DE2514466A1

DE2514466A1 - Integrierte halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2514466A1
Application number: DE19752514466
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Heuber; Knut Dipl Ing Najmann; Rolf Dipl Ing Dr Remshardt; Klaus Tertel
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1975-04-03
Filing date: 1975-04-03
Publication date: 1976-10-14
Also published as: DE2514466B2; FR2313777A1; IT1056804B; US4024417A; JPS5346702B2; FR2313777B1; JPS51123083A

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin:

Neuanmeldung GE 975 010

Integrierte Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung, die eine durch Isolationszonen in Bereiche unterteilte, die-aktiven und passiven Halbleiterbauelemente enthaltende Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps auf einem Substrat des entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und an die ein Bezugspotential, eine Substratspannung und mindestens eine, zwischen diesen beiden liegende Versorgungsspannung angelegt ist.

Derartig aufgebaute integrierte Halbleiteranordnungen entsprechen dem derzeitigen Stand der Technik und unterscheiden sich im wesentlichen nur noch durch die in den isolierten Bereichen integrierten speziellen Schaltungen und deren monolytische Struktur.

Bei der Wahl der anzulegenden Betriebsspannungen ist man an mindestens zwei Bedingungen gebunden. Die eine Bedingung ist selbstverständlich, nämlich die Betriebsspannung so zu wählen, daß die Schaltungen ordnungsgemäß funktionieren. Die andere Bedingung j ist von kaum weniger Bedeutung und ergibt sich aus dem Erfordernis, daß die vorzusehende Isolation zwischen den einzelnen Schaltungen in jedem Betriebszustand gewährleistet sein muß und keine unzulässigen Substratströme fließen dürfen.

ORIGINAL INSPEC

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Cater spezieller Berücksichtigung dieser Gesichtspunkte sei die übliche Anordnung näher betrachtet, bei der auf ein beispielsweise P-leitendes Substrat eine N-leitende Epitaxischicht, in !der die eigentlichen Schaltungen verwirklicht werden, aufgebracht ist und bei der die Isolation aus hochdotierten; P -leitenden, die Epitaxieschicht bis in das Substrat durchdringenden Zonen besteht. Die Isolation der einzelnen Bereiche der Epitaxischicht erfolgt also lateral durch die durch die P -leitenden Isolationszonen mit der N-leitenden Epitaxischicht gebildeten PN-Übergänge und vertikal, also nach unten, durch den zwischen der N-leitenden Epitaxischicht und dem P-leitenden Substrat gebildeten PN-Übergang. Für das ordnungsgemäße funktionieren der Isolation ist es erforderlich, daß die entsprechenden PN-Übergänge in Sperr- · ichtung vorgespannt sind. Im betrachteten Beispiel ist also eine gegenüber dem Bezugspotential - Vorzugsweise Massepotential negative Substratspannung, die also auch an dem P -leitenden Isolationszonen liegt, vorzusehen. Als Versorgungsspannung für die Schaltung selbst, ist dann eine zwischen Massepotential und dieser Substratspannung liegende Spannung zu verwenden. Im betrach teten Beispiel liegt also am Substrat bzw. an der Isolationszone, eine negativere Spannung als die Versorgungsspannung. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die isolierenden PN-Übergänge in Sperrrichtung betrieben werden, also als Isolationszonen wirken. Damit scheinen, was die angestrebte Isolation der einzelnen, die Schaltungen oder Bauelemente enthaltenden Bereiche der Epitaxischicht, die auch Isolationswanrien genannt werden, betrifft, keinerlei Probleme vorhanden zu sein. In Wirklichkeit treten jedoch ernsthafte Problemen auf, die einer Lösung bedürfen. Dabei ist der Einschaltvorgang, bei dem die integrierte Halbleiteranordnung an die Betriebsspannung angeschlossen wird, und der auf den Einschaltvorgang folgende Normalbetrieb gesondert zu betrachten .

Während des Einschaltvorganges laufen die Betriebsspannungen, also die Versorgungsspannung und die Substratspannung unterschiedlich schnell hoch, dabei besteht die Möglichkeit, daß die Ver-

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sorgungsspannung bereits ihren Endwert erreicht hat, während sich die Substratspannung noch auf einem Wert befindet, der noch keine !Sperrung der Isolationsdioden gewährleistet. Die Isolationsdioden sind in diesem Zustand also in Durchlaßrichtung betrieben und verursachen einen Kurzschluß. Der dadurch fließende Kurzschlußstrom kann zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen.

Zur Verhinderung dieser Schwierigkeit, ist man bereits dazu übergegangen, die Versorgungsspannung erst anzulegen, wenn die Substratspannung ihren Endwert erreicht hat und die Sperrung der Isolationsdioden gewährleistet ist. Dieses zeitlich versetzte Zuschalten der einzelnen Betriebsspannungen erfordert außerordentlich aufwendige Maßnahmen in der Stromversorgungseinheit.

Bei bestimmten Schaltungen ist es möglich, diesen Aufwand dadurch zu vermeiden, daß das Substrat über einen Schutzwiderstand an die Substratspannung angelegt wird. Dieser Schutzwiderstand begrenzt die auftretenden Kurzschlußströme auf ein erträgliches Maß. Eine entsprechende Maßnahme ist beispielsweise der Veröffentlichung "IBM Technical Disclosure Bulletin" vol. 11, Nr. 7, Dezember 1968, Seite 866 zu entnehmen.

Die letztgenannte, einfache Lösung des Problems ist bei vielen modernen Halbleiteranordnungen nicht anwendbar. Vielfach bestehen diese Halbleiteranordnungen aus komplizierten Strukturen mit lateralen PNP-Transistoren und vertikalen, gesättigten NPN-Transistoren, um unter anderem den Platzbedarf zu verringern und damit die Packungsdichte der Schaltungen bei möglichst einfacher Struktur zu erhöhen. Gerade die genannten Halbleiteranordnungen haben jedoch die Eigenschaft, daß auch im Normalbetrieb Substratströme fließen, die durch parasitäre Transistoren hervorgerufen werden. Da diese Substratströme in ihrer Stärke außerordentlich schwanken, wurden eingefügte Schutzwiderstände unkontrollierbare Spannungsabfälle hervorrufen, die die Funktionstüchtigkeit der Anordnung in Frage stellen könnten. Bei diesen genannten Halbleiteranordnungen müßte man also wieder zu der

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aufwendigen Lösung mit zeitlich versetztem Zuschalten der Betriebsspannungen übergehen.

,Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, für die genannten Halbleiteranordnungen eine Maßnahme anzugeben, die während des Einschaltvorganges das Fließen von Kurzschlußströmen verhindert und die während des Normalbetriebes, obwohl stark schwankende Substratströme fließen, keine unkontrollierten Schwankungen des Substratpotentials zuläßt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für eine integrierte, bipolare Halbleiteranordnung, die eine durch Isolationszonen in Bereiche unterteilte, die aktiven und passiven Halbleiterbauele-· mente enthaltende Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps auf einem Substrat des entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist und an die ein Bezugspotential, eine Substratspannung und mindestens eine, zwischen diesen beiden liegende Versorungsspannung angelegt ist, dadurch gelöst, daß ein ebenfalls durch eine Isolationszone abgeteilter Bereich der Halbleiterschichi die Kollektorzone mit darin angeordneter Basis- und Emitterzone eines Transistors bildet, daß an die Basiszone über einen ohm'scher Widerstand die Versorgungsspannung und an die Emitterzone die Substratspannung angelegt ist und daß die Kollektorzone mit dem Substrat leitend verbunden ist.

Die Erfindung gewährleistet, daß. im Normalbetrieb das Substratpotential trotz eines stark schwankenden Substratstromes nicht angehoben, sondern auf die - im betrachteten Ausführungsbeispiel tiefste Spannung, nämlich die Substratspannung festgelegt wird. Damit ist eine einwandfreie Sperrung aller Isolationsdioden gewährleistet. Gleichzeitig wird während des Einschaltvorganges, also dem Zuschalten der Betriebsspannungen, das Fließen eines Kurzschlußstromes verhindert. Die dafür erforderliche Anordnung ist außerordentlich einfach und für jedes Halbleiterplättchen nur einmal vorzusehen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fign. 1A und 1B zwei bekannte Transistorstrukturen innerhalb

einer integrierten Halbleiteranordnung·, bei denen das der Erfindung zugrundeliegende Problem auftritt,

Fign. 2A und 2B die erfindungsgemäße Anordnung als Teil der

integrierten Halbleiteranordnung,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 4 die Verläufe der wesentlichen Betriebsspannungen

während des Einschaltvorganges und im Normalbetrieb .

Zunächst sei die Fig. 1A betrachtet. Dargestellt ist eine in der modernen, hochintegrierten Technik übliche, isolierte, vertikale Transistorstruktur, an der das beim Einschaltvorgang, also beim Zuschalten der Betriebsspannungen auftretende Problem erkenntlich wird. Auf ein P -leitendes Halbleitersubstrat 1 ist eine epitaktische Halbleiterschicht 2 aufgebracht, in der die aktiven und passiven Elemente der Halbleiteranordnung verwirklicht sind. Die Transistorstruktur ist in einem durch die P leitende Isolationszone 3 und das P -leitende Substrat 1 begrenzten Bereich der Halbleiterschicht 2 angeordnet. Dieser Bereich der Halbleiterschicht 2 bildet dabei die Kollektorzone 21. Der Kollektoranschluß C ist über eine N -leitende Kollektoranschlußzone 5 zugeführt. Zwischen dem P -leitenden Substrat 1 und der Kollektorzone 21 ist eine N -leitende Subkollektorzone 4 angeordnet. Innerhalb der Kollektorzone 21 liegt die P-leitende Basiszone 6 mit dem Basisanschluß B. In der Basiszone 6 befindet sich die N⁺-leitende Emitterzone 7 mit dem Emitteranschluß E. Die

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P -leitende Isolationszone 3, die bis in das P -leitende Substrat 1 reicht, also mit dem Substrat verbunden ist, ist mit einem Substratkontakt S versehen. Bei den im betrachteten Beispiel angenommenen Polaritäten (NPN-Transistor) ist an den Substratanschluß S, der für die gesamte Halbleiteranordnung gemeinsam ist, die negativste Spannung, die Substratspannung VS, und an den Kollektoranschluß C die zwischen dem Bezugspotential und der Substratspannung VS liegende Versorgungsspannung VN anzulegen.

Im normalen Betriebszustand liegt also beispielsweise am Kollektoranschluß C die Versorgungsspannung VN = -2 Volt und am Substrat anschluß S die Substratspannung VS = -5 Volt. Es ist offensichtlich, daß bei Vorliegen dieser Verhältnisse, die zwischen der P -leitenden Isolationszone 3, bzw. dem P -leitenden Substrat 1 und der N -leitenden Halbleiterschicht 2 gebildeten Isolationsdioden in Sperrichtung betrieben werden und somit die angestrebte Isolation der Transistorstruktur bewirken. Steigen jedoch, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, die Betriebsspannungen während des Einschaltvorganges unterschiedlich schnell auf ihre Endwerte an, so kann der Zustand eintreten, daß die Substratspannung VS noch Null ist, während die Versorgungsspannung VN bereits den Wert von -2 Volt erreicht hat. Dieser Zustand ist in Fig. 4 zu Beginn des Einschaltvorganges angenommen und in der Struktur nach Fig. 1A durch Angabe der entsprechenden Spannungswerte festgehalten. Zweifellos sind dabei die Isolationsdioden in Durchlaßrichtung gepolt und es fließt ein Kurzschlußstrom IK über die Isolationszone 3 bzw. das Substrat 1 zum Kollektoranschluß C. Dieser während des Einschaltvorganges kurzzeitig fließende KurζSchlußstrom IK kann zur Zerstörung der Halbleiteranordnung führen. Das Fließen dieses Kurzschlußstromes ist entsprechend dem Stand der Technik nur durch zeitlich versetztes Zuschalten der Betriebsspannungen, also der Substratspannung VS vor der Versorgungsspannung VN, oder durch Einbau eines Schutzwiderstandes zu vermeiden.

Der Einbau eines Schutzwiderstandes ist aber, wie aus der Struktur nach Fig. 1B zu ersehen ist, dann nicht möglich, wenn

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in der integrierten Halbleiteranordnung Strukturen verwendet werden, bei denen auch im normalen Betriebszustand Substratströme fließen, die abhängig von den Betriebsbedingungen stark schwankend sind.

Der in Fig. 1B gezeigte Transistor ist im gegensatz zu dem der Fig. 1A nicht ein vertikaler NPN-Transistor, sondern ein lateraler PNP-Transistor. Bei diesem Transistor dient der durch die Isolationszone 3 isolierte Bereich der epitaktischen Halbleiterschicht 2 als Basiszone 22 mit N -Basisanschlußzone 8 und Basisanschluß

B. Die Emitterzone 9 und die Kollektorzone 10 sind zwei P-leitende, lateral zueinander in der Basiszone angeordnete Halbleiterzonen mit entsprechendem Emitter- und Kollektorkontakt E und

C. Im übrigen entspricht die Struktur der der Fig. 1A. Im eingeschalteten Zustand liegt die Substratspannung VS = -5 Volt am Substratanschluß S, Massepotential über einen Widerstand RE am Emitteranschluß E und beispielsweise VN = -2 Volt am Basisanschluß B. Der Transistor zieht seinem Normalbetriebszustand entsprechende Ströme, nämlich den Emitterstrom IE, den Kollektorstrom IC und den Basisstrom IB. Durch den Aufbau sowie die geringen Abstände der einzelnen Zonen läßt es sich bei dieser Struktur nicht verhindern, daß auch im Normalbetrieb die vorhandenen parisitären Transistoren Substratströme IS ziehen. Ein parasitärer Transistor ist im Bereich der Pfeile angedeutet. Die Emitterzone 9 injiziert Ladungsträger in die Basiszone 22. Die Isolationszone 3 bzw. das Substrat 1 wirkt als Kollektor, über den Substratanschluß S fließt also ein Substratstrom IS. Ein entsprechender Substratstrom ist auch bei gesättigten, vertikalen Transistorstrukturen festzustellen.

Die Lösung des geschilderten, während des Einschaltens auftretenden Problems mittels eines Schutzwiderstandes in der Zuleitung zum Substratanschluß S ist hier nicht durchführbar, da der schwankende Substratstrom IS Spannungsabfälle und damit Undefinierte Substratpotentiale hervorrufen würde.

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Die erfindungsgemäße Anordnung, die bewirkt, daß bei einer integrierten Schaltungsanordnung im Normalbetrieb das Substratpotentia trotz stark schwankendem Substratstrom IS nicht verändert und während des Einschaltvorganges das Fließen eines Kurzschlußstromes IK verhindert wird, ergibt sich aus den Fign. 2A und 2B. Beide Figuren zeigen das gleiche Ausführungsbeispiel, in Fig. 2A jedoch mit den während des kritischen Einschaltvorganges anliegenden und in Fig. 2B mit den im Normalbetrieb anliegenden Betriebsspannungen. Zunächst ist im linken Bereich der beiden Figuren als Teil einer integrierten Gesamtschaltung jeweils die bereits in Verbindung mit Fig. 1A beschriebene vertikale Transistörstruktur vorhanden. Da gleiche Bezugszeichen verwendet sind, erübrigt sich eine nochmalige Beschreibung dieser Struktur.

Die auf einem Halbleiterplättchen zusätzlich zu der eigentlichen Nutzschaltung einmal unterzubringende erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem integrierten Widerstand R und im betrachteten Beispiel aus einem NPN-Transistor TX.

Der Widerstand R und der Transistor TX sind ebenfalls wieder in durch die Isolationszone 3 getrennten Bereichen der epitaktischen, N~-leitenden Halbleiterschicht 2 verwirklicht. Der Aufbau des Transistors TX entspricht dem vertikalen NPN-Transistor mit der N⁺-leitenden Subkollektorzone 4, der N~-leitenden Kollektorzone 23, der P~-leitenden Basiszone 15 und der N -leitenden Emitterzone 16. Außerdem ist ein Basiskontakt BX, ein Emitterkontakt EX und an einer N⁺-leitenden Kollektorkontaktzone 17 ein Kollektorkontakt CX vorgesehen. Der Widerstand R besteht aus einer der Basiszone entsprechenden P-leitenden Zone 11 innerhalb des Isolierten Bereiches 24 der epitaktischen, N -leitenden Halbleiterschicht 2. Die Widerstandszone 11 ist mit die Anschlüsse des Widerstandes R bildenden Kontakten Ri und R2 versehen. Der isolierte N -leitende Bereich 24 ist über eine N -leitende Kontaktzone 12 an Massepotential gelegt. An den einen Kontakt R1 der Widerstandszone 11 ist die Versor crimes spannung VN angelegt. Der andere Kontakt R2 ist über eine Leitung 13 mit dem Basiskontakt

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BX des Transistors TX verbunden. An den Emitterkontakt EX ist die Substratspannung VS geführt. Der Kollektorkontakt CX ist über eine Leitung 14 mit dem Substratkontakt S verbunden.

Das Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung ist aus Fig. 3 zu ersehen. Die Versorgungsspannung VN ist über dem Widerstand R an die Basis des Transistors TX gelegt. Am Emitter des Transistors liegt die Substratspannung VS. Der Kollektor des Transistors ist mit der Isolationszone 3 und damit mit dem Substrat 1 verbunden. Die vom Widerstand R nach Masse gestrichelt eingezeichneten Dioden entsprechen dem in Sperrichtung betriebenen Übergang zwischen der P-leitenden Widerstandszone 11 und dem N~-leitenden Bereich 24 der Halbleiterschicht 2.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung sei nun zunächst wieder während des kritischen Einschaltvorganges und dann im Normalbetrieb untersucht. Während des Einschaltvorganges liege also der kritische Fall vor, daß die Versorgungsspannung VN bereits ihren Endwert von -2 Volt erreicht hat, während die Substratspannung VS noch den Wert Null aufweist. Offensichtlich ist der Transistor TX in diesem Betriebszustand gesperrt. Da die Substratspannung VS über die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors TX dem Substrat 1 zugeführt wird, diese Strecke jedoch gesperrt ist, kann kein Kurzschlußstrom IK fließen. Genereller betrachtet ist festzustellen, daß während des Zuschaltens der Betriebsspannungen der Transistor TX automatisch in beiden Richtungen gesperrt ist, solange die Substratspannung VS positiver als die Differenz zwischen der Versorgungsspannung VN und der Basis-Emitter-Spannung VBE für den leitenden Transistor TX ist, also im betrachtenden Beispiel positiver als etwa -2,7 Volt.

Solange während des Einschaltens die Versorgungsspannung VN die negativste Spannung ist, kann auch das Substrat kein negativeres Potential einnehmen. Hiermit ist automatisch gewährleistet, daß die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung VN und dem Substratpotential nie größer Null wird, womit auch der KoI-

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lektor-Basis-ubergang des Transistors gesperrt ist. Es kann kein Kurzschlußstrom IK fließen.

Im Normalbetrieb herrschen die in Fig. 2B angegebenen Betriebsverhältnisse. Die Versorgungsspannung ist VN = -2 Volt, die Substratspannung ist VS = -5 Volt.

