DE2509530A1

DE2509530A1 - Halbleiteranordnung fuer logische verknuepfungsschaltungen

Info

Publication number: DE2509530A1
Application number: DE19752509530
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Dr Berger; Siegfried Dipl Ing Dr Wiedmann
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1975-03-05
Filing date: 1975-03-05
Publication date: 1976-09-09
Also published as: JPS51110958A; AT373105B; SE7602480L; GB1497892A; NL7602226A; ES445764A1; IL49123A0; DE2509530C2; CA1079819A; JPS5611248B2; SE407728B; IL49123A; ATA101476A; US4035664A; CH596670A5; BE838107A; FR2303381B1; IT1054868B; FR2303381A1

Description

Böblingen, den 4, März 1975 moe/bs

Anmelderin; IBM Deutschland GmbH

Pascalstraße 100 7000 Stuttgart 80

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin; GE 975 004

Halbleiteranordnung für logische Verknüpfungsschaltungen

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung für die Grundbausteine eines hochintegrierbaren logischen Halbleiterschaltungskonzept basierend auf Mehrfachkollektor-Umkehrtransistoren, die durch Injektion von Ladungsträgern in ihre Er.titter-/Basiszonen gespeist werden.

Auf dem Gebiet der logischen Verknüpfungsschaltungen mit Bipolartransistoren hat in den letzten Jahren eine bemerkenswerte Weiterentwicklung stattgefunden, die in der Fachwelt große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat und unter der Bezeichnung MTL(Merged

Transistor Logic) oder auch I L (Integrated Injection Logic) breiten Eingang in die Fachliteratur gefunden hat, vgl. z. B. die Aufsätze im IEEE Journal of Solid-state Circuits, Vol. SC-7, No. 5, Oktober 1972, Seite 340 ff und 346 ff. Als zugehörige Patentliteratur seien beispielsweise die US-Patentschriften 3 736 477 sowie 3 816 758 genannt. Dieses Injektions-Logikkonzept beruht im wesentlichen auf Mehrfachkollektor-Umkehrtransistoren (Invertertransistoren), die durch direkte, d. h. im Innern des Halbleiterkörpers vor sich gehende Injektion von Minoritätsträgern in die Nähe (Größenordnung einer Diffusionslänge) ihrer Emitter/Basisübergänge gespeist werden.

ORIGINAL INSPECTED

Dieses bipolare Logikkonzept bietet sowohl kurze Schaltzeiten als auch eine hervorragende Eignung zum Aufbau extrem integrierter Großschaltungen mit einer hohen Zahl von auf einem einzelnen Halbleiterplättchen herstellbaren Verknüpfungsgliedern, Um logische Schaltungen in hochintegrierter Technik herstellen zu können, müssen sie u. a. im wesentlichen drei Voraussetzungen erfüllen. Die Grundelemente müssen möglichst einfach und platzsparend sein, um möglichst viele davon auf einem Halbleiterplättchen unterbringen zu können. Die Schaltungen müssen zweitens so ausgelegt sein, daß eine ausreichende Geschwindigkeit keinen übermäßigen Anstieg der Verlustleistung auf dem Halbleiterplättchen zur Folge hat, was gleichbedeutend mit der Forderung nach einem möglichst kleinen Produkt aus den Faktoren Verzögerungszeit und Verlustleistung pro Verknüpfungsfunktion ist. Drittens muß zur Erzie-i lung einer guten Ausbeute und daniit 4us wirtschaftlichen aber auch' aus technologischen Gründen der erforderliche Herstellungsprozeß einfach und gut beherrschbar sein. All diesen Gesichtpunkten trägt das genannte Logikkonzept grundsätzlich, insbesondere im Vergleich zu den existierenden Logikkonzepten (z, B, TTL-Logik), Rechnung.

Aus der Veröffentlichung im IBM Technical Disclosure Bulletin Band 14, No. 5, Oktober 1971, Seiten 1422, 1423 bzw. der DT-OS 20 27 127 ist weiterhin bekannt, daß sich in einer lateralen PNP-Zonenfolge der von einem Primärinjektionsgebiet ausgehende Injektionsstrom über ein im Bahnverlauf des Injektionsstromes angeordnetes Sekundär-Injektionsgebiet schalten läßt. Die Realisierung eines umfassenden Verknüpfungssystems läßt sich damit jedoch infolge Fehlens einer Inverterfunktion noch nicht erreichen. Ferner existiert eine Veröffentlichung in IEEE Solid-state Circuits Conference 1974, Digest of Technical Papers, Seiten 18/19, die eine Logik beschreibt, bei der die logischen UND- und ODER-Kombinationen ausschließlich in solchen Sekundär-Injektionsstrukturen verwirklicht werden sollen. Die für jedes logische System notwen-

dige Inversion dagegen wird in NPN-Transistoren erreicht, wobei dieses System den Nachteil aufweist, daß die (verknüpfenden) Sekundär-Injektionsstrukturen von den (invertierenden) NPN-Transistoren sowie diese NPN-Transistoren zusätzlich voneinander isoliert werden müssen. Ferner erfordert die Entkopplung der Steuereingänge verschiedener Injektionsstrukturen, die von dem gleichen Eingangssignal gesteuert werden sollen, einen erheblichen zusätzlichen Entkopplungsaufwand.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, das oben genannte Injektions-Logikkonzept (MTL) im Sinne der Erhöhung des logischen Wirkungsgrades zu verbessern. Unter Berücksichtigung der steten Forderung nach möglichst einfachen Grundstrukturen sollen dabei insbesondere weitere logische Verknüpfungsfunktion bereitgestellt werden bzw, die einfachere Realisierung bisheriger Verknüpfungsfunktion unter Umgehung ansonsten vorhandener Einschränkungen _t wie sie z. B. in der begrenzten Anzahl vorhandener entkoppelter Ausgänge zu sehen sind, möglich sein. Dabei soll insbesondere dem Gesichtspunkt Rechnung getragen werden, daß aus den Grundverknüpfungsgliedern aufgebaute komplexe Verknüpfungsnetzwerke normalerweise ein hohes Maß an problematischen Leiterzugverbindungen erfordern. Schließlich soll ein größtmögliches Maß an Flexibilität bezüglich der Anwendung für die verschiedenstens Verknüpüungsnetzwerke zur Verfügung stehen,

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Halbleiteranordnung vor. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen bezeichnet.

Zusammengefaßt sieht die Erfindung eine Halbleiteranordnung basierend auf dem Prinzip der Stromeinspeisung durch direkte Injektion vor, bei der durch bedingungsabhängiges Schalten des Injektionsstromes auf seiner Bahn zum jeweils ausgangsseitigen Umkehrtransistor zusätzliche Eingangs- bzw. auch Ausgangsmöglichkeiten bereitstehen. Dabei werden in hohem Maße ansonsten erfor-

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derliche Leiterzugverbinäungen auf dem Halbleiterkörper durch interne steuerbare Injektionskopplungen ersetzt. Im Gegensatz zu Schaltungen anderer Art kommt insbesondere bei Verknüpfungsschaltungen der Verfügbarkeit möglichst zahlreicher entkoppelter Ein- und Ausgänge - auch für Teilverknüpfungen - eine besonders große Bedeutung für den erforderlichen Schaltnetzentwurf zu, wobei es zudem äußerst wünschenswert ist, von einem derartigen Schaltungsausgang stets ohne Signalumsetzung wieder einen weiteren Eingang ansteuern zu können. Diese Kriterien sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfüllt.

Die Erfindung wird im folgenden unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen?

Fig. 1 eine Zusammenstellung der in den Figuren verwen

deten Symbole;

Fig. 2 verschiedene Darstellungen des MTL-Grundbau

steins, von dem die Erfindung ausgeht;

Fig. 3 erste Erweiterungen des MTL-Konzeptes nach der

Erfindung;

Fign. 4-7 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung mit

echter logischer Erweiterung hinsichtlich der Verknüpfungsmöglichkeiten und

Fign 8-13 verschiedene Ausführungsbeispiele zur Erläuterung

besonders vorteilhafter Möglichkeiten, weitere entkoppelte Ausgänge sowie Eingänge bereitzustellen, die zum Aufbau komplexerer Verknüpfungsnetzwerke zur Verfügung stehen, sowie zur Erläuterung der Möglichkeiten, die Umkehrtransistoren

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—- κ *~

am Ausgang mittels Schottky-Klemmdioden für eine höhere Schaltgeschwindigkeit auszurüsten.

Bevor auf eine nähere Erläuterung der in den Zeichnungen dargestellten Halbleiteranordnungen sowie Schaltbilder eingegangen wird, soll auf die in Fig. 1 zusammengestellten und in den Zeicnnungen verwendeten Symbole für die jeweils vorkommenden Kontakt-, Material- und Anschlußmöglichkeiten bzw. -bezeichnungen hingewiesen werden. Die verwendeten Symbole dürften aus sich heraus verständlich sein. Soweit erforderlich wird in Verbindung mit der Darstellung der speziellen Ausführungsbeispiele eine zusätzliche Erläuterung gegeben. Bezüglich der Anschlüsse I, E und A wird vorausgeschickt, daß die Stromversorgung für die Primär-Injektionsgebiete, d, h, der Betrieb der Injektoranschlüsse I, parallel erfolgen kann» Ferner kann ein Ausgang A jeweils direkt einen Eingang E durch (direkte) galvanische Verbindung oder dergleichen ansteuern, d, h. die Ausgänge A sind mit den Eingängen E kompatibel.

Soweit für die Ausführungsbeispiele Draufsichten bzw. Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung gegeben sind, ist darauf hinzuweisen, daß die Darstellung der gegenseitigen Anordnung von Dotierungsgebieten sowie die übrigen Abmessungen keineswegs maßstäblich sondern zum Zwecke der Verdeutlichung bewußt davon abweichend vorgenommen ist. In gleicher Weise sind die Verbindungen und Anschlüsse lediglich schematisch dargestellt.

