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Integrierte Halbleiteranordnung Die Erfindung betrifft eine integrierte
Halbleiteranordnung mit mehreren, in einem Halbleiterkörper vorgesehenen aktiven
Bauelementen und zugehörigen Signalverbindungsleitungen, die leitbahnfrei mit einer
Betriebsspannung beaufschlagbar sind.
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Bei integrierten Haibleiteranordnungen für die elektronische Informationsverarbeitung
besteht der Wunsch, möglichst viele Bauelemente je Elächeneinheit anzuordnen. Die
derzeit verwendeten Strukturen für integrierte Kreise lassen aber eine wesentliche
Vergrößerung der Packungsdichte nicht mehr zti. Beispielsweise müssen die bipolaren
Transistoren in Isolierwannen angeordnet werden, und die Stromversorgung muß den
einzelnen Stufen über Ijeiterbahnen zugeführt werden, die von den übrigen Teilen
der integrierten Schaltung isoliert werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine integrierte Halbleiteranordnung
anzugeben, mit der wesentlich größere Pakkungsdichten als mit den bisher bekannten
integrierten Halbleiteranordnungen erreichbar sind.
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D##es# Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Oberfläche
und/oder im Innern des Halbleiterkörpers großflächig eine erste leitende Schicht
für alle Bauelemente vorgesehen ist, an der die Betriebsspannung auf der vom Halbleiterkörper
abgewandten Seite anlegbar ist und die wenigstens an den Stellen der aktiven Bauelemente
oder ganzflächig wit dem Halbleiterkörper in elektrischem Kontakt steht.
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Als weitere Vorteile der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiteranordnung
ist außer der großen Packungsdichte die Einfachheit der damit zu realisierenden
Grundschaltungen zu nennen sowie die Verbilligung der Fertigung.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die erste leitende
Schicht auf der der integrierten Schaltung abgewandten Seite großflächig mit einer
zweiten leitenden Schicht bedeckt ist, an der die Betriebsspannung liegt und deren
Schichtwiderstand viel kleiner ist als der Schichtwiderstand der ersten leitenden
Schicht.
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Es ist auch vorteilhaft, daß der Schichtwiderstand der ersten leitenden
Schicht größer als der Schichtwiderstand der Signalverbindungsleitungen der integrierten
Schaltung ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die erste leitende
Schicht aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die damit verbundene integrierte
Schaltung besteht.
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Es ist vorteilhaft, daß die erste leitende Schicht aus leitendem Kunststoff
besteht.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die erste leitende
Schicht eine leitende Flüssigkeit ist.
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Es ist auch vorteilhaft, daß die Leitfähigkeit der ersten leitendeEn
Schicht stark anisotrop ist und daß die Beit£~higkeit senkrecht zur großen Oberfläche
der leitenden Schicht größer als parallel zur großen Oberfläche ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die erste leitende
Schicht in elektrischem Kontakt mit Kollektor-und/oder Basiszonen von Transistoren
ist.
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Es ist vorteilhaft, daß bipolare Transistoren so angeordnet sind,
daß die der ersten leitenden Schicht zugewandten Zonen die Kollektoren und die der
ersten leitenden Schicht abgewandten Zonen die Emitter sind.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß in einem Halbleiterkörper
benachbart zu mindestens einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps in Abstand
voneinander befindliche zweite Zonen eines zweiten ieitungstyps vorgesehen sind,
daß die zweiten Zonen durch hochohmige Bereiche des Halbleiterkörpers voneinander
getrennt sind und daß benachbart zu den zweiten Zonen dritte Zonen des ersten Leitungstyps
vorgesehen sind, welche voneinander getrennte zweite Zonen miteinander verbinden,
derart, daß an mindestens einer Verbindungsstelle einer zweiten und einer dritten
Zone (beispielsweise 6 und 9) ein sperrender Kontakt vorhanden ist.
