SE437448B - Halvledaromkopplare bl a innefattande isolerade kretsoar med omkopplingskretsar - Google Patents

Description

nlve119v2-u 2 Egenskaper, som krävs av en omkopplare i en telefonväxel, är att den måste kunna motstå höga spänningar, den måste tillåta höga strömmar, och att dess § resistans i slutet läge är låg medan dess resistans i öppet läge är hög.

För att enkelt uppnå dessa egenskaper är det lämpligast att använda en i tyristor som omkopplingskrets. En kodväljare som använder en tyristor som omkopplingskrets måste förutom denna omfatta en drivkrets och en skyddskrets ; för att fullgöra omkopplingsfunktionen så som beskrivs i det följande.

En kodväljare som framställs på så sätt att omkopplingskretsdelarna, driv- kretsdelarna och skyddskretsdelarna placeras utan särskild ordning inom halvledarsubstratet resulterar i problem med felaktig funktion, och halvle- darsubstratet blir stort med låg komponentpackningstäthet på grund av att ledningsförbindningen blir komplicerad. Eftersom spänning på upptill 200 U påläggs omkopplingskretsdelarna, har det visat sig att påverkan erhålles mellan omkopplingsdelarna med åtföljande skadlig inverkan på omkopplings- egenskaperna om omkopplingskretsdelarna är placerade intill varandra. Ingen hög spänning påläggs vanligtvis drivkretsdelarna eller skyddskretsdelarna, varför dessa kan placeras intill varandra; Under en metallisk ledning ut- ' bildas dessutom en parasitkapacitans. I fallet då kretsdelarna är placerede_ utan särskild ordning blir ledningsförbindningarna långa medförande hög pa- rasitkapacitans, vilket utgör en orsak till felfunktion hos omkopplings- kretsdelarna.

I den amerikanska patentskriften U.S. fiatent No 4,Ü15,143 beskrivs en halv- ledaromkopplare som motstår hög spänningsändringshastighet (dv/dt) oavsett anod- eller katodpotential, som har hög genombrottsspänning, som kan slutas med en låg styrström och som är lätt att inrymma i integrerade halvledar- : kretsar. *I den tyska utläggningsskriften 2,655,622 beskrivs en ofullstän- dig figur som víser en integrerad halvledarkrets bestyckad med en tyristor- anordning.

Nämnda referenser beskriver emellertid ej hur omkopplingskretsdelarna, driv- kretsdelen och skyddskretsdelarna inbördes placeras inom halvledarsubstretet.

Föreliggande uppfinning har gjorts med beaktande av nämnda problem och har till syfte att åstadkomma en halvledaromkopplare, vari enkelt erhålles att ' påverkan mellan.omkopplingskretsdelarna förhindras, att ledningelängderna mellan kretsdelarna avkortas och att packningstätheten av de olika krets- delarna inom haivleuarsubstiratet blir hög. 78119724: 3 Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma en halvledarkod- väljare med en tyristor speciellt för användning-i en telefonväxel. För att realisera ovannämnda syften anordnas enligt uppfinningen en uppsättning omkopplingskretsdelar på ett sådant sätt att de isoleras från varandra ge- nom en drivkretsdel eller skyddskretsdelar som placeras intill dessa.

Mera konkret kan uppfinningen beskrivas som en halvledaromkopplare med ett flertal kisalenkristallöar anordnade i en sammanhållands kropp av polykri- stallinskt kisel via ett dielsktriskt skikt,omfattande omkopplingskretsöar, oberoende uppbyggda av omkopplingskretsar med tyristorer, åtminstone en drivkretsö uppbyggd av en drivkrsts, skyddskrstsöar oberoende uppbyggda av skyddskretsar, ett omrâde för att minska parasitkapacitans som utbildas mel- lan nämnda omkopplingskretsöar, vilka placeras på sätt att det isoleras från varandra genom nämnda omrâde, och anordningar för att elektriskt förbinda nämnda omkopplingskretsar, drivkretsar och skyddskretsar. Nämnda område kan bestå av nämnda drivkretsö'eller drivkratsöar. Dessutom kan nämnda om- ~ råde bestå av nämnda skyddskretsö eller skyddskretsöar. Uppfinningen kan också beskrivas som en halvledarkodväljare med ett flertal kiselenkristall- öar anordnade i en sammanhållands kropp av polykristsllinskt kisel via di- elektriskt skikt, omfattande en sats omkopplingskretsöar försedzhmed om- kopplingskretsar med tyristorer, en sats drivkretsöar som utgör en driv- krets, två satser skyddskretsöar försedda med skyddskrstsar, varvid satsen med drivkretsöar och satserna med skyddskretsöar placeras intill respektive sats med omkopplingskretsöar, varigenom omkopplingskretsöarna isoleras från varandra medelst öar valda ur drivkretsöarna eller skyddskretsöarna.

