-
Integrierte Halbleiterschaltung für elektronischen Abstimmer Die
Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung, die im elektronischen
Abstimmkreis für Amplitudenmodulations- oder Frequenzmodulations-Rundfunkempfänger
und andere Empfänger für Fernmeldegeräte verwendet wird.
-
Eine Schaltung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des elektronischen
Abstimmers ist in Fig, 1 dargestellt. Ein von der Antenne 1 eingeführtes Signal
wird durch einen Schwingkreis ausgewählt, der einen Transformator 5, eine Diode
variabler Kapazität 8 und einen semivariablen Kondensator 39 umfaßt, und einem verstärkenden
Halbleiterbauelement 2 zugeführt. Speisespannungen für den Betrieb der Halbleiterbauelemente
2 bis 4 werden den Anschlüssen P1, P2 und P3 zugeführt, Mit dem Halbleiterbauelement
2 verbundene Widerstände
11, 12 und 15 dienen zum Einstellen einer
Vorspannung für das Halbleiterbauelement 2. Kondensatoren 20 und 22 sind Verzweigungskondensatoren.
Das dem Verstärkungshalbleiterbauelement 2 zugeführte Eingangssignal wird nach der
Verstärkung dem Mischhalbleiterbauelement 3 durch einen Schwingkreis zugeführt,
der einen Transformator 6, eine Diode variabler Kapazität 9 und einen semivariablen
Kondensator 40 umfaßt. Dieser Schwingkreis wird auf die Frequenz abgestimmt, die
der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem Transformator 5 gleich ist. Widerstände
13, 14 und 16 dienen zur Einstellung einer Vorspannung für das Halbleiterbauelement
3, und Kondensatoren 24 und 26 sind Verzweigungskondensatoren.
-
Ein Schwingkreis, der eine Schwingspule 7, eine Diode variabler Kapazität
10 und einen semivariablen Kondensator 41 enthält, ein Transistor 4, Kondensatoren
28 bis 30, Vorspannungswiderstände 17 bis 19 und eine Drosselspule 27 bilden einen
örtlichen Oszillatorkreis. Ein Schwingungsausgangssignal dieses örtlichen Oszillatorkreises
wird dem Mischhalbleiterbauelement 3 zugeführt, wo es mit dem anderen dortigen Eingang
gemischt wird, wodurch Pfeifkomponenten erzeugt werden. Diese Pfeifkomponenten werden
als Zwischenfrequenzsignal am Ausgangsanschluß 38 durch den Transformator 37 erzeugt.
-
Bei Änderung der Resonanzfrequenz der in dieser Schaltungsanordnung
enthaltenen Schwingkreise wird die Ausgangsspannung der Gleichstromspannungsquelle
31 durch den regelbaren Widerstand 32 geändert und dann durch Kopplungswiderstände
33 bis 35 den Dioden variabler Kapazität 8 bis 10 zugeführt. Kondensatoren 21, 25
und 42 sind Verzweigungskondensatoren, die die Funktion haben, daß nur eine Gleichspannung
den Dioden variabler
Kapazität 8 bis 10 zugeführt wird. Die semivariablen
Kondensatoren 39 bis 41 dienen zur Feineinstellung der Resonanzfrequenzen der Jeweiligen
Schwingkreise. Das am Ausgangsanschluß 38 erzeugte Zwischenfrequenzsignal wird nach
einem bekannten Verfahren Je nach der Modulationsart des an der Antenne aufgenommenen
Signals demoduliert, wodurch ein gewünschtes Signal erzeugt wird.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung stellt einen Fall dar, wo 4-Pol-MOS
(Metall-Oxid-Halbleiter)-Feldeffekttransistoren (im folgenden bisweilen "4-Pol-MOS-FET"
bezeichnet) als Verstärkungshalbleiterbauelement 2 und Mischhalbleiterbauelement
3 und ein üblicher Transistor als örtliches Oszillatorhalbleiterbauelement 4 verwendet
werden.
