DE7224347U - Festkorperschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperschalter aus zwei parallel geschalteten komplementären MOS-Transistoren, von denen die Quelle des einen MOS-Transistors mit seinem Substrat immer dann über einen weiteren MOS-Transistor verbindbar ist, wenn die beiden MOS-Transistoren durch gleichzeitiges Anliegen von Torsignalen geeigneter Amplitude und Polarität leitend gemacht sind, wodurch die Änderung des Übertragungswiderstandes in Abhängigkeit von Änderungen in der Amplitude des Eingangssignals derart auf ein Minimum verringerbar ist, daß Verzerrungen des abgegriffenen Signals im Vergleich mit dem Eingangssignal ein Minimum annehmen.

Bei komplementären MOS-Halbleiteranordnungen als Analogschalter, die parallel geschaltet sind, stellt das eine Elektrodenpaar aus einer zusammengeschalteten Quelle und

Fs/mt

Senke

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Senke zweier verschiedener Elemente den Eingang und das andere zusammengeschaltete Elektrodenpaar an die Quelle und Senke der beiden parallel geschalteten MOS-Transistoren den Ausgang des Analogschalters dar. Dieser Festkörperschalter arbeitet als Schalter bzw. Relais mit hoher Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von NanoSekunden. Der Schalter wird durch das Anlegen entgegengesetzt polarisierter Torsignale an die Tore der komplementären MOS-Halbleiteranordnung leitend gemacht. Derartige Festkörperschalter in Form von Relais können sowohl in analogen als auch in digitalen Multiplexschaltungen Verwendung finden und sind in gleicher Weise auch für die Anwendung bei digitalen oder analogen Umkehrstufen wegen ihrer hohen Abschaltwiderstäade verwendbar. Ein Multiplexsystem, in welchem Festkörperrelais Verwendung finden, dient der Flugdatenabfrage bei Flugzeugen zur Fernüberwachung von Flugzuständen und von Bordinstrumenten.

Für derartige Systeme bestehen hohe Anforderungen bezüglich der über Schalter übertragenen Informationen, die bei der Übertragung über den Schalter nicht verändert werden dürfen. Das heißt, daß das Ausgangssignal eines solchen Schalters gegenüber dem Eingangssignal gleich sein muß, oder nur linear proportional verändert sein darf. Diese Forderung stellt keine besonderen Probleme bei langsam arbeitenden Relais, da der Widerstand «wischen dem Eingang und dem Ausgang des Relais wmachlässi^bar ist, wenn die Relaiskontakte geschlossen sind. Wenn jedoch Analogschalter aus MOS-Halbleiteranordnungon Verwendung finden, ist der Eingang-Ausgangswiderstand nicht linear und ändert sich in Abhängigkeit von der Eingangsspannung am Festkörperrelais. Diese Nichtlinearität des Widerstandes ergibt sich offensichtlich aufgrund eines

- 2 - Vorspannungseffektes

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Vorspannungseffektes zwischen der Quelle und dem Substrat. Dieser Quellen-Substrat-Vorspannungseffekt ergibt sich aus der dem Element eigenen Sperrvorspannung, die an dem Substrat der MOS-Halbleiteranordnung anliegt aufgrund von Trägerwanderung innerhalb des Halbleiterkörpers. Diese

Vorspannung wird nachfolgend mit V bezeichnet und ist

q—s

die Quellen-Substrat-Differenzspannung des bestimmten MOS-Elementes. Diese Sperrvorspannung hängt vom Eingangssignal ab und beeinflußt das MOS-Element durch die Veursachung einer Änderung der Schwellwertspannung am Tor in Abhängigkeit von der Amplitude des angelegten Eingangssignals.

Diese Änderung der Torschwellwertspannung bewirkt einen nichtlinearen, über das MOS-Element gemessenen Widerstand in Abhängigkeit von der Eingangsspannung. Damit wird von herkömmlichen MOS-Elementen eine gewisse Verzerrung aufgrund dieses Widerstandes verursacht. Wenn Informationen von bestimmten Übertrag~ungsleitungen an eine Multiplexschaltung gegeben und von dieser miteinander verschachtelt werden, kaun die Amplitude dieser Signalinformationen am Ausgang der Multiplexschaltung den eingangsseitigan Werten nicht mehr entsprechen. Daher wird die Genauigkeit der Übertragung über Festkörperrelais in Frage gestellt, wenn Analogschalter in Form konventioneller MOS-Halbleiteranordmingen Verwendung finden. Diese Einflüsse können sehr kritisch werden, wenn die über das Festkörperrelais übertragenen Informationen die Form bestimmter Spannungswerte haben. Nimmt man z.B. die Abtastung der Temperatur in dem Triebwerk eines Flugzeuges, wobei die Temperatur durch ein bestimmtes Spannungsniveau gekennzeichnet ist, so kann sich eine sehr gering« Veränderung dieser Spaunung aufgrund des inneren Widerstandes des Festkörperrelais einstellen, wenn die zu übertra·

- 3 - «enden

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genden Spannungen an den Grenzen des Ubertragvingsbereiches des Festkörperrelais liegen. Wenn jedoch die Spannungswerte sehr klein oder im Bereich von Null liegen, verursacht der große Übertragungswiderstand vom Eingang zuun Ausgang des Festkörperschalters eine "Verzerrung" der Spannung, indem vom Festkörperschalter ausgangsseitig falsche Spannungen abgegeben werden. Diese Verzerrung führt dazu, daß bisher die Verwendung von Festkörperrelais bei Mul.tiplexsystemen für Flugzeuge abgelehnt werden, da der durch die Übertragung über Festkörperrelais verursachte Spannungsfehler wegen der Nichtlinearität nur schwer auszugleichen ist.

Obwohl die herkömmlichen Analogschalter mit komplementären MOS-Transistoren schnell schalten und im Gegentakt einen Betriebsbereich haben, der gleich der Spannungsdifferenz zwischen den entgegengesetzten Polaritäten der Torspannungen ist, können diese Schalter in ihrer gegenwärtigen Form nicht benutzt werden, da die geschalteten Signale eine "Verzerrung" erfahren. Diese analogen Schalter aus komplementären MOS-Elementen besitzen eine parallel geschaltete P-leitende und N-leitende Kanalstrecke. Im eingeschalteten Zustand hat dieser Schalter einen Eingangs-Ausgangswiderstand, d.h. einen Übertragungswiderstand, der sich aus. den parallel geschalteten Widerständen der beiden Elemente ergibt. Dieser zusammengesetzte Widerstand ändert sich unglücklicherweise mit der Änderung der Eingangsspannung, wodurch die erwähnten Verzerrungen ausgelöst werden.

