DE2614580C2 - "I↑2↑L-Schaltung" - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine I2L-Schaltung
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige I2L-Schaltungen sind aus der DE-OS
24 43 171 bekannt.
Die Signalverbindung enthält einen als Stromquelle dienenden Hilfstransistor zur Aktivierung des gesteuerten
Transistors. Wenn der Hilfstransistor leitend ist, empfängt die Basis des gesteuerten Transistors einen
Einstellstrom, so daß dieser Transistor gleichfalls leitend ist. Wenn mit Hilfe des steuernden Transistors der
Strom in dem Hilfstransistor unterbrochen wird, schaltet der Hilfstransistor durch das Fehlen von
Basisstrom auf den nichtleitenden Zustand um.
Bei dieser bekannten I2L-Schaltung ist es nachteilig,
daß insbesondere die Umschaltung des gesteuerten Transistors auf den nichtleitenden Zustand verhältnismäßig
langsam vor sich geht. Diese Umschaltzeit ist von der Zeit abhängig, die für die Beseitigung der im
gesteuerten Transistor gespeicherten Ladung benötigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die I2L-Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so
weiterzubilden, daß die Umschaltzeit des gesteuerten Transistors in den nichtleitenden Zustand verkürzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise sind mit der Basis des gesteuerten Transistors keine weiteren Stromquellen verbunden.
Sofern derartige Stromquellen vorhanden sind, ist der Wert des der Basis dieses gesteuerten Transistors
zuzuführenden Stroms derart gewählt, daß der gesteuerte Transistor nur leitend ist, wenn Strom aus der
Signalverbindung zur Verfügung steht.
Falls von der Signalverbindung Strom geliefert wird, wird ein Teil dieses Stroms über den zweiten
Hilfstransistor abgeführt, wobei die Größe dieses Teils derart gewählt ist, daß der verbleibende Teil genügt, um
den gesteuerten Transistor leitend zu machen. Wenn der Stromweg über den ersten Hilfstransistor unterbrochen
wird, kann die in dem gesteuerten Transistor und in den mit der Basis dieses Transistors verbundene
Kapazität gespeicherte Ladung über den zweiten Hilfstransistor abgeführt werden. Bei der bekannten
I2L-Schaltung kann dagegen die gespeicherte Ladung praktisch nur durch Rekombination verschwinden.
Vorzugsweise ist der zweite Hilfstransistor kontinuierlich mit seinem zugehörigen Strominjektor verbunden,
so daß dieser Hilfstransistor beim Betrieb der
integrierten Schaltung eine dauernde leitende Verbindung zwischen der Basis und dem Emitter des
gesteuerten Transistors bildet
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der integrierten
12L-Schaltung nach der Erfindung befindet sich der zweite Hilfstransistor in derselben Stufe wie der
gesteuerte Transistor. Der zweite Hilfstransistor kann in diesem Falle zusammen mit den mit Strominjektoren
versehenen Transistoren dieser Stufe und dem gesteuerten Transirtor in demselben Halbleiterkörper oder in
derselben isolierten Halbleiterinsel einer integrierten Schaltung angebracht werden. Der Zusatz des zweiten
Hilfstransistors macht die integrierte Schaltung nicht oder nahezu nicht verwickelter und beeinflußt ihre
Zuverlässigkeit nahezu nicht
Der zu dem zweiten Hilfstransistor gehörige Strominjektor enthält drei aufeinanderfolgende Schichten,
wobei die erste und die zweite Schicht durch dieselben Schichten wie die erste und die zweite Schicht des (der)
zu den übrigen in derselben Stufe vorhandenen Transistoren gehörigen Strominjektors (Strominjektoren)
gebildet werden.
Als zweiter Hilfstransistor kann vorteilhafterweise eine umgekehrte Transistorstruktur Anwendung finden,
deren Basis und deren Emitter zugleich auch einen Teil des zugehörigen Strominjektors bilden. Umgekehrte
Transistorstrukturen sind in PL-Schaltungen gebräuchlich. Der zweite Hilfstransistor braucht keinen eigenen
Emitterkontakt und keinen Basiskontakt aufzuweisen und kann dadurch besonders klein sein.
