigbare kapa- für C und L sind so definiert:
zitive Kopplung aufweisen, wenn die Dicke Zi₁ der L-L₁-L und C-C = C
Isolierschicht 4 viel kleiner als das Abstandsmaß d ^{M u Z!}"
der parallelen Leiter gewählt wird, und eine große In dem Schaltbild der F i g. 2 bedeutet W₁ die induktive Kopplung ergibt sich, wenn die Dicke d_t ao Spannung zwischen Masse und dem Primärleiter 1; der Halbleiterschicht 5 viel größer als das Abstands- die Spannung V₁ (0) liegt am Eingang, und die Spanmaß d der parallelen Leiter gewählt wird. Oder in nung V₁(I) am Ausgang. v_t ist die Spannung des Seanderen Worten ausgedrückt, dominierend für die kundärleiters 2 zu Masse, wobei t>₈(0) sich auf den Kopplung von zwei parallelen, auf einem integrierten Eingang und V₂(I) sich auf den Au^reing bezieht. Schaltungsblock angeordneten Leitungen ist die in- 35 χ bedeutet die jeweilige Länge der Ü ertragungsduktive Kopplung. Die dargestellte Übertragungs- leitung, deren Eingang mit χ = 0 und de en Ausgang leitung hat eine große Induktivität und eine große mit χ — I bezeichnet ist.

Kapazität, die eine große Laufzeitverzögerung auf der Angenommen ist ein Beispiel eines Richtungs-

Übertragungsleitung verursachen. Durch diese zusatz- kopplers mit

liehe Verzögerung ist es möglich, einen wirksameren 30

Richtungskoppler zu konstruieren, der viel kürzere ^. ^ ^. _ Lm^ _ _{Q g}

Übertragungsleitungen aufweist als die bisher be- ^L L '
kannten Richtungskoppler.

Fi g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild des in Fi g. 1 abge- ' ⁼ "Ό5 ^m

bildeten Richtungskoppler, zwecks Erläuterung seiner 35 L = 10 nh/cm = 10~^e Henry/m,

Wirkungsweise. Obwohl die in F i g. 1 dargestellte C = 4 pf/cm = 4 · 10-¹⁰ Farad/m.
Struktur grundsätzlich als Richtungskoppler dienlich

ist, besteht die Möglichkeit, die Wirksamkeit der Bei einer gewählten Frequenz von 560 MHz ergibt

Kopplung durch eine Änderung der Parameter der sich

Struktur zu variieren. 40

Bei zwei Übertragungsleitungen bestehen die zwei ^v* W) _ q ^

Kopplungskoeffizienten, nämlich der kapazitive Kopp- ^vi W)

lungskoeffizientfcc und der induktive Kopplungs- v_t(l)

koeffizient k_L. Diese Koeffizienten sind wie folgt ν₁(0)⁼·^/ ' '

definiert: 45 ,p.

ki = --ⁿ~, ^Vl

yL₁₁ Ls₂ Durch eine Veränderung des Kopplungswertes

von ki kann das vorstehend berecLnete Spannungs-

k_c _ £2 _€ ⁵° verhältnis variiert werden. In der nachstehenden Ta-

V(C₁₁ + C_m) (C_M + C_m) ' ¹^V"!¹¹*¹? Beispiele einige wenige typische Fälle

acs Verhältnisses Ausgangs- zu den Eingangswerten

Dabei bedeuten L_m die Gegeninduktivität, G_n die ^aufS^{ef ührt W} J^eweik einheitlicher Eingangsamplitude.

Gegenkapazität, L₁₁, L_M die Selbstinduktivitäten 55

und C_n, C_M die Eigenkapazitäten der beiden Leitungen. k_L

Weil bei dem erfindungsgemäßen Richtungskoppler die kapazitive Kopplung vernachlässigbar klein ~

ist und die induktive Kopplung sehr groß ist, wird 0,6 0 η 1

der Wert von fci viel größer als der Wert von kc- 6° 0^6 0 1 η

Bei den bekannten Richtungskopplern mit homo- 0^8 0 5 η 87 η

gener dielektrischer Abstandsschicht ist der Wert 0^99 über 0,7 über 0,7 über 0

''»(0)	v,(/)	V1(O)
Vi(O)	V1(O)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2V hat gegenüber den neuzeitlichen in miniaturisierten Patentansprüche: Schaltungsanordnungen gebräuchlichen Mitrowellen- Übertragungsvorrichtungen sehr große Abmessungen,

1. Richtungskoppler, bestehend aus zwei paral- keinen solch hohen Frequenzbereich und ist relativ lelen Leitern, die gleichen Abstand zu einer Masse- 5 teuef in seiner Herstellung.

schicht aufweisen, und einer zwischen den Leitern Es sind auch kleinere und einfachere Mikrowelien-

und der Masseschicht angeordneten Halbleiter- Übertragungsvorrichtungen bekannt. So betrifft die schicht, dadurchgekennzeichnet, daß deutsche Auslegeschrift 10 75 690 einen Welienformzwischen der Halbleiterschicht (5) und den beiden wandler, bei dem der Signalleiter von einer Masse-Leitern (Primärleiter 1 und Sekundärleiter 2) eine i_O schicht durch eine dielektrische Schicht beabstandet Isolierschicht (4) angeordnet ist und daß die ist. Durch die deutsche Auslegeschrift 11 91 445 wurde Dicke (A₁) der Isolierschicht (4) viel kleiner und die eine Symmetrieranordnung für hochfrequente elektro-Dicke (AJ der Halbleiterschicht (5) viel größer ist magnetische Wellen bekannt, bei der gedruckte Leiterais der Abstand (d) zwischen Primärleiter (1) und bahnen auf einer dielektrischen Schicht angeordnet Sekundärleiter (2). _l5 sind.

2. Richtucgskoppler nach Anspruch 1, dadurch Der Trend zur weiteren Miniaturisierung der Baugekeimzeichnet, daß die Halbleiterschicht (5) aus elemente führte zu integrierten Schaltungsanordnungen, Silizium und die Isolierschicht (4) aus Silizium- die beispielsweise durch die niederländische Offendioxyd besteht. legungsschrift 66 06 083 (entsprechende deutsche Offen-

3. Richtungskoppler nach einem der Ansprüche ao legungsschrift 15 64 410) bekannt wurden. Bei einer 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Primär- derartigen monolithischen Schaltungsanordnung sind leiter (1) und Sekundärleiter (2) aus niederge- die diversen Bauteile (z. B. Transistoren, Dioden) in schlagenem Aluminium bestehen. kompakter Bauweise in einem Halbleiterplättchen

durch verschiedene Dotierungszonen gebildet worden as und in diesen integriert. Die Oberfläche des HaIb-

leiterplätt^hens ist mit einer Isolierschicht bedeckt,

auf der ein Leitungsmuster angeordnet ist, das durch Öffnungen in der Isolierschicht den jeweiligen Erfor-

Die Erfindung betrifft einen Richtungskoppler, der dernissen entsprechend die verschiedenen Potentialaus zwei parallelen Leitern besteht, die gleichen Ab- 3° zonen im Halbleiterplättchen miteinander verbindet, stand zu einer Masseschicht aufweisen, und einer wobei die einzelnen Leiterbahnen als rein galvanische zwischen den Leitern und der Masseschicht ange- Verbindungen dienen. Zur Vermeidung von unerordneten Halbleiterschicht. wünschten Feldeffekten und Potentialverschiebungen

