DE2231933C3 - Festkörperschalter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Festkörperschalter aus zwei komplementären Metall-Oxyd-SUicium-Oberflächen-Feldeffekttransistoren
(nachfolgend als MOS-Transistoren bezeichnet) von denen der eine eine N-leitende und der andere eine P-leitende Kanalstrecke
umfaßt wobei die beiden MOS-Transistoren parallel geschaltet sind und als Analogschalter Verwendung
finden können.
Bei komplementären MOS-Halbleiteranordnungen als Analogschalter, die parallel geschaltet sind, stellt das
eine Elektrodenpaar aus einer zusammengeschalteten Quelle und 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 Abschaltwiderstände
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 Informatik
nen, die bei der Übertragung über den Schalter nicht verändert werden dürfen. Das heißt, daß das Ausgangssignal
eines solchen Schalters gegenüber df m Eingangssignal
gleich sein muß, oder nur linear proportional verändert sein dari. Diese Forderung stellt keine
besonderen Probleme bei langsam arbeitenden Relais, da der Widerstand zwischen dem Eingang und dem
Ausgang des Relais vernachlässigbar ist, wenn die Relaiskontakte geschlossen sind. Wenn jedoch Analogschalter
aus MOS-Halbleiteranordnungen 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 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 Va-s bezeichnet und ist die Quellen-Sub-
strat-Differenzspannung des bestimmten MOS-EIements.
Diese Sperrvorspannung hängt vom Eingangssignal ab und beeinflußt das MOS-Element durch die
Verursachung 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 Übertragungsleitungen an eine Muitiplexschaltung gegeben und von dieser miteinander
verschachtelt werden, kann die Amplitude dieser Signalinformationen am Ausgang der Multiplexschaltung
den eingangsseitigen Werten nicht mehr entsprechen. Daher wird die Genauigkeit der Übertragung über
Festkörperrelais in Frage gestellt, wenn Analogscha'ter in Form konventioneller MOS-Halbleiteranordnunfeen
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 gennge Veränderung dieser Spannung aufgrund des
inneren Widerstandes des Festkörperrelais einstellen, wenn die zu übertragenden Spannungen an den
Grenzen des Übertragungsbereiches des Festkörperrelais liegen. Wenn jedoch die Spannungswerte sehr klein
oder im Bereich von Null liegen, verursacht der große Übertragungswiderstand vom Eingang zum 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 Moltiplexsystemen 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 entgegen
gesetzten 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 paral IeI 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 Wideistandsänderung des Übertragungswiderstandes 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 Kanalstrek-
ke, welches hauptsächlich zu den erwähnten Verzerrungen
beiträgt, da dessen Empfindlichkeit mit der Eingangsspannung V,„ veränderlich ist. Die Empfindlichkeit
des Elements mit der N-leitenden Kanalstrecke ist häufig das Dreifache der Empfindlichkeit des Elements
mit der P-Ieitenden Kanalstrecke in Abhängigkeit von
den Änderungen der Eingangsspannung. Es soll daher die Empfindlichkeit des Elements 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 Elements mit der P-leitenden Kanalstrecke ist. Die Empfindlichkeit der N-leitenden Kanalstrecke soll
jedoch verringert werden, indem entsprechend die Torschwellwertspannung VVverringert wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Festkörperschalter zu schaffen, der als Analogschalter
Verwendung finden kann und aus komplementären MOS-Halbleiter aufgebaut 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 notwendig sind, um die beiden Kanäle des
komplementären MOS-Schalters gleichzeitig leitend zu
machen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen vorhanden sind, um die Quelle des
einen MOS-Transistors mit seinem Substrat immer dann zu verbinden, wenn beide MOS-Transistoren durch
gleichzeitiges Anlegen von Torsignalen geeigneter Amplitude und Polarität leitend gemacht werden, wobei
die Änderung des Widerstandes über den Schalter (Übertragungswiderstand) beim Stromführen beider
MOS-Transistoren auf ein Minimum in Abhängigkeit von der Änderung eines Signals verringert wird, das an
eine der zusammengeschalteten Quellen und Senken der beiden Elemente angelegt ist.
Bei einem derartigen Festkörperschalter gemäß der Erfindung wird eine Verringerung der Empfindlichkeit
dadurch bewirkt, daß das Substrat des Elements mit N-leitender Kanalstrecke an die Quelle dieses Elements
über ein Hilfselement mit P-leitender 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke gleich Null
gehalten wird. Diese Bedingung Vq_s = 0 bewirkt eine
relativ flache Widerstandscharakteristik 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 Vq-S = 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
Widerstandskurvc des N-leitenden Kanals wird dessen Empfindlichkeit verringert, und da der N-Ieitende Kanal
parallel mit dem weniger empfindlichen P-Ieitenden
Kanal liegt, ergibt sich aus der Kombination der parallel geschalteten Widerstände für den Schalter eine
wesentlich geringere Änderung 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
/?s eine Funktion von \/(Vv„- Vt)ist. Dabei ist Vsg„die
Differenzspannung zwischen der Quelle des Elements mi; N-leitender Kanalstrecke und seinem Tor. Die
Torschwellwertspannung, bei welcher der N-Ieitende Kanal leitend gemacht wird, ist Vrn- Diese Größe Vjn ist
eine Funktion der[Vq-S» Indem V,, sn auf 0 verringert
wird, wird die Empfindlichkeit von Vrn in Abhängigkeit
von den Änderungen der Eingangsspanrung auf ein Minimum verringert. Wenn die Empfindlichkeit Krn auf
ein Minimum verringert ist, wird auch der Widerstand Rn entsprechend auf ein Minimum verkleinert. Ferner
ist VVeine Funktion von Vq „ wobei V, = K1n für große
Lastimpedanzen ist. Wenn daher das Substrat der N-leitenden Kanalstrecke mit der Quelle der N-leitenden
Kanalstrecke verbunden ist, geht die Differenzspannung zwischen der Quelle und dem Substrat auf Null
zurück. Damit wird die Differenzvorspannung eliminiert, die bisher die Empfindlichkeit der N-leitenden
Kanalstrecke bestimmt hat. Damit ändert sich auch der Ausdruck Vi nicht mehr wesentlich mit der Eingangsspannung V1* Wenn sich aber der Ausdruck Vt nicht
mehr ändert, wird auch der Widerstand Rn 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 MA Vv„ und nicht mehr proportional
dem Ausdruck M(A Vhg„—ATn) ist. Indem nunmehr 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 man 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 de;
Eingangssignals gleich der Differenz zwischen der Schwellwertspannungen der komplementären MOS·
Halbleiteranordnung ist Ein solcher Festkörperschaltei
stellt ein verbessertes Festkörperrelais dar, bei dem di« Änderung des Eingangs-Ausgangswiderstandes füi
Änderungen des Eingangssignals auf ein Minimurr herabgedrückt werden, wobei gleichzeitig das Substra
des Elements mit der N-leitenden Kanalstrecke au demselben Potential gehalten wird, wie die Quelle
dieses Elements. Diese Aufrechterhaltung desselber
Potentials läßt sich mit Hufe des zusätzlichen Elements
mit P-Ieitender Kanalstrecke bewirken, das auf demselben integrierten Halbleiterplättchen angebracht werden
kann und welches während der Zeit, während welcher der Schalter leitend ist, ebenfalls leitet. ■-,
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, wobei aus der Beschreibung des
Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprü- κι chen und der Zeichnung weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung hervorgehen. Es zeigt
F i g. 1 das Schaltschema eines bekannten Analogschalters mit komplementären MOS-Transistoren, wobei
aie komplementären Elemente paraiiei geschaltet r>
sind,
F i g. 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 Kanaistrecke 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 2r> ansteuerbar ist,
F i g. 3 ein Diagramm der Eingangs-Ausgangswiderstandscharakteristik
als Funktion einer Eingangsspannung bei bekannten MOS-Transistoren, woraus ein nichtlinearer Verlauf entnehmbar ist, j»
F i g. 4 das Diagramm der Eingangs-Ausgangswiderstandscharakteristik
als Funktion der Eingangsspannung für beide Hälften eines bekannten Analogschalters
aus komplementären MOS-Transistoren gemäß Fig. i, wobei in dem Diagramm auch der zusammengesetzte π
Eingangs-Ausgangswiderstand der komplementären Anordnung dargestellt ist,
F i g. 5 ein Diagramm des Eingangs-Ausgangswiderstandes für die beiden Hälften eines Analogschalters
gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und ferner den zusammengesetzten
Eingangs-Ausgangswiderstand als Funktion derselben Eingangsspannung,
F i g. 6 die Überlagerung der Diagramme gemäß den Fig.4 und 5, woraus sich vergleichsweise der
Widerstandsverlauf für einen bekannten Analogschalter gegenüber dem Analogschalter gemäß der Erfindung
ergibt
F i g. 7 in graphischer Darstellung die Veränderung der effektiven Schwellwertspannungen der Transistoren
mit N-leitender und P-leitender Kanalstrecke als Funktion der Quellen-Substrat-Differenzspannung
V,-«.
Fig.8 einen Schnitt durch einen Analogschalter gemäß der Erfindung aus komplementären MOS-Transistoren,
bei dem der zusätzliche MOS-Transistor mit P-Ieitender Kanalstrecke dazu dient die Quellen-Substrat-Differenzspannung
auf Null zu halten,
Fig.9 die Anwendung des Analogschalters gemäß
der Erfindung in einem achtkanaligen Multiplex-Diffe- t>o
renzschalter,
Fig. 10 die Verwendung des Schalters gemäß der Erfindung für einen einzelnen Kanal einer lökanaligen
Multiplexanlage.
Der Aufbau eines bekannten Analogschalters mit komplementären MOS-Transistoren ist aus der US-PS
34 57 435 bekannt Die für diesen Aufbau und auch für den Analogschalter gemäß der Erfindung verwendeten
MOS-Transistoren mit N-leitender und P-Ieitender Kanalstrecke sind Elemente vom Anreicherungstyp,
d. h. solche, die im Ruhebetrieb nicht leitend sind und erst durch eine, an die Tore der beiden Elemente
angelegte Spannung in den leitenden Zustand geschallet 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 Elements, jedoch von entgegengesetzter Polarität ist. Diese Substratvorspannung ist der
vorausstehend erwähnten Patentschrift nicht zu entnehmen, jedoch ist sie allgemein üblich. Demgegenüber ist
bei der trtindung vorgesehen, daU die Kuhevorspannung
für das Substrat bei dem Element mit N-leitender Kanalstrecke entfällt, und daß diese Vorspannung von
einem zusätzlichen MOS-Transistor mit P-Ieitender 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 V1n parallel zur Quelle an der P-leitenden
Kanalstrecke und zur Senke an der N-leitenden Kanalstrecke eingekoppelt. Dabei ist die Quelle mit D
und die Senke mit S bezeichnet. Das Ausgangssignal Vaus 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 auftretenden Spannungen folgende Annahmen gemacht. Die Potentialdifferenz
zwischen dem Eingangssignal und der Torspannung wird bei dem Element mit P-leitender Kanalstrekke
mit Vsgp bezeichnet und bezieht sich auf die
Spannungsdifferenz zwischen der Quelle der P-leitenden Kanalstrecke und deren Tor. Die Quellen-Torspannung
des Elements mit N-Ieitender Kanalstrecke wird mit Vv„ 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 Vq-sp
für das Element mit P-leitender Kanalstrecke und mit Va_jn für das Element mit N-leitender Kanalstrecke
bezeichnet Die Torspannung für das Element mit P-leitender Kanalstrecke wird mit - W und für das
Element mit N-leitender Kanalstrecke mit Vt gekennzeichnet
Der grundsätzliche Funktionsablauf der Schaltung gemäß F i g. 1 ergibt sich bei einem Eingangssignal V1n
wie folgt: Wenn dieses Eingangssignal V1n 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-Ieitender Kanalstrecke wesentlich weniger rasch als der Abfall des Widerstandes im
Element mit N-leitender Kanalstrecke, woraus sich die Empfindlichkeit des Elements mit N-leitender Kanalstrecke
auf Veränderungen oder Schwankungen des Eingangssignals ergibt. Die in F i g. 1 und 2 dargestellten
MOS-Transistoren sind Elemente vom Anreicherungstyp, so daß sie beim Anlegen des Torpotentials
eingeschaltet werden. Wenn die Tor-Quellenpotcntialc
Vsg sowohl des Elements mit N-leitender als auch mit
P-Ieitender Kanalstrecke kleiner als deren Schwellwertspannungen Vt sind, stellen diese einen offenen
Schaltkreis dar, so daß der Eingangs-Ausgangswiderstand in der Größenordnung von 1012 Ohm liegt Dieser
Abschaltwiderstand hängt von den Sperrströmen an den Halbleiterübergängen ab. Die Schwellwertspannung
Vt wird als dasjenige Tor-Quellenpotential Vsg
definiert, das notwendig ist, um eine starke Oberflächeniversionsschicht für den leitenden Kanal zu schaffen. Für
VSg> Vt befindet sich der 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
Schai'ers bei entsprechender Auslegung auf einen Wert
zwischen größenordnungsmäßig 100 Ohm 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:
-Τ· Γ Κ'(ί..Γ
1OX^eJX L
wobei
VT..r =
In diesen Gleichungen sind μ, F0x, Tox, Zp, Lefr, ΦFund
VTa physikalische Parameter. Wobei
μ die Beweglichkeit der Majoritätsträger
Fox die Permeabilität des Tor-Dielektrikums
Tox die Dicke d ;s Tordielektrikums
Zp die Breite des leitenden MOS-Kanals
Lev die Länge des leitenden MOS-Kanals
ΦF das Fermi-Potential des Siüciummaterials
Vto die Schwellwertspannung für Vq-S = Oist
Da der Schalter aus einem Element mit P-leitender Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand Rp sowie
einem Element mit N-leitender Kanalstrecke und einem Kanalwiderstand Rn zusammengesetzt ist, ergibt sich
für den Eingangs-Ausgangswiderstand mit den beiden Schalterhälften in Parallelschaltung der Widerstand
R =
wenn der Schalter eingeschaltet ist Wenn die Torspannung, welche den Schalter leitend macht,
±8 Volt beträgt und eine Eingangsspannung von + 8VoIt anliegt, hat das Element mit P-Ieitender
Kanalstrecke eine Quellen-Tor-Potentialdifferenz Vigl,
von 16 Volt und ein Quellen-Substrat-Potential Vq-Sp
von O 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 Vsgn<
Vn und da V9..,= 16 Volt sind. Wenn die Eingangsspannung gegen