-
In dieser Schaltung besteht der einem herkömmlichen mechanischen
veränderlichen Kondensatorelement äquivalente Teil aus den Dioden variabler Kapazität
8 bis 10, den semivariablen Kondensatoren 39 bis 41, den Kondensatoren 21, 25 und
42, den Kopplungswiderständen 33 bis 35, der Gleichspannungsquelle 31 und dem variablen
Widerstand 32. Die Kombination dieser Bauelemente ist im Vergleich mit dem mechanischen
variablen Kondensator von erheblich hohen Kosten. Insbesondere machen die Dioden
variabler Kapazität 8 bis 10 und die Gleichstromspannungsquelle 31 einen Hauptteil
der Gesamtkosten aus, Der elektronische Abstimmer ist von höherer Verläßlichkeit
und Funktionsfähigkeit als der mechanische variable Kondensator, und für die weite
Verbreitung der Verwendung des ersteren ist es erwünscht, das Problem der hohen
Kosten
zu überwinden. Allgemein ist es möglich, die Kosten des Abstimmers
durch Schaltungsintegrierung zu verringern, falls eine große Anzahl von Gegenständen
von Teilen wie im betrachteten Fall betroffen sind, obwohl es voraussetzt, daß Jedes
Bauelement in der vorgeschlagenen integrierten Schaltung einen kleinen Raum einnimmt.
-
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Aufbaus der
integrierten Schaltung, in der der Abstimmkreis nach Fig, 1 mit dem 4-Pol-MOS-FET
2 oder 3 und der Diode variabler Kapazität 8 oder 9 auf bzw. in einem einzelnen
Halbleiterplättchen nach dem bekannten Verfahren der Schaltungsintegrierung integriert
ist. Man erkennt eine Siliziumunterlage 42 und einen Teil 54 der Siliziumunterlage,
wo der 4-Pol-MOS-FET ausgebildet ist, während daneben eine Diode variabler Kapazität
in einem Teil 55 davon ausgebildet ist. Zur Erleichterung des Verständnisses dieses
Aufbaus ist diese Schnittdarstellung nicht maßstäblich.
-
Fig. 2 zeigt weiter eine N -Diffusionsschicht 43, einen Siliziumdioxidfilm
44, Aluminiumelektroden 45, einen mit einer Senkenelektrode verbundenen Anschluß
46, einen mit der zweiten Torelektrode verbundenen Anschluß 47, einen mit der ersten
Torelektrode verbundenen Anschluß 48 und einen mit einer Quellenelektrode verbundenen
Anschluß 49, wobei alle vorerwähnten Bauelemente den 4-Pol-MOS-FET 54 bilden.
-
Die Diode variabler Kapazität 55 besteht aus der N-Diffusionsschicht
50 und der P -Diffusionsschicht 51. Ferner sind ein positiver Elektrodenanschluß
52 und ein negativer Elektrodenanschluß 53 dargestellt.
-
Bei dieser seitlichen Anordnung der Bauelemente wird die Abmessung
des gesamten Halbleiterplättchens durch die
Summe der Flächen der
von den einzelnen Bauelementen eingenommenen Bereiche bestimmt. Es sollte für die
Integrierung der Schaltung nach Fig. 1 zweckmäßig sein, daß die Dioden variabler
Kapazität 8 bis 10, die 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistoren 2 und 3 und der Transistor
4 in einer gemeinsamen Unterlage erzeugt werden. Was die Abmessungen betrifft, so
nimmt ein typischer NPN-Transistor etwa 1/100 mm2 und ein 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor
angenähert 1/20 mm2 in einer monolithischen integrierten Schaltung ein. Dagegen
nimmt eine Diode variabler Kapazität für einen Haushalts-Frequenzmodulations-Empfänger
eine Fläche von 0,5 bis 1 mm2 oder das 10- bis 20-fache der Fläche eines 4-Pol-MOS-FET
und das 50-bis 100-fache der von einem NPN-Transistor eingenommenen Fläche ein.