Richtungskoppler sind Bauelemente der Mikro- sind die örtlichen Gebiete unter den galvanischen Wellentechnik. Sie werden in der Nachrichtentechnik, 35 Leitungen hochdotiert. Eine derartige monolithische in Antennenweichen und in der M.'ß- und Funkmeß· Schaltungsanordnung ist wohl für steile Gleichspantechnik verwendet. Gegenstand des deutschen Pa- nungssignale und höhere Frequenzen geeignet, jedoch tentes 15 74 593 ist eine Richtungskoppler-Anordnung aus verschiedenen Gründen nicht für Höchstfrequenzur Übertragung von Daten zwischen einer Vielzahl zen, z. B. 10 GHz und darüber, da beispielsweise eine von Datenverarbeitungsanlagen. 40 direkte galvanische Verbindung zwischen der Leiter-

Ein Richtungskoppler ist ein Übertragungssystem, bahn und dem integrierten Bauelement besteht. An die das im Prinzip aus einer primären und einer sekun- Mikrostreifenleitungen zur Höchstfrequenz-Signaldären Leitung besteht, die so angeordnet sind, daß eine und Energieübertragung werden spezielle, dem Fachan einem Ende der Primärleitung eingespeiste Wirk- mann bekannte Forderungen gestellt,
leistung zu dem anderen Ende dieser Primärleitung und 45 Eine Mikrowellenvorrichtung nut einem Wellenzu den beiden Enden der Sekundärleitung gekoppelt leiterabschnitt, der ein Plättchen aus Halbleitermawird. Bedingt durch die gewählte Koppeldämpfung terial aufweist, auf dessen einander gegenüberliegenden wird auf die Enden der Sekundärleitung nur ein Teil Oberflächen einerseits die Leiterbahnen und ändernder eingespeisten Wirkleistung übertragen. Dabei steht seits die Masseleiter angeordnet sind, wurde durch die an dem Ende der Sekundärleitung, das dem Ende der 50 deutsche Auslegeschrift 12 60 566 bekannt. Diese Primärleitung, an dem die Einspeisung erfolgt, be- Mikrowellenvorrichtung enthält unter anderem das nachbart ist, wesentlich mehr Energie zur Verfügung Merkmal, daß sowohl die Reaktanz als auch der als an dem anderen Ende der Sekundärleitung. Dieses Widerstand durch eine an die Leiterbahnen und die Verhältnis wird als Richtdämpfung bezeichnet. Der Masseleiter angelegte Spannung steuerbar ist.
zu den Leitungsenden übertragene Leistungsbetrag 55 Ein ähnlicher, weiterentwickelter Richtungskoppler, ist VOU tier Struktur des Richtungskoppler, von der bei dem die Übertragungsleiter auch direkt über Frequenz, der Form und der Laufrichtung der ein- speziell dotierten Zonen eines Halbleiterplättchens gespeisten Signale abhängig. angeordnet sind, wurde in einem von der Fa. Westing-

In der deutschen Patentschrift 9 50 304 ist bereits house anläßlich der International Solid State Circuits ein Richtungskoppler zum Ausgleich von Laufzeit- 60 Conference, am 16. Februar 1968, Annenberg Audiunterschieden sehr kurzer elektromagnetischer Wellen torium/University of Pennsylvania, gehaltenen Vorbeschrieben, bei dem eine in die Hauptleitung einge- trag erwähnt. Durch das Anlegen einer wählbaren speiste Welle zunächst gleichmäßig auf zwei Neben- Vorspannung an die Dotierungszonen ist das Koppleitungen verteilt wird. Mit einem reflektierenden Ab- lungsverhältnis zwischen den zwei Übertragungsschluß auf einer der beiden Nebenleitungen oder auch 65 leitungen steuerbar veränderlich. Dieser Richtungsan beiden kann eine weitere Energieverteilung in eine koppler, der ebenfalls in der sogenannten »Streifenandere Hauptleitung vorgenommen werden. Dieser leiter-Technik« ausführbar ist und dessen Leiterbahnen b.kannte, als Hohlleiter ausgeführte Richtungskoppler eine Breite von etwa 0,25 mm aufweisen, ist ebenfalls