Durch die Pfeile in der zur eigentlichen Nutzschaltung gehörenden NPN-Transistorstruktur ist angedeutet, daß hier im Normalbetrieb über parasitäre Transistoren unterschiedliche Substratströme IS fließen. Die erfindungsgemäße Anordnung mit dem bereits beschriebenen Widerstand R und dem Transistor TX bewirkt nun, daß das Substratpotential trotz des fließenden Substratstromes IS auf einem festen Wert gehalten wird.

Diese Wirkung wird dadurch erreicht, daß nunmehr der Transistor TX, der seinen Basisstrom von der Versorgungsspannung VN über den Widerstand R erhält, in Sättigung leitend ist. Die an seinen Emitteranschluß EX angelegte Substratspannung VS liegt lediglich um die Restspannung des Transistors TX erhöht über den Kollektoranschluß CX, die Leitung 14 und den Substratanschluß S an der Isolationszone 3 und damit am Substrat 1. Damit liegt das Substratpotential um eine Restspannung höher als die Substratspannung VS und ist unabhängig von der Größe des Substratstromes IS. Es ist sichergestellt, daß sämtliche Isolationsdioden eindeutig gesperrt sind.

Die Steuerung der Anordnung erfolgt somit automatisch durch die Versorgungsspannung VN und die Substratspannung VS. Eine zusätzliche Kontrollschaltung ist nicht erforderlich.

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Claims

PATgNTAy SPRUCH E

1. Integrierte Halbleiteranordnung, die eise durch Isolationsaoiien in Bereiche unterteilte, die aktiven und. passiven Halbleiterbauelemente enthaltende Halblciterschicht eines ersten Leitf^hiykeitstypsi auf einem Substrat des entgegengesetzten aweiten Leitfahiokeitstyps aufweist und an die ein Bezugspotcntiai, eine SuLstratspannuivj and ssinneotens eine, zwischen diesen beiden liegende Versorgungsspannung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein ebenfalls durch eine Isolationsscne (3> abgeteilter Bereich der Halblciterschicht (2) die Kollektorzone (23) irlt darin angeordneter Basis- und iStsitterzc-ne (15, 1S) eines zusätzlichen Transistors (TX) bildet, daß an die Basiszone (15) über einen ohm'sche» Widerstand (R) die Varsorgungsspan-nung (VTI) angelegt ist, dati die* Zufuhr dor Substrat spannung (YS) für die <resa»cto Halhleitsrar.ordnung über die Eiaittersono (1ö) erfolgt und daß die Kollektorzoua. Ϊ17,

23) mit der Isolationszons (3) und/oder deirt Substrat (1) leitend verbundsn ist.

2. Halbleiteranordnung ixach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß <2er ohm'sche widerstand (R) als integrierter tiidsrstand innerhalb eines weiteren, durch eineslsolationszone (3) abgeteilten Bereiches (24) der Halblciterschicht (2) ausgebildet ist.

3· ßalbleiteranordnung nach Anspruch 2, daciurch gekennzeichnet, daß öer ohm'sche Widerstand (R) durch eine der Basiszone entsprechende Zone (11) innerhalb des dafür vorgesehenen abgeteilten und an <ias üezugfipotential angeschlossenen Bereiches (24) der Halbleltercchicht (2) gebildet ist.

GB 375 oio 6 0 9 8 h 2 I 0 A 3 5 ^{BAD 0RIGINAL}

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4. Halbleiteranordnung nach einoia oder mehreren der /Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, das die Isolationszonen aus die Halbleitorsciiieht (2) bis zras Substrat (1)

dielektrischen Sonon bestehen.

5« Halbleiteranordnung nach einer;; oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch goJcenn zeichnet _r öaB die Isolationszonen aus die Haibleitorschicht bis sum Substrat (1) durchdringenden, hochdotierten 2onen {3) des zv/eitan Leitfähigkeitstyps bestehön, und daß die Kelle}; tor zone {17, 23) des Transistors (TX) iifaer üiese Xsolationszoaen (3) mit deia Substrat (1} verbunden ist.

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