DE2150978A1 - Steuerbarer,elektronischer Schalter mit einem Feldeffekt-Halbleiterelement - Google Patents

Description

Steuerbarer, elektronischer Schalter mit einem Feldeffekt-. Halbleiterelement

Die vorliegende Erfindung betrifft einen steuerbaren, elektronischen Schalter mit einem Feldeffekt-Halbleiterelement, der mit Bezug auf Dauer des Schaltvorganges und Schaltkapazität im Sperrzustand außergewöhnliche Qualitäten aufweist. Die Erfindung umfaßt außerdem ein geeignetes Verfahren zur Herstellung des genannten Schalters. Dank einfachem Aufbau kann der Schalter mit diesem

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Verfahren in integrierter Bauweise hergestellt werden. Unter diesen Umständen ist nicht daran zu zweifeln, dass dem vorgeschlagenen elektronischen Schalter vielseitige Anwendungsmöglichkeiten offen stehen.

Steuerbare Gleichrichter sind in der Elektrotechnik schon seit vielen Jahren bekannt. Unter diesen stellte das Thyratron wohl den meist benutzten elektronischen Schalter dar. Sein Anwendungsbereich ist vor allem auf niedrige Frequenzen und verhältnismässig grosse Ströme beschränkt. Deshalb finden sich Thyratrone vor allem in Anlagen für Steuei'ung und Stromversorgung.

Der Bedarf nach einem elektronischen Schalter für hohe Frequenzen, der auch noch bei kleinen Strömen anwendbar ist, wurde erst beim Auftreten von Halbleiterelementen wenigstens teilweise befriedigt. Der Thyristor kann in vielen Anwendungen das Thyratron ersetzen, arbeite', ohne Heizleistung, schaltet rascher und braucht viel weniger Raum. Die moderne, hochentwickelte Technik schafft aber laufend neue Aufgaben für

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elektronische Schalter, welche oft auch mit einem Thyristor nicht befriedigend gelöst werden können. In der Elektronik, insbesondere in der Impulstechnik, wird mit immer kürzeren Schaltzeiten gearbeitet. Gleichzeitig werden die zu verarbeitenden Signale immer schwächer und Schaltkapazitäten immer störender.

In der amerikanischen Patentschrift 3.416. 008 ist daher das Problem, eine binäre Speicherzelle mit geringer Leistungsaufnahme zu bauen, durch eine Schaltungsanordnung mit Feldeffekt-Transistoren gelöst worden. Es gibt zwar Thyristoren, die für diesen Zweck eine geeignete Strom-Spannungskennlinie gehabt hätten, deren Schaltzeit aber bereits zu lang ist. Auch ihre Sperrkapazität mit einigen pF ist nicht vernachlässigbar. Die erwähnte Schaltungsanordnung ist zwar komplexer, gestattet aber kürzere Schaltzeiten und kann integriert hergestellt werden. Der Bedarf an ähnlichen oder noch rascheren, elektronischen Schaltern ist in Elektronenrechnern, Steuerungs- und Uebermittlungsanlagen besonders spürbar. Die besten Aussichten auf Erfolg haben aber nur einfache Strukturen, die raumsparend, integriert und daher billig hergestellt werden können.

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Ee ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, einen steuerbaren, elektronischen Schalter aufzuzeigen, der wesentlich
kürzere Schaltzeiten aufweist als bisher bekannte Thyristoren oder Schaltungsanordnungen mit einer Thyristor-ähnlichen
Kennlinie. Dadurch kann ein solcher Schalter zur Lösung von Aufgaben eingesetzt werden, für die bisher komplexere Anordnungen notwendig waren.

Im weiteren ist es ein Zweck dieser Erfindung, einen Schalter mit neuartiger, jedoch einfacherer Struktur zu bauen, als dies bisher möglich war. Seine zu erwartenden günstigen Eigenschaften sind unter anderem besonders darauf zurückzuführen, dass die Grundschaltung nur aus einer auf das Minimum
beschränkten Anzahl Elemente besteht.

