DE2036686A1

DE2036686A1 - Mit Wechselstrom speisbare integrierte Schaltung

Info

Publication number: DE2036686A1
Application number: DE19702036686
Authority: DE
Inventors: Jean Paul Neshanic Station N J Graf Stefano Arturo New York N Y Keller, (V St A)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-08-11
Filing date: 1970-07-23
Publication date: 1971-03-04
Also published as: YU203270A; FR2058210B1; SE371044B; NL7011785A; DE2036686C3; DE2036686B2; FR2058210A1; MY7300433A; US3649887A; BE754677A; JPS4913436B1; GB1285488A; YU33743B

Description

7020-70/Kö/S
RCA 62,263
Convention Date:
August 11, I969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A,

Mit Wechselstrom speisbare integrierte Schaltung

Die Erfindung betrifft eine mit Wechselstrom speisbare integrierte Schaltung.

Grundsätzlich ist es erwünscht, elektrische Schaltungen so auszulegen, daß sie mit möglichst wenig einzelnen Schaltungselementen auskommen. Dadurch werden Kosten gespart, Gewicht und Größe verringert und die Verläßlichkeit erhöht.

Eine Möglichkeit, diese Vorteile zu erzielen, besteht offensichtlich in der Verwendung sperrschichtisolierter integrierter Schaltungen. Jedoch konnten bisher solche integrierten Schaltungen nur in Fällen angewendet werden, wo mit äußerer GM.chstromspeisung gearbeitet wird. Es war nicht möglich, ein sperrschichtisoliertes integriertes Schaltungsplättchen direkt mit Wechselstrom zu speisen, da in diesem Fall die Isolationssperrschicht, die für den einwandfreien Betrieb in der Sperrichtung gespannt sein muß, u.U. mit Durchlaßspannung beaufschlagt wird. Die Schaltung wird dadurch unwirksam und möglicherweise schwer beschädigt oder gar zerstört.

Wenn man also für irgendwelche Zwecke eine integrierte Schaltung verwenden wollte, mußte man für das Schaltungsplättchen eine äußere Gleichstromquelle, beispielsweise in Form einer äußeren Batterie oder einer äußeren, aus diskreten Schaltungselementen

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aufgebauten Gleichrichteranordnung vorsehen. Dies bedeutete einen zusätzlichen äußeren Schaltungsaufwand mit entsprechend größeren Kosten, erhöhtem Gewicht, größeren Abmessungen und geringerer Verläßlichkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung zu schaffen, bei der das integrierte Schaltungsplättchen direkt an eine Quelle von Wechselstromenergie angekoppelt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einem integrierten Schaltungsplättchen mit einem Substrat aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps und einem Gebiet entgegengesetzten Leitungstyps unter Bildung einer ersten gleichrichtenden Sperrschicht zwischen diesem Gebiet und dem Substrat vorgesehen, bei welcher zwischen einer der Klemmen einer Wechselstromquelle und dem Substrat eine zweite gleichrichtende Sperrschicht vorgesehen ist, die so gepolt ist, daß sie bei derjenigen Halbwelle des Wechselstromsignals nichtleitend ist, welche andernfalls die erste Sperr schicht leitend machen würde.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Ouerschnittsdarstellung eines Teils einer sperr schichtisolierten integrierten Schaltung gemäß einer Ausführung^ form der Erfindung; und

Figur 2 das konventionelle Schaltschema der Schaltung nach Figur 1.

