DE2004090C3

DE2004090C3 - Monolithisch integrierter Transistor mit herabgesetztem inversem Verstärkungsfaktor

Info

Publication number: DE2004090C3
Application number: DE19702004090
Authority: DE
Inventors: Horst Heinz Dipl.-Ing. 7032 Sindelfingen Berger; Siegfried Kurt Dipl.-Ing. Dr. 7300 Esslingen Wiedmann
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1970-01-30
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE2004090A1; FR2077406A1; FR2077406B1; JPS4935024B1; GB1334924A; DE2004090B2

Description

Ein Transistor mit drei Zonen alternierenden Leitfähigkeitstyps kann bekanntlich in vier verschiedenen Weisen betrieben werden, wobei die Betriebsweise von der jeweiligen Polung der beiden Obergänge abhängt Da insgesamt zwei Obergänge zu betrachten

sind und jeder Obergang in Sperr- oder in Durchlaßrichtung gepolt werden kann, ist jeder Transistor in vier verschiedenen Weisen betreibbar. In der normalen Arbeitsweise ist der Emitterübergang in Durchlaßrichtung und der Kollektorübergang in Sperrichtung gepolt Bei umgekehrter Polung erhält man die sog. inverse Betriebsweise, die sich meist wegen der Unsymmetrie der Transistorzonen stark von der normalen Betriebsweise unterscheidet, obwohl bei völlig symmetrischer Transistorstruktur bei beiden Betriebsweisen gleiche Verstärkungsfaktoren zu erwarten sind.

Sind beide Obergänge in Durchlaßrichtung gepolt, so spricht man vom Sättigungsbetrieb. Bei der vierten Betriebsweise sind beide Übergänge gesperrt und der Transistor führt bei dieser Polung keinen wesentlichen Strom. Die vorliegende Erfindung betrifft eine monolithische Transistorstruktur, die im inversen Betrieb, bei welchem der Kollektor-Basisübergang Minoritätsladungsträger emittiert, die vom Emitter-Basisübergang gesammelt werden, nur einen geringen Verstärkungsfaktor aufweist Seit dem Aufkommen der Technik der integrierten Schaltungen erlangten besonders im Zusammenhang mit logischen Schaltungen und integrierten Festkörperspeichern Mehremitterstrukturen, d.h. Transistoren mit mindestens zwei Emittern, eine gewisse Bedeutung. Bei diesen Transistorstrukturen ist nun, insbesondere wenn sie in monolithische Schaltungen eingegliedert sind, damit zu rechnen, daß sich zwischen den nicht völlig entkoppelten Zonen der in der Schaltung enthaltenen planaren aktiven Elemente Wechselwirkungen einstellen, welche zu parasitären Effekten führen und die Arbeitsweise der Schaltung teilweise erheblich beeinträchtigen können.

Bei derartigen monolithischen Schaltungen ist insbesondere die zu Anfang erwähnte inverse Stromverstärkung oft sehr störend, und es wurden in der Halbleitertechnik bereits nach besonderen Maßnahmen gesucht, die gestatten, die inverse Verstärkung auf ein vernachlässigbares Maß herabzusetzen. Es hat sich nun gezeigt, daß es grundsätzlich möglich ist, durch prozeßtechnische Maßnahmen den inversen Stromverstärkungsfaktor zu erniedrigen, jedoch ergeben sich hierbei meist Schwierigkeiten, die sieh teilweise bereits aus der Tatsache erklären, daß es u. U. erwünscht sein kann, in bestimmten Teilbereichen einer monolithischen Schaltung über geringe Werte, in anderen Teilbereichen der Schaltung hingegen über höhere Werte des inversen Stromverstärkutigsfaklors zu verfügen. Eine meist störende inverse Verstärkung tritt z. B. bei

Transistorstrukturen mit mehreren Emittern immer d&nn auf, wenn mindestens eine der Einzeltransistorstrukturen in starker Sättigung betrieben wird, dies ist aber gerade bei den mit T²L benannten logischen Schaltungen der Fall, Diese TL-Schaltungen werden wegen ihres geringen Plattbedarfs besonders in Decodern für monolithische Schaltungen bevorzugt; infolgedessen ist auch hipr eine geringe inverse Stromverstärkung erwünscht

Die bereits ermahnte Maßnahme zur Beeinflussung der Stromverstärkung einer in eine monolithische Schaltung eingegliederten Transistorstruktur bedienen sich im wesentlichen geeigneter, im Rahmen der monolithischen Prozeßführung liegender Maßnahmen. Die Freiheit in der Wahl des Prozesses ist jedoch ziemlich gering, weil fast immer eine große Anzahl von teilweise einander entgegenstehenden Faktoren berücksichtigt und Kompromisse geschlossen werden müssen.

Es ist bereits eine Reihe sogenanter NPNP-Vierschichtstrukturen bekannt, die im Ersatzschaltbild aus zwei komplementären Transistoren zusammengesetzt sind, indem jeweils die Basis des einen mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist. So ist aus der DE-OS 14 64 984 eine Vierschichtstruktur bekannt, die als steuerbarer Schalter betrieben wird. Maßnahmen zur Herabsetzung der inversen Stromverstärkung eines Transistors sind jedoch nicht vorgesehen. Außerdem ist aus der FR-PS 15 04 781 eine NPNP-Vierschichtstruktur bekannt, die im Ersatzschaltbild aus zwei komplementären Transistoren zusammengesetzt ist, indem der Basis-Kollektorübergang des NPN-Transistors parallel zum Emitter-Basisübergang des PNP-Transistors angeordnet ist Das zu lösende Problem besteht in der Erhöhung des Verstärkungsfaktors des PNP-Transistors. Maßnahmen zur Herabsetzung der inversen Stromverstärkung eines Transistors sind auch dieser Struktur nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Herabsetzung des inversen Stromverstärkungsfaktors von in monolithischen Schaltungen integrierten Transistoren aufzuzeigen, ohne daß hierbei zusätzliche Bedingungen für die Prozeßführung berücksichtigt werden müssen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 niedergelegt

Die Aufgabe wird nach der Lehre der Erfindung durch eine Maßnahme schalttechnischer Art gelöst, die allgemein gesprochen darin besteht, daß der Schaltaufwand durch Einfügung eines zusätzlichen Schaltelementes vergrößert wird und diese etwas komplexere und daher über mehr variable Parameter verfügende Schaltungen in geeigneter Weise dimensioniert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein aus zwei diskreten Transistoren bestehendes Ersatzschaltbild für die monolithische Transistorstruktur mit herabgesetztem inversem Verstärkungsfaktor,

Figt2 eine erste Auslegung zur Realisierung des Ersatzschaltbildes nach F i g. 1 in Planartechnik,

Fi g. 3 eine weitere Realisierung des Ersatzschaltbildes von Fig. I, bei der die Kollektorzone des Hilfstransistors die Haupttransistorstruktur völlig umschließt und mit der Isolationszone mindestens teilweise überlappt

F i g. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild. Der Haupttrafisistor T mit der in der Reihenfolge Emitter, Basis unc Kollektor (E B, C) angenommenen Zonenfolge NtPN ■st mit dem in gleicher Reihenfolge (E', 3', C) eine PNP-Zonenfolge aufweisenden Hilfstransistor T se zusammengeschaltet, daß die Basis B und Kollektor C des Haupttransistors mit dem Emitter £"und der Basil B' in der genannten Reihenfolge galvanisch verbunder sind. In dieser den inversen Betrieb darstellender Anordnung liegen der Kollektor des Haupttransiston

ίο bzw. die Basis des Hilfstransistors auf Erdpotential, dei Emitter des Haupttransistors auf einem positiven unc der Kollektor des Hilfstransistors auf einem geeigneter negativen Hilfspotential. Die Ansteuerung im Inversbetrieb, bei welchem die Ladungsträgeremission von dem Kollektor-Basisübergang besorgt wird, erfolgt über die Basis des Haupttransistors Tmittels des Steuerstromes hefr, der im Knotenpunkt K eine Verzweigung in die Komponenten I_Bj und Ie erfährt Das den Transistoi Γ wirklich invers ansteuernde Signal /β,· ruft in diesem den von + Verfließenden verstärkten Strom Iq hervor so daß sich für den inversen Verstärki.vgsfaktor /J₁- der Quotient

A = h/h

ergibt

Die aus Haupttransistor T und Hilfstransistor T bestehende Gesamtschaltung liefert jedoch einen von β abweichenden effektiven Stromverstärkungsfaktor, dei mit ßictf bezeichnet sei. Aufgrund des auf der Knotenpunkt K angewendeten Kirchhoffschen Gesetzes der Stromverzweigung erhält man folgende Gleichungen:

oder bei Berücksichtigung von (I)
fo =

Der im Nenner stehende Quotient I_EJI_Bf ist stets positiv, daher gilt immer:

/Ί· e/f < Pi ■

Die Kombination aus Tund 7'liefert somit stets einer kleineren (effektiven) Stromverstärkungsfaktor ßieir&k dies für den von T allein gelieferten wirklicher Strom verstärkungsfaktor /?,der Fall ist

Die Erfindung beruht zwar auf der vorstehenc gezeigten Möglichkeit, den inversen Stromverstärkungsfaktor durch im wesentlichen schaltungstechnische Maßnahmen herabzusetzen, aber erst die Kombination von Haupt- und Hilfstransistor in integrierte! Schaltungstechnik bzw. die gemeinsame Eingliederung der beiden Transistoren in komplexere monolithisch« Schaltungsanordnungen bietet zusätzliche Vorteile Diese sind in einer erheblichen Platzersparnis in Vergleich zu herkömmlichen Schaltiingsanordnunger sowie darin zu erblicken, daß zur Realisisrung de! Hilfstransistors in integrierten Schaltungen bei dei Prozeßführung, abgesehen von einem zusätzlicher Fenster in der Diffusion&masktf, kein weiterer Aufwanc erforderlich ist, da die zusätzliche Kollektorzone de: Hilfstransistors V im gleichen Diffusionsverfahrens

sehritt wie die Basis B des Haupttransistors fhergestellt werden kann.

Eine Realisierungsmöglichkeit des Ersatzschaltbildes nach F i g. 1 in Planartechnik oder in horizontaler Geometrie ist aus der F i g. 2 ersichtlich. Diese zeigt in s Draufsieht zunächst den Haupttransistor T, der aus der zentral in die P-Ieitende Basiszone B eingebetteten Emitterzone E besteht, die selbst N+-leitend ist Weiterhin besteht der Haupttransistor f aus dem restlichen peripheren Oebiet, welches N-Leitfähigkeit aufweist, den Kollektor des Haupttransistors darstellt und mit einem N*-leitendem kontaktierenden Bereich versehen ist.

Da, wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, die Basiszone und die Kollektorzone des Haupttransistors r> T mit der Emitter- und der Basiszone des Hilfstransistors Tin der genannten Reihenfolge jeweils identisch sind, benötigt man zur Realisierung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in Planartechnik lediglich noch einen P-Ieitenden Streifen innerhalb des peripheren >o Basisbereiches. Dieser Streifen bildet den Kollektor C" des Hilfstransistors und wird zweckmäßigerweise durch ein zusätzliches Fenster in der Diffusionsmaske im gleichen Diffusionsverfahrensschritt erstellt, in dem die P-Ieitende Basiszone B des Haupttransistors Γ erzeugt 2i wird.

F i g. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Auslegung der Anordnung nach Fig. 1 in monolithischer Bauweise dar, bei welcher für den Hilfstransistor T höchstens ein geringfügiger, im Grenzfall überhaupt jo kein räumlicher Mehraufwand erforderlich ist. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sieh von dem in F i g. 2 dargestellten in topologischer Hinsicht nur darin, daß der Pfeifende den Kollektor C" des Transistors f bildende Streifen verlängert und so ringförmig deformiert wurde, daß et die Struktur des Haupttransistors T rahmenartig umgibt.

Der Haupttransistor Tbesteht ähnlieh wie in Fig.2 aus dem zentral gelegenen N+-leitenden Emitter £der in die Gleitende Basiszone B eingebettet ist, die ihrerseits innerhalb der N-Ieitenden mit dem Kontaktie· rungsgebiet des Leitfähigkeilstyps N⁺ versehenen Kollektorzone Cliegt.

Die aus Transistor und Hilfstransistor bestehende Gesamtstruktur ist gegen ihre Umgebung durch ein wannenartiges P*-Ieitendes Gebiet isoliert. Durch mehr oder weniger vollständige Überlappung des Kollektorstreifens C des Hilfstransistors mit der P*-leitenden Isolationszone läßt es sich erreichen, daß für die Eingliederung des Kollektorstreifens im Grenzfall kein zusätzlicher Platzbedarf besteht.

Auch bei der Herstellung der monolithischen Struktur nach Fig. 3 wird es zweckmäßig sein, die Basiszone B des Haupttransistors T und die Kollektorzone C des Hilfstransistors bzw. die Isolationszonc / im gleichen Diffusionsverfahrensschritt zu erzeugen.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß trotz Vorliegens einer Vierschichtstruktur (NPNP) eine Thyristorwirkung (SCR-Effekt) beim Gegenstand der Erfindung nicht zu befürchten ist, da der Kollektor des PNP-Hilfstransistors negativ vorgespannt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierter Transistor mit herabgesetztem inversem Stromverstärkungsfsktor, d a durch gekennzeichnet, daß in einerNPNP-Vierzonenstniktur der Basis-Kollektorübergang eines durch eine erste Dreier-Zonenfolge gebildeten Haupttransistors (T) und der Emitter-Basisübergang eines durch eine zweite Dreier-Zonenfolge des umgekehrten Leitungstyps gebildeten Hilfstransistors (T^J parallel geschaltet sind, wobei die Basis des Haupttransistors und der Emitter des Hilfstransistors einerseits und der Kollektor des Haupttransistors und die Basis des Hilfstransistors andererseits jeweils durch eine gemeinsame Zone der Vierschichtstruktur gebildet sind, derart, daß ein den Haupttransistor ansteuernder Basisstrom (Ib en) bei mit einer in Sperrichtung gepolten Hilfsspannung vorgespanntem Kollektor des Hilfstransistors sowohl über den Basis-Kollektorübergang des Haupttransistors ate auch über den Emitter-Basisübergang des Hilfstransistors fließt

2. Monolithisch integrierter Transistor in Planartechnik mit N+PN-Zonenfolge des Haupttransistors und mit PNP-Zonenfolge des Hilfstransistors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kollektor (C) des Hilfstransisiors ein P-leitender Streifen in der Nähe der N+PN-Haupttransistorstruktur innerhalb des N-KoUektorgebietes des Haupttransistors eindiffundiert ist

3. Monolithisch integrierter Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die P-leitende Kollektorzoße (C) Jes Hilfstransistors (V) bildende Streifen ringförmig erweitert und so innerhalb des N-leitenden KoL'- ktorgebietes des Haupttransistors (T) eindiffundiert ist, daß er die Emitter- und die Basiszone (E, B) des Haupttransistors (T) rahmenartig umgibt

4. Monolithisch integrierter Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende, ringförmige Kollektorzone (C) des Hilfstransistors (T')mw einem Kontaktierungsgebiet zum Anschluß an eine negative Hilfsspannung versehen ist

5. Monolithisch integrierter Transistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende, ringförmige Kollektorzone (C) des Hilfstransistors (V) so innerhalb der Gleitenden Kollektorzorte (C) des Haüptlfänsistörs f77 angeordnet ist, daß sie über eine galvanische Verbindung mit dem N+-leitenden Kontaktierungsgebiet der Haupttransistorkollektorzone (C) deren negatives Potential erhält

6. Monolithisch integrierter, in eine P+-Isolationszone eingeschlossener Transistor nach Anspruch 1 mit N⁺PN-Zonenfolge des Haupttransistors und mit PNP-Zonenfolge des Hilfstransistors, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende Kollektorzone (C) des Hilfstransistors (T') den Haupttransistor (T) völlig umschließt und mit der P+-Ieitenden Isolationszone (7J mindestens teilweise überlappt und die Kollektorzone (C) des Hilfstransistors das negativste Potential der Schaltung erhält.

7. Monolithisch integrierter Transistor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abstand zwischen Isolatiotiszone (1) und Basiszone (B)a Haupttransistor» (T^der gleiche Wert wie für

eine einzelne Transistorstruktur mit Hanpttransistor (T) ohne Hilfstransistor (V) gewählt ist, so daß für die KolJektoraone (C) des Hilfstransistors (V) kein zusätzlicher Plat?; erforderlich ist,

8, Monolithisch integrierter Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende Kollektorzone (C) des Hilfstransistors (V) und die P-leitende Basiszone des Haupttranststors (T) im gleichen Diffusionsverfahrensschritt hergestellt sind.