Die Erfindung bezweckt ausscrdem,einen elektronischen Schalter BU bauen, der im Sperrzu6ta:id eine äusserst geringe Schaltkapazität aufweist. Diese Eigenschaft bewirkt, dass im offenen Zustand des Schalters praktisch keine kapazitiven Leckströme

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auftreten. Diese können- für gewisse Anwendungen des Schalters eine empfindliche Störung seiner Funktion darstellen.

Ferner wird mit dieser Erfindung auch ein einfaches Herstellungsverfahren angestrebt, das die Herstellung des vorgeschlagenen Schalters als integriertes Bauelement erlaubt. Es kann dabei nicht übersehen werden, daß Integration in der modernen Elektronik mit Wirtschaftlichkeit gleichbedeutend und daher besonders wichtig ist.

Gemäß der Erfindung wird die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch erreicht,

daß das Halbleiterelement zwei einander parallele und gegenseitig als Gate wirkende Stromkanäle unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps aufweist,

daß das als Source wirkende Ende jedes Kanals mit einem äußeren Schalteranschluß, der bei Stromdurchlaß gleich wie der Kanal gepolt ist, direkt in Verbindung steht,

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daß ferner das andere, als Drain wirkende Ende jedes Kanals über eine Last an den gegenpoligen, äußeren Anschluß des Schalters gelegt ist und daß schließlich ein äußerer Steueranschluß direkt mit einem der als Drain wirkenden Kanalenden verbunden ist.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist insbe P sondere dadurch gekennzeichnet,

daß auf einem hochohmigen Substrat eine erste Schicht eines Materials der einen Leitfähigkeit und mit einem vorgegebenen Dotierungsgrad aufgebracht wird,

daß darin eine zweite Schicht eines Materials der anderen Leitfähigkeit, mit demselben Dotierungsgrad und derselben Dicke wie jene der ersten Schicht, eingelassen wird, und daß ferner an zwei diametral entgegengesetzt an der Oberfläche liegenden Nahtstellen der zwei Schichten entsprechend· Anschlüsse für Source und Drain der Stromkanäle angebracht werden.

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Nachstehend sind die Einzelheiten der vw-ten Erfindung erläutert und anhand der zugehörigen Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die typische Strom-Spannungskennlinie einer

Vierschichl-Schaltdiode bei Steuerstrom Null,

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Vierschicht-

Schaltdiode und die funktionsmüssig identische Kombination zweier gewöhnlicher Bipolar-Transietoren,

Fig. 3 die Kombination zweier komplementärer

Feldeffekt-Transistoren als Anordnung, deren Verhalten dem einer Vierschicht-Schaltdiode analog ist,

Fig. 4 eine der Fig. 3 analoge Anordnung mit

einem Halbleiterelement, das aus der Vereinigung der beiden Feldeffekt-Transistoren hervorgegangen ist.

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Fig. 5 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 4,

wobei die N- und P-Schicht des Halbleiterelementes durch Isolation getrennt sind,

Fig. 6 eine weitere Abwandlung der Anordnung nach

Fig. 4, wobei die Belastungswiderstände durch ^ Schottky-Diöden ersetzt sind, und schliesslich

Fig. 7 eine Skizze zur integrierten Bauweise der

Anordnung nach Fig. 6.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Allgemein mit SCR (Silicon Controlled Rectifier) bezeichnete, gesteuerte Gleichrichter oder Schaltdioden sind sehr vielseitig verwendbar. Inder Fig. 1 ist eine typische Strom-Spannung skennlinie eines solchen Elementes gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass vom Nullpunkt ausgehend das Element vorerst eine hohe Impedanz aufweist. Der Strom I steigt mit wachsender Spannung nur langsam bis zu einem Wert L , dem Haltcstrom. Dieser Haltestrom wird erst erreicht, wann die Spannung U einen Durchbruchswert U erreicht hat und dann auf einen geringen

Wert zusammengebrochen ist. In diesem Punkt beginnt ein Bereich niederer Impedanz, da der Strom I bei kleinem Spannungsanstieg auf hohe Werte klettert. Wird aber die Spannung in der Sperrichtung erhöht, dann weist das Element einen hohen Sperrwiderstand auf. Folglich ist auch der durchgelassene Strom sehr klein. Bei einer anderen Durchbruchspannung U bricht jedoch die Sperrwirkung zusammen.

Dies ist das Verhalten einer Vierschicht-Schaltdiode, deren Steuerstrom Null ist. Die Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vierschichl-Schaltdiode und die Anordnung eines NPN- und eines PNP-Transistors, der^n Funktion mit der einer Vierschicht-Schaltdiode identisch ist. Wenn dem Gate (bzw. Steuerelektrode) ein Strom zugeführt wird, so erniedrigt sich die Durchbruchspannung U und der Uebergang zum Bereich

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niedere* Impedanz erfolgt früher. Im EIN-Zustand flieset also ein Strom I der gleich oder grosser als der Haltestrom L ist. Der Spannungsabfall an einer Vierechicht-Schaltdiode im EIN-Zustand entspricht etwa dem eines in Durchlassrichtung vorgespannten PN-Ueberganges. Um in den AUS-Zustand zurückzu-

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schalten, muss der Strom I unter den Wert I, des Haltestromes gesenkt werden. Dies geschieht am schnellsten, wenn an die Schaltdiode eine Spannung in Sperrichtung gelegt wird. Die kürzesten AUS- und EIN-Schaltzeiten einer solchen Schaltdiode liegen bei etwa 1 ns.

Bei kürzeren Schaltzeiten wäre der Nutzen solcher Schaltdioden noch viel grosser. Zu diesem Zweck ist in der amerikanischen Patentschrift 3.416.008 eine Schaltungsanordnung mit zwei Feldeffekt-Transistoren vorgeschlagen worden, die eine Kennlinie ähnlich jener einer Vierschicht-Schaltdiode aufweist und beispielsweise als elektronische Speicherzelle Verwendung finden kann. In Fig. 3 ist die grundlegende Schaltung dargestellt, welche zwei komplementäre Feldeffekt-Transistoren FETl und FET 2 umfasst. Die äusseren Anschlüsse der Schaltung sind wie bei der Vierschicht-Schaltdiode mit A für Anode, G für Gate oder Steuerelektrode und C für Kathode angeschrieben. Der erste Feldeffekttransistor FET liegt mit seiner Source-Elektrode S direkt am äusseren Kathodenanschluss C. Die Drain-Elektrode D ist über einen Widerstand R 1 mit dem äusseren Anschluss A verbunden. FET 1 ist ein Feldeffekt-Transistor vom N-leitenden Typus.

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Parallel zu dem soeben beschriebenen Strompfad mit FET 1 liegt ein zweiter, der den P-leitenden Feldeffekt-Transistor FET 2 umfasst. Die Source-Elcktrode S von FET 2 liegt jedoch am äusseren Anschluss A und von der Drain-Elektrode D führt ein Widerstand R2 an den äusseren Anschluss C. An die Verbindung zwischen der Drain-Elektrode D und dem betreffenden Belastungswiderstand Rl bzw. R2 eines Transistors ist auch die Gate-Elektrode G des jeweils anderen Transistors geschlossen. Mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekt-Transistors FET 1 steht also das Gate des Transistors FET 2 in Verbindung. Gleichzeitig ist damit auch der äussere Gate-Anschluss G der ganzen Schaltungsanordnung verbunden.

Unter der Bedingung, dass beide Transistoren FET 1 und FET 2 bei einer Gate-Source-Spannung gleich Null gesperrt sind, arbeitet die Anordnung nach Fig. 3 wie folgt. Ohne äusseren Triggerimpuls verharrt die Anordnung stabil im Sperrzustand, da sich die Transistoren gegenseitig gesperrt halten. Wird an den äusseren Gate-Anschluss G ein Auslöseimpuls gelegt, so wird der Transistor FET 2 eingeschaltet und es flies st Strom

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durch den Widerstand R2. Durch den Spannungsabfall an R2 wird auch der Transistor FET !.eingeschaltet. Bei geeignetem Wert der Widerstände gelangen beide Transistoren in die Sättigung und verharren darin, auch wenn das aus sere Signal inzwischen auf Null zurückgefallen ist. Der Spannungsabfall an Rl sorgt dafür, dass der Transistor FET 2 weiterhin Strom führt. Im EIN-Zustand der Anordnung fliesst der Strom vorwiegend über den PN-Uebergang zum äusseren Gate-Anschluss G.

Das Verhalten dieser Schaltungsanordnung ist also dem einer Vier schicht-Schaltdiode sehr ähnlich. Für die Speicher zeit ist aber nur ein einziger PN-Uebergang bestimmend. Der Widerstand der Anordnung im stromführenden Zustand entspricht etwa dem Sättigungswiderstand der beiden Transistoren zusammen. Im AUS-Zustand gilt als Widerstand etwa der Sperr widerstand der beiden Feldeffekt-Transistoren. Dieselbe Anordnung kann natürlich auch mit sogenannten MOS-Feldeffekt-Transistoren ausgeführt werden, deren'metallische Gate-Elektrode vom Halbleiterkörper durch eine Schicht eines Oxyds isoliert ist. Gleicherweise kann erwartet werden, dass die Schaltung auch mit MES-FET, deren Metall-Gate unmittelbar auf den Halbleiterkörper aufgebracht ist, ausführbar ist.

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Im folgenden sind nun weitere Ausführungsbeispiele beschrieben. Diese unterscheiden sich von der bereits bekannt gewordenen Anordnung von Fig. 3 durch ein neuartiges Halbleiterbauelement, das die Funktionen beider Feldeffekt-Transistoren FET 1 und FET 2 übernimmt. Das in Fig. 4 abgebildete Halbleiterelement kann als Kombination der Halbleiter-Kanäle der bisherigen Feldeffekt-Transistoren betrachtet werden. Jeder Kanal stellt gleichzeitig die Gate-Elektrode für den anderen Kanal dar. Bei einer Spannung Null zwischen einem Gate und der jeweiligen Source ist der Stromfluss im Kanal wie bisher unterbrochen, denn die Ladungsträger-Verarmungszone erstreckt sich praktisch über den ganzen HalbleiU-rquerschnitt. Dies ist ein stabiler Zustand; der AUS-Zustand. Wird durch einen Triggerimpuls am äusseren Gate-Anschluss die Stromführung eingeleitet, dann entsteht an den Widerständen Rl und R 2 wie bisher ein Spannungsabfall. Dadurch gelangt die Anordnung in den EJN-Zustand, der ebenfalls stabil ist. Der PN-Uebergang ist dann leitend und verhält sich wie eine in Durchlassrichtung vorgespannte PN-Diode.

In der Fig. 5 ist grundsätzlich immer noch dieselbe Anordnung zu sehen. Das Halbleiterbauelement besitzt aber eine Isolation

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zwischen den beiden Halbleiterkanälen. Damit ist der stromdurchlässige PN-Uebergang aufgehoben. Zur Erleichterung der Umschaltung vom AUS- in den EIN-Zustand sind die Widerstände durch Dioden ersetzt worden. Dank höherem Anfangswiderstand der Dioden kann eine kürzere Schaltzeit erreicht werden. Der sich einstellende Spannungsabfall an den strom-

W führenden Dioden genügt für die Umschaltung und die Aufrechterhaltung des EIN-Zustandes. Der Strom fliesst nun allerdings parallel durch beide Halbleiterkanäle.

Die Anordnung von Fig. 6 umfasst das Halbleiterbauelement ohne Isolationsschicht, das bereits aus der Fig. 4 bekannt ist. Auch hier sind die Widerstände ersetzt, diesmal jedoch durch Schottky-Dioden D . Die Kontaktspannung der Schottky-Dioden ™ beträgt nur etwa 400 mV gegenüber jener eines PN-Ueberganges

■von etwa 700 mV. Im EIN-Zustand der Anordnung gemäss Fig. fliesst also der Strom praktisch über beide Ilalbleiterkanäle und nicht über den PN-Uebergang. Die Spannung am Halbleiterelement bzw. am PN-Uebergang ändert sich beim Wechsel vom AUS- zum EIN-Zustand nur um den Betrag der Schottky-Kontaktspannung.

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Dadurch ergibt sich nochmals eine Verkürzung der Speicherzeit, die jetzt von den Schottky-Dioden abhängig ist. Diese Speicherzeit liegt in der Grössenordnung von 1 ns. Die Schaltungsanordnung von Fig. 6, welche sich etwa wie eine der bekannten, bipolaren Vier schicht-Schaltdioden verhält, weist diesen gegenüber eine ungefähr 1000-fach kürzere EIN- und AUS-Schaltzeit auf.

Das nachstehende Vorgehen wird vorgeschlagen, um die in der Fig. 6 dargestellte und oben beschriebene Anordnung in integrierter Bauweise herzustellen. Es umfasst die Schritte:

1. Aufbringen eines dünnen, epitaktischen und N-dotierten Halbleiterkanals auf ein hochohmiges Substrat.

2. Aufbringen einer P-dotierten Halbleiterschicht gleicher Dicke wie der N-Kanal auf den letzteren. Die Dickengleichheit beider Schichten kann durch nachträgliches Abätzen der P-Schicht erzielt werden.

3. Herstellen der Schottky-Dioden sowie der ohmschen Kontakte durch Aufdampfen eines Metalls, das mit einer

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P-Schicht einen Schottky-Kontakt aber mit einer N-Schicht einen ohmsche Kontakt bildet, sodann eines weiteren Metalls,. das im Gegensatz dazu einen Schottky-Kontakt mit einer N-Schicht und einen ohmschen Kontakt mit einer P-Schicht bildet.

In der Fig. 7 ist eine mögliche Ausiührungsform der besprochenen w Anordnung abgebildet. Die Dicken der P- und N-Schicht sind

mit dl bzw. d2 angeschrieben. Ueber der linken Nahtstelle zwischen P- und N-Schicht wird ein Kontakt beispielsweise aus Aluminium Al aufgedampft. Zum P-Material entsteht so ein Schottky-Kontakt und zum N-Material ein ohmscher Kontakt. Der äussere damit zu verbindende Anschluss ist gemäss Fig. 6 die Kathode C. An der rechten Nahtstelle von P- und N-Schicht wird ein Kontakt aus anderem Metall aufgedampft, das mit der ψ P-Schicht einen ohmschen und mit der N-Schicht einen Schottky-

Kontakt bildet. Dazu ist beispielsweise Gold Au geeignet. Au den Goldkontakt wird der in Fig. 6 mit A bezeichnete äussere Anodenanschluss gelegt. Zur Vervollständigung ist dann rechts davon auf der N-Schicht noch ein weiterer ohmscher Kontakt (nicht eingezeichnet) als aus s er er Gate-Anschluss notwendig, der wieder aus Aluminium bestehen kann.

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Wie bei jeder Vierschicht-Schaltdiode so ist auch bei der neu vorgeschlagenen Anordnung das Verhältnis der Durchbruchspannung in Durchlassrichtung U zur Spannung im stabilen,

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. stromführenden Zustand wichtig. Hohe Verhältnisziffern sind erwünscht. Dieses Verhältnis ist proportional dl / (dl - d2), ermittelt aus den Schichtdicken gemäss Fig. 7, und im übrigen von der Gleichheit der Dotierungsgrade in der P- und der N-Zone abhängig. Vom technologischen Standpunkt gesehen sind dies strenge Bedingungen, deren Erfüllung nicht sehr leicht ist. Immerhin dürfte durch Aetzen bei gleichzeitiger Ueberwachung der Schichtdickenänderung das verlangte Dickenverhältnis erreicht werden. Ein Einstellen der DoU^erung^sg^ra-d^e ist beispielsweise durch Ionenimplantation d.h. durch Ionenbeschuss des Halbleitermaterials zu erzielen.

Berechnungen unter Berücksichtigung der mit modernen Herstellungsverfahren erzielbaren Abmessungen haben ergeben, dass ein Halbleiterbauelement wie in Fig. 7 dargestellt einen Durchlasswiderstand von etwa 8 Ohm aufweist. Die Kapazität im Sper!rzustand zwischen Anode und Kathode dürfte etwa den

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Wert 0, 2 pF erreichen. Dies ist aussergewöhnlich niedrig, so dass Streukapazitäten der Anordnung, die von der Ausführungsform abhängen, eine grosse Rolle spielen. Jedenfalls kann mit kleinerer Kapazität gerechnet werden, wenn an Stelle einer Vierschicht-Schaltdiode (SCR) die vorgeschlagene Anordnung verwendet wird. Erfahrungwerte für die genannten
Schaltdioden liegen bei 3-4 pF. Dieser Vorteil der vorgeschlagenen Halbleiteranordnung kann beispielsweise bei der Verwendung als Schalter in einem Kreuz Schienenwähler von grösster Wichtigkeit sein. Das Uebersprechen kann so um
einen grossen Bruchteil vermindert werden. Unter diesen
günstigen Bedingungen lassen sich für die vorgeschlagene
Anordnung noch viele andere Anwendungsmöglichkeiten voraussehen.

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Claims (1)

1. PATEN TA NSPRÜCHE

   Steuerbarer, elektronischer Schalter mit einem Feldeffekt-Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement zwei einander parallele und gegenseitig als Gate wirkende Stromkanäle unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps aufweist, daß das als Source (S) wirkende Ende jedes Kanals mit einem äußeren Schalteranschluß (A bzw. C), der bei Stromdurchlaß gleich wie der Kanal gepolt ist, direkt in Verbindung steht, daß ferner das andere, als Drain (D) wirkende Ende jedes Kanals, über eine Last (Rl, 2 bzw. D„ . ) an den gegenpoligen, äußeren Anschluß (C bzw. A) des Schalters gelegt ist und daß schließlich ein äußerer Steueranschluß (G) direkt mit einem der als Drain (D) wirkenden Kanalenden verbunden ist.

   2- Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Stromkanäle miteinander in einer Fläche parallel zur Strecke Source-Drain (S, D) einen PN-Übergang bilden.

   3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden genannten Stromkanäle voneinander in einer Fläche parallel zur Strecke Source-Drain (S, D) in der Art der Feldeffekt-Transistoren mit isoliertem Gate, durch eine Isolationsschicht getrennt sind (Fig. 5)

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   4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last an jedem Drain-Anschluß ein ohmscher Widerstand (Rl, 2) ist.

   5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last an jedem Drain-Anschluß eine Diode, insbesondere*eine Schottky-Diode (D_g ^) ist.

   6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß * jeder Source-Anschluß des einen Kanals mit dem benachbarten Drain-Anschluß des anderen Kanals in einem einzigen Kontakt zusammengefaßt ist.

   7. Verfahren für die Herstellung des Schalters nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem hochohmigen Substrat eine erste Schicht eines Materials der einen Leitfähigkeit und mit einem vorgegebenen Dotierungsgrad aufgebracht wird, daß darin

   \ eine zweite Schicht eines Materials der anderen

   Leitfähigkeit, mit demselben Dotierungsgrad und derselben Dicke wie jene der ersten Schicht, eingelassen wird und daß ferner an zwei diametral entgegengesetzt an der Oberfläche liegenden Nahtstellen der zwei Schichten entsprechende Anschlüsse für Source und Drain der Stromkanäle angebracht werden.

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   8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an jeder Nahtstelle an der Oberfläche anzubringenden Kontakte als ein einziger Kontakt hergestellt werden und daß dazu an der einen Stelle ein Metall gewählt wird, das gleichzeitig mit der einen Schicht ohmschen und mit der anderen Schicht einen Schottky-Kontakt ergibt, und an der anderen Stelle ein Metall, das umgekehrt mit der einen Schicht einen Schottky- und mit der anderen Schicht ohmschen Kontakt ergibt.

   9. Verfahren nach ünteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anschlüsse als Kontaktmetall an der einen Stelle Gold und an der anderen Aluminium gewählt wird.

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