KR20010080699A - 아날로그 스위치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 포화 전압이 감소되도록 하는 바이폴라 트랜지스터 소자로부터 형성괸 집적 회로의 양방향 스위치에 관한 것이다. 특히, 집적된 NPN 바이폴라 트랜지스터는 산화물 절연 상태로 형성되고, 보통 전류 흐름 방향은 에미터에서 콜렉터로 향하며, 집적된 PNP 바이폴라 트랜지스터는 산화물 절연 상태로 형성되고, 보통 전류 흐름 방향은 콜렉터에서 에미터로 향한다.
Description
EP-0615287은 집적 바이폴라 트랜지스터를 개시하고 있다. 통상적으로, 이런 소자는, 부(N) 및 정(P) 도전형의 입자를 이동시킴으로서 전도가 이루어지는 반도체 재료의 영역으로 구성된다. NPN 바이폴라 트랜지스터의 경우에는 N-형 재료의 콜렉터 터브(tub)(또는 웰)를 형성한다. 이런 콜렉터 터브내에는 더욱 상당히 도핑된 (N+) N-형 재료의 콜렉터 접속 영역 뿐만 아니라 P-형 재료의 베이스 영역도 형성된다. N+형 재료의 에미터 영역은 베이스 영역내에 형성된다.
집적 회로 내의 이런 소자와 다른 소자 간에 전기 절연하기 위하여서는, 이런 전체 소자는 실리콘 이산화물과 같은 절연체의 층으로 둘러싸인다. 그러나, 이런 구조의 결점은, 소자가 스위치 온될 시에, 콜렉터에서 에미터로의 전압 강하가 아마 최소가 된다는 것이다. 이는 포화 전압으로 공지되어 있고, 보통 도전 CMOS 소자에 걸친 대응 전압 강하보다 상당히 더 높은 100-200 mV의 정도이다.
바이폴라 트랜지스터가 포화될 시에, 트랜지스터의 스위칭 속도는 비교적 저속으로 된다.
그래서, EP-0615287는 포화로부터 고속으로 복원하는 소자를 개시하고 있다. 특히, 이런 문서는, 접지 전위에 접속되는 P-형 반도체의 영역을 N-형 콜렉터 웰의 표면 상에 위치하는 것을 개시하고 있다.
본 발명은 아날로그 스위치에 관한 것으로서, 특히, 집적 회로내에서 하나 이상의 바이폴라 트랜지스터를 포함하는 아날로그 스위치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그런 트랜지스터를 포함하는 집적 회로에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 트랜지스터 소자의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소자의 동작 원리를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 양상에 따른 아날로그 스위치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제 2 양상에 따른 제 2 아날로그 스위치를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 회로의 입력 및 출력 신호의 타임 히스토리(time history)이다.
본 발명은 전술되었지만, 포화 전압이 감소되도록 하는 동일한 일반형의 소자 구조에 관한 것이다. 특히, 제 1 양상에 따르면, 본 발명은, 산화물 절연 상태로 형성되어, 보통 전류 흐름 방향이 에미터에서 콜렉터로 향하는 집적된 NPN 바이폴라 트랜지스터를 제공한다. 제 2 양상에 따르면, 본 발명은, 산화물 절연 상태로 형성되어, 보통 전류 흐름 방향이 콜렉터에서 에미터로 향하는 집적된 PNP 바이폴라 트랜지스터를 제공한다.
각 경우에, 이런 방향은 보통 전류 흐름 방향의 역 방향이다.
도 1은 NPN 트랜지스터(2) 및 PNP 트랜지스터(4)를 포함하는 집적 회로의 일부의 개략적인 부분도이다.
NPN 트랜지스터(2)의 경우에, N-형 반도체 재료(6)의 콜렉터 웰(또는 터브)가 있는데, 그 내에 N+형 재료(8)의 콜렉터 접속 영역이 형성된다. 또한, 콜렉터 웰내에는, N+형 반도체 재료의 에미터 영역(12)을 둘러싸는 P-형 반도체 재료의 베이스 영역(10)이 형성된다. 콜렉터 접속 단자(14), 베이스 단자(16) 및 에미터 단자(18)는 제각기 콜렉터 접속 영역(8), 베이스 영역(10) 및 에미터 영역(12)의 상부면 상에 형성된다.
