DE2509530C2 - Halbleiteranordnung für die Grundbausteine eines hochintegrierbaren logischen Halbleiterschaltungskonzepts basierend auf Mehrfachkollektor-Umkehrtransistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung, die jedoch nicht zur Durchführung logischer Verknüpfungen, sondern zur Pegelanpassung dient, ist aus Electronics, Bd. 47, H. 20, 3. Okt. 1974,S. I1l-I18,bekannt.

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 I²L (Integrated Injection Logic) breiten Eingang in die Fachliteratur gefunden hat, vgl. zum Beispiel die Aufsätze im IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-7, No. 5, Oktober 1972, Seiten 340—346 und 346—351, und die US-Patentschriften 37 36 477 sowie 38 16 758. 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/ Basis-Übergänge gespeist werden.

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

so 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 Erzielung einer guten Ausbeute und damit aus wirtschaftlichen aber auch aus technologischen Gründen der erforderliche Herstellungsprozeß einfach und gut beherrschbar sein. All diesen Gesichtspunkten trägt das geannnte· Logikkonzept grundsätzlich, insbesondere im Vergleich zu den existierenden Logikkonzepten (z. B. TTL-Logik). Rechnung.
Aus der Veröffentlichung im IBM Technical Disclosu-

re Bulletin, Band 14, No. 5, Oktober 1971. Seiten 1422, 1423, bzw. der DE-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 Ipjektionsstromes 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 Conferen- ίο ce 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 notwendige Inversion dagegen wird in N PN-Transistoren erreicht, wobei dieses System den Nachteil aufweist, daß die (verknüpfenden) Sekundär-lnjektionsstrukturen 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 zugrunde liegende Aufgabe, das obengenannte Injektions-Logikkonzept (MTL) im Sinne der Bereitstellung zusätzlicher entkoppelter Eingänge für Teilverknüpfungen zu verbessern (Erhöhung des logischen Wirkungsgrades). Unter Berücksichtigung der steten Forderung nach möglichst einfachen Grund-Strukturen sollen dabei insbesondere weitere logische Verknüpfungsfunktionen bereitgestellt werden bzw. die einfachere Realisierung bisheriger Verknüpfungsfunktionen unter Umgehung ansonsten vorhandener Einschränkungen, 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 verschiedensten Verknüpfungsnetzwerke 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.

Damit gelingt es, eine Halbleiteranordnung, basierend auf dem Prinzip der Stromeinspeisung durch direkte Injektion, vorzusehen, bei der durch bedingungsabhängiges Schalten des Injektionsstromes auf seiner Bahn zum jeweils ausgangsseitigen Umkehrtransistor zusätzliche Eingangs- bzw. Ausgangsmöglichkeiten bereitstehen. Dabei können in hohem Maße ansonsten erforderliche Leiterzugverbindungen auf dem Halbleiterkörper durch interne steuerbare Injektionskopplungen ersetzt werden. 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 t>5 Eingang ansteuern zu können.

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

F i g. 1 eine Zusammenste'.iung der in den Figuren verwendeten Symbole,

Fig.2 verschiedene Darstellungen des MTL-Grundbausteins, von dem die Erfindung ausgeht,

F i g. 3—6 durch Sekundär-lnjektionsgebiete gekennzeichnete Erweiterungen des MTL-Konzeptes,

Fig.7 erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit echter logischer Erweiterung hinsichtlich der Verknüpfungsmöglichkeiten und

Fig.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 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 Zeichnungen 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 Aus.'ührungsbeispiele eine zusätzliche Erläuterung gegeben. Bezüglich der Anschlüsse /, E und A wird vorausgeschickt, daß die Stromversorgung für die Primär-Injektionsgebiete, d. h„ der Betrieb der Injektoranschlüsse /, 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 Ekompatibel.

Soweit für die Ausführungsbeispiele Draufsichten bzw. Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung gegeben sind, ist darauf hinzuweisen, daß die Darstellung der gegenseitigen Anordnung von Dotierungsgebielen 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 F i g. 2A und 2B ist in einer Draufsicht bzw. einer zugehörigen Querschnittsdarstellung die bekannte MTL-Grundstruktur dargestellt. Der Aufbau sowie die Wirkungsweise 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 7"1, der durch direkte Injektion von Minoritätsträgern gespeist wird. Da für Verknüpfungszwecke der Verfügbarkeit von möglichst mehreren entkoppelten Ausgängen für jeweils gleiche logische Signale erhöhte Bedeutung zukommt, handelt es sich be.\ dem Umkehrtransistor um einen Mehrfachkollektor-Transistor. In Fig. 2 ist dieser Umkehrtransistor T\ als invers betriebener vertikaler NPN-Transistor aufgebaut, wobei für die Minoritätsträgerinjektion ein dazu komplementärer PNP-Transistor 7"2 vorgesehen ist, der in der gezeigten Struktur lateral ausgebildet ist. Beide Transistoren Jnd in einer höchste Integration erlaubenden Weise unter Ausnützung gemeinsamer Halbleiterdotierungsgebiete bzw. -zonen miteinander integriert. In einem gemeinsamen halbleitenden Grundmaterial 20, ζ. Β. aus N-Typ-Silizium, das vorzugsweise aus einer epitaktisch

aufgewachsenen Halbleiterschicht besteht und als Emitterzone des Umkehrtransistors Ti 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 Ti und gleichzeitig als Kollektorzone des lateral ausgebildeten (Injektions-)Transistors ΤΪ. Die Basiszone 21 von Ti 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 Au und A\i verbunden sind. Das P-Dotierungsgebiet 22 ist mit MTL-Konzeptes logische Kombinationen durch Schalten des Injektionsstromes im PNP-Teil möglich. Die sich daraus ergebende Funktion läßt sich so erklären, daß der vom Primär-lnjektionsgebiet ausgehende Injektionsstrom nur in Abhängigkeit von dem am Sekundär-Injektionsgebiet 30 anliegenden Bedingungseingang E₁ zur Basiszone des abschließenden Umkehrtransistors T}\ gelangen kann, wobei dessen Signal am Ausgang A seinerseits zusätzlich nur bedingungsabhängig vom weiteren Eingangssignal an seinem Basisanschluß £2 auftreten kann.

Die in Fig.3A dargestellte Anordnung stellt zwar noch keine echte logische Erweiterung dar, sie kann aber z. B. vorteilhaft eingesetzt werden, wenn nicht ge

einern !njektoranschluß / versehen, über den extern ein !5 nutend entkoⁿⁿe!te Kollektoren und somit

Strom in der gezeigten Pfeilrichtung eingeprägt wird. Das von einem extern zugeführten Strom gespeiste Dotierungsgebiet 22 wird in der Folge auch als Primär-lnjektionsgebiet bezeichnet. Schaltungstechnisch stellt es die Emitterzone des lateral ausgebildeten PNP-Transistors Tl dar, dessen Basiszone mit der Emitterzone des Umkehrtransistors TX im selben Halbleitergrundmaterial 20 ausgebildet ist. Bei Anlegen entsprechender Betriebsspannungen stellt dieser MTL-Grundbaustein praktisch ein Inverterglied dar.

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 F i g. 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. Inverterglied noch keine Logik aufbauen läßt, wohl aber mit NAND-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 A\ und /42 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 im inversen Betrieb, d.h. bei Verwendung der Kollektorzone 27 oder 28 als Emitter, eine große Stromverstärkung ß, aufweist.

In den F i g. 3A und 3B ist in einer Draufsicht bzw. in einem entsprechenden elektrischen Schaltbild eine Weiterbildung des bekannten MTL-Konzeptes dargestellt. Baut man zwischen dem Primär-lnjektionsgebiet (mit Injektoranschluß J) und der den Umkehrtransistor T_}\ darstellenden Transistorstruktur ein weiteres P-Typ-Emittergebiet ein, das im folgenden als Sekundär-Injektionsgebiet 30 bezeichnet werden soll, kann man die gleiche (NAND-)Funktion wie nach Fig.2E auf neue Weise erreichen. Damit werden auf der Grundlage des eines (NPN) Umkehrtransistors mit beispielsweise der Funktion E\ zur Verfügung stehen, um mehrere Verknüpfungen des Typs

A\ = E\ ■ £2, Ai = £| ■ £3 und Ai = E\ Ea

parallel zu erzeugen. In diesem Fall kann vorteilhaft eine Anordnung nach F i g. 3C verwendet werden.
Eine echte logische Erweiterung wird aDer mit paral-IeI angeordneten Sekundär-Injektionsgebieten entsprechend der Darstellung in F i g. 4 erzielt, wo diese Gebiete mit 40 und 41 bezeichnet sind. Die dort am Ausgang A erhaltene Verknüpfung Et-£2 +Ei kann im zugrunde liegenden MTL-Konzept nach dem Stande der Technik nicht direkt erzeugt werden. Läßt man den Eingang £3 offen, was dem Binärzustand »1« entspricht, wird am Ausgang A die Funktion E\ ■ £; erhalten, was der grundsätzlichen NOR-Funktion £1 + £2 entspricht. Es kann festgestellt werden, daß mit Anordnungen nach den F i g. 3 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-Konzeptes (Ausnutzung eines gemeinsamen (N-Typ) Halbleitermaterials; niedrige Versorgungsspannung; geringe Kapazitäten mit daraus resultierendem großen GeschwindigkeitS'/Verlustleistungsverhaltnis) durch Ausnutzung der bedingungsabhängigen Schaltbarkeit des Injektionsstromes.

In den F i g. 5A (Draufsicht), 5B (Querschnitt) und 5C (Schaltbild) ist dargestellt, wie man das 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 erzielen kann. Durch die in F \ g. 5 gezeigte Anordnung wird eine UND-Verknüpfung ermöglicht, denn die Basiszone

52 des N PN-Umkehrtransistors Γ51 am Ausgang erhält nur dann einen Strom vom Primär-lnjektionsgebiet 53, wenn alle Eingänge £1, £2 und £3 den oberen Spannungspegel aufweisen bzw. elektrisch offengelassen sind. Durch den NPN-Umkehrtransistor Γ51 am Ausgang erfolgt eine Invertierung, so daß die logische Verknüpfung der Gesamtanordnung im gezeigten Beispiel die NAND-Funktion bezüglich der Eingänge E\ bis £3 ist. Durch Vorsehung mehrerer Kollektorgebiete innerhalb der Umkehrtransistorstruktur läßt sich diese Funktion mehrfach in entkoppelter Form erhalten, wie das bei den früheren Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert worden ist.

Geht man noch einen Schritt weiter und betrachtet man auch den Eingang /des Primär-Injektionsgebietes

53 als logischen Eingang, so kann man die erzielbare

logische Verknüpfung verallgemeinern zu

vgl. Fig. 5C. Dies stellt die allgemeinste Form dar, da auch die Stromversorgung mit 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 F i g. 6 ist eine Anordnung mit mehreren parallelen Sekundär-Injektionsgebieten gezeigt. Durch solche Serien-/ParalIelanordnungen 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 Figur verwiesen werden.

Die in den F i g. 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele stellen noch nicht die Erfindung dar, sondern erläutern, für welche Art von Halbleiterschaltungsanordnungen die nach der Erfindung vorgesehenen Erweiterungsmaßnahmen vorteilhaft einsetzbar sind.

In den F i g. 7A und 7B ist nun bezüglich der integrierten Ausbildung bzw. in Fig. 7C bezüglich des elektrischen Schaltbildes ein Ausiümungsbeispiei der mit MTL-Strukturen möglichen Logikanwendungen nach der Erfindung angegeben. Die in den Fig.3 bis 6 gezeigten Beispiele mit Sekundär-Injektionsgebieten, die für sich schon logische Verknüpfungen verwirklichen, sind erfindungigemäß erweitert zu(NPN)-Umkehrtransistorstrukturen, die ihrerseits entkoppelte Kollektorausgänge enthalten, mit denen durch direkte Verbindung 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 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 Ei, £2. £3 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. B. 74 und 75, angeordnet sind. Die an den jeweiligen Ausgängen Au. ^12 usw. erhaltenen (Teil-)Funktionen sind in F i g. 7C dargestellt. Es ist wiederum festzustellen, daß all diese Funktionen direkt in entkoppelter Form und gegebenenfalls mehrfach bereitstehen, ohne daß zusätzliche Leiterzugverbindungen oder Isolationserfordernisse oder gesonderte Ausgangstreiberschaltungen erforderlich wären. Insbesondere kann mit jedem von einem Ausgang erhaltenen Signal direkt der Eingang einer weiteren Verknüpfungsstufe angesteuert werden. Losgelöst von dem speziellen Ausführungsbeispiel in F i g. 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 Injektionsstronies zueinander in Reihe und/oder parallel angeordnet sind und ihrerseits durch Vorsehung von einer oder mehreren Kollektorzonen zu Invertertransistoren erweitert sein können.