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Es ist auch vorteilhaft, daß in einem Halbleiterkörper benachbart
zu mindestens einer ersten Zone eines ersten Leitungstyps in Abstand voneinander
befindliche zweite Zonen eines zweiten Leitungstyps vorgesehen sind, daß die zweiten
Zonen durch hochohmige Bereiche des Halbleiterkörpers voneinander getrennt sind
und daß benachbart zu den zweiten Zonen metallische Belegungen vorgesehen sind,
welche voneinander getrennte zweite Zonen miteinander verbinden, derart, daß an
mindestens einer Verbindungsstelle einer metallischen Belegung (beispielsweise 23)
und einer zweiten Zone (beispielsweise 6) ein sperrender Kontakt vorhanden ist.
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Eine We-terbildung der Erfindung besteht darin, daß an mindestens
einer Verbindungsstelle einer zweiten und einer dritten Zone (beispielsweise 11)
beziehungsweise an einer Verbindungsstelle (beispielsweise 25) einer metallischen
Belegung (beispielsweise 23) mit einer zweiten Zone (beispielsweise 6) ein ohmscher
Kontakt vorhanden ist.
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Es ist auch vorteilhaft, daß eine dritte Zone (beispielsweise 9) sowie
eine metallisierte Belegung (beispielsweise 23) an den Verbindungsstellen mit zweiten
Zonen (beispielsweise s, 6) nur sperrende Kontakte bildet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Kontaktbereiche
mindestens einer dritten Zone (beispielsweise 9) beziehungsweise einer metallischen
Belegung (beispielsweise 23) und mindestens zweier zweiten Zonen unterschiedlich
groß sind.
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Es ist auch vorteilhaft, daß die erste Zone hochdotiert ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die zweiten und
dritten Zonen oder die metallischen Belegungen streifenförmig ausgebildet sind.
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Es ist auch vorteilhaft, daß die streifenförmigen zweiten und dritten
Zonen oder die metallischen Belegungen etwa orthogonal zueinander verlaufen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die sich durch
die Folge der ersten, zweiten und dritten Zonen beziehungsweise durch die Folge
der ersten und zweiten Zonen ergebenden Funktionselemente im Halbleiterkörper in
drei Koordinatenrichtungen wiederholt vorgesehen sind.
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Es ist auch vorteilhaft daß die dritten Zonen beziehungsweise din
aetallischen Belegungen im Halbleiterkörper in den drei Koordinat enrichtungen verlaufen.
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Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung und an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Einen Querschnitt durch eine
erfindungsgemäße integrierte Halbleiteranordnung mit ausschließlich halbleitenden
Zonen im Innern des Halbleiterkörpers.
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Fig. 2: Einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße integrierte
Halbleiteranordnung mit halbleitenden Zonen und metallischen Belegungen im Innern
des Halbleiterkörpers.
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Fig. 3: Eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit
streifenförmig ausgebildeten Zonen.
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Fig. 4: Eine dreidimensionale Darstellung der Erfindung.
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Fig. 5: Eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung
mit streifenförmig ausgebildeten Zonen und metallischen Belegungen.
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Fig. 6: Ein Ersatzschaltbild der integrierten Halbleiteranord nung
nach Fig. 1.
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In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße integrierte Halbleiteranordnung
in einem Halbleiterkörper 1 dargestellt, wobei auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers
1 großflächig eine erste leitende Schicht 32 und eine zweite leitende Schicht 31
angebracht ist. Im Halbleiteqkörper 1 ist eine erste hochdotierte Zone 2 vorgesehen,
welche beispielsweise n-leitend sein kann.
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Diese Zone 2 ist ganzflächig mit einer metallischcn Belegung 3 versehen.
ueber der hochdotierten Zone 2 befindet sich eine hochohmige Zone 4, welche praktisch
eigenleitend ist. In dieser Zone 4 sind zwei Zonen 5 und 6 eindiffundiert, welche
gegenüber der Zone 2 vom anderen Leitungstyp also beispielsweise p-leitend sind.
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Weiterhin sind zwischen den Zonen 5 und 6 einerseits und der leitenden
Schicht 32 andererseits weitere Zonen 7, 8 und 9 vom Leitungstyp der Zone 2 eindiffundiert,
welche die Zonen 5 und 6 in der dargestellten Weise überlappen und somit gleichzeitig
beispielsweise als Kollektoren und Signalverbindungsleitungen dienen. An zwei Verbindungsstellen
der Zone 7 mit der Zone 5 beziehungsweise der Zone ii und der Zone 6 ist die Dotierung
in den Zonen 7 und 11 so groß, daß sich praktisch ein ohmscher Widerstand zu den
darunterliegenden Zonen 5 und 6 ergibt.
