DE2231933A1 - Festkoerperschalter - Google Patents
FestkoerperschalterInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
9401 West Grand Avenue
V.St.A.
Festkörperschalter
Die Erfindung betrifft einen Festkörperschalter aus zwei komplementären Metall-Oxyd«SiIicium-Öberflächen-Feldeffekttransistoren (nachfolgend als MOS-Transistoren
bezeichnet) von denen der eine tine N-leitende und der andere eine P-leitende Kanalstrecke umfasst, wobei die
beiden MOS-Transistoren parallel geschaltet sind und als Analogschalter Verwendung finden können»
Bei komplementären MOS-Halbleiteranordnungen als Analogschalter, die parallel geschaltet sind, stellt das
eine Elektrodenpaar aus einer zusanmengeschalteten Quelle
und Senke zweier verschiedener Elemente den Eingang und das andere zusammengeschaltete Elektrodenpaar an
die Quelle und Senke der beiden parallel geschalteten MOS-Transistoren den Ausgang des Analogschalters dar.
Dieser Festkörperschalter arbeitet als Schalter bzw.
Relais mit hoher Schaltgeschwindigkeit in der GrÖssen-
2Ü9883/118U Ordnung
$ M27OP/G-827/8
Ordnung von NanoSekunden. Der Schalter wird durch das
Anlegen entgegengesetzt polarisierter Torsignale an die Tore der komplementären MOS-Halbleiteranordnung
leitend gemacht. Derartige Festkörperschalter in Form von Relais können sowohl in analogen als auch
in digitalen Multiplexschaltungen Verwendung finden und sind in gleicher Weise auch für die Anwendung bei
digitalen oder analogen Umkehrstufen wegen ihrer hohen Abschaltwiderstände verwendbar. Ein Multiplexsystem,
in welchem Festkörperrelais Verwendung finden, dient der Flugdatenabfrage bei Flugzeugen zur Ferntiberwehung
von Flugzuständen und von Bordinstrumenten.
Für derartige Systeme bestehen hohe Anforderungen bezüglich der Über Schalter übertragenen Informationen,
die bei der Übertragung über den Schalter nicht verändert werden dürfen. Das heisst, dass das Ausgangssignal
eines solchen Schalters gegenüber dem Eingangssignal gleich sein muss, oder nur linear proportional
verändert sein darf. Diese Forderung stellt keine besonderen Probleme bei langsam arbeitenden Relais,
da der Widerstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Relais vernachlässigbar ist, wenn die Relaiskontakte
geschlossen sind. Wenn jedoch Analogschalter aus MOS-Halbleiteranordnungen Verwendung finden, ist der Eingang-Ausgangswiderstand
nicht linear und ändert sich in Abhängigkeit von der Eingangsspannung am Festkörperrelais.
Diese Nichtlinearität des Widerstandes ergibt sich offensichtlich aufgrund eines Vorspannungseffektes zwischen der
Quelle und dem Substrat. Dieser Quellen-Substrat-Vorspannungseffekt ergibt sich aus der dem Element eigenen
Sperrvorspannung, die an dem Substrat der MOS-Halbleiteranordnung anliegt aufgrund von Trägerwanderung innerhalb
des Halbleiterkörpers. Diese Vorspannung wird nachfolgend
- 2 - mit
? f] Π Π R 3 / Π 8 Ü
M27OP/G-827/8
mit V5 bezeichnet und ist die Quellen-Substrat-Differenzspannung
des bestimmten MOS-Elementes. Diese Sperrvorspannung
hängt vom Eingangssignal ab und beeinflusst das MOS-Element durch die Verursachung einer Änderung der Schwellwertspannung
am Tor in Abhängigkeit von der Amplitude des angelegten Eingangssignals.
Diese Änderung der Torschwellwertspannung bewirkt einen nichtlinearen,über das MOS-Element gemessenen Widerstand
in Abhängigkeit von der Eingangsspannung. Damit wird von
herkömmlichen MOS-Elementen eine gewisse Verzerrung aufgrund
dieses Widerstandes verursacht. Wenn Informationen von bestimmten Öbertragungsleitungen an eine Multiplexschaltung
gegeben und von dieser miteinander verschachtelt werden, kann die Amplitude dieser Signa!informationen
am Ausgang der Multiplexschaltung den eingangsseitigen Werten nicht mehr entsprechen. Daher wird die Genauigkeit
der Übertragung über Festkörperrelais in Frage gestellt, wenn Analogschalter in Form konventioneller MOS-HaIbleiteranordnungen
Verwendung finden. Diese Einflüsse können sehr kritisch werden, wenn die über das Festkörperrelais
übertragenen Informationen die Form bestimmter Spannungswerte haben. Nimmt man z.B. die Abtastung der
Temperatur in dem Triebwerk eines Flugzeuges, wobei die Temperatur durch ein bestimmtes Spannungsniveau gekennzeichnet
ist, so kann sich eine sehr geringe Veränderung dieser Spannung aufgrund des inneren Widerstandes des
Festkörperrelais einstellen, wenn die zu übertragenden Spannungen an den Grenzen des Obertragungsbereiches des
Festkörperrelais liegen. Wenn jedoch die Spannungswerte sehr klein oder im Bereich von Null liegen, verursacht
der grosse Übertragungswiderstand vom Eingang zum Ausgang des Festkörperschalters eine "Verzerrung" der Spannung
indem vom Festkörperschalter ausgangsseitig falsche
- 3 - Spannungen
? r, Γ; Π Ρ, .Ί / 1 1 B D
If M27OP/G-827/8
Spannungen abgegeben werden. Diese Verzerrung führt dazu, dass bisher die Verwendung von Festkörperrelais
bei Multiplexsystemen für Flugzeuge abgelehnt werden, da der durch die Übertragung über Festkörperrelais
verursachte Sparinungsfehler wegen der Nichtlinearität nur schwer auszugleichen ist.
Obwohl die herkönunlichen Analogschalter mit komplementären MOS-Transistoren schnell schalten und im Gegentakt einen
Betriebsbereich haben, der gleich der Spannungsdifferenz zwischen den entgegengesetzten Polaritäten der Torspannungen
ist, können diese Schalter in ihrer gegenwärtigen Form nicht benutzt werden, da die geschalteten Signale
eine "Verzerrung" erfahren. Diese analogen Schalter aus komplementären MOS-Elementen besitzen eine parallel geschaltete
P-leitende und N-leitende Kanalstrecke. Im eingeschalteten
Zustand hat dieser Schalter einen Eingangs-Ausgangswiderstand, d.h. einen Obertragungswiderstand
der sich aus denparallel geschalteten Widerständen der beiden Elemente ergibt. Dieser zusammengesetzte Widerstand
ändert sich unglücklicherweise mit der Änderung der Eingangsspannung, wodurch die erwähnten Verzerrungen
ausgelöst werden.
Es soll daher ein Festkörperschalter geschaffen werden, bei dem die erwähnten "Verzerrungen" auf ein Minimum
herabgedrückt werden, indem die Widerstandsänderung des Obertragungswiderstandes in Abhängigkeit von der Eingangsspannung auf ein Minimum verringert wird. Wenn die herkömmlichen
Schalter dieser Art in integrierter Schaltkreisform aufgebaut sind, ist es das Element mit der
N-leitenden Kanalstrecke, welches hauptsächlich zu den erwähnten Verzerrungen beiträgt, da dessen Empfindlichkeit
mit der Eingängsspannung V^ veränderlich ist. Die Empfind-
- 4 - lichkeit
? η ρ η R 3 /1 ι ρ ο
S M27OP/G-827/8
lichkeit des Elementes mit der N-leitenden Kanalstrecke
ist häufig das Dreifache der Empfindlichkeit des Elementes mit der P-leitenden Kanalstrecke in Abhängigkeit von den
Änderungen der Eingangsspannung. Es soll daher die Empfindlichkeit
des Elementes mit der N-leitenden Kanalstrecke verringert werden. Diese Empfindlichkeit der N-leitenden
Kanalstrecke bereitet insbesondere Schwierigkeiten bei "der Herstellung der komplementären MOS-Elemente in integrierter
Schaltkreisform, da die Substratdotierung für das Element mit der N-leitenden Kanalstrecke höher als
die SubstratdotieTung des Elementes mit der P-leitenden Kanalstrecke ist. Die Empfindlichkeit der N-leitenden
Kanalstrecke soll jedoch verringert werden, indem entsprechend
die Torschwellwertspannung VT verringert wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperschalter zu schaffen, der als Analogschalter
Verwendung finden kann und aus komplementären MOS-HaIbleiter aufgebaut ist. Dieser Schalter soll eine verringerte
Widerstandsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Amplitude der Eingangssignale aufweisen, wobei die Übertragungsverzerrungen
bekannter Schalter dieser Art in Abhängigkeit von der Eingangsspannung weitestgehend unterdrückt werden.
