JPS6281120A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6281120A
JPS6281120A JP60219171A JP21917185A JPS6281120A JP S6281120 A JPS6281120 A JP S6281120A JP 60219171 A JP60219171 A JP 60219171A JP 21917185 A JP21917185 A JP 21917185A JP S6281120 A JPS6281120 A JP S6281120A
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JP
Japan
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transistor
collector
output
base
circuit
Prior art date
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JP60219171A
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Toshitaka Fukushima
福島 敏高
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/60Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integration of BJTs
    • H10D84/611Combinations of BJTs and one or more of diodes, resistors or capacitors
    • H10D84/613Combinations of vertical BJTs and one or more of diodes, resistors or capacitors
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/01Modifications for accelerating switching
    • H03K19/013Modifications for accelerating switching in bipolar transistor circuits

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  • Mathematical Physics (AREA)
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  • Electronic Switches (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 この発明は論理回路のショットキー・バリヤ・ダイオー
ド・トランジスタ(以下ショットキー・トランジスタと
称す)を用いた出力トランジスタにおいて、トランジス
タのベースとコレクタ間に挿入するクランプ回路をショ
ットキー・バリヤ・ダイオード(以下ショットキー・ダ
イオードと称す)と直列抵抗により構成したものである
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置に関し、特に、論理回路のローレベ
ル出力のマージンを増大しかつスイッチング速度の改善
を図った半導体装置に関する。
〔従来の技術および発明が解決しようとする問題点〕
論理回路、例えばTTL論理回路の一例を第6図に示す
。すでに明らかなように、第6図の回路動作は概路次の
ようになる。即ち、入力電圧■。
がハイ (H)レベルになると、入力トランジスタT□
のベース電流がトランジスタTr!のベースに流入しト
ランジスタT、がターンオンし、出力段のトランジスタ
TF4がターンオンして出力V。Uアにロー(L)レベ
ルが得られる。逆に入力電圧がLレベルになると、トラ
ンジスタ・ゲートを通してトランジスタTr2のベース
電荷が引き抜かれトランジスタTr2はターンオフする
。このときトランジスタTr4のベース電荷は比較的低
いベース抵抗R8をとおして放電する。同時に終段より
以前にターンオフした前段のトランジスタT1のコレク
タに接続されているトランジスタTr3が駆動される。
バッファ段のトランジスタT、は出力トランジスタT 
r aのコレクタ電位が低いあいだは強制的に、T、、
4のコレクタに大電流を流し込んでそのスイッチング速
度を早める作用をする。同時に出力端子に負荷溶量があ
ると、その負荷溶量をすみやかに充電して出力電圧を上
昇させHレベルを得る。
このように出力トランジスタはインバータ・トランジス
タとして機能するが、TTL回路は通常、インバータ・
トランジスタがターンオンするとき飽和状態となる飽和
形回路が用いられる。即ち、TTL回路の場合には本質
的にトランジスタが飽和に入る領域を用い、特に出力ト
ランジスタは次段に接続する負荷へのドライブ能力を高
めるためにベース電流を多口に供給している。そのため
ベース電流とコレクタ電流との関係を示すドライビング