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Auf diese Weise wird, wie in Fig. 1 dargestellt, eine integrierte
Halbleiteranordnung mit zwei Transistoren erhalten, deren Emitter durch die Zone
2, deren Basen durch die Zonen 5 und 6 und deren Kollektoren durch die Zonen 8 und
9 gebildet werden. '#weiterhin ist durch die sperrschichtfreie Kontaktierung an
den Stellen 10 und ii gleichzeitig eine Verbindung vom Kollektor eines Transistors
zur Basis des anderen Transistors gegeben.
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Auf Grund der llochohmigkeit der Zone 4 übernimmt diese Zone die Isolation
zwischen den Bauelementen, so daß Isolationsdiffusionen oder Oxidisolationen nicht
erforderlich sind, weil die zu isolierenden Spannungen maximal 0,6 7 betragen und
weil ein beträchtlicher Teil dieser Spannung durch vorhandene Potentialbarrieren
aufgefangen wird.
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Der Schichtwiderstand der über den Zonen 5, 6, 8 und 9 angebrachten
leitenden Schicht 32 ist wesentlich größer als der Schichtwiderstand der Zonen 7,
8, 9. Die zweite, auf der leitenden Schicht 32 angebrachte leitende Schicht 31 besteht
vorzugsweise aus Metall und ist mit dem positiven Pol der Betriebs spannung verbunden.
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Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. 1.
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Die Transistoren 21 T2 werden durch die Zonen 2, 5, 8 beziehungsweise
2, 6, 9 gebildet. Die Widerstände R19 R2, R3, R4 stellen den räumlich verteilten
Widerstand der ersten leitenden Schicht 32 dar. Die Verbindungsleitung 43 entspricht
der zweiten leitenden Schicht 31. Die sich mit dieser Halbleiteranordnung ergebenden
Widerstände R5, R6, R7 sind unerwünscht und müssen durch geeignete Dimensionierung
der ersten leitenden Schicht 32 und gegebenenfalls durch Abdecken der darunterliegenden
Halbleiteranordnungen mit Isolierschichten ausreichend groß gehalten werden.
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Mit Grundschaltungen, entsprechend dem Ersatzbild nach Fig. 6, lassen
sich beliebig komplizierte logische Netze und Informationsspeicher aber auch analoge
Schaltungen aufbauen. Das hier beschriebene Prinzip zur Energieversorgung von integrierten
Halbleiteranordnungen ist auf die hier gezeigte Grundschaltung nicht beschränkt.
Insbesondere können weitere Funktionselemente, zum Beispiel Widerstände eingefügt
werden. Weiterhin braucht die erste leitende Schicht 32 nicht über ihre gesamte
Fläche mit den darunter angeordneten Zonen in elektrischem Kontakt stehen. Diese
Zonen können teilweise mit Isolierschichten abgedeckt werden. ueber den leitenden
Schichten 32 und 31 können weiterhin Passivierungsschichten aufgebracht werden.
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Die erste leitende Schicht 32 kann aus dem gleichen Grundmaternal
(zum Beispiel Si) wie der darunter angeordnete Halbleiterkristall bestehen. Es können
aber auch andere Materialien, zum Beispiel polykristalline Halbleiterschichten,
leitende Gläser, leitende Kunststoffe oder aber in Sonderfällen auch Flüssigkeiten
verwendet werden. Damit die Widerstände R5, R6, R7 aus Fig. 6 wesentlich größer
als die Widerstände R1, R2, RD, R4 ausfallen, wird die erste leitende Schicht 32
relativ
dünn gemacht. In der Regel ist die Dicke der leitenden Schicht
32 kleiner als die Länge der Zonen 7, 8, 9. Dickere Schichten können verwendet werden,
wenn die Leitfähigkeit der leitenden Schicht 32 anisotrop ist, und zwar so, daß
die Leitfähigkeit senkrecht zur großen Oberfläche der leitenden Schicht 32 größer
als parallel -zu dieser Oberfläche ist. Schichten mit stark anisotroper Leitfähigkeit
lassen sich zum Beispiel aus InSb herstellen.
