DE2515457A1

DE2515457A1 - Mehrzweckhalbleiterschaltungen

Info

Publication number: DE2515457A1
Application number: DE19752515457
Authority: DE
Inventors: Yoshio Ishigaki; Takashi Okada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-04-10
Filing date: 1975-04-09
Publication date: 1975-10-30
Also published as: DE2515457B2; GB1500993A; SE412671B; JPS50134586A; AU7977575A; CA1020639A; FR2267640A1; AT374053B; ES436466A1; DE2515457C3; IT1037229B; NL7504194A; FR2267640B1; US3988598A; BE827760A; ATA272675A; JPS5753672B2; AU497131B2; SE7504155L

Description

It 3191

SONY CORPORATION Tokyo / Japan

Mehrzweckhalbleiterschaltungen

Die Erfindung betrifft allgemein Mehrzweckhalbleiterschaltungen, die z.B. zur Bildung einer Verstärkunassteuerschaltung oder eines Schaltkreises verwendet werden, und insbesondere symmetrische Festkörper-Mehr zwecks chaltungen unter Verwendung einer neuartigen Halbleitervorrichtung mit drei Anschlüssen und verbesserter Symmetrieeigenschaft.

Es wurden verschiedene Arten von Mehrzweckhalbleiterschaltungen vorgeschlagen, die z.B. für einen Verstärkungssteuerkreis oder einen Synchrondemodulator wie einen Farbdemodulator zur Demodulation eines Farbartsignals eines Farbfernsehsignalgemischs verwendet werden. In solchen Schaltungen ist wenigstens ein aktives Halbleiterelement, z.B. ein Transistor vorgesehen, und ein erstes Signal, das gesteuert werden soll, wird auf einen Eingangsanschluß gegeben, der mit dem Halbleiterelement verbunden ist. Das Halbleiterelement erhält ein zweites Signal und wird von diesem gesteuert, um den Pegel des ersten Signals zu steuern oder das erste Signal zur intermittierenden Übertragung synchron mit dem zweiten Signal zu schalten.

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Es wurde auch eine Mehrzweckhalbleiterschaltunq in differentieller Art vorgeschlagen, die zwei Eingangsanschlüsse und wenigstens einen Aus gangs ans chluß hat, die mit einem Schaltungsteil verbunden sind, der aktive Halbleiterelemente hat, um an dem Ausgangsanschluß das multiplizierte Ergebnis eines ersten und zweiten Signals abzunehmen, das auf die Eingangsanschlüsse entsprechend dem Betrieb der Halblei terelernente gegeben wird.

Solche Mehrzweckschaltkreise, wie sie oben beschrieben wurden, sind üblicherweise balanciert bzw. symmetrisch aufgebaut, was bedeutet, daß zwei Signalübertragungswege mit einem Halbleiterelement, z.B. einem Transistor, symmetrisch zusammen mit einem gemeinsamen Ausgangsanschluß vorgesehen und differentiell oder abwechselnd arbeiten, um einen erhöhten Wirkungsgrad zu schaffen oder die Änderung des Gleichspannungspegels des Ausgangssianals zu vermeiden, die in Abhängigkeit von dem Betrieb des Halbleiterelements aufzutreten neigt. Daher erfordern die Schaltungen üblicherweise eine Anzahl von Halbleiterelementen, die die Verstärkungssteuerungs-, Misch- oder Schaltvorgänge durchführen und sind in ihrem Aufbau relativ kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine symmetrische Mehrzweck-Halbleiterschaltung zu schaffen, die eine verringerte Anzahl von Elementen erfordert, die den Steuervorgang durchführen, deren Aufbau vereinfacht ist und die trotz ihres vereinfachten Aufbaus eine verbesserte Symmetrieeigenschaft hat.

Durch die Erfindung wird eine symmetrische Mehrzweck-Halbleiterschaltung mit zwei Signalübertragungswegen, die mit einem Eingangsanschluß verbunden sind, bei der eine neuartige Halbleitervorrichtung, der ein Steuersignal oder eine konstante Vorspannung zugeführt wird, zwischen beide Schaltwege geschaltet ist, um an einem Ausgangs ans chluß

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ein gesteuertes Signal zu erzeugen, der mit dem Signalübertragungsweg verbunden ist, geschaffen. Die neuartige Halbleitervorrichtung hat drei Anschlüsse und einen Halbleiterkörper ähnlich einem üblichen Transistor und ist in der Lage, die Verstärkungs-, Verstärkungssteuerungs- oder Schaltvorgänge ähnlich wie der übliche Transistor durchzuführen. Eines der unterschiedlichen Merkmale der neuartigen Halbleitervorrichtung ist die Leitfähigkeit in zwei Richtungen bei verbesserter Symmetrieeigenschaft und dieses Merkmal wird bei der Mehrzweckschaltung gemäß der Erfindung in erster Linie ausgenutzt.

Durch die Erfindung kann somit eine symmetrische Mehrzweckhalbleiterschaltung geschaffen werden, die aus zwei differentiellen Signalübertragungswegen, von denen jeder von einem ersten Transistor, dem ein Eingangssignal zugeführt wird, einem zweiten Transistors, der in Reihe zu dem ersten Transistor geschaltet und mit einer konstanten Vorspannung oder einem Steuersignal versorgt wird, und einer Last mit einem Ausgangsanschluß gebildet wird, die mit dem zweiten Transistor verbunden ist, und einer neuartigen Halbleitervorrichtung mit drei Anschlüssen besteht, deren erster und dritter Anschluß mit dem Verbindungspunkt des ersten und zweiten Transistors beider Signalübertragungswege verbunden ist und deren zweiter Anschluß mit einem Steuersignal oder einer konstanten Vorspannung versorgt wird, wobei das Eingangssignal entsprechend dem Steuersignal gesteuert wird, das der neuartigen Halbleitervorrichtung oder dem zweiten Transistor zugeführt und von dem Ausgangs ans chluß abgenommen wird. Die neuartige Halbleitervorrichtung hat einen Halbleiterkörper ähnlich einem üblichen Transistor und wirkt wie ein in zwei Richtungen leitendes Element mit verbesserter Symmetrieeigenschaft.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

509844/0961*

Figur 1 und 2 Querschnittsdarstellungen eines Beispiels eines Halbleitereleinents , das bei der Erfindung verwendbar ist,

Figur 3 ein Schalbild einer Ausführungsform von Mehr- . zweckhalbleiterschaltungen gemäß der Erfindung, und

Figur 4 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform von Mehrzweckhalbleiterschaltungen gemäß der Erfindung.

Vor der Beschreibung der Erfindung wird zunächst eine Ausführungsform der neuartigen Halbleitervorrichtung beschrie ben, die bei der Erfindung verwendbar ist.

Der Stromverstarungsfaktor h„_ eines Transistors mit aeerdetem Emitter, der einer der Parameter zur Auswertung der Eigenschaften eines bipolaren Transistors ist, kann durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt v/erden, wenn der Stromverstärkungsfaktor des Transistors bei geerdeter Basis mit d, bezeichnet wird:

u _ o( ,, ν

FE 1 - o( ... Ki-)

Der Faktor o( wird wie folgt ausgedrückt:

o( = ^οί*|Βγ ... (2)

wobei o( den Kollektorverstärkungsfaktor, ß den Basisübertragungswirkungsgrad und γ den Emitterinjektionswirkungsgrad darstellen.

Wenn der Emitterinjektionswirkungsgrad γ eines NPN-Transistors betrachtet wird, ist V durch den folgenden Ausdruck (3) gegeben:

5098Α4/096Δ

	η	^Jn	J	P	1	1	J	η
J		+				_£
				+	J

wobei J die Stromdichte der von dem Emitter in die Basis η

des Transistors injizierten Elektronen und J die Stromdichte der von der Basis in den Emitter des Transistors injizierten Löcher darstellen.

Da J_n und J durch die folgenden Gleichungen (4) und (5) ausgedrückt werden:

^Jn

^Jp '-³^r (^exp <-&-> -u ··· <⁵>

wird das Verhältnis S von J und J wie folgt ausgedrückt:

\ J L_n D p_n

ü = j -j-— - · -jj— ... (6)

η ρ η ρ

wobei L die Diffusionsstrecke der Minoritatsträger in der Basis des Transistors, L die Diffusionsstrecke der Minoritätsträger in dem Emitter des Transistors, D die Diffusionskonstante der Minoritatsträger in der Basis, D die Diffusionskonstante der Minoritatsträger in der Basis, η die Konzentration der Minoritatsträger in der Basis im Gleichgewichtszustand, ρ die Konzentration der Minoritätsträger in dem Emitter im Gleichgewichtszustand, V eine an den Emitterübergang des Transistors angelegte Spannung, k die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur und Q der Absolutwert der Elektronenladung darstellen.

Wenn angenommen wird, daß die Verunreinigungskonzentration

in P

in dem Emitter des Transistors N und diejenige in der Basis

des Transistors N ist, kann der Ausdruck —— durch den

\ η

^NA
Ausdruck ——— ersetzt werden. Da außerdem L durch die

Basisbreite W begrenzt wird und L = W, wird das Verhältnis wie folgt ausgedrückt:

W ^{D N}A

Die Diffusionskonstanten D und D sind Funktionen der über-

n ρ

tragung der Träger und der Temperatur und können hierbei als im wesentlichen konstant angenommen werden.

Wie aus den obigen Gleichungen ersichtlich ist, genügt es, um den Stromverstärkungsfaktor h_„ eines Transistors zu

Γ JKj

erhöhen, das Verhältmnis klein zu machen.

Daher wird bei einem üblichen Transistor die Verunreini-

jskonzentration N seines Emitters um das Verhältnis <) klein zu machen.

gungskonzentration N seines Emitters hoch genug gewählt,

Wenn jedoch die Verunreinigungskonzentration des Emitters

19 3 ausreichend hoch, z.B. mehr als 10 Atome/cm gewählt wird, treten Gitterfehler und -störungen in dem Kristall des Halbleiterkörpers des Transistors auf und verschlechtern den Kristall. Da die Verunreinigungskonzentration des Emitters selbst hoch ist, wird die Lebensdauer 'cT der Minoritätsträger, die von der Basis in den Emitter injiziert werden, kurz.

Da die Diffusionsstrecke L durch die folgende Gleichung

ir

(8) ausgedrückt wird:

wird die Diffusionsstrecke L der Minoritätsträger bzw. -löcher kurz. Aus der Gleichung (7) ist daher ersichtlich, daß £ nicht so klein gemacht werden kann und damit der Injektionswirkungsgrad y nicht über einen bestimmten Wert

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erhöht werden kann. Daher kann der Stromverstärkungsfaktor

^hFE^]
den.

h.__ bei dem üblichen Transistor nicht so hoch gemacht wer-

Wie zuvor erwähnt wurde, ist die neuartige Halbleitervorrichtung, die bei der Erfindung verwendbar ist, von den gerade zuvor erwähnten Nachteilen des bekannten Transistors frei. Als Halbleitervorrichtung, die bei der Erfindung verwendet wird, könnte wie bei dem bekannten Transistor eine vom NPN-Typ und vom PNP-Typ in Betracht gezogen werden, es wird nun jedoch eine NPN-Halbleitervorrichtung, die bei der Erfindung verwendbar ist, anhand der Fig. 1 und 2 beispielsweise beschrieben.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die NPN-Halbleitervorrichtung aus einer ersten N -leitenden Halbleiterzone 1, die auf einem N -leitenden Halbleitersubstrat gebildet ist, einer zweiten P-leitenden Zone 2, die in dem Halbleitersubstrat S, die nahe der ersten Zone 1 gebildet ist, und einer dritten N -leitenden Halbleiterzone 3, die in dem Substrat S nahe der zweiten Zone 2 gebildet ist, um einen ersten PN-Übergang J zwischen der ersten und zweiten Zone 1 und 2 und einen zweiten PN-Übergang J-, zwischen der zweiten und dritten Zone 2 und 3 zu schaffen.

Bei der bei der Erfindung verwendbaren und in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung wird an der Stelle, die dem ersten Übergang J„ zugewandt und von diesem durch eine

Γι

Strecke getrennt ist, die kleiner als die Diffusionsstrecke L der Minoritatsträger bzw. Löcher ist, die von der zweiten Zone 2 in die erste Zone 1 injiziert werden, eine Potentialquelle mit einer Energie höher als die der Minoritatsträger bzw. Löcher oder wenigstens der Wärmeenergie in der ersten Zone 1 gebildet. Bei dem Beispiel der Fig. 1 wird die Verunreinigungskonzentration in der ersten Zone 1 ausreichend niedrig, z.B. in der Größenordnung von 10 Atome/cm gewählt und eine Zone la vom N -Leitfähigkeitstyp bzw. mit

5098^^/096^

19 3

einer Verunreinigungskonzentration von etwa 10 " Atome/cm wird in der ersten Zone 1 gebildet, um einen LH-übergang und damit die Potentialschwelle zu erzeugen.

Die Verunreinigungskonzentration in der zweiten Zone 2 wird etwa in der Größenordnung von 10 bis 10 Atome/cm und diejenige in der dritten Zone 3 ausreichend niedrig,

15 3 z.B. in der Größenordnung von 10 Atome/cm , gewählt.

In dem Halbleitersubstrat S nahe der dritten Zone 3, jedoch getrennt von dem zweiten übergang J ist eine Zone 3a vom

+
N -Leitfähigkeitstyp und mit einer Verunreinigungskonzen-

19 3
tration von etwa 10 Atome/cm gebildet.

Eine erste Zone 4E ist an der eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweisenden Zone la in der Zone 1 in ohmschem Kontakt mit dieser gebildet. Eine zweite Elektrode 4B ist an der zweite Zone 2 in ohmschem Kontakt mit dieser gebildet und eine dritte Elektrode 4C ist an der eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweisenden Zone 3a nahe der dritten Zone 3 in ohmschem Kontakt mit dieser gebildet. Von diesen Elektroden 4E, 4B und 4C sind ein erster, zweiter und dritter Anschluß E, B und C herausgeführt. In Fig. 1 bezeichnet 5 eine Isolierschicht aus z.B. SiO~ , die an der Oberfläche des Substrats S gebildet ist.

Die Halbleitervorrichtung der Fig. 1 kann als Transistor verwendet werden. Hierbei dient die erste Zone 1 als Emitterzone, die zweite Zone 2 als Basiszone und die dritte Zone 3 als Kollektorzone; eine Durchlaßspannung wird an den Emitterübgang J„ und eine Sperrspannung an den Kollektorübergang J angelegt.

Somit haben die Löcher, die von der Basis bzw. der zweiten Zone 2 zu dem Emitter bzw. der ersten Zone 1 injiziert werden, eine lange Lebensdauer, da die Emitter-

— Ci —

2 5 1 5 A 5

zone 1 eine niedrige Verunreinigungskonzentration und gute Kristalleigenschaften hat und damit wird die Diffusionsstrecke L der Löcher in der Emitterzone 1 lana. Es kann

P
daher, wie aus den Gleichungen (6) und (3) ersichtlich

ist, der Emitterinjektionswirkungsgrad i hoch gemacht werden. Im Falle jedoch, daß die Diffusionsstrecke L lang gemacht wird, kann, wenn die in die Emitterzone 1 injizierten Löcher an der Oberfläche des Substrats S angelangen und in der Praxis mit Elektronen an der Oberfläche rekombinieren können, die Diffusionsstrecke L nicht wesentliche lang gemacht werden. Da bei der in Fig. 1 gezeigten Halbleitervorrichtung die Potentialschwelle in der Emitterzone 1 gebildet und dem Emitterübergang J_ in einem Abstand gegenüber liegt, der kleiner als die Diffusionsstrecke L der Minoritätsträger ist, kann die Größe der Oberflächenrekombination verringert und die Diffusionsstrecke L ausreichend lang gemacht werden.

Infolge der Tatsache, daß die Potentialschwelle bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel in der obigen Weise gebildet wird, wird die Wirkung erreicht, daß die Stromdichte bzw. -komponente J der Löcher, die von der Basiszone 2 in die Emitterzone 1 injiziert werden, verringert wird. Dies bedeutet, daß an dem LH-Übergang J_T7 in der Emitterzone 1

rl

eine falsche Ferminiveaudifferenz bzw. inneres elektrisches Feld verursacht wird, die die Wirkung haben, die Diffusion der Löcher bzw. Minoritatsträger zu unterdrücken. Wenn das Ferminiveau ausreichend hoch ist, heben sich der Diffusionsstrom, der durch den Konzentrationsgradienten der Löcher hervorgerufen wird, und der Driftstrom, der durch das innere elektrische Feld hervorgerufen wird, an dem LH-ftbergang auf und verringern den Löcherstrom J , der von der Basis 2 durch die Emitterzone 1 geringer Verunreinigungskonzentration injiziert wird. Durch diese Wirkung wird das Verhältnis des ElektronenStroms, der an der Kollektorzone 3 angelangt, bezüglich der Stromkomponente, die den Gitterüber-

gang J„ durchläuft, erhöht und damit wird der Emitterinjektionswirkungsgrad y erhöht, wie aus der Gleichung (3) ersichtlich ist, und der Stromverstärkungsfaktor h^^ wird hoch.

Die obige Niveaudifferenz (die Höhe der Potentialschwelle) muß größer als die Energie der Löcher oder wenigstens die Wärmeenergie sein. Die Wärmeenergie kann näherungsweise als kT angenommen werden, jedoch sollte die obige Niveaudifferenz mehr als 0,1 eV betragen. In der Potentialüberganqszone darf die Diffusionsstrecke L der Löcher nicht in der

Übergangszone enden bzw. ist es erforderlich, daß die Diffusionsstrecke L der Löcher größer als die Breite der Übergangs zone ist.

Wenn der LH-Übergang J„ wie in Fig. 1 gezeigt gebildet ist,

rl

kann eine Potentialschwelle von 0,2 eV durch geeignete Wahl der Größe der Verunreinigung und des Gradienten der eine hohe Verunreinigungskonzentration aufweisenden Zone la gebildet werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel der Halbleitervorrichtung, die bei der Erfindung verwendbar ist, bei der die gleichen Bezugsziffern und -buchstaben wie in Fig. 1 die gleichen Elemente bezeichnen, weshalb ihre Beschreibung unterbleibt.

Bei dem Beispiel der Fig. 2 ist zur Bildung eines PN-übergangs J_q, der dem ersten übergang bzw. dem Emitterübergang J„ zugewandt ist, eine zusätzliche P-leitende Zone 6 in der ersten Zone 1 gebildet. Bei dem Beispiel der Fig. 2 ist die Strecke zwischen den übergängen J_ und J_ kleiner als die Diffusionsstrecke L der Minoritätsträger in der ersten Zone 1 gewählt.. Der übrige Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Beispiels ist im wesentlichen der gleiche wie der des in Fig. 1 gezeigten Beispiels.

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Da bei dem Beispiel der Fig. 2 die Diffusionsstrecke L der in die erste Zone 1 injizierten Löcher lana ist, wie oben beschrieben wurde/ gelangen die Löcher tatsächlich bis zu der zusätzlichen Zone 6 und werden dann von dieser absorbiert. Wenn die zusätzliche Zone 6 vom elektrischen Standpunkt aus "überflutet" wird, wird ihr Potential erhöht, da die Anzahl der an der zusätzlichen Zone 6 ankommenden Löcher erhöht wird. Daher wird der PN-Übergang J„, der zwischen den Zonen 6 und 1 gebildet wird, im wesentlichen mit seiner Anstiegsspannung in Durchlaßrichtung vorgespannt, und damit werden wieder Löcher von der zusätzlichen Zone 6 in die erste Zone 1 injiziert. Somit wird die Konzentration der Löcher in der ersten Zone 1 nahe der zusätzlichen Zone 6 erhöht und daher wird die Konzentrationsverteilung der Löcher zwischen den übergängen J„ und J_e in der ersten Zone 1 gleichmäßig und deren Gradient wird graduell, um den Diffusionsstrom J von der zweiten Zone 2 zur ersten Zone 1 zu verringern.

In dem Beispiel der Fig. 2 ist die zusätzliche Zone 6, die vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die zweite Zone 2 ist, in der ersten Zone 1 getrennt von der zweiten Zone gebildet, es ist jedoch möglich, daß die zweite Zone 6 sich kontinuierlich von der zweiten Zone 2 aus erstreckend gebildet wird.

Die obige Beschreibung erfolgte für den Fall, daß die erste, zweite und dritte Zone 1, 2 und 3 der Halbleitervorrichtungen als Emitter, Basis und Kollektor betrieben werden. Bei der obigen Halbleitervorrichtung sind jedoch die Verunreinigungskonzentrationen der ersten und dritten Zone 1 und 3, die die zweite Zone 2 umgeben, niedrig und von etwa gleicher Größenordnung gewählt und so ausqebildet, daß sie bezüglich der zweiten Zone 2 symmetrisch sind, so daß, wenn die erste, zweite und dritte Zone 1, 2 und 3 als Kollektor, Basis und Emitter betrieben werden, die HaIb-

leitervorrichtungen als Transistor betrieben werden können, deren Arbeitsrichtung zu der der zuvor erwähnten umgekehrt ist.

Wenn die Symmetrie der Halbleitervorrichtungen angewandt wird,kann sie dadurch erhöht werden, daß in der dritten Zone 3 eine Potentialschwelle gebildet wird, die dem zweiten Übergang J zugewandt ist, diesen umgibt und einer Energie hat, die höher als die der Minoritätsträger bzw. -löcher in der dritten Zone 3 ist, wie die Fig. 1 und 2 durch gestrichelte Linien außerhalb des Übergangs J_, zeigen. Hierzu wird die Zone 3a hoher Verunreinigungskonzentration in der dritten Zone 3 derart ausgebildet, daß sie den übergang J_ umgibt und der Abstand zwischen dem Übergang J_c und der Zone 3a wird kleiner als die Diffusionsstrecke der Minoritätsträger bzw. -löcher gewählt, die an den jeweiligen Teilen in die dritte Zone 3 injiziert werden.

Die Eigenschaften der oben beschriebenen Halbleitervorrichtungen, die sich aus der vorherigen Beschreibung ergeben, können wie folgt zusammengefaßt werden:

1. Der Stromverstärkungsfaktor h_ ist hoch und kann auf mehr als 3000 erhöht werden.

2. Der Stromverstärkungsfaktor h__ ist gleichmäßig. Dies

t E

bedeutet, daß bei einem bekannten Transistor die Verunreinigungskonzentration der Emitterzone ausreichend hoch gewählt wird, um den Emitterinjektionswirkungsgrad zu erhöhen bzw. daß der Stromverstärkungsfaktor des bekannten Transistors von der Differenz der Verunreinigungskonzentrationen nahe dem Übergang zwischen den Emitter- und Basiszonen abhängt, so daß es erforderlich ist, die Verunreinigungskonzentrationen in beiden Zonen relativ zueinander zu wählen. Dagegen wird bei den Halbleitervorrichtungen zur Verwendung für die Erfindung durch Bildung der Potentialschwelle in der Emitter-

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zone 1 gegenüber dem Emitterübergang J die Stromkomponente der Minoritätsträger, die in die Emitterzone 1 injiziert werden, unterdrückt, um den Emitterinjektionswirkunqsgrad zu erhöhen, so daß der gegenseitige Einfluß zwischen den Emitter- und Basiszonen 1 und 2 infolge der Tatsache klein ist, daß die Verunreinigungskonzentration der Emitterzone 1 relativ niedrig gewählt wird, und die Breite der Basiszone 2 und die Verteilung der Verunreinigungskonzentration darin kann in der beabsichtigten Weise gewählt und damit h„„ gleichmäßig gemacht werden, wie oben beschrieben wurde.

3. Da die Wirkung der Oberflächenrekombination vermieden wird, kann der Stromverstärkungsfaktor h__ hoch gemacht

Γ Ij

werden, selbst wenn der Strom niedrig ist.

4. Das Rauschen kann verringert werden. Dies bedeutet, daß, da die Hauptteile des ersten und zweiten ftbergangs

J_ und J_, zwischen den P- und N-leitenden Zonen niedriger Ei C

Verunreinigungskonzentration gebildet werden, die Kristallfehler gering sind. Wenn die Verunreinigungskonzentration nahe der Elektrode 4B, die z.B. an der zweiten Zone 2 befestigt ist, hoch gewählt wird, kann die Komponente des Emitterbasisstroms längs der Oberfläche des Halbleitersubstrats S verringert werden. Daher kann das Rauschen von 1/jr verringert werden. Außerdem können auch das Burstrauschen und das Rauschen von 1/^ durch die Tatsache verringert werden, daß h„_ hoch ist. Wenn außerdem der Basis-

ΓΓι

erstreckungswiderstand ,, ' klein gemacht wird, kann das Rauschen verringert werden, selbst wenn die Impendanz einer Signalquelle niedrig ist.

5. Der Stromverstärkungsfaktor h„„ ist hinsichtlich der Temperatureigenschaften gut.

6. Die Halbleitervorrichtungen können als in zwei Richtungen leitende Transistoren verwendet werden und haben eine ausgezeichnete Symmetrie.

5 098ΑΑ/096Λ

7. Da die Verunreinigungskonzentration in der Nähe des

ersten und zweiten Übergangs J„ und J_ niedriq ist. ist

te

BV __ (die Basis-Emitter-Spannung bei offenem Kollektor) BiiU

für die Durchlaß- und Sperrichtungen der Transistoren hoch.

8. Wenn die Halbleitervorrichtungen als Leistunastransistor verwendet werden, ist ihre Festigkeit hoch, da ihre Emission durch ihren verteilen inneren Widerstand in ihrer Emitterzone gleichmäßig gemacht wird.

9. Die Sättigungseigenschaften sind verbessert.

10. Wenn die Zone 6, die eine Injektion oder Reinjektion durchführt, gebildet wird, wird der äquivalente Widerstand der Basis niedrig.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß die obige neuartige Halbleitervorrichtung bezüglich ihrer zweiten Halbleiterzone eine symmetrische Struktur hat und daher eine Zweirichtungsleitfähigkeit, und schafft eine neuartige Mehrzweckhalbleiterschaltung wie eine Verstärkungssteuerschaltung mit guter Symmetrie und geringerer Anzahl der Teile bzw. Elemente durch Verwendung der neuartigen Halbleitervorrichtung.

Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine neuartige Halbleitervorrichtung 10 und erste bis vierte Transistoren 11 bis 14 verwendet sind. Eine erste Elektrode 4E der Halbleitervorrichtung 10 ist mit dem Kollektor des ersten Transistors 11 und dem Emitter des dritten Transistors 13 verbunden. Eine dritte Elektrode 4C der Vorrichtung 10 ist mit dem Kollektor des zweiten Tran-

sistors 12 und dem Emitter des vierten Transistors 14 verbunden und eine Reihenschaltung zweier Widerstände R_ ist

hi

zwischen die Emitter des ersten und zweiten Transistors 11 und 12 geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R^ ist mit einer Stromquelle 15 verbunden, und die Kollektoren des dritten und vierten Widerstands 13 und 14 sind über Lastwiderstände R mit einem Spannungsquellenanschluß 16 verbunden, dan dem eine positive Spannung +V erhalten wird. Ausgangsanschlüsse 17 und 18 sind von dem Kollektoren der Transistoren 13 und 14 herausgeführt. Eine Signalquelle S führt den Basen der Transistoren 11 und 12 ein Signal differentiell zu. Die Basen der Transistoren 11 und 12 werden mit einer bestimmten Vorspannung versorgt. Eine weitere Stromquelle 19 ist zwischen den Spannungsquellenanschluß 16 und eine zweite Elektrode 4B der vorrichtung 10 geschaltet, und die Basen der Transistoren 13 und 14 werden mit einer bestimmten Vorspannung von einer Spannungsquelle 20 versorgt.

Da die Vorrichtung 10 bezüglich ihrer zweiten Zone symmetrisch aufgebaut ist, wie oben beschrieben wurde, können, wenn die zweite Elektrode 4B der Vorrichtung 10 mit einem konstanten Strom von der Stromquelle 19 versorgt wird, wie Fig. 3 zeigt, Ströme von der zweiten Elektrode 4B zu der ersten und dritten Elektrode 4E und 4C der Vorrichtung 10 fließen, und auch die Kennlinien zwischen der zweiten und ersten Elektrode 4B und 4E und zwischen der zweiten und dritten Elektrode 4B und 4C können gleich gemacht werden. Damit können die beiden obigen Ströme gleich gemacht werden.

Somit fließt bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel in dem Zustand, in dem die Basen der Transistoren 11 und 12 nur mit der gleichen Vorspannung versorgt werden, wenn die Stromgröße I₁ der Stromquelle 15 zu 21 (I₁ = 21 ) gewählt wird, ein Strom I durch die Kollektoren der Transistoren 11 und 12, während, wenn die Stromgröße I₂ der Stromquelle 19 zu

2aI_Q (I₂ = ^2aI(0 gewählt wird, ein Strom al durch die erste und dritte Elektrode 4E und 4C der Vorrichtung 10 fließt, und ein Strom (l-a)I fließt durch die Kollektoren der Transistoren 13 und 14.

Wenn das Signal S differentiell auf die Basen der Transistören 11 und 12 gegeben wird, fließt ein Signalstrom durch die Kollektoren der Transistoren 11 und 12 in entgegengesetzter Richtung, ein Signalstrom ais fließt durch die erste und dritte Elektrode 4E und 4C der Vorrichtung 10 in entgegengesetzter Richtung bezüglich ihrer zweiten Elektrode 4B,und ein Signalstrom (l-a)is fließt durch die Kollektoren der Transistoren 13 und 14 in entgegengesetzter Richtung. Somit werden in der Base umgekehrte Ausgangssignale an den Ausgangsanschlüssen 17 und 18 erhalten.

Das Verhältnis zwischen dem Signalstrom,der durch die Kollektoren der Transistoren 11 und 12 fließt und des Signalstroms (l-a)is, der durch die Kollektoren der Transistoren 13 und 14 fließt bzw. die Verstärkung G der in Fig. 3 gezeigten Schaltung wird wie folgt ausgedrückt:

G = 1-a ... (19)

Wenn daher die Stromgröße I- der Stromquelle 19 geändert werden kann, kann die Verstärkung G geändert werden. Daher kann die in Fig. 3 gezeigte Schaltung als Vers ta rkungs steuerschaltung verwendet werden. Hierbei kann es möglich sein, die Stromgröße I₂ der Stromquelle 19 manuell zu ändern. Wenn die Stromgröße I₂ mit dem Verstärkungssteuersignal automatisch geändert wird, kann die Schaltung als automatische Verstärkungssteuerschaltung verwendet werden.

Wenn bei der Ausführungsform der Fig. 3 1=1 bzw. a = 1, fließt kein Strom durch die Transistoren 13 und 14 und der Strom, der durch die erste und dritte Elektrode 4E und 4C der Vorrichtung 10 fließt, fließt in der gleichen Weise

durch die Transistoren 11 und 12. Wenn dagegen i_ = 0 bzw. a = 0, fließt kein Strom durch die Vorrichtung 10 und der Strom, der durch die Transistoren 13 und 14 fließt, fließt in gleicher Weise durch die Transistoren 11 und 12. Wenn daher der Strom I₂, der durch die zweite Elektrode 4B der Vorrichtung 10 fließt, mit einem Schaltsignal gleich 2I_Q oder Null gemacht wird, kann die Schaltung als Schaltkreis verwendet werden.

Im Gegensatz zur der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform können, wenn die zweite Elektrode 4B der Vorrichtung IO mit der vorbestimmten Vorspannung versorgt wird und die Basen der Transistoren 13 und 14 mit einer gemeinsamen Stromquelle zur Steuerung verbunden werden, die gleichen Wirkungen erreicht werden.

Wenn die Zonen 1, la, 2, 3, 3a und 6 der obigen Halbleiter vorrichtung zu den in Fig. 1 oder 2 gezeigten vom entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyp sind bzw. die Halbleitervorrichtung eine PNP-Vorrichtung ist, können ebenfalls die gleichen Wirkungen erreicht werden.

Daher kann ein PNP-Element als Vorrichtung 10 und ein NPN-Transistor als erster bis vierter Transistor 11 bis 14 bei der Erfindung verwendet werden.

Da die oben erwähnte Halbleitervorrichtung als Transistor arbeitet, kann sie als erster bis vierter Transistor 11 bis 14 verwendet werden.

Es ist auch möglich, einen Feldeffekttransistor als ersten bis vierten Transistor 11 bis 14 zu verwenden.

Weiterhin ist es möglich, daß ein Lastwiderstand mit dem dritten Transistor 13 oder dem vierten Transistor 14 verbunden und ein Ausgangsanschluß von dem Kollektor herausgeführt wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Schaltung doppelt symmetrisch als Multiplizierschaltung ausgebildet ist. Die mit Bezugsziffern und dem Buchstaben "X" bezeichneten Teile zeigen eine erste Gruppe und die mit den entsprechenden Bezugsziffern und dem Buchstaben "Y" bezeichneten Teile zeigen eine zweite Gruppe.

Bei der Ausführungsform der Fig. 4 ist die Stromquelle beiden Gruppen gemeinsam, und die Ausgangsanschlüsse 17 und 18 sind ebenfalls gemeinsam von beiden Gruppen herausgeführt. Das erste Signal S_A wird den Basen des ersten und zweiten Transistors HX und 12X in der ersten Gruppe und den Basen des ersten und zweiten Transistors HY und 12Y in der zweiten Gruppe und das zweite Signal S_ wird den Basen des dritten und vierten Transistors 13X und 14X in der ersten Gruppe und den Basen des dritten und vierten Transistors 13Y und 14Y in der zweiten Gruppe differentiell zugeführt. Außerdem werden die zweiten Elektroden 4B der Halbleitervorrichtungen 1OX und 1OY in der ersten und zweiten Gruppe mit der vorbestimmten Vorspannung der Spannungsquelle 21 versorgt.

Bei dem obigen S chaltungs aufbau werden multiplizierte Signale des ersten und zweiten Signals S und S gegenphasig an den Aus gangs anschluss en 17 und 18 erhalten, und hierbei wird der Gleichspannungspegel des Ausgangssignals nicht geändert.

Da, wie oben beschrieben wurde, die Erfindung die verbesserte Symmetrieeigenschaft der neuartigen Halbleitervorrichtung ausnützt, hat die differentielle Halbleiterschaltung eine gute Symmetrie und kann mit einer geringen Anzahl von Elementen aufgebaut werden.

Claims

7 51 5 U b

Ansprüche

Halbleiterschaltung, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Transistor, deren Strecke zwischen einer ersten und zweiten Elektrode zur Bildung eines ersten Sianalübertragungsweges in Reihe geschaltet sind, einem dritten und vierten Transistor, deren Strecke zwischen ihrer ersten und zweiten Elektrode zur Bildung eines zweiten Signalübertragungsweges in Reihe geschaltet sind, einer Stromquelle, die mit dem ersten und zweiten Signalübertragungsweg gemeinsam verbunden ist, einer Einrichtuna, um der dritten Elektrode des ersten und zweiten Transistors ein Eingangssignal differentiell zuzuführen, und einem Ausgangs anschluß, der mit wenigstens einer der ersten und zweiten Signalübertragungswege verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Halbleitervorrichtung, bestehend aus einer ersten Halbleiterzone des einen Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Halbleiterzone des anderen

Leitfähigkeitstyps nahe der ersten Zone mit einem ersten Halbleiterübergang dazwischen, einer dritten Halbleiterzone des gleichen Leitfähigkeitstyps wie die erste Zone nahe der zweiten Zone mit einem zweiten Halbleiterübergang dazwischen, wobei in der ersten Zone eine Potentialschwelle, deren Energie höher als die der Minoritätsträger ist, die von der zweiten Zone in die erste Zone injiziert werden, an einer Stelle gebildet ist, die dem ersten übergang zugewandt und von diesem um eine Strecke getrennt ist, die kleiner als die Diffusionsstrecke der Minoritätsträger ist und einem ersten, zweiten und dritten Anschluß, der von der ersten, zweiten und dritten Zone herausgeführt ist, wobei der erste und dritte Anschluß mit einer Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Transistor und einer Verbindung zwischen dem dritten und vierten Transistor verbunden ist, und einer Steuereinrichtung, um dem zweiten Anschluß der Halbleitervorrichtung oder der dritten

Elektrode des zweiten und vierten Transistors ein Steuersignal zuzuführen.
2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine veränderbare Stromquelle aufweist, um dem zweiten Anschluß der Halbleitervorrichtung einen veränderbaren Vorstrom als Steuersignal zuzuführen, und eine Konstantvorspannungsquelle aufweist, die mit den dritten Elektroden des zweiten und vierten Transistors gemeinsam verbunden ist.
3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Konstantvorspannungsquelle aufweist, die mit dem zweiten Anschluß der Halbleitervorrichtung verbunden ist, und eine Steuersignalquelle, um den dritten Elektroden des zweiten und vierten Transistors gemeinsam das Steuersignal zuzuführen.
4. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Transistoren Halbleitervorrichtungen der genannten Art sind, die als Transistor betrieben werden.
5. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Zone der Halbleitervorrichtung eine Verunreinigungskonzentration mit im wesentlichen der gleichen Größenordnung haben, und daß in der ersten Zone ein Teil mit einer Verunreinigungskonzentration, die höher als die der anderen Teile der ersten Zone haben, an einer Stelle ausgebildet ist, die von dem ersten Übergang um eine Strecke entfernt ist, die kleiner als die Diffusionsstrecke der Minoritatsträger zur Bildung der Potentialschwelle ist.

6. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Zone der Halbleitervorrichtung eine Verunreinigungskonzentration von im wesentlichen

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der gleichen Größenordnung haben, und daß eine zusätzliche Halbleiterzone des gleichen Leitfähigkeitstyps wie die zweite Zone in der ersten Zone an einer Stelle ausgebildet ist, die von dem ersten Übergang um eine Strecke entfernt ist, die kleiner als die Diffusionsstrecke der Minoritatsträger zur Bildung der Potentialschwelle ist.

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