In den Fign. 2A und 2B ist in einer Draufsicht bzw. einer zugehörigen Querschnittsdarstellung die bekannte MTL-Grundstruktur dargestellt. Der Aufbau sowie die Wirkungweise dieser MTL-Struktur sind in der eingangs genannten Literatur ausführlich abgehandelt, so daß hier lediglich eine zusammenfassende Darstellung gegeben zu werden braucht. Ein solcher MTL-Grundbaustein besteht im wesentlichen aus einem Umkehrtransistor T1 der durch direkte Injektion von Minoritätsträgern gespeist

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wird. Da für Verknüpfungszwecke der Verfügbarkeit von möglichst mehreren entkoppelten Ausgängen für jeweils gleiche logische Signale erhöhte Bedeutung zukommt, handelt es sich bei dem Umkehrtransistor um einen Mehrfachkollektor-Transistor. In Fig, 2 ist dieser Umkehrtransistor T1 als invers betriebener vertikaler NPN-Transistor aufgebaut, wobei für die Minoritatsträgerinjektion ein dazu komplementärer PNP-Transistor T2 vorgesehen ist, der in der gezeigten Struktur lateral ausgebildet ist. Beide Transistoren sind in einer höchste Integration erlaubenden Weise unter Ausnutzung gemeinsamer Halbleiterdotierungsgebiete bzw, -zonen miteinander integriert. In einem gemeinsamen halbleitenden Grundmaterial 20, z. B. aus N-Typ Silizium, das vorzugsweise aus einer epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschicht besteht und als Emitterzone des Umkehrtransistors T1 dient, sind in einem Abstand voneinander zwei Dotierungsgebiete 21 und 22 vom gegenüber dem Grundmaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angeordnet. Dabei dient das P-Dotierungsgebiet 21 als Basiszone des vertikal ausgebildeten Umkehrtransistors T1 und gleichzeitig als Kollektorzone des lateral ausgebildeten (Injektions-)Transistors T2, Die Basiszone 21 von T1 weist einen ohmschen Kontakt auf, über den ein Eingangsanschluß E vorgesehen ist. Innerhalb der Basiszone 21 sind in der gezeigten Anordnung zwei separate Kollektorzonen 23 und 24 angeordnet, die mit entsprechenden Ausgängen A₁₁ und A₁₂ verbunden sind. Das P-Dotierungsgebiet 22 ist mit einem Injektoranschluß I versehen, über den extern ein Strom in der gezeigten Pfeilrichtung eingeprägt wird. Das von einem extern zugeführten Strom gespeiste Dotierungsgebiet 22 wird in der Folge auch als Primär-Injektionsgebiet bezeichnet. Schaltungstechnisch stellt es die Emitterzone des lateral ausgebildeten PNP-Transistors T2 dar, dessen Basiszone mit der Emitterzone des Umkehrtransistor T1 im selbem Halbleitergrundmaterial 20 ausgebildet ist. Bei Anlegen entsprechender Betriebsspannungen stellt dieser MTL-Grundbaustein praktisch ein Inverterglied dar.

ηηά h Π Q ft 3 7 / Π 5 8 0

Das in Fig. 2C gezeigte elektrische Schaltbild stellt die von Strukturmerkmalen losgelöste schaltbildmäßige Darstellungsform eines solchen MTL-Grundbausteins dar. Darin sind die Anschluß- und Transistorbezeichnungen identisch zu der Darstellung in den Fig. 2A und 2B gewählt. Fig. 2D stellt ein noch weiter verallgemeinertes Schaltbild des MTL-Grundbausteins dar, das sich auch in der Literatur durchgesetzt hat und in dem die Stromeinspeisung in die Basiszone des Umkehrtransistors TI ganz allgemein durch eine Stromquelle 25 angedeutet ist.

Da sich mit einem Negations- bzw. Interverterglied nocht keine Logik aufbauen läßt, wohl aber mit NAMD-Grundbausteinen, wurde als logische Grundschaltung im klassischen MTL-Konzept die in Fig. 2E dargestellte Anordnung verwendet. Die somit erzielbare NAND-Grundfunktion ergibt sich dabei aus der direkten galvanischen Kopplung von beispielsweise zwei aus entsprechenden MTL-Strukturen erhaltenen Ausgänge A₁ und A₂ am Punkt 26 mit anschließender logischer Invertierung in der oben beschriebenen Weise unter Einsatz einer weiteren MTL-Grundstruktur. Das am Ausgang A erhaltene Signal stellt dabei bei Vereinbarung einer sogenannten positiven Logik die NAND-Funktion bzw, bei Vereinbarung einer negativen Logik die dazu komplementäre NOR-Funktion dar. Wie durch das strichpunktierte zweite Kollektorgebiet 27 angedeutet ist, kann dieses Verknüpfungsergebnis mehrfach in entkoppelter Form bereitgestellt werden. Die Entkopplung wird dadurch erreicht, daß der Transistor iiR inversen Betrieb, d. h. bei Verwendung der Kollektorzone 27 oder 28 als Emitter, eine große Stromverstärkung 3- aufweist.

In den Fign. 3A und 3B ist in einer Draufsicht bzw. in einem ent- : sprechenden elektrischen Schaltbild eine erste Weiterbildung des bekannten MTL-Konzepts dargestellt. Baut man zwischen dem Primär-Injektionsgebiet (mit Injektoranschluß I) und der den Umkehrtransistor T₃₁ darstellenden Transistorstruktur ein weiteres P-Typ Lmittergebiet ein, das im folgenden als Sekundär-Injektionsgebiet 30 bezeichnet werden soll, kann man die gleiche (NAND-) Funktion

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wie nach Fig. 2E auf neue Weise erreichen. Damit werden auf der Grundlage des MTL-Konzepts logische Kombinationen durch Schalten des Injektionsstromes im PNP-Teil möglich. Die sich daraus ergebende Funktion läßt sich so erklären, daß der vom Primär-Injek. tionsgebiet ausgehende Injektionsstrom nur in Abhängigkeit von dem am Sekundär-Injektionsgebiet 30 anliegenden Bedingungseingang E₁ zur Basiszone des abschließenden Umkehrtransistors T₃₁ gelangen kann, wobei dessen Signal am Ausgang A seinerseits zusätzlich nur bedingungsabhängig vom weiteren Eingangssignal an seinem Basisanschluß E_ auftreten kann. Nach dem eingangs berücksichtigten Stand der Technik waren zwar bereits die Vorsehung und Funktion derartiger Sekundär-Injektionsgebiete bekannt, die hier gezeigte Ausfuhrungsform unterscheidet sich jedoch davon, indem der weitere logische Verbindungsweg konsequent im innern des Halbleiterkörpers zum Umkehrtransistor weitergeführt wird. Damit entfallen die ansonsten erforderlichen Leiterzugverbindungen auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers sowie das Erfordernis, den zur Bereitstellung eines oder mehrerer entkoppelter Ausgangssignale in jedem Fall erforderlichen Umkehrtransistor mit zumindest flächenaufwendiger Isolation getrennt vom Verknüpfungsweg vorzusehen. Es kann somit festgestellt werden, daß auf dem geschilderten Wege extrem hochintegrierbare Verknüpfungsstrukturen möglich sind.

Die in Fig. 3A dargestellte Anordnung stellt zwar noch keine echte logische Erweiterung dar, sie kann aber zum Beispiel vorteilhaft eingesetzt werden, wenn nicht genügend entkoppelte Kollek-j toren und somit Ausgänge eines (NPN) Umkehrtransistors mit beispielsweise der Funktion E₁ zur Verfügung stehen, um mehrere Verknüpfungen des Typs

A₁ = E₁^E₂, A₂ = E₁-E₃ und A₃ = E₁.E₄

parallel zu erzeugen. In diesem Fall kann vorteilhaft eine Anordnung nach Fig. 3C verwendet werden.

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Eine echte logische Erweiterung wird aber mit parallel angeordneten Sekundär-Injektionsgebieten entsprechend der Darstellung in Fig. 4 erzielt, wo diese Gebiete mit 4ü und 41 bezeichnet sind. Die dort am Ausgang A erhaltene Verknüpfung IL . E₂ + E₃ kann im zugrundeliegenden MTL-Konzept nach dem Stande der Technik nicht direkt erzeugt werden. Läßt man den Eingang E₃ offen, was dem Binärzustand ^: 1'^: entspricht, wird am Ausgang A die Funktion E^ »E« erhalten, was der grundsätzlichen NOR-Funktion e7+eT entspricht. Es kann festgestellt werden, daß mit Anordnungen nach den Fign. und 4 eine Vielzahl von Kombinationen mit weiteren neuen logischen Verknüpfungsmöglichkeiten aufgebaut werden können. Diese Möglichkeiten bieten sich unter Beibehaltung der wesentlichen Vorteile des MTL-Konzepts (Ausnutzung eines gemeinsamen (N-Typ) Halbleitermaterials; niedrigerVersorgungsspannung; geringe Kapazitäten mit daraus resultierendem großen Geschwindigkeits-ZVerlustleistungsverhältnis) durch Ausnutzung der bedingungsabhängigen Schaltbarkeit des Injektionsstromes.

In den Fign. 5A (Draufsicht), 5B (Querschnitt) und 5C (Schaltbild) ist an einem Ausführungsbeispiel dargestellt, wie man das neue Logik-Konzept durch serielle Anordnung von mehreren Sekundär-Injektionsgebieten, vgl. 50, 51, erweitern kann und dadurch eine wesentliche Verbesserung des logischen Wirkungsgrades der schaltbaren Injektionslogik nach der Erfindung erzielen kann. Durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung wird eine UND-Verknüpfung ermöglicht, denn die Basiszone 52 des NPN-Umkehrtransistors T₁.. am Ausgang erhält nur dann einen Strom vom Primär-Injektionsgebiet 53, wenn alle Eingänge E.., E₂ und E₃ den oberen Spannungspegel aufweisen bzw. elektrisch offengelassen sind. Durch den NPi^-Umkehrtransistor T₅₁ am Ausgang erfolgt eine Invertierung, so daß die logische Verknüpfung der Gesamtanordnung im gezeigten Beispiel die NAND-Funktion bezüglich der Eingänge E₁ bis E₃ ist. Durch Vorsehung mehrerer Kollektorgebiete innerhalb der Umkehrtransistorstruktur läßt sich diese Funktion mehrfach in entkoppelter Form erhalten, wie das bei den früheren Ausführungsbeispielen im

/-ρ αϊ α ππλ

- 10 einzelnen erläutert worden ist.

Geht man noch einen Schritt weiter und betrachtet man auch den Eingang I des Primär-Injektionsgebietes 53 als logischen Eingang, so kann man die erzielbare logische Verknüpfung verallgemeinern zu I · (E₁^E₂-E₃), vgl. Fig. 5C. Dies stellt die allgemeinste Form dar, da auch die Stromversorgung mit in der logischen Verknüpfung enthalten ist oder mit anderen Worten, es wird keine strenge Unterscheidung zwischen Strominjektor und anderen Injektoren bezüglich der logischen Funktion gemacht.

In Fig. 6 ist ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, in der die Anordnung durch Kombination mit parallelen Sekundär-Injektionsgebieten weiter verallgemeinert wird. Durch solche Serien-/Parallelanordnungen von Sekundär-Injektionsgebieten lassen sich beliebige Kombinationen hinsichtlich der gewünschten Ausgangsfunktion erhalten, so daß hierdurch eine weitere Erhöhung des logischen Wirkungsgrades erzielbar ist. Bezüglich der mit der Anordnung nach Fig. 6 geleisteten Verknüpfungsfunktion kann auf die Darstellung in dieser Fig. verwiesen werden; eine nähere Erläuterung erübrigt sich angesichts der zu den früheren Ausführungsbeispielen gegebenen Beschreibung.

In den Fign. 7A und 7B ist bezüglich der integrierten Ausbildung bzw, in Fig, 7C bezüglich des elektrischen Schaltbildes die wohl allgemeinste Form der mit MTL-Strukturen möglichen Logikanwendungen nach der Erfindung angegeben. Die in den früheren Ausführungsbeispielen vorgesehenen Sekundär-Injektionsgebiete, die für sich schon logische Verknüpfungen verwirklichen, sind hier erweitert zu (NPN-)-Umkehrtransistorstrukturen, die ihrerseits entkoppelte Kollektorausgänge enthalten, mit denen durch direkte Verbindung (dotting) weitere logische Verknüpfungen erzeugt werden können. Die zugehörigen Anordnungen sind demnach dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Sekundär-Injektionsgebiete zu einer ein entkoppeltes Ausgangssignal bereitstellenden Transistorstruktur

mc r\r\A r· η f\ η *% η

erweitert ist, indem in diesem Sekundär-Injektionsgebiet mindestens ein zusätzlicher Kollektor angeordnet ist. Damit stehen neben den von einer solchen Kettenanordnung erhaltbaren Ausgangsfunktionen auch alle Teilfunktionen für weitere Verzweigungen gegebenenfalls mehrfach zur Verfügung. Der vom Primär-Injektionsgebiet 70 ausgehende Injektionsstrom findet auf seinem Wege demnach mit weiteren Bedingungseingängen E.., E₂, E versehene Sekundär-Injektionsgebiete 71, 72, 73 vor, die ihrerseits (mindestens zum Teil) zu invers betriebenen Transistorstrukturen erweitert sind, indem in diesen Basiszonen darstellenden Sekundär-Injektionsgebieten gegebenenfalls mehrfach vorgesehene Kollektorzonen, ζ. Β. 74 und 75 _f angeordnet sind. Die an den jeweiligen Ausgängen A--, A-2 usw. erhaltenen (Teil-)Funktionen sind in Fig. 7C dargestellt. Es ist wiederum festzustellen, daß all diese Funktionen direkt in entkoppelter Form und gegebenenfalls mehrfach bereitstehen, ohne daß zusätzliche Leiterζugverbindungen oder Isolationserfordernisse oder gesonderte Ausgangstreiberschaltungen erforderlich waren. Insbesondere kann mit jedem von einem Ausgang erhaltenen Signal direkt der Eingang einer weiteren Verknüpfungsstufe angesteuert werden. Losgelöst von dem speziellen Ausführungsbeispiel in Fig. 7 kann demnach diese allgemeinste Form der schaltbaren Injektionslogik charakterisiert werden als eine Mehrfachkollektor-Umkehrtransistorstruktur die von mehreren Primär- und/oder Sekundär-Injektionsgebieten umgeben ist, wobei insbesondere die Sekundär-

Injektionsgebiete im Verlauf des steuerbaren Injektionsstromes zueinander in Reihe und/oder parallel angeordnet sind und ihrerseits durch Vorsehung von einer oder mehreren Kollektorzonen zu Inverter-j transistoren erweitert sein können. ;

In den Fign. 8 bis 13 sind schließlich anhand von jeweils auf eine Teilstruktur innerhalb einer Verknüpfungskette beschränkten Anordnungen mit Hilfe einer Draufsicht und/oder Querschnittsdarstellung j und/oder einem Schaltbildausschnitt die verschiedenen Möglichkei- j ten dargestellt, um in dem beschriebenen erfindungsgemäßen Logik-Konzept je nach den geforderten Umständen sowohl in ihrer Zahl als auch in ihrer Art angepaßte Ausgänge bzw. Eingänge bzw. die Schalten 975 004 b (J iJ 8 3 7 / Q 5 8 2

geschwindigkeit erhöhende Maßnahmen vorzusehen. Allgemein ist vorauszuschicken, daß sich entkoppelte (Kollektor-) Ausgänge grundsätzlich erreichen lassen, indem für die zugehörigen Umkehrtransistoren ein hoher3,-Wert vorgesehen wird oder Schottky-Entkoppeldioden im gemeinsamen Halbleitergebiet (Kollektorzone) benutzt werden. In diesen Darstellungen weisen die Indizes ν jeweils auf das betrachtete v-te Glied einer solchen Verknüpfungskette hin, die sich durchaus nach anderen Richtungen fortsetzen kann. Die in Fig. 8 gezeigte Transistorstruktur weist beispielsweise in ihrem Basisgebiet 80 eine zusammenhängende Kollektorzone 81 auf, auf der jedoch zur Bereitstellung von zwei entkoppelten Ausgängen A .. und A₂ zwei Schottky-Kontakte 82 und 83 angeordnet sind. Die Entkopp-_: lung des Ausgangssignals erfolgt somit über Schottky-Dioden, von ' denen direkt die Eingänge weiterer Teilstrukturen angesteuert wer-; den können. Wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, ' kann ferner auch ein ohmscher Kollektorkontakt für einen Ausgang Α- vorgesehen sein, über den eine direkte Kollektorverbindung (collector dot) mit anderen entsprechenden Ausgängen hergestellt i werden kann.

Das in den Fign. 9A-C dargestellte Ausführungsbeispiel ist demgegenüber erweitert, indem der NPN-Transistor T_gi (Fig. 9C) mit einer Schottky-Diode 92 zur Verschnellerung des Schaltverhaltens ausgestattet ist. Diese schaltungstechnische Maßnahme ist an sich bekannt. Sie kann, wie in den Fign. 9A und 9B dargestellt ist, in vorteilhafter Weise in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung vorgesehen werden. Dazu ist lediglich ein Schottky-Metall- ' kontakt 9 3 in der im Ausführungsbeispiel grundsätzlich gezeigten i Weise über dem an die Oberfläche tretenden Basis/Kollektorübergang ι 9 4 vorzusehen. Dabei ist darauf zu achten, daß die Barriere der Schottky-Klemmdiode 92 höher ist als die der Koppeldioden 95 und 96.

Die Herstellung solcher Schottky-Kontakte ist an sich bekannt. Dabei hängt die Höhe der Schottky-Barriere am Halbleiter-Metallübergang bekanntermaßen von dem jeweils gewählten Metall/Halbleiter-

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paar ab. Durch Verwendung unterschiedlicher Metalle (oder Halbleitermaterialien) lassen sich damit Schottky-Kontakte unterschiecilicher Barrieren erzeugen. Bezüglich der unterschiedlichen Darstellung von Schottky-Kontakten mit hoher bzw. niedriger Barriere wird auf die in Fig. 1 gegebene Darstellung verwiesen.

.bin besonders vorteilhaftes Ausfünrungsbeispiel ist in Fig. 10 gezeigt. Die dort dargestellte Halbleiterstruktur benötigt zur Herstellung eines Umkehrtransistors keinen Kollektordotierungsschritt mehr. Der Umkehrtransistor wird vielmehr durch einen an sich bekannten Schottky-Kollektor-Transistor 1' gebildet. Durch Einsparung eines gesonderten Dotierungsschrittes wird damit ein stark vereinfachter Herstellungsprozeß sowie eine weiter gesteigerte Packungsdichte möglich.

Die allein oder neben normalen Kailektorausgängen vorsehbaren Schottky-Entkoppeldioden können entweder mit dem (W-Typ) Kollektor des (WPN-) Umkehrtransistors, vgl. Fign. S und 9, oder mit dem Eingang, d, h. dem (P-Typ) ßasisgebiet der komplementären (PWP-) Transistorstruktur integriert werden. Der letztere Fall ist in aera Ausführungsbeispiel von Fig. 11 im Querschnitt sowie im Schaltbild dargestellt. Weben den Schottky-Eingängen ist ggf. ein weiterer ohmscher Kontakt möglich, was durch den strichpunktierten Eingang E angedeutet ist. Durch die direkte Verbindung der Schottky-Dioden auf der P-Seite an den Punkten 100, 101 und 102 erhält man logische Verknüpfungsmöglichkeiten zusätzlich zu denen der WPN-Transistorkollektoren Ä .. A ~·

Das Äusführungsbeispiel von Fig. 12 unterscheidet sicn von dem nach Fig. 11 lediglich dadurch, daß wieder zusätzlich eine Schottky-Klemmdiode 103 für den ausgangsseitigen ümkehrtransistor T₁₁ vorgesehen ist.

Das in Fig. 13A im Querschnitt sowie in Fig. 13B im Schaltbild gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich schließlich von

λ η ο ο ·7

dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 wiederum dadurch, daß der Umkehrtransistor als Schottky-Kollektor-Transistor T₁₂ ausgebildet ist. Dabei ist die unterschiedliche Wahl der zugehörigen Schottky-Barrieren zu beachten.

Soweit bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils UND-Ketten (Reihenanordnungen) gezeigt sind, lassen sich in gleicher Weise durch Parallelanordnung ODSR-Ketten bzw. Kombinationen aus beiden verwenden. Ferner ist die jeweils gezeigte Anordnung der Kollektoren, der ohmschen Kontakte sowie der Schottky-Dioden im Sekundär-Injektionsgebiet (Basiszone) nicht zwingend. Kollektoren können beispielsweise um den jeweiligen Basiskontakt herum angeordnet werden oder in einer Reihe quer zur Richtung der Verknüpfungskette anstatt in Längsrichtung entsprechend den Ausführungsbeispielen,

Zur Abtrennung von Ketten gegeneinander und/oder zur Verminderung einer Injektion in bestimmte Richtungen können ''Inhibitoren" eingesetzt werden. Das können beispielsweise geeignet geformte Streifen aus einem isolierenden Material, vorzugsweise einem Halbleiteroxid sein. Ferner können W+ dotierte Streifen oder geerdete p-Streifen zu diesem Zweck vorgesehen sein. Auch kann ein mit einem iSI-Kollektor versehener Sekundär-Injektor als Inhibitor geschaltet werden, indem dessen Basis mit dem Kollektor verbunden wird.

Es ist weiterhin unter Umständen vorteilhaft, daß sich Ketten ausgehend von mehreren Primär-Injektionsgebieten -kreuzen, wenn eine solche logische Verknüpfung an der betreffenden Stelle erwünscht ist. Eine solche Anordnung läßt sich auf die ODER-Kombination zurückführen.

Es sei noch bemerkt, daß Strukturen, die nach dem heutigen Stand der Technik auf ein niedriges β.(Stromverstärkungsfaktor im Inversbetrieb) führen, wie das z. B. bei einem Schottky-Kollektor der

Fall ist, vorteilhafterweise im wesentlichen am Ende einer Kette verwendet werden, weil ihre Sekundär-Injektionswirkung möglicherweise in einem speziellen Anwendungsfall nicht ausreicht.

Soweit die Transistor- bzw, Injektor-Strukturen lateral bzw, vertikal ausgebildet gezeigt worden sind, liegt darin keine notwendige Beschränkung. Vielmehr lassen sich beispielsweise durch übergang zu Mehrschicht-Strukturen rein vertikale bzw. auf der anderen Seite rein laterale Strukturanordnungen oder Kombinationen daraus aufbauen. Soweit ferner in den gezeigten Äusführungsbeispielen N-Typ oder P-Typ Halbleitergebiete gewählt wurden, lassen sich auch zugehörige komplementäre Strukturen durch Vertauschen der Leitfähigkeitstypen mit entsprechender Betriebsspannungsumkehr bzw, -anpassung einsetzen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Halbleiteranordnung für die Grundbausteine eines hochintegrierbaren logischen Halbleiterschaltungskonzepts basierend auf Mehrfachkollektor-Umkehrtransistoren, die durch Injektion von Ladungsträgern in ihre Emitter/Basiszonen gespeist werden, gekennzeichnet durch die Vorsehung mindestens eines mit einem Bedingungseingang ausgestatteten Sekundär-Injektionsgebietes im Bahnverlauf des von einem extern gespeisten Primär-Injektionsgebietes ausgehenden Injektionsstromes, über das der Injektionsstrom bedingungsabhängig schaltbar ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet f daß mindestens eines der Sekundär-Injektionsgebiete zu einer ein entkoppeltes Ausgangssignal bereitstellenden Transistorstruktur erweitert ist, indem in diesem Sekundär-Injektionsgebiet mindestens ein Kollektor angeordnet ist,
3. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung beliebiger logischer Verknüpfungsfunktionen mehrere Grundschaltungen entsprechend kombiniert sind.
4. Kalbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche _f dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Mehrfachkollektor-Umkehrtransistorstruktur von mehreren Primär- und/oder Sekundär-Injektionsgebieten umgeben ist, wobei insbesondere ; die Sekundär-Injektionsgebiete im Verlauf des steuerbaren Injektionsstromes zueinander in Reihe und/oder parallel an- j geordnet sind.

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5. H alb le it ar anordnung nach einer« der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet- daß zur Unterdrückung von Injektionsströmen in bestimmte Richtungen hzvr. zur Abtrennung von Verkhüpfungsketten Inhibitor-Strukturen vorgesehen sind,
6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet f daß als Injektionsinhibitoren Bereiche aus isolierendem Material,- vorzugsweise aus einem Ilalbleiteroxid und/ oder -nitrid vorgesehen sind.
7. Halbleiteranordnimg nach Anspruch 5 - dadurch gegenzeichnet, daß als Injektionsinhibitoren Bereiche aus isolierendem Material oder/und geeignete Dotierungsbereiche vorgesehen sind.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Injektionsinhibitoren vorhandene Sekundär-Injektionsgebiete mit einer darin eingebrachten Kollektorzone vorgesehen sind, wobei deren Basis- und Kollektorzone (n) miteinander verbunden sind.
9. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionströme mit voneinander unterschiedlichen Stroradichten ausgelegt sind.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsströme in verschiedenen Richtungen bzw. verschiedenen Verknüpfungsketten unterschiedlich zueinander gewählt sind.
11. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß logische Verbindungswege statt über externe Leiterzüge durch im Innern des

i. M (\ O O Π I Π C O Λ

Halbleiterkörpers gerichtete schaltbare Injektionströme gebildet sind.
12, Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß die in einem Sekundär-Injektionsgebiet zur Bereitstellung entkoppelter Ausgänge vorgesehenen Kollektoren als gegenüber dem Sekundär-Injektionsgebiet entgegengesetzt dotierte Zonen ausgebildet sind,
13, Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärkungsfaktor für den Inversbetrieb bei dem Umkehrtransistor ß. > 1 ist,
14, Halbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kollektorzone innerhalb eines Sekundär-Injektionsgebietes zusätzliche entkoppelte Ausgänge in Form von Schottky-Kontakten als üntkopplungsdioden vorgesehen sind.
15. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrtransistören zumindest teilweise als Schottky-Kollektor-Transistoren ausgebildet sind.
16. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die umkehrtransistören mit einer zwischen Kollektor und Basis eingeschalteten Schottky-Klemmdiode mit gegenüber den ggf. vorhandenen Schottky-Entkoppeldioden höherer Schottky-Barriere ausgestattet sind.
17. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkoppeldioden statt mit dem Kollektor des Umkehrtransistors mit der Basiszone am Eingang zusammen integriert sind.
18. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleitergrundiuaterial eine erste Transistorstruktur für die Injektionsspeisung ausgebildet ist, daß sich in der Kollektorzone dieser Transistorstruktur mindestens eine weitere dazu entgegengesetzt leitfähige Zone als Kollektorzone einer dazu komplementären zweiten Transistorstruktür für den Umkehrtransistor befindet, und daß zum Betrieb dieser Halbleiteranordnung als logische Grundschaltung ein Strom in die Emitterzone der ersten Transistorstruktur eingeprägt ist, der in Abhängigkeit von dem an seiner zugehörigen Kollektorzone angelegten Eingangssignal sowie in Abhängigkeit von an weiteren im Injektionsverlauf angeordneten Sekundär-Injektionsgebieten anliegenden EingangsSignalen den als Ausgangssignal dienenden Stromfluß durch die zweite Transistorstruktur steuert,
19, Halbleiteranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in ein Halbleitergrundmaterial einer ersten Leitfähigkeit mindestens drei dazu entgegengesetzt leitfähige Gebiete in einem Abstand als Emitter- und Kollektor/Emitterzonen zweier in Reihe geschalteter lateraler Transistorstrukturen angeordnet sind, daß sich in den Kollektorzonen der lateralen Transistorstrukturen mindestens eine weitere dazu entgegengesetzt leitfähige Zone als Kollektorzone einer invers betriebenen vertikalen Transistorstruktür für den oder die Umkehrtransistoren befindet, und daß zum Betrieb dieser Halbleiteranordnung als logische Grundschaltung ein Stromfluß in die Emitterzone der ersten lateralen Transistorstruktur eingeprägt ist, der in Abhängigkeit von ', den an den zugehörigen Kollektorzonen angelegten Eingangssignalen den als Ausgangssignal dienenden Stromfluß durch die jeweilige vertikale Transistorstruktur steuert.

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20. Halbleiteranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergrundmaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp und damit die Basiszonen der lateralen j sowie die Emitterzonen der invers betriebenen vertikalen Transistorstrukturen auf demselben Bezugspotential/ vorzugsweise Massepotential liegen.
21. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrtransistoren NPN-Transistoren und die Injektorstrukturen PNP-Transistoren sind.
22. Halbleiterschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bipo4 lartransistoren eines ersten Leitfähigkeitstyps hinsichtlich ihrer Emitter/Kollektorstrecken in Reihe geschaltet sind, daß in den freien Emitteranschluß des ersten Transistors ein Strom eingeprägt ist, daß der Kollektor des ersten bzw, der Emitter des zweiten Transistors mit einem ersten Eingang und der freie Kollektor des zweitens Transistors mit einem zweiten Eingang verbunden ist, daß beide : Transistoren hinsichtlich ihrer Basis miteinander und mit dem Emitter eines dazu komplementären dritten Transistors verbunden sind,dessen Basis ebenfalls an den Bedingungseingang angeschlossen ist, und daß der Ausgang mit den ggf. mehrfach vorgesehenen Kollektoranschlüssen des dritten j Transistors verbunden ist (Fig. 3B). ,
23. Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch ge- ;

kennzeichnet, daß entsprechend der Anzahl von Eingängen in i Reihe und/oder parallel geschaltete Transistoren des ersten ; Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind. i
24. Halbleiterschaltungsanordnung nach mindestens einem der An- ■ Sprüche 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend

GE 975 004 M) 9837/05 8 2

der Zahl von Eingängen bzw. von Transistoren des ersten Leitfähigkeitstyps Umkehrtransistoren vom dazu komplementären Typ mit ggf. mehrfach vorhandenen Kollektoranschlüssen vorgesehen sind, deren Basisanschlüsse jeweils mit einem der mehreren Eingänge verbunden sind (Fig, 7C),
25. Halbleiterschaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kollektor des Umkehrtransistors vom zweiten Leitfähigkeitstyp zusätzlich Schottky-Entkopplungsdioden verbunden sind (Fig.8C).
26, Halbleiterschaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Ausgangstransistor(en) vom zweiten Leitfähigkeitstyp jeweils) mit einer sättigungsverhindernden Klemm-Diode, vorzugsweise Schottky-Diode, zwischen Kollektor- und Basisanschluß ausgestattet ist (sind),
27, Halbleiterschaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangstransistor vom zweiten Leitfähigkeitstyp ein Schottky-Kollektor-Transistor vorgesehen ist.
28. Halbleiterschaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem KoKoI-lektor mindestens eines der Transistoren vom ersten Leitfähigkeitstyp mindestens eine Entkoppel-Diode, vorzugsweise Schottky-Diode, zur Bereitstellung weiterer entkoppelter ^; Eingänge vorgesehen ist. _;

Q-7C ΓΙΓΛΛ