DE2118213B2

DE2118213B2 - Monolithisch integrierte halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE2118213B2
Application number: DE19712118213
Authority: DE
Inventors: Harald 7800 Freiburg Schilling
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2118213A1; DE2118213C3

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Halbleiterschaltung mit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Ausbildung.

Eine derartige Halbleiterschaltung, welche in der Fachwelt auch als »Strombank« bezeichnet wird, war bereits aus der DT-OS 19 11 934 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 Halbleiterschaltungen 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 Planartransistorelcmente 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 die Ströme in den weiteren als Konstanstromquelle verwendeten Planartransistorelemenien konstant bleiben.

Dieses Problem der Erhöhung des Eingangswiderstandes einer als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstruktur, welche beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann, wird bei der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst.

Aus der DT-OS 20 16 760 war zwar bekannt, die bei Sättigung eines Planartransistorelements in einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung auftretende Minoritätsladungsträgerinjektion von der Basiszone in die Kollektorzone vor dem Eintreten in das Substrat mittels einer Hilfskollektorzone abzuleiten, lu Die Vorveröffentlichung behandelt aber nicht das Problem der Sättigung einer als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstruktur einer Reihe von weiteren als Konstantstromquellen verwendeten Planartransistorelementen, deren Emitter- und Basiszonen parallel geschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement zusammen mit einem Stellwiderstand als Referenzspannungsquelle für die übrigen Planartransistorelemente und die Planartransistorstruktur dient und beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann. Die Vorveröffentüchung 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 Transistorelementen zeigt, von der die Erfindung ausgeht, die

Fig. 2 ausschnittssweise im Schnitt senkrecht zur Oberfläche einer Halbleiterplatte ein bekanntes als JO Konstantstromquelle verwendetes Planartransistorelement einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung zeigt, die

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Planartransistorelementes im Hinblick auf das der Erfindung zugrundelie-J5 gende Problem, die

Fig.4 als Ausschnitt im Schnitt senkrecht zu einem plattenförmigen Halbleiterkörper die Planartransistorstruktur der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung, die

F i g. 5 das Ersatzschaltbild der Planartransistorstruktur gemäß der F i g. 4 und die

F i g. 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 F i g. 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 19 11 934 bekannt so war. Diese »Strombank« besteht aus einer Reihe von möglichst gleichartigen Transistorelementen T\ ... T_n, deren Emitter- und Basiszonen parallel geschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement Γι zusammen mit einem Stellwiderstand Ru als Referenzspannungsquelle für die übrigen Planartransistorelemente T^ ...T_n dient. Unter diesen soll sich eine Planartransistorstruktur befinden, welche beim Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann.

Die Erfindung findet natürlich in gleicher Weise auch bo ihre Anwendung, wenn weitere oder auch sämtliche der Planartransistorelemente T₂... T_n in den Sättigungszustand kommen können. Zur Vereinfachung des Wesens der Erfindung wird aber angenommen, daß nur eine Planartransistorstruktur der Reihe T₁...T_n beim Betrieb b5 in den Sättigungszustand kommen kann.

Die Lastwiderstände R_Li ... Ru bedeuten zu versorgende aktive Schaltungselemente, beispielsweise Transistoren von noch weiteren integrierten Schal-

»■ heiten der monolithisch integrierten Schaltung. h Schaltungseinheiten können beispielsweise bi-^S°K-1 Multivibratoren sein. In diesem Zusammenhang bemerken, daß die Verwendung einer Planartran-'^SlZU truktur nach der Erfindung insbesondere bei 5 ^sislor,_en 5_Chaltungseinheiten vorteilhaft ist, da die m!· Uungselemente solcher Schaltungseinheiten besonj häufig in den Sättigungsbereich kommen können, η Stellwiderstand Ri.\ des ersten Transistorelements rder Reihe dient zur Einsteilung der Spannung der Rpferenzspani.ungsquelle, welche dieser Stellwider-1 mit dem Transistorelement T, bildet. In der -"haltung gemäß der Fig. 1 sind noch die Emittcr- ^dersländc r„ ... r_ea eingezeichnet, deren Wert im

>ntlichen durch das Produkt des Stromverstär- i->

Siswerte!» χ mit AT-V₁. gegeben ist, wenn kein zusät/-

,,'er Emitter«-idersiand vorgesehen ist, dessen Wen

-h berücksichtigt werden muß. Bei Fehlen eines sol-

Tn zusätzlichen Emitttrwiderstandes ist der Emitier-

A rstand r,- gegeben durch das Produkt des Stromver- :>o ^arkungswet-res^A in Emitterschaltung mit kT/l„ wobei 1-die BoHzmann-Konstante. Tdie absolute Temperatur d /-der Emittersirom bedeuten. Diese Beziehung ist

^S\n einer monolithisch integrierten Halbleiterschal- y, tune können die Transistoren T, ... T_n in Form von Planartransistorelementen gemäß der F i g. 2 aisgeführt werden. In der Fig. 2. welche ausschnittsweise den Schnitt senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterplatte einer solchen monolithisch integrierten Halbleiterschal· κ

ng _zeigt, bedeutet 1 den Halbleitergrundkörper des einen Leitungstyps, auf dem die epitaktische Schicht 2 des anderen Leitungstyps aufgebracht ist, welche von einer Isolierringzone 3 vom Leitungstyp des Grundkörners durchdrungen ist. Damit entsteht die durch eine j nn-Übergangsfläche gegen den Halbleitergrundkörper und die übrigen Halbleiterelemente der Halbleiterschaltung gleichstrommäßig getrennte Kollektorzone 5. in die die Basiszone 8, die Emitterhone 6 und die Kollektorkontaktzone 7 vom Leitungstyp der Kollektorzone eingesetzt sind. Die eingetragenen Leitfähigkeiten sollen lediglich die relativen Bezüge veranschaulichen. Die bei Planarelementen vorhandene Oxidschicht ist fortgelassen. Die Anschlüsse an den Zonen, welche normalerweise als die Elektroden der Zonen kontaktierende Leitbahnen auf der Oxidschicht angeordnet sind, sind in Form von Drahtenden angedeutet.

Kommt nun ein als Planartransistorstruktur einer monolithisch integrierten Schaltung nach de; Erfindung verwendetes Planartransistorelement gemäß der Fi g. 2 in den Sättigungsbereich, so werden aus der Basiszone 8 Minoritätsladungsträger in die Kollektorzone 5 injiziert, da der pn-Übcrgang zwischen der Basiszone 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-Übergangs der Basiszone 8 zu dem als Kollektor wirksamen pn-übergang zwischen der Kollektorzone 5 und der Isol-.crringzone bzw. dem Grundko

Der größte Minoritätsladungsträgerstrom fließt über die engste Stelle der Kollektorzone 5. Diese Erscheinung kann in einem Ersatzschaltbild gemäß der F i g. durch einen parasitären Transistor T_p veranschaulicht werden, der parallel zum Eingang (Basiszone gegen Grundkörper) liegt und bei Sättigung der Planartransistorstruktur — im vorliegenden Beispiel mit einer pnp-Slruktur — in einen aktiven Bereich kommt. In diskret aufgebauten Planartranistoren ist der Eingangswiderstand in gesättigtem Zustand ungefähr gleich dem Emitierwiderstand. Bei monolithisch integrierten Halbleiterschaltungen mit einer Planartransisiorstruktur gemäß der Fig. 2 gilt dies nicht, da der parasitäre Transistor T_pdie Basiszone der Planartransistorstruktur zum Grundkörper und damit auch den Emitterwiderstand überbrückt.

Die Planartransisiorsiruktur gemäß der F i g. 4 einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen der Fi g. 2 lediglich durch die Hilfskollektorzone 9. welche die Basiszone 8 an der freien Oberfläche 11 der epiiakiischen Schicht 2 umgibt und mit der Emitterzone 6 elektrisch unmittelbar und vorzugsweise ausschließlich verbunden ist, wie durch den Leiter 10 in tier F ι g. 4 veranschaulicht ist. Dieser Leiter 10 wird natürlich wie die anderen Verbindungen der monolithischen Halbleiterschaltung wie üblich in Form einer Leitbahn auf der teilweise zur Kontaktierung durchbrochenen Oxidschicht angeordnet.

Die Anordnung der Hilfskollektorzone 9 erfolgt unter den gleichen Gesichtspunkten, wie in der obengenannten DT-OS 20 16 760 beschrieben wurde. Dabei wird davon ausgegangen, daß diese Hilfskollektorzone 9 mit der Kollektorzone 5 und der Basiszone 8 der Planartransistorstruktur einen parasitären Lateraltransistor bildet. Dessen Λ-Wert ist zunächst einmal um so höher, je geringer der Abstand zwischen den beiden pn-Übergängen der lateralen Transistorstruktur ist. Ferner wird der Λ-Wert beeinflußt durch die Zwischens schicht 4 vom Leitungstyp der Kollektorzone 5 an der Grenzfläche zwischen dem Grundkörper 1 und der epitaktischen Schicht 2. Diese höher als die Kollektorzone dotierte Zwischenschicht 4 ergibt nämlich ein Drifthld, welches die Minoritätsladungsträger in der n Kollektorzone 5 in Richtung auf die freie Oberfläche 11 der epitaktischen Schicht 2 beschleunigt.

Die Wirkungsweise einer Ausbildung nach der Erfindung ergibt sich anhand des Ersatzschaltbildes gemäß der Fig. 5. Im Gegensatz zum Ersatzschaltbild .-, gemäß der F ig. 3 ist der Kollektor des parasitären Transistors T„ nicht mit dem Grundkörper, sondern unmittelbar mit dem Emitter verbunden, so daß der Widerstand am Eingang E gegenüber der F ι g. 3 durch einen wesentlich größeren Wert, nämlich durch den -„> Emitterwiderstand r_c gegeben ist. Der Kollektorstrom des parasitären Transistors T,, wird also über den Emitterwiderstand der Planartransistorstruktur Tgelei-

tet.

Je höher nun die Stromverstärkung λ dieses

v-, parasitären Lateraltransistors T_p ist, desto höher wird der Widerstand über den Eingang f, da weniger Strom in den Grundkörper abtließen kann. Bei der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung fällT nämlich der Eingangswidersland Rr der

ro Planartransistorstruktur bei Übersteuerung in den Sättigungsbereich gemäß der gestrichelten Kurve in Figo von dem Wert β ■ r, auf den Wert r„ während bei Vrrwendune eines normalen Planartransistorelements gemäß der Fi g. 2 sich ein Abfall auf wesentlich kleinere

„-, Werte gemäß der durchgezogenen Kurve in der F ig. ergibt. Bei einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung gemäß der Erfindung ist also die Gefahr des Zusammenbruchs der Referenzspannung selbst bei

mehreren als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstrukturen vermieden, wenn diese in der angegebenen Weise geschaltet sind.

Eine solche Gefahr wäre insbesondere bei solchen Schaltstufen der integrierten Halbleiterschaltung gegeben, welche anstelle der Lastwiderstände Ri liegen und zeitweise abgeschaltet sind. Aufgrund des damit zu groß

werdenden Ri. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierte Halblei· schaltung mit einer als Konstanstromquelle wendeten Planartransistorstruktur, einer Reihe von weiteren als Konstantstromquellen verwendeten Planartransistorelementen, deren Emitter- und Basiszonen parallel geschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement zusammen mit einem Stellwiderstand als Referenzspannungsquelle für die übrigen Planartransistorelemente und die Planartransis'.orstruktur dient, wobei die Planartransistorstruktur in einer epitaktischen Halbleiterschicht des einen !.eitungstyps auf einem Halbleitergrundkörper des anderen Leitungstyps angeordnet und von einer die epitaktische Halbleiterschicht durchdringenden Isolierzone vom Leitungsiyp des Grundkörpers umgeben ist und bei Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (8) der Planartransistorstruktur an der freien Oberfläche (II) der epitaktischen Halbleiterschicht (2) von einer Hilfskollektorzone (9) vom Leitungstyp der Basiszone (8) umgeben ist und daß die Hilfskollektorzone (9) elektrisch unmittelbar mit der Emitterzone (6) der Planartransistorstruktur verbunden ist.

2. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfskollektorzone (9) ausschließlich mit der Emitterzone (6) der Planartransistorstruktur elektrisch verbunden ist.