DE2430416A1

DE2430416A1 - Integrierter koppelpunkt

Info

Publication number: DE2430416A1
Application number: DE2430416A
Authority: DE
Inventors: Herbert Aulig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-25
Filing date: 1974-06-25
Publication date: 1976-01-15
Also published as: DE2430416B2; IT1039036B; JPS5125084A; GB1477432A; AT342670B; ATA373675A; CH592962A5; DE2430416C3; ZA752984B; FR2276695A1; SE7507315L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Koppelpunkt, vorzugsweise zum Schalten von -Leitungen bei der Fernsprechvermittlung mit einer Vielzahl von in einem Halbleiter-Substrat gegeneinander isolier.t vorgesehenen Thyristoren.

Bei einem derartigen Koppelpunkt ist einerseits eine möglichst vollständige Entkopplung der einzelnen Thyristoren gegeneinander wichtig, da es beim Schalten von Leitungen in der Fernsprechvermittlung sonst zu unzulässigen Nebensprecherscheinungen "kommen kann. Andererseits ist auch eine Entkopplung der Thyristoren vom - in einer Schaltung gewöhnlich auf Masse liegenden - Substrat erforderlich, da sonst bei durchgeschaltetem Thyristor ein Teil seines über die Anoden-Kathodenstrecke fließenden Stroms nach Masse abfließen kann, was Signaldämpfungen bedeutet.

Diese Probleme treten auf, wenn die Thyristoren im Substrat in bekannter Weise in jeweils einer Isolationswanne angeordnet sind. Diese bekannte Form der Isolation sei anhand von Fig. 1 erläutert.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten integrierten Koppelpunkt ist in einem Substrat 1 pro Thyristor eine Isolationswanne vorgesehen, die durch.diffundierte Isolationszonen 7 in Verbindung mit dem Substrat gebildet werden. Diese Isolationszonen 7,

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welche beispielsweise hoch p-dotiert (p⁺) sind, greifen durch eine η-leitende Zone 3 in einen p-leitenden Bereich des Substrats 1 durch. Innerhalb der Isolationswannen ist unter der Zone 3 jeweils eine "buried layer"-Zone 2 vorgesehen. Die von den Isolationszonen 7 umgebenen Bereiche der Zonen 3 einschließlich der "buried layer"-Zone 2 sind also an sich jeweils vollständig von allen anderen Bereichen der integrierten Schaltung isoliert. Im Bereich der Zonen 3 innerhalb der Isolationswannen ist nun jeweils ein durch Zonen 4, 5 und 6 in Verbindung mit der Zone 3 gebildeter Thyristor vorgesehen, wobei die Zone 4 ringförmig ausgebildet und p-leitend ist, die Zone 5 η-leitend und die Zone 6 p-leitend ist.

Der Thyristor wird dabei in an sich bekannter Weise durch die Verkopplung zweier Transistoren, nämlich eines vertikalen npn-Transistors (Zonen 5, 6 und 3) sowie eines lateralen pnp-Transistors (Zonen 4, 3 und 6) gpbildet. Die Zone 4 ist dabei die Anode A, die Zone 5 die Kathode K und die Zone 6 die Steuerzone S des Thyristors.

In Fig. 1 sind zwei voneinander isolierte Thyristoren dargestellt, wobei gleiche Teile mit jeweils gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 1' lediglich eine schematische Darstellung ist, die nur zur grundsätzlichen Erläuterung dient und keinen Anspruch auf Genauigkeit, etwa im Hinblick auf den tatsächlichen Verlauf von Diffusionsfronten oder im Hinblick auf tatsächliche Zonengröße und Zonenabstände erhebt. Die Herstellungsprozesse für einen derartigen Koppelpunkt sind an sich bekannt und erfassen die in der Planartechnik üblichen Diffusions-, Epitaxie- und Kontaktierungsprozesse.

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Fig. 2 zeigt einen äquivalenten Stromablaufplan für die zwei Thyristoren in der integrierten Schaltung nach Fig. 1. Durch die Zonen 4, 3 und 6 wird jeweils ein lateraler pnp-Transistor T₁ gebildet, bei dem jedoch das p-leitende Substrat 1 einen weiteren parasitären Kollektor bildet, der an Masse liegt, wenn das Substrat in der in Fig. 1 dargestellten Yfeise über die Isolationszonen 7 an Masse liegt. Die Zonen 5, 6 und 3 nach Fig. 1 bilden jeweils einen vertikalen npn-Transistor Tp» dessen Kollektor 2 der Basis des Transistors T.. und dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors T, direkt verbunden ist. Der durch die Zone 4 gebildete Emitter des Transistors T.. stellt die Anode, der durch die Zone 5 gebildete Emitter den Transistor Tp die Kathode und die durch die Zone 6 gebildete Basis des Transistors Tp die Steuerzone des jeweiligen Thyristors dar.