ファクタが通常2〜3となっている。即ち、スイッチン
グ動作に必要なコレクタ電流の2〜3倍のベース電流を
流している。これがトランジスタのオン時、つまり出力
がLレベルの時に飽和を深くし、ベース領域でのキャリ
アの蓄積を増大する原因となっている。その対策として
金拡散によりベース電荷のディスチャージを早めるよう
にしてきたがそれでもなおスイッチング時間に遅れを来
たすという問題がある。
この問題を解決するために、第7図に示すように、順方
向電圧降下の低いショットキー・ダイオードをトランジ
スタのベースとコレクタ間に挿入したショットキー・ト
ランジスタを用いる方法がとられている。この場合の出
力段ショットキー・トランジスタの等価回路を第8図に
、その断面図を第9図に示す。図において、端子B、 
CおよびEはそれぞれ出力トランジスタTR,のベース
、コレクタおよびエミッタ端子に対応する。SBDはシ
ョットキー・ダイオードでありクランプ回路(この場合
はクランプ素子)を構成する。この方法を採用した場合
には、第9図に示す如くショットキー・ダイオードSB
DがベースBの下方の拡散層に隣接して形成されるため
、コレクタ電位V、は、クランプ回路に抵抗が存在しな
いので、V(= Vlli−VF T!り’l 7プさ
れる。ココでVIEは第8図等価回路のトランジスタの
ベース・エミッタ間電圧である。例えば、VIIF−0
,8V、V、−0,4Vとすると、Vcは0.4Vとな
り、第10図に一点鎖線で示す直線■の如く、0.4 
Vから立上がり、飽和に係る問題は解決され、スイッチ
ング速度の遅れを解消してきた。尚、第10図の点線で
示す直線■は第6図に示すSBDクランプがない場合の
1.−VC特性である。
しかしながら、第10図に示すように、この方法では、
Lレベルの立ち上がり点の電位は上がるが、コレクタ抵
抗R0は構造上一義的に決まるものであり(Ro=a+
b+c)変らない。そのため、コレクタの出力はショッ
トキー・ダイオードSBDの■2分高電位方向にシフト
した直線■の如きIc−■。特性をもつ、つまり、トラ
ンジスタの飽和を抑止しようとすると、出力電圧の■、
レベルv。Lの最大値(VOLMAX = 0.5 V
) ニ対するマージンが減少してしまうという問題があ
った。
即ち、従来のショットキー・トランジスタを用いた出力
トランジスタの構成ではスイッチング速度の改善は図れ
るが、一方ではSBDやベース・エミッタ間の順方向電
圧のバラツキによって■。Lのマージンが減少してしま
うという問題がある。
このことは、製造者側にとって製造バラツキの許容範囲
が狭くなることであり、歩留りの低下、つまりコストの
上昇につながり、またユーザ側にとっても動作マージン
の減少となるため、装置の回路設計においても、プリン
ト基板上のレイアウトにおいても自由度が減少していた
〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明は上
述した問題点を解決した半導体装置を提供することにあ
り、その手段は、ショットキー・トランジスタを用いて
論理回路を構成した半導体装置において、前記ショット
キー・トランジスタのコレクタ電位をクランプするため
にコレクタ・ベース間に挿入されるクランプ回路をショ
ットキー・ダイオードとこれに接続された直列抵抗によ
り構成し、コレクタ抵抗を前記直列抵抗により抵抗分割
したことを特徴とする。
〔実施例〕
第1図は本発明に係る半導体装置におけるショットキー
・トランジスタを用いた出力トランジスタの等価回路図
である。本発明の半導体装置は、第1図に示す如き等価
回路を有するショットキー・トランジスタを第7図に示
すTTL論理回路の、特に出力トランジスタに適用した
ものである。従って、第1図における端子B、Cおよび
Eはそれぞれ出力トランジスタのベース、コレクタおよ
びエミッタ端子を示す。図から明らかなように、コレク
タ電圧■。を適切にクランプするために、ショットキー
・ダイオードSBDとこれに直列接続された抵抗R3か
らなるクランプ回路をベースとコレクタ間に挿入する。
挿入にあたっては、R1とコレクタ抵抗R,およびR2
との間で最適な組合せ々なるように抵抗値を設定する必
要がある。
これを以下に説明する。
第2図等価回路において、コレクタ出力電圧voは次の
如くなる。即ち、 Vo= Vat  VF  R3(I s  I o/
hrE)+R,I0・・・・・・ (1) ここで、VIEはベース・エミッタ間電圧、vFはショ
ットキー・ダイオードSBDの電圧降下、I、はベース
電流、■。はコレクタ電流である。
マタ、トランジスタが飽和領域に入るときのコレクタ電
流の最大値をIo□やは次の関係式から得られる。即ち
、 V@c=Vr+Rs(Is−1o/hrt)十Rz(1
B−1゜/hFE’+1゜)・・・ (2115ここで
、Vleはコレクタ・エミッタ間電圧である。
今、Vmt= VJIC= 0.8 V、 VF = 
0.4 V。
t+yt = 100.  Rt = 2Ω、Rt=5
Ω、1.=2mAとしたとき、R3とV。およびI。W
AXの関係は(1)式および(2)式から次の如くなる
(3)および(4)式の関係に基づいて、第5図に出力
トランジスタのr、−vc特性を示す。図から明らかな
ように直列抵抗R3のコレクタ出力V、への影響は直線
nla、t[sおよび■、で示される。
即ち、前述の各々の値と、抵抗R1が100.50゜お
よび10Ωの場合について(1)式から求めたものであ
る。ここで直線111a、l1laおよび■。はそれぞ
れR3が100.50.および10Ωに対応する。
また、点A、 BおよびCは飽和領域に入る電流値lo
1.lA、lの値である。前述したように直線■は第6
図に示す従来回路であって、ショットキー・トランジス
タを用いない場合、直線■は第7図に示す従来回路であ
って、従来のショットキー・トランジスタを用いた場合
である。尚、直線■の左側領域がトランジスタの飽和領
域である。
次に示す表は第5図に示すグラフの要点をまとめたもの
である。
表から明らかなように、また、直線[11a 、  t
[Im 。
■。の傾斜からも明らかなように、コレクタの実効抵抗
は減少している。これは、第1図の点Pにおいて、クラ
ンプ回路(SBD+R1)から点Pに流入する電流がベ
ース電流I、の変化につれて変化し、R3での電圧降下
も変化するためである。
この場合、クランプ回路を流れる電流が少な(なってく
るとR5による電圧降下も減少し、その結果点Pのレベ
ルが実効的に上昇し見かけ上コレクタ抵抗は減少するよ
うに見える。
第2〜4図は第1図等価回路からなる半導体装置の断面
図である。第1図等価回路の抵抗R++RtおよびR1
は、第2図および第4図ではR1=a+b、R* =c
、R3=dと等価であり、第3図ではR,=a、R,=
b+c、R,=dと等価である。第2図はショットキー
・ダイオードSBDをコレクタ拡散の左側に設けた場合
であり、第3図は右側に設けた場合である。また、第4
図は第2図を対にして設けた場合である。いずれの場合
においても、所定の内部抵抗値a、b、cを得るために
ベースBから離れた位置に設けている。
従来の断面図である第9図と比較すれば明らかな如く、
従来は必然的に定まるコレクタ抵抗R0(第8図参照)
のみであり、クランプ回路に抵抗を設けないためにベー
スBに隣接してショットキー・ダイオードSBDが設け
られていた。また、金属配線層としては、第1層目はベ
ース、エミッタ、コレクタ等の電極により形成され、第
2層目は上記各電極への配線により形成される。
以上説明したように、ショットキー・トランジスタを用
いた出力段において、コレクタ電位のクランプ回路を最
適値に組合せたショットキー・ダイオードと直列抵抗に
より構成することによって、コレクタ出力のローレベル
からの立上りの電位を下げることができるばかりでなく
、出力側から見た実効的なコレクタ抵抗を減少すること
が可能となる。その結果、Lレベル出力■。Lのマージ
ンを大幅に増大することができる。この場合、コレクタ
電位のクランプは行われているので、トランジスタの飽
和によるスイッチング速度の遅れも同時に抑止すること
ができる。
上述した実施例はTTL論理回路についてなされたが、
本発明は勿論、ECL論理回路にも適用し得ることは明
らかである。
〔発明の効果〕
本発明によれば、論理回路のコレクタ出力のローレベル
からの立上りの電位が下がり、かつ出力側から見た実効
的なコレクタ抵抗が減少するので、Lレベル出力のマー
ジンが大幅に増大し、かつコレクタ電位のクランプによ
ってトランジスタの飽和によるスイッチング速度の遅れ
も同時に抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る半導体装置のショットキー・ト
ランジスタを用いた出力トランジスタの等価回路図、 第2図は、第1図等価回路の一実施例断面図、第3図は
、第1図等価回路の他の実施例断面図、第4図は、第1
図等価回路のさらに他の実施例断面図、 第5図は、本発明に係る出力トランジスタのコレクタ電
流−コレクタ電圧特性、 第6図は、従来のTTL論理回路の一例、第7図は、シ
ョットキー・トランジスタを用いたTTL論理回路の一
例、 第8図は、従来のショットキー・トランジスタを用いた
出力トランジスタの等価回路図、第9図は、第8図等価
回路の断面図、および第1θ図は、従来の出力トランジ
スタのコレクタ電流−コレクタ電圧特性である。 (符号の説明)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、ショットキー・バリヤ・ダイオード・トランジスタ
    を用いて論理回路を構成した半導体装置において、該シ
    ョットキー・バリヤ・ダイオードトランジスタのコレク
    タ電位をクランプするためにコレクタ・ベース間に挿入
    されるクランプ回路をショットキー・バリヤ・ダイオー
    ドと直列抵抗により構成し、コレクタ抵抗を該直列抵抗
    により抵抗分割したことを特徴とする半導体装置。
JP60219171A 1985-10-03 1985-10-03 半導体装置 Pending JPS6281120A (ja)

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PCT/JP1986/000505 WO1987002182A1 (fr) 1985-10-03 1986-10-03 Dispositif a semi-conducteurs
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