DE2657293A1

DE2657293A1 - Transistorschaltung

Info

Publication number: DE2657293A1
Application number: DE19762657293
Authority: DE
Inventors: Stephen Francis Colaco
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Plessey Semiconductors Ltd
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US4049975A; DE2657293B2; GB1556169A; DE2657293C3

Description

PATENTANWALT
DR.-ING. HANS LEYH 2657293

D-8 München 80,

Lucile-Grahn-Straße 38

Unser Zeichen: A 13 330

Lh/fi

Ferran*-! Limited Hollinwood, Lancashire England

Transistorschaltung

Die Erfindung betrifft eine Transistorschaltung und insbesondere eine logische Transistor/Transistor-Schaltung (TTL), die durch ein Potential von "Wenigstens 4,5 Volt erregt wird, und sie betrifft ferner integrierte Halbleiterschaltungen, die solche TTL-Kreise enthalten.

TTL-Schaltungen verwenden gewöhnlich NPN-Transistoren,

Obwohl TTL-Schaltungen aus diskreten Schaltelementen aufgebaut werden können, können solche Schaltungen wenigstens teilweise auch in einem monolithischen Halbleiterkörper ausgebildet werden. Jede TTL-Schaltung kann nach einer oder einer Mehrzahl unterschiedlicher Methoden hergestellt werden, um wenigstens teilweise einenbbesonderen TTL-Schaltkreis in einem monolithischen Halbleiterkörper auszubilden. Die Er-

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findung bezieht sich auf TTL·-Schaltungen, die in eine integrierten Schaltung oder in Form integrierter Schaltungen ausgebildet sein können, sie betrifft jedoch keine TTL-Schaltungen, die aus diskreten Schaltungselementen aufgebaut sind.

Eine TTL-Schaltungsanordnung hat gewöhnlich einen NPN-Mehrfach-Emitter-Eingangstransistor, bei dem ein Emitter individuell an jeden erforderlichen Eingang für die Schaltung angeschlossen ist. Die Basis ist über einen Widerstand an eine erste Speiseleitung angeschlossen, um auf einem endlichen positiven Potentialniveau gehalten zu werden. Der Kollektor ist an einen Phasenteiler angeschlossen, der zwischen der ersten Speiseleitung und einer zweiten Speiseleitung geschaltet ist, die auf einem weniger positiven Potential als die erste Speiseleitung gehalten wird und die gewöhnlich Null-Potential führt. Der Phasenteiler hat zwei Ausgänge, von denen einer mit der Basis eines Ausgangstransistors und einer mit einer Hebestufe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor verbunden ist. Der Ausgangstransistor und die Hebestufe sind in Reihe zwischen der ersten und der zweiten Speiseleitung geschaltet. Der erforderliche Ausgang für die Schaltungsanordnung ist an einem Punkt zwischen dem Ausgangstransistor und der Hebestufe vorgesehen.

Eine solche Schaltungsanordnung enthält ein NAND-Tor in Übereinstimmung mit einer positiven Logik und andere Formen logischer Tore können vorgesehen werden, um dieses NAND-Tor zu modifizieren durch Hinzunahme von Inverterstufen an entsprechenden Punkten. Solche logische Schaltungen können, wenn gewünscht, in Übereinstimmung mit der negativen Logik-Konvention be trieben werden.

In einem konventionellen TTL-Scaaltkreis ist die Phasenteiler- etufe so angeordnet, daß sie einen Transistor aufweist, dessen

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Basis an den Kollektor des Eingangstransistors geschaltet ist und dessen Kollektor über einen Widerstand an die erste Speiseleitung geschaltet ist, um ihn auf dem ersten Potential zu halten. Der Emitter ist über einen anderen Widerstand mit der zweiten Speiseleitung verbunden, um ihn auf dem zweiten ■ Potential zu halten. Der Ausgang des Phasenteilers, der mit dem Ausgangstransistor verbunden ist, ist an einem Punkt zwischen dem Emitter und dem Widerstand im Emitterkreis des Transistors der Phasenteilerstufe vorgesehen. Der andere Ausgang des Phasenteilers, der mit der Hebestufe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor verbunden ist, ist an einem Punkt zwischen dem Kollektor und dem Widerstand im Kollektorkreis des Transistors des Phasenteilers angeordnet. Die Hebestufe kann irgendeine aktive oder passive Form haben. Die Verwendung einer aktiven Hebestufe für den Ausgangstransistor umfaßt einen Widerstand zwischen dem Kollektor eines Transistors der aktiven Hebestufe und der ersten Speiseleitung sowie eine Diode zwischen dem Emitter des Transistors und dem Ausgangstransistor. Der Ausgang der Schaltung ist an einem Punkt zwischen der Diode und dem Ausgangstransistor vorgesehen.

Im Betrieb der konventionellen TTL-Schaltung mit NAND-Tor, wenn wenigstens einer der Emitter des Eingangstransistors auf einem niedrigen positiven Potential liegt, das als unterer Eingang für die Schaltung angesehen wird, werden der Transistor des Phasenteilers und der Ausgangstransistor abgeschaltet, der Transistor der aktiven Hebestufe arbeitet als Emitter-Folger und das Potentialniveau des Ausganges ist das hohe positive Potentialniveau. Wenn alle Emitter des Eingangstransistors auf hohem positiven Potential liegen, das als obere Eingangsstufe für die Schaltung angesehen wird, werden der Transistor des Phasenteilers und der Ausgangstransistor angeschaltet und sie sind in gesättigtem Zustand. Der Transistor der aktiven Hebestufe ist abgeschaltet. Das Potentialniveau des Ausganges ist ein unteres positives Niveau.

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Wenn das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors oder die Eingangsgröße der Schaltung von Null auf wenigstens einen Wert über dem Null-Potential der zweiten Speiseleitung zunimmt, das gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über einer vorwärts vorgespannten Diode oder einem PN-Übergang ist, falls in der Schaltung vorhanden, und wenn die Schaltung in Betrieb ist, wird der Teansistor des Phasenteilers angeschaltet, während der Ausgangstransistor abgeschaltet bleibt. Eine solche Potentialdifferenz kann im Bereich von O,4 bis 1,0 Volt und vorzugsweise im Bereich von etwa 0,65 bis etwa 0,75 Volt bei 25oc liegen. Der Ausgangstransistor wird nicht angeschaltet bis das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors auf wenigstens eine Höhe oberhalb derjenigen der zweiten Speiseleitung erhöht wird, die im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über zwei vorwärts vorgespannten Dioden oder PN-Übergängen ist. Dieses Potentialniveau enthält den Eingangsschwellwert für die Schaltungsanordnung. Da das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors oder die Eingangsgröße der Schaltung weiterhin erhöht wird, wird der Ausgangstransistor gesättigt. Da die Eingangsgröße der Schaltung wieder zunimmt, wird der Transistor der Phasenteilerstufe gesättigt und der Transistor der aktiven Hebestufe, der zuvor angeschaltet worden ist, wird abgeschaltet. Die Eingangsgröße der Schaltungsanordnung kann auf eine Höhe unterhalb der ersten Speisespannung der ersten Speiseleitung zunehmen um einen Betrag, der im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz an zwei vorwärts"betriebenen Dioden oder PN-tibergängen ist.

