DE3333959A1 - Halbleiterelement mit integrierter verstaerkungsregelungs-schaltung - Google Patents

Halbleiterelement mit integrierter verstaerkungsregelungs-schaltung

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DE3333959A1 DE19833333959 DE3333959A DE3333959A1 DE 3333959 A1 DE3333959 A1 DE 3333959A1 DE 19833333959 DE19833333959 DE 19833333959 DE 3333959 A DE3333959 A DE 3333959A DE 3333959 A1 DE3333959 A1 DE 3333959A1
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Description

39 190
TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA Kawasaki-shi, Japan
Halbleiterelement mit integrierter Verstärkungsregelungs-Schaltung
10
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit integrierter Verstärkungsregelungs-Schaltung, insbesondere eine solche mit veränderbarem Widerstand, die für eine automatisch arbeitende Verstärkungsregelungs-Leistungsstufe in einer TV-Signalverstärkerschaltung verwendet wird.
In Schaltungen dieser Art sind Widerstände mit den Emittern zweier Transistoren, die ein Differentialpaar bilden, verbunden, und weitere zwei Transistoren sind als eine aktive Last eingefügt. Durch Ändern einer Verstärkungsregelungs-Stromquelle, die mit den als aktive Last dienenden beiden Transistoren verbunden ist, können deren Sättigungswiderstandswerte variiert werden. Daraus ergibt sich, daß sich die Emitter-Widerstandswerte der beiden als Differentialpaar dienenden Transistoren ändern, was zu einer Verstärkungsregelung der Schaltung führt.
Die integrierte Schaltung dieser Art besteht im wesentliehen aus zwei Transistoren, die als Differentialpaar dienen, weiteren zwei Transistoren als aktive Last und mehreren Widerständen. Gewöhnlich werden die vier Transistoren in verschiedenen Halbleiter-Inselbereichen ausgebildet, und die übrigen Widerstände werden in einem einzigen HaIbleiter-Inselbereicn kombiniert. Eine derartige Vielzahl
isolierter Halbleiter-Inselbereiche ermöglicht jedoch keine Verkleinerung der für das Gesamtmuster benötigten Fläche .
Es liegt deshalb der Erfindung die vordringliche Aufgabe zugrunde, eine integrierte Verstärkungsregelungs-Schaltung mit variablem Widerstand in einem Halbleiterelement zu schaffen, die nur eine geringe Anzahl von Halbleiter-Inselbereichen erfordert, so daß die für die gesamte Schaltung erforderliche Fläche verkleinert werden kann.
Um dieses Ziel mit der Erfindung zu erreichen, wird eine integrierte Verstärkungsregelungs-Schaltung mit variablem Widerstand geschaffen, die folgende Merkmale aufweist:
einen ersten und einen zweiten Transistor, die ein Differentialpaar bilden, einen ersten und einen zweiten Widerstand, die zwischen die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors und jeweils eine erste Speisespannungsguelle eingefügt sind, dritte und vierte Widerstände, die zwischen die Emitter des ersten und zweiten Transistors bzw. eine zweite Spannungsquelle eingefügt sind, einen fünften Widerstand, der zwischen Emitter der ersten und zweiten Transistoren eingefügt ist, dritte und vierte Transistoren, deren jeweilige Emitter mit jeweils einem Emitter des ersten und zweiten Transistors verbunden sind, während ihre Basen und auch ihre Kollektoren miteinander in Verbindung stehen, wobei der dritte und der vierte Transistor zusammen mit dem fünften Widerstand in einem Halbleiter-Inselbereich kombiniert sind, und einen sechsten Widerstand, der zwischen den Verbindungspunkt der Basen des dritten und vierten Transistors und eine Verstärkungsregelungs-Stromquelle eingefügt ist.
Die nachstehenden Ausführungen dienen zur Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Im einzelnen zeigen:
A ti β O Λ Λ *
W ft *t 4
* ir * «A
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer erfin-
dungsgemäßen integrierten Verstärkungsregelungs-Schaltung mit variablem Widerstand; 5
Fig. 2A eine Draufsicht auf die ·erfindungs
gemäße integrierte Schaltung in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2B einen Schnitt durch die Schaltung
der Fig. 2A entlang der Linie A-A';
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein weiteres
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung;und
Fig. 4 eine nochmals andere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltung, ebenfalls in Draufsicht.
Das Ersatzschaltbild der integrierten Verstärkungsregelungs-Schaltung mit variablem Widerstand gemäß Fig. 1 zeigt zwei npn-Transistoren 11 und 12, die ein Differentialpaar bilden. Die Differential-Eingangsspannung Vin wird den Basen der Transistoren 11 und 12 zugeleitet. Ihre Kollektoren sind mit einer ersten SpannungsguelIe Vcc über Widerstände 13 und 14 verbunden, während ihre Emitter mit einer zweiten Spannungsquelle (z. B. Masse Vss) über Widerstände 15 und 16 verbunden sind. Ein Widerstand 17 liegt zwischen den Emittern der Transistoren 11 und 12, welche außerdem mit den Emittern zweier pnp-Transistoren 18 und 19 verbunden sind, die als variable Last dienen. Deren Basen stehen miteinander direkt und außerdem mit einer Verstärkungssteuerungsstromquelle 21 über einen Widerstand 20 in Verbindung.
Der Stromwert der "'erstärkungssteuerungsstromquelle 20, die mit ihrer anderen Anschlußseite mit Masse Vss verbunden
ist, kann variabel sein. Differentielle Ausgangsspannungen VQ werden an den Kollektoren der Transistoren 11 und 12 erzeugt.
Der Verstärkungsfaktor wird auf folgende Weise geregelt. Wenn der Stromwert der Verstärkungsfaktorregelstromquelle 21 auf Null gestellt ist, ist der Gesamtverstärkungsfaktor der Schaltung ein vorgegebener Wert, der durch das Verhältnis der Gruppe von Widerständen 15, 16 und 17 zu den Lastwiderständen 13 und 14 bestimmt ist. Ist dagegen der Stromwert der Verstärkungsfaktorregelstromquelle 21 groß genug, so daß die Transistoren 18 und 19 im Sättigungsbereich arbeiten, dann sind die Sättigungswiderstände der Transistoren 18 und 19 erheblich niedriger als die Widerstandswerte der Widerstände 15, 16 und 17, so daß die Werte der Emitterwiderstände der Transistoren 18 und 19 verringert erscheinen. In diesem Fall ist der Verstärkungsfaktor der Schaltung erhöht, verglichen mit dem vorherigen Zustand. Eine Änderung im Stromwert der Verstärkungsfaktorregelstromquel-Ie 21 zieht also aufgrund der Sättigungswiderstände eine Änderung des Verstärkungsfaktors der Schaltung nach sich.
Fig. 2A gibt eine Draufsicht des integrierten Verstärkungsfaktorregelschaltkreises mit variablem Widerstand wieder, dessen Ersatzschaltbild in der Fig. 1 dargestellt ist, während Fig. 2B einen Schnitt entlang der Linie A-A1 in der Fig. 2A zeigt. Beide Figuren zeigen nur einen Ausschnitt aus der integrierten Schaltung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Transistoren 18 und 19 und der Widerstand 17 in einem einzigen Halbleiter-Inselbereich ausgebildet, damit die Schaltung (Fig. 1) als integrierte Schaltung ausgebildet wird.
Eine vergrabene η -Schicht 31 wird auf einem p-Silizium-Substrat 30 hergestellt. Ein n-Halbleiterbereich 32 wird
durch epitaxiales Aufwachsen oder auf ähnliche Weise über der vergrabenen η - Schicht 31 erzeugt. Der n-Halbleiterbereich 32, der der vergrabenen η -Schicht 31 entspricht, ist von einem ρ -Isolationsbereich (Abschirmring) 33 umgeben, der mit Hilfe von Diffusionstechnik erzeugt wird, und ist von den übrigen n-Halbleiterbereichen (nicht gezeigt) isoliert, so daß ein Inselbereich entsteht. Ein ringförmiger Halbleiterbereich 34 ist durch Diffusionstechnik im Halbleiterbereich 32 als Inselbereich erzeugt, der von allen übrigen Halbleiterbereichen isoliert ist. Ein p-Halbleiterbereich 35 innerhalb des ringförmigen Halbleiterbereichs 34, der von letzterem einen Abstand einhält, ist durch Diffusionstechnik im Oberflächenschichtbereich des Halbleiterbereiches 32 ausgebildet. Ein ringförmiger p-Halbleiterbereich 36 und ein p-Halbleiterbereich 37 innerhalb des Bereichs 36 und mit Abstand zu letzterem sind durch Diffusionstechnik in einer anderen Zone der Oberflächenschicht des Halbleiterbereichs 32 erzeugt und halten gegenüber den Halbleiterbereichen 34 und 35 einen Abstand. Durch Diffusionstechnik ist in einem wieder anderen Bereich der Oberflächenschicht des n-Halbleiterbereichs 32 ein p-Halbleiterbereich 38 zwischen den beiden p-Halbleiterbereichen 34 und 36.ausgebildet. Außerdem ist ein η Halbleiterbereich 39 durch Diffusionstechnik im wesentlichen auf der Mitte zwischen den beiden ringförmigen Halb-* leiterbereichen 34 und 36 ausgebildet. Ein Siliziumoxidfilm 40 deckt die ganze Oberfläche dieses wie vorstehend beschriebenen Aufbaus ab; er wird erzeugt, nachdem die Diffusionsvorgänge beendet sind. Der Siliziumoxidfilm 40 ist selektiv geätzt, damit Teilflächen der p-Halbleiterbereiche 34, 35,36, 37 und 38 freiliegen, damit zu den p-Halbleiterbereichen 34 und 35 Kontaktlöcher 41 und 42 und zu den p-Halbleiterbereichen 36 und 37 Kontaktlöcher 43 und 44 vorhanden sind. Im Bereich der beiden Enden des p-Halbleiterbereichs 38 sind Kontaktlöcher 45 und 46 erzeugt.
