DE2231933B2 - Festkörperschalter - Google Patents
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Description
15
Die Erfindung betrifft einen Festkörperschalter aus zwei komplementären Metall-Oxyd-Silicium-Oberflächen-Feldeffekttransistoren
(nachfolgend als MOS-Transistoren bezeichnet) von denen der eine eine 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 zusammengeschalteten
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 Größenordnung von Nanosekunden. Der Schalter wird durch das Anlegen entgegengesetzt
polarisierter Torsignale an die Tore der komplementä- J5
ren 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 <to
Umkehrstufen wegen ihrer hohen Abschaltwiderstände verwendbar. Ein Multiplexsystem, in welchem Festkörperrelais
Verwendung finden, dient der Flugdatenabfrage bei Flugzeugen zur Fernüberwachung 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 ί>ο
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 mit Vq-.5 bezeichnet und ist die Quellen-Substrat-Differenzspannung
des bestimmten MOS-EIements. Diese Sperrvorspannung hängt vom Eingangssignal
ab und beeinflußt das MOS-E!ement 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 Übertragungsleitungen an eine Multiplexschaltung gegeben und von dieser miteinander
verschachtelt werden, kann die Amplitude dieser Signalinformationen 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-Halbleiteranordnungen
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 Übertragungsbereiches 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 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 Spannungsfehler wegen der Nichtlinearität nur schwer auszugleichen ist.
Obwohl die herkömmlichen 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 Übertragungswiderstand,
der sich aus den parallel 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 Übertragungswiderstandes 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 Kanalstrek-
ke, welches hauptsächlich zu den erwähnten Verzerrungen beiträgt, da dessen Empfindlichkeit mit der
Eingangsspannung V,„ veränderlich ist. Die Empfindlichkeit des Elements mit der N-Ieitenden Kanalstrecke ist
häufig das Dreifache der Empfindlichkeit des Elements mit der P-Ieitenden Kanalstrecke in Abhängigkeit von
den Änderungen der Eingangsspannung. Es soll daher die Empfindlichkeit des Elements mit der N-Ieitenden
Kanalstrecke verringert werden. Diese Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke bereitet insbesondere
Schwierigkeiten bei der Herstellung der komplementären MOS-EIemente in integrierter Schaltkreisform, da
die Substratdotierung für das Element mit der N-leitenden Kanalstrecke höher als die Substratdotierung
des Elements mit der P-Ieitenden Kanalstrecke ist. Die Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke soll
jedoch verringert werden, indem entsprechend die Torschwellwertspannung VVverringert wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperschalter zu schaffen, der als Analogschalter
Verwendung finden kann und aus komplementären MOS-Halbleiter 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 von Torsignalen geeigneter Amplitude und Polarität leitend gemacht werden, wobei
die Änderung des Widerstandes über den Schalter (Übertragungswiderstand) 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke an die Quelle dieses Elements
über ein Hilfselement mit P-leitender Kanalstrecke angeschlossen ist, wenn immer der Schalter leitend
gemacht wird. Dadurch wird die bereits erwähnte Quellen-Substratvorspannung eliminiert, indem das
Potential zwischen dem Substrat und der Quelle des Elements mit N-leitender Kanalstrecke gleich Null
gehalten wird. Diese Bedingung ν,-j = 0 bewirkt eine
relativ flache Widerstandscharakteristik für das Element mit dem N-Ieitenden Kanal und damit für den
ganzen Schalter in Abhängigkeit von analogen Eingangsspannungen, die den gesamten Betriebsbereich
durchlaufen.
Durch die Bedingung Vq-S - 0 für das Element mit
dem N-leitenden Kanal wird erreicht, daß das hohe Änderungsverhältnis des Widerstandes der N-Ieitenden
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 desser
Empfindlichkeit verringert, und da der N-leitende Kanai parallel mit dem weniger empfindlichen P-leitender
Kanal liegt, ergibt sich aus der Kombination der parallel geschalteten Widerstände für den Schalter eine
wesentlich geringere Änderung des Widerstandes ir Abhängigkeit von den angelegten Eingangssignalen.
Damit wird die durch den Schalter bedingte »Verzerrung« wesentlich verringert.
