DE2430416B2 - Integrierte Koppelpunktschaltung - Google Patents
Integrierte KoppelpunktschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Koppelpunktschaltung, vorzugsweise zum Schalten
von Leitungen in Fernsprechvermittlungsanlagen, mit einer Vielzahl von in einem Halbleitersubstrat in
Planartechnik ausgebildeten, gegeneinander isolierten Thyristoren, die aus einer von Halbleitermaterial
des entgegengesetzten Leitungstyps umgebenen wannenförmigen Anodenzone des einen Leitungstyps und
einer in dieser Anodenzone angeordneten vertikalen Dreierzonenfolge mit Zonen abwechselnd unterschiedlichen
Leitungstyps bestehen, wobei die mit der Anodenzone einen PN-Übergang bildende Zone vom
entgegengesetzten Leitungstyp, die in vom Substrat abgekehrter Richtung folgende, die Steuerzone des
jeweiligen Thyristors bildende Zone vom einen Leitungstyp und die darauffolgende, direkt unter der vom
Substrat abgekehrten Oberfläche liegende, die Kathode des Thyristors bildende Zone vom entgegengesetzten
Leitungstyp ist.
Bei einem derartigen Koppelpunkt islt 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 Signaldämpfung 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 an Hand 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, welche beispielsweise hoch p-dotiert (p+) sind, greifen durch
eine n-'eitende Zone 3 in einem 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) gebildet. 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 Diffusionsfionten oder im Hinblick auf tatsächliche
Zonengröße und Zonenabstände erhebt. Die Herstellungsprozesse für einen derartigen Koppelpunkt sind
an sich bekannt und umfassen die in der Planartechnik
üblichen Diffusions-, Epitaxie- und Kontaktierungsprozesse.
Fig. 2 zeigt einen äquivalenten Stromablauf plan
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 Weise über die Isolationszonen 7 an Masse liegt. Die Zonen 5, 6 und
3 nach Fig. 1 bilden jeweils einen vertikalen npn-Transistor T2, dessen Kollektor 3 mit der Basis des
h0 Transistors T1 und dessen Basis 6 mit dem Kollektor
des Transistors T2 direkt verbunden ist. Der durch
die Zone 4 gebildete Emitter des Transistors T1 stellt
die Anode, der durch die Zone 5 gebildete Emitter des Transistors T2 die Kathode und die durch die
Zone 6 gebildete Basis des Transistors T2 die Steuerzone
des jeweiligen Thyristors dar.
Ein weiterer parasitärer npn-Transistor T3 wird nun
jeweils eine Zone 3 der beiden Thyristoren sowie die
dazwischen liegende Isolationszone 7 gebildet. Die Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors T3 liegt
an den Kollektoren der Transistoren T2, während seine Basis, die über die Isolationszone 7 durch das
Substrat 1 gebildet wird, an den parasitären Kollektoren der Transistoren T1 liegt. Da je nach Polarität
der anliegenden Spannungen beide Zonen 3 als Emitter für den Transistor T3 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 T2 sind durchgeschaltet - ein Teil des
Anodenstroms über den durch das Substrat gebildeten parasitären Kollektor nach Masse abfließt, was zu unzulässigen
Verlusten führt.
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
T3 durchgeschaltet wird. Damit ergibt sich eine Kopplung zwischen den Transistoren, was für fernsprechtechnische
Zwecke unzulässig große Nebensprechwerte zur Folge hat.
Bei einer aus der US-PS 3450959 bekanntgewordenen Art der Entkopplung von Thyristoren in einem
Halbleitersubstrat wird der pn-übergang zum Substrat hin dadurch gesperrt, daß das Substrat an ein
diesen pn-übergang sperrendes Potential gelegt wird. Dies bedeutet, daß das Substrat in aller Regel auf dem
höchsten positiven, in der Schaltung vorkommenden Potential liegen muß, weil die die Anode der Thyristoren
bildende Zone jeweils dem Substrat am nächsten benachbart ist.