Ein weiterer parasitärer npn-Transistor T₀, wird.durch jeweils eine Zone 3 der bei'den Thyristoren sowie die dazwischen liegende Isolationszone 7 gebildet. Die Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors T, liegt an den Kollektoren der Transistoren Tp, während seine Basis, die über die Isolationszone 7 durch das Substrat 1 gebildet wird, an den parasitären Kollektoren der Transistoren T.. liegt. Da je nach Polarität der anliegenden Spannungen beide Zonen 3 als Emitter für den Transistor T, wirken können, ist in Fig. 2 ein Emitter nicht eindeutig durch das.Pfeilsymbol eingezeichnet.

Aus dem Schaltbild nach Fig. 2 ist ersichtlich, daß bei durchgeschaltetem Thyristor - d.h. beide Transistoren T₁ und Tp sind durchgeschaltet - ein Teil des Anodenstroms über den durch das Substrat gebildeten parasitären Kollektor nach Masse abfließt, was zu unzulässigen Verlusten führt.

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Der über das Substrat 1 abfließende Teil des Anodenstroms bewirkt weiterhin einen Spannungsabfall am Substrat, wodurch bei hohen Strömen und damit entsprechend hohen Spannungsabfällen der Transistor T, durchgeschaltet wird. Damit ergibt sich eine Kopplung zwischen den Transistoren, was für fernsprechtechnische Zwecke unzulässig große Nebensprechwerte zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Koppelpunkt der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem die vorstehend diskutierten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einem integrierten Koppelpunkt der Eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Halbleiter-Substrat des einen Leitungstyps pro Thyristor eine erste Isolationswanne des anderen Leitungstyps vorgesehen ist, die durch eine geschlossene Isolationszone des anderen Leitungstyps begrenzt ist, daß in der ersten Isolationswanne eine zweite Isolationswanne des einen Leitungstyps vorgesehen ist, daß in der zweiten Isolationswanne eine vertikale, planare Dreizonenfolge abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps vorgesehen ist, wobei die mit der zweiten Isolationswanne einen pn-übergang bildende Zone vom anderen Leitungstyp, die in vom Substrat abgekehrter Richtung folgende Zone vom einen Leitungstyp und die darauf folgende, direkt unter der dem Substrat abgekehrten Oberfläche liegende Zone vom anderen Leitungstyp ist, und daß die zweite Isolationszone die Anode, die Zone des anderen Leitungstyps unter der vom Substrat abgekehrten Oberfläche die Kathode und die in vom Substrat abgekehrten Richtung folgende Zone des einen Leitungstyps die Steuerzone des Thyristors bildet.

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Die Erfindung wird nun im folgenden anhand eines in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 3 einen Schnitt durch die Ausführungsform des erfindungsgemäßen integrierten Koppelpunktes; und

Fig. 4 einen äquivalenten Stromablaüfplan des integrierten Koppelpunktes nach Fig. 3

Gemäß Fig. 3 ist in einem p-leitenden Substrat 10 pro Thyristor eine η-leitende Isolations-wanne 11 vorgesehen, deren unterer Teil als "buried layer"-Bereich hochdotiert (η ) ist, während die sich vertikal nach.oben erstreckenden Teile dieser Zone 11 durch eine epitaktische Schicht mit nicht so großer Leitfähigkeit gebildet sind. Diese Isolationswanne 11 ist - in der Zeichenebeno gesehen - in horizontaler Richtung durch hochdotierte p-leitende Isolationszonen 16 begrenzt.

In der Isolationswanne 11 ist eine zweite hochdotierte p-leitende Isolationswanne 12 vorgesehen, deren unterer Teil ebenfalls durch einen "buried layer"-Bereich gebildet ist. In dieser zweiten Isolationszone 12 ist eine npn-Zonenfolge 13, 14 und 1.5. angeordnet.

Die zweite Isolationswanne 12 bildet die Anode A, die Zone 15 die Kathode K und die Zone 14 die Steuerzone jeweils eines Thyristors.

Gemäß dem äquivalenten Stromablaufplan nach Fig. 4 werden die Thyristoren durch zwei verkoppelte Transistoren, nämlich einen durch die Isolätionswanne 12, die Zone 13 und die Zone 14 gebildeten lateralen pnp-Transistor T..Q und durch einen durch die Zonen 15, 14 und 13 gebildeten vertikalen npn-Transistor T₁₁ zusammengesetzt. ·

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Zusätzlich zu diesen, die Thyristoren bildenden Transistoren ,treten nun noch zwei parasitäre Transistoren T₁₂ ^un^ ^-13 auf. Der Transistor T₁₂ wird dabei durch die Zonen 13, 12 und 11 und der Transistor 13 durch die Zonen 11, 12 und das Substrat gebildet.

Schließlich wird durch die Zonen 11 und die Isolationszonen bzw. das Substrat 10 ein Transistor T.. gebildet, der mit seiner Kollektor-Emitterstrecke zwischen den Basen der Transistoren T^ liegt. Ebenso wie bei der bekannten Ausführungsform nach d.en Figuren 1 und 2 ist für diesen Transistor der Emitter nicht eindeutig angegeben, da beide Zonen 11 auf jeweils einer Seite der Isolationszone 16 je nach Polarität als Emitter wirken können.