ίο Die Gründe für die Empfindlichkeit des N-leitender
Kanals sind die folgenden: Es wird angenommen, daß Λ/,/eine Funktion von M(Vsg„- VT)ist Dabei ist V3^ die
Differenzspannung zwischen der Quelle des Elements mit N-leitender Kanalstrecke und seinem Tor. Di«
Torschwellwertspannung, bei welcher der N-leitende Kanal leitend gemacht wird, ist VTn. Diese Größe VTn isl
eine Funktion der|/V,_in. Indem V,_M auf 0 verringert
wird, wird die Empfindlichkeit von Wn in Abhängigkeit
von den Änderungen der Eingangsspannung auf ein Minimum verringert. Wenn die Empfindlichkeit Vn aul
ein Minimum verringert ist, wird auch der Widerstand Rn entsprechend auf ein Minimum verkleinert Ferner
ist VVeine Funktion von V9 _s wobei Vq = Vm für große
Lastimpedanzen ist. Wenn daher das Substrat der N-leitenden Kanalstrecke mit der Quelle der N-leitenden
Kanalstrecke verbunden ist 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 Vr nicht mehr wesentlich mit der Eingangsspannung V,n. Wenn sich aber der Ausdruck Vr nicht
mehr ändert, wird auch der Widerstand Rn 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 MΔ Vsgn und nicht mehr proportional
dem Ausdruck \/(OVsgn—AT„) ist. Indem nunmehr das
Element mit der N-leitenden Kanalstrecke mit niedrigerer Empfindlichkeit parallel zu dem an sich weniger
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
so 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-Halbleiteranordnung
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 Elements mit der N-leitenden Kanalstrecke auf
demselben Potential gehalten wird, wie die Quelle dieses Elements. Diese Aufrechterhaltung desselben
Potentials läßt sich mit Hilfe des zusätzlichen Elements
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.
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 zeigt
F i g. 1 das Schaltschema eines bekannten Analogschalters mit komplementären MOS-Transistoren, wobei die komplementären Elemente parallel geschaltet
sind,
F i g. 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 Ober 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,
F i g. 3 ein Diagramm der Eingangs-Ausgangswiderstandscharakteristik als Funktion einer Eingangsspannung bei bekannten MOS-Transistoren, woraus ein
nichtlinearer Verlauf entnehmbar ist,
F i g. 4 das Diagramm der Eingangs-Ausgangswiderstandscharakteristik als Funktion der Eingangsspannung für beide Hälften eines bekannten Analogschalters
aus komplementären MOS-Transistoren gemäß Fig. 1, wobei in dem Diagramm auch der zusammengesetzte
Eingangs-Ausgangswiderstand der komplementären Anordnung dargestellt ist,
F i g. 5 ein Diagramm des Eingangs-Ausgangswiderstandes für die beiden Hälften eines Analogschalters
gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der -to Eingangsspannung und ferner den zusammengesetzten
Eingangs-Ausgangswiderstand als Funktion derselben Eingangsspannung,
F i g. 6 die Überlagerung der Diagramme gemäß den Fig.4 und 5, woraus sich vergleichsweise der
Widerstandsverlauf für einen bekannten Analogschalter gegenüber dem Analogschalter gemäß der Erfindung
ergibt,
F i g. 7 in graphischer Darstellung die Veränderung der effektiven Schwellwertspannungen der Transistoren mit N-leitender und P-leitender Kanalstrecke als
Funktion der Quellen-Substrat-Differenzspannung V,_a
Fig.8 einen Schnitt durch einen Analogschalter gemäß der Erfindung aus komplementären MOS-Transistoren, bei dem 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 16kanaligen
Multiplexanlage.
Der Aufbau eines bekannten Analogschalters mit komplementären MOS-Transistoren ist aus der US-PS
34 57 435 bekannt Die für diesen Aufbau und auch für den Analogschalter gemäß der Erfindung verwendeten
MOS-Transistoren mit N-leitender und P-leitender Kanalstrecke sind Elemente vom Anreicherungstyp,
d. h. solche, die im 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 Elements, jedoch von entgegengesetzter Polarität ist. Diese Substratvorspannung ist der
vorausstehend erwähnten Patentschrift nicht zu entnehmen, 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 F i g. 1 dargestellte Zuordnung angenommen werden. Danach wird das
Eingangssignal V1n 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 Vaus 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 auftretenden Spannungen folgende Annahmen gemacht Die Potentialdifferenz zwischen dem Eingangssignal und der Torspannung wird bei dem Element mit P-leitender Kanalstrekke mit Vsgp bezeichnet und bezieht sich auf die
Spannungsdifferenz zwischen der Quelle der P-leitenden Kanalstrecke und deren Tor. Die Quellen-Torspannung des Elements mit N-leitender Kanalstrecke wird
mit Vsgn 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 V9-Jp
für das Element mit P-leitender Kanalstrecke und mit V9-Jn für das Element mit N-leitender Kanalstrecke
bezeichnet Die Torspannung für das Element mit P-leitendeir Kanalstrecke wird mit - W und für das
Element mit N-leitender Kanalstrecke mit Vr gekennzeichnet.