So liegt die EingangsspannungsSchwankung (voltage swing) der Schaltungsanordnung zwischen im wesentlichen zwei maximal erreichbaren vorwärtsbetriebenen Diodenpotentialen über Null und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren vorwärts-betrlebenen Diodenpotentialen unter der Speisespannungshöhe. Die Ausgangs-

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Spannungsschwankung der Schaltung liegt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor sättigt und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren vorwärts-geschalteten Dioden-Potentialen unter der Speisespannungshöhe. Der untere Eingang für die Schaltungsanordnung liegt vor, wenn die Eingangsgröße zwischen dem Schwellenwert und demjenigen liegt, bei dem der Transistor der aktiven Hebestufe abgeschaltet wird und der obere Eingang (high input state) liegt vor, wenn die Eingangsgröße den Wert übersteigt, bei dem der Transistor der aktiven Hebestufe abgeschaltet wird.

Integrierte TTL-Schaltungsanordnungen haben einen weiten Anwendungsbereich gefunden und ihre Betriebscharakteristiken sollen zwischen bestimmten Bereichen liegen, wenn die Schaltungsanordnungen kommerziell verwertbar sein sollen. Solche Wechselstrom- und Gleichstrom-Betriebscharakteristiken einer TTL-Schaltung können dahingehend spezifiziert werden, daß das Eingangsschwellenpotential der Schaltung über dem Null-Potential der zweiten Speiseleitung so hoch als möglich sein sollte. Es wird ferner gefordert, daß der Transistor der aktiven Hebestufe vollständig abgeschaltet werden kann, wenn die Schaltungsanordnung sich im unteren Eingangszustand (low input state) befindet. Die Ausgangsimpedanz zur ersten Speiseleitung ist niedrig, wenn die Schaltungsanordnung entweder in ihrem unteren oder ihrem oberen Eingangszustand bzw. ihrer unteren oder oberen Eingangsstufe ist. Die Schaltungsanordnung ist dann in der Lage, eine Komponente mit einer beträchtlichen Kapazität anzusteuern bzw. zu betreiben, ohne ihre Ausbreitungsverzögerung zu verschlechtern. Die Ausbreitungsverzögerung der Schaltung liegt gewöhnlich im Bereich von etwa 10 Nanosekunden. Die Speisespannung beträgt wenigstens etwa 4,5 Volt und vorzugsweise etwa 5 Volt. Der Ausgang der Schaltung schwankt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor der Schaltung sättigt und sie soll so niedrig wie möglich sein, zweckmäßiger-

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weise etwa 0,3 Volt, und einer Spannung in der Größenordnung von etwa 3,4 Volt. Der Eingangsstrom der Schaltung im oberen Eingangszustand (high input state) ist so niedrig wie möglich und liegt zweckmäßig in der Größenordnung von etwa 5 Mikroampere bei 2,4 Volt. Ferner ist es erforderlich, daß der Gesamtstrom-Verstärkungsfaktor, der dem Eingangstransistor zugeordnet ist und gesehen von einer äußeren Schaltung, so niedrig wie möglich ist, wobei entsprechend das Eingangsschwellwert-Potential der Schaltung so hoch wie möglich ist und der Ausgangstransistor bei einer so niedrig wie möglichen Spannung gesättigt wird.

Allgemein sind die Schaltungselemente unterschiedlicher Typen innerhalb eines Halbleiterkörpers einer integrierten Schaltung ähnlich aufgebaut und sie sind insbesondere sehr ähnlich bei bipolaren Transistoren. So haben die Transistoren einer Schaltungsanordnung unvermeidlich denselben Aufbau. Ferner wird durch die Art der Herstellung eines bipolaren Transistors wenigstens teilweise der Aufbau des Transistors und wenigstens teilweise seine Betriebscharakteristiken bestimmt. Ferner wird durch die Art der Herstellung der bipolaren Transistoren einer integrierten Schaltung wenigstens teilweise der Aufbau anderer Schaltungselemente des Halbleiterkörpers der integrierten Schaltung bestimmt und wenigstens teilweise die Betriebscharakteristik der Schaltung.

TTL-Schaltungen und integrierte TTL-Schaltungen, die solche Schaltungsanordnungen verwirklichen und auf die sich die Erfindung bezieht, sollen nur bipolare Transistoren, Widerstände und Dioden aufweisen, wobei jede Diode durch einen bipolaren Transistor und durch Kurzschliessen eines PN-Uberganges des Transistors gebildet werden kann. Die Widerstände können in dem Halbleiterkörper der Schaltung vorgesehen werden und/oder jeder kann einen DünnfilmwLderstand aufweisen, der auf einer Schicht eines Passivierungsmaterials des Halbleiterkörpers ausgebildet ist.

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übliche integrierte TTL-Schaltungen enthalten bipolare Transistoren, von denen jeder nach einer Methode hergestellt ist, bei der die Basis und der Emitter in separaten Diffusionsschritten ausgebildet werden. Ferner sind diese integrierten TTL-Schaltungen im wesentlichen gleichmäßig mit einem Element, wie z.B. Gold, dotiert, um den inversen Stromverstärkungsfaktor der Transistoren zu reduzieren und um sicherzustellen, daß nur niedrige Speicherkonzentrationen von Ladungsträgern innerhalb der Transistoren vorhanden sind, und daß die Transistoren die schnellen Schaltzeiten haben, wenn sie in Vorwärtsrichtung betrieben werden, wie bei TTL-Schaltungen erwünscht. Deshalb ist der Strom bei der hohen oder oberen Eingangsstufe (high input state) für die Schaltung so niedrig wie möglich und die Ausbreitungsverzögerung der Schaltungsanordnung ist klein. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit werden in dieser Beschreibung solche konventionellen Methoden zur Herstellung von bipolaren Transistoren und zur Herstellung von TTL-integrierten Schaltungen, die solche Transistoren enthalten, als konventionelle Doppeldiffusions-Methoden bezeichnet, während die so hergestellten Transistoren als konventionelle Öoppel-diffundierte Transistoren bezeichnet werden und die TTL-integrierten Schaltungen, die solche Transistoren enthalten, werden als übliche Doppel-Diffusions-TTL-Schaltungen bezeichnet. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird ferner in dieser Beschreibung zur Reduzierung des inversen Stromverstärkungsfaktors der Transistoren und zur Sicherstellung, daß nur niedrige Speicherkonzentrationen von Ladungsträgern in den Transistoren vorhanden sind, nur Gold betrachtet bzw. berücksichtigt. Die Golddotierung wird als Teil einer konventionellen Doppel-Diffusions-Methode betrachtet und konventionelle Doppeldiffusionstransistoren und TTL-Schaltungen werden betrachtet als im wesentlichen gleichmäßig mit Gold dotiert.