Aus em äquivalenten .Stromablaufplan nach Fig. 4 ist zu erkennen, daß das Gebiet 13 sowohl im leitenden als auch im gesperrten Zustand des Thyristors immer etwa um 0,7 V unter der Spannung der Anodenzone 12, das heißt der Schwellspannung des pn-Übergangs zwischen diesen Zonen liegen wird. Hält man das Substrat 10, das bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 über die mittlere Isolationszone 16 an Masse liegt, immer auf niedrigerem Potential als die Kathodenzone 15, so ergeben sich hinsichtlich der Sperreigenschaften der parasitären Transistoren T₁₂ und T₁ ~ zwei Möglichkeiten.

1. Die Anodenzone 12 kann gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung über eine schematisch dargestellte leitende Verbindung 20 direkt mit der Isolationswanne 11 gekoppelt sein. Da diese Möglichkeit lediglich fakultativ ist, ist die leitenden Verbindung 20 in den Figuren 3 und 4 gestrichelt eingetragen. Im äquivalenten Stromablaufplan nach Fig. 4 ist dann der Emitter des Transistors T₁₂ mit dem Emitter des

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Transistors T.., verbunden, was bedeutet, daß die Emitter-Basisstrekcen dieser Transistoren kurzgeschlossen sind und daher beide Transistoren sperren. Damit ist die erwünschte Entkopplung zu dem auf Masse liegenden Substrat erreicht.

2. Die Verbindung 20 ist nicht vorhanden. Dann kann die Basis des Transistors T..ρ über einen eventuell fließenden Kollektor-Basisreststrom angesteuert werden, wobei ein Teil dieses Reststromes als Emitterstrom in den Transistor T^, fließen würde. Dabei müßte dann aber auch ein Emitterstrom im Transistor T.p fließen, der seinerseits aber nur in die Basis des pnp-Transistors T^, abfließen kann. Bei ansteigendem positiven Potential an der Basis des Transistors T.., wird dieser gesperrt, d.h., es kann kein Kollektorstrom fließen. Auch in diesem Fall ist eine effektive Entkopplung gegen das Substrat 10 gegeben.

Da in den beiden vorgenannten Fällen kein Strom in das Substrat abfließen kann, ist die Ursache für eine Signaldämpfung beseitigt.

Auch die Vermeidung von Kebensprecherscheinungen ist aus dem Stromlaufplan nach Fig. 4 zu ersehen. Eine Kopplung der beiden Thyristoren in der integrierten Schaltung nach Fig. 3 ist nur über die Isolationswanne 11 möglich. Diese η-Zonen der beiden Thyristoren müssen - wie oben schon ausgeführt - je nach anliegendem Potential als Emitter bzw. Kollektor des Transistors T₁-betrachtet werden. Da nach Voraussetzung das Substrat 10 aber auf dem negativsten Potential liegt, folgt daraus, daß die Basis des npn-Transistors T₁ . negativ vorgespannt ist, so daß dieser Transistor immer gesperrt ist. Eine Stromkopplung der beiden Thyristoren ist also nicht möglich, so daß Nebensprecherscheinungen unterbunden sind.

4 Figuren

3 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Integrierter Koppelpunkt, vorzugsweise zum Schalten von Leitungen bei der Fernsprechvermittlung, mit einer Vielzahl von in einem Halbleiter-Substrat gegeneinander isoliert vorgesehenen Thyristoren, dadurch gekennzeichnet, daß einem Halbleitersubstrat (10) des einen Leitungstyps pro Thyristor eine erste Isolationswanne (11) des anderen Leitungstyps vorgesehen ist, die durch geschlossene Isolationszonen (16) des einen Leitungstyps begrenzt ist, da^ in der ersten Isolationswanne (11) eine ^zweite Isolationswanne (12) des einen Leitungstyps vorgesehen ist, daß in der zweiten Isolationswanne (12) eine vertikale planare Dreierzonenfolge (13, 14, 15) abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps vorgesehen ist, wobei die mit der zweiten Isolationswanne (12) einen pnübergang bildende Zone (13) vom anderen Leitungstyp, die in vom Substrat (10) abgekehrter Richtung folgende Zone (14) vom einen Leitungstyp und die darauf folgende direkt unter der vom Substrat (10) abgekehrten Oberfläche liegende Zone (15) vom anderen Leitungstyp ist, und daß die zweite Isolationswanne (12) die Anode (A), die Zone (15) des anderen Leitungstyps unter der vom Substrat (10) abgekehrten Oberfläche die Kathode (K) und die in vom Substrat (10) abgekehrter Richtung folgende Zone (14) des einen Leitungstyps die Steuerzone (S) des Thyristors bildet.
2.) Integrierter Koppelpunkt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine leitende Verbindung (20) zwischen der ersten und der zweiten Isolationswanne (11, 12).

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3.) Integrierter Koppelpunkt nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Substrat (10) in Bezug auf alle anderen Zonen auf tiefstem Potential liegt.

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