Figur 1 zeigt einen Teil einer Schaltung 10 mit einem sperrschichtisolierten integrierten Schaltungsplättchen 12, das zusätzlich komplexe wechselstrom- und gleichstromverarbeitende Schaltungsanordnungen (nicht gezeigt) enthalten kann. Wechselstromenergie, bezeichnet mit AC, ist von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) Anschlußklemmen 14 und 16 zugeführt« Sieht man die Klemme 14 ftls Bezugsklemme an, so wechselt die Spannung an

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der Klemme l6 zwischen einem positiven und einem gleichgroßen negativen Spitzenwert in bezug auf den Bezugswert. Die Klemme 14 ist an die eine Belegung eines Kondensators 18 sowie an eine Last oder einen Verbraucher 20 angeschlossen, der hier als Widerstand R₁. bezeichnet ist, jedoch eine beliebige Schaltungsanordnung sein kann, die mit Gleichstromenergie gespeist werden muß und auf oder in dem Schaltungsplättchen 12 enthalten sein kann. Die Eingangsklemme 10 ist an das eine Ende eines äußeren Widerstands 22 angeschlossen. Das integrierte Schaltungsplättchen 12 ist zwischen das andere Ende des Widerstands 22 und die andere Belegung des Kondensators 18 sowie den anderen Anschluß des Verbrauchers 20 geschalt· t.

Das integrierte Schaltungsplättchen 12 hat ein p-leitendes Substrat 24, in dem sich ein diffundiertes n+-Gebiet 26 befindet. Auf dem Substrat 24 befindet sich eine epitaktische Schicht mit mehreren η-leitenden Gebieten 28, 30, 31 und 32, wobei während des epitaktischen Aufwachsvorgangs das Gebiet 26 auch in das Gebiet eindiffundiert wird. Die Gebiete 28, 30, 31, 32 sind durch diffundierte p+-Gebiete 34, 36 und 38 in Verbindung mit dem Substrat 24 voneinander isoliert.

Innerhalb des Gebietes 28 befinden sich ein p-Gebiet 40 und ein nH—I-ling 42, der das p-Gebiet 40 und einen Teil der n-Schicht 28 umgibt. Der Ring 42 wird in zwei Verfahrensschritten hergestellt, indem zuerst sein tiefdiffundierter Teil 44> der bis hinunter zum nH—Gebiet 26 reicht, und dann ein flachdiffundierter Teil 46 gebildet werden. Im p-Gebiet 40 befindet sich ein diffundiertes n+-Gebiet 48.

Im n-Gebiet 30 befindet sich ein diffundiertes n+-Gebiet 50· Die Herstellung dieser epitaktischen und diffundierten Gebiete auf dem Substrat erfolgt in bekannter Weise und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.

Ferner sind Metallisierungen in Form von Leiterstreifen 52, 54 und 56 (die durch Aufdampfen oder Aufplattieren eines geeigneten Metalls wie Aluminium angebracht werden können) vorgesehen.

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Der Leiterstreifen 52 verbindet das p-Gebiet 40 mit dem n+-Ring~ gebiet 42, so daß diese beiden Gebiete kurzgeschlossen sind. "Der Leiterstreifen 54 ist an das n+-Gebiet 48 und der Leiterstreifen 56 ist an das n+-Gebiet 50 angeschlossen. Die Leiterstreifen 52, 54j 56 sind voneinander sowie vom übrigen Teil des Schaltungsplättchens 12 durch eine Isolierschicht (beispielsweise aus SiIiciumdioxyd oder· Siliciumnitrid) mit Teilen 58, 60, 62, 64 und 66 getrennt.

Es besteht eine Verbindung zwischen dem Leiterstreifen 56 und der Eingangsklemme 14· Das andere Ende des Widerstands 22 ist an den Leiterstreifen 52 angesc&Lossen, und zwischen dem Leiterstreifen 54 und dem Kondensator 18 sowie dem Verbraucher 20 ist eine Verbindung vorgesehen.

