DE2657293B2

DE2657293B2 - Elektrische Schaltungsanordnung in Transistor-Transistor-Logikschaltung (TTL)

Info

Publication number: DE2657293B2
Application number: DE2657293A
Authority: DE
Inventors: Stephen Francis Sales Cheshire Colaco (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Plessey Semiconductors Ltd
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1980-05-29
Also published as: DE2657293C3; US4049975A; DE2657293A1; GB1556169A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltungsanordnung in Transistor-Transistor-Logikschaliung (TTL) mit NPN-Transistoren der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits bekannt (radio fernsehen elektronik, 22 [1973] H. 15, S. 492). Die bekannte Schaltungsanordnung weist einen Eingangstransistor, eine zweite Stufe, die insbe-

4> sondere als Phasenteiler dient, einen Ausgangstransistor und eine Anhebestufe auf. Der Eingangstransistor ist mit mehr als einem Emitter versehen, um unterschiedliche Eingänge anzuschließen (Mehremitter-Eingangstransistor). Der Kollektor des Eingangs-

V) transistors ist an die zweite Stufe angeschlossen, die außer dem Transistor noch eine Diode enthält. Bei dieser Transistor-Dioden-Kombination ist die Diode zwischen die Basis und den Kollektor des Transistors als Schottky-Transistor geschaltet.

τ, Darüber hinaus ist es bei Logikkreisen, die nach der TTL-Schalttechnik aufgebaut sind, bekannt (Funkschau 1971, H. 8, S. 230), eine Betriebsspannung von 5 V zu verwenden.
Obwohl TTL-Schaltungen aus diskreten Schaltele-

bo menten aufgebaut werden können, ist es möglich, solche Schaltungen wenigstens teilweise auch in einem monolithischen Halbleiterkörper aufzubauen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf solche integrierte Schaltungen.

h-, Bei üblichen TTL-Schaltungsanordnungen (IEEE .lournal of Solid-State Circuits, Vol. SC-K), No. 2, April 1975, S. 112) kann der Emitter eines NPN-Mehrfachemitter-Eingangstransistors individuell an

jeden erforderlichen Schaltungseingang angeschlossen werden, während die Basis über einen Widerstand an eine Speisespannung von 5 V angeschlossen ist. Der Kollektor ist an einen PhasenteLer angeschlossen, der zwischen die Speisespannung und einen an niedrigerer Spannung liegendem Anschluß, beispielsweise an Masse, gelegt ist, der üblicherweise Null-Potential führt. Ein Ausgang des Phasenteilers ist mit der Basis eines Ausgangstransistors und ein anderer Ausgang desselben mit einer Hebestufe für dne Ausgangstransistor verbunden, wobei der Ausgangstransistor und die Hebestufe in Reihe zwischen die Spannungsanschlüsse geschaltet sind, während der Ausgang der Schaltungsanordnung an einem Punkt zwischen dem Ausgangstransistor und der Hebestufe liegt. In Übereinstimmung mit einer positiven Logik und anderen Formen logischer Tore kann bei einer solchen Schaltungsanordnung ein NAND-Tor vorgesehen sein; durch Hinzunahme von Inverterstufen an entsprechenden Punkten ist dieses Tor modifizierbar. Solche logischen Schaltungen können in Übereinstimmung mit der negativen Logik-Konvention betrieben werden.

In einem konventionellen TTL-Schaltkreis ist die Phasenteilerstufe so angeordnet, daß sie einen Transistor aufweist, dessen Basis an den Kollektor Jes Eingangstransistors geschaltet ist und dessen Kollektor über einen Widerstand an die erste Speiseleitung geschaltet ist, um ihn auf dem ersten Potential zu halten. Der Emitter ist über einen anderen Widerstand mit der zweiten Speiseleitung verbunden, um ihn auf dem zweiten Potential zu halten. Der Ausgang des Phasenteilers, der mit dem Ausgangstransistor verbunden ist, ist an einem Punkt zwischen dem Emitter und dem Widerstand im Emitterkreis des Transistors der Phasenteilerstufe vorgesehen. Der andere Ausgang des Phasenteilers, der mit der Hebestufe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor verbunden ist, ist an einem Punkt zwischen dem Kollektor und dem Widei stand im Kollektorkreis des Transistors des Phasenteilers angeordnet. Die Hebestufe kann irgendeine aktive oder passive Form haben. Die Verwendung einer aktiven Hebestufe für den Ausgangstransistor umfaßt einen Widerstand zwischen dem Kollektor eines Transistors der aktiven Hebestufe und der ersten Speiseleitung sowie eine Diode zwischen dem Emitter des Transistors und dem Ausgangstransistor. Der Ausgang der Schaltung ist an einem Punkt zwischen der Diode und dem Ausgangstransistor vorgesehen.

Im Betrieb der konventionellen TTL-Schaltung mit NAND-Tor, wenn wenigstens einer der Emitter des Eingangstransistors auf einem niedrigen positiven Potential liegt, das als unterer Eingang für die Schaltung angesehen wird, werden der Transistor des Phasenteilers und der Ausgangstransistor abgeschaltet, der Transistor der aktiven Hebestufe arbeitet als Emitter-Folger und das Potentialniveau des Ausganges ist das hohe positive Potentialniveau. Wenn alle Emitter des Eingangstransistors auf hohem positiven Potential liegen, das als obere Eingangsstufe für die Schaltung angesehen wird, werden der Transistor des Phasenteilers und der Ausgangstransistor angeschaltet und sie sind in gesättigtem Zustand. Der Transistor der aktiven Hebestufe ist abgeschaltet. Das Potentialniveau des Ausganges ist ein unteres positives Niveau.

Wenn das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors oder die Eingangsgröße der Schaltung von Null auf wenigstens einen Wert über dem Null-Potential der zweiten Speiseleitung zunimmt, das gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über einer vorwärts vorgespannten Diode oder einem PN-Übergang ist, falls in der Schaltung vorhanden, und wenn die Schaltung in Betrieb ist, wird der Transistor des Phasenteilers angeschaltet, während der Ausgangstransistor abgeschaltet bleibt. Eine solche Potentialdifferenz kann im Bereich von 0,4 bis 1,0 Volt und vorzugsweise im Bereich von etwa 0,65 bis etwa 0,75 Volt bei 25° C liegen. Der Ausgangstransistor wird nicht angeschaltet bis auf das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors auf wenigstens eine Höhe oberhalb derjenigen der zweiten Speiseleitung erhöht wird, die im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über zwei vorwärts vorgespannten Dioden oder PN-Übergängen ist. Dieses Potentialniveau enthält den Eingangsschwellwert für die Schaltungsanordnung. Da das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors oder die Eingangsgröße der Schaltung weiterhin erhöht wird, wird der Ausgangstransistor gesättigt. Da die Eingangsgröße der Schaltung wieder zunimmt, wird der Transistor der Phasenteilerstufe gesättigt und der Transistor der aktiven Hebestufe, der zuvor angeschaltet worden ist, wird abgeschaltet. Die Eingangsgröße der Schaltungsanordnung kann auf eine Höhe unterhalb der ersten Speisespannung der ersten Speiseleitung zunehmen um einen Betrag, der im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz an zwei vorwärts-betriebenen Dioden oder PN-Übergängen ist.

