DE2004090A1

DE2004090A1 - Monolithische Transistorstruktur mit herabgesetztem inversem Verstaerkungsfaktor

Info

Publication number: DE2004090A1
Application number: DE19702004090
Authority: DE
Inventors: Horst-Heinz Dipl-Ing Berger; Dipl-Ing Dr Wiedmann Sieg Kurt
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1970-01-30
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1971-08-05
Also published as: FR2077406A1; GB1334924A; DE2004090B2; FR2077406B1; DE2004090C3; JPS4935024B1

Description

Monolithische Transistorstruktur mit herabgesetztem inversem Verstärkungsfaktor

Ein Transistor mit drei Zonen alternierenden Leitfähigkeitstyps kann bekanntlich in vier verschiedenen Weisen betrieben werden, wobei die Betriebsweise von der jeweiligen Polung der beiden Übergänge abhängt. Da insgesamt zwei Übergänge zu betrachten sind und jeder Übergang in Sperr- oder in Durchlassrichtung gepolt werden kann, ist jeder Transistor in vier verschiedenen Weisen betreibbar. In der normalen Arbeitsweise ist der Emitterübergang in "Durchlassrichtung und der Kollektor übergang in Sperrichtung gepolt. Bei umgekehrter Polung erhält man die eog. inverse Betriebsweise, die sich meist wegen der Unsymmetrie der Tränst stör zonen stark von der normalen Betriebsweise unterscheidet, obwohl bei völlig symmetrischer Transistor struktur bei beiden Betriebsweisen gleiche Verstärkungsfaktoren zu erwarten sind.

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Sind beide Übergänge in Durchlassrichtung gepolt, so spricht man vom Sättigungsbetrieb. Bei der vierten Betriebsweise sind beide Übergänge gesperrt und der Transistor führt bei dieser Polung keinen wesentlichen Strom. Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithische Transistorstruktur, die im inversen Betrieb, bei welchem der Kollektor-Basisübergang Minoritätsladungsträger emittiert, die vom Emitter-Basis übergang gesammelt werden, nur einen geringen Verstärkungsfaktor aufweist. Seit dem Aufkommen der Technik der integrierten Schaltungen erlangten besonders im Zusammenhang mit logischen Schaltungen und integrierten Festkörperspeichern Mehremitterstrukturen, d. h. Transistoren mit mindestens zwei Emittern, eine gewisse Bedeutung. Bei diesen Transistor strukturen ist nun, insbesondere wenn sie in monolithische Schaltungen eingegliedert sind, damit zu rechnen, dass sich zwischen den nicht völlig entkoppelten Zonen der in der Schaltung enthaltenen planaren aktiven Elemente Wechselwirkungen einstellen, welche zu parasitären Effekten führen und die Arbeitsweise der Schaltmig teilweise erheblich beeinträchtigen können.

Bei derartigen monolithischen Schaltungen ist insbesondere die zu Anfang erwähnte inverse Stromverstärkung oft sehr störend, und es wurden in der Halbleitertechnik bereits nach besonderen Massnahmen gesucht, die gestatten, die inverse Verstärkung auf ein vernachlässigbares Mass herabzusetzen. Es hat sich nun gezeigt, dass es grundsätzlich möglich ist, durch prozesstechnische Massnahmen den inversen Stromverstärkungsfaktor zu erniedrigen, jedoch ergeben sich hierbei meist Schwierigkeiten, die sich teilweise bereits aus der Tatsache erklären, dass es u. U. erwünscht sein kann, in bestimmten Teilbereichen einer monolithischen Schaltung über geringe Werte, in anderen Teilbereichen der Schaltung hingegen über höhere Werte des inversen Stromverstärkungsfaktors zu verfügen.

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Eine meist störende inverse Verstärkung tritt z. B. bei Transistor-Struktur en mit mehreren Emittern immer dann auf, wenn mindestens eine der Einzeltransistor strukturen in starker Sättigung betrieben wird»

dies ist aber gerade bei den mit TL benannten logischen Schaltungen der Fall. Diese T L-Schaltungen werden wegen ihres geringen Platzbedarfs besonders in Decodern für monolithische Schaltungen bevorzugt; infolgedessen ist auch hier eine-geringe inverse Stromverstärkung erwünscht. .-·'

Die bereits erwähnte Massnahme zur Beeinflussung der Stromverstärkung einer in eine .monolithische Schaltung eingegliederten Transistorstruktur bedient sich im wesentlichen geeigneter, im Rahmen der monolithischen Prozessführung liegender Massnahmen. Die Freiheit in der Wahl des Prozesses ist jedoch ziemlich gering, weil fast immer eine grösse Anzahl von teilweise, einander entgegenstehenden Faktoren berücksichtigt und Kompromisse, geschlossen werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Herabsetzung des inyersen Stromverstärkungsfaktors von in monolithischen Schaltungen integrierten Transistoren aufzuzeigen, ohne dass hierbei zusätzliche Bedingungen ..für die Prozessführung berücksichtigt werden müssen.

Die genannte Aufgabe wird nach der Lehre der Erfindung durch eine Massnahme schalttechnischer Art gelöst, die allgemein gesprochen darin besteht, dass der Schaltaufwand durch Einfügung eines zusätzlichen Schaltelementes vergrössert wird und diese etwas komplexere und daher über mehr variable Parameter verfügende Schaltungen in geeigneter Weise dimensioniert wird'.

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Die monolithische Transistorstruktur mit herabgesetztem inversem Stromverstärkungsfaktor ist dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Ersatzschaltbild dem Basis-Kollektorübergang eines Haupttransistors mit einer ersten Zonenfolge der Emitter-Basisübergang eines Hilf stransi store mit entgegengesetzter Zonenfolge parallel geschaltet ist, so dass der Basisstrom, der den Haupttransistor invers ansteuert , zum erheblichen Teil über den Emitter-Basisübergang des Hilf stransi store abfliesst.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren hervor. In diesen bedeuten:

Fig. 1 ein aus zwei diskreten Transistoren bestehendes Ersatzsc halt-

bild für die monolithische Transistorstruktur mit herabgesetzem inversem Verstärkungsfaktor nach der Lehre der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine erste Auslegung zur Realisierung des Ersatzschaltbildes

nach Fig. 1 in Planartechnik;

Fig. 3 eine weitere Realisierung des Ersatzschaltbildes von Fig. 1,

bei der die Kollektor zone des Hilfstran si store die Haupttransi stör struktur völlig umschliesst und mit der Isolations zone mindestens teilweise überlappt.

Fig. 1 zeigt ein den Erfindungsgedanken schematisch wiedergebendes Ersatz· schaltbild. Der Haupttransietor T mit der in der Reihenfolge Emitter, Basis und Kollektor (E, B, C) angenommenen Zonenfoige N+PC ist mit dem in gleicher Reihenfolge (E', B', C) eine PNP-Zonenfolge aufweisenden Hilfstransostor T' so zusamm enge schaltet, dass die Basis B

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und der Kollektor C des Haupttransistors mit dem Emitter E'und der Basis B' in der genannten Reihenfolge galvanisch verbunden sind. In dieser den inversen Betrieb darstellenden Anordnung liegen der· Kollektor des Haupttransistors bzw. die Basis des Nebentransistors auf Erdpotential, der Emitter des Haupttransistors auf einem positiven und der Kollektor des Hilf stransi store auf einem geeigneten negativen Hilfspotential. Die Ansteuerung im Inversbetrieb, bei welchem die Ladungsträgeremission von dem Kollektor-Basisübergang besorgt wird, erfolgt Über die Basis des Haupttransistors T mittels des Steuerstromes I_B „,,der im Knotenpunkt K eine Verzweigung in die Komponenten I₁₅ und It-., erfährt. Das den Transistor T wirklich invers ansteuernde Signal 1„ ruft in diesem den von +V einflies senden verstärkten Strom

-i
Ij-. hervor, so dass sich für den inversen Verstärkungsfaktorßi der

Quotiont

i ⁼ ¹C /¹R ^ergibt-

Die aus Haupttransistor T und Hilfstransistor T' bestehende GesamtBchaltung liefert jedoch einen von/i, abweichenden effektiven Stromverstärkiingefaktor.der mitß. ,, bezeichnet sei. Aufgrund des auf den Knotenpunkt K angewendeten Kirchhoff sehen Gesetzes der Stromverzweigüng erhält man folgende Gleichungen:

^lC

¹B eff ¹B₁ ⁺¹E'

oder bei Berücksichtigung von (1)

eff

■-...■ ^:: ■■■■.. Λ : '^: ■ ■

Der im Nenner stehende Quotient I^, /l_, ist stets positiv, daher gilt

■μ Β»

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ß i eff ;<1

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Die Kombination aus T und T' liefert somit stets einen kleineren (effektiven) Stromverstärkungsfaktor β. _ee als dies für den von T

' ι eif

allein gelieferten wirklichen Stromverstärkungsfaktor β der Fall ist.

Die Erfindung beruht zwar auf der vorstehend gezeigten Möglichkeit, den inversen Stromverstärkungsfaktor durch im wesentlichen schaltungstechnische Massnahmen herabzusetzen, aber erst die Kombination von Haupt- und Hilfstransistor in integrierter Schaltungstechnik bzw. die gemeinsame Eingliederung der beiden Transistoren in komplexere [ monolithische Schaltungsanordnungen bietet zusätzliche Vorteile. Diese

^ sind in einer erheblichen Platzersparnis im Vergleich zu herkömmlichen

Schaltungeanordnungen sowie darin zu erblicken, dass zur Realisierung des Hilfstransistor β in integrierten Schaltungen bei der Prozessführung, abgesehen von einem zusätzlichen Fenster in der Diffusionsmaske, kein weiterer Aufwand erforderlich ist, da die zusätzliche Kollektorzone des Hilfstransistors T' im gleichen Diffusionsverfahrens schritt wie die Basis B des Haupttransistors T hergestellt werden kann.

Eine Realisierungsmöglichkeit des Ersatzschaltbildes nach Fig. 1 in Planartechnik oder in horizontaler Geometrie ist aus der Fig. Z ersichtlich. Diese zeigt in Draufsicht zunächst den Haupttransistor T, der tk aus der zentral in die P-leitende Basiszone B eingebetteten Emitterzone

E besteht, die selbst N -leitend ist. Weiterhin besteht der Haupttransiitor T aus dem restlichen peripher en Gebiet, welches N-Leitfähigkeit aufweist, den Kollektor des Haupttransistore darstellt und mit einem N leitendem kontaktierenden Bereich versehen ist.

Da, wie aus den Figuren 1 und 2 zu ersehen ist, die Basiszone und die Kollektorzone des Haupttransistors T mit der Exnitter- und der Basiszone des Hilfstransißtor.s T¹ in der genannten Reihenfolge jeweils identisch Und, benötigt man zur Realisierung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in Planartechnik lediglich noch einen P-leitenden Streifen innerhalb des peripheren Basisbereiches. Dieser Streifen bildet den Kollektor C' des

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Hilfstrar, si store und wird zweckmässigerweise durch ein zusätzliches Fenster in der Diffusionsmaske im gleichen DiffusionsverJahrensschritt erstellt, in dem die P-leitende Basiszone B des Haupttransistors T erzeugt wird, '· '■ . . - ■ _

Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Auslegung der Anordnung nach Fig. 1 in. monolithischer Bauweise dar, bei welcher für den Hilf strati si stör T' höchstens ein geringfügiger, im Grenzfall überhaupt kein räumlicher Mehraufwand erforderlich ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig; 2 dargestellten in topologischer Hinsicht nur darin, dass-der P-leitende den Kollektor \

C' des Transistors T' bildende Streifen verlängert und so ringförmig deformiert wurde, dass er die Struktur des Haupttransitors T rahmenartig umgibt, ' '

Der Haupttransistor T besteht, ähnlich wie in Fig. 2 aus dem zentral gelegenen N -leitenden Emitter E. der in die P-leitende Basiszone B eingebettet ist, die ihrerseits innerhalb der N-leitenden mit dem Kon» taktierungsgebiet des Leitfähigkeit styps N versehenen Kollektor zone

c liegt. .-"■ ■-..,-'-:'..'■.. ■''■■"■■...:■'■ " , .'■■■,■ '"■;

Die aus Transistor und Hilfstransistor bestehende Gesamtstruktur ist \

gegen ihre Umgebung durch ein wannenartiges P -leitendes Gebiet -.isoliert, Durch mehr oder weniger vollständige Überlappung des Kollektor-Streifens C des Hilfstransistors mit der P -leitenden Isolatibnszone lässt es sich erreichen, dass für die Eingliederung des Kollektorstreifens im GTenzfall kein zusätzlicher Platzbedarf besteht.

Auch bei der Herstellung der monolithischen Struktur nach Fig. 3 wird es zweckmässig sein, die Basiszone B des Haupttransistors T und die Kollektorzone C des Hilfstransistors bzw. die Isolationszone I im

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gl.eichen Diffusions verfahrene schritt zu erzeugen.

Schliesslich sei darauf hingewiesen, dass trotz Vorliegens einer Vier schicht Struktur (NPNP) eins Tyrxstorwirkung (SCR-Effekt) beim Gegenstand der Erfindung nicht zu befürchten ist, da der Kollektor des PNP-Hilfstransistors negativ vorgespannt ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Monolithische Transistorstruktur mit herabgesetzem inversem Stromverstärkungsfaktor, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Ersatzschaltbild dem Bäsis-Kollektorübergang eines Haupttransistors (T) mit einer ersten Zonenfolge der Emitter-Basisübergang eines Hilfetransistors (T') mit der umgekehrten Zonenfolge parallel geschaltet ist, wobei die Basis des Haupttransistors mit dem Emitter des Hilfstransistors galvanisch verbunden ist, derart, dass der den Haupttransistor ansteuernde Basisstrom I_ . sowohl über den "Basis-Kollektorübergang des Haupttransistors als auch über den Emitter-Basisübergang des Hilf stransistor s fliesst.
2. Monolithische T ransistor struktur in Planartechnik (Horizontalgeometrie) mit N PN-Zonenfolge des Haupttransistors und mit PNP-Zonenfeldfolge des Hilfstransistors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kollektor C des Hilf stransistor s ein P-ieitender Streifen in der Nähe der N PN-Haupttransi stör struktur innerhalb des N-Koilektorgebietes des Haupttransiator eindiffundiert ist, wobei zusammen mit dem aus dem N -leitenden Emitter (E) der Prleitenden Basis (B) und dem N-leitenden Kollektor (C) des Haupttransistors (T) gleichzeitig der Hilf stransistor (T') mit dem P-leitenden Emitter (E'), der N-leitenden Basis (B') und dem P-leitenden Kollektor (C ) verfügbar ist, derart, dass die Basis (B) und der Kollektor (C) des Haupttransistors (T) mit dem Emitter (E' ) und der Basis (B') des Hilfstransistors (T') in der genannten Reihenfolge identisch sind. · - ,,
3. Monolithische T ransistor struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die P-leitende Kollektorzone (C') des Hilfstransistors

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(T' ) bildende Streifen ringförmig erweitert und so innerhalb des N-leitenden Kollektorgebietes des Haupttransistore (T) eindiffundiert ist, dass er die Emitter- und Basiszone (E, B) des Haupttransistors (T) rahmenartig umgibt.
4. Monolithische Transistor struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die P-leitende ringförmige Kollektorzone (C' ) des Hilfstransistors (T') mit einem Kontaktierungsgebiet zum Anschluss an eine negative Hilfsspannung versehen ist.
5. Monolithische Transistor struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die P-leitende, ringförmige Kollektorzone (C' ) des Hilfstransistors (T') so innerhalb der N-leitenden Kollektorzone (C) des Haupttransistor8 (T) angeordnet ist, dass sie über eine galvanische Verbindung mit dem N -leitenden Kontaktierungsgebiet der Haupttransistorkollektor zone (C) deren negatives Potential erhält.
6. Monolithische in eine P -Isolationsdiffusion eingeschlossene Transistorstruktur nach Anspruch 1 mit N PN-Zonenfolge des Haupttransistors und mit PNP-Zonenfolge des Hilfstransistors, dadurch gekennzeichnet, dass die P-leitende Kollektorzone (C' ) des Hilfstransistors (T' ) den Haupttransistor (T) völlig umschliesst und mit der P -leitenden Isolationszone (I) mindestens teilweise überlappt, derart, dass die Basis (B) und der Kollektor (C) des Haupttransietors (T) mit dem Emitter (E' ) und der Basis (B' ) des Hilfstraneistors (T') in der genannten Reihenfolge identisch sind und der Kollektor (C' ) das negativste Potential der Schaltung erhält.
7. Monolithische Transistor struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abstand zwischen Isolationszone (I) und Basiszone (B) der gleiche Wen wie für eine einzelne Transistorstruktur

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(Haupttransistor ohne Hilfstransistor) gewählt ist, derart, dass für

die Kollektor zone (C* ) des Hilf str an si stör s (T'); kein zusätzlicher :

Platz erforderlich ist. ■"..·-...
8. Monolithische Transistor strukturen nach den Ansprüchen 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die P-leitende Kollektorzoiie (C') des Hilfstransistors (T' ) und die P-leitendeBasi&zöne des Haupttransistors (T) bzw. die P ^leitende Isolierdiffu.sionszone im gleichen Diffusionsverfalirensschritt hergestellt sind. >

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