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Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen MOS-Schalter
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher
Schalter, jedoch von unidirektionaler Art, ist bekannt aus
"Proceedings of The IEEE Custom Integrated Circuit
Conference", 1984, Seite 564 - 568.
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In vielen elektrischen Schaltkreisen und Anlagen besteht ein
Bedarf nach Schaltgliedern, die verhältnismäßig hohen
Spannungen im geöffneten Zustand widerstehen, die im
geschlossenen Zustand einen kleinen Widerstand haben und die eine
galvanische Isolierung zwischen den Steuerkreisen und den
Hauptkreisen und zwischen verschiedenen Hauptkreisen in der
gleichen Anlage aufweisen. Ein Beispiel für Anlagen, in
denen Schaltglieder dieser Art erforderlich sind, sind
Telefonanlagen. In typischen Anlagen dieser Art werden
elektromechanische Relais als Schaltglieder verwendet, und für jede
in der Telefonstation ankommende Telefonleitung ist eine
Vielzahl solcher Relais erforderlich, z.B. zur Schaltung
eines Klingelgenereators, zur Abschaltung und Zuschaltung im
Zusammenhang mit einer Störungsbeseitigung, usw.
Elektromechanische Relais sind raumaufwendig und relativ teuer. Ihre
mechanischen Kontakte sind wenig zuverlässig (z.B. wegen
Kontaktverschmutzung), und sie erfordern eine relativ
aufwendige Montage und Anschlußarbeit während des Einbaues in
die jeweilige Anlage.
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Aus dem Aufsatz "Monolithic Capacitor-Coupled Gate Input
High Voltage SOS/CMOS Driver Array" von H. Sakuma und K.
Hirata in "Proceedings of the IEEE Custom Integrated Circuit
Conference" (IEEE CICC), 1984, Seite 564-568, ist ein
unidirektionaler MOS-Schalter bereits bekannt. Dieser Schalter
enthält ein Paar hochdotierter Kontaktzonen mit zwei schwach
dotierten spannungsaufnehmenden Zwischenzonen. Zwischen
diesen Zonen und einer der Kontaktzonen ist eine MOS-Struktur
vorhanden, und mit Hilfe einer Steuerelektrode dieser
Struktur kann der Schalter zwischen einem geschlossenen und
offenen Zustand gesteuert werden. Wie gesagt, ist dieser
Schalter unidirektional, d.h. er kann Spannung nur in einer
Richtung aufnehmen. In vielen Anlagen wird ein Schaltglied
dieser Art verlangt, der bidirektional ist, d.h. der Spannungen
beider Polaritäten aufzunehmen vermag und zusätzlich Strom
in beiden Richtungen zu führen vermag. An sich wäre es
möglich, einen bidirektionalen Schalter durch gegenpolige
Reihenschaltung zweier Glieder, wie sie in dem obengenannten
Aufsatz beschrieben werden, aufzubauen. Der
Durchlaßwiderstand einer solchen Reihenschaltung würde unvermeidlich groß
sein, und um diesen Widerstand auf annehmbare Werte zu
reduzieren würde eine relativ große Fläche erforderlich sein.
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Die US-A-4 656 493 beschreibt in Figur 3 einen symmetrischen
bidirektionalen Leistungs-MOSFET, der auf einem N-leitenden
Halbleitersubstrat aufgebaut ist. Um einen MOSFET mit einer
annehmbar kurzen Kanalzone unter der Steuerelektrode zu
erhalten, ist das Halbleiter-Bauelement mit einem Paar
herkömmlicher Vertikalstrom-MOSFET-Einheitszellen versehen, die
symmetrisch Rücken an Rücken auf der genannten gemeinsamen
Drain-Zone aus N-leitendem Material ausgebildet sind. Die
beiden Zellen haben einen Abstand voneinander. Jede Zelle
enthält eine P-leitende Basiszone. In jeder Basiszone ist
eine N+-leitende Hauptanschlußzone vorhanden. Die beiden P-
leitenden Basiszonen werden durch die N-leitende Drain-Zone
getrennt, die das Substrat bildet. Dieses Bauelement hat
nicht die oben beschriebene galvanische Isolation/Trennung.
Wenn die getrennten P-leitenden Basiszonen in einer dünnen
SOS (Silicon on Sapphire) Halbleiterschicht verwendet
würden, würde daher sich bei einer gegebenen Durchbruchspannung
ein sehr hoher Durchlaßwiderstandswert ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
bidirektionalen MOS-Schalter der eingangs genannten Art zu entwickeln,
der eine hohe Spannungsaufnahmefähigkeit und einen niedrigen
Durchlaßwiderstand hat, der billiger und zuverlässiger ist
und eine einfachere Herstellung und Installation ermöglicht
als die bekannten elektromechanischen Relais, der die
Möglichkeit der Integration einer Mehrzahl von Schaltern,
möglicherweise zusammen mit zusätzlichen Schaltkreisfunktionen,
in einer einzigen Halbleiterkapsel ermöglicht und der (bei
einem bestimmten gegebenen Durchlaßwiderstand) eine
bedeutend kleinere Halbleiterfläche benötigt als in Reihe
geschaltete bekannte unidirektionale MOS-Schalter.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein bidirektionaler MOS-
Schalter vorgeschlagen, wie er im Anspruch 1 definiert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
weiteren Ansprüchen genannt.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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Figur 1 einen bidirektionalen MOS-Schalter gemäß der
Erfindung,
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Figur 2 eine Ausführungsform eines Schalters gemäß der
Erfindung mit galvanischer Trennung zwischen dem
Steuerkreis und dem Hauptkreis,
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Figuren 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b aufeinanderfolgende
Schritte bei der Herstellung eines Schalters gemäß
der Erfindung,
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Figur 6 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit
einer Mehrzahl von Schalterelementen in derselben
Halbleiterschicht, die zur Bildung der Haupt- und
Steueranschlüsse des Schalters parallel geschaltet
sind.
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Figur 1 zeigt einen bidirektionalen MOS-Schalter gemäß der
Erfindung. Er ist hergestellt mittels der sogenannten SOS-
Technik (Silicon On Sapphire). Auf einem Substrat 1 aus
Saphir ist durch Epitaxie eine monokristalline Siliziumschicht
2 aufgebracht. Die Schicht kann die Form eines
langgestreckten Streifens haben, wobei Figur 1 einen Schnitt senkrecht
zur Längsrichtung des Streifens zeigt. Die Breite der
Schicht kann etwa 30 um betragen. Ihre Dicke kann 0,6 um
betragen. Die Grunddotierung der Siliziumschicht ist eine sehr
schwache P-Dotierung mit einer Verunreinigungskonzentration
von etwa 10¹&sup6; cm&supmin;³. Diese Dotierung stellt die Dotierung der
Kanalregionen 6a und 6b dar. Zonen. Die Schichten 4 und 5
sind mit einer Oberflächenkonzentration von 1-2 x 10¹² cm&supmin;²
dotiert. Die Kontaktzonen 3a und 3b haben
Dotierungskonzentrationen von 10¹&sup9;-10²&sup0; cm&supmin;³. Die Kontaktzonen sind mit
Metallkontakten 7a, 7b versehen, die mit Anschlüssen S1/D2
beziehungsweise S2/D1 versehen sind, welche die
Hauptanschlüsse des Schalters darstellen. Über den Kanalzonen 6a,
6b sind Steuerelektroden 8a, 8b auf nicht dargestellten
Isolierschichten angeordnet. Die Steuerelektroden können zum
Beispiel aus polykristallinem Slizium mit einer geeigneten
Dotierung bestehen und sind mit Metallkontakten 9a, 9b
versehen, die ihrerseits an Steueranschlüsse G1 und G2
angeschlossen sind.
