DE1800796A1 - Halbleitervorrichtung mit gesteuerter Saettigung - Google Patents

Description

DIPL-ING. HANS BEGRICH · OSPL-ING. ALFONS WASMElER REGENSBURG 3 · UESSINGSTRASSE 10 Patentanwalt· Bngridi · Wa«Ml«r, MW lt»e*wbwg 3, PMifa* 11

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Deutsche Patentamt 8 München 2

Telefon 0941 /31055 Sayer. Stsnfsbenk, Regensbvrg 507 Poshchcckkonto: Mönchen 89369 Telegramm*: Begpcitent Regensburg

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Societl Generale Seadconcluttori S.p.A. -■ S.&.S., Agrate Brianza,

Mailand, Italien

Halbleitervorrichtung mit gesteuerter Sättigung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit gesteuerter Sättigung und inabesondere Iraneistorrorriohtun« gen, die in logischen Stroaöcreieen ale Stromunterbrecher bzw. Schalter verwindet werden; ihr Arbeitsprinsip kann jedoch auoh

en

bei als Terstärker oder Generator arbeitenden Transisotoren vorteilhaft Anwendung finden.

Ziel vorliegender Erfindung ist eine einfache, betriebssichere Terrichtung, die den Betrieb eines Transistors unter genau kontrollierten Bedingungen, insbesondere unter Begrenzung des SättigurigsstromeE ermöglicht. Wird der Transistor eis Schalter verwendet, ergibt sich der Torteil, daß die Übergangszeit

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vom stromleitenden in den nichtleitenden Zustand erheblich verkürzt und somit eine Einrichtung ohne bewegliche Bauteile gebaut werden kann, die schneller arbeitet, als die bisher hergestellten. Bekanntlich wird ein als Schalter eingesetzter Transistor abwechselnd in einem der beiden extremen-Betriebszustande betrieben, d.h. entweder volleitend (Sättigung oder nichtleitend (Sperrung)«

Die Umschaltungen, d_eh« die Übergänge, von dem einen in d@n anderen Zustand erfolgen nicht augenblicklich» sondern sie beanspruchen Z®it spann ea. In der Prüfanordnung τ©κ einigen. Ηβησ-sekunden (10 - 9

Diese Tersögerüngs^@iten_s die auch als "Hpeicherzeiten" bezeichnet werden, sind swar klein, sie werden Jedoch häufig als zu groß empfunden, wesrn es sieh um besondere Anwendungen des Traneistora handelt, s_oB. "bei elektronischen Eeehen- und Datenverarbeitungsaasetiinsn, bei welchen höchste Rechen- unä Funktionsgeschwindigkeiten erforderlich sind.

Eine physikalische. Untersuchung dieser Erscheinung hat ergeben, daß die endliche, für die Umschaltung benötigte Zeit sowohl mit der durchschnittlichen Lebensdauer der Minoritätsladungen im Inneren des die Basis bildenden Halbleitermateriales, also mit einer dem Transistor anhaftenden ÜÜgensehaftj als auch mit den Steuerschaltungsbedingungen, also mit einem dem

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Transistor fremden Merkmal, zusammenhängt.

Erfindungsgemäß wird der Steuerkreia eines im Umschaltzuetand arbeitenden Transistors dadurch beeinfluß^ daß dessen Sättigungsetrom begrenzt wird, um die für den Übergang vom Sättigungs- in den Sperrssitstand benötigte Zeit bu verküreen.

Mit Hilfe der nachstehend beschriebenen Anordnung wird die Yereögerungesseit auf die Hälfte oder sogar auf nur ein Drittel dee vorerwähnten Wertes herabgesetzt. Damit lassen sich elektronische Rechenmaschinen bauen, deren Arbeitsgeschwindigkeit zwei bis drei mal höher ist als bei den bisherigen, ohne daß dafür die logisch·» Sehaltpläne der Rechenschaltungen geändert werden Bussen«

Wenn dl« «rfindungsgemäSe Torrichtung als Verstärker eingesetzt wird, let es auglich, äes Arbeitspunkt sehr exakt zu bestimmen und su erkennen.

Eine erfindungsgemäBe Torrichtung kann außerdem als öleichstromgenerator benutst werden, wobei die Stärke des erzeugten Stromes - unabhängig von Temperatur- oder Alterungserscheinungen dee Translators - genau bestimmt werden kann«

Die erfindungsgemäße Schaltung besteht aus der Anordnung zweier Transistoren, von denen der sine, als Haupttransistor betrachtet, Ausgangstrensistor genannt wird, während der andere, als

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Hllfsiransietor betrachtet und Steuertransistor genannt, die Aufgabe hat, die Stärke des dem Ausgangstransistor gelieferten Strome· auf den gerade für nötig gehaltenen Mindeetwert zu beschränken. Die Stromverstärkungen des Ausgange- und des Steuertrensiatore sind einender gleich, oder etehtn in ei»·« bestimmten Verhältnis zueinander, und folgen demselben Inderungegesrti in bezug auf die Umgebungsbedingungen (insbesondere dl· Temperatur) und die Zeit (Alterungserscheinungen).

Grundsätzlich besteht die erfindungsgemäße Schaltung aus zwei Transistoren, die bis auf die Abmessungen sehr ähnliche, mug- -liehst gleiche, Konstruktions- und technologischen Merkmale aufweisen und miteinander su einer einzigen Vorrichtung alt drei Endklemmen (Tripol) verbunden werden.

Der Anschluß zwischen den beiden Transistoren wird folgendermaßen ausgeführts Die Basis des Ausgangstransistors ist an die Basis sowie an den Kollektor des Steuertransistors angeschlossen und bildet die erste Endklemmej die beiden Emitter werden miteinander verbunden und bilden die zweite Endklemme; als dritte Endklemme dient schließlich der Kollektor des Ausgangstransistors.

Es entsteht somit eine Dreiklemmensehaltung, die in bezug auf ihr äußeres Verhalten als ein einziger Transistor wirkt, aber'die erwähnten Vorteile bringt.

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In allgemeinerem Sinn kann aie erfindungsgemäße Vorrichtung aus einem Ausgangstransistor und aus einer Vorrichtung beliebiger Art bestehen, die in der Lage ist, von <3er Basis des Ausgangstransistors einen Strom abzunehmen, der mit der Verstärkung des Ausgangstransistors selbst in Zusammenhang steht.

Obwohl sich die Grundgedanken der Erfindung in der Theorie auch durch Anwendung getrennter, nach besonderen Richtlinien gewählter Transistoren und selbständiger, elektronischer Bauteile (Widerstand, Kapazität, und dgl.) verwirklichen lassen können, indem die einzelnen Bausteine zur Bildung der erfindungsgemäßen Schaltung zusammengebaut werden, wird die eigentliche Erfindungsidee im Falle der integrierten Schaltung vorteilhaft ausgenutzt, d.h. in de» Pail, in welchem an einen einsigen Halbleiterelement die verschiedenen Dotierungeeonen hergestellt werden, die die Funktion als -Basis, Kollektor und Emitter beider Transistoren ausüben, und es werden auch Verbindungen in diesem Element, hergestellt, welche die erforderlichen Widerstands- und Kapazitätseigensehaften besitzen·

Wie in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert", eind zwei Transistoren in der erfindungsgemäßen Schaltung enthalten, welche nicht nur in ein und demselben Halbleiterelement hergestellt sind, sondern vorzugsweise auch durch Anwendung der gleichen technoligischen Herstellstufen so ausgelegt werden, daß'möglichst gleiche Eigenschaften sichergestellt sind.

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Die Abmessungen "beider !Transistoren und insbesondere die Flächen der einselnen Verbindungen können einander gleich oder auch voneinander verschieden sein_s je nach der besonderen für die Vorrichtung vorgeseheaea Anwendung (Verstärker, .Generator, Schalter).

Soll die Vorrichtung zur Herstellung einer Schaltanordnung dienen, muß der Steuertranietor einen effektiven Querschnitt an den übergängen aufweiaen₈ der im allgemeinen kleiner ist als beim Ausgangstrsnsistor«, Auen hier köilnen beide Transistoren im gleichen Halbleiterelement hergestellt werden, jedoch unter Ausnutzung von Dotierungsfläehen unterechiedlioher räumlicher Erstreckung.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung in Verbindung mit als logische Elemente verwendeten Transistoren erläutert; die gleichen Grundsätze und Schaltungen können aber auch für andere Anwendungsfälle zweekaäSigerweise benutzt werden, e.B. zur Signaleraeugung und/oder sur Signalverstärkung aittels Transistoren oder allgemeiner mittels Halbleitervorrichtungen beliebiger Art*

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen»

Pig. 1 einen npn-Transistor mit geerdetem Emitter,

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Pig· 2 eine bevorzugte Ausführungsfora einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,

Fig. 3 dl· gleiche Anordnung bei einer ausgeführten Konstruktion und

Fig. 4-6 weitere Aueführungsformen der Schaltung nach Fig. 2,

In Figur 1 ist ein npn-Transistor mit geerdetem Imitttr und einem Lastwideretand R in Reihe mit dem Kollektor geschaltet. Mit Ι« bzw. Iq sind die Basis- und Kollektorströme bezeichnet.

In Fig. 2 sind zwei Transistoren T₁ und T₂ dargestellt, die erfindungsgenäe zu einer einzigen Torrichtung mit Klemmen B, E, C einander angeschlossen sind. Mit Ii, ist der Kollektorstrom des Transistors T- und ait I₁ bzw. I~ sind die Ströme an den Klemmen B und C bezeichnet.

Fig. 3 zeigt schematisch ein konstruktives Ausführungsbeispiel der Torrichtung nach Flg. 2. In einem Einkristall D₁ der aus einem p-Halblelter oder aus Isolierstoff besteht, sind zwei gleiche Transistoren durch Dotierungezonen η und ρ gebildet. Diese Zo η eh sind miteinander sowie mit drei äußeren, mit B, E, C bezeichneten Klemmen über die Oberflächenmetallisierung M und/oder über Metalleiter H verbunden.

In Fig. 4 ist die Schaltung nach Pig. 2 durch den zusätzlichen Einbau von zwei Widerständen R-g und R_E abgeändert worden, die

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mit der Basis bzw. dem Emitter dee Transistors T₂ in Reihe liegen.

In Fig. 5 ist ein zusätzlicher Widerstand R« mit dem Kollektor von T₂ in Reihe geschaltet, und in Pig. 6 ist zusätzlich eine Kapazität C« parallel zur Basis von T₂ und zu der mit E bezeichneten Klemme geschaltet.

Es sei nun angenommen, daß der Transistor T nach Fig. 1 in einen Schaltkreis eingesetzt ist. Er wirkt als Schalter, der einen Strom Iq unterbricht bzw. wieder einschaltet.

Damit dieser Transistor den Sättigungseustand einnimmt, muß ihm ein solcher Basissbrom I_B zugeführt werden, daß Xg>I(j / ^hpj;» wo hp_E die Stromverstärkung bei weiten Signalen zur Verbindung mit einem gemeinsamen Emitter bezeichnet.

Wegen der Streuung der Parameterwerte innerhalb scheinbar gleicher Halbleitervorrichtungen und infolge von Schwankungen in der Umgebungetemperatur ist h«. nicht genau bekannt und auch nicht konstant, sondern kann irgendeinen Wert innerhalb eines ziemlich weiten Bereiches, also praktisch zwischen 10 und 300, annehmen·

Da der Ba si as t rom I-g groß genug sein muß, um die Sättigung selbst unter den ungünstigsten Verhältnissen, d.h. bei der

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niedrigsten Betriebstemperatur und bei einem Transistor mit kleinstem h·™ - Wert, sicherzustellen, folgt daraus, daß ein Transistor mit der größten Stromverstärkung h-,_E weit übersteuert ist, besonders bei den höchsten Temperaturen, und daher einen maximalen Wert für die Speicherzeit aufweisen wird, welcher mit dem Überschuß an Basisstrom in direktem Zusammenhang steht.

