DE2551413B2 - Schaltung zur Frequenzteilung von Hochfrequenzimpulsen - Google Patents

Schaltung zur Frequenzteilung von Hochfrequenzimpulsen

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DE2551413B2 DE19752551413 DE2551413A DE2551413B2 DE 2551413 B2 DE2551413 B2 DE 2551413B2 DE 19752551413 DE19752551413 DE 19752551413 DE 2551413 A DE2551413 A DE 2551413A DE 2551413 B2 DE2551413 B2 DE 2551413B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Frequenzteilung von Hochfrequenzimpulsen mi» einem ersten Paar von den Impulsen abwechselnd in den leitenden Zustand gebrachter Transistoren, deren Ausgangsströme durch je eine Gruppe von mindestens zwei Transistoren geleitet werden.
Eine derartige Schaltung ist aus der niederländischen Offenlegungsschrift 70 00 815 bekannt Bei dieser bekannten Schaltung ist jedem der Transistoren der genannten Gruppen ein zweiter Transistor vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zugeordnet, welche Transistoren dann zusammen eine bistabile Kippschaltung bilden. Von jeder bistabilen Kippschaltung führt in zyklisch verschobener Reihenfolge ein Kopplungskreis zu einer anderen bistabilen, zu einer anderen Gruppe gehörigen Kippschaltung zur Voreinstellung dieser anderen bistabilen Kippschaltung in Abhängigkeit von dem Erregungszustand der einen bistabilen Kippschaltung.
Diese bekannte Schaltung arbeitet befriedigend bis zu Frequenzen von 600 MHz. Für noch höhere Frequenzen, z. B. 1 GHz, ist der Gebrauch zugeordneter Transistoren wegen der geringen Ausbeute sehr hochfrequenter Transistoren nicht oder nahezu nicht möglich. Die Anzahl Transistoren soll daher für diesen Zweck auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
Die Erfindung bezweckt, eine Schaltung der eingangs erwähnten Art für sehr hohe Frequenzen zu schaffen, und ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangselektroden der Transistoren der genannten Gruppen jeweils in zyklisch verschobener Reihenfolge mit Anzapfungen von Widerständen verbunden sind, die die Ausgangselektroden von jeweils zwei anderen Transistoren aus verschiedenen Gruppen miteinander verbinden.
Bei der Schaltung nach der Erfindung werden keine zusätzlichen Transistoren verwendet und sie hat dadurch eine viel größere Bandbreite. Bei Messungen an einem ersten Versuchsbeispiei einer Schaltung nach der Erfindung wurde ein befriedigendes Verhalten der Schaltung bei Frequenzen bis zu 13 GHz festgestellt.
Außer der erforderlichen Mindestanzahl von Transistoren enthält die Schaltung nach der Erfindung lediglich die genannten Widerstände. Daher ist es bei einer Schaltung nach der Erfindung, in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt mit einem Halbleiterbauelement, in dem die verschiedenen Transistoren als Grenzschichttransistoren ausgebildet sind, günstig, daß in einer Insel von einem ersten Leitfähigkeitstyp, die als gemeinsamer Kollektor wenigstens der Transistoren der genannten Gruppen dient, wenistens vier voneinander getrennte Basiszonen von einem zweiten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angebracht sind, die räumlich in einer Reihenfolge angeordnet sind, die der genannten zyklischen Reihenfolge entspricht, wobei sich jeweils die Basiszone eines Transistors der einen Gruppe der Basiszone eines Transistors einer anderen Gruppe anschließt, in welchen Basiszone wieder Emitterzonen vom ersten Leitfähigkeitstyp angebracht sind, wobei Leiterbahnen die Emitterzonen der zu derselben Gruppe gehörigen Transistoren miteinander und mit dem Kollektor des zugehörigen Transistors der
abwechselnd in dem leitenden Zustand gebrachten Transistoren verbinden, wobei Ansohlußpunkte auf den Basiszonen der Transistoren der genannten Gruppe jeweils in zyklisch verschobener Reihenfolge über Leiterbahnen mit Anschlußpunkten auf der genannten Insel zwischen jeweils zwei benachbarten anderen Basiszonen verbunden sind, von welchen Anschlußpunkten die gewünschten Widerstände zu den Kollektor-Basis-Grenzschichten der zugehörigen Transistoren führen, wobei auf der genannten Insel ein Anschlußkontakt zur Speisung angebracht ist, von dem die gewünschten Widerstände .zu den Basis-Kollektor-Grenzschichten der Transistoren der genannten Gruppen führen.
Diese integrierte Schaltung nach der Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, daß die Schaltung nach der Erfindung zu einer benötigten Widerstandskonfiguration führt, die in einer gemeinsamen Kollektorhalbleiterschicht dadurch gebildet werden kann, daß der Innenwiderstand einer solchen Halbleiterschicht benutzt wird, wodurch ein sehr gedrängter Aufbau der integrierten Schaltung möglich ist
In der Kollektorhalbleiterschicht, die zugleich die Widerstandskonfiguration bildet, pflanzt sich das frequenzgeteilte Signal gleichsam als eine Wanderwelle fort U. a. Aus diesem Wanderwellenkonzept läßt sich das sehr befriedigende Verhalten bei sehr hohen Frequenzen erklären.
Bei einer integrierten Schaltung nach der Erfindung ist es vorteilhaft, daß in der genannten Insel eine hochdotierte vergrabene Schicht angebracht ist.
Ferner ist es bei einer integrierten Schaltung nach der Erfindung vorteilhaft, daß in der genannten Insel unter den genannten Anschlußpunkten Zonen vom gleichen Leitfähgikeitstyp wie die genannten Emitterzonen vorhanden sind.
Die erste weitere Maßnahme hat den Vorteil, daß die genannten verteilten Widerstände durch den Innenwiderstand der vergrabenen Schicht gebildet werden, während die zweite Maßnahme den Vorteil aufweist, daß die Anordnung der Anschlußpunkte in bezug auf die Emitterzonen konstant ist, weil beide zugleich in einem Diffusionsschritt unter Verwendung einer Maske angebracht werden können.
Eine integrierte Schaltung nach der Erfindung, bei der eine Integrationstechnik verwendet wird, bei der Oxidschichten zur gegenseitigen Trennung verschiedener Elemente angebracht sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Oxidschicht die genannte Insel umgibt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 Schaltung zur Frequenzteilung nach der Erfindung,
Fig.2 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung und
Fig.3 einen Querschnitt durch die integrierte Schaltung nach F ig. 2IaHgSdCrUnItIII-III.
Fig. I zeigt eine Schaltung nach der Erfindung. Die Schaltung enthält einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Transistor 7Ί, Tj, 7j bzw. T4. Die Kollektoren dieser Transistoren sind über die Widerstände RC|, /?C2, Rc 3 bzw. Ra mit einem Speisungsanschlußpunkt 3 verbunden. Die Emitter der Transistoren T2 und T4 sind gemeinsam mit dem Kollektor eines Ein^angstransistors T5 verbunden, während die Emitter der Transistoren 71 und T3 gemeinsam mit dem Koi/ektor eines Eingangstransistors Tf, verbunden sind. Die Emitter der Eingangstransistoren Ts und T6 sind gemeinsam über eine Stromquelle I mit einem Speisungsanschlußpunkt 3' und die Basis-Elektroden mit den Eingangsanschlußpunkten 1 bzw. Γ verbunden.
Die Transistoren T\ und Ti sind als bistabile Kippschaltungen angeordnet, indem der Kollektor des Transistors T\ über den Widerstand A1, mit der Basis des Transistors Tz und der Kollektor des Transistors Tj über den Widerstand Ru mit der Basis des Transistors T\ verbunden ist Ebenso sind die Transistoren Ti und T* als bistabile Kippschaltung angeordnet, indem der Kollektor des Transistors Ti über den Widerstand Ru mit der Basis des Transistors T4 und der Kollektor des Transistors TJ über den Widerstand R4, mit der Basis des Transistors Ti verbunden ist Der Kollektor des Transistors Ti ist über den Widerstand R\b mit der Basis des Transistors 7}, der Kollektor des Transistors T1 über den Widerstand Rib mit der Basis des Transistors Γι, der Kollektor des Transistors Γ3 über den Widerstand Rib mit der Basis des Transistors Ti und-ier Kollektor des Transistors T4 über den Widerstand R*b mit der Basis des Transistors 7j verbunden.
Zum Erhalten eines Ausgangssignals ist im dargestellten Beispiel der Verbindungspunkt der Widerstände Rtb und /?2i -ηit einem Ausgangsanschlußpunkt 2 und der Verbindungspunkt der Widerstände Ä3& und R41 mit einem Ausgangsanschlußpunkt 2' verbunden.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 wird angenommen, daß das Eingangssignal derart ist, daß die Basis des Transistors Γ6 ein höheres Potential als die Basis des Transistors Ts aufweist Der Strom der Stromquelle I wird dann völlig durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Γ5 fließen, vorausgesetzt, daß das Potential an der Basis des Transistors Γ5 genügend hoch in bezug auf das Potential an der Basis des Transistors T6 ist. Dieser Strom fließt dann in dem gemeinsamen Emitterkreis der Transistoren Γι und Tz. Diese beiden Transistoren sind als bistabile Kippschaltung angeordnet, so daß nur einer der beiden Transistoren leitend sein kann. Wenn angenommen wird, daß sich der Transistor T1 im leitenden Zustand befindet, sind die anderen Transistoren Tj, Ti und T4 nicht leitend und ist das Potential an dem Kollektor des Transistors Ti niedrig in bezug auf das Potential der Kollektoren der anderen drei Transistoren. Infolge der Kopplungswiderstände ist dann das Potential an der Basis-Elektroden der Transistoren Γ3 und T4 niedrig in bezug auf das Potential an den Basis-Elektroden der Transistoren Ti und Ti, so daß der Transistor Ti, der zusammen mit dem Transistor Γ] eine bistabile Kippschaltung bildet, nach wie vor ir der Sperrichtung polarisiert ist und das Potential an der Bads Jes Transistors Ti, der zusammen mit dem Transistor T4 eine bistabile Kippschaltung bildet, hoch in bezug auf das Potential an der Basis des Transistors T4 ist. Dadurch wird zu dem Zeitpunkt, zu dem der Eingangstransistor T% von dem Eingangssignal in der Durchlaßrichtung polarisiert wird, der Transistor Ti dem Transistor T4 vorgezogen, so daß der Transistor Ti leitend wird und über den Widerstand Ru den Transistor T4 in der Sperrichtung polarisiert hält. Über den Widerstand Rib wird das Potential an der Basis des Transistors Ti in bezug auf das Potential an der Basis des Transistors Tj nied-ig gehalten, so daß zu dem Zeitpunkt, zu dem der Eingangstransistor Tt, den Strom der Stromquelle führen wird, der Transistor Tj leitend wird. Ebenso wird zu dem Zeitpunkt, zu dem der Eingangstransistor Γ5 leitend wird, der Transistor V4 den
Strom vom Transistor Tj übernehmen.
Auf die obenbeschriebene Weise verschiebt sich der Strom 'ler Stromquelle I bei jedem Nulldurchgang des Eingangssignals zu einem nächsten Transistor. Ein vollständiger Zyklus ist nach zwei Zyklen des Eingangssignals zurückgelegt, so daß Frequenzteilung stattfindet.
I·' i g. 2 zeigt zur Veranschaulichung einen schematisch dargestellten Aufbau in einem Halbleiterkörper der Schaltung nach F i g. 1. Die Steuerslufe, die aus den Eingangstransistoren 71 und 7j besteht, ist dabei nicht in integrierter Form dargestellt, weil dafür verschiedene Lösungen möglich sind. Die Eingangstransistoren T\ und Tj werden häufig zusammen mit anderen Schaltungselementen in eine integrierte Schaltung aufgenommen sein, in die auch, von den übrigen Elementen getrennt, die Halbleiterinsel aufgenommen ist, in der die vier Transistoren und das Widerstandsnetzwerk unter-
5*-tyi ULfIl JIIHJ.
