TW457702B - Analogue switch - Google Patents

Description

4M17 0 2 ' :、發明說明17 " --- 主發明1技街镅域 本發明相關於一種類比開關，而詳言之係有關於一種類 比開關，至少包含一個雙極性電晶體於一種積體電路中。 本發明亦相關於一種包含這種雙極性電晶體之積體電袼。 本發明之背号 ΕΡ-0 6 1 52 8 7描述一種積體式雙極性電晶體。此裝置為〜 元件’是由半導體材料區域形成’其中’可藉由負性（N) 與正性（P)傳導形式粒子的運動，產生傳導。在NPN雙極性 電晶體方面，形成一個N型材料之集極槽（或井），在集椏 槽内形成高濃度之N型摻雜（N+)材料連接區，以及p型材 基極區。一個N+型材料射極區在此基極區内形成。 為了提供積體電路中，一裝置與其他裝置之間的電氣性 隔絕’整個裝置為一層絕緣材料如二氧化矽所包圍。然 而，這種結構的缺點為，即使裝置開啟，集極到射極有可 能存有一個相當小之電壓降。此即飽和電壓，同時，正 數量值約為1 〇 〇到2 0 0毫伏特，相對於傳導狀態之 氧半裝置的壓降高报多。 補式金 π雙極性電晶體飽和時，電晶體的切換速度變得相當缓 因此，ΕΡ-061 5287描述一種裝置，嘗試可較快 狀態回復…之，此習知技術揭示在Ν型集極Κ井地表由面㈣ i能規劃出—ρ型半導體材料的區域，其連接到接地之電 本發明之概诫

O:\60\60929.FTD 第4頁 457702 本發明相關於一種與上述一般形式相同之裝置結構，但 卻有降低之飽和電壓。更詳而之，根據本發明第二部分， 提供一種以氧化層絕緣技術形成之積體式ΝΡΝ雙極性電晶 體，其正常的電流方向為自射極到集極，根據本發明第二 部分，提供一種以氧化層絕緣技術形成之積體式ρΝρ雙極 性電晶體’其正常的電流方向為自集極到射極。 在上述每種情況中，這些方向都與正常的電流方向相 反。 圖式簡單說明 第1圖為根據本發明之一種電晶體裝置示意圖。 第2圖為根據本發明之裝置操作原理之電路示意圖β 第3圖為根據本發明第二部分之類比開關。 第4圖為根據本發明第二部分之第二種類比開關》 第5圖為圖4電路之輸入與輸出信號時序圖。 圖號甜照說明 2 ΝΡΝ電晶體 6 Ν型半導體集極井 10 Ρ型半導體基極區 14集極連接端 18射極連接端 4 ΡΝΡ電晶體 8 Ν型半導體集極連接區 12 Ν型半導體射極區 1 6基極連接端 20基座 22絕緣氧化矽層 24氧化層溝槽 26氧化層溝槽 28Ρ型半導體集極井 30 Ρ型半導體集極連接區 32 Ν型半導體基極區 34 Ρ型半導體射極區 36集極連接端

O:\60\60929.PTD 第5頁 五、發明說明（3) 40射極連接端 44 N型磊晶層 5 2射極端 5 6第一電阻 6 0節點 7 4 PNP電晶體 8 4第一電阻 88第三電阻 9 2 NPN電晶體 9 6節點 1 〇 〇輸出節點 38基極連接端 42氧化層溝槽 4 6 P型磊晶層 5 4基極輸入端 5 8第二電阻 7 2 NPN電晶體 82輸入端 8 6第二電阻 90參考電壓 9 4節點 9 8 PNP電晶體 較佳實施例之詳細說明 圖1為一個積體電路的一部分’包含一個NPN電晶體2與 —個PNP電.晶體4之剖面示意圖。 ' NPN電晶體2具有一N-型半導體材料6之集極井（或槽）， 並且，N+型半導體材料8之集極連接區域於其中形成^在 集極井裡，包圍著N+型半導體材料射極區12之卩型半導體 材料基極區10,亦在其中形成。集極連接端14，基極端16 以及射極端1 8，分別在集極連接區8，基極區丨〇，以及射 極區12上方之表面形成。 NPN裝置2形成於基座20上，但是，藉由從基座2〇上方表 面形成之絕緣氧化矽層2 2，完全與基座2 〇電氣性隔絕。 NPN裝置2更進一步地’藉由裝置上方表面延伸到水平層22 之氧化層溝槽24，26與其他裝置電氣性隔絕。這些溝槽圍

第6頁 457702 五 '發明說明（4) 料以及射極區 極連接區之電 極區為其射極 連接區。此寄 體基極流向基 然而，水平 是沒有如此之 為了以這種 有相當高的電 一埋入層在基 成。介於埋入 薄以提高泠。 埋層之情形下 高增益值。 _ES 88118043

為N型材料。 壓時，一二然而，倘若射極區電壓高於集 ，N剞焦社個寄生PNP電晶體形成’具有P型基 峰PMP ΐ ί井為其基極以及？型基座為其集極 庄· I*1 W F 晶/由丄田 座。日體使大量不必要的電、流自NPN電晶 m22與隔絕溝渠的使用表示圖1之裝置 寄生裝置形成》 ί i Ϊ當地反向連接，電晶體必須在反向具 =二二沒。如圖1所示，此可藉由形成具有 才"區10 ’ 32下方的集極連接端14，30而達 層與個別基極區之間的磊晶層4 4，4 6應盡量 然而，如果蟲晶層夠薄的話，也可以在沒有 ，達到反向電流增益或「反向可接收之

圖2為使用如此組態的NPN電晶體。詳言之，電晶體52之 集極端接地’基極輸入54相對於接地保持正電壓。參考電 壓Η跨接於第一電阻56以及第二電阻58之間，而電晶體52 之辦極端連接至電阻56，58之間的節點6〇。因此電晶體52 反向偏壓’雖然電晶體集極端電壓一般而言高於射極電 ，'但在此反偏情況，射極端電壓準位稍高於集極端電 壓。然而，就傳統偏壓電晶體而言，集極到射極之電壓降 ，型上在1 0 0 - 2 0 0亳伏特，但如圖2之反向偏壓電晶體，隨 者電晶體的啟動’此電壓值典型上低於3 〇毫伏特。 如圖1之反向連接裝置，因此可應用在依實際需要而使

O:\60\60929.ptc 第8頁 2001. 04. 27. 008 457702 _索號88118043 车：Γ月¥日 收正 五 '發明說明（5) 用ΝΡΝ電晶體或ΡΝΡ電晶體的切換電壓參考電路。 圖3為一種雙向開關，使用兩種相反極性裝置，如圖1之 ΝΡΝ電晶體與ΡΝΡ電晶體。圖2之電路，只有當電壓η保持 為正時工作。然而’圖3揭示一個當有信號擺盪於正與負 參考電壓時使用之一種電路。圖3所示之電路具有一 NpNt 晶體72與一 PNP電晶體74，以並聯方式，連接在一具有产 说電壓V2在其上之輸入端’以及一具有參考電壓μ在其上 之參考端之間。當¥2高於V3時，電流經過NPN裝置72，然 而’ V3高於V2時，電流經過pup裝置74。 應用本原理之電路更詳細的方逸圖列於圖4中，輸入電 壓V1N加至輸入端82，其跨接第一電阻84，第二電阻86以及 第三電阻88至參考電壓vREF90。 NPN電晶體92反向連接跨越電阻88 ^亦即其集極端連接 到介於電阻8 8與參考電壓源9 〇之間的節點94，而其射極連 接到電阻86，88之間的節點96 e pnp電晶體98也反向連接 跨越電阻8 8。亦即其射極連接到節點9 6，以及集極連接 節點9 4。 輸出信號Vout於輸出節點1〇〇提供。經由適當的連接，電 晶體9 2 ’ 9 8得如圖1所示，因此，圖4裡標記為電晶體9 2， 集極的接端’即為位於集極井内之接端。然而，由於電 ，體為反向連接’電流的正常方向相反。亦即是，nPN電 晶體92裡’電流方向為射極到集極，以及pNp電晶體98 裡’電流方向為集極到射極。 在低差動集極-射極電壓時，因電流由射極到集極，裝

2001.04. 27.009 157102 案號 88118043 五、發明說明（6) 修正 置的阻值低於由集極到射極時的裝置阻值，所以，此為電 流較佳的方向，因此跨接於該裝置之間的飽和電壓減少。 圖4之電路利用反向連接電晶體較低的飽和電壓，安置 成允許輸入信號至正或負兩種參考電壓。 因此，如圖5所示，當VIN正於VREF時，電流由射極到集極 流過NPN電晶體92，並且輸出端100的輸出電壓為： V〇UT = VREF + (VlN - VREF) X R2 _ + Vec_sat (R1 + R2) 其中IM ，R2分別為電阻84，86 ，而Veesat為電晶體92由射極 到集極方向之飽和電壓。 當輸入電壓VIN負於VREF時，電流以反方向流動，亦即由 PNP電晶體9 8之集極到射極，再一次，輸出電壓為： VOUT = VREF + (VIN - VREF) X R-2- - Vec_sat (R1 + R2) 其中Vee_sat為電晶體98由射極到集極方向之飽和電壓。 這種情形之下，方程式右手邊第二項將為負，而VDUT將 負於VREF。 圖5為V0UT跟隨變化之方式，不管Vin係正或負於VREF。 當開關關閉時，電流亦流經阻值R3之電阻88，則輸出電 壓為： VOUT = VREF + (VlN - VREF) X (R2 -f R3) (R1 + R2 + R3)

O:\60\60929.ptc 第10頁 2001.04. 27.010 45770 2 五、 發明說明（7) 的 阻 值低於由集極 到射極 時的阻值，所以 ，此為 電流較佳 的 方 向，因此跨接 裝置之 飽和電壓減少。 圖 4之電路利用反向連接電晶體較低的飽和電壓，安置 成 允 許輸入信號至 正或負 兩種參考電壓。 因 此，如圖5所示，當V IN正於VREF時，電 流由射 極到集極 流 過 NPN電晶體92 並且輸出端100的輸出 電壓為 * Vodt = Vrep + (VIN - Vref) x R2 + Vec__sat (R1 + R2) 其 中 R1，R 2分別為 電阻84 ’ 8 6，而 Vec_sat 為 電晶體 92由射 極 到 集極方向之飽 和電壓 0 當 輸入電壓VIN負 於V REF時 -，電流以反方虎 〖流動 亦即由 PNP電晶體98之集極到射極，再一次，輸出電壓為： Vout = Vref + (VIN - VREPi X R2 -Vec一sat (R1 + R2) 1 其 中 Vec：_sat為電晶體 9 8由射 極到集極方向之 飽和電 壓。 這 種情形之下， 方程式 右手邊第二項將 為負， 而V〇UT將 負 於 Vrep。 圖 5為V〇ut跟隨Vin 變化之 方式，不管VIN係 正或負 於 Vref。 當 開關關閉時， 電流亦 流經阻值R 3之電 阻88， 則輸出電 壓 為 昏_ Vodt = Vre F + {VIN -Vhep) X fR2 + R3) (R1 + R2 + R3)

第10頁 457702 五、發明說明（8) 由於Vee_sat為由射極到集極方向電晶體之飽和電壓，遠 小於由集極到射極方向之飽和電壓，輸出電壓比不使用反 向連接裝置之開關較為準確。 因此揭示一個積體電晶體，於裝置反向連接時，利用較 低飽和電壓的優點，以及揭示一個開關裝置得以利用這個 特點來提供一輸出電壓，此輸出電壓跟隨著一能在正或負 參考電壓之間擺盪的輸入電壓。

Claims (1)

1. 457702 _索號88118043_少％ ·Γ月令曰 修正 六、申請專利範圍 1. 一種積體電路裝置，包括一個ΝΡΝ雙極性電晶體，該 ΝΡΝ雙極性電晶體包含： 一個集極區位於集極井中； 一個基極區； 一個射極區；以及 一個電氣性絕緣材料層，位於該集極槽周圍以達到與其 周圍之裝置完全歐姆隔絕； 集極區與射極區乃以使電晶體電流主要由射極流向集極 之方式連接。 2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中射極電壓高 於集極電壓》 3. —種積體電路開關裝置，如申請專利範圍第1項所 述，更進一步包括第一及第二電阻，其係在第一及第二電 壓供應器之間串聯，ΝΡΝ電晶體射極端連接到第一及第二 電阻之連接節點，集極端連接到一個負電壓供應器軌，而 在基極端的輸入控制信號。 4. 一種積體電路裝置，包括一個ΡΝΡ雙極性電晶體，該 ΡΝΡ雙極性電晶體包含： 一個集極區位於集極井中； 一個基極區； 一個射極區，以及 一個電氣性絕緣材料層，位於該集極槽周圍，以逹到與 其周圍之裝置完全歐姆隔絕； 集極區與射極區之連接乃以使電晶體電流主要由集極流

   O:\60\60929.ptc 第1頁 2001.04.27.013 4 57 7 0? 修正 _案號 88118043 六、申請專利範圍 向射極。 5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中集極電壓高 於射極電壓。 6. —種積體電路開關裝置，如申請專利範圍第4項所 述，更進一步包括第一及第二電阻，其係在第一及第二電 壓供應器之間串聯，PNP電晶體射極端連接到第一及第二 電阻之連接節點，集極端連接到一個正電壓供應器軌，並 被連接而在基極端接收輸入控制信號。 7. —種積體電路雙向開關，包含：

   一個反向連接電氣性隔絕之NP N雙極性電晶體；及 一個反向連接電氣性隔絕之PNP雙極性電晶體；其中， 該NPN電晶體和該PNP電晶體的射極端係連接在一起，且連 接至一控制信號用的輸入端；以及 其中，該NPN電晶體和該PNP電晶體的集極端係連接在一 起，且連接至一參考信號用的輸入端》 8.如申請專利範圍第7項所述之開關，包括第一、第 二及第三電阻，以串聯方式將第一電阻的第一端連接到一 輸入端，第一電阻的第二端連接到一輸出端，第三電阻的 第一端連接到一個參考電壓，以及NPN電晶體與PNP電晶體 的集極-射極路徑係與第三電阻並聯連接。

   第14頁