Dabei soll eine hohe Schaltgeschwindigkeit in der Grössenordnung von Nanosekunden und ein Gegentaktaussteuerungsbereich
erzielt werden, der gleich der Spannungsdifferenz zwischen den Torspannungen ist, die notwendig sind, um
die beiden Kanäle des komplementären MOS-Schalters gleichzeitig leitend zu machen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass Einrichtungen vorhanden sind, um die Quelle des einen
MOS-Transistors mit seinem Substrat immer dann zu verbinden, wenn beide MOS-Transistoren durch gleichzeitiges Anlegen
- 5 - von
2ü 988.1/1 180
* M27OP/G-827/8
von Torsignalen geeigneter Amplitude und Polarität leitend gemacht werden, wobei die Änderung des Widerstandes über
den Schalter (Obertragungswiderstand) beim Stromführen beider MOS-Transistoren auf ein Minimum in Abhängigkeit
von der Änderung eines Signals verringert wird, das an eine der zusammengeschalteten Quellen und Senken der
beiden Elemente angelegt ist.
Bei einem derartigen Festkörperschalter gemäss der
Erfindung wird eine Verringerung der Empfindlichkeit dadurch bewirkt, dass das Substrat des Elementes mit
N-leitender Kanalstrecke an die Quelle diesesElementes Über ein Hilfselement mit P-leitender Kanalstrecke angeschlossen
ist, wennimmer der Schalter leitend gemacht wird. Dadurch wird die bereits erwähnte Quellen-Substratvorspannung
eliminiert, indem das Potential zwischen dem Substrat und der Quelle des Elementes mit N-leitender
Kanalstrecke gleich Null gehalten wird. Diese Bedingung V » 0 bewirkt eine relativ flache Widerstandscharakteristik
für das Element mit dem N-leitenden Kanal und damit für den ganzen Schalter in Abhängigkeit von analogen Eingangsspannungen,
die den gesamten Betriebsbereich durchlaufen.
Durch die Bedingung V ■ O für das Element mit dem
q-s
N-leitenden Kanal wird erreicht, dass das hohe Änderungsverhältnis des Widerstandes der N-leitenden Kanalstrecke
in Abhängigkeit von einer Änderung der Eingangsspannung verringert wird. Durch dieses Arbeiten auf einem flacheren
und niedrigeren Teil der Widerstandskurve des N-leitenden Kanals wird dessen Empfindlichkeit verringert, und da der
N-leitende Kanal parallel mit dem weniger empfindlichen
P-leitenden Kanal liegt, ergibt sich aus der Kombination der parallel geschalteten Widerstände für den Schalter
- 6 - eine
2 0 S P. R ** / 1 1 β Π
M27OP/G-827/8
eine wesentlich geringere Änderung des Widerstandes in Abhängigkeit von den angelegten Eingangssignalen.
Damit wird die durch den Schalter bedingte "Verzerrung" wesentlich verringert.
Die Gründe für die Empfindlichkeit des N-leitenden Kanals sind die folgenden: Es wird angenommen, dass
Rn eine Funktion von 1/(V - VT) ist. Dabei ist
Vg die Differenzspannung zwischen der Quelle des
Ej61emntes mit N-leitender Kanalstrecke und seinem Tor.
Die Torschwellwertspannung, bei welcher der N-leitende
Kanal leitend gemacht wird, ist VTn, Diese Grosse VTn
ist eine Funktion der Vv~~~ . Indem V_ „ auf 0 verringert
cj—sn q—sn
wird, wird die Empfindlichkeit von V- in Abhängigkeit von
den Änderungen der Eingangsspannung auf ein Minimum verringert.
Wenn die Empfindlichkeit V™ auf ein Minimum verringert ist,
wird auch der Widerstand R^ entsprechend auf ein Minimum
verkleinert. Ferner ist VT eine Funktion von V , wobei V « Vj für grosse Lastimpedanzen ist. Wenn daher das
Substrat der N-leitenden Kanalstrecke mit der Quelle der N-leitenden Kanalstrecke verbunden wird, geht die Differenzspannung
zwischen der Quelle und dem Substrat auf Null zurück. Damit wird die Differenzvorspannung eliminiert,
die bisher die Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke bestimmt hat. Damit ändert sich auch der Ausdruck V™. nicht
mehr wesentlich mit der Eingangsspannung V. . Wenn sich
aber der Ausdruck VT nicht mehr ändert, wird auch der
Widerstand R., nicht mehr so gross und damit die Empfindlichkeit
nicht mehr so gross in Abhängigkeit von der Aussteuerung durch das Eingangssignal sein, da es nunmehr
nur noch proportional dem Ausdruck 1/AV und nicht mehr
proportional dem Ausdruck l/CßV --AO ist· Indern nun-
sgn η
mehr das Element mit der N-leitenden Kanalstrecke mit niedrigereiEmpfindlichkeit parallel zu dem an sich weniger
- 7 - empfindlichen
g M27OP/G-827/8
empfindlichen Element mit P-leitender Kanalstrecke geschaltet
wird, erhält man eine nahezu flache Widerstandscharakteristik für den gesamten Schalter. Dabei ist die
Widerstandscharakteristik im Zentrum des Übertragungsbereiches des Schalters am flachsten, womit noch weniger
Verzerrungen bei Eingangssignalen mit niedrigen Spannungswerten, wie sie beim Nulldurchgang auftreten, erzielt
werden. Dies ist ein ganz wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten Schaltern, bei denen die grösste Verzerrung
normalerweise bei Signalen im Bereich des Nulldurchgangs auftreten.
Damit lässt sich in vorteilhafter Weise ein Analogschalter aus komplementären MOS-Elementen schaffen, der Informationen
einer ersten Übertragungsleitung an eine zweite Übertragungsleitung
ohne wesentliche Verzerrungen überträgt und dabei einen Funktionsbereich umfasst, in welchem der Amplitudenbereich
des Eingangssignals gleich der Differenz zwischen den Schwellwertspannungen der komplementären MOS-HaIbleiteranordnung
ist. Ein solcher Festkörperschalter stellt ein verbessertes Festkörperrelais dar, bei dem die Änderung
des Eingangs- Ausgangswiderstandes für Änderungen des Eingangssignals auf ein Minimum herabgedrückt werden, wobei
gleichzeitig das Substrat des Elementes mit der N-leitenden Kanalstrecke auf demselben Potential gehalten wird, wie
die Quelle dieses Elementes. Diese Aufrechterhaltung desselben Potentials lässt sich mit Hilfe des zusätzlichen
Elementes mit P-leitender Kanalstrecke bewirken, das auf demselben integrierten Halbleiterplättchen angebracht werden
kann und welches während der Zeit,während welcher der Schalter leitend ist, ebenfalls leitet.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
- 8 - Die
B MZ7OP/G-827/8
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei aus der Beschreibung des Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung
weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. Es zeigen:
Fig. 1 das Schaltschema eines bekannten Analogschalters
mit komplementären MOS-Transistoren, wobei die komplementären Elemente parallel geschaltet sind;
Fig. 2 das Schaltschema eines Analogschalters gemäss der Erfindung, aus komplementären MOS-Transistoren,
wonach das Substrat des Transistors mit N-leitender Kanalstrecke mit der Quelle des Transistors mit
der N-leitenden Kanalstrecke über einen zusätzlichen MOS-Transistor mit P-leitender Kanalstrecke geschaltet
ist, wobei das Tor des letzteren Transistors parallel zum Tor des MOS-Transistors mit P-leitender Kanalstrecke
gekoppelt und von einem Torsignal ansteuerbar ist;
Fig. 3 ein Diagramm der Eingangs- Ausgangswiderstandscharakteristik
als Funktion einer Eingangsspannung bei bekannten MOS-Transistoren, woraus ein nichtlinearer Verlauf entnehmbar ist;
Fig. 4 das Diagramm der Eingangs- Ausgangswiderstandscharakeristik
als Funktion der Eingangsspannung für beide Hälften eines bekannten Analogschalters aus komplementären
MOS-Transistoren gemäss Fig. 1, wobei in dt» Diagramm auch der zusammengesetzte Eingangs- Ausgangswiderstand der komplementären Anordnung dargestellt ist}
Fig. 5 ein Diagramm des Eingangs- Ausgangswiderstandes für
■ - 9 - die
2 0 Π 0 R 3 / 1 1 8 D
M27OP/G-827/8
die beiden Hälften eines Analogschalters gemäss der Erfindung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und ferner den zusammengesetzten Eingangs-Ausgangswiderstand
als Funktion derselben Eingangsspannung;
Fig. 6 die Überlagerung der Diagramme gemäss den Fig.
