DE2118213A1 - Monolithic integrated circuit - Google Patents
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Description
Monolithisch integrierte Schaltung Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltung mit einer als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstruktureiner Reihe von weiteren als Konstant stromquellen verwendeten Planartransistorelementen, deren Emitter- und Basiszonen parallelgeschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement zusammen mit einem Stellwiderstand als Referenzspannungsquelle der übrigen Planartransistorelemente und der planartransistorstruktur dient, die in der Epitaxschicht des einen Leitfähigkeitstyps auf einem Grundkörper des anderen Leitfähigkeit styps angeordnet und von einer die Epitaxschicht durchdringenden Isolierzone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers umgeben ist und beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann. Eine derartige Schaltung, welche in der Fachwelt auch als ~Strombank" bezeichnet wird, war bereits aus der DT-OS 1911934 bekannt.Monolithic Integrated Circuit The invention relates to a monolithic integrated circuit with a planar transistor structure used as a constant current source Series of other planar transistor elements used as constant current sources, whose emitter and base zones are connected in parallel and one of which is a planar transistor element together with a variable resistor as a reference voltage source for the remaining planar transistor elements and the planar transistor structure formed in the epitaxial layer of the one conductivity type arranged on a base body of the other conductivity type and one of the Epitaxial layer penetrating insulating zone of the conductivity type of the base body is surrounded and can come into saturation during operation. Such a one Circuit, which is also referred to in the technical world as "power bank", was already known from DT-OS 1911934.
Bezüglich der Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten wird auf diese Vorveröffentlichung verwiesen.With regard to the advantages and possible applications, this Referenced prior to publication.
Bei der Verwendung einer solchen als Konstantstromquelle verwendeten planartransistorstruktur tritt insbesondere bei digital betriebenen monolithisch integrierten Schaltungen das Problem der Sättigung auf. Infolge der Sättigung kommt. nämlich der Kollektor-Basis-pn-Übergang in Flußrichtung, so daß der Eingangswiderstand sehr klein wird. Dadurch kann sich der Wert der Referenzspannung, der durch den Stellwiderstand eingestellt wird, ändern, so daß sich die Ströme der weiteren Planartransistorelemente und damit die Arbeitspunkte der zu versorgenden aktiven Schaltungselemente ändern. Es ist daher erwünscht, die als Konstantstromquelle verwendete Planartransistorstruktur, welche bei dem Betrieb des zu versorgenden aktiven Schaltungselementes in den Sättigungszustand kommen kann, derartig abzuwandeln, daß der Wert des Eingangswiderstandes im Sättigungsfall auf einen solchen Wert erhöht ist, daß dieser weiteren als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorelementenkonstant bleiben.When using such a used as a constant current source planar transistor structure occurs particularly in digitally operated monolithic integrated circuits solve the problem of Saturation on. As a result the saturation comes. namely the collector-base pn junction in the flow direction, see above that the input resistance is very small. This can change the value of the reference voltage, which is set by the variable resistor change, so that the currents of the further planar transistor elements and thus the operating points of the ones to be supplied change active circuit elements. It is therefore desirable to use it as a constant current source used planar transistor structure, which in the operation of the to be supplied active circuit element can come into the saturation state, to be modified in such a way that that the value of the input resistance increases to such a value in the case of saturation is that this further planar transistor element used as a constant current source is constant stay.
Dieses Problem der Erhöhung des Eingangswiderstandes einer als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstruktur, welche beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Basiszone der Planartrajnsistorstruktur von einer Hilfskollektorzone vom Leitfähigkeitstyp der Basis zone an der freien Oberfläche der Epitaxschicht umgeben ist und daß die Hilfskollektorzone elektrisch unmittelbar mit der Emitterzone verbunden ist.This problem of increasing the input resistance of a constant current source used planar transistor structure, which during operation in the saturation state can come, is achieved according to the invention in that the base zone of the planar transistor structure from an auxiliary collector zone of the conductivity type of the base zone to the free one Surface of the epitaxial layer is surrounded and that the auxiliary collector zone is electrical is directly connected to the emitter zone.
