DE2852200C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte logische Schaltung aus Grundschaltungen in Schottky-Transistor-Logik.

Grundschaltungen in Schottky-Transistor-Logik (STL) lassen sich relativ einfach in hoher Integrationsdichte herstellen, da sich über auf der Kollektorzone eines Transistors angeordnete Schottky-Dioden in einfacher Weise Vielfachausgänge verwirklichen lassen. Durch Prozeßverbesserungen ist es möglich, Schottky-Dioden (SBD) mit niedrigen Vorwärtsspannungen in der Größenordnung von etwa 280 mV bei 0,1 mA zu erzielen, wodurch hohe Schaltgeschwindigkeiten bei niedrigem Leistungsbedarf erzielt werden.

Eine typische STL-Grundschaltung ist in Fig. 1 dargestellt und beispielsweise in vergleichbarer Form aus der Veröffentlichung "IBM Technical Disclosure Bulletin" Vol. 19, Nr. 9, Febr. 1977, Seiten 3431 und 3432 bekannt. Betrachtet man diese bekannte Grundschaltung in ihrer Darstellung gemäß Fig. 1, so erkennt man, daß durch ein an den Eingang angelegtes Signal entweder Strom aus der Basis des Transistors T 1 gezogen oder Basisstrom vom Betriebspotential +V über einen Widerstand RB 1 in die Basis geliefert wird. Der Kollektor des Transistors T 1 bildet im Knoten X einen Ausgang, der dann über eine der dargestellten Schottkydioden SBD auf den Eingang der nachfolgenden Stufe wirkt. Dieser Eingang der nachfolgenden Stufe wird beispielsweise von dem Knoten Y gebildet, der mit der Basis des nachfolgenden Transistors T 2 verbunden ist. Ein Widerstand RB 2 liefert den Basisstrom des Transistors T 2, wenn nicht bei leitendem Transistor T 1 und damit unterem Pegel im Knoten X der Strom über den Transistor T 1 abgeleitet wird. In diesem Falle, also bei leitendem Transistor T 1, kann der Transistor I 2 den oberen Pegel im Knoten Z nicht aufrechterhalten und die Ausgänge 1 bis 5 können von den Eingangsknoten nachfolgender Grundschaltungen keinen Strom abführen.

Bei diesen bekannten Grundschaltungen tritt ein Problem auf, das bisher nicht angesprochen und gelöst wurde. Sind nämlich die Knoten X und Y innerhalb einer integrierten Schaltung räumlich getrennt voneinander, so wird durch den notwendigen, diese beiden Knoten verbindenden Leiterzug ein Widerstand in der Größenordnung von 12 bis 120 Ohm oder sogar höher in die Schaltung eingefügt. Dieser Widerstandswert ist nicht zu vernachlässigen, wenn er mit dem Wert der die Basisströme für die Transistoren liefernden Widerstände RB 1 und RB 2 verglichen wird, die üblicherweise in der Größenordnung von 2000 bis 8000 Ohm liegen. Ist nämlich im einen Schaltzustand der Transistor T 1 leitend, so beinhaltet der Spannungsabfall zwischen dem Knoten Y und Massepotential nicht nur den Spannungsabfall an der Schottky-Diode und den Spannungsabfall über den leitenden Transistor T 1, sondern auch diesen genannten Widerstand des Leiterzuges. Diese drei Widerstände bilden einen Spannungsteiler mit dem den Basisstrom liefernden Widerstand RB 2 im Knoten Y. Daraus resultiert ein relativ hoher unterer Pegel im Eingangsknoten Y der nachfolgenden Stufe, so daß der Störabstand der logischen Gesamtschaltung herabgesetzt wird.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine integrierte logische Schaltung aus Grundschaltungen in Schottky-Transistor-Logik anzugeben, bei der unter Beibehaltung der vorteilhaften Eigenschaften der bekannten Grundschaltungen der Einfluß des Widerstands behafteten Leiterzuges zwischen aufeinanderfolgenden Grundschaltungen insbesondere auf den erreichbaren Störabstand ausgeschaltet wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen gekennzeichnet.

