DE2118213C3 - Monolithisch integrierte Halbleiterschaltung - Google Patents

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 DE-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 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 die Ströme in den weiteren als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorelementen 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 DE-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 ii> das Substrat mittels einer Hüfskollektorzone abzuleiten.

ίο Die Vorveröffentlichung behandelt aber nicht das Problem der Sättigung einer als Konstantstromquelle verwendeten Planartransistorstruktur einer Reihe von weiteren als Konstantstroraquellen verwendeten PIanartranststorelementen, 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 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

F i g. 1 die Schaltung mit einer Reihe von als Konstantstromquellen verwendeten Transistorelementen zeigt von der die Eriindung ausgeht die

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

Fig.3 ein Ersatzschaltbild des Planartransistorelementes im Hinblick auf das der Erfindung zugrundeliegende Problem, die

F i g. 4 als Ausschnitt im Schnitt senkrecht zu einem plattenförmigen Halbleiterkörper die Planartransistor-Struktur 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 DE-OS 19 11 934 bekannt

so war. Diese »Strombank« besteht aus einer Reihe von möglichst gleichartigen Transistorelementen Ti ... T_n, deren Emitter- und Basiszonen parallel geschaltet sind und von denen ein Planartransistorelement 7} zusammen mit einem Stellwiderstand Ru als Referenzspannungsquelle für die übrigen Planartransistorelemente Ti ...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

ag 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 T₂... T_n beim Betrieb

h^r) in den Sättigungszustand kommen kann.

Die Lastwiderstände Rl2 ■■■ Rlh bedeuten zu versorgende aktive Schaltungselemente, beispielsweise Transistoren von noch weiteren integrierten Schal-

tungseinheiten der monolithisch integrierten Schaltung. Solche Schaltungseinheiten können 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 Schaltungselemente solcher Schaltungseinheiten besonders häufig in den Sättigungsbereich kommen können. Der Stellwiderstatxl Rl \ des ersten Transistorelervients T\ der Reihe dient zur Einstellung der Spannung der Referenzspannungsquelle, weiche dieser Stellwiderstand mk dem Transisto.-element Ti bildet. In der Schaltung gemäß der Fig. 1 sind noch die Emitterwiderstände Tei ... Γ_α eingezeichnet, deren Wert im wesentlichen durch das Produkt des Stromverstärkungswertes χ mit kT/le gegeben isi, 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 Stromverstärkungswertes α in Emitterschaltung mit kT/Ie, wobei k die Boltzmann-Konstante, Tdie absolute Temperatur und Ic der Emitterstrom bedeuten. Diese Beziehung ist bekannt

In einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung können die Transistoren Ti ... T_n in Form von Planartransistorelementen gemäß der F i g. 2 ausgeführt werden. In der Fig.2, welche ausschnittsweise den Schnitt senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterplatte einer solchen monolithisch integrierten Halbleiterschaltung zeigt, bedeutet 1 den Halbleitergrundkörper des einen Leitungstyps, auf dem die epitaktische Schicht 2 des anderen Leitungstyps aufgebracht ist, weiche von einer Isolierringzone 3 vom Leitungstyp des Grundkörpers durchdrungen ist Damit entsteht die durch eine pn-Übergangsfläche gegen den Halbleitergrundkörper und die übrigen Halbleiterelemente der Halbleiterschaltung gleichstrommäßig getrennte Kollektorzone 5, in die die Basiszone 8, die Emitterhone 6 und die Kollektorkontiktzone 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, weiche 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 der Erfindung verwendetes Planartransistu.^element gemäß der F i g. 2 in den Sättigungsbereich, so werden aus der Basiszone 8 Minoritätsladungsträger in die Kollektorzone 5 injiziert da der pn-Obergang 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 Stromaufteihing 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 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 F i g. 3 durch einen parasitären T.'.jisistor T_p veranschaulicht werden, der parallel zum Eingang (Basiszone gegen Grundkörper) liegt und bei Sättigung der Planartransistorstruktur — im vorliegenden Beispiel mit einer pnp-Struktur — in einen aktiven Bereich kommt In diskret aufgebauten Planartranistoren ist der Eingangswiderstand in gesättigtem Zuiitand ungefähr gleich dem Emitterwiderstand. Bei monolithisch integrierten Halbleiter schaltungen mit einer Planartransistorstruktur gemäß der Fig.2 gilt dies nicht da der parasitäre Transistor T_p die Basiszone der Planartransistorstruktur

ίο zum Grundkörper und damit auch den Emitterwiderstand überbrückt

Die Planartransistorstruktur gemäß der F i g. 4 einer monolithisch integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung unterscheidet sich von derjenigen der F i g. 2

is lediglich durch die HilfskoUektorzone 9, welche die Basiszone 8 an der freien Oberfläche 11 der epitaktischen Schicht 2 umgibt und mit der Emitterzone 6 elektrisch unmittelbar und vorzugsweise ausschließlich verbunden ist, wie durch den Leiter 10 in der F i g. 4 veranschaulicht ist Dieser Leiter 10 wire" 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 HilfskoUektorzone 9 erfolgt unter den gleichen Gesichtspunkten, wie in der obengenannten DE-OS 20 16 760 beschrieben wurde. Dabei wird davon ausgegangen, daß diese HilfskoUektorzone 9 mit der Kollektorzone 5 und der Basiszone 8 der Planartransistorstruktur einen parasitären Lateraltransistor bildet Dessen α-Wert ist zunächst einmal um so höher, je geringer der Abstand zwischen den beiden pn-0bergängen der lateralen Transistorstruktur ist Ferner wird der λ-Wert beeinflußt durch die Zwischenschicht 4 vom Leitungstyp der Kollektorzone 5 an der Grenzfläche zwischen dem Grundkorper 1 und der epitaktischen Schicht 2. Diese höher als die Kollektorzone dotierte Zwischenschicht 4 ergibt nämlich ein Driftfeld, welches die Minoritätsladungsträger in der Kollektorzone 5 in Richtung auf die freie Oberfläche 11 der ef-taktischen Schicht 2 beschleunigt

Die Wirkungsweise einer Ausbildung nach der Erfindung ergibt sich anhand des Ersatzschaltbildes gemäß der F i g. 5. Im Gegensatz zum Ersatzschaltbild gemäß der Fig.3 ist der Kollektor des parasitären Transistors T_p nicht mit dem Grundkörper, sondern unmittelbar mit dem Emitter verbunden, so daß der Widerstand am Eingang E gegenüber der F i g. 3 durch einen wesentlich größeren Wert, nämlich durch den

so Emitterwiderstand r_c gegeben ist Der Kollektorstrom des parasitären Transistors T_p wird also über den

EmitterwkSerstand der Planartransistorstruktur Tgelei-

tet

Je höher nun die Stromverstärkung « dieses

parasitären Lateraltransistor T_p ist desto höher wird der Widerstand über den Eingang E, da weniger Strom in den Grundkörper abfließen kann. Bei der monolithisch integrierten Halbleiterschaltung nach der Erfindung fällt nämlich Jer Eingangswiderstand Re der Planartransistorstruktur bei Übersteuerung in den Sättigungsbereich gemäß der gestrichelten Kurve in F i g. 6 von dem Wert β ·r_e auf den Wert r_ft während bei Verwendung eines normalen Planartransistorelements gemäß der F i g. 2 sich ein Abfall auf wesentlich kleinere

o·) Werte gemäß der durc/igezogcnen Kurve in der F i g. 6 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 stromquelle verwendete Planartransiistorstrul Sättigungsbereich kommt und die Stabilisierui Durch Anwendung der Erfindung könnei Schaltungen in monolithisch integrierter Fo realisiert werden bzw. werden erst möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierte Halbleiterschaltung mit 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, wobei die Planartransistorstruktur in einer epitaktischen Halbleiterschicht des einen Leitungstyps auf einem Halbleitergrundkörper des anderen Leitungstyps angeordnet und von einer die epitaktische Halbleiterschicht durchdringenden Isolierzone vom Leitungstyp des Grundkörpers umgeben ist und bei Betrieb in den Sättigungszustand kommen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (8) der Planartransistorstruktur an der freien Oberfläche (11) 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