Eine solche Ausgestaltung ist in zweierlei Hinsicht nachteilig:
1. ist man in der Montage der integrierten Schaltung
dann nicht mehr frei, weil das Substrat auf einem von Masse verschiedenen Potential liegen
muß. Das integrierte System kann daher beispielsweise nicht in üblicher Weise auf eine in
aller Regel auf Masse liegende Bodenplatte eines Gehäuses montiert werden;
2. ist auch die Isolation gegen das Substrat nicht vollständig, weil durch die Zonen des Thyristors
gegen das Substrat hin ein parasitärer Transistor gebildet wird, von dem ein pn-übergang im
durchgeschalteten Zustand des Thyristors in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Daher ist der
genannte parasitäre Transistor jedenfalls zu einem Teil durchgeschaltet, so daß ein Verluststrom
zum Substrat hin abfließt, der einerseits zu einer Signaldämpfung und andererseits noch
zu einer gewissen Kopplung zwischen den einzelnen Thyristoren in der Schaltung führt.
Es ist weiterhin aus der FR-OS 2080915 eine Isolation
mit zwei Isolationswannen für Transistoren bekanntgeworden. Diese bekannte Art der Isolation ist
für Thyristoren an Stelle von Transistoren nicht ohne weiteres anwendbar, da eine Thyristor-Zonenfolge im
Sinne der US-PS 3450959 vollständig umgestaltet werden müßte, wenn noch eine zweite Isolationswanne vorgesehen werden sollte.
Schließlich ist aus der DE-AS 1298 188 eine integrierte
Koppelpunktschaltung mit Vierschichtern bekanntgeworden, wobei die Isolation in üblicher Weise
durch eine Isolationswanne erfolgt. Dies führt zu den bereits an Hand der Fig. 1 und 2 erläuterten Nachteilen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Koppelschaltung der in Rede stehenden Art anzugeben, bei der sowohl die in das Substrat abfließenden
Verlustströme als auch die Kopplung der einzelnen Thyristoren in einem für Fernsprechvermittlungszwecke
ausreichenden Maß vermieden sind.
Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Koppelpunktschaltung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Thyristoren in
einem Halbleitersubstrat des einen Leitungstyps derart angeordnet sind, daß das die Anodenzonen umgebende
Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps erste, durch Isolationszonen des einen
Leitungstyps voneinander getrennte Isolationswannen bildet, und daß das Substrat in bezug auf alle anderen
Zonen der Thyristoren auf dem tiefsten in der Schaltung vorkommenden Potential liegt.
In Weiterbildung der Erfindung können zwischen den ersten Isolationswannen und den Anodenzonen
der einzelnen Thyristoren leitende Verbindungen vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nun im folgenden an Hand eines in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausf ührungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 3 einen Schnitt durch die Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Koppelpunktschaltung,
und
Fig. 4 einen äquivalenten Stromablaufplan des integrierten Koppelpunktes nach Fig. 3.
Gemäß Fig. 3 ist in einem p-leitenden Substrat 10 pro Thyristor eine η-leitende Isolationswanne 11 vorgesehen,
deren unterer Teil als »buried layer«-Bereich hochdotiert (n+) ist, während die sich vertikal
j5 nach oben erstreckenden Teile dieser Zone 11 durch
eine epitaktische Schicht mit nicht so großer Leitfähigkeit gebildet sind. Diese Isolationswanne 11 ist —
in der Zeichenebene gesehen — in horizontaler Richtung durch hochdotierte p-leitende Isolationszoi.en 16
begrenzt.
In der Isolationswanne 11 ist eine zweite hochdotierte p-leitende Isolationswanne 12 vorgesehen, deren
unterer Teil ebenfalls durch einen »buried Iayer«-Bereich gebildet ist. In dieser zweiten Isolationszone
12 ist eine npn-Zonenfolge 13, 14 und 15 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 Isolationswanne 12, die Zone 13 und die Zone 14 gebildeten
lateralen pnp-Transistor T10 und durch einen durch
die Zonen 15, 14 und 13 gebildeten vertikalen npn-Transistor Tn zusammengesetzt.