und 5, woraus sich vergleichsweise der Widerstandsverlauf für einen bekannten Analogschalter gegenüber
dem Analogschalter gemäss der Erfindung ergibt;
Fig. 7 in graphischer Darstellung die Veränderung der effektiven Schwellwertspannungen der Transistoren
mit N-leitender und P-leitender Kanalstrecke als Funktion der Quellen-Substrat-Differenzspannung
Vq-s»
Fig. 8 einen Schnitt durch einen Analogschalter gemäss der Erfindung aus komplementären MOS-Transistoren,
bei dein der zusätzliche MOS-Transistor mit P-leitender Kanalstrecke dazu dient, die Quellen-Substrat-Differenzspannung
auf Null zu halten;
Fig. 9 die Anwendung des Analogschalters gemäss der Erfindung in einem achtkanaligen Multiplex-Differenzschalter;
Fig. 10 die Verwendung des Schalters gemäss der Erfindung für einen einzelnen Kanal einer 16-kanaligen
Multiplexanlage.
Der Aufbau eines bekannten Analogschalters mit komplementären
MOS-Transistoren ist aus der US-PS 3 457 435 bekannt» Die für diesen Aufbau und auch für den Analogschalter gem&ss
der Erfindung verwendeten MOS-Transistoren mit N-leitender
- 10 - und
2 0 9 8 R 3 / 1 1 8 Π
M27OP/G-827/8
und P-leitender Kanalstrecke sind Elemente vom Anreicherungstyp, d.h. solche, die/Ruhebetrieb nicht leitend sind und
erst durch eine, an die Tore der beiden Elemente angelegte Spannung in den leitenden Zustand geschaltet werden. Bei
normalem Betrieb des Analogschalters aus komplementären MOS-Transistoren sind Senken und Quellen parallel geschaltet
und das jeweilige Substrat im Ruhebetrieb mit einer Vorspannung beaufschlagt, die bezüglich der Amplitude gleich der Torspannung
des speziellen Elementes, jedoch von entgegengesetzter Polarität ist* Diese Substratvorspannung ist der vorausstehend
erwähnten Patentschrift nicht zu entnehemen, jedoch ist sie allgemein üblich. Demgegenüber ist bei der Erfindung vorgesehen,
dass die Ruhevorspannung für das Substrat bei dem Element mit N-leitender Kanalstrecke entfällt, und dass diese Vorspannung
von einem zusätzlichen MOS-Transistor mit P-leitender Kanalstrecke
geliefert wird. Die Elemente vom Anreicherungstyp sind schematisch mit unterbrochenem Substrat dargestellt,
um diese gegenüber Elementen vom Verarmungstyp zu unterscheiden,
die im Ruhebetrieb leitend sind und durch an das Tor angelegte Signale in den nichtleitenden Zustand geschaltet
werden. Ferner soll für die Bezeichnung der Quellen und Senken bei den Transistoren mit P-leitender und N-leitender
Kanalstrecke, die in Fig. 1 dargestellte Zuordnung angenommen werden. Danach wird das Eingangssignal V. parallel zur Quelle
an der P-leitenden Kanalstrecke und zur Senke an der N-leitenden
Kanalstrecke eingekoppelt. Dabei ist die Quelle mit D und die Senke mit S bezeichnet. Das Ausgangssignal Vaug wird
an der Senke der P-leitenden Kanalstrecke und an der Quelle der N-leitenden Kanalstrecke abgegriffen. Da MOS-Halbleiter
in der Regel symmetrisch aufgebaut sind, ist diese angenommene Zuordnung willkürlich, jedoch wird sie für die gesamte Beschreibung
beibehalten.
Des weiteren werden für die auftretendenSpannungen folgende
- 11 - Annahmen
?ü Π η R 3/11fl 0
2731933
M27OP/G-827/8
Annahmen gemacht. Die Potentialdifferenz zwischen dem Eingangssignal und der Torspannung wird bei dem Element
mit P-leitender Kanalstrecke mit V bezeichnet und bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zwischen der
Quelle der P-leitenden Kanalstrecke und deren Tor» Die Quellen-Torspannung des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke
wird mit V bezeichnet und wird zwischen dem Ausgang des Schalters und dem Tor an der N-leitenden
Kanalstrecke abgegriffen. Wenn der Schalter die eingeschaltete Lage einnimmt, wobei eine hochimpedante Last
am Ausgang angenommen'wird, was in der Regel bei solchen
an Operationsverstärker angekoppelten Elementen der Fall ist, ist die EingangsSpannung in erster Annäherung gleich der
Ausgangsspannung. Die Potentialdifferenz zwischen der Quelle
und dem Substrat wird mit V für das Element mit P-leitender Kanalstrecke und mit v q_sn für das Element mit N-leitender
Kanalstrecke bezeichnet. Die Torspannung für das Element mit P-leitender Kanalstrecke wird mit -VT und für das
Element mit N-leitender Kanalstrecke mit VT gekennzeichnet.
Der grundsätzliche Funktionsablauf der Schaltung gemäss Fig. 1 ergibt sich bei einem Eingangssignal V^ wie folgt:
Wenn diesesEingangssignal V. von einem positiven Potentialwert in einen negativen Potentialwert übergeht, steigt
der Widerstand am Transistor mit P-leitender Kanalstrecke an, während der Widerstand am Transistor mit N-leitender
Kanalstrecke abnimmt. Bei einem herkömmlichen Gatter aus komplementären MOS-Transistoren erfolgt der Anstieg:des
Widerstandes im Element mit P-leitender Kanalstrecke wesentlich weniger" rasch als der Abfall des Widerstandes
im Element mit N-leitender Kanalstrecke, woraus sich die Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke
auf Veränderungen oder Schwankungen des Eingangssignals ergibt. Die in Fig. 1 und 2 dargestellten MOS-Transistoren
- 12 - sind
M27QP/G-827/8
sind BlementevQiii Anreicherungstyp!, sodass sie beim
Anlegen dos Torpotentials eingeschaltet werden« Wenn die
Tor-Quellenpotentiale V sowohl des Elemente» mit N-leitendar als auch mit P-leitender Kanalstrecke kleiner
als deren ^chwellwertspannungen VT sind, stellen, diese
einen Qfftnen Schaltkreis dar, sodass der Eingangs-Ausgangs-
12 widerstand in der Grössenordnung von 10 Ohm liegt. Dieser
Abschaltwiderstand hängt von den Spemtrömen an den HalbleiterUbergilngen
ab. Die Schwellwertspannung V™ wird als
dasjenige Tor-Quellenpotential V definiert, das notwendig ist^uia eine starke Oberfliicheniversionsschicht für den
leitenden Kanal zu schaffen. Für V5 > V7, befindet sich der
Schalter im eingeschalteten Zustand, indem der Eingangs-Ausgangswiderstand
R auf einen Wert von in der Grössenordnung 100 Ohm verringert werden kanu* Durch Verringerung der
Torvorspannung und durch die Verwendung eines unterschiedlichen geometrischen Aufbaus kann der Eingangs-Ausgangswiderstand
des eingeschalteten Schalters bei entsprechender Auslegung auf einen 'fort zwischen grüssenordmingsmiissig