- ίο -
Außerdem ist der Siliziumoxidfilm 40 stellenweise so geätzt, daß die Oberfläche des η -Halbleiterbereichs 39 zu einem Teil freiliegt und damit ein Kontaktloch 47 zum n+- Halbleiterbereich 39 besteht. Ein lei'tfähiges Material wie Aluminium wird auf der gesamten Oberfläche in einer bestimmten Stärke nach Bildung der Kontaktlöcher niedergeschlagen. Danach wird der Aluminiumfilm in einem Muster , durch selektives Ätzen weggeätzt, so daß der p-Halbleiterbereich 35 mit einem Ende des p-Halbleiterbereichs 38 durch die Kontaktlöcher 42 und 45 hindurch mit der leitfähigen Schicht 48 verbunden sind. Diese steht auch mit dem Emitterbereich des Transistors 11 in Verbindung, der einen weiteren (nicht gezeigten) Inselbereich darstellt. In gleicher Weise ist der p-Halbleiterbereich 37 mit dem anderen Ende des p-Halbleiterbereichs 38 über die Kontaklöcher 44 und 46 mit Hilfe der leitfähigen Schicht 49 verbunden. Diese steht auch mit dem Emitterbereich des Transistors 12, der als weiterer Inselbereich (nicht gezeigt) ausgebildet ist, in Verbindung. Eine leitfähige Schicht 50 verbindet die p-Halbleiterbereiche 34 und 36 über deren Kontaktlöcher 41 und 43. Eine leitfähige Schicht 51 verbindet den η Halbleiterbereich 39 mit einem Ende des Widerstands 20, der in einem weiteren Inselbereich- (nicht gezeigt) formiert ist, über das Kontaktloch 47. Danach wird ein Siliziumoxidfilm 52 auf einem freiliegenden Abschnitt des p-Halbleiterbereichs 38 abgelagert.
Pnp-Transistor 18, pnp-Transistor 19 und Widerstand 17 sind im n-Halbleiterbereich 32 ausgebildet, der durch den ρ Isolationsbereich 33 isoliert ist. Pnp-Transistor 18 enthält als Kollektorbereich den p-Halbleiterbereich 34, als Emitterbereich den p-Halbleiterbereich 35 und als Basisbereich den n-Halbleiterbereich 32. Der pnp-Transistor 19 besitzt als Kollektorbereich den p-Halbleiterbereich 36, als Emitterbereich den p-Halbleiterbereich 37 und als Basisbe-
reich den n-Halbleiterbereich 32. Widerstand 17 wird durch p-Halbleiterbereich 38 dargestellt, der zwischen den Transistoren 18 und 19 ausgebildet ist. Die Kollektoren der Transistoren 18 und 19 sind miteinander durch die Leiterschicht 50 verbunden. Der Emitter des Transistors 18 ist mit dem Widerstand 17 über die leitfähige Schicht 48 verbunden. Der Emiter des Transistors 19 ist mit dem Widerstand 17 über die leitfähige Schicht 49 verbunden. Transistor 18 und 19 besitzen einen gemeinsamen Basisbereich, so daß ihre Basen miteinander in Verbindung stehen.
Da die Transistoren 18 und 19 und der Widerstand 17 in einem einzigen Halbleiterbereich ausgebildet sind, ist die Anzahl der erforderlichen Halbleiterbereiche vermindert. Aus diesem Grund kann die für das Muster erforderliche Fläche im Vergleich zu herkömmlichen Musterflächen vermindert werden, was geringere Kosten bedeutet.
Fig. 3 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäßen integrierten Verstärkungsregelungs-Schaltung mit variablem Widerstand in einer anderen Ausführungsform. Die Transistoren 18 und 19 und der Widerstand 17 sind dabei in einem einzigen Halbleiterbereich in derselben Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ausgebildet. Der p-Halbleiterbereich 38 dient als Widerstand 17 und ist nicht gesondert ausgebildet. Die zwei p-Halbleiterbereiche 35 und 37, die als Emitterbereiche der Transistoren 18 und 19 dienen, sind einteilig ausgebildet, so daß sie den p-Halbleiterbereich 53 darstellen, der sich dazwischen erstreckt. Ein Teil des p-Halbleiterbereichs 53 wird als Widerstand 17 verwendet. Aus diesem Grund birgt das Kontaktloch 42, das für den Emitter des Transistors 18 dient, auch als Kontaktloch (45 in Fig. 2) des Widerstands 17. Gleiches gilt für das Kontaktloch 44 des Emitters des Transistors 19, das auch als Kontaktlo :h (46 in Fig. 2) des Widerstands 17
dient. Die Ausbildungsmuster der p-Halbleiterbereiche 34' und 36', die zu den Transistoren 18 bzw. 19 gehören, sind gegenüber der Form des in Fig. 2 gezeigten Musters modifiziert, damit sie das Muster des p-Halbleiterbereichs 53 nicht überlappen. Da alle übrigen Teile im wesentlichen genau so sind wie in Fig. 2, kann eine ins Einzelne gehende Beschreibung unterbleiben.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht einer integrierten VerstärkungsregelungsrSchaltung mit variablem Widerstand in einer wiederum anderen Äusführungsform der Erfindung. Die Transistoren 18 und 19 und der Widerstand 17 sind in einem einzigen Halbleiterbereich so formiert, wie bereits in Fig. gezeigt. Darüber hinaus wird Widerstand 17 zu einem Teil durch einen p-Halbleiterbereich 53 gebildet, der als gemeinsamer Emitterbereich der Transistoren 18 und 19 dient, wie dies auch bereits in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 beschrieben wurde. Die p-Halbleiterbereiche 34, 36 (Fig. 2), die dort als Kollektorbereiche der Transistoren 18 und 19 dienen, sind einstückig geformt und • bilden den einzigen p-Halbleiterbereich 54. Kontaktlöcher 55 und 56 sind so angebracht, daß sie Teile der Oberfläche dieses p-Halbleiterbereichs 54 freilegen. Aus Aluminium hergestellte leitende Schichten 57 und 58 decken die Kontaktlöcher 55 und 56 ab, so daß dadurch die Sättigungswiderstände der Transistoren 18 und 19 ausreichend verringert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, da verschiedene Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. Anstelle der in der Beschreibung aufgeführten pnp-Transistoren 18 und 19 können diese auch als npn-Transistoren ausgebildet sein. Die Leitfähigkeiten der anderen Bereiche sind dann entsprechend zu ändern. Statt des Aluminiums als
Material für die leitfähigen Schichten 48 und 49 läßt sich auch polykristallines Silizium oder eine Kombination dessen mit einem Metall einsetzen.

Claims (10)

39 190 TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA Kawasaki-shi, Japan Halbleiterelement mit integrierter Verstärkungsregelungs-Schaltung 10 Patentansprüche
1. Integrierte Verstärkungsregelungs-Schaltung mit variablem Widerstand,
ge "kennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Transistor (11, 12), die ein Differentialpaar bilden, einen ersten und einen zweiten Widerstand (13, 14), die zwischen die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors (11, 12) und jeweils eine erste Speisespannungsquelle (Vcc) eingefügt sind, dritte und vierte Widerstände (15, 16), die zwischen die Emitter des ersten und zweiten Transistors (11, 12) bzw. eine zweite Spannungsquelle (Vss) eingefügt sind, einen fünften Widerstand (17), der zwischen die Emitter der ersten und zweiten Transistoren (11, 12) eingefügt ist, dritte und vierte Transistoren (18, 19), deren jeweilige Emitter mit jeweils einem Emitter des ersten und zweiten Transistors (11, 12) verbunden sind, während ihre Basen und auch ihre Kollektoren miteinander in Verbindung stehen, wobei der dritte und der vierte Transistor zusammen mit dem fünften Widerstand (17) in einem Halbleiter-Inselbereich (32) kombiniert sind, und einen sechsten Widerstand (20), der zwischen den Verbindungspunkt der Bas an des dritten und vierten Transistors (15, 16) und eine Verstärkungsregelungs-Stromquelle (21) eingefügt ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte Widerstand (17) zwischen dem dritten und vierten Transistor (18, 19) in dem Halbleiter-Inselbereich
(32) ausgebildet ist.
5
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (18) als Basisbereich in einer Oberflächenschicht eines HalbleiterSubstrats (30) einer ersten Leitfähigkeitstype einen ersten Halbleiterbereich
(32) einer zweiten Leitfähigkeitstype hat, der als Halbleiter-Inselbereich dient und so ausgebildet ist, daß er gegenüber weiteren Halbleiterbereichen isoliert ist, und daß Emitter und Kollektorbereiche, die als zweite und dritte Halbleiterbereiche (35, 34) der ersten Leitfähigkeitstype dienen, einander benachbart innerhalb des ersten Halbleiterbereichs formiert sind, daß der vierte Transistor (19) einen ersten Halbleiterbereich (32) als Basisbereich und vierte und fünfte Halbleiterbereiche (37, 38) der ersten Leitfähigkeitstype als Emitter und Kollektorbereiche hat, die von dem zweiten und dritten Halbleiterbereich abgesetzt sind, einander benachbart und im ersten Halbleiterbereich ausgebildet sind, und daß der fünfte Widerstand (17) einen sechsten Halbleiterbereich (38) der ersten Leitfähigkeitstype aufweist und zwischen dem dritten und vierten Transis*- tor (18, 19) innerhalb des ersten Halbleiterbereichs formiert ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine leitfähige Schicht (48), die den sechsten Halbleiterbereich (38) mit dem zweiten Halbleiterbereich (35) verbindet, sowie eine leitfähige Schicht (49) , die den sechsten Halbleiterbereich (38) mit dem vierten Halbleiterbereich
(37) verbindet.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor einen gemeinsamen Emitterbereich haben.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte Widerstand (17) Teile des gemeinsamen Emitterbereichs umfaßt.
7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (18) als Basisbereich in einer Oberflächenschicht eines Halbleitersubstrats (30) einer ersten Leitfähigkeitstype einen ersten Halbleiterbereich
(32) der zweiten Leitfähigkeitstype hat, der als Halbleiter-Inselbereich dient und so formiert ist, daß er von einem weiteren Halbleiter-Inselbereich isoliert ist, sowie einen zweiten und einen dritten Halbleiterbereich (53, 34") der ersten Leitfähigkeitstype hat, der als Emitter- bzw. Kollektorbereich dient und dem ersten Halbleiterbereich (32) benachbart formiert ist, daß der vierte Transistor (19) den ersten Halbleiterbereich (32) als Basisbereich, den zweiten Halbleiterbereich (53) als Emitterbereich und einen vierten Halbleiterbereich (36') als Kollektorbereich, der vom dritten Halbleiterbereich (34') abgesetzt, dem zweiten Halbleiterbereich (53) benachbart und im ersten Halbleiterbereich (32) formiert ist, hat, und daß der fünfte Widerstand (17) einen Teil des zweiten Halbleiterbereichs (53) einnimmt.
8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Transistor (18, 19) einen gemeinsamen Kollektorbereich haben.
9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (18) als Basisbereich in einer Oberflächenschicht eines HalbleiterSubstrats (3 0) einer ersten Leitfähigkeitstype einen ersten Halbleiterbereich (32) der zweiten Leitfähigkeitstype, der als Halbleiter-Inselbereich dient und so formiert ist, daß er von einem anderen Halbleiter-Inselbereich isoliert ist, und einen zweiten und einen dritten Halbleiterbereich (53, 54) der zweiten Leitfähigkeitstype als Emitter-bzw. Kollektor-Bereich hat, die im ersten Halbleiterbereich (32) mit Abstand zueinander ausgebildet sind, daß der vierte Transistor (19) den ersten Halbleiterbereich (32) als Basisbereich, den zweiten Halbleiterbereich (53) als Emitterbereich und den dritten Halbleiterbereich (54) als Kollektorbereich hat, und daß der fünfte Widerstand (17) Teil des zweiten Halbleiterbereichs (53) ist.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitfähige Schicht (57) die Oberfläche des dritten Halbleiterbereichs (54) teilweise überdeckt.
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DE3116229A1 (de) * 1980-04-23 1982-02-25 RCA Corp., 10020 New York, N.Y. "steuerbare widerstandsanordnung fuer einen signalverstaerker"
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