Vorzugsweise wird der zweite Hilfstransistor mit seinem Strominjektor derart eingestellt, daß der Strom
durch den Hilfstransistor praktisch gleich der Hälfte des im leitenden Zustand durch die Signalverbindung
fließenden Stromes ist. Dann wird die Hälfte des von der Signalverbindung angebotenen Stromes / von dem
zweiten Hilfstransistor aufgenommen, während die andere Hälfte als Basisstrom für den gesteuerten
Transistor dient.
Die Größe des Stromes zum Abführen der in der Basis des gesteuerten Transistors gespeicherten Ladung
wird insbesondere durch die Einstellung des zweiten Hilfstransistors bestimmt. Diese Einstellung kann
mittels des zugehörigen Strominjektors beeinflußt werden. Die letzte Schicht dieses Strominjektors, die
vorzugsweise mit der Basis des gesteuerten Transistors zusammenfällt, kann als der Kollektor eines komplementären
Transistors betrachtet werden. Mit Hilfe der Basisdicke dieses komplementären Transistors, die in
der Topologie oder dem »Layout« der integrierten Schaltung gewählt werden kann, kann der Einstellstrom
des zweiten Hilfstransistors in bezug auf die anderen in der Schaltung angewandten Einstellströme geregelt
werden. Auch kann der Einstellstrom durch die Größe der injizierenden Oberfläche des gleichrichtenden
Übergangs des Strominjektors, über den Ladungsträger injiziert werden, die von der Basis des zweiten
Hilfstransistors gesammelt werden und den zugeführten Einstellstrom liefern, beeinflußt werden. In praktischen
Ausführungen wird die Größe der injizierenden Oberfläche meistens mit der Länge eingestellt werden
können, über die der Emitter-Basis-Übergang und der Kollektor-Basis-Übergang des vorgenannten komplementären
Transistors des Strominjektors an der Halbleiteroberfläche einander zugewandt sind.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fie. I einen Teil eines Schaltbildes eines Ausführungsbeispiels
der I2L-Schaltung, und
Fig.2 schematisch einen Schnitt durch einen Teil
einer integrierten I2L-Scha!tung, in der das Schaltbild
nach Fi g. 1 praktisch ausgeführt ist.
Im Schaltbild nach F i g. 1 ist ein npn-Transistor 4 dargestellt, der nicht mit einem zugehörigen Strominjektor verbunden ist und mittels einer Signalverbindung 5 gesteuert wird. Der Transistor 4 und die Verbindung 5 entsprechen dem gesteuerten Transistor und der
Im Schaltbild nach F i g. 1 ist ein npn-Transistor 4 dargestellt, der nicht mit einem zugehörigen Strominjektor verbunden ist und mittels einer Signalverbindung 5 gesteuert wird. Der Transistor 4 und die Verbindung 5 entsprechen dem gesteuerten Transistor und der
ίο Signalverbindung nach der vorgenannten DE-OS
24 43 171. Der Einfachheit halber wird hier für die Beschreibung der Signalverbindung und der praktischen
Ausführungen derselben sowie für die Ausbildung einer I2L-Schaltung mit Gruppen von mit Strominjektoren
versehenen Transistoren, die als Stufen zwischen zwei Anschlüssen für eine Speisequelle in Reihe geschaltet
sind, auf die DE-OS 24 43 171 verwiesen. Die nachstehende Beschreibung beschränkt sich auf denjenigen Teil
der integrierten Schaltung, in dem der Zusatz des zweiten Hilfstransistors zum Erhalten der mit der
vorliegenden Erfindung angestrebten Verbesserung verwirklicht ist.
Der gesteuerte Transistor 4 liegt in einer Stufe, von der die meisten Transistoren mittels eines oder
mehrerer zugehörigen Strominjektoren, die schematisch durch die Diode 1 dargestellt sind, Einstellstrom
empfangen. Diese Diode befindet sich zwischen den Anschlüssen 2 und 3, mit deren Hilfe diese Stufe in die
Reihenschaltung von Stufen aufgenommen ist. Die Signalverbindung 5 verbindet einen in einer höheren
Stufe liegenden steuernden Transistor mit dem gesteuerten Transistor 4.
