DE2040657C3 - Elektronischer Schalter für Halbleiterkoppelpunkte in Fernmelde-, insbesondere Fernsprechvermittlungsanlagen - Google Patents

Elektronischer Schalter für Halbleiterkoppelpunkte in Fernmelde-, insbesondere Fernsprechvermittlungsanlagen

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DE2040657C3 DE19702040657 DE2040657A DE2040657C3 DE 2040657 C3 DE2040657 C3 DE 2040657C3 DE 19702040657 DE19702040657 DE 19702040657 DE 2040657 A DE2040657 A DE 2040657A DE 2040657 C3 DE2040657 C3 DE 2040657C3
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Description

des Transistors, der als Schalter dient. Auch dieser
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter Schalter hat eine Gedächtniseigenschaft, indem die für Halbleiterkoppelpunkte in Fernmelde-, ins- isolierende Schicht aus bestimmten Ferrotlektrika bebesondere Fernsprechvermittlungsanlagen mit einem steht. Über die besonderen Probleme der Koppelsteuerbaren mindestens Vierschicht-Halbleiterelement 50 punkte in Fernsprechvermittlungssystemen ist hier zur Durchschaltung von Fernsprechverbindungs- nichts angegeben.
wegen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Derartige Koppelpunkte, die einen hohen Sperr- bistabilen, elektronischen Koppelpunkt für Fernwiderstand und niedrigen Durchlaßwiderstand auf- melde-, insbesondere Fernsprechvermittlungsanlagen weii:: xind durch eine Vielzahl von Veröffentüchun- 55 zu schaffen, welcher aus einem mindestens Viergen vorbekannt, z. B. durch die DT-AS 10 74 090, schichthalbleiterelement aufgebaut ist, und in wel-73 542, 11 76 708 und 12 00 375. Sie erfordern chem der Schaltzustand auch bei Stromausfall wieder eine Gleichstromdurchschaltung zusätzlich zur Signal- zurückgenommen werden kann,
durchschaltung. Ein Nachteil dieser bekannten Die Erfindung geht dabei davon aus, daß der be-Koppelpunkte besteht darin, daß im durchgeschalte- 60 kannte Koppelpunkt die Kombination eines Thyriten Zustand bei Verminderung des durchgeschalteten stors bzw. eines TriLcs mit einem unipolaren MOS-Gleichstroms unter den Wert des Haltestromes bzw. FET, also Feldeffekttransistor mit isolierter Steuer-Wegfall des durchgeschalteten Gleichstroms die elektrode darstellt. Der MOS-FET ist hierbei mit Durchschaltung des Sprechweges unterbrochen wird. seiner Hauptstrecke parallel zu der Strecke zwischen Fällt also die Betriebsspannung aus, so geht der ein- 65 einer Endzonenelektrode, nämlich einer Anode des gestellte Schaltzustand völlig verloren. steuerbaren Halbleiterelementes, und der Steuerin der OE-PS 2 49 174 ist ein Schalter angegeben, elektrode des steuerbaren Halbleiterelementes geder ein Halbleiterstromtor mit isolierender Schicht schaltet, wobei die Strecke zwischen der Steuer-
elektrode des Halbleiterelementes und der anderen Endzonenelektrode des Halbleiterelements als durch einen Widerstand überbrückt angesehen werden kann.
Der erfindungsgemäße Koppelpunkt ist dadurch gekennzeichnet, daß dem steuerbaren mindestens Vierschicht-Halbleiterelement zu seiner Steuerelektrode und seiner Anode die Durchschaltestrecke eines MNOS-Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode parallel geschaltet ist.
Das steuerbare Halbleiterelement kann dabei eine Zonenfolge pnpn (Thyristor) oder npnpn (Triac) oder auch pnpnp (Triac) aufweisen, wobei sich im ersteren Fall die Influenzwirkung der Steuerelektrode auf die pnp oder npn-Zonen und im zweiten Fall auf die drei mittleren Zonen des Halbleiterstromtors erstreckt.
Das Halbleiterelement kann auch zusammen mit dem MNOS-FET statt in Form zweier verschiedener, parallelgeschalteter Bauelemente als ein einziges Bauelement besonderer Art, hier im folgenden »Kombinationselement« genannt, hergestellt sein.
In bestimmten Fällen ist es vorteilhaft, das Halbleiterelement auf zwei gegenüberliegenden Begrenzungsflächen mit je einer isolierenden Doppelschicht und je einer Steuerelektrode zu versehen.
Im folgenden wird an Hand der Figuren das Wesen der Erfindung erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Prinzipschaltbild der Erfindung,
F i g. 2 Ausführungsformen des Kombinationselements in Planarbauweise und
F i g. 3 Ausführungsformen des Kombinationselements in integrierter Schichtstruktur.
Die linken Figuren mit dem Index α stellen jeweils einen speichernden, einem Thyristor entsprechenden Koppelpunkt und die rechten Figuren mit dem Index b stellen jeweils einen speichernden, einem Triac entsprechenden Koppelpunkt nach der Erfindung dar.
Wie die F i g. 1 zeigt, verbindet ein MNOS-FeIdeffekttransistor, dessen Anfangszustand der p-Anreicherungszustand ist, die Anode 1 des Halbleiterschalters (F i g. 1 a Thyristor, F i g. 1 b Triac) mit seiner Steuerelektrode. Das Anodenpotential ist hochohmig von der Steuerelektrode getrennt, weswegen dieser Koppelpunkt im nichtleitenden Zustand verbleibt. Soll der Koppelpunkt diuchgeschaltet werden, so wird impulsmäßig eine Spannung von etwa + 30 V und 0,5 msec Dauer an die Steuerelektrode des MNOS-FET gelegt. Dadurch ändert sich sein Zustand in den Verarmungszustand. Das Anodenpotential liegt nun über dem Widerstand des nunmehr leitenden p-Kanals des MNOS-FeMeffekttransistors an der Steuerelektrode des Thyristors bzw. Triacs, wodurch der Thyristor bzw. Triac gezündet wird. Ist der Gleichstrom durch das Halbleiterstromtor, d. h. also durch den Thyristor oder durch den Triac, größer als der Haltestrom, so verbleibt dieses Stromtor im leitenden Zustand. Wird der Gleichstrom unterbrochen, so bleibt der erfindungsgemäße Koppelpunkt zur Durchschaltung bereit, denn sobald wieder ein Anodenpotential vorhanden ist, zündet dieses das Halbleiterstromtor, also den Thyristor oder den Triac, von neuem über den p-Kanal des MNOS-FET und über die Steuerelektrode des Stromtors.
Ein negativer Spannungsimpuls von etwa 30 V und 0,5 msec Dauer an der Steuerelektrode des MNOS-FET ändert dessen Zustand wieder in den Anreicherungszustand und bereitet dadurch die Steuerung des Koppelpunktes in den nichtleitenden Zustand vor.
Eine folgende Unterbrechung des durch das Stromtor fließenden Gleichstroms sperrt dann das Halblsiterstromtor und damit den Halbleiter-Koppelpunkt. Das Anodenpotential kann den Koppelpunkt nicht mehr
S über die Steuerelektrode des Stromtors zünden, da der p-Kanal des MNOS-FET inzwischen in den nichtleitenden Zustand gesteuert ist
Der erfindungsgemäße Koppelpunkt kann entweder aus seinen Komponenten, d. h. aus dem Thyristor
ίο bzw. Triac als eigentliches Durchschalteorgan und dem MNOS-Feldeffekttransistor als bistabiles Element mit Gedächtniseigenschaften bestehen. Der in F i g. 1 a und 1 b gezeigte Widerstand R, der die Strecke zwischen der Steuerelektrode des Stromtors und der anderen Endzonenelektrode 2 des Stromtors überbrückt, setzt die Einschaltempfindlichkeit des Vier- bzw. Fünf-Schichters gegenüber Störspannungen herab. Der erfindungsgemäße Koppelpunkt kann jedoch auch in Planar- oder Schichtbauweise in integrierter Technik hergestellt sein, vgl. Fig. 2a, 2b, 3a, 3 b. Vorteilhafterweise ist also die Herstellung des erfindungsgemäßen Koppelpunktes nicht nur auf eines dieser Herstellungsverfahren beschränkt.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Koppelpunktes kann von der physikalischen Erkenntnis Gebrauch gemacht werden, die in der Druckschrift B. V. Keshavan, MONOS-Memory-Element, International Electronic Devices Meeting, Washington D.C. 23-25, Oktober 1968, S. 140 bis 142, veröffentlicht ist. Dort ist ein Feldeffekttransistor beschrieben, dessen Steuerelektrode durch eine Siliziumdioxid-Schicht und eine zusätzliche Silizium-Nitrid-Schicht von dem zu steuernden Kanal isoliert ist. Je nach Polarität der impulsmäßig angelegten Steuerspannung in der Größe von 20 bis 50 V und 0,1 bis 1 msec Dauer ändert der Feldeffekttransistor seine Arbeitsweise vom Anreicherungszustand in den Verarmungszustand und umgekehrt. Der Zustand der Anreicherung oder Verarmung bleibt auch nach Ausfall der Betriebsspannung gespeichert. Diese Speicherwirkung des Feldeffekttransistors mit MNOS-Struktur ist ausnutzbar, um auch den erfindungsgemäßen Koppelpunkt bistabil zu machen.
Bei der Herstellung des erfindundsgemäßen Koppelpunktes in integrierter Technik können nämlich in η-dotiertes Substrat nacheinander p- und n-dotierte Zonen eindiffundiert und die Anschlüsse 1 und 2 in der in F i g. 2 a, 2 b, 3 a, 3 b gezeichneten Weise kontaktiert werden. Über eine Siliziumdioxid- uad eine zusätzliche Silizium-Nitrid-Schicht wird die Steuerelektrode 3 derart angebracht, daß sie die rechte bzw. obere p-, mittlere n- und linke bzw. untere p-dotierte Schicht überdeckt. Durch Spannungsimpulse von etwa ± 30 V und 0,5 msec Dauer werden die Zustände der Anreicherung und der Verarmung herbeigeführt.
Ir den F i g. 2 und 3 ist auch gezeigt, daß das Halbleiterstromtor eine Zonenfolge pnpn bzw. npnpn bzw. pnpnp aufweisen kann, wobei die Influenzwirkung der Steuerelektrode sich auf benachbarte pnp- bzw. npn-Zonen erstreckt. Falls das Halbleiterstromtor fünf Zonen enthält, also ein Triac ist, erstreckt sich hier die Influenzwirkung der Steuerelektrode auf die drei mittleren Zonen. Wie schon angegeben, kann das Halbleiterstromtor nicht nur auf einer Begrenzungsfläche, sondern auch auf zwei gegenüberliegenden Begrenzungsflächen mit je einer isolierten Schicht und je einer Steuerelektrode versehen sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiter- Patentansprüche: körper darstellt. Die isolierende Schicht ist auf wcnig-
1. Elektronischer schalter für Halbleiterkoppel- stens einer der im wesentlichen senkrecht zu der punkte in Fernmelde-, insbesondere Femsprech- Zonenfolge verlaufenden Begrenzungsflache des vermittlungsanlagen mit einem steuerbaren min- 5 Halbleiterkörper*: angebracht Die Steuerelefcrode !st destens Vkrschieht-Halbleiterelement zur Durch- auf die polierende ochicht und damit auf der Beschallung von Fernsprechverbindungswegen, d a - grenzungsflache derart angebracht, daß ihre Influenzdurcb gekennzeichnet, daß dem Steuer- wirkang be. Beaufschlagung,mit aner Steuerspanbaren mindestens Vierschicht-Halbleiterelement nung sich über drei benachbarte Zonen des HaIb-(Thyristor, Triac) zu seiner SteuerelektrocL und io leiterkörpers erstreckt. Dieser Schalter ist mcht speseiner Anode die Durchschaltestrecke eines ziell für die Verwendung als Koppelpunkt vorgesehen, MNOS-Feldeffekaransistors mit isolierter Steuer- sondern allgemein zur Schaltung von Strömen Auch elektrode parallel geschaltet ist dieser Schalter hat den Nachteil, daß bei Ausfall der
2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, Betriebsspannung oder bei Verminderung des durch dadurch gekennzeichnet, daß in bekannte;· Weise 15 ihn fließenden Gleichstroms unter den Wert des die Strecke zwischen der Steuerelektrode des Hakestromes der leitende Zustand verschwindet, so steuerbaren mindestens Vierschicht-Halbleiter- daß der leitende Zustand bei Wiederauftretender Beelementes und der anderen Endzonenelektrode triebsspannung bzw. bei Ermoglichung des Fheßens (2, Kathode) des Halbleiterelementes durch einen an sich normal starker Gleichströme nicht ohne Widerstand (R) überbrückt ist (Fig. 1 a). 20 weiteres wieder vorliegt. Wurde man diesen Schalter
3. Elektronischer Schalter nach einem der vor- als Koppelpunkt verwenden, so würde sich dieser hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, Nachteil schon bei einer kurzen Unterbrechung der Bedaß der MNOS-Feldeffekttransistor und das triebsspannung im Sprechwegnetz voll auswirken, in-Halbleiterstromtor zu einem einzigen Kombi- dem der vorher eingestellte Schaltzustand verlorengeht, nationselemem zusammengefaßt sind, das einer- 25 In der Druckschrift Proc. IEEE, Juni 1969, S. 190, seits einen Halbleiterkörper mit wenigstens vier recht· Spalte, bis S. 191, linke Spalte, ist die Anwen-Zonen wechselnden Leitfähigkeitstyps enthält, das dung von MNOS-Feldeffekttransistoren beschrieben, je eine Elektrode (1, 2) an seinen beiden End- Es handelt sich hier um unipolare Transistoren mit zonen enthält, das eine isolierende Schicht auf isolierter Steuerelektrode, bsi welcher die isolierende wenigstens einer der ύη wesentlichen senkrecht 30 Schicht Nitride enthält. Solche MNOS-FETs weisen zu der Zonenfolge verlaufenden Begrenzungs- einen Speichereffekt auf, indem sie nach einem voriSächen enthält, und das andererseits wenigstens übergehenden Stromausfall bzw. Spannungsabfall den eine auf der Begrenzungsfläche derart angebrachte gleichen Zustand wie vor dem Ausfali aufweisen. Steuerelektrode enthält, daß sich die Influenz- falls sie nicht durch besondere Maßnahmen umgewirkung der mit der Steuerspinnung beaufschlag- 35 steuert werden. Solche unipolaren Transistoren haben ten Steuerelektrode (3) über drei benachbarte Zo- daher Gedächtniseigenschaften, weswegen sie in Speinen (pnp) des Halbleiterkörpers erstreckt und daß ehern zur Speicherung binärer Zahlen verwendet die isolierende Schicht auf einer unmittelbar auf werden.
dem Halbleiterkörper angebrachten Silizium- In d*r US-PS 27 91 760, insbesondere Spalte 3,
dioxid-Schicht (SiO,) und eine diese vollflächig 40 Zeile 67, bis Spalte 4, Zeile 39, und Spalte 5, Zeilen 1
bedeckenden, die Steuerelektrode tragenden Si- bis 24, ist ein bipolarer Transistor aus drei Zonen
liziumnitrid-Schicht (Si3N4) zusammengesetzt ist wechselnden Leitfähigkeitstyps beschrieben, der über
(F i g. 3 a). eine isolierende Schicht durch die Influenzwirkung
einer Steuerelektrode gesteuert wird. Die Wirkung der
45 Steuerelektrode erstreckt sich über die drei Zonen
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