DE2916854A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur verringerung der auswirkungen von fertigungstoleranzen bei der herstellung monolithisch integrierter halbleiterschaltungen - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur verringerung der auswirkungen von fertigungstoleranzen bei der herstellung monolithisch integrierter halbleiterschaltungen

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DE2916854A1 DE19792916854 DE2916854A DE2916854A1 DE 2916854 A1 DE2916854 A1 DE 2916854A1 DE 19792916854 DE19792916854 DE 19792916854 DE 2916854 A DE2916854 A DE 2916854A DE 2916854 A1 DE2916854 A1 DE 2916854A1
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    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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Description

  • Verfahren und Schaltungsanordnung zur Verringerung der Aus-
  • wirkungen von .Fertigungstol-eranzen bei der Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Verminderung der Auswirkungen von Fertigung toleranzen bei der Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen.
  • Die Bauelemente monolithisch integrierter Haibleiterschaltungen weisen aufgrund der Forderungen nach hoher Packungsdichte und kleinen Streukapazitäten kleinstmögliche Abmessungen auf.
  • Dies hat zur Folge, daß die Toleranzen der Bauelemente zwangläufig relativ groß sind, insbesondere bei den Widerständen.
  • Als Folge der relativ großen Toleranzen schwanken die Stromaufnahme, die Verlustleistung sowie die Schaltgeschwindigkeit von aus verschiedenen Losen stammenden Halbleiterchips stark.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Verringern der Auswirkungen von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen anzugeben.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß die starken Schwankungen verschiedener Halbleiterchips hinsichtlich des aufgenommenen Stromes, der erzeugten Verlustleistung und der Schaltgeschwindigkeit beträchtlich eingeengt werden.
  • In folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung- zweier bevorzigter Ausfüh.run#sbe#spiel# in Verbindung mit den Zeichnungen naher erläutert, von denen aei#en Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Auafüh'rungsbeispteles~der Erfindung und Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausfufr#rüngshaispieles der Erfindung.
  • Die Schaltung nach Frq 1 ist eine auf dem Halbleiterchip mitintegrierte Regelschaltung. Sie besteht aus einem Regelverstärker, der durch die den konstanten Strom I liefernde Konstantstronquelle 1, den emitterseitig miteinander verbundenen bipolaren NPN-Transistoren Tt und T2 und dem Kollektorwiderstand R3 des Transistors T2 gebildet wird. Der Kollektorwiderstand R3 ist zusammen mit dem Kollektor des Transistors Tl an den positiven Pol +V1 einer ersten Speisespannungsguelle V1 von beispielsweise 5V angeschlossen, deren zweiter Pol mit dem Bezugspotential verbunden ist. Die Basis des Transistors T1 ist an eine Schaltung angeschlossen, die aus dem Transistor T3, dessen Basiswiderstand Ri, dem Kollektorwiderstand R2 sowie der Schottky-Diode D1 besteht und die die Ausgangsstufe eines üblichen T#Grundschaltkreises bildet. Die Bauelemente dieser Schaltung, insbesondere die Widerstände R1 und R2 sind stellvertretend für die übrigen gleichartigen Schaltungen auf dem Halbleiterchip verhältnismäßig großflächig und damit toleranzarm ausgelegt. Sie entsprechen daher den Sollwerten recht genau. Deshalb dient die Schaltung, die an eine zweite Spannungsquelle V2 von beispielsweise 1,5 V angeschlossen und bei der die Basis des Transistors T3 mit der den einen Eingang des Regelverstärkers bildenden Basis des Transistors Ti verbunden ist, als Referenzschaltung für die restlichen gleichartigen Schaltungen auf dem Halbleiterchip.
  • Das untere Ende des Kollektorwiderstandes R3 ist an die Basis eines als Regeltransistor dienenden Emitterfolgers T5 angeschlossen, dessen Kollektor mit dem positiven Pol +V3 einer dritten Spannungsquelle verbunden ist, deren zweiter Pol an das Bezugspotential angeschlossen ist. Die am Emitter des Transistors T5 auftretende Spannung wird den restlichen, unter sich gleichartigen Schaltungen des Halbleiterchips als Speisespannung zugeführt. Die Ausgangsstufe einer dieser restlichen Schaltungen besteht aus dem Transistor T4, der Schottky-Diode D2 dem Kollektorwiderstand R4 und dem Basiswiderstand R5. Die Basis des Transistors T4 ist mit der den zweiten Eingang des Regelverstärkers bildenden Basis des Transistors T2 verbunden.
  • Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist folgende: Nach dem Anlegen der Speisespannungen wird der Transistor T3 von einem Strom durchflossen, der aufgrund der Auslegung der Referenzschaltung mit großflächigen toleranzarmen Bauelementen mit dem Sollwert recht gut übereinstimmt. Dieser Strom, der auch in den übrigen mit der Referenzschaltung gleichartigen Schaltungen des Halbleiterchips fließen soll, wird diesen über den Regelverstärker und den Regeltransistor T5, der die Speisespannung für die restlichen Schaltungen beeinflußt, in folgender Weise eingeprägt: In der mit der Basis des Transistors T2 verbundenen Schaltung fließe zunächst, da diese Schaltung nicht mit großflächigen toleranzarmen Bauelementen ausgelegt ist, aufgrund der größeren Toleranzen der Bauelemente ein höherer Strom durch den Transistor T4 als durch den Transistor T3 der Referenzschaltung. Daher ist das Basispotential des Transistors T4, das der Basis des Transistors T2 des Regelverstärkers zugeführt wird, größer als das dem Transistor T1 zugeleitete Basispotential des Transistors T3. Deshalb fließt auch ein größerer Anteil des von der Konstantstromquelle 1 gelieferten Stromes 1 durch den Transistor T2. Dieser Strom ruft an dem Kollektorwiderstand R3 einen Spannungsabfall hervor, durch den das Basisdes Regeltransistors T5 negativer und der Regelpotential des Regeltransistors T5 negativer und der Regeltransistor T5 damit hochohmiger wird, wodurch die an seinem Emitter auftretende Spannung erniedrigt wird, und zwar solange, bis der den Transistor T4 durchfließende Strom gleich dem Strom durch den Transistor T3 der Referenzscha#ltung ist.
  • Da die übrigen Schaltungen des Halbleiterchips hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften mit der den Transistor T4 enthaltenden Schaltung übereinstimmen, fließt auch in jeder von ihnen der gleiche Strom wie in dieser Schaltung. Damit list aber durch die Referenzschaltung und die Regelschaltung erreicht worden, daß sich das Halbleiterchip so verhält, als wären alle seine gleichartigen Schaltungen mit großflächigen, toleranzarmen Bauelementen ausgelegt. Jedoch werden durch die Erfindung die Streukapazitäten vermieden, die mit großflächigen Bauelementen verbundenen wären.
  • Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die PNP-Transistoren T6 und T7 sind unmittelbar benachbart auf dem Halbleiterchip angeordnet und weisen auch die gleiche Geometrie auf. Sie stimmen daher in ihren Parametern überein. Die Basis zonen der beiden Transistoren T6 und T7 sind elektrisch leitend miteinander und mit dem Kollektor des Transistors T6 verbunden. Zusammen mit dem großflächig ausgelegten Widerstand R6 bilden die beiden Transistoren T6 und T7 eine bekannte, an eine Speisespannungsquelle ;V4 angeschlossene Stromspiegelschaltung, bei der auch der Transistor T7 einen Kollektorstrom abgibt, der gleich dem durch den Widerstand R6 bestimmten, konstanten Strom 10 des Transistors T6 ist. Mit dem Kollektor des Transistors T7 ist eine Reihenschaltung aus einer Diode D3 und einer aus dem Transistor T9, den Widerständen R7 und R8 sowie der Schottky-Diode D4 bestehenden Ausgangsstufe eines der TTL-Schaltkreise des Halbleiterchips verbunden. Außerdem ist der Kollektor des Transistors T7 an die Basis eines NPN-Transistors T8 angeschlossen, der als Emitterfolger arbeitet und mit seinem Kolvektor an den positiven Pol +V5 einer weiteren Spannungsquelle -V5 angeschlossen ist, deren negativer Pol dem Bezugspotential verbunden ist, Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist folgende: Der durch den großflächig ausgelegten Widerstand R6 bestimmte konstante Strom 10 der von einer Strichlinie umgebenen Stromspiegelschaltung 2, durchfließt die aus der Diode D3 und der Ausgangsstufe eines der TTL-Schaltkreise des Halbleiterchips gebildete Reihenschaltung und ruft an ihr den Spannungsabfall V0 hervor, der sich zusammensetzt aus dem Spannungsabfall VD3 an der Diode D3 und dem Spannungsabfall am Ersatzwiderstand RE, der mit der Diode in Reihe liegenden Ausgangsstufe des TTL-Schaltkreises. Es gilt daher: V0 = VD3 f IO X RE. Die Spannung V0 wird aber auch der Basis des Emitterfolgers T8 zugeführt, der an seinem Emitter die Speisespannung für die restlichen Schaltkreise des Halbleiterchips liefert. Für die Emitterspannung VE des Transistors T8 gilt aber: VE = V0 - VBET8. Da die Diode D3 und der Transistor T8 unmittelbar benachbart auf dem Halbleiterchip realisiert wurden, ist VD = VBET8. Damit liegen aber alle an den Emitter des Transistors T8 angeschlossenen Ausgangsstufen der TTL-Schaltkreise an der gleichen Spannung wie die mit der Diode D3 in Reihe liegende Ausgangsstufe. Da die Ersatzwiderstände alle Ausgangs stufen des Halbleiterchips aber unter sich gleich sind, fließt in jeder von ihnen der gleiche Strom wie in der durch die Stromspiegelschaltung mit dem konstanten Strom 1o gespeisten Ausgangsstufe. Somit verhalten sich auch in diesem Ausführungsbeispiel die Schaltungen des Halbleiterchips so, als wären sie mit großflächigen toleranzarmen Bauelementen realisiert.
  • Durch Auswahl entsprechender Referenzschaltungen ist die Erfindung sowohl auf Halbleiterchips mit logischen Schaltungen als auch auf solche mit Speicherschaltungen anwendbar.