Figur 2 zeigt das konventionelle Schaltschema der Anordnung nach Figur 1, wobei, soweit möglich, gleichartige Schaltungselemente mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet sind. Im integrierten Schaltungsplättchen 12 (dargestellt durch das gestrichelte Rechteck in Figur 2) sind zwei Dioden 70 und 72 vorhanden. Die Diode 70 wird auf dem integrierten Schaltungsplättchen 12 durch die Sperrschicht oder den pn-übergang zwischen dem p-Gebiet 40 und dem n+-Gebiet 48 gebildet. Die Diode 72 wird auf dem Schaltungsplättchen 12 durch den Übergang zwischen dem n-Gebiet 30 und dem p-Substrat 24 gebildet, wobei die Diode 72 über den Leiterstreifen 56 und das n+-Kontaktgebiet 50 mit der Klemme 14 verbunden ist. Außerdem besteht zwischen dem Substrat 24 und den Gebieten 26 und 28 eine Diode 74, die gestrichelt dargestellt ist, weil sie nicht einen Bestandteil der Schaltungsanordnung bildet, sondern sich bei einer sperrschichtisolierten integrierten Schaltung mit sperrgespannter Sperrschicht wirkungsmäßig ergibt.

Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung 10 ist wie folgt: Wenn die Klemme l6 positiver als die Klemme 14 ist, leitet die Diode 70, und der Kondensator 18 wird auf eine positive Spannung aufgeladen. Während dieser Zeit verhindert die Diode 72, daß die Spannung des Substrats 24 über das Bezugspotential an der Klemme

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14 ansteigt. Wenn dagegen die Klemme 14 positiver als die Klemme l6 wird, führt der negativste Punkt der Schaltung nicht mehr Bezugspotential, sondern die Spannung der Klemme * 16, d.h. die Spannung an der Klemme 16 fällt unter das Bezugspotential ab.

Wäre die Diode 72 nicht vorhanden und das Substrat 24 direkt an das Bezugspotential der Klemme 14 angeschlossen, so würde die durch das Substrat 24 und das Gebiet 26 gebildete Diode 74 leiten, weil ihre Kathode (Gebiet 20) negativ gegenüber der Anode (Substrat 24) ist. Dies würde zur Folge haben, daß die Schaltung unwirksam wird und möglicherweise schweren Schaden erleidet. Da jedoch die Diode 72 vorhanden ist, wird der Stromfluß durch die Diode 74 gesperrt, d.h. das Substrat effektiv vom Bezugspotential isoliert, so daß es bezugspotentialfrei ist. Es kann also während der positiven Halbwelle die Spannung des Substrats 24 nicht über das Bezugspotential ansteigen, während das Substrat 24 während der negativen Halbwelle bezugspotentialfrei ist.

Ein weiteres Problem bei einem integrierten Schaltungsplättchen mit einer der Diode 72 entsprechenden Diode ergibt sich aus der "wilden" oder parasitären Vielschichtelementwirkung, Dieser Effekt ist dadurch bedingt, daß das Substrat 24 sämtlichen epitaktischen Gebieten, also z.B. den Gebieten 28, 30, 31 und 32 gemeinsam ist. Wo in einem epitaktischen Gebiet ein aktives Bauelement vorhanden ist, kann sich ein parasitäres Vielschichtelement ergeben. Und zwar kann ein solches Element, wie durch die gestrichelte Linie in Figur 1 angedeutet, durch das p-Gebiet 40, das n-Gebiet 28, das p-Substrat 24 und das n-Gebiet 30 gebildet werden, wenn der n+-Ring 42 und das p-Ctebiet 40 nicht durch den Leiterstreifen 52 kurzgeschlossen wären, wie es bei einem Transistor der Fall sein würde. Beispielsweise würde ein Vierschichtelement auch zwischen der n-Schicht 30, dem p-Substrat sowie Kollektor und Basis einer etwaigen Transistoranordnung im übrigen Teil des Schaltungsplättchens (nicht gezeigt in Figur l) bestehen.

Die Anwesenheit der "Kapsel" mit dem n+-Ring 42 und dem n+- Gebiet 26 verhindert, daß dieses parasitäre Vierschichtelement

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als gesteuerter Gleichrichter wirkt, indem die innere Rückkopplungsschleifenverstärkung des Elements auf weniger als 1 erniedrigt wird. Der n+-Ring 42 und das n+-Gebiet 26 müssen also ausreichend dick sein, um diese Rückkopplungsschleifenverstärkung auf weniger als 1 herunterzudrücken. Eine ähnliche Anordnung wie die durch den n+-Ring 42 und das n+-Gebiet 26 gebildete Kapsel ist in der USA-Patentschrift 3 430 110 beschrieben.

