-
Monolithisch integrierte Schaltung Die Erfindung betrifft eine monolithisch
integrierte Schaltung mit einer als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstruktureiner
Reihe von weiteren als Konstant stromquellen verwendeten Planartransistorelementen,
deren Emitter- und Basiszonen parallelgeschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement
zusammen mit einem Stellwiderstand als Referenzspannungsquelle der übrigen Planartransistorelemente
und der planartransistorstruktur dient, die in der Epitaxschicht des einen Leitfähigkeitstyps
auf einem Grundkörper des anderen Leitfähigkeit styps angeordnet und von einer die
Epitaxschicht durchdringenden Isolierzone vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers
umgeben ist und beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann. Eine derartige
Schaltung, welche in der Fachwelt auch als ~Strombank" bezeichnet wird, war bereits
aus der DT-OS 1911934 bekannt.
-
Bezüglich der Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten wird auf diese
Vorveröffentlichung verwiesen.
-
Bei der Verwendung einer solchen als Konstantstromquelle verwendeten
planartransistorstruktur tritt insbesondere bei digital betriebenen monolithisch
integrierten Schaltungen das Problem der
Sättigung auf. Infolge
der Sättigung kommt. nämlich der Kollektor-Basis-pn-Übergang in Flußrichtung, so
daß der Eingangswiderstand sehr klein wird. Dadurch kann sich der Wert der Referenzspannung,
der durch den Stellwiderstand eingestellt wird, ändern, so daß sich die Ströme der
weiteren Planartransistorelemente und damit die Arbeitspunkte der zu versorgenden
aktiven Schaltungselemente ändern. Es ist daher erwünscht, die als Konstantstromquelle
verwendete Planartransistorstruktur, welche bei dem Betrieb des zu versorgenden
aktiven Schaltungselementes in den Sättigungszustand kommen kann, derartig abzuwandeln,
daß der Wert des Eingangswiderstandes im Sättigungsfall auf einen solchen Wert erhöht
ist, daß dieser weiteren als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorelementenkonstant
bleiben.
-
Dieses Problem der Erhöhung des Eingangswiderstandes einer als Konstantstromquelle
verwendeten Planartransistorstruktur, welche beim Betrieb in den Sättigungszustand
kommen kann, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Basiszone der Planartrajnsistorstruktur
von einer Hilfskollektorzone vom Leitfähigkeitstyp der Basis zone an der freien
Oberfläche der Epitaxschicht umgeben ist und daß die Hilfskollektorzone elektrisch
unmittelbar mit der Emitterzone verbunden ist.
-
Aus der DT-OS 2016760 war zwar bekannt, die bei Sättigung; eines Planartransistorelements
in einer monolithisch integrierten Schaltung auftretende Minoritätsladungsträgerinjektion
von der Basis zone in die Kollektorzone vor dem Eintreten in das Substrat mittels
einer Hilfskollektorzone abzuleiten. Die Vorveröffentlichung behandelt aber nicht
das Problem der Sättigung einer äls Konstantstromquclle verwendeten Planartransistorstruktur
einer
Reihe von weiteren als Konstantstromquellen verwendeten Planartransistorelementen,
deren Emitter- und Basiszonen parallelgeschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement
zusammen mit einem Stellwiderstand als Referenzspannungsquelle der übrigen Planartransistorelemente
und der Planartränsistorstruktur dient und beim Betrieb in den Sättigungszustand
kommen kann. Die Vorveröffentlichung gibt auch keine Anregung, die Hilfskollektorzone
mit der Emitterzone der betreffenden Planartransistorstruktur elektrisch zu verbinden.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in
der die Fig. 1 die Schaltung mit einer Reihe von als Konstantstromquellen verwendeten
Transistoren zeigt, von der die Erfindung ausgeht, die Fig. 2 ausschnittsweise im
Schnitt senkrecht zur Oberfläche einer Halbleiterplatte ein bekanntes als Konstantstromquelle
verwendetes Planartransistorelement einer monolithisch integrierten Schaltung zeigt,
die Fig. o ein Ersatzschaltbild des Planartransistorelements im Hinblick auf das
der Erfindung zugrunde liegende Problem, die Fig. 4 als Ausschnitt im Schnitt senkrecht
zu einem plattenförmigen Halbleiterkörper die Planartransistorstruktur der monolithisch
integrierten Schaltung nach der Erfindung,
die Fig. 5 das Ersatzschaltbild
der Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 4 und die Fig. 6 schematisch den Gang
des Eingangswiderstandes in Abhängigkeit vom Kollektorstrom im Sättigungsbereich
bei einer Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 2 im Vergleich zu einer Planartransistorstruktur
gemäß der Fig.5 betreffen.
-
Die Erfindung geht also aus von der Schaltung einer sogenannten "Strombank"
gemäß der Fig. 1, wie sie aus der bereits erwähnten DT-OS 1911934 bekannt war. Diese
"Strombank" besteht aus einer Reihe von möglichst gleichartigen Transistoren Tl..Tn,
deren Emitter- und Basis zonen parallelgeschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement
T1 zusammen mit einem Stellwiderstand R als Referenzspannungsquelle der übrigen
Planartransistorelemente T ...T dient. Unter diesen soll sich eine n Planartransistorstruktur
befinden, welche beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann.
-
Die Erfindung findet natürlich in gleicher Weise auch ihre Anwendung,
wenn weitere oder auch sämtliche der Planartransistorelemente T2...Tn in den Sättigungszustand
kommen können. Zur Vereinfachung des Wesens der Erfindung wird aber angenommen,
daß nur eine Planartransistorstruktur der Reihe T2. . Tn beim Betrieb in den Sättigungszustand
kommen kann.
-
Die Lastwiderstände RL2...RLn bedeuten zu versorgende aktive Schaltelemente,
beispielsweise Transistoren von noch weiteren integrierten Schaltungseinheiten der
monolithisch intec3rierten SChaltllNg. Solche Schaltungseinheiten HII könnerl beispielsweise
bistabile
Multivibratoren sein. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß die Verwendung
einer Planartransistorstruktur nach der Erfindung insbesondere bei digitalen Schaltungseinheiten
vorteilhaft ist, da die Schaltelemente solcher Schaltungseinheiten besonders häufig
in den Sättigungsbereich kommen können. Der Stellwiderstand R des ersten Transistors
T1 der Reihe dient zur Einstellung der Spannung der Referenzspannungsquelle, welche
dieser Stellwiderstand mit dem Transistor T bildet. In der Schaltung gemäß der Fig.
1 sind noch die Emitterwiderstande real.. .rein eingezeichnet, deren Wert im wesentlichen
durch das Produkt des Stromverstärkungswertesα£mit kT/Ie gegeben ist, wenn
kein zusätzlicher Emitterwiderstand vorgesehen ist, dessen Wert noch berücksichtigt
werden muß. Bei Fehlen eines solchen zusätzlichen Emitterwiderstandes ist der Emitterwiderstand
r e gegeben durch das Produkt des Stromverstärkungswertesoc in Emitterschaltung
mit kT/Ie, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und Ie der
Emitterstrom bedeuten. Diese Beziehung ist bekannt.
-
In einer monolithisch integrierten Schaltung können die Transistoren
.... Tn in Form eines Planartransistorelements gemäß der Fig. 2 ausgeführt werden.
In der Fig. 2, welche ausschnittsweise den Schnitt senkrecht zur Oberfläche der
Halbleiterplatte einer solchen monolithisch integrierten Schaltung zeigt, bedeutet
1 den Halbleitergrundkörper des einen Leitfähigkeitstyps, auf dem die epitaktische
Schicht 2 des anderen Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist, welche von einer Isolierringzone
3 vom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers durchdrungen ist. Damit entsteht die durch
eine pn-Übergangs fläche gegen den Halbleitergrundkörper und die übrigen Halbleiterelemente
der Festkörperschaltung gleichstrommäßig getrennte Kollektorzone 5, in die die Basiszone
8, die Ernitterzone 6 und die Kollektorkontaktzorle 7
vom Leitfähigkeitstyp
der Kollektorzone eingesetzt sind. Die eingetragenen Leitfähigkeiten sollen lediglich
die relativen Bezüge veranschaulichen. Die bei Planarelementen vorhandene Oxydschicht
ist fortgelassen. Die Anschlüsse an den Zonen, welche normalerweise als die Elektroden
der Zonen kontaktierende Leitbahnen auf der Oxydschicht angeordnet sind, sind in
Form von Drahtenden angedeutet.
-
Kommt nun ein als Planartransistorstruktur einer monolithisch integrierten
Schaltung nach der Erfindung verwendetes Planartransistorelement gemäß der Fig.
2 in den Sättigungsbereich, so werden aus der Basiszone 8 Minoritätsladungsträger
in die Kollektorzone 5 injiziert, da der pn-Übergang zwischen der Basis zone 8 und
der Kollektorzone 5 in Flußrichtung kommt.
-
Diese Minoritätsladungsträger werden teilweise von dem Grundkörper
1 und teilweise von der Isolierringzone 3 als Kollektor aufgenommen, fließen also
über den Grundkörper 1 ab. Die Stromaufteilung der Minoritätsladungsträger richtet
sich zunächst einmal nach dem Abstand des injizierenden pn-Ubergangs der Basiszone
8 zu dem als Kollektor wirksamen pn-Ubergang zwischen der Kollektorzone 5 und der
Isolierringzone 3 bzw. dem Grundkörper 1.
-
Der größte Minoritätsladungsträgerstrom fließt über die engste Stelle
der Kollektorzone 5. Diese Erscheinung kann in einem Ersatzschaltbild gemäß der
Fig. 3 durch einen parasitären Transistor T veranschaulicht werden, der parallel
zum Eingang (Basis zone gegen Grundkörper) liegt und bei Sättigung der Planartransistorstruktur
- im vorliegenden Beispiel pnp - in einen aktiven Bereich kommt. In diskret aufgebauten
Planartransistoren ist der Eingangswiderstand in gesättigtem Zustand ungefähr gleich
dem Emitterwiderstancl. Bei monolithisch integrierten '>chaltun~Jen mit einer
P1anartra##sistorstruktur gemäß der Fig. 2, gilt die
nicht, da der
Parasitäre Transistor Tp die Basiszone der Planartransistorstruktur zum Grundkörper
und damit auch den Emitterwiderstand überbrückt.
-
Die Planartransistorstruktur gemäß der Fig. 4 einer monolithisch integrierten
Schaltung nach der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 2 lediglich
durch die Hilfskollektorzone 9, welche die Basiszone 8 an der freien Oberfläche
11 der Epitaxschicht 2 umgibt und mit der Emitterzone 6 elektrisch unmittelbar und
vorzugsweise ausschließlich verbunden ist, wie durch den Leiter lo in der Fig. 4
veranschaulicht ist. Dieser Leiter lo wird natürlich wie die anderen Verbindungen
der monolithischen Festkörperschaltung wie üblich in Form einer Leitbahn auf der
teilweise zur Kontaktierung durchbrochenen Oxydschicht angeordnet.
-
Die Anordnung der Hilfskollektorzone 9 erfolgt unter den gleichen
Gesichtspunkten, wie in der obengenannten DT-OS 2016760 beschrieben wurde. Dabei
wird davon ausgegangen, daß diese Hilfskollektorzone 9 mit der Kollektorzone 5 und
der Basiszone 8 der Planartraiisistorstruktur einen parasitären Lateraltransistor
bildet. Dessen x-Wert ist zunächst einmal um so höher, je geringer der Abstand zwischen
den beiden pn-Übergängen der lateralen Transistorstruktur ist. Ferner wird derts-wert
beeinflußt durch die Zwischenschicht 4 vom Leitfähigkeitstyp der Kollektorzone 5
an der Grenzfläche zwischen dem Grundkörper 1 und der Epitaxschicht 2.
-
Diese höher als die Kollektorzone 5 dotierte Zwischenschicht 4 ergibt
nämlich ein Driftfeld, welches die Minoritätsladungsträgerin der Kollektorzone 5
in Richtung auf die freie Oberfläche 11 der Epita:schicllt 2 beschleunigt.
-
Die Wirkungsweise einer Ausbildung nach der Erfindung ergibt sich
anhand des Ersatzschaltbildes gein:-iß der teig. 5. IJntersc#1iiediic'1
zum
Ersatzschaltbild gemäß der Fig. 3 ist der Kollektor des parasitären Transistors
Tp nicht mit dem Grundkörper, sondern unmittelbar mit dem Emitter verbunden, so
daß der Widerstand am Eingang E gegenüber der Fig. 3 durch einen wesentlich grösseren
Wert, nämlich durch den Emitterwiderstand re gegeben ist.
-
Der Kollektorstrom des parasitären Transistors Tp wird also über den
Emitterwiderstand der Planartransistorstruktur T geleitet.
-
Je höher nun die Stromverstärkung X dieses parasitären Lateraltransistors
Tp ist, desto höher wird der Widerstand über den Eingang E, da weniger Strom in
den Grundkörper abfließen kann.
-
Bei der monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung fällt
nämlich der Eingangswiderstand RE der Planartransistorstruktur bei Über steuerung
in den Sättigungsbereich gemäß der gestrichelten Kurve in Fig. 6 von dem Wert F.
re auf den Wert re, während bei Verwendung einer normalen Planartransistorstruktur
gemäß der Fig. 2 sich ein Abfall auf wesentlich kleinere Werte gemäß der durchgezogenen
~Kurve in der Fig. 6 ergibt. Bei einer monolithisch integrierten Schaltung gemäß
der Erfindung ist also die Gefahr des Zusammenbruchs der Referenzspannung selbst
bei mehreren als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstrukturen vermieden,
wenn diese entsprechend der Erfindung geschaltet sind.
-
Eine solche Gefahr wäre insbesondere bei solchen Schaltstufen der
integrierten Festkörperschaltung gegeben, wecheanstelle der Lastwiderstände RL liegen
und zeitweise abgeschaltet sind. Aufgrund des damit zu groß werdenden RL besteht
Gefahr, daß die als Konstantstromquelle verwendete Planartransistorstruktur in den
Sättigungsbereich kommt und die Stabilisierung ausfällt. Durch
Anwendung
der -Erfindung können gewisse Schaltungen in monolithisch integrierter Form besser
realisiert werden bzw. werden erst möglich.