Die Ausbildung einer diese Bauelemente enthaltenden integrierten Schaltung führt
zu einer unzweckmäßig großen Halbleiterplättchenabmessung. Dies verringert die Produktionsausbeute,
so daß eine Kostenverringerung unmöglich gemacht wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Halbleiterschaltung
neuen Aufbaus zu entwickeln, bei deren Herstellung keine Steigerung der Abmessung
des dafür verwendeten Halbleiterplättchens erforderlich ist.
-
Das Lösungsprinzip beruht darauf, eine Diode variabler Kapazität
in einer unteren Schicht auszubilden, die unter einer anderen Schicht liegt, in
der ein Transistor oder ein Feldeffekttransistor ausgebildet wird bzw. ist. Andere
Schaltungsbauelemente kann man in der oberen Schicht über der die Diode variabler
Kapazität enthaltenden Schicht ausbilden, wodurch eine Vergrößerung der Plättchenabmessung
vermieden wird.
-
Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe gelöst wird,
ist demgemäß eine integrierte Halble<terschaltung, bei der eine Diode variabler
Kapazität und ein Halbleiterverstärkerbauelement, die einen elektronischen Abstimmer
bilden, in einer gemeinsamen Halbleiterunterlage erzeugt sind, mit dem Kennzeichen,
daß eine Halbleiterschicht eines dem der Halbleiterunterlage entgegengesetzten Leitungstyps
auf der Seite der Halbleiterunterlage ausgebildet ist, die deren Seite gegenüberliegt,
in der das Halbleiterverstärkerbauelement ausgebildet ist, wobei diese Halbleiterschicht
und die Halbleiterunterlage die Diode variabler Kapazität bilden, und daß eine Mehrzahl
von Anschlüssen mit der Halbleiterschicht und der Halbleiterunterlage verbunden
ist.
-
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 das bereits erläuterte
Schaltbild, das eine typische bekannte Schaltung eines elektronischen Abstimmers
darstellt; Fig. 2 den schon erläuterten Querschnitt einer bekannten integrierten
Halbleiterschaltung; Fig, 3 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer integrierten
Schaltung, die einen 4-Pol-M0S-Feldeffekttransistor und eine Diode variabler Kapazität
enthält;
Fig. 4 ein dem Aufbau der in Fig. 3 dargestellten integrierten
Schaltung äquivalentes Schaltbild; Fig. 5 ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines
Beispiels einer Schaltungsanordnung, bei der die in der integrierten Schaltung nach
Fig. 3 enthaltenen Elemente in der Hochfrequenzverstärkungsstufe des in Fig. 1 dargestellten
elektronischen Abstimmers verwendet werden; Fig. 6 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
einer integrierten Schaltung mit einem Bipolartransistor und einer Diode variabler
Kapazität; Fig. 7 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer integrierten
Schaltung mit einem Übergangfeldeffekttransistor und einer Diode variabler Kapazität,
und Fig. 8 einen Querschnitt einer Mehrzahl von Paaren Je eines Verstärkerbauelements,
z. B. eines 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistors, und Je einer Diode variabler Kapazität,
die in einem gemeinsamen Halbleiterplättchen zur Bildung einer integrierten Schaltung
erzeugt sind.
-
Eir-- Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
ist in Fig. 3 dargestellt. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen gleiche Bestandteilselemente
wie in Fig. 2. Man erkennt eine epitaktische N+-Siliziumunterlage 56, eine auf der
Unterlage 56 aufgewachsene epitaktische P-Schicht 57
und eine auf
der epitaktischen P-Schicht 57 aufgewachsene epitaktische P -Schicht 58. Der spezifische
Widerstand der epitaktischen P--Schicht 58 ist unter Verwendung einer P-Verunreinigung,
wie z. B. Bor, auf etwa 5 bis 17 Q ~ cm gebracht, was einer ausreichenden Verunreinigungskonzentration
zum Erreichen der erforderlichen Funktion eines 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistors
entspricht. Auch in der epitaktischen P-Schicht 57 ist Bor zum Dotieren verwendet,
wobei ein spezifischer Widerstand von etwa 0,6 R. cm erzeugt ist, wie er für die
positive Elektrode der Diode variabler Kapazität erforderlich ist. Die epitaktische
N -Unterlage 56 ist mit Antimon dotiert, um einen spezifischen Widerstand von angenähert
0,01## Q ~ cm zu haben, der für die negative Elektrode der Diode variabler Kapazität
benötigt wird. Die epitaktische P-Schicht 57 und die epitaktische P--Schicht 58,
beide Verunreinigungsschichten gleichen Typs, sind elektrisch miteinander verbunden,
und daher ist eine Zuleitung von der epitaktischen P-Schicht 57 als positiver Elektrode
als Anschluß 60 durch die epitaktische P -Schicht 58 gebildet. Man erkennt außerdem
einen Anschluß 59 der negativen Elektrode der Diode variabler Kapazität.
-
Wenn man diesen Aufbau mit dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau vergleicht,
ist es offensichtlich, daß der der Diode variabler Kapazität äquivalente Teil dem
4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor 54 innerhalb der Unterlage gegenüberliegt, wodurch
die erforderliche Abmessung des Halbleiterplättchens verringert wird. Weiter kann
ein Vorspannungswiderstand oder dgl. am seitlichen Teil der Unterlage ausgebildet
werden, worin der 4-Pol-M0S-Feldeffekttransistor ausgebildet ist, wodurch eine gute
Ausnutzung der Oberfläche des Teils, in dem die Diode variabler Kapazität ausgebildet
wird, ermöglicht wird. Als Ergebnis
kann die erforderliche Fläche
des Halbleiterplättchens durch lediglich die erforderliche Oberfläche für die Diode
variabler Kapazität bestimmt werden, so daß eine Steigerung der Halbleiterplättchenabmessung
vermieden wird.
-
Ein äquivalentes Schaltbild der integrierten Schaltung nach Fig.
3 ist in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt den in Fig. 3 gezeigten 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor
54, der einen entsprechenden Aufbau wie den des M0S-Feldeffekttransistors in Fig.
2 hat. Man sieht außerdem eine Diode variabler Kapazität 61 mit einem PN-Übergang,
die die epitaktische N + -Siliziumschicht 56, die epitaktische P-Schicht 57 und
die epitaktische P -Schicht 58 enthält. Eine Anwendung dieser integrierten Schaltung
auf die Eingangsradiofrequenzverstärkerstufe eines elektronischen Abstimmers nach
Fig. 1 ist im Schaltbild in Fig. 5 dargestellt. In diesem Schaltbild sind gleiche
Bauelemente mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet. Im Aquivalenzschaltbild
nach Fig. 5 sind die Anschlüsse 60 und 59 mit den Anschlüssen 49 bzw, 48 verbunden.
-
Der Schwingkreis mit der Diode variabler Kapazität 61 als variablem
Abstimmelement besteht aus einem Antennentransformator 5, einer Diode variabler
Kapazität 61 und Kondensatoren 21 und 22 in einer Schleife. Beim tatsächlichen Betrieb
wird beim Anlegen eines übermäßigen Eingangs am Transformator 5 der 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor
54 gesättigt. Der Gleichstromarbeitspunkt des Feldeffekttransistors ändert sich
so, daß die Gleichstromvorspannung am Anschluß des Kondensators 22 eine Änderung
erfährt. Der Gleichstromarbeitspunkt der Diode variabler Kapazität 61 und damit
deren Kapazitätswert ändert sich, was oft zu einem Verstimmungszustand oder zur
Abweichung vom abgestimmten Zustand führt. Ein Verstimmungszustand, der zur Zeit
des Zuführens eines übermäßigen Eingangs
auftritt, verringert die
Größe der Signalspannung, die durch den Schwingkreis geht, wodurch dessen Sättigiing
verhindert wird. Falls solch ein Verstimmungszustand unerwünscht ist, wird Jedoch
der den Widerstand 15 und den Kondensator 22 umfassende Selbstvorspannungskreis
vorzugsweise durch eine Gleichstromspeisespannung ersetzt.
-
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet einen 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor
als Verstärkerelement gegenüber der Diode variabler Kapazität. Auch wenn ein Bipolartransistor,
ein Übergangfeldeffekttransistor oder ein anderes geeignetes Verstärkerelement anstelle
des MOS-FET verwendet wird, läßt sich die Erfindung mit gleichem Effekt verwirklichen.
Mit anderen Worten geht auch dann-der Vorteil nicht verloren, daß durch Anordnen
des Verstärkerelements in Gegenüberstellung zur Diode variabler Kapazität die Halbleiterplättchenabmessung
merklich verringert wird.
-
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor
54 durch einen Bipolartransistor ersetzt ist, zeigt Fig. 6. Man erkennt darin Kollektor-,
Basis- und Emitteranschlüsse 62, 63 und 64, die im Kontakt mit der N-Schicht 62'
bzw. der P-Schicht 63' bzw.
-
der N-Schicht 64' sind, wodurch ein Bipolartransistor 65 gebildet
ist. Man erkennt außerdem einen negativen Anschluß 59 und einen positiven Anschluß
60 der Diode variabler Kapazität, die dem Bipolartransistor 65 gegenüberliegt.
-
Die Querschnittansicht nach Fig. 7 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem ein übergangfeldeffekttransistor anstelle des 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistors
54 verwendet ist. Man erkennt Tor-, Quelle- und Senkeanschlüsse 66,
67
und 68. Der Toranschluß 66 ist mit der P-Schicht 66', der Quelleanschluß 67 mit
einem Ende 68b der N-Schicht 68' und der Senkeanschluß 68 mit dem anderen Ende 68a
der N-Schicht 68' verbunden, wodurch ein Übergangfeldeffekttransistor 69 gebildet
ist. Außerdem erkennt man einen negativen Anschluß 59 und einen positiven Anschluß
60, die wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 mit der N -Schicht 56 und der P-Schicht
57 der Diode variabler Kapazität verbunden sind.
-
Ein Vergleich der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 6 und 7 mit
dem nach Fig. 3 zeigt, daß die ersteren nicht die P-Schicht 58 der Diode variabler
Kapazität aufweisen. Diese Schicht kann Jedoch wie im Fall der Fig. 3 noch hinzugefügt
werden, wann immer es vom Standpunkt der dielektrischen Festigkeit des Übergangs
zwischen der P-Schicht 57 und der N-Schicht 62' bzw. 68' im Kontakt mit dem Anschluß
62 bzw. 68 oder vom Standpunkt der Funktion des Übergangfeldeffekttransistors 69
bzw. des Bipolartransistors 65 erforderlich ist, Der Abstimmer nach Fig. 1 verwendet
drei Paare der Diode variabler Kapazität und des Verstärkerelements, wie sie in
den Fig. 3 und 6 und 7 gezeigt sind, obwohl zwei bis fünf Paare üblich sind.
-
Ein Vielfachaufbau, der eine Mehrzahl von Paaren der Diode variabler
Kapazität und des Verstärkerelements in einem gemeinsamen Halbleiterplättchen enthält,
ist in Fig. 8 dargestellt. Man erkennt einen 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor 54a
mit dem gleichen Aufbau wie dem nach Fig. 3 und einen weiteren 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor
54b, der neben dem 4-Pol-MOS-Feldeffekttransistor 54a, Jedoch durch einen isolierenden
N+-Diffusionsbereich
77 getrennt, angeordnet ist.
-
Man erkennt außerdem einen Quellenelektrodenanschluß 71, einen ersten
Torelektrodenanschluß 72, einen zweiten Torelektrodenanschluß 73 und einen Senkenelektrodenanschluß
74.
-
Außerdem ist eine N-Inversions-Verhinderungsdiffusionszone 76 zum
Blockieren des Durchganges von Leckstrom dargestellt, der sonst von den N-Schichten
der Senke- und Quelleanschlüsse zur Grenzfläche des Siliziumdioxidfilms 44 durch
die N-Inversionsschicht fließen könnte.