100 Ohm bis 100 kOhm eingestellt werden.
Die Betriebsweise eines Analogschalters im eingeschalteten
Zustand mit einem verhältnisaiässig niedrigen Widerstand
kann unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Gleichungen
for den widerstand der einzelnen Kanals trecken des Schalters
aus MOS-Transistoren wie folgt beschrieben werden. Für den V.iderstand dei einzelnen Kanalstrecken gilt:
| η ,ρ | uFox2p | Γ | - | ν *η,ρ J |
| 1Ox1CfI' | * 2#ρ- 2ΦΤ· | |||
|
τ
η,ρ |
13 - | |||
| 1BQ | ||||
| ? O H ί? | BAD ORIGINAL | |||
in
M27OP/G-827/8
In diesen Gleichungen sind.u, P. , Τοχ, Z Leff, $p - y
'' " To physikalische Parairetor. Wobei
,u die l'eweglichleit .!er ^'ajoritJitstrHger
R die Permeabilität des Tor-Dielektrikums
T die Dicke des Tordielektrikums
ox
Z die Breite des leitender !'OS-Kanals
L ££ die LSnge des leitenden hOS-Kanals
^P das Fermi-Potential des Siliciuwmaterials
VT die °chv;ellv'ertspannung fur V » Π ist.
Da der Schalter aus einem Element mit P-leiteiuler Tianalstrecke
und einen Kanalwiderstand % sowie einem Eleraent
mit N-leiteuder Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand H»,
zusammengesotat ist, ergibt sich für den Einsang -Ausgangswiderstand
nlt den beiden Schalterhälften in Parallelschaltung dor Widerstand
R · rpj<m
"1^Tr
wenn der Schalter eingeschaltet ist. Wenn die Torspannung, welche den Schalter leitend macht,- 8 Volt beträgt und
eine Eingangsspannung von ♦ 8 Volt anliegt, hat das Element
mit P-leitender Kanalstrecke eine puellen-Tor-Potentialdifferenz
V von 16 Volt und ein Quellen-Substrat-Potential
RP
V von O Volt. Damit ist das Rlement mit P-leitender Kanalstreck« voll eingeschaltet und hat einen niedrigen Widerstand Rp. Pas Hement mit N-leitender Kanalstreck« ift jedoch abgeschaltet, da V5 < V^ und da V · It VoJt sind. Wenn die EinganpsspannunR fe^en -8 Volt anpehobtn *fird.
V von O Volt. Damit ist das Rlement mit P-leitender Kanalstreck« voll eingeschaltet und hat einen niedrigen Widerstand Rp. Pas Hement mit N-leitender Kanalstreck« ift jedoch abgeschaltet, da V5 < V^ und da V · It VoJt sind. Wenn die EinganpsspannunR fe^en -8 Volt anpehobtn *fird.
steigt das Quellen-Substratpot«ntial v Q.j,p des Element««
mit P-leitender Kanalstrecke an, wopit auch der Widerftand
Rp lunimmt. Der Widerstand Rn nimmt wegen der grosser«!*
- 14 - Wert«
2 ft fl ?.; ?i 3 / 1 180 BAD ORIGINAL
M27OP/G-827/8
Werte V und der kleineren Werte V" ab. Damit ist der Widerstand im eingeschalteten Zustand am ganzen Schalter
eine Funktion der Teilwiderstände der beiden Hälften, entsprechend dem Ansprechen auf verschiedene Eingangssignale.
Wenn also V gross ist, ergibt sich auch ein hoher Widerstand Rn. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann durch das
Zusammenschalten des Substrats des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle v Q_sn a«f den Wert 0 gebracht
werden, womit der Ges.amtwiderstand Rn dts Elementes mit
N-leitender Kanalstrecke abnimmt. Diese Widerstandverringerung ist eine Folge der Verringerung des Ausdruckes V in
Gleichung 2 auf 0, woraus sich für Gleichung 1 ergibt, dass RM - 1 ist.
N
sgn
Das Kurzschliessen des Substrats mit der Quelle des Elementes
mit P-leitender Kanalstrecke, führt zu einem abnehmenden Gesamtwiderstand Rp des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke.
Es ist dann möglich, den Einfluss des Ausdrucks V1J, in Gleichung 1 völlig zu beseitigen, sodass er allein
von 1 durch V abhängt. Da die Empfindlichkeit des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke nicht so gross wie die Empfindlichkeit
des Elementes mit N-leitender Karialstrecke in Abhängigkeit von Änderungen der Eingangsspannung ist, ist
in der Regel nur das Element mit N-leitender Kanalstrecke dasjenige, das für gewöhnlich mit zusfttzliehen oder hilfs weisen
Quellen-SubstratXurzschlusseinrichtungen versehen ist. Sowohl das Element mit P-leitender als auch das Element
mit N-leitender Kanalstrecke kann gleichzeitig mit Quellen-Substrat-Kurzschlusseinrichtungen
versehen sein, um eine weitere Verbesserung der Störunterdrückung für den Analogschalter
zu bewirken.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist ein zusätzliches Element mit
- 15 - P-leitender
2 Ur: r\ \\'\ / 1 1 8 (1
if*
M27OP/G-827/8
P-leitender Kanalstrecke zwischen die Quelle des Elementes
mit N-leitender Kanalstrecke und deren Substrat geschaltet. Es ergibt sich immer wieder die Frage nach der Notwendigkeit
einen Schalter so vorzusehen, dass er das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle verbindet.
Das Element mit P-leitender Kanalstrecke 1st notwendig, um eine elektrische Isolation zwischen der Senke
des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke und dessen Substrat zu bewirken. Das Element mit N-leitender Kanalstrecke
hat eine Diodencharakteristik zwischen der Senke und dem Teil des kon€aktierten Substrats, wie durch das
Bezugszeichen 23 angedeutet. Diese Diode 23 würde als Halbwellengleichrichter für am Eingang wirksame Signale
wirken, wenn das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke direkt mit der Quelle des Elementes mit
N-leitender Kanalstrecke während der Ausschaltbedingüngen verbunden wäre. Zumindest die eine Hälfte des Eingangssignals würde so direkt zur Quelle, d.h. zur Ausgangsseite
des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke, während der Ausschaltlage des Schalters abgeleitet werden. Damit wäre
der Schalter in seiner ausgeschalteten Position teilweise leitend. Wenn die Schalter in einem Multiplexsystem
Verwendung finden, sind die Ausgänge der Schalter untereinander verbunden. Eine Ausgangsspannung eines anderen
Schalters könnte sodann, wie es denkbar ist, die Diode derart in Durchlassrichtung vorspannen, dass die Senke des
Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke gekoppelt wäre,
obwohl das Element die Ausschaltposition einnimmt. Um diese Möglichkeit zu eliminieren, findet ein Element mit P-leitender
Kanalstrecke Verwendung, das das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle nur während
derjenigen Zeit verbindet, während welcher der Schalter durch entsprechende Torsignale leitend gemacht ist, die an
die entsprechenden Tore der Elemente 20 und 21 mit N-leitender
- 16 - Kanalstrecke
20 Π Γ H Γ? /.1 1 BP
M27OP/G-827/8
Kanalstrecke und P-leitender Kanalstrecke wirksam sind. Dieses Element ist in Fig. 2 mit 22 bezeichnet. Sein
Substrat entsprechend wie das Substrat des Elementes 21 mit P-leitender Kanalstrecke, ist mit einer Vorspannung
von +8 Volt beaufschlagt. Die Torspannung von -8 Volt ist an jedes dieser Elemente parallel angelegt, wennimmer der Schalter in den leitenden Zustand geschaltet
wird.
