DE1564221A1 - Halbleiterbauelement vom Feldeffekttyp,insbesondere zur Realisierung von logischen Funktionen - Google Patents

Halbleiterbauelement vom Feldeffekttyp,insbesondere zur Realisierung von logischen Funktionen

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DE1564221A1 DE19661564221 DE1564221A DE1564221A1 DE 1564221 A1 DE1564221 A1 DE 1564221A1 DE 19661564221 DE19661564221 DE 19661564221 DE 1564221 A DE1564221 A DE 1564221A DE 1564221 A1 DE1564221 A1 DE 1564221A1
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Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER
703 BDBLINGEN SINDELFINGER STRASSE 49 FERNSPRECHER (07031)6613040
156A221
Anmelderin:
Amtliches Aktenzeichen:
Böblingen, den 22. Dezember "1966 si-hä
International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10 504
Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 6686
Halbleiterbauelement vom Feldeffekttyp, insbesondere zur Realisierung von logischen Funktionen '
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement vom Feldeffekttyp, insbesondere zur Realisierung von logischen Funktionen. Bei diesen zum Aufbau von logischen Schaltungen besonders geeigneten Feldeffekttransistoren gestatten einen besonders wirtschaftlichen Aufbau von logischen Schaltungen, beispielsweise von exklusiven Oderschaltungen, von Halbaddierern oder auch von Volladdierern. Eine grundlegende logische Funktion in fast allen Datenverarbeitungsmaschinen stellt die exklusive ODER -Schaltung dar. Diese wird häufig
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BAD
9i-O'dd-B 27 ö 3 5 2
dazu benutzt, Schaltungen zu vergleichen, wobei bezüglich etwas komplexeren Schaltungen zwischen Halbaddierern und Volladdierern unterschieden wird. Bekanntlich ist die exklusive ODER-Funktion darstellbar durch ein zweiwertiges Ausgangssignal, welches mittels zweier verschiedener Eingänge steuerbar ist und welches ein bestimmtes Niveau annimmt, wenn beide EingangsSignaIe gleich sind, welches dahingegen das andere mögliche Niveau annimmt, sobald beide Eingangssignale verschieden sind.
Die typischen Schaltungskonfigurationen zur Realisierung der exklusiven ODSR-Funktion bestehen aus verschiedenen Kombinationen grundlegender UND- bzw. ODER-Schaltungen oder aus gewissen Spezialschaltungen. In bekannten Schaltungen zur Realisierung der exklusiven ODER-Funktion werden im allgemeinen drei oder mehrere aktive Halbleiterbauelemente benutzt. Die Kosten der Addierschaltungen können durch eine monolitische Herstellungsweise gesenkt werden, da.diese bekanntlich geringere Kosten pro Halbleiterbaueleinenteinheit erfordern. Jedoch auch in monolitisch hergestellten Vorrichtungen ist es erforderlich, drei oder mehr einzelne aktive Bauelemente vorzusehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst kostensp_järendes und trotzdem zuverlässiges
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grundlegendes Halbleiterbauelement zur Realisierung der exklusivenODER-Funktlon anzugeben.
Das nach der Lehre der Erfindung die oben genannte logische Funktion in besonders günstiger Weise realisierende Bauelement vom Feldeffekttyp besitzt in bekannter Wjise eine in einem Halbleiterkörper eingebettete Quellen- und Senkenzone eines ersten Leitfähigkeitstyps sowie eine zwischen beiden verlaufende Kanalzone mit steuerbarem Leitvermögen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und eine von dem übrigen Halbleiterkörper isolierte Steuerelektrode und ist dadurch gekennzeichnet, daß durch Anbringen einer vierten Zuleitung an denjenigen. Teil des Halbleiterkörpers, der weder der Quellen- oder Senken noch der Kanalzone angehört, eine zweite Steuermöglichkeit vorgesehen ist.