Der grundsätzliche Funktionsablauf der Schaltung gemäß F i g. 1 ergibt sich bei einem Eingangssignal V,„
wie folgt: Wenn dieses Eingangssignal Vm von einem
positiven Potentialwert in einen negativen Potentialwert übergeht, steigt der Widerstand am Transistor mit
P-!eitender 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-Ieitender Kanalstrecke wesentlich weniger rasch als der Abfall des Widerstandes im
Element mit N-leitender Kanalstrecke, woraus sich die Empfindlichkeit des Elements mit N-leitender Kanalstrecke
auf Veränderungen oder Schwankungen des Eingangssignals ergibt Die in F i g. 1 und 2 dargestellten
MOS-Transistoren sind Elemente vom Anreicherungstyp, so daß sie beim Anlegen des Torpotentials
eingeschaltet werden. Wenn die Tor-Quellenpotentiale Vsg sowohl des Elements mit N-leitender als auch mit
P-leitender Kanalstrecke kleiner als deren Schwellwertspannungen Vt sind, stellen diese einen offenen
Schaltkreis dar, so daß der Eingangs-Ausgangswiderstand in der Größenordnung von 1012 Ohm liegt Dieser
Abschaltwiderstand hängt von den Sperrströmen an den Halbleiterübergängen ab. Die Schwellwertspannung
Vt wird als dasjenige Tor-Quellenpotential Vsg
definiert, das notwendig ist, um eine starke Oberflächeniversionsschicht
für den leitenden Kanal zu schaffen. Für VSg> Vt befindet sich der Schalter im eingeschalteten
Zustand, indem der Eingangs-Ausgangswiderstand R auf einen Wert von in der Größenordnung 100 Ohm
verringert werden kann. Durch Verringerung der Torvorspannung und durch die Verwendung eines
unterschiedlichen geometrischen Aufbaus kann der Eingangs-Ausgangswiderstand des eingeschalteten
Schalters bei entsprechender Auslegung auf einen Wert zwischen größenordnungsmäßig 100 Ohm bis
100 kOhm eingestellt werden.
Die Betriebsweise eines Analogschalters im eingeschalteten Zustand mit einem verhältnismäßig niedrigen
Widerstand kann unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Gleichungen für den Widerstand der einzelnen
Kanalstrecken des Schalters aus MOS-Transistoren wie folgt beschrieben werden. Für den Widerstand der
einzelnen Kanalstrecken gilt:
R,P =
/<FOX2
L J
(D
wobei
φρ - 2Φι]
In diesen Gleichungen sind μ, F0*, Tox, Z0,
VYo physikalische Parameter. Wobei
VYo physikalische Parameter. Wobei
μ die Beweglichkeit der Majoritätsträger
F0x die Permeabilität des Tor-Dielektrikums
T0x die Dicke des Tordielektrikums
Zp die Breite des leitenden MOS-Kanals
Lett die Länge des leitenden MOS-Kanals
ΦF das Fermi-Potential des Siliciummaterials
Vr0 die Schwellwertspannung für Vo~s = Oist
Da der Schalter aus einem Element mit P-leitender Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand Rp sowie
einem Element mit N-leitender Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand Rn zusammengesetzt ist, ergibt sich
für den Eingangs-Ausgangswiderstand mit den beiden Schalterhälften in Parallelschaltung der Widerstand
R =
Rp +
Torspannung, welche den Schalter leitend macht, ±8 Volt beträgt und eine Eingangsspannung von
+ 8VoIt anliegt, hat das Element mit P-leitender
Kanalstrecke eine Quellen-Tor-Potentialdifferenz Vsgp
von 16 Volt und ein Quellen-Substrat-Potential V,_ip
von 0 Volt Damit ist das Element mit P-leitender Kanalstrecke voll eingeschaltet und hat einen niedrigen
Widerstand Rp. Das Element mit N-leitender Kanalstrecke ist jedoch abgeschaltet, da Vsg„<
Vm und da
ίο Vq-s = 16 Volt sind. Wenn die Eingangsspannung gegen
-8 Volt angehoben wird, steigt das Quellen-Substratpotential V(J-Jp des Elements mit P-leitender Kanalstrecke
an, womit auch der Widerstand Rp zunimmt Der Widerstand Rn nimmt wegen der größeren Werte Vign
und der kleineren Werte V,_ra 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,_OT groß ist, ergibt sich
auch ein hoher Widerstand Rn- Wie aus F i g. 2 hervorgeht, kann durch das Zusammenschalten des
Substrats des Elements mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle V,_OT auf den Wert 0 gebracht
werden, womit der Gesamtwiderstand Rn des Elemen ts
mit N-leitender Kanalstrecke abnimmt Diese Widerstandsverringerung ist eine Folge der Verringerung des
Ausdruckes Vq-m in Gleichung 2 auf 0, woraus sich für
Gleichung 1 ergibt, daß
Rn —
K9-
ist.