Obwohl diese parasitäre Wirkung eines gesteuerten Gleichrichters in der Schaltung nach Figur 1 möglicherweise auch nicht auftritt, sollte die erwähnte Kapsel dennoch vorhanden sein, um sicherzustellen, daß diese Wirkung tatsächlich nicht auftritt. Da ferner andere Kapseln ähnlich wie die mit dem n-i—Gebiet 26 und dem n+-Ring 42 im Hinblick auf etwaige parasitäre Vielschichtelementwirkung aufgrund der Anwesenheit der durch das n-Gebiet 30 und das Substrat 24 gebildeten Diode und der anderen aktiven Elemente (nicht gezeigt) auf dem Schaltungsplättchen in dieses eindiffundiert werden, bringt man vorzugsweise den n+-Ring 42 und das n+- Gebiet 26 in der gezeigten Weise an.

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Claims

Pat en tansprüqhe

1.) Mit Wechselstrom speisbare integrierte Schaltung mit einem Halbleiterelement zum Verarbeiten eines Signals von einer Wechselstromquelle mit mindestens zwei Klemmen, wobei das Halbleiterelement in einer epitaktischen Schicht eines ersten Leitungstyps auf einem Substrat entgegengesetzten Leitungstyps gebildet ist, an der Grenzfläche zwischen dieser Schicht und dem Substrat ein pn-Übergang besteht «id die epitaktische Schicht elektrisch mit einer der genannten Klemmen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen das Substrat (24) und die ,ndere (14) der Klemmen (16, 14) eine Gleichrichteranordnung (72; M, 30) geschaltet ist, die so gepolt ist, daß sie nicht leitend ist, wenn das Signal eine den pn-übergang (70; 40, 48) in Durchlaßrichtung spannende Polarität hat.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichrichteranordnung durch ein elektrisch mit der anderen Klemme (14) verbundenes (über 50, 56) erstes Material (30) des ersten Leitungstyps (n) und ein daran anstoßendes, elektrisch mit dem Substrat (24) verbundenes zweites Material des entgegengesetzten Leitungstj'ps (p) gebildet wird.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus einem ersten Halbleitergebiet des entgegengesetzten Leitungstyps in der epitaktischen Schicht und einem zweiten Halbleitergebiet des ersten Leitungstyps im ersten Gebiet besteht.

4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement ein Transistor ist, dessen Kollektor durch die epitaktische Schicht, dessen Basis durch ein erstes Gebiet des entgegengesetzten Leitungstyps in der enitaktischen Schicht und dessen Emitter durch ein zweites Gebiet des ersten Leitungstyps im ersten Gebiet

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BAD

gebildet werden, wobei Kollektor und Basis gemeinsam an die eine Klemme (16) angeschaltet sind und das zweite Gebiet elektrisch, mit dem einen Ende eines Verbrauchers (20) verbunden ist, derart, daß die eine Klemme (16) und das eine Ende des Verbrauchers (20) elektrisch über eine Diode (70) gekoppelt sind.

5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4* dadurch gekennzeichnet , daß die andere Klemme (14) mit dem anderen Ende des Verbrauchers (20) verbunden ist.

6. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung (72) ein erstes Material des ersten Leitungstyps enthält, das auf dem Substrat (24) angeordnet und von der epitaktischen Schicht isoliert ist und elektrisch mit der anderen Klemme (14) verbunden ist.

7. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze ichnet, daß das Halbleiterelement von einer innerhalb der epitaktischen Schicht ausgebildeten Kapsel (26, 42) aus stark dotiertem Material (n+) von solchen Abmessungen umgeben ist, daß eine etwaige parasitäre Schaltungselement-wirkung aufgrund der Anwesenheit eines Gebietes in der epitaktischen Schicht, der epitaktischen Schicht, des Substrate und eines ersten Materials der Gleichrichteranordnung verhindert wird.

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