Nach der Erfindung ist ein zweiter Hilfstransistor 6 vorgesehen, der vom gleichen Typ wie der gesteuerte
Transistor 4 ist. Die Transistoren 4 und 6 sind also beide npn-Transistoren. per zweite Hilfstransistor 6 ist zu
dem Emitter-Basis-Übergang des gesteuerten Transistors 4 dadurch parallel geschaltet, daß der Kollektor
des Transistors 6 mit der Basis des Transistors 4 verbunden ist und weiter die Emitter dieser beiden
Transistoren miteinander gekoppelt sind. Der Emitter des Transistors 6 kann stattdessen auch mit einem
anderen niedriger liegenden Bezugspotentialpunkt in der Schaltung verbunden werden.
Der zweite Hilfstransistor 6 ist mit einem Strominjektor verbunden, der durch den komplementären Transistor
7 (also vom pnp-Typ) dargestellt ist, dessen Emitter mit dem Anschluß 2 und dessen Basis mit dem Anschluß
3 verbunden ist, während der Kollektor des Transistors 7 zu der Basis des zweiten Hilfstransistors 6 führt.
Beim Betrieb der Schaltung führt der Transistor 7 kontinuierlich der Basis des zweiten Hilfstransistors 6
Einstellstrom zu, wodurch dieser Transistor 6 eine dauernd leitende Verbindung zwischen der Basis des
gesteuerten Transistors 4 und einem geeigneten Bezugspotentialpunkt herstellt. Über diese leitende
Verbindung kann ein Strom mit einer maximalen Größe h abgeführt werden, der durch den vom Transistor 7
zugeführten Basisstrom und den Stromverstärkungsfaktor β des zweiten Hilfstransistors 6 bestimmt wird.
Wenn über die Signalverbindung 5 ein logisches Signal an die dargestellte Stufe weitergeleitet werden
muß, das dem leitenden Zustand des gesteuerten Transistors 4 entspricht, wird in der Signalverbindung 5
ein von dem nicht dargestellten steuernden Transistor geregelter Strom /angeboten. Ein Teil h desselben wird
über den zweiten Hilfstransistor 6 abgeführt. Der verbleibende Teil (I — h muß genügend groß sein, um
den Transistor 4 in den leitenden Zustand zu bringen und in diesem Zustand zu halten. Vorzugsweise wird der
Strom h auf einen Wert eingestellt, der etwa gleich der Hälfte des Stromes / ist.
Wenn sich das logische Signal ändert, wird der Strom / in der Signalverbindung 5 unterbrochen. Der zweite
Hilfstransistor 6 bleibt stromführend, bis alle in dem Transistor 4 und den mit dessen Basis verbundenen
Streukapazitäten gespeicherte Ladung verschwunden ist und der Transistor 4 auf den nichtleitenden Zustand
umgeschaltet ist. Durch die verhältnismäßig schnelle Ableitung gespeicherter Ladung wird die für den
Transistor 4 benötigte Umschaltzeit erheblich verkürzt.
Die Transistoren 4, 6 und 7 können einfach in einer I2L-Schaltung verwirklicht werden. Fig. 2 zeigt in
vereinfachter Darstellung einen Teil einer integrierten Schaltung, der diese Transistoren enthält.
Die integrierte Schaltung mit mit Strominjektoren versehenen Transistoren oder die I2L-Schaltung enthält
einen Halbleiterkörper mit einem Substrat 11, das aus p-leitendem Silicium bestehen kann. Auf dem Substrat
11 befindet sich eine η-leitende epitaktische Schicht 12.
Der gesteuerte Transistor 4 ist ein npn-Transistor mit einem durch Dotierung erhaltenen p-leitenden Basisgebiet
15, in dem zwei Kollektoren 16 und 17 untergebracht werden können. Die Anschlüsse 22, 23
und 24 stellen die Basis- und Kollektorkontakte dieses Transistors dar.
Die epitaktische Schicht 12 ist auf übliche Weise in eine Anzahl gegeneinander isolierter Inseln (nicht
dargestellt) unterteilt. F i g. 2 zeigt einen Teil einer dieser Inseln mit einer vergrabenen Schicht 26, die
höher als ein verbleibender Teil der epitaktischen Schicht dotiert ist. in dem nur die ursprüngliche
Dotierungskonzentration vorhanden ist. Die vergrabene Schicht 26 ist vom gleichen Leitungstyp wie die
epitaktische Schicht und kann mit n+ bezeichnet werden.
Sowohl der Emitter des gesteuerten Transistors 4 als auch der Emitter des Hilfstransistors 6 werden durch die
dargestellte Insel gebildet. Das Basisgebiet 15 ist noch von einem höher dotierten η + -Gebiet 25 umgeben, das
u. a. zur Vergrößerung des Verstärkungsfaktors β dieses Transistors 4 dient und das verhindert, daß anderswo in
die epitaktische Schicht injizierte Minoritätsladungsträger oder Löcher vom Basisgebiet 15 gesammelt werden
können. Das Basisgebiet 15 ist nicht mit einem zugehörigen in derselben Stufe liegenden Strominjektor
zum Zuführen von Einstellstrom verbunden.
Der zweite Hilfstransistor 6 weist ferner ein durch Dotierung erhaltenes p-leitendes Basisgebiet 14 und
einen Kollektor 18 auf, der mit einem Kollektorkontakt 21 versehen ist. Neben dem Basisgebiet 14 befindet sich
ein weiteres p-leitendes Gebiet 13. Die Gebiete 13, 12 und 14 bilden einen zu dem zweiten Hilfstransistor 6
gehörigen Strominjektor, der in F i g. 1 durch den pnp-Transistor 7 dargestellt ist. Das Gebiet 13 ist mit
einem Anschlußkontakt 19 versehen. Das Basisgebiet 14 braucht keinen Anschlußkontakt aufzuweisen.
Der zweite Hilfstransistor 6 befindet sich in derselben Stufe wie der gesteuerte Transistor 4 und beide
Transistoren sind mit einer sogenannten umgekehrten Transistorstruktur ausgeführt, wobei dasselbe Halbleitergebiet
als gemeinsamer Emitter für diese Transistoren dienen kann.
ίο Das Gebiet 13 bildet die erste Schicht des in diesem
Beispiel aus drei Schichten bestehenden zu dem zweiten Hilfstransistor 6 gehörigen Strominjektors. Dabei kann
das Gebiet 13 zugleich die erste Schicht zu anderen nicht dargestellten Transistoren derselben Stufe gehöriger
Strominjektoren bilden. Den Strominjektoren ist dann nicht nur die erste Schicht, sondern auch die durch
das η-leitende Gebiet 12,25,26 gebildete zweite Schicht
gemeinsam.
Oft werden somit die erste und die zweite Schicht aller Strominjektoren derselben Stufe praktisch das
gleiche Potential führen, wodurch auch das Niveau der Injektion von Ladungsträgern über den gleichrichtenden
Übergang zwischen diesen Schichten für alle Strominjektoren praktisch gleich sein wird. Sofern für
2r) verschiedene Transistoren verschieden große Einstellströme
erwünscht sind, können diese mit dem Abstand zwischen der Schicht, die die Ladungsträger, die vom
betreffenden Basisgebiet gesammelt werden, injiziert (im vorliegenden Beispiel dem Gebiet 13) und dem
betreffenden Basisgebiet (im vorliegenden Beispiel dem Gebiet 14) eingestellt werden. Dieser Abstand bestimmt
ja die Basisdicke des komplementären Transistors 7 und beeinflußt damit den Stromverstärkungsfaktor α dieses
komplementären Transistors.
Außer mit dem zugeführten Einstellstrom kann der Wert des Stromes h auch durch den Stromverstärkungsfaktor
β des zweiten Hilfstransistors 6 beeinflußt werden. Auf an sich bekannte Weise kann das
Verhältnis zwischen dem Strom h und dem zugeführten Einstellstrom auf einen bestimmten Wert eingestellt
werden, dadurch, daß in dem Basisgebiet 14 ein zusätzlicher Kollektor mit einer geeignet gewählten
Oberfläche angebracht wird, wobei dieser zusätzliche Kollektor mit dem Basisgebiet 14 kurzgeschlossen ist
Es können andere Halbleitermaterialien als Silicium, z. B. Germanium oder A'"BV-Verbindungen, verwendet werden. Auf der Halbleiteroberfläche kann eine Isolierschicht angebracht sein, auf der sich Leiterbahnen erstrecken, die die in dem Schaltbild der Fig. 1 weiter noch dargestellten elektrischen Verbindungen der integrierten Schaltung bilden.
Es können andere Halbleitermaterialien als Silicium, z. B. Germanium oder A'"BV-Verbindungen, verwendet werden. Auf der Halbleiteroberfläche kann eine Isolierschicht angebracht sein, auf der sich Leiterbahnen erstrecken, die die in dem Schaltbild der Fig. 1 weiter noch dargestellten elektrischen Verbindungen der integrierten Schaltung bilden.
Die im Beispiel angegebenen Leitungstypen können untereinander ausgetauscht werden, wobei die fur die
Ströme / und h angegebenen Richtungen beide invertiert werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. I2L-Schaltung, bei der mehrere Basis- und
Kollektorelektroden aufweisende Transistoren mit zugehörigen Strominjektoren zum Zuführen von
Einstellstrom verbunden sind, wobei jeder Strominjektor mindestens eine erste, eine zweite und eine
dritte Schicht aufweist, welche drei Schichten aufeinanderfolgen und durch gleichrichtende Übergänge
voneinander getrennt sind, bei der ferner zwei Anschlüsse für eine Speisequelle vorgesehen sind,
wobei die Transistoren mit ihren zügehörigen Strominjektoren über mehrere etwa gleiche Einstellströme
benötigende Gruppen verteilt sind, die in Reihe zwischen diesen zwei Anschlüssen angeordnet
sind, wobei eine erste der Gruppen, in der die erste Schicht des zugehörigen Strominjektors bzw. der
zugehörigen Strominjektoren mit dem einen Anschluß verbunden ist, die höchste Stufe in der
Reihenschaltung bildet, eine andere der Gruppen, in der die zweite Schicht des zugehörigen Strominjektors
bzw. der zugehörigen Strominjektoren mit dem anderen Anschluß verbunden ist, die niedrigste Stufe
in der Reihenschaltung bildet, und die übrigen Gruppen zwischenliegende Stufen bilden, wobei von
höheren und niedrigeren Stufen die höhere Stufe in der Reihenschaltung der höchsten Stufe näher liegt
als die niedrigere Stufe, wobei die zweite Schicht des Strominjektors bzw. der Strominjektoren der
höchsten Stufe mit der ersten Schicht des Strominjektors bzw. der Strominjektoren der nächstniedrigeren
Stufe verbunden ist, und wobei eine elektrische Signalverbindung zwischen einem Kollektor
eines in einer höheren Stufe liegenden steuernden Transistors und der Basis eines in einer
niedrigeren Stufe liegenden gesteuerten Transistors vorhanden ist, welche Signalverbindung mindestens
einen Hilfstransistor von i.inem zu dem des steuernden und des gesteuerten Transistors komplementären
Typ enthält, wobei der Kollektor dieses komplementären Hilfstransistors mit der Basis des
gesteuerten Transistors verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß in einer Stufe, die niedriger als diejenige Stufe liegt, in der sich der
steuernde Transistor befindet, ein zweiter Hilfstransistor (6) vom gleichen Typ wie der steuernde und
der gesteuerte Transistor (4) vorhanden ist, wobei dieser zweite Hilfstransistor (6) mit einem zugehörigen
Strominjektor (7) verbunden und zu dem Emitter-Basis-Übergang des gesteuerten Transistors
(4) parallel geschaltet ist, und wobei dieser zweite Hilfstransistor (6) wenigstens leitend ist
während der Zeit, in der der gesteuerte Transistor (4) leitend ist, und während der Zeit, die dazu
benötigt wird, diesen gesteuerten Transistor (4) in den nichtleitenden Zustand zu bringen.
2. 12L-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Hilfstransistor (6) eine dauernde leitende Verbindung zwischen der Basis
(15) und dem Emitter des gesteuerten Transistors (4) bildet.
3. PL-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Hilfstransistor
(6) in derselben Stufe wie der gesteuerte Transistor (4) befindet.
4. I2L-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste (14) und die zweite (12, 25,26) Schicht des zu dem zweiten Hilfstransistor (6)
gehörigen Strominjektors (7) durch dieselben Schichten gebildet werden wie die erste und die
zweite Schicht des bzw. der zu den übrigen in derselben Stufe vorhandenen Transistoren gehörigen
Strominjektors bzw. Strominjektoren.
5. I2L-Schaltung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hilfstransistor (6) und der zugehörige Strominjektor
(7) derart ausgebildet sind, daß der maximale Kollektorstrom (I2) des zweiten Hilfstransistors (6)
praktisch gleich der Hälfte des Stromes (I) ist, der im leitenden Zustand durch die Signalverbindung (5)
fließt
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