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Bei der Dimensionierung der leitenden Schicht 32 ist zu beachten,
daß bei den hier in Frage kommenden Schaltungen die Kollektorströme meistens sehr
gering sind (Kollektorstrom pro 1 mm2 Fläche ist geringer als 100 um A mm 2). Um
die Verlustleistung in der leitenden Schicht 32 klein zu halten, beträgt der Spannungsabfall
zwischen der Schicht 31 und den Zonen 72 8, 9 nur 1 bis 2 V.
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Bei einer weiteren Ausführungsforin der Erfindung nach Fig. 2, in
der gleiche Teile wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit gleichen Bezugs zeichen
versehen sind, werden die Halbleiterzonen 7, 8 und 9 der Anordnung nach Fig. 1 durch
metallische Belegungen 21, 22 und 23 ersetzt. Um auch in diesem Fall ohmsche Kontaktverbindungen
zu schaffen, sind die Zonen 5 und 6 an Stellen 24 und 25 so hoch dotiert, daß an
den Verbindungsstellen zu den metallischen Belegungen 21 und 22 keine Sperrschicht
mehr auftritt.
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Bei dieser Ausführungsform werden die Kollektoren dei Transistoren
durch die metallischen Belegungen 21, 22, 23 gebildet, welche mit den darunterliegenden
Zonen 5 und 6 - abgesehen von den Stellen 24 und 25 - in Sperrichtung betriebene
Schottky-Kontakte bilden.
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Wie sich aus der Darstellung nach den Fig. 1 und 2 ergibt sind gemäß
einer besonderen Ausführungsforin der Erfindung die
Teile der Zonen
7, 8 und 9 beziehungsweise der metallischen Belegungen 21, 22 und 23, welche mit
den darunterliegenden Zonen 5 und 6 einen sperrenden Kontakt (pn-2bergang beziehungsweise
Schottky-Kontakt als Basis-Kollektor-2bergang) gegenüber den Teilen, welche ohmsche
Kontakte bilden - 10 und ii in Fig.
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1 beziehungsweise 25 und 26 in Fig. 2 -, groß ausgebildet.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung können die zweiten
und dritten Zonen 5, 6 beziehungsweise 7, 8, 9 oder die metallischen Belegungen
21, 22, 23 streifenförmig ausgebildet sein und etwa orthogonal zueinander verlaufen.
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Eine derartige Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt, in der gleiche
Elemente wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Daraus ergibt sich
der Vorteil eines besonders geringen Platzbedarfs sowie eine unkritische Isolierung,
weil nur Kreuzungen vorhanden sind. Selbstverständlich ist eine derartige streifenförmige
Ausbildung der Zonen auch bei einer Anordnung nach Fig. 2 möglich, wenn dort die
Zonen 5 und 6 sowie die metallischen Belegungen 21, 22 und 23 streifenförmig ausgebildet
sind. Da sich eine derartige Konfiguration unmittelbar aus Fig. 3 ergibt, ist der
Fall der streifenförmigen Ausbildung der Zonen beziehungsweise Belegungen nach Fig.
2 nicht eigens dargestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsforin der Erfindung ist vorgesehen,
daß sich die durch die Folge der ersten, zweiten und dritten Zonen beziehungsweise
durch die Folge der ersten und zweiten Zonen sowie der metallischen Belegungen ergebenden
Funktionselemente im Halbleiterkörper in drei Koordinatenrichtungen wiederholt vorgesehen
sind, wobei insbesondere die dritten Zonen beziehungsweise die metallischen Belegungen
im Halbleiterkörper in den drei Koordinatenrichtungen verlaufen.
