DE2756777C3

DE2756777C3 - Digitalschaltungselement

Info

Publication number: DE2756777C3
Application number: DE2756777A
Authority: DE
Inventors: Pham Ngu Paris Tung
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-12-21
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1982-09-30
Also published as: JPS53114363A; CA1098595A; DE2756777A1; DE2756777B2; FR2375722A1; FR2375722B1; GB1576169A; US4155014A

Description

a) mindestens einer der Emitter (Eu E₂) des zweiten Transistors (T₂) bildet mit Masse den Eingang einer digitalen Verknüpfungsschaltung:

b) ein ac^erer Emitter des zweiten Transistors (T₁) ist mit der Basis eines dritten Transistors (Ti) entgegengesetzten Leitungstyps wie der erste Transistor (Ti) verbunden;

c) der Emitter des dritten Transistors (Ti) liegt an Masse; und -^J

d) der Kollektor (C) des dritten Transistors (T_s) bildet mit Masse den Ausgang der digitalen Verknüpfungsschaltung.

2. Digitalschaltungselement nach Anspruch 1, jo dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein P-Halbleiter ist, auf dem zwei N-Zonen gebildet sind, die jeweils von dem Substrat -dreh eine vergrabene

N+ -Schicht getrennt sinJ, imd daß die N-Zonen und die N+ -Schichten voneinandej durch Wände aus P + -Zonen getrennt sind.

3. Digitalschaltungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (7₂) drei Emitter aufweist, von denen zwei die Eingänge einer NAND-Schaltung bilden. -

4. Digitalschaltungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter und ein fünfter Transistor (Ti₂, T₂₂) vorgesehen sind, die analog dem Aufbau des ersten und zweiten Transistors (Γι, T₂) aufgebaut und geschaltet sind, und daß ein Emitter des fünften Transistors (T₂?) ebenfalls mit der Basis des dritten Transistors (T₃) verbunden ist.

5. Digitalschaltungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ihre -.r Verwendung als Analog/Digital-Wandler, wobei ik r zweite Transistor (T₂) eine Mehrzahl von Emittern aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Digitalschallungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Digitalschaltungselcmente dieser Art sind bekannt (vgl. Complementary Transistor Micrologic Integrated Circuits, Fairchild. Datenblatt. September 1%7, Seite I bis 2. und CTuL W^ Dual 2 Input NOR Gate. Fairchild, Datenblatt. De/rmber 1167. Seite 1 bis 2) und werden als Konstantstromqucllen /ur Speis;.ng von digitalen Verknüpfungsschaltungen verwendel.

Bekanntlich können gewisse Digitalschaltungselemente mit Hilfe von komplementären Transistoren hergestellt werden, die aus vier Schichten aufgebaut sind, welche drei halbleitende Übergänge bilden. Die Mehrzahl von ihnen enthält einen lateralen Transistor, d. h. einen Transistor, in welchem der Strom parallel zu der Oberfläche des Substrats fließt, und einen transversalen oder vertikalen Transistor, d. h. einen Transistor, in welchem der Strom senkrecht zu dieser Oberfläche fließt. Ein solcher Schaltungsaufbau ist z. B. in Electronics, Feb. 6,1975, S. 84,85, beschrieben.

Diese Digitalschaltungs;Iemente haben einen großen Nachteil: die Verstärkung des lateralen Transistors ist immer klein und, um dem abzuhelfen, ist man gezwungen, auf gewisse Hilfsmittel zurückzugreifen, nämlich beispielsweise vergrabene N+-Schichten zu verwenden, da der laterale Transistor im allgemeinen ein PNP-Transistor ist, um den vertikalen Strom zu begrenzen, der in diesen Transistoren eine der Hauptursachen für seine geringe Verstärkung ist

Ziel der Erfindung ist es, ein Digitalschaltungselement dieser Art zu schaffen, bei dem die geringe Verstärkung des lateralen Transistors durch weitere Verstärkung kompensiert werden kann, ohne den Stromverbrauch wesentlich zu steigern. Ferner soll mit diesem Digitalschaltungselement eine vorteilhafte digitale Verknüpfungsschaltung geschaffen werden.

