DE2812784C2 - - Google Patents

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DE2812784C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine zweiseitige Signal­ übertragungs-Schaltmatrix mit einer Vielzahl von Schalter­ kreuzpunkten. Zweiseitige Übertragungs- und Vermittlungs­ schaltungen finden weite Anwendung in sprachfrequenten Nachrichtenübertragungsanlagen.
Von früher her wurden metallische Kreuzpunktschalter für solche Verwendungs­ fälle benutzt, da diese Kreuzpunktschalter eine hohe Impedanz im offenen Zustand und eine niedrige zweiseitige Impedanz im geschlossenen Zustand besitzen. Darüber hinaus sind die Steuerschaltungen für metallische Kreuzpunkt­ kontakte von den Übertragungsstrecken isoliert. Als Ersatz für metallische Schaltkontakte sind auch schon gasge­ füllte Röhren und verschiedene Halbleiterbauelemente be­ nutzt worden. Solche Ersatzanordnungen beinhalten jedoch unsymmetrische Bauteile, die unerwünschte Übertragungs- oder Steuereigenschaften besitzen.
Eine Schaltmatrix in Form einer Koppelfeld­ einrichtung, deren Koppel- oder Kreuzpunkte durch Feld­ effekttransistoren gebildet sind, sind aus der DE-AS 21 23 395 bekannt. Bekannt ist auch ein bidirektioneller Schalter unter Verwendung eines symmetrischen Transistors mit einem Paar von identischen, elektrisch austauschbaren Emitter- und Kollektoranschlüssen (US-PS 30 24 448).
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine symmetrische, zweiseitige Halbleiterschaltanordnung hoher Güte zu schaffen. Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer zweiseitigen Signalübertragungs- Schaltmatrix der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreuzpunkte in einem Halbleiterkörper gebildet sind und je einen Übertragungs- und einen Steuertransistor aufweisen, daß der Übertragungs­ transistor ein Paar von identischen, elektrisch aus­ tauschbaren Emitter- und Kollektorzonen aufweist, die dem Transistor symmetrische Betriebseigenschaften für eine zweiseitige Übertragung verleihen, daß der Steuer­ transistor eine Kollektorzone besitzt, die ohmisch durch den Halbleiterkörper über eine vergrabene Zone hoher Leit­ fähigkeit mit der Basiszone des Übertragungstransistors verbunden ist, und daß Verbindungsmittel vorgesehen sind, um die austauschbaren Emitter- und Kollektorzonen zwischen einen Eingangsweg und einen Ausgangsweg der Matrix zu legen.
Generell werden ein symmetrischer zweiseitiger Übertragungsschalttransistor hoher Güte und ein zugeord­ neter Treibertransistor in einer Epitaxialschicht über einer gemeinsamen vergrabenen Zone oder Insel in einem Substrat zur Bildung eines Kreuzpunktes erzeugt. Der Kollektor des Treibertransistors und die Basis des Schalt­ transistors sind ohmisch über die vergrabene Insel ver­ bunden. Die Emitter- und Kollektorzonen des Schalttransis­ tors haben gleiche Größe, Form und Dotierdichte, so daß der Schalttransistor hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Betriebsweise symmetrisch ist.
Bei einer bevorzugten Anordnung ist eine Vielzahl von Paaren von Emitter- und Kollektorelektroden in jedem Übertragungs­ transistor gebildet, um eine höhere Strombelastbarkeit und einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Die Emitter- und Kollek­ torelektroden sind ineinandergeschoben. Eine Oberflächen­ metallisierung dient zur Verbindung der Vielzahl von Emitter­ elektroden und eine andere Oberflächenmetallisierung zur Ver­ bindung der Kollektorelektroden.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltbild einer Kreuzpunktschaltung nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Matrix mit den Schaltungen nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Aufsicht von zwei Kreuzpunkten nach der Er­ findung;
Fig. 4 einen Querschnitt für einen Kreuzpunkt gemäß Fig. 3 entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;
Fig. 5 einen Querschnitt eines Kreuzpunktes mit einer Viel­ zahl von Paaren von Emitter- und Kollektorelektroden;
Fig. 6 einen um 90° gedrehten Teilquerschnitt des Kreuz­ punktes gemäß Fig. 5;
Fig. 7 einen Teilquerschnitt ähnlich dem gemäß Fig. 5 mit einer Abänderung.
In Fig. 1 ist ein Kreuzpunkt 101 dargestellt, der einen symme­ trischen Übertragungsschalttransistor 102 mit einer Basis 105 und identischen Emitter- und Kollektorelektroden 103, 104 auf­ weist. Der geschaltete Übertragungsweg führt vom Eingangs­ anschluß I über die Leitung 114, die Elektrode 103, die Elek­ trode 104 und die Leitungen 110, 111 zum Ausgangsanschluß O. Der Transistor 102 ist entsprechend der nachfolgenden Erläu­ terung so ausgelegt, daß er symmetrische Betriebseigenschaften besitzt und die Elektroden 103, 104 können austauschbar als Emitter- oder Kollektor verwendet werden. Aus diesem Grund wer­ den diese Elektroden nachfolgend als Emitter/Kollektorelektroden bezeichnet. Ein Steuerstrom für den Transistor 102 wird von der Stromquelle 113 mit negativer Spannung über den Widerstand 112 und den Steuertransistor 106 geliefert. Wie sich später zeigt, können, obwohl der symmetrische Übertragungsschalttran­ sistor 102 und der Steuertransistor 106 in einer einzelnen vergrabenen Insel im Halbleiterkörper angeordnet sind, die Parameter dieser beiden Transistoren bei der Herstellung unab­ hängig voneinander gesteuert werden.
Der vom Steuertransistor 106 zur Basis 105 des Übertragungs­ transistors 102 gelieferte Strom wird zur Stromquelle über externe Schaltungen (nicht gezeigt) zurückgeführt, die an eine der Elektroden 103, 104 angeschaltet sind. Bei fehlendem Treibstrom für die Basis 105 des Transistors 102 liegt hohe Impedanz zwischen dem Eingangsanschluß I und dem Ausgangsan­ schluß O. Bei Vorhandensein eines ausreichenden Treibstromes für die Basis 105, der so groß ist, daß er den Transistor 102 in die Sättigung bringt, liegt ein Weg kleiner Impedanz für bipolare Signale zwischen dem Eingang I und dem Ausgang O. Der Transistor 102, der symmetrisch aufgebaut ist, zeigt eine symmetrische Spannungs-Stromkennlinie, die linear im Nulldurch­ gang der Kennlinie ist und demgemäß eine Übertragungsstrecke zum Durchschalten zweiseitiger bipolarer Analogsignale darstellt.
Die Organisation einer Vielzahl von Kreuzpunkten gemäß Fig. 1 zeigt die Matrix nach Fig. 2, in der die Eingangsleitungen I 1 bis I n selektiv mit den Ausgangsleitungen O 1 bis O n dadurch verbunden werden können, daß der Kreuzpunkt am Schnittpunkt der zu verbindenden Eingangs- und Ausgangsleitung betätigt wird. Wenn beispielsweise die Leitung I 1 mit der Leitung O 1 verbunden werden soll, so wird ein Betätigungssteuersignal an den Anschluß C 11 angelegt, um den Kreuzpunkt 206 zu betätigen.
In Fig. 3 sind in der Aufsicht zwei Kreuzpunkte der schematisch in Fig. 1 gezeigten Form dargestellt. In der oberen Hälfte der Fig. 3 sind verschiedene Schichten der Anordnung gezeigt, während in der unteren Hälfte ein Kreuzpunkt dargestellt ist, wie man ihn bei der Betrachtung der Oberfläche des Halbleiter­ körpers sieht. Die Kreuzpunkte sind durch eine p+-Isolations­ zone 308 voneinander getrennt, die eine Vielzahl von sich schneidenden rechteckigen oder rahmenartigen Strukturen um­ faßt. Die Isolationszone wird von benachbarten Kreuzpunkten gemeinsam benutzt, die je einen lateralen pnp-Schalttransistor und einen vertikalen npn-Steuertransistor enthalten. Der auf der rechten Seite in Fig. 3 gezeigte Schalttransistor besitzt zwei p+-Zonen 309 und 312 gleicher Größe, die in einem Abstand voneinander angeordnet und durch einen Teil 313 einer p-lei­ tenden Schicht 322 (Fig. 4) getrennt werden. Diese Schicht 322 bildet die Basis des Schalttransistors. Oberflächenmetallisie­ rungen 310 und 311 stellen die elektrische Verbindung zur p+- Zone 309 bzw. 312 her. Diese p+-Zonen bilden die Emitter/Kol­ lektorelektroden eines Übertragungsschalttransistors, beispiels­ weise des schematisch in Fig. 1 dargestellten Transistors 102. Diese Struktur ist im Halbleiterkörper der integrierten Schal­ tung gebildet, der ein p-leitendes Substrat 321 und eine darüber­ liegende Epitaxialschicht 322 aufweist. Im p-leitenden Substrat ist eine vergrabene n+-Schicht 323 gebildet und die Transistor­ struktur ist oberhalb dieser Schicht hergestellt. Die rahmen­ förmige n+-Isolationszone 319, die die Elektroden 309 und 312 umgibt, verhindert eine Ladungsträgerinjektion von diesen Elek­ troden in das Substrat 321, die p+-Isolationszone 308 oder die Basiszone 320 des auf der linken Seite in Fig. 3 gezeigten vertikalen Steuertransistors.
Der vertikale Steuertransistor besitzt (Fig. 4) eine n-leitende Emitterzone 314, eine p-leitende Basiszone 320 und eine Kollek­ torzone 322′, die innerhalb des Substrats 321 ohmisch mit der Basiszone 313 des Schalttransistors verbunden ist.
Die den Eingangs- und Ausgangsleitungen zugeordneten Angaben entsprechen denen in Fig. 2. Demgemäß entspricht der in der oberen Hälfte in Fig. 3 gezeigte Kreuzpunkt dem Kreuzpunkt 206 in Fig. 2 und der Kreuzpunkt in der unteren Hälfte der Fig. 3 entspricht dem Kreuzpunkt 208 in Fig. 2. Eine Stromversorgung für diese Kreuzpunkte wird über die unten in Fig. 3 dargestellten negativen Spannungsquellen über die Stromquellenwiderstände 306 und 307 geliefert. Ein Betätigungssignal auf der Steuer­ leitung C 11 dient zur Verbindung des Anschlusses I 1 mit dem Anschluß O 1 über die Leitung 301, den in der oberen rechten Hälfte in Fig. 3 gezeigten Übertragungsschalttransistor und die Leitungen 303 und 305. In entsprechender Weise dient ein Betätigungssignal am Anschluß C 21 zur Verbindung des Eingangs­ anschlusses I 2 mit dem Ausgangsanschluß O 1 auf entsprechende Weise, aber über den in der unteren rechten Hälfte in Fig. 3 gezeigten Übertragungsschalttransistor.
In Fig. 4 ist der Kreuzpunkt im Halbleiterkörper mit dem Sub­ strat 321 und der Epitaxialschicht 322 gezeigt. Die vergra­ bene n+-Schicht 323 wird im Substrat 321 vor dem Aufwachsen der Epitaxialschicht 322 gebildet. Die p+-Elektrodenzonen 309, 312 des Schalttransistors und die rahmenförmige p-leitende Isolationszone 308 werden in einem gemeinsamen Verarbeitungs­ schritt erzeugt. Demgemäß ist der Dotierungsgrad dieser Zonen vergleichbar. Die rahmenförmige n+-Isolationszone 319 wird in einem weiteren Verarbeitungsschritt erzeugt. Gleiches gilt für die Basiszone 320 und die Emitterzone 314, die in weiteren Verarbeitungsschritten gebildet werden. Wie oben erläutert, verhindert die n+-Isolationszone 319, die die vergrabene n+- Schicht 323 schneidet, eine Ladungsträgerinjektion aus den Elektroden 309 und 312 in benachbarte p-leitende Zonen, nämlich die Isolationszone 308, das Substrat 321 und die Basis­ zone 320. Tiefe Oxidzonen 326 bzw. 325 isolieren die n+- Isolationszone 319 von den p+-Elektroden 309 und 312 sowie von der Isolationszone 308, die auf Wunsch zusätzlich vorgesehen werden kann, also nicht vorhanden sein muß, und der Basiszone 320. Diese tiefen Oxidzonen dienen zur Erhöhung der Durchbruchs­ spannung zwischen den jeweils benachbarten Zonen, setzen die unerwünschte Kapazität zwischen den Elementen herab und ver­ ringern unerwünschte Elektrodenemissionen in Richtung weg von den Kollektorelektroden. Die Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 weisen zwei Emitter/Kollektorelektrodenzonen 309, 312 auf, und, wie die Figuren zeigen, hat jede dieser Elektroden einen Abstand von der n+-Isolationszone 319. Jeder dieser Bereiche ist jedoch einem Teil der Epitaxialschicht benachbart, bei­ spielsweise dem Abschnitt 313 in Fig. 4. Bei diesem Aufbau er­ gibt sich eine parasitäre Diode, die beispielsweise die p- leitende Elektrodenzone 312 und den n-leitenden Epitaxialschicht­ bereich 313 umfaßt. Diese Diode begrenzt in gewissem Umfang die Güte des Bauteils. Wie sich an Hand der nachfolgenden Er­ läuterung von Fig. 5 zeigen wird, besitzt ein Aufbau mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter/Kollektorzonen eine höhere Güte als ein Bauteil mit einem einzigen Paar von Emitter/Kollektor­ elektroden.
Die Kreuzpunktanordnung gemäß Fig. 5 entspricht im wesentlichen der Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 mit der Ausnahme, daß in Fig. 5 sechs Emitter/Kollektorbereiche 519 bis 524 vorhanden sind, die in zwei, die Eingangs- und Ausgangselektrodenbereiche bil­ denden, ineinandergeschobenen Gruppen angeordnet sind. Außerdem sind in Fig. 5 die wunschgemäß zusätzlich möglichen tiefen Oxidzonen gemäß Fig. 4 weggelassen. Den Zonen 519 bis 524 sind die Metallisierungen 510 bis 516 entsprechend zugeordnet. Die Metallisierungen 510, 513 und 515 sind durch eine weitere Oberflächenmetallisierung mit dem Eingangsanschluß I über die Leitung 509 verbunden. Die Metallisierungen 512, 514 und 516 sind durch eine weitere Oberflächenmetallisierung und die Lei­ tung mit dem Ausgangsanschluß O verbunden. Die Metallisierung, die die Elektroden 510, 513 und 515 verbinden, befindet sich auf einer Oberfläche entlang einer Seite der Elektroden 519 bis 524, während die Metallisierungen, die die Elektroden 512, 514 und 516 verbinden, auf der anderen Seite der Elektroden 519 bis 524 angeordnet sind. Dies ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Gemäß Fig. 3 sind drei Seiten jeder der Elektroden­ zonen 309 und 312 seitlich der n+-Verbindungszone 319 ausge­ setzt. In entsprechender Weise sind in Fig. 5 die Endbereiche 519 und 524 auf drei Seiten den n+-Zonen ausgesetzt. Im Gegen­ satz dazu sind die anderen Elektrodenzonen zwischen den End­ zonen, beispielsweise die Elektrodenzonen 520 bis 523 nur mit zwei Seiten der n+-Verbindungszone ausgesetzt. Demgemäß haben die den inneren Elektroden 520 bis 523 zugeordneten parasitären pn-Übergänge nur geringere Bedeutung als die den Endelektroden 520 bis 524 zugeordneten pn-Übergänge. Demgemäß haben Übertra­ gungsschalttransistoren mit einer Vielzahl von Paaren von Emitter/Kollektorelektroden eine etwas höhere Güte als Über­ tragungsschalttransistoren mit nur einem einzigen Paar von Emitter/Kollektorelektroden.
Der vertikale npn-Transistor gemäß Fig. 5 weist die n-leitende Emitterzone 508, die p-leitende Basiszone 525 und die n-lei­ tende Kollektorzone mit einem Abschnitt 528 der Epitaxialschicht auf. Der aktive Teil der Kollektorzone 528 ist ohmisch durch die vergrabene n+-Schicht 503 mit den Basiszonen 529 bis 533 des Schalttransistors verbunden. Der Kreuzpunkt gemäß Fig. 5 ist durch eine rahmenförmige p+-Isolationszone 504 isoliert. Im Falle des Aufbaus gemäß Fig. 3 und 4 sind die p+-Elektroden­ zonen 519 bis 524 und die Isolationszone 504 in einem gemein­ samen Verarbeitungsschritt gebildet worden. Die p+-Elektroden­ zonen 519 bis 524 haben alle gleiche Größe, Form sowie gleichen Dotierungsgrad und sind in gleichem Abstand voneinander ange­ ordnet. Demgemäß weisen bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 5 die Bauteile symmetrische elektrische Eigenschaften auf und bei der Anordnung gemäß Fig. 5 können die miteinander verbun­ denen Elektrodenzonen 519, 521, 523 sowie die miteinander ver­ bundenen Elektrodenzonen 520, 522, 524 als Emitter oder Kollek­ toren ohne Unterscheidung verwendet werden.
In Fig. 7 ist ein Teil einer Struktur gezeigt, die der auf der rechten Seite in Fig. 5 mit zusätzlichen tiefen Oxidzonen 701 und 702 entspricht. Entsprechend der Erläuterung in Ver­ bindung mit Fig. 3 und 4 werden die wunschgemäß zusätzlich mög­ lichen tiefen Oxidzonen benutzt, um die n+-Isolationszone 507 zu isolieren, und damit die Kapazität zwischen den Bauteilen herabzusetzen und die Durchbruchsspannung zwischen den Bautei­ len zu erhöhen.
Fig. 6 zeigt einen gegen den Querschnitt in Fig. 5 um 90° ge­ drehten Querschnitt durch die p+-Elektrodenzone 519. Wenn die zusätzlichen tiefen Oxidzonen, beispielsweise 701 und 702 (Fig. 7) verwendet werden, so erscheinen sie im Querschnitt gemäß Fig. 6 zwischen der n+-Verbindungszone 507 und der p+- Elektrodenzone 519 sowie der p+-Isolationszone 504.

Claims (4)

1. Zweiseitige Signalübertragungs- Schaltmatrix mit einer Vielzahl von Schalterkreuzpunkten, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schalterkreuzpunkte (101) in einem Halbleiter­ körper gebildet sind und je einen Übertragungs- und einen Steuertransistor (102, 106) aufweisen,
daß der Übertragungstransistor (102) ein Paar von identi­ schen, elektrisch austauschbaren Emitter- und Kollektor­ zonen (309, 312) aufweist, die dem Transistor symmetri­ sche Betriebseigenschaften für eine zweiseitige Übertra­ gung verleihen,
daß der Steuertransistor (106) eine Kollektorzone (322′) besitzt, die ohmisch durch den Halbleiterkörper (321) über eine vergrabene Zone (323) hoher Leitfähigkeit mit der Basiszone (313) des Übertragungstransistors ver­ bunden ist, und
daß Verbindungsmittel vorgesehen sind, um die aus­ tauschbaren Emitter- und Kollektorzonen (309, 312) zwi­ schen einen Eingangsweg (I) und einen Ausgangsweg (O) der Matrix zu legen.
2. Schaltmatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungstransistor (102) eine Vielzahl von Paaren von austauschbaren, parallel zueinander angeordneten Emitter- und Kollektorzonen (Fig. 5: 519-524) aufweist.
3. Schaltmatrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone (323) hoher Leitfähigkeit unterhalb der beiden Transistoren im Halbleiterkörper angeordnet ist und die ohmische Verbindung zwischen den Transistoren herstellt.
4. Schaltmatrix nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine epitaktisch abgeschiedene Schicht (322) einen oberen Abschnitt des Halbleiterkörpers bildet, in welchem die beiden Transistoren gebildet sind, und daß eine Oxid­ zone (326) in die Schicht von ihrer Oberfläche aus hinein­ führt, um eine elektrische Isolation zwischen verschiedenen Abschnitten des Kreuzpunktes zu bewirken.
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