Claims (1)

  1. P A T EN T A N S P R Ü C H E Verfahren zur Verringe-rxag der Auswirkungen von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen, dadurch sekennzeichnet, daß eine der unter sich gleichartigen Schaltungen des Halbleiterchips mit großflachigen, toleranzarmen Bauelementen realisiert wird und als Referenzschaltung für die übrigen mit kleinstmöglichen Abmessungen hergestellten Schaltungen dient und daß der die Referenzschaltung durchfließende Strom den übrigen gleichartigen Schaltung über eine deren Speisespannung beeinflußende Schaltung eingeprägt wird 2. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (T5) zur Beeinflußung der Speisespannung durch einen Regelverstärker (1, T1, T2, R3) angesteuert wird, dessen einer Eingang an die Referenzschaltung (T3, R1, R2, D1) und dessen zweiter Eingang an eine der restlichen gleichartigen Schaltungen (T4, R4, R5, D2) des Halbleiterchips angeschlossen ist.
    3. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (T8) zur Beeinflußung der Speisespannung mit Hilfe einer Stromspiegelschaltung (T6, T7, R6) angesteuert wird, deren ihren konstanten Strom 10 bestimmender Widerstand (R6) großflächig und toleranzarm ausgelegt ist und deren gespiegelter Strom eine der unter sich gleichartigen Schaltungen (T9, R7, R8, D4) des Halbleiterchips durchfließt und über die Schaltung (T8) zur Beeinflußung der Speisespannung der restlichen unter sich gleichartigen Schaltungen jeder von ihnen (z. B.
    T10, R9, R10, D5) eingeprägt wird.
DE19792916854 1979-04-26 1979-04-26 Verfahren und schaltungsanordnung zur verringerung der auswirkungen von fertigungstoleranzen bei der herstellung monolithisch integrierter halbleiterschaltungen Granted DE2916854A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2627546A1 (de) * 1975-06-23 1977-01-20 Ibm Integrierte schaltung hoher packungsdichte

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