Zusätzlich zu diesen, die Thyristoren bildenden Transistoren treten nun noch .zwei parasitäre Transistoren
T12 und T13 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 10 gebildet.
Schließlich wird durch die Zonen 11 und die Isolationszonen
16 bzw. das Substrat 10 ein Transistor T14
gebildet, der mit seiner Kollektor-Emitterstrecke zwischen den Basen der Transistoren T13 liegt. Ebenso
wie bei der bekannten Ausführungsform nach den Fig. 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 dem äquivalenten Stromablaufplan nach Fig. 4 ist zu erkennen, daß das Gebiet 13 sowohl im r>
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-Ubergangs zwischen diesen Zonen liegen wird.
Hält man das Substrat 10, das bei der Ausführungs- in
form nach den Fig. 3 und 4 über die mittlere Isolationszone 16 an Masse Hegt, immer auf niedrigerem
Potential als die Kathodenzone IS, so ergeben sich hinsichtlich der Sperreigenschaften der parasitären
Transistoren T12 und T13 zwei Möglichkeiten. r>
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 leitende Verbindung 20 in den Fig. 3 und 4 gestrichelt
eingetragen. Im äquivalenten Stromablaufplan nach Fig. 4 ist dann der Ermitter des
Transistors T12 mit dem Emitter des Transistors
T13 verbunden, was bedeutet, daß die Emitter-Basisstrecken
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 jo
kann die Basis des Transistors T12 über einen
eventuell fließenden Kollektor-Basisreststrom angesteuert werden, wobei ein Teil dieses Reststromes
als Emitterstrom in den Transistor T13
fließen würde. Dabei müßte dann aber auch ein Emitterstrom im Transistor T12 fließen, der seinerseits
aber nur in die Basis des pnp-Transistors T13 abfließen kann. Bei ansteigendem positiven
Potential an der Basis des Transistors T13 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 10 abfließen kann, ist die Ursache für
eine Signaldämpfung beseitigt.
Auch die Vermeidung von Nebensprecherscheinungen 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 T14 betrachtet werden. Da nach
Voraussetzung das Substrat 10 aber auf dem negativen Potential liegt, folgt daraus, daß die Basis des npn-Transistors
T14 negativ vorgespannt ist, so daß dieser
Transistor immer gesperrt ist. Eine Stromkopplung der beiden Thyristoren ist also nicht möglich, so daß
Nebensprecherscheinungen unterbunden sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Integrierte Koppelpunktschaltuiag, vorzugsweise
zum Schalten von Leitungen in Fernsprechvermittlungsanlagen, mit einer Vielzahl von in einem
Halbleitersubstrat in Planartechnik ausgebildeten, gegeneinander isolierten Thyristoren,
die aus einer von Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps umgebenen wannenförmigen
Anodenzone des einen Leitungstyps und einer in dieser Anodenzone angeordneten vertikalen
Dreierzonenfolge mit Zonen abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps bestehen, wobei die mit
der Anodenzone einen PN-Übergang bildende Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp, die in
vom Substrat abgekehrter Richtung folgende, die Steuerzone des jeweiligen Thyristors bildende
Zone vom einen Leitungstyp und die darauffolgende, direkt unter der vom Substrat abgekehrten
Oberfläche liegende, die Kathode des Thyristors bildende Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Thyristoren in einem Halbleitersubstrat (10) des einen Leitungstyps derart angeordnet sind, daß
das die Anodenzonen (12) umgebende Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps
erste, durch Isolationszonen (16) des einen Leitungstyps voneinander getrennte Isolationswannen
(11) bildet, und daß das Substrat (10) in bezug auf alle anderen Zonen (11, 12, 13, 14, 15) der
Thyristoren auf dem tiefsten in der Schaltung vorkommenden Potential liegt.
2. Integrierte Koppelpunktschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch leitende Verbindungen
(20) zwischen den ersten Isolationswannen (11) und den Anodenzonen (12) der einzelnen
Thyristoren.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |