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Tialbleitervorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung
der unter der Bezeichnung "integrierte logische Injektionsvorrichtung" bekannten
Bauart, die in der Fachliteratur über Halbleitervorrichtungen häufig auch als "IIL-
oder I2L-«Vorrichtung" bezeichnet wird, und sie betrifft insbesondere eine verbesserte
IIL-Vorrichtung, bei der bestimmte integrierte Bestandteile so voneinander getrennt
sind, daß sie unabhängige PN-Übergänge bilden, woraus sich eine Verbesserung des
Betriebsverhaltens der Vorrichtung ergibt.
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Solche IIL-Vorrichtungen sind aus der F-PS 2 130 399 bekannt; eine
solche Vorrichtung weist grundsätzlich einen Invertertransistor auf, zu dem eine
Siliciumunterlage vom N-Typ gehört, die den Emitter bildet, ferner ein in die Oberfläche
der Unterlage hineindiffundierter Basisbereich vom P-Typ sowie ein Kollektorbereich
vom N-Typ in der Oberfläche der Basis. Bei diesem Invertertransistor ist der Aufbau
im Vergleich zu dem Aufbau eines Transistors üblicher Art umgekehrt, bei dem der
Emitter und nicht der Kollektor in die Oberfläche der Basis eingebettet ist, Außerdem
ist in die Oberfläche der Unterlage ein Injektionsbereich vom P-Typ hineindiffundiert,
der den Emitter eines zweiten Transistors bildet, der den Injektionsbereich als
Emitter aufweist, bei dem die Unterlage die Basis
bildet, und bei
dem der Kollektor durch die Basis des Invertertransistors gebildet wird, Hierbei
arbeitet der zweite Transistor als Stromquelle, die den Invertertransistor mit dem
Basisstrom versorgt. Außerdem ist ein dritter Invertertransistor vom NPN-Typ vorhanden,
der tatsächlich die vorausgehende Stufe bildet und daher von den beiden ersten Transistoren
getrennt ist; dieser dritte Invertertransistor ist so geschaltet, daß der zweite
Transistor gleichzeitig die Kollektorlast des dritten Transistors bildet.
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Die Kollektorlasten des zweiten Transistors werden durch den Kollektor-Emitter-Kreis
des dritten Transistors und den Basis-Emitter-Kreis des ersten Transistors gebildet.
Ist der dritte Transistor nicht-leitend, ist der erste Transistor leitfähig, was
bedeutet, daß sein Basis-Emitter-Übergang in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist,
Jedoch bildet der gleiche Übergang den Basis-Kollektor-Übergang des zweiten Transistors.
Der Kollektorstrom des die Stromquelle bildenden Transistors ist relativ stark,
wenn der dritte Transistor leitfähig ist, doch geht er auf einen erheblich niedrigeren
Wert zurück, wenn die Last nur durch den in der Vorwärtsrichtung vorgespannten Basis-Emitter-Übergang
des ersten Invertertransistors gebildet wird.
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Dies ist unerwünscht, da der umgekehrte Aufbau des ersten Transistors,
bei dem der Emitter eine niedrigere Störstoffkonzentration aufweist als die Basis,
und bei dem die Basis im Gegensatz zur normalen Anordnung im Emitter angeordnet
ist, bewirkt, daß der erste Transistor mit einer niedrigen Stromverstärkung arbeitet.
Infolgedessen muß der Basisstrom stark sein, damit ein hinreichend starker Kollektorstrom
erzeugt wird.
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Wird die Kollektor-Emitter-Spannung des zweiten Transistors auf Null
verringert, haben der Emitter und der Kollektor dieses Transistors das gleiche Potential,
und der Kollektor arbeitet außerdem als Emitter, der Minoritätsträger (Löcher) in
die Basis des ersten Invertertransistors injiziert. Daher nimmt der Kollektorstrom
des zweiten Transistors nahezu den Wert Null
an, denn die Injektion
durch den Emitter wird durch die Injektion durch den Kollektor ausgeglichen. Da
der Kollektor-Basis-Übergang des zweiten Transistors mit dem Emitter-Basis-Übergang
des ersten Invertertransistors identisch ist, nimmt der Kollektorstrom des zweiten
Transistors auf nicht zu vermeidende Weise einen niedrigeren Wert an, was darauf
zurückzuführen ist, daß der genannte Übergang in der Vorwärtsrichtung vorgespannt
ist, wenn der erste Invertertransistor leitfähig ist. Wird dieser Übergang in der
Vorwärtsrichtung vorgespannt, werden die von der Basis des ersten Invertertransistors
aus in den Emitter dieses Transistors injizierten Löcher im Emitter wieder miteinander
vereinigt, oder sie werden durch den Emitterbereich des zweiten Transistors gesammelt,
so daß sie sich mit dem Basisstrom vereinigen, wodurch der hFE-Wert des ersten Invertertransistors
verringert wird Durch die Erfindung ist eine verbesserte IIL-Vorrichtung geschaffen
worden, die einen als Stromquelle wirkenden Transistor von hohem Widerstand aufweist,
Der als NPN-Transistor ausgebildete Invertertransistor besitzt ein Bett vom N-Typ
für einen Bereich vom P-Typ. Das Material vom N-Typ bildet den Emitter, während
das Material vom P-Typ die Basis bildet, In die Oberfläche der Basis ist ein Kollektorbereich
vom N-Typ eingebettet. Die Basis bildet gleichzeitig den Kollektor des als Stromquelle
wirkenden Transistors bzw. des Injektionstransistors. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist in dem Basisbereich des Invertertransistors ein weiterer Bereich
angeordnet, der die Basis des als Stromquelle arbeitenden Transistors bildet, und
in die Oberfläche des Basisbereichs vom N-Typ ist ein Bereich vom P-Typ eingebettet,
der den Emitter des als Stromquelle arbeitenden Transistors bildet.
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Bei dieser Anordnung ist der PN-Übergang zwischen dem Kollektor und
der Basis des die Stromquelle bildenden Transistors von dem P-N-Übergang zwischen
dem Emitter und der Basis des Invertertransistors getrennt, Außerdem sind eine Basisstromquelle
von
hohem Widerstand für den ersten Invertertransistor und eine Last mit variablem Widerstand
für den vorgeschalteten Invertertransistor vorhanden.
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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im
folgenden anhand schematßcher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt: Fig, 1 einen Schnitt durch eine IIL-Vorrichtung bekannter Art; Fig. 2
eine Äquivalentschaltung für die Vorrichtung nach Eig.1; Fig. 3 in einer graphischen
Darstellung die Betriebskennlinien der Vorrichtung nach Fig, 1; Fig. 4 einen Schnitt
durch eine IIL-Vorrichtung nach der Erfindung; Fig. 5 eine Schaltung mit einer IIL-Vorrichtung
nach Fig. 4; Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer IIL-Vorrichtung;
Fig. 7 ein der Anordnung nach Fig, 6 entsprechendes Schaltbild; Fig, 8 einen Schnitt
durch eine weitere Ausführungsform einer IIL-Vorrichtung; Fig. 9 ein der Anordnung
nach Fig. 8 entsprechendes Schaltbild; Fig. 10 einen Schnitt durch eine weitere
Ausführungsform einer IIL-Vorrichtung;
Fig. 11 ein der anordnung
nach Fig. 10 entsprechendes schaltbild; Fig. 12 einen schnitt durch eine weitere
Ausführungsform einer IIL-Vorrichtung; Fig. 13 ein der anordnung nach Fig, 12 entsprechendes
5chaltbild; und Fig. 14 einen Schnitt durch eine weitere ausführungsform einer IIL-Vorricntung.
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In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer bekannten IIL-Vorrichtung
dargestellt, zu der eine den emitter bildende oiliciumunterlage 1 vom N-Typ gehört.
In die Oberfläche der Unterlage 1 ist ein Basisbereich 2 vom P~rlyp hineindiffundiert,
und in den basisbereich 2 ist ein Kollektorbereich 3 vom N-Typ hineindiffundiert.
Diese Anordnung steht im Gegensatz zu der üblichen Anordnung der genannten Bereiche
bei einem Transistor. Normalerweise bildet der Kollektor ein Bett für die Basis,
die ihrerseits ein Bett für den Emitter bildet0 werner weist die lIb-Vorrichtung
nach Fig. 1 einen Injektionsbereich 4 vom P-Typ auf, der in die gleiche Fläche der
Unterlage 1 hineindiffundiert ist wie der Basisbereich 2.
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Fig. 2 zeigt eine der Vorrichtung nach Fig. 1 äquivalente ochaltung.
Zu dieser schaltung gehört ein Invertertransistor ii, bei dein die geerdete Unterlage
1 nach Fig. 1 den Emitter, der Bereich 2 die basis und der Dereich 3 den Kollektor
bildet, Ferner ist ein zweiter Transistor Q2 vorhanden, der die btromquelle für
die Basis des Invertertransistors Q1 bildet, und zu dem der Bereich 4 als Emitter,
die Unterlage 1 als Basis und der Bereich 2 als kollektor gehören. womit ist der
Transistor #1 ein NPN- Transistor, während der riransistor Q2 ein F#£-iransistor
ist. Zwei der genannten Bereiche sind den Transistoren Q1 und 12 gemeinsam.
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"eiterhin gehört zu der Schaltung nach Fig. 2 ein dritter Transistor
#3, der die vorausgehende Stufe einer komplizierteren schaltung bildet, und bei
dem es sich um einen weiteren NPN- Transistor handelt, und der einen geerdeten Emitter
sowie einen an einem Knotenpunkt a mit dem Kollektor des Transistors Q2 und der
basis des Transistors Q1 verbundenen Kollektor besitzt, womit bildet der Transistor
w2 die Kollektorlast des Transistors ,, doch kann man den Transistor #3 auch als
einen vestandteil der Kollextorlast des Transistors Q2 betrachten.
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liter verbleibende Teil der Last des Transistors Q2 wird durch den
Basis-Emitter-Teil des Transistors CLI gebildet. Dieser Teil ist mit dem Emitter-Kollektor-Kreis
des Transistors Q3 parallelgeschaltet.
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Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung den Kollektorstrom Ic
des Transistors Q2 der Schaltung nach Fig. 1 in Abahängigkeit von der liollektor-Emitter-Spannung
VCE. Die Kollektor-Emitter-#pannung ist von ull aus nach oben bis zu der Spannung
Vcc der Stromquelle gemessen, Die Kurve 5 ist die Betriebs kurve des Transistors
Q2 für eine bestimmte Betriebsspannung. ns ist ersichtlich, daß diese Kurve im oberen
Bereich der Kollektor-Emitter- Spannung des Transistors Q2 praktisch waagerecht
verläuft, und daß der Transistor Q2 in diesem Bereich als eine quelle für einen
konstanten Strom arbeitet.
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Die Kurven 6 und 7 in Fig, 3 veranschaulichen betriebskennlinien des
die Last des Transistors Q2 bildenden Transistors #3. Die Kurve 6 bezeichnet den
Zustand, bei dem der Transistor Q3 leitfähig ist und daher einen Stromleitungsweg
von geringem Widerstand zwischen dem Knotenpunkt a und Masse bildet, während die
Kurve 7 für den Fall gilt, daß der Transistor Q3 nicht leitfähig ist, In der Praxis
könnte die Kurve 7 sogar noch tiefer liegen, als sie in Fig. 3 eingezeichnet ist.
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Die Kurve 8 ist eine typische Exponentialkurve für eine Diode und
veranschaulicht das Diodenäquivalent des ßasis-Emitter-Teils
des
Transistors CLI für den Fall, daß dieser Transistor leitfähig ist.
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Der Arbeitspunkt, der für den Transistor Q2 gilt, wenn der Transistor
Q3 leitfähig ist, ist der Punkt A, an dem die Belastungskurve 6 die betriebskennlinie
5 schneidet. Bei diesem Betriebszustand ist die Spannung an dem Kollektor-Emitter-Kreis
des Transistors Q2 gleich VCEI, und diese Spannung ist nur wenig niedriger als die
Speisespannung Vcc. Der Spannungsabfall am Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors
Q3 ist sehr gering.
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Der Arbeitspunkt für den Transistor Q2 ist für den Fall, daß der Transistor
Q3 nicht leitfähig und der Transistor Q1 leitfähig ist, durch den Schnittpunkt B
zwischen den Kurven 5 und 8 gegeben. Der Schnittpunkt B liegt auf dem steil verlaufenden
Abschnitt der Kurve 5, und daher hat der Kollektorstrom des Transistors Q2 einen
Wert 102, der erheblich niedriger ist, als es dem Wert 101 des waagerechten Teils
der Kurve 5 entspricht.
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An dem Arbeitspunkt B ist das Potential VcE2 zwischen dem Emitter
und dem Kollektor des Transistors Q2 relativ niedrig.
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Die Differenz zwischen diesem Potential und dem Erstpotential, das
Potential des Punktes a nach Fig. 2, hat den relativ hohen Weft von Vcc - VCE2.
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Die Tatsache, daß der Kollektorstrom 102 des Transistors W2 erheblich
schwächer ist als der maximale Wert 101 bei dem Betriebszustand, bei dem der Transistor
Q1 leitfähig ist, während der Transistor Q3 nicht leitfähig ist, ist unerwünscht,
denn der umgekehrt aufgebaute Transistor Q1 arbeitet bei der Schaltung mit geerdetem
Emitter nicht mit einer hohen Stromverstärkung. Daher würde es zweckmäßiger sein,
den Transistor W2 als Stromquelle zu betreiben, die den Transistor CLI mit einem
relativ starken Basisstrom versorgt.
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Geht die Spannung VCE an dem Transistor Q2 vollständig bis auf Null
zurück, da sich der Emitter und der Kollektor des Transistors
Q2
auf dem gleichen Potential befinden, arbeitet der Kollektor 2 nach Fig. 1 auch als
Emitter, der Minoritätsträger (Löcher) in den Basisbereich 1 injiziert, Hierdurch
wird der Kollektorstrom IC des Transistors Q2 veranlaßt, nahezu bis auf Null zurückzugehen,
da die Injektion durch den Emitter durch die Injektion durch den Kollektor ausgeglichen
wird. Da der Kollektor-Basis-8bergang des Transistors Q2 mit dem Emitter-Basis-Übergang
des Transistors Q1 identisch ist, läßt es sich nicht vermeiden, daß der Kollektorstrom
1C2 an dem Punkt B schwächer ist als der Strom IC1o Der genannte gemeinsame Übergang
ist in der Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn der Transistor Q1 leitfähig ist, und
bei diesem Betriebszustand werden von der Basis 2 aus in den Emitter 1 injizierte
Löcher in dem Emitter 1 wieder miteinander vereinigt, oder sie werden durch den
Bereich 4 gesammelt, so daß sie den Basisstrom verbrauchen, wodurch die Stromverstärkung
Hfe des Transistors Q1 verringert wird.
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Fig. 4 zeigt eine IIL-Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Unterlage
11 aus Silicium vom N-Typ, die eine Hauptfläche 10a aufweist. In der Hauptfläche
10a ist auf entsprechende Weise, z.B. mittels Diffusion, ein Bereich 12 vom P-Typ
ausgebildet, innerhalb welcher zwei Bereiche 13 und 14 mm N-Typ vorhanden sind.
Innerhalb des Bereichs 14 ist ein weiterer Bereich 15 vom P-Typ ausgebildet. Die
Bereiche 11, 12 und 13 bilden den Emitter bzw. die Basis bzw. den Kollektor eines
NPN-Invertertransistors. Die Bereiche 15, 14 und 12 bilden dagegen den Emitter bzw.
die Basis bzw, den Kollektor eines als Stromquelle arbeitenden PNP-Transistors Q2.
Die Transistoren Q1 und Q2 ähnelndden entsprechend bezeichneten Transistoren der
bekannten Schaltung nach Fig, 2. Jedoch weisen die beiden Transistoren bei der Anordnung
nach Fig. 4 im Gegensatz zu der Vorrichtung nach Fig. 1 nicht gemeinsam zwei Halbleiterbereiche
auf.
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Die Bereiche 13 und 14 sind durch einen Abstand getrennt, der größer
ist als die Diffusionsstrecke der Minoritätsträger in
dem Bereich
12, um die Bereiche 13, 12 und 14 daran zu hindern, als Transistoren zu arbeiten.
Auch die Bereiche 11 und 14 sind durch einen Abstand getrennt, der größer ist als
die Diffusionsstrecke der Minoritätsträger in dem Bereich 12, um zu verhindern,
daß die Bereiche 11, 12 und 14 als Transistor arbeiten.
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Der in Fig0 4 mit J1 bezeichnete PN-Übergang zwischen den Bereichen
14 und 15 muß in der Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, wenn der Transistor Q2
leitfähig gemacht werden soll.
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Ferner muß der PN-Übergang J2 zwischen den Bereichen 11 und 12 in
der Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, wenn der Transistor Q1 leitfähig gemacht
werden soll. alkan kann an die Bereiche 14 und 13 ein solches Potential anlegen,
daß ein zwischen den Bereichen 12 und 14 vorhandener Pi#-Übergang J3 in der Vorwärtsrichtung
weniger stark vorgespannt wird als der Übergang 52, oder daß er auf den Wert Null
oder in der Gegenrichtung vorgespannt wird. Der Abstand, der zwischen dem Kollektor-Basis-Übergang
J3 des Transistors Q2 und dem Emitter-Basis-Übergang J2 des Transistors Q1 vorhanden
ist, ermöglicht es, die an dem Übergang J3 liegende Spannung herabzusetzen und hierdurch
auf bequeme Weise den Injektionsstrom abzuschwächen, der von dem Kollektor 12 zur
Basis 14 des Transistors Q2 fließt, denn der Injektonsstrom ist proportional zu
einer Exponentialfunktion der Spannung an dem Übergang J3 Der Kollektorinjektionsstrom,
der bei dem Transistor Q2 von dem Kollektor 12 zu der Basis 14 fließt, kann erheblich
schwächer sein als der von dem Emitter 15 zu der Basis 14 fließende Injektionsstrom,
Das Potential des Bereichs 14 wird auf einen höheren Wert eingestellt als das Potential
des Bereichs 11.
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Beispielsweise kann zwischen den Bereichen 11 und 14 ein Spannungsurterschied
von 0,1 bis 0,7 V vorhanden sein. Der Bereich 15 kann auf eine Spannung eingestellt
sein, die noch un etwa 0,7 V höher ist als die Spannung an dem Bereich 14.
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Durch die in Fig. 4 dargestellte Anordnung der Halbleiterbereiche
wird der Verlauf der in Fig. 3 wiedergegebenen Kennlinie des Transistors Q2 verändert.
Hierbei verlängert sich die Linie 5 nach links entlang der gestrichelten Linie 5',
da der Kollektorstrom IC selbst dann nahezu konstant bleibt, wenn sich die Spannung
VCE dem Wert Null nähert, Der Arbeitspunkt des Transistors Q2 verlagert sich zu
dem Punkt B', in dem die Kurve 8 die Linie 5' schneidet. Man kann die Spannung an
dem Übergang J1 z.B. um etwa 0,5 bis 0,7 V ändern, um den Strom bzw, den Widerstand
des Transistors Q2 zu regeln.
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Zu den Anschlüssen der Vorrichtung nach Fig. 4 gehören eine mit der
Unterlage 11 verbundene Elektrode 21, eine an den Bereich 12 angeschlossene Elektrode
22, eine mit dem Bereich 13 verbundene Elektrode 23, eine an den Bereich 14 angeschlossene
Elektrode 24 sowie eine in Verbindung mit dem Bereich 15 stehende Elektrode 25.
Mit den Elektroden 21 bis 25 sind Anschlußleitungen t1 bis t5 verbunden.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltung mit mehreren IlL-Vorrichtungen nach Fig.
4. Der Invertertransistor Q1 und der zugehörige, die Stromquelle bildende Transistor
Q2 sind in gestrichelte Linien 5 eingeschlossen. Zu einer vorgeschalteten Stufe
gehört ein Transistor Q3, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors Q1 und
dem Kollektor des Transistors Q2 verbunden ist, d.h.
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mit ein und demselben Halbleiterbereich 12 nach Fig. 4. Die Eingangsklemme
Tin ist an die Basis des Transistors Q3 angeschlossen. Die Emitter der Transistoren
Q1 und Q3 sind direkt miteinander verbunden. Die Basis des Transistors Q2 liegt
an einer weiteren Klemme t4, und die Klemme t5 ~ist mit der positiven Klemme der
Stromquelle verbunden, so daß an ihr eine Spannung +Vcc erscheint. Die Klemme t5
ist an den Emitter des Transistors Q2 angeschlossen. Dem Transistor Q2 kann ein
Satz von weiteren Transistoren nachgeschaltet sein, von denen der erste in Fig.
5 mit Q2' bezeichnet ist, Dies soll andeuten, daß der Transistor Q1 zu dem Transistor
Q2' in der gleichen Beziehung
steht wie der Transistor Q3 zu dem
Transistor Q2. In Fig. 5 deuten die waagerechten gestrichelten Linien an, daß man
eine beliebige Anzahl von Transistorpaaren vorsehen kann, die in der gleichen Weise
geschaltet sind wie die Transistoren Q1 und Q2'. Die letzten Transistoren, die am
rechten Ende von Fig. 5 dargestellt sind, stehen in Verbindung mit einer ersten
Ausgangsklemme Tout1, die an die Kollektoren der Transistoren Q2n und Q1(n 1) angeschlossen
sind. Die Kollektoren dieser beiden Transistoren sind direkt miteinander verbunden,
Eine weitere Ausgangsklemme Tout2 ist an einen zweiten Kollektor des Tranangeschlossen,
Es ist ersichtlich, daß bei der Schaltung nach Fig. 5 im Gegensatz zu der Schaltung
nach Fig. 2 die Basis des Transistors Q2 und die Basiselektroden der entsprechend
geschalteten Transistoren nicht mit dem Emitter des Transistors Q1 verbunden, sondern
an eine gesonderte Klemme t4 angeschlossen sind, so daß man an dieser Stelle eine
andere Spannung anlegen kann, was im Einklang mit der Tatsache steht, daß es möglich
ist, den Bereich 14 nach Fig. 4 auf einen anderen Wert vorzuspannen als den Bereich
11.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer IIL-Vorrichtung nach
der Erfindung, bei der bestimmte Teile bei der Vorrichtung nach Fig. 4 vorhandenen
Teilen entsprechen und daher jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind.
Zu der insgesamt mit 10 bezeichneten Vorrichtung gehört eine Unterlage 31 vom P-Typ,
in deren Oberseite eine Schicht 32 vom Typ N+ eingebettet ist, die unter den Bestandteilen
von drei Transistoren Q1, Q2 und Q3 angeordnet ist. Die eingebettete Schicht 32
trennt den größten Teil der Oberfläche der Unterlage 31 von einer epitaxialen Schicht
33 vom N-Typ0 Die Störstoffkonzentration der eingebetteten Schicht 32 vom Typ N+
beträgt etwa 1020 Atome/cm3 und diejenige der Schicht 33 etwa 1016 Atome/ctn3. Die
Schicht 33 hat eine Dicke von etwa 1 Mikrometer, und sie erfüllt die gleiche Aufgabe
wie die Unterlage 11 nach
Fig. 4. Auf die Schicht 33 ist eine Schicht
37 vom Typ P+ aufdiffundiert, bei der die Störstoffkonzentration etwa 1019 Atome/cm3
beträgt, und auf diese Schicht ist eine epitaxiale Schicht 34 vom P-Typ mit einer
Störstoffkonzentration von etwa 1017 Atomen/cm3 und einer Dicke von etwa 1 Mikrometer
aufgebracht. Ferner sind zwei Zellen 34a und 34b vorhanden, die voneinander getrennt
von einem isolierenden Gitter umschlossen sind, das aus einem Material vom Typ N+
besteht, welches in mehrere Bereiche 35 hineindiffundiert ist und sich an der Oberseite
der Schicht 34 in die eingebettete Schicht 32 hinein erstreckt, Der in der Zelle
34a liegende Teil der Schicht 33 ist in Fig.6 zusätzlich mit 11 bezeichnet, da er
genau der Unterlage 11 nach Fig. 4 entspricht. Der in der Zelle 34a liegende Teil
der Schicht 34 vom P-Typ trägt zusätzlich die Bezeichnung 12, da er dem Bereich
12 nach Fig. 4 entspricht. Entsprechend sind Bereiche 13 und 14 vom N-Typ in den
Bereich 12 hineindiffundiert, und ein weiterer Bereich 39 vom N-Typ ist in den Teil
der Schicht 34 hineindiffundiert, der sich in der Zelle 34b befindet. Ein Bereich
15 vom Typ P+ ist in den Bereich 14 hineindiffundiert, und ein weiterer Bereich
36 vom Typ P ist in den Bereich 12 zwischen den Bereichen 13 und 14 hineindiffundiert.
Außerdem ist ein weitere; Bereich 38 vom Typ P+ in die Oberfläche des Sperrbereichs
35 zwischen den Zellen 34a und 34b hineindiffundiert, und ein letzter Bereich 40
vom Typ P+ ist in die Oberfläche der Schicht 34 innerhalb der Zelle 34b hineindiffundiert0
Ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bilden die Bereiche 11, 12 und 13
den Emitter bzw. die Basis bzw. den Kollektor des Invertertransistors Q10 Die Bereiche
15, 14 und 12 bilden den Emitter bzw, die Basis bzw.
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den Kollektor des als Stromquelle wirkenden Transistors Q20 Die Bereiche
33 und 39 bilden den Emitter bzw. den Kollektor des Eingangsinvertertransistors
Q3, und der innerhalb der Zelle 34b liegende Teil der Schicht 34 vom P-Typ bildet
den Basisbereich dieses Transistors. Die Bereiche 35 und 38 bilden eine
Diode
D2, deren Wirkungsweise nachstehend anhand von Fig. 7 erläutert wird. Der Bereich
35 und die Unterlage 31 sind geerdet.
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Die eingebettete Schicht 37 überdeckt zwar eine Fläche unterhalb der
Bereiche 15 und 36, doch erstreckt sie sich nicht so weit nach unten, daß sie in
Berührung mit der eingebetteten Schicht 32 steht, noch so weit in seitlicher Richtung,
daß sie die Sperrbereiche 35 berührt. Auch erstreckt sich die Schicht 37 nicht zwischen
den Bereichen 13 und 11 der Schicht 33o Die eingebettete Schicht 37 verringert den
Kollektorwiderstand des Transistors Q2 und den Basiswiderstand des Transistors Q1.
Dadurch, daß sie sich unterhalb der Bereiche 15 und 36 erstreckt und hierdurch den
Weg der Minoritätsträger zwischen diesen beiden Bereichen und der Schicht 33 verlängert,
verhindert sie, daß die Bereiche 15, 14, 12 und 32 als Thyristor zur Wirkung kommen.
Der Bereich 36 umschließt vorzugsweise den Bereich 14, und er kann sich bis zu dem
Bereich 37 nach unten erstrecken. Er verhindert, daß die Bereiche 13, 12 und 14
als Transistor zur Wirkung kommen. Der Bereich 36 und die eingebettete Schicht 37
bilden zusammen mit dem Bereich 12 Tief-Hoch-Übergänge, um Minoritätsträger daran
zu hindern, sich in der Basis des Transistors Q1 wieder zu vereinigen, und hierdurch
wird die Stromverstärkung des Transistors Q2 gesteigertO IiIan kann die Vorrichtung
10 nach Fig. 6 nach links und rechts verlängern, und sie kann normale NPN-Transistoren
aufweisen, zu denen Kollektoren in der Schicht 33, Basiselektroden in der Schicht
34 und in die Basiselektroden hineindiffundierte Emitter gehören, Fig. 7 zeigt eine
Schaltung mit Schaltungselementen ähnlich der Schaltung nach Fig, 6. Die Schaltung
nach Fig. 7 entspricht im wesentlichen der Schaltung nach Fig, 5, jedoch sind zusätzlich
eine Diode D1 zwischen den Klemmen t5 und t4 sowie eine weitere Diode D2 zwischen
der Klemme t4 und Masse vorhanden.
Die Dioden wirken als Spannungsteiler,
um die Spannung an der Klemme t4 zu regeln, die mit den Basen des Transistors Q2
und der diesem nachgeschalteten weiteren Transistoren verbunden ist. Wäre ein solcher
Spannungsteiler nicht vorhanden, würde sich der Wert der Spannung an der Klemme
t4 nicht bestimmen lassen, Tatsächlich bildet der Emitter-Basis-Teil des Transistors
Q2 sowie aller übrigen auf ähnliche Weise geschalteten Transistoren jeweils eine
Diode, so daß man die Diode D1 fortlassen kann. Daher fehlt bei der Ausführungsform
nach Fig, 6 die Diode Dl, und es ist nur die Diode D2 vorhanden, Fig. 8 zeigt eine
weitere Ausführungsform der Erfindung, Hierbei ist die erforderliche Halbleiteranordnung
vorhanden, welche eine in Fig. 9 dargestellte Gatterschaltung bildet. Bei dieser
Schaltung sind zwei Stromquellen bildende Transistoren Q2 und Q2' vorhanden, mit
deren Basiselektroden eine Eingangsklemme t4 bzw. t4' verbunden ist. Die Kollektoren
dieser beiden Transistoren sind mit der Basis des Invertertransistors Q1 verbunden,
dessen Emitter geerdet ist, während der Kollektor an eine Ausgangsklemme Tout angeschlossen
ist. Die Emitter der Transistoren Q2 und Q2' sind gemeinsam mit einer Klemme t5
verbunden, an die eine Spannungsquelle Vcc angeschlossen ist.
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Die Schaltung nach Fig. 9 bildet ein ODER-Gatter, wenn der Wert "1"
dadurch gegeben ist, daß der Emitter-Basis-Übergang des Transistors Q2 oder Q2',
dem er zugeführt wird, in der Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Ein solches logisches
Signal wird der Eingangs klemme t4 oder t4' gewöhnlich vom Kollektor einer vorgeschalteten
Stufe aus zugeführt.
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Statt die logischen Signale den Basiselektroden der Transistoren Q2
und Q2' zuzuführen, deren Emitter geerdet sind, ist es auch möglich, diese Transistoren
so zu schalten, daß sie die zugehörigen Emitter bei einer Anordnung mit geerdeter
Basis getrennt steuern.
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Fig, 8 zeigt eine physikalische Ausführungsform einer Vorrichtung,
die sich entsprechend der Schaltung nach Fig. 9 betreiben läßt. In Fig. 8 sind die
Schaltungselemente, welche schon beschriebenen Schaltungselementen entsprechen,
jeweils mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, Zu der Vorrichtung nach Fig. 8
gehört eine Unterlage 31 vom P-Typ, in die ähnlich wie bei der Vorrichtung nach
Fig, 6 eine Schicht 32 vom Typ N eingebettet ist. Außerdem ist wiederum eine epitaxiale
Schicht 33 vom N-Typ auf der freiliegenden Fläche der eingebetteten Schicht 32 angeordnet,
und die Schicht 34 vom P-Typ überdeckt die Schicht 33. Durch die Schichten 33 und
34 hindurch sind Sperrschichten 35 aus einem Material vom Typ N+ bis in die Schicht
32 hinein eindiffundiert.
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Der von den Sperrbereichen 35 umgebene Teil der Schicht 33 ist zusätzlich
als Bereich 11 bezeichnet, während der von den Sperrbereichen umschlossene Teil
der Schicht 34 zusätzlich als Bereich 12 bezeichnet ist, Der Bereich 13 aus dem
Material vom N-Typ ist in die Oberseite der Schicht 34 hineindiffundiert, und die
Bereiche 11, 12 und 13 bilden den Emitter bzw. die Basis bzw. den Kollektor des
Invertertransistors Q1.
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Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist die gleiche eingebettete Schicht
37 aus einem Material vom Typ P+ auf wie die Vorrichtung nach Fig. 6, abgesehen
davon, daß sich gemäß Fig. 8 diese eingebettete Schicht unterhalb von zwei Sätzen
von Bereichen erstreckt, welche den Transistor Q2 und einen gleichartigen Transistor
Q2' bilden. Zu dem Transistor Q2' gehören die Bereiche 14', 15' und 36', die den
Bereichen 14, 15 und 16 des Transistors Q2 ähneln. Wie bei der Vorrichtung nach
Fig. 6 hat die eingebettete Schicht 37 die Aufgabe, die Wege zu bestimmen, längs
welcher sich Ladungsträger bewegen können, und ein unerwünschtes Arbeiten als Transistor
bzw. Thyristor zu verhindern, Der Bereich 12 ist allen drei Transistoren CLI, Q2
und Q2' gemeinsam, doh. er verbindet diese Transistoren miteinander.
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Fig. 10 zeigt eine weitere physikalische Ausführungsform der Erfindung,
während Fig. 11 die entsprechende Schaltung veranschaulicht. Genauer gesagt zeigt
Fig. 11 eine Flipflop-Speicherschaltung mit zwei Invertertransistoren Q1 und Q1',
von denen jeder mehrere Emitter besitzt. Der Kollektor jedes dieser Transistoren
ist mit der Basis des anderen Transistors verbunden, und einer der Emitter jedes
Transistors ist geerdet.
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Eine Klemme t1 ist ebenfalls geerdet, eine Klemme t3 ist an den Kollektor
des Transistors Q1 angeschlossen, zwei Stromquellen bildende Transistoren Q2 und
Q2' sind zwischen den Basiselektroden der Invertertransistoren Q1 und Q1 t in Reihe
geschaltet, und an eine gemeinsame Klemme t5 wird die Speisespannung Vcc angelegt.
Die Basiselektroden der die Stromquellen bildenden Transistoren Q2 und Q2' sind
mit einer Klemme t4 und einer Leitung SL verbunden. Ein zweiter Emitter des Transistors
Q1 ist über eine Klemme tla an eine Ziffer#1eitung D angeschlossen. Entsprechend
ist ein zweiter Emitter des Transistors Q1' mit einer Ziffer#eitung D verbunden.
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Beim "Nichtwähl"-Betrieb wird das Potential der Leitung SL auf einen
hohen Wert gebracht, um zu bewirken, daß die Transistoren Q2 und Q2' nicht leitfähig
sind. Beim "Wähl"-Betrieb wird das Potential der Leitung SL auf einen niedrigen
Wert gebracht, damit diese beiden Transistoren leitfähig werden. Zunächst sei angenommen,
daß der Invertertransistor Q1' leitfähig und der Invertertransistor Q1 nicht leitfähig
ist, Um eine Information in die Schaltung "einzulesen" und den Transistor Q1 leitfähig
zu machen, wird das Potential der Zifferleitung D bis unterhalb des Erdpotentials
herabgesetzt, während das Potential der Zifferleitung D auf einem relativ hohen
Wert gehalten wird. Um den Zustand der Schaltung "abzulesen", wird das Potential
beider Zifferleitungen annähernd bis auf das Erdpotential verringert, woraufhin
ein Strom durch die Zifferleitung D fließt. Bei dieser Anordnung wird das Basispotential
der Transistoren Q2 und Q2', deren Emitter geerdet sind, geregels, Alternativ kann
man das Emitterpotential dieser Transistoren
dadurch regeln, daß
man ihre Basiselektroden erdet und das Basispotential festlegt. Bei der physikalischen
Ausführungsform nach Fig. 10 sind die auch schon als Bestandteile bestirnmter Ausführungsformen
beschriebenen Elemente wiederum mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Bei dem
einzigen neu hinzugekommenen Halbleiterbereich handelt es sich um den Bereich 46
vom N-Typ, der durch eine Elektrode 47 mit der an die Leitung D anzuschließenden
Klemme tla verbunden ist. Die eingebettete Schicht 37 erstreckt sich vollständig
über die Unterseite der Bereiche 14, 36 und 46. Der Bereich 46 bildet einen #weiten
Emitter für den Transistor CLI, dessen erster Emitter durch den Bereich 11 gebildet
wird, welcher durch die eingebettete Schicht 32 und den eindiffundierten Bereich
35 mit der geerdeten Klemme t1 verbunden ist. Der Emitter 46 ist von dem Kollektor
13 durch einen Abstand getrennt, der innerhalb der Diffusionsstrecke der idinoritätsträger
in dem Bereich 12 liegt, jedoch ist er von dem ersten Emitter 11 und dem Bereich
14 durch einen Abstand getrennt, der größer ist als die Diffusionsstrecke, da die
Diffusionsstrecke durch die eingebettete Schicht 37 und den Bereich 36 verlängert
wird.
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Fig. 12 zeigt eine weitere physikalische Ausführungsform einer IIL-Vorrichtung
nach der Erfindung, deren Schaltbild in Fig. 13 dargestellt ist. Auch in diesem
Fall sind Schaltungselemente, die bereits beschriebenen Schaltungselementen entsprechen,
mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Gemäß Fig. 13 ist der Kollektor des die Stromquelle bildenden PNP-Transistors
Q2 mit der Basis des Invertertransistors QN verbunden, und die Basis des Transistors
Q2 liegt am Kollektor des Transistors Q1. Der Emitter des Transistors W1 ist über
die Klemme t1 geerdet, die Klemme t2 verbindet die Basis des Invertertransistors
mit der vorgeschalteten Inverterstufe, die Klemme t3 verbindet den Kollektor des
Invertertransistors Q1 mit der nachfolgenden Stufe, und die Klemme t4 verbindet
den Emitter des die Stromquelle bildenden PNP-Transistors Q2 mit
der
positiven Klemme der Quelle für die Spannung Vcc.
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Bei der Anordnung nach Fig. 12 bildet der Bereich 12 den Kollektor
des als Stromquelle arbeitenden PNP-Transistors Q2.
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Der in den Bereich 12 hineindiffundierte Bereich 13 bildet die Basis
des Transistors Q2, während der in den Bereich 13 hineindiffundierte Bereich 16
den Emitter bildet0 Der Bereich 13 bildet außerdem den Kollektor des Invertertransistors
CLI, dessen Basis durch den Bereich 12 gebildet wird. Der Emitter des Transistors
Q1 wird durch den Bereich 11 der Schicht 33 gebildet0 Das Vorhandensein der eingebetteten
Schicht 37 ist wichtig, da diese Schicht verhindert, daß die Bereiche 16, 13, 12
und 32 als Thyristor zur Wirkung kommen. Um dies zu erreichen, erstreckt sich die
eingebettete Schicht 37 unterhalb der Bereiche 13 und 36, um den Ladungsträgerweg
zwischen diesen Bereichen und der eingebetteten Schicht 32 zu verlängern. Zwar sind
die Bereiche 12 und 13 bei dieser Ausführungsform den beiden Transistoren CLI und
Q2 gemeinsam, doch ist der Kollektor-Basis-Übergang des Transistors Q2 immer noch
vom Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q1 getrennt.
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Fig. 14 zeigt eine Weiterbildung der ersten Ausführungsform der Erfindung.
In diesem Fall ist nur eine epitaxiale Schicht 33 vom N-Typ vorhanden. Zur Basis
des Transistors Q1 und zum Kollektor des Transistors Q2 gehören ein eindiffundierter
Bereich 12a, ein in geringem Maße implantierte Ionen enthaltender Bereich 12b und
ein Bereich 12c mit einem hohen Gehalt an implantierten Ionen, Zu dem Kollektor
des Transistors Q1 gehören ein Bereich 13a der epitaxialen Schicht 33 und ein eindiffundierter
Bereich 13b Der Transistor Q2 besitzt einen Basisbereich 14a in der epitaxialen
Schicht 33 sowie einen eindiffundierten Bereich 14b und einen Emitterbereich 15.
Ferner ist ein normaler NPN-Transistor Q11 vorhanden, zu dem Kollektorbereiche 51,
52 und 53, Basisbereiche 54 und 55 sowie Emitterbereiche 56 und 57 gehören, Diese
Transistoren sind durch ein Gitter getrennt, das sich aus oxydierten Siliciumschichten
60
zusammensetzt. Der stark angereicherte Kollektorkontaktbereich 13b kann durch eine
nicht dargestellte Sperrschicht nach Schottky ersetzt sein, Ansprüche: