DE2508553C3

DE2508553C3 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2508553C3
Application number: DE2508553A
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-02-27
Filing date: 1975-02-27
Publication date: 1981-06-25
Also published as: IT1062863B; CA1070854A; GB1533569A; FR2302590B1; JPS6019668B2; DE2508553A1; DE2508553B2; JPS51110286A; FR2302590A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Funktionselementen in einem Halbleiterkörper mit einer Versorgungs-Wechselspannung für wenigstens einen Teil der Funktionselemente.

Eine derartige Halbleiterschaltungsanordnung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 20 36 686 bekannt Bei der bekannten Anordnung wird eine niederfrequente Wechselspannung über ohmsche Kontakte eingespeist, d. h. über Elektroden, die unmittelbar auf dem Halbleiterkörper aufliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Versorgung einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit Wechselspannungen hoher Frequenzen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer integrierten Halbleiter· schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung, auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindlichen Isolationsschicht eine Metallelektrode vorgesehen ist, welche mit der Isolationsschicht und dem Halbleiterkörper wenigstens eine Kapazität zur Einkopplung der hochfrequenten Wechselspannung in aktive Funktionselemente bildet, und daß parallel zum Eingangskreis wenigstens eines der aktiven Funktionselemente eine Diode liegt, die so gepolt ist, daß sie in der Halbwelle, in der der Eingangskreis der aktiven Funktionselemente sperrt, leitet.

Zur optimalen Nutzung dieser Art der Spannungsver-

sorgung ist es vorteilhaft, die in den Unteransprüchen gekennzeichneten Transistorstrukturen zu verwenden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer logischen Schaltung mit Transistoren zur Erläuterung des Prinzips der Spannungsversorgung mit einer hochfrequenten Wechselspannung;
Fig.2 einen Teil einer integrierten Hälbleiterschal-

so tungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform von Transistorstrukturen;

F i g. 3 einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltungsanordnung mit einer zweiten Ausfuhrungsform von Transistorstrukturen; und

Fig.4 eine Ausbildung von streifenförmigen Basis- und Kollektorzonen bei Transistorstrukturen nach Fig. 3.

In der Schaltung nach Fig. 1 sind in Emitterschaltung betriebene Transistoren Γι bis T$ in Kaskade geschaltet

Um anzudeuten, daß eine solche Schaltung im Prinzip

beliebig erweitert werden kann, ist im ausgezogen gezeichneten Teil der Schaltung ein Transistor Ta in gestrichelter Darstellung hinzugefügt.

Den Kollektoren der Transistoren T\ und Ti, der Basis

f>5 und dem Kollektor des Transistors Tj (und falls zugeschaltet auch dem Kollektor des Transistors T₄) sowie der Basis des Transistors T·, werden über die Kapazitäten Q bzw. Ci von einer Klemme S eine

hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung zugeführt Weiterhin wird dem Kollektor des Transistors Ts Ober einen Arbeitswiderstand R eine gesonderte Versorgungsgleichspannung von einer Klemme U zugeführt Die Transistoren 71 und Ti (und falls zugeschaltet auch der Transistor 7}) sind an Klemmen I\ bis /3 über ihre Basen ansteuerbar. Eine Klemme O bildet den Ausgang der Schaltung.

An der Klemme S liegt in Bezug auf Erde als Versorgungsspannung eine hochfrequente Wechselspannung, die beispielsweise einen sinusförmigen oder rechteckförmigen Verlauf hat und bei einem Spannungswert von 5 Volt eine Frequenz von 15 Mhz besitzt Ober die Kapazität Q und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T3 sowie Ober die Kapazität Ci und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₅ fließt während der positiven Halbwelle der hochfrequenten Wechselspannung an der Klemme S ein Strom, wobei jedoch die an den Kollektoren der Transistoren entstehende Spannung aufgrund der Niederohmigkeit der Basis-Emitter-Strecken kleiner als die Versorgungsspannung ist Die Kapazitäten bilden für die Transistoren also hochfrequente Stromgeneratoren.

Wird einer der Transistoren 71 oder T₂ an der Klemme I\ bzw. h durch ein positives Steuersignal in den leitenden Zustand geschaltet so wird der Ober die Kapazität Q fließende hochfrequente Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des leitenden Transistors kurzgeschlossen, so daß in die Basis des Transistors 7*3 kein Strom mehr fließen kann, d. L, der Transistor T₃ wird gesperrt Liegen die Klemmen /1 und /2 auf Erdpotential, wobei die Transistoren T₁ und T₂ gesperrt sind, so fließt die positive Halbwelle des hochfrequenten Stroms aber die Basis des Transistors T₃. In diesem Fall ist der Transistor T₃ leitend, so daß er den Ober die J5 Kapazität Ci fließenden hochfrequenten Strom kurzschließt Da der die letzte Stufe bildende Transistor T₅ mit einer gesonderten Versorgungsgleichspannung von z. B. 5 Volt betrieben wird, liegt am Ausgang O bei durchgesteuertem Transistor T₃ dauernd die Versorgungsspannung Lf. Ist der Transistor T₃ jedoch gesperrt so schwankt die Spannung am Ausgang O im Takt der hochfrequenten Versorgungsspannung zwischen Erdpotential und der Versorgungsspannung U. Dieses hochfrequente Ausgangssignal sowie auch ein daraus 4S durch Siebung gewonnenes Gleichstromsignal eignen sich zur Ansteuerung weiterer Schaltungen.

Die Realisierung der vorstehend beschriebenen Schaltungsmöglichkeiten in integrierter Technik wird anhand der Ausführungsformen nach den Fi g. 2 und 3 so erläutert

Bei der Atisführungsform nach F i g. 2 ist auf einen hochdotierten Substratkörper 1 eines Leitungstyps (beispielsweise ρ+-Typ) eine schwach dotierte oder eigenleitende Schicht 2 aufgebracht In dieser Schicht 2 sind — beispielsweise durch Diffusion hergestellte — Zonen 3 des anderen Leitungstyps (beispielsweise η-Typ) vorgesehen. Auf die Oberfläche dieser Halb* leiterstruktur sind Metallbelegungen 4 aufgebracht. Diese Metallbelegungen 4 bilden einerseits im groRflä* ehigen Teil Sehottky-Kontakte S und andererseits ohm'sche Kontakte 6 mit n⁺-leitenden Zonen in den η-leitenden Zonen 3. Die η+ -leitenden Zonen sind in F i g. 2 durch Doppelschraffur angedeutet.

Auf die Struktur aus halbleitenden Bereichen und Metallbelegungen ist eine Isolationsschicht 8 aufgebracht, auf der sich wiederum eine Metallelektrode 9 befindet. Auf der Unterseite des Substratkörpers 1 ist eine weitere Metallelektrode 7 vorgesehen.

Werden nun der pn-übergang zwischen dem Substratkörper 1 und den Zonen 3 in Durchlaßnchtung und die Schottky-Kontakte zwischen den Zonen 3 und den Metallbelegungen 5 in Sperrichtung betrieben, so arbeiten die Zonenfolgen als Transistoren mit Emitter 1, Basis 3 und Kollektor 4.

Im Sinne der Ausführungen zur Schaltung nach Fig. 1 wurde nun an die Metallelektrode 9 eine hochfrequente Wechselspannung als Versorgungsspannung angelegt Die integrierte Struktur nach F i g. 2 bietet dabei den Vorteil, daß Kapazitäten, wie die Kapazitäten Q und C₂ nach Fig. 1, nicht zusätzlich integriert werden müssen. Diese Kapazitäten werden vielmehr durch die Isolationsschicht 8 gebildet

Durch die ohm'schen Kontakte 6 ist gleichzeitig eine Verschaltung zwischen dem Kollektor eines Transistors und der Basis eines anderen Transistors möglich. Die schwach dotierte oder eigenleitende Schicht 2 gewährleistet eine Isolation zwischen den Transistoren. Eine zusätzliche Isolationsdiffusion oder eua Isolation durch Oxid ist nicht erforderlich, weil die zti isolierende Spannung maximal 0,6VoIt (Schwellspannung der Basis-Emitter-Diode) beträgt und weil ein ins Gewicht fallender Teil dieser Spannung durch die Potentialbarriere der Schicht 2 aufgefangen wird. Noch fließende Isolationsströme sind vernachlässigbar.

F i g. 3, in der gleiche Teile wie in F i g. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine weitere Ausführungsform der Transistorstrukturen. Dabei entsprechen die Emitter- und Basisbereiche denjenigen nach Fig.2. Die Kollektoren werden jedoch hierbei nicht durch Metaltbelegungen sondern durch Halbleiterzonen 13 (beispielsweise durch Diffusion hergestellt) gebildet welche in Bezug auf die Basiszonen 3 von entgegengesetztem Leitungstyp sind. Ohm'sche Kontakte 14, welche zur elektrischen Verbindung der Einzeltransistoren dienen, ergeben sich durch starke Dotierung, was wiederum durch eine Doppelschraffierung angedeutet ist

Bei entsprechender Wahl der Leitfähigkeitstypen sind beispielsweise mit einer Anordnung nach Fig.2 pnp-Transistoren und mit einer Anordnung nach F i g. 3 npn-Transistoren realisierbar.

Gemäß Fig.4 läßt sich eine Transis'oranordnung noch dadurch vereinfachen, daß die Basen und die Kollektoren streifenförmig ausgebildet sind, wobei ein Kollektor dort entsteht wo sich ein Streifen 13 großflächig mit einem Streifen 3 kreuzt Die Bereiche 14 stellen wiederum elektrische Verbindungspunkte und Basisanschlüsse dar. Bei Bedarf können über einen Basisstreifen auch mehrere Kollektorstreifen geführt werden. Dabei sind große geometrische Toleranzen zulässig, weil die verschiedenen Zonen nicht wie bei konventionellen Transistoren ineinander verschachtelt angeordnet sind. Daraus ergeben sich kleinerer Transistorstrukturen, wodurch die Packungsdichte weiter erhöht wird.

Da über die Baais der Transistoren nur die positive Halbwelle der hochfrequenten Versorgungsspannung fließen kann, muß dafür Sorge getragen werden, daß die gleiche Ladungsmenge auch in der negativen Kalbwelle abfließen kann, damit sich die Anordnung durch den Gleichrichtereffekt nicht selbst sperrt. Bei den Anordnungen nach F i g. 4 'st dies durch den Parallelwiderstand zur Basis-Emitter-Sfacke gewährleistet, der sich durch fehlende Isolation, beispielsweise Isolationsdiffusion ergibt. Bei wenigen in Kaskade geschalteten

Transistorstufen kann die Ladung in der negativen Halbwelle über die in FluOrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Strecken abfließen. Grundsatzlich kann aber auch parallel zur Basis-Emitter-Strecke eine gegen diese invers geschaltete Diode vorgesehen werden, welche dem gleichen Zweck dient. Eine solche Diode ist dabei nicht für alle Transistorstufen erforderlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit aktiven und passiven Funktionselementen in einem Halbleiterkörper mit einer Versorgungs-Wechselspannung für wenigstens einen Teil der Funktionselemente, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung der hochfrequenten Wechselspannung, auf einer auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1, 2) befindlichen Isolationsschicht (8) eine ι ο Metallelektrode (9) vorgesehen ist, welche mit der Isolationsschicht (8) und dem Halbleiterkörper (1,2) wenigstens eine Kapazität (Q oder C₂) zur Einkopplung der hochfrequenten Wechselspannung in aktive Funktionselemente bildet, und daß parallel zum Eingangskreis wenigstens eines der aktiven Funktionselemente (T\, T₂, T₃) eine Diode liegt, die so gepolt ist, daß sie in der Halbwelle, in der der Eingangskreis der aktiven Funktionselemente (T,, T₂, T₃) sperrt isitet

2, Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungswechselspannung sinusförmig ist

3. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Ausbildung von Transistoren: Einen als Emitter wirkenden, hochdotierten Substratkörper (1) des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper (1) vorgesehene schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2), in der schwachdotierten oder Jo eigenleitender. Schicht (2) befindliche, räumlich voneinander getrennte Basiszonen (3) des anderen Leitungstyps, und auf dea Basiszonen (3) vorgesehene, diese mindestens teilweise, bedeckende Metallbelegungen (4), welche jeweils mit einer Basiszone (3) einen Schottky-Kontakt (5) bilden und als Kollektor wirken (F ig, 2),

4. Integrierte Hajbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kollektoren wirkenden Metallbelegungen (5) mindestens zum Teil über die schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2) bis zu einer benachbarten Basiszone (3) geführt sind und mit dieser einen ohm'schen Kontakt (6) bilden (F i g. 2).

5. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Ausbildung von Transistoren: Einen als Emitter wirkenden, hochdotierten Substratkörper (1) des einen Leitungstyps, eine auf dem Substratkörper (1) vorgesehene schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (2), in der schwachdotierten oder eigenleitenden Schicht (2) befindliche, räumlich voneinander getrennte Basiszonen (3) des anderen Leitungstyps und in den Basiszonen (3) befindliche Zonen (13) des einen Leitungstyps, die als Kollektor wirken (F ig. 3).

6. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kollektoren wirkenden Zonen (13) wenigstens zum Teil durch die schwachdotierte oder eigenleitende Schicht (3) bis zu einer benachbarten Basiszone (3) geführt sind und mit dieser einen, beispielsweise durch starke Dotierung erzeugten, ohmschen Kontakt (14) bilden (F i g. 3).

7. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszonen (3) und die Kollektorzonen (13) streifenförmig ausgebildet sind und sich rasterförmig überlappen (F ig. 4).