Das Kurzschliessen des Substrats der N-leitenden Kanalstrecke mit der Quelle verringert nicht nur den Widerstand
des eingeschalteten Elementes wit N-leitender Kanalstrecke, sondern bewirkt auch, dass das Element mit N-leitender
Kanalstrecke auf einem flacheren Teil seiner Widerstandskurve arbeitet, wodurch sich gegenüber der normalen Möglichkeit eine geringere Veränderung des Wertes für den
Widerstand Rn als Funktion der Eingangsspannung ergibt.
Eine vollständigere Erläuterung der Wirkungsweise der Elemente vom Verstärkungstyp gemäss Fig. 1 und 2 wird
anhand der graphischen Darstellungen gemäss Fig. 3, 4 und 5 gegeben.
Wenn als Beispiel eine einzelne MOS-Halbleiteranordnung betrachtet wird, so ergibt sich, dass der Eingangs-Ausgangswiderstand sich entsprechend der auf der rechten Seite
gegebenen Formel als Funktion, von V und V« ändert. Aus
dem Diagramm gemäss Fig. 3 kann man entnehmen, dass der Widerstand R nach einer nichtlinearen Funktion verläuft,
Diese nichtlineare Abhängigkeit bewirkt, dass im Betriebsbereich der Halbleiteranordnung eine Widerstandsänderung
in der Grösstnordnung von einer Dekade stattfindet. Der
Betriebsbereich der Halbleiteranordnung wird durch die negativen und positiven Grenzwerte für die Torschwellwert-
- 17 - spannung
'/ b 'i P, P. U / 1 1 · fl fl
.» M27OP/G-827/8
Spannung angegeben, die im vorliegenden Fall - 8 Volt ist.
Wenn die Halbleiteranordnung ein Element mit P-leitender Kanalstrecke ist, nähert sich die Widerstandskurve 31
asymptotisch der strichpunktierten Linie 32. Die Widerstandsänderung in der Grössenordnung einer Dekade im
Betriebsbereich kann zwischen 1 kQhm und 10 kOhm liegen. Zusätzlich zu der grossen Widerstandsänderung im Betriebsbereich ergibt sich das Problem, dass ein einzelnes Element
mit P-leitender Kanalstrecke typischerweise ein 20 bis 25 Volt Torsignal benötigt, um ein 4-5 Volt Analogsignal zu übertragen. Somit werden bei der Verwendung von nureinem MOS-Halbleiterelement zwei Potentiale für die Spannungsversorgung
notwendig.
Um das Problem der hohen Torspannungen im Vergleich zu dem analogen Signalniveau zu lösen, werden komplementäre
MOS-Halbleiteranordnungen verwendet, wie sie auf der
rechten Seite von Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 40 und 41 bezeichnet sind. Diese Halbleiteranordnungen sind parallel
geschaltet. Daraus ergibt sich ein analoger Signalbereich, der gleich der Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen
ist, die für das Einschalten des Elementes mit P-leitender
Kanalstrecke und das Einschalten des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke notwendig ist. Wie aus der Darstellung hervorgeht, kann bei einem solchen Aufbau ein analoges Signal mit
16 Volt Spitzenspannung zwischen dem positivsten und dem negativsten Spannungswert durch den konventionellen, komplementären MOS-Analogscha!ter verarbeitet werden, wobei die Torschwellwertspannung gleich.- 8 Volt ist. Wenn die Torschwellwertspannungen - 15 Volt gemacht werden, dann kann als analoges
Eingangssignal ein Signal von 30 Volt Spitzenspannung Verwendung finden. Diese 30 Volt Eingangsspaimtiitg stellt den «*ximalen Wert dar, der mit einer solchen Anordnung erzielt werden
kann, da eine Eingangs-Substrat-Sperrvoripannung über 30 Volt
- 18 - normalerweise
2 0 δ Γ» \\ 3 / 1 1 8 0
M27OP/G-827/8
normalerweise einen Lawinendurchbruch auslöst. Diese parallele Schaltung von komplementären MOS-Halbleiteranordnungen
hat den wesentlichen Vorteil, dass der Schalter analoge Spannungen bis zu den an die Tore der
Halbleiteranordnungen angelegten Spannungen übertragen kann.
Das Problem bei der gerade beschriebenen parallel geschalteten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung be-steht
in der nichtlinearen Widerstandscharakteristik, insbesondere im 0 Volt Bereich für die Eingangsspannung,
einem Bereich, der gerade bei guten Analogschaltern die grösste Linearität aufweisen muss. Dies ist der Fall
weil gerade kleine Eingangssignale am meisten einer Verzerrung
unterliegen, wenn sie im Bereich eines O-Durchganges
liegen. Aus.Fig. 4 kann man entnehmen, dass die Widerstandsänderung über das Element mit N-leitender
Kanalstrecke bei sich ändernder Eingangsspannung ungefähr 3-mal
grosser als bei dem Element mit P-leitender Kanalstrecke ist, was dazu führt, dass das Element mit N-leitender
Kanalstrecke bei einer Eingangsspannung V entsprechend
derAsymptot* 42 abschaltet. Der Widerstand an jeder Kanalstrecke
der beiden Elemente ist proportional dem Ausdruck 1/(V - VT). Wie man jedoch aus Gleichung (1) entnehmen
kann, hängt V„ auch funktionell von der Eingangsspannung
ab. In dieser Formel ist K für das Element mit N-leitender Kanalstrecke etwa 3,0 und für das Element mit P-leitender
Kanalstrecke etwa 1,0. Diese Konstante K, deren Wert von der Dotierungskonzentration der Kanalstrecke und der Dicke
des Tordielektrikums abhängt, ist verantwortlich für die Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke
bezüglich Änderungen der Eingangsspannung. Der Einfluss
dieser Konstante ist aus Fig. 7 erkennbar, in der die Schwellwertspannung VT über der Quellen-Substrat-Differenzspannung
Vg aufgetragen ist. Somit ist VT eine Funktion
- 19 - von
209883/1180
? 27OP/G-S 27/Κ
von V , wobei die Proportionalitatshonstante fC fir
q - s
das riement mit N-leitender Kanalstrecke 3-mal so gross
wie diejenige für das Element mit P-leitender Kanal strecke
ist. Wenn man den Einfluss von V-. auf den V.riderstand ?■.
zumindest in soweit eliminiert, als das Element mit K-leitender Kanalstrecke betroffen ist, undzwar durch
Kurzschliessen des Substrats des Elementes mit N-leitender
Kanalstrecke mit deren Basis, dann lässt sich die Nichtlinearität des Analogschalters im ganzen wesentlich verringern.
Vor der Behandlung der Darstellung gemäss Fig. 5, soll
darauf hingewiesen werden, dass in Fig. 4 die Kurven für die Widerstände R^ und Rp sich in denjenigen Pereichen
überschneiden, in welchen die Kurven den grössten Anstieg aufweisen. Daher liegt der absolute Wert des Oberschneidunpspunktes
verhältnismässig hoch und kann Werte in der Grössenordnung von 20 MOhm annehmen. Aufgrund dieses hohen Wertes
im Überschneidungspunkt arbeiten die Elemente mit Γ-leitender und N-leitender Kanalstrecke im Bereich steiler Anstiege
ihrer Widerstandskurven. Dadurch ergibt sich nicht nur eine Tendenz den Einschaltwiderstand des Schalters generell
anzuheben, vielmehr wird auch das Verhältnis der Widerstandsänderung über das Element als Funktion der Eingangsspannung
vergrössert. Durch eine Verlagerung des Kreuzungspunktes der beiden Kurven zu niedrigen Werten wird nicht nur der Widerstand
des Schalters verringert, sondern auch das Verhältnis der Änderung des Widerstandes am Schalter, Die zusammengesetzte
Widerstandscharakteristik einer solchen bekannten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung lässt sich aus der
Widerstandskurve 31 für das Element mit P-leitender Kanal strecke und der Widerstandskurve 43 für das Element mit
N-leitender Kanalstrecke ableiten und ergibt die Kurve 44, die mit R bezeichnet ist. Diese Kurve 44 hat eine bestimmte
- 20 - Steigung
/ (1 ? rt P 3 / 1 1 R Π
7231933 · M27OP/G-827/8
Steigung im Bereich des 0-Durchgange.s der Eingangsspannung, bzw. des Kreuzungspunktes. Dieses charakteristische
Verhalten soll jedoch vermieden werden, sodas.s der Analogschalter
Signale kleiner Amplitude getreu ohne Verzerrung übertragen kann.
In Fig. 5 ist auf der rechten Seite eine komplementäre HOS-Halbleiteranordnung angedeutet, die die Elemente
und 41 der Darstellung gemäss Fig. 4 auf der rechten Seite umfasst, wobei zusätzlich ein Element 50 mit P-leitender
Kanalstrecke vorgesehen ist, das als Klemmschaltung zwischen dem Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke
und dessen Quelle dient, wodurch aus der Gleichung (1) ein wesentlicher Anteil des Ausdrucks für V1-, bezüglich
der Widerstandsänderung entfällt. Als Ergebnis ergibt sich, dass der Widerstand R,, proportional l/V wird.
Das Vorsehen des Elementes 50 mit P-leitender Kanalstrecke bedingt keine Änderung der Charakteristik des
Elementes 40 mit P-leitender Kanalstrecke, sodass dessen
Widerstandskurve 31 in Fig. 5 im wesentlichen entsprechend der Darstellung gemäss Fig. 4 verläuft. Dagegen wird jedoch
der steile Anstieg der Tviderstatidskurve 43 gemäss Fig.
wesentlich abgefLacht, sodass die Kurve 51 für den Widerstand
.R>, nun die Kurve 31 in einem Punkt schneidet, der etwa einem l1ert von 670 Ohm .entspricht. Die Symmetrie
;> emiiss Fiy,. 5 kann durch eine entsprechende geometrische
Koiif j gurxt lor.' de.i Aufbau:; der Elemente mit P-leitender
und \f-Iei tender Kanalstrecke und/oder durch das Vorsehen
eines Quelien-Substratkurzschlusses für das Element mit
•P-leitender Kanalstrecke bewirkt werden. Diese Symmetrie ist jodocii nicht wesentlich für das generelle, lineare
Betriebsverhai ten des Aiialopschal ters. Wesentlich ist
die i'-odüzieruriji .los " iders Lan-!o-s über das Element mit
.--Io i r.uii.k'i Kanals ι,rocke , sodass dpi Schnittpunkt der
Kurven für die !vi dors tünde K1, und iL, wesentlich tiefer
- 21 - liegt
2'-.' ■.;:? /1 ι ρ π
- ::... ; r ;;· BAD ORIGINAL
V. ·Μ27ΟΓ/0-8 2
li^-pt als lies bei eirer "chaltunp ohne der Transistor
S^ un-J ohne die Verbindung des Substrats mit dor Ouell.e
des Elementes mit. "'-leitender Kanalstrecke derfall sein .
würde. Als rrpebriip stellt sich eine 1ombinierte FinpanflS-Xusganps-Widerstandscharakteristik
55 ein, die anstelle von stellen Steigungen in der Umgebung des Wertes O der
'■inrantrsspannunf; r.unrcehr r.ur eine sehr peringe. oder keine
Stei^unn hat. Selbst wenn Jer PchnittpunV.t der beiden
Kurven 31 und 51 nicht zentrisch bezüglich der O-Volt.
Fpannunp lierrt, kam eine «reringe seitliche Verschiebung
aus der i'itte kaurc einen nennersv/erten Einfluss haben,
da die Kurve zwischen den- TurVten 56 und 5 7 und damit für
die kleinen Sis^nalwerte Jer Ilinganesspanmmp verhältnism'issip
flach verl-üuft.
In Fj?. 6 werden die in Jen ^iρ. 4 und 5 dareestellten
Trjrebnisse peroeinsan dargestellt, ur\ so den Einfluss
der ilinzufiijrunp eines zus'itzlichen Rlementes mit P-leitender
Kanal strecke deutlicher werden zn lassen. Oabei sind
die K'urven entsprechend der T'nrstellurig p,en'iss Fi^. 4 und
5 bezeichnet. Aus dieser Darstellung fen'^ss Fit». C) l?isst.
sich entnehmen, dass durc'i -He Kopplung des Substrats
mit der Ouelle des F.lementes mit N-leitender Kanalstrecke
di^ Asynmtote 42 Jer Kurv», die den Widerstand '!her las
Hlement mit >'-lei tf-nder Kanalsrreckr repräsentiert, in
df?r qraphisclien Iiarsfetluni: nach rechts verschoben wurde
und nunmehr die Position der gestrichelten Linie 12'
einninnt. Dies bedeutet physikalisch ein Ansteipen der
Spannun-.r, bei welcher das Element mit \'~lcitender Kanalstrecke
abschalter.
fan nirpipt sonit wahr, dass, wenn der Auspinf1 des \nalopschal ters
eine hohe Impedanz sieht, das zusätzliche Element mit
1' leitender k'analstrecke zv/ischen der SenVe und dei;i Substrat
- 2 2 - des
209883/1180
2 2 T1 9 3 3
23 27OP/G-827/8
des Hbrientes mit *'-3 ei temxr Kanal strecke läuft. Ferner
ergibt sich, dass, venri ei as Element mit P-leitender Kanal-Strecke
in einer wannenförniger; Here ich Mt ■·' - leitendem_
Material innerhalb'des F-leitenden Substrats ausgebildet
wird, sich eine ; mVehr insofern einstellt, als das Gatter
nuniiiehr ein Llement mit P-leitender "anal strecke und zwei
Plenen te nit N-leitender IC.mal strecke umfasst, wobei das
Hilfselement ein Element mit "-leitender Kanal strecke ist und zwischen der Quelle und den Substrat eines Elementes
mit P-leitender Kanalstrecke liegt. Das Tor dieses Hilfseleinentes
ist dabei nut den Tor des Elementes mit K-leitender
Kanalstrecke verbunden.
Wie bereits erv.r?hnt, wird durch den integrierten Schaltungsaufbau der komplementären MOS-Halbleiteranordnung die
vergrösserte Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender
Kanalstrecke bewirkt, da dieses Element mit N-leitender
Kanalstrecke in eineir wannenföririgenBereich aus P~-leitendem
Material hergestellt wird, das eine höhere Störstellenkonzentration
als das N-leitende Substrat hat, das normalerweise
für Elemente jnit P-leitender Kanals trecke Verwendung
findet. Was jedoch aus der bisherigen Beschreibung der schematischen Diagramme nicht hervorgeht, ist die Tatsache,
dass die erfindungsgemässe Anordnung genau in derselben
^v'eise wie bekannte, komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen
ohne zusätzlichen Diffusionsschritt hergestellt werden kann. Ein Schnitt durch eine Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung
ist in Fig. 8 dargestellt, die ein N-leitendes Substrat
80 zeigt, in welchen ein vannenförmiger Bereich 81
aus P -leitendem Material eindiffundiert ist. Die Dotierungskonzentration des N-leitenden Substrats liept typischerweise
15 Ti
bei etwa 2 χ 10 Atome/cm , wobei die Dotierungskonzentration des vannenftfrroigen Bereiches 81 in der Grössenordnung von etwa 2 χ 10 Atome/cn;'' liegt. 5s wird bemerkt, dass ein
bei etwa 2 χ 10 Atome/cm , wobei die Dotierungskonzentration des vannenftfrroigen Bereiches 81 in der Grössenordnung von etwa 2 χ 10 Atome/cn;'' liegt. 5s wird bemerkt, dass ein
- 23. - Teil
'?[.". \τί τ /11 pn
M27OP/G-.827/8
Teil dieses wannenförmigen Bereiches 81 als Teil des
zusätzlichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke dient, obwohl eine genaue Begrenzung, wie sie zwischen
der Quelle des Elementes 82 mit P-leitender Kanalstrecke und der Wandfläche 83 des wannenförmigen Bereiches 81
dargestellt ist, weder kritisch noch notwendig ist. Die Möglichkeit einen Teil des Hilfselementes mit P-leitender
Kanalstrecke als Teil des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke auszubilden,führt zu einer offensichtlichen Raumersparnis
auf dem Halbleiterplättchen. Es sei erwähnt, dass ein entsprechendes Mageren und Ätzen der dielektrischen
Schicht 84 vor den nachfolgend beschriebenen Diffusionsschritten vorgenommen wird: Der erste Diffusionsschritt
umfasst eine Dotierung mit N -leitendem Material, was zu dem Quellen- und Senkenbereich 85 bzw. 86 des Elementes
mit N-leitender Kanalstrecke, zu einem N -leitenden Schwellenbereich 87 und einem N -leitenden, angereicherten
Kontaktbereich 88 für das N-leitende Substrat 80 führt. Die Bereiche 85, 86, 87, und 88 werden gleichzeitig in
entsprechende Teile des Substrats mit etwa gleicher Tiefe diffundiert. Danach werden die P -leitenden Bereiche 82,
90, 91 und 92 in entsprechende Bereiche des Substrats diffundiert, wobei die Bereiche 82 und 90 die Quelle und
die Senke des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke, sowie die Bereiche 91 und 92 die Quelle und Senke des ursprünglichen
Elementes mit P-leitender Kanalstrecke sind Es sei bemerkt, dass der Bereich 82 sowohl als Kontakt an
den P -leitenden wannenförmigen Bereich 81 als auch als Teil des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke dient.
Dieser Bereich 82 ist normalerweise auch bei der Herstellung einer bekannten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung vorhanden*
Der einzige zusätzliche Bereich, über welchem die Abdeckmaske geöffnet werden muss, ist der Bereich 90, sodass
nur ein sehr geringfügiger zusätzlicher Schritt gegenüber
- 24 - dem
■) ri
? / 1 1 P P
27.11933
iß M27OP/G-827/8
dem bereits bekannten Herstellungsablauf notwendig ist. Nach der Diffusion der zuvor genannten Bereiche wird die
Halbleiteranordnung maskiert und über den mit dem Bezugszeichen 95 angedeuteten Torbereichen der drei MOS-Transistoren geöffnet.
Die Toroxyde werden in herkömmlicher Weise angebracht. Danach wird die Matallisation aufgebracht und entsprechend
der Darstellung der mit dem Bezugszeichen 96 veriehenen Teile ausgestaltet. Die Anschlüsse für das Einganssignal V. und
das Ausgangssignal V sind in der Darstellung gemäss Fig.
eingezeichnet. Bei dem eingezeichneten Schaltungsverlauf ist das Hilfselement mit P-leitender Kanalstrecke mit dem Tor des
ursprünglichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke verbunden, wobei die Quelle des Hilfselementes mit P-leitender
Kanalstrecke automatisch mit dem Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke verbunden ist und somit der zugehörige
Kontaktanschluss weggelassen werden kann. Die Senke des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke ist mit dem
Anschluss für das Ausgangssignal Vaug verbunden, obwohl sie
auch für die meisten Halbleiteranordnungen mit der Klemme für das Eingangssignal V, verbunden sein könnte. Daraus
ergibt sich anschaulich, dass die Herstellung des zusätzlichen Elementes ait P-leitender Kanalstrecke bei den bekannten Herstellungsverfahren
wenig Schwierigkeiten bereitet.
In Fig. 9 wird die Anwendung des komplementären MOS-Analogschalters
gemäss der Erfindung für einen 8-kanaligen Multiplex-Differenzschalter
dargestellt, der aus Standard-Dekoderschaltungen mit drei Eingängen besteht, die innerhalb der
gestrichelten Linie 90 dargestellt sind. Ober diese Dekoderschaltung wird einer von acht Schaltern der beiden Gruppen
91 und 92 ausgewählt, um eine 2-adrige Mutiplexumschaltung
für beste Geräuschunterdrückung zu schaffen. In Serie zu den Gruppen sind Bereitstellungsschalter 93 vorgesehen, die
die Belastungskapazität und das Nebensprechen verringern. Die Eingangssignale an den paarweisen Adern 1,2; 2,4; 5,6;
- 25 - 7, 8;
7 G μ Η P. -\ / 1 ι $ 0
2 7-11933
Zf0 M27OP/G-827/8
7, 8; 9, 10; 11, 12; 13, 14 und 15, 16 werden von der
Dekoderschaltung 90 in Abhängikeit von dem Vorhandensein
oder Nicbferorhandensein von Signalen an. den Klemmen A, B '
und C derart eingeschaltet, dass nur ein Aderpaar für die Übertragung zum Analogausgang 95 in Betrieb ist.
Gemäss Fig. 10 kann der 8-kanalige Multiplex-Differenzschalter
gemäss Fig. 9 derart modifiziert werden, dass er 16 einzelne Kanalfunktionen ausführen kann. Die eingangsseitigen
Gatter 100, 101 und 102 haben jeweils zwei Eingänge und können innerhalb des Gehäuses der Schaltung gemäss
Fig. 9 mit untergebracht werden, um die Modifikation mit sowenig als möglich zusätzlicher Metallisation auszuführen,
sodass die Eingänge zu den Schaltern 93 entsprechend den Leitungen 105 mit den drei zusätzlichen
Gattern 100, 101 und 102 verbundea sind. Es ist offensichtlich,
dass die Umkehrstufen 110 genäss den Fig. 9
und 10 notwendig sind, um für die Toriapulse eine Polaritätsumkehr
entsprechend der MOS-Elemente in dem komplementären
MOS-Aufbau zu schaffen, Die Schaltungen gemäss Fig. 9 und 10 sind lediglich als beispielsweise
Ausführungsformen einer Vielzahl von Maltiplexschaltungen
gedacht, bei welchen der Analogschalter gen&ss der Erfindung
Verwendung finden kann. Die Schaltung gesafiss Fig* 8 kann
zusätzlich auch als einzelner 8-Kanalschalter Verwendung
finden. Auch kann ein zwei aus acht Mtiltiplexschalter
lediglich durch Änderung der Verdrahtung hergestellt werden*
In der vorstehenden Beschreibung wurde das grundsätzliche
Konzept beschrieben, das es möglich macht, Festkörperrelais aus komplementären MOS-iialbleitsianordnungen zu verwenden,
wobei die3es Konzept davon ausgeht» dass die Nichtlinearität
dos Widerstandes der Relaissciiar-i«ßif zum Teil v, der
- 25 - ünderlichkeit
209BR3/ 1 180
??31933
«f, M27OP/G-827/8
änderlichkeit der Torschwellwertspannung von MOS-HaIbleiteranordnungen
abhängt. Die Veränderlichkeit der Torschwellwertspannung kann durch das Kurzschliessen
eines Teils des MOS-Substrats mit der Quelle oder der Senke beinflusst werden. Damit arbeitet der MOS-Schalter
auf einem flacheren Teil der Eingangs-Ausgangs-Widerständgkurve,
was gleichbedeutend mit einer Linearisierung der Widerstandscharakteristik ist. Diese Massnahme kann sowohl
für einzelne MOS-Halbleiteranordnungen als auch für parallel geschaltete komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen
Verwendung finden.