Das erfindungsgemäße Digitalschaltungselement ist im Anspruch i gekennzeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mehrere Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild einer Einrichtung, die das Verständnis der Erfindung erleichtert, Fig. 2 im Vertikalschnitt die Einrichtung von Fig. 1, Fig. 3 das Prinzipschaltbild des Digitaischaltungselements nach der Erfindung,

Fig. 4 im Vertikalschnitt das Digitalschaltungselement nach der Erfindung,

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Digitalschaltungselements nach der Erfindung, Fig. 6 ein Beispiel eip.r Digitalschaitung, in welcher das Digitalschaltungselement nach der Erfindung benutzt wird, und

F i g. 7 die Digitalschaltung von F i g. 6 in Draufsicht. Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Anordnung aus einem PNP-Transistor T₁ und einem NPN-Transistor T₂, die in der angegebenen Weise miteinander verbunden sind, wobei die N-Basis des Transistors Γι mit dem Kollektor gleichen Leitungstyps des Transistors T₂ verbunden ist und wobei der P-Kollektor des Transistors T₁ mit der Basis des Transistors T₂ verbunden ist. Die Anordnung ist auf einem P-Substrat 1 integriert. Der Emitter des Transistors Γι ist eine P^-leitende Zone, die gleichzeitig mit einer Schicht 3 gleichen Leitungstyps und gleicher Dotierung diffundiert worden ist.

Diese beiden Diffusionen sind in einer N-Zone 4 gebildet, von welcher ein Teil als Basis des Transistors Γι und der andere Teil als Kollektor des Transistor T₂ dient.

Schließlich sind in die Zone 3 eine N■'■•leitende Zone 5, die als Emitter des Transistors Γ₂ dient, und eine Zone 6 gleichen Leitungstyps, die als Kontakt an der Zone 4 dient, implantiert worden. Die aus dem Transistor 7Ί > und den Spannungsquellen V_m und V_(i gebildete Anordnung arbeitet in bekannter Weise als Stromquelle.

Die Spannungen V/«und V₁₁- werden so gewählt, dall

die Spannung Von deutlich kleiner ist als die Spannung Vcc, also beispielsweise Vae = 1 V und Vcc = 2 V.

Die F i g. 3 und 4 /eigen eine Schaltung, in der der Transistor Tj drei N-Emitter hat. Zwei von ihnen, die Emitter £Ί und E₂, können an eine Spannung mit zwei Werten gelegt werden, von denen die eine dem Zustand 1 entspricht und größer als 1 V ist, während die andere dein Wert 0 oder Massepotential entspricht.

Der Emitter £> ist mit der P-Basis eines Transistors T₁ verbunden, de£.:en Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor einen der Ausgänge der Schaltung bildet.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen: Die beiden Emitter E\ und E₂ sind die Eingänge der Schaltung, während der Kollektor Cihr Ausgang ist.

Wenn einer der Eingänge E\ oder E₂ an Masse liegt (Wert 0) schließt sich der Strom / = /_flß+(l -a_p) Ui, wobei Xp die Verstärkung des Transistors Ti in Basisschaltung ist, über den entsperrten Basis-Emitter-Übergang des Transistors Ti zur Masse und es fließt kein Strom in der Basis des Transistors Tj. Wenn der Emitter des letzteren an Masse liegt, ist er gesperrt und der Ausgang Cführt den Wen !.

Dasselbe gilt, wenn die beiden Eingänge den Wert 0 führen. Wenn keiner der Eingänge den Wert 0 führt, d. h. wenn alle beide den Wert 1 führen, schließt sich djr Strom JßB zur Masse über den Basis-Emitter-Übergang des Transistors Tj, der leitend sein wird und dessen Ausgang Cden Wert 0 führen wird.

Die vorstehende Schaltung weist eine weitere Besonderheit auf:

Wenn die beiden Eingänge den Wert 0 führen, wird jeder eine Hälfte des von dem Transistor T: gelieferten Stroms empfangen, d. h. wenn dieser Ausgangsstrom / ist, gilt / = Ie\ + If.2-

Es gilt daher folgende Wahrheitstabeüe:

//■

0	0	1
0	ι	0
I	0	0
I	I

Die Verteilungen der Ströme in den Eingängen E· und E₂ und der Basis des Transistors Tj. also Ir \. h.i und In. sind:

In +

= [IbB + (1 -Ip) Ux]

wobei <\p und *„ die Verstärkungen in Basisschaltung der Transistoren Ti bzw. T₂ sind.

Da Oi_n sehr nahe bei I und \_p sehr nahe bei 0 liegt, wie weiter oben ersichtlich geworden ist. kann daher geschrieben werden:

hi + Ie ι + h.i = lim + Ice

Es ist somit zu erkennen, daß die Summe dieser drei Ströme konstant ist. was erklärt, daß eine Einrichtung zur Verteilung des Etnitterstroms zur Verfügung stehi, die gestattet, Siromsignale mit dem Wert 1/2 und daher drei Stronuverte für die Ströme der Emitter £Ί und Ei rj haben.

Es können beliebig viele Emitter vorgesehen werden, wodurch sich von 1/nbis I abgestufte Werte mit Stufen von Mn ergeben, was die Möglichkeit eröffnet, Analog/Digital-Wandler herzusiellen. Hinsichtlich des Ausgangs C und der Eingänge Ex und E₂ arbeitet die Schaltung wie eine komplementierte UND-Schaltung, d. h. wie eine NAND-Schaltung.

Die F i g. 4 und 5 zeigen im Schnitt bzw. in Draufsicht zwei Ausführungsbeispiele von integrierten Schaltungen, die die Schaltung von Fig. 3 als Ersatzschaltung haben.

In diesem Fall ist das Substrat ein P-Ieiiendes Substrat. Auf dieses Substrat Isi durch Epitaxie eine N-Zone aufgebracht worden i:nd für jedes Bauelement sind eine vergrabene N--Schieht sowie P ⁺ -Isolierwände vorgesehen. Die 'liieren Elemente werden durch Diffusion oder Imp'antation in df Schicht N über SiOj-Masken erhalten, wenn das Substru aus Silicium besteht.

Die Schaltung von F i g. 6 unterscheidet sich von der von Fig. 3 durch die Tatsache, daß sie zwei symmetrische S haltungselemente einhalt, die den gleichen Aufbau wie das von Fig. 3 haben, wobei das eine aus einem PNP-Transis'or Tu und einem NPN-Transister T₂] mit mehreren Emittern besteht, während das andere aus Transistoren Tb und T₂₂ besteht, bei welchen es sich um die gleichen Typen wie bei den Transistoren T₁, bzw. T₂] handelt.

Zwei Emitter, die zu den Transistoren T_2i bzw. T.j gehören, sind mit dem Punkt B, d. h. mit der Basis des Transistors Tj vebunden, der wie in Fig. 3 geschaltet ist. Die Spannur.jen V_BB und Vcc werden an die Basen und an die Emitter der Transistoren T_n bzw. T,: angelegt.

Die Wahrheitstabelle dieser Schaltung sieht offenbar folgendermaßen aus:

A"*

I	1
0	I
!	0
η	0

Es gilt nämlich im wesentlichen folgende Gleichung:
in + Ua + in - 2 irr

Die logische Beziehung ist eine NOR-Verkniipfung. Die Schaltung von F i g. 5 kann verallgemeinert werden, indem an jedem Transistor T₂\ oder T₂₂ mehrere Eingänge A]. A₂, B-,, B₂ benutzt werden. Es ergibt sich dann eine integrierte Schaltung wie sie in F i ε. 7 in Draufsicht darges.eüt ist.

Hierzu 3 Blatt Zciclinuiiucn

Claims

Patentansprüche:

1. Digitalschaltungselement. das auf einem gemeinsamen Substrat als integrierte Schaltung aufgebaut ist, mit einem ersten, lateralen Transistor gegebenen Leitungstyps (pnp bzw. npn), dessen Basis und Emitter auf konstante Potentiale gelegt sind, und einem zweiten, vertikalen Transistor komplementären Leitungstyps (npn bzw. pnp), dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors und dessen Kollektor mit der Basis des ersten Transistors verbunden sind, wobei der zweite Transistor mehrere Emitter aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: '"'