DE3326958C2 - Integrierte Schaltung zum Verstärken - Google Patents

Integrierte Schaltung zum Verstärken

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Abstract

Eine Verstärkerschaltung mit einem Verstärkertransistor ist integriert, wobei in dem Halbleiterkörper, in dem sich der Verstärkertransistor befindet, ein RC-Glied mitintegriert ist und das RC-Glied derart bemessen ist, daß eine unerwünschte Selbsterregung von Schwingungen weitestgehend unterdrückt wird.

Description

Es ist bekannt, daß bei Verstärkerschaltungen, die Transistoren mit hoher Grenzfrequenz (Transit-Grenzfrequenz) aufweisen, häufig die Gefahr der Selbsterregung von unerwünschten Schwingungen besteht Dabei treten in einem Frequenzbereich, der im allgemeinen erheblich außerhalb der Betriebsfrequenz liegt unerwünschte Schwingungen auf, die durch den Einfluß von unvermeidbaren parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in Zusammenwirkung mit dem Verstärkertransistor verursacht werden. Die parasitären Induktivitäten sind auf die Elektrodenzuleitungen und die parasitären Kapazitäten, auf im Halbleiterkörper befindliche Kapazitäten (z. B. Sperrschichtkapazitäten) sowie auf äußere Verdrahtungskapazitäten zurückzuführen. Beide parasitäre Komponenten werden auch als parasitäre Reaktanzen bezeichnet. Während die Betriebsfrequenz bei einem UKW-Verstärker beispielsweise 100 MHz beträgt, entstehen die unerwünschten parasitären Schwingungen im oberen VHF- oder UHF-Bereich. Die unerwünschten Schwingungen haben Empfangsstörungen sowie Störst Zahlungen zur Folge.
Die unerwünschten Schwingungen treten vor allem bei Verwendung des Verstärkertransistors in Basis-Grundschaltung auf. Bei Emitter-Grundschaltung sind die unerwünschten Schwingungen dagegen seltener bzw. leichter zu vermeiden. Das Problem der Selbsterregung von Schwingungen ist bei integrierten Schaltungen besonders groß, da z. B. größere Werte für die parasitären Zuleitungsinduktivitäten bestehen. Es ist bekannt, die unerwünschten parasitäion Schwingungen
dadurch zu verhindern, daß die Zuleitungen mit Überzügen aus Ferritperlen versehen oder Ferritperlen bzw. Widerstände in Zuleitungswege zum Verstärkertransistor gelegt werden. Die bekannten Lösungen haben jedoch den Nachteil, daß die Eigenschaften der Verstärkerschaltung im Betriebsfrequenzbereich negativ beeinflußt werden, insbesondere dann, wenn durch die Integration größere Zuleitungsinduktivitäten entstehen, und zwar insbesondere durch Erhöhung des Eigenrauschens der Verstärkerschaltung. Ein weiterer Nachteil sind die relativ hohen Kosten bekannter Lösungen.
Da die aufgezeigten Probleme bisher nicht befriedigend gelöst werden konnten, werden Vorverstärker für VHF-Anwendungen heute im allgemeinen immer noch in konventioneller Technik ausgeführt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, die die Herstellung von Vorverstärkern in integrierter Technik unter Verwendung von Bipolartransistoren mit Grenzfrequenzen von mehreren GHz ermöglicht und das Auftreten von unerwünschten Schwingungen bei integrierten Vorverstärkern so weit wie möglich ver- -i-meidet. Diese Aufgabe wird gemäß.der Erfindung durch 'eine Verstärkerschaltung mit einem Verstärkertransistor gelöst, die integriert ist und bei der im Halbleiterkörperj in dem sich der Verstärkertransistor befindet, ein RC-Glied mitintegriert ist, welches derart bemessen ist, daß eine unerwünschte Selbsterregung von Schwingungen unterdrückt wird.
Das RC-Glied wird zwischen die Basis des Verstär-
kertransistors und das Halbleitersubstrat geschaltet Die Erfindung findet mit Vorteil bei Verstärkerschaltungen Anwendung, die im VHF-Bereich (SO-300 MHz) arbeiten. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist als zusätzliche Dämpfungsmaßnahme ein Widerstand vorgesehen, der zwischen die Kollektorzone und die Kollektorelektrode des Verstärkertransistors geschaltet ist. Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird zusätzlich zu diesem Widerstand noch eine Kapazität zwischen die Kollektorzone des Verstärkertransistors und das Halbleitersubstrat geschaltet.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei externer Beschallung der Basiszone des Verstärkertransistors, d. h. wenn die Basiszone durch eine äußere Zuleitung kontaktiert ist, und zwar vor allem dann, wenn die Basis gegen Masse bei der Betriebsfrequenz durch eine Kapazität kurzgeschlossen ist
Der Verstärkertransistor nach der Erfindung ist zusammen mit dem RC-Glied oder Widerstand (plus evtl. Kapazität) im allgemeinen Bestandteil einer größeren integrierten Schaltung. Die Koüektorzone des Verstärkertransistors, der vorzugsweise als vertikale-/ Transistor ausgebildet ist, ist vorzugsweise von einem Halbleiterbereich umgeben, der den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist wie die Kollektorzone.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert
Die Fig.] zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Verstärkerschaltung mit einem bipolaren Transistor 1 in Basis-Grundschaltung, wie sie beispielsweise für UKW-Emfänger verwendet wird. In der Schaltung der F i g. 1 wird das Antennensignal einem abgestimmten Eingangskreis 2 zugeführt und dort vorselektiert. Das selektierte Eingangssignal gelangt über die Koppelinduklivität 3 zum Emitter des Verstärkertransistors 1. Das verstärkte Ausgangssignal wird einem weiteren Selektionskreis 4 zugeführt und dort weiter selektiert. Um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden, sind bei der bekannten Schaltung der F i g. 1 Ferritperlen 5 und 6 in der Basis- bz./. Emitterzuleitung vorgesehen. Diese bekannten Maßnahmen haben jedoch den bereits genannten Nachteil, daß sie ein zusätzliches Rauschen verursachen. Die Schwingungsgefahr ist bei integrierten Schaltungen noch größer als bei konventionellen Schaltungen.
Um den Verstärker in integrierter Technik ausführen zu können, ohne daß dabei parasitäre Schwingungen und zusätzliches Rauschen durch äußere Dämpfungsmaßnahmen wie Ferritperlen auftreten, ist gemäß der Erfindung nach der F i g. 2 mit dem Verstärkertransistor 1 ein RC-Glied in einem gemeinsamen Halbleiterkörper 7 mitintegriert, welches zwischen die Basis des Verstärkertransistors 1 und das Halbleitersubstrat T geschaltet ist. In der Praxis ist es zweckmäßig, den Widerstand R des RC-Gliedes basisseitig anzuordnen, obwohl natürlieh auch die Kapazität C basisseitig angeordnet werden kann.
Das RC-Glied wird so bemessen, daß eine unerwünschte Selbsterregung von Schwingungen weitestgehend unterdrückt wird. In der Praxis verfährt man so, i.claß zunächst diejenige Frequenz ermittelt wird, bei der Sas System ohne dieerfindungsgernäßen Mittel die unerwünschten Schwingungen ausführt. Diese Frequenz kann beispielsweise mittels eines Spektrümanalysators festgestellt werden. Kennt man diese Frequenz, so ergibt sich das Produkt R.C (= Zeitkonstante) aus der Beziehung 1/2 nfpar. = R.C Aus dieser Beziehung läßt sich bei Kenntnis der Frequenz der Widerstand R errechnen, wobei jedoch die Kapazität C möglichst groß zu wählen ist
Die Anordnung der F i g. 2 unterscheidet sich von der Anordnung der F i g. 1 dadurch, daß zusätzlich zum RC-Glied noch ein Widerstand Rc vorgesehen ist, der ebenfalls zur Bekämpfung der parasitären Schwingneigung beiträgt und damit die Wirkung des RC-Gliedes unterstützt. Der Widerstand Rc wirkt in Verbindung mit der Kapazität 9, die bei einem integrierten Transistor automatisch zwischen dem Kollektor und dem Halbleitersubstrat 7' vorhanden ist Die in der F i g. 3 gestrichelt eingezeichneten Induktivitäten 10, 11, 12 und 13 sind Zuleitungsinduktivitäten, die zum Teil für die unerwünschten Schwingungen mitverantwortlich sind.
Die F i g. 4 zeigt die Ausführung der Erfindung in integrierter Technik. Der Verstärkertransistor befindet sich bei der Anordnung der F i g. 4 zusammen mit dem RC-Glied in einem gemeinsamen Halbleiterkörper 7. Der Verstärkertransistor besteht aus der Emitterzone 14, der Basiszone 15 und der Koüektorzr^s 16. Die Kollek tnrrrnnf* Ifi ict unn pinpm !-falhl*aitP»rKp»rr*ir»h 7" iimcTf^hi^n
der den entgegengesetzten Leitungstyp wie die Kollektorzone 16 aufweist Der Widerstand R des nach der Erfindung vorgesehenen RC-Gliedes ist von einem Halbleiterbereich 17 umgeben, dessen Leitungstyp dem des Widerstandes R entgegengesetzt ist. Unter dem Widerstand R befindet sich eine sogenannte buried-layer 18. Die Kapazität C des RC-Gliedes wird gemäß der Fig.4 durch einen pn-Obergang 19 realisiert, den die Halbleiterzone 20 mit dem Halbleitersubstrat T bildet. Der Widerstand R ist auf der einen Seite mit der Halbleiterzone 20 und dadurch mit der Kapazität C verbunden. Die andere Kondensatorbelegung bildet das Halbleitersubstrat T.
Bei der Anordnung der F i g. 4 ist noch ein Widerstand R vorhanden, der. wie in Zusammenhang mit der F i g. 3 beschrieben, als Zusatzmaßnahme zur weiteren Dämpfung parasitärer Schwingungen dient. Der Widerstand Rc ist vom Halbleitersubstrat T durch eine Halbleiterzone separiert, deren Leitungstyp dem des Halbleite substrates und auch der Widerstandszone entgegengesetzt ist. Die Halbleiterzone 22 ist eine buried layer.
Die Fig. 5 zeigt eine spezielle Ausführungsform für das erfindungsgemäße RC-Glied. Das RC-Glied besteht bei der Ausführungsform der F i g. 5 aus der Kapazität C, die wie bei der Anordnung der F i g. 4 durch die Halbleiterzone 20 und das angrenzende Substrat 7' bzw. durch den pn-übergang 19 gebildet wird, sowie aus dem Widerstand R, der im Ausführungsbeispiel der F i g. 5 nicht als gesonderte Widerstandszone ausgebildet ist, sondern durch den Überpangswiderstand repräsentiert ist der zwischen der Halbleiterzone 20 und der sie kontaktierenden Leitbahn 23 besteht. Die Größe dieses Widerstandes ist abhängig von der Kontakifl?che zwischen der Leitbahn 23 und der Halbleiterzone 20, die bei Vorhandensein einer Isolierschicht 24 durch die Größe des Kontaktfensters 25 in der Isolierschicht 24 bestimmt wird. Analoges gilt auch für die Übergangsfläche zwischen der das Halbleitersubstrat 7' kontaktierenden rLeitbahn 26 und dem Halbleitersubstrat7',jd.;h. ?.uch an 'dieser Stelle kann ein züsätzIicherWidefslarid gebildet werden, der ebenfalls zur beabsichtigten Schwingungsdämpfung beiträgt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, die Widerstandszone R der F i g. 4 und die Halbleiterzone 20 der Kapazität zu einer gemeinsamen Halbleiterzorie gemäß der F i g. 6
zusammenzuziehen. Die Widerstandszone R ist in diesem Fall sozusagen ein Auslaufender Kapazitätszone C.
Die F i g. 7 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Kapazität C, bei der die Halbleiterzone 20 nicht unmittelbar an das Halbleitersubstrat T grenzt, sondern vom Halbleitersubstrat T durch eine Halbleiterzone 27 getrennt ist. Der Leitungstyp der Halbleiterzone 27 ist dem der Halbleiterzone 20 und des Substrats T entgegengesetzt. Zusätzlich ist noch eine buried layer 28 vorhanden, die mit der Halbleiterzone 20 den pn-übergang 19 und damit die erforderliche Sperrschichtkapazität bildet. Die buried layer 28 und die Halbleiterzone 20 sind so hochohmig ausgebildet, daß die gewünschte hohe Sperrspannung erzielt wird. Eine höhere Sperrspannung für den pn-übergang 19 ist für den Fall erforder-Hch, daß höhere Potentialdifferenzen zwischen der Basiszone und dem Substrat vorhanden sind.
Bedingt durch die Zwischenschaltung der Separaticnszcns 27 hat die Hsibieiisrzone 20 der Fi". 7 einen anderen Leitungstyp als die Halbleiterzone 20 bei der Anordnung der F i g. 7, da sie nicht wie bei der Anordnung der Fig.4 mit der Basiszone, sondern mit dem Halbleitersubstrat T verbunden ist. Bei der Anordnung der F i g. 7 ist die dazwischengeschaltete Zone bzw. die den gleichen Leitungstyp aufweisende buried layer 28 mit der Basiszone des Transistors verbunden. Für den Fall, daß die Erfindung nicht zu einer vollständigen Dämpfung führt, können noch externe Zusatzmaßnahmen (beispielsweise Ferritperlen) getroffen werden. Die u. U. erforderliche externe Dämpfung ist aber bei An-Wendung der Erfindung wesentlich geringer als ohne Erfindung, so daß die negative Auswirkungen externer Maßnahmen auf das Rauschen sowie die Kosten bei Anwendung der Erfindung wesentlich geringer sind.
Die Erfindung ist natüriich nicht nur auf VHF-An-Wendungen beschränkt; sie kann ebenso bei anderen Schaltungsanordnungen wie z. B. Zwischenfrequenzverstärkern Anwendung finden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
45
50
5ä
60

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Integrierte Schaltung zum Verstärken mit einem Verstärkertransistor, dadurch gekennzeichnet, daS sie integriert ist, daß in dem Halbleiterkörper, in dem sich der Verstärkertransistor befindet, ein RC-Glied mitintegriert ist und daß das RC-Glied derart bemessen ist, daß eine unerwünschte Selbsterregung von Schwingungen weitestgehend unterdrückt wird.
2. Schaltung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied zwischen die Basis des Verstärkertransistors und das Halbleitersubstrat geschaltet ist
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand zwischen die Kollektorzone und die Kollektorelektrode geschaltet ist
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daB eine Kapazität zwischen die Kollektorzone des Verstärkertransistors und das Halbleitersubstrat geschaltet ist
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß seine Kollektorzone von einem Halbleiterbereich umgeben ist, der den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist wie die Kollektorzone.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand R der RC-Kombina'On nicht durch einen Halbleiterzone, sondern durch den Übergangswiderstand gebildet ist, der zwischen dem Halbleitermaterial der Kapazität Cund der dieses kontak*:erep-3en Elektrode bzw. Leitbahn besteht
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Übergangswiderstandes durch die Größe der Berührungsfläche zwischen dem Kontaktierungsmaterial und dem Halbleitermaterial bestimmt wird.
8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Übergangswiderstande: durch die Größe eines Kontaktierungsfensters bestimmt wird, welches sich in einer auf dem Halbleiterkörper befindlichen Isolierschicht befindet
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Halbleiterkörper vorhandene Halbleiterzone der Kapazität (C) von einer Separationszone umgeben ist, deren Leitungstyp dem der Halbleiterzone entgegengesetzt ist.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationszone mit der Basiszone und die Halbleiterzone der Kapazität (C) mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist.
11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Separationszone eine buried layer mit einer zur Oberfläche verlaufenden Anschlußzone vorhanden ist und daß die Anschlußzone mit der Basiszone verbunden ist.
12. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Separationszone bzw. die buried layer hochohmiger ist als das Halbleitersubstrat im Bereich des pn-Überganges der Kapazität.
13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein mitintegrierter Emittervorwiderstand vorhanden ist.
14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß der Emittervorwiderstand derart bemessen ist, daß die Unterdrückung der unerwünschten Selbsterregung von Schwingungen unterstützt wird.
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