Ein Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode besteht bekanntlich im wesentlichen aus einem in einem Halbleitersubstrat eingebetteten Stromflusskanal aus halbleitendem Material eines bestimmten Leitfähigkeitstyp und aus zwei diffundierten Gebieten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps an beiden Enden des Kanals. Der genannte Kanal hat im Vergleich zu seiner Länge ausserordentlich geringe Querabiaessungea. Eine der an den Enden befindlichen eindiffundierten Gebiete wird.als Quelle bezeichnet, und ist z.B. mit Erdpotential verbunden, während das andere eindiffundierte
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Gebiet als Senke bezeichnet wird und über einen Belastungs- , widerstand an eine die Arbeitsspannung liefernde Stromquelle angeschlossen ist. Die Arbeitsspannung besitzt eine Polarität, welche die Quelle bezüglich des Kanalgebietes in Sperrichtung vorspannt. Zum Inbetriebsetzen dieses Transistortyps ist das Substratgebiet mit Erdpotential zu verbinden und Eingangssignale sind entweder ebenfalls an das Erdpotential oder an ein hiervon abweichendes Steuerpotential anzulegen, wodurch der Transistor entweder in den Zustand seiner hohen oder seiner niedrigen Impedanz gebracht wird.
Es wurde beobachtet, daß bei der Verbindung einer derartigen Halbleitervorrichtung mit einer geeigneten Arbeitsspannung und bei selektivem Anlegen von Eingangssignalen eines geeigneten Spannungsniveaus an das Steuergitter und an das Substrat folgende Wirkungen zu bemerken sind:
1. Ist das Erdpotential entweder an eine der Substrat- oder oder Steuergitterklemmen angelegt und wird ein Signal, dessen Polarität der genannten Arbeitsspannung entspricht.an die andere Klemme angelegt, so bildet sich ein Stromflußpfad von der Quelle zur Senke aus, wodurch das Spannungsniveau der Alisgangsspannung an der Senke geändert wird«
2. Wird das Erdpotential sowohl an das Steuergitter als auch an das Substrat angelegt, so weist die Halbleiter vorrich-
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tung. eine extrem hohe Impedanz auf, wobei das Spannungsniveau an der Senke sich nicht ändert;
J. werden geeignete Spannungswerte einer der Versorgüngs,-spannung entsprechenden Poarität sowohl an das Gitter als auch an das Substrat angelegt, so zeigt das Halbleiterbauelement ebenfalls eine extrem hohe Impedanz, wobei in diesem Falle das Spannungsniveau an der Ausgangsklemme keiner Änderung unterworfen ist. Daher haben wir mit dem genannten Halbleiterbauelement eine Vorrichtung vor uns, die vier Klemmen aufweist und in einfacher Weise die exklusive ODER-Funktion zu realisieren im Stande ist.
Es liegt auf der Hand, daß bei Einsparung von diskreten aktiven Halbleiterbauelementen die Kosten der Schaltaufwendungzur Realisierung einer logischen Schaltung wesentlich gesenkt werden können. Dasselbe gilt nochmals für die Benutzung einer monolitschenAnordnung mit einer Mehrzahl von einzelnen Elementen, wobei die einzelnen Elemente untereinander isoliert sind, um zwischen verschiedenen Schaltfunktionen_wählen zu können. Hierbei ist mindestens eine Reduzierung der Dichte der aktiven Elemente um den Faktor j5 möglich.
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen anhand eines bevor-■zugten Ausführungsbeispiels unter Zugrundelegung der Figu-. ren beschrieben. In diesen bedeuten:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des der Erfindung.. l
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zugrundeliegenden logischen Grundelementes zur Realisierung der exklusiven ODER-Funktion;
Fig. 2 eine Tafel zur Verdeutlichung der Realisierung der exklusiven ODER-Funktion mittels der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. J5 eir^schematisches Diagramm mit einem verbesserten Halbaddierer unter Zugrundelegung des verbesserten Halbleiterbauelements nach Fig. 1;
Fig. 4 eine Zuordnungstabelie zur Erläuterung dem Bauelement von Fig.1 realisierten logischen Operationen;
Fig, 5 eine schematische Darstellung eines Volladdierers unter Zugrundelegung des Halbleiterbauelementes nach Fig. 1;
FIg1. 6 eine Zuordnungstabe lie der von dem Volladdierer nach Fig. 5 realisierten logischen Operation und
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer monolithischen Auibauweise des Volladdierers der Fig. 5 auf einem einzigen Halbleitersubstrat (Chip).
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.-■?■-■
Der Feldeffekttransistor 1 der Fig. 1 umfaßt ein Substratbereich 2 von N-leitendem Halbleitermaterial sowie einen QueHenbereich 5 und einen Senkenbereich 4, welche aus P-leitendem Material bestehen, das in das Substrat eindiffundiert wurde. Ein schmaler Kanal mit im Vergleich zu seiner Breite sehr viel größerer Längenabmessung, erstreckt sich innerhalb des Substrates zwischen Quelle und Senke. Ein metallisches Steuergitter 6 liegt über diesem Kanal und bedeckt gleichfalls die anliegenden Kanten der Quelle und der Senke. Ein geeignetes isolierendes Material 7 liegt zwischen Steuergitter und dem übrigen Halbleiterkörper.
Die Quelle ist mit Erdpotential verbunden und die Senke liegt über einem Arbeitswiderstand 9 an dem negativen Pol einer Spannungsquelle d. Eine Ausgangsklemme 10 führt zu einer zwischen Arbeitswiderstand 9 und Senke gelegenen Abzweigung. Eine erste und eine zweite Eingangsklemme X und Y führen zum Steuergitter 11 bzw. zum Substrat 2. Eingangssignalquellen 11 und 12 sind" mit diesen Klemmen X und Y verbunden.
Es sei angenommen', daß der logische Zustand "θ" durch ein negatives Potential und der Zustand-11I." durch das Potential der Masse repräsentiert wird.
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Aus der Fig.2 ist ersichtlich, daß zur Einstellung des logischen Zustandes "1" sowohl an dfe X- als auch an die Y-Klemme Massenpotential angelegt ist, wobei wegen der Tatsache der in diesem Falle vorliegenden Hochomigkeit ■ des Kanals zwischen Quelle und Senke das negative Potential der Versorgungsquelle an der Klemme 8 ebenfalls an der Ausgangsklemme 10 vorherrscht.
Wird entsprechend dem logischen Zustand "θ" ein negatives Potential an die X-Klemme und entsprechend dem Zustand der logischen "1; Massenpotential an die Y-Quelle angelegt, so wirkt das Halbleiterbauelement 1 als normaler Feldeffekttransistor und weist eine relativ niedrige Impedanz über den Pfad zwischen Quelle und Senke auf, d.h. das am Gitter vorherrschende negative Potential bewirkt einen positiven Bereich innerhalb des oberen Teiles der Oberfläche des Kanals 5, so daß ein elektrischer Stromfluß zwischen Quelle und Senke zustandekommt. Die Spannung an der Ausgangsklemme 10 wird daher gegeben sein durch das Erdpotential, vermindert um den hohen Spannungsabfall über den zwischen Quelle und Senke befindlichen Kanal des Transistors.
Bei mit Feldeffekttransistoren des Typs MEN 511 hergestellt bei General Instruments Corporation durchgeführten Versuchen wurde eine negative Spannung von 2 Volt als Spannungsniveau für die logischen "0n sowie als Versorgungsspannung an
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Klemme 8 benutzt. Hierbei wurden negative Ausgangsspannungen der Größenordnung von 0,2 bis 0,3 Volt für den Pail beobachtet, daß der Transistor sich in einem niederomigen Zustand befand.
Liegt dahingegen an der X-Klemme das Erdpotential an, welches dem logischen Zustand "1" entspricht, und befindet sich ein der logischen "O" entsprechendes negatives Potential an der Y-Klemme, so wird der Transistor 1 in seinen nieder- , omigen Zustand versetzt, wobei an der Ausgangsklemme ein niedriges in der Nähe des Erdpotentiales liegendes negatives Potential zu beobachten ist.
Ohne sich auf eine in allen Einzelheiten zutreffende Theorie zur Erklärung der beschriebenen Arbeitsweise festzulegen, könnte man eine solche etwa in der folgenden Weise aufstellen Man glaubt, daß mit einer Gitterspannung von 0 Volt und mit einer an der Y-Klemme anliegenden negativen Spannung der Peldeffektransistor etwa in ähnlicher Art arbeitet wie ein ■ bekannter Transistor von. bipolarem Typ, wobei Quelle, Substrat und Senke Funktionen übernehmen, die weitgehend ähnlich denjenigen von Emitter-Basis- und Kollektorelektrode des bipolaren Transistors sind. Wird an die Basis-Emitterelektroden eines konventionellen bipolaren Transistors eine Spannung in Flußrichtung angelegt, so ergibt sich ein Strom-
. BAD
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- ίο. -
pfad niedriger Impedanz zwischen Emitter- und Kollektorelektrode. Diese gleiche Art von Tiansistorwirkung scheint in der Vorrichtung von Fig. 1 unter den genannten Voraussetzungen vorzuliegen.
Wird ein der logischen "θ" entsprechendes negatives Potential sowohl an die Klemme X als auch an die Klemme Y angelegt, erscheint die Wirkung eines jeden dieser Eingangssignale diejenige des anderen zu kompensieren, wobei der Transistor 1 in seinem Zustand hoher Impedanz verbleibt und am Ausgang ein der logischen "θ" entsprechendes Spannungsniveau liefert.
Ein dem logischen Zustand "θ" entsprechendes Ausgangssignal wird hervorgerufen bei. vorliegen gleicher Potentiale sowohl an der X- und Y-Klemme bei geeigneter Dinmensionierung von Quäle, Senke und Substrat, wobei außerdem geeignete Dotäerungsniveaus der genannten Gebiete vorauszusetzen sind.
Es wurde weiterhin beobachtet, daß bei Anliegen von negativen Spannungswerten verschiedener Höhe an der X- bzw. Y-Klemme sich eine Art von Schwellwertverhalten des Halbleiterbauelementes einstellt. Im Folgenden ist eine Reihe von Gleichungen abgeleitet, die den Stromfluß in einem Substrat aus M-leitendem Material in abhängigkeit von der Dotierungskonzentration der Potentialdifferenz sowie der Geometrie des Bauelementes beschreiben.
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Zunächst ist eine 'Gleichung für den im Kanalbereich fließenden Strom angegeben^ aus der die Abhängigkeit vom Potential, der Trägerbewegliehkeit, der Abmessungen der Oxydschicht sowie der sonstigen Geometrie hervorgeht. Der Widerstand eines Halbleiters kann definiert werden als
wobei 1 die Länge des leitenden Pfades, t die Dicket des Materials,
w die Breite des Materials und
<J den spezifischen Widerstand des Materials bedeuten«
Da elektrische Neutralität vorliegen eiuS, gilt M^ + d = N + n,
wobei H* die Anzahl der Donator-Atome, N die Anzahl der Akzeptor-Atome,
d die Defektelektronenkonzentratioa und η die Elektronenkonzesitration bedeuten.
Für öin Substrat aus N-leitendem Material gilt K_ = 0 und unter
3-
der Annahme η^p ergibt sieh aus der Neutralitätsbedingung η ^ N. .Das bedeutet, daß in dem Substrat die Konzentration der freien Elektronen direkt proportianal der Dichte der DonatOF-Atösie ist, die ihrerseits von der Dofcieirungskonzentration
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S09882/OS52 ßAn -
SAD
abhängen. Die Konzentration ρ der Defektelektronen im Substrat ergibt sich aus dem Massenwirkungsgesetz zu
np = ni wobei ni die Elektronenkonzentration bei eigenleitendem Substrat bedeutet. Daher gilt:
Aufgrund der Definition der spezifischen Leitfähigkeit des Materials als reziproker Wert des spezifischen Wider standes ergibt sich:
#= ~ = ( ryun + ρ /Up) q
wobei η die Konzentration der freien Elektronen, ρ die Konzentration der freien Defektelektrode, /U die Elektronenbeweglichkeit,
/u die Defektelektronenbeweglichkeit und q die Ladung des Elektrons bedeuten.
Burch Substitution von
,2
erhält man
' = ( Nd2 /un + ni2 /u p)
'"a
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Definiert man weiter die spezifische Leitfähigkeit als reziproken Wert von R ,
tesimale Materiallänge Δΐ
reziproken Wert von R , so erhält man für eine infini-
S .
G = *~ " 2
S
d ^ Δ
Darauf erhält man für den Strom:
I = G3 AV =£ (n/ /Un +- n.2 /Up ) I
Woraus sich durch Umformung ergibt:
I= H(N0 2 /Un + η,2 Λ) q ] ( Iw) (V1 - V^0
. d X
Der Term V-. _-■ V-,_ bedeutet hierbei den über die Materiallänge gemessenen Spannungsabfall.
Die letzte Gleichung zeigt die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Do^tierungskonzentration, die ihrerseits gegeben ist durch die ionisierten Donatoratome sowie von den Materialabmessungen Länge, Dicke und Breite. Es findet somit eine Leitungswirkung in dem induzierten P-leitendem Kanal zwischen Quelle und Senke statt. Von diesem kann angenommen werden, daß er eine vernachlässigbare Dicke besitzt, was der Annahme einer Oberflächenladung s entspricht. Dies bedeutet weiterhin, daß das elektrische Feld normal zu der Oberfläche des Kanals verläuft; die
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Oberflächenladung Q ^ann auch als
Q = £ ox Eox = Cοχ A tox
geschrieben werden.
Hierbei bedeuten £ ox Dielektrizitätskonstante des Siliziumdioxyds;
tox Dicke der Oxydschicht,
Eox elektrisches Feld über die Oxydschicht,
Vq Steuerspannung und
A Fläche mit der den Kanal bildenden Schicht,
Die spezifische Leitfähigkeit dieser Schicht kann wie folgt ausgedrückt werden:
c A / P
hierbei bedeutet λχ die effektive Trägerbeweglichkeit. Für die Leitfähigkeit des induzierten Kanäles erhält man:
°c = * τ υηά
1C - GmVG Hieraus ergibt sich weiter:
Docket 6686 "
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Aus dem letzten Ausdruck geht die quadratische Abhändigkeit für den Strom Innerhalb des zwischen Quelle und Senke induzierten Kanals hervor. Aus den oben stehenden Ausdrücken geht die Abhängigkeit von den Parametern der Oxydschicht, der Kanalabmessung und der Trägerbeweglichkeiten hervor.
Es hat den Anschein, daß bei Anliegen eines negativen Signals an die Klemme X die konventionelle Feldeffektwirkung 1 entsprechend der Gleichung (.2) eintritt. Desgleichen werden bei Anlegen eines negativen Signales an die Klemme Y Träger aus der Quelle befreit und gelangen durch Transistorwirkung in die Senke. Wenn gleichzeitig sowohl an den X- als auch an der Y-Klemme negative Potentiale ■ vorliegen-, so wird die Zahl der Majoritätsladungsträger, die von der Senke durch Diffusionsvorgänge zum Belastungswiderstand bzw. zur Klemme der Versorgungsspannung herübergelangen, durch einen Stromfluß zur Substratquelle reduziert» wodurch praktisch der Einfluß auf die X-Klerame verschwindet und die Verhältnisse am Ausgang unverändert bleiben.
Legt; man an die X- bzw. Y-Klemmen ausgewählte Potentialniveaus an, so ist es möglich, an der Ausgangsklemme des Halbleiterbaueleusentes eine Spannung V zu erhalten, die so beschaffen 1st, daß für simultane Eingänge an der X- bzw. Y-Klemme dieser Wert V einen Spannungswert repräsentiert, der größer als,gleicl oder kleiner als äie Originalspannung am Ausgang ist, wobei nur
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eine der Eingangsspannung angelegt wird. Weiterhin hängt der Grad der am Ausgang entstehenden Änderung von dem Niveau der angelegten Eingangsspannung ab. »
Hält man insbesondere die Spannung an der Eingangsklemme X konstant, so kann die Größe an der Y-Klemme so gewählt werden, daß man ein Ausgangssignal erhält, das größer als, gleich oder sogar kleiner als das Ausgangssignal ist, das bei Vorhandensein nur eines X-Eingangssignales allein vorliegt.
Es ist zu bemerken, daß die Inverse einer exklusiven ODER-Punktion mittels der Vorrichtung oder des Halbleiterbauelementes nach Fig. 1 realisiert werden kann, wenn man dem an Masse liegenden Potential sowie einem negativen Potential die logischen Werte "0n bzw. Ml", in der genannten Reihenfolge zuordnet .
Die Benutzung des Halbleiterbauelementes von Pig. I zur Realisierung der exklusiven ODER-Funktion zur Darstellung eines Halbaddierers wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird im folgenden beschrieben. Jede derStige Vorrichtung zur Realisierung der exklusiven ODER-Funktion kann vorzugsweise durch bekannte Verfahren hergestellt werden, so daß das Ausgangsspannungsniveau eines jeden dieser Bauelemente möglichst nahe beim Erdpotential oder als Alternative in der Nähe der negativen Versorgungsspannung liegt. Unter dieser Voraussetzung sind Vorkehrungen zur
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ft,
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Festlegung der verschiedenen Spannungsniveaus zwischen den. einzelnen aktiven Elementen bzw. zu deren gegensei-v tiger Isolation nicht erforderlich. Der Halbaddierer 20 der Fig. 3 umschließt einen ersten und einen zweiten Feldeffekttransistor 21 und 22. Der Transistor 21 ist nach Art eines Signalinverters geschaltet, wohingegen der Transistor 22 bezüglich seiner Quelle als Kathodenfolger betrieben wird. Eine Summandeneingangsklemme X ist mit der Steuerelektrode des Transistors 21 sowie über den Widerstand 23 mit der Quelle des Transistors 22 verbunden. Es sei bemerkt, daß bei monolithischen Strukturen diese Impedanzen auch oft mittels eines aktiven Schaltelementes realisiert werden. Eine zweite Summandenejngangsklemme Y ist mit den Substratgebieten beider Transistoren verbunden und führt weiterhin auch zur Senke des Transistors 22.
Die Quelle des Transistors 21 liegt weiterhin auf Erdpotential und die Senke dieses Transistors ist über einen Widerstand 25 mit der negativen Klemme einer Stromversorgung 24 verbunden. Die Senke des Transistors 2ί führt gleichfalls zum Summenausgang der Leitung S sowie zu dem der Steuerelektrode des Transistors 22. Ein Ausgang für den Übertrag vermittelnde Ausgangsleitung C führt zu einem Verzweigungspunkt, der seinerseits zwischen dem Widerstand 23 und der Quelle des Transistors 22 liegt.
Aus der Tafel der Fig. 4 ist zu sehen, daß bei Anlegung der logischen 11O" in Form einer negativen Spannung an die X- und Y-Eingangsklemmen die Summen- und Übertragsleitungen ein negatives Potential führen, welches der logischen "O" entspricht,
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so daß die Transistoren 21 und 22 sich im Zustand ihrer hohen Impedanz befinden.
Wird dahingegen ein negatives Potential entsprechend einer logischen "Ό" an den X-Eingang und Nullpotential entsprechend der logischen "1" an die Y-Klemme gelegt, wird der Transistor 21 in den Zustand niedrigen Widerstandes umgeschaltet, wobei an der Summenausgangsleitung S einrder logischen "1" entsprechende Erdspannung erscheinen wird.
Wird das Massepotential an Steuerelektrode, an das Substrat, sowie an die Senke des Transistors 22, angelegt, so wird dieser Transistor den Zustand hohen Widerstandes zwischen Quelle und Senke aufweisen und das negative Potential der Eingangsklemme X wird über den Widerstand 23 die Öbertragsausgangsleitung erreichen.
Wird dahingegen die Massespannung, welche der logischen Kl" entspricht, an die X-Klemme, eine der logischen K0R ent sprechende negative Spannung an die Y-Quelle angelegt, so wird der Transistor 21 in den Zustand seines niedrigen Widerstandes geschaltet, wodurch das der logischen nl". entsprechende Erdpotential auf der Summenausgangsleitung erscheint. Der Transistor 22 wird durch das negative Potential an der Eingangsklemme in den Zustand seines niedrigen Widerstandes geschaltet, wobei ein negatives, der logischen n0n entsprechendes Potential seinen Weg über den Kanal zwischen Quelle und Senke-
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nehmen und an der Übertragsausgangsieitung C erscheinen wird. Wird das der logischen "1". entsprechende Grundpotential an beide Eingangskieromen X und Y angelegt, so erfolgt keine Schaltung des Transistors 21, jedoch schaltet das an der Steuerelektrode anliegende negative Potential des Transistors 22 diesen in den Zustand seines niedrigen Widerstandes, wodurch auf der Übertragsausgangsleitung G des der logischen "ln entsprechende Erdpotential erscheinen wird, nachdem es seinen Weg von der Y-Eingangsklemme über den Kanal zwischen Quelle und Senke des Transistors 22 genommen hat.
Es wird auf die verschiedenen Wirkungen des Transistors 22 im Rahmen der beiden letzten Arbeitsbedingungen hingewiesen. Bei der erstgenannten Funktionsweise erscheint der Transistor 22 umgeschaltet, damit eine negative Spannung an die Leitung C geliefert werden kann. Bei der letzten Punktion wird der Transistor 22 ebenfalls umgeschaltet, um an die Leitung C ein Erdpotential abgeben zu können.
Der Volladdierer nach Fig. 5 umfaßt zwei Halbaddiererschaltungen 30 und 31, von denen jede mit der Schaltung von Fig.3 identisch ist. Außerdem ist noch eine logische ODER-Schaltung 32 vorgesehen. Der Halbaddierer besitzt die Eingangsklemraen Y und X sowie einen Summen- und eine Übertragsausgangsleitung Sl und Gl, welche mit dem Feldeffekttransistor 31 verbunden sind.
Docket 6686
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Der Halbaddierer 31 besitzt eine Übertragseingangsklemme C. und eine Summen- sowie eine Übertragsausgangsleitung Sout und C2' welcne den Feldeffekttransistoren 35 und 36 zugeordnet -sind. Die ODER-Schaltung 32 besteht aus zwei Feldeffekttransistoren 40 und 41 mit isolierten Steuerelektroden. Die Senke des Transistors 40 ist mit der negativen Klemme einer Stromversorgung 42 verbunden, während dessen Steuerelektrode mit der Leitung C und dessen Quelle mit der Senke des Transistors 41 verknüpft ist. Die Steuerelektrode des Transistors 41 ist mit der Leitung C-, und seine Quelle mit der Übertragsausgangsleitung C . sowie weiter über den Widerstand 43 mit Erdpotential verbunden. Die mit dem Substrat identischen Transistorelektroden 40 und 41 liegen an Erdpotential. Ein monolithisches Herstellungsverfahren für die Volladdierer der Fig. 5 ist schematisch in Fig. 7 skizziert. Die monolithische Struktur der Fig. 7 umfaßt die Halbaddierer 30 und 31* welche mittels einer geeigneten isolierenden Schranke 50 aus P-leitendem Material isoliert sind, das in den Halbleiterkörper hineindiffundiert wurde. Der Halbaddierer 31 ist ebenfalls von der ODER-Schaltung 32 mittels einer Schranke 5I aus P-leitendem Material isoliert, welches in den Halbleiterkörper eindiffundiert wurde. Die verschiedenen Eingangsbzw. Ausgangsklemmen und -leitungen der Fig. 7 tragen dieselben Bezugszeichen wie die entsprechenden Leitungen
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und Klemmen in der Fig. 6.
Die Widerstände wurden zur Erleichterung der Darstellung als diskrete Komponenten eingezeichnet. Es ist klar, daß diese im allgemeinen sogar bevorzugt in den monolithischen Block integriert werden. Die Arbeitsweise des Volladdierers der Fig. 5 wird durch die ZuordnungstäbeHe der Fig. 6 erläutert. Werden negative, der logischen 11O" entsprechende Spannungen an die Eingangsklemmen X und Y sowie an C. angelegt, so werden die Transistoren 33 und 34 ihren Schaltzustand nicht ändern, wodurch eine Spannung von -12 Volt entsprechend der logischen "θ" auf den Leitungen ST und CT erscheint. Die negativen Spannungen auf der Leitung C, veranlassen den Transistor 41 in den Zustand niedrigeren Widerstandes überzugehen. Die negativen Spannungen auf der Leitung S.. und die Leitung C. lassen die Transistoren 35 und 36 zunächst in ihrem Schaltzustand verbleiben, so daß eine negative, den logischen Zustand "θ" verkörpernde Spannungen an die SummenausgangsleitungSout sowie an der Übertragsausgangsleitung C2 erscheinen. Das negative Potential auf dem Leiter C2 veranlassen den Transistor 40 in den Zustand seines niedrigen Widerstands überzugehen, wodurch negative Spannungen an den Klemmen 42 erscheinen, welche ebenfalls an der Übertragsausgangsleitung C. t, verfügbar sind, nachdem sie ihren Weg über die Transistoren 40 und 41 genommen haben.
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Die Transistoren ~χ>, >+, 35, j56, 40 und 41 werden weiterhin entsprechend der Zuordnungstafel der Pig. 6 gesteuert, wobei durch diese Zuordnung die Punktionsweise eines Volladdierers verkörpert ist.
Es sei bemerkt, daß verschiedene Modifikationen der beschriebenen Halbleiterbauelemente denkbar sind. Z.B. kann der Transistor 1 der Fig. 1 nach Art eines Quellenfolgers (entsprechend: Kathodenfolger) betrieben werden und nicht als Inverter, indem der Widerstand 9 zwischen die Quelle 3 und Erdpotential gelegt wird und ferner die Ausgangsklemme 10 mit der Quelle 5 verbunden wird. Weiterhin können auch Transistoren des NPN-Typs mit in diesem Fall geeignet geänderten Polaritäten bezüglich der Signale und der Versorgungsspannungen benutzt werden.
909882/0952 BAD
Docket 8868

Claims (5)

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement vom Feldeffekttyp mit einer in einem
Halbleiterkörper eingebetteten Quellen- und Senkenzone eines ersten Leitfähigkeitstyps sowie einer zwischen beiden verlaufenden Kanalzone mit steuerbarem Leitvermögen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und mit einer von dem übrigen Halbleiterkörper isolierten Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anbringen einer vierten Zuleitung an den Teil des Halbleiterkörpers, der weder der Quellen-,'tchder Senken- oder Kanalzorie angehört, eine zweite Steuermöglichkeit vorgesehen ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung zum Realisieren der logischen exklusiven ODER-Schaltung.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch - die Anwendung zum Realisieren eines Halbaddierers durch Zusammenschaltung zweier Bauelemente.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Realisierung eines Völladdlerers durch
Docket 6686 g Q g g Q 2 / Q 9 5 2
BAD ORIGINAl
Zusammenschaltung von 6 Bauelementen.
5. Logische Schaltung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen, zur Realisierung der jeweiligen logischen Funktion erforderlichen aktiven Halbleiterbauelemente in einem monotithischen Block integriert sind.
8AD
9 0 9882/0952
«5Γ .
L e e r s e it e
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