DE1154834B

DE1154834B - Verstaerkende, auf einem Kristall aufgebaute Halbleiterschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE1154834B
Application number: DET20104A
Authority: DE
Inventors: Arthur Dunn Evans; Jack St Clair Kilby
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1960-05-02
Filing date: 1961-05-02
Publication date: 1963-09-26
Also published as: NL264275A; BE603267A; MY6900282A; JPS4942810B1; CH402077A; MY6900321A; GB982941A; GB982942A; US3222610A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verstärkende, auf einem Kristall aufgebaute Halbleiterschaltungsanordnung mit hoher Eingangsimpedanz und mit einer an den Verstärker angeschlossenen Belastungsimpedanz.

Derartige Halbleiterschaltungen sind bereits vorgeschlagen worden. Demnach werden ganze elektronische Schaltungen vollständig im Innern von winzigen Plättchen aus Halbleitermaterial gebildet, wobei verschiedene Abschnitte des Materials als diskrete Schaltungselemente dienen, während andere Abschnitte des Materials die erforderlichen inneren Verbindungen der Schaltungselemente herstellen.

Diese auf einem Kristall aufgebauten Halbleiterschaltungen stellen einen beträchtlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Miniaturausführung von Schaltungen dar, und sie ermöglichen die praktische Ausführung von einer großen Vielzahl von elektronischen Schaltungen in einem einzigen winzigen Plättchen aus Halbleitermaterial; es sind aber Probleme aufgetreten, wenn das Frequenzverhalten derartiger Schaltungen so bemessen werden sollte, daß der Tonfrequenzbereich eingeschlossen ist. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, einen volltändigen Tonfrequenzverstärker in einem winzigen Plättchen aus Halbleitermaterial zu bilden, liegen die Eingangsimpedanzen des Verstärkers auf so kleinen Werten, daß die Verwendung von verhältnismäßig großen Kondensatoren erforderlich ist. Das Problem, das eine niedrige Eingangsimpedanz hinsichtlich der Erfordernis großer Kapazitätswerte ergibt, läßt sich verstehen, wenn man bedenkt, daß das Frequenzverhalten eines Verstärkers weitgehend durch das Verhältnis der Blindwiderstände der Kopplungs- und Blockkondensatoren zu den an den Elektroden der aktiven Verstärkerelemente (ζ. Β. Transistoren) vorhandenen Impedanzen bestimmt wird. Da die Eingangsimpedanzen von zweipoligen Transistoren verhältnismäßig niedrig sind, müssen die kapazitiven Blindwiderstände, die für die zugehörigen Kondensatoren erforderlich sind, bei den betreffenden Frequenzen entsprechend klein sein, und dies bedeutet wiederum, daß bei niederfrequenten Anordnungen die Werte der Kondensatoren verhältnismäßig groß sein müssen.

Es ist allgemein bekannt, daß einer der Hauptfaktoren, der die von einem Kondensator dargestellte Kapazität beeinflußt, mit der wirksamen Fläche der Kondensatorelektroden zusammenhängt. Der Wert einer Kapazität, die bei einer bestimmten Ausführung vorhanden ist, ändert sich direkt in Abhängigkeit von der Flächenausdehnung; es lassen sich zwar verhältnismäßig große Kapazitätswerte dadurch erzielen, daß Verstärkende, auf einem Kristall aufgebaute Halbleiterschaltungsanordnung

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated,
Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Mai 1960 (Nr. 26136)

Arthur Dunn Evans, Richardson, Tex.,

und Jack St.Clair Kilby, Dallas, Tex. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

die Größe der in einer älteren Patentschrift vorgeschlagenen Halbleiterplättchen vergrößert wird, doch würde natürlich ein übermäßiger Anstieg dieser Größe einen der Hauptvorteile dieser Anordnungen zunichte machen, nämlich die außerordentlich geringe Größe der vollständigen Schaltung. Es hat sich daher als unpraktisch erwiesen, bestimmte Kapazitätswerte zu überschreiten, wenn der Vorteil der geringen Größe voll erhalten bleiben soll.

Es ist bereits bekannt, einem Transistorverstärker dadurch eine hohe Eingangsimpedanz zu erteilen, daß als Eingangsstufe eine Elektronenröhre verwendet wird. Abgesehen davon, daß die Verwendung von Elektronenröhren in Verbindung mit Transistoren stets unerwünscht ist, scheidet diese Lösung natürlich vollständig aus, wenn die ganze Schaltung auf einem Kristall aufgebaut sein soll. Ein einfacher Ersatz der Elektronenröhre durch einen Transistor ist aber nicht möglich, weil diese Schaltungselemente gerade hinsichtlich ihrer Eingangsimpedanz nicht äquivalent sind.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Halbleiterverstärkers, der vollständig auf einem Kristall aufgebaut ist und dennoch eine hohe Eingangsimpedanz aufweist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stromweg eines Unipolartransistors

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zwischen Kollektor und Basis des Verstärkertransistors liegt und daß die schaltungsmäßige Verbindung dieses Unipolartransistors mit den zugehörigen passiven Elementen der Verstärkerschaltung vollständig im Innern eines einzigen Halbleiterplättchens erzielt wird.

Mit der Erfindung wird das Problem der Erzielung großer Kapazitätswerte in winzigen, auf einem Kristall aufgebauten elektronischen Schaltungen dadurch be-

Fig.4c,

Fig. 5 a eine perspektivische Ansicht einer weiteren Halbleiterkristallschaltung nach der Erfindung und

Fig. 5 b das Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig. 5 a.

Wie bereits erwähnt wurde, soll mit der Erfindung ein Tonfrequenzverstärker geschaffen werden, dessen Ausführung der Technologie der Halbleiterkristall-

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Tiefpaßfilters,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild des Tiefpaßfilters nach der Erfindung,

Fig. 4 a eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterkristallschaltung nach der Erfindung,

Fig. 4 b das Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig. 4 a,

Fig. 4 c eine perspektivische Ansicht einer weiteren

seitigt, daß die Eingangsimpedanz der aktiven Schal- io Halbleiterkristallschaltung,

tungselemente um mehrere Größenordnungen ver- Fig. 4d das Ersatzschaltbild der Anordnung von

größert wird. Da das Frequenzverhalten weitgehend
von dem Verhältnis der Eingangsimpedanz zu der Kapazität (z. B. Kopplungskapazität, Blockkondensator
usw.) abhängt, kann der Frequenzgang ohne Ände- 15
rung der Kapazitätswerte dadurch um mehrere Oktaven ausgedehnt werden. So können die bemerkenswerten Eigenschaften der bekannten Niederfrequenzschaltungen voll ausgenützt werden, ohne daß die
außerordentliche Verkleinerung der Anordnung ge- 20 schaltungen entspricht, wie sie in der zuvor erwähnten opfert werden muß. Diese Wirkung wird dadurch Patentschrift beschrieben sind. Beim Entwurf von erreicht, daß ein Unipolartransistor in besonderer Tonfrequenzschaltungen, die in einem einzigen Stück Verbindung mit den übrigen Schaltungselementen aus Halbleitermaterial gebildet sind, treten zwei verwendet wird. Hauptprobleme auf. Der Eingang einer Transistor-

Unipolartransistoren sind in der Technik bekannt, 25 verstärkerstufe hat von sich aus eine niedrige Impewozu auf die USA.-Patentschrift 2 744 970 verwiesen danz; deshalb ist ein großer Kopplungskondensator werden kann. Wie aus dieser Patentschrift zu ersehen von 1 bis 10 μ¥ zur Impedanzanpassung erforderlich, ist, besitzen Unipolartransistoren die Eigenschaft einer Eine Kristallschaltung mit einer so großen Kapazität hohen Eingangsimpedanz. Obgleich die bisher vor- ist nur schwer herzustellen, weil eine sehr große geschlagenen Unipolartransistoren sehr vielverspre- 30 Fläche erforderlich wäre. Vernünftigere Kapazitätschend waren, sind bei der Herstellung zahlreiche werte würden zwischen 0,001 und 0,010 μΡ liegen. Probleme aufgetreten, so daß sie bisher in der Praxis Ein Kondensator von 0,001 μΡ hat eine Größe, die noch keinen großen Erfolg hatten. ohne Schwierigkeit in einer Halbleiterkristallschaltung

In der jüngsten Zeit wurden Verbesserungen ge- gebildet werden kann. Ein weiteres Problem ist die runden, mit denen viele früher aufgetretene Schwie- 35 Temperaturabhängigkeit der Parameter des HaIbrigkeiten beseitigt worden sind. So sind Anordnungen leitermaterials und ihre Auswirkung auf die Leistung bekanntgeworden, die beträchtliche Vorteile aufweisen,
durch die die Herstellungsschwierigkeiten weitgehend
vermindert werden. Es ist bisher jedoch noch nicht
vorgeschlagen worden, einen Unipolartransistor in 40
eine elektronische Halbleiterschaltung einzufügen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung besteht darin, daß der Unipolartransistor und der zweipolige Transistor in einem einzigen HaIb-

leiterplättchen derart gebildet sein können, daß die 45 Steuerelektrodenkreis besitzt von sich aus eine hohe Verbindungen zwischen diesen Anordnungen die op- Impedanz, weshalb ein kleiner Kopplungskondentimalen Impedanzverhältnisse ergeben. Somit sind sator verwendet werden kann. Der Stromweg des nicht nur beide Elemente vollständig im Innern eines Unipolartransistors liegt zwischen der Quelle 30 und Halbleiterplättchens gebildet, sondern ihre Bildung ist der Senke 28 des Transistors. Die Senke 28 ist an auch so koordiniert, daß die optimalen Verhältnisse 50 die Basis eines npn-Transistors 16 angeschlossen. Der hinsichtlich ihres Zusammenwirkens erhalten werden. Emitter des Transistors 16 ist mit Masse verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Der Stromkreis des Unipolartransistors besitzt von Erfindung werden Teile von verschiedenen Elementen, sich aus eine niedrige Impedanz, und er ist daher an einschließlich des Unipolartransistors, durch einen die niedrige Eingangsimpedanz der Basis des Tran-Mehrfacheffekt von bestimmten Verfahrensschritten 55 sistors angepaßt. Der Belastungswiderstand 19 ist mit gleichzeitig gebildet. dem Kollektor des Transistors 16 und einer Span-

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nungsversorgungsklemme 23 verbunden. Die Quelle ein vollständiger zweistufiger Verstärker in einem 30 des Unipolartransistors 15 ist an die Klemme 27 Halbleiterplättchen gebildet, wobei ein weiterer Uni- zwischen dem Belastungswiderstand 19 und dem polartransistor in Verbindung mit einem zugehörigen 60 Transistor 16 angeschlossen. Der Unipolartransistor Kondensator vorgesehen ist. Dadurch wird ein Tief- 15, der Transistor 16 und der Widerstand 19 bilden paßfilter gebildet, das zur Erzielung einer Gleich- eine erste Verstärkerstufe, deren Betrieb einer Kastromrückkopplung zur Stabilisierung der Verstärker- thodenfolgerschaltung ähnlich ist, da sie einen Vervorspannung dient. Stärkungsfaktor von weniger als Eins, eine hohe Ein-

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung bei- 65 gangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz spielshalber erläutert. Darin zeigt besitzt. Die zweite Verstärkerstufe besteht gleichfalls

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Tonfre- aus einem npn-Transistor 18, dessen Kollektor mit quenzverstärkers nach der Erfindung, einem Belastungswiderstand 20 verbunden ist, der an

der Schaltung. Dieses Problem drückt sich durch eine Instabilität der zur Vorspannung dienenden Gleichspannungen des Verstärkers aus.

Die zuvor geschilderten Probleme werden mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltung beseitigt. Eine Eingangsklemme 21 ist direkt mit einem Kopplungskondensator 14 verbunden, der an die Steuerelektrode 26 eines Unipolartransistors 15 angeschlossen ist. Dieser

die Spannungsversorgungsklemme 23 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 18 liegt an Masse. Bei normalen Betriebsbedingungen liegt der Punkt 27 auf einem Potential, das etwa der Hälfte des Potentials an der Klemme 23 entspricht. Es ist erwünscht, die Basis der zweiten Verstärkerstufe mit einer Spannung von etwa 0,6 Volt zu betreiben. Es sind daher Maßnahmen erforderlich, um die Spannung vom Punkt 27 der ersten Stufe auf etwa 0,6 Volt am Eingang der zweiten Stufe herabzusetzen. Eine Anordnung, welche die Spannung am Eingang der zweiten Stufe auf diesen Wert regelt und auch hinsichtlich der Impedanz befriedigt, ist eine Zenerdiode. Deshalb wird eine Zenerdiode 17 verwendet, die den Punkt 27 der ersten Stufe mit der Basis des Transistors 18 koppelt, wodurch die Eingangsspannung der zweiten Stufe auf etwa 0,6 Volt gehalten wird. Zur Beseitigung der Temperaturinstabilität des Gleichstrom-Vorspannungskreises müssen Maßnahmen getroffen werden, welche die Spannung an der Steuerelektrode des Unipolartransistors 15 stabilisieren. Dies wird durch die Verwendung einer negativen Rückkopplung vom Ausgang 22 der zweiten Stufe zu der Steuerelektrode 26 über ein Tiefpaßfilter 30 erreicht.

Ein Beispiel für ein typisches Tiefpaßfilter ist in Fig. 2 gegeben. Es besteht aus zwei in Serie liegenden Widerständen 40 und 41 und einem zwischen den beiden Widerständen und Masse 45 angeschlossenen Kondensator 42. Die Klemme 43 ist an die Steuerelektrode des Unipolartransistors 26 angeschlossen, während die Klemme 44 mit dem Ausgang 22 der zweiten Stufe verbunden ist. Wegen der hohen Eingangsimpedanz an der Steuerelektrode des Unipolartransistors 15 sind in dem Tiefpaßfilter verhältnismäßig große Widerstände erforderlich. Diese Widerstände sollten in der Größenordnung von 10⁷ Ohm liegen. Ein weiterer Grund für die Verwendung hoher Widerstandswerte für die Widerstände 40 und 41 ist die Möglichkeit der Verwendung eines Kondensators 42 mit einer verhältnismäßig niedrigen Kapazität, wobei dennoch eine gute Dämpfung des Wechselstromsignals in der Rückkopplungsschleife erzielt wird. Dieses Tiefpaßfilter ermöglicht es dann, das Wechselstromsignal zur Masse 45 hin auszuffltern und eine negative Rückkopplungsgleichspannung der Steuerelektrode 26 des Unipolartransistors 15 zuzuführen, wodurch die Vorspannung stabilisiert wird.

Es sei wiederholt, daß die Widerstände des Tiefpaßfilters verhältnismäßig groß sein müssen, beispielsweise in der Größenordnung von 10⁷ Ohm. Dies ist einerseits zur Anpassung an die Impedanz des Steuerelektrodenkreises des Unipolartransistors 15 erforderlich und erlaubt andererseits die Verwendung eines kleinen Kondensators 42 zwischen der Klemme 46 und der Masse 45.

Es ist zu bemerken, daß große Widerstände in Kristallschaltungen nicht leicht so verwirklicht werden können, daß sie die Erfordernis des kleinen Raumbedarfs erfüllen. Deshalb wird ein Tiefpaßfilter unter Verwendung von Unipolartransistoren an Stelle des Filters mit Widerständen verwendet. Fig. 3 zeigt zwei Unipolartransistoren 60 und 61, die in Serie geschaltet und so mit einem Kondensator 62 verbunden sind, daß sie ein Tiefpaßfilter bilden. Der Stromweg des Unipolartransistors hat solche Eigenschaften, daß bei einer ausreichend großen Steuerelektrodenspannung das Unipolar-Bauelement abgedrosselt wird und der Widerstand des Stromweges sehr groß wird, so daß an dem Stromweg des Unipolartransistors eine sehr große Spannung erforderlich wird, damit ein merkbarer Strom erzeugt wird. Bei einer ausreichend großen Spannung an den Steuerelektroden der Unipolartransistoren kann der Widerstand der Stromkreise bis in die Größenordnung von 10⁷ Ohm gebracht werden. Bei der Anordnung von Fig. 3 sind die Quelle eines Transistors 60 und die Senke des anderen Transistors 61 mit einer gemeinsamen

ίο Klemme 66 verbunden. Die Steuerelektroden der Transistoren sind zusammen über eine Leitung 68 an eine Batterie 65 angeschlossen. Diese Unipolartransistoren sind praktisch als spannungs abhängige Widerstände ausgenutzt. Sie eignen sich sehr gut zur Her-

IS stellung in Kristallschaltungen, da sie als hohe Widerstände eingefügt werden können und die Verwendung eines kleinen Kondensators 62 ermöglichen, der in der Größenordnung von 0,001 μΡ liegt. Die Batterie 65 kann durch eine andere Potentialquelle ersetzt werden. Beispielsweise kann die Leitung 68 an einem Abgriff des Lastwiderstandes 20 so angeschlossen werden, daß eine ausreichend hohe Steuerelektrodenspannung erzeugt wird, die den Widerstand der Stromwege der Unipolartransistoren ausreichend groß macht, um deren Verwendung in einem Tiefpaßfilter zu ermöglichen.

Eine Halbleiterkristallschaltung nach der Erfindung ist in Fig. 4 a dargestellt. Es wird von einer einkristallinen Siliciumunterlage 100 des Leitfähigkeitstyps η (mit 7 bis 9 Ohm · cm und einer Dicke von 0,075 bis 0,13 mm) ausgegangen. Diese Unterlage wird zuerst auf einer Seite optisch poliert. Nach dem Reinigen wird das polierte Plättchen mit Gallium von einer Oberflächenkonzentration von etwa 3 ■ 10¹⁶ Atomen/cm³ auf eine Tiefe von etwa 2,5 μ zur Bildung eines Stromweges 102 des Leitfähigkeitstyps ρ difundiert. Dann wird mit dem Plättchen eine zweite Diffusion mit Phosphor von einer Oberflächenkonzentration von etwa 10²⁰ Atomen/cm² bis auf eine Tiefe von etwa 1,3 bis 2 μ durchgeführt. Durch Anwendung einer Oxydmaskierung wird diese Diffusion auf das Gebiet beschränkt, das mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet ist. Diese η-Diffusion erzeugt den Steuerelektrodenabschnitt der Anordnung. Dann kann AIuminium auf die Anordnung aufgedampft und auflegiert werden, damit die Kontakte für die Steuerelektrode, die Quelle und die Senke gebildet werden. Es ist offensichtlich, daß die unerwünschten difundierten Schichten auf der Rückseite und an den Seiten des Trägers durch Läppen entfernt werden können. In Fig. 4 a stellen die ohmschen Kontakte 106 und 108 den Quellenkontakt bzw. den Steuerelektrodenkontakt für den Unipolartransistor dar. Der Kontakt für die Senke ist aus noch zu erläuternden Gründen nicht gezeigt. Bei der beschriebenen Anordnung sind Leitwerte in der Größenordnung von 2000 Mikrosekunden pro Millimeter Steuerelektrodenbreite erzielt worden. Ferner wurde festgestellt, daß typische Anordnungen eine Abschaltspannung von etwa 3 Volt und eine Durchschlagspannung von der Steuerelektrode zum Stromweg von etwa 20 Volt besitzen.

Bei der vorstehenden Beschreibung wurde von Silicium als Halbleitermaterial ausgegangen. Es ist zu bemerken, daß an Stelle von Silicium auch andere Halbleiterstoffe bei der Erfindung Verwendung finden können. So können Germanium, Galliumarsenit, Indiumantimonid und andere Halbleiterstoffe Verwen-

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dung finden. Es wird jedoch angenommen, daß die darstellende Ende der einpoligen Anordnung schließt Verwendung von Silicium bessere Ergebnisse liefert, sich direkt an die Basiszone 112 an.
weil sich dieses besser für die erforderlichen Her- Der gesamte Übertragungsleitwert der kombinierstellungsverfahren eignet. Dieses Material weist noch ten Anordnung ist gleich dem Produkt von g_m des mehrere weitere Vorteile auf, die in der weiteren 5 einpoligen Abschnitts und h_fe des zweipoligen AbBeschreibung noch erkennbar sein werden. Schnitts. Mit h_!e wird das Verhältnis von Kollektor-

Die zuvor beschriebenen Diffusionsvorgänge werden strom zu Basisstrom bei Zuführung eines kleinen in einem üblichen Wachs bei den in der Technik Wechselstromsignals im Basiskreis bezeichnet. Die üblichen Temperaturen und Zeiten angewendet. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist derjenigen eines zuvor beschriebenen Diffusionsschritte erläutern das io Kathodenfolgers etwas ähnlich. Der Gesamtwider-Wesen dieser Verfahren sehr gut, doch ist zu be- stand des n-Halbleitermaterials in dem sich an die merken, daß die p-Schicht 102 auch mit anderen Stör- Kollektorzone 121 anschließenden Abschnitt 130 wird stoffen gebildet werden kann, welche die erforderliche als Belastungswiderstand verwendet. Die am gegen-Wirkung ergeben. Die Diffusionsvorgänge werden im überliegenden Ende der Zone 130 angebrachte Zunge festen Zustand ausgeführt, beispielsweise bei einer 15 132 dient zum Anschluß der Plusklemme der Span-Temperatur von etwa 1200⁰C unter Verwendung nungsversorgung (B+). Die mit der Kollektorzone einer Störstoffmenge, welche die gewünschte Ober- 121 verbundene Zunge 134 würde normalerweise als flächenkonzentration ergibt. Die Diffusionszeit wird Ausgang für diese Schaltungsanordnung dienen. Die so gewählt, daß die Störstoff atome bis in die ge- Leitung 136 verbindet die Zunge 134 mit dem Quellenwünschte Tiefe eindringen und dort einen diffun- 20 kontakt 106. Diese Schaltung besitzt die wertvollen dierten pn-übergang bilden. Während des zweiten Eigenschaften einer geringen Verzerrung, einer hohen Diffusionsschrittes, der zum Einführen des η-Stör- Eingangsimpedanz und einer niedrigen Ausgangsstoffs in die diffundierte p-Schichtl02 unter Bildung impedanz.

der n-Zone 104 dient, wird eine in der Technik be- In Fig. 4 a ist ferner eine Maßnahme zur Ankoppkannte Maskierung angewendet. Die Eindringtiefe 25 lung des Eingangs einer zweipoligen Verstärkerstufe der Atome des n-Störstoffes wird zur Bildung eines an den Kollektor einer vorhergehenden Stufe gezeigt. pn-Überganges so gesteuert, daß unter der eindiffun- Hierbei dient eine Zenerdiode 140 mit der erforderdierten Zone 104 des Leitfähigkeitstyps η ein Strom- liehen Durchbruchspannung als Kopplungselement, weg des Leitfähigkeitstyps ρ mit einer Dicke von Die Diode 140 wird dadurch gebildet, daß ein n-Störetwa 0,5 μ bestehenbleibt. Die Breite der Zone 104 30 stoff in die durch Diffusion gebildete p-Basisschicht beträgt etwa 25 μ. Es ist daher offensichtlich, daß der 142 des zweiten zweipoligen Transistors eindiffundiert Stromweg bei dem nach dem zuvor beschriebenen wird. Sobald die Diodendurchbruchsspannung über-Verfahren hergestellten Unipolartransistor eine Länge schritten worden ist, besitzt sie einen niedrigen Widervon etwa 25 μ und eine Dicke von etwa 0,5 μ besitzt. Standsanstieg und damit einen hohen Kopplungs-Die vorstehenden Angaben hinsichtlich der verwen- 35 wirkungsgrad. Der Emitter 144 wird gleichfalls dadeten Materialien, Behandlungszeiten und Tempe- durch gebildet, das ein n-Störstoff in die durch Diffuraturen sind natürlich nur als Beispiel anzusehen. sion gebildete p-Basisschicht 142 eindiffundiert wird. Insbesondere können bekanntlich die Leitfähigkeits- Der Abschnitt 146 des Plättchens 100 dient als Koltypen aller Zonen umgekehrt werden, so daß ebenso- lektor. Der Gesamtwiderstand des sich an die Kollekgut von einem Plättchen des Leitfähigkeitstyps ρ aus- 40 torzone 146 anschließenden Abschnitts 148 dient als gegangen werden kann. Belastungswiderstand für den zweipoligen Transistor.

Fig. 4 a zeigt einen einpoligen Unipolartransistor, Die an der Kollektorzone 146 angebrachte Zone 150

einen zweipoligen Transistor und einen Lastwider- dient als Ausgang für die Gesamtkombination der

stand, die in einem einzigen Plättchen zur Bildung Bauelemente.

einer Anordnung mit hoher Eingangsimpedanz korn- 45 Die zuvor beschriebenen Verstärkerelemente sind

biniert sind. Diese Kombination stellt eine neuartige in einem Siliciumeinkristall als zweistufiger Verstärker

Schaltung dar. Der Stromweg 102 des einpoligen kombiniert, wie in Fig. 4 a gezeigt ist. Zur Vervoll-

Transistors ist so verlängert, daß er den Basis- ständigung der Schaltungsverbindungen verbindet eine

abschnitt 112 des zweipoligen Transistors bildet. Leitung 152 die Zunge 126 mit der Emitterzone 144,

Der Hauptkörper des Plättchens 100 direkt unter 50 und eine Leitung 154 verbindet die Zunge 134 mit der Zone 112 bildet die Kollektorzone des zwei- der Zenerdiode 140. Infolge der 100°/oigen Gegenpoligen Transistors. In die Oberseite der Zone 112 ist kopplung hat die Spannungsverstärkung der ersten ein geeigneter n-Störstoff so eindiffundiert, daß eine Stufe (linke Hälfte des Kristalls) annähernd den Wert n-Zone 120 geschaffen wird, welche als Emitterzone Eins, und die Ausgangsimpedanz dieses Teils ist des zweipoligen Transistors wirkt. An der Oberfläche 55 niedrig. Die Spannungsverstärkung der zweiten Stufe der Emitterzone 120 ist ein geeigneter ohmscher (rechte Hälfte des Kristalls) ist gleich dem Produkt Kontakt 122 angebracht. Eine Leitung 124 verbindet aus dem Widerstand der Zone 148 und dem Uberden Kontakt 122 mit einer Zunge 126, die als Minus- tragungsleitwert g_m des zweipoligen Transistors 142, klemme für die Spannungsversorgung der Anordnung 144, 146. Da diese Stufe von einer niederohmigen dient. Die Leitung 124 ist mit einem Kontakt 128 60 Quelle getrieben wird, ist ihre Spannungsverstärkung an der Zunge 126 in an sich bekannter Weise ange- weitgehend unabhängig von dem Wert h_ie des zweilötet, poligen Transistors 142*, 144, 146. Ferner läßt sich

Eine über die Eingangszunge 114, die Leitung 116 zeigen, daß die Verstärkung von mäßigen Schwan-

und den Kontakt 110 der Steuerelektrode des ein- hingen des Widerstandswertes des Abschnitts 148

poligen Transistors zugeführte Signalspannung modu- 65 unabhängig ist, wenn das Produkt des Widerstands

liert den Basisstrom des einpoligen Transistors. Es ist der Zone 148 mit dem Kollektorstrom des zwei-

nun offensichtlich, warum der Kontakt für die Senke poligen Transistors 142, 144, 146 konstant gehalten

des Unipolartransistors fortgelassen ist. Das die Senke werden kann. Wenn der Widerstandswert des Ab-

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Schnitts 130 das Mehrfache der Eingangsimpedanz zweipoligen Transistor aktiv ausgenutzt wird. Da der des zweipoligen Transistors 142, 144, 146, beispiels- von dem Rest der p-Zone gebildete Belastungswiderweise 10 kOhm beträgt, dann haben mäßige Schwan- stand in dem Emitterkreis liegen soll, verbindet eine kungen dieses Wertes nur geringfügige Auswirkungen geeignete Leitung 410 die Emitterzone 406 des zweiauf die Verstärkerwirkung. Die Widerstandswerte der 5 poligen Transistors mit einem Ende der verbleiben-Abschnitte 148 und 130 brauchen daher nicht in den p-Diffusionsschicht, die mit dem Bezugszeichen engen Toleranzen gehalten zu werden. 412 bezeichnet ist. Das gegenüberliegende Ende der

Bei der dargestellten Schaltung besteht jedoch verbleibenden p-Diffusionsschicht 412 ist über eine keine Wahrscheinlichkeit, daß der Ausgangstransistor geeignete Leitung 414 mit einer Masseklemme 416 142, 144, 146 in den aktiven Bereich vorgespannt io verbunden. Das Quellenende 418 des einpoligen Uniwird. Eine Änderung der Spannung am Kollektor 121 polartransistors trägt einen ohmschen Kontakt 420, des ersten zweipoligen Transistors um einige zehntel der über eine Leitung 422 an eine Klemme 424 ange-VoIt treibt den anderen zweipoligen Transistor ent- schlossen ist, an der eine geeignete Spannungsversorweder in die Sättigung oder in den Sperrzustand. gung liegt. Der Eingang der Anordnung liegt an der Selbst wenn der zweite zweipolige Transistor in seinen 15 Steuerelektrodenzone 404 des einpoligen Transistors aktiven Bereich vorgespannt wird, ist die Spannungs- über eine daran angebrachte Leitung 426. Eine Einverstärkung annähernd eine lineare Funktion des gangsklemme 428 ist am anderen Ende der Leitung Widerstandes des Abschnitts 148 und des Kollektor- 426 angebracht. Mit der Leitung 410 ist eine Ausstroms des zweiten zweipoligen Transistors. Diese gangsklemme 430 verbunden. An der Kollektorzone Probleme können weitgehend dadurch vermindert 20 des zweipoligen Transistors ist ein Kontakt 432 anwerden, daß auf den Verstärker eine starke Gleich- gebracht, der über eine Leitung 434 mit einer Spanstromgegenkopplung ausgeübt wird, wodurch die Vor- nungsquelle verbunden ist. Das Ersatzschaltbild der spannung der Ausgangsstufe im wesentlichen konstant Halbleiterschaltung von Fig. 4 c ist in Fig. 4d gezeigt, gehalten wird. Da die Eingangsimpedanz des Ver- Eine Halbleiterschaltung, welche die Merkmale von stärkers groß ist, kann der Widerstand der Rück- 25 Fig. 4 a und 3 vereinigt, ist in Fig. 5 a und 5 b gezeigt, kopplungsschleife groß sein, ohne daß die Gleich- Eine Eingangsklemme 160 ist über einen Kopplungsstromverstärkung der Rückkopplungsschleife merk- kondensator 162 angeschlossen, der mit der Steuerlich verringert wird. Ein Tiefpaßfilter der in Fig. 2 elektrode eines Unipolartransistors 164 verbunden ist. oder 3 gezeigten Art kann verwendet werden. Das Der Aufbau dieses Teils der Anordnung entspricht Tiefpaßfilter von Fig. 3 wird vorgezogen, wenn die 30 demjenigen von Fig. 4 a. Der Stromweg des Unipolarganze Schaltung in einen Siliciumeinkristall eingefügt transistors 164 ist mit der Basiszone eines zweipoligen werden soll. Das Ersatzschaltbild der Halbleiterschal- Transistors 166 verbunden. Auch diese Anordnung tung von Fig. 4 a ist in Fig. 4 b gezeigt. entspricht derjenigen von Fig. 4 a. Der Belastungs-

Der in Fig. 4 a gezeigte Verstärker ist mit einem widerstand für den zweipoligen Transistor 166 besteht ÄC-Tiefpaß-Rückkopplungskreis hergestellt worden, 35 aus dem Gesamtwiderstand des Halbleiterkörpers 168, der aus zwei 10-Megohm-Widerständen und einem der sich an die Kollektorzone des zweipoligen Tran-Kondensator von 0,001 uF besteht, wobei ein Ein- sistors 166 anschließt. Eine Leitung 170 verbindet das gangskopplungskondensator von 0,001 μΉ hinzugefügt Quellenende des Unipolartransistors 164 mit der KoI-worden ist. Wenn die Schaltung so angeschlossen ist, lektorzone des zweipoligen Transistors 166. Eine besitzt sie eine Spannungsverstärkung von etwa 40 db 40 Spannungsquelle ist mit dem dem zweipoligen Tranbei der Mittelfrequenz und eine Bandbreite von etwa sistor 166 abgewandten Ende der Zone 168 ver-100 bis 100 000 Hz. bunden. Dieser Anschluß ist allgemein durch das

Die erste Stufe der in Fig. 4 a gezeigten Anordnung Bezugszeichen 172 bezeichnet. Am gegenüberliegenbesteht aus einem Unipolartransistor in Verbindung den Ende des Halbleiterkörpers ist eine zweite Stufe mit einem zweipoligen Transistor, dessen Belastungs- 45 angeordnet, die aus einem zweipoligen Transistor 174 widerstand im Kollektorkreis liegt. Wie aus Fig. 4 c besteht. Eine Zenerdiode 176 steht mit der Basiszone erkennbar ist, kann die gleiche allgemeine Anordnung des Transistors 174 in Verbindung. Eine Leitung 178 verwendet werden, wobei jedoch der Belastungswider- verbindet die andere Seite der Diode 176 mit dem stand nicht im Kollektorkreis, sondern im Emitter- Kollektor des Transistors 166. Bis hierher entspricht kreis liegt. Bei der Anordnung von Fig. 4 c ist ein 50 die Beschreibung der Halbleiterschaltung derjenigen Halbleiterplätrchen 400, beispielsweise mit dem Leit- von Fig. 4 a. Die Herstellung dieser Halbleiterschaltung fähigkeitstyp n, vorgesehen, dessen Oberseite eine ein- kann in der zuvor beschriebenen Weise erfolgen, diffundierte Schicht 402 des Leitfähigkeitstyps ρ ent- indem von einem n-Plättchen aus Silicium aushält. Diese kann in der gleichen Weise hergestellt gegangen wird, in das ein geeigneter p-Störstoff einwerden, wie zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 4 a be- 55 diffundiert wird, damit die Basiszonen der zweischrieben worden ist. In der diffundierten Schicht sind poligen Transistoren und der Stromweg des Uniferner eine zweite diffundierte Zone 404 und eine polartransistors gebildet werden. Dann werden die dritte diffundierte Zone 406 angebracht, die beide Emitterzonen der zweipoligen Transistoren sowie die vom Leitfähigkeitstyp η sind und die Steuerelektrode Steuerelektrode des Unipolartransistors durch eine des Unipolartransistors bzw. die Emitterzone des 60 anschließende Eindiffusion eines n-Störstoffes herzweipoligen Transistors darstellen. Da der Belastungs- gestellt. Es ist zu bemerken, daß es in einigen Fällen widerstand nicht im Kollektorkreis, sondern im möglich ist, die Emitterzonen der zweipoligen Tran-Emitterkreis liegt, wird die diffundierte p-Schicht 402 sistoren in der p-Diffusionsschicht durch Legierung über dem übrigen Abschnitt des Plättchens belassen. zu bilden. Es ist offensichtlich, daß ein Legierungs-Ein Schlitz 408 wird neben dem zweipoligen Tran- 65 verfahren auch zur Herstellung der Steuerelektrode sistor eingeschnitten, um den Rest der p-Zone 402 des Unipolartransistors dienen kann. Legierungsverdurch mechanische Formgebung von dem Abschnitt fahren sind jedoch den Diffusionsverfahren insofern zu trennen, der in dem Unipolartransistor und dem nicht äquivalent, als sie schwieriger zu steuern sind

und weniger gut reproduzierbare Ergebnisse liefern. Der Abschnitt zwischen dem Kollektor des Transistors 174 und dem Anschluß 172 ist mit dem Bezugszeichen 180 bezeichnet; er dient als Belastungswiderstand für den zweipoligen Transistor 174. Insofern bildet also der Gesamtwiderstand des Halbleiterkörpers den Belastungswiderstand. Eine Ausgangsklemme 182 ist an die Kollektorzone des Transistors 174 über eine Leitung 184 angebracht.

Auf dem Halbleiterkörper sind oberhalb der Zone to 180 zwei Unipolartransistoren gebildet, die zusammengefügt sind und in Verbindung mit einem Kondensator 186 ein Tiefpaßfilter zwischen dem Ausgang des Transistors 174 und dem Eingang an der Steuerelektrode des Unipolartransistors 164 darstellen. Die beiden Unipolartransistoren sind durch eine p-Diffusionsschicht 188 geformt, in die zwei weitere n-Zonen 190 eindiffundiert sind. Jede η-Zone bildet unter sich den Stromweg für den zugehörigen Unipolartransistor. Die beiden n-Zonen 190 stellen die Steuerelektroden für die Unipolar-Bauelemente dar, und sie sind über eine Leitung 191 miteinander sowie über eine Leitung 192 mit einem Zwischenabschnitt der Zone 180 verbunden. Zur Stabilisierung der Vorspannung an den Steuerelektroden 190 ist eine Zenerdiode auf der Zone 180 zwischen dem Ausgang 182 und der Anschlußklemme 172 gebildet und über eine Leitung 199 mit dem Ausgang 182 verbunden. Die Leitung 193 verbindet die Ausgangsleitung 184 mit einem Ende der Unipolar-Bauelemente am Kontakt 194. Das andere Ende der Unipolar-Bauelemente am Kontakt 195 ist über eine Leitung 196 mit der Steuerelektrode des Unipolartransistors 164 verbunden. Die Zone zwischen den beiden n-Diffusionszonen 190 ist über einen Kontakt 197 und eine Leitung 198 mit dem Kondensator 186 verbunden, dessen andere Seite an Masse liegt. Die Emitterzone des Transistors 174 ist mit Masse verbunden. Die Emitterzone des Transistors 166 ist gleichfalls an Masse angeschlossen. Unter Masseanschluß ist zu verstehen, daß eine geeignete Klemme vorgesehen ist, mit der die Emitterzonen über Leitungen oder auf andere Weise so verbunden sind, daß sie an Massepotential gelegt werden. Die Ersatzschaltung für die Halbleiteranordnung von Fig. 5 a ist in Fig. 5 b gezeigt.

Es ist zu erkennen, daß das Problem der Vorspannungsstabilität in dieser Halbleiterschaltung weitgehend dadurch beseitigt ist, daß eine starke Gleichstromgegenkopplung von der Ausgangsleitung 184 zu der Steuerelektrode des Unipolartransistors 164 über das Tiefpaßfilter gebildet ist, das aus den Unipolar-Bauelementen oberhalb der Zone 180 und dem Kondensator 186 besteht. Hierbei dienen die Unipolar-Bauelemente als spannungsabhängige Widerstände in der Größenordnung von Megohm als Dämpfungsglieder, während der Kondensator 186 einen Wechselstromnebenschluß darstellt. Die Rückkopplung der Gleichspannung erfolgt somit ohne Schwierigkeit, während die Wechselstromkomponente des Ausgangssignals aus der Rückkopplungsschleife abgeleitet wird.

Bei der Halbleiterschaltung von Fig. 5 a sind die Kondensatoren 162 und 186 nicht eingebaut. Es ist möglich, diese Kondensatoren aus dem für die Schaltung von Fig. 5a hergestellten Plättchen zu bilden, indem das Plättchen einfach verbreitert wird und der zusätzliche Raum zur Bildung der Kondensatoren 162 und 186 dient. Diese Kondensatoren können entweder unter Ausnützung von pn-Übergängen oder als Oxydkondensatoren gebildet werden, wie in der zuvor erwähnten Patentschrift beschrieben ist. Auf diese Weise lassen sich die Kondensatoren gleichzeitig mit der Halbleiterschaltung bilden. Nach der Fertigstellung kann das Plättchen durchgeätzt oder auf andere Weise so unterteilt werden, daß die Schaltung von den Kondensatoren getrennt wird. Die drei Halbleiterteile können dann auf einer Keramikscheibe montiert werden, wobei die erforderlichen Anschlußklemmen und Zwischenverbindungen vorgesehen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verstärkende, auf einem Kristall aufgebaute Halbleiterschaltungsanordnung mit hoher Eingangsimpedanz und mit einer an den Verstärker angeschlossenen Belastungsimpedanz, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stromweg eines Unipolartransistors zwischen Kollektor und Basis des Verstärkertransistors liegt und daß die schaltungsmäßige Verbindung dieses Unipolartransistors mit den zugehörigen passiven Elementen der Verstärkerschaltung vollständig im Innern eines einzigen Halbleiterplättchens erzielt wird.

2. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kondensator zur Ankopplung eines Signals an die Steuerelektrode des Unipolartransistors, eine zweite Transistorverstärkerstufe, deren Eingang an den Ausgang der ersten Stufe angeschlossen ist, und durch eine an die zweite Transistorverstärkerstufe angeschlossene zweite Belastungsimpedanz.

3. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Gegenkopplungskreis zwischen dem Ausgang der zweiten Stufe und der Steuerelektrode des Unipolartransistors.

4. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungskreis ein Tiefpaßfilter enthält.

5. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkertransistor ein zweipoliger Transistor und der Unipolartransistor ein einpoliger Transistor ist.

6. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einpolige Transistor und der zweipolige Transistor in einem Plättchen aus Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps mit einer durch Diffusion gebildeten Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart gebildet sind, daß ein Gebiet der durch Diffusion gebildeten Schicht (102) den Stromweg des einpoligen Transistors darstellt und ein sich daran anschließendes Gebiet dieser Schicht die Basiszone des zweipoligen Transistors bildet (Fig. 4 a).

7. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich an die Kollektorzone des zweipoligen Transistors anschließender Abschnitt (130) des Halbleiterplättchens als Belastungsimpedanz für diesen Transistor wirkt.

8. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Gebiet der Schicht mit einer Emitterzone (120) des zweipoligen Transistors verbunden ist und als Belastungsimpedanz für diesen Transistor wirkt.

9. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Abschnitt des Halbleiterplättchens ein zweiter zweipoliger Transistor (142, 144,146) gebildet ist und daß der Ausgang des ersten zweipoligen Transistors mit dem Eingang des zweiten zweipoligen Transistors verbunden ist.

10. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Plättchen eine Zenerdiode (142,140) gebildet ist, die ein Teil der Verbindung zwischen den zweipoligen Transistoren ist.

U. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungskreis den Ausgang des zweiten zweipoligen Transistors mit dem Eingang des einpoligen Transistors verbindet.

12. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Halbleiterplättchen vorgesehen sind, von denen das erste Plättchen den einpoligen Transistor, die zweipoligen Transistoren, die Belastungsimpedanz und Teile des Gegenkopplungskreises enthält, daß wenigstens zwei weitere Halbleiterplättchen als Kondensatoren ausgebildet sind und daß Verbindungen vorgesehen sind, welche die Verstärkerschaltung mit einem Eingang und einem Ausgang vervollständigen, wobei der eine Kondensator als Eingangskopplungskondensator angeschlossen ist und der andere Kondensator in die Gegenkopplungsschleife eingeschaltet ist.

13. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterplättchen auf einem Keramikblock montiert sind.

14. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterplättchen eines Leitfähigkeitstyps an einer Fläche durch Diffusion eine Schicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet ist, welche mehrere Schaltungselemente in aneinanderstoßenden Gebieten enthält, daß das Halbleiterplättchen den Unipolartransistor enthält, dessen Stromweg durch die Diffusionsschicht (102) gebildet wird, daß durch Diffusion eine weitere Schicht gebildet ist, welche die Steuerelektrode

(108) des Unipolartransistors darstellt, daß der Stromweg so angeschlossen ist, daß er ein Signal übertragen kann, und daß ein konstantes Potential so an die Steuerelektrode angelegt ist, daß der Unipolartransistor einen hochohmigen Widerstand darstellt.

15. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Tonfrequenzverstärker ist.

16. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter in einem einzigen Körper aus Halbleitermaterial, der mehrere Gebiete mit zum Teil unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen und spezifischen Widerständen enthält, dadurch gebildet ist, daß die Gebiete zwei in Serie geschaltete einpolige Unipolartransistoren und einen mit einer Belegung an die Verbindungsstelle der Unipolartransistoren angeschlossenen Kondensator (186) darstellen, und daß an die Steuerelektroden (190) der Unipolartransistoren gegenüber deren Stromwegen eine in der Sperrichtung wirkende Vorspannung angelegt ist (Fig. 5 a).

17. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Unipolartransistoren eine Steuerelektrode, eine Quellenelektrode und¹ eine Senkenelektrode enthält, daß die Steuerelektroden miteinander und mit einer Klemme der Vorspannungsquelle (172) verbunden sind, daß die andere Klemme (194) der Vorspannungsquelle mit der Quellenelektrode des einen Unipolartransistors verbunden ist und daß die Senkenelektrode dieses Unipolartransistors mit der Quellenelektrode des anderen Unipolartransistors und mit der einen Klemme des Kondensators verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

»Elektronik«, 1958, Nr. 11, S. 356;

»Radio-Electronics«, 1958, Mai, S. 60 und 61;

»Radio & Television News«, 1953, Dezember, S. 82, 83, 148 bis 151;

»Proceedings of the IRE«, 1950, August, S. 868 bis 871; 1952, November, S. 1377 bis 1381.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen