DE3021565C2

DE3021565C2 -

Info

Publication number: DE3021565C2
Application number: DE3021565A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Miyake; Masashi Isehara Kanagawa Jp Takeda; Takeo Atsugi Kanagawa Jp Sekino; Yasuharu Kawasaki Kanagawa Jp Baba
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-06-08
Filing date: 1980-06-07
Publication date: 1989-03-02
Also published as: DE3021565A1; GB2052906B; US4338619A; JPS55163913A; GB2052906A

Description

Die Erfindung betrifft ein Flip-Flop in Form einer IIL (integrierte Injektionslogik) oder einer MTL (versenkte Transistorlogik).

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer IIL. In Fig. 1 bezeichnet N 0 ein N-leitendes Halbleitersubstrat, P 1 und P 2 P-leitende Bereiche, die jeweils auf der einen Hauptfläche des Substrats N 0 gebildet sind, und N 1 bis N 3 N-leitende Bereiche, die im Bereich P 2 gebildet sind. Anschlüsse I, B und C 1 bis C 3 sind mit den Bereichen P 1, P 2 und N 1 bis N 3 verbunden.

In der IIL in Fig. 1 bilden P 1, N 0 und P 2 einen Transistor Q 1, wie Fig. 2 zeigt, und N 0, P 2 und N 1 bis N 3 einen NPN-Transistor Q 2 mit mehreren Kollektoren, wie Fig. 2 zeigt. Die beiden Transistoren Q 1 und Q 2 sind in der in Fig. 2 gezeigten Weise miteinander verbunden.

Wenn bei der IIL in Fig. 1 oder 2 eine Spannung +VEE an den Anschluß I angelegt wird, arbeitet der Transistor Q 1 als Konstantstrom-Vorspannungsquelle. Der Transistor Q 2 arbeitet daher als Inverter mit offenem Kollektor. Wenn die auf den Anschluß I gegebene Spannung +VEE ein- und ausgeschaltet wird, arbeitet der Transistor Q 2 als Torschaltung.

In der folgenden Beschreibung wird die zuvor beschriebene IIL zur Abkürzung wie in Fig. 3 symbolisiert.

Wenn die obigen IIL zur Bildung eines bekannten T-Flip- Flop verwendet werden, werden die IIL 2 bis 7, wie Fig. 4 zeigt, zur Bildung von drei Gruppen von taktgesteuerten RS-Kippgliedern (RS-Flip-Flop) geschaltet, mit denen eine Eingangs-IIL 1 verbunden wird. In Fig. 4 bezeichnet T einen Eingang und Q einen Ausgang. Obwohl in Fig. 4 nicht gezeigt, ist von der IIL 7 ein Ausgang herausgeführt.

Das obige bekannte T-Flip-Flop kann als IC-Chip ausgebildet sein, wie Fig. 5 zeigt, die eine Aufsicht des IC-Chips ist. Auf dem Halbleitersubstrat N 0 ist der Inektionsbereich P 1 in Form einer geraden Linie bzw. eines geraden Bandes gebildet, und die Bereiche P 2 der IIL 1 bis 7 sind auf dem Substrat N 0 jeweils in Form einer geraden Linie bzw. eines geraden Bandes senkrecht zu dem Bereich P 1 längs des Bereiches P 1 mit einem bestimmten Abstand zwischen benachbarten Bereichen angeordnet. In jedem Bereich P 2 der IIL 1 bis 7 sind Kollektorbereiche N 1 bis N 3 vorgesehen. Die Bereiche P 1, P 2 und N 1 bis N 3 sind so geschaltet, daß ein Verdrahtungsschema, das durch starke Linien in Fig. 5 gezeigt ist, entprechend dem Verdrahtungsschema der Fig. 4 gebildet wird. In Fig. 5 bezeichnen die Punkte die Ohmschen Kontaktpunkte des Verdrahtungsschemas der Bereiche N 1 bis N 3 und des Bereiches P 1, und die Buchstaben x die Ohmschen Kontaktpunkte des Verdrahtungsschemas der Bereiche P 2 (die Punkte stellen somit die Kollektoren der Transistoren Q 2 und die Buchstaben x deren Basen dar).

Da bei dem obigen IC-Chip der einzelne Bereich P 1 als gemeinsamer Injektionsbereich der IIL 1 bis 7 arbeitet, arbeiten die IIL 1 bis 7 getrennt und führen insgesamt den Betrieb des T-Flip-Flop durch.

Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, ist die Anzahl der das T-Flip-Flop bildenden IIL groß, und die von dem Verdrahtungsschema eingenommene Fläche ist ebenfalls groß, so daß das IC-Chip keine große Dichte und keine hohe Geschwindigkeit aufweist.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, können bei dem T-FLip- Flop Verzögerungsglieder 11 und 12 vorgesehen werden, um die Anzahl der IIL zu verringern, wie Fig. 6 zeigt. Die Verzögerungsglieder 11 und 12 werden durch Vergrößerung der Flächen der entprechenden IIL 2 und 5 zur Erhöhung der Kapazität gebildet, wie Fig. 7 zeigt, oder durch Verkürzung z. B. der Injektionslänge (der Länge zwischen dem Injektionsbereich P 1 und den Bereichen P 2 der IIL 2 und 5), um den Injektionsstrom zu verringern.

Das T-Flip-Flop der Fig. 6 und 7 hat eine geringere Anzahl von IIL, und die von dem Verdrahtungsschema eingenommene Fläche ist klein, so daß eine hohe Dichte erzielbar ist. Bei der Schaltung der Fig. 6 und 7 ist jedoch die Arbeitsgeschwindigkeit als T-Flip-Flop durch die Verzögerungsglieder 11 und 12 begrenzt und damit niedriger als die Arbeitsgeschwindigkeit der IIL, so daß keine hohe Arbeitsgeschwindigkeit erreicht wird.

Der vorstehend geschilderte Stand der Technik ist im wesentlichen durch "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Vol. SC 11, No. 6, Dezember 1976, Seiten 847 bis 851, insbesondere Fig. 2 und 4, bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flip- Flop zu schaffen, das sowohl eine hohe Dichte als auch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 8 bis 15 beispielsweise erläutert. Es zeigen

Fig. 8 bis 11 Tabellen von Versuchsergebnissen,

Fig. 12 eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Flip-Flop,

Fig. 13 das Schaltbild des Flip-Flop gemäß Fig. 12,

Fig. 14A bis 14F Signale an bestimmten Stellen des Flip- Flop gemäß Fig. 13,

Fig. 15 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der Tabelle der Fig. 8 zeigt die linke Spalte den Abstand zwischen dem Kollektorbereich N 1 des Transistors Q 2 und der mit x markierten Basis; in der rechten Spalte ist die Geschwindigkeit des Ausschaltvorganges angegeben. Die Schaltgeschwindigkeit ist somit hoch, wenn sich der Kollektor nahe der Basis befindet. Das gleiche Ergebnis erhält man für den Fall, daß die Lagebeziehung des Kollektorbereiches N 1 zum Injektionsbereich P 1 und zur Basis x umgekehrt wird.

Fig. 9 zeigt eine Tabelle, in der die linke Spalte den Abstand zwischen dem Injektionsbereich P 1 und dem Kollektorbereich N 1 des Transistors Q 2 und die rechte Spalte die Ausschaltgeschwindigkeit des Transistors darstellt. Die Schaltgeschwindigkeit wird hoch, wenn der Abstand groß, d. h., der Kollektorbereich vom Injektionsbereich weit entfernt ist. Diese Tendenz ist unabhängig von der Lage der Basiselektrode x.

In der Tabelle gemäß Fig. 10 ist in der linken Spalte der Abstand zwischen dem Injektionsbereich P 1 und dem Kollektorbereich N 1 des Transistors Q 2 und in der rechten Spalte die Einschaltgeschwindigkeit des Transistors angegeben. Bei kurzem Abstand, d. h. bei nahe dem Injektionsbereich vorgesehenem Kollektorbereich, ergibt sich eine hohe Einschaltgeschwindigkeit, und zwar unabhängig von der Lage der Basiselektrode x.

In der Tabelle gemäß Fig. 11 ist links die Lagebeziehung zwischen dem Injektionsbereich P 1, dem Kollektorbereich N 1 und der Basiselektrode x angegeben; die rechte Spalte gibt die zugehörige Einschaltgeschwindigkeit des Transistors Q 2 wieder. Sie ist am höchsten bei der Reihenfolge Injektionsbereich P 1-Kollektorbereich N 1-Basiselektrode x.

Die vorstehend genannten Versuchsergebnisse sind darauf zurückzuführen, daß durch den Gleichstromwiderstand und die Störkapazität des Bereiches P 2 bei der Änderung des effektiven Basispotentials eine Zeitverzögerung hervorgerufen wird. Ursache ist ferner, daß der Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q 2 durch den Gleichstromwiderstand verringert wird.

Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flip-Flop, das folgenden Aufbau aufweist:

In einem Substrat N 0 aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps N sind ein etwa rechteckförmiger erster Bereich P 1 eines zweiten Leitfähigkeitstyps P sowie etwa rechteckförmige zweite bis sechste Bereiche P 2₂ bis P 2₆ des zweiten Leitfähigkeitstyps P vorgesehen. Die Längsachsen der parallel zueinander angeordneten zweiten bis sechsten Bereiche P 2₂ bis P 2₆ verlaufen senkrecht zur Längsachse des ersten Bereiches P 1.

Im zweiten Bereich P 2₂ sind eine erste Kollektorzone N 1₂ im Abstand D 1 vom ersten Bereich P 1, eine zweite Kollektorzone N 2₂ im Abstand D 4 und eine Basiszone B 2 im Abstand D 3 vorgesehen.

Im dritten Bereich P 2₃ sind eine erste Kollektorzone N 1₃ im Abstand D 3, eine zweite Kollektorzone N 2₃ im Abstand D 5 und eine Basiszone B 3 im Abstand D 1 vorgesehen.

Im vierten Bereich P 2₄ sind eine erste Kollektorzone N 1₄ im Abstand D 1, eine zweite Kollektorzone N 2₄ im Abstand D 2, eine dritte Kollektorzone N 3₄ im Abstand D 3 sowie eine Basiszone B 4 im Abstand D 4 angeordnet.

Im fünften Bereich P 2₅ sind eine erste Kollektorzone N 1₅ im Abstand D 1, eine zweite Kollektorzone N 2₅ im Abstand D 4 und eine Basiszone B 5 im Abstand D 3 vorgesehen.

Im sechsten Bereich P 2₆ sind eine erste Kollektorzone N 1₆ im Abstand D 3, eine zweite Kollektorzone N 2₆ im Abstand D 5 sowie eine Basiszone B 6 im Abstand D 1 angeordnet.

Für die Abstände D 1 bis D 5 gilt hierbei die Beziehung

D 1 < D 2 < D 3 < D 4 < D 5 .

Die Basiszone B 3 des dritten Bereiches P 2₃ ist mit den ersten Kollektorzonen N 1₂ und N 1₄ des zweiten bzw. vierten Bereiches P 2₂ bzw. P 2₄ verbunden.

Die Basiszone B 4 des vierten Bereiches P 2₄ ist mit den zweiten Kollektorzonen N 2₂, N 2₃, N 2₅ des zweiten, dritten bzw. fünften Bereiches P 2₂, P 2₃ bzw. P 2₅ verbunden.

Die Basiszone B 5 des fünften Bereiches P 2₅ ist mit der ersten Kollektorzone N 1₃ des dritten Bereiches P 2₃, mit der dritten Kollektorzone N 3₄ des vierten Bereiches P 2₄ sowie mit der zweiten Kollektorzone N 2₆ des sechsten Bereiches P 2₆ verbunden.

Schließlich ist die Basiszone B 6 des sechsten Bereiches P 2₆ mit der zweiten Kollektorzone N 2₄ des vierten Bereiches P 2₄ und mit der ersten Kollektorzone N 1₅ des fünften Bereiches P 2₅ verbunden.

Fig. 13 zeigt ein Ersatzschaltbild des Flip-Flop gemäß Fig. 12. Die Arbeitsgeschwindigkeiten dieser Schaltung sind wie folgt:

1. Da der Kollektorbereich N 2₂ von P 2₂ vom Injektionsbereich P 1 entfernt und nahe der Basiselektrode x angeordnet ist, wird der Kollektorbereich C 4 von P 2₂ schneller abgeschaltet als der Kollektorbereich C 1.
2. Da der Kollektorbereich N 1₄ von P 2₄ nahe dem Injektionsbereich P 1 und innerhalb der Basiselektrode x liegt und da der Kollektorbereich N 2₃ von P 2₃ zu dem von P 2₄ in umgekehrter Beziehung steht, wird der Kollektorbereich C 1 von P 2₄ schneller als der Kollektorbereich C 5 von P 2₃ eingeschaltet.
3. Da der Kollektorbereich N 3₄ von P 2₄ vom Injektionsbereich P 1 entfernt ist und nahe der Basiselektrode x liegt, wird der Kollektorbereich C 3 von P 2₄ schneller als der Kollektorbereich C 2 abgeschaltet.
4. Da der Kollektorbereich N 1₅ von P 2₅ nahe dem Injektionsbereich P 1 und innerhalb der Basiselektrode x liegt, wird der Kollektorbereich C 1 von P 2₅ schneller als der Kollektorbereich C 5 von P 2₆ eingeschaltet.

Die Fig. 14A bis 14F zeigen den Verlauf von Signalen ϕ 0 bis ϕ 5, die an den jeweiligen Elektroden des Flip-Flop gemäß Fig. 13 auftreten. Die Schaltung der Fig. 12 und 13 arbeitet somit als T-Flip-Flop.

Das Flip-Flop gemäß den Fig. 12 und 13 besitzt eine hohe Dichte und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit.

Fig. 15 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem im Vergleich zu Fig. 12 die nicht beschalteten Kollektorbereiche weggelassen sind.

Im Unterschied zu Fig. 12 ist bei dem Flip-Flop gemäß Fig. 15 im dritten Bereich P 2₃ die zweite Kollektorzone N 2₃ im Abstand D 4 angeordnet, und im sechsten Bereich P 2₆ ist die zweite Kollektorzone N 2₆ im Abstand D 4 vorgesehen. Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 der Variante nach Fig. 12.

Claims

Flip-Flop, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau:
- a) in einem Substrat (N 0) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps (N) sind ein etwa rechteckförmiger erster Bereich (P 1) eines zweiten Leitfähigkeitstyps (P) sowie etwa rechteckförmige zweite bis sechste Bereiche (P 2₂ bis P 2₆) des zweiten Leitfähigkeitstyps (P) vorgesehen, wobei die Längsachsen der parallel zueinander angeordneten zweiten bis sechsten Bereiche (P 2₂ bis P 2₆) senkrecht zur Längsachse des ersten Bereiches (P 1) verlaufen,
- b) wobei vorgesehen sind
  - - im zweiten Bereich (P 2₂) eine erste Kollektorzone (N 1₂) im Abstand D 1 vom ersten Bereich (P 1), eine zweite Kollektorzone (N 2₂) im Abstand D 4 und eine Basiszone (B₂) im Abstand D 3,
  - - im dritten Bereich (P 2₃) eine erste Kollektorzone (N 1₃) im Abstand D 3, eine zweite Kollektorzone (N 2₃) im Abstand D 4 (Fig. 15) bzw. D 5 (Fig. 12) und eine Basiszone (B₃) im Abstand D 1,
  - - im vierten Bereich (P 2₄) eine erste Kollektorzone (N 1₄) im Abstand D 1, eine zweite Kollektorzone (N 2₄) im Abstand D 2, eine dritte Kollektorzone (N 3₄) im Abstand D 3 sowie eine Basiszone (B₄) im Abstand D 4,
  - - im fünften Bereich (P 2₅) eine erste Kollektorzone (N 1₅) im Abstand D 1, eine zweite Kollektorzone (N 2₅) im Abstand D 4 und eine Basiszone (B₅) im Abstand D 3,
  - - im sechsten Bereich (P 2₆) eine erste Kollektorzone (N 1₆) im Abstand D 3, eine zweite Kollektorzone (N 2₆) im Abstand D 5 (Fig. 12) bzw. D 4 (Fig. 15) sowie eine Basiszone (B₆) im Abstand D 1;
- c) hierbei gilt für die Abstände D 1 bis D 5 die Beziehung D 1 < D 2 < D 3 < D 4 < D 5 ;
- d) folgende Zonen sind miteinander verbunden:
  - - die Basiszone (B₃) des dritten Bereiches (P 2₃) mit den ersten Kollektorzonen (N 1₂, N 1₄) des zweiten und vierten Bereiches (P 2₂, P 2₄),
  - - die Basiszone (B₄) des vierten Bereiches (P 2₄) mit den zweiten Kollektorzonen (N 2₂, N 2₃, N 2₅) des zweiten, dritten und fünften Bereiches (P 2₂, P 2₃, P 2₅),
  - - die Basiszone (B₅) des fünften Bereiches (P 2₅) mit der ersten Kollektorzone (N 1₃) des dritten Bereiches (P 2₃), mit der dritten Kollektorzone (N 3₄) des vierten Bereiches (P 2₄) sowie mit der zweiten Kollektorzone (N 2₆) des sechsten Bereiches (P 2₆),
  - - die Basiszone (B₆) des sechsten Bereiches (P 2₆) mit der zweiten Kollektorzone (N 2₄) des vierten Bereiches (P 2₄) und mit der ersten Kollektorzone (N 1₅) des fünften Bereiches (P 2₅).