In den Fig. 8 bis 13 sind schließlich anhand von jeweils auf eine Teilstruktur innerhalb einer Verknüpfungskette beschränkten Anordnungen mit Hilfe einer Draufsicht und/oder Querschnittsdarstellung und/oder einem Schaltbildausschnitt die verschiedenen Möglichkeiten 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 Schaltgeschwindigkeit erhöhende Maßnahmen vorzusehen. Allgemein ist vorauszuschicken, daß sich entkoppelte (KoI-lektor-)Ausgänge grundsätzlich erreichen lassen, indem für die zugehörigen Umkehrtransistoren ein hoher ß,-Wert vorgesehen wird oder Schottky-Entkoppeldioden im gemeinsamen Halbleitergebiet (Kollektorzone) benutzt werden. In diesen Darstellungen weisen die Indizes »»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 Α,ι zwei Schottky-Kontakte 82 und 83 angeordnet sind. Die Entkopplung des Ausgangssignals erfolgt somit über Schottky-Dioden, von denen direkt die Eingänge weiterer Teilstrukturen angesteuert werden können. Wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, kann ferner auch ein ohmscher Kollektorkontakt für einen Ausgang A,-o vorgesehen sein, über den eine direkte Kollektorverbindung mit anderen entsprechenden Ausgängen hergestellt werden kann.

Das in den F i g. 9A—C dargestellte Ausführungsbeispiel ist demgegenüber erweitert, indem der N PN-Transislor Γβι (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 Fig.9A und 9B dargestellt ist, in vorteilhafter Weise in der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung vorgesehen werden. Dazu ist lediglich ein Schottky-Metallkontakt 93 in der im Ausführungsbeispiel grundsätzlich gezeigten Weise über dem an die Oberfläche tretenden Basis/Kollektorübergang 94 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/Halbleiterpaar ab. Durch Verwendung unterschiedlicher Metalle (oder Halbleitermaterialien) lassen sich damit Schottky-Kontakte unterschiedlicher Barrieren erzeugen. Bezüglich der unterschiedlichen Darstellung von Schottky-Kontakten mit hoher bzw. niedriger Barriere wird auf die in F i g. ί gegebene Darstellung verwiesen.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 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 7"_]0 gebildet. Durch Ein-

sparung eines gesonderten Dotierungsschrittes wird damit ein stark vereinfachter Herstellungsprozeß sowie eine weiter gesteigerte Packungsdichte möglich.

Die allein oder neben normalen Kollektorausgängen vorsehbaren Schottky-Entkoppeldioden können entweder mit dem (N-Typ-)Kollektor des (NPN-)Umkehrtransistors, vgl. F i g. 8 und 9, oder mit dem Eingang, d. h. dem (P-Typ)-Basisgebiet der komplementären (PNP-) Transistorstruktur integriert werden. Der letztere Fall ist in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11 im Querschnitt sowie im Schaltbild dargestellt. Neben den Schottky-Eingängen ist gegebenenfalls ein weiterer ohmscher Kontakt möglich, was durch den strichpunktierten Eingang Ε,.ο 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 NPN-Transistorkollektoren A,. 1 Α,·2-

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 12 unterscheidet sich von dem nach Fig. 11 lediglich dadurch, daß wieder zusätzlich eine Schottky-Klemmdiode 103 für den ausgangsseitigen Umkehrtransistor Tn vorgesehen ist.

Das in Fi g. 13A im Querschnitt sowie in Fi g. 13B im Schaltbild gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich schließlich von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 wiederum dadurch, daß der Umkehrtransistor als Schottky-Kollektor-Transistor Tn 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 ODER-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 N+ -dotierte Streifen oder geerdete P-Streifen zu diesem Zweck vorgesehen sein. Auch kann ein mit einem N-Kollektor versehener Sekundär-Injektor als Inhibitor geschaltet werden, indem dessen Basis mit dem Kollektor verbunden wird.

tS !St ΊνΕ^ι£ΓιιϊΠ üiiiCr uiuStäriucn VOrtciiiiäit, u3u SiCiι

Ketten — ausgehend von mehreren Primär-Injektionsgebieten — kreuzen, wenn sine 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/?, (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-lnjektionswirkung möglicherweise in einem speziellen Anwendungsfall nicht ausreicht.

Soweit ferner in den gezeigten Ausführungsbeispielen N-Typ- oder P-Typ-Halbleitergebiete gewählt wurden, lassen sich auch zugehörige komplementäre Strukturen durch Vertauschen der Leitfähigkeitstypen mit entsprechender Betriebsspannungsumkehr bzw. -anpassung einsetzen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung für die Grundbausteine eines hochintegrierbaren logischen Halbleiterschaltungskonzeptes, basierend auf Mehrfachkoüektor-Umkehrtransistoren, die durch Injektion von Ladungsträgern in ihre Emitter/Basiszonen gespeist werden, wobei mindestens ein mit einem Eingang ausgestattetes Sekundär-Injektionsgebiet im Bahnverlauf des von einem extern gespeisten Primär-Injektionsgebiet ausgehenden lnjektioncstromes vorgesehen ist, über das der Injektionsstrom bedingungsabhängig schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Sekundär-Injektionsgebiete (71, 72, 73 in Fig.7) zu einer ein entkoppeltes Ausgangssignal bereitstellenden Transistorstruktur erweitert ist, indem in diesem Sekundär-Injektionsgebiet mindestens ein Kollektor (74, 75) angeordnet ist

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Mehrfachkollektor-Umkehrtransistorstruktur von mehreren Primär- oder Sekundär-Injektionsgebieten umgeben ist, wobei die Sekundär-Injektionsgebiete im Verlauf des schaltbaren Injektionsstromes zueinander in Reihe oder parallel angeordnet sind.

3. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Injektionsströmen in bestimmte Richtungen Trenngebieie (Injektionsinhibitoren) vorgesehen sind.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Injektionsinhibitoren Bereiche aus einem Halbleiteroxid und/oder -nitrid vorgesehen sind.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Injektionsinhibitoren Bereiche aus isolierendem Material und/oder geeignete Dotierungsbereiche vorgesehen sind.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Injektionsinhibitoren vorhandene Sekundär-Injektionsgebiete mit einer darin eingebrachten Kollektorzone vorgesehen sind, wobei deren Basis- und Kollektorzone(n) miteinander verbunden sind.

7. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Bahnverlauf des Injektionsstromes maßgeblichen Abmessungen so dimensioniert sind, daß sich unterschiedliche Stromdichten in verschiedenen Richtungen ergeben.

8. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärkungsfaktor der Umkehrtransistoren bei Inversbetrieb/?/> 1 ist.

9. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kollektorzone (81 in Fig. 8) innerhalb eines Sekundär-Injektionsgebietes zusätzliche entkoppelte Ausgänge in Form von Schottky-Kontakten (82,83) als Entkoppeldioden vorgesehen sind.

10. Halbleiteranordnung nacii einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrtransistoren zumindest teilweise als Schottky-Kollektor-Transistoren ausgebildet sind (z. B.Fig. 10,11).

11. Halbleiteranordnung nach einem der vorher-

gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrtransistoren (Γ91 in Fig.9) mit einer zwischen Kollektor und Basis eingeschalteten Schottky-Klemmdiode (92) mit gegenüber den gegebenenfalls vorhandenen Entkoppeldioden (95, 96) höherer Schottky-Barriere ausgestattet sind.

12. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 sowie 10 oder 11. dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sekundär-Injektionsgebiet zusätzliche entkoppelte Eingänge (£_Γι, E_ri, E_r3> in Form von Schottky-Kontakten als Entkoppeldioden vorgesehen sind (z. B. F i g. 11).

13. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkehrtransistoren NPN-Transistoren und die Injektorstrukturen PNP-Transistoren sind.