Die Zweckmäßigkeit einer Regelung des Sättigungsstromes zur Verkürzung der Speicherzeit des Traneistors ist demnach einleuchtend. R.B. Seeds und K.J. Moyle haben (1965) die Anwendung en

einer senkrecht Anordnung pnp-npn vorgeschlagen, die theoretisch die Erzielung der angestrebten Ergebnisse ermöglicht. Aber die Reproduzierbarkeit der Vorrichtung erscheint fragwürdig, nachdem die Ausrichtung und die Dicke der epitaxialen Schicht äußerst kritisch sind; es sind deshalb bisher auch keine praktischen Ausführungen bekannt, die auf diesem Prinzip basieren.

Die Erfindung sieht nun vor, einem Auegangatransistor T₁ (Pig.2) einen Steuer- oder Umgehungs-Traneisotor Tp ▼orzuschalten, der den Zweck erfüllt, einen Teil des verfügbaren Anteiles des Baeisstromes I₁ des Traneistors T₁ abzuleiten. Dieser in der Zeichnung mit Ii bezeichnete Strom stellt den Kollektorstrom des Steuertransietors Tg dar. Bestehen beide Transistoren T₁ und T aus demselben Stück Silizium D (Pig· 3), sind ihre

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Stromverstärkungen h wg. und h-p-po korrelativ.

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Nimmt hyjj-j zu, nimmt h-^ ^und damit auch der Wert des der Basis des Ausgangstransistors T-j entnommenen Stromes ebenfalls zu. '

Das Ergebnis ist die Ausscheidung des uberstenerimgseffektes bei einem hohen hmM ußd daher die Erzielung einer Basiesteuerüng, die über den ganzen Streubereieh der Stromveret&rkuitgewerto h|np und seine temperaturbedingten Schwankungen glelehsäeig bleibt.

Demgemäß ergibt sich im ungünstigsten Fall ein© im ganzes Bereich der Betriebstenperatur erheblich herabgesetzte Speisherzeit.

In der Jig· 4* 5 und 6 sind vollständigere Schaltungen dargestellt, in denen auch Widerstände l^s £g» R^ eingebaut sind eine Kapazität C_B sswisehea der Basis des Steuertransistors T₂ und dem Emitter des Ausgangstransistors T₁ vorhanden ist. Die R- und C-GIieder können entweder in Besug auf den ürlstall D äußere Glieder eelo oder aber solche, die im Kristall ' " . . selbst durch örtliche Dotierung und/oder mit bekannten Yerfahren ausgeführte Metallisierung erzeugt werden.

In der Ausführungsforau nach Pig. 4 weist der Steuertransistor T₂ einen mit dem Basisanschluß in Eeihe geschalteten Widerstand R_{B 30wie e}±_{nen m}it dem Emitterar.schlüS in Reihe ge-

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schalteten Widerstand Rj, auf. Die Anwendung dieser beiden Widerstände begrenzt die Verstärkung des Steuertransistors T₂ durch Sohwäohung der kritischen Betriebseigenschaft des Kreises gegenüber der nach flg. 2, bei dfer das Verhältnis ewisohen den geometlsehen Abmessungen der beiden Transistoren Tj and T₂ kritteek Ut.

Mit anderen !orten heißt dies, daß gegenüber dea vorhergehenden fall, bei dea der eineige durch den Konstrukteur bestimmbare Parameter von der geometrischen Beschaffenheit des Transistors (Verhältnis ϊwieehβη den entepreohenden ubergangaflftehen) bestimmt war, nun iwei weitere freihältagrafe far die Konstruktion der Vorrichtang hinsugetreten sind.

