DE2812784A1 - Zweiseitige signaluebertragungs- schaltmatrix - Google Patents

Zweiseitige signaluebertragungs- schaltmatrix

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DE2812784A1 DE19782812784 DE2812784A DE2812784A1 DE 2812784 A1 DE2812784 A1 DE 2812784A1 DE 19782812784 DE19782812784 DE 19782812784 DE 2812784 A DE2812784 A DE 2812784A DE 2812784 A1 DE2812784 A1 DE 2812784A1
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Description

BLUMBÄCH . WESEP - BERGEN . KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2812784
Patenlconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/3836 04 Telex 05-212313 Telenramme Patentconsuit Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Pateniconsult Western Electric Company, Incorporated Davis, J»A. 3-3 Broadway "" ~~"
New York, N.Y. 10038, U.S.A.
Zweiseitige Signalübertragungs-Schaltmatrix
Die Erfindung betrifft eine zweiseitige Signalübertragungs-Schaltmatrix mit einer Vielzahl von Schalterkreuzpunkten, die in einem Halbleiterkörper gebildet sind und Je einen Übertragungs- und einen Steuertransistor aufweisen. Zweiseitige Übertragungsund Verraittlungsschaltungen finden weite Anwendung in sprachfrequenten Nachrichtenübertragungsanlagen. Von früher her wurden metallische Kreuzpunktεehalter für solche Anwendungsfälle benutzt, da diese Kreuzpunktschalter eine hohe Impedanz im offenen Zustand und eine niedrige zweiseitige Impedanz im geschlossenen Zustand besitzen. Darüber hinaus sind die Steuerschaltungen für metallische Kreuzpunktkontakte von den Übertragungsstrecken isoliert. Als Ersatz für metallische Schaltkontakte sind auch schon gasgefüllte Röhren und verschiedene Halbleiterbauelemente benutzt worden. Solche Ersatzanordnungen beinhalten jedoch unsymmetrische Bauteile, die unerwünschte Übertragungs- oder Steuereigenschaften besitzen.
München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbacn Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
8 U 9 B 4 0 / 0 B B 7
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine symmetrische, zweiseitige Halbleiterschaltanordnung hoher Güte zu schaffen. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer zweiseitigen Signalübertragungs-Schaltmatrix der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungstransistor ein Paar von identischen, elektrisch austauschbaren Emitter- und Kollektorzonen aufweist, die dem Transistor symmetrische Betriebseigenschaften für eine zweiseitige Übertragung verleihen, daß der Steuertransistor eine Kollektorzone besitzt, die ohmisch durch den Halbleiterkörper über eine vergrabene Zone hoher Leitfähigkeit mit der Basiszone des Übertragungstransistors verbunden ist, und daß Verbindungsmittel vorgesehen sind, um die austauschbaren Emitter- und Kollektorzonen zwischen einen Eingangsweg und einen Ausgangsweg der Matrix zu legen.
Generell werden ein symmetrischer zweiseitiger Übertragungsschalttransistor hoher Güte und ein zugeordneter Treibertransistor in einer Epitaxialschicht über einer gemeinsamen vergrabenen Zone oder Insel in einem Substrat zur Bildung eines Kreuzpunktes erzeugt. Der Kollektor des Treibertransistors und die Basis des Schalttransistors sind ohmisch über die vergrabene Insel verbunden. Die Emitter- und Kollektorzonen des Schalttransistors haben gleiche Größe, Form und Dotierdichte, so daß der Schalttransistor hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Betriebsweise symmetrisch ist.
8Ü984Ü/0887
-5-
Bei einer bevorzugten Anordnung ist eine Vielzahl von Paaren von Emitter- und Kollektorelektroden in jedem Übertragungstransistor gebildet,, um eine höhere Strombelastbarkeit und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Die Emitter- und Kollektorelektroden sind ineinandergeschoben. Eine Oberflächenmetallisierung dient zur Verbindung der Vielzahl von Emitterelektroden und eine andere Oberflächemetallisierung zur Verbindung der Kollektorelektroden.
Kachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigenϊ
Fig. 1 das Schaltbild einer Kreuzpunktschaltung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Matrix mit den Schaltungen nach Fig. 15
Fig. 3 eine Aufsicht von zwei Kreuzpunkten nach der Erfindung;
Fig. 4 einen Querschnitt für einen Kreuzpunkt gemäß Fig. entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;
Fig., 5 einen Querschnitt eines Kreuzpunktes mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter- und Kollektorelektroden;
Fig« 6 einen um 90° gedrehten Teilquerschnitt des Kreuzpunktes gemäß Fig. 5;
Fig. 7 einen Teilquerschnitt ähnlich dem gemäß Fig. 5 mit einer Abänderung.
BÜ984Ö/Ö887
In Fig. 1 ist ein Kreuzpunkt 101 dargestellt, der einen symmetrischen Übertragungsschalttransistor 102 mit einer Basis und identischen Emitter- und Kollektor elektroden 103, 104 aufweist. Der geschaltete Übertragungsweg führt vom Eingangsanschluß I über die Leitung 114, die Elektrode 103, die Elektrode 104 und die Leitungen 110, 111 zum Ausgangsanschluß Der Transistor 102 ist entsprechend der nachfolgenden Erläuterung so ausgelegt, daß er symmetrische Betriebseigenschaften besitzt und die Elektroden 103» 104 können austauschbar als Emitter- oder Kollektor verwendet werden. Aus diesem Grund werden diese Elektroden nachfolgend als Emitter/Kollektorelektroden bezeichnet. Ein Steuerstrom für den 'Transistor 102 wird von der Stromquelle 113 mit negativer Spannung über den Widerstand 112 und den Steuertransistor 106 geliefert. Wie sich später zeigt, können, obwohl der symmetrische Übertragungsschalttransistor 102 und der Steuertransistor 106 in einer einzelnen vergrabenen Insel im Halbleiterkörper angeordnet sind, die Parameter dieser beiden Transistoren bei der Herstellung unabhängig voneinander gesteuert werden.
Der vom Steuertransistor 106 zur Basis 105 des Übertragungstransistors 102 gelieferte Strom wird zur Stromquelle über externe Schaltungen (nicht gezeigt) zurückgeführt, die an eine der Elektroden 103, 104 angeschaltet sind. Bei fehlendem Treibstrom für die Basis 105 des Transistors 102 liegt hohe Impedanz zwischen dem Eingangsanschluß I und dem Ausgangsan-
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Schluß O. Bei Vorhandensein eines ausreichenden Treibstromes für die Basis 105, der so groß ist, daß er den Transistor in die Sättigung bringt, liegt ein Weg kleiner Impedanz für "bipolare Signale zwischen dem Eingang I und dem Ausgang 0. Der Transistor 102, der symmetrisch aufgebaut ist, zeigt eine symmetrische Spannungs-Stromkennlinie, die linear im Nulldurchgang der Kennlinie ist und demgemäß eine Übertragungsstrecke zum Durchschalten zweiseitiger bipolarer Analogsignale darstellt.
Die Organisation einer Vielzahl von Kreuzpunkten gemäß Fige zeigt die Matrix nach Fig. 2, in der die Eingangsleitungen I1 bis I selektiv mit den Ausgangsleitungen O1 bis 0 dadurch verbunden werden können, daß der Kreuzpunkt am Schnittpunkt der zu verbindenden Eingangs- und Ausgangsleitung betätigt wird. Wenn beispielsweise die Leitung I1 mit der Leitung O1 verbunden werden soll, so wird ein Betätigungssteuersignal an den Anschluß C11 angelegt, um den Kreuzpunkt 206 zu betätigen«
In Fig. 3 sind in der Aufsicht zwei Kreuzpunkte der schematisch in Fig. 1 gezeigten Form dargestellt. In der oberen Hälfte der Fig. 3 sind verschiedene Schichten der Anordnung gezeigt, während in der unteren Hälfte ein Kreuzpunkt dargestellt ist, wie man ihn bei der Betrachtung der Oberfläche des Halbleiterkörpers sieht. Die Kreuzpunkte sind durch eine p+-Isolationszone 308 voneinander getrrennt, die eine Vielzahl von sich schneidenden rechteckigen oder rahmenartigen Strukturen umfaßt. Die Isolationszone wird von benachbarten Kreuzpunkten
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gemeinsam benutzt, die je einen lateralen pnp-Schalttransistor und einen vertikalen npn-Steuertransistor enthalten. Der auf der rechten Seite in Fig, 3 gezeigte Schalttransistor besitzt zwei p+-Zonen 309 und 312 gleicher Größe, die in einem Abstand voneinander angeordnet und durch einen Teil 313 einer p-leitenden Schicht 322 (Fig. 4) getrennt werden. Diese Schicht 322 bildet die Basis des Schalttransistors. Oberflachenmetallisierungen 310 und 311 stellen die elektrische Verbindung zur p+- Zone 309 bzw. 312 her. Diese p+-Zonen bilden die Emitter/Kollektorelektroden eines Übertragungsschalttransistors, beispielsweise des schematisch in Fig. 1 dargestellten Transistors 102. Diese Struktur ist im Halbleiterkörper der integrierten Schaltung gebildet, der ein p-leitendes Substrat 321 und eine darüberliegende Epitaxialschicht 322 aufweist. Im p-leitenden Substrat ist eine vergrabene n+-Schicht 323 gebildet und die Transistorstruktur ist oberhalb dieser Schicht hergestellt. Die rahmenförmige n+-Isolationszone 319, die die Elektroden 309 und 312 umgibt, verhindert eine Ladungsträgeriiijektion von diesen Elektroden in das Substrat 321, die p+-Isolationszone 308 oder die Basiszone 320 des auf der linken Seite in Fig. 3 gezeigten vertikalen Steuertransistors.
Der vertikale Steuertransistor besitzt (Fig. 4) eine n-leitende Emitterzone 314, eine p-leitende Basiszone 320 und eine Kollektorzone 322', die innerhalb des Substrats 321 ohmisch mit der Basiszone 313 des Schalttransistors verbunden ist.
H U H H 4 U / 0 8 8 7
Die den Eingangs= und Ausgangsleitungen zugeordneten Angaben entsprechen denen in Figo 2O Demgemäß entspricht der in der oberen Hälfte in Fig«, 3 gezeigte Kreuzpunkt dem Kreuzpunkt in Fig. 2 und der Kreuzpunkt in der unteren Hälfte der Figo entspricht dem Kreuzpunkt 208 in Figo 2O Eine Stromversorgung für diese Kreuzpunkte wird über die unten in Figo 3 dargestellten negativen Spannungsquellen über die Stromquellenwiderstände 306 und 307 gelieferte Ein Betätigungssignal auf der Steuerleitung C11 dient zur Verbindung des Anschlusses I1 mit dem Anschluß O1 über die Leitung 301, den in der oberen rechten Hälfte in Figo 3 gezeigten Übertragungsschalttransistor und die Leitungen 303 und 305o In entsprechender Weise dient ein Betätigungs signal am Anschluß Cp.. zur Verbindung des Eingangs·= anschlusses Ip mit dem Ausgangsanschluß O1 auf entsprechende Weiseρ aber über den in der unteren rechten Hälfte in Figo 3 gezeigten Übertragungsschalttransistor o
In Figo 4 ist der Kreuzpunkt im Halbleiterkörper mit dem Substrat 321 und der Epitaxialschicht 322 gezeigto Die vergrabene n-f-Schicht 323 wird im Substrat 321 vor dem Aufwachsen der Epitaxialschicht 322 gebildet« Die p-f-~Elektrodenzonen 309 9 312 .des Schalttransistors und die rahmenförmige p-leitende Isolationszone 308 werden in einem gemeinsamen Verarbeitungsschritt erzeugte Demgemäß ist der Dotierungsgrad dieser Zonen vergleichbare Die rahmenförmige n+-Isolationszone 319 wird in einem weiteren Verarbeitungsschritt erzeugte Gleiches gilt
H i) -J H 4 U / (J ti B 7
für die Basiszone 320 und die Emitterzone 314, die in weiteren Verarbeitungsschritten gebildet werden. Wie oben erläutert, verhindert die n+-Isolationszone 319, die die vergrabene n+- Schicht 323 schneidet, eine Ladungsträgerinjektion aus den Elektrodenzonen 309 und 312 in benachbarte p-leitende Zonen, nämlich die Isolationszone 308, das Substrat 321 und die Basiszone 320. Tiefe Oxidzonen 326 bzw. 325 isolieren die n+- Isolationszone 319 von den p-i—Elektroden 309 und 312 sowie von der Isolationszone 308, die auf Wunsch zusätzlich vorgesehen werden kann, also nicht vorhanden sein muß, und der Basiszone 320 c Diese tiefen Oxidzonen dienen zur- Erhöhung der Durchbruchsspannung zwischen den jeweils benachbarten Zonen, setzen die unerwünschte Kapazität zwischen den Elementen herab und verringern unerwünschte Elektrodenemissionen in Richtung weg von den Kollektorelektroden. Die Anordnungen gemäß Fig, 3 und 4 v/eisen zwei Emitter/Kollektorelektrodenzonen 309, 312 auf, und, wie die Figuren zeigen, hat jede dieser Elektroden einen Abstand von der n+-Isolationssone 319. Jeder dieser Bereiche ist jedoch einem Teil der Epitaxialschicht benachbart, beispielsweise dem Abschnitt 313 in Fige 4* Bei diesem Aufbau ergibt sich eine parasitäre Diode s die beispielsweise die pleitende Elektrodenzone 312 und den n-leiteaden Epitaxialschicht« bereich 313 umfasst« Diese Diode begrenzt in gewissem Umfang die Güte des Bauteils. Wie sich an Hand der nachfolgenden Erläuterung von Fig. 5 zeigen wird, besitzt ein Aufbau mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter/Kollektorzonen eine höhere Güte als ein Bauteil mit einem einzigen Paar von Emitter/Kollektorelektroden.
H U S) H 4 (! / fi H 8 7
Die Kreuzpunktanordnung gemäß Pig. 5 entspricht im wesentlichen der Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 mit der Aiisnahme, daß in Fig. 5 sechs Emitter/Kollektorbereiche 519 bis 524 vorhanden sind, die in zwei, die Eingangs- und Ausgangselektrodenbereiche bildenden, ineinandergeschobenen Gruppen angeordnet sind. Außerdem sind in Fig. 5 die wunschgemäß zusätzlich möglichen tiefen Oxidzonen gemäß Fig. 4 weggelassen« Den Zonen 519 bis 524 sind die Metallisierungen 510 bis 516 entsprechend zugeordnet. Die Metallisierungen 510, 513 und 515 sind durch eine weitere Oberflächenmetallisierung mit dem Eingangsanschluß I über die Leitung 509 verbunden. Die Metallisierungen 5129 514 und 516 sind durch eine weitere Oberflächenmetallisierung und die Leitung mit dem Ausgangsanschluß 0 verbunden. Die Metallisierung, die die Elektroden 510, 513 und 515 verbindet, befindet sich auf einer Oberfläche entlang einer Seite der Elektroden 519 bis 524, während die Metallisierungen, die die Elektroden 512, 514 und 516 verbinden, auf der anderen Seite der Elektroden 519 bis 524 angeordnet sinde Dies ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Gemäß Fig. 3 sind drei Seiten jeder der Elektrodenzonen 309 und 312 seitlich der n+-Verbindungszone 319 ausgesetzt. In entsprechender Weise sind in Fig. 5 die Endbereiche 519 und 524 auf drei Seiten den n+-Zonen ausgesetzt. Im Gegensatz dazu sind die anderen Elektrodenzonen zwischen den Endzonen, beispielsweise die Elektrodenzonen 520 bis 523 nur mit zv/ei Seiten der n+-Verbindungszone ausgesetzte Demgemäß haben die den inneren Elektroden 520 bis 523 zugeordneten parasitären
H ?] ;HU U / 0 H 8 7
• /a-
pn-Übergänge nur geringere Bedeutung als die den Endelektroden 520 bis 524 zugeordneten pn-Übergänge. Demgemäß haben Übertragungsschalttransistoren mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter/Kollektorelektroden eine etwas höhere Güte als Übertragungsschalttransistoren mit nur einem einzigen Paar von Emitter/Kollektorelektroden·
Der vertikale npn-Transistor gemäß Fig. 5 weist die n-leitende Emitterzone 508, die p-leitende Basiszone 525 und die n-leitende Kollektorzone mit einem Abschnitt 528 der Epitaxialschicht aufβ Der aktive Teil der Kollektorzone 528 ist ohmisch durch die vergrabene n+-Schicht 503 mit den Basiszonen 529 bis 533 des Schalttransistors verbunden« Der Kreuzpunkt gemäß Fig. 5 ist durch eine rahmenförmige p+-Isolationszone 504 isoliert. Im Falle des Aufbaus gemäß Fig« 3 und 4 sind die p+-Elektrodenzonen 519 bis 524 und die Isolationszone 504 in einem gemeinsamen Verarbeitungsschritt gebildet worden« Die p+-Elektrodenzonen 519 bis 524 haben alle gleiche Größe, Form sowie gleichen Dotierungsgrad und sind in gleichem Abstand voneinander angeordnete Demgemäß v/eisen bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 5 die Bauteile symmetrische elektrische Eigenschaften auf und bei der Anordnung gemäß Fig. 5 können die miteinander verbundenen Elektrodenzonen 519, 521, 523 sowie die miteinander verbundenen Elektrodenzonen 520, 522, 524 als Emitter oder Kollektoren ohne Unterscheidung verwendet werden.
8ÜS840/0887
■/13-
In Fig. 7 ist ein Teil einer Struktur gezeigt, die der auf der rechten Seite in Fig. 5 mit zusätzlichen tiefen Oxidzonen 701 und 702 entspricht. Entsprechend der Erläuterung in Verbindung mit Fig. 3 und 4 werden die wunschgemäß zusätzlich möglichen tiefen Oxidzonen benutzt, um die n+-Isolationszone 507 zu isolieren, und damit die Kapazität zwischen den Bauteilen herabzusetzen und die Durchbruchsspannung zwischen den Bauteilen zu erhöhen.
Fig. 6 zeigt einen gegen den Querschnitt in Figo 5 um 90° gedrehten Querschnitt durch die p+-Elektrodenzone 519» Wenn die zusätzlichen tiefen Oxidzonen, beispielsweise 701 und 702 (Fig. 7) verwendet werden, so erscheinen sie im Querschnitt gemäß Fig. 6 zwischen der n+-Verbindungszone 507 und der p+- Elektrodenzone 519 sowie der p4—Isolationszone 504„
8 U 9 8 4 ü / 0 B 8 7
Leerseire

Claims (4)

  1. BLUMBACH · WESER * SERGEN · KRAMEF?
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Patentconsult Radedcestraße45 80C0 München 60 Telefon (089) 883o03/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated Davis, JeA. 3-3
    Broadway
    New York, M.Y. 10038, U.S.A.
    Patentansprüche
    1·) Zweiseitige Signalübertragungs-Schaltmatrix mit einer Vielzahl von Schalterkreuzpunkten, die in einem Halbleiterkörper gebildet sind und je einen Übertragungs- und einen Steuertransistor aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungstransistor (102) ein Paar von identischen, elektrisch austauschbaren Emitter- und Kollektorzonen (309, 312) aufweist, die dem Transistor symmetrische Betriebseigenschaften für eine zweiseitige Übertragung verleihen,
    daß der Steuertransistor (106) eine Kollektorzone (322') besitzt, die ohmisch durch den Halbleiterkörper (321) über eine vergrabene Zone (321) hoher Leitfähigkeit mit der Basiszone (313) des Übertragungstransistors verbunden ist,
    und daß Verbindungsmittel vorgesehen sind, um die austauschbaren Emitter- und Kollektorzonen (309, 312) zwischen einen Eingangsweg (I) und einen Ausgangsweg (θ) der Matrix zu legen.
    München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nal. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P.Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.
    8Ü9840/0887
  2. 2. Schaltmatrix nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungstransistor (102) eine Vielzahl von Paaren von austauschbaren, parallel zueinander angeordneten Emitter- und Kollektorzonen (Fig. 5ϊ 519-524) aufweist.
  3. 3. Schaltmatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone (323) hoher Leitfähigkeit unterhalb der beiden Transistoren im Halbleiterkörper angeordnet ist und die ohmische Verbindung zwischen den Transistoren herstellt.
  4. 4. Schal tniatr ix nach Anspruch 3»
    dadurch gekennzeichnet, daß eine epitaktisch abgeschiedene Schicht (322) einen oberen Abschnitt des Halbleiterkörpers bildet, in weichein die beiden Transistoren gebildet sind, und daß eine Oxidzone (326) in die Schicht von ihrer Oberfläche aus hineinführt, um eine elektrische Isolation zwischen verschiedenen Abschnitten des Kreuzpunktes zu bewirken.
    809 8 40/0887
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