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Verfahren zur Vermeidung bzw. Herabsetzung von speichereffektartigen
parasitären Effekten zwischen mindestens zwei der gleichen integrierten Schaltung
zugehörigen Transistoren Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung
bzw. EIerabsetzung von speichereffektartigen parasitären Effekten zwischen mindestens
zwei der gleichen integrierten Schaltung zugehörigen Transistoren mit gemeinsamer
Kollektorzone. Zur Realisierung von Standardschaltungen in integrierter Bauweise,
mit welchen sich wahlweise verschiedene Anwendungsmöglichkeiten verwirklichen lassen
sollen, beispielsweise für digitale logische Schaltungen, ist es üblich, die Zahl
der Transistoren, an die ein Eingangssignal gelegt werden soll, so gross zu machen,
wie es demjenigen Anwendungsfall entspricht, der die höchste Zahl der Eingänge benötigt.
Ebeispielsweise besitzt eine logische Schaltung nach derr. Stromübernahmeprinzip
je einen Transistor für jedes Eingangssignal. Je nach der gewünschten
Art
der Anwendung kann es crforderlich sein, allt Eingangstransistoren oder nur einen
Teil hiervon in die Schaltung einzubeziehen. Im Extremfall wird nur ein Transistor
ausgenutzt.
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Die nicht benutzten Transistoren verbleiben dann elektrisch in Verbindung
init den aktiven Komponenten da sie wegen der monolithischen Struktur mindestens
eine gemeinsame Zone besitzen.
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Nian stellte nun fest, daß in den Fällen, in denen ein oder mehrere
Eingänge derartiger Schaltungen ohne Anschluss bleiben und daher ein elektrisch
gleitendes Potential aufweisen, sich wesentlich schlechtere Sättigungscharakteristiken
einstellen, als es der Fall ist, wenn ;ile Eingänge mit einem Signal beaufschlagt
werden.
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Wird der Transistor in Sättigung betrieben, so ist bekanntlich der
Basis-Kollektor-Ubergang in Flußrichtung vorgespannt und der genannte Übergang injiziert
Minoritätsladungsträger. Bevor nun ein derartiger Transistor in die Schaltstellung
"AUS" gebracht wird, müssen diese Ladungsträger aus dem Transistor entfernt werden.
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Da hierfür eine gewisse Zeit benötigt wird, ergibt sich eine geringere
Arbeitsgeschwindigkeit, wenn mindestens ein Transistor im Sättigungsbereich betrieben
wird. In einer integrierten Schaltung, bei der mindestens zwei Transistoren eine
gemeinsame Kollektorzone besitzen, neigen die Ladungsträger, welche in die Kollektorzone
eines aktiven, d. h. eines in Rahmen der Schalung ausgenutzten Transistors injiziert
werden» dazu, in die Basiszone eines benachbarten Trarsistors
einzutreten,
sofern dieser nicht in die Schaltung einbezogen und dessen Basiszone ohne Anschluss
geblieben ist. In einer integrierte Struktur besitzen unter der genannten Voraussetzung
die Transistoren eine sehr viel schlechtere Sättigungscharakteristik. Dieser Effekt
wird für de1l speziellen iii den Figuren 1 , 2 und 3 gezeigten Fall auch PNP-Effekt
genannt, weil die P-leitende Basiszone des aktiven Transistors, die N-leitende gemeinsame
Kollektorzone und die P-leitende Basiszone des in der Schaltung nicht ausgenützten
Transistors zusammen die Arbeitsweise eines PNP-Transistors aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, das geeignet ist, die Sättigungscharakteristik unbenutzter Transistoren
inncrllnl, einer integrierten Schaltung zu verbessern.
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Das die genannte Aufgabe lösende Verfahren zielt darauf ab, den die
Sättigungs charakteristik verschlechternden Parasitäreffekt zu vermeiden oder wenigstens
stark herabzusetzen und ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden zu entkoppelnden
Transistoren 13, 14 innerhalb der beiden Transistoren gemeinsamen Kollektorzone
eine Trennzone mit einem der Kollektorzone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp eingebaut
wird.
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Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die eingebaute
Trennzone auf ein Potential gelegt, das geeignet ist,
eine unerwünschte
Kopplung der Transistoren bewirkenden Ladungsträger zu unterbinden.
