DE1789203C1 - Coupling transistor for a fast binary circuit - Google Patents

Coupling transistor for a fast binary circuit

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kopplungstransistor für einen schnellen binären Schaltkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a coupling transistor for a fast binary circuit according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger Schaltkreis ist Gegenstand des zeitlich gleichrangigen Patentes 14 64 340. Bei ihm ist mittels des Kopplungstransistors eine Kopplung zwischen jedem ersten, eingangsseitig liegenden Transistor und dem zweiten, ausgangsseitig liegenden Transistor verwirklicht, die sehr kurze Schaltzeiten erbringt, welche wesentlich niedriger als bei einer Widerstandsoder Widerstands-Kondensatorkopplung sind und in der Größenordnung der mit einer Diodenkopplung erzielbaren Schaltzeiten liegen. Gleichwohl ist die der Diodenkopplung eigene Empfindlichkeit gegenüber Fehlanpassungen nicht vorhanden. Da mehrere erste Transistoren über nur einen Kopplungstransistor, der allerdings mehrere Emitter für den Anschluß der ersten Transistoren besitzt, mit einem zweiten Transistor gekoppelt sind, ist. außerdem eine sehr einfache Mehrfach-Kopplung verwirklicht, die u.a. zur Nachbildung logischer Funktionen herangezogen werden kann. Such a circuit is the subject of the temporally equivalent patent 14 64 340. With him is means of the coupling transistor, a coupling between each first transistor on the input side and the second transistor on the output side, which provides very short switching times, which are significantly lower than with a resistor or resistor-capacitor coupling and in of the order of magnitude of the switching times that can be achieved with a diode coupling. Nevertheless it is the Diode coupling own sensitivity to mismatches does not exist. Since several first Transistors have only one coupling transistor, which however has several emitters for the connection of the first Has transistors coupled to a second transistor is. also a very simple one Multiple coupling implemented, which can be used, among other things, to simulate logical functions.

Aus der US-PS 29 81 877 ist der grundsätzliche Aufbau eines Transistors — auch im Zusammenhang einer integrierte'^·; .Schaltung — in Planar-Technik vorbekannt, wonach in einem Grundkristall aus Halbleitermaterial hohen spezifischen Widerstandes ineinanderliegend und mit abwechselnder Leitfähigkeit eine Kollektorzone, eine Basiszone und eine Emitterzone eingelassen sind und diese Struktur bis auf freigelassene Kontaktierungszonen von einer Oxydschicht auf der Oberfläche des Grundkristalls bedeckt ist.From US-PS 29 81 877 the basic structure of a transistor - also in context an integrated '^ ·; .Circuit - in planar technology previously known, according to which in a basic crystal Semiconductor material of high specific resistance lying one inside the other and with alternating conductivity a collector zone, a base zone and an emitter zone are embedded and this structure up to exposed contacting zones covered by an oxide layer on the surface of the base crystal is.

Im Zusammenhang mit der Erörterung von Lateral-Stabilitätsproblemen bei einer sog. Shockley- oder ίο Avalanche-Diode ist in der US-PS 29 97 604 angegeben, daß ein sehr stark dotierter, von der Zylinder-Oberfläche der Diode her in eine Basis-Schicht eingelassener Schutz-Ring, der in Stromrichtung der Diode auf beiden Seiten von der Basis-Schicht umgeben ist, auch als Anti-Kanal-Bereich dient.In connection with the discussion of lateral stability problems with a so-called Shockley or ίο Avalanche diode is specified in US-PS 29 97 604, that a very heavily doped, embedded in a base layer from the cylinder surface of the diode Protection ring that runs in the direction of current of the diode on both Sides surrounded by the base layer, also serves as an anti-channel area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen binären Schaltkreis die Arbeits-Stabilität des in Planar-Technik hergestellten Kopplungstransistors, namentlich bei einer Verwirklichung des Schaltkreises als integrierte Planar-Schaltung, zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Ausgestaltung des Kopplungstransistors gelöst.The invention is based on the object of such a binary circuit, the operational stability of the Coupling transistor manufactured in planar technology, specifically in the implementation of the circuit as an integrated planar circuit. This object is achieved according to the invention with the one in claim 1 marked embodiment of the coupling transistor solved.

Bei der Erfindung verbessert die anschlußfreie, ringförmige Zone die Stabilität des Kollektorübergangs, indem sie gegen Inversionskanäle schützt, die anderenfalls auf der Oberfläche entstehen und hohe Verluste darstellende Leckströme begünstigen würden.In the invention, the connection-free, annular zone the stability of the collector junction by protecting against inversion channels that would otherwise arise on the surface and would encourage high leakage currents.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 2 dient die weitere, weniger tiefe ringförmige Zone zur gegenseitigen elektrischen Isolation mehrerer dicht nebeneinander in einem gemeinsamen Grundkristall hergestellter Transistoren und damit zu einer noch weiteren Erhöhung der Arbeits-Stabilität.In the development according to claim 2 is used further, less deep, annular zone for mutual electrical insulation of several close together transistors produced in a common basic crystal and thus an even further one Increase in work stability.

Schließlich ist es auch vorteilhaft, die mehreren Emitter-Zonen gemäß Anspruch 3 zu dotieren.Finally, it is also advantageous to dop the multiple emitter zones according to claim 3.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigtIn the following, the invention is shown schematically with further advantageous details on the basis of a illustrated embodiment explained in more detail. In the drawing shows

Fig. 1 das Schaltbild eines Schaltkreises mit einem Kopplungstransistor nach der Erfindung,Fig. 1 is the circuit diagram of a circuit with a Coupling transistor according to the invention,

F i g. 2 die Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer integrierten Schaltung, welche einen Kopplungstransistör des Schaltkreises nach F i g. 1 mit zwei Emittern enthält,F i g. 2 the top view of a section from a integrated circuit which has a coupling transistor of the circuit according to FIG. 1 with two emitters contains,

F i g. 3 den Querschnitt zu F i g. 2. F i g. 1 zeigt einen schnellen binären Schaltkreis mit zwei ersten, eingangsseitigen, schaltenden Transistoren 80 und 81, einem Kopplungstransistor 70 und einem zweiten, ausgangsseitigen, schaltenden Transistor 90. Alle vier Transistoren sind vom npn-Leitfähigkeitstyp. Der Kopplungstransistor 70 hat zwei Emitter 71 und 72. Der Emitter 71 ist ausschließlich mit dem Kollektor 82 des ersten Transistors 81 verbunden, während der Emitter 72 ausschließlich mit dem Kollektor 83 des weiteren, ersten Transistors 80 verbunden ist. Die Emitter 84 und 85 der beiden ersten Transistoren liegen an Masse. Die Eingangssignale werden an den Basiselektroden der beiden ersten Transistoren empfangen. Der einzige Kollektor 73 des Kopplungstransistors 70 ist mit der Basis 9i des zweiten Transistors 90 verbunden, dessen Emitter 93 an Masse liegt und an dessen Kollektor 92 das Ausgangssignal des Schaltkreises entsteht. An die Basis 74 des Kopplungstransistors 70 ist eine Konstantstromquelle angeschlossen, die durch eine positive Spannungsquelle -f-B in Verbindung mit einem relativ hochohmigen Vorwiderstand 75F i g. 3 shows the cross section for FIG. 2. Fig. 1 shows a fast binary circuit with two first, input-side, switching transistors 80 and 81, a coupling transistor 70 and a second, output-side, switching transistor 90. All four transistors are of the npn conductivity type. The coupling transistor 70 has two emitters 71 and 72. The emitter 71 is connected exclusively to the collector 82 of the first transistor 81, while the emitter 72 is connected exclusively to the collector 83 of the further, first transistor 80. The emitters 84 and 85 of the first two transistors are connected to ground. The input signals are received at the base electrodes of the first two transistors. The single collector 73 of the coupling transistor 70 is connected to the base 9i of the second transistor 90, the emitter 93 of which is connected to ground and at the collector 92 of which the output signal of the circuit is produced. A constant current source is connected to the base 74 of the coupling transistor 70, which is supplied by a positive voltage source -fB in connection with a relatively high-resistance series resistor 75

gebildet ist. Die Konstantstromquelle hält den Kopplungstransistor stets im Sättigungszustand. Ihre Spannung ist so groß, daß sie außer der Sättigung des Kopplungstransistors auch noch die Einschaltung des zweiten schaltenden Transistors 90 ermöglicht. <-,is formed. The constant current source holds the coupling transistor always in a state of saturation. Their tension is so great that, beyond the saturation of the Coupling transistor also enables the second switching transistor 90 to be switched on. <-,

Bei dem beschriebenen Schaltkreis ist eine Mehrfach-Kopplung verwirklicht. Ihre Wirkungsweise ist derart, daß derjenige erste Transistor, der eingeschaltet ist, die Betriebsweise steuert. Es brauchen also nicht beide ersten Transistoren gleichzeitig eingeschaltet zu sein. Ein gegebenenfalls abgeschalteter erster Transistor zieht keinen Strom, und der mit diesem abgeschaltete Transistor verbundene Emitter des Kopplungstransistors nimmt ein beliebiges positives Potential in der Nähe der Durchbruchspannung der Emitter-Basis-Grenzschicht des abgeschalteten ersten Transistors an.A multiple coupling is implemented in the circuit described. Their mode of action is such that the first transistor that is turned on controls the mode of operation. So you don't need both first transistors to be switched on at the same time. A first transistor that may be switched off does not draw any current, and the emitter of the coupling transistor connected to this switched-off transistor takes any positive potential near the breakdown voltage of the emitter-base interface of the switched off first transistor.

Zwei allgemeine Fälle müssen diskutiert werden. Wenn beide ersten Transistoren 80 und 81 abgeschaltet sind, liefert der Kopplungstransistor 70 Strom zum Einschalten des zweiten Transistors 90. Wenn nur einer der beiden ersten Transistoren eingeschaltet ist, liefert der Kopplungstransistor Strom zu diesem eingeschalteten Transistor (im allgemeinen Falle, in dem mehr als zwei Emitter entsprechend mehr erste Transistoren vorgesehen sind, wird Strom zu allen jeweils eingeschalteten ersten Transistoren geliefert). Das dabei an der Basis 91 des zweiten Transistors entstehende Potential reicht zum Einschalten oder zur Aufrechterhaltung der Einschaltung des zweiten Transistors nicht aus. Daher ist im zweiten allgemeinen Fall der zweite Transistor abgeschaltet.Two general cases need to be discussed. When both first transistors 80 and 81 are turned off the coupling transistor 70 supplies current to turn on the second transistor 90. If only one of the first two transistors is switched on, the coupling transistor supplies current to this switched on Transistor (in the general case in which more than two emitters correspondingly more first transistors are provided, current is supplied to all respectively switched on first transistors). That at the Base 91 of the second transistor is sufficient to switch on or to maintain the potential Switching on the second transistor does not turn off. Hence, in the second general case, it is the second transistor switched off.

In den F i g. 2 und 3 ist die bevorzugte Konstruktion eines npn-KoppIungstransistors mit zwei Emittern dargestellt, wie er in dem Schaltkreis nach F i g. 1 zur Anwendung kommt. Der Kopplungstransistor ist in einem Grundkristall 100 aus p-Silicium ausgebildet, das einen hohen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 bis 200 · 103 Ohm/cm besitzt. Zentral innerhalb des Grundkristalls 100 ist eine n-Kollektorzone 101 mit einem spezifischen Widerstand von vorzugsweise mehr als 0,04 Ohm/cm vorgesehen, die sich aufwärts bis dicht unter die Oberfläche des Grundkristalls erstreckt. An die Kollektorzone 101 grenzt eine ringförmige Kollektor-Kontaktzone 102 an, die vom Leitfähigkeitstyp n+ ist und bis zur Oberfläche des Grundkristalls reicht. Zentral innerhalb der Kollektorzone 101 ist die Basiszone 103 angeordnet, die p-Leitfähigkeit besitzt. In die Oberfläche der Basiszone 103 sind zwei Emitterzonen 110 und 111 von n+-Leitfähigkeit eingelassen. Die gesamte Oberfläche des Grundkristalls 100 ist mit einer Oxydschicht 115 bedeckt. Durch öffnungen in der Oxydschicht sind metallisierte Kontakte zu allen erwähnten Zonen hergestellt. Der Kollektorkontakt ist mit 120, der Basiskontakt mit 122 und die Emitterkontakte sind mit 123 und 124 bezeichnet.In the F i g. 2 and 3, the preferred construction of an npn coupling transistor with two emitters is shown, as is shown in the circuit according to FIG. 1 applies. The coupling transistor is formed in a base crystal 100 made of p-type silicon, which has a high specific resistance on the order of 10 to 200 · 10 3 ohms / cm. An n-collector zone 101 with a specific resistance of preferably more than 0.04 ohm / cm is provided centrally within the base crystal 100 and extends upwards to just below the surface of the base crystal. The collector zone 101 is adjoined by an annular collector contact zone 102 , which is of the conductivity type n + and extends to the surface of the base crystal. The base zone 103 , which has p-conductivity, is arranged centrally within the collector zone 101. Two emitter zones 110 and 111 of n + conductivity are let into the surface of the base zone 103. The entire surface of the base crystal 100 is covered with an oxide layer 115 . Metallized contacts to all of the mentioned zones are established through openings in the oxide layer. The collector contact is denoted by 120, the base contact by 122 and the emitter contacts are denoted by 123 and 124.

Die Kollektorzone 101 ist von einer ringförmigen p-Zone 130 und diese von einer weiteren ringförmigen n+-Zone 131 umgeben. Beide Zonen sind nicht kontaktiert. Die p-Zone 130 ist ungefähr so tief wie die Baiszone 103, während die n+-Zone 131 weniger tief ist. Die stark dotierte p-Zone 130 schützt gegen Inversionskanäle auf der Oberfläche. Dazu grenzt sie möglichst dicht an die Kollektorzone 101 an. Die n+-Zone 131 an der Außenseite der p-Zone 130 dient zur gegenseitigen elektrischen Isolation mehrerer dicht nebeneinander in einem gemeinsamen Grundkristall hergestellter Transistoren. Indem sich die η+-Zonen über den größten Teil der Oberfläche des Grundkristalls erstrecken, erhöhen sie die Leitfähigkeit des Grundkristalls und dienen als Masseanschluß. Die η+-Zone ist an mehreren nichtgezeigten Stellen mit dem Grundkristall elektrisch verbunden, so daß beide das gleiche elektrische Potential haben. Die n+-Zone 131 braucht nicht, wie in Fig.3 gezeigt, dicht an die p-Zone 130 anzugrenzen. Durch einen Abstand zwischen der n+-Zone 131 und der p-Zone 130 wird die Durchbruchspannung zwischen dem Grundkristall und dem Kollektor erhöht.The collector zone 101 is surrounded by an annular p-zone 130 and this is surrounded by a further annular n + zone 131 . Both zones are not contacted. The p zone 130 is approximately as deep as the base zone 103, while the n + zone 131 is less deep. The heavily doped p-zone 130 protects against inversion channels on the surface. For this purpose, it adjoins the collector zone 101 as closely as possible. The n + zone 131 on the outside of the p zone 130 is used for mutual electrical insulation of a plurality of transistors produced close to one another in a common base crystal. As the η + -zones extend over most of the surface of the base crystal, they increase the conductivity of the base crystal and serve as a ground connection. The η + zone is electrically connected to the base crystal at several points not shown, so that both have the same electrical potential. The n + zone 131 need not, as shown in FIG. 3, closely adjoin the p zone 130 . A distance between the n + zone 131 and the p zone 130 increases the breakdown voltage between the base crystal and the collector.

Auch kann eine nichtgezeigte Abwandlung vorgesehen sein, bei der die Kollektor-Kontaktzone 102, die einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, nicht unmittelbar an die Basiszone 103 angrenzt, sondern so ausgebildet ist, daß zwischen ihr und der Basiszone die Kollektorzone 101 in einem ringförmigen Streifen bis unter die passivierende Oxydschicht 115 reicht. Durch diese Maßnahme wird die Kollektor-Basis-Durchbruchspannung erhöht.A modification, not shown, can also be provided in which the collector contact zone 102, which has a low specific resistance, does not directly adjoin the base zone 103 , but is designed so that the collector zone 101 is in an annular strip between it and the base zone extends under the passivating oxide layer 115. This measure increases the collector-base breakdown voltage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (3)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Kopplungstransistor für einen schnellen binaren Schaltkreis, bei dem mindestens zwei erste schaltende Transistoren in Emitterschaltung mit einem zweiten schaltenden Transistor über den Kopplungstransistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die anderen Transistoren miteinander gekoppelt sind, indem jeder erste Transistor mit seinem Kollektor ausschließlich an jeweils einen von mehreren Emittern des Kopplungstransistors und dieser mit seinem Kollektor an die Basis des zweiten Transistors angeschlossen ist, wobei eine an die Basis des Kopplungstransistors angeschlossene Konstantstromquelle diesen stets im Sättigungszustand hält, und wobei in einen Grundkristall des Kopplungstransistors aus Halbleitermaterial hohen spezifischen Widerstands ineinanderliegend und mit abwechselnder Leitfähigkeit zuerst eine Kollektorzone, in diese eine Basiszone und in die Basiszone mindestens zwei voneinander getrennte Emitterzonen untereinander gleichen Leitfähigkeitstyps eingelassen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone (101) von einer angrenzenden ringförmigen Zone (130) ohne Elektrode umgeben ist, welche vom gleichen Leitfähigkeitstyp (p) wie die Basiszone (103) und ungefähr so tief wie diese ist.1. Coupling transistor for a fast binary circuit, in which at least two first switching Transistors in common emitter circuit with a second switching transistor via the coupling transistor of the same conductivity type as the other transistors coupled together are by each first transistor with its collector exclusively to one of each several emitters of the coupling transistor and this with its collector to the base of the second Transistor is connected, one connected to the base of the coupling transistor Constant current source keeps this always in the saturation state, and in a basic crystal of the Coupling transistor made of semiconductor material of high specific resistance lying one inside the other and with alternating conductivity first a collector zone, in this a base zone and in the base zone at least two mutually separate emitter zones of the same conductivity type are embedded, characterized in that the collector zone (101) is surrounded by an adjoining annular zone (130) without an electrode which is of the same conductivity type (p) as the base region (103) and about as deep as this. 2. Kopplungstransistor nach Anspruch 1 in einer integrierten Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Zone (130) von einer weiteren, weniger tiefen ringförmigen Zone (131) ohne Elektrode und vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (n+) umgeben ist.2. Coupling transistor according to claim 1 in an integrated circuit, characterized in that the annular zone (130) from a further, less deep annular zone (131) without Electrode and is surrounded by the opposite conductivity type (n +). 3. Kopplungstransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Basiszone (103) eingelassenen Emitterzonen (110,111) stärker : (n+) als die Kollektorzone (101) dotiert sind.3. Coupling transistor according to claim 1 or 2, characterized in that the emitter zones (110, 111) embedded in the base zone (103) are more heavily : (n +) doped than the collector zone (101).
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