Bei de« Auaftthrtragsbeiapiel naoh flg. 5 ist eine weitere Verallgemeinerung der 8ehaltung erreicht, naohdem ein mit der Verbindung das Steuertransistors in Reihe geschalteter Widerstand Rq eingebaut wurde. Die Wirkung dieses Widerstandes kann für die Einführung eine· "BeechneideTorganges" in die Arbeitsweise des Steuertransietors T₂ von !Uten sein· Wenn nämlich sein Kollektoratrom einen beeti an ten Wert übersteigt, wird er gesättigt und seine Steuerwirkung auf den Ausgangstransistor .T₁ hurt auf.

In der Schaltung nach Hg. 6 kommt noch ein Kondensator C_B dazu, äer zwischen die Basis des Steuertransistors T₂ und den Emitter des Ausgangstransistors T^ eingeschaltet ist. Die

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Kapazität Cg zusammen mit dem Widerstand R~ erzeugt eine Verzögerungswirkung, die dazu bestimmt ist, das Ansprechen des Steuertransietore T« beim Übergang vom Sperrzustand in den stromleitenden Zustand zu verzögern. Um eine rasche Umschaltung eines gesperrten Transistors zu erhalten, wird ihm nämlich anfänglich ein höherer Strom als streng genommen notwendig wäre, zugeführt, woduroh eine Stromabereteuerung zustandekommt. Wäre der Kondensator Cg nicht vorhanden, so würde die Einschaltung ■ des für die Beschleunigung der Umschaltung von T₁ von etromleitenden in den Sperrzustand bestimmten*Steuertransistors zu einer unerwünschten Verzögerung der Umkehrschaltung führen·

Anders ausgedruckt bedeutet dies, daß zwar das Hauptproblem in der Verringerung der Zeitdauer für das Verlassen des leitenden Zustandes liegt, daß es aber auoh wichtig ist, daß die Zeitdauer für das Erreichen des stromleitenden Zustandes nicht größer wird, als wenn kein Steuertranslstor vorhanden wäre.

Der Kondensator C« kann in jede beliebige beschriebene Schaltung eingebaut werden, wobei er jedoch im Falle der Schaltung nach Fig. 2 nicht vorteilhaft ist.

Wenn die erfindungsgemäSe Vorrichtung als Verstärker verwendet wird, hat der Kondensator C^ die Aufgabe, den Durohlaßbereioh des Verstärkers zu vergrößern; er stellt somit ein neoartiges Verfahren zur Erzielung der Verstärkungserhöhung, bei hohen.

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Frequenzen darj dieser Effekt ist unter der Bezeichnung "Spitzenwertbildung" bekannt.

Die Erfindung kann bei allen heute bekannten Arten von Schaltstromkreisen Verwendung finden, die gesättigte bipolare Transistoren sowohl für logische Stromkreise mit Widerständen und Transistoren (RTL) als auch für solche Stromkreise, die Dioden (DTI) oder direkt gekoppelte Transistoren (DCTL) oder nur Transistoren (TTL) verwenden. In allen diesen Fällen läßt eich eine wesentliche Verkürzung der Forirpflanzungsverzögerung erzielen, ohne die Belastbarkeit des Stromkreises zu beeinflussen.

Ein großer Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß es sich bei den oben erwähnten logischen Schaltungen mit den für solche logischen Gruppen verwendeten Verfahren und Techniken vereinbaren läßt. Ea ist keinerlei Änderung in diesem Verfahren notwendig·

Die Erfindung wurde vorstehend an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert, es sind aber Abänderungen und Varianten möglieh, ohne daß dadurch der Schutzbereich verlassen wird. Insbesondere können die Transistoren T₁ und T₂ beide pnp-Transistoren anstatt npn-Tran si stören sein, wie in der Zeichnung dargestellt. . '

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Claims (9)

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1. Halbleitervorrichtung mit gesteuerter Sättigung, dadurch gekennze'iohn e t. daß sie einen ersten Tranaistor oder Aus- ;. gangstransistor (T₁) und_r einen zweiten Transistor oder Steuertransistor (T₂) besitzt, der dazu bestimmt ist, den Eingangsetrom zum ersten Transistor zu beschränken oder allgemein zu steuern, wobei diese beiden Transistoren eine einzige Vorrichtung mit drei Endklemmen (B, E, C) bilden, wobei die Basis des Ausgangstransistors mit der Basis und dem Kollektor des Steuertransistors verbunden ist und die erste En dkl enime (B) der Vorrichtung bildet, die beiden Emitter **»&&en miteinander verbunden sind und so die zweite Endklemme (E) bilden, und der Kollektor dee Ausgangstransietors die dritte Endklemme (C) der ^ eo entatandenen Vorrichtung bildet.

2. Halbleitervorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor ($) und der zweite Transistor (Τ«) so ausgelegt und/oder ausgewählt sind, daß sie" Stromverstärkungen (Η«) aufweisen, die mit der Änderung der TJmgebungsverhaMtniese liad infolge Alterungserecheinungen naeh dem gleichen Gesetz variieren. v; c : 2

3. Halbleitervorrichtung nach Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Widerstand (Rj) zwischen der ersten Endklemme (B) und der Basis des zweiten Transistors (T₂)

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und ein swelter Widerstand (R_£) ewiechen der «weiten Endklemme (E) und dem Emitter des «weiten Transistors (T₂) eingeschaltet iat, wobei die beiden Widerstände die Aufgabe haben, eine übersteige Stromrerstärkung des zweiten Transistors, d.h. des Steuertranelstors (T₂) eu Terhlndern.

4. Halbleitervorrichtung nach Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch eekenneeiob.net, daß ein dritter Widerstand (Rq) ewiechen die •rate Sndkleme (B) und den Kollektor des «weiten Transietora (T₂) eingeschaltet let, der die Steuerwirkung des rweiten Transistors (T₂) aueaohaltet, falle letzterer die Sättigung erreicht«

5. Halb!elterrorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennielchnet, daS eine Kapazität (Cj) »wischen die Baals dea Eweiten Translators (Tg) und die zweite Endklemne (E) eingeschaltet let, die zuaanmen Bit dem ersten Widerstand (Rj₅) ein Verzögerungsglied bildet, daa verhindert, dafi der zweit· Translator (T₂) bein übergang der beiden Tranaistoren (T₁, T₂) tod nichtleitenden in den stromleitenden Zustand den der Basis des ersten Transistors (T₁) τοη außen zugeführten Stroajbegrenzt. '

6. HalbleiterTorrichtung nach Anspruch 1 oder einen der folgenden, dadurch gekenneeichnet, daß sowohl der erste als auch der «weite Transistor auf dem gleichen Element oder Halbleiterkristall

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auegebildet sind, wobei dieselben Verfahrensstufen Yerwendet werden, damit die beiden Transietoren möglichst gleiche Eigenschaften erhalten.

7. Halbleitervorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er erate und der zweite Transistor im wesentlichen gleiche Übergangsflftchen aufweisen.

8. Halbleitervorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, d»ß der erste Transietor wesentlich andere Übergangsflächen aufweist, als der zweite Traneistor, vorzugsweise zehn mal größere.

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daö die Anschlüsse zwischen einer oder mehreren die beiden Traneietoren (T₁, Tg) bildenden Zonen einerseits und einem der genannten Widerstands- bzw. Kapazitätsglieder (R₅, Rjj, R_c, Qg) andererseits, sowie zwischen gleichen Zonen untereinander ganz oder teilweise durch Oberflächenmetallisierung des Halbleiter- oder IsoIiertragelementes hergestellt sind.

10· Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten Kapazitäts- und/ oder Widerstandsglieder nicht die ihnen eigene Gestalt aufweisen, sondern aus Anschlüssen bestehen, die die erforderlichen Kapaziiiäts- und/oder Widerstandseigenschaften besitzen.

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