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Ausserdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, nicht nur im Zwischengebiet
zwischen den zu entkoppelnden Transistoren sondern auch an anderen Stellen der gemeinsamen
Kollektorzone Trennzonen vorzusehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung
einer integrierten Struktur nach der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 eine Draufsicht
auf die integrierte Realisierung der schematischen Schaltung nach Fig. 1; Fig. 3
eine Schnittzeichnung der integrierten Schaltungsrealisierung des in Fig. 1 gezeigten
schematischen Schaltbildes; Fig. 4 eine etwas modifizierte Anordnung der Trennzonen
nach der Lehre der vorliegenden Erfindung.
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Im Schaltbild von Fig, 1 sind die NPN-Transistoren 12, 13 und 14 in
konventioneller Weise in Verbindung mit den Widerständen 17 und 22 dargestellt,
wobei sich eine für logische Schaltzwecke gebräeuchliche nach dem Stromübernahmeprinzip
arbeitende Digitalschaltung ergibt.
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Der PNP-Transistor 23 gehört dahingegen der logischen Schaltung nicht
an, er versinnbildlicht schematisch einen der integrierten Schaltungsstruktur eigene
parasitären Effekt auf den später noch zurückgekommen wird. Die Emitterzonen der
Transistoren sind über die Leitung 24 mit dem gemeinsamen Emitterwiderstand 17 verbunden,
so daß diese Emitter auf gleicher Spannung liegen. Widerstand 17 und die Spannungsquelle
bilden eine Stromquelle, deren Strom auf die Transistoren 12, 13 und 14 aufgeteilt
wird, wobei die quantitative Stromaufteilung von dem jeweiligen Potential abhängt,
welches an der Basiselektrode eines jeglichen Transistors anliegt. Ein Widerstand
18 liegt zwischen der Basis des Transistors 12 und einem geerdeten Bezugspotential.
Die leitenden Verbindungen 25 und 26 verbinden über die Widerstände 19 und 20 die
Basiszonen der Transistoren 13 und 14 mit den Eingangsklemmen 27 und 28. Die Kollektorklemmen
der Transistoren 13 und 14 sind durch eine Leitung 30 miteinander verbunan dem positiven
Potential V an. den und liegen über dem Widerstand 21. Bei einer Inbetriebnahme
wird eine Spannung, welche logische Signale in binärer Weise repräsentiert an die
Eingangsklemmen 27 gelegt, während die Eingangsklemme 28 ohne Verbindung gelassen
wird, wobei an dieser Stelle sich ein gleitencies Potential einstellen wird. Wie
bekannt, wird eine genügend positive
Spannung an der Eingangsklemme
27 den Transistor 13 in den leitenden Zustand versetzen, während der Transistor
12 ein hierzu inverses Signal hervorbringt, wobei am Ausgang der Schaltung ein niedriges
Spannungsniveau erscheint. Ist die Spannung an der Eingangsklemme 27 genügend negativ
im Vergleich zum Bezugspotential, so wird der Transistor 13 gesperrt und der Transistor
12 in Durchlass geschaltet, In diesem Zustand liefert die Schaltung ein inverses
Ausgangssignal, welches in diesem Fall ein hohes Spannungsniveau aufweist.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Realisierung des Schaltschemas von Fig.
1, als integrierte Schaltung. Ein Teil der Schaltkomponenten sind auch hier in der
gleichen schematischen Form gezeigt, wie dies in Fig. 1 der Fall ist. Die Auslegung
als integrierte Schaltung umschliesst das Substrat, das aus P-leitendem Silicium
35 besteht und welches als am meisten ausdehnender Bereich Zonen der anderen Komponenten
in sich aufnimmt, was in der Fig. 2 gezeigt ist. Die beiden Transistoren 13 und
14 in Fig. 2 und 3 sind von den anderen Komponenten der integrierten Schaltung in
bekannter Weise durch ein isolierendes Gebiet 36 getrennt, welches aus P+-leitendem
Material besteht und welches mit einem Potential -V verbunden ist. Ein Teil des
N -leitenden Materials 37 ist so angebracht, daß es einen Subkollektor bildet. Ein
Gebiet aus N-leitendem Material 39 bildet die gemeinsame Kollektorzone für die beiden
Transistoren. P-leitende
Gebiete 41, 42 und eine N + -leitende Zone
43 und 44 bilden Basis und Emitterzonen der Transistoren. Wie aus Fig. 2 weiter
hervorgeht, sind leitende Streifen 24, 25, 26 und 30 auf das Ilalbleiterplättchen
zum Zwecke der Kontaktierung der Transistorelektroden aufgebracht.
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In Fig. 2 sind die konzentrisch angeordneten Rechtecke, die im Uereich
der streifenförmigen Zuleitungen liegen, in bekannter Weise durch Kompression erstellte
Bereiche, welche bestimmtc Zonen der integrierten Sclialtungsanordnung kontaktieren.
