DE2740800A1

DE2740800A1 - Integrated switch with great dielectric strength - has main switching FET in series with further FETs and regulated by control FET

Info

Publication number: DE2740800A1
Application number: DE19772740800
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-09
Filing date: 1977-09-09
Publication date: 1979-03-22

Abstract

The switch has a lambda-shaped current-voltage characteristic, and is made as a two-terminal network. It has further a first switching FET of the enrichment type, whose source-drain channel is between the two terminals. Switching FET gate is connected to the junction point between a control FET of the enrichment type and a load connected in series with it. The last two components are in the second circuit branch parallel to the above FET drain-source path. The control FET gate is connected directly or through a voltage divider to a point on the FET drain side. Further FET's (TS1-TSn) of the enrichment type are in series with the first (TS), and their gates are connected to a series of resistors in the second circuit branch.

Description

Integriertes Schaltelement hoher SpannungsfestigkeitIntegrated switching element with high dielectric strength

Die Erfindung bezieht sich auf ein integriertes Schaltelement hoher Spannungsfestigkeit mit Lambda-förmiger Strom-Spannungs-Kennlinie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an integrated switching element high Dielectric strength with lambda-shaped current-voltage characteristic according to the generic term of claim 1.

Ein solches Zweipol-Schaltelement ist bereits in der Deutschen Patentanmeldung P 26 38 086.9 vorgeschlagen worden. Seine Strom-Spannungs-Kennlinie weist bei kleinen anliegenden Drainspannungen zunächst einen ansteigenden Ast auf, der nach dem Erreichen der Einsatzspannung des Schalttransistors beginnt und geht dann bei weiter ansteigender Drainspannung nach dem Erreichen der Einsatzspannung am Gate des Regeltransistors in einen fallenden Ast über, wobei schließlich wieder der auch unterhalb der Einsatz spannung des Schalttransistors bestehende Sperrzustand erreicht wird. Wegen dieses Kennlinienverlaufs, der einen Lambda-förmigen Durchlaßbereich erkennen läßt, kann das Schaltelement auch als Lambda-Element bezeichnet werden.Such a two-pole switching element is already in the German patent application P 26 38 086.9 has been proposed. Its current-voltage characteristic shows at small applied drain voltages initially on a rising branch, which after reaching the threshold voltage of the switching transistor begins and then continues with increasing Drain voltage after reaching the threshold voltage at the gate of the control transistor into a falling branch over, and finally the one underneath the insert voltage of the switching transistor existing blocking state is reached. Because of this Characteristic curve, which shows a lambda-shaped pass band, can the switching element can also be referred to as a lambda element.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Schaltelement mit geringem Schaltungsaufwand so auszubilden, daß es auch mit hohen Spannungen beaufschlagt werden kann, ohne daß die Gefahr eines das Element zerstörenden Durchbruches eines PN-Ubergangs zwischen entgegengesetzt dotierten Halbleiterbereichen entsteht.The aim of the present invention is to provide such a switching element to be designed with little circuitry so that it can also be used with high voltages can be acted upon without the risk of a breakthrough that would destroy the element a PN junction arises between oppositely doped semiconductor areas.

Das wird erfindungsgemäß durch die Anwendung der im kenzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen erreicht.According to the invention, this is achieved through the application of the Part of claim 1 specified measures achieved.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß eine hohe Spannungsfestigkeit des integrierten Schaltelements erreicht wird, ohne daß technologische Maßnahmen getroffen werden müssen, die besondere Verfahrensschritte bei seiner Herstellung erfordern.The advantage that can be achieved with the invention is, in particular, that a high dielectric strength of the integrated switching element is achieved, without technological measures having to be taken, the special procedural steps require in its manufacture.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausfühhungsbeispiels näher erläutert. Dabei wird zunächst von dem bereits vorgeschlagenen Schaltelement ausgegangen, das einen Feldeffekt-Schalttransistor TS und einen Feldeffekt-Regeltransistor TR enthält, der mit einem Lastelement L in Serie geschaltet ist. Das Gate von TS ist an den Verbindungspunkt 1 der Teile TR und L geschaltet. Wie gestrichelt angedeutet ist, sind der nicht mit TR verbundene Anschluß des Lastelements L und der Drainanschluß des Schalttransistors TS in einem Schaltungspunkt 2 miteinander verbunden, der den einen Pol des Schaltelements bildet, während der Sourceanschluß 3 von TS den zweiten Pol darstellt. Das Gate von TR ist schließlich über eine gestrichelt gezeichnete Leitung an den nicht mit TR verbundenen Anschluß des Lastelements L geführt.The invention is illustrated below with reference to one shown in the drawing, preferred exemplary embodiment explained in more detail. First of all, from the already Proposed switching element assumed that a field effect switching transistor TS and contains a field effect control transistor TR, which is connected to a load element L is connected in series. The gate of TS is at junction 1 of the parts TR and L switched. As indicated by dashed lines, the are not connected to TR Connection of the load element L and the drain connection of the switching transistor TS in one Connection point 2 connected to one another, which forms one pole of the switching element, while the source connection 3 of TS represents the second pole. The gate of TR is finally via a dashed line to those not connected to TR Connection of the load element L out.

Die vorstehend beschriebene Schaltung zeigt beim Anlegen einer Drainspannung am Schaltungspunkt 2 ein Schaltverhalten zwischen den Polen 2 und 3, daß der oben erwähnten Lambda-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht. Dabei stellt der strichpunktiert umrandete Teil der Schaltung einen Inverter dar, der nach dem Leitendwerden von TR an seinem Ausgang 1 eine mit steigender Drainspannung fortschreitende Potentialabsenkung verursacht, die den Schalttransistor TS in den Sperrzustand gelangen läßt.The circuit described above shows when a drain voltage is applied at switching point 2 a switching behavior between poles 2 and 3, that of the above mentioned lambda-shaped current-voltage characteristic. The The part of the circuit bordered by dash-dotted lines represents an inverter which, after becoming conductive of TR at its output 1 a progressive drop in potential with increasing drain voltage caused, which allows the switching transistor TS to go into the blocking state.

Hierbei sind Transistoren TS und TR mit voneinander abweichenden Einsatzspannungen erforderlich, wobei die Einsatzspannung von TR größer ist als die von TS. Schaltet man Jedoch das Gate von TR an den Abgriff eines aus den Widerstandselementen W' und W" bestehenden Spannungsteilers, dessen endseitige Anschlüsse einerseits mit dem nicht mit TR verbundenen Anschluß des Lastelements L und andererseits mit dem Anschluß 3 verbunden sind, wobei die gestri- chelt eingezeichnete, direkte Verbindung zwischen dem Gate von TR und dem einen Ende des Lastelements L unterbrochen wird, so können bei gleicher oder ähnlicher Arbeitsweise der Schaltung Transistoren TS und TR mit gleichen Einsatz spannungen verwendet werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenigstens eines der Widerstandselemente W', W" durch einen Feldeffekttransistor zu realisieren, dessen Gate mit seinem Source- oder Drainanschluß verbunden ist.Here are transistors TS and TR with threshold voltages that differ from one another required, whereby the threshold voltage of TR is greater than that of TS. Switches However, you connect the gate of TR to the tap of one of the resistance elements W ' and W "existing voltage divider, whose end connections on the one hand with the terminal of the load element L not connected to TR and on the other hand with the Connection 3 are connected, whereby the chelt drawn, direct connection between the gate of TR and one end of the load element L is interrupted, so can with the same or a similar mode of operation of the circuit Transistors TS and TR with the same use voltages are used. It is it is expedient to pass at least one of the resistance elements W ', W "through a field effect transistor to realize whose gate is connected to its source or drain terminal.

Ausgehend von dieser Schaltung gelangt man zu einem AusfUhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dadurch, daß die gestrichelt gezeichnete Verbindung zwischen dem Schaltungspunkt 2 und dem einen Ende des Lastelements L beseitigt wird. Anstelle des Schaltungspunktes 2 stellt ein weiterer Anschluß 4 den einen Pol des Schaltelements dar, das somit die beiden endseitigen Pole bzw.Starting from this circuit one arrives at an exemplary embodiment of the present invention in that the dashed connection between the node 2 and one end of the load element L is eliminated. Instead of of the circuit point 2, another connection 4 represents one pole of the switching element represents, which thus the two end-side poles or

Anschlüsse 3 und 4 besitzt. Zwischen diesen liegt ein erster Schaltungszweig 5, in dem der Schalttransistor TS und weitere Schalttransistoren TS1 bis TSn angeordnet sind, die mit ihren Source-Drain-Strecken in Serie zueinander liegen. Der Anschluß 4 ist andererseits über einen zweiten Schaltungszweig 6 mit dem Anschluß 3 verbunden, wobei in diesen Schaltungszweig neben dem Regeltransistor TR und dem Lastelement L eine Serienschaltung von Widerstandselementen W1 bis Wn eingefügt sind. Die Gateelektroden der Schalttransistoren TS1 bis TSn sind an die Anschlüsse der Widerstandselemente W1 bis Wn geschaltet, über die diese untereinander und mit dem Lastelement L verbunden sind.Has connections 3 and 4. A first circuit branch is located between these 5, in which the switching transistor TS and further switching transistors TS1 to TSn are arranged which are in series with one another with their source-drain paths. The connection 4 is, on the other hand, connected to terminal 3 via a second circuit branch 6, in this circuit branch in addition to the control transistor TR and the load element L a series circuit of resistance elements W1 to Wn are inserted. The gate electrodes the switching transistors TS1 to TSn are connected to the connections of the resistance elements W1 to Wn switched, via which these are connected to one another and to the load element L. are.

Unter der Annahme einer in N-Kanal-Technik ausgebildeten Schaltung und einer positiven Spannung am Anschluß 4 sind bei hinreichend kleinen Spannungswerten sämtliche Transistoren gesperrt, da ihre Einsatz spannungen zunächst von den an den Gateelektroden liegenden, in der Serienschaltung von TR, L und W1 bis Wn abgegriffenen Teilspannungen nicht erreicht werden. Beim Ansteigen der Spannung an 4 werden dann die Schalttransistoren leitend, wobei Jeder in den leitenden Zustand übergehende Schalttransistor die Sourcepotentiale der drainseitig von ihm liegenden Schalttransistoren verringert, so daß diese bei unverändertem Gatepotential geöffnet bzw. weiter geöffnet werden. Beim Überschreiten desjenigen Span- nungswertes an 4, bei dem die Einsatzspannung des Regeltransistors TR erreicht wird, erfolgt eine Verringerung der Gatespannung am Transistor TS, die diesen schließlich sperrt. Das bedeutet aber eine Potentialanhebung an den Sourceanschlüssen der Schalttransistoren TS1 bis TSn, während ihre Gateelektroden infolge des sich weiter verringernden Kanalwiderstandes von TR eine Potentialabsenkung erfahren. Die einander entgegengerichteten Potentialverschiebungen, die hierbei an den Gate- und Sourceanschlüssen der einzelnen Schalttransistoren TS1 bis TSn auftreten, führen zu einer beschleunigten Sperrung der letzteren.Assuming a circuit designed in N-channel technology and a positive voltage at terminal 4 are at sufficiently low voltage values all transistors are blocked, as their use voltages are initially affected by the the gate electrodes, tapped in the series circuit of TR, L and W1 to Wn Partial voltages cannot be reached. When the voltage increases at 4 then the switching transistors conductive, each transitioning to the conductive state Switching transistor the source potentials of the switching transistors located on the drain side of it reduced, so that these are opened or further opened with the gate potential unchanged will. When the span is exceeded value at 4, at the threshold voltage of the control transistor TR is reached, there is a reduction the gate voltage at the transistor TS, which ultimately blocks it. But that means a potential increase at the source connections of the switching transistors TS1 to TSn, while their gate electrodes as a result of the further decreasing channel resistance experience a potential decrease from TR. The opposing potential shifts, those at the gate and source connections of the individual switching transistors TS1 to TSn occur lead to an accelerated blocking of the latter.

Die bei 4 anliegende Spannung wird einerseits durch die Schalttransistoren TS, TS1 bis TSn und andererseits durch die Serienschaltung der Elemente TR, L, W1 bis Wn geteilt, wobei die entstehenden Teilspannungen eine wesentlich geringere Spannungsfestigkeit der einzelnen Schalttransistoren voraussetzen als dies bei der zwischen den Anschlüssen 2 und 3 liegenden Schaltung mit dem einzigen Schalttransistor TS der Fall wäre.The voltage applied at 4 is on the one hand through the switching transistors TS, TS1 to TSn and on the other hand through the series connection of the elements TR, L, W1 divided up to Wn, whereby the resulting partial stresses are significantly lower Assume dielectric strength of the individual switching transistors than that of the between the terminals 2 and 3 lying circuit with the single switching transistor TS would be the case.

Je größer die Anzahl n der Schalttransistoren ist, desto größer ist die Spannungsfestigkeit der Schaltung zwischen den Anschlüssen 3 und 4, wobei eine obere Grenze bei einer Realisierung in MOS-Massiv-Silizium-Technik durch die.Gefahr eines Durchbruches der PN-Ubergänge einzelner entgegengesetzt dotierter Halbleiterzonen in Richtung auf das Siliziumsubstrat gegeben ist. Baut man dagegen die Schaltung so auf, daß die Schalttransistoren in einer dünnen, auf einem isolierenden Substrat aufgebrachten, dotierten Halbleiterschicht angeordnet sind, wobei ihre Source-Drain-Kanäle in voneinander getrennten, inselförmigen Teilen der Halbleiterschicht liegen und mittels zwischen den inselförmigen Teilen verlegter Leiterbahnen untereinander verbunden sind, so läßt sich die Anzahl der eingesetzten Schalttransistoren und damit die Spannungsfestigkeit des Schaltelements weiter erhöhen.The greater the number n of switching transistors, the greater it is the dielectric strength of the circuit between terminals 3 and 4, where a upper limit for implementation in MOS solid silicon technology due to the risk a breakthrough in the PN junctions of individual oppositely doped semiconductor zones is given in the direction of the silicon substrate. On the other hand, you build the circuit so that the switching transistors in a thin, on an insulating substrate Applied, doped semiconductor layer are arranged, with their source-drain channels are in separate, island-shaped parts of the semiconductor layer and connected to one another by means of conductor tracks laid between the island-shaped parts are, the number of switching transistors used and thus the Further increase the dielectric strength of the switching element.

Die Widerstandselemente W1 bis Wn werden zweckmäßig als Feldeffekttransistoren realisiert, deren Gateelektroden mit ihren Source- Anschlüssen verbunden sind. In gleicher Weise kann auch das Element L aufgebaut sein.The resistance elements W1 to Wn are expediently used as field effect transistors realized whose gate electrodes with their source Connections connected are. The element L can also be constructed in the same way.

3 Patentansprüche 1 Figur3 claims 1 figure

Claims

Claims 1 Integrated switching element with high dielectric strength with lambda-shaped current-voltage characteristic, which is designed as a two-pole and in which a first field effect switching transistor of the enhancement type with its source-drain channel is arranged in a circuit branch connecting the two poles to one another, in which the gate of the switching transistor to the connection point of a field effect control transistor of the enrichment type and a load element connected to this in series is arranged in a second, the first circuit branch connected in parallel are, and in which the gate of the control transistor directly or via a voltage divider with a circuit point of the lying on the drain side of the control transistor second circuit branch is connected, thereby g e k e n n n z e i c h n e t that further field effect switching transistors (TS1 ... TSr.) of the enhancement type to the first (TS) are connected in series and that their gate electrodes are connected to the terminals of a A plurality of inserted in series with one another in the second circuit branch (6) Resistance elements are connected.

2. Integrated switching element according to claim 1, characterized in that that the resistance elements (W1 ... Wn) consist of field effect transistors whose Gate electrodes are each connected to the source terminals.

3. Integrated switching element according to claim 1 or 2, characterized in that that the field effect switching transistors (TS, TS7 ...

TSn) applied in a thin layer on an insulating substrate, doped semiconductor layer are arranged, the lying in series with one another Source-drain channels in separate, island-shaped parts of the semiconductor layer and by means of interconnects laid between the island-shaped parts are connected.