Zusammengefaßt kann die Erfindung darin gesehen werden, daß der Basisstrom für den Transistor einer nachgeschalteten Grundschaltung in der vorgeschalteten Grundschaltung und nicht in der nachgeschalteten Grundschaltung erzeugt wird. Dadurch wird der unerwünschte Spannungsteilereffekt an der Basis des Transistors der nachgeschalteten Grundschaltung vermieden.

Insbesondere werden Grundschaltungen mit jeweils einem Transistor verwendet, dessen Kollektor über parallele Zweige aus jeweils einer Schottky-Diode und einem dazu in Serie liegenden Widerstand mit einer ersten Betriebspotentialquelle und dessen Emitter mit einer zweiten Betriebspotentialquelle verbunden ist. Die Basis des Transistors bildet den Eingang und die gemeinsamen Verbindungspunkte zwischen Schottky-Diode und Widerstand die Ausgänge der Grundschaltung. Verbindet man nun beim Aufbau einer logischen Schaltung einen Ausgang einer Grundschaltung mit dem Eingang der nachfolgenden Grundschaltung, so wird der Basisstrom des Transistors der nachgeschalteten Grundschaltung über einen der Widerstände in den parallelen Zweigen der vorgeschalteten Grundschaltung geliefert. Der durch den erforderlichen Leiterzug zwischen Ausgang der vorgeschalteten und Eingang der nachgeschalteten Grundschaltung eingefügte Widerstand ist vernachlässigbar, da er im einen logischen Schaltzustand in Serie mit dem den Basisstrom liefernde Widerstand zwischen der zweiten Betriebspotentialquelle und der Basis des Transistors der nachgeschalteten Grundschaltung liegt. Im anderen logischen Schaltzustand, bei dem der Transistor der vorgeschalteten Grundschaltung leitend ist und Strom aus der Basis der nachgeschalteten Grundschaltung abgezogen wird, bildet der den Basisstrom liefernde Widerstand an der Basis des Transistors der nachgeschalteten Grundschaltung keinen Spannungsteiler.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine dem Stand der Technik entsprechende logische Schaltung aus zwei Grundschaltungen in Schottky-Transistor-Logik,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen logischen Schaltung,

Fig. 3A die Draufsicht der integrierten Struktur der erfindungsgemäßen logischen Schaltung und

Fig. 3B eine Schnittansicht der Struktur nach Fig. 3A entlang der Schnittlinie AA.

Es sei nunmehr das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 näher betrachtet. Die dargestellte logische Schaltung umfaßt drei STL-Grundschaltungen. Die erste Grundschaltung umfaßt einen NPN-Transistor 10 mit Kollektor c, Basis b und Emitter e. Der Emitter ist mit einer ersten Betriebspotentialquelle -V verbunden. Die Basis liegt an einem ersten Eingangsanschluß D, während der Kollektor mit einer zweiten Betriebspotentialquelle (Masse) über einen ohmschen Kollektorkontakt A und einen Lastwiderstand R 10 verbunden ist. Der Transistor T 10 weist zusätzlich zwischen Basis und Kollektor eine Schottky-Diode D 10 auf, die eine hohe Vorwärtsspannung aufweist und die Sättigung des Transistors verhindert. Die Serienschaltung aus einem Transistor R 11 und einer Schottky-Diode D 11 liegt parallel zum Lastwiderstand R 10 zwischen der zweiten Betriebspotentialquelle (Masse) und dem Kollektor des Transistors T 10. Der Verbindungspunkt zwischen Widerstand R 11 und Diode D 11 bildet einen ersten Ausgang am Anschluß E dieser Grundschaltung. Im betrachteten Beispiel ist eine Ausführung mit fünf Ausgängen vorgesehen, so daß zu dem Lastwiderstand R 10 weitere vier Serienschaltungen mit Widerständen R 12, R 13, R 14 und R 15 und Schottky-Dioden D 12, D 13, D 14 und D 15 parallel geschaltet sind. Jeweils die Verbindungspunkte zwischen einem Widerstand und der zugehörigen Diode bilden dann die Ausgänge F, G und H und den Anschluß J.

Zu dieser ersten Grundschaltung ist eine zweite Grundschaltung parallel geschaltet. Die zweite Grundschaltung umfaßt einen Transistor T 20 mit Kollektor c, Basis b und Emitter e und ist mit der gleichen Anzahl von Widerständen und Schottky-Dioden ausgestattet, wie die erste Grundschaltung. Die Basis des Transistors T 20 bildet den Eingang und ist dementsprechend mit einem zweiten Eingangsanschluß D′ verbunden. Die Schottky-Diode verhindert die Sättigung des Transistors T 20. Ein Lastwiderstand R 20 liegt wiederum zwischen der zweiten Betriebspotentialquelle (Masse) und dem Kollektoranschluß B des Transistors. Parallel zum Lastwiderstand R 20 ist die Reihenschaltung einer Diode D 21 und eines Widerstandes R 21 angeschlossen. Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Elemente stellt den Ausgang E′ dar. Wie bei der ersten Grundschaltung sind weitere Serienschaltungen von Widerständen und Schottky-Dioden vorgesehen, diese sind mit R 22, R 23, R 24 und R 25 bzw. D 22, D 23, D 24 und D 25 bezeichnet. Auf diese Weise erhält man weitere Ausgänge F′, G′ und H′. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß die Serienschaltung auf dem Widerstand R 25 und der Schottky-Diode D 25 nicht vervollständigt ist, sondern daß sie in der Mitte aufgetrennt ist, so daß zwei Anschlüsse K und K′ entstehen. Diese selektive Unterbrechung einer der Serienschaltungen ist eines der erfindungsgemäßen Merkmale. Durch die Parallelschaltung der ersten und der zweiten Grundschaltung teilen sich die beiden Schottky-Dioden D 15 und D 25 den Widerstand R 15 der ersten Grundschaltung. Da die Widerstände R 15 und R 25 gleich groß sind, hätte auch der Widerstand R 15 in der ersten Grundschaltung abgetrennt werden können. Diese Trennung könnte natürlich auch bei jeder anderen der Serienschaltungen vorgenommen werden.

Die beiden beschriebenen Schaltungen arbeiten auf einem gemeinsamen Knoten J. Über die weiteren Ausgänge der beiden Grundschaltungen sind zusätzliche Verknüpfungen möglich. Die beiden bisher beschriebenen Grundschaltungen können als sogenannte Sendeschaltungen bezeichnet werden. Diese Bezeichnung ist natürlich relativ, da jede dieser beiden Grundschaltungen in bezug auf weitere Grundschaltungen, die auf ihre Eingänge D und D′ wirken, auch als Empfangsschaltungen betrachtet werden können. Im betrachteten Ausführungsbeispiel handelt es sich jedoch um Sendeschaltungen, die auf eine nachgeschaltete dritte Grundschaltung arbeiten, die dann als Empfangsschaltung bezeichnet werden kann. Während die beiden Sendeschaltungen auf dem Halbleiterplättchen sehr dicht beieinander integriert sind, kann die Empfangsschaltung einen gewissen Abstand von beiden aufweisen, der durch einen Leiterzug zu überbrücken ist. Dieser Leiterzug ist widerstandsbehaftet, was durch den Widerstand RL angedeutet ist. Dieser Leiterzug verbindet den Ausgangsknoten J der beiden Sendeschaltungen mit dem Eingangsanschluß L der Empfangsschaltung.

Bei der Empfangsschaltung handelt es sich um eine dritte Grundschaltung, die in ähnlicher Weise aufgebaut ist, wie die beiden ersten Grundschaltungen. Sie umfaßt demnach wiederum einen Transistor T 30 mit Kollektor c, Basis b und Emitter e. Der Emitter ist mit der ersten Betriebspotentialquelle -V verbunden. Die Basis des Transistors T 30 liegt am Eingangsanschluß L, während der Kollektoranschluß dieses Transistors über einen Lastwiderstand R 30 mit der zweiten Betriebspotentialquelle (Masse) verbunden ist.

Der Transistor T 30 ist wiederum mit einer sättigungsverhindernden Schottky-Diode D 30 versehen. Parallel zum Lastwiderstand R 30 liegt die Serienschaltung eines Widerstand R 31 und einer Schottky-Diode D 31. Der gemeinsame Verbindungspunkt dieser beiden Elemente ist mit einem Ausgangsanschluß M verbunden, der unter Umständen zum Eingang einer weiteren Grundschaltung führt. Wie bei den beiden ersten Grundschaltungen sind weitere Serienschaltungen von Widerständen R 32, R 33, R 34 und R 35 und Dioden D 32, D 33, D 34 und D 35 vorgesehen, die weitere Ausgänge N, O, P und Q bilden. Die Anzahl der vorzusehenden Ausgänge hängt natürlich von der jeweils von der logischen Schaltung zu lösenden Funktion ab.

Die Schottky-Dioden D 10, D 20 und D 30 sind konventionell, sind jedoch so ausgebildet, daß sie eine hohe Vorwärtsspannung in der Größenordnung von 600 mV bei 0,1 mA aufweisen. Diese Werte gelten für konventionelle NPN-Transistoren T 10, T 20 und T 30, um deren Sättigung zu verhindern.

Die restlichen Schottky-Dioden sind mit niedrigen Vorwärtsspannungen ausgestattet, die in der Größenordnung von 280 mV bei 0,1 mA liegen. Die niedrige Vorwärtsspannung dieser Dioden ist ein Merkmal der bekannten Schottky-Transistor-Logik. Die Lastwiderstände R 10, R 20 und R 30 entsprechen in etwa den die Basisströme liefernden Widerständen und liegen in der Größenordnung von 2000 bis 8000 Ohm. Jeder der Basisstrom liefernden Widerstände R 11 bis R 15 und R 21 bis R 25 versorgen die Basis des Transistors T 30 in der nachfolgenden Empfangsschaltung. In ähnlicher Weise können die Widerstände R 31 bis R 35 den Basisstrom für eine weitere, nachfolgende Empfängerstufe liefern. Die Größe des Widerstandes RL des die Sendeschaltungen mit der Empfangsschaltung verbindenden Leiterzuges schwankt in weiten Grenzen und hängt von vielen Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehört in erster Linie der räumliche Abstand zwischen Sende- und Empfangsschaltung und die Ausbildung des Leiterzuges im Rahmen der integrierten Anordnung. Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltung ist die relative Unempfindlichkeit gegen Schwankungen und insbesondere hohe Werte des Leiterzugwiderstandes RL, so daß bei der Entwicklung hochintegrierter Schaltungen die erforderliche Flexibilität gewährleistet ist und bei Zugrundelegung der angegebenen Werte wird eine erste Betriebspotentialquelle -V von in der Größenordnung -1,5 V verwendet.

Es sei nunmehr die Fig. 3A näher betrachtet, die eine Draufsicht einer die erfindungsgemäße Schaltung gemäß Fig. 2 verwirklichenden integrierten Anordnung zeigt. Der gezeigte Ausschnitt zeigt insbesondere die beiden Sendeschaltungen mit den Transistoren T 10 und T 20. Der Transistor T 10 ist auf der linken Seite verwirklicht und weist eine verlängerte Kollektorzone c auf, die aus einer N-Epitaxieschicht aus Silicium gebildet ist. Auf dieser Kollektorzone sind die Schottky-Dioden D 11 bis D 15 verwirklicht. Außerdem befindet sich in der Kollektorzone die P-dotierte Basis b und der ohmsche Kollektorkontakt A für den Anschluß des Widerstandes R 10. Der Widerstand R 10 und ebenso die Widerstände R 11 bis R 15 bestehen aus P-dotierten Diffusionszonen (oder entsprechenden durch Ionenimplantation hergestellten Zonen). Diese Widerstände R 10 bis R 15 sind mit ihrem oberen Ende mit einer Masseleitung verbunden, die im Rahmen einer ersten Metallisierungsebene gebildet wird. Diese erste Metallisierungsebene erstreckt sich auch von den Schottky-Dioden D 11 bis D 15 nach unten zur nachfolgenden Grundschaltung und den Anschlüssen E, F, G und H. Die erste Metallisierungsebene bildet ebenfalls den Leiterzug vom Anschluß D zur Basis des Transistors T 10. Die Emitterzone e ergibt sich aus einer N⁺-dotierten Zone innerhalb der Basiszone. Nach Oxidation wird ein dementsprechendes Fenster freigelegt, über das ein das erste Betriebspotential -V führender Leiterzug die Emitterzone kontaktiert. Dieser Leiterzug entsteht im Rahmen einer zweiten Metallisierungsebene. Der Basiskontakt und die sättigungsverhindernde Schottky-Diode D 10 bestehen aus einem Kontakt, der sich zum Teil über die Kollektorzone und zum Teil über die Basiszone des Transistors T 10 erstreckt.

Die zweite Sendeschaltung, also die zweite Grundschaltung, ist auf der rechten Seite angeordnet und im wesentlichen entsprechend der ersten Grundschaltung aufgebaut. Der Transistor T 10 weist wiederum eine verlängernde Kollektorzone c auf, auf der die Schottky-Dioden D 21 bis D 25 verwirklicht werden. Die die Widerstände R 21 bis R 25 bildenden P-dotierten Zonen liegen parallel zwischen den verschiedenen Schottky-Dioden und dem das erste Betriebspotential (Masse) führenden Leiterzug. An dieser Stelle ist auf den Unterschied zwischen den beiden Sendeschaltungen hinzuweisen. Dieser Unterschied besteht im Bereich der Kontakte K und K′, wo die Metallisierung von der Schottky-Diode D 25 sich nicht bis zum Widerstand R 25 erstreckt. Dies läßt sich einfach dadurch erreichen, daß bei der Verwirklichung der ersten Metallisierungsebene nur die Diode D 25 kontaktiert wird und sich der Leiterzug nicht bis zum Kontakt K des Widerstandes erstreckt. Die Schottky-Dioden D 15 und D 25 sind über die Metallisierung miteinander verbunden und bilden den gemeinsamen Knoten J. Diese Metallisierung erstreckt sich dann bis zum Eingangsknoten L der nachfolgenden Empfangsschaltung. In der modernen, hoch integrierten Halbleitertechnik werden Halbleiterplättchen verwendet, die beispielsweise Seitenlängen von 8 mm aufweisen. Das bedeutet, daß die Entfernung zwischen Anschluß L und J relativ groß sein kann. Dies um so mehr als die aufgebrachten Leiterzüge nicht immer auf dem kürzesten Wege die Verbindung herstellen. Es ist offensichtlich, daß sich beträchtliche Beschränkungen hinsichtlich der Verdrahtung und der Auslegung der Halbleiterstruktur ergeben, wenn die Entfernung zwischen den Anschlüssen L und J verkleinert werden muß. Wie bereits dargestellt, wird durch die Erfindung gewährleistet, daß diese Beschränkungen nicht auftreten, da der nachteilige Einfluß des Widerstandes des betreffenden Leiterzuges vermieden wird.

Wie die erste Sendeschaltung enthält auch die zweite Sendeschaltung eine Basiszone b und in dieser die Emitterzone des Transistors T 20. Über den Kollektorkontakt B wird der Widerstand R 20 zwischen Kollektor des Transistors T 20 und der Masseleitung eingefügt. Durch eine zweite Metallisierungsebene wird das erste Betriebspotential -V mit dem Emitter des Transistors T 20 verbunden. Der die Schottky-Diode D 20 bildende Kontakt überdeckt teilweise die Basiszone und teilweise die Kollektorzone des Transistors und ist über die erste Metallisierungsebene mit dem Eingangsanschluß D′ verbunden. Die Widerstände R 10 bis R 15 und R 20 bis R 25 sind in der gleichen Weise verwirklicht wie im Falle der ersten Sendeschaltung.

Fig. 3B zeigt eine Schnittansicht des in Fig. 3A durch die Schnittlinie 3 B-3 B gekennzeichneten Strukturteils. Auf ein P-leitendes Substrat mit einem N⁺-leitenden Subkollektor ist eine N-leitende Epitaxieschicht aufgebracht. In dieser Halbleiterschicht sind durch irgendeine der bekannten Techniken Halbleiterinseln durch Isolationszonen definiert. Im betrachteten Ausführungsbeispiel bestehen die Isolationszonen aus abgesenkten Oxidbereichen (ROI), unter denen sich P⁺-dotierte Isolationszonen befinden. Der N⁺-dotierte Subkollektor ist in bekannter Weise hergestellt und über eine n⁺-dotierte Kontaktierungszone mit dem ohmschen Kollektorkontakt B für den Widerstand R 20 verbunden. Die Schottky-Dioden D 21, D 22, D 23, D 24 und D 25 sind durch Aufbringen eines geeigneten Kotaktes auf die Epitaxieschicht hergestellt. Als Kontaktmaterial kann beispielsweise Tantal-Chrom oder Titan-Wolfram verwendet werden. In die Epitaxieschicht wird die P-Basis und in diese der N⁺-Emitter eingebracht. Die sättigungsverhindernde Diode D 20 besteht aus einem auf die Epitaxieschicht aufgebrachten Kontakt, der sich teilweise über die p-Basiszone erstreckt und dort als Basiskontakt dient.

Die logische Schaltung gemäß Fig. 2 entspricht in ihrer logischen Funktion bekannten, entsprechenden Schaltungen und dient lediglich der Erläuterung der Erfindung. In ihr sind jedoch die bereits genannten erfindungsgemäßen Merkmale angewendet.

Die Schaltung hat folgende Wirkungsweise: Liegt an einem der Eingänge D oder D′ ein oberer Pegel, so ist der Knoten J auf dem unteren Pegel. Der Transistor T 30 ist gesperrt. Liegen jedoch beide Eingänge D und D′ auf dem unteren Pegel, so liegt im Knoten J der obere Pegel. In diesem Zustand ist der Transistor T 30 leitend und bringt die Ausgangsanschlüsse M, N, O, P und Q auf den unteren Pegel. Die beispielsweise betrachtete Schaltung gemäß Fig. 2 führt damit die Funktion einer ODER-Schaltung aus. Eine NOR-Funktion ist mit dieser Schaltung selbstverständlich ebenfalls erzielbar.

Claims (4)

1. Integrierte logische Schaltung bestehend aus einer Verknüpfung von in Schottky-Transistor-Logik aufgebauten Grundschaltungen, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Grundschaltung einen an der Basis gesteuerten Transistor (T 10) enthält, dessen Emitter mit einer ersten Betriebspotentialquelle (- V) und dessen Kollektor über parallele Zweige aus jeweils der Serienschaltung einer Schottky-Diode (D 11 bis D 15) und eines Widerstandes (R 11 bis R 15) mit einer zweiten Betriebspotentialquelle (Masse ) verbunden ist, wobei die Verbindungspunkte jeweils zwischen Schottky-Diode und Widerstand die Ausgänge der Grundschaltung bilden, und
daß eine erste und eine zweite dieser Grundschaltungen mit jeweils einem ihrer Ausgänge verbunden sind, der über einen widerstandsbehafteten Leiterzug (RL) mit dem Eingang einer dritten Grundschaltung verbunden ist, so daß der Basisstrom für den Transistor (T 30) der dritten Grundschaltung über einen der mit der zweiten Betriebspotentialquelle (Masse) verbundenen Widerstände (R 15) der ersten oder zweiten Grundschaltung geliefert wird.

2. Integrierte logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schottky-Dioden der Serienschaltungen eine relativ niedrige Vorwärtsspannung aufweisen und daß parallel zur Kollektor-Basisstrecke der Transistoren der Grundschaltungen eine sättigungsverhindernde Schottky-Diode mit relativ hoher Vorwärtsspannung angeordnet ist.

3. Integrierte logische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kollektor des Transistors der Grundschaltung und zweiter Betriebspotentialquelle ein zusätzlicher Widerstand (R 10) angeordnet ist.

4. Integrierte logische Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschaltungen NPN-Transistoren enthalten, die erste Betriebspotentialquelle ein negatives Potential (- V) und die zweite Betriebspotentialquelle Massepotential führt.