Eine neue Methode zur Herstellung von bipolaren Transistoren

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integrierten Halbleiterschaltungen mit bipolaren Transistoren und anderen Schaltungselementen, die in dem Halbleiterkörper der Schaltung ausgebildet sind, und die einen Aufbau verwenden, der demjenigen der bipolaren Transistoren sehr ähnlich ist, sind insofern vorteilhaft, als eine Golddotierung unterbleibt. Diese Methoden werden als Methoden ohne Golddotierung bezeichnet und die Schaltungen als Schaltungen ohne Golddotierung. Eine solche Methode kann eine Doppeldiffusions-Methode sein. Die Vorrichtungen, in denen solche Transistoren ausgebildet sind, können kleiner sein und die Verfahren verwenden weniger Verfahrensstufen als die übliche Doppeldiffusions-Methode. Der Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute bei der Verwendung dieser Verfahren sind daher größer als bei den konventionellen Verfahren und es kann eine größere Anzahl von Einrichtungen bzw. Schaltungselementen in einer Scheibe eines Halbleitermaterials mit gegebenem Durchmesser vorgesehen werden, wodurch auch die prozentuale Ausbeute an Schaltungsgeräten gesteigert wird.

Einige dieser neuen Methoden zur Herstellung bipolarer Transistoren verwenden einen Halbleiterkörper mit einer flachen epitaktischen Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Substrat derselben Leitfähigkeit, wobei die epitaktische Schicht und das Substrat aus einem Material mit hohem Widerstandswert bestehen. Jeder hierbei vorgesehene bipolare Transistor hat einen Kollektor vom Typ N, der wenigstens eine stark dotierte vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der epitaxialen Schicht aufweist. Die Basis mit P-Leitfähigkeit ist innerhalb der epitaktischen Schicht ausgebildet und umfaßt wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaktischen Schicht, während der Emitter mit N-Leitfähigkeit aus einem diffundierten Teil innerhalb der Basis gebildet ist. Ein solcher Transistor hat beispielsweise den soganennten Kollektor-Diffusion-Isolations-Aufbau oder Isoplanar-Aufbau oder VIP bzw. V-ATE-Konstruktion. Aus Zweck-

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mäßigkeitsgründen werden nachfolgend in der Beschreibung diese neuen Methoden zur Herstellung von bipolaren Transistoren und integrierten Halbleiterschaltungen mit solchen Transistoren als Methoden mit epitaktischer Basis bezeichnet, die Transistoren als solche mit epitaktischer Basis und die TTL-integrierten Schaltungen mit solchen Transistoren werden als TTL-Schaltungen mit epitaktischer Basis bezeichnet. Die Erfindung betrifft solche TTL-Schaltungen mit epitaktischer Basis und TTL-Schaltungen die mit Hilfe eines Verfahrens mit epitaktischer Basis wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper ausgebildet werden können.

Transistoren mit epitaktischer Basis unterscheiden sich von üblichen doppel-diffundierten Transistoren insofern als sie nicht zufriedenstellend mit Gold dotiert werden können, weil die Nebeneffekte, die durch die Golddotierung bei Transistoren mit epitaktischer Basis entstehen, beträchtlich sind und die Transistoren nachteilig beeinflussen. Dies rührt davon her, daß die Transistoren wenigstens teilweise in flachen epitaxialen Schichten ausgebildet sind. So werden die Vorwärts-Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren mit epitaktischer Basis durch die Golddotierung reduziert, die Stromleckage innerhalb der Transistoren wird auf unannehmbare Werte gesteigert im Vergleich mit üblichen doppel-diffundierten Transistoren und die Golddotierung erzeugt Versetzungen innerhalb des Halbleitermaterials, die die prozentuale Ausbeute bzw. den Wirkungsgrad der Verfahren mit epitaktischer Basis verringern im Vergleich mit Methoden nach der üblichen Doppeldiffusion. Diese nachteiligen Nebenwirkungen sind besonders unglücklich, weil Transistoren mit epitaktischer Basis einen hohen inversen Stromverstärkungsfaktor haben. Ferner haben sie, es sei denn die sind geeignet modifiziert, hohe Speicherkonzentrationen von Minoritäts-Ladungsträgern und langsamere Schaltzeiten beim Betrieb in Vorwärtsrichtung als dies für TTL-Schaltungs-

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Anordnungen erwünscht ist. Bei dem NPN-Mehremitter-Eingangstransistor einer TTL-Schaltung mit einem hohen inversen Stromverstärkungsfaktor, tritt bei einem Mehremitter-Eingangstransistor mit epitaktischer Basis eine unerwünschte Emitter-zu-Emitter-Transistorwirkung auf, wenn der Transistor gesättigt ist, wenn ein Emitter auf einem niedrigen Potential und ein anderer auf einem hohen Potential ist, wegen der normalerweise vorhandenen Eingangsspannungsschwankungen für die Schaltungsanordnung.

Man kann die Konzentrationen gepeicherter Ladungsträger in Transistoren ohne Golddotierung und beispielsweise in doppel-diffundierten Transistoren oder Transdistoren mit epitaxialer Basis reduzieren, indem jeder derartige Transmitter mit einem zusätzlichen Rückkopplungsemitter versehen wird, der direkt mit der Basis des Transistors verbunden ist. Während die Verwendung eines Rückkopplungsemitters die Schaltzeit beispielsweise eines Transistors mit epitaxialer Basis reduziert, wird der höhere inverse Stromverstärkungsfaktor des Transistors nicht reduziert. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird in der Beschreibung angenommen, daß Transistoren ohne Golddotierung mit Rückkopplungsemittern versehen sind, wo dies zweckmäßig erscheint. Bipolare Transistoren mit epitaxialer Basis sind daher ungeeignet, um konventionelle doppel-diffundierte Transistoren in den üblichen TTL-Schaltungen zu ersetzen, auch wenn diese bipolaren Transistoren mit Rückkopplungsemittern ausgestattet sind, um die hohen Konzentrationen gespeicherter Ladungsträger innerhalb der Transistoren zu reduzieren. Alternative Anordnungen zur Reduzierung der hohen Konzentrationen gepeicherter Ladungsträger für Eingangstransistoren mit epitaktischer Basis für TTL-Schaltungen mit epitaktischer Basis sind bekannt. Jede dieser bekannten Anordnungen erfordert jedoch wenigstens einen Widerstand für den Eingangstransistor, und sie ist nachteilig, weil die parasitäre Kapazität des Tranistors

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in unerwünschtem Umfang erhöht wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für eine TTL-Schaltung nach der Methode ohne Golddotierung zu schaffen, die Betriebscharakteristiken innerhalb vorgegebener Bereiche,wie sie für TTL-Schaltungen erforderlich sind, aufweist.

Erfindungsgemäß hat hierzu eine TTL-Schaltung, insbesondere eine TTL-Schaltung mit Transistor/Transostor-Logik mit NPN-Transistoren, die mit einem Speisepotential von wenigstens 4,5 Volt erregt wird, einen Mehremitter-Eingangstransistor, von dem ein Emitter individuell an jeden erforderlichen Eingang für die Schaltung angeschlossen ist, dessen Basis über einen Widerstand mit einer ersten Speiseleitung verbunden ist, die auf einem ersten endlichen positiven Potential gehalten ist, dessen Kollektor mit der Basis verbunden ist, um im Betrieb die Konzentration von gespeicherten Ladungsträgern in dem Transistor zu reduzieren, wobei der Kollektor ferner mit einem Phasenteiler verbunden ist, der zwischen der ersten Speiseleitung und einer zweiten Speiseleitung geschaltet ist, die auf einem zweiten Potential gehalten ist, das weniger positiv als das Potential der ersten Speiseleitung ist, einer Diode in dem Phasenteiler, die zwischen dem Eingangstransistor und der zweiten Speiseleitung geschaltet ist, um den Eingangsschwellwert der Schaltung über dem Potentialniveau der zweiten Speiseleitung um einen Betrag zu halten, der im wesentlichen der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über zwei in Vorwärtsrichtung betriebenen Dioden oder PN-übergängen entspricht, wenn sie in der Schaltung vorhanden sind, wobei, wenn die Schaltung arbeitet, ein Ausgang des Phasenteilers an die Basis eines Ausgangstransistors der Schaltung gelegt ist, während der Emitter des Ausgangstransistors an die zweite Speiseleitung geschaltet ist und der andere Ausgang des

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Phasenteilers mit einer Hebestufe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor verbunden ist.

In einer TTL-Schaltung ohne Golddotierung gemäß der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird durch Zusammenschliessen von Basis und Kollektor des Eingangstransistors die Ladungsträger-Konzentration in diesem Eingangstransistor reduziert, wobei der Kollektor sämtliche Minoritäts-Ladungsträger, die in die Basis injiziert werden, sammelt. Man erhält hierdurch eine Kompensation für das Fehlen der Golddotierung.

Ferner wird der inverse Stromverstärkungsfaktor des Transistors reduziert und der Transistor kann nicht sättigen. Daher ist eine unerwünschte Emitter-zu-Emitter-Transistorwirkung nicht möglich.

Die Kebestufe (pull-up stage) kann jede geeignete aktive oder passive Form aufweisen.

Wenn eine aktive Stufe verwendet wird, kann sie ein modifiziertes Darlington-Transistorpaar aufweisen mit einem ersten Transistor, dessen Basis an den zugehörigen Ausgang des Phasenteilers gelegt ist und einem zweiten Transistor, dessen Emitter an den Kollektor des Ausgangstransistors geschaltet ist, wobei die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors über einen gemeinsamen Widerstand an die erste Speiseleitung gelegt sind und der Emitter des ersten Transistors über einen Widerstand an die Basis des zweiten Transistors geschaltet ist, dessen Basis seinerseits über einen weiteren Widerstand mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist. Diese Ausbildung für die Hebestufe oder Ansprechstufe (pull-up stage) gewährleistet, daß die Ausgangsspannung der TTL-Schaltung im oberen Zustand (high state) ausreichend hoch ist und sie gewährleistet ferner, daß eine Kompensation für den Spannungsabfall am

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Widerstand zwischen dem Emitter des ersten Transistors und der Basis des zweiten Transistors des Darlington-Paares vorhanden ist. Dieser Widerstand ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß der zweite Transistor, der die Diode des konventionellen TTL-Schaltkreises ersetzt, vollständig abgeschaltet werden kann.

Die Erfindung umfaßt somit ferner eine TTL-Schaltung ohne Gold-Dotierung, die wenigstens teilweise in einem monolithischen Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Wenn die erfindungsgemäße TTL-Schaltungsanordnung in einer TTL-Schaltungsvorrichtung ohne Golddotierung ausgebildet ist, hat diese Betriebscharakteristiken innerhalb der spezifischen Bereiche, die bei TTL-Schaltungen gefordert werden.

Eine solche TTL-Schaltungsanordnung kann wenigstens teilweise in einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung ausgebildet sein, diekeine Golddotierung aufweist, beispielsweise mit bipolarem Transistor mit epitaktischer Basis oder doppediffundierten bipolaren Transistoren. Andere Arten von Schaltungselementen können einen Aufbau haben, der dem der Transistoren nahekommt, obwohl wenigstens einer der Widerstände der Vorrichtung ein Dünnfilm-Widerstand sein kann, der auf einer Passivierungsschicht auf dem Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Eine TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis ist in einem Halbleiterkörper mit einer dünnen epitaktischen Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Substrat derselben Leitfähigkeit ausgebildet und die Basis jedes Transistors umfaßt wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaktischen Schicht. Ferner können bipolare Transistoren vom sogenannten Kollektor-Diffusions-Isolation-Aufbau vorgesehen werden, wobei der N-Typ-

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Kollektor jedes Transistors eine vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat des Hableiterkörpers und eine Isolations-Sperrschicht für den Transistor aufweist, die sich durch die epitaktische Schicht erstreckt und Kontakt mit der vergrabenen Schicht hat.

Beispielsweise Ausfuhrungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine bekannte TTL-Schaltung zeigt, die wenigstens teilweise im Halbleiterkörper einer konventionellen, golddotierten, doppel-öiffundierten TTL-Schaltung ausgebildet ist.

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen bipolaren Transistor mit epitaktischer Basis im sogenannten Kollektor-Diffusions-Isolations-Aufbau.

Fig. 3 zeigt eine TTL-Schaltung, die wenigstens teilweise in dem Halbleiterkörper einer TTL-Schaltungsanordnung ohne Golddotierung geeignet ausgebildet werden kann, beispielsweise einer TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis, die bipolare Transistoren nach Fig. 2 aufweist, sowie andere Schaltungselemente, die einen Aufbau haben können, der dem der Transistoren mit epitaktischer Basis nahekommt, wobei die TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis Betriebscharakteristiken inner-" halb der speziellen Bereiche hat, die für TTL-Schaltungen gefordert werden.

Die bekannte Transistor/Taansistor-Logik (TTL) nach Fig. 1 ist geeignet, wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper einer konventionellen, golddotierten, doppel-diffundierten TTL-

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Schaltungsanordnung ausgebildet zu werden und sie hat golddotierte, doppel-diffundierte NPN-Transistoren und andere Schaltungselemente, deren Konstruktion denjenigen der doppeldiffundierten Transistoren sehr ähnlich ist. Die Schaltung hat ein NAND-Tor in Übereinstimmung mit der positiven Logik-Konvention und einen Eingangstransistor T1 mit sovielen Emittern wie Eingänge für die Schaltung erforderlich sind, wobei die Emitter individuell an die Eingangsklemmen gelegt sind. Die Basis des Transistors T1 ist über einen Widerstand R1 an eine erste Speiseleitung gelegt, wobei der Widerstand R1 eine Größe von 4 Kiloohm hat und die Speiseleitung auf einem ersten Potential von +5 Volt gehalten ist. Der Kollektor des Transistors T1 ist an einen Phasenteiler gelegt, der einen Transistor T2 aufweist. Die Basis des Transistors T2 ist direkt an den Kollektor des Transistors T1 geschaltet. Der Kollektor des Transistors T2 ist über einen Widerstand R2 an die Speiseleitung gelegt, wobei der Widerstand R2 einen Wert von 1,6 Kiloohm hat. Der Emitter des Transistors T2 ist über einen Widerstand R3 an eine zweite Speiseleitung gelegt, die auf einem zweiten Potential gehalten ist, das weniger positiv als das Potential der ersten Speiseleitung ist und das z.B. das Potential Null haben kann. Der Widerstand R2 hat einen Wert von 1,0 Kiloohm. Einer der beiden Ausgänge des Phasenteilers umfaßt einen Punkt zwischen dem Transistor T2 und dem Widerstand R3 und ist an die Basis eines Ausgangstransistors T3 der Schaltung gelegt. Der Emitter des Ausgangstransistors T3 ist direkt an die zweite Speiseleitung geschaltet, die auf Null-Potential gehalten ist. Der Kollektor des Transistors T3 ist an eine aktive Ansprechstuffe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor T3 gelegt. Die aktive Ansprechstufe hat einen Transistor T4 und eine Diode, die durch einen weiteren Transistor T5 gebildet wird. Die aktive Ansprechstufe ist in Reihe mit dem Ausgangstransistor T3 geschaltet zwischen der ersten und der zweiten Speiseleitung. Der andere Ausgang des Phasenteilers umfaßt einen Punkt zwischen

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dem Transistor T2 und dem Widerstand R4 und er ist an die Basis des Transistors T4 der aktiven Ansprechstufe gelegt. Der Kollektor des Transistors T4 ist .über einen Widerstand R4 an die erste Speiseleitung gelegt, wobei der Widerstand R4 eine Größe von 130 Ohm hat. Der Ausgang der TTL-Schaltung wird von einem Punkt zwischen den Transistoren T3 und T5 abgenommen, der an die Ausgangsklemmen geschaltet ist.

Im Betrieb des mit einem NAND-Tor versehenen TTL-Schaltkreises, wenn wenigstens einer der Emitter des Eingangstransistors T1 auf niedrigem Potential liegt, das den unteren Eingangszustand (low input state) für die Schaltung darstellen soll, sind der Transistor des Phasenteilers T2 und der Ausgangstransistor T3 abgeschaltet, wobei der Transistor T2 der aktiven Ansprechstufe als Emitterfolger wirkt und das Potential des Ausganges hoch ist. Wenn alle Emitter des Eingangstransistors T1 auf hohem Potential liegen, das als oberer Eingangszustand (high input state) für die Schaltung betrachtet wird, sind der Transistor T2 des Phasenteilers und der Ausgangstransistor T3 eingeschaltet und in einem gesättigten Zustand. Der Transistor T4 der aktiven Ansprechstufe ist abgeschaltet. Das Potential des Ausgangs ist niedrig.

Wenn der Eingangswert der Schaltung oder das Potentialniveau jedes Emitters des Eingangstransistors T1 von Null auf wenigstens einen Wert oberhalb des Null-Potentials der zweiten Speiseleitung erhöht wird, der gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Diode oder einem PN-Übergang ist, falls in der Schaltung vorhanden, so wird der Transistor T2 des Phasenteilers eingeschaltet, während der Ausgangstransistor T3 ausgeschaltet bleibt. Der Ausgangstransistor T3 wird nicht eingeschaltet bis der Eingangswert (input value) der Schaltung erhöht wird wenigstens auf einen Wert oberhalb demjenigen der zweiten

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Speiseleitung un im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz über zwei in Vorwärtsrichtung betriebene Dioden oder PN-Übergänge. Dieses Potentialniveau umfaßt den Eingangsschwellwert für die Schaltungsanordnung. Da der Eingangswert der Schaltung weiter gesteigert wird, wird der Ausgangstransistor T3 gesättigt. Bei weiterer Zunahme des Eingangswertes der Schaltungsanordnung wird der Transistor T2 des Phasenteilers gesättigt und der Transistor T4 der aktiven Ansprechstufe, der zuvor eingeschaltet war, wird abgeschaltet. Der Eingangswert der Schaltung kann zunehmen bis auf ein Niveau unterhalb der Speisespannung der ersten Speiseleitung und zwar um einen Betrag, der im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz an zwei in Vorwärtsrichtung betriebenen Dioden oder PN-Ubergängen ist.

Die Eingangsspannungsschwankung der Schaltung liegt somit zwischen im wesentlichen zwei maximal erreichbaren Potentialen einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Diode oberhalb Null und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren Potentialen einer in Vorwärtsrichtung betriebenen Diode unterhalb der Speisespannungshöhe. Die Ausgangsspannungsschwankung der Schaltung liegt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor T3 sättigt und im wesentlichen zwei maximal erreichbaren Potentialen einer vorwärts-betriebenen Diode unterhalb der Speisespannungshöhe. Der untere Eingangszustand (low input state) für die Schaltung liegt vor wenn der Eingangswert zwischen dem Schwellenwert und dem Wert liegt, bei dem der Transistor T4 der aktiven Ansprechstufe abgeschaltet ist und der obere Eingangszustand (high input state) liegt vor, wenn der Eingangswert den Wert überschreitet, bei dem der Transistor T4 abgeschaltet wird.

Die konventionellen Methoden zur Herstellung von Geräten mit

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TTL-Schaltungen, die wenigstens teilweise in Halbleiterkörpern ausgebildet sind, bilden die Emitter und Basen der bipolaren Transistoren in separaten Diffusionsstufen aus. Ferner sind die Halbleiterkörper im wesentlichen gleichmäßig mit Gold dotiert, um den inversen Stromverstärkungsfaktor des Transistors zu reduzieren und um niedrige Konzentrationen von Ladungsträgern, die in den Transistoren gespeichert sind zu schaffen, ferner um schnelle Schaltzeiten der Transistoren bei Betrieb in Vorwärtsrichtung zu erhalten. Daher ist der Strom solcher konventioneller doppel-diffundierten TTL-Schaltungen im oberen Eingangszustand so niedrig wie möglich und die Ausbreitungsverzögerung der Geräte ist klein.