Es soll daher ein Festkörperschalter geschaffen werden, bei dem die erwähnten "Verzerrungen" auf ein Minimum herabgedrückt werden, indem die Widerstandsänderung des Übertra-

- k - gungswiderStandes

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gungswiderstandes in Abhängigkeit von der Eingangsspannung auf ein Minimum verringert wird. Wenn die herkömmlichen Schalter dieser Art in integrierter Schaltkreisform aufgebaut sind, ist es das Element mit der N-leitenden Kanalstrecke, welches hauptsächlich zu den erwähnten Verzerrungen beiträgt, da dessen Empfindlichkeit mit der Eingangsspannung V.. veränderlich ist. Die Empfindlichkeit des Elementes mit der N-leitenden Kanalstrecke ist häufig das Dreifache der Empfindlichkeit des Elementes mit der P-leitenden Kanalstrecke in Abhängigkeit von den Änderungen der Eingangsspannung. Es soll daher die Empfindlichkeit des Elementes mit der N-leitenden Kanalstrecke verringert werden. Diese Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke bereitet insbesondere Schwierigkeiten bei der Herstellung der komplementären MOS-Elemente in integrierter Schaltkreisform, da die Substratdotierung für das Element mit der N-leitenden Kanalstrecke höher als die Substratdotierung des Elementes mit der P-leitenden Kanalstrecke ist. Die Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke soll jedoch verringert werden, indem entsprechend die Torschwellwertspannung V₁- verringert wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperschalter zu schaffen, der als Analogschalter Verwendung finden kann und aus komplementären MOS-Halbleitemaufgebaut ist. Dieser Schalter soll eine verringerte Widerstandsempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Amplitude der Eingangssignale aufweisen, wobei die Übertragungsverzerrungen bekannter Schalter dieser Art in Abhängigkeit von der Eingangsspannung weitestgehend unterdrückt werden. Dabei soll eine hohe Schaltgeschwindigkeit in der Größenordnung von NanoSekunden und ein Gegentaktaussteuerungsbereich erzielt werden, der gleich der Spannungsdifferenz zwischen den Torspannungen ist, die not-

- 5 - wendig

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wendig sind, um die beiden Kanäle des komplementären MOS-Schalters gleichzeitig leitend zu machen.

Dies« Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Oberfläche eines Blockes eines Halbleitermaterials vom ersten Leitfähigkeitstyp ein wannenförmiger Bereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des wannenförmigen Bereiches koplanar zur Oberfläche des Halbleiterblockes ist, daß in dem wannenförmigen Bereich erste Quellen- und Senkenbereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind und sich auf der Oberfläche des wannenförmigen Bereichs eine erste aus isolierendem Material bestehende Torschicht befindet, die den ersten Quellen- und Senkenbereich teilweise überlappt, daß in dem Halbleiterblock zweite Senken- und Quellenbereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp neben dem wannenförmigen Bereich angeordnet sind, daß eine zweite aus isolierendem Material bestehende Torschicht auf der Oberfläche des Blockes derart angeordnet ist, daß Teile der zweiten Torschicht mit den zweiten Quellen- und Senkenbereichen überlappen, daß dritte Quellen- und Senkenbereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche des Halbleiterblockes angeordnet sind, mit denen Teile einer dritten Torschicht überlappen, daß die Störstellenkonzentration in dem Halbleiterblock, dem wannenförmigen Bereich sowie in den Quellen- und Senkenbereichen In einer solchen Größe vorgesehen ist, daß Halbleiteranordnungen vom Verstärkungstyp gegeben sind, daß auf der Oberfläche des Halbleiterblockes Metallisationsschichten derart angeordnet sind, daß die eine Metallisationsschicht niederohmig auf dem ersten Quellenbereich und dem zweiten Senkenbereich und die zweite Metallisationsschicht auf dem zweiten Quellenbereich

- 6 - und

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und dem ersten Senkenbereich aufliegt, daß eine dritte Metallisationsschicht niederohmig auf der dritten Torschicht und der zweiten Torschicht aufliegt, daß der dritte Quellenbereich in wannenförmigen Bereich ausgebildet ist und daß zwischen den zweiten Quellen- und Senkenbereichen einerseits und den ersten sowie dritten Quellen- und Senkenbereichen andererseits Isolationsbereiche ausgebildet sind.

Bei einem derartigen Festkörperschalter wird in vorteilhafter Weise eine Verringerung der Empfindlichkeit dadurch bewirkt, daß das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke an die Quelle dieses Elementes über ein Hilfselement mit P-lei· tender Kanalstrecke angeschlossen ist,wenn immer der Schalter leitend gemacht wird. Dadurch wird die bereits erwähnte Quellen-Substratvorspannung eliminiert, indem das Potential zwischen dem Substrat und der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke gleich Null gehalten wird. Diese Bedingung

V =0 bewirkt eine relativ flache Widerstandscharakteriq-s

stik für das Element mit dem N-leitenden Kanal und damit für den ganzen Schalter in Abhängigkeit von analogen Eingangsspannungen, die den gesamten Betriebsbereich durchlaufen.

Durch die Bedingung V =0 für das Element mit dem N-leitenden Kanal wird erreicht, daß das hohe Änderungsverhältnis des Widerstandes der N-leitenden Kanalstrecke in Abhängigkeit von einer Änderung der Eingangsspannung verringert wird. Durch dieses Arbeiten auf einem flacheren und niedrigeren Teil der Widerstandskurve des N-leitenden Kanals wird dessen Empfindlichkeit verringert, und da der N-leitende Kanal parallel mit dem weniger empfindlichen P-leitenden Kanal liegt, ergibt sich aus der Kombination der parallel geschalteten Widerstände für den Schalter eine wesentlich geringere Än-

- 7 - derung

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derung des Widerstandes in Abhängigkeit von den angelegten Eingangssignalen. Damit wird die durch den Schalter bedingte "Verzerrung" wesentlich verringert.

Die Gründe für die Empfindlichkeit des N-leitenden Kanals sind die folgenden: Es wird angenommen, daß EL^ eine Funktion

von 1/(V - V„) ist. Dabei ist V die Differenzspannung sgn T sgn

zwischen der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke und seinem Tor. Die Torschwellwertspannung, bei welcher der N-leitende Kanal leitend gemacht wird, ist V₁-. · Diese Größe

V ist eine Punktion der -Tv ". Indem V auf 0 verrin- Vn q-sn q-sn

gert wird, wird die Empfindlichkeit von V_ i,n Abhängigkeit von den Änderungen der Eingangsspannung auf ein Minimum verringert. Wenn die Empfindlichkeit V auf ein Minimum verringert ist, wird auch der Widerstand R„ entsprechend auf ein Minimum verkleinert. Ferner ist V„ eine Funktion von V ,

X q«»S

wobei V = V. für große Lastimpedanzen ist. Wenn daher das Substrat der N-leitenden Kanalstrecke mit der- Quelle der N-leitenden Kanalstrecke verbunden wird, geht die Differenzspannung zwischen der Quelle und dsm Substrat auf Null zurück. Damit wird die Differ enzvor spannung eliminiert, die bisher die Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke bestimmt hat. Damit ändert sich auch der Ausdruck V-, nicht mehr wesentlich mit der Eingangsspannung V. . Wenn sich aber der Ausdruck V_ nicht mehr ändert, wird auch der Widerstand IL, nicht mehr so groß und damit die Empfindlichkeit nicht mehr so groß in Abhängigkeit von der Aussteuerung durch das Eingangssignal sein, da es nunmehr nur noch proportional dem Ausdruck l/( AV -^T ) ist. Indem nunmehr

sgn η

das Element mit der N-leitenden Kanalstrecke mit niedrigerer Empfindlichkeit parallel zu dem an sich weniger empfindlichen Element mit P-leitender Kanalstrecke geschaltet wird, erhält * 1/-4V und nicht mehr proportional dem Ausdruck

- 8 - man

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nan eine nahezu flache Widerstandscharakteristik für den gesamten Schalter. Dabei ist die Widerstandscharakteristik im Zentrum des Übertragungsbereiches des Schalters am flachsten, womit noch weniger Verzerrungen bei Eingangssignalen mit niedrigen Spannungswerten, wie sie beim Nulldurchgang auftreten, erzielt werden. Dies ist ein ganz wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten Schaltern, bei denen die größte Verzerrung normalerweise bei Signalen im Bereich des Nulldurchgangs auftreten.