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Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt, in
der
gleiche Elemente wie in den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, wird im unteren Teil dieser Anordnung
eine der Anordnung nach Fig. 1 entsprechende Anordnung gebildet, so daß sich wiederum
zwei miteinander verschaltete Transistoren ergeben. Auf dieser Anordnung befindet
sich eine zweite entsprechende Anordnung, wobei die entsprechenden Elemente mit
apostrophierten gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zu der im unteren
Teil der Fig. 3 ausgebildeten Anordnung ist die hochdotierte Zone 2' sowie die Schichten
32t und 31' jedoch durch einen Bereich der hochohmigen Zone 4 t unterbrochen, durch
den zur Verbindung der Zonen 6 und 6' (Verbindung der Basen zweier Zonen) ein hochdotierter
Bereich 30 verläuft, dessen Dotierung so hoch ist, daß er praktisch einen teiler
darstellt. Die im Halbleiter angeordneten Schichten 31, 32 werden hier durch geeignete
Dotierung erzeugt.
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Bei diesen dreidimensionalen Halbleiterstrukturen wird der Vorteil
der an Hand der Fig. 1 bis 4 beschriebenen Strukturen besonders deutlich. Die bekannten
Strukturen, bei denen die Transistoren in einer Isolationswanne angeordnet sind,
können aus topologischen Gründen in dreidimensionaler Ausführung überhaupt nicht
realisiert werden.
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Der Vorteil von dreidimensionalen Strukturen ist, daß mit ihnen die
Packungsdichte gegenüber zweidimensionalen Strukturen um mehrere Zehnerpotenzen
vergrößert werden kann und daß kompliziertere Verknüpfungen ohne Leitungskreuzungen
und mit verhältnismäßig kurzen Leitungen realisierbar sind.
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In den Anordnungen nach Fig. 1, 2, 3 und 4 sind die ohmschen Kontakte
10, 11 beziehungsweise 24, 25 vorgesehen. Die Herstellung dieser ohmschen Kontakte
erfordert zusätzliche Herstellungsprozesse.
In einer Weiterbildung
der Erfindung können diese ohmschen Kontakte eingespart werden. Hierzu werden solche
Materialien für die Zonen verwendet, daß die Flußspannung zwischen der Kollektor-Basis-Diode
kleiner als die Flußspannung der Basis-Emitter-Diode - bei gleichem Flugstrom -
ist.
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Diese Voraussetzung wird zum Beispiel bei der Anordnung nach Fig.
2 erfüllt, wenn für die Schichten 22, 23 Aluminium auf Silicium verwendet wird.
Es besteht bei dieser Anordnung kein grundsätzlicher Unterschied zwischen dem Kollektor
und dem Basiskontakt. Damit trotzdem die Signalflußrichtung in der Schaltung eindeutig
festgelegt ist, werden die Flächen verschieden groß gemacht. Eine große Fläche der
Schichten 22, 23 über der Basis 5, 6 wirkt als Kollektor. Zwar wirkt auch eine kleine
Fläche als Kollektor, wird aber die Fläche so klein gemacht, daß die Stromverstärkung
dieses Teiltransistors kleiner als eins ist, so kann er den mit ihm verbundenen
Transistor nicht durchschalten. Bezogen auf die Fig. 2 heißt das, daß auch ohne
die ohmschen Kontakte 24, 25 der linke Transistor den rechten durchschalten kann,
daß aber der rechte Transistor nicht den linken Transistor durchschalten kann, wenn
nur die uberlappungsflächen der Zonen 22 und 25 genügend klein sind.
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Eine derartige Ausgestaltung für die Anordnung nach Fig. 2 ist in
Fig. 5 dargestellt, in der gleiche Elemente wie in Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Die in den Ausführungebeispielen nach den Fig. 1 bis 5 dargestellten
Strukturen sind natürlich nicht auf die einfachen gezeigten Verknüpfungen beschränkt.
Vielmehr köniien wesentlich kompliziertere Strukturen mit einer Vielzahl von Transistoren
realisiert werden, wobei insbesondere auch die Transistoren jeweils mehrere Eingänge
und Ausgänge besitzen können. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung
kann die Zone 4 in den Fig. 1, 2 und 4 so dünn sein, daß die Zone 2 die Basen 5,
6 der Transistoren direkt berührt.
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19 Patentansprüche 6 Figuren