Aus der DT-OS 2016760 war zwar bekannt, die bei Sättigung; eines Planartransistorelements in einer monolithisch integrierten Schaltung auftretende Minoritätsladungsträgerinjektion von der Basis zone in die Kollektorzone vor dem Eintreten in das Substrat mittels einer Hilfskollektorzone abzuleiten. Die Vorveröffentlichung behandelt aber nicht das Problem der Sättigung einer äls Konstantstromquclle verwendeten Planartransistorstruktur einer Reihe von weiteren als Konstantstromquellen verwendeten Planartransistorelementen, deren Emitter- und Basiszonen parallelgeschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement zusammen mit einem Stellwiderstand als Referenzspannungsquelle der übrigen Planartransistorelemente und der Planartränsistorstruktur dient und beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann. Die Vorveröffentlichung gibt auch keine Anregung, die Hilfskollektorzone mit der Emitterzone der betreffenden Planartransistorstruktur elektrisch zu verbinden.From the DT-OS 2016760 it was known that at saturation; a planar transistor element minority charge carrier injection occurring in a monolithic integrated circuit by means of the base zone in the collector zone before entering the substrate an auxiliary collector zone. The pre-release does not deal with this though the problem of saturation of a planar transistor structure used as a constant current source one Series of other planar transistor elements used as constant current sources, whose emitter and base zones are connected in parallel and one of which is a planar transistor element together with a variable resistor as a reference voltage source for the remaining planar transistor elements and the planar drain transistor structure is used and in operation in the state of saturation can come. The pre-release also gives no suggestion, the auxiliary collector zone to be electrically connected to the emitter zone of the relevant planar transistor structure.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in der die Fig. 1 die Schaltung mit einer Reihe von als Konstantstromquellen verwendeten Transistoren zeigt, von der die Erfindung ausgeht, die Fig. 2 ausschnittsweise im Schnitt senkrecht zur Oberfläche einer Halbleiterplatte ein bekanntes als Konstantstromquelle verwendetes Planartransistorelement einer monolithisch integrierten Schaltung zeigt, die Fig. o ein Ersatzschaltbild des Planartransistorelements im Hinblick auf das der Erfindung zugrunde liegende Problem, die Fig. 4 als Ausschnitt im Schnitt senkrecht zu einem plattenförmigen Halbleiterkörper die Planartransistorstruktur der monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung, die Fig. 5 das Ersatzschaltbild der Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 4 und die Fig. 6 schematisch den Gang des Eingangswiderstandes in Abhängigkeit vom Kollektorstrom im Sättigungsbereich bei einer Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 2 im Vergleich zu einer Planartransistorstruktur gemäß der Fig.5 betreffen.The invention is explained below with reference to the drawing, in of Fig. 1, the circuit with a number of used as constant current sources Shows transistors, from which the invention is based, FIG Section perpendicular to the surface of a semiconductor plate known as a constant current source shows used planar transistor element of a monolithic integrated circuit, the Fig. o an equivalent circuit diagram of the planar transistor element with regard to the the problem underlying the invention, FIG. 4 as a section in a vertical section the planar transistor structure of the monolithic to form a plate-shaped semiconductor body integrated circuit according to the invention, 5 shows the equivalent circuit diagram the planar transistor structure according to FIG. 4 and FIG. 6 schematically shows the passage of the input resistance as a function of the collector current in the saturation range in the case of a planar transistor structure according to FIG. 2 in comparison with a planar transistor structure according to the Fig.5 concern.