Damit läßt sich in vorteilhafter Weise ein Analogschalter aus komplementären MOS-Elementen schaffen, der Informationen einer ersten Übertragungsleitung an eine zweite Übertragungsleitung ohne wesentliche Verzerrungen überträgt und dabei einen Funktionsbereich umfaßt, in welchem der Amplitudenbereich des Eingangssignals gleich der Differenz zwischen den Schwellwertspannwagen der komplementären MOS-Halbleiteranordnung ist. Ein solcher Festkörperschalter stellt ein verbessertes Festkörperrelais dar, bei dem die Änderung des Eingangs-Ausgangs-Widerstandes für Änderungen des Eingangssignals auf ein Minimum herabgedrückt werden, wobei gleichzeitig das Substrat des Elementes mit der N-leitenden Kanalstrecke auf demselben Potential gehalten wird, wie die Quelle dieses Elementes. Diese Aufrechterhaltung desselben Potentials läßt sich mit Hilfe des zusätzlichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke bewirken, das auf demselben integrierten Halbleiterplättchen angebracht werden kann und welches während der Zeit, während welcher der Schalter leitend ist, ebenfalls leitet·

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich au« der nachfolgenden Beschreibung eines Aueführungsbeispieles und der Zeichnung. Es »eigent

- 9 - Fig.

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Fig. 1 das Schaltschema eines bekannten Analogschalters ■it komplementären MOS-Transistorin, wobei die komplementären Elemente parallel geschaltet sind;

Fig. 2 das Schaltschema eines Analogschalters gemäß der Erfindung, aus komplementären MOS-Transistoren, wonach das Substrat des Transistors mit N-leitender Kanalstrecke mit der Quelle des Transistors mit der N-leitenden Kanalstiecke über einen zusätzlichen MOS-Transistor mit P-leitender Kanalstrecke geschaltet ist, wobei das Tor des letzteren Transistors parallel zum Tor des MOS-Transistors mit P-leitender Kanalstrecke gekoppelt und von einem Torsignal ansteuerbar ist;

Fig. 3 ein Diagramm der Eingangs- Ausgangswiderstandscharakteristik als Funktion einer Eingangsspannung bei bekannten MOS-Transistoren, woraus ein nichtlinearer Verlauf entnehmbar ist.

Fig. k das Diagramm der Eingangs- Ausgangswiderstandscharakteristik als Funktion der Eingangsspannung für beide Hälften eines bekannten Analogschalters aus komplementären MOS-Transistoren gemäfi Fig. 1, wobei in dem Diagramm auch der zusammengesetzte Eingangs- Ausgangswiderstand der komplementären Anordnung dargestellt ist;

Fig. 5 *in Diagramm des Eingangs- AuegangswiderStandes für

- 9a - die

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die beiden Hälften eines Analogschalters gemäss der Erfindung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und ferner den zusammengesetzten Eingangs-Ausgangswiderstand als Funktion derselben Eingangsspannung;

Fig. 6 die Überlagerung der Diagramme gemäss den Fig. und 5, woraus sich vergleichsweise der Widerstandsverlauf für einen bekannten Analogschalter gegenüber dem Analogschalter gemäss der Erfindung ergibt;

Fig. 7 in graphischer Darstellung die Veränderung der effektiven Schwellwertspannungen der Transistoren mit N-leitender und P-leitender Kanalstrecke als Funktion der Quellen-Substrat-Differenzspannung

Fig. 8 einen Schnitt durch einen Analogschalter gemäss der Erfindung aus komplementären MOS-Transistoren, bei dem der zusätzliche MOS-Transistor mit P-leitender Kanalstrecke dazu dient, die Quellen-Substrat-Differenzspannung auf Null zu halten;

Fig. 9 die Anwendung des Analogschalters gemäss der Erfindung in einem achtkanaligen Multiplex-Differenzschalter;

Fig. 10 die Verwendung des Schalters gemäss der Erfindung für einen einzelnen Kanal einer 16-kanaligen Multiplexanlage.

Der Aufbau eines bekannten Analogschalters mit komplementären MOS-Transistoren ist aus der US-PS 3 457 435 bekannt. Die für diesen Aufbau und auch für den Analogschalter gemäss der Erfindung verwendeten MOS-Transistoren mit N-leitender

- 10 - und

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und P-leitender Kanalstrecke sind Elemente vom Anreicherungstyp, d.h. solche, die/Ruhebetrieb nicht leitend sind und erst durch eine, an die Tore der beiden Elemente angelegte Spannung in den leitenden Zustand geschaltet werden. Bei normalem Betrieb des Analogschalters aus komplementären MOS-Transistoren sind Senken und Quellen parallel geschaltet und das jeweilige Substrat im Ruhebetrieb mit einer Vorspannung beaufschlagt, die bezüglich der Amplitude gleich der Torspannung des speziellen Elementes, jedoch von entgegengesetzter Polarität ist. Diese Substratvorspannung ist der vorausstehend erwähnten Patentschrift nicht zu entnehemen, jedoch ist sie allgemein üblich. Demgegenüber ist bei der Erfindung vorgesehen, dass die Ruhevorspannung für das Substrat bei dem Element mit N-leitender Kanalstrecke entfällt, und dass diese Vorspannung von einem zusätzlichen MOS-Transistor mit P-leitender Kanalstrecke geliefert wird. Die Elemente vom Anreicherungstyp sind schematisch mit unterbrochenem Substrat dargestellt, um diese gegenüber Elementen vom Verarmungstyp zu unterscheiden, die im Ruhebetrieb leitend sind und durch an das Tor angelegte Signale in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden. Ferner soll für die Bezeichnung der Quellen und Senken bei den Transistoren mit P-leitender und N-leitender Kanalstrecke, die in Fig. 1 dargestellte Zuordnung angenommen werden. Danach wird das Eingangssignal V. parallel zur Quelle an der P-leitenden Kanalstrecke und zur Senke an der N-leitenden Kanalsrrecke eingekoppelt. Dabei ist die Quelle mit D und die Senke mit S bezeichnet. Das Ausgangssignal V wird an der Senke der P-leitenden Kanalstrecke und an der Quelle der N-leitenden Kanalstrecke abgegriffen. Da MOS-Halbleiter in der Regel symmetrisch aufgebaut sind, ist diese angenommene Zuordnung willkürlich, jedoch wird sie für die gesamte Beschreibung beibehalten.

Des weiteren werden für die auftretendenSpannungen folgende

- 11 - Annahmen

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Annahmen gemacht. Die Potentialdifferenz zwischen dem Eingangssignal und der Torspannung wird bei dem Element mit P-leitender Kanalstrecke mit V bezeichnet und bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zwischen der Quelle der P-leitenden Kanalstrecke und deren Tor. Die Quellen-Torspannung des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke wird mit V bezeichnet und wird zwischen dem Ausgang des Schalters und dem Tor an der N-leitenden Kanalstrecke abgegriffen. Wenn der Schalter die eingeschaltete Lage einnimmt, wobei eine hochimpedante Last am Ausgang angenommen wird, was in der Regel bei solchen an Operationsverstärker angekoppelten Elementen der Fall ist, ist die Eingangsspannung in erster Annäherung gleich der Ausgangsspannung. Die Potentialdifferenz zwischen der Quelle und dem Substrat wird mit λ' für das Element mit P-leitender Kanalstrecke und mit V für das Element mit N-leitender Kanalstrecke bezeichnet. Die Torspannung für das Element mit P-leitender Kanalstrecke wird mit -V_T und für das Element mit N-leitender Kanalstrecke mit V_T gekennzeichnet.

Der grundsätzliche Funktionsablauf der Schaltung gemäss Fig. 1 ergibt sich bei einem Eingangssignal V. wie folgt: Wenn diesesEingangssignal V. von einem positiven Potentialwert in einen negativen Potentialwert übergeht, steigt der Widerstand am Transistor mit P-leitender Kanalstrecke an, während der Widerstand am Transistor mit N-leitender Kanalstrecke abnimmt. Bei einem herkömmlichen Gatter aus komplementären MOS-Transistoren erfolgt der Anstieg des Widerstandes im Element mit P-leitender Kanalstrecke wesentlich weniger rasch als der Abfall des Widerstandes im Element mit N-leitender Kanalstrecke, woraus sich die Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke auf Veränderungen oder Schwankungen des Eingangssignals ergibt. Die in Fig. 1 und 2 dargestellten MOS-Transistoren

- 12 - sind

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sind Elementevom Anreicherungstyp, sodass sie beim Anlegen des Torpotentials eingeschaltet werden. Wenn die Tor-Quellenpotentiale V_gg sowohl des Elementes mit N-leitender als auch mit P-leitender Kanalstrecke kleiner als deren Schwellwertspannungen V_T sind, stellen diese einen offenen Schaltkreis dar, sodass der Eingangs-Ausgangs-

12 widerstand in der Grössenordnung von 10 Ohm liegt. Dieser Abschaltwiderstand hängt von den Sperrströmen an den Halbleiterübergängen ab. Die Schwellwertspannung V_T wird als dasjenige Tor-Quellenpotential V definiert, das notwendig

sg

ist, um eine starke Oberflächeniversionsschicht für den leitenden Kanal zu schaffen. Für V > V_T befindet sich der

5g 1

Schalter im eingeschalteten Zustand, indem der Eingangs-Ausgangswiderstand R auf einen Wert von in der Grössenordnung 100 Ohm verringert werden kann. Durch Verringerung der Torvorspannung und durch die Verwendung eines unterschiedlichen geometrischen Aufbaus kann der Eingangs-Ausgangswiderstand des eingeschalteten Schalters bei entsprechender Auslegung auf einen Wert zwischen grössenordnungsmässig 100 0hm bis 100 kohm eingestellt werden.

Die Betriebsweise eines Analogschalters im eingeschalteten Zustand mit einem verhältnismässig niedrigen Widerstand kann unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Gleichungen für den Widerstand der einzelnen Kanalstrecken des Schalters aus MOS-Transistoren wie folgt beschrieben werden. Für den Widerstand der einzelnen Kanalstrecken gilt:

^Tox^Leff

[^Vsg " ^VT L ^gn,p ^xn,

- 13 - In

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In diesen Gleichungen sind/U, E_QX, T_Qx, Z_p, L_e££, φ_{ρ und γ} physikalische Parameter. Wobei

»u die Beweglichkeit der Majoritätsträger

E die Permeabilität des Tor-Dielektrikums T die Dicke des Tordielektrikums

Z die Breite des leitenden MOS-Kanals P

L ££ die Länge des leitenden MOS-Kanals φρ das Fermi-Potential des Siliciummaterials V„ die Schwellwertspannung für V = O ist.

Da der Schalter aus einem Element mit P-leitender Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand Rp sowie einem Element mit N-leitender Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand R

N zusammengesetzt ist, ergibt sich für den Eingangs-Ausgangswiderstand mit den beiden Schalterhälften in Parallelschaltung der Widerstand

R .= ^RP^RN

^{P + R}N
wenn der Schalter eingeschaltet ist. Wenn die Torspannung, welche den Schalter leitend macht - 8 Volt beträgt und eine Eingangsspannung von + 8 Volt anliegt, hat das Element mit P-leitender Kanalstrecke eine Quellen-Tor-Potentialdifferenz V von 16 Volt und ein Quellen-Substrat-Potential V von 0 Volt. Damit ist das Element mit P-leitender Kanalstrecke voll eingeschaltet und hat einen niedrigen Widerstand Rp. Das Element mit N-leitender Kanalstrecke ist jedoch abgeschaltet, da V < V_Tn und da V = 16 Volt sind. Wenn die Eingangsspannung gegen -8 Volt angehoben wird, steigt das Quellen-Substratpotential V · des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke an, womit auch der Widerstand Rp zunimmt. Der Widerstand Rj. nimmt wegen der grösseren

- 14 - Werte

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Werte V und der kleineren Werte V ab. Damit ist der Widerstand im eingeschalteten Zustand am ganzen Schalter eine Funktion der Teilwiderstände der beiden Hälften, entsprechend dem Ansprechen auf verschiedene Eingangssignale. Wenn also V _ gross ist, ergibt sich auch ein hoher Widerstand R,,. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, kann durch das Zusammenschalten des Substrats des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle V auf den Wert 0 gebracht, werden, womit der Gesamtwiderstand R._T des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke abnimmt. Diese Widerstandverringerung isteine Folge der Verringerung des Ausdruckes V_n in Gleichung 2 auf 0, woraus sich für Gleichung 1 ergibt, dass R_M = 1 ist.

N _v

sgn

Das Kurzschliessen des Substrats mit der Quelle des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke führt zu einem abnehmenden Gesamtwiderstand R_p des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke. Es ist dann möglich, den Einfluss des Ausdrucks ν"™ in Gleichung 1 völlig zu beseitigen, sodass er allein von 1 durch V abhängt. Da die Empfindlichkeit des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke nicht so gross wie die Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender Kanals-trecke in Abhängigkeit von Änderungen deT Eingangs spannung ist, ist in der Regel nur das Element mit N-leitender Kanalstrecke dasjenige, das für gewöhnlich mit zusätzlichen oder hilfsweisen Quellen-Substrat-Kurzschlusseinrichtungen versehen ist. Sowohl das Element mit P-leitender als auch das Element, mit N-leitender Kanalstrecke kann gleichzeitig mit Quellen-Substrat-Kurzschlusseinrichtungen versehen sein, um eine weitere Verbesserung der Störunterdrückung für den Analogschalter zu bewirken.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist ein zusätzliches Element mit

- 15 - P-leitender

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P-leitender Kanalstrecke zwischen die Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke und deren Substrat geschaltet. Es ergibt sich immer wieder die Frage nach der Notwendigkeit einen Schalter so vorzusehen, dass er das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle verbindet. Das Element mit P-leitender Kanalstrecke ist notwendig, um eine elektrische Isolation zwischen der Senke des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke und dessen Substrat zu bewirken. Das Element mit N-leitender Kanalstrecke hat eine Diodencharakteristik zwischen der Senke und dem Teil des kontaktierten Substrats, wie durch das Bezugszeichen 23 angedeutet. Diese Diode 23 würde als Halbwellengleichrichter für am Eingang wirksame Signale wirken, wenn das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke direkt mit der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke während der Ausschaltbedingungen verbunden wäre. Zumindest die eine Hälfte des Eingangssignals würde so direkt zur Quelle, d.h. zur Ausgangsseite des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke, während der Ausschaltlage des Schalters abgeleitet werden. Damit wäre der Schalter in seiner ausgeschalteten Position teilweise leitend. Wenn die Schalter in einem Multiplexsystem Verwendung finden, sind die Ausgänge der Schalter untereinander verbunden. Eine Ausgangsspannung eines anderen Schalters könnte sodann, wie es denkbar ist, die Diode 23 derart in Durchlassrichtung vorspannen, dass die Senke des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke gekoppelt wäre, obwohl das Element die Ausschaltposition einnimmt. Um diese Möglichkeit zu eliminieren, findet ein Element mit P-leitender Kanalstrecke Verwendung, das das Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle nur während derjenigen Zeit verbindet, während welcher der Schalter durch entsprechende Torsignale leitend gemacht ist, die an die entsprechenden Tore der Elemente 20 und 21 mit N-leitender

- 16 - Kanalstrecke

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Kanalstrecke und P-leitender Kanalstrecke wirksam sind. Dieses Element ist in Fig. 2 mit 22 bezeichnet. Sein Substrat entsprechend wie das Substrat des Elementes 21 mit P-leitender Kanalstrecke, ist mit einer Vorspannung von +8 Volt beaufschlagt. Die Torspannung von -8 Volt ist an jedes dieser Elemente parallel angelegt, wennimmer der Schalter in den leitenden Zustand geschaltet wird.

Das Kurzschliessen des Substrats der N-leitenden Kanalstrecke mit der Quelle verringert nicht nur den Widerstand des eingeschalteten Elementes mit N-leitender Kanalstrecke, sondern bewirkt auch, dass das Element mit N-leitender Kanalstrecke auf einem flacheren Teil seiner Widerstandskurve arbeitet, wodurch sich gegenüber der normalen Möglichkeit eine geringero Veränderung des Wertes für den Widersta.id R_n als Funktion der Eingangsspannung ergibt.

Eine vollständigere Erläuterung der Wirkungsweise der Elemente vom Verstärkungstyp gemäss Fig. 1 und 2 wird anhand der graphischen Darstellungen gemäss Fig. 3, 4 und 5 gegeben.

Wenn als Beispiel eine einzelne MOS-Halbleiteranordnung betrachtet wird, so ergibt sich, dass der Eingangs-Ausgangs· widerstand sich entsprechend der auf der rechten Seite gegebenen Formel als Funktion von V und V_T ändert. Aus dem Diagramm gemäss Fig. 3 kann man entnehmen, dass der Widerstand R nach einer nichtlinearen Funktion verläuft. Diese nichtlineare Abhängigkeit bewirkt, dass im Betriebsbereich der Halbleiteranordnung eine Widerstandsänderung in der Grössenordnung von einer Dekade stattfindet. Der Betriebsbereich der Halbleiteranordnung wird durch die negativen und positiven Grenzwerte für die Torschwellwert-

- 17 - spannung

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Spannung angegeben, die im vorliegenden Fall - 8 Volt ist. Wenn die Halbleiteranordnung ein Element mit P-leitender Kanalstrecke ist, nähert sich die Widerstandskurve 31 asymptotisch der strichpunktierten Linie 32. Die Widerstandsänderung in der Grössenordnung einer Dekade im Betriebsbereich kann zwischen 1 kOhm und 10 kOhm liegen. Zusätzlich zu der grossen Widerstandsänderung im Betriebsbereich ergibt sich das Problem, dass ein einzelnes Element mit P-leitender Kanalstrecke typischerweise ein 20 bis 25 Volt Torsignal benötigt, um ein 4-5 Volt Analogsignal zu übertragen. Somit werden bei der Verwendung von nureinem MOS-Halbleiterelement zwei Potentiale für die Spannungsversorgung notwendig.

Um das Problem der hohen Torspannungen im Vergleich zu dem analogen Signalniveau zu lösen, werden komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen verwendet, wie sie auf der rechten Seite von Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 40 und 41 bezeichnet sind. Diese Halbleiteranordnungen sind parallel geschaltet. Daraus ergibt sich ein analoger Signalbereich, der gleich der Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen ist, die für das Einschalten des Elementes mit P-leitender Kanalstrecke und das Einschalten des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke notwendig ist. Wie aus der Darstellung hervorgeht, kann bei einem solchen Aufbau ein analoges Signal mit 16 Volt Spitzenspannung zwischen dem positivsten und dem negativsten Spannungswert durch den konventionellen, komplementären MOS-Analogschalter verarbeitet werden, wobei die Torschwellwertspannung gleich - 8 Volt ist. Wenn die Torschwellwertspannungen - 15 Volt gemacht werden, dann kann als analoges Eingangssignal ein Signal von 30 Volt Spitzenspannung Verwendung finden. Diese 30 Volt Eingangsspahnung stellt den maximalen Wert dar, der mit einer solchen Anordnung erzielt werden kann, da eine Eingangs-Substrat-Sperrvorspannung über 30 Volt

- 18 - normalerweise

722UA726.U3

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normalerweise einen Lawinendurchbruch auslöst. Diese parallele Schaltung von komplementären MOS-Halbleiteranordnungen hat den wesentlichen Vorteil, dass der Schalter analoge Spannungen bis zu den an die Tore der Halbleiteranordnungen angelegten Spannungen übertragen kann.

Das Problem bei der gerade besdiriebenen parallel geschalteten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung besteht in der nichtlinearen Widerstandscharakteristik^ insbesondere im 0 Volt Bereich für die Eingangs spannung _t einem Bereich, der gerade bei guten Analogschaltern die grösste Linearität aufweisen muss. Dies ist der Fall weil gerade kleine Eingangssignale am meisten einer Verzerrung unterliegen, wenn sie im Bereich eines O-Durchganges liegen. Aus Fig. 4 kann man entnehmen, dass die Widerstandsänderung über das Element mit N-leitender Kanalstrecke bei sich ändernder Eingangsspannung ungefähr 3-mal grosser als bei dem Element mit P-leitender Kanalstrecke ist, was dazu führt, dass das Element mit N-leitender Kanalstrecke bei einer Eingangs spannung V entsprechend der Asymptote 42 abschaltet. Der Widerstand _an jeder Kanalstrecke der beiden Elemente ist proportional dem Ausdruck

1/(V_ - V_T). Wie man jedoch aus Gleichung (1) entnehmen sg ι

kann, hängt V_T auch funktionell von der Eingangsspannung ab. In dieser Formel ist K für das Element mit N-leitender Kanalstrecke etwa 3,0 und für das Element mit P-leitender Kanalstrecke etwa 1,0. Diese Konstante K, deren Wert von der Dotierungskonzentration der Kanalstrecke und der Dicke des Tordielektrikums abhängt, ist verantwortlich für die Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke bezüglich Änderungen der Eingangsspannung. Der Einfluss dieser Konstante ist aus Fig. 7 erkennbar, in der die Schwellwertspannung V^ über der Quellen-Substrat-Differenzspannung V aufgetragen ist. Somit ist V_T eine Funktion

- 19 - von

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von V _ , wobei die ProportionalitUtskonstante K für das Element mit N-leitender Kanalstrecke 3-mal so gross wie diejenige für das Element mit P-leitender Kanalstrecke ist. Wenn man den Einfluss von VL· auf den Widerstand R zumindest in soweit eliminiert, als das Element mit N-leitender Kanalstrecke betroffen ist, undjzwar durch Kurzschliessen des Substrats des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke mit deren Basis, dann lässt sich die Nichtlinearität des Analogschalters im ganzen wesentlich verringern.

Vor der Behandlung der Darstellung gemäss Fig. 5, soll darauf hingewiesen werden, dass in Fig. 4 die Kurven für die Widerstände R_n und R_p sich in denjenigen Bereichen überschneiden, in welchen die Kurven den grössten Anstieg aufweisen. Daher liegt der absolute Wert des Überschneidungspunktes verhältnismässig hoch und kann Werte in der Grössenordnung von 20 MOhm annehmen. Aufgrund dieses hohen Wertes im Überschneidungspunkt arbeiten die Elemente mit P-leitender und N-leitender Kanalstrecke im Bereich steiler Anstiege ihrer Widerstandskurven. Dadurch ergibt sich nicht nur eine Tendenz den Einschaltwiderstand des Schalters generell anzuheben, vielmehr wird auch das Verhältnis der Widerstandsänderung über das Element als Funktion der Eingangsspannung vergrössert. Durch eine Verlagerung des Kreuzungspunktes der beiden Kurven zu niedrigen Werten wird nicht nur der Widerstand des Schalters verringert, sondern auch das Verhältnis der Änderung des Widerstandes am Schalter, Die zusammengesetzte Widerstandscharakteristik einer solchen bekannten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung lässt sich aus der Widerstandskurve 31 für das Element mit P-leitender Kanalstrecke und der Widerstandskurve 43 für das Element mit N-leitender Kanalstrecke ableiten und ergibt die Kurve 44, die mit R bezeichnet ist. Diese Kurve 44 hat eine bestimmte

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Steigung im Bereich des O-Durchganges der Eingangsspannung, bzw. des Kreuzungspunktes. Dieses charakteristische Verhalten soll jedoch vermieden werden, sodass der Analogschalter Signale kleiner Amplitude getreu ohne Verzerrung übertragen kann.

In Fig. 5 ist auf der rechten Seite eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung angedeutet, die die Elemente und 41 der Darstellung gemäss Fig. 4 auf der rechten Seite umfasst, wobei zusätzlich ein Element 50 mit P-leitender Kanalstrecke vorgesehen ist, das als Klemmschaltung zwischen dem Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke und dessen Quelle dient, wodurch aus der Gleichung (1) ein wesentlicher Anteil des Ausdrucks für V~. bezüglich der Widerstandsänderung entfällt. Als Ergebnis ergibt sich, dass der Widerstand R,, proportional l/V wird. Das Vorsehen des Elementes 50 mit P-leitender Kanalstrecke bedingt keine Änderung der Charakteristik des Elementes 40 mit P-leitender Kanalstrecke, sodass dessen Widerstandskurve 31 in Fig. 5 im wesentlichen entsprechend der Darstellung gemäss Fig. 4 verläuft. Dagegen wird jedoch der steile Anstieg der Widerstandskurve 43 gemäss Fig. wesentlich abgeflacht, sodass die Kurve 51 für den Widerstand R_n nun die Kurve 31 in einem Punkt schneidet, der etwa einem Wert von 670 0hm entspricht. Die Symmetrie gemäss Fig. 5 kann durch eine entsprechende geometrische Konfiguration des Aufbaus der Elemente mit P-leitender und N-leitender Kanalstrecke und/oder durch das Vorsehen eines Quellen-Substratkurzschlusses für das Element mit P-leitender Kanalstrecke bewirkt werden. Diese Symmetrie ist jedoch nicht wesentlich für das generelle, lineare Betriebsverhalten des Analogschalters. Wesentlich ist die Reduzierung des Widerstandes über das Element mit N-leitender Kanalstrecke, sodass der Schnittpunkt der Kurven für die Widerstände R_n und R_p wesentlich tiefer

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liegt als dies bei einer Schaltung ohne den Transistor 50 und ohne die Verbindung des Substrats mit der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke derFall sein würde. Als Ergebnis stellt sich eine kombinierte Eingangs-Ausgangs-Widerstan&charakteristik 55 ein, die anstelle von steilen Steigungen in der Umgebung des Wertes 0 der Eingangsspannung nunmehr nur eine sehr geringe oder keine Steigung hat. Selbst wenn der Schnittpunkt der beiden Kurven 31 und 51 nicht zentrisch bezüglich der O-Volt Spannung liegt, kann eine geringe seitliche Verschiebung aus der Mitte kaum einen nennenswerten Einfluss haben, da die Kurve zwischen den Punkten 56 und 5 7 und damit für die kleinen Signalwerte der Eingangs spannung verhältnismässig flach verläuft.

In Fig. 6 werden die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ergebnisse gemeinsam dargestellt, um so den Einfluss der Hinzufügung eines zusätzlichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke deutlicher werden zu lassen. Dabei sind die Kurven entsprechend der Darstellung gemäss Fig. 4 und 5 bezeichnet. Aus dieser Darstellung gemäss Fig. 6 lässt sich entnehmen, dass durch die Kopplung des Substrats mit der Quelle des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke die Asymptote 42 der Kurve, die den Widerstand über das Element mit N-leitender Kanalstrecke repräsentiert, in der graphischen Darstellung nach rechts verschoben wurde und nunmehr die Position der gestrichelten Linie 42' einnimmt. Dies bedeutet physikalisch ein Ansteigen der Spannung, bei welcher das Element mit N-leitender Kanalstrecke abschaltet.

Man nimmt somit wahr, dass, wenn der Ausgang des Analogschalters eine hohe Impedanz sieht, das zusätzliche Element mit P-IeJ tender Kanalstrecke zwischen der Senke und dem Substrat

- 22 - des

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des Elementes mit N-leitendtr Kanalstrecke läuft. Ferner ergibt sich, dass, wenn das Element mit P-leitender Kanalstrecke in einem wannenförmigen Bereich mit N -leitendem Material innerhalb des P-leitenden Substrats ausgebildet wird, sich eine Umkehr insofern einstellt, als das Gatter nunmehr ein Element mit P-leitender Kanalstrecke und zwei Elemente mit N-leitender Kanalstrecke umfasst, wobei das Hilfselement ein Element mit N-leitender Kanalstrecke ist und zwischen der Quelle und dem Substrat eines Elementes mit P-leitender Kanalstrecke liegt. Das Tor dieses Hilfselementes ist dabei mit dem Tor des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke verbunden.

Wie bereits erwähnt, wird durch den integrierten Schaltungsaufbau der komplementären MOS-Halbleiteranordnung die \^rergrösserte Empfindlichkeit des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke bewirkt, da dieses Element mit N-leitender Kanalstrecke in einem wannenförmigenBereich aus P -leitendem Material hergestellt wird, das eine höhere Störstellenkonzentration als das N-leitende Substrat hat, das normalerweise für Elemente mit P-leitender Kanalstrecke Verwendung findet. Was jedoch aus der bisherigen Beschreibung der schematischen Diagramme nicht hervorgeht, ist die Tatsache, dass die erfindungsgemässe Anordnung genau in derselben Weise wie bekannte, komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen ohne zusätzlichen Diffusionsschritt hergestellt werden.kann. Ein Schnitt durch eine Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt, die ein N-leitendes Substrat 80 zeigt, in welchem ein wannenförmiger Bereich 81 aus P -leitendem Material eindiffundiert ist. Die Dotierungskonzentration des N-leitenden Substrats liegt typischerweise bei etwa 2 χ 10 Atome/cm , wobei die Dotierungskonzentration des wannenförmigen Bereiches 81 in der Grössenordnung von etwa 2 χ 10 Atome/cm liegt. Es wird bemerkt, dass ein

- 23 - Teil

72243Α726Λ.73

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Teil dieses wannenförmigen Bereiches 81 als Teil des zusätzlichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke dient, obwohl eine genaue Begrenzung, wie sie zwischen der Quelle des Elementes 82 mit P-leitender Kanalstrecke und der Wandfläche 83 des wannenförmigen Bereiches 81 dargestellt ist, weder kritisch noch notwendig ist. Die Möglichkeit einen Teil des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke als Teil des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke auszubilden,führt zu einer offensichtlichen Raumersparnis auf dem Halbleiterplättchen. Es sei erwähnt, dass ein entsprechendes Maskieren und Ätzen der dielektrischen Schicht 84 vor den nachfolgend beschriebenen Diffusionsschritten vorgenommen wird: Der erste Diffusionsschritt umfasst eine Dotierung mit N -leitendem Material, was zu dem Quellen- und Senkenbereich 85 bzw. 86 des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke, zu einem N -leitenden Schwellenbereich 87 und einem N -leitenden, angereicherten Kontaktbereich 88 für das N-leitende Substrat 80 führt. Die Bereiche 85, 86, 87, und 88 werden gleichzeitig in entsprechende Teile des Substrats mit etwa gleicher Tiefe diffundiert. Danach werden die P -leitenden Bereiche 82, 90, 91 und 92 in entsprechende Bereiche des Substrats diffundiert, wobei die Bereiche 82 und 90 die Quelle und die Senke des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke, sowie die Bereiche 91 und 92 die Quelle und Senke des ursprünglichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke sind Es sei bemerkt, dass der Bereich 82 sowohl als Kontakt an den P -leitenden wannenförmigen Bereich 81 als auch als Teil des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke dient. Dieser Bereich 82 ist normalerweise auch bei dei* Herstellung einer bekannten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung vorhanden. Der einzige zusätzliche Bereich, über welchem die Abdeckmaske geöffnet werden muss, ist der Bereich 90, sodass nur ein sehr geringfügiger zusätzlicher Schritt gegenüber

- 24 - dem

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dem bereits bekannten Herstellungsablauf notwendig ist. Nach der Diffusion der zuvor genannten Bereiche wird die Halbleiteranordnung maskiert und über den mit dem Bezugszeichen 95 angedeuteten Torbereichen der drei MOS-Transistoren geöffnet. Die Toroxyde werden in herkömmlicher Weise angebracht. Danach wird die Matallisation aufgebracht und entsprechend der Darstellung der mit dem Bezugszeichen 96 versehenen Teile ausgestaltet. Die Anschlüsse für das Einganssignal V. und das Ausgangssignal V_a„_ sind in der Darstellung gemäss Fig. eingezeichnet. Bei dem eingezeichneten Schaltungsverlauf ist das Hilfselement mit P-leitender Kanalstrecke mit dem Tor des ursprünglichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke verbunden, wobei die Quelle des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke automatisch mit dem Substrat des Elementes mit N-leitender Kanalstrecke verbunden ist und somit der zugehörige Kontaktanschluss weggelassen werden kann. Die Senke des Hilfselementes mit P-leitender Kanalstrecke ist mit dem AnSCh¹USs für das Ausgangssignal V_n _ verbunden, obwohl sie auch für die meisten Halbleiteranordnungen mit der Klemme für das Eingangssignal V. verbunden sein könnte. Daraus ergibt sich anschaulich, dass die Herstellung des zusätzlichen Elementes mit P-leitender Kanalstrecke bei den bekannten Herstellungsverfahren wenig Schwierigkeiten bereitet.

In Fig. 9 wird die Anwendung des komplementären MOS-Analogschalters gemäss der Erfindung für einen 8-kanaligen Multiplex-Differenzschalter dargestellt, der aus Standard-Dekoderschaltungen mit drei Eingängen besteht, die innerhalb der gestrichelten Linie 90 dargestellt sind. Über diese Dekoderschaltung wird einer von acht Schaltern der beiden Gruppen 91 und 92 ausgewählt, um eine 2-adrige Mutiplexumschaltung für beste Geräuschunterdrückung zu schaffen. In Serie zu den Gruppen sind Bereitstellungsschalter 93 vorgesehen, die die Belastungskapazität und das Nebensprechen verringern. Die Eingangssignale an den paarweisen Adern 1,2; 2,4; 5,6;

- 25 - 7, 8;

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7, 8; 9, 10; 11, 12; 13, 14 und 15, 16 werden von der Dekoderschaltung 90 in Abhängikeit. von dem Vorhandensein oder Nichvorhandensein von Signalen an den Klemmen A, B und C derart eingeschaltet, dass nur ein Aderpaar für die Übertragung zum Analogausgang 95 in Betrieb ist.

Gemäss Fig. 10 kann der 8-kanalige Multiplex-Differenzschalter gemäss Fig. 9 derart modifiziert werden, dass er 16 einzelne Kanalfunktionen ausführen kann. Die eingangsseitigen Gatter 100, 101 und 102 haben jeweils zwei Eingänge und können innerhalb des Gehäuses der Schaltung gemäss Fig. 9 mit untergebracht werden, um die Modifikation mit sowenig als möglich zusätzlicher Metallisation auszuführen, sodass die Eingänge zu den Schaltern 93 entsprechend den Leitungen 105 mit den drei zusätzlichen Gattern 100, 101 und 102 verbunden sind. Es ist offensichtlich, dass die Umkehrstufen 110 gemäss den Fig. 9 und 10 notwendig sind, um für die Torimpulse eine Polaritätsumkehr entsprechend der MOS-Elemente in dem komplementären MOS-Aufbau zu schaffen, Die Schaltungen gemäss Fig. 9 und 10 sind lediglieh als beispielsweise Ausführungsformen einer Vielzahl von Multiplexschaltungen gedacht, bei welchen der Analogschalter gemäss der Erfindung Verwendung finden kann. Die Schaltung gemäss Fig. 8 kann zusätzlich auch als einzelner 8-Kanalschalter Verwendung finden. Auch kann ein zwei aus acht Multiplexschalter lediglich durch Änderung der Verdrahtung hergestellt werden.

In der vorstehenden Beschreibung wurde das grundsätzliche Konzept beschrieben, das es möglich macht, Festkörperrelais aus komplementären MOS-Halbleiteranordnungen zu verwenden, wobei dieses Konzept davon ausgeht, dass die Nichtlinearität des Widerstandes der Relaisschaltung zum Teil von der Ver-

- 26 - änderlichkeit

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änderlichkeit der Torschwellwertspannung von MOS-Halbleiteranordnungen abhängt. Die Veränderlichkeit der Torschwellwertspannung kann durch das Kurzschliessen eines Teils des MOS-Substrats mit der Quelle oder der Senke beinflusst werden. Damit arbeitet der MOS-Schalter auf einem flacheren Teil der Eingangs-Ausgangs-Widerstandskurve, was gleichbedeutend mit einer Linearisierung der Widerstandscharakteristik ist. Diese Massnahme kann sowohl für einzelne MOS-Halbleiteranordnungen als auch für parallel geschaltete komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen Verwendung finden.

Bei der Ausführung der Erfindung ist ein besonders vorteilhaftes Merkmal, dass die Verbindung zwischen dem Substrat und der Quelle eines individuellen MOS-Elementes über ein weiteres MOS-Element erfolgt, das nur während derjenigen Zeiten leitend wird, während welcher das ursprüngliche MOS-Element leitend gemacht wird. Dies kann in mehrfacher Weise erfolgen. Wenn die parallel geschaltete Anordnung als Festkörperrelais Verwendung findet, wird die gewünschte Funktion lediglich durch die Verbindung des Tores des Hilfselementes mit dem Tor des MOS-Elementes vom gleichen Typ bewirkt. Es kann auch eine einfache Umkehrstufe derart Verwendung finden, dass die Verbindung zwischen dem ursprünglichen MOS-Element und dem Hilfs-MOS-Element über diese Umkehrstufe verläuft. Obwohl die beschriebenen Massnahmen nur eine von vielen Möglichkeiten darstellt, um ein MOS-Element derart zu beeinflussen, dass es auf einem lineareren Teil seiner Widerstandskurve arbeitet, stellt dieses Konzept für integrierte Schaltkreisherstellung eine wichtige Massnahme dar, da die Bednflassung der übrigen Parameter, die ein solches lineares Verhalten verursachen würde,nahezu unmöglich ist. Mit den erfindungsgemässen Massnahmen lässt

- 27 - sich

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sich somit eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung in Form eines linear arbeitenden Analogschalters schaffen, der im Bereich von Nanosekunden wirksam ist.

- 28 - Schutzansprüche

Claims (1)

1. M270G-828

   Schutzanspruch

   Festkörperschalter aus zwei parallel geschalteten komplementären MOS-Transistoren, von denen die Quelle des einen MOS-Transistors mit seinem Substrat immer dann über einen weiteren MOS-Transistor verbindbar ist, wenn die beiden MOS-Transistoren durch gleichzeitiges Anliegen von Torsignalen geeigneter Amplitude und Polarität leitend gemacht sind, wodurch die Änderung des Übertragungswiderstandes in Abhängigkeit von Änderungen in der Amplitude des Eingangssignals derart auf ein Minimum verringerbar ist, daß Verzerrungen des abgegriffenen Signals im Vergleich mit dem Eingangssignal ein Minimum annehmen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche eines Blockes eines Halbleitermaterials vom ersten Leitfähigkeitstyp ein wannenförmiger Bereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des wannenförmigen Bereiches koplanar zur Oberfläche des Halbleiterblockes ist, daß in dem wannenförmigen Bereich erste Quellen- und Senkenbereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind und sich auf der Oberfläche des wannenf or kai gen Bereichs eine erste aus isolierendem Material bestehende Torschicht befindet, die den ersten Quellen- und Senkenbereich teilweise überlappt, daß in dem Halbleiterblock zweite Senken- und Quellenbereiche vom entgegengesetzton Leitfähigkeitstyp neben dem wannenförmigen Bereich angeordnet sind, daß eine zweite aus isolierendem Material

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   bestehende Torschicht auf der Oberfläche des Blockes derart angeordnet ist, daß Teile der zweiten Torsctiicht mit den zweiten Quellen- und Senkenbereichen überlappen, daß dritte Quellen- und Senkenbereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche des Halbleiterblockes angeordnet sind, mit denen Teile einer dritten Torschicht überlappen, daß die Störstellenkonzentration in dem Hal~bleiterblock, dem wannenförmigen Bereich sowie in den Quellen- und Senkenbereichen in einer solchen Größe vorgesehen ist, daß Halbleiteranordnungen vom Verstärkungstyp gegeben sind, daß auf der Oberfläche des Halbleiterblockes Metallisationsschichten derart angeordnet sind, daß die eine MetalLisationsschicht niederohmig auf dem ersten Quellenbereich und dem zweiten Senkenbereich und die zweite Metallisationsschicht auf dem zweiten Quellenbereich und dem ersten Senkenbereich aufliegt, daß eine dritte Metallisationsschicht niederohmig auf der dritten Torschicht und der zweiten Torschicht aufliegt, daß der dritte Quellenbereich im wannenförmigen Bereich ausgebildet ist und daß zwischen den zweiten Quellen- und Senkenbereichen einerseits und den ersten sowie dritten Quellen- und Senkenbereichen andererseits Isolationsbereiche ausgebildet sind.