Bei TTL-Schaltungen, beispielsweise solchen mit doppeldiffundierten TTL-Schaltungselementen nach Fig. 1, ist es zur wirtschaftlichen Verwertbarkeit erforderlich, daß der Eingangsschwellwert über dem Nullpotential der zweiten Speiseleitung so hoch wie möglich sein sollte, z.B. im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz von zwei vorwärts-betriebenen Dioden oder PN-Ubergängen und er liegt im Bereich von 0,8 bis 2,0 Volt, vorzugsweise im Bereich von 1,3 bis 1,5 Volt bei 25°C. Es ist erforderlich, daß der Transistor T4 der aktiven Ansprechstufe vollständig abgeschaltet werden kann, wenn die Vorrichtung im unteren Eingangszustand (low input state) ist. Die Ausgangsimpedanz zur ersten Speiseleitung ist niedrig, wenn die Vorrichtung in ihrem hohen oder niedrigen bzw. oberen oder unteren Eingangszustand ist. Die Vorrichtung bzw. Schaltung ist daher in der Lage, eine Komponente mit einer beträchtlichen Kapazität zu betreiben bzw. anzusteuern ohne ihre Ausbreitungsverzögerung zu verschlechtern. Die Ausbreitungsverzögerung der Schaltungsanordnung liegt gewöhnlich in der Größenordnung von 10 Nanosekunden. Die Speisespannung beträgt wenigstens 4,5 Volt, vorzugsweise etwa 5 Volt. Der Ausgang der Schaltung

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schwingt zwischen der Spannung, bei der der Ausgangstransistor T3 sättigt und er soll so niedrig wie möglich sein und beträgt gewöhnlich 0,3 Volt, und einer Spannung in der Größenordnung von 3,4 Volt. Der Strom beim oberen Eingangszustand (high input state) der Vorrichtung ist so niedrig wie möglich, gewöhnlich in der Größenordnung von 5 Mikroampere bei 2,4 Volt. Ferner ist es erforderlich, daß der Gesamtstromverstärkungsfaktor des Eingangstransistors T1, gesehen von einem äußeren Schaltkreis aus, so niedrig wie möglich ist in Übereinstimmung damit, daß der Eingangsschwellwert der Schaltungsanordnung so hoch wie möglich ist und der Ausgangstransistor T3 bei einer so niedrig wie möglichen Spannung gesättigt ist.

Der bipolare Transistor mit epitaxialer Basis und Kollektor-Diffusions-Isolations-Aufbau nach Fig. 2 ist in einem Silicium-Halbleiterkörper ausgebildet, der eine flache epitaktische Schicht 10 mit P-Leitfähigkeit auf einer epitaktischen Schicht 20 mit P-Leitfähigkeit auf einem Substrat 21 mit P-Leitfähigkeit hat, wobei die epitaktische Schicht 20 und das Substrat 21 aus einem Material mit hohem Widerstandswert sind. Vor dem Aufbringen der epitaktischen Schicht 20 auf dem Substrat 21 wird ein stark dotierter Bereich mit N-Leitfähigkeit selektiv in einem Teil der Oberfläche 22 ausgebildet, auf der die epitaktische Schicht 20 ausgebildet wird. Danach bildet dieser Bereich eine vergrabene Schicht 23, die sich in die epitaktische Schicht erstreckt und einen Teil des Kollektors des Transistors bildet. Der Kollektor wird vervollständigt durch eine stark dotierte Sperschicht mit N-Leitfähigkeit. Die Sperrschicht 24, die durch selektive Diffusion einer Donator-Verunreinigung in Teile der epitaxialen Schicht gebildet wird, erstreckt sich durch die epitaxiale Schicht bis zu der vergrabenen Schicht 23 und bildet eine Basis 25 mit P-Leitfähigkeit, die wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaxialen Schicht enthält.

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Emitter 26 mit N-Leitfähigkeit werden in der Basis 25 angrenzend an die Oberfläche 27 der epitaxialen Schicht entfernt vom Substrat eindiffundiert, wobei in Fig. 2 nur ein Emitter gezeigt ist.

Ehe jedoch die Emitter 26 ausgebildet werden, wird eine Acceptor-Verunreinigung nicht-selektiv in die Oberfläche 27 der epitaxialen Schicht entfernt vom Substrat eindiffundiert. Diese Verunreinigung hat keine merkliche Auswirkung auf die Bereiche der Trennschicht 24 an der Oberfläche 27_r sie bildet jedoch stark dotierte Oberflächenbereiche 28 für die Basis und gewährleistet, daß dann, wenn danach die Emitter mit N-Leitfähigkeit ausgebildet werden, diese im Halbleiterkörper von stark dotieiten Bereichen 29 mit P-Leitfähigkeit umgeben sind. Während die nicht-selektive PrDiffusion'nicht wesentlich ist, ist sie vorteilhaft, weil sie hilft, die Verstärkungsbandbreite des Transistors zu erhöhen, ferner die Inversion der Obefflächenbereiche der epitaktischen Schicht zu verhindern und Widerstände, die in der epitaktischen Schicht ausgebildet sind, zu stabilisieren.

Eine anfänglich kontinuierliche Schicht eines Passivierungsmaterials ist auf der Oberfläche 27 der epitaktischen Schicht 20 entweder während oder nach der nicht-selektiven P-Diffusion aufgebracht, z.B. nach der Diffusion der Emitter, wenn die Schicht aus Passivierungsmaterial nicht auch als fliffusionswiderstandsfähiges Material bei der Emitterdiffusion verwendet werden soll. Diffusionswiderstandsfähiges Material, das auf der Oberfläche 27 für die Diffusion der Sperrschicht vorgesehen ist, wird vor Beginn der nicht-selektiven P-Diffusion entfernt. Geeignet geformte öffnungen werden in dem aiffusionswiderstandsfähigen Material ausgebildet unter Verwendung bekannter photolithografischer Techniken zur Verwendung für die einzelnen Diffusionsschritte. Die Schicht aus Passivierungsmaterial wird nach der Emitterdiffusion neu in kontinuierlicher

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Schicht gebildet und es werden öffnungen in ihr über Kontakte ausgebildet, ebenfalls unter Verwendung bekannter photolithografischer Methoden. Die Kontakte 30 für den Transistor und irgendwelche elektrischen Verbindungen hierfür (nicht gezeigt) werden aus einer anfänglich kontinuierlichen Metallschicht über der Schicht aus Passivierungsmaterial und innerhalb der öffnungen durch diese gebildet. .... Aus der Metallschicht, die beispielsweise Aluminium sein kann, sind Teile selektiv unter Verwendung bekannter photolithografischer Techniken entfernt, um die Kontakte und die elektrischen Verbindungen auszubilden. Die Kontakte 30, die sich durch die öffnungen in der Passivierungsschicht erstrecken sind in Kontakt mit der Sperrschicht 24 des Kollektors, der Basis 25 und jedem Emitter 26. Wenn ein Rückkopplungsemitter für den Transistor vorgesehen ist, wie unten erwähnt, erstreckt sich der Basiskontakt über einen Teil des PN-überganges zwischen diesem Emitter und der Basis, wodurch der PN-Übergang kurzgeschlossen wird. In ähnlicher Weise überbrückt ein Kontakt einen Teil eines PN-übergangs eines Transistors, wo eine Diode für den anderen PN-Übergang erforderlich ist.

Ein solches Verfahren mit epitaktischer Basis zur Herstellung eines bipolaren Transistors ist vorteilhaft, weil es weniger Verfahrensschritte als übliche Doppel-Diffusionsverfahren erfordert, die gewöhnlich bei der Herstellung von TTL-Schaltungen verwendet werden, wodurch der Herstellungswirkungsgrad bzw. die Ausbeute höher werden. Ferner ist die Größe der TTL-Schaltungen mit epitaxialer Basis innerhalb des Halbleiterkörpers kleiner als doppel-diffundierte TTL-Schaltelemente, so daß mehr Geräte oder Elemente innerhalb einer Scheibe aus Halbleitermaterial eines gegebenen Durchmessers vorgesehen werden können, wodurch die prozentuale Ausbeute gesteigert wird.

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Ein Verfahren zur Herstellung von Transistoren mit epitaxialer Basis beispielsweise unter Verwendung der Kollektor-Diffusions-Isolations-Technik kann bei der Herstellung von TTL-Schaltungen der bekannten Ausführung, wie in Fig. 1 gezeigt, nicht verwendet werden, ohne nachteilig die Betriebscharakteristiken der Vorrichtung zu beeinflussen. Dies kommt davon her, daß es nicht möglich ist, eine Golddotierung bei der Herstellung von TTL-Schaltungen mit bipolaren Transistoren mit epitaxialer Basis zu verwenden, um den inversen Stromverstärkungsfaktor der Transistoren zu reduzieren, ferner um niedrige Speicherkonzentrationen von Ladungsträgern in den Transistoren zu erhalten und um eine schnelle Schaltzeit für die Transistoren zu erreichen, wenn sie in Vorwärtsrichtung arbeiten, weil die Transistoren in flachen epitaxialen Schichten ausgebildet sind. Eine Golddotierung hat schädliche Nebenwirkungen, wenn sie in Kombination mit der Kollektor-Diffusion-Isolation-Technik verwendet wird, da sie den Vorwärts-Stromverstärungsfaktor der Transistoren reduziert, die Stromleckage in der Vorrichtung erhöht und Versetzungen im Halbleitermaterial erzeugt, was zu einer Reduktion der prozentualen Ausbeute oder des Wirkungsgrades der Vorrichtungen führt. Dieser Nachteil einer Verwendung der Golddotierung in Verbindung mit der Kollektor-Dif fusions-Isolations-Technik fällt besonders ins Gewicht, weil unmodifizierte Kollektor-Diffusions-Isolations-Transistoren einen hohen inversen Stromverstärkungsfaktor haben, ferner hohe Konzentrationen von Minoritäts-Ladungsträgern, die in den Transistoren gespeichert sind und langsame Schaltzeiten der Transistoren bei Arbeitsweise in Vorwärtsrichtung. Bei dem NPN-Mehremitter-Eingangstransistor einer TTL-Schaltungsanordnung mit hohem inversen Stromverstärkungsfaktor treten wenn ein Emitter auf niedrigem Potential und ein anderer Emitter auf hohem Potential ist, wegen der normalerweise vorhandenen EingangsspannungsSchwankungen der Schaltungsanordnung unerwünschte Emitter-zu-Emitter-Transistorwirkungen auf, wenn der

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Transistor gesättigt wird.

Bei einem solchen TTL-Schaltkreis mit epitaxialer Basis ist daher der Strom im oberen Eingangszustand nicht so niedrig wie möglich und die Ausbreitungsverzögerung der Schaltung ist nicht so klein wie möglich.

Während es bekannt ist, die Konzentrationen gespeicherter Ladungsträger in Kollektor-Diffusions-Isolations-Transistoren zu reduzieren, indem solche Transistoren mit einem zusätzlichen Rückkopplungsemitter versehen werden, der direkt an die Basis des Transistors geschaltet wird, und die Schaltzeit des Transistors verringert wird, wird dagegen der hohe inverse Stromverstärkungsfaktor des Transistors nicht reduziert.

Alternative Anordnungen zur Reduzierung der hohen Konzentration von Ladungsträgern, die in einem Eingangstransistor mit epitaktischer Basis gespeichert sind, sind bekannt. Jedoch jede solche bekannte Anordnung sieht vor, daß wenigstens ein Widerstand dem Eingangstransistor zugeordnet ist, wasnnachteilig ist, weil es in unerwünschtem Ausmaß die parasitäre Kapazität des Transistors erhöht.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung besteht aus einem TTL-Schaltkreis der wenigstens teilweise in einem Halbleiterkörper ausgebildet ist und mit Transistoren mit epitaktischer Basis versehen ist, wie der Transistor nach Fig. 2. Eine solche Schaltungsanordnung soll Wechselstrom- und Gleichstrom-Betriebseigenschaften innerhalb vorgegebener spezifischer Bereiche haben, wie sie ähnlich bei konventionellen doppeldiffundierten TTL-Schaltkreisen sind, jedoch ohne Golddotierung des Halbleiterkörpers der TTL-Schaltung mit epitaktischer Basis. Eine solche TTL-Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt.

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Die Anordnung des Eingangstransistors T1 und des zugehörigen Widerstands R1 ist wie bei der konventionell doppel-diffundierten Schaltung, außer daß die Basis des Transistors T1 auch mit dem Kollektor verbunden ist, so daß im wesentlichen keine Ladungsträger im Transistor T1 gespeichert werden.

Es ist jedoch demzufolge erforderlich, den Eingangsschwellwert der Schaltungsanordnung über dem Nullpotential der zweiten Speiseleitung zu halten bzw. zu bringen, um etwa die maximal erreichbare Potentialdifferenz an zwei in Vorwärtsrichtung arbeitenden Dioden oder PN-übergängen, wenn sie in der Schaltung vorhanden sind. So ist eine Diode D1 zwischen dem Transistor T2 des Phasenteilers und der zweiten Speiseleitung angeordnet, die auf Null-Potential liegt. Die Diode D1, die zweckmäßigerweise den Kollektor-Basis-PN-Übergang eines Transistors bildet, hat ihren Emitter-Basis-PN-Übergang kurzgeschlossen und sie liegt zwischen dem Transistor T2 und dem Widerstand R3. Die Widerstände R2 und R3 haben dieselben Größen wie bei konventionellen doppel-diffundierten Schaltungen.

Wegen des Vorhandenseins der Diode D1 ist es erforderlich, weiterhin die bekannte Schaltungsanordnung, d.h. die konventionelle doppel-diffundierte Schaltung zu modifizieren, derart, daß der aktive Transistor T4 (pull-up transistor) der bekannten Schaltung vollständig abgeschaltet werden kann, wenn die Schaltung sich im unteren Eingangszustand (low input state) befindet. Hierzu werden die Transistoren T4 und T5 der bekannten Schaltung der konventionellen doppel-diffundierten Anordnung durch ein modifiziertes Darlington-Transistor-Paar ersetzt. Der erste Transistor und der zweite Transistor der Darlingtonschaltung sind mit T4' und T5¹ in Fig. 3 bezeichnet. Die Kollektoren beider Transistoren T4' und T5¹ sind über den Widerstand R4 an die Speiseleitung gelegt und der Emitter des Transistors T5¹ ist an den Kollektor des Ausgangstransistors T3 geschaltet. Das Darlington-Transistor-Paar ist modifiziert durch

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Hinzunahme eines Widerstandes R5 mit einer Größe von 250 Ohm, der zwischen dem Emitter des ersten Transistors T4' und der Basis des zweiten Transistors T5' liegt und durch Hinanahme eines Widerstandes R6 mit einer Größe von 1 Kiloohm, der zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors T5¹ angeordnet ist. Der Ausgang der Schaltung wird an einem Punkt zwischen den Transistoren T3 und T5' abgenommen und er ist an eine Ausgangsklemme angeschlossen. Das Vorhandensein des Widerstandes R5 hält den zweiten Transistor T5¹, der die Diode T5 der bekannten Schaltungsanordnung ersetzt, abgeschaltet, wenn die Schaltung im unteren Eingangszustand (low input state) ist. Die Potentialdifferenz über dem Widerstand R5, die etwa 200 Millivolt beträgt, wird kompensiert teilweise durch die hohe Verstärkung des Darlington-Paares, die eine kleinere Potentialdifferenz am Widerstand R2 als bei der doppel-diffundierten TTL-Schaltung gewährleistet und außerdem durch die niedrigere Stromleckage in den Kollektor-Diffusion-Isolation-Transistoren, die niedriger ist als bei konventionellen doppel-diffundierten Transistoren. Der Widerstand R5 hat daher keinen merklichen Einfluß auf die Ausgangsspannung im oberen Zustand (ijigh state output voltage) der Schaltungsanordnung .

Die Transistoren T2> T3 und T4¹ sind mit Rückkopplungsemittern versehen, die direkt an die Basen ihrer Transistoren geschaltet sind, um die Konzentrationen von Ladungsträgern, die in diesen Transistoren gespeichert sind, zu reduzieren.

Die Transistoren T2, T3 und T4¹ sind in der Lage gesättigt zu werden, während der Transistor T5¹ nicht gesättigt wird.

Die Bereiche der Wechselstrom- und XSleichstrom-Betriebsscharakteristiken einer TTL-Schaltung nach Flg. 3 mit bipolaren Transistoren in Kollektor-Diffusions-Eolationsaufbau sind im wesentlichen die-

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selben wie die konventioneller doppel-diffundierten TTL-Scaaltungen.

In einer Schaltungsanordnung mit epitaxialer Basis gemäß Fig. 3 haben alle bipolaren Transistoren denselben Aufbau. Andere Schaltungselemente in dem Halbleiterkörper haben einen sehr ähnlichen Aufbau wie die bipolaren Transistoren. Wenigstens einer der Widerstände kann ein Dünnfilmwiderstand sein, der auf einer Schicht aus Passivierungsmaterial auf dem Halbleiterkörper ausgebildet ist.

Die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen den Schaltungselementen werden gleichzeitig mit den Kontakten für die Schaltelemente aus einer ursprünglich kontinuierlichen Metallschicht gebildet, die auf der Passivierungsschicht ausgebildet ist.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann anstatt bipolaren Transistoren des sogenannten Kollektor-Diffusion-Isolations-Auf baus auch Transistoren in Isoplanar-Aufbau oder VIP, oder V-ATE-Aufbau enthalten. Jeder Transistor mit epitaxialer Basis wird dabei in einem Halbleiterkörper ausgebildet, der eine flache epitaktische Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Träger derselben Leitfähigkeit hat, wobei die epitaktische Schicht und das Substrat aus einem Material hohen Widerstandswertes bestehen. Jeder so gebildete bipolare Transistor hat einen Kollektor mit N-Leitfähigkeit, der wenigstens eine stark dotierte vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der epitaktischen Schicht aufweist. Die Basis ist innerhalb der epitaktischen Schicht ausgebildet und enthält wenigstens zum Teil einen unmodifizierten Teil der epitaktischen Schicht und der Emitter besteht aus einem diffundierten Teil innerhalb der Basis.

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Die TTL-Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird vorzugs weise mit einer Spannung über 4,5 Volt gespeist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Schaltungsanordnung in Transistor/Transistor-Logik mit NPN-Transistoren, die durch ein Potential von wenigstens 4,5 Volt gespeist wird, gekennzeichnet durch einen Mehremitter-Eingangstransistor, dessen Emitter individuell an jeden erforderlichen Eingang der Schaltung gelegt sind, dessen Basis über einen Widerstand an eine erste Speiseleitung gelegt ist, um sie auf einem ersten endlichten positiven Potential zu halten, dessen Kollektor mit der Basis verbunden ist_f um im Betrieb die Konzentration von im Transistor gespeicherten Ladungsträgern zu reduzieren, wobei der Kollektor ferner an einen Phasenteiler geschaltet ist, der zwischen der ersten Speiseleitung und einer zweiten Speiseleitung liegt, die auf einem zweiten Potential gehalten ist, das weniger positiv als das erste Potential ist, eine Diode innerhalb des Phasenteilers, die zwischen dem Eingangstransistor und der zweiten Speiseleitung liegt, um den Eingangsschwellwert der Schaltung oberhalb des Potentials der zweiten Speiseleitung um einen Betrag zu halten, der im wesentlichen gleich der maximal erreichbaren Potentialdifferenz an zwei in Vorwärtsrichtung betriebenen Dioden ist, ferner dadurch, daß ein Ausgang des Phasenteilers an die Basis eines Ausgangstransistors gelegt ist, dessen Emitter an die zweite Speiseleitung geschaltet ist, und daß der andere Ausgang des Phasenteilers an eine Ansprechstufe (pull-up stage) für den Ausgangstransistor gelegt ist.

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ansprech- oder Erregerstufe (pull-up stage) ein modifiziertes Darlington-Transistor-Paar aufweist mit einem ersten Transistor, dessen Basis an den zugehörigen Ausgang des Phasenteilers gelegt ist, und einem zweiten Transistor, dessen Emitter mit dem Kollektor des Ausgangstransistors verbunden ist, daß ferner die Kollektoren des ersten und des zweiten Transistors über einen gemeinsamen Widerstand an die erste Speiseleitung gelegt sind, und aß der Emitter des ersten Transistors über einen Widerstand an die Basis des zweiten Transistors geschaltet ist, dessen Basis über einen weiteren Widerstand mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g ekennzeichnet , daß sie wenigstens teilweise in einem monolithischen Halbleiterkörper ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkörper eine dünne epitaktische Schicht mit P-Leitfähigkeit auf einem Substrat derselben Leitfähigkeit aufweist, und daß die Basis jedes Transistors in dem Halbleiterkörper wenigstens teilweise einen unmodifizierten Bereich der epitaktischen Schicht enthält.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Transistor in dem Halbleiterkörper in Kollektor-Diffusion-Isolations-Weise aufgebaut ist, daß der N-Leitfähigkeits-Kollektor jedes Transistors eine vergrabene Schicht in einem Bereich der Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und dem Substrat und eine Sperrschicht für den Transistor aufweist, die sich durch die epitaktische Schicht hindurch und in Kontakt mit der vergrabenen Schicht erstreckt.

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