NPN 소자(2)는 기판(20) 상에 형성되지만, 그로부터 절연 실리콘 산화물(22)의 층에 의해 완전히 전기 절연되며, 상기 층은 기판(20)의 상부면에 걸쳐 형성된다. NPN 소자(2)는 다른 소자로부터 산화물 트렌치(24,26)에 의해 더욱 전기 절연되며, 이런 산화물 트렌치(24,26)는 상기 소자의 상부면으로부터 수평층(22)으로 하향 연장한다. 이런 트렌치는 상기 소자를 둘러싸 터브(6)가 둘러싼 소자로부터 완전한 오옴 절연부를 갖도록 한다.
PNP 소자(4)의 경우에, 콜렉터 웰(28)은 P-형 반도체 재료로 형성되고, 그 내에 형성된 P+형 반도체 재료의 콜렉터 접속 영역(30)을 갖는다. 또한, 콜렉터웰(28)내에는, P+형 반도체 재료의 에미터 영역(34)을 둘러싸는 N-형 반도체 재료의 베이스 영역(32)이 형성된다. 콜렉터 접속 단자(36), 베이스 단자(38) 및 에미터 단자(40)는 제각기 콜렉터 접속 영역(30), 베이스 영역(32) 및 에미터 영역(34)의 상부면 상에 형성된다.
PNP 소자(4)는 절연 실리콘 산화물(22)의 층에 의해 기판(20)으로부터 완전히 전기 절연되고, 다른 소자로부터 산화물 트렌치(26,42)에 의해 더욱 전기 절연되며, 이런 산화물 트렌치(26,42)는 상기 소자의 상부면으로부터 수평층(22)으로 하향 연장한다. 이런 트렌치는 상기 소자를 둘러싸 터브(28)가 둘러싼 소자로부터 완전한 오옴 절연부를 갖도록 한다.
본 발명에 따르면, 이런 소자는 집적 회로의 동작 동안에 역으로 접속된다. 즉, NPN 트랜지스터(2)의 경우에, 에미터(12)는 각각의 콜렉터 접속 영역(8)보다 더 고전압에 있다. PNP 트랜지스터(4)의 경우에, 콜렉터 접속 영역(30)은 에미터(34)보다 더 고전압에 있다. 이는, 아래에 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 소자의 포화 전압이 감소되는 효과를 갖는다.
그러나, 이에 의해, PN 접합을 이용하여 절연되는 종래의 접합 절연 소자보다는 둘러싼 소자로부터의 콜렉터 터브의 완전한 오옴 절연부를 갖는 절연 소자인 소자의 본질적인 특성이 된다. 오옴 절연부는 산화물 층 또는 다른 적당한 재료에 의해 제공될 수 있다. 이런 요구에 대한 이유는, 콜렉터 터브가 통상적으로 기판에 대해 반대의 도전형이고, 필연적으로 때때로 두 도전형의 콜렉터 웰을 가진 소자가사용 중일 경우이어야 할 시에, 기생 소자가 형성될 수 있기 때문이다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 일반형으로 형성되고, P 형 기판 상에 형성되는 NPN 트랜지스터의 경우에, 콜렉터 웰은 N 형 재료이고, 베이스 영역은 P 형 재료이며, 에미터 영역은 N 형 재료이다. 그러나, 에미터 영역이 콜렉터 접속 영역보다 더 고전압에 있을 경우에, 기생 PNP 트랜지스터는, 에미터로서의 P 형 베이스 영역, 베이스 영역으로서의 N 형 콜렉터 웰 및, 콜렉터 접속 영역으로서의 P 형 기판을 갖도록 형성될 수 있다. 이런 기생 PNP 트랜지스터는, 원치않는 많은 전류가 NPN 트랜지스터의 베이스로부터 기판으로 흐르게 하도록 한다.
그러나, 수평 절연층(22) 및 절연 트렌치는, 도 1에 도시된 소자의 경우에, 그런 기생 소자가 형성될 수 없다는 것을 의미한다.
이런 식으로 적절히 역 접속을 하기 위하여, 트랜지스터는 역 방향으로 비교적 높은 전류 이득 β을 가져야 한다. 이는, 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 영역(10,32) 아래에 매립층을 가진 콜렉터 접속 단자(14,30)를 형성하여 달성될 수 있다. 매립층과 각 베이스 영역 간의 에피택셜 층(44,46)은 β를 최대화하도록 가능한 얇게 한다. 그러나, 역 방향 또는 "역 β"로의 전류 이득의 수용 가능한 높은 값은 에피택셜 층이 충분히 얇게 될 경우에 매립층없이도 달성될 수 있다.
도 2는 그런 구조의 NPN 트랜지스터의 사용에 대해 설명한 것이다. 특히, 트랜지스터(52)는 접지에 접속된 콜렉터 단자를 가지고, 베이스 입력(54)은 접지에 대해 정 전압으로 유지된다. 기준 전압(V1)은 제 1 저항기(56) 및 제 2 저항기(58)에 걸쳐 접속되고, 트랜지스터(52)의 에미터 단자는 저항기(56,58) 간의 노드(60)에 접속된다. 따라서, 트랜지스터의 콜렉터 단자가 보통 에미터보다 더 고전압으로 유지되기 때문에, 이런 경우에 에미터 단자는 콜렉터보다 더 고전압 레벨에 있다는 점에서 트랜지스터(52)는 역 바이어스된다. 그러나, 통상적으로 바이어스된 트랜지스터에 의해서는 콜렉터에서 에미터로의 전압 강하는 통상적으로 100-200 mV의 영역내에 있고, 스위치 온된 트랜지스터에 의해서는 이런 전압은 통상적으로 30 mV 이하이며, 이런 트랜지스터는 도 2에 도시된 바와 같이 역 바이어스된다.
그래서, 도 1에 도시된 바와 같이, 역 접속 소자는 스위치된 전압 기준 회로 내에 적용되며, 이런 회로는 필요하다면 NPN 트랜지스터 또는 PNP 트랜지스터를 사용할 수 있다.
도 3은 반대 극성의 2개의 소자, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 NPN 및 PNP 트랜지스터를 사용한 양방향 스위치를 도시한 것이다. 도 2의 회로는 전압(V1)이 항상 정일시에만 작업을 한다. 그러나, 도 3은 신호가 기준 전압의 정 및 부를 스윙(swing)할 시에 사용될 수 있는 형의 회로를 도시한 것이다. 도 3은 NPN 트랜지스터(72) 및 PNP 트랜지스터(74)를 가진 회로를 도시한 것으로서, 이런 트랜지스터는 신호 전압(V2)을 가진 입력 단자와, 기준 전압(V3)을 가진 기준 단자 사이에서 병렬로 접속된다. V2가 V3보다 높을 시에, 전류는 NPN 소자(72)를 통해 흐르지만, V3가 V2보다 높을 시에는 전류는 PNP 소자(74)를 통해 흐른다.
이런 원리를 적용한 회로의 상세도는 도 4에 도시되고, 여기서, 입력 전압 (VIN)은 입력 단자(82)에 인가되며, 이런 입력 단자(82)는 제 1 저항기(84), 제 2저항기(86) 및 제 3 저항기(88)를 통해 기준 전압(VREF)(90)에 접속된다.
NPN 트랜지스터(92)는 저항기(88)에 걸쳐 역 접속된다. 즉, 콜렉터 단자는 저항기(88)와 기준 전압원(90) 간의 노드(94)에 접속되는 반면에, 에미터는 저항기(86,88) 간의 노드(96)에 접속된다. PNP 트랜지스터(98)는 또한 저항기(88)에 걸쳐 역 접속된다. 즉, 에미터는 노드(96)에 접속되고, 콜렉터는 노드(94)에 접속된다.
출력 신호(VOUT)는 출력 노드(100)에 제공된다. 적절한 접속에 의해, 트랜지스터(92,98)는 도 1에 도시된 바와 같이 될 수 있다. 따라서, 도 4에서 트랜지스터(92,98)의 콜렉터로서 표시된 단자는 콜렉터 웰 내에 위치된 단자이다. 그러나, 트랜지스터가 역 접속되기 때문에, 전류 흐름의 보통 방향은 반전된다. 즉, NPN 트랜지스터(92)의 경우에, 전류 흐름 방향은 에미터에서 콜렉터로 흐르고, PNP 트랜지스터(98)의 경우에는 전류 흐름 방향은 콜렉터에서 에미터로 흐른다.
저 미분 콜렉터-에미터 전압에서, 소자의 저항은, 콜렉터-에미터에서 흐르는 전류에 대해서 보다 에미터-콜렉터에서 흐르는 전류에 대해 많이 작아, 이는 전류 흐름의 양호한 방향이어서, 소자에 걸친 포화 전압이 감소된다.
도 4의 회로는, 입력 신호가 기준 전압의 정 및 부 양자로 진행하게 하는 장치에서 역 접속된 트랜지스터의 저 포화 전압을 이용한다.
따라서, 도 5에 도시된 바와 같이. VIN이 VREF의 정일 시에, 전류는 NPN 트랜지스터(92)를 통해 에미터에서 콜렉터로 흐르고, 출력 단자(100)에서의 출력전압(VOUT)은 아래와 같이 주어지며,
여기서, R1 및 R2는 제각기 저항기(84,86)의 저항값이고, Vec-sat는 에미터에서 콜렉터로의 방향의 트랜지스터(92)의 포화 전압이다.
입력 전압(VIN)이 VREF의 부일 시에, 전류는 PNP 트랜지스터(98)에서 역 방향, 즉 콜렉터에서 에미터로 흐르고, 다시, 출력 전압(VOUT)은 아래와 같이 주어지며,
여기서, Vec-sat는 에미터에서 콜렉터로의 방향의 트랜지스터(98)의 포화 전압이다.
그러나, 이런 경우에, 상기 식의 우측 상의 제 2 항목은 부이고, VOUT는 VREF의 부이다.
도 5는 VREF의 정 또는 부인 여부에 관계없이 VOUT이VIN에 뒤따르는 방향을 나타낸 것이다.
스위치가 오프할 시에, 전류는 또한 저항값(R3)을 가진 저항기(88)를 통해 흐르고, 출력 전압은 그때 아래와 같이 주어진다:
에미터에서 콜렉터로의 방향의 트랜지스터의 포화 전압, Vec-sat이 콜렉터에서 에미터로의 방향의 트랜지스터의 포화 전압 보다 작으므로, 출력 전압은 역 접속 소자를 사용하지 않은 스위치에서 보다 더 정확하다.
따라서, 소자가 역 접속될 시에 저 포화 전압을 취하는 잇점을 갖는 집적 회로 및, 이런 특성을 이용하여 기준 전압의 정 또는 부를 스윙할 수 있는 입력 전압에 뒤따르는 출력 전압을 제공하도록 하는 스위칭 소자가 개시된다.
Claims (4)
- 역 접속된 전기 절연 NPN 바이폴라 트랜지스터,역 접속된 전기 절연 PNP 바이폴라 트랜지스터 및,입력 제어 신호 및 기준 신호를 공급하는 수단을 포함하는, 집적 회로의 양방향 스위치.
- 제 1 항에 있어서,입력 단자에 접속된 제 1 저항기의 제 1 단자, 출력 단자에 접속된 제 1 저항기의 제 2 단자, 기준 전압에 접속된 제 3 저항기의 제 1 단자 및, 제 3 저항기양단에 접속된 NPN 트랜지스터 및 PNP 트랜지스터와 직렬로 접속된 제 1, 2 및 3 저항기를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적 회로의 양방향 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 NPN 바이폴라 트랜지스터는,제 1 콜렉터 웰내에 위치된 제 1 콜렉터 영역,제 1 베이스 영역,제 1 에미터 영역 및,상기 제 1 콜렉터 웰 주변에 위치되어, 둘러싼 소자로부터 완전한 오옴 절연을 달성하는 전기 절연체의 제 1 층을 포함하는데,상기 제 1 콜렉터 영역 및 상기 제 1 에미터 영역은 NPN 트랜지스터내의 전류가 우선 에미터에서 콜렉터로 흐르도록 접속되는 것을 특징으로 하는 집적 회로의 양방향 스위치.
- 제 1 항에 있어서,상기 PNP 바이폴라 트랜지스터는,제 2 콜렉터 웰내에 위치된 제 2 콜렉터 영역,제 2 베이스 영역,제 2 에미터 영역 및,상기 제 2 콜렉터 웰 주변에 위치되어, 둘러싼 소자로부터 완전한 오옴 절연을 달성하는 전기 절연체의 제 2 층을 포함하는데,상기 제 2 콜렉터 영역 및 상기 제 2 에미터 영역은 PNP 트랜지스터내의 전류가 우선 콜렉터에서 에미터로 흐르도록 접속되는 것을 특징으로 하는 집적 회로의 양방향 스위치.
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