wenn der Schalter eingeschaltet ist. Wenn die Das Kurzschließen des Substrats mit der Quelle des
Elements mit P-leitender Kanalstrecke führt zu einem abnehmenden Gesamtwiderstand Rp des Elements mit
P-leitender Kanalstrecke. Es ist dann möglich, den Einfluß des Ausdrucks Vr in Gleichung 1 völlig zu
beseitigen, so daß er allein von 1 durch Vv abhängt. Da
die Empfindlichkeit des Elements mit P-leitender Kanalstrecke nicht so groß wie die Empfindlichkeit des
Elements mit N-leitender Kanalstrecke in Abhängigkeit von Änderungen der Eingangsspannung ist, ist in der
Regel nur das Element mit N-leitender Kanalstrecke dasjenige, das für gewöhnlich mit zusätzlichen oder
hilfsweisen Quellen-Substrat-Kurzschlußeinrichtungen versehen ist Sowohl das Element mit P-leitender als
auch das Element mit N-leitender Kanalstrecke kann gleichzeitig mit Quellen-Substrat-KurzschluSeinrichtungen
versehen sein, um eine weitere Verbesserung der Störunterdrückung für den Analogschalter zu bewirken.
Wie aus Fig.2 hervorgeht, ist ein zusätzliches
Element mit P-leitender Kanalstrecke zwischen die Quelle des Elements 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle verbindet.
Das Element mit P-leitender Kanalstrecke ist notwendig, um eine elektrische Isolation zwischen der Senke
bo des Elements 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 kontaktierten Substrats, wie durch das Bezugszeichen 23 angedeutet. Diese Diode 23
würde als Halbwellengleichrichter für am Eingang wirksame Signale wirken, wenn das Substrat des
Elements mit N-leitender Kanalstrecke direkt mit der Quelle des Elements mit N-leitender Kanalstrecke
während der Ausschaltbedingungen verbunden wäre. Zumindest die eine Hälfte des Eingangssignals würde so
direkt zur Quelle, d. h. zur Ausgangsseite des Elements 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 23 derart in Durchlaßrichtung vorspannen, daß die Senke des Elements mit N-leitender Kanalstrekke
mit der Quelle des Elements 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 Elements 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 Kanalstrecke und
P-leitender Kanalstrecke wirksam sind. Dieses Element ist in Fig.2 mit 22 bezeichnet Sein Substrat
entsprechend wie das Substrat des Elements 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, wenn immer
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 Elements mit 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
Rua\s Funktion der Eingangsspannung ergibt.
Eine vollständigere Erläuterung der Wirkungsweise der Elemente vom Verstärkungstyp gemäß F i g. 1 und 2
wird anhand der graphischen Darstellungen gemäß F i g. 3,4 und 5 gegeben.
Wenn als Beispiel eine einzelne MOS-Halbleiteranordnung
30 betrachtet wird, so ergibt sich, daß der Eingangs-Ausgangswiderstand sich entsprechend der
auf der rechten Seite gegebenen Formel als Funktion von"Vw und VY 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 Größenordnung von einer Dekade
stattfindet. Der Betriebsbereich der Halbleiteranordnung wird durch die negativen und positiven Grenzwerte
für die Torschwellwertspannung angegeben, die im vorliegenden Fall ± 8 Volt ist. Wenn die Halbleiteranordnung
ein Element mit P-leitender Kanalstrecke ist, nähen sich die Widerstandskurve 31 asymptotisch der
strichpunktierten Linie 32. Die Widerstandsänderung in der Größenordnung einer Dekade im Betriebsbereich
kann zwischen 1 kOhm 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 nur einem 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 F i g. 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 Elements mit P-leitender
ίο Kanalstrecke und das Einschalten des Elements mit
N-leitender Kanalstrecke notwendig ist. Wie aus der Darstellung hervorgeht, kann bei einem solchen Aufbau
ein analoges Signal mit 16VoIt Spitzenspannung
zwischen dem positivsten und dem negativsten Spannungswert durch den konventionellen, komplementären
MOS-Analogschalter verarbeitet werden, wobei die Torschwellwertspannung gleich ± 8 Volt ist. Wenn die
Torschwellwertspannungen ±15 Volt gemacht werden, dann kann als analoges Eingangssignal ein Signal von
30VoIt Spitzenspannung Verwendung finden. Diese 30 Volt Eingangsspannung stellt den maximalen Wert
dar, der mit einer solchen Anordnung erzielt werden kann, da eine Eingangs-Substrat-Sperrvorspannung
über 30 Volt 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.
so Das Problem bei der gerade beschriebenen parallelgeschalteten,
komplementären MOS-Halbleiteranordnung besteht in der nichtlinearen Widerstandscharakteristik,
insbesondere im 0-Volt-Bereich für die Eingangsspannung, einem Bereich, der gerade bei guten
jr> 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 3mal größer als bei dem Element mit P-leitender Kanalstrecke ist, was dazu
führt, daß das Element mit N-leitender Kanalstrecke bei einer Eingangsspannung Vsg entsprechend der Asymptote
42 abschaltet. Der Widerstand an jeder Kanalstrekke der beiden Elemente ist proportional dem Ausdruck
\/(Vsg-\T)· Wie man jedoch aus Gleichung (1)
entnehmen kann, hängt W 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke
bezüglich Änderungen der Eingangsspannung. Der Einfluß dieser Konstante ist aus F i g. 7 erkennbar,
in der die Schwellwertspannung VV über der Quellen-Substrat-Differenzspannung
Vq -s aufgetragen ist. Somit
bo ist Vr eine Funktion von Vq-s, wobei die Proportionalitätskonstante
K für das Element mit N-leitender Kanalstrecke 3mal so groß wie diejenige für das
Element mit P-leitender Kanalstrecke ist. Wenn man den Einfluß von Vr auf den Widerstand R zumindest
insoweit eliminiert, als das Element mit N-leitender Kanalstrecke betroffen ist, und zwar durch Kurzschließen
des Substrats des Elements mit N-leitender Kanalstrecke mit deren Basis, dann läßt sich die
Nichtlinearität des Analogschalters im ganzen wesentlich verringern.
Vor der Behandlung der Darstellung gemäß F i g. 5, soll darauf hingewiesen werden, daß in Fig.4 die
Kurven für die Widerstände Rn und Rp sich in
denjenigen Bereichen überschneiden, in welche die Kurven den größten Anstieg aufweisen. Daher liegt der
absolute Wert des Überschneidungspunktes verhältnismäßig hoch und kann Werte in der Größenordnung von
20 MOhm annehmen. Aufgrund dieses hohen Wertes im to Überschneidungspunkt arbeiten die Elemente mit
P-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 Kanalstrecke 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 Steigung im Bereich des O-Durchganges der
Eingangsspannung bzw. des Kreuzungspunktes. Dieses charakteristische Verhalten soll jedoch vermieden
werden, so daß der Analogschalter Signale kleiner Amplitude getreu ohne Verzerrung übertragen kann.
In F i g. 5 ist auf der rechten Seite eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung angedeutet, die die
Elemente 40 und 41 der Darstellung gemäß F i g. 4 auf der rechten Seite umfaßt, wobei zusätzlich ein Element
50 mit P-leitender Kanalstrecke vorgesehen ist, das als
Klemmschaltung zwischen dem Substrat des Elements mit N-leitender Kanalstrecke und dessen Quelle dient,
wodurch aus der Gleichung (1) ein wesentlicher Anteil des Ausdrucks für VY bezüglich der Widerstandsänderung entfällt. Als Ergebnis ergibt sich, daß der
Widerstand Rn proportional 1/ Vsgn wird. Das Vorsehen
des Elements 50 mit P-leitender Kanalstrecke bedingt keine Änderung der Charakteristik des Elements 40 mit
P-leitender Kanalstrecke, so daß dessen Widerstandskurve 31 in Fig.5 im wesentlichen entsprechend der
Darstellung gemäß Fig.4 verläuft. Dagegen wird jedoch der steile Anstieg der Widerstandskurve 43
gemäß F i g. 4 wesentlich abgeflacht, so daß die Kurve
51 für den Widerstand Rn nun die Kurve 31 in einem Punkt schneidet, der etwa einem Wert von 670 0hm
entspricht. Die Symmetrie gemäß Fig.5 kann durch eine entsprechende geometrische Konfiguration des
Aufbaus der Elemente mit P-leitender und N-leitender Kanalstrecke und/oder durch das Vorsehen eines
Quellen-Substratkurzschlusses für das Element mit P-leitender Kanalstrecke bewirkt werden. Diese Symmetrie ist jedoch nicht wesentlich für das generelle,
lineare Betriebsverhalten des Analogschalters. Wesentlich ist die Reduzierung des Widerstandes über das
Element mit N-leitender Kanalstrecke, so daß der Schnittpunkt der Kurven für die Widerstände Rn und Rp
wesentlich tiefer liegt als dies bei einer Schaltung ohne den Transistor 50 und ohne die Verbindung des
Substrats mit der Quelle des Elements mit N-leitender Kanalstrecke der Fall sein würde. Als Ergebnis stellt
sich eine kombinierte Eingangs-Ausgangs-Widerstands·
charakteristik 55 ein, die anstelle von steilen Steigung« in der Umgebung des Wertes 0 der Eingangsspannung
nunmehr nur eine sehr geringe oder keine Steigung hat Selbst wenn der Schnittpunkt der beiden Kurven 31 unc
51 nicht zentrisch bezüglich der 0-Volt-Spannung liegt kann eine geringe seitliche Verschiebung aus der Mitte
kaum einen nennenswerten Einfluß haben, da die Kurve zwischen den Punkten 56 und 57 und damit für die
kleinen Signalwerte der Eingangsspannung verhältnis mäßig flach verlaufL
In F i g. 6 werden die in den F i g. 4 und 5 dargestelltei
Ergebnisse gemeinsam dargestellt, um so den Einflul der Hinzufügung eines zusätzlichen Elements mi
P-leitender Kanalstrecke deutlicher werden zu lassen Dabei sind die Kurven entsprechend der Darstellung
gemäß F i g. 4 und 5 bezeichnet Aus dieser Darstellunf gemäß Fig.6 läßt sich entnehmen, daß durch du
Kopplung des Substrats mit der Quelle des Elemente mi N-leitender Kanalstrecke die Asymptote 42 der Kurve
die den Widerstand über das Element mit N-leitendei
Kanalstrecke repräsentiert, in der graphischen Darstel lung nach rechts verschoben wurde und nunmehr die
Position der gestrichelten Linie 42' einnimmt Die! bedeutet physikalisch ein Ansteigen der Spannung, be
welcher das Element mit N-leitender Kanalstrecke abschaltet
Man nimmt somit wahr, daß, wenn der Ausgang de: Analogschalters eine hohe Impedanz sieht, das zusätzli
ehe Element mit P-leitender Kanalstrecke zwischen dei
Senke und dem Substrat des Elements mit N-leitendei Kanalstrecke verläuft Ferner ergibt sich, daß, wenn da;
Element mit P-leitender Kanalstrecke in einem wannen förmigen Bereich mit N--leitendem Material innerhalt
des P-leitenden Substrats ausgebildet wird, sich eine Umkehr insofern einstellt, als das Gatter nunmehr eil
Element mit P-Ieitender Kanalstrecke und zwe Elemente mit N-leitender Kanalstrecke umfaßt, wöbe
das Hilfselement ein Element mit N-leitender Kanal strecke ist und zwischen der Quelle und dem Substra
eines Elements mit P-leitender Kanalstrecke liegt Da; Tor dieses Hilfselements ist dabei mit dem Tor dei
Elements mit N-leitender Kanalstrecke verbunden.
Wie bereits erwähnt, wird durch den integriertet
Schaltungsaufbau der komplementären MOS-HaIb leiteranordnung die vergrößerte Empfindlichkeit de;
Elements mit N-leitender Kanalstrecke bewirkt ds dieses Element mit N-leitender Kanalstrecke in einen
wannenförmigen Bereich aus P--leitendjm Materia hergestellt wird, das eine höhere Störstellenkonzentra
tion als das N-leitende Substrat hat, das normalerweist
für Elemente mit P-leitender Kanalstrecke Verwendunj findet. Was jedoch aus der bisherigen Beschreibung de:
schematischen Diagramme nicht hervorgeht, ist die Tatsache, daß die erfindungsgemäße Anordnung genai
in derselben Weise wie bekannte, komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen ohne zusätzlichen Diffu
sionsschritt hergestellt werden kann. Ein Schnitt durcl eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung ist ii
F i g. 8 dargestellt die ein N-leitendes Substrat 80 zeigt in welchem ein wannenförmiger Bereich 81 au
P--leitendem Material eindiffundiert ist Die Dotie rungskonzentration des N-Ieitenden Substrats lieg
typischerweise bei etwa 2 χ 1015 Atome/cm3, wobei di<
Dotierungskonzentration des wannenförmigen Berei ches 81 in der Größenordnung von etwa 2 χ ΙΟ1
Atome/cm3 liegt. Es wird bemerkt, daß ein Teil diese wannenförmigen Bereiches 81 als Teil des zusätzlichei
ί5
Elements mit P-leitender Kanalstrecke dient, obwohl
eine genaue Begrenzung, wie sie zwischen der Quelle des Elements 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 Hiifselements mit P-leitender Kanalstrecke als Teil des Elements mit N-leitender
Kanalstrecke auszubilden, führt zu einer offensichtlichen Raumersparnis auf dem Halbleiterplättchen. Es sei
erwähnt, daß ein entsprechendes Maskieren 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 Elements 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 Hiifselements mit P-leitender Kanalstrecke, sowie die Bereiche 91 und 92
die Quelle und Senke des ursprünglichen Elements 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
Hiifselements mit P-leitender Kanalstrecke dient. Diener 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, so daß nur ein sehr
geringfügiger zusätzlicher Schritt gegenüber 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 Metallisation aufgebracht und entsprechend der Darstellung
der mit dem Bezugszeichen 96 versehenen Teile ausgestaltet. Die Anschlüsse für das Eingangssignal V1n
und das Ausgangssignal V,UJ sind in der Darstellung
gemäß F i g. 8 eingezeichnet Bei dem eingezeichneten Schaltungsverlauf ist das Hilfselement mit P-leitender
Kanalstrecke mit dem Tor des ursprünglichen Elements mit P-Ieitender Kanalstrecke verbunden, wobei die
Quelle des Hiifselements mit P-leitender Kanalstrecke automatisch mit dem Substrat des Elements mit
N-leitender Kanalstrecke verbunden ist und somit der zugehörige Kontaktanschluß weggelassen werden
kann. Die Senke des Hiifselements mit P-leitender Kanalstrecke ist mit dem Anschluß für das Ausgangssignal
Vaus verbunden, obwohl sie auch für die meisten
Halbleiteranordnungen mit der Klemme für das Eingangssignal V1n verbunden sein könnte. Daraus
ergibt sich anschaulich, daß die Herstellung des zusätzlichen Elements mit P-leitender Kanalstrecke bei
den bekannten Herstellungsverfahren wenig Schwierigkeiten bereitet
In F i g. 9 wird die Anwendung des komplementären
MOS-Analogschalters gemäß der Erfindung für einen
8kanaligen Multiplex-Differenzschalter dargestellt, der aus Standard-Dekoderschaltungen mit. drei Eingängen
besteht, die innerhalb der gestrichelten Linie 90 dargestellt sind. Über diese Dekoderschaltung wird
einer von acht Schaltern der beiden Gruppen 91 und 92 ausgewählt, um eine 2adrige Multiplexumschaltung für
beste Geräuschunterdrückung zu schaffen. In Serie zu den Gruppen sind Bereitstellungsschalter 93 vorgesehen,
die die Belastungskapazität und das Nebensprechen verringern. Die Eingangssignal an den paarweisen
Adern 1,2; 3,4; 5,6; 7,8; 9,10; U, 12; 13,14 und 15,16 werden von der Dekoderschaltung 90 in
ίο Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
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 8kanalige 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 F i g. 9 mit untergebracht werden, um
die Modifikation mit sowenig als möglich zusätzlicher Metallisation auszuführen, so daß die Eingänge zu den
Schaltern 93 entsprechend den Leitungen 105 mit den drei zusätzlichen Gattern 100, 101 und 102 verbunden
sind. Es ist offensichtlich, daß die Umkehrstufen UO gemäß den Fig.9 und 10 notwendig sind, um für die
Torimpulse eine Polaritätsumkehr entsprechend der MOS-Elemente in dem komplementären MOS-Aufbau
zu schaffen. Die Schaltungen gemäß F i g. 9 und 10 sind
lediglich als beispielsweise Ausführungsformen einer Vielzahl von Multiplexschaltungen gedacht, bei welchen
der Analogschalter gemäß der Erfindung Verwendung finden kann. Die Schaltung gemäß Fig.8 kann
zusätzlich auch als einzelner 8-Kanalschalter Verwendung
finden. Auch kann ein zwei aus acht Multiplex-
schalter lediglich durch Änderung der Verdrahtung hergestellt werden.
In der vorstehenden Beschreibung wurde das grundsätzliche Konzept beschrieben, das es möglich
macht, Festkörperrelais aus komplementären MOS-Halbleiteranordnungen
zu verwenden, wobei dieses Konzept davon ausgeht, daß die Nichtlinearität des Widerstandes der Relaisschaltung zum Teil von der
Veränderlichkeit der Torschwellwertspannung von MOS-Halbleiteranordnungen abhängt. Die Veränderlichkeit
der Torschwellwertspannung kann durch das Kurzschließen eines Teils des MOS-Substrats mit der
Quelle oder der Senke beeinflußt werden. Damit arbeitet der MOS-Schalter auf einem flacheren Teil der
Eingangs-Ausgangs-Widerstandskurve, was gleichbedeutend mit einer Linearisierung der Widerstandscharakteristik
ist. Diese Maßnahme kann sowohl für einzelne MOS-Halbleiteranordnungen als auch für
parallelgeschaltete 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-Elements 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 parallelgeschaltete Anordnung als
Festkörperrelais Verwendung findet, wird die gewünschte Funktion lediglich durch die Verbindung des
Tores des Hiifselements mit dem Tor des MOS-Elements 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-Eiement derart zu beeinflussen,
daß es auf einem lineareren Teil seiner Widerstandskurve arbeitet, stellt dieses Konzept für integrierte
Schaltkreisherstellung eine wichtige Maßnahme dar, da
die Beeinflussung der übrigen Parameter, die ein solches lineares Verhalten verursachen würde, nahezu unmöglich ist Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt
sich somit eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung in Form eines linear arbeitenden Analogschalters
schaffen, der im Bereich von Nanosekunden wirksam ist
Claims (11)
- Patentansprüche:1, Festkörperschalter aus zwei komplementären MOS-Transistoren, von denen der eine eine N-leitende und der andere eine P-ieitende 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 dieses eine Substrat dasjenige ist, das durch die Einrichtungen mit der in demselben Substrat angeordneten Quelle verbunden ist, derart, daß die Empfindlichkeit auf an den Festkörperschalter angelegte Eingangssignale für denjenigen MOS-Transistor verringert wird, der mit diesem einen im Substrat des anderen Transistors jo ausgebildeten Substrat angeordnet ist.
- 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, so daß 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 zusätzlichen 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 beaufschlagt 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.
- 6. Festkörperschalter 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 0, 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. Festkörperschalter 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 Halbleiterblocks 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 Quelleil- und Senkenbereiche überlappt, wobei die erste Torschicht aus einem isolierenden Material besteht, daß in dem Halbleiterblock, neben dem wannenförmigen Bereich, zweite Senken- und Quellerbereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angeordnet sind, daß eine zweite Torschicht auf der Oberfläche des 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- und Senkenbereichen und den Torschichten bestehen, daß die Störstellenkonzentration in dem Halbleiterblock, dem wannenförmigen Bereich sowie in den Quellen- und Senkenbereichen in einer solchen Größe vorgesehen ist, daß Halbleiterartordnungen 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 Quellen- und Senkenbereichen und den ersten und dritten Quellen- und Senkenbereichen eine Isolation vorhanden ist, daß ferner Einrichtungen zum 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, wenn immer die Torsignale und die Vorspannung anliegen, so daß das an die Eingangsklemme angelegte Eingangssignal über den Festkörperschalter zurAusgangsklemme mit einem Minimum an Verzerrung übertragbar ist
- 10. Festkörperschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen durch eine geeignet gestaltete Metallisationsschicht hergestellt ist
- 11. Festkörperschalter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet daß der dritte Senkenbereich im Halbleiterblock und der dritte Quellenbereich in dem wannenförmigen Bereich ausgebildet ist
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