DE1295647B

DE1295647B - Logische Schaltung mit einem mehrere Eingaenge aufweisenden Dioden-Eingangsgatter

Info

Publication number: DE1295647B
Application number: DEW40791A
Authority: DE
Inventors: Murphy Bernard Thomas
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1965-02-01
Filing date: 1966-01-25
Publication date: 1969-05-22
Also published as: GB1130192A; US3394268A; NL6601209A; BE675783A; CH456689A

Description

Fig. 4 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsoder als WEDER-NOCH-Gatter (NOR) ausgebildet io beispiels der Erfindung mit Blockierdioden zur Versind, läßt sich eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit besserung des Schaltverhaltens, unter Verwendung von Tunneldioden oder zusätzlichen Transistoren und damit höhere Verstärkung
erreichen. Eine zusätzliche Verstärkung hat jedoch
im allgemeinen nachteilige Auswirkungen auf die 15
Stabilität der Schaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine logische Schaltung mit hoher Schaltgeschwindigkeit, mit gutem Ansprech- und Stabilitätsverhalten sowie

F i g. 5 das Schaltbild einer Ausführung, die leicht in einer integrierten Schaltung als Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann,

F i g. 6 die Aufsicht eines integrierten Halbleiterbauelements, das die Schaltung nach F i g. 5 enthält. Mit der herkömmlichen logischen Dioden-Transistor-Schaltung gemäß F i g. 1 läßt sich die NICHT-UND-Funktion darstellen. Mehrere Diodengatter 11

mit niedriger Leistungsverstärkung im eingeschal- 20 sind parallel angeordnet und jeweils mit den Einteten Ruhezustand zu schaffen, die insbesondere sehr gangsanschlüssen 10 verbunden. In der Ausgangseinfach und wirtschaftlich als integrierte Schaltung stufe sind der Transistor 12 und der Basis-Emitterin integrierter monolithischer oder isolithischer Widerstand 18 nach Art eines herkömmlichen Tran-Form hergestellt werden kann. sistorinverters geschaltet. Die positive Spannungs-Die Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß für 25 quelle V₁ liegt am Anschluß 16 und versorgt die die logische Schaltung der einleitend beschriebenen Schaltung über den Steuerwiderstand 20. Zwischen Art dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Tran- der Eingangs- und Ausgangsstufe liegen herkömmsistor vorgesehen ist, dessen Basis-Emitter-Diode den liehe Regelanpassungsdioden 14 und 15, die den Pegelanpassungsdioden gleichsinnig parallel geschal- Spannungspegel zwischen den Stufen verändern. Die tet ist, dessen Kollektor an eine Spannungsquelle an- 30 Arbeitsweise einer solchen Schaltung ist bekannt, geschaltet ist und dessen Basis mit dem Ausgang des und entsprechend der NICHT-UND-Funktion ist die Dioden-Eingangsgatters verbunden ist. Schaltung abgeschaltet, d. h., es liegt keine Ausgangs-Hierdurch wird bewirkt, daß der weitere Transistor spannung am Anschluß 13, solange die Spannungen praktisch nur während des Einschaltvorganges ver- an allen Eingangsanschlüssen 10 größer sind als die stärkt. Es liefern also zwei Transistorstufen eine 35 Spannung am Anschluß 16 abzüglich des Spanhohe Leistungsverstärkung während des Einschalt- nungsabfalls am Widerstand 20. Bei kleiner Spanvorganges, so daß die vorteilhaften Schalteigenschaf- nung an einem der Eingangsanschlüsse 10 ist also ten von Transistoren in höherem Maß ausgenutzt die betreffende Gatterdiode 11 in Durchlaßrichtung werden. Weiterhin überbrückt ein Weg mit verhält- vorgespannt und leitet. Wenn andererseits die Spannismäßig kleiner Impedanz die beiden Transistoren, 40 nung an allen Eingangsanschlüssen 10 hoch ist, sind wenn die Schaltung voll eingeschaltet ist und leitet. alle Diodengatter 11 in Sperrichtung vorgespannt, Es wird daher eine die Verstärkerstufen enthaltende d. h. gesperrt. Dann liegt an den Dioden 15 und 14 Schleife vermieden, die zu Schwingströmen und damit eine Spannung in Durchlaßrichtung, und der Basis fehlerhaften Schaltvorgängen Anlaß geben könnte. des Invertertransistors 12 wird ein Strom zugeführt, Es ergibt sich noch der Vorteil, daß" der Transistor 45 so daß der Transistor einschaltet. Bei eingeschaltetem der invertierenden Stufe, im folgenden kurz Inverter- Transistor 12 liegt der Ausgangsanschluß 13 auf

niedriger Spannung und gibt entsprechend der NICHT-UND-Funktion an, daß keiner der Eingangsanschlüsse 10 eingeschaltet ist. Um das Einschalten 50 des Transistors 12 zu erleichtern, liegt üblicherweise eine positive Spannung F₂ am Anschluß 17, die kleiner ist als die Spannung am Anschluß 16.

F i g. 2 zeigt die ebenfalls bekannte Hinzufügung einer weiteren, in Reihe geschalteten Transistorstufe Basiswiderstand des Invertertransistors ermöglicht, so 55 zur Erhöhung der Verstärkung während des Eindaß durch einen Weg kleinerer Impedanz für die im Schaltens der Grundausbildung einer logischen Transistor gespeicherten Ladungsträger das Abschal- Dioden-Transistor-Schaltung. Diese Schaltung entten verbessert wird. Diese Ausbildung erleichtert spricht der Schaltung nach F i g. 1 mit Ausnahme des außerdem die Einfügung in eine integrierte Schaltung, zusätzlichen Transistors 34 in Reihe mit der Pegelweil der Ersatz des verhältnismäßig großen Wider- 60 anpassungs-Diodenstufe, in diesem speziellen Fall Standes, der bei der Grundausführung eines logischen der Pegelanpassungsdiode 36. Eine Blockierdiode 35 Dioden-Transistor-Schaltkreises erforderlich ist, ist zwischen den Kollektor des Ausgangstransistors durch zwei Widerstände mit kleinem Wert und den und den Ausgang der Pegelanpassungsdiode 36 ge-Emitterfolgertransistor auf keinen Fall mehr und schaltet. In bekannter Weise wird bei dieser Schalmöglicherweise weniger Raum in dem integrierten 65 tung die Spannung am Kollektor auf einem Wert ge-Schaltungsblock benötigt. halten, der eine Sättigung des Transistors verhindert

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der und damit dessen Abschalteigenschaften verbessert Zeichnungen noch näher erläutert werden. Es zeigt und außerdem den Stromfluß durch den Transistor

transistor genannt, durch eine Diodenblockierung bekannter Art außerhalb des Sättigungsbereiches gehalten werden kann, so daß die Abschalteigenschaften verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Abschalteigenschaften durch das Vorhandensein des als Emitterfolgerstufe wirkenden weiteren Transistors verbessert werden, was einen kleineren Wert für den

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34 begrenzt. Diese Schaltung weist zwar eine erhöhte von Blockierdioden entsprechend der Schaltungs-Verstärkung auf, ist jedoch nicht stabil. Insbesondere anordnung nach F i g. 4 erreichen. Insbesondere kann können in der Schaltung entstehende Störsignale im die Sättigung des Transistors 72 der Inverterstufe Einschaltzustand der Schaltung zwischen den Tran- durch die Blockierdiode 85 verhindert werden, wie sistoren 34 und 32 zirkulieren, wobei sie vom KoI- 5 oben in Verbindung mit der Schaltungsanordnung lektorkreis des Transistors 32 über die Blockierdiode nach F i g. 2 erläutert.

35 zur Basis des Transistors 34 laufen, so daß eine Die Blockierdiode 85 liegt in der Schaltung zwi-Rückkopplungsschleife entsteht, in der Schwingungen sehen dem Kollektor des Transistors 72 und dem mit einem solchen Betrag auftreten können, daß ein Anschluß 87 über den Pegelanpassungsdioden 74 fehlerhaftes Schalten stattfindet. io und 75. Wie im Falle der Schaltung nach F i g. 3 ist

Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Verstärkung ein gemeinsamer Eingangsanschluß 86 vorhanden, speziell während des Einschaltvorganges in einer mit dem die Basis des Emitterfolgertransistors 81 verlogischen Schaltung gemäß F i g. 3 dadurch verwirk- bunden ist. Auf entsprechende Weise liegt der Emitlicht, daß parallel zu den Pegelanpassungsdioden 54 ter des Transistors 81 über den Widerstand 79 am und 55 eine Emitterfolgerstufe mit dem Transistor 61 15 gemeinsamen Anschluß 87. Eine weitere zweck- und dem Widerstand 59 geschaltet ist. Im übrigen mäßige Abwandlung sieht die Einfügung einer zweientspricht die Schaltung nach F i g. 3 der bekannten ten Blockierdiode 83 vor, die zwischen den Aus-Schaltung nach Fig. 1. gangsanschluß 73 und den Emitter des Transistors

Der Kollektor des Transistors 61 ist an den An- 81 geschaltet ist. Sie ist entgegengesetzt gepolt wie Schluß 56 der Betriebsspannung angeschaltet, und 20 die Blockierdiode 85, um die Spannung am Ausseine Basis liegt an dem gemeinsamen Eingangs- gangsanschluß 73 zu begrenzen. Wie im folgenden anschluß 64. Der Emitter des Transistors 61 ist über angegeben, wird dadurch die Verwendung einer geden Widerstand 59 an den gemeinsamen Anschluß 65 meinsamen Stromversorgung für V₁ und V₂ ermöggelegt. Zwischen den beiden gemeinsamen Anschlüs- licht,
sen 64 und 65 liegen die beiden Pegelanpassungs- 25 .

dioden 54 und 55. Die Basis des Invertertransistors Typische Werte für die Bauteile der gezeigten

52 ist an den gemeinsamen Anschluß 65 angeschal- Schaltung sind die folgenden:
tet und sein Emitter an den Erdanschluß 63. Zwi- y _)_ 5 y_oj_t

sehen dem gemeinsamen Anschluß 65 und dem Erd- _v ^l ,»_V1

anschluß 63 liegt der Widerstand 58. Der Kollektor 30 ² i-J von

des Transistors 52 ist über den Widerstand 60 mit ^V2 +5 Volt (mit Blockierdiode 83)

dem Anschluß 57 einer zweiten Spannungsquelle und Widerstand 82 1500 Ohm

außerdem direkt mit dem Ausgangsanschluß 53 ver- Widerstand 79 300 Ohm

^bunden- Widerstand 78 500 Ohm

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, 35

wenn die Schaltung auf Grund hoher Spannung an Die Transistoren sind npn-Ausführungen, zweckallen Eingangsanschlüssen einschaltet, die Leistungs- mäßig Silizium-Planar-Transistoren mit einer oberen verstärkung beider Transistoren während des Ein- Grenzfrequenz /, von etwa 1000 MHz und möglichst schaltvorganges wirksam, so daß die Einschalt- kleiner Kapazität, beispielsweise Western-Electricgeschwindigkeit der Schaltung vergrößert wird. 40 Transistoren 40A,00 F-56428. Zweckmäßig werden Wenn jedoch die Schaltung den Einschaltzustand er- als Dioden für die Gatter- und Pegelanpassungsfunkreicht hat, steht für Störspannungen an der Basis des tion Dioden IN 696 verwendet, bei denen es sich um Transistors 61 ein Weg kleiner Impedanz nach Erde diffundierte Siliziumdioden handelt. Wenn die über die Pegelanpassungsdioden 54 und 55, den ge- Blockierdiode 83 nicht benutzt wird, hat der Widersättigten Transistor 52 (2 oder 3 Ohm) oder den 45 stand 80 einen Wert von 300 Ohm. Wenn jedoch die kleinen Widerstand 58 (500 Ohm) zur Verfügung, so Diode 83 vorhanden ist, beträgt der Wert des Widerdaß die Erzeugung von Schwingungen in einer Rück- Standes 80 etwa 500 Ohm.

kopplungsschleife vermieden und die Stabilität der F i g. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungs-Schaltung verbessert ist. anordnung, die besonders zur Einfügung in eine inte-

Außerdem können, da der Emitterfolgertransistor 50 grierte Schaltung geeignet ist. Die Schaltung nach 61 eine geeignete Spannung an der Basis des In- F i g. 5 ähnelt derjenigen nach F i g. 4. Die Blockiervertertransistors 52 sicherstellt, die Widerstände 58 diode 83 ist jedoch nicht vorhanden. In der Schal- und 59 einen vergleichsweise niedrigen Wert haben. rung gemäß F i g. 5 sind die Dioden-Eingangsgatter Insbesondere kann der Wert des Widerstandes 58 in der Form dargestellt, die sie bei einem integrierwesentlich kleiner sein als der des entsprechenden ₅₅ ten Bauelement haben. Sie werden allgemein als Widerstandes 18 der Schaltung nach Fig. 1. Als Vielfachemittertransistor 111 bezeichnet. Bei dieser Folge davon wird die Abschaltgeschwindigkeit des Anordnung führen eine Anzahl von getrennten Emit-Transistors 52 vergrößert, da dieser Weg kleinerer terzonen an eine gemeinsame Basiszone innerhalb der Impedanz ein schnelleres Abfließen der in der Basis- Halbleiteranordnung. Die zum Anschluß 117 fühzone des Transistors 52 gespeicherten Ladungsträger 60 rende Kollektorzone erfüllt die Funktion der Pegelüber den Widerstand 58 nach Erde ermöglicht. Das anpassungsdiode 75 in F i g. 4. Dies ist ein übliches Abschalten erfolgt, wenn die Spannung an einem der Hilfsmittel in Verbindung mit integrierten Anordnun-Eingangsanschlüsse 50 unter den Wert abfällt, der gen, um auf vorteilhafte Weise eine Vielzahl von zur Aufrechterhaltung einer geeigneten Vorspannung Elementen auf kleinem Raum unterzubringen. Die in Durchlaßrichtung für die betreffende Gatterdiode 65 durch den Kollektorübergang ausgeführte Pegel-51 erforderlich ist. anpassungsfunktion könnte auch unter Verwendung

Eine weitere Verbesserung des Ausführungs- eines zusätzlichen Emitterübergangs beim Transistor

beispiels nach F i g. 3 läßt sich durch Einschaltung 111 und Kurzschließen des Kollektor-Basis-Uber-

gangs durchgeführt werden. Bei der integrierten Schaltungsanordnung ist in typischer Weise ein zusätzlicher Anschluß 130 vorgesehen, um die Anschaltung weiterer Eingangsgatter, beispielsweise von einem weiteren integrierten Halbleiterbauelement, zu erleichtern. Die als Vielfachemittertransistor 114 dargestellte Anordnung arbeitet als parallelgeschaltetes Diodenpaar. Eine solche Transistorausbildung ist für diesen Zweck bekannt und mit einem Kurz-

den 118, 119, 123 und 120. Der Teil 103 in der oberen rechten Ecke enthält den Invertertransistor 112 und die Erdverbindung 125.

Die Schaltungsanordnung soll jetzt im einzelnen 5 betrachtet werden. Der Spannungsanschluß 124 ist sowohl mit dem L-förmigen Widerstandsstreifen 123 als auch der Kollektorzone des Emitterfolgertransistors 121 verbunden. Wie oben angegeben, bestehen die Widerstände bei dieser Schaltungsanordnung aus Schluß zwischen der Basis und dem Kollektor ver- io Zonen gesteuerter Leitfähigkeit, die in dem Halbsehen, so daß der Kollektorübergang wirkungsmäßig leiterkörper durch eine selektive Festkörperdiffusion ausgeschaltet ist. Einer der beiden Emitter des Tran- von bedeutsamen Verunreinigungen erzeugt werden, sistors 114 ist mit der Leitung 116 verbunden und Die Leitung 124 ist über einen Kontakt mit kleinem entspricht wirkungsmäßig der zweiten Pegelanpas- Widerstand nicht nur mit dem einen Ende des sungsdiode 74 der Schaltung nach F i g. 4. Der an- 15 Widerstandes 123 verbunden, sondern auch mit dem dere, an die Leitung 115 angeschaltete Emitter ent- anschließenden Material der Unterlage, die die KoI-spricht in seiner Funktion der Blockierdiode 85 in lektorzone des Transistors 121 bildet. Die Basiszone der Schaltung nach F i g. 4. Die beiden Vielfachemit- des Transistors 121 besteht aus einer Schicht, die tertransistoren 111 und 114 werden aus Gründen der dem anderen Ende des Widerstandes 123 gemeinsam Vereinfachung und Wirtschaftlichkeit in vorteilhafter 20 ist. In diese Basisschicht ist eine Emitterzone 135 Weise in integrierten Halbleiterbauelementen ver- eindiffundiert, von der eine metallische Verbindung wendet. Das wird sich an Hand des integrierten Bau- zum einen Ende des Widerstandes 119 führt. Von elementes gemäß F i g. 6 noch zeigen. In F i g. 5 sind dem Anschluß des Widerstandes 123, der gleichzeitig Teile der Schaltung von unterbrochenen Linien um- der Basisanschluß des Transistors 121 ist, führt geben. Damit werden diejenigen Teile angedeutet, die 25 außerdem eine äußere Verbindung 130 weg, die, wie bei dem integrierten Bauelement vollständig von- oben beschrieben, den Anschluß weiterer Eingangseinander isoliert sind. Der Teil 101 enthält die gatter erleichtert. Die Verbindung 130 führt weiter Dioden-Eingangsgatter 130 bis 134 und die Pegel- zum Teil 101 und ist dort mit Hilfe einer Ohmschen anpassungs- und Blockier-Diodenstufen 117, 114. Elektrode an die Basiszone des Transistors 111 an-Der Teil 102 enthält die Stromversorgungsanschlüsse 30 geschlossen.

122 und 124, die Emitterfolgerstufe 119 bis 121 und Die Außenleitungen 131, 132, 133, 134 bilden die

die Basisleitung 136 zum Invertertransistor 137. Der Diodeneingänge, die über diffundierte Emitterzonen Teil 103 umfaßt den Invertertransistor 137 und die zur Basis des Transistors 111 führen. Wie im Falle Erdverbindung 125. des Teiles 102 bildet das Material der Unterlage des

In F i g. 6 ist ein integriertes Bauelement 140 dar- 35 Teiles 101 die Kollektorzone dieses Transistors. Der gestellt, das aus den drei Teilen 101,102 und 103 ent- Kollektoranschluß 117 ist an die kurzgeschlossene sprechend der Schaltungsanordnung nach F i g. 5 besteht. Soweit möglich, sind in F i g. 6 gleiche Bezugsziffern wie in F i g. 5 verwendet worden. Beispielsweise sind die isolierten Teile des Bauelementes nach 40 sen. Die kleinen rechteckigen Bereiche auf dem F i g. 6 mit 101,102 und 103 bezeichnet. Transistor 114 stellen die diffundierten Emitter dar.

Bei dem Bauelement 140 werden die Teile 101, Der obere Emitter 116 ist über den Anschlußpunkt 102 und 103 voneinander durch einen am Schluß 136 an die Basiselektrode 137 des Transistors 112 stattfindenden Ätzvorgang isoliert und werden in der angeschaltet. Der andere Emitter 115 bildet die gezeigten Anordnung mechanisch durch die verhält- 45 Blockierdiode, die am Ausgangsanschluß 113 liegt, nismäßig starken Metalleitungen geschützt, die in der Innerhalb des Teiles 102 ist der Widerstandsabschnitt Zeichnung in Form der gepunkteten Bereiche dar- 118 zu erkennen, von dem eine Seite an der Erdgestellt sind. Das integrierte Bauelement wird nach verbindung 125, 126 liegt, die eine vom Teil 103 bekannten Verfahren aus einem monolithischen nach außen führende Leitung ist. Diese Erdverbin-Block aus Halbleitermaterial (meist Silizium) durch 50 dung ist außerdem an den Emitter des Invertertranselektive Diffusionsbehandlung im festen Zustand sistors 112 angeschaltet.

hergestellt. Dabei werden die Basis- und Emitter- Schließlich ist die andere Außenverbindung 122 an

zonen der Transistoren und außerdem die Wider- einen Anschluß des Eingangswiderstandes 120 anstandsstreifen erzeugt, die ebenfalls aus Diffusions- geschaltet, der auf der anderen Seite an dem geabschnitten innerhalb des Siliziumblocks bestehen. 55 meinsamen Punkt liegt, der mit dem Ausgangs-Nach der Aufbringung von Elektroden und starken anschluß 113 verbunden ist.

Metall-»StrahlIeitungen« wird zum Schluß das oben Aus der vorstehenden Erläuterung läßt sich erken-

angegebene, maskierte Ätzen durchgeführt, und es nen, welches Maß an Kompaktheit und Wirtschaftentsteht eine vollständige Trennung zwischen den lichkeit sowohl hinsichtlich des Materials als auch drei Teilen 101, 102 und 103. Das entstehende Bau- 60 der Herstellung durch den Einsatz von Schaltungen element, das durch die Metall-»Strahlleitungen« zu- dieser Art bei integrierten Halbleiterbauelementen sammengehalten wird, wird als »Isolith« bezeichnet. erreicht werden kann. Insbesondere die verbesserten An der linken Seite des Bauelementes 140 befindet logischen Schaltkreise nach der Erfindung bieten sich sich der Teil 101 mit dem Vielfachemittertransistor für die Verwirklichung in Form solcher integrierten 111 und dem Vielfachemittertransistor 114 mit kurz- 65 Bauelemente an.

Basis-Kollektor-Verbindung des Vielfachemittertransistors 114 durch den großen L-förmigen metallischen Kontakt auf dem Transistor 114 angeschlos-

geschlossenem Kollektor. In der Mitte des integrierten Bauelementes liegt der L-förmige Teil 102 mit
dem Emitterfolgertransistor 121 und den Widerstän-

Die Erfindung ist zwar an Hand bestimmter Stromrichtungen beschrieben worden. Es sei jedoch betont, daß sich entsprechende logische Funktionen

unter Verwendung dieser allgemeinen Schaltungsausbildung auch bei einer Umkehrung der Polaritäten in der gesamten Schaltung erreichen lassen, wobei dann Transistoren vom pnp-Typ zu verwenden sind.

Claims

5 Patentansprüche:

1. Logische Schaltung mit einem mehrere Eingänge aufweisenden Dioden-Eingangsgatter und einer Ausgangsschaltung, die eine invertierende Transistorstufe enthält, bei welcher zwischen das Eingangsgatter und die Ausgangsschaltung mindestens eine Pegelanpassungsdiode eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Transistor (61) vorgesehen ist, dessen Basis-Emitter-Diode den Pegelanpassungsdioden (54, 55) gleichsinnig parallel geschaltet ist, dessen Kollektor an eine Spannungsquelle (56) angeschaltet ist und dessen Basis mit dem Ausgang des Dioden-Eingangsgatters (51) verbunden ist. ao

2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des weiteren Transistors (61) mit der Basis des Transistors (52) der invertierenden Transistorstufe verbunden ist.

3. Logische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pegelanpassungsdioden (74, 75) vorgesehen sind und eine Blockierdiode (85) in gleicher Richtung wie die Pegelanpassungsdioden zwischen den Verbindungspunkt der Pegelanpassungsdioden und den Kollektor des Transistors (72) der invertierenden Transistorstufe geschaltet ist.

4. Logische Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blockierdiode (83) vorgesehen ist, die zwischen den Ausgang (73) der Schaltung und die Basis des Transistors (72) der invertierenden Transistorstufe geschaltet ist.

5. Logische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als integrierte Schaltung ausgebildet ist, die aus nicht mehr als drei monolithischen Blöcken aus Halbleitermaterial besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909521/504