DE2530288C3

DE2530288C3 - Inverter in integrierter Injektionslogik

Info

Publication number: DE2530288C3
Application number: DE2530288A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl.-Ing. 8201 Kolbermoor Kirschner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-07-07
Filing date: 1975-07-07
Publication date: 1982-02-18
Also published as: FR2317771B1; CA1051982A; GB1551760A; US4131806A; IT1066959B; CH609171A5; FR2317771A1; DE2530288B2; DE2530288A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Inverter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher, der Schaltungsfamilie der integrierten Injektionslogik angehörender Inverter ist aus den Valvo-Berichten, Band XVIII, Heft 1/2 (1974), Seiten 215 bis 226, insbesondere Bild 12, bekannt. Ein wesentliches Merkmal des Inverters bestehi darin, daß Halbleiterbereiche mehrfach ausgenutzt werden. So stelit beispielsweise ein Teil des Basis-Emitter-Obergangs eines vertikalen bipolaren Transistors gleichzeitig den Kollektor-Basis-Übergang eines als Stromgenerator geschalteten, lateralen bipolaren Transistors dar. Wie auf Seite 216, rechte Spalte der genannten Valvo-Berichte ausführlich erläutert ist, entsteht in dem Betriebszustand eines solchen Inverters, in dem der Kollektor des lateralen Transistors nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist, eine Rückinjektion von Ladungsträgern aus der Basis des vertikalen Transistors irr dessen Emitter. Durch diese Rückinjektion wird aber einerseits die inverse Stromverstärkung des vertikalen Transistors verringert und andererseits der Störabstand eines von dem Inverter abgegebenen Signals reduziert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Inverter der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die inverse Stromverstärkung des vertikalen, bipolaren Transistors und der Störabstand des von diesem abgegebenen Signals verbessert werden. Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst

Aus dem IBM-Technical Disclosure Bulletin, VoL 13, Nr. 1, Juli 1970, Seiten 479 bis 480 ist es bei in Planartechnik hergestellten bipolaren Transistoren bekannt, einen Kollektorwiderstand dadurch zu realisieren, daß ein als vergrabene Schicht ausgebildeter Kollektor über eine schwach dotierte Zwischenschicht des gleichen Leitfähigkeitstyps, insbesondere über einen Teil einer epitaxialen Schicht, mit einem Kollektoranschluß verbunden wird. Das gleiche Prinzip wird auch zur Realisierung eines Basiswiderstandes angewendet wobei eine Basiszone über eine schwach dotierte Zwischenschicht des gleichen Leitfähigkeitstyps mit einem Basisanschluß verbunden ist

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß der Inverter auch bei kleinen Strömen einen einwandfreien Betrieb gewährleistet Seine inverse Stromverstärkung braucht nur wenig über 1 zu liegen. Der Störabstand des vom Inverter abgegebenen Signals ist gegenüber den bekannten Invertern bei gleicher Stromverstärkung größer.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die parasitären Basisströme des vertikalen bipolaren Transistors durch den Basiswiderstand verringert werden und daß damit die inverse Stromverstärkung weiter erhöht wird.

Vorteilhafterweise lassen sich mit dem Basiswiderstand die Streuungen der Basis-Emitter-Kennlinien kompensieren.

Bei der Zuschaltung von Schottky-Klemm-Dioden zum Kollektor-Basis-Übergang des npn-Transistors können vorteilhafterweise auch die dynamischen Eigenschaften der integrierten Injektionslogik verbessert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Beschreibung erläutert

Die F i g. 1 zeigt das Schaltbild einer Inverterstufe mit dem npn-Transistor der vorangehenden Stufe;

die F i g. 2 zeigt die Stromkennlinien der Transistoren der Inverterstufe nach der F i g. 1 in Abhängigkeit von der Spannung des Knotenpunktes;

die Fig.3 zeigt den Querschnitt des Schaltbildes einer Inverterstufe nach der F i g. 1;

die Fig.4 zeigt in schematischer Darstellung eine PL-Struktur mit einer Schottky-Diode zwischen der Basis und dem Kollektor des vertikalen npn-Transistors.

Die Inverterstufe der integrierten Injektionslogik nach der Fig. 1 besteht aus einem als Stromgenerator geschalteten, Injektor benannten, lateralen pnp-Transistor 1 und einem vertikalen npn-Transistor 2 mit mehrfachen Kollektoren 204 bis 205.

Der in der F i g. 1 dargestellte vertikale npn-Transistor 3 gek6rt zur vorangehenden Inverterstufe. Der Injektorstrom I\ fließt entweder zur Basis 105 des npn-Transistors 2 der dargestellten Inveiterstufe oder zum Kollektor 31 des npn-Transistors 3 der vorangehenden Inverterstufe. In der Fig.2 sind die entsprechenden Transistorkennlinien und die entsprechenden Arbeitspunkte Pi und P₃ dargestellt

In der F i g. 2 ist der aus dem Kollektor des lateralen pnp-Transistors 1 fließende Strom I\ dargestellt Dabei gilt die gestrichelte /i-Kennlinie I\K für eine Schaltung nach der Erfindung und die durchgehend gezeichnete Kennlinie I\K für eine entsprechende Schaltung des Standes der Technik. I3K bezeichnet die Kennlinie für den Kollektorstrom, der in dem Kollektor des vertikalen npn-Transistors 3 der vorangehenden Stufe fließt kK bezeichnet die Kennlinie für den Basisstrom der in den vertikalen npn-Transistor 2 fließt.

Der Strom /2, das ist der Basisstrom des Transistors 2 im Punkte P₂, ist kleiner als der Strom /₍. Dabei ist der Strom /3 der Kollektorstrom des Transistors 3 im Punkte P3. Die Rückinjektion vom Kollektorgebiet des lateralen pnp-Transistors 1 verursacht den Stromunterschied zwischen den zwei stabilen Zuständen P3 und Pj.

Die F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau einer Schaltung nach der F i g. 1. Dabei sind Einzelheiten der F i g. 3, die bereits im Zusammenhang mit der F i g. 1 bezeichnet sind, mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen. Wie aus der F i g. 3 hervorgeht, sind die Basis bzw. der Kollektor des lateralen pnp-Transistors 1 mit dem Emitter bzw. der Basis des vertikalen npn-Transistors identisch. Bei der Inverterstufe in integrierter Injektionslogik nach der F i g. 1 ist der laterale pnp-Transistor 1 über seinen Basisanschluß vorzugsweise mit Massepotential, das an der Leitung 103 anliegt, verbunden. Das Versorgungsspannungspotential der Schaltung liegt zwischen den Punkten 103 und 101 an. Bei dem Punkt 101 handelt es sich dabei um den Emitteranschluß des pnp-Transistors 1. Der Kollektoranschluß 102 dieses Transistors stellt den Eingang der Schaltung dar. Gleichzeitig ist dieser Eingang der Schaltung mit der Basis 105 des vertikalen npn-Transistors 2 verbunden. Der Emitteranschluß dieses Transistors ist ebenfalls vorzugsweise mit dem Punkt 103, also mit Masse, verbunden. Die Kollektoranschlüsse 204 und 205 stellen die Ausgänge des Inverters dar.

Eine solche Schaltung wird wie in der F i g. 3 dargestellt aufgebaut. Dabei ist auf dem vorzugsweise p-dotierten Siliziumsubstrat 40 epitaktisch eine n- oder n--dotierte Schicht 41 aufgebracht. In dieser Schicht 41 sind die p-dotierten Bereiche 104 und 105 angeordnet. Bei dem Bereich 104 handelt es sich um das Emittergebiet des Transistors 1. Dieser Bereich 104 ist mit dem Anschluß 101 verbunden. Der Kollektorbereich

105 des Transitors 1 ist mit dem Anschluß 102, der den Eingang der Schaltung darstellt, verbunden. Zwischen den Bereichen 104 und 105 liegt der den Basisbereich

106 des lateralen pnp-Transistors 1 darstellende Teil der Schicht, der über den Anschluß 103 und beim Stand der Technik über die vergrabene Schicht 42 an Masse liegt.

Diese vergrabene Schicht 42, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, ist bei den bekannten Anordnungen unterhalb der ganzen Schaltung vorgesehen. Der Kollekiorbereich 105 des IatenJen pnp-Transistors 1 dient gleichzeitig als Basisgebiet des vertikalen npn-Transistors 2. Die epitaktische Schicht 41 stellt den Emitterbereich dieses Transistors dar und liegt vorzugsweise über den Anschluß 103 an Massepotential. In dem Bereich 105 sind die n+-dotierten Gebiete 206 und 207 angeordnet, die die Kollektorgebiete des vertikalen Transistors 2 darstellen. Das Gebiet 206 ist mit dem Anschluß 205 und das Gebiet 207 mit dem Anschluß 204 verbunden. Es können in entsprechender Weise mehrere Kollektorbereiche vorgesehen sein. Soll der npn-Transistor 2 durchgesteuert werden, so wird sein Basis-Emitter-Übergang so weit in die Durchlaßrichtung vorgespannt, daß ein Durchlaßstrom durch den Obergang fließt Da dieser pn-Obergang gleichzeitig den Kollektor-Basis-Übergang des lateralen pnp-Transistors 1 bildet, findet eine Rückinjektion vom Kollektor statt und dadurch verringert sich der effektive K-ollektorstrom, d. h. der Basisstrom des npn-Transistors 1.

Diese Rückinjektion hat mehrere Nachteile. Da der vertikale npn-Transistor in die Sättigung gesteuert werden soll ist eine wesentlich über 1 liegende statische Stromverstärkung notwendig. Der vertikale npn-Transistor wird aber invers betrieben, wie aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich ist Mit einer Standard-Technologie für integrierte Schaltungen ist es schwierig eine hohe inverse Stromverstärkung zu erreichen. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das Verhältnis zwischen der aktiven und der gesamten Fläche des Basis-Emitter-Überganges so ungünstig ist, wie in dem dargestellten Fall.

Die Forderung nach einer hohen inversen Stromverstärkung wird besonders bei kleinen Strömen sehr kritisch, da die Stromverstärkung bei kleinen Strömen abfällt Dieser Bereich ist aber wegen seiner kleinen Verlustleistung für die Anwendung interessant Die Rückinjektion verringert weiterhin den Störabstand, der mit folgender Formel zu ermitteln ist:

In dieser Formel bedeuten: Jc die Boltzmannsche Konstante, q die Elementarladung, T die Temperatur in K und β die Stromverstärkung.

Wird die Rückinjektion größer, so verringert sich das Stromverhältnis h zu /1 und dadurch wird der Störabstand kleiner. Da der laterale pnp-Transistor 1 in Basisschaltung betrieben wird, kann die Rückinjektion erfindungsgemäß durch einen Basiswiderstand (Bezugszeichen 7 in Fig. 1) zwischen den Gebieten 42 und 106 verringert oder verhindert werden. Mit einem Basiswiderstand verschiebt sich die Kennlinie in der F i g. 2 entsprechend der gestrichelten Linie. Die Verschiebung der Kennlinie ist um so größer, je größer der Basiswiderstand ist. Durch die Änderung der Kennlinie wandert der Arbeitspunkt von Pi nach Pj und die Spannung steigt entsprechend von Lh auf Uj an. Bei ein^m genügend großen Basiswiderstand kann der optimale Zustand erreicht werden, in dem der Injektorstrom in beiden stabilen Zuständen gleich ist. In diesem optimalen Fall soll die inverse, statische Stromverstärkung etwas über 1 liegen. Diese Forderung ist mit jeder gewöhnlichen Technologie leicht zu

erfüllen und damit ist die Vereinbarkeit der integrierten Injektionslogik mit beliebigen integrierten digitalen und analogen Schaltungen weiterhin gewährleistet. Andererseits wird die Anwendungsgrenze hinausgeschoben, die durch den Abfall der Stromverstärkung bei 5 kleinen Strömen bestimmt wird.

Zusätzlich erreicht der Störabstand bei gleicher Stromverstärkung den maximal möglichen Wert. Da das Stromverhältnis hll\ = 1 wird, vereinfacht sich die für den Störabstand oben angegebene Gleichung zu:

U₅₁ = -

Eine Möglichkeit der Realisierung des Basiswiderstandes ist in der F i g. 3 dargestellt. In diesem Fall wird der Basiswiderstand durch die hochohmige n-Epitaxie-Schicht 41 realisiert Unterhalb des lateralen pnp-Transistors liegt die, durch die gepunktete Linie dargestellte vergrabene Schicht 420, die η+-dotiert ist. Diese vergrabene Schicht 420 ist mit dem Anschluß 103, der vorzugsweise wieder mit Masse verbunden ist, verbunden.

In der F i g. 4 ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit, bei der auch die dynamischen Eigenschaften wesentlich verbessert werden, dargestellt. Einzelheiten der F i g. 4, die bereits im Zusammenhang mit der F i g. 3 beschrieben wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Außer dem Basiswiderstand ist zusätzlich eine Schottky-Klemm-Diode 8 zwischen dem Kollektor 206 und der Basis 105 des npn-Transistors 2 geschaltet. Diese Diode wird gebildet aus dem Übergang zwischen dem Kollektorgebiet 206 und der Elektrode 102 des Basisgebietes. In dem Kollektorgebiet 206 ist das Kollektoranschlußgebiet 216, das mit der Elektrode 205 versehen ist, angeordnet. Geht die vergrabene Schicht 420, wie dies in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist, nur bis zum letzten Kollektorgebiet des Transistors 2, so wird der restliche Teil des Basis-Emitter-Überganges zum lateralen pnp-Transistor 1 zwar in Durchlaßrichtung vorgespannt, aber durch den Basiswiderstand verringert sich die Spannung an diesem Teil des pn-Überganges. Dadurch fällt nicht nur die Rückinjektion vom Kollektor des lateralen pnp-Transistors 1 weg, sondern es verringern sich auch die parasitären Ströme des Basis-Emitter-Überganges des vertikalen npn-Transistors 2. Dies führt auch zur Erhöhung der inversen Stromverstärkung.

Die erfindungsgemäße Verhinderung der Rückinjektion ist auch für die dynamischen Eigenschaften günstig, da die in der Basis akkumulierte Ladung und damit die Speicherzeit des lateralen pnp-Transistors 1 kleiner wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Inverter mit einem lateralen, bipolaren pnp- bzw. npn-Transistor und einem vertikalen, bipolaren npn- bzw. pnp-Transistor mit wenigstens einem Kollektor auf einem gemeinsamen Substrat, bei dem der Kollektor des lateralen Transistors mit der Basis des vertikalen Transistors verbunden ist, bei dem der Emitter des vertikalen Transistors und die Basis des to lateralen Transistors mit einem Anschluß der Versorgungsspannungsquelle und der Emitter des lateralen Transistors mit dem anderen Anschluß der Versorgungsspannungsquelie verbunden sind, bei dem auf das p- bzw. η-dotierte Substrat epitaktisch eine n- oder n~- bzw. p- oder p--dotierte Schicht abgeschieden ist, in der ein erster p- bzw. n-dotierter Bereich und ein zweiter in gleicher Weise dotierter Bereich vorgesehen sind, wobei diese Bereiche durch einen Teil der Schicht voneinander getrennt sind, bei dem in dem zweiten Bereich n⁺- bzw. ρ+-dotierte Gebiete vorgesehen sind, wobei der erste Bereich den Emitter, der Teil der Schicht den Basisbereich und die an diesen Teil angrenzende Zone des zweiten Bereiches den Kollektor des lateralen Transistors und der zweite Bereich die Basis, die Schicht den Emitter und die Gebiete die Kollektoren des vertikalen Transistors darstellen, und bei dem in der Schicht unterhalb des vertikalen Transistors eine n⁺- bzw. ρ+-dotierte, vergrabene Schicht vorgesehen ist, die für den vertikalen Transistor als Emitteranschlußgebiet und für den lateralen Transistor als Basisanschlußgebiet dient, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrabene Schicht (420) so bemessen ist, daß durch den sich zwischen dem aus dem Teil (106) bestehenden Basisbereich des lateralen Transistors (1) und der vergrabenen Schicht (420) ergebenden Widerstand eine Rückinjektion von Ladungsträgern aus dem Basisbereich des lateralen Transistors (1) zu der vergrabenen Schicht (420) verringert oder verhindertwird.

2. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Basis-Kollektor-Übergang des vertikalen Transistors (2) eine Schottky-Klemm-Diode (8) vorgesehen ist, wobei in einem der in dem zweiten Bereich (105) vorgesehenen Gebiete (206) ein n+- bzw. ρ+-dotierter Kollektoranschlußbereich (216) eingefügt ist, und wobei an der Grenzfläche zwischen diesem Gebiet (206) und dem zweiten Bereich (105) an der Oberfläche der Schicht (41) eine Metallelektrode (102) vorgesehen ist, die sich teilweise oberhalb dieses Gebiets (206) und oberhalb des zweiten Bereichs (105) befindet und mit diesem Gebiet (206) die Schottky-Diode bildet (F i g. 4).

3. Inverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (41) inselförmig auf einem elektrisch isolierenden Substrat aus Spinell oder Saphir angeordnet ist