Bei der Ausführung der Erfindung ist ein besonders vorteilhaftes Merkmal, dass die Verbindung zwischen dem Substrat
und der Quelle eines individuellen MOS-Elementes über ein weiteres MOS-Element erfolgt, das nur während derjenigen
Zeiten leitend wird, während welcher das ursprüngliche MOS-Element leitend gemacht wird. Dies kann in mehrfacher
Weise erfolgen. Wenn die parallel geschaltete Anordnung als Festkörperrelais Verwendung findet, wird die gewünschte
Funktion lediglich durch die Verbindung des Tores des Hilfselementes mit dem Tor des MOS-Elementes vom gleichen
Typ bewirkt. Es kann auch eine einfache Umkehrstufe derart Verwendung finden, dass die Verbindung zwischen dem ursprünglichen
MOS-Element und dem Hilfs-MOS-Element über diese Umkehrstufe
verläuft. Obwohl die beschriebenen Massnahmen nur eine von vielen Möglichkeiten darstellt, um ein MOS-Element
derart zu beeinflussen, dass es auf einem lineareren Teil seiner Widerstandskurve arbeitet, stellt dieses Konzept
für integrierte Schaltkreisherstellung eine wichtige Massnahme dar, da die Beinflussung der übrigen Parameter, die
ein solches lineares Verhalten verursachen würde^ahezu unmöglich
ist. Mit den erfindungsgemässen Massnahmen lässt
- 27 - sich
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M27OP/G-827/8
sich somit eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung
in Form eines linear arbeitenden Analogschalters schaffen, der im Bereich von Nanoselcunden wirksam ist.
- 28 - Patentansprüche
? f1 9 ' -R 3 / 1 1 p 0
Claims (11)
1.^ Festkörperschalter aus zwei komplementären MOS-Transistoren, von denen der eine eine N-leitende und
der andere eine P-leitende Kanalstrecke umfasst, wobei die beiden MOS-Transistoren parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
Einrichtungen vorhanden sind, um die Quelle des einen MOS-Transistors mit seinem Substrat immer dann zu
verbinden, wenn beide MOS-Transistoren durch gleichzeitiges Anliegen von Torsignalen geeigneter Amplitude
und Polarität leitend gemacht werden, wobei die Änderung des Widerstands über den Schalter, gemessen
beim Stromführen beider MOS-Transistoren, auf ein Minimum in Abhängigkeit von der Änderung eines Signals
verringerbar ist, das an eine der zusammengeschalteten Quellen und Senken von jeweils den beiden MOS-Transistoren angelegt ist.
2. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat des einen MOS-Transistors im Substrat des anderen MOS-Transistors ausgebildet ist, dass dieseseine Substrat dasjenige ist,
das durch die Einrichtungen mit der in demselben Substrat angeordneten Quelle verbunden ist, wodurch die
Empfindlichkeit auf an den Festkörperschalter angelegte
Eint?angssifrnale für denienigen MOS-Transistor verringert
wird, der mit diesem einen im Substrat des anderen Transistors ausgebildeten Substrat angeordnet ist.
2 Cf::; 33
2?31933
v30 M27OP/G-827/8
3. Festkörperschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen eine zusätzliche
Festkörperschalteinrichtung umfassen, die in Serie zwischen das eine Substrat und die Quelle des in diesem Substrat
ausgebildeten MOS-Transistors geschaltet ist, und dass die Schalteinrichtungen beim Anliegen eines der Torsignale
leitend gemacht werden, sodass das eine Substrat mit der in diesem Substrat angeordneten Quelle leitend verbunden
ist.
4. Festkörperschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Festkörperschalteinrichtungen
aus einem MOS-Transistor vom selben Leitfähigkeitstyp wie derjenige MOS-Transistor, in dessen
Substrat das eine Substrat wannenförmig ausgebildet ist,
bestehen, und dass das Tor des zusfttzlichen MOS-Transistors und das des im anderen Substrat ausgebildeten
Transistors miteinander verbunden sind.
5. Festkörperschalter mit einem MOS-Transistor, der an seiner Quelle vom Eingangssignal und an seinem Tor von
einem Torsignal beaufschbgt wird, das den Transistor derart leitend macht, dass das Eingangssignal an der
Senke abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorhanden sind, die das Substrat dieses
MOS-Transistors mit der Quelle verbinden, wenn der MOS^
Transistor leitend gemacht wird, wodurch die Änderung des Eingangs-Ausgangswiderstandes (Übertragungswiderstandes)
des Transistors in Abhängigkeit von Änderungen in der Amplitude des Eingangssignals derart auf ein Minimum verringert
wird, dass Verzerrungen des an der Senke abgegriffenen Signals im Vergleich mit dem Eingangssignal
auf ein Minimum verringert ist.
2098B3/ 1 1 PO
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6. FestkörpeTschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen eine zusätzliche Festkörperschalteinrichtung umfassen, die zwischen das
Substrat des MOS-Transistors und dessen Quelle geschaltet sind, und dass diese zusätzlichen Schalteinrichtungen
zusammen mit dem MOS-Transistor in den leitfähigen Zustand schaltbar sind.
7. Festkörperschalter, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Festkörperschalteinrichtungen
von einem MOS-Transistor gebildet werden.
8. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche MOS-Transistor
einen, gegenüber dem zuerst genannten MOS-Transistor entgegengesetzte Leitfähigkeit hat und zusammen mit
diesem in den leitenden Zustand schaltbar ist.
9. FestkörpeTschalter gekennzeichnet durch einen Block eines Halbleitermaterials vom ersten Leitfähigkeitstyp,
in dessen Oberfläche ein wannenförmiger Bereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet
ist, wobei die Oberfläche des wannenförmigen Bereiches koplanar zur Oberfläche des Halbleiterblockes
ist, dass in dem wannenförmigen Bereich erste Quellen- und Senkenbereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet
sind, dass auf der Oberfläche des wannenförmigen Bereiches eine erste Torschicht angeordnet ist und Teile
der ersten Quellen- und Senkenbereiche überlappt, wobei die erste Torschicht aus einem isolierenden Material
besteht, dass in dem Halbleiterblock,neben dem wannenförmigen Bereich,zweite Senken- und Quellenbereiche
vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angeordnet sind,
dass eine zweite Torschicht auf der Oberfläche des
? Hü H S3/ 1 180
??31933
M27OP/G-827/8
Blockes derart angeordnet ist, dass sie die zweiten Quellen- und Senkenbereiche überlappen, wobei die
zweite Torschicht aus einem isolierenden Material besteht, dass dritte Quellen- und Senkenbereiche vom
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche des Halbleiterblockes angeordnet sind, wobei eine
dritte Torschicht Teile der dritten Quellen- und Senkenbereiche überlappen, dass eine Metallisation
auf der Oberfläche derart angeordnet ist, dass Kontakte mit den Quellen- un4 Senkenbereichen und den Torschichten
bestehen, dass die Störstellenkonzentration in dem Halbleiterblock, dem wannenförmigen Bereich sowie in
den Quellen-und Senkenbereichen in einer solchen Grosse
vorgesehen ist, dass Halbleiteranordnungen vom Verstärkungstyp entstehen, dass Einrichtungen zum Verbinden des
ersten Quellenbereiches mit dem zweiten Senkenbereich vorhanden sind, die die Eingangsklemme für den Festkörperschalter
bilden, dass Einrichtungen zum Verbinden des zweiten Quellenbereiches mit dem ersten Senkenbereich
vorhanden sind, die die Ausgangsklemme des Halbleiterschalters bilden, dass ferner die dritte Torschicht mit
der zweiten Torschicht verbunden ist, dass ferner der dritte Senkenbereich mit einer der Klemmen verbunden ist,
dass der dritte Quellenbereich mit dem wannenförmigen Bereich verbunden ist, dass zwischen den zweiten Ouellen-
und Senkenbereichen und den ersten und dritten Quellen- und Senkenbereichen eine Isolation vorhanden ist, dass
ferner Einrichtungen zu Anlegen einer Vorspannung an den Halbleiterblock vorhanden sind, und die erste und
zweite Torschicht mit Torsignalen geeigneter Polarität beaufschlagbar ist, um den Festkörperschalter leitend
zu machen, wennimmer die Torsignale und die Vorspannung anliegen, sodass das an die Eingangsklemme angelegte
Eingangssignal über den Festkörperschalter zur Ausgangsklemme mit einem Minimum an Verzerrung übertragbar ist.
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10. Festkörperschalter nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η
zeichnet, dass die Verbindungen zwischen den
einzelnen Elementen durch eine geeignet gestaltete Metallisationsschicht hergestellt ist.
11. Festkörperschälter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Senkenbereich im Halbleiterblock und der dritte Quellenbereich in dem wannenförnigen Bereich ausgebildet
ist.
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