So liegt die Eingangsspannungsschwankung (voltage swing) der Schaltungsanordnung zwischen im wesentlichen zwei maximal erreichbaren vorwärtsbetriebenen Diodenpotentialen über Null und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren vorwärts-betriebenen Diodenpotentialen unter der Speisespannungshöhe. Die Ausgangsspannungsschwankung der Schaltung liegt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor sättigt und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren vorwärts-geschalteten Dioden-Potentialen unter der Speisespannungshöhe. Der untere Eingang für die Schaltungsanordnung liegt vor, wenn die Eingangsgröße zwischen dem Schwellenwert und demjenigen liegt, bei dem der Transistor der aktiven Hebestufe abgeschaltet wird und der obere Eingang (high input state) liegt vor, wenn die Eingangsgröße den Wert übersteigt, bei dem der Transistor der aktiven Hebestufe abgeschaltet wird.

Integrierte TTL-Schaltungsanordnungen haben einen weiten Anwendungsbereich gefunden und ihre Betriebscharakteristiken sollen zwischen bestimmten Bereichen liegen, wenn die Schaltungsanordnungen kommerziell verwertbar sein sollen. Solche Wechselstrom- und Gleichstrom-Betriebscharakteristiken einer TTL-Schaltung können dahingehend spezifiziert werden, daß das Eingangsschwellenpotential der Schaltung über dem Null-Potential der zweiten Speiseleitungso hoch als möglich sein sollte. Es wird ferner gefordert, daß der Transistor der aktiven Hebestufe vollständig abgeschaltet werden kann, wenn die Schaltungsanordnung sich im unteren Eingangszustand (low input state) befindet. Die Ausgangsimpedanz zur ersten Speiseleitung ist niedrig, wenn die Schaltungsanordnungentweder in ihrem unteren oder ihrem oberen Eingangszustand bzw. ihrer unteren oder oberen Eingangsstufe ist. Die Schaltungsanordnungist dann in der Lage, eine Komponente mit einer

beträchtlichen Kapazität anzusteuern bzw. zu betreiben, ohne ihre Ausbreitungsverzögerung zu verschlechtern. Die Ausbreitungsverzögerung der Schaltung liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 10 Nanosekunden. Die Speisespannung beträgt wenigstens etwa 4,5 Volt und vorzgugsweise etwa 5 Volt. Der Ausgang der Schaltung schwankt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor der Schaltung sättigt und sie soll so niedrig wie möglich sein, zweckmäßigerweise etwa 0,3 Volt, und einer Spannung in der Größenordnung von etwa 3,4 Volt. Der Eingangsstrom der Schaltung im oberen Eingangszustand (high input state) ist so niedrig wie möglich und liegt zweckmäßig in der Größenordnung von etwa 5 Mikroampere bei 2,4 Volt. Ferner ist es erforderlich, daß der Gesamtstrom-Verstärkungsfaktor, der dem Eingangstransistor zugeordnet ist und gesehen von einer äußeren Schaltung, so niedrig wie möglich ist, wobei entsprechend das Eingangsschwellwert-Potential der Schaltung so hoch wie möglich ist und der Ausgangstransistor bei einer so niedrig wie möglichen Spannung gesättigt wird.

Allgemein sind die Schaltungselemente unterschiedlicher Typen innerhalb eines Halbleiterkörpers einer integrierten Schaltung ähnlich aufgebaut und sie sind insbesondere sehr ähnlich bei bipolaren Transistoren. So haben die Transistoren einer Schaltungsanordnung unvermeidlich denselben Aufbau. Ferner wird durch die Art der Herstellung eines bipolaren Transistors wenigstens teilweise der Aufbau des Transistors und wenigstens teilweise seine Betriebscharakteristiken bestimmt. Ferner wird durch die Art der Herstellung der bipolaren Transistoren einer integrierten Schaltung wenigstens teilweise der Aufbau anderer Schaltungselemente des Halbleiterkörpers der integrierten Schaltung bestimmt und wenigstens teilweise die Betriebscharakteristik der Schaltung.

TTL-Schaltungen und integrierte TTL-Schaltungen, die solche Schaltungsanordnungen verwirklichen und auf die sich die Erfindung bezieht, sollen nur bipolare Transistoren, Widerstände und Dioden aufweisen, wobei jede Diode durch einen bipolaren Transistor und durch Kurzschließen eines PN-Überganges des Transistors gebildet werden kann. Die Widerstände können in dem Halbleiterkörper der Schaltung vorgesehen werden und/oder jeder kann einen Dünnfilmwiderstand aufweisen, der auf einer Schicht eines Passivierungsmaterials des Halbieiterkörpers ausgebildet ist.

Übliche integrierte TTL-Schaltungen enthalten bipolare Transistoren, von denen jeder nach einer Methode hergestellt ist, bei der die Basis und der Emitter in separaten Diffusionsschritten ausgebildet werden. Ferner sind diese integrierten TTL-Schaltungen im wesentlichen gleichmäßig mit einem Element, wie z. B. Gold, dotiert, um dne inversen Stromverstärkungsfaktor der Transistoren zu reduzieren und um sicherzustellen, daß nur niedrige Speicherkonzentrationen von Ladungsträgern innerhalb der Transistoren vorhanden sind, und daß die Transistoren die schnellen Schaltzeiten haben, wenn sie in Vorwärtsrichtung betrieben werden, wie bei TTL-Schaltungen erwünscht. Deshalb ist der Strom bei der hohen oder oberen Eingangsstufe (high input state) für die Schaltung so niedrig wie möglich und die Ausbreitungsverzögerung der Schaltungsanordnung ist klein. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit werden in dieser Beschreibung solche konventionellen Methoden zur Herstellung von bipolaren Transistoren und zur Herstellung von TTL-integrierten Schaltungen, die solche Transistoren enthalten, als konventionelle Doppeldiffusions-Methoden bezeichnet, während die so herge-• stellten Transistoren als konventionelle doppel-diffundierte Transistoren bezeichnet werden und die TTL-integrierten Schaltungen, die solche Transistoren enthalten, werden als übliche Doppel-Diffusions-TTL-Schaltungen bezeichnet. Aus Gründen der

to Zweckmäßigkeit wird ferner in dieser Beschreibung zur Reduzierung des inversen Stromverstärkungsfaktors der Transistoren und zur Sicherstellung, daß nur niedrige Speicherkonzentrationen von Ladungsträgern in den Transistoren vorhanden sind, nur Gold

r> betrachtet bzw. berücksichtigt. Die Golddotierung wird als Teil einer konventionellen Doppel-Diffusions-Methode betrachtet und konventionelle Doppeldiffusionstransistoren und TTL-Schaltungen werden betrachtet als im wesentlichen gleichmäßig mit

>o Gold dotiert.