In einer derartigen Halbleiterinsel 4 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, z. B. vom η-Typ, sind vier Basiszonen b\, />2, b\ und bi von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, z. B. vom p-Typ, durch Diffusion angebracht. In diesen Basiszonen sind wieder Emitterzonen C\, e?, C] und ca vom ersten Leitfähigkeitstyp, z.B. vom η+ —Typ. angebracht. Auf diese Weise sind die vier Transistoren T\. Ti, Tj und Ti gebildet, deren Kollektoren durch die Halbleitcrinsel 4, deren Basis-Elektroden durch die Basiszonen b\, 62, bs bzw. bt und deren Emitter durch die Emitterzonen ei, C2, ej bzw. e« gebildet werden. In der Mitte zwischen den vier Transistoren ist auf der Halbleilerinsel 4 ein Anschlußpunkt 9 für Speisungzwecke angebracht, von dem eine Leiterbahn zu dem Anschlußpunkt 3' führt. Zwischen den Basiszonen der Transistoren Ti, Tj, Tj und Ta sind in zyklisch verschobener Reihenfolge die Anschlußpunkte 5, 6, 7 und 8 angebracht, z. B. der Anschlußpunkt 5 zwischen den Basiszonen der Transistoren Tj und Tj. Von diesen Anschlußpunkten 5, 6, 7 und 8 führen in zyklisch verschobener Reihenfolge Leiterbahnen zu der Basis jeweils eines anderen als eines benachbarten Transistors, z. B. von dem Anschlußpunkt 5 zu der Basiszone bi. Infolge des Innenwiderstandes des Halbleitermaterials, aus dem die Kollektorhalbleiterschicht 4 aufgebaut ist, führen die verschiedenen Widerstände Rc^ — Rct, Rt3-R43 und Rtb—Rtb zu den betreffenden Basis-Kollektor-Grenzschichten. Diese Widerstände sind in F i g. 2 gestrichelt dargestellt.
Eine Leiterbahn verbindet die Emitterzonen C2 und e< mit dem Kollektor des Eingangsstransistors T5 und auf gleiche Weise verbindet eine Leiterbahn die Emitterzonen Ci und C3 mit dem Kollektor des Eingangstransistors Ti. Diese Eingangstransistoren Ts und Ti, die z. B. auch vom Typ mit isoliertem Gate sein können, liegen außerhalb der Halbleiterinsel 4 wird dazu von einer Trenndiffusion umgeben sein. Sehr günstig wirkt auch eine Integrationstechnik, bei der die Trennschicht durch örtliche Oxidation des Siliciums erhalten wird.
Die Anschlußpunkte 5, 6, 7, 8 und 9 können unmittelbar auf der Halbleiterinsel 4, aber auch auf in der Halbleiterinsel 4 angebrachten Diffusionen aus demselben Material wie die Emitterdiffusionen ei, ej, e? und e<, z. B. auf einer η + — Diffusion in einer n-leitenden Halbleiterinsel 4, angebracht werden. Dies hat den Vorteil, daß dies zugleich mit den Emitterdiffusionen erfolgen kann. Dadurch liegt die Lage der Anschlußpunkte 5 bis 9 in bezug auf die Lage der Emitterdiffusionen fest, was vorteilhaft ist, weil die Transistorwirkung im wesentlichen gerade unter der Emitterzone auftritt, so daß sich die verschiedenen Widerstände bei einer Verschiebung der betreffenden Diffusionsmaske nicht oder nahezu nicht ändern.
Da meistens der Innenwiderstand des Halbleitermaterials, aus dem die Kollektorschicht 4 aufgebaut ist. verhältnismäßig hoch ist, wird in der Insel 4 unter den Basiszonen bi — bi eine vergrabene Schicht 12 von dem gleichen Leitfähigkeitstyp wie, aber mit einer höheren Dotierung als das Halbleitermaterial der Insel 4 Vci"wciluüi. Die veixciiieueiieii Widerstände befinden sich dann im wesentlichen in dieser vergrabenen Schicht 12.
Neben dem Aufbau der integrierten Schaltung nach der Erfindung gemäß F i g. 2 sind verschiedene andere Bauarten möglich, z. B. eine Bauart, bei der die Transistoren T]-Ta miteinander fluchten, wobei dann beide Enden der dann langgestreckten Insel 4 durch eine Leiterbahn miteinander verbunden werden sollen, um einen z; Jischen Schaltaufbau zu erhalten.
F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die integrierte Schaltung nach F i g. 2 längs der Linie HI-III.
Auf einem Substrat 10, das mit dem Substrat weiterer integrierter Schaltungen gemeinsam sein kann und das vom zweiten Leitfähigkeitstyp, z. B. vom p-Typ, ist, ist die Halbleiterinsel 4 angebracht, welche Insel von weiteren integrierten Schaltungen durch Trenngebiete 11, z. B. ρ ■· -Trenndiffusionen, getrennt ist. In dieser Insel ist eine vergrabene Schicht 12 mit hoher Dotierung vom ersten Leitfähigkeitstyp, z. B. vom n + -Typ, angebracht. Weiter zeigt Fig. 2 die in diesem Schnitt sichtbaren Basisdiffusionen bi und b* und die Emitterdiffusionen C1 und et. Zusammen mit den Emitterdiffusionen ist der Anschlußpunkt 7 durch Diffusion, z.B. eine n + -Diffusion, angebracht. Das Ganze ist mit einer Isolierschicht
13 überzogen, auf der die verschiedenen Leiterbahnen
14 angebracht sind, wobei an verschiedenen Stellen öffnungen in dieser Isolierschicht 13 vorgesehen sind, um Kontakt mit unterliegenden aktiven Gebieten herstellen zu können. Die Widerstände Rib und Ra3 werden durch die Widerstände der Verbindungswege von dem Anschlußpunkt 7 über die vergrabene Schicht 12 zu den Basis-Kollektor-Übergängen, die zu den Basisdiffusionen bj bzw. 6« gehören,gebildet.
Für die Transistoren T5 und T6 können auch andere Typen Transistoren als die dargestellten Typen verwendet werden.
Obgleich sich die gezeigten Schaltungen auf Gruppen von je zwei Transistoren beschränkten, leuchtet es ein, daß nach Bedarf in jeder Gruppe Transistoren auf entsprechende Weise hinzugeführt werden können.
Wenn jeder Gruppe π Transistoren enthält, teilt die Schaltung die Impulse in Frequenz durch n.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Schaltung zur Frequenzteilung von Hochfrequenzimpulsen, die ein erstes Paar von den Impulsen abwechselnd in den leitenden Zustand gebrachter Transistoren enthält, deren Ausgangsströme durch je eine Gruppe von mindestens zwei Transistoren geleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangselektroden der Transistoren der genannten Gruppen jeweils in zyklisch verschobener Reihenfolge mit Anzapfungen von Widerständen verbunden sind, die die Ausgangselektroden von jeweils zwei anderen Transistoren aus verschiedenen Gruppen miteinander verbinden.
2. Schaltung nach Anspruch 1, in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt, mit einem Halbleiterbauelement, in dem die verschiedenen Transistoren als Grenzschichttransistoren ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Insel von einem ersten Leitfääigkeitstyp, die als gemeinsamer Kollektor wenigstens der Transistoren der genannten Gruppen dient, wenigstens vier voneinander getrennte Basiszonen von einem zweiten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angebracht sind, die räumlich in einer der genannten zyklischen Reihenfolge entsprechenden Reihenfolge angeordnet sind, wobei sich jeweils die Basiszone eines Transistors der einen Gruppe der Basiszone eines Transistors der anderen Gruppe anschließt, in weichen Basiszonen wieder Emitterzonen vom ersten Leitfähigkeitstyp angebrac.it sind, wobei Leiterbahnen die Emitterzonen der zu derselbe·· Gruppe gehörigen Transistoren miteinander und mit dem Kollektor diss zugehörigen Transistors der ab wechselnd in den leitenden Zustand gebrachten Transistoren verbinden, wobei Anschlußpunkte auf den Basiszonen der Transistoren der genannten Gruppen jeweils in zyklisch verschobener Reihenfolge über Leiterbahnen mit Anschlußpunkten auf der genannten Insel zwischen jeweils zwei benachbarten anderen Basiszonen verbunden sind, wobei von diesen Ansehludpunkten die gewünschten Widerstände zu den Kollektor-Basis-Grenzschichten der zugehörigen Transistoren führen, und wobei auf der genannten Insel ein Anschlußkontakt für Speisungszwecke: angebracht ist, von dem die gewünschten Widerstände zu den Basis-Kollektor-Grenzschichten der Transistoren der genannten Gruppen führen.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß rings um einen mittleren Anschluß punkt, der den genannten Anschlußkontakt für die Speisung bildet, die Basiszonen symmetrisch in der genannten Insel liegen, wobei zwischen diesen Basiszonen die genannten Anschlußpunkti; liegen, von denen Leiterbahnen zu den betreffenden! Anschlußpunkten auf den Basiszonen führen.
4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der genannten Insel eine: hochdotierte vergrabene Schicht angebracht ist.
5. Schallung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der genannten Insel unter den genannten Anschlußpunkten Zonen vorhanden sind, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die genannten Emitterzonen aufweisen.
6. Schaltung nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, bei der eine Integrationstechnik verwendet wird, bei der Oxidschichten zur gegenseitigen Trennung verschiedener Elemente angebracht sind, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Oxidschicht die genannte Insel umgibt-
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