DE2027127A1 - Integrierte, einzeln schaltbare Strom quellen - Google Patents

Description

IBM DoUinchkinti Internationale Büro-Muschiiien GctrfUcJiaft mbH 2027127

Böblingen, 21. Mai 197O gg-hl

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 969 045; GE 869 139

Integrierte, einzeln schaltbare Stromquellen

Die Erfindung betrifft integrierte, einzeln schaltbare Stromquellen, bestehend aus zugeordneten, eine gemeinsame Basiszone aufweisenden und lateral aufgebauten Transistoren, die über an eine gemeinsame Emitterstromquelle angeschlossene Emitteranschlüsse und einen gemeinsamen Basisanschluß betrieben werden.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für derartige schaltbare Stromquellen ist die Realisierung logischer Verknüpfungen, insbesondere in der Rechenmaschinentechnik. Die Realisierung logischer Verknüpfungen erfolgt derzeit in bekannter Weise mittels sogenannter Schaltungsfamilien. Diese lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Die eine Gruppe ist in Unipolar- und die andere in Bipolartechnologie ausgeführt, was der Verwendung von unipolaren Feldeffekt-Transistoren bzw. bipolaren Transistoren entspricht. Die bekanntesten Schaltungsfamilien sind die Widerstand-Transistor-Logik (RTL), die Diode_;-Transistor-Logik (DTL), die Emittergekoppelte-Logik (ECL), die Transistor-Transistor-Logik (TTL) und eine große Anzahl von im wesentlichen auf diesen genannten Grundkonzepten aufbauenden Modifikationen.

Beim Aufbau derartiger Schaltungen geht ein wesentliches Bestreben dahin, die erreichbare Packungsdichte zu vergrößern. Derzeit lassen sich die größten Packungsdichten mit bipolaren monolithisch integrierten Transistor-Transistor- und emittergekoppelten Logikschaltungen erzielen, da sich die

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in Unipolartechnologie ausgeführten Schaltungen infolge der dort auftretenden PegelWate nicht ohne weiteres mit den in Bipolartechnologie ausgeführten Schaltungen vereinen lassen, die als Treiberschaltungen noch zusätzlich gebraucht werden.

Die Gründe, die für eine hohe Packungsdichte sprechen, liegen, von der damit verbundenen Verringerung des Platzbedarfes abgesehen, insbesondere auch in einer angestrebten Kostenersparnis, in einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Schaltungen und in einer Erhöhung der Ausbeute beim Herstellungsverfahren.

Auch bei den hinsichtlich der Packungsdichte vorteilhaften Transistor-Transistor-Logikschaltungen, die hauptsächlich aus Transistoren aufgebaut sind, war man bisher gezwungen, große Ilalbleiterflächenbereiche für die notwendige Isolation der auf einem Halbleiterplättchen untergebrachten Teilschaltungen gegeneinander vorzusehen. Die Isolation wird meist d«rch eine zusätzliche, die die Halbleiterelemente aufnehmende Halbleiters chicht bis zum Halbleitersubstrat durchdringende Diffusion erreicht. Dabei treten laterale Ausdiffusionen auf, die etwa die Größenordnung der vertikalen Diffusionstiefe aufweisen. Neben der eigentlichen Diffusionsbreite für diese Isolationsdiffusionen liefern die durch den zusätzlichen Maskierungsschritt bedingten Toleranzprobleme im Hinblick auf die erreichbare Packungsdichte ' störende Paktoren.

Im Zusammenhang mit der monolithischen Auslegung von bipolaren Schaltungen ist es bereits bekannt, in Verbesserung der üblichen iopologisehen Schaltungsauslegung, wonach für jedes Schaltungselement eine besondere Isolationswanne vorgesehen ist, mehrere Schaltungskomponenten innerhalb einer einzigen Isolationswanne zusammenzufassen. Es werden dabei vorzugsweise gleichartige und auf demselben Potential liegende Halbleiteraonen gemeinsam ausgebildet.

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Ein bekannter Grundbaustein besteht aus einzeln schaltbaren, emitter gekoppelten Transistor stufen. Im gemeinsamen Emitterkreis liegt eine Konstantstromquelle. Über an die Basen der Transistoren angelegte Steuersignale lassen sich die Kollektorströme nach dem Stromübernahmeprinzip schalten. Eine in üblicher Weise in monolithischer integrierter Technik verwirklichte Schaltung dieser Art besteht dann aus einem Halbleitersubstrat mit einer darauf aufgewachsenen Epitaxieschicht entgegengesetzten Leitungstyps, In diese Epitaxieschicht sind für jeden Transistor lateral jeweils eine Emitter- und eine Kollektorzone eindiffundiert. Der jeweils zwischen diesen Zonen liegende Bereich der Epitaxieschicht bildet die zugeordnete Basiszone. Da nicht nur die Emitterzonen sondern über die Epitaxieschicht auch die Basiszonen der Transistoren verbunden sind, müssen die einzelnen Transistoren jeweils durch eine zusätzliche, bis in das Substrat reichende Isolationsdiffusion elektrisch voneinander isoliert werden, wenn sie getrennt steuerbar sein sollen. Nachteilig ist dabei der zusätzliche Verfahrensschritt und die damit verbundene Verringerung der erreichbaren Packungsdichte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen integrierten Schaltungsaufbau

den

für die geschilderten emittergekoppelten, als Stromquellen dienen Transistorstufen anzugeben, der eine möglichst große Packungsdichte bei vereinfachtem Herstellungsprozeß gewährleistet, wobei die Eigenschaft der getrennten Schaltbarkeit der einzelnen Stufen erhalten bleibt. Insbesondere sollen Isolationsdiffusionen vermieden werden. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen Emitter- und Kollektorzone jedes Transistors eine zusätzliche, zur Basiszone entgegengesetzt dotierte Zone lateral angeordnet ist und daß diese zusätzliche Zone an ein Steuerpotential anlegbar ist, das den jeweils von der Emitterzone gelieferten Strom entweder über die Kollektorzone oder über die zusätzliche Zone zieht. Die zusätzliche Zone hat nur geringen zusätzlichen Platzbedarf und erfordert keinen zusätzlichen Verfahrens schritt, da sie sich gleichzeitig mit der Emitter- bzw ^ Kollektordiffusion herstellen läßt. ,

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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß die zusätzliche Zone über einen Schalter mit geeignetem .Steuerpotential verbunden ist, daß die Emitterzone von der zusätzlichen Zone und diese von der Kollektorzone umschlossen ist und daß die Kollektorzone die zusätzliche Zone bis auf einen geringen Spalt umschließt und daß in diesem Spalt die Emitterzone angeordnet ist,

Stromquellen bestehend aus einzelnen Zweikollektor-Transistoren entstehen dadurch, daß sich mit ihren Spalten gegenüberliegend zwei entsprechende Kollektorzonen symmetrisch zueinander angeordnet sind und daß sich die gemeinsame Emitterzone in beide Spalten hinein erstreckt.

Eine für bestimmte Anwendungen vorteilhafte Weiterbildung dieser Stromquellen besteht darin, daß mehrere entsprechende, symmetrisch zu einer gemeinsamen Emitterzone angeordnete, einen Mehrfachkollektor-Transistor bildende Kollektorzonen vorgesehen sind.

Um Rückwirkungen über die gemeinsamen Emitter klein zu halten, bestehen vorteilhafte Ausführungsbeispiele darin, daß die aus der Zonenfolge, Emitterzone, Basiszone und zusätzliche Zone gebildeteten Transistoren nur eine kleine inverse Stromverstärkung aufweisen. Insbesondere ist zu diesem Zweck vorgesehen, daß die Emitterzone von einer entgegengesetzt und hoch dotierten Zone umgeben ist, die jeweils zur zusätzlichen Zone hin unterbrochen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. la in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine

erfindungsgemäße Anordnung von beispielsweise drei Stromquellen,

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Fig." Ib dieselbe* Anordnung in Draufsicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsge

mäßen Ausführungsbeispiels mit zwei Stromquellen und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Ausführungsbeispieles in Draufsicht mit vier, paarweise zusammengefaßten Stromquellen.

Die in Fig. la im Querschnitt und in Fig. Ib in Draufsicht dargestellte integrierte Halbleiteranordnung beinhaltet drei einzeln schaltbare erfindungsgemäße Stromquellen. Jede Stromquelle besteht im wesentlichen aus einer lateralen Transistorstruktur.

In einem beispielsweise η-leitenden Halbleitersubstrat 1 sind drei p-leitende Emitterzonen Rl, E2 und E3 eindiffundiert. Jede dieser Emitterzonen ist rahmenförmig von einer eindiffundierten, prleitenden Kollektorzone Cl₁ C2 bzw. C3 umgeben. Die Basiszone ist für alle drei Transistorstrukturen gemeinsam und besteht aus dem Halbleitersubstrat. Die Kontaktierung der Basiszone erfolgt, über eine einduffundierte n*"-leitende Zone B.

Ein wesentliches Merkmal der Anordnung besteht nun darin, daß jeweils in die Basiszone zwischen der rahmenförmigen Kollektorzone und der Emitterzone eine zusätzliche, ebenfalls rahmenförmige Zone -Cl' , C2' bzw. O3' des gleichen Leitungstyps wie die Kollektor- bzw. Emitterzone eindiffundiert ift. Die Emitterzonen El₁ E2ur£lE3 sind über eine gemeinsame Leitung 2 and eine den Strom Ie liefernde Emitterstromquelle angeschlossen. Die "Kollektoren Cl, C2 und C3 sind über Leitungen 3, 4 und 5 mit den zugeordne- b-n, nicht durgestellten Verbrauchern verbunden, die mit den zugeordneten Kollokturi-trömen Id, Ic2 und IcT beaufschlagt werden.

Dw. zuöat'iUchim Zonen Cl', C2' und ("J* sind über Leitungen Ί, B und 9 und zugeordnete Schalter Si, JKi tud S"! mit «i^gni ßQ«JiUHiten I'otential ver-

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bunden, beispielsweise mit Massepotential. Auch die gemeinsame Basiszone i ist übe ν eine Leitung 6 an geeignetes Potential, im betrachteten Ausführtmgrf-Leispiel ebenfalls an lUassepofcential, gelegt.

Die Potentialverhältriisse sind so gewählt, daß sich bei geöffneten Schaltern Sl, S2 und S3 der augeführte Emitterstrom Ie gleichmäßig auf die einzelnen Emitter El, E2 und 103 verteilt und daß in den zugeordneten Kollektorkreisen die Kollektorströme IcI, Ic2 und Ic3 fließen. Bei identischer Ausführung der einzelnen Transistorstrukturen sind diese Ströme etwa gleich groß. Durch Schließen der Schalter Sl, S2 und S3 können die zusätzlichen Zonen Cl', C2' und C3' an ein Potential gelegt werden,, so daß die Kollektorströme IcI, Ic2 und IcU nicht mehr über die Leitungen 3, 4 und 5 zu den Verbrauchern geleitet, sondern über die zusätzlichen Zonen Cl',. C2^S und C3', die zugeordneten Leitungen 7, 8 und 9 und die Schalter Sl, S2 und S3 abgeleitet werden. Mit Hilfe der Schalter können somit einzelne oder sämtliche Verbraucher beliebig mit Kollekforstroin versorgt werden oder nicht. Bei geöffnetem Schalter fließt im zugeordneten Verbraucher Koliektorstrom und bei geschlossenem .Schalter wird dieser Kollektorstrom über die zugeordnete zusätzliche Zone vom Verbraucher abgeschaltet.

Das in Fig. 2 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel besteht wiederum aus einem η-leitenden Substrat 20, das die gemeinsame Basiszone bildet.

Die Kollektoren Cl und G2 der beiden Tränsistorsfcrukturen bestehen aus p-leiti'iulen, rahmenförmigen Gebieten, die an einer Seite unterbrochen sind, also einen Spalt aufweisen. Die Emitterzonen El und K2 sind im Bereich dieser Spalten eindiffundiert. Die zusätzlichen p-leitenden Zonen Cl* und C2' liegen in der Basiszone innerhalb der rahmenföinnigen Kollektorzonen Cl und Cd. Diese Anordnung bezweckt eine kleine inverse Stromverstärkung der Transistorsätrukturen Ei, B, Cl' bzw. E2, B, C2' . Außerdem ist im AuHfUIu-UiIgSbOLSi)Lc;'! der Fig 2 um die Emitterzonen El und E2 je-

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wells eine nach der zusätzlichen Zone Cl' und C2* hin offene, entgegengesetzt zur Emitterzone und hoch dotierte klarmnerförmige Zone Bl bzw. B2 eindiffundiert. Durch diese Zone wird das Übertreten injizierter Löcher direkt zur Kollektorzone Cl bzw. C2 verhindert, da die Injektion dort stark vermindert und zur Emitterzone El bzw. E2 gelenkt wird und da die Lebensdauer der wenigen noch in der hochdotierten Zone Bl bzw. B2 injizierten Löcher sehr klein ist.

Die Emitter El und E2 sind wiederum über eine gemeinsame, den Emitterstrom Ie führende Leitung 21 an eine nicht dargestellte Emitterstromquelle ^ angeschlossen. Die Kollektorzonen Cl und C2 sind über Leitungen 23 und 25 mit den nicht dargestellten Verbrauchern verbunden« Die zusätzlichen Zonen Cl' und C2* liegen über Leitungen 22 und 24 und zugeordnete Schalter Sl und S2 an Massepotential. Die gemeinsame Basiszone 20 ist über eine hochdotierte Zone B kontaktiert und über eine Leitung 26 ebenfalls an Massepotential gelegt. Durch Schließen oder Öffnen der Schalter Sl und S2 fließen die Kollektorströme IcI und Ic2 entweder zum Verbraucher oder werden über die Schalter abgeführt.

Eine Weiterbildung des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels ist der Fig. 3 zu entnehmen. Die beiden Transistorstrukturen sind hierbei als ^

Mehrfach-Kollektor-Transistoren ausgeführt. In ein wiederum als gemeinsame Basiszone 30 dienendes Halbleitersubstrat sind zwei Emitterzonen El und E2 eindiffundiert. Lateral zu jeder dieser Emitterzonen 6ind in symmetrischer Anordnung zwei, die Emitterzone klammerähnlich umfassende Kollektorzonen CIl und C12 bzw. C21 und C22 angeordnet. In der Basiszone innerhalb der Kollektorzonen sind die zusätzlichen Zonen ClI' und Cl 2' bzw. C21' und C22\ eindiffundiert. Zur Vermeidung von Rückwirkungen über die Emitter sind diese wiederum zu den Kollektoren CH und Cl 2 bzw. C21 und C22 hin von hochdotierten Gebieten Bl und B2 gleichen Leitfähig- . keitstyps wie die Basiszone umgeben. Die Emitterstromzufuhr erfolgt über die gemeinsame Leitung 31. Die Kollektorströme IcIl, Icl2, Ic21 und

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und Ic22 fließen über die Leitungen 32, 35, 36 und 39. Das Schalten der Kollektorströme erfolgt wiederum über Schalter SIl, S12, S21 und S22_S die über Leitungen 33, 34„ 37 und 38 mit den zusätzlichen Zonen CH', C12', C21' und C22' verbunden sind. Die Basiszone 30 ist über ein hochdotiertes Gebiet B kontaktiert und über Leitung 40 an ein geeignetes Potential gelegt«

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ί\). Integrierte, einzeln schaltbare Stromquellen, bestehend aus zugeordneten, eine gemeinsame Basiszone aufweisenden und lateral aufgebauten Transistoren, die über an eine gemeinsame Emitterstromquelle angeschlossene Emitteranschlüsse und einen gemeinsamen Basisanschluß betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Emitter- und Kollektorzone jedes Transistors eine zusätzliche, zur Basiszone entgegengesetzt dotierte Zone lateral angeordnet ist und daß diese zusätzliche Zone an ein Steuerpotential anlegbar ist, das den jeweils von der Emitterzone gelieferten Strom entweder über die Kollektorzone oder über die zusätzliche Zone zieht.

   2. Stromquellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Zone über einen Schalter, mit geeignetem Steuerpotential verbunden ist.

   3. Stromquellen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone von der zusätzlichen Zone und diese von der Kollektorzone umschlossen ist.

   4. Stromquellen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone die zusätzliche Zone bis auf einen geringen Spalt umschließt und daß in diesem Spalt die Emitterzone angeordnet ist.

   5. Stromquellen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit ihren Spalten gegenüberliegend zwei entsprechende Kollektorzonen symmetrisch zueinander angeordnet sind und daß sich die gemeinsame Emitterzone in beide Spalten hinein erstreckt.

   ■6. Stromquellen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere entsprechende, symmetrisch zu einer gemeinsamen Emitterzone ange-

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   ordnete, einen Mehrfachkollektor-Transistor bildende Kollektorzonen vorgesehen sind.

   7. StromcpeHeji nach den Ansprüchen 1 bis 6_a dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Zonenfolge, Emitterzone, Basiszone und zusätzliche Zone gebildeten Transistoren nur eine kleine inverse Stromverstärkung aufweisen.

   8. Stromquellen nach Anspruch .7, dadurch gekennzeichnete daß die

   Emitterzone von einer entgegengesetzt and hoch dotierten* Zone umgeben ist, die jeweils zur zusätzlichen Zone hin. unterbreche» ist.

   8 &0 / 1 S Z 4

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