Eine neue Methode zur Herstellung von bipolaren Transistoren und integrierten Halbleiterschaltungen mit bipolaren Transistoren und anderen Schaltungselementen, die in dem Halbleiterkörper der Schaltung

r> ausgebildet sind, und die einen Aufbau verwenden, der demjenigen der bipolaren Transistoren sehr ähnlich ist, sind insofern vorteilhaft, als eine Golddotierung unterbleibt. Diese Methoden werden als Methoden ohne Golddotierung bezeichnet und die Schaltun-

JIi gen als Schaltungen ohne Golddotierung. Eine solche Methode kann eine Doppeldiffusions-Methode sein. Die Vorrichtungen, in denen solche Transistoren ausgebildet sind, können kleiner sein und die Verfahren verwenden weniger Verfahrensstufen als die übliche

η Doppeldiffusions-Methode. Der Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute bei der Verwendung dieser Verfahren sind daher größer als bei den konventionellen Verfahren und es kann eine größere Anzahl von Einrichtungen bzw. Schaltungselementen in einer Scheibe eines

Ao Halbleitermaterials mit gegebenem Durchmesser vorgesehen werden, wodurch auch die prozentuale Ausbeute an Schaltungsgeräten gesteigert wird.

Einige dieser neuen Methoden zur Herstellung bipolarer Transistoren verwenden einen Halbleiterkör-

4, per mit einer flachen epitaktischen Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Substrat derselben Leitfähigkeit, wobei die epitaktische Schicht und das Substrat aus einem Material mit hohem Widerstandswert bestehen. Jeder hierbei vorgesehene bipolare Transistor hat ei-

-_>n nen Kollektor vom Typ N, der wenigstens eine stark dotierte vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der epitaxialen Schicht aufweist. Die Basis mit P-Leitfähigkeit ist innerhalb der epitaktischen Schicht ausgebildet und umfaßt wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaktischen Schicht, während der Emitter mit N-Leitfähigkeit aus einem diffundierten Teil innerhalb der Basis gebildet ist. Ein solcher Transistor hat beispielsweise den sogenannten Kollektor-Diffu-

_b0 sion-Isolations-Aufbau oder Isoplanar-Aufbau oder VIP bzw. V-ATE-Konstruktion. Aus Zweckmäßigkeitsgründen werden nachfolgend in der Beschreibung diese neuen Methoden zur Herstellung von bipolaren Transistoren und integrierten Halbleiter-

_b5 schaltungen mit solchen Transistoren als Methoden mit epitaktischer Basis bezeichnet, die Transistoren als solche mit epitaktischer Basis und die TTL-integrierten Schaltungen mit solchen Transistoren werden

als TTL-Schaltungen mit epitaktischer Basis bezeichnet. Die Erfindung betrifft solche TTL-Schaltungen mit epitaktischer Basis und TTL-Schaltungen die mit Hilfe eines Verfahrens mit epitaktischer Basis wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper ausgebildet werden können.

Transistoren mit epitaktischer Basis unterscheiden sich von üblichen doppel-diffundierten Transistoren insofern als sie nicht zufriedenstellend mit Gold dotiertwerden können, weil die Nebeneffekte, die durch die Golddotierung bei Transistoren mit epitaktischer Basis entstehen, beträchtlich sind und die Transistoren nachteilig beeinflussen. Dies rührt davon her, daß die Transistoren wenigsten teilweise in flachen epitaxiaien Schichten ausgebildet sind. So werden die Vorwärts-Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren mit epitaktischer Basis durch die Golddotierung reduziert, die Stromleckage innerhalb der Transistoren wird auf unannehmbare Werte gesteigert im Vergleich mit üblichen doppel-diffundierten Transistoren und die Golddotierung erzeugt Versetzungen innerhalb des Halbleitermaterials, die die prozentuale Ausbeute bzw. den Wirkungsgrad der Verfahren mit epitaktischer Basis verringern im Vergleich mit Methoden nach der üblichen Doppeldiffusion. Diese nachteiligen Nebenwirkungen sind besonders unglücklich, weil Transistoren mit epitaktischer Basis einen hohen inversen Stromverstärkungsfaktor haben. Ferner haben sie, es sei denn die sind geeignet modifiziert, hohe Speicherkonzentrationen von Minoritäts-Ladungsträgern und langsamere Schaltzeiten beim Betrieb in Vorwärtsrichtung als dies für TTL-Schaltungs-Anordnungen erwünscht ist. Bei dem NPN-Mehremitter-Eingangstransistor einer TTL-Schaltung mit einem hohen inversen Stromverstärkungsfaktor, tritt bei einem Mehremitter-Eingangstransistor mit epitaktischer Basis eine unerwünschte Emitter-zu-Emitter-Transistorwirkung auf, wenn der Transistor gesättigt ist, wenn ein Emitter auf einem niedrigen Potential und ein anderer auf einem hohen Potential ist, wegen der normalerweise vorhandenen Eingangsspannungsschwankungen für die Schaltungsanordnung.

Man kann die Konzentrationen gespeicherter Ladungsträger in Transistoren ohne Golddotierung und beispielsweise in doppel-diffundierten Transistoren oder Transistoren mit epitaxialer Basis reduzieren, indem jeder derartige Transmitter mit einem zusätzlichen Rückkopplungsemitter versehen wird, der direkt mit der Basis des Transistors verbunden ist. Während die Verwendung eines Rückkopplungsemitters die Schaltzeit beispielsweise eines Transistors mit epitaxialer Basis reduziert, wird der höhere inverse Stromverstärkungsfaktor des Transistors nicht reduziert. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird in der Beschreibung angenommen, daß Transistoren ohne Golddotierung mit Rückkopplungsemittern versehen sind, wo dies zweckmäßig erscheint. Bipolare Transistoren mit epitaxialer Basis sind daher ungeeignet, um konventionelle doppel-diffundierte Transistoren in den üblichen TTL-Schaltungen zu ersetzen, auch wenn diese bipolaren Transistoren mit Rückkopplungsemittern ausgestattet sind, um die hohen Konzentrationen gespeicherter Ladungsträger innerhalb der Transistoren zu reduzieren. Alternative Anordnungen zur Reduzierung der hohen Konzentrationen gespeicherter Ladungsträger für Eingangstransistoren mit epitaktischer Basis für TTL-Schaltungen mit epitaktischer Basis sind bekannt. Jede dieser bekannten An-

Ordnungen erfordert jedoch wenigstens einen Widerstand für den Eingangstransistor, und sie ist nachteilig, weil die parasitäre Kapazität des Transistors in unerwünschtem Umfang erhöht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln und im wesentlichen unter Beibehaltung der Eigenschaften bekannter TTLs zu noch kleineren Schaltungsanordnungen zu gelangen.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen beansprucht.

Trotz Verzicht auf die teuere Golddotierung gelingt die Schaffung einer TTL mit wenig Herstellungsschritten und kleiner Ausbildung. Hierdurch wird das Bauelement einer gleichen Anzahl von Bauelementen kleiner oder bei gleicher Baugröße können mehr einzelne Bauelemente integriert werden.

In einer TTL-Schaltung ohne Golddotierung gemäß der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird durch Zusammenschließen von Basis und Kollektor des Eingangstransistors die Ladungsträger-Konzentration in diesem Eingangstransistor reduziert, wobei der Kollektor sämtliche Minoritäts-Ladungsträger, die in die Basis injiziert werden, sammelt. Man erhält hierdurch eine Kompensation für das Fehlen der Golddotierung.

Ferner wird der inverse Stromverstärkungsfaktor des Transistors reduziert und der Transistor kann nicht sättigen. Daher ist eine unerwünschte Emitterzu-Emitter-Transistorwirkung nicht möglich.

Die Hebestufe kann jede geeignete aktive oder passive Form aufweisen. Wenn eine aktive Stufe verwendet wird, kann sie ein modifiziertes Darlington-Transistorpaar aufweisen mit einem ersten Transistor, dessen Basis an den zugehörigen Ausgang des Phasenteilers gelegt ist, und einem zweiten Transistor, dessen Emitter an den Kollektor des Ausgangstransistors geschaltet ist, wobei die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors über einen gemeinsamen Widerstand an die erste Speiseleitung gelegt sind und der Emitter des ersten Transistors über einen Widerstand an die Basis des zweiten Transistors geschaltet ist, dessen Basis seinerseits über einen weiteren Widerstand mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist. Diese Ausbildung für die Hebestufe oder Ansprechstufe gewährleistet, daß die Ausgangsspannung der TTL-Schaltung im oberen Zustand (high state) ausreichend hoch ist, und sie gewährleistet ferner, daß eine Kompensation für den Spannungsabfall am Widerstand zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors des Darlington-Paares vorhanden ist. Dieser Widerstand ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß der zweite Transistor, der die Diode des konventionellen TTL-Schaltkreises ersetzt, vollständig abgeschaltet werden kann.

Die Erfindung umfaßt somit ferner eine TTL-Schaltung ohne Gold-Dotierung, die wenigstens teilweise in einem monolithischen Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Wenn die erfindungsgemäße TTL-Schaltungsanordnung in einer TTL-Schaltungsvorrichtung ohne Golddotierung ausgebildet ist, hat diese Betriebscharakteristiken innerhalb der spezifischen Bereiche, die bei TTL-Schaltungen gefordert werden.

Eine solche TTL-Schaltungsanordnung kann wenigstens teilweise in einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung ausgebildet sein, die keine Golddotierung aufweist, beispielsweise mit bipolarem

Transistor mit epitaktischer Basis oder doppeldiffundierten bipolaren Transistoren. Andere Arten von Schaltungselementen können einen Aufbau haben, der dem der Transistoren nahekommt, obwohl wenigstens einer der Widerstände der Vorrichtung ein "> Dünnfilm-Widerstand sein kann, der auf einer Passivierungsschicht auf dem Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Eine TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis ist in einem Halbleiterkörper mit einer dünnen epitakti- m sehen Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Substrat derselben Leitfähigkeit ausgebildet und die Basis jedes Transistors umfaßt wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaktischen Schicht. Ferner können bipolare Transistoren vom sogenannten r. Kollektor-Diffusions-Isolations-Aufbau vorgesehen werden, wobei der N-Typ-Kollektor jedes Transistors eine vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat des Halbleiterkörpers und eine Isolations- ><> Sperrschicht für den Transistor aufweist, die sich durch die epitaktische Schicht erstreckt und Kontakt mit der vergrabenen Schicht hat.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine bekannte TTL-Schaltung zeigt, die wenigstens teilweise im Halbleiterkörper einer konventionellen, golddotierten, doppel-diffundierten TTL-Schaltung ausgebildet ist. to

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen bipolaren Transistor mit epitaktischer Basis im sogenannten Kollektor-Diffusions-Isolations-Aufbau.

Fig. 3 zeigt eine TTL-Schaltung, die wenigstens teilweise in dem Halbleiterkörper einer TTL-Schal- π tungsanordnung ohne Golddotierung geeignet ausgebildet werden kann, beispielsweise einer TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis, die bipolare Transistoren nach Fig. 2 aufweist, sowie andere Schaltungselemente, die einen Aufbau haben können, der dem der -m Transistoren mit epitaktischer Basis nahekommt, wobei die TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis Betriebscharakteristiken innerhalb der speziellen Bereiche hat, die für TTL-Schaltungen gefordert werden.

Die bekannte Transistor/Transistor-Logik (TTL) nach Fi g. 1 ist geeignet, wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper einer konventionellen, golddotierten, doppel-diffundierten 1L L-Schaltungsanordnung ausgebildet zu werden und sie hat golddotierte, doppel-diffundierte NPN-Transistoren und andere Schal- -,0 tungselemente, deren Konstruktion denjenigen der doppeldiffundierten Transistoren sehr ähnlich ist. Die Schaltung hat ein NAND-Tor in Übereinstimmung mit der positiven Logik-Konvention und einen Eingangstransistor 71 mit sovielen Emittern wie Ein- π gänge für die Schaltung erforderlich sind, wobei die Emitter individuell an die Eingangsklemmen gelegt sind. Die Basis des Transistors 71 ist über einen Widerstand Rl an eine erste Speiseleitung gelegt, wobei der Widerstand Al eine Größe von 4 Kiloohm hat „₍₎ und die Speiseleitung auf einem ersten Potential von + 5 Volt gehalten ist. Der Kollektor des Transistors 71 ist an einen Phasenteiler gelegt, der einen Transistor 72 aufweist. Die Basis des Transistors Tl ist direkt an den Kollektor des Transistors Tl geschaltet. _b5 Der Kollektor des Transistors Tl ist über einen Widerstand Rl an die Speiseleitung gelegt, wobei der Widerstand Λ2 einen Wert von 1,6 Kiloohm hat. Der Emitter des Transistors Tl ist über einen Widerstand A3 an eine zweite Speiseleitung gelegt, die auf einem zweiten Potential gehalten ist, das weniger positiv als das Potential der ersten Speiseleitung ist und das z. B. das Potential Null haben kann. Der Widerstand Rl hat einen Wert von 1,0 Kiloohm. Einer der beiden Ausgänge des Phasenteilers umfaßt einen Punkt zwischen dem Transistor Tl und dem Widerstand R3 und ist an die Basis eines Ausgangstransistors 73 der Schaltung gelegt. Der Emitter des Ausgangstransistors 73 ist direkt an die zweite Speiseleitung geschaltet, die auf Null-Potential gehalten ist. Der Kollektor des Transistors 73 ist an eine aktive Ansprechstufe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor 73 gelegt. Die aktive Ansprechstufe hat einen Transistor 74 und eine Diode, die durch einen weiteren Transistor 75 gebildet wird. Die aktive Ansprechstufe ist in Reihe mit dem Ausgangstransistor 73 geschaltet zwischen der ersten und der zweiten Speiseleitung. Der andere Ausgang des Phasenteilers umfaßt einen Punkt zwischen dem Transistor 72 und dem Widerstand R4 und er ist an die Basis des Transistors 74 der aktiven Ansprechstufe gelegt. Der Kollektor des Transistors 74 ist über einen Widerstand R4 an die erste Speiseleitung gelegt, wobei der Widerstand A4 eine Größe von 130 Ohm hat. Der Ausgang der TTL-Schaltung wird von einem Punkt zwischen den Transistoren 73 und 75 abgenommen, der an die Ausgangsklemmen geschaltet ist.

Im Betrieb des mit einem NAND-Tor versehenen TTL-Schaltkreises, wenn wenigstens einer der Emitter des Eingangstransistors 71 auf niedrigem Potential liegt, das den unteren Eingangszustand (low input state) für die Schaltung darstellen soll, sind der Transistor des Phasenteilers 72 und der Ausgangstransistoi 73 abgeschaltet, wobei der Transistor 72 der aktiven Ansprechstufe als Emitterfolger wirkt und das Potential des Ausganges hoch ist. Wenn alle Emitter des Eingangstransistors 71 auf hohem Potential liegen, das als oberer Eingangszustand (high input state) für die Schaltung betrachtet wird, sind der Transistor

72 des Phasenteilers und der Ausgangstransistor 73 eingeschaltet und in einem gesättigten Zustand. Der Transistor 74 der aktiven Ansprechstufe ist abgeschaltet. Das Potential des Ausgangs ist niedrig.

Wenn der Eingangswert der Schaltung oder das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors 71 von Null auf wenigstens einen Wert oberhalb des Null-Potentials der zweiten Speiseleitung erhöht wird, der gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Diode oder einem PN-Übergang ist, falls in der Schaltung vorhanden, so wird der Transistor 72 des Phasenteilers eingeschaltet, während der Ausgangstransistor 73 ausgeschaltet bleibt. Der Ausgangstransistor

73 wird nicht eingeschaltet bis der Eingangswert (input value) der Schaltung erhöht wird wenigstens auf einen Wert oberhalb demjenigen der zweiten Speiseleitung und im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über zwei in Vorwärtsrichtung getriebene Dioden oder PN-Übergänge. Dieses Potentialniveau umfaßt den Eingangsschwellwert für die Schaltungsanordnung. Da der Eingangswert der Schaltung weiter gesteigert wird, wird der Ausgangstransistor 73 gesättigt Bei weiterer Zunahme des Eingangswertes der Schaltungsanordnung wird der Transistor 72 des Phasenteilers gesättigt und der Transistor 74 der aktiven Ansprechstufe, der zu-

vor eingeschaltet war, wird abgeschaltet. Der Eingangswert der Schaltung kann zunehmen bis auf ein Niveau unterhalb der Speisespannung der ersten Speiseleitung, und zwar um einen Betrag, der im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz an zwei in Vorwärtsrichtung betriebenen Dioden oder PN-Übergängen ist.

Die Eingangsspannungsschwankung der Schaltung l;°gt somit zwischen im wesentlichen zwei maximal erreichbaren Potentialen einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Diode oberhalb Null und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren Potentialen einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Diode unterhalb der Speisespannungshöhe. Die Ausgangsspannungsschwankung der Schaltung liegt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor 73 sättigt und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren Potentialen einer vorwärts-betriebenen Diode unterhalb der Speisespannungshöhe. Der untere Eingangszustand (low input state) für die Schaltung liegt vor wenn der Eingangswert zwischen dem Schwellenwert und dem Wert liegt, bei dem der Transistor 74 der aktiven Ansprechstufe abgeschaltet ist und der obere Eingangszustand (high input state) liegt vor, wenn der Eingangswert den Wert überschreitet, bei dem der Transistor 74 abgeschaltet wird.

Die konventionellen Methoden zur Herstellung von Geräten mit TTL-Schaltungen, die wenigstens teilweise in Halbleiterkörpern ausgebildet sind, bilden die Emitter und Basen der bipolaren Transistoren in separaten Diffusionsstufen aus. Ferner sind die Halbleiterkörper im wesentlichen gleichmäßig mit Gold dotiert, um den inversen Stromverstärkungsfaktor des Transistors zu reduzieren und um niedrige Konzentrationen von Ladungsträgern, die in den Transistoren gespeichert sind zu schaffen, ferner um schnelle Schaltzeiten der Transistoren bei Betrieb in Vorwärtsrichtung zu erhalten. Daher ist der Strom solcher konventioneller doppel-diffundierten TTL-Schattungen im oberen Eingangszustand so niedrig wie möglich und die Ausbreitungsverzögerung der Geräte ist klein.

Bei TTL-Schaltungen, beispielsweise solchen mit doppeldiffundierten TTL-Schaltungselementen nach Fig. 1, ist es zur wirtschaftlichen Verwertbarkeit erforderlich, daß der Eingangsschwellwert über dem Nullpotential der zweiten Speiseleitung so hoch wie möglich sein sollte, z. B. im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz von zwei vorwärts-betriebenen Dioden oder PN-Übergängen und er liegt im Bereich von 0,8 bis 2,0 Volt, vorzugsweise im Bereich von 1, 3 bis 1,5 Volt bei 25° C. Es ist erforderlich, daß der Transistor 74 der aktiven Ansprechstufe vollständig abgeschaltet werden kann, wenn die Vorrichtung im unteren Eingangszustand (low input state) ist. Die Ausgangsimpedanz zur ersten Speiseleitung ist niedrig, wenn die Vorrichtung in ihrem hohen oder niedrigen bzw. oberen oder unteren Eingangszustand ist. Die Vorrichtung bzw. Schaltung ist daher in der Lage, eine Komponente mit einer beträchtlichen Kapazität zu betreiben bzw. anzusteuern ohne ihre Ausbreitungsverzögerung zu verschlechtern. Die Ausbreitungsverzögerung der Schaltungsanordnung liegt gewöhnlich in der Grüßenordnung von 10 Nanosekunden. Die Speisespannung beträgt wenigstens 4,5 Volt, vorzugsweise etwa 5 Volt. Der Ausgang der Schaltung schwingt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor 73 sättigt und er soll so niedrig wie möglich sein und beträgt gewöhnlich 0,3 Volt und einer Spannung in der Größenordnung von 3,4 Volt. Der Strom beim oberen Eingangszustand (high input state) der Vorrichtung ist so niedrig wie möglich, gewöhnlich in der Größenordnung von 5 Mikroampere bei 2,4 Volt. Ferner ist es erforderlich, daß der Gesamtstromverstärkungsfaktor des Eingangstransistors 71, gesehen von einem äußeren Schaltkreis aus, so niedrig wie möglich ist in Übereinstimmung damit, daß der Eingangsschwellwert der Schaltungsanordnung so hoch wie möglich ist und der Ausgangstransistor 73 bei einer so niedrig wie möglichen Spannung gesättigt ist.

Der bipolare Transistor mit epitaxialer Basis und Kollektor-Diffusions-Isolations-Aufbau nach Fig. 2 ist in einem Silicium-Halbleiterkörper ausgebildet, der eine flache epitaktische Schicht 27 mit P-Leitfähigkeit auf einer epitaktischen Schicht 20 mit: P-Leitfähigkeit auf einem Substrat 21 mit P-Leitfähigkeit hat, wobei die epitaktische Schicht 20 und das Substrat 21 aus einem Material mit hohem Widerstandswert sind. Vor dem Aufbringen der epitaktischen Schicht 20 auf dem Substrat 21 wird ein stark dotierter Bereich mit N-Leitfähigkeit selektiv in einem Teil der Oberfläche 22 ausgebildet, auf der die epitaktische Schicht 20 ausgebildet wird. Danach bildet dieser Bereich eine vergrabene Schicht 23, die sich in die epitaktische Schicht erstreckt und einen Teil des Kollektors des Transistors bildet. Der Kollektor wird vervollständigt durch eine stark dotierte Sperrschicht

24 mit N-Leitfähigkeit. Die Sperrschicht 24, die durch selektive Diffusion einer Donator-Verunreinigung in Teile der epitaxialen Schicht gebildet wird, erstreckt sich durch die epitaxiale Schicht bis zu der vergrabenen Schicht 23 und bildet eine Basis 25 mit P-Leitfähigkeit, die wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaxialen Schicht enthält.

Emitter 26 mit N-Leitfähigkeit werden in der Basis

25 angrenzend an die Oberfläche 27 der epitaxialen Schicht entfernt vom Substrat eindiffundiert, wobei in Fig. 2 nur ein Emitter 26 gezeigt ist.

Ehe jedoch die Emitter 26 ausgebildet werden, wird eine Acceptor-Verunreinigung nicht-selektiv in die Oberfläche 27 der epitaxialen Schicht entfernt vom Substrat eindiffundiert. Diese Verunreinigung hat

; keine merkliche Auswirkung auf die Bereiche der Trennschicht 24 an der Oberfläche 27, sie bildet jedoch stark dotierte Oberflächenbereiche 281 für die Basis und gewährleistet, daß dann, wenn danach die Emitter mit N-Leitfähigkeit ausgebildet werden, diese

ι im Halbleiterkörper von stark dotierten Bereichen 29 mit P-Leitfähigkeit umgeben sind. Während die nicht-selektive P-Diffusion nicht wesentlich ist, ist sie vorteilhaft, weil sie hilft, die Verstärkungsbandbreite des Transistors zu erhöhen, ferner die Inversion der

; Oberflächenbereiche der epitaktischen Schicht zu verhindern und Widerstände, die in der epitaktischen Schicht ausgebildet sind, zu stabilisieren.

Eine anfänglich kontinuierliche Schicht eines Passivierungsmaterials ist auf der Oberfläche 27 der epi-

i taktischen Schicht 20 entweder während oder nach der nicht-selektiven P-Diffusion aufgebracht, z. B. nach der Diffusion der Emitter, wenn die Schicht aus Passivierungsmaterial nicht auch als diffusionswiderstandsfähiges Material bei der Emitterdiffusion ver-

i wendet werden soll. Diffusionswiderstandsfähiges Material, das auf der Oberfläche 27 für die Diffusion der Sperrschicht vorgesehen ist, wird vor Beginn der nicht-selektiven P-Diffusion entfernt. Geeignet ge-

formte Öffnungen werdeii in dem diffusionswiderstandsfähigen Materia! ausgebildet unter Verwendung bekannter photoluiiographischer Techniken zur Verwendung für die einzelnen Diffusionsschritte. Die Schicht aus Passivierungsmaterial wird nach der Emitterdiffusion neu in kontinuierlicher Schicht gebildet und es werden Öffnungen in ihr über Kontakte ausgebildet, ebenfalls unter Verwendung bekannter photolithographischer Methoden. Die Kontakte 30 für den Transistor und irgendwelche elektrischen Verbindungen hierfür (nicht gezeigt) werden aus einer anfänglich kontinuierlichen Metallschicht über der Schicht aus Passivierungsmaterial und innerhalb der Öffnungen durch diese gebildet. Aus der Metallschicht, die beispielsweise Aluminium sein kann, sind Teile selektiv unter Verwendung bekannter photolithographischer Techniken entfernt, um die Kontakte und die elektrischen Verbindungen auszubilden. Die Kontakte 30, die sich durch die Öffnungen in der Passivierungsschicht erstrecken, sind in Kontakt mit der Sperrschicht 24 des Kollektors, der Basis 25 und jedem Emitter 26. Wenn ein Rückkopplungsemitter für den Transistor vorgesehen ist, wie unten erwähnt, erstreckt sich der Basiskontakt über einen Teil des PN-Überganges zwischen diesem Emitter und der Basis, wodurch der PN-Übergang kurzgeschlossen wird. In ähnlicher Weise überbrückt ein Kontakt einen Teil eines PN-Ubergangs eines Transistors, wo eine Diode für den anderen PN-Übergang erforderlich ist.

Ein solches Verfahren mit epitaktischer Basis zur Herstellungeines bipolaren Transistors ist vorteilhaft, weil es weniger Verfahrensschritte als übliche Doppel-Diffusionsverfahren erfordert, die gewöhnlich bei der Herstellung von TTL-Schaltungen verwendet werden, wodurch der Herstellungswirkungsgrad bzw. die Ausbeute höher werden. Ferner ist die Größe der TTL-Schaltungen mit epitaxialer Basis innerhalb des Halbleiterkörpers kleiner als doppel-diffundierte TTL-Schaltelemente, so daß mehr Geräte oder Elemente innerhalb einer Scheibe aus Halbleitermaterial eines gegebenen Durchmessers vorgesehen werden können, wodurch die prozentuale Ausbeute gesteigert wird.

Ein Verfahren zur Herstellung von Transistoren mit epitaxialer Basis beispielsweise unter Verwendung der Kollektor-Diffusions-Isolations-Technik kann bei der Herstellung von TTL-Schaltungen der bekannten Ausführung, wie in Fig. 1 gezeigt, nicht verwendet werden, ohne nachteilig die Betriebscharakteristiken der Vorrichtung zu beeinflussen. Dies kommt davon her, daß es nicht möglich ist, eine Golddotierung bei der Herstellung von TTL-Schaltungen mit bipolaren Transistoren mit epitaxialer Basis zu verwenden, um den inversen Stromverstärkungsfaktor der Transistoren zu reduzieren, ferner um niedrige Speicherkonzentrationen von Ladungsträgern in den Transistoren zu erhalten und um eine schnelle Schaltzeit für die Transistoren zu erreichen, wenn sie in Vorwärtsrichtung arbeiten, weil die Transistoren in flachen epitaxialen Schichten ausgebildet sind. Eine Golddotierung hat schädliche Nebenwirkungen, wenn sie in Kombination mit der Kollektor-Diffusions-Isolations-Technik verwendet wird, da sie den Vorwärts-Stromverstärkungsfaktor der Transistoren reduziert, die Stromleckage in der Vorrichtung erhöht und Versetzungen im Halbleitermaterial erzeugt, was zu einer Reduktion der prozentualen Ausbeute oder des Wirkunesgrades der Vorrichtuneen führt. Dieser Nachteil einer Verwendung der Golddotierung in Verbindunj mit der Kollektor-Diffusions-Isolations-Technik fäll besonders ins Gewicht, weil unmodifizierte Kollek tor-Diffusions-Isolations-Transistoren einen hohei inversen Stromverstärkungsfaktor haben, ferner hohe Konzentrationen von Minoritäts-Ladungsträgern, die in den Transistoren gespeichert sind und langsami Schaltzeiten der Transistoren bei Arbeitsweise ii Vorwärtsrichtung. Bei dem NPN-Mehremitter-Ein gangstransistor einer TTL-Schaltungsanordnung mi hohem inversen Stromverstärkungsfaktor treten wenn ein Emitter auf niedrigem Potential und ein anderer Emitter auf hohem Potential ist, wegen der nor malerweise vorhandenen Eingangsspannungsschwanklingen der Schaltungsanordnung, unerwünscht« Emitter-zu-Emitter-Transistorwirkungen auf, wem der Transistor gesättigt wird.

Bei einem solchen TTL-Schaltkreis mit epitaxialei Basis ist daher der Strom im oberen Eingangszustanc nicht so niedrig wie möglich und die Ausbreitungsverzögerung der Schaltung ist nicht so klein wie möglich Während es bekannt ist, die Konzentrationen gespeicherter ' ,adungsträger in Kollektor-Diffusions Isolations-Transistoren zu reduzieren, indem solche Transistoren mit einem zusätzlichen Rückkopp lungsemitter versehen werden, der direkt an die Basi: des Transistors geschaltet wird, und die Schaltzeit de; Transistors verringert wird, wird dagegen der hohe inverse Stromverstärkungsfaktor des Transistors nich

jo reduziert.

Alternative Anordnungen zur Reduzierung der hohen Konzentration von Ladungsträgern, die in einen Eingangstransistor mit epitaktischer Basis gespeicher sind, sind bekannt. Jedoch jede solche bekannte An-

J5 Ordnung sieht vor, daß wenigstens ein Widerstand den Eingangstransistor zugeordnet ist, was nachteilig ist weil es in unerwünschtem Ausmaß die parasitäre Kapazität des Transistors erhöht.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung besteh

aus einem TTL-Schaltkreis der wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper ausgebildet ist und mi Transistoren mit epitaktischer Basis versehen ist, wie der Transistor nach Fig. 2. Eine solche Schaltungsan Ordnung soll Wechselstrom- und Gleichstrom-Be

triebseigenschaften innerhalb vorgegebener spezifi scher Bereiche haben, wie sie ähnlich bei konventio nellen doppeldiffundierten TTL-Schaltkreisen sind jedoch ohne Golddotierung des Halbleiterkörpers dei TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis. Eine solche

so TTL-Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist ir Fig. 3 gezeigt.

Die Anordnung des Eingangstransistors 7Ί und de; zugehörigen Widerstands Rl ist wie bei der konven tionell doppel-diffundierten Schaltung, außer daß die Basis des Transistors Π auch mit dem Kollektor verbunden ist, so daß im wesentlichen keine Ladungsträ ger im Transistor 7*1 gespeichert werden.

Es ist jedoch demzufolge erforderlich, den Ein gangsschwellwert der Schaltungsanordnung über den Nullpotential der zweiten Speiseleitung zu halten bzw zu bringen, um etwa die maximal erreichbare Poten tialdifferenz an zwei in Vorwärtsrichtung arbeitender Dioden oder PN-Übergängen, wenn sie in der Schaltung vorhanden sind. So ist eine Diode Dl zwischcr

b5 dem Transistor Tl des Phasenteilers und der zweiter Speiseleitung angeordnet, die auf Null-Potential liegt Die Diode Dl, die zweckmäßigerweise den Kollek tor-Basis-PN-Übereane eines Transistors bildet, hai

ihren Emitter-Basis-PN-Übergang kurzgeschlossen und sie liegt zwischen dem Transistor 72 und dem Widerstand A3. Die Widerstände Rl und A3 haben dieselben Größen wie bei konventionellen doppeldiffundierten Schaltungen.

Wegen des Vorhandenseins der Diode Dl ist es erforderlich, weiterhin die bekannte Schaltungsanordnung, d. h. die konventionelle doppel-diffundierte Schaltung zu modifizieren, derart, daß der aktive Transistor 74 (pull-up transistor) der bekannten Schaltung vollständig abgeschaltet werden kann, wenn die Schaltung sich im unteren Eingangszustand (low input state) befindet. Hierzu werden di? Transistoren 74 und 75 der bekannten Schaltung der konventionellen doppel-diffundierten Anordnung durch ein modifiziertes Darlington-Transistor-Paar ersetzt. Der erste Transistor und der zweite Transistor der Dar-Hngton-Schaltung sind mit 74' und 75' in Fig. 3 bezeichnet. Die Kollektoren beider Transistoren 74' und 75' sind über den Widerstand RA an die Speiseleitung gelegt und der Emitter des Transistors 75' ist an den Kollektor des Ausgangstransistors 73 geschaltet. Das Darlington-Transistor-Paar ist modifiziert durch Hinzunahme eines Widerstandes RS mit einer Größe von 250 Ohm, der zwischen dem Emitter des ersten Transistors 74' und der Basis des zweiten Transistors 75' liegt und durch Hinzunahme eines Widerstandes R6 mit einer Größe von 1 Kiloohm, der zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors 75' angeordnet ist. Der Ausgang der Schaltung wird an einem Punkt zwischen den Transistoren 73 und 75' abgenommen und er ist an eine Ausgangsklemme angeschlossen. Das Vorhandensein des Widerstandes RS hält den zweiten Transistor 75', der die Diode 75 der bekannten Schaltungsanordnung ersetzt, abgeschaltet, wenn die Schaltung im unteren Eingangszustand (low input state) ist. Die Potentialdifferenz über dem Widerstand RS, die etwa 200 Millivolt beträgt, wird kompensiert teilweise durch die hohe Verstärkung des Darlington-Paares, die eine kleinere Potentialdifferenz am Widerstand Rl als bei der doppel-diffundierten TTL-Schaltung gewährleistet und außerdem durch die niedrigere Stromleckage in den Kollektor-Diffusions-Isolations-Transistor, die niedriger ist als bei konventionellen doppel-diffundierten Transistoren. Der Widerstand RS hat daher keinen merklichen Einfluß auf die Ausgangsspannung im oberen Zustand (high state output voltage) der Schaltungsanordnung.

Die Transistoren 72, 73 und 74' sind mit Rückkopplungsemittern versehen, die direkt an die Basen ihrer Transistoren geschaltet sind, um die Konzentrationen von Ladungsträgern, die in diesen Transistoren gespeichert sind, zu reduzieren.

Die Transistoren 72, 73 und 74' sind in der Lage gesättigt zu werden, während der Transistor 75' nicht gesättigt wird.

Die Bereiche der Wechselstrom- und Gleichstrom-Betriebscharakteristiken einer TTL-Schaltung nach Fig. 3 mit bipolaren Transistoren in Koüektor-Diffusions-lsolationsaufbau sind im wesentlichen dieselben wie die konventioneller doppel-diffundierten TTL-Schaltungen.

is In einer Schaltungsanordnung mit epitaxialer Basis gemäß Fig. 3 haben alle bipolaren Transistoren denselben Aufbau. Andere Schaltungselemente in dem Halbleiterkörper haben einen sehr ähnlichen Aufbau wie die bipolaren Transistoren. Wenigstens einer der

2» Widerstände kann ein Dünnfilmwiderstand sein, der auf einer Schicht aus Passivierungsmaterial auf dem Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltungselementen werden gleichzeitig

;ϊ mit den Kontakten für die Schaltelemente aus einer ursprünglich kontinuierlichen Metallschicht gebildet, die auf der Passivierungsschicht ausgebildet ist.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann

jo anstatt bipolaren Transistoren des sogenannten KoI-lektor-Diffusions-isolations-Aufbaus auch Transistoren in Isoplanar-Aufbau oder VIP, oder V-ATE-Aufbau enthalten. Jeder Transistor mit epitaxialer Basis wird dabei in einem Halbleiterkörper ausgebildet, der

j) eine flache epitaktische Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Träger derselben Leitfähigkeit hat, wobei die epitaktische Schicht und das Substrat aus einem Material hohen Widerstandswertes bestehen. Jeder so gebildete bipolare Transistor hat einen Kollektor mit

N-Leitfähigkeit, der wenigstens eine stark dotierte vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht aufweist. Die Basis ist innerhalb der epitaktischen Schicht ausgebildet und enthält wenigstens zum Teil

einen unmodifizierten Teil der epitaktischen Schicht und der Emitter besteht aus einem diffundierten Teil innerhalb der Basis. Die TTL-Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird vorzugsweise mit einer Spannung über 4,5 Volt gespeist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltungsanordnung in Transistor-Transistor-Logikschaltung (TTL) mit NPN-Transistoren und einer Speisespannung von insbesondere mindestens 4,5 V, die einen Mehremitter-Eingangstransistor aufweist, dessen Emitter individuell an jeden erforderlichen Schaltungseingang anschließbar sind, dessen Basis über einen Widerstand an eine erste Speiseleitung anlegbar ist, um sie auf einem ersten begrenzten positiven Potential zu halten, und dessen Kollektor an eine einen Transistor und eine Diode aufweisende zweite Stufe angelegt ist, die zwischen die erste Speiseleitung und eine zweite Speiseleitung schakbar ist, die sich auf einem zweiten, weniger positiven Potential als das erste Potential befindet, und deren Ausgang an die Basis eines Ausgangstransistors angelegt ist, dessen Emitter an der zweiten Speiseleitung liegt und dessen Kollektor über eine Anhebestufe an die erste Speiseleitung angelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Kollektor des Eingangstransistors (71) zur Reduzierung der Ladungsträgerkonzentration im Transistor beim Betrieb der Schaltungsanordnung mit dessen Basis zusammengeschlossen ist;

b) der Ausgang des Eingangstransistors (71) zur Aufrechterhaltung des Eingangs-Schwellwertes der Schaltungsanordnung oberhalb des Potentials der zweiten Speiseleitung (O„) um im wesentlichen die maximal erzielbare Potentialdifferenz zweier in Vorwärtsrichtung vorgespannter Dioden über die Basis des Transistors (72) der zweiten Stufe und deren Diode (Dl) mit der zweiten Speiseleitung (O_v) in Verbindung steht;

c) die Diode (Dl) der zweiten Stufe zu Ausgleichszwecken an die Basis des Ausgangstransistors (73) angeschlossen ist;

d) die Schaltungsanordnung zumindest teilweise in einen monolithischen Halbleiterkörper integriert ist, der eine auf einem Substrat (21) mit P-Leitfähigkeit angeordnete dünne epitaktische Schicht (20) mit derselben Leitfähigkeit aufweist, und

e) die Basis (25) der Transistoren (71. 72, 73, 74, 75) im Halbleiterkörper mindestens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaktischen Schicht aufweist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (71, 72, 73, 74, 75) in der Kollektor-Diffusions-Isolationsweise aufgebaut sind, bei der der Kollektor mit N-Leitfähigkeit eine im Halbleiterkörper vergrabene Schicht (23) im Grenzbereich zwischen der epitaktischen Schicht (20) und dem Substrat (21) sowie eine Sperrschicht (24) aufweist, die sich vom Kollektoranschluß durch die epitaktische Schicht (20) hindurch bis zur vergrabenen Schicht (23) erstreckt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht (20) und das Substrat (21) aus Material hohen Widerstandswerts bestehen.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich-

net, daß die Diode (Dl) als Kollektor-Basis-PN-Übergang eines Transistors ausgebildet ist, dessen Eniitter-Basis-PN-Übergang kurzgeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anhebestufe ein modifiziertes Darlington-Transistor-Paar aufweist, von dem die Basis des ersten Transistors (74) an den Ausgang der zweiten Stufe und der Emitter des zweiten Transistors (75) an den Kollektor des Ausgangstransistors (73) angeschlossen sind, und daß die Kollektoren beider Transistoren (74, 75) über einen gemeinsamen Widerstand (A4) an die erste Speiseleitung und der Emitter des ersten Transistors (74) über einen Widerstand (RS) an die Basis des zweiten Transistors (75) angelegt sind, dessen Basis über einen weiteren Widerstand (Λ6) an dem Emitter dieses zweiten Transistors (75) liegt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Transistoren (71, 72, 73, 74) mit einem Kurzschluß zwischen dem Emitter und der Basis versehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Substrat (21) entfernte Oberflächenschicht (27) der epitaktischen Schicht (20) unselektiv stark mit Acceptor-Verunreinigungen dotiert ist.