Nach der Lehre der Erfindung ist eine Zone 45 aus P-leitendem Material zwischen
der Basiszone der beiden Transistoren 43 und 44 angebracht, welche mittels einer
elektrischen Zuleitung auf einem Potential -V gehalten werden kann.
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Vorzugsweise wird diese elektrische Verbindung entsprechend der Fig.
2 dadurch realisiert, daß dem Gebiet 45 eine Gestalt gegeben wird, die sich in das
isolierende Gebiet 36 erstreckt, das seinerseits mit dem Potential -V leitend verbunden
ist. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise dieser P-leitenden Trennzone, die
auf eine Verbesserung der Arbeitsweise der Schaltung abzielt, sei zunächst etwas
detaillierter das Problem der Ladungsspeicherung erörtert. In dem beschrieben Bespiel
ist die Eingangsklemme des Transistors 14 ohne äusseren Anschluss und besitzt daher
ein gleitendes Potential, während der Transistor 13 Eingangssignale über die Klemme
27 empfängt. Wird (hs Potential der Basis 41 des Transistors 13 positiver
gemacht
als dies für das Potential des Kollektors 39 der Fall ist, so werden Defektelektronen
von der Basiszone 41 in die Kollektorzone 39 injiziert. In der integrierten Realisierung
der Schaltung, in welcher zunächst keine zwischengeschaltete Zone 45 angenommen
sei, werden diese Defektelektronen somit zur Basis zone 42 des Transistors 14 gelangen.
Wird der Transistor 13 auf Durchgang geschaltet, so neigen die gespeicherten Defektelektronen
dazu, den Transistor im leitenden Zustand zu halten, und hierdurch wird die Sättigungscharakteristik
der Vorrichtung verschlechtert.
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Der Transistor 23 in Fig. 1 dient dazu, diesen parasitären Effekt
zu erläutern. Die Emitterzone dieses Transistors repräsentiert die P-leitende Basiszone
41 des Transistors 13. Die Basiszone entspricht der gemeinsamen Kollektorzone 39
und die Kollektorzone entspricht der Basiszone 42 des Transistors 14. Ist der Transistor
14 in Sättigung, so ist der Basis-Emitterübergang des Transistors 23 in Durchlassrichtung
vorgespannt und der Transistor ist leitend. Wie aus dem sozusagen als Ersatzbild
eingezeichneten Transistor 23 ersichtlich ist, neigt die integrierte Schaltanordnung
ohne eingebaute Trennzone 45 dazu, eine hohe Zahl von Ladungsträgern zur Basiszone
42 des Transistors 14 gelangen zu lassen. In den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Vorrichtungen
diffundieren Defektelektronen nach Injektion aus der P-Zone 41 in die Kollektorzone
39 über den in Durchlassrichtung vorgespannten uebergang zwischen den Zonen 39 und
45.
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Die Trennzone 45 und die Isolierzone 36 stellen eine relativ widerstandsarme
Ableitung zum Potential -V dar. Infolgedessen werden die den parasitären Effekt
verursachenden Ladungsträger aufgrund der entsprechend der Fig. 2 und 3 angeordneten
Trennzone 45 weitgehend aus der integrierten Schaltungsstruktur entfernt. Diese
Arbeitsweise kann auch beschrieben werden, indem man die Änderungen zugrunde legt,
denen der sozusagen als Ersatzbild eingezeichnete Transistor 23 der Fig. 1 infolge
der Einfügung der Trennzone 45 erlitten hat. Die P-leitende Trennzone 45 kann nunmehr
als Kollektorzone dieses Ers atzbildtransistors aufgefasst werden, welche leitend
verbunden ist mit dem Punkt -V und nicht wie früher mit der Basis -zone des Transistors
14. So werden infolge der abgeänderten Gesamtstruktur die Defektelektronen von dieser
Kollektorzone von dem Transistor 14 ferngehalten.
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Wegen der Symmetrie der vorstehend besprochenen Halbleiterstruktur
lassen sich natürlich bei der Betrachtung der Wirkungsweise die Rollen der Transistoren
13 und 14 vertauschen. Wie aus der Fig. 4 hervorgeht, die ein weiteres, etwas abgeändertes
Ausführungsbeispiel darstellt, ist die eingebaute P-leitende Trennzone 45 zwischen
beiden zu entkoppelnden aktiven Komponenten wie in Fig. 2 angeordnet, darüber hinaus
liegen weitere ähnliche Trennzonen zwischen den zu entkoppelnden Komponenten und
der Isolierzone 36. Die Trennzonen 45 werden so schmal wie möglich ausgeführt.