DE3000890A1

DE3000890A1 - Festkoerperrelais

Info

Publication number: DE3000890A1
Application number: DE19803000890
Authority: DE
Inventors: Dale Marius Brown; Marvin Garfinkel; John Albert Laurent; N Y Schenectady
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1980-09-04
Also published as: JPS55133132A; JPS619775B2; DE3000890C2; US4227098A

Description

IEDTKE - ÖÜHLING - KlNNE ΓορΓίιηΤεΡΑ)

IRUPE - PeLIMANN Dipl-Ing. H.Tiedtke

inure ι cluwanim Dipl.-Chem. G. Bühling

" " 3000890 Dipl.-lng.RKinne

Dipl.-lng. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20 2403 8000 München

Tel.: 0 89-53 96

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

11. Januar 1980 DE 0103/RD-11628-Brown et al

General Electric Company

Schenectady, N.Y. 12305, USA

Festkörperrelais

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörperrelais ohne bewegliche mechanische Teile, das die Funktion eines elektromechanischen Relais nachbildet. 20

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Festkörperrelais vorzuschlagen, das zum Betrieb keine äußere Spannungsversorgung benötigt.

Die Erfindung hat weiter die Aufgabe, ein Festkörperrelais vorzuschlagen, dessen Ausgang oder Kontaktkreis frei von Versetzungs-Spannungen ("Offset-Spannungen") ist.

Die Erfindung hat weiter die Aufgabe,ein Festkörperrelais vorzuschlagen, dessen Ausgang oder Kontaktkreis zum Einsatz entweder in Wechselspannungs- oder i-ⁿ Gleichspannungskreisen geeignet ist.

■ Die Erfindung hat weiter die Aufgabe, eine verbesserte lichtempfindliche Einheit vorzuschlagen, die zum

_M.., 030036/0553

Mu/rs

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Einbau in Systeme,wie ζ. Β. Festkörperrelais,geeignet ist.

Die Erfindung hat weiter die Aufgabe,eine Photodiodenanordnung vorzuschlagen, deren Ausgangsspannung wesentlich größer als die Ausgangsspannung einer einzelnen Photodiode ist.

Bei einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist eine lichtemittierende Diode mit einem Paar von Eingangsklemmen verbunden, um Strahlung entsprechend dem an die Eingangsklemmen angelegten Strom zu erzeugen. Eine Anordnung von Photodioden, die in Serie zwischen einem Paar von Anordnungselektroden geschaltet und optisch mit der lichtemittierenden Diode verbunden sind, erzeugt eine an den Anordnungselektroden anstehende und der Strahlung der lichtemittierenden Diode entsprechende Steuerspannung. Weiter ist ein Feldeffekttransistor mit einem Paar von stromführenden

*■" Elektroden, einer Gate-Elektrode und einer Substratelektrode vorhanden. Eine der Anordnungselektroden ist mit der Steuer- bzw. Gate-Eletrode und die andere der Anordnungselektroden mit der Substratelektrode .verbunden. Damit hat der Widerstand zwischen den stromführenden Elektroden des Transistors bei fehlender Steuerspannung einen bestimmten Wert und einen anderen, wesentlich davon abweichenden Wert dann, wenn von der Diodenanordnung eine Steuerspannung erzeugt wird. Um "die Gate-Substratkapazität des Transistors beim Abschalten des

Stromes zwischen den Eingangsklemmen des Relais zu entladen, ist ein großer Widerstand zwischen die Gate-Elektrode und die Substratelektrode geschaltet. Weiter ist ein den Kontaktelektroden eines elektromechanischen Relais

entsprechendes Paar von Ausgangsklemmen vorhanden. Eine 35

der Ausgangsklemmen ist mit der einen stromführenden Elektrode und die andere mit der anderen stromführenden

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Elektrode des Transistors verbunden.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist der Einbau einer Anordnung von Photodioden in ein gemeinsames Substrat, in dem jede der Photodioden von den anderen Photodioden sowie vom Substrat dielektrisch isoliert ist. Die Photodioden sind in Serie geschaltet, um eine Ausgangsspannung zu ermöglichen, die im wesentlichen die Summe der Spannungen der einzelnen Dioden der Anordnung ist. Bei Photodiodenanordnungen in einem gemeinsamen Substrat sind verschiedene Ausführungen der Isolierung der Photodioden, sogar so aufwendige wie sperrend vorgespannte PN-Übergänge, zur Anwendung gekommen. Untrennbar mit diesen Ausführungen sind parasitäre Widerstandsbrücken verbunden, die die Größe der erreichbaren Spannungen beträchtlich verringern.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich außer aus den Ansprüchen auch aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer

ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festkörperrelais;

Fig. 2 einen schematischen Schaltplan einer

anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festkörperrelais;

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Fig. 3 eine Aufsicht einer Verwirklichung

der in Fig. 1 schematisch gezeigten Ausführungsform;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die in Fig.

gezeigte Ausführungsform;

Fig. 5 eine Aufsicht auf die Anordnung der lichtemittierenden Diode bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform;

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Anordnung der lichtemittierenden Diode nach
Fig. 5 bei der Linie 6-6 in Fig. 5; 15

Fig. 7 eine Schnittansicht eines Teils der Anordnung der lichtemittierenden
Diode nach Fig. 5 bei der Linie 7-7 in Fig. 6;
20

Fig. 8 eine Aufsicht auf die Anordnung der

Photodioden bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform;

Fig. 9 einen Querschnitt der Ausführung der

Photodiodenanordnung in Fig. 8 bei
der Linie 9-9 in Fig. 8;

Fig. 10 eine Aufsicht auf die Isolierschicht-Feldeffekttransistoranordnung bei der Ausführungsform nach Fig. 3; und

Fig. 11 einen Querschnitt durch die in Fig. gezeigte Ausführung bei der Linie 11-11 in Fig. 10.

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Fig. 1 zeigt ein Festkörperrelais 10 mit einer lichtemittierenden Diode 11, die eine Kathode 12 und eine Anode 13 hat. Das Festkörpertelais 10 weist weiter eine Anordnung 17 von Photodioden 18 auf, die einander unterstützend in Serie zwischen ein Paar von Elektroden 19 und 20 geschaltet sind, wobei die Elektrode 19 mit der Anode der Photodiode an dem einen Ende der Anordnung und die Elektrode 20 mit der Kathode der Photodiode an dem anderen Ende der Anordnung verbunden ist. Außerdem weist das Festkörperrelais 10 einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor 25 mit einem Paar stromführender Elektroden 26 und 27, mit einer Steuerelektrode 28 und mit einer Substratelektrode 29 auf. Der Isolierschicht-Feldeffekttransistor 25 kann entweder vom Anreicherungs- oder vom Verarmungstyp sowie entweder vom P-Kanal- oder vom N-Kanal-Typ sein. Transistoren vom N-Kanal-Typ sind jedoch wegen der höheren Leitfähigkeit vorzuziehen, die zwischen ihren Elektroden erhalten werden kann. Ein Paar von "Spulen-oder Eingangsklemmen 14 und 16 ent-

sprechen den Spulenklemmen eines elektromechanischen Relais. Die Kathode 12 der lichtemittierenden Diode 11 ist mit der Eingangsklemme 14 verbunden. Die Anode 13 der lichtemittierenden Diode 11 ist über einen Widerstand

15 zur Strombegrenzung mit der Eingangsklemme 16 Verbünde

° den. Die Anordnung 17 von Photodioden 18 ist mit der lichtemittierenden Diode 11 so verbunden, daß die Photodioden 18 die von der lichtemittierenden Diode 11 ausgehende Strahlung empfangen. Die Elektrode 19 der Anordnung 17 ist mit der Steuerelektrode 28 des Isolierschicht-Feld-

effekttransistors 25 verbunden. Die andere Elektrode 20 der Anordnung 17 ist mit der Substratelektrode 2 9 sowie mit der stromführenden Elektrode 27 des Isolierschicht-Feldeffekttransistors 25 verbunden..Beim Einsatz des Relais in Gleichstrom-Schaltungen ist es

vorteilhaft, die Substratelektrode 2 9 mit einer der stromführenden Elektroden^. B. der Elektrode 27, zu verbinden, die dann als Source des Isolierschicht-Feld-

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- ¹°- 300089Q ^DE0103 effekttransistors 25 arbeitet. Weiter ist ein Paar von Ausgangsklemmen 31 und 32 vorhanden. Die Ausgangsklemme 31 ist mit der stromführenden Elektrode 26 und die Ausgangsklemme 32 mit der stromführenden Elektrode 27 verbunden. Ein Entladungswiderstand- 21 ist zwischen die Elektroden 19 und 20 der Anordnung 17 geschaltet, um der Ladung an der Steuerelektrode 28 und damit der an ihr anliegenden Spannung das Abfließen beim Abschalten des Stromflusses zwischen den Eingangsklemmen 14 und 16 zu ermöglichen.

Im folgenden soll der Betrieb der Festkörperrelaisschaltung in Fig. 1 erklärt werden. Dabei wird angenommen, daß der Isolierschicht-Feldeffekttransistor 25 vom N-Kanal-Anreicherungstyp ist. Ein Vorwärtsstrom ausreichender Größe zwischen den Eingangsklemmen 14 und 16 veranlaßt die lichtemittierende Diode 11, Strahlung auszusenden. Die Anordnung 17 in Serie geschalteter Photodioden 18 erzeugt zwischen den Elektroden 19 und 20 eine

™ Spannung, die die Summe der von den einzelnen Photodioden entsprechend der empfangenen Strahlung erzeugten Spannungen ist. Die Spannung zwischen den Elektroden 19 und 20 ist zwischen die Steuerelektrode 28 und die Substratelektrode 29 des Isolierschicht-Feldeffekttransistors 25

^Z3 gelegt. Bei einer in bezug auf die Substratelektrode 29 positiven Steuerelektrode 28 wird ein Leitfähigkeitskanal· bzw. ein Kanal niedrigen Widerstandes zwischen den Elektroden 26 und 27 gebildet, so daß der Kreis zwischen den Ausgangsklemmen 31 und 32 geschlossen wird.

Dies entspricht der Schließung der Kontakte bei einem elektromechanischen Relais. Fließt kein Strom zwischen den Eingangsklemmen 14 und 16, so entsteht auch keine Spannung über den Elektroden 19 und 20 der Anordnung 17.

Folglich ist der Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen

31 und 32 hoch. Dies entspricht einem offenen Kreis oder einem offenen Kontakt bei einem elektromechanischen Relais. Bei dieser Schaltung ist es erforderlich,"daß

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die Ausgangsklemme 32 mit einem Teil der (nicht gezeigten) äußeren Schaltung verbunden ist, der gegenüber dem Teil der äußeren Schaltung, mit dem die Ausgangsklemme 31 verbunden ist, mehr negativ ist. Ist dagegen der Isolierschicht-Feldeffekttransistor 25 nicht vom Anreicherungs-Typ, sondern vom Verarmungs-Typ mit derselben Substratleitfähigkeit, und die Polarität der von der Photodiodenanordnung 17 gelieferten Spannung, die zwischen der Steuerelektrode 28 und der Substratelektrode 29 des Isolierschicht-Feldeffekttransistors 25 angelegt ist umgekehrt, so ist der Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen 31 und 32 dann niedrig, wenn keine Spannung an die Steuerelektrode des Transistors angelegt ist. Dies entspricht dem Schließen der Kontakte bei einem elektromechanischen Relais. Wird durch Stromfluß zwischen den Eingangsklemmen 14 und 16 eine Spannung der besagten umgekehrten Polarität an die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors vom Verarmungs-Typ angelegt, so ergibt sich ein hoher Widerstand zwischen den stromführenden Elektroden 2 6 und 27. Dies entspricht einem offenen Kreis oder einem offenen Kontakt bei einem elektromechanischen Relais.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Schaltplan einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 1, sieweist jedoch verschiedene Abänderungen auf. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist brauchbar beim Einsatz in äußeren Schaltungen, bei denen Wechselspan- ^ou nungen an die Ausgangsklemmen 31 und 32 gelegt werden. Diese Ausführungsform ist auch brauchbar, wenn Gleichspannungen unterschiedlicher Polarität an die Ausgangsklemmen 31 und 32 gelegt werden können. Bauelemente

in Fig. 2, die identisch mit Bauelementen in Fig. 1 35

sind, haben auch gleiche Bezugszeichen. In Fig. 2 ist die Substratelektrode 29 des Transistors 25 mit dem Bezugspotential der Schaltung statt mit einer der strom-

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] führenden Elektroden 2 6 und 27 verbunden. Zusätzlich sind ein Paar von Dioden 35 und 36 für einen Anreicherungs-Feldeffekttransistor 25 vom N-Kanal-Typ vorhanden. Die Anode der Diode 35 ist mit der Substratelektrode 29 und die Kathode mit der stromführenden Elektrode 2 6 verbunden.

Die Anode der Diode 36 ist ebenfalls mit der Substratelektrode 29 bzw. dem Bezugspotential und die Kathode mit der stromführenden Elektrode verbunden. Bei einem Anreicherungs-Feldeffekttransistor hat das Substrat P-Typ-Leitfähigkeit und die stromführenden Elektroden 2 6 und 27 haben N-Typ-Leitfähigkeit. Somit ist jede der Dioden 35 und 36 parallel zu den PN-Übergängen zwischen den stromführenden Elektroden und dem Substrat geschaltet. Die Dioden 35 und 36 sind in bezug auf ihre Vorwärtsleitfähigkeit so ausgesucht, daß sie bei einer niedrigeren Spannung als die PN-Übergänge des Feldeffekttransistors zu leiten beginnen. Bei Isolierschicht-Feldeffekttransistoren auf einem Siliciumsubstrat setzt die Vorwärtsleitung der PN-Übergänge bei ungefähr 0,6 V ein. Demgegenüber haben Silicium-Schottky-Dioden oder Germanium-Dioden mit PN-Übergängen eine Einsatzspannung für die Vorwärts leitfähigkeit, die ein Bruchteil der Einsatzspannung für die Vorwärtsleitfähigkeit bei gebräuchlichen Silicium- PN-Übergängen ist. Sinkt beispielsweise die Spannung an der Ausgangsklemme 31

jr unter das Bezugspotential, so wird hierdurch die Diode 35 leitend, bevor der mit der Elektrode 26 verbundene PN-Übergang leitet, so daß hierdurch die Ausgangsklemme 31 und auch die Elektrode 2 6 mit dem Substrat verbunden wird und eine Schaltung ähnlich der in Fig. 1 gezeigten entsteht. Somit kann der Feldeffekttransistor 25 durch Anlegen einer genügend großen Spannung an die Steuerelektrode 28 durchgeschaltet werden. Sinkt umgekehrt die Spannung an der Ausgangsklemme 32 unter das Bezugspotential, so leitet die andere Diode 36 und die Elektro- de 27 ist jetzt mit dem Bezugspotential und dem Substrat verbunden. Somit kann der Feldeffekttransistor 25 wieder durch Anlegen einer Spannung genügender Größe an die Steuerelektrode 28 durchgeschaltet oder leitend gemacht

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werden. Ohne die so geschalteten Dioden und ohne die genannte Vorwärtsleitfähigkeitscharakteristiken würde eine an die Ausgangsklemme 31 und 32 angelegte Wechselspannung bewirken, daß der Feldeffekttransistor 25 auch ohne eine an die Steuerelektrode 28 angelegte Spannung aufgrund der Injektion von Ladungsträgern aus der stromführenden Elektrode in das Substrat leitet. Die Dioden 35 und 36 werden auch bei Feldeffekttransistoren vom Verarmungs-Typ so geschaltet.

Fig. 3 zeigt eine Verwirklichung des in Fig. 1 gezeigten Festkörperrelais. Die den in Fig. 1 gezeigten Bauelementen entsprechenden Elemente sind in Fig. 3 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Das in Fig. 3 gezeigte Festkörperrelais weist eine lichtemittierende Diode 11, einen Anordnung 17 von Photodioden, einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor 25 und einen Widerstand 21 auf, die alle auf einem gemeinsamen Keramiksubstrat 40 montiert sind. Die lichtemittierende Diode 11 hat einen mit der Anode der lichtemittierenden Diode 11 verbundenen oberen Leiter 41 und einen unteren Leiter 42, der sowohl mit der Kathode 12 der Diode als auch mit einem dünnen Glassubstrat 43 verbunden ist, das die lichtemittierende Diode 11 trägt. Der in Fig. 6 dargestellte PN-Übergang 11a der lichtemittierenden Diode 11 befindet sich näher bei dem unteren Leiter 42, der mit einer großen Öffnung versehen ist, damit das Licht durch ihn hindurchtreten kann. Eine Leitung 44 verbindet den unteren Leiter 42 und die Kathode 12 der lichtemittierenden Diode 11 mit der Eingangsklemme 14. Eine Leitung 45 verbindet die Anode der lichtemittierenden Diode mit dem einen Anschluß des den Strom begrenzenden Widerstandes 15, dessen anderer Anschluß mit der Eingangsklemme 16 verbunden ist. Die Aufbau der lichtemittierenden Diode 11 und die Art und Weise, in der diese hergestellt wird, wird nachfolgend im einzelnen in Verbindung mit den Fig. 5, 6 und 7 beschrieben.

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Die Anordnung von Photodioden weist ein polykristallines Substrat 46 auf, auf dessen obere Oberfläche eine Mehrzahl von Siliciumdioden aufgebracht ist, von denen jede einzelne vom Substrat und von jeder anderen durch eine isolierende dielektrische Schicht aus Siliciumdioxid isoliert ist. Leitungen, die isoliert oberhalb der Oberfläche der Dioden verlaufen, verbinden unterschiedliche Elektroden von benachbarten Dioden, so daß eine Serienschaltung von Dioden zwischen den Elektroden 19 und 20 gebildet wird. Die untere Oberfläche des polykristallinen Siiiciumsubstrats 46 der Diodenanordnung ist mit dem Keramiksubstrat 40 verbunden. Das tragende Glassubstrat der lichtemittierenden Diode 11 ist auf die obere Fläche der Diodenanordnung 17 aufge-

^ kiebt, und zwar in Ausrichtung mit den Dioden der Diodenanordnung mittels einer Schicht aus transparentem Epoxyharz 49. Damit wird entsprechend dem an die Eingangsklemmen 14 und 16 angelegten Strom Licht in der iichtemittierenden Diode 11 erzeugt, das durch das Glassubstrat 43 und die transparente Schicht aus Epoxyharz auf die Photodiodenanordnung fällt und eine Spannung zwischen den Elektroden 19 und 20 erzeugt. Weitere Einzelheiten des Aufbaus der Photodiodenanordnung und die Art

und Weise ihrer Herstellung werden nachstehend in Verbinde

dung mit den Fig. 8 und 9 beschrieben.

Der Isolierschicht-Feldeffekttransistor hat ein Substrat, das elektrisch mit einer Metallschicht 50 auf dem Substrat 40 verbunden ist und sowohl die Substrat-

verbindung oder -elektrode 29 der Anordnung als auch die Erdbezugsebene für das Festkörperrelais darstellt. Der Feldeffekttransistor 25 weist auch ein Paar von leitenden Plättchen 51 und 52 auf, die leitend mit der Elektrode 26 bzw. 27 des Feldeffekttransistors 25 verbunden sind.,

und ein leitendes Plättchen 53, das mit der Steuerelektrode 28 des Feldeffekttransistors verbunden ist.

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Das leitende Plättchen 51 ist mit der Ausgangsklemme über eine Leitung 5 4 und das leitende Plättchen 52 mit der Ausgangsklemme 32 über eine Leitung 55 verbunden. Ein mit dem Substrat 40 verbundenes leitendes Plättchen 56 erleichtert die Verbindung der verschiedenen Schaltungselemente des Festkörperrelais. Eine Leitung 57a verbindet die Elektrode 19 und das leitende Plättchen 56 leitend. Eine Leitung 57b verbindet die Elektrode 20 und die Metallschicht 50 leitend. Eine Leitung 5 8 verbindet das leitende Plättchen 5 3 der Steuerelektrode und das leitende Plättchen 56. Eine Leitung 59 verbindet das eine Ende des Widerstandes 21 mit dem leitenden Plättchen 56 leitend. Eine Leitung 60 verbindet das andere Ende des Widerstandes 21 mit der Metallschicht 50 leitend.

Weitere Einzelheiten des Aufbaus des Feldeffekttransistors 25 und die Art und Weise seiner Herstellung werden nachstehend in Verbindung mit den· Fig. 10 und 11 beschrieben.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die lichtemittierende Diode 11. Fig. 5 zeigt eine Aufsicht der Anordnung, in der der mit der Anode der lichtemittierenden Diode verbundene obere Leiter 41 und das Glassubstrat 43 zu sehen sind, auf das der mit der Kathode der lichtemittierenden Diode verbundene untere Leiter 42 aufgebracht ist. Fig. 7 zeigt, daß der Teil des unteren Leiters 42, auf dem die lichtemittierende Diode 11 aufgebaut ist, eine rechteckige Umrißlinie mit großen Öffnungen 61 und 62 hat, die den Durchgang des von der lichtemittierenden Diode erzeugten Lichtes zu der Photodiodenanordnung gestatten.

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Photodiodenanordnung. Die Photodiodenanordnung umfaßt ein polykristallines Substrat 46, dessen obere Oberfläche eine Mehrzahl von Siliciumdioxidnestern aufweist, von denen jedes eine

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Planardiode 18 enthält. Eine dünne Silxcxumdioxidschicht überdeckt jede der Dioden. Die anderen Stellen oberhalb der Diodenanordnung sind von einer dicken Siliciumdioxidschicht 67 bedeckt. Jede der Dioden weist ein P-leitendes Gebiet 68, das die Anode bildet/und ein darunterliegendes N-leitendes Gebiet 6 9 auf, das die Kathode der Diode bildet. In der dünnen Silxcxumdioxidschicht oberhalb einer jeden Diode sind zwei Öffnungen 71 und 72 für den Zugang zu der Kathode und der Anode der Diode.

]0 Aluminiumleitungen 73 verbinden die Kathode einer Diode mit der Anode der benachbarten Diode in der in Fig. 8 gezeigten Weise/mit Ausnahme der Diode in der oberen rechten Ecke und der Diode in der unteren rechten Ecke der Anordnung. Das P-leitende Gebiet der Diode 18 in der oberen rechten Ecke der Anordnung ist mit der Elektrode 19 und das N-leitende Gebiet der Diode in der unteren rechten Ecke der Anordnung mit der Elektrode 20 verbunden.

Die in Fig. 8 und 9 gezeigte Photodiodenanordnung wird folgendermaßen hergestellt: Ausgehend von einer Einkristall-Siliciumscheibe wird eine Mehrzahl von Mesas auf der einen Oberfläche der Scheibe mittels der bekannten Maskierungs- und Ätztechniken ausgebildet. Die Mesas werden dann oxidiert, um die Siliciumdioxidnester 65 zu bilden. Der Platz zwischen den oxidierten Mesas wird dann mit polykristallinem Silicium unter Verwendung der wohlbekannten Pyrolysetechnik aufgefüllt, um das Substrat 46 zu bilden. Anschließend wird die entgegengesetzte Fläche der Siliciumscheibe geschliffen, geläppt und geätzt, um die gezeigte Struktur auszubilden, bei der die Scheibe aus einkristallinem Silicium in eine Mehrzahl von Teilen geteilt wird, von denen jeder von dem polykristallinen Substrat 46 und von jedem anderen Teil isoliert ist. Die Standardplanarsiliciumtechnik wird eingesetzt, um die Planardioden herzustellen, die die gezeigte Struktur haben und von der dünnen

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Siliciumdioxidschicht 66 bedeckt sind, die rait der dicken Siliciumdioxidschicht 67 verbunden ist.

Die Fig. 10 und 11 zeigen einen Hochleistungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit einem hohen Seitenverhältnis. Der Feldeffekttransistor 25 umfaßt eine Einkristallscheibe, die die Substratelektrode 29 bildet, in der ein erster Satz von N-leitenden Gebieten 2 6 mit fingerähnlichen Fortsätzen ausgebildet ist, zwischen die kammähnlich oder alternierend ein zweiter Satz von N-leitenden Gebieten 27 mit fingerähnlichen Fortsätzen geschoben ist. Auf der oberen Oberfläche des Substrats 2 9 hat das N-leitende Gebiet 26 von dem N-leitenden Gebiet 27 einen einheitlichen geringen Abstand, der dem Kanalabstand entspricht. Der Kanal erstreckt sich in Serpentinen oder in Falten von einer Seite des Substrats zu der anderen. Der Kanal ist von einer dünnen Siliciumdioxidschicht 75 bedeckt, über der eine leitende Steuerelektrode 28 entsprechend den gefalteten Kanalgebieten liegt. Ein metallischer Leiter 77 ist mit der fingerähnlichen Elektrode 26 und ein metallischer Leiter 78 mit der fingerähnlichen Elektrode 27 verbunden. Die gezeigte Anordnung wird beispielsweise von einer isolierenden Siliciumdioxidschicht bedeckt, in der Öffnungen für die Verbindungen zu den Leitern 77, 78 und 28 sind.

Auf der isolierenden Schicht sind, wie in Fig. 3 gezeigt, Plättchen 51, 52 und 53 aufgebracht, die durch die Öffnungen in der Siliciumdioxidschicht mit den Leitern 77,

78 bzw. 28 leitend verbunden sind. 30

Bei der .in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Realisierung des erfindungsgemäßen Festkörperrelais ist die aus Galliumarsenid bestehende lichtemittierende Diode 11 mit

2 einer PN-Übergangsflache von ungefähr 0,580 mm

( 900 square mils) über einer aus etwa 20 Planardiodenbestehenden Anordnung mit dem in Fig. 8 und 9 gezeigten Aufbau angeordnet, wobei jede Diode eine über-

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2
gangsflache von ung. 0,0067 mm (16 sq.mils) hat. Der auf einem Siliciumsubstrat aufgebaute Isolierschicht-Feldeffekttransistor vom Anreicherungs-Typ hat eine Kanallänge von 4 um und ein Seitenverhältnis von 10000. Die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat des Feldeffekttransistors ist ungefähr 60 Picofarad. Der Entladungswiderstand 21 im Relais hat ungefähr 15 M..Ω_.Fließt kein Strom zwischen den Eingangskiemmen 14 und 16 des Relais, so ist der zwischen den Ausgangsklemmen gemessene Widerstand ungefähr 1000 M-Q. Nach dem Anlegen eines Stroms von 20 mA verringert sich der Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen nach einer ms auf 2 Ohm. Nach dem Wegnehmen des EingangsStroms erreicht der Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen nach einer ms seinen ursprünglichen Wert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Realisierung wurden für die Dioden 35 und 3 6 Schottky-Dioden verwendet, deren Einsatzspannung für die Vorwärtsleitfähigkeit kleiner als die Einsatzspannung für die Vorwärts leitfähigkeit bei dem PN-Übergang des Isolierschicht-Feldeffekttransistors ist. Die Schottky-Dioden wurden auf dem Substrat 50 entsprechend Fig. 2 aufgebracht. Mit diesen Änderungen ist das in Fig. 3 und 4 gezeigte Festkörper-

2^J relais für das Schalten von Wechselspannungen geeignet.

Bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist ein Widerstand 21 zwischen die Steuerelektrode und die Substratelektrode des Feldeffekttransistors geschaltet. Es versteht sich von selbst/ daß dieser Widerstand durch ein aktives Bauelement, wie z. B. durch einen Transistor, ersetzt werden kann.

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Der Feldeffekttransistor in der Ausführungsform nach Fig. 2 benötigt einen symmetrischen Source- und Drainaufbau. Dagegen kann der Feldeffekttransistor in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nicht-symmetrisch sein. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 können also nichtsymmetrische Feldeffekttransistoren, wie z. B. vertikale Feldeffekttransistoren verwendet werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Festkörperrelais ist, daß die Verringerung der Lichtleistung der lichtemittierenden Diode aufgrund von Alterung nicht die im eingeschwungenen Zustand in der Photodiodenanordnung erhaltene Spannung beeinträchtigt. Die Verringerung setzt nur den Kurzschlußstrom herab, so daß die Zeit ansteigt, in der die Spannung im eingeschwungenen Zustand erreicht wird. Damit verändert die Verringerung der Leistung der lichtemittierenden Diode nicht das Durchschalten des Transistors. Vielmehr wird nur die Zeit verzögert und vergrößert, in"der der Transistor durchschaltet und damit der Kontakt geschlossen wird.

Da die Ausgangsspannung der Photodiodenanordnung im eingeschwungenen Zustand im wesentlichen unabhängig von der Stromrichtung in der Photodiodenanordnung und somit von der Lichtleistung der lichtemittierenden Diode ist, ist das erfindungsgemäße Festkörperrelais auch für den Betrieb mit Eingangswechselspannungen geeignet. Da jedoch die Lichtleistung gepulst ist, wird die Endspannung der Photodiodenanordnung nicht so schnell wie beim Betrieb mit einer Eingangsgleichspannung erreicht. Somit schaltet das Relais beim Betrieb mit einer Eingangswechselspannung langsamer als beim Betrieb mit einer Eingangsgleichspannung. Natürlich

^OJ muß die Wechselspannung eine geringere Spitzenspannung

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1 als die Durchbruchspannung der lichtemxttierenden Diode haben.

Vorstehend sind verschiedene Ausführungsformen des 5 erfindungsgemäßen Festkörperrelais mit einer lichtemittierenden Diode, einer Serienschaltung von Photodioden und einem Feldeffekttransistor beschrieben worden. Es versteht sich von selbst, daß sich der allgemeine Erfindungsgedanke auch auf Abwandlungen dieser Ausführungen 10 erstreckt.

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Leerseife

Claims

FlEDTKE - BüHLING ^ra KlNME

βη,,ρρ - Ppi ι MAMM Dipi.-Ing. H.Tiedtke

V3RUPE rELLMANW Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-Ing. R. Kinne 3000890 Dipl.-Ing. R Grupe

Dipl.-Ing. B. Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20 2403 8000 München 2

Tel.: 089-5396

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

11. Januar 1980 DE 0103 /RD-11628-Brown et al

Patentansprüche

1. Festkörperrelais, gekennzeichnet durch zwei Eingangsklemmen (14, 16), durch eine mit den Eingangsklemmen (14, 16) verbundene lichtemittierende Diode (11) zur Erzeugung einer dem Strom durch die Eingangsklemmen (14, 16) entsprechenden Strahlung,

durch eine Anordnung (17) von Photodioden (18), die in Serie zwischen zwei Elektroden (19," 20) geschaltet und optisch mit der lichtemittierenden Diode (11) verbunden sind, um zwischen den Elektroden (19, 20) eine der Strahlung der lichtemittierenden Diode (11) entsprechende Steuerspannung aufzubauen

durch einen Feldeffekttransistor (25) mit zwei stromführenden Elektroden (26, 27), einer Steuerelektrode (28) und einer Substratelektrode (29), wobei die Elektrode (19) mit der Steuerelektrode (28) und die Elektrode (20) mit der Substratelektrode (29) verbunden ist, so daß ohne zwischen die Steuerelektrode (28) und die Substratelektrode (29) angelegte Steuerspannung der Widerstand zwischen den beiden stromführenden Elektroden (26, 27) einen Wert und bei angelegter Steuerspannung einen anderen, wesentlich davon abweichenden Wert hat,

durch eine Vorrichtung, die einen großen Widerstand zwischen die Steuerelektrode (28) und die Substratelektrode (29) ergibt,und und

_Mü/rs . 030036/0553

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BAD ORIGINAL

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durch zwei Ausgangsklemmen (31, 32), von denen jede mit einer der stromführenden Elektroden (26, 27) verbunden ist.

2. Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (25) ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor ist.

3. Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (25) ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp ist.

4. Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (25) ein Isolierschicht-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist.

5. Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (17) von Dioden (18) eine Planaranordnung von Dioden ist, von denen jede dielektrisch von der anderen auf einem gemeinsamen Substrat (46) isoliert ist.

6. Festkörperrelais nach Anspruch 2, .dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode (29) mit einem festen Bezugspotential verbunden ist, daß zwei gleichrichtende Dioden (35/36) vorhanden sind, von denen jede zwischen eine der stromführenden Elektroden (26, 27) und das Bezugspotential geschaltet und so gepolt ist, daß sie in bezug auf die Substratelektrode (29) in derselben

Richtung wie die stromführende Elektrode (26, 27) leitet, mit der sie verbunden ist, und daß die Spannung, bei der die Vorwärtsleitung jeder der gleichrichtenden Dioden (35, 36) einsetzt, wesentlich kleiner als die Spannung ist, bei der die entsprechende stromführende

Elektrode (26, 27) in bezug auf die Substratelektrode (29) zu leiten beginnt.

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7. Festkörperrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenverhältnis des Isolierschicht-Feldeffekttransistors (25) sehr groß ist.

8. Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode (29) mit einer der stromführendθϋ Elektroden (26, 27) verbunden ist.

9. Festkörperrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführenden Elektroden (26, 27) symmetrisch in bezug auf die Substratelektrode (29) sind.

10. Anordnung von Photodioden, gekennzeichnet T5 durch ein Substrat (46) aus polykristallinen!

Silicium mit einer Hauptoberfläche,

durch eine Mehrzahl von Photodioden (18), von denen jede einen Körper (69) aus Silicium des einen Leitfähigkeitstyps mit einer ebenen Oberfläche und ein Gebiet (68) des anderen Leitfähigkeitstyps aufweist, das benachbart zu dem größeren Teil der ebenen Oberfläche ist, wobei der Körper (6 9) die eine Elektrode und das Gebiet (68) des entgegengesetzten.Leitfähigkeitstyps die andere Elektrode der Photodiode (18) bildet,

der Körper (69) von einer dünnen Schicht (65) aus Siliciumdioxid umgeben und in das Substrat (46) eingebettet ist und die ebenen Oberflächen der Körper (69) im wesentlichen koplanar mit der ebenen

Hauptoberfläche des Substrats (46) sind, r>r\

durch zwei Elektroden (19, 20) und

durch der Hauptoberfläche benachbarte Leitungen (73), die die Elektroden der Photodioden (18) in Reihenschaltung zwischen die Elektroden (19, 20) schalten.

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11 . Anordnung in Verbindung mit der Anordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet

durch eine lichtemittierende Diode (11) zur Erzeugung von Strahlung entsprechend dem Strom durch die Elektroden der lichtemittierenden Diode (11), und

durch Mittel,die Photodioden (18) der Strahlung der lichtemittierenden Diode (11) auszusetzen.

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