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Eine erste MOS-Struktur wird aus Schichten 3a, 6a, 5
gebildet und hat die Steuerelektrode 8a. Eine zweite MOS-Struktur
wird aus den Schichten 5, 6b, 3b gebildet und hat die
Steuerelektrode 8b. Diese beiden MOS-Strukturen sind
normalerweise nicht-leitend. Wenn jedoch eine genügend große,
positive Spannung zum Beispiel 5 V, gegenüber dem benachbarten
Hauptkontakt (7a) an die Steuerelektrode 8a angelegt wird,
entsteht ein N-leitender Kanal in der Kanalzone 6a an der
Oberfläche der Siliziumschicht. Eine entsprechende Situation
stellt sich in der anderen MOS-Struktur ein, wenn eine
entsprechende positive Spannung gegenüber dem Hauptkontakt
S2/D1 an die Steuerelektrode G2 angelegt wird.
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Die gestrichelten Linien in Figur 1 zeigen die Ausdehnung
der Sperrschicht (Verarmungsschicht), die in der Struktur
auftritt, wenn die linke Hauptelektrode S1/D2 positiv
gegenüber der rechten Hauptelektrode S2/D1 ist. Die Dicke des
Teils der Sperrschicht 10, die sich zu beiden Seiten des PN-
Übergangs 11 zwischen den Schichten 4 und 5 ausbildet, hängt
von der angelegten Spannung ab. Die Figur zeigt die
Ausdehnung der Sperrschicht 10 bei einer relativ kleinen Spannung.
Bei steigender Spannung zwischen den Hauptelektroden wächst
die Dicke der Sperrschicht in vertikaler Richtung an dem
Übergang 11 zwischen den Schichten 4 und 5 und füllt
zunehmend die gesamte Dicke der Siliziumschicht aus. Bei einer
weiteren Steigerung der Spannung überlagert sich dem
vertikalen Feld ein horizontales Feld bis, bei der
Durchbruchspannung des Elementes, die Feldstärke an irgendeinem Punkt
so hoch wird, daß ein Durchbruch erfolgt. Mit den
obengenannten Abmessungen und Dotierungskonzentrationen kann eine
maximale Sperrspannung von mehr als etwa 350 Volt auf
einfache Weise erreicht werden sowie ein Durchlaßwiderstand von
weniger als 20 oder 30 Ohm. Der Schalter ist vollständig
symmetrisch und kann daher für Gleichspannungen beliebiger
Polarität sowie auch für Wechselspannungen verwendet werden,
d.h. er ist in der Lage, eine Sperrspannung in beide
Richtungen aufzunehmen und den Strom in beide Richtungen zu
leiten.
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Figur 2 zeigt, wie eine galvanische Trennung zwischen dem
Hauptkreis des Schalters und seinem Steuerkreis gemäß einer
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht
werden kann. Die Gleichstromanschlüsse der Diodenbrücke B1 sind
an den Steuerkontakt G1 und den benachbarten Hauptkontakt
S1/D2 angeschlossen. Die Gleichstromanschlüsse der
Diodenbrücke B2 sind in gleicher Weise an den Steuerkontakt G2 und
den benachbarten Hauptkontakt S2/D1 angeschlossen. Das
Steuersignal des Schalters besteht aus einer Wechselspannung,
die an die Steueranschlüsse CT1 und CT2 des Schalters
angelegt wird. Diese Anschlüsse CT1 und CT2 sind an die Brücke
B1 über zwei Kondensatoren C1 und C3 und an die Brücke B2
über zwei Kondensatoren C2 und C4 angeschlossen. Wenn das
Steuersignal Null ist, liegen die Steuerkontakt G1 und G2
auf demselben Potential wie die benachbarten Hauptkontakte,
und der Schalter ist nicht-leitend. Wenn eine Steuerspannung
geeigneter Größe an die Steueranschlüsse CT1, CT2 angelegt
wird, wird jede Steuerelektrode positiv gegenüber dem
benachbarten Hauptkontakt, wodurch der Schalter in den
leitenden Zustand gesteuert wird. Die Diodenbrücken und die
Kondensatoren gemäß Figur 2 können vorteilhafterweise mit dem
Schalter selbst integriert aufgebaut sein.
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Wenn das Steuersignal (die Wechselspannung) verschwindet,
verschwindet die positive Ladung an den Steuerelektroden mit
einer Geschwindigkeit, die durch die Kapazität der
Steuerelektroden und den Leckwiderstand des Steuerkreises bestimmt
wird. Der genannte Leckwiderstand ist gestrichelt durch die
Widerstände RE1 und RE2 in Figur 2 symbolisch dargestellt.
Alternativ kann das Element mit einem doppelten Steuersystem
versehen sein, wobei das eine positive Steuersignale zur
Steuerung des Elementes in den leitenden Zustand erzeugt und
das andere negative Steuersignale zur Steuerung des
Elementes in den nicht-leitenden Zustand erzeugt.
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Die gestrichelte Linie PL in Figur 2 symbolisiert die
Verbindung zwischen den Hauptkontaktzonen 3a, 3b über die P-
Schicht 4.
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Die Figuren 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b zeigen einige
Herstellungsstufen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
bei welcher eine Anzahl von parallelen und elektrisch
parallel arbeitenden Schalterelementen in einer quadratischen
oder rechteckigen Siliziumschicht auf einem Saphirsubstrtat
hergestellt werden. Die Figuren 3a, 4a und 5a zeigen
Schnitte durch die Siliziumschicht, die senkrecht zu den
Längsrichtungen der Schalterelemente verlaufen. Die Figuren
3b, 4b und 5b zeigen die Siliziumschicht in einer Ansicht
senkrecht zur Basis (Substrat). Die Länge der einzelnen
Schalterelemente ist groß im Verhältnis zu ihrer Breite, und
aus diesem Grunde wird nur ein Teil der Erstreckung dieser
Elemente in der Längsrichtung in den Figuren gezeigt. Die
weggelassenen Teile sind durch strichpunktierte Linien
markiert. Die Abmessungen und die Dotierungen können die
gleichen sein wie sie oben in Verbindung mit Figur 1 angegeben
wurden. In den Figuren 3b, 4b und 5b bezeichnen die
Bezugszeichen 21 und 22 die Kanten der Siliziumschicht.
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Das Ausgangsmaterial ist schwach P-dotiert (π-dotiert). Bei
der Implantation von Phosphor beziehungsweise Bor wird der
Teil der Siliziumschicht, der dem Saphirsubstrtat 1 am
nächsten liegt, dotiert (ungefähr die halbe Dicke der Schicht).
Diejenigen Streifen 31a, 31b, welche die unteren Teile der
Kontaktzonen bilden werden, sind stark N-dotiert, während
der Rest des unteren Teiles der Schicht relativ schwach P-
dotiert ist. Das Ergebnis dieser Schritte ist in Figur 3
gezeigt.
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Danach werden die dünnen Oxidschichten 81a, 81b, welche die
Steuerelektroden gegenüber dem Substrat isolieren, sowie
ferner die Steuerelektroden 8a, 8b aus
polykristallin-dotiertem Slizium, die auf diesen Oxidschichten angebracht
werden, hergestellt. Durch Benutzung des Steuersiliziums als
Maske wird dann eine flache Phospor-Implantation
vorgenommen, wodurch die obere Hälfte der Siliziumschicht eine
schwache N-Dotierung erhält. Dies geschieht in der in Figur
4a gezeigten Schicht 5. Schließlich wird der Teil der
Kontaktzonen
3a, 3b, der am dichtesten an der Oberfläche liegt,
mit einer starken N-Dotierung versehen. Das Ergebnis dieser
Schritte zeigt Figur 4.
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Danach wird, wie Figur 5 zeigt, eine Schutzschicht 13 aus
Siliziumdioxid mit einer Dicke von 1 - 3 um auf der
Oberfläche der Siliziumschicht erzeugt, mit Ausnahme solcher Zonen
(z.B. 71a, 91a), in denen die darunterliegenden Zonen
kontaktiert werden sollen. Danach werden Metallkontakte auf den
Hauptkontaktzonen angebrach,t und die Steuerelektroden
werden auf der Oxidschicht 13 angebracht. Der Kontakt 7a
kontaktiert die Hauptkontaktzone 3a in einer Anzahl von Zonen
71a, die längs der Kontaktzone verteilt sind. In gleicher
Weise kontaktiert der Kontakt 7b die Kontaktzone 3b in einer
Anzahl von Zonen 71b, die längs der Kontaktzone verteilt
sind. Die Steuerelektrode 8a wird durch den Metallkontakt 9a
in der Zone 91a kontaktiert, und die Steuerelektrode 8b wird
durch den Kontakt 9b in der Zone 91b kontaktiert.
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Wie aus Figur 5 hervorgeht, erstrecken sich die
Hauptkontakte 7a und 7b in seitlicher Richtung an beiden Seiten über
die beiden MOS-Strukturen der kontaktierten
Hauptkontaktzonen hinaus. Die Metallkontakte wirken hier wie sogenannte
Feldplatten zur Steuerung des elektrischen Feldes.
Zusätzliche Feldplatten 14 (siehe die gestrichelte Linie in Figur
5a), die an ein geeignetes Potential angeschlossen sind,
können eventuell zwischen den Hauptkontakten zur Steuerung
des elektrischen Feldes angeordnet sein.
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Die Figuren 3 - 5 zeigen nur einen Teil eines Bauelementes
gemäß der Erfindung, nämlich zwei Hauptkontaktzonen 3a, 3b
mit benachbarten MOS-Strukturen. Um größere Ströme handhaben
zu können, ist es zweckmäßig, eine Vielzahl von
Schalterelementen in der in den Figuren gezeigten Weise nebeneinander
anzuordnen. Wie die Figuren zeigen, hat dann jede zweite
Hauptkontaktzone und die zugehörige Steuerzone verlängerte
Anschlüsse, die an einer Seite der Schicht herausragen, und
die dazwischenliegenden Hauptkontaktzonen mit ihren
Steuerzonen haben verlängerte Anschlüsse, die aus der
entgegengesetzten Seite der Schicht herausragen. Figur 6 zeigt
schematisch und im Prinzip, wie die Anschlüsse in einem solchen
Falle ausgebildet sind. Die Figur zeigt schematisch das
Substrat 1 mit der auf ihr angeordneten Siliziumschicht 2. Die
Siliziumschicht 2 enthält eine Vielzahl von parallelen
Schalterelementen der in den Figuren 3 - 5 gezeigten Art.
Jeder zweite Haüptkontakt (7a) ragt durch Verlängerung aus
der linken Seite der Schicht in der Figur heraus, und die
dazwischenliegenden Hauptkontakte (7b) ragen aus der rechten
Seite der Schicht durch Verlängerung heraus. Die Anschlüsse
7a werden untereinander parallel geschaltet und an den
Hauptanschluß S1/D2 des Schalters angeschlossen. In
entsprechender Weise werden die Kontakte 7b parallel geschaltet und
an dem anderen Hauptanschluß S2/D1 des Schalters
angeschlossen. Die Steuerkontakte 9a werden parallel miteinander zum
Steueranschluß G1 des Schalters verbunden, und die
Steuerkontakte 9b werden parallel miteinander zum anderen
Steueranschluß G2 des Schalters verbunden.
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Länge und Breite der Siliziumschicht 2 und die Anzahl der
Schalterelemente müssen natürlich für jeden speziellen
Anwendungsfall so gewählt werden, daß man eine ausreichend
hohe Spannungsfestigkeit und einen ausreichend niedrigen
Durchlaßwiderstand erhält.
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Falls erwünscht, können mehrere separate Halbleiterschalter
gemäß der Erfindung zusammen in integrierter Form auf einer
einzigen Siliziumschicht 2 ausgebildet werden oder in
mehreren Siliziumschichten auf demselben Substrat 1 ausgebildet
werden. Dies kann zum Beispiel zweckmäßig sein bei der
eingangs beschriebenen Verwendung zum Ersatz von Relais in
Telefonanlagen. In diesem Zusammenhang können alle Relais, die
einer bestimmten Telefonleitung zugeordnet sind, durch einen
einzigen integrierten Schaltkreis ersetzt werden, welcher
dann so viele separate Halbleiterschalter enthält wie zum
Austausch der Relais, die zu dieser Leitung gehören,
erforderlich sind. Dies kann zu beträchtlichen Einsparungen
hinsichtlich des Raumbedarfes und der Herstellungs- und
Installationskosten führen und die Zuverlässigkeit der Anordnung
verbessern. Zusätzlich zu den beschriebenen Schaltern können
weitere über die Schaltfunktion hinausgehende Funktionen,
z.B. logische Schaltkreise, in der gleichen Schaltung
integriert werden, falls dies für die Steuerung der Schalter
wünschenswert ist.
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Die obige Beschreibung bezieht sich auf eine Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher der Halbleiterschalter in SOS-
Technik hergestellt wird, d.h. der Schalter wird in einer
Siliziumschicht hergestellt, die auf einem Saphirsubstrtat
aufgebracht ist. Es ist natürlich möglich, andere
Substratmaterialien und Halbleitermaterialien als die genannten zu
verwenden; jedoch in diesem Zusammenhang hat sich die SOS-
Technik als vorteilhaft erwiesen. Ein Grund hierfür ist, daß
dünne Halbleiterschichten in einfacher Weise mit dieser
Technik herstellbar sind, und diesen Schichten kann die
gewünschte Dotierung in einfacher und exakter Weise mittels
Implantation verliehen werden.
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Um einen niedrigen Durchlaßwiderstand des Schalters zu
erhalten, ist es notwendig, daß die auf der Oberfläche
angeordnete, schwach dotierte N-leitende Schicht 5 eine gute
Leitfähigkeit hat. Da die Dotierung der Schicht nach oben
durch die Forderung nach Spannungsfestigkeit begrenzt ist,
ist es daher wichtig, daß die Beweglichkeit der
Ladungsträger in der Schicht groß ist, d.h. daß die Struktur des
Halbleitermaterials in der Schicht so perfekt wie möglich ist.
Die SOS-Technik bietet eine gute Materialqualität an ist und
ist daher auch aus diesem Grunde sehr geeignet. Falls
erwünscht, kann die Materialqualität der Halbleiterschicht
weiter verbessert werden, zum Beispiel durch die sogenannte
DSPE-Technik (Double Solid Phase Epitaxy"). Gemäß dieser
Technik wird zunächst eine Amorphisierung mit einer
nachfolgenden Rekristallisation des Teiles der Halbleiterschicht
durchgeführt, der dem Substrat am nächsten liegt, wodurch
die Kristallstruktur dieses Teils vervollkommnet wird.
Danach wird eine Amorphisierung mit nachfolgender
Rekristallisation desjenigen Teiles der Halbleiterschicht durchgeführt,
die der Oberfläche am nächsten liegt, wodurch eine sehr hohe
Perfektion dieses Teiles der Halbleiterschicht erreicht
werden kann.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden die beiden
MOS-Strukturen gleichzeitig gesteuert, d.h. bei leitendem
Schalter sind beide Strukturen leitend, und wenn der
Schalter nicht leitend ist, sind beide Strukturen nicht leitend.
Im letztgenannten Falle kann es vorteilhaft sein, die MOS-
Strukturen so zu steuern, daß eine von ihnen leitend ist, um
ein definiertes Potential der N-leitenden Schicht 5 zu
erhalten.
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Ferner wurde bei der obigen Ausführungsform der
MOS-Strukturen angenommen, daß die MOS-Strukturen von dem Typ sind,
welcher normalerweise, d.h. bei nicht angelegter
Steuerspannung, nicht leitend ist und der durch ein Steuersignal in
den leitenden Zustand gesteuert wird. Alternativ können die
MOS-Strukturen natürlich vom entgegengesetzten Typ sein, der
normalerweise (wenn keine Steuerspannung anliegt) leitend
ist und der durch ein Steuersignal in den nicht leitenden
Zustand gesteuert wird. Im letztgenannten Falle wird das
Bauelement dadurch im nicht leitenden Zustand gehalten, daß
eine oder beide MOS-Struktur/en durch Anlegen einer
Steuerspannung in den nicht leitenden Zustand gesteuert
wird/werden, und das Bauelement durch Wegnahme der
Steuerspannung von beiden MOS-Strukturen leitend gemacht wird.