Eigur 1 är_ett blockschema, som visar ett utförande av upp- finningen, Figur 2 är ett kretssohema, som visar detaljinnehållen i blocken enligt Figur 1.

Figur 3 är ett ytmönsterschema, som visar hur kretedelarna enligt Figur 2 fördelas inom ett halvledarsubstrat.

Figur A,B,C år detaljscheman, som vardera visar delar enligt Figur ö.

Figur 4 _ är en förstorad vy av ett tvärsnitt längs snittet IV-IV i Figur 3.

Figur 5 är ett blockschema, som visar ett annat utförande av _ uppfinningen. ' Figur 6 är ett kretsschama, som visar detaljinnehållen i blocken enligt Figur 5. 'rosa steam g 7s11972-4 4 Figur ? är ett blockschsma, som visar ett annat utförande ' av uppfinningen. ' Figur B är ett kretssohema, som visar en matris av en kod-I väljare med fyra omkopplingspunkter.

Figur 1 hänför sig till det föredragna utförandet av uppfinningen och vi- sar blocken i en kodväljare. Den minsta enheten i en-kodväljare för en telefonväxel är en omkopplingspunkt, som är uppbyggd av två omkopplings- kretsdelar 11 A, 11 B, åtminstone en därtill hörande drivkretsdel 12 och två skyddskrstsdelar 13 A, 13 A' och 13 B, 13 B' för vardera av omkopplings- kretsdelarna 11 A och 11 B respektive. Dmkopplingskretsdelarna 11 A, 11 B, drivkretsen 12 och skyddskretsdelarna 13 A, 13 A', 13 B, 13 B' är anordnade i ett halvledarsubstrat 10 såsom visas i Figur 1. Ned detta arrangemang 'är skyddskretsdelarna 13 A, 13 A', och 13 B, 13 B' placerade på båda sidor om omkopplingskretsdelarna 11 A, 11 B och drivkretsdelen är placerad mellan omkopplingskretsdelarna på ett sådant sätt att de två omkopplingskretsdelar- na 11 A, 11 B ej gränsar intill varandra.

Funktíonselementen i respektive kretsdelar är utformade i kiselenkristall- öar, vilka är isolerade från varandra genom ett kiseldioxidskikt_och poly- kristallinskt kisel. Funktionselementen tillverkas medelst selektiv diffu- sion sedan ett mönster framställts i kiseldioxidskiktet genom den kände K fotoetsningsteknik, som visas i t ex den amerikanska patentskriften U.S.

Patent No 3,135,63B. Halvledarsubstratet 1D i Figur 1 har ett kretsarrange- mang i vilket drivkretsdelen Ligger i'centrum och omkopplingskretsdelarna är placerade i ytterdelarna på halvledarsubstratet 10. Då drivkretsdelen på detta sätt placeras mellan omkopplingskretsdelarna bildas ett område som reducerar de parasitkapacitanser som uppstår mellan de två omkopplingskrets- delarna 11 A, 11 B. De två omkopplingskretsdelarna 11 A, 11 B är fullstän- digt isolerade från varandra genom omrâdet 14 så att inga parasitkapacitan- ser utbildas eller reduceras tillräckligt för att felfunktion inte skall or- sakas av laddningsströmmen. I Figur 1 utgörs området 14 av drivkretedelen_ -12 som sålunda reducerar parasitkapaoitanserna.

Dessutom är omkopplingsdelen 11 A, drivkretsdelen 12, skyddskretsdelarna 13 A, 13 A' och omkopplingskretsdelen 11 B, drivkretsdelen 12, skyddskrets- delarna 13 B, 13 B' placerade intill varandra. Därigenom kan ledningsför- bindningen mellan respektive kretsar utföras med kortaste våglängd. Till följd härav kan en parasitkapacitans som utbildas under ledningarna minskas till den storlek att den ej påverkar omkopplingsegenskaperna. Genom att arrangera respektive kretsdelar inom halvledarsubstratet 10 funktionellt i *PÖÖR omm» 5 1811972-4 och logiskt förenklas ledningsdragningen på det sätt som exemplifierats och således kan en ökning av komponentpackningstätheten ernås.

Funktionen förklaras med hänvisning till Figur 2. Fastän att det för en halvledarkodväljare. i en telefonväxel är nödvändigt att fullborda omkoppa lingsfunktionen så att den omfattar samtliga tre kretsdeltyper bestående av omkopplingskretsdelarna 11 A, 11 B, drivkretsdelen 12 och skyddskretsdelarna 13 A, 13 A' och 13 B, 13 B', beskrivs enbart gruppen med beteckningar A, ef- tersom den andra gruppen.med beteckningar B fungerar på samma sätt.

En ringsignal med växelspänningen 75 V måste kunna passera halvledarkodväl- jaren. Eftersom, på grund av detta, spänningen till jord på anod- och ka- todanslutningarna 21 A, 21 B varierar, måste en styrström hållas flytande under hela perioden som ringsignalen passerar. Därför måste en anodstyr- anslutning 24 A anordnas utöver den normala katodstyranslutningen 23 A, som arbetar med en styrsignal med låg spänning.

För att tända tyristorerna 25 A, 25 A' i en omkopplingskretsdel 11 A er- fordras en drivkretsdel 12. Eftersom tyristorerna 25 A, 25 A' har en hög hållström, genereras en störning när strömmen i omkopplingskretsdelen 11 A snabbt stängs av. Hållströmmen kan minskas genom att styrströmmen hålls kontinuerligt flytande och sålunda kan ganereringen av störningar förhindras.

Det är därför nödvändigt att drivkretsdslen 12 är en konstantströmkrets med hög spänningstâlighet. Konstantströmkretsen är välkänd och omfattar, som visas i figuren, en tranaistor 42_A ansluten till anodstyranslutningen 24 A genom en diod 41 A, en transistor 43 A ansluten till katodstyranslut- ningen 23 A, en dubbel uppsättning av två dioder 45, 46 ooh motstånden 47,48.

Beteckningarna 55: 51 är anslutningar till en strömkälla.

I det följande förklaras ákyddskratsdelarna 13 A,_13 A'. För att minska den inverkan som styrströmmarna för tändning av tyristorerna 25 A, 25 A' ut- öva på telefonväxelns kretsar är det önskvärt att göra styrkänsligheten hög hos tyristorerna 25 A, 25 A'. Vad beträffar styrkänsligheten hos tyristorer- na 25 A, 25 A', erhålls en hög känslighet genom att tillföra motstånden 27 A 27 A' mellan katodstyranslutningarna 23 A, 23 A' och katodanslutningen 22 A.

För att förhindra att tyristorerna 25 A, 25 A' felaktigt tänder på grund av, snabb spänníngsändring kan laddníngsströmmen i halvledarövergången hos I tyristorerna 25 A, 25 A' ledas förbi av trensistorerna 29 A, 29 A' vilka är inkopplede mellan katodstyranslutningarna 23 A,.23 A' och katodanslut- ningen 22 A, varigenom en hög tålighet mot spänningsändringshastighet upp- nås. Skyddskretsdelarna 13 A, 13 A' utgörs av transistorerna 29 A, 29 A'.

L; . 90013, . _,____ i ' QWTJITY 7811972-4 6 Motstånden 2?4A, 27_A' och övrigt utgör kretsar som erfordras för att för- hindra felfonktion hos omkopplingskretsdelarna 11 A, 11 A'. Beträffande de- taljer hänvisas till en artikel i ISS, "International Switching Symposium" 211-4, 1976.

När en spänníngsändring påföres anodanslutningen 21 genereras en ström i transistorerna 31 A, 31 A' och till följd härav aktiveras transistorerna 29 A, 29 A' och blir ledande. Härigenom erhålles en kortslutning mellan styranslutningarna hos 'tyristorerna 25 A, 25 A' och katodanslutningen 22 A.

En laddningsström eller förskjutningsström som genereras i tyristorerna 25 A, 25 A' av spänningsändringen förbikopplas av transistorerna 29 A, 29 A' till' katodanslutningen 22 A varför tyristorerna 25 A, 25 A' ej bringas att slå till på grund av laddningsströmmen. Transistorerna 29 A, 29 A' fungerar -som emitterkortslutning mellan styr- och katodanslutningarna. Motstånden 27 A, 2? A' fungerar som emitterkortslutning på samma sätt som_transistorer- na 29 A, 29 A' och är i funktion då transistorerna 29 A, 29 A' ej aktiveras av spänningsändringen.

Dioderna 33 A, 33 A' har uppgiften att förhindra att basarna på transistorer- na 29 A, 29 A' blir omvänt förspända för att undvika felfunktion orsakad av emittergenombrott hos transistorerna 29 A, 29 A', då de laddas med ur- laddningsströmmen från tyristorernas halvledarövergång vid snabb ändring av tyristorernas anodspänning.

Som tidigare nämnts erfordras för att_fullborda omkopplingsfunktionen i en 'halvledarkodväljare att den omfattar samtliga tre kretedeltyper av omkoppf _lingskretsdelar 11, drivkretsdel 12 och skyddskretedelar 13.

Figur 3 visar ett ytmönster hos halvledarsubstratet 10 i Figur 1. SMA och SNB betecknar kiselenkristallöar i vilka utformas .tyristorerna 25 A, 25 A', som hildar omkopplingskratsdelarna 11 A, 11 B. D betecknar kiselenkristall- öar, i vilka utformas de kretselement som utgör skyddskretsen 12. PA, PB och Pc, PD betecknar kiselenkristallöar i vilka utformas kretselementan be- stående av transistorerne 29 A, 29 A', motstånden 27 A, 27 A* osv, vilka utgör skyddskretsdelarna 15 A, 15 A', 13 B, 13 B', Beteckningarna 51 åsyf- tar ett-dielektriskt skikt som isolerar kíselenkristallöarna från varandra och från en sammanhållande kropo av polykristallinskt kisel 52.

De punktmarkerade delarna 53 är aluminiumförbindningar som sammankopplar de störämnesdiffunderada områdena i kiselenkristallöarna. Förbindningarna åstad- kommas med välkänd teknik såsom fotoetsningsteknik,vakuumförångningsteknik m m.

?@GR I QUÄISITY 7 7e119v2-4 Ytan på halvledarsubstratet 10 täcks med ett kiseldioxidakikt utom på de delar där aluminiumförbindningarna 53 ansluts För kontakt. Diffunderade om- råden av p-typ och diffunderade områden av n-typ vilka bildar kretselementen är.markerade med streckade och punktstreckade linjer respektive.

Eftersom omkopplingskretsdelarne SMA och SMB är isolerade från varandra ge- nom drivkretsdelen D och en del av skyddskretsdelarna PA - PB påverkar de inte varandra. Eftersom aluminiumförbíndningarne 53 sammankopplar kretsele- menten med kortaste våglängd och är enkla, reduceras parasitkapacitanser, som utbildas under förbindningarna.

Betrakta ett fall där omkopplingskretsdelarna 11 A, 11 B dvs SMA och SMB är placerade intill varandra. I detta fall utbildas en hög parasitkapacitans mellan kiselenkristallöarna SMA och SMB, då en hög elektrisk spänning på- föres tyristorerna 25 A, 25 A' i delen SMA, och därav följande laddnings- strüm orsakar en felfunktion på så sätt att tyristorerne 25 B, 25 B' i delen SMB blir ledande vid användning av delen SMA. Då en negativ elek- trisk spänning påföres delen SWA utbildas ett invereioneskikt i bottendelen och i sídodelarna av den andra kiselenkrietallön SMB. Detta onormala feno- men förändrar tyrístorns egenskaper på sätt att tyristorernas blockeringa- -spänning sjunkan och tändningskänsligheten ökar. Utöver detta blir följden då delarna SMA och SNB är placerade intill varandra att aluminiumförbind- ningarna, på vilka hög elektrisk spänning påföres, blir mycket komplicera- de och följaktligen utbildas ett liknande nämnt inversionsskikt under för- bindníngen 53, som orsakar en minskning av blockeringsspänningarna hos _ tyristorerna 25 A, 25 A' och 25 B, 25 8'.

Figurerna 3 A, B och C, vilka är företoringar av omkopplingskretsdelen 11 A, skyddskretsdelen 13 A och drivkretedelen 12 respektive, visar i detalj hur ett funktionselement är anordnat, P betecknar att diffunderat p-typskikt. n betecknar ett diffunderat n-typskikt.

E betécknar smittar.

B betecknar bas_ C betecknar kollektor. 1 Tyristordelen består av en tyristor av planartyp med lateral struktur och hB är placerade i_centrum av båda tyristorerna 25 A, 25 A' och är gemensam för båda.

FAA, _~_“ 7811972-4 8 I¿Figur 4 visas hur kiselenkristallöarna 5wA,.PA och PB dielektriskt iso- leras med ett kiseldioxidskikt 51 och sammanhålles av en polykristallinskt kiselkropp.

I Figur 3 illustreras ett syfte med föreliggande uppfinning. Delarna SMA och SNB är isolerade från varandra och belägna så långt från varandra som möjligt, varigenom parasitkapacitansen kan göras låg och utbildandet av in- versionskikt blir försvagat med följd att påverkan mellan omkopplingskrets- ._ delarna kan förhindras. Även om omkopplingskretsdelen 11 och drivkretsdelen 12 eller skyddskretsdelen 13 är placerade intill varandra, erhålles ingen påverkan mellan dessa då kretsen arbetar.

Ett andra utförande beskrivsflmed hänvisning till Figur 5 i vilken används I samma beteckningar för identiska element som i Figur 1.

En omkopplingskretsdel 11, en drivkretsdel 12 och en skyddskretsdel 13 är' anordnade på ett halvledarsubstrat 1D för en halvledarkodväljare runt om- _kring skyddskretsdelar 13 A, 13 A' för omkopplingskretsdelar 11 A, 11 B.

Som framgår av figuren är en grupp Bestående av omkopplingskretsdelarna 11 A, 11 B och skyddskretsdelarna 13 A, 13 A', 13 B' och 13 B anordnade i en rad och drivkretsdelen 12 placerad parallellt med nämnda rad.

Skyddskretsdelarna 13 A', 13 B' bildar ett område 14 som separerar omkopp- lingskretsdelarna 11 A och 11 B från varandra.

Eftersom omkopplingskretsdelarna 11 A; 11 B är placerade isär från varand- ra genom området 14 undvikas således påverkan mellan omkopplingskretsdelar- na 11 A, 11 3.' Enligt i figuren visad placering drivs omkopplingskretsdelar- na 11 A, 11 B från en och samma drivkretsdel, varigenom komponentpacknings- tätheten hos drivkretsdelen 12 förhöjs. Dessutom förkortas förbindinge- längderna mellan varje kretsdel till ett minimum.

Figur 6 visar i detalj kretsarna i blocken enligt Figur 5. Ned hänvisning till funktionsbeskrivningen för Figur 2, erfordras ingen detaljbeskrivning av Figur 6.

Eftersom halvledarkodväljaren skall ersätta den tidigare använda koordinat- väljaren är det mycket önskvärt att dess kostnad är låg förutom dese egen- skaper vid omkoppling. Det är därför önskvärt-att i ett och samma halvledar- substrat arrangera ett stort antal omkopplingspunkter och att öka komponent- packníngstätheten.

Må me 781197244 9 Figur 7 visar en halvledarkodväljare med fyra omkopplingspunkter uppbyggd på ett halvledarsubstrat 10, identiskt med ett halvledarsubstrat enligt and- ra utföranden av denna uppfinning. Kratsdelarna arrangeras i överensstäm- melse med den metod som anges i första utförandet. Drivkretsdelarna 121, 122, 123, 124 är vertikalt anordnade i serie i centrum på halvledarsubstratet 10. På båda sidor om serien av drivkratsdelarna är omkopplingskretsdelar- na 111, 112, 113, 114 och skyddskretsdelarna 131, 132, 133, 134 vertikalt anordnade i serien.

Figur 8 visar i matrisform en kodväljare med fyra omkopplingepunkter. En te- lefonväxel är uppbyggd av matrisen med linjerna V1 och V2 och linjerna H1 och H , mellan vilka kodväljara XP för vardera en omkopplingspunkt är an- slutna. Halvledarkodväljaren med fyra omkopplingspunktar i Figur 7 har en struktur i vilken matrisen i Figur B är uppbyggd inom ett halvledarsubstrat.

Som framgår av Figur B ansluts linjen V och linjen H på två ställen med mel- lanförbindningar från anslutningar på varje väljare XP,'varför anslutning- arna på samma linje kan göras gemensamma. För extern inkoppling av halvle- darsubstratet 10 i Figur 7 erfordras sexton anslutningar utöver drivkrete- delarna 121 eftersom omkopplingskretsdelarna 111, 112, 113, 114 utgörs av åtta tyristorer. Av dessa kan sex anslutningar göras gemensamma och de åter- stående tio ansluts enskilt. Då antalet anslutningar till ett halvledar- substrat minskar, kan packningstätheten ökas och dessutom fås fördelen att ledningsdragning kan förenklas. Ett arrangemang är också möjligt, i vil- ket flera kolumner ordnas i sidled enligt den metod som beskrivs i det and- ra utförandet av denna uppfinning. Ûaturligtvie är nämnda metod att anord- na kretsdelar även tillämpbar för att anordna kretsdelar i en integrerad krets för högeffekt, bestående av en högspänningskretsdel och en lågspänninge- kretsdal för andra tillämpningar än för kretsdelar i en kodväljare.

Genom att arrangera kretsdelar enligt denna uppfinning, kan omkopplingskret- sarna SNA och SNB uppbyggas på sätt att de isoleras från varandra och driv- kretsdelen 12 och skyddekretsdelen 13 kan placeras intill omkopplingskrets- del 11. -Därför kan samtidigt uppnås att påverkan mellan onkopplingskrets- delarna förhindras och att de interna förbindningslängdernakan förkortas.

Claims (1)

1. 0' _ 15 20 25 30 i 1811972-4 10 PATENTKRAV l. Halvledaromkopplare uppbyggd på en kropp (10) av poly- krisuülinsk kisel i vilken är lagrade kretsöar av kise- lenkristaller isolerade från kroppen medelst ett di- ekktriskt skikt (51) varviddecflika kretsöarna omfattar åtminstone två omkopplingskretsar (1lA,11B) var och en innehållande åtminstone en tyristor (25) för till- och frånslag, skyddskretsar (13) för varje omkopplingskrets för att hindra feltändning av tyristorerna och en driv- krets (12) för styrning av de två omkopplingskretsarna samt erforderliga förbindelser mellan de olika kretsarna, k ä n n' e t e c k n a d därav, ett de mike kreteöarne är placerade tätt intill varandra på kroppen (10) och på så sätt att de två omkopplingskretsarna är skilda från varandra_mede1st ett område (14) innehållande åtminstone en av de andra kretsöarna. Halvledaromkopplare enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att de två omkopplingskretsöarna (11A,11B) är placerade på var sin sida om drivkretsön (12). Halvledareomkopplare enligt krav l, k ä n n e t e"c k - n a d därav, att det avskiljande området GA) mellan omkopplingskretsöarna (11A,11B) innehåller åtminstone en skyddskretsö (13) för en omkopplingskrets. Halvledaromkopplare enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att varje omkopplingskrets (11) innehåller två antiparallellkopplade tyristorer (25). Halvledaromkopplare enligt krav 1 eller 4, k ä n n e -_ t e c k n a d därav, att varje skyddskrets (lä) inne- håller förbikopplingsorgan (27) för att hindra att ladd- ningsströmmar ger feltändning av tyristorerna (25) i omkopplingskretsen (11). Poolzaoaaßzw M 7811972-4 6. Halvledaromkopplare enligt patentkrav l, k ä n n e -, t e c k n a d därav, att den är utförd som en halv- ledarkodväljare omfattande en sats omkopplingskretsöar, en sats drivkretsöar, två satser skyddsklretsöar, vari 5 satsen av drivkretsöar och satserna av skyddskretsöar är placerade intill respektive sats av omkopplingskrets- öar, varigenom omkopplingskretsöarna isoleras från varandra av öar utvalda från drivkretsöarna eller skydds- kretsöarna.