DE1489054A1 - Elektronische Schaltungsanordnungen unter Verwendung von Feldeffekttransistoren - Google Patents
Elektronische Schaltungsanordnungen unter Verwendung von FeldeffekttransistorenInfo
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Description
H89054
8 MÜNCHEN 88
νΐ»»ΜλΤ»9Τ1.Ι · !»»ΟΧ ItSSSO1S*
A 2636<Γ V STVAvJ 24.6.1964
Dr.BM/Haß/Bi
Firma KABUSHIKI KAISHA HITACHI SEISAKUSHO 4, 1-Chome, Marunouchi, Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan
Elektronische Schaltungsanordnungen unter Verwendung Λ
von Feldeffekttransistoren.
Die Erfindung bezieht sich auf neuartige elektronische Schaltungsanordnungen, innerhalb deren
jeder ein mindestens zwei Steuerelektroden aufweisender Feldeffekttransistor (FET) verwendet ist.
Die Bezeichnung Feldeffekttransistor (im folgenden als FET abgekürzt) wird zur Bezeichnung eines
Transistors benutzt, welcher zufolge seiner Anordnung und seines Aufbaues eine Verst'ärkerwirkung durch
Steuerung eines in einem Leiterkanal (Strombahn) fließenden Stromes mittels eines elektrischen Feldes erreicht.
Es sind bereits verschiedene Arten des Aufbaus derartiger Halbleiterlemente vorgeschlagen.
9 0 9820/0469 -2-
-2- 7489054
Der I1ET mit der grundsätzlichen Wirkungsweise
besitzt einen Aufbau, worin an den Bnden eines p-Typ- oder n-Typ-Halbleiters je eine Quellenelektrode bzw.
eine Ableituna-selektrode, wobei die Strecke zwischen
diesen beiden Elektroden als Leiterkanal dient, sowie in Verbindung mit diesem Leiterkanal eine Steuerelektrode
vorgesehen sind. Bei diesem Aufbau sind die Quellen- bzw. Ableitungselektrode jeweils mittels ohmscher
Kontakte angeschlossen, WEihrend die Steuerelektrode unter Bildung einer pn-Schicht angeschlossen ist. Die
Stärke des in dein Leiterkanal fließenden Stromes wird durch die Größe der zwischen Quellen- und Ableitungselektrode anliegenden Spannung bestimmt.
Bei der Herstellung des Leiterkanales mit geringer Dicke in einem derartigen FET mit einer pn-Schicht
zwischen Leiterkanal und Steuerleketrode treten technische Schwierigkeiten auf. Außerdem bedingt
der Reststrom in der pn-Schicht eine Begrenzung des Singangswiderstandes.
Es ist bereits ein JB1ET dieser.Art vorgeschlagen,
wo beispielsweise ein n-Typ-Leiterkanal auf einem p-Typ-Halbleiter gebildet ist, wo Quellen- und Ableitungaelektroden
an den Enden dieses Leiterkanals und gleichzeitig über einer auf dem Leiterkanal befindlichen
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BAD ORIGINAL
Isolatorschicht eine Steuerelektrode vorgesehen sind, und wo der Strom in dem Leiterkanal mittels einer zwischen
Stromquelle und Steuerelektrode anliegenden Steuerspannung gesteuert wird. Da bei einem Transistor dieser
Art die Steuerelektrode auf einer Isolatorschicht angeordnet ist, weist dieser Transistor gegenüber einem
Transistor, dessen Steuerelektrode unter Bildung einer pn-Schicht hergestellt wird, mehrere Vorteile auf, wie
leichtere Herstellbarkeit des Leiterkanales, Anwendbarkeit Bowohl positiver als auch negativer Steuerspannun- ™
gen und wesentlich höheren Eingangswiderstand.
Es ist zu beachten, daß bei einer derartigen FST-Anordnung, wo ein elektrisches Steuerfeld über eine
Isolatorschicht an dem Leiterkanal anliegt, der Leiterkanal
tatsächlich auf -^iner Halbleiter schicht mit entgegengesetztem
Leitfähigkeitsverhalten gebildet wird (wenn beispielsweise der Leiterkanal ein n-Typ-Verhalten
zeigt, hat die Halbleitergrundschicht ein p-Typ-Verhal- i
ten). Somit ist es offenbar möglich, den Strom in der
Leiterschicht mittels einer spannung zwischen der HaIblKiter^rundschicht
und der Quellenelektrode zu steuern.
Insbesondere erhält man eine FET-Tetrode mit
zwei Einfrangsanschlüssen, wenn man auf der Halbleiter-Grundschicht
unterBildung einer pn-Schicht mit dem
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Leiterkanal eine zweite Steuerelektrode vorsieht, welche zusätzlich zu der ersten, auf dem Leiterkanal
befindlichen Steuerelektrode vorhanden ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt unter einem Gesichtspunkt die Schaffung eines FST der beschriebenen
Art.
Eine weitere Zielsetzung betrifft die Verwendung derartiger FET zur Bildung von Schaltkreisen
mit äußerst vorteilhaftem Betriebsverhalten.
Grundgedanke, Brauchbarkeit und Einzelheiten der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende
Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, wo jeweils entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet sind, deutlicher und vollständiger offenbar. Es stellen dar:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Transistors,
der für e ine Verwendung im Sinne der Erfindung geeignet ist,
Fig. 2 ein Schaltsymbol für einen Transistor nach Fig. 1,
Fig. 3 - S und 19
Schaltbilder bevorzugter Ausführungs-. formen von erfindungs&emäßen Schaltkreisen,
BAD ORIGINAL 909820/0469
Pig. 9-14
grafische Darstellungen von Kennlinien,
Pig. 15, 16 und 17
Schaltbilder von Schaltkreisen, in welchen die Erfindung zur Ausführung
kommt,
Pig. 18 eine grafische Darstellung von Kennlinien,
Pig. 20 und 21
Schaltbilder, auf welche zum Zwecke
der Erläuterung Bezug genommen wird, ™
Pig. 22, 23, 24 und 28
grafische Darstellung en von Kennlinien
und
Pig. 25, 26 und 27
Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Erfindung mit Schaltelementen
für einen Überlastungsschutz.
Die in Pig. 1 dargestellte PiT-Tetrode umfaßt
eine p-Typ-Halbleitergrundschicht 1 (beispielsweise aus
Silizium), in einem gegenseitigen Abstand d auf der Grundschicht 1 gebildete n-Typ-Bereiche 2 und 3, einen
zwischen den beiden n-Typ-Bereichen 2 und 3 befindlichen n-Typ-Leiterkanal 4, eine Isolatorschicht 5 (beispielsweise
aus Siliziumdioxyd), eine Quellenelektrode S und eine Ableitungsalektrode D, welche jeweils mit
einem n-Typ-Bereich 2 bzw. 3 ohmschen Kontakt haben,
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ORiGiNAL INSPECTED
eine erste, auf der Oberfläche der Isolatorschicht 5, in einem den Leiterkanal 4 überdeckenden Bereich befindliche
Steuerelektrode G^ sowie eine zweite auf der Ilalbleitergrundschicht 1 gebildete Steuerelektrode Qp·
Die beiden n-Typ-Bereiche 2 und 3 sind zueinander symmetrisch angeordnet und aufgebaut, so daß die Quellenelektrode
S und die Ableitungselektrode D in wechselseitig vertauschter Beziehung benutzt werden können.
Ein Transistor der oben beschriebenen Art kann beispielsweise auf folgende Weise hergestellt werden. Sin
p-Typ-Siliziumhalbleiter mit einer Dicke von 200/u , einer
Breite von 500M und einer Länge, von 2 000 M sowie
einem spezifischen Widerstand von 2 Xl cm wird zur
Verwendung als Halbleitergrundschicht 1 vorbereitet. Auf einer Fläche der Halbleitergrundschicht werden in
einem gegenseitigen Abstand von 30M durch Diffusion zwei n-Typ-Bereiche 2 und 3 mit einer jeweiligen Breite
von 100£a und einer Tiefe von 5 m sowie einem spezifischen
Widerstand von 0,05ücm gebildet. Sodann wird
auf derselben Oberfläche in einer wasserdampfhaltigen Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1 2000C
eine Siliziumdioxydschicht 5 mit einer Dicke von 3 000 X
gebildet. Sodann werden unmittelbar oberhalb der n-Typ-Bereiche 2 und 3 Teile der Siliziumdiacydschicht 5 entfernt,
so daß die betreffenden Teile der n-Typ-Bereiche 2 und 3 zugänglich sind, und eine Quellenelektrode S
- 7 9 09820/0469
ORIGINAL INSPECTED
- Y
sowie eine Ableitungselektrode D werden jeweils mit den betreffenden freiliegenden Teilen verbunden. Auf der
Außenseite der Slliziumdioxydschioht 5 wird eine erste Steuerelektrode G., derart aufgebracht, daIi sie den Abstand
zwischen den beiden n-Typ-Bereichen 2 und 3 überspannt, und eine zweite Steuerelektrode Gp wird auf die
Halbleitergrundschicht 1 aufgezogen.
Sodann wird an die soweit vorbereitete Halbleiteranordnung zwischen den beiden Steuerelek^roden "
G1 und Gp eine Gleichspannung von TO V in einer solchen
Richtung angelegt, daß die Elektrode G- gegenüber der
Elektrode G? ein positives Potential erhält. Hierauf
erfolgt für die Dauer von 30 Minuten eine wärmebehandlung
der Anordnung bei einer Tomperatur von 350 C, wodurch
ein ausgezeichneter Leiterkanal 4 erzeugt wird. Die beiden Steuerelektro en Gw und Gp sind in erster
Linie für die Verwendung während dss Transistorbetriebes
mit einer Spannungsquelle in der unten beschriebe- ; nan Weise vorgesehen, doch können dieselben normalerv/eise
auch während der Herstellung des Transistors für die Bildung des Leiterkanal es benutzt v/erden.
Bin Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines elektronischen Schaltkreises
unter zweckmäßiger Verwendung einer Feldeffekt-
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ORIG1I>1AL IWSPt
tetrode mit zwei Steuerelektroden der beschriebenen Art, wobei sich eine besonders günstige und vorteilhalfte
Schaltung für die Anwendung einer Vorspannung sowie einer Eingangssteuerspannung ergibt.
Der Grundgedanke dieses erfindungsgemäßen Schaltkreises wird am besten anhand der folgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen verstanden.
Die in Fig. 1 gezeigte Peldeffekttetrode umfaßt
eine erste" Steuerelektrode Gr.. zur Steuerung des
Leiterkanales durc ■ die Isolatorschicht hindurch sowie eine zweite Steuerelektrode CL· zur Steuerung des Lei-.terkanales
mittels einer pn-Schicht. Wenn deshalb an einer jeden der beiden Steuerelektroden GL und Gp oder
an beiden Elektroden eine Vorspannung anliegt, können durch eine geeignet ausgewählte Größe der Vorspannung
verschiedene Kenngrößen wie Steilheit gm und Größe des Ableitungsstromes I^ bei einer Eingangsspannung V=O
nach Wunsch eingestellt werden, wodurch die Auslegung dieses Schaltkreises weitgehend erleichtert wird.
Insbesondere ist mit der Erfindung die Schaffung eines Schaltkreises ins Auge gefaßt, welcher zur
Eingabe einer Spannung einer Spannungsquelle an, beide
ORIGiNAL INSPECTED
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Steuerelektroden G-j und Gp der in Fig. 1 dargestellten
Feldeffekttetrode geeignet ist. Es ist wichtig, daß die Spannungsquelle zur Lieferung der an beiden Steuerelektroden
anliegenden Steuerspannung einen kleinen inneren Widerstand aufweist. Da die Steuerelektrode G1 und die
in umgekehrtem Sinne vorgespannte Steuerelektrode Gp
einen sehr kleinen ülingangswiderstand haben, wenn mit
denselben eine Stromquelle verbunden ist, verschieben sich sehr leicht die Potentiale dieser Elektroden, und
die Potentiale werden durch das von der statischen ™
Elektrizität der in der Atmosphäre befindlichen Gegenstände beeinflußt, oder eine Störung wird induziert, so
daß eine stabile Betriebsweise unmöglich ist. Wenn der Innenwiderstand der Spannungsquelle sehr klein im Vergleich
zum Eingangswiderstand der Steuerelektroden G^ und Gp ist, kann man gute Ergebnisse erzielen. Ferner
kann man zur Überbrückung für hohe Frequenzen von einem Kondensator zur Herabsetzung des Widerstandes Gebrauch
machen. (
Eine in Fig. 3 dargestellte Ausführungaform der Erfindung erläutert den Fall, wo die erste Steuerelektrode
Gr-. an die Quelle einer Eingangssteuerspannung
V angeschlossen iat und eine Vorspannungsquelle E zwi-
sehen dem zweiten Steuergitter (Jp und der Quellenelektrode
8 liegt. Der Schaltkreis umfaßt weiterhin einen
- 10 909820/0463
INSPECTED
- IU -
Belastungswiderstand Rj- sowie eine Steuerleistungsquelle
zur Lieferung einer Quellenspannung V™.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach
Fig. 4 zeigt den Fall, wo die Quelle für die Eingangssteuerspannung
V mit der zweiten Steuerelektrode S^ verbunden
ist und eine Vorspannungsquelle E zwischen der ersten Steuerelektrode G^ und der Quellenelektrode S
liegt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung
nach Fig. 5 erläutert den Fall, wo die Vorspannungsquelle E wie in dem Beispiel der Fig. 3 zwischen den
beiden Steuerelektroden GL und S2 angeschlossen ist.
Bei einem jeden der oben in den Fig. 3, 4, und 5 dargestellten Schaltkreise kann man die Stellungen der
Quellen- und Ableitungselektroden gegeneinander austauschen.
Zur Erzeugung der Vorspannung E in den oben beschriebenen Schaltkreisen kann man die Spannung der
Steuerleistungsquelle V^„ teilen, beispielsweise mittels
eines Widerstandes R nach Fig. 6 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3>
und die geteilte Spannung kann als Steuerapannung E eingespeist werden. Da in
ORiGiNiAL INSPECTED
- 11 909820/0463
diesem Falle zwischen dem Steuergitter G1 und der Quellenelektrode
S eine pn-Schicht liegt, wird die Vorspannung E wie oben beschrieben in umgekehrtem Sinne angelegt.
In dem Falle, wo nach Fig. 4 die Vorspannung an dem ersten Steuergitter G.. anliegt, kann man für die
Vorspannung E eine unabhängige Spannungsquelle benutzen,
da die Steuerelektrode G-, auf einer Isolatorschicht aufliegt.
Dementsprechend kann man die Vorspannungsquelle in einfacher V/eise aufbauen, und dies bietet den Vorteil
einer sehr kleinen Steuerleistung, im allgemeinen Null. Zur Erzeugung einer Vorspannung kann man in diesem Falle
beispielsweise nach Fig. 7 mittels einer Diode r eine Wechselspannung gleichrichten, so daß man eine Gleichspannung
erhält. In diesem Falle wirkt ein eingefügter Kondensator C zur Ausschaltung nachteiliger, von einer
Induktion oder innerer Rückkoppelung herrührender Einflüsse. Wenn man anstelle des Kondensators C einen vorgeladenen
Kondensator benutzt, kann man nur mittels dieses Kondensators für lange Dauer eine stabile Vorspannung
erhalten.
Ein wesentlicher, zu beachtender Vorteil liegt darin, daß man infolge der Anordnung der Steuerelektrode
G- auf einem Isolator sowohl eine positive als auch eine negative Spannung anlegen kann, was eine
- 12 -
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INSPECTED
_ 12 _ U89054
groI3e Freizügigkeit in den Betriebsbedingungen mit sich
bringt. Dieselben Überlegungen gelten auch, für den in Pig. 5 erläuterten Fall, wo auch der in Fig. 8 gezeigte
Anschluß eines vorgeladenen Kondensators C ausreichend ist.
Wenn auch im vorigen bevorzugte Ausführungsformen von Vorspannungsquellen beschrieben sind, kann
man doch andere Arten solcher Spannungsquellen vorsehen. Weitere Seispiele sind: Spannungselemente mit konstanter
Spannung wie Speicherzellen, leistungsgleichrichter und
Dioden mit konstanter Spannung; Teilspannungen anderer
Leistun^squellen; geladene Kondensatoren; Kombinationen
von Stromquellen und Widerständen. Die notwendige Bedingung ist, daß die Quelle eine Größe in Form einer
Spannung liefert. Wenn man unter diesen zur Verfügung stehenden Quellen eine solche Quelle benutzt, bei der
bei fehlender Stromentnahme wie beispielsweise bei einer Luftsauerstoffzelle der Aufbrauch vernachlässigt werden
kann, sind Schalter überflüssig, und ein derartiger Schaltkreis wird in der Praxis eine große Betriebssicherheit
aufweisen. Weiterhin kann die Vorspannung £ mit
dem Eingangssignal V oder mit der Quellenspannung; V---,
synchronisiert sein, oder sie kann euch unabhängig von diesen Spannungen sein.
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- Γ5 -
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Ist folgenden sollen die Kennlinien der verschiedenen, oben beschriebenen Schaltkreise betrachtet werden. Zunächst sind für die Vorspannung EaO
(kurzgeschlossene Anschlußklemmen der Vorspannung E) in den Fig. 9f 10 und 11 jeweils für verschiedene Eingangs
spannung en V die Vjjg-Ijj-Kennlinien der Schaltkreise
nach den Pig. 4» 5 und 6 dargestellt. Die Kurven für Y > 0 werden in den Fig. 10 und 11 jeweils in
Abhängigkeit von der Größe des Widerstandes der Signal- Λ
quelle verschieden. Pur V >
0 steigt der Strom I-~ mit
abnehmendem Widerstand der Signalquelle an. Wenn der Signalv/iderstand in der Nähe der Stromsteuerung groß
ist, ergibt sich für V >0 nur ein schmaler Bereich.
In Fig. 12 sind durch die Kurven A, B und 0 jeweils die V -I^-Kennlinien für den Fall V^3 = 6 Volt
dargestellt. Für eine konstante Quellenspannung Vj.g =
6 Volt sind für verschiedene Vorspannungen E die V-I-Q-Kennlinien
in den Fig. 13 und 14 gezeigt, welche jeweils den Fig. 9 und 10 entsprechen.
Aufgrund dieser^erschiedenen Kennlinien kann man die folgenden Überlegungen anstellen. Da bei dem
Schaltkreis nach Fig. 3 die erste Steuerelel::rode Gr^
über einem Isolator angeordnet ist, wird der Eingangs-•viderst-nd
außerordentlich hoch (1015Xl bis 1015Jl),
-H-909820/0469 BAD ORIGINAL
-H-
und die Eingangsspannung V mit positivem öder negativem
Vorzeichen kann den Ableitungsstroia 1·^ steuern. Die Wer
te V > 0 entsprechen dem mit gestrichelten Kurven bedeckten Bereich der Fig. 9. Wenn die Eingangespannung
einen V/ert der Größe V i+ 0,5 Volt annimmt, fällt der
Ein^angswiderstand bei den Schaltkreisen nach den Fig. :
4 und 5 merklich ab, der Widerstand der Signalquelle wird groß, und im Falle einer konstanten Stromsteuerung
erhält man das unerwünschte Ergebnis, daß eine lineare Steuerung nicht möglich ist. Für v/erte V ^ 0, d.h. bei
Verwendung einer an der zweiten Steuerelektrode G? an~
liegenden Eingangsspannung V mit entgegengesetzter Polarität bezüglich der pn-Schicht, ergibt sich der Vorteil,
daß die Steilheit gm größer als bei dem Schaltkreis nach Fig. 3 ist (gm = 0,2 millimho bis 0,4 millimho).
Die Steilheit eines Schaltkreises nach Fig. 4 liegt zwischen gm = 0,5 millimho und 0,8 millimho und diejenige
eines Schaltkreises nach Fig. 5 zwischen 0,8 ■ millimho und 1,5 millimho. Bekanntlich ist gm =Δ1^/^Υ
Nach Fig. 13 kann man ferner bei V,. = 0 den Ableitungs-
strom I-pj mittels der Vorspannung E nach Belieben steuern,
wobei sich der 7/ert von gm nicht stark ändert.
Aus den obigen Überlegungen erhält man das Ergebnis, daß ein Schaltkreis der in Fig. 3 gezeigten
Art dann außerordentlich wirkungsvoll ist, wenn er innerhalb
einer seriengesteuerten Stromkon .tanthalter-
BAD ORIGINAL
909820/0469
ι -j -
schaltung nach Pig. 15 verv/endet wird. Bei einer derartigen
Schaltung wird im einzelnen die Differenz zwischen der Zenerspannung einer Zenerdiode Z und der Klemmenspannung
eines Bezugswiderstandes R mittels eines npn-Transistors T verstärkt, dessen Ausgangespannung (entsprechend
dem Spannungsabfall im V'/iderstand Rp) an den Elektroden Gr1 und S des Feldeffekttransistors P anliegt,
um den in dem Belastungswiderstand Rt fließenden Strom
I-j- (gleich dem Ableitungsstrom Ij.) auf einem konstanten
Wert zu halten. ™
Da bei diesem Stromkonstanthalter der V/iderst?nd zwischen der Ableitun^selektrode D und dem ersten
Steuergitter CL, wie bereits erwähnt, sehr groß ist,
verschwindet der über den Zweig D-GL-T-Z zu dem BeIastttngsv/iderstand
Rjfließende Strom im v/esentlichen, auch nenn die Quellenspannung 3g schwankt. Man kann
folglich einen außerordentlich stabilen Strom erzielen. Da weiterhin an der Steuerelektrode GL eine negative i
Spannung anliegen kann, kann die zum 3etrieb des Transistors
T erforderliche Leistung auf der Ausgangsseite über den Vilerstand Rg entnommen werden, ohne daß eine
'jenonderte opannungsquelle erforderlich ist. iierdurch
wird der Schaltkreis vereinfacht.
1(]ine an dem Snannun^steilerwiderstand R, abgenommene
Vorspannung liegt an der Steuerelektrode Gp.
909820/0463 -16-
Die ßetriebsvorspannungen der Transistoren I und i1 v/erden
durch Einstellung des Widerstandes R^ und der Spannungszelle
E auf jeweils geeignete Y?erte eingestellt. Die Einstellung des Beiae^ungsstromes erfolgt durch
Einstellung des .Widerstandes R .
Der Einfluß der Vorspannung E wird im folgenden erläutert. Wenn die Steuerelektrode G-p durch die
Vorspannung E gegenüber der Quellenelektrode S auf
einem positiven Potential gehalten vvird, erhält die Steuerelektrode ein dem Spannungsabfall in R., entsprechendes
negatives Potential bezüglich der ^usllenelektrode
S. Aus diesem G-runde kann man einen hochohinigen
Belastungswiderstand für den Transistor T auswählen, so daß man eine große Spannungsverstärkung und eine
verbesserte Stabilität erhält.
der oben beschriebene Schaltkreis mit einer Schaltgruppe nach den Fig. 4 oder 5 bestückt ist,
wird die Stabilität schlecht, da der widerstand zwischen der Ableitungselektrode D und der Steuerelektrode Gp
klein ist. Y/enn auch die Schaltkreise nach den Pig. 4 und 5 im wesentlichen dieselben Kennlinien haben, hat
der in Fig. 5 gezeigte Schaltkreis die größte Steilheit gm. Wenn folglich nach J?ig. 16 die beiden Steuerelektroden
- 17 -
909820/.0469
BAD ORIGINAL
Gr.. und 1Grρ miteinander kurzgeschlossen sind und der Spannungsabfall
eines Widerstandes R^ an diesen kurzgeschlossenen Elektroden anliegt, wird der widerstand zwischen den Anschlußpunkten
A und 3 sehr groß, und ein konstanter Strom 7/ird an den Belastungswiderstand RT abgegeben. Bei diesem
Schaltkreis kann die Größe dieses Stromes mittels einer entsprechenden Einstellung einer Vorspannung E oder mit-
el
tels eines an die Steuerelektroden G^ und G2 angeschlossenen
Abgriffes des Widerstandes R, eingestellt werden.
Da in dem Schaltkreis nach Fig. 4 die Steilheit
gm mit dem Ableitungsstrom Ij. ansteigt, wie in Fig.
13 dargestellt ist, kann man durch Anlegen einer positiven Spannung an die erste Steuerelektrode G^ nach Fig. 7
und durch Anlegen eines Eingangssignales V an die zweite Steuerelektrode Gp einen Verstärker mit hoher Spannungsverstärkung erhalten. Wenn mit einem derartigen Schaltkreis
ein mehrstufiger Verstärker oder ein logischer
Schaltkreis aufgebaut werden soll, kann man zweckmäßigerweise durch Benutzung eines Spannungsteilerwiderstandes aus einer Spannungsaueile verschiedene Vorspannungen für verschiedene Anschlußelemente entnehmen, da beide
Steuerelelitroden G.. und G2 einen hohen Eingangswiderstand aufweisen. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in Pie. 17 gezeigt.
Schaltkreis aufgebaut werden soll, kann man zweckmäßigerweise durch Benutzung eines Spannungsteilerwiderstandes aus einer Spannungsaueile verschiedene Vorspannungen für verschiedene Anschlußelemente entnehmen, da beide
Steuerelelitroden G.. und G2 einen hohen Eingangswiderstand aufweisen. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in Pie. 17 gezeigt.
lenn auch bei allen Ausführungsformen der Erfindung die Steilheit gm mit zunehmendem Ableitungsstrom
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~ BAD OF,lGiNAL
Ij, ansteigt, muß die Belastung verkleinert v/erden, um
den Ableitunr;;sstrom I-, zu vergrößern. Dementsprechend
darf die Güte eines Schaltun^saufbaues nicht nur unter
dem Gesichtspunkt einer großen Steilheit gm betrachtet werden, sondern die Größe der zulässigen Anschlußbelastung
bildet einen v/eiteren Jaktor, der zu berücksichtigen
ist. Deshalb ist ein Schaltkreis vorzuziehen, welcher einen Bereich mit großen (gm/l-pJ-Y/erten aufweist.
Diese Beziehune· kann nach .Fig. 18 durch Kennlinien
dargestellt werden, die man aus den in Fig. 13 angegebenen 7'erten erhält. Die in Pig. 18, welche dem
in Fig. 3 dargestellten Fall entspricht, eingetragenen
Ergebnisse zeigen deutlich, daß man zur Erzielung eines großen (gm/l-D)-i/ertes den Schaltkreis zweckmäßigerweise
so auslegt, daß der Ableitun-sstrom I^ mittels einer
Vorspannung E innerhalb des kleinen »'ertebereiches gehalten wird. Mittels einer Anordnung nach Fig. 19>-wo
der Ableitungsstrom I^durch eine Vorspannung E oder mittels eines Widerstandes r auf einem kleinen V/ert ge-
halten v/ird, kann man beispielsweise mittels derselben
Steuerleistungsquelle V„ eine hohe Verstärkung erzielen.
In weiterer Zielsetzung bezweckt die vorliegende Erfindung die Schaffung von Schaltgliedern zur
Γ-ΛΟ OPIGINAL
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19 - H89U54
Verhinderung eines iiberstromes in elektronischen Schaltkreisen rait einem RtDT, wie im folgenden beschrieben
wird.
Wenn beispielsweise bei einem Schaltkreis nach Fig. 20 oder 21 infolge eines Fehlers die AbleitungsspannunT
Vn,, mit umgekehrter Polarität angeschlossen wird
oder wenn eine Spannung in Flußrichtung an der zweiten Steuerelektrode G0 anliest, wird ein großer Ableitunzs-
strom, b.'iw. ein Elektrodenstrom durch den Leiterkanal ^
des Transistors F fließen, was zu einer Zerstörung des Schaltelementes infolge überhitzung führen kann. Es besteht
außerdem die Gefahr, da£ ein Überstrom --leichzeiti.;-durch
an die Steuerelektroden, die Sparmun~squelle
oder die Ableitun ;;selektrode angeschlossene äußere
Schaltkreise fließt und dieselben zerstört. Deshalb muß man notwendigerweise bei einem derartigen FET eine
S'chutzschaltstuf e zum Schutz gegen Überströme der oben beschriebenen art vorsehen. (
Der Fall, wo bei dem in Fig. 20 dargestellten Schaltkreis die Steuerleistungsspannung VQa über eine
Diode d an der Ableitungselektrode D anliegt, ist in Fi... 25 erlr.utert. Bei dem in Fig. 25 gezeigten Schaltkreis
wird mittels des o]oerrwiderstandes der Diode d der
überstrom unterdrückt, welcher zwischen der Quellenelektrode S und der Ableitungselektrode D fließen würde,
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BAD ORIGINAL
wenn dieselben fehlerhaf ter?/eise mit falscher Polung
angeschlossen würden. D.h. die T^-I^-Kennlinie nimmt
in diesem Pail eine in Fig. 22 in gestrichelten Linien eingetragene Form an, und der Strom in Sperrichtung
wird sehr klein.
In diesem Fall wird die an der Ableitungselektrode -D anliegende Spannung zum Teil durch den
Spannungsabfall in Durchlaßrichtung in der Diode verbraucht,
und dieses bringt den Hachteil einer Einengung desjenigen Bereiches mit sich, innerhalb dessen eine
normale Arbeitsweise nach Fig. 22 möglich ist. Mit einem FET ist jedoch die untere Grenze durch die Abschneidespannung
bestimmt und liegt normalerweise zwischen ToIt und 10 ToIt, während bei Terwendung einer Siliziumdiode
als Diode d der Spannungsabfall in derselben 1 ToIt oder weniger beträgt, was normalerweise kein Problem
darstellt. 7enn eine derartige Maßnahme in Terbindung mit einem normalen Transistor mit Trägerinjektion angewandt
würde, würde die untere Grenze des möglichen Arbeitsbereiches sehr stark beeinträchtigt.
Bei dem in Fig. 25 gezeigten Schaltkreis wird ferner mittels einer Anordnung, Avonach eine Diode
d. zur Weitergabe einer Spannung T mit der zweiten Steuerelektrode G2 verbunden ist, der bei Vierten der
Spannung T >0 auftretende unzulässige Elektrodenstrom
» CD
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unterdrückt. D.h. die V^-I^-Kennlinie nimmt in diesem
lalle eine in Fig. 24 in gestrichelten Linien eingezeichnete
Form an, und sowohl für positive als auch für negative Spannungen Y^ wird der Elektrodenstrom I„
auf sehr kleine 'Werte begrenzt. Bei dieser in Fig. 26
dargestellten Schaltung liegt die Diode d-, in der der
pn-Schieht zwischen der zv/eiten Steuerelektrode Gp un^
der Quellenelektrode S ("bzw. Ableitungselektrode D)
entgegengesetzten Richtung. Die Diode d? erfüllt fer-
ner dieselbe Aufgabe wie die Diode d nach Fig. 25. ^
Jeder der erfindungsgemäßen Schaltkreise nach
Fig. 24 bzw. 25 ist zur Überstromunterdrückung mittels
einer Diode d (bzw. d.. und d^) ausgelegt, wenn gleichzeitig
eine Spannung von einer Spannungsquelle (V-ηα oder
V„) an eine Elektrode (S, D oder Go) auf einer Seite der
pn-Schicht angelegt wird. Man kann also anstelle der oben genannten Diode auch die pn-Schicht eines Stromregeltransistors
benutzen. Der Schaltkreis nach Fig. 27 ■ ( weist zusätzlich einen normalen npn-Transistor T auf
und ist so ausgelegt, daß an der Ableitungselektrode D und der Quellenelektrode S des Transistors F Spannung
von der Spannungsquelle über die pn-Schicht zwischen Basis
und Emitter des Transistors T anliegt. Die Kennlinien dieses Schaltkreises sind in Fig. 28 dargestellt,
woraus man ersieht, daß die Durchbruchspannung in
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Sperrichtung groß ist. Ferner ist im Ergebnis der iVert
der Gesamt steilheit um den Stromverstärkun/rsfaktor />
des 'Transistors T vergrößert.
Uacli der vorhergehenden Beschreibung sieht
die vorliegende Erfindung verschiedene Schaltkreise vor, bei leren jedem an eine erste, über einer Isolatorschicht
eines Feldeffekttransistors angeordnete
Steuerelektrode sowie an eine zweite, ü er einer pn-Schicht angeordnete Steuerelektrode eine oder zwei
Spannungsquellen angeschlossen sind, welche entweder an beide Steuerelektroden dieselbe Spannung oder eine
Eingangsspannung an eine Elektrode und eine Vorspannung an die andere Elektrode liefern. Man erhält hierdurch
Schaltkreise, welche in weitem Maße anpassungsfähig sind und wünschenswerte Eigenschaften wie hohe Verstärkung,
geringes Rauschen und Schaltstufen zur Erzeugung von Vorspannungen aufweisen und welche für praktische
Zwecke sehr wirkungsvoll eingesetzt werden können.
Weiterhin können innerhalb dieser erfindungsgemäßen Schaltkreise in vergleichsweise einfacher Yifeise
die oben beschriebenen Schaltstufen zur Unterdrückung von Überströmen ausgelegt werden.
Selbstverständlich bezieht sich die vorstehende
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Offenbarung nur auf bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung, und die Erfindung umfaßt alle Änderungen und Abwandlungen der zum Zwecke der Offenbarung der Erfindung
erläuterten Ausfülirungsbeispiele, welche nicht von dem Grundgedanken und Wesen der Erfindung abweichen,,
Patentansprüche:
0/0469·.,,-, , Biß
Claims (6)
1./ Elektronischer Schaltkreis mit einem Feldeffekttransistor,
gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor als Hauptbestandteil, welcher im wesentlichen
aus einem Halbleiter mit einem ersten Leitfähigkeitsverhalten, einem auf diesem Halbleiter gebildeten
Leiterkanal mit einem diesem ersten Leitfähigkeitsverhalten entgegengesetzten Leitfähigkeitsverhalten, Quellen-
und Ableitungselektroden an jeweils entgegengesetzten Enden des Leiterkanales, einer ersten Steuerelektrode
oberhalb einer auf dem Leiterkanal befindlichen Isolatorschicht und einer zweiten, auf dem Halbleiter befindlichen
Steuerelektrode besteht, ferner durch eine über eine Belastung an diese Quellen- und Ableitungselektroden angeschlossene SteuerleJsfcungsquelle und
schließlich durch eine mit den beiden Steuerelektroden und der Quellenelektrode verbundene Spannuilgsquelle.
2. Elektronischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor, welcher im wesentlichen
aus einem Halbleiter mit einem ersten Lextfähigkeitsverhalten,
einem auf dem Halbleiter gebildeten Leiterkänal· mit einem diesem ersten Lei ti äihi'gkei tsver- ■
halten entgegengesetzten LeitfähigkeitsveThalten,
- 25 - T489054
Quellen- und Äbleitungselektroden an jeweils entgegengesetzten
Enden des Leiterkanales und einer auf dem Halbleiter angeordneten Steuerelektrode bestellt, und
ferner duroh einen geschlossenen Spannungszuführungskreis,
welcher den Iieiterkanal, eine an mindestens einer
Stelle dieses geschlossenen Schaltkreises in Reihe eingefügte Diode umfaßt, welche zur Unterdrückung von
in dem Leiterkanäl fließenden Überströmen mit entsprechender Durchlaßrichtung eingefügt ist.
3. Elektronischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor, welcher im wesentlichen
aus einem Halbleiter mit einem ersten Leitfähigkeitsverhalten, einem auf dem Halbleiter gebildeten
Iieiterkanal mit einem diesem ersten Leitfähigkeitsverhalten entgegengesetzten leitfähigkeitsverhalten, Quellen-
und Ableitungselektroden an jeweils entgegengesetzten Bilden des Leiterkanales und einer auf einer oberhalb
des Leiterkanales gebildeten Isolatorschicht vorgesehenen Steuerelektrode besteht, und ferner durch
einen geschlossenen Spannungsauführungskreie, welcher
den Leiterkanälι §ine an mindestens einer Stelle dieses
geschlossenen Sßhältkreises in Reihe eingefügte Diode '
umfaßt» welche Müj? Unterdrückung von in dem Leiterkanäl
fließenden tjberitrb'i&en mit ehtipreöhender Durchlaßriöh*
tung eingifüg/fc ist * .
- 26 *
i0iiiö/04ii
4. Elektronischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor, welcher im wesentlichen
aus einem· Halbleiter mit einem ersten Leitfähigkeitsverhalten, einem auf dem Halbleiter gebildeten
Leiterkanal mit einem diesem ersten Leitfähigkeitsverhalten entgegengesetzten Leitfähigkeitsverhalten, Quellen-
und Ableitungselektroden an jeweils entgegengesetzten Enden des Leiterkanales und Steuerelektroden .
jeweils auf dem Halbleiter und auf einer oberhalb des Leiterkanales gebildeten Isolatorschicht besteht, und
ferner durch einen geschlossenen Spannungszuführungskreis,
welcher den Leiterkanal, eine an mindestens einer Stelle dieses geschlossenen Schaltkreises in Reihe
eingefügte Diode umfaßt, welche zur Unterdrückung von in dem Leiterkanal fließenden Überströmen mit entsprechender
Durchlaßrichtung eingefügt ist.
5. Elektronischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor, welcher im wesentlichen
aus einem Halbleiter mit einem ersten Leitfähigkeitsverhalten, einem auf dem Halbleiter gebildeten Lei«-
terkanal mit einem diesem ersten LeitfMhigkeitsverhalten
entgegengesetzten Leitfähigkeitsverhalten sowie einer Steuerelektrode auf dem Halbleiter besteht, und
ferner durch eine Schaltungsanordnung, welche einen Mohtansöhluß mindestens der Quellen- und Abltitungs-
ORIGINAL INSPECTS)
- 27 -'
909820/0469
elektroden an eine Elektrode eines Halbleiterelementes mit einer pn-Schicht in einer solchen Weise bewirkt,
daß eine Steuerleistungsquelle über diese pn-Schicht angeschlossen wird.
6. Elektronischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor, welcher im wesentlichen aus einem Halbleiter mit einem ersten leitfähigkeitsverhalten,
einem auf dem Halbleiter gebildeten J Leiterkanal mit einem diesem ersten Leitfähigkeitsverhalten
entgegengesetzten Leitfähigkeitsverhalten sowie einer auf einem oberhalb des Leiterkanales gebildeten
Isolatorsehicht vorgesehenen Steuerelektrode, besteht, und ferner durch eine Schaltungsanordnung, Vielehe einen
Richtanschluß mindestens der Quellen- und Ableitungselektrode an eine Elektrode eines Halbleiterelementes
mit einer pn-Schicht in einer solchen Weise bewirkt, daß eine Steuerleistungsquelle über diese pn-Schicht
angeschlossen wird.
7ο Elektronischer Schaltkreis, gekennzeichnet durch einen Feldeffekttransistor, welcher im wesentlichen
aus einem Halbleiter mit einem ersten Leitfähigkeitsverhalten,
einem auf dem Halbleiter gebildeten Leiterkanal mit einem diesem ernten 'Leitfähigkeitsverhalten
entgegengesetzten Leitfähigkeitsverhalten sowie
-28
-28- H 489054
Steuerelektroden jeweils auf dem Halbleiter und auf
einer oberhalb des· Leiterfeanales gebildeten Isolatorschicht
besteht, und ferner durch eine Schaltungsanordnung,welche
einen Richtanschluß mindestens der Quellen- und Äbleitungselektroden an eine Elektrode eines HaIbleiterelementes
mit einer pn-Schieht in einer solchen V/eise bewirkt, daß eine Steuerleistungsq.uelle über
diese pn-Schicht angeschlossen wird.
ORIGINAL fNSPECTED
90982Q/CU69
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