-8 Volt angehoben wird, steigt das Quellen-Substratpotential K1J-S3 des Elements mit P-leitender Kanal
strecke an, womit auch der Widerstand Rp zunimmt Der
Widerstand Rn nimmt wegen der größeren Werte Vsg„
und der kleineren Werte Vq-M 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 ν,,_5ηgroß ist, ergibt sich
auch ein hoher Widerstand Rn. Wie aus Fig.2
hervorgeht, kann durch das Zusammenschalten des Substrats des Elements mit N-leitender Kanalstrecke
mit dessen Quelle V9-Jn auf den Wert O gebracht
werden, womit der Gesamtwiderstand Rn des Elements mit N-leitender Kanalstrecke abnimmt. Diese Wider
Standsverringerung ist eine Folge der Verringerung des Ausdruckes V9-Jn in Gleichung 2 auf O, woraus sich für
Gleichung 1 ergibt, d*!i
ist
Das Kurzschließen des Substrats mit der Quelle des Elements mit P-leitender Kanalstrecke führt zu einem
j-, abnehmenden Gesamtwiderstand Rp des Elements mit
P-leitender Kanalstrecke. Es ist dann möglich, den Einfluß des Ausdrucks Vr in Gleichung 1 völlig zu
beseitigen, so daß er allein von 1 durch Vsg abhängt. Da
die Empfindlichkeit des Elements mit P-leitender
4t) Kanalstrecke nicht so groß wie die Empfindlichkeit des Elements mit N-leitender Kanalstrecke in Abhängigkeit
von Änderungen der Eingangsspannung ist, ist in der Regel nur das Element mit N-leitender Kanalstrecke
dasjenige, das für gewöhnlich mit zusätzlichen oder
Vi 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-Kurzschiußeinrichtungen
versehen sein, um eine weitere Verbesserung der
w Störunterdrückung für den Analogschalter zu bewirken.
Wie aus F i g. 2 hervorgeht, ist ein zusätzliches
Element mit P-leitender Kanalstrecke zwischen die Quelle des Elements 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle verbindet
Das Element mit P-leitender Kanalstrecke ist notwendig, um eine elektrische Isolation zwischen der Senke
bo des Elements 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
b5 würde als Halbwellengleichrichter für am Eingang
wirksame Signale wirken, wenn das Substrat des Elements mit N-leitender Kanalstrecke direkt mit der
Quelle des Elements 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke, während der Ausschaltlage
des Schalters abgeleitet werden. Damit wäre der r>
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 i<> ist, die Diode 23 derart in Durchlaßrichtung vorspannen,
daß die Senke des Elements mi! N-leitender Katialstrekke
mit der Quelle des Elements mit N-ieuender
Kanalstrecke gekoppelt wäre, obwohl das Element die Ausschaltposition einnimmt Uni diese Möglichkeit zu r>
eliminieren, findet ein Element mit P-ieuender Küiiuisireekt
Verwendung, das das Substrat des Elements mit
N-leitender Kanalstrecke mit dessen Quelle nur während derjenigen Zeit verbindet, während welcher
der Schalter durch entsprechende Torsignale leitend gcnu(_ht ist, vlie an die entsprechenden Tore der
Elemente 20 und 21 mit N-leitender Kanalstrecke und P-leitender Kanalbts ecke wirksam sind Dieses Element
ist in Fig. 2 mit 22 bezeichnet. Sein Substrat entsprechend wie das Substrat des Elements 21 mit 2>
P-leitender Kanalstrecke, ist mit einer Vorspannung von + 8 Volt beaufschlagt. Die Torspannung von - 8 Volt ist
an jedes dieser Elemente parallel angelegt, wenn immer der Schalter in den leitenden Zustand geschaltet wird.
Das Kurzschließen des Substrats der N-Ieitenden jo
Kanalstrecke mit der Quelle verringert nicht nur den Widerstand des eingeschalteten Elements mit N-leitender
Kanalstrecke, sondern bewirkt auch, daß das Element mit N-leitender Kanalstrecke auf einem
flacheren Teil seiner Widerstandskurve arbeitet, wo- jr>
durch sich gegenüber der normalen Möglichkeit eine geringere Veränderung des Wertes für den Widerstand
Rn als Funktion der Eingangsspannung ergibt.
Eine vollständigere Erläuterung der Wirkungsweise der Elemente vom Verstärkungstyp gemäß F i g. 1 und 2
wird anhand der graphischen Darstellungen gemäß F i g. 3,4 und 5 gegeben.
Wenn als Beispiel eine einzelne MOS-Halbleiteranordnung
30 betrachtet wird, so ergibt sich, daß der Eingangs-Ausgangswidersiand sich entsprechend der 4>
auf der rechten Seite gegebenen Formel als Funktion von Vsg und Vr ändert. Aus dem Diagramm gemäß
F i g. 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 Torschwellwertspannung 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 lcOhm 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 nur einem MOS-Halbleiterelemcnt zwei Potentiale
für die Spannungsversorgung notwendig.
Um das Problem der hohen Torspannungen im Vergleich zu dem analugen Signalniveau zu lösen,
werden komplementäre MOS-Halbleiteranordnungen verwendet, wie sie auf der rechten Seite von F i g. 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 Einschalion des Elements mit P-leitender Kanalstrecke und das Einschalten des Elements 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
Torschvvcllwcrtspannung gleich ±8 Volt ist. Wenn die Torschwellwertspannungen +15 Volt gemacht werden,
dann kann als analoges Eingangssignal ein Signal von
30 VuIt Spitzenspannung Verwendung finden. Diese 30 Volt Eingangsspannung stellt den maximalen Wert
dar, der mit einer solchen Anordnung erzielt werden kann, da eine Eingangs-Substrat-Sperrvorspannung
über 30 Volt 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 beschriebenen parallelgeschalteten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung
besteht in der nichtlinearen Widerstandscharakteristik, insbesondere im 0-Volt-Bereich für die Eingangsspannung, 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 0-Durchganges liegen. Aus Fig.4 kann
man entnehmen, daß die Widerstandsänderung über das Element mit N-leitender Kanalstrecke bei sich ändernder
Eingangsspannung ungefähr 3mal größer als bei dem Element mil P-leitender Kanalstrecke ist was dazu
fuhrt, daß das Element mit N-leitender Kanalstrecke bei einer Eingangsspannung Vsg entsprechend der Asymptote
42 abschaltet. Der Widerstand an jeder Kanalstrekke der beiden Elemente ist proportional dem Ausdruck
\/(VSg—Vt)- Wie man jedoch aus Gleichung (1)
entnehmen kann, hängt VY 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 Elements mit N-leitender Kanalstrecke
bezüglich Änderungen der Eingangsspannung. Der Einfluß dieser Konstante ist aus F i g. 7 erkennbar,
in der die Schwellwertspannung Vt über der Quellen-Substrat-Differenzspannung
Vqs aufgetragen ist Somit ist Vreine Funktion von Vq-s, wobei die Proportionalitätskonstante
K für das Element mit N-leitender Kanalstrecke 3mal so groß wie diejenige für das
Element mit P-leitender Kanalstrecke ist Wenn man den Einfluß von Vt auf den Widerstand R zumindest
insoweit eliminiert als das Element mit N-leitender Kanaistrecke betroffen ist, und zwar durch Kurzschließen
des Substrats des Elements mit N-leitender Kanalstrecke mit deren Basis, dann läßt sich die
Nichtlinearität des Analogschalters im ganzen wesentlich
verringern.
Vo"· der Behandlung der Darstellung gemäß F i g. 5,
soll darauf hingewiesen werden, daß in Fig.4 die
Kurven für die Widerstände Rn und Rp sich in
denjenigen Bereichen überschneiden, in welche 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
F'-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 Steigung im Bereich des 0-Durchganges der
Eingangsspannung bzw. des Kreuzungspunktes. Dieses charakteristische Verhalten soll jedoch vermieden
werden, so dcß der Analogschalter Signale kleiner Amplitude getreu ohne Verzerrung übertragen kann.
In F i g. 5 ist auf der rechten Seite eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung angedeutet, die die
Elemente 40 und 41 der Darstellung gemäß F i g. 4 auf der rechten Seite umfaßt, wobei zusätzlich ein Element
50 mit P-leitender Kanalstrecke vorgesehen ist, das als Klemmschaltung zwischen dem Substrat des Elements
mit N-leitender Kanalstrecke und dessen Quelle dient, wodurch aus der Gleichung (1) ein wesentlicher Anteil
des Ausdrucks für Vr bezüglich der Widerstandsänderung
entfällt. Als Ergebnis ergibt sich, daß der Widerstand Rn proportional 1/ V5ß„ wird. Das Vorsehen
des Elements 50 mit P-leitender Kanalstrecke bedingt keine Änderung der Charakteristik des Elements 40 mit
P-leitender Kanalstrecke, so daß 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.4 wesentlich abgeflacht, so daß die Kurve
51 für den Widerstand Rn 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-Substraikurzschlusses 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, so daß der Schnittpunkt der Kurven für die Widerstände Ä^und Rp
wesentlich tiefer liegt als dies bei einer Schaltung ohne den Transistor 50 und ohne die Verbindung des
Substrats mit der Quelle des Elements mit N-leitender Kanalstrecke der Fall sein würde. Als Ergebnis stellt
sich eine kombinierte Eingangs-Ausgangs-Widerstands charakteristik 55 ein, die anstelle von steilen Steigungei
in der Umgebung des Weites 0 der Eingangsspannunj nunmehr nur eine sehr geringe oder keine Steigung hai
Selbst wenn der Schnittpunkt der beiden Kurven 31 um 51 nicht zentrisch bezüglich der 0-Volt-Spannung liegi
kann eine geringe seitliche Verschiebung aus der Mitti kaum einen nennenswerten Einfluß haben, da die Kurvi
zwischen den Punkten 58 und 57 und damit für dii
ίο -deinen Signal werte der Eingangsspannung verhältnis
mäßig flach verläuft
In F i g. 6 werden die in den F i g. 4 und 5 dargestellte!
Ergebnisse gemeinsam dargestellt um so den Einflul der Hinzufügung eines zusätzlichen Elements mi
P-leitender Kanalstrecke deutlicher werden zu lasser Dabei sind die Kurven entsprechend der Darstellunj
gemäß F i g. 4 und 5 bezeichnet Aus dieser Darstellunj gemäß Fig.6 läßt sich entnehmen, daß durch dii
Kopplung des Substrats mit der Quelle des Elements mi N-leitender Kanalstrecke die Asymptote 42 der Kurve
die den Widerstand über das Element mit N-Ieitende Kanalstrecke repräsentiert in der gi aphischen Darstel
lung nach rechts verschoben wurde und nunmehr di( Position der gestrichelten Linie 42' einnimmt. Die:
bedeutet physikalisch ein Ansteigen der Spannung, be
welcher das Element mit N-leitender Kanalstreck* abschaltet
Man nimmt somit wahr, daß. wenn der Ausgang de: Analogschalters eine hohe Impedanz sieht das zusätzli
jo ehe Element mit P-leitender Kanalstrecke zwischen dei
Senke und dem Substrat des Elements mit N-Ieitendei Kanalstrecke verläuft. Ferner ergibt sich, daß, wenn da:
Element mit P-leitender Kanalstrecke in einem wannen förmigen Bereich mit N--leitendem Material innerhall
i'i des P-leitenden Substrats ausgebildet wird, sich ein*
Umkehr insofern einstellt, als das Gatter nunmehr eii Element mit P-leitender Kanalstrecke und zwe
Elemente mit N-Ieitender Kanalstrecke umfaßt, wöbe das Hilfselement ein Element mit N-leitender Kanal
■in strecke ist und zwischen der Quelle und dem Substra
eines Elements mit P-leitender Kanalstrecke liegt. Da:
Tor dieses Hilfselements ist dabei mit dem Tor de:
Elements mit N-leitender Kanalstrecke verbunden.
Wie bereits erwähnt wird durch den integrierte!
4> Schaltungsaufbau der komplementären MOS-HaIb leiteranordnung die vergrößerte Empfindlichkeit de:
Elements mit N-leitender Kanalstrecke bewirkt, d; dieses Element mit N-leitender Kanalstrecke in einen
wannenförmigen Bereich aus P -leitendem Materia hergestellt wird, das eine höhere Störstellenkonzentra
tion als das N-Ieitende Substrat hat, das normalerweis* für Elemente mit P-leitender Kanalstrecke Verwendunj
findet. Was jedoch aus der bisherigen Beschreibung dei schematischen Diagramme nicht hervorgeht ist dii
Tatsache, daß die erfindungsgemäße Anordnung genai in derselben Weise wie bekannte, komplementär*
MOS-Halbleiteranordnungen ohne zusätzlichen Diffu sionsschritt hergestellt werden kann. Ein Schnitt durcl
eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung ist ii
bo F i g. 8 dargestellt, die ein N-leitendes Substrat 80 zeigi
in welchem ein wannenförmiger Bereich 81 au P--leitendem Material eindiffundiert ist. Die Dotie
rungskonzentration des N-Ieitenden Substrats lieg typischerweise bei etwa 2 χ 1015 Atome/cm3, wobei dii
b5 Dotierungskonzentration des wannenförmigen Berei
ches 81 in der Größenordnung von etwa 2x10'
Atome/cm3 liegt. Es wird bemerkt, daß ein Teil diese: wannenförmigen Bereiches 81 als Teil des zusätzlicher
Elements mit P-Ieitender Kanalstrecke dient, obwohl
eine genaue Begrenzung, wie sie zwischen der Quelle des Elements 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 HUfselements mit P-leitender
Kanalstrecke als Teil des Elements 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 Elements 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 Hilfselements mit
P-leitender Kanalstrecke, sowie die Bereiche 91 und 92 die Quelle und Senke des ursprünglichen Elements 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 Hilfselements mit P-leitender Kanalstrecke dient.
Dieser Bereich 82 ist normalerweise auch bei der Herstellung einer bekannten, komplementären MOS-Halbleiteranordnung
vorhanden. Der einzige zusätzliche Bereich, über welchem die Abdeckmaske geöffnet
werden muß, ist der Bereich 90, so daß nur ein sehr geringfügiger zusätzlicher Schritt gegenüber 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
Metallisation aufgebracht und entsprechend der Darstellung der mit dem Bezugszeichen % versehenen Teile
ausgestaltet Die Anschlüsse für das Eingangssignal V1n
und das Ausgangssignal Vaus sind in der Darstellung
gemäß F i g. 8 eingezeichnet. Bei dem eingezeichneten Schaltungsverlauf ist das Hilfselement mit P-leitender
Kanalstrecke mit dem Tor des ursprünglichen Elements mit P-leitender Kanalstrecke verbunden, wobei die
Quelle des Hilfselements mit P-leitender Kanalstrecke automatisch mit dem Substrat des Elements mit
N-leitender Kanalstrecke verbunden ist und somit der zugehörige Kontakianschluß weggelassen werden
kann. Die Senke des Hilfselements mit P-leitender Kanalstrecke ist mit dem Anschluß für das Ausgangssignal
Vaus verbunden, obwohl sie auch für die meisten
Halbleiteranordnungen mit der Klemme für das Eingangssignal V1n verbunden sein könnte. Daraus
ergibt sich anschaulich, daß die Herstellung des zusätzlichen Elements 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
8kanaligen Multiplex-Differenzschalter dargestellt, der aus Standard-Dekoderschaltungen mit drei Eingängen
besteht, die innerhalb der gestrichelten Linie 90 dargestellt sind. Ober diese Dekoderschaltung wird
einer von acht Schaltern der beiden Gruppen 91 und 92 ausgewählt um eine 2adrige Multiplexumschaltung 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; 3,4; 5,6; 7,8; 9,10; U, 12; 13,14 und 15,16 werden von der Dekoderschaltung 90 in
ίο Abhängigkeit von dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein
von Signalen an den Klemmen A, B und C derart eingeschaltet daß nur ein Aderpaar fCf die
Übertragung zum Analogausgang 95 in Betrieb ist.
Gemäß Fig. 10 kann der 8kanalige Multiplex-Differenzschalter
gemäß F i g. 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 F i g. 9 mit untergebracht werden, um die Modifikation mit sowenig als möglich zusätzlicher
Metallisation auszuführen, so daß 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
lediglich als beispielsweise Ausführungsformen einer
jo 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 Multiplex-
schalter 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
Veränderlichkeit 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 beeinflußt 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
parallelgeschaltete 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-Elements 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 parallelgeschaltete Anordnung als
Festkörperrelais Verwendung findet, wird die gewünschte Funktion lediglich durch die Verbindung des
b5 Tores des Hilfselements mit dem Tor des MOS-EIements
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 Beeinflussung der übrigen Parameter, die ein solches lineares Verhalten verursachen würde, nahezu unmöglich
ist Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich somit eine komplementäre MOS-Halbleiteranordnung
in Form eines linear arbeitenden Analogschalters schaffen, der im Bereich von Nanosekunden wirksam ist
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Festkörperschalter aus zwei komplementären MOS-Transistoren, von denen der eine eine r.
N-Ieitende und der andere eine P-leitende Kanalstrecke
umfaßt, wobei die beiden MOS-Transistoren parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß Einrichtungen vorhanden sind, um die Quelle des einen MOS-Transistors mit seinem ι ο
Substrat immer dann zu verbinden, wenn beide MOS-Transistoren durch gleichzeitiges Anliegen
von Torsignalen geeigneter Amplitude und Polarität leitend gemacht werden, wobei die Änderung des
Widerstands über den Schalter, gemessen beim r> Stromführen beider MOS-Transistoren, auf ein
Minimum in Abhängigkeit von der Änderung eines Signals verringerbar ist, das an eine dsr zu&ammengeschalteten
Quellen und Senken von jeweils den beiden MOS-Transistoren angelegt ist 2ii
2. Festkörperschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat des einen MOS-Transistors
im Substrat des anderen MOS-Transistors ausgebildet ist, daß dieses eine Substrat
dasjenige ist, das durch die Einrichtungen mit der in 2r>
demselben Substrat angeordneten Quelle verbunden ist, derart, daß die Empfindlichkeit auf an den
Festkörperschalter angelegte Eingangssignale für denjenigen MOS-Transistor verringert wird, der mit
diesem einen im Substrat des anderen Transistors su ausgebildeten Substrat angeordnet ist
3. Festkörperschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen eine zusätzliche
Festkörperschalteinrichtung umfassen, die in Serie zwischen das eine Substrat und die Quelle des r.
in diesem Substrat ausgebildeten MOS-Transistors geschaltet ist, und daß die Schalteinrichtungen beim
Anliegen eines der Torsignale leitend gemacht werden, so daß das eine Substrat mit der in diesem
Substrat angeordneten Quelle leitend verbunden ist. 4»
4. Festkörperschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Festkörperschalteinrichtungen
aus einem MOS-Transistor vom selben Leitfähigkeitstyp wie derjenige MOS-Transistor,
in dessen Substrat das eine Substrat wannenför- v>
mig ausgebildet ist, bestehen, und daß das Tor des zusätzlichen MOS-Transistors und das des im
anderen Substrat ausgebildeten Transistors miteinander verbunden sind.
5. Festkörperschalter mit einem MOS-Transistor, w der an seiner Quelle vom Eingangssignal und an
seinem Tor von einem Torsignal beaufschlagt wird, das den Transistor derart leitend macht, daß das
Eingangssignal an der Senke abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorhanden sind, w
die das Substrat dieses MOS-Transistors mit der Quelle verbinden, wenn der MOS-Transistor leitend
gemacht wird, wodurch die Änderung des Eingangs-Ausgangswiderstandes (Übertragungswiderstandes)
des Transistors in Abhängigkeit von Änderungen in ω»
der Amplitude des Eingangssignals derart auf ein Minimum verringert wird, daß Verzerrungen des an
der Senke abgegriffenen Signals im Vergleich mit dem Eingangssignal auf ein Minimum verringert ist.
6. Festkörperschalter nach Anspruch 5, dadurch br>
gekennzeichnet, daß die Einrichtungen eine zusätzliche Festkörperschalteinrichtung umfassen, die zwischen
das Substrat des MOS-Transistors und dessen Quelle geschaltet sind, und daß diese zusätzlichen
Schalteinrichtungen zusammen mit dem MOS-Transistor in den leitfähigen Zustand schaltbar sind
7. Festkörperschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Festkörperschalteinrichtungen
von einem MOS-Transistor gebildet werden.
8. Festkörperschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche MOS-Transistor
einen, gegenüber dem zuerst genannten MOS-Transistor entgegengesetzte Leitfähigkeit hat
und zusammen mit diesem in den leitenden Zustand schaltbar ist
9. Festkörperschalter gekennzeichnet durch einen Block eines Halbleitermaterials vom ersten Leitfähigkeitstyp,
in dessen Oberfläche ein wannenförmiger Bereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, wobei die Oberfläche des
wannenförmigen Bereiches koplanar zur Oberfläche des HalbleiterDlocks ist, daß in dem wannenförmigen
Bereich erste Quellen- und Senkenbereiche vom ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind, daß auf der
Oberfläche des wannenförmigen Bereiches eine erste Torschicht angeordnet ist und Teile der ersten
Quellen- und Senkenbereiche überlappt, wobei die e-ste Torschicht aus einem isolierenden Material
besteht, daß in dem Halbleiterblock, neben dem wannenförmigen Bereich, zweite Senken- und
Quellcnbereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
angeordnet sind, daß eine zweite Torschicht auf der Oberfläche des Blockes derart angeordnet
ist, daß sie die zweiten Quellen- und Senkenbereiche überlappen, wobei die zweite Torschicht aus einem
isolierenden Material besteht, daß dritte Quellen- und Senkenbereiche vom entgegengesetzten Leitfä
higkeitstyp in der Oberfläche des Halbleiterblockes angeordnet sind, wobei eine dritte Torschicht Teile
der dritten Quellen- und Senkenbereiche überlappen, daß eine Metallisation auf der Oberfläche derart
angeordnet ist, daß Kontakte mit den Quellen- und Senkenbereichen und den Torschichten bestehen,
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 entstehen, daß Einrichtungen zum Verbinden des ersten Quellenbereiches mit dem
zweiten Senkenbereich vorhanden sind, die die Eingangsklemme für den Festköroerschalter bilden,
daß Einrichtungen zum Verbinden des zweiten Quellenbereiches mit dem ersten Senkenbereich
vorhanden sind, die die Ausgangsklemme des Halbleiterschalters bilden, daß ferner die dritte
Torschicht mit der zweiten Torschicht verbunden ist, daß ferner der dritte Senkenbereich mit einer der
Klemmen verbunden ist, daß der dritte Quellenbereich mit dem wannenförmigen Bereich verbunden
ist, daß zwischen den zweiten Quellen- und Senkenbereichen und den ersten und dritten
Quellen- und Senkenbereichen eine Isolation vorhanden ist, daß ferner Einrichtungen zum Anlegen
einer Vorspannung an den Halbleiterblock vorhanden sind, und die erste und zweite Torschicht mit
Torsignalen geeigneter Polarität beaufschlagbar ist, um den Festkörperschalter leitend zu machen, wenn
immer die Torsignale und die Vorspannung anliegen, so daß das an die Eingangsklemme angelegte
Eingangssignal über den Festkörperschalter zur
Ausgangsklemme mit einem Minimum an Verzerrung übertragbar ist
10. Festkörperschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß die Verbindungen zwischen
den einzelnen Elementen durch eine geeignet gestaltete Metallisationsschicht hergestellt ist
11. Festkörperschalter nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet daß der dritte Senkenbereich im Halbleiterblock und der dritte Quellenbereich
in dem wannenförmigen Bereich ausgebildet ist
ίο
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