DE2430416C3

DE2430416C3 - Integrierte Koppelpunktschaltung

Info

Publication number: DE2430416C3
Application number: DE742430416A
Authority: DE
Inventors: Herbert 8000 Muenchen Aulig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-25
Filing date: 1974-06-25
Publication date: 1979-03-08
Also published as: ATA373675A; ZA752984B; IT1039036B; CH592962A5; AT342670B; JPS5125084A; FR2276695A1; DE2430416B2; GB1477432A; DE2430416A1; SE7507315L

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 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-Kathodeiistrecke 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

ίο 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 ge-

r> bildet werden. Diese Isolationszonen 7, welche beispielsweise hoch p-dotiert (p⁺) sind, greifen durch eine η-leitende 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.

jo 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

j5 Zone 5 die Kathode K und die Zone 6 die Steuerzone 5 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

₄-, Zonengröße und Zonenabstände erhebt. Die Herstellungsprozesse für einen derartigen Koppelpunkt sind an sich bekannt und umfassen die in der P'anartechnik üblichen Diffusions-, Epitaxie- und Kontaktierungsprozesse.

-₎₍₎ 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 parasi-

-₎₅ tären 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

_w) 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

_b5 Zone 6 gebildete Basis des Transistors T₂ die Steuerzone des jeweiligen Thyristors dar.

Ein weiterer parasitärer npn-Transistor T₃ wird durch jeweils eine Zone 3 der beiden Thyristoren sowie

die dazwischenliegende Isolationszone 7 gebildet. Die len.

Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors T₃ liegt an den Kollektoren der Transistoren T.„ während seine Basis, die über die Isolationszone 7 durch das Substrat 1 gebildet wird, an den parasitären Kolleklo- > ren 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 7", und T₁ sind durchgeschaltet - ein Teil des Anodenstroms über den durch das Substrat gebildeten parasitären Kollektor nach Masse abfließt, was zu un- ι > zulässigen Verlusten führt.

Der über das Substrat 1 abfließende Teil des Anodenstroms bewirkt weiterhin einen Spannungsabfall a:n Substrat, wodurch bei hohen Strömen und damit entsprechend hohen Spannungsabfällen der Transi- iu stör 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 bekanntgewor- r, denen Art der Entkopplung von Thyristoren in einem Halbleitersubstrat wird der pn-Ubergang zum Substrat hin dadurch gesperrt, daß das Substrat an ein diesen pn-Ubergang sperrendes Potential gelegt wird. Dies bedeutet, daß das Substrat in aller Regel auf dem «ι 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 j-> 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 bei- ^₁, spielsweise 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 4-, gegen das Substrat hin ein parasitärer Transistor gebildet wird, von dem ein pn-Ubergang im durchgeschalteten Zustand des Thyristors in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Drher ist der genannte parasitäre Transistor jedenfalls zu ei- -_l() nem 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. -₎₅ 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 _b0 Sinne der US-PS 3.450959 vollständig umgestaltet werden müßte, wenn noch eine zweite Isolationswanne vorgesehen werden sollte.

Schließlich ist aus der DE-AS 1 298 188 eine integrierte Koppelpunktschaltung mit Vierschichtern be- _b-, kanntgeworden, wobei die Isolation in üblicher Weise durch eine Isolationswanne erfolgt. Dies führt zu den bereits an Hand der Fig. 1 und 2 erläuterten Nachtei-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 a'jch 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 Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiels 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 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 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 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 7'₁₀ und durch einen durch die Zonen 15, 14 und 13 gebildeten vertikalen npn-Transistor T_n zusammengesetzt.

Zusätzlich zu diesen, die Thyristoren bildenden Transistoren treten nun noch zwei parasitäre Transistoren T₁₂ und T₁, 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 Tiansistor T₁₄ gebildet, der mit seiner Kollektor-Emitters?recke zwischen den Basen der Transistoren T₁₃ liegt. Ebenso wie bei der bekannten Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist für diesen Transistorder Emitter nicht

eindeutig angegeben, da beide Zonen 11 auf jeweils piner Seite der Isolationszone 16 je nach Polarität als Emitter wirken können.

Aus dein äquivalenten Stromablaufplan nach Fig. 4 ist zu erkennen, daß das Gebiet 13 sowohl im leitenden als auch im ^ciperrten Zustand des Thyristors immer etwn um 0,7 V unter der Spannung der» Anodenzone 12, das heißt der Schwellspannung des pn-Übergangs zwischen diesen Zonen liegen wird. Hält mein das Substrat 10, das bei der Ausführungs- ι form 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. ι

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 T_n 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 ι

kann die Basis des Transistors /",·, über einen eventuell fließenden Koilekior-Basisreststrorr; nnsesteucrt werden, wobei ein Teil dieses Resistromes als Hniitterstrom in den Transistor Γ. fließen würde. Dabei mußte dann aber auch ein Emitterstrom im Transistor 7,, fließen, der seinerseits aber nur in die Basis des pnp-Transistors T₁, abfließen kann. Bei ansteigendem positiven Potential an der Basis des Transistors /',, wird «"•ieser gesperrt, d. h. es kann kein Kollektorstrom fließen. Auch in diesem Fall ist eine efivKiive Entkopplung gegen dus Substrat 10 gegeben.

Da in der. beiden vorgenannten Fällen kein Strom in das Subctrai 10 abfließen kann, ist die Ursache für eine Signyldärnnfimg beseitigt.

Auch die Vermeidung von Nebensprcchcrscheinungen ist ausdeni 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 ausgeführi -je nach anliegendem Potential als Emitter bzw. Kollektor des Transistors 7'₁₄ betrachtet werden. Da nach Voraussetzung das Substrat 10 aber auf dem negativer Potential liegt, folgt daraus, daß die Basis des npn-Transistors T₁₄ negativ vorgespannt ist. so daß diesel Transistor immer gesperrt ist. Eine Stromkopplunj der beiden Thyristoren ist also nicht möglich, so dal: Nebensprecherscheinungen unterbunden sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Steuerzons des jeweiligen Thyristors bildende Zune vom einen Leitungstyp und die darauffolgende, direkt unter der vom Substrat abgekehrten Oberfläche liegende, die Kathode des Thyristors bildende Zone vom entgegengesetzten Leitungslyp 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.