Die Erfindung geht also aus von der Schaltung einer sogenannten "Strombank" gemäß der Fig. 1, wie sie aus der bereits erwähnten DT-OS 1911934 bekannt war. Diese "Strombank" besteht aus einer Reihe von möglichst gleichartigen Transistoren Tl..Tn, deren Emitter- und Basis zonen parallelgeschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement T1 zusammen mit einem Stellwiderstand R als Referenzspannungsquelle der übrigen Planartransistorelemente T ...T dient. Unter diesen soll sich eine n Planartransistorstruktur befinden, welche beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann.The invention is based on the circuit of a so-called "current bank" according to FIG. 1, as it was known from the DT-OS 1911934 already mentioned. These "Power bank" consists of a number of similar transistors Tl..Tn, whose emitter and base zones are connected in parallel and one of which is a planar transistor element T1 together with a variable resistor R as a reference voltage source for the rest Planar transistor elements T ... T are used. A planar transistor structure is to be found among these which can become saturated during operation.
Die Erfindung findet natürlich in gleicher Weise auch ihre Anwendung, wenn weitere oder auch sämtliche der Planartransistorelemente T2...Tn in den Sättigungszustand kommen können. Zur Vereinfachung des Wesens der Erfindung wird aber angenommen, daß nur eine Planartransistorstruktur der Reihe T2. . Tn beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann.The invention is of course also used in the same way, if further or also all of the planar transistor elements T2 ... Tn are in the saturation state can come. To simplify the essence of the invention, it is assumed that that only one planar transistor structure of the series T2. . Tn in the saturation state during operation can come.
Die Lastwiderstände RL2...RLn bedeuten zu versorgende aktive Schaltelemente, beispielsweise Transistoren von noch weiteren integrierten Schaltungseinheiten der monolithisch intec3rierten SChaltllNg. Solche Schaltungseinheiten HII könnerl beispielsweise bistabile Multivibratoren sein. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß die Verwendung einer Planartransistorstruktur nach der Erfindung insbesondere bei digitalen Schaltungseinheiten vorteilhaft ist, da die Schaltelemente solcher Schaltungseinheiten besonders häufig in den Sättigungsbereich kommen können. Der Stellwiderstand R des ersten Transistors T1 der Reihe dient zur Einstellung der Spannung der Referenzspannungsquelle, welche dieser Stellwiderstand mit dem Transistor T bildet. In der Schaltung gemäß der Fig. 1 sind noch die Emitterwiderstande real.. .rein eingezeichnet, deren Wert im wesentlichen durch das Produkt des Stromverstärkungswertesα£mit kT/Ie gegeben ist, wenn kein zusätzlicher Emitterwiderstand vorgesehen ist, dessen Wert noch berücksichtigt werden muß. Bei Fehlen eines solchen zusätzlichen Emitterwiderstandes ist der Emitterwiderstand r e gegeben durch das Produkt des Stromverstärkungswertesoc in Emitterschaltung mit kT/Ie, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und Ie der Emitterstrom bedeuten. Diese Beziehung ist bekannt.The load resistors RL2 ... RLn mean active switching elements to be supplied, for example transistors of still further integrated circuit units of the monolithically integrated circuit. Such circuit units HII can, for example bistable Be multivibrators. In this context it should be noted that the use a planar transistor structure according to the invention, in particular in digital circuit units it is advantageous because the switching elements of such circuit units are particularly frequent can get into the saturation range. The variable resistor R of the first transistor T1 of the series is used to set the voltage of the reference voltage source, which this variable resistor with the transistor T forms. In the circuit according to FIG. 1 the emitter resistances are also shown in real ... ... purely, their value essentially is given by the product of the current gain value α £ with kT / Ie if no additional emitter resistor is provided, the value of which is still taken into account must become. In the absence of such an additional emitter resistance, the emitter resistance is r e given by the product of the current amplification value oc in a common emitter circuit with kT / Ie, where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature and Ie is the Mean emitter current. This relationship is well known.
In einer monolithisch integrierten Schaltung können die Transistoren .... Tn in Form eines Planartransistorelements gemäß der Fig. 2 ausgeführt werden. In der Fig. 2, welche ausschnittsweise den Schnitt senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterplatte einer solchen monolithisch integrierten Schaltung zeigt, bedeutet 1 den Halbleitergrundkörper des einen Leitfähigkeitstyps, auf dem die epitaktische Schicht 2 des anderen Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist, welche von einer Isolierringzone 3 vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers durchdrungen ist. Damit entsteht die durch eine pn-Übergangs fläche gegen den Halbleitergrundkörper und die übrigen Halbleiterelemente der Festkörperschaltung gleichstrommäßig getrennte Kollektorzone 5, in die die Basiszone 8, die Ernitterzone 6 und die Kollektorkontaktzorle 7 vom Leitfähigkeitstyp der Kollektorzone eingesetzt sind. Die eingetragenen Leitfähigkeiten sollen lediglich die relativen Bezüge veranschaulichen. Die bei Planarelementen vorhandene Oxydschicht ist fortgelassen. Die Anschlüsse an den Zonen, welche normalerweise als die Elektroden der Zonen kontaktierende Leitbahnen auf der Oxydschicht angeordnet sind, sind in Form von Drahtenden angedeutet.In a monolithic integrated circuit, the transistors .... Tn in the form of a planar transistor element according to FIG. In Fig. 2, which partially shows the section perpendicular to the surface of the Semiconductor plate of such a monolithic integrated circuit shows means 1 the semiconductor base body of the one conductivity type on which the epitaxial Layer 2 of the other conductivity type is applied, which is from an insulating ring zone 3 is permeated by the conductivity type of the base body. This creates the through a pn junction surface against the semiconductor base body and the other semiconductor elements the solid-state circuit DC-separated collector zone 5 into which the base zone 8, the emitter zone 6 and the collector contact zone 7 of the conductivity type the collector zone are used. The entered conductivities should only illustrate the relative references. The oxide layer present in planar elements is omitted. The connections to the zones, which are usually called the electrodes of the zones contacting interconnects are arranged on the oxide layer are in Shape of wire ends indicated.
Kommt nun ein als Planartransistorstruktur einer monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung verwendetes Planartransistorelement gemäß der Fig. 2 in den Sättigungsbereich, so werden aus der Basiszone 8 Minoritätsladungsträger in die Kollektorzone 5 injiziert, da der pn-Übergang zwischen der Basis zone 8 und der Kollektorzone 5 in Flußrichtung kommt.Now comes in as a planar transistor structure of a monolithically integrated Circuit according to the invention used planar transistor element according to FIG. 2 into the saturation range, the base zone becomes 8 minority charge carriers injected into the collector zone 5, since the pn junction between the base zone 8 and the collector zone 5 comes in the direction of flow.
Diese Minoritätsladungsträger werden teilweise von dem Grundkörper 1 und teilweise von der Isolierringzone 3 als Kollektor aufgenommen, fließen also über den Grundkörper 1 ab. Die Stromaufteilung der Minoritätsladungsträger richtet sich zunächst einmal nach dem Abstand des injizierenden pn-Ubergangs der Basiszone 8 zu dem als Kollektor wirksamen pn-Ubergang zwischen der Kollektorzone 5 und der Isolierringzone 3 bzw. dem Grundkörper 1.These minority charge carriers are partially taken from the base body 1 and partially absorbed by the insulating ring zone 3 as a collector, so flow over the base body 1. The current distribution of the minority charge carriers is directed first of all according to the distance between the injecting pn junction and the base zone 8 to the pn junction that acts as a collector between the collector zone 5 and the Isolation ring zone 3 or the base body 1.
Der größte Minoritätsladungsträgerstrom fließt über die engste Stelle der Kollektorzone 5. Diese Erscheinung kann in einem Ersatzschaltbild gemäß der Fig. 3 durch einen parasitären Transistor T veranschaulicht werden, der parallel zum Eingang (Basis zone gegen Grundkörper) liegt und bei Sättigung der Planartransistorstruktur - im vorliegenden Beispiel pnp - in einen aktiven Bereich kommt. In diskret aufgebauten Planartransistoren ist der Eingangswiderstand in gesättigtem Zustand ungefähr gleich dem Emitterwiderstancl. Bei monolithisch integrierten '>chaltun~Jen mit einer P1anartra##sistorstruktur gemäß der Fig. 2, gilt die nicht, da der Parasitäre Transistor Tp die Basiszone der Planartransistorstruktur zum Grundkörper und damit auch den Emitterwiderstand überbrückt.The largest minority charge carrier current flows over the narrowest point the collector zone 5. This phenomenon can be shown in an equivalent circuit according to the Fig. 3 can be illustrated by a parasitic transistor T running in parallel to the entrance (base zone against the base body) and when the planar transistor structure is saturated - in the present example pnp - comes into an active area. In discreetly constructed The input resistance of planar transistors is approximately the same in the saturated state the emitter resistor In the case of monolithically integrated '> chaltun ~ Jen with a P1anartra ## sistor structure according to FIG. 2, the applies not because the Parasitic transistor Tp the base zone of the planar transistor structure to the base body and thus also bridged the emitter resistance.
Die Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 4 einer monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 2 lediglich durch die Hilfskollektorzone 9, welche die Basiszone 8 an der freien Oberfläche 11 der Epitaxschicht 2 umgibt und mit der Emitterzone 6 elektrisch unmittelbar und vorzugsweise ausschließlich verbunden ist, wie durch den Leiter lo in der Fig. 4 veranschaulicht ist. Dieser Leiter lo wird natürlich wie die anderen Verbindungen der monolithischen Festkörperschaltung wie üblich in Form einer Leitbahn auf der teilweise zur Kontaktierung durchbrochenen Oxydschicht angeordnet.The planar transistor structure according to FIG. 4 of a monolithically integrated Circuit according to the invention differs from that of FIG. 2 only by the auxiliary collector zone 9, which the base zone 8 on the free surface 11 surrounds the epitaxial layer 2 and electrically directly and with the emitter zone 6 is preferably exclusively connected, as by the conductor lo in FIG. 4 is illustrated. This ladder lo becomes of course like the other connections the monolithic solid-state circuit as usual in the form of an interconnect on the partially arranged for contacting perforated oxide layer.
Die Anordnung der Hilfskollektorzone 9 erfolgt unter den gleichen Gesichtspunkten, wie in der obengenannten DT-OS 2016760 beschrieben wurde. Dabei wird davon ausgegangen, daß diese Hilfskollektorzone 9 mit der Kollektorzone 5 und der Basiszone 8 der Planartraiisistorstruktur einen parasitären Lateraltransistor bildet. Dessen x-Wert ist zunächst einmal um so höher, je geringer der Abstand zwischen den beiden pn-Übergängen der lateralen Transistorstruktur ist. Ferner wird derts-wert beeinflußt durch die Zwischenschicht 4 vom Leitfähigkeitstyp der Kollektorzone 5 an der Grenzfläche zwischen dem Grundkörper 1 und der Epitaxschicht 2.The arrangement of the auxiliary collector zone 9 takes place under the same Aspects as described in the above-mentioned DT-OS 2016760. Included it is assumed that this auxiliary collector zone 9 with the collector zone 5 and of the base zone 8 of the planar resistor structure a parasitic lateral transistor forms. Its x-value is initially the higher, the smaller the distance between the two pn junctions of the lateral transistor structure. Furthermore, derts-worth influenced by the intermediate layer 4 of the conductivity type of the collector zone 5 at the interface between the base body 1 and the epitaxial layer 2.
Diese höher als die Kollektorzone 5 dotierte Zwischenschicht 4 ergibt nämlich ein Driftfeld, welches die Minoritätsladungsträgerin der Kollektorzone 5 in Richtung auf die freie Oberfläche 11 der Epita:schicllt 2 beschleunigt.This intermediate layer 4 doped higher than the collector zone 5 results namely a drift field which the minority charge carriers in the collector zone 5 in the direction of the free surface 11 of the epita: schicllt 2 accelerated.
Die Wirkungsweise einer Ausbildung nach der Erfindung ergibt sich anhand des Ersatzschaltbildes gein:-iß der teig. 5. IJntersc#1iiediic'1 zum Ersatzschaltbild gemäß der Fig. 3 ist der Kollektor des parasitären Transistors Tp nicht mit dem Grundkörper, sondern unmittelbar mit dem Emitter verbunden, so daß der Widerstand am Eingang E gegenüber der Fig. 3 durch einen wesentlich grösseren Wert, nämlich durch den Emitterwiderstand re gegeben ist.The mode of operation of a training according to the invention results based on the equivalent circuit diagram: -ris the dough. 5. Interaction # 1iiediic'1 to the The equivalent circuit according to FIG. 3 is the collector of the parasitic transistor Tp is not connected to the base body, but directly to the emitter, see above that the resistance at the input E compared to FIG. 3 by a significantly larger Value, namely given by the emitter resistance re.
Der Kollektorstrom des parasitären Transistors Tp wird also über den Emitterwiderstand der Planartransistorstruktur T geleitet.The collector current of the parasitic transistor Tp is thus over the Emitter resistance of the planar transistor structure T passed.
Je höher nun die Stromverstärkung X dieses parasitären Lateraltransistors Tp ist, desto höher wird der Widerstand über den Eingang E, da weniger Strom in den Grundkörper abfließen kann.The higher the current gain X of this parasitic lateral transistor Tp, the higher the resistance across input E, as there is less current in the main body can flow away.
Bei der monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung fällt nämlich der Eingangswiderstand RE der Planartransistorstruktur bei Über steuerung in den Sättigungsbereich gemäß der gestrichelten Kurve in Fig. 6 von dem Wert F. re auf den Wert re, während bei Verwendung einer normalen Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 2 sich ein Abfall auf wesentlich kleinere Werte gemäß der durchgezogenen ~Kurve in der Fig. 6 ergibt. Bei einer monolithisch integrierten Schaltung gemäß der Erfindung ist also die Gefahr des Zusammenbruchs der Referenzspannung selbst bei mehreren als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstrukturen vermieden, wenn diese entsprechend der Erfindung geschaltet sind.In the case of the monolithic integrated circuit according to the invention namely the input resistance RE of the planar transistor structure when over control into the saturation range according to the dashed curve in FIG. 6 from the value F. re to the value re, while using a normal planar transistor structure according to FIG. 2, there is a drop to significantly smaller values according to the solid line ~ Curve in Fig. 6 results. In the case of a monolithically integrated circuit according to of the invention is therefore the risk of collapse of the reference voltage itself avoided with several planar transistor structures used as a constant current source, when these are switched according to the invention.
Eine solche Gefahr wäre insbesondere bei solchen Schaltstufen der integrierten Festkörperschaltung gegeben, wecheanstelle der Lastwiderstände RL liegen und zeitweise abgeschaltet sind. Aufgrund des damit zu groß werdenden RL besteht Gefahr, daß die als Konstantstromquelle verwendete Planartransistorstruktur in den Sättigungsbereich kommt und die Stabilisierung ausfällt. Durch Anwendung der -Erfindung können gewisse Schaltungen in monolithisch integrierter Form besser realisiert werden bzw. werden erst möglich.Such a risk would be in particular with such switching steps integrated solid-state circuit, which are instead of the load resistors RL and are temporarily switched off. Because of the RL, which is becoming too large, there is Danger that the planar transistor structure used as a constant current source in the Saturation area comes and stabilization fails. By use According to the invention, certain circuits in monolithically integrated form can do better can be realized or only become possible.
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1971
- 1971-04-15 DE DE19712118213 patent/DE2118213C3/en not_active Expired
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |