DE2756535C2

DE2756535C2 - Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit in I↑2↑L-Technik betriebenen Transistoren

Info

Publication number: DE2756535C2
Application number: DE2756535A
Authority: DE
Inventors: Willem Hendrik Eindhoven Amsen; Wouter Smeulers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-12-31
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1985-06-13
Also published as: PT67479B; CA1091308A; JPS5385183A; ES465557A1; DE2756535A1; MX144142A; PT67479A; JPS5517490B2; FR2376516B1; AU505794B2; AU3208377A; GB1548118A; NL7614610A; FR2376516A1; US4158146A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus IBMTechn. Disci. Bull., Bd. 15. No. 5, Okt. 1972, S. 1626 u. 1627, bekannt ist.

In der Literatur findet man ausführliche Aufsätze über die integrierte Inje^.tionslogik (I²L), die darin besteht, daß die Stromversorgung der Transistoren einer integrierten Schaltung über einen in dem Halbleiterkörper der integrierten Schaltung angebrachten Strominjektor erfolgt, der mit weiteren Zonen des Halbleiterkörpers eine Mehrschichtenstruktur mit mindestens drei aufeinanderfolgenden durch gleichrichtende Übergänge voneinander getrennten Schichten bildet, wobei der von dem Strominjektor in eine zwischenliegende Schicht injizierte Strom von einer kollektierenden Schicht aufgefangen wird, die zugleich einen Teil eines oder mehrerer Transistoren der integrierten Schaltung bildet

Obgleich die Bezeichnung I²L vermuten ließe, daß sich die Erfindung auf die Anwendung in logischen Schaltungen beschränken würde, ist dies nicht der Fall, sondern es ist an Anwendungen in analogen Schaltungen zu denken. Nachstehend wird unter I²L die in der offengelegten niederländischen Patentanmeldung 71 07 040 beschriebene Variante verstanden, bei der die Transistoren als vertikale, invers betriebene Transistoren ausgebildet sind.

Zur Lösung des Problems, eine Kopplung zwischen in I²L-Technik betriebenen Transistoren, die im allgemeinen auf sehr niedrigen Ruhestrom und niedrige Leistung eingestellt sind, und weiteren Transistoren zu ermöglichen, die eine viel höhere Leistung liefern können müssen und daher auf einen viel höheren Ruhestrom eingestellt sind, ist aus Jer o. g. Literaturstelle IBM Techn. Discl. Bull, eine sogenannte MTL (Merged Transistor Logic)-Schaltung bekannt, die eine Lösung für ein gleichartiges Problem in MTL-Schaltungen gibt. Zur Kopplung der MTL-Schaltung mit weiteren Schaltungen, die auf anderen Logik-Pegeln (Strom-, Spannungspegel} arbeiten, ist ein Treibertransistor vorgesehen, der bezüglich der MTL-Transistoren auf einen höheren Ruhestrom eingestellt ist und der von einer, von den MTL-Transistor."!n gesteuerten Zwischenschaltung getrieben wird.

Bei dieser Lösung muß aber der Treibertransistor mit einer Versorgungsspannung betrieben werden, die nicht von der normalen Versorgungsspannung abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszugestalten, daß alle notwendigen Versorgungsspannungen aus einer Versorgungsspannung ableitbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltungsanordnung können sowohl die I²L-Transistoren als auch der auf höheren Ruhestrom eingestellte Transistor mit von einer Spannungsquelle abgeleiteten Versorgungsspannungen betrieben werden. Weher wird eine besonders gedrängte Struktur erhalten die wenig Raum beansprucht und sich besonders gut zur Anwendung bei einem Verfahren zur Herstellung von in PL-Technik betriebenen Transistoren eignet.

Es sei noch bemerkt, daß aus »Electronics«, (3. Oktober 1974), Seiten 111 — 118, insbesondere Figur 8, schon eine Lösung für das oben erwähnte Problem gegeben worden ist. Die vorgeschlagene Lösung benötigt zwar auch nur eine Spannungsquelle, von der die Versorgungsspannungen für den auf höheren Ruhestrom eingestellten Transistor und für die I²L-Schaltung abgeleitet werden können. Diese bekannte Schaltungsanordnung ist aber relativ aufwendig und benötigt gegenüber der Schaltungsanordnung nach der Erfindung mehr Raum.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf und

F i g. 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines Halbleiterkörpers für eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

F i g. 3 das zugehörige elektrische Schaltbild, und

F i g. 4 eine Weiterbildung der F i g. 3.

F i g. 1 ist eine Draufsicht auf einen Halbleiterkörper, dessen links in der Figur dargestellter Teil in der PL-Technik ausgeführte Transistoren und dessen rechts in der Figur dargestellter Teil einen auf erhöhten Ruhestrom eingestellten Transistor enthält, während zwischen diesen beiden Teilen schematise!· der Kopplungsteil dargestellt ist, der eine Kopplung zwischen einem Ausgangstransistor des linken Teiles und dem Eingang des Transistors im rechten Teil herstellt Die drei Tüle sind als in einzelnen Inseln gebildete Transistorstrukturen dargestellt

Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist ist von einem Halbleiterkörper aus z. B. p-leitendem Silizium ausgegangen, in dem die Inseln mit Hilfe einer tiefen ρ+ -Diffusion 2 gebildet sind. In dem Körper 1 werden vergrabene Zonen 3 vom η +-Leitungstyp angebracht, wonach eine epitaktische η-leitende Schicht 4 aufgebracht wird. Mittels der ρ + -dotierten Trennzone 2 wird diese Schicht 4 in drei Teile, und zwar in die Zonen 4a, 4b und 4c, unterteilt. Mit Hilfe weiterer photolithographischer Vorgänge werden in diesen drei Zonen weiter p- bzw. η-dotierte Zonen 6 und 8 bzw. 7 angebracht, deren Gestalten aus den F i g. 1 und 2 abgelesen werden können. Dadurch werden auf bekannte Weise Transistorstrukturen erhalten, die auf übliche Weise mit Hilfe von Leiterbahnen miteinander verbunden werden können. Diese Leiterbahnen sind in den Fig. 1 und 2 schematisch durch gestrichelte Linien angegeben. Erwünschtenfalls können die Transistorstrukturen innerhalb der Zonen 4a und 4b von einer tiefen η+ -dotierten Zone 5 umgeben werden, um zu verhindern, daß die Trennzonen 2 auf unerwünschte Weise Ladungen sammeln werden.

Eine der Transistorstrukturen in der Insel der Zone 4a wird durch diese Zone 4a und die Zonen 6a und 7a gebildet Dieser Transistor ist als inverser vertikaler Transistor ausgeführt, was bedeutet, daß, auf die Oberseite des Halbleiterkörpers gesehen, untereinander zunächst die Kollektorzone 7a, dann die Basiszone 6a und danach die Emitterzone 4a angeordnet sind. Dieser Transistor 4a, 6a, 7a, der im Ersatzschaltbild nach F i g. 3 mit dem Symbol a bezeichnet ist, wird mittels eines sogenannten Strominjektors mit Strom gespeist Als Injektor dient die p-leitende Zone 8a, die lateral in bezug auf die Zone 6a ( und andere in der betreffenden Zone 4a angebrachte Transistorstrukturen) angeordnet ist. Die Zone 4a wird mit einem Punkt festen Potentials, z. B. Erde, verbunden, während die Zone 8a an einen Speisespannungspunkt V_a, z. B. 1,5 V, gelegt wird. Dadurch werden Ladungen von der Zone 8a in die Zone 4a injiziert, die die Zone 6a (und auch die übrigen in der Nähe des Injektors 8a angebrachten p-leitenden Zonen) erreichen können, wodurch die Zone 6a in der Durchlaßrichtung in bezug auf die Zone 4a polarisiert wird. Dadurch wird zwischen den Zonen 4a (Emitter), 6a (Basis) und 7a (Kollektor) die gewünschte Transistorwirkung erhalten.

Der Ruhestrom dieses in der PL-Technik ausgeführten Transistors ist sehr niedrig, was im allgemeinen als ein großer Vorteil der PL-Technik betrachtet wird, weil bo dadurch der Energieverbrauch ebenfalls besonders gering ist. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Energie, die ein solcher Transistor z. B. an eine äußere Belastung liefern kann, ebenfalls besonders gering ist Daher liegt der Wunsch vor, in demselben Halbleiterkörper auch auf einen höheren Ruhestrom eingestellte Transistoren aufzunehmen.

Ein solcher Transistor ist nach den F i g. 1 und 2 innerhalb der Zone 4cgebildet und in F i g. 3 mit dem Symbol c bezeichnet Die drei Zonen 4c. 6c und 7c bilden wieder einen vertikalen Transistor, aber nun in normalem und nicht in inversem Betrieb, wie der Transistor a, denn die Zone 7c wirkt dabei als der Emitter, die Zone 6c als die Basis und die Zone 4c, deren Oberfläche viel größer als die der Zone 7c ist, als der Kollektor dieses Transistors. Der Kollektor-Basis-Stromverstärkungsfaktor, der mit einem solchen Transistor erreicht werden kann, ist viele Male größer als bei inversem Betrieb.

Um nun den Ausgang des Transistors a, der als Stsuertransistor wirkt mit dem Eingang des Transistors czu koppeln, ist ein Kopplungsteil innerhalb der Zone 4b angebracht. Dieser Kopplungsteil enthält einen Strominjektor Sb, der über die Zone 4b in die lateral in bezug auf den Injektor Sb angeordnete Zone 6b Strom injiziert. Diese Zone 6b bildet nun die Basiszone eines im normalen Betrieb wirkenden vertikalen Transistors, dessen Kollektor durch die genannte Zone 4b und dessen Emitter durch die Zone Tb gebildet werden. Dieser Transistor b weist daher einen diesem Normalbetrieb inhärenten hohen Stromverstärkungsfaktor auf und ist somit imstande, die niedrige Stromeinsteilung in PL-Technik betriebener Transistoren der für den Transistor c benötigten hohen Stromeinstellung anzupassen. Die Zone 4b liegt an einer etwas höheren Spannung Vt,2 (z. B. 4 V) als die Spannung Vj am Injektor 8a. Diese Spannung muß von einer Quelle mit einem derart niedrigen Innenwiderstand geliefert werden, daß die Struktur Sb, 4b, 6b. 7b, die, wie aus dem Ersatzschaltbild nach Fig.3 hervorgeht den Charakter einer pnpn-Struktur aufweist, nicht unstabil wird. Die Spannung V;, 1 an der Zone Sb wird normalerweise über einen gewissen Widerstand zugeführt (wie auch die Spannung V₃ an der Zone Sa), weil sonst bei Speisespannungs- bzw. Temperaturänderungen zu große Ruhestromänderungen auftreten könnten. Vorzugsweise werden die Injektionsströme der Injektoren 8a und Sb etwa in der gleichen Größenordnung gewählt.

In F i g. 4 ist diese Stromversorgung schematisch dargestellt, wobei außerdem eine größere Anzahl von Strominjektoren als oben beschrieben benutzt wird. Ein Speisespannungspunkt V, dem z. B. 12 V zugeführt wird, ist dabei über einen Widerstand R mit einem Leiter 10 verbunden, der über gesonderte V\ iderstände R\ zu verschiedenen Strominjektoren (die hier mit dem Symbol eines pnp-Transistors angegeben sind) führt, wobei diese Injektoren den oben an Hand der Zonen 8a, 4a, 6a beschriebenen Charakter aufweisen. Über Anzapfungen des Widerstandes R werden die Spannungen Vm und Vt, 2 erhalten, wobei die Spannung Vt, 1 der Zone 8i> zugeführt wird, während die Spannung Vt,2 über einen Emitterfolger 12 der Zone 4b zugeführt wird. Wie aus dem Schaltbild nach Fig.4 hervorgeht, wird dadurch auf einfache Weise erreicht, daß der Innenwiderstand der Spannungsquelle, die dann an die Zone 46 angeschlossen ist. verhältnismäßig niedrig ist, während andererseits ein genügender Reihenwiderstand in Reihe mit den Strominjektoren 8a bzw. Sb vorhanden bleibt, um unerwünschte Stromüberlastungen zu vermeiden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung mit in PL-Technik betriebenen Transistoren, von denen einer ein Steuertransistor (a) ist, der mit einem im Vergleich zum Steuertransistor (a) auf höheren Ruhestrom eingestellten Transistor (c)gekoppelt ist,

— bei der zur Kopplung des Steuertransistors (a) mit dem auf höheren Ruhestrom eingestellten Transistor (c) im Halbleiterkörper (1) mit Hilfe einer Injektorzone (8tyund einer Basiszone (6b) vom einen Leitungstyp, die durch eine weitere Halbleiterzone (4b) vom anderen Leitungstyp is getrennt sind, ein lateraler Transistor gebildet ist,

— bei der die weitere Halbleiterzone (4b), die Basiszone (6b) und eine in der Basiszone (Sb) angebrachte Emitterzone (7b) vom anderen Leitungstyp einen vertikalen Transistor bilden, und

— bei der die Basiszone (6b) mit dem Steuertransistor (a) verbunden ist, die Emitterzone (7b) mit dem auf höheren Ruhestrom eingestellten Transistor (c) verbunden ist und die Injektorzone (8b)derart an einen Speisepunkt (V_bi) angeschlossen ist, daß der Strom aus der Emitterzone (7b) höher ist als der Injektionsstrom, bei dem die I²L-Transistoren betrieben werden,

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dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zonen (4b, 6b, 7b, Sb) in einer mit der weiteren Halbleiterzone (4b) gemeinsamen Insel liegen, die von den restlichen Teilen des Halbleiterkörpers (1) elektrisch getrennt ist und die auf ein festes Potential (Vb 2) gelegt ist, das höher ist als das Potential (V₁₁), bei dem der Strominjektor (8a) der I²L-Transistoren betrieben wird.

2. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Versorgungsspannungsspeisepunkt (V) über einen Widerstand (R) mit dem Strominjektor (8a) oder mehreren Strominjektoren der in der I²L-Technik betriebenen Transistoren verbunden ist und daß eine Anzapfung des Widerstandes (R) übe^r einen Emitterfolger (12) mit der elektrisch getrennten Insel (4b) verbunden ist.