Brevet FR2406915A1 — publié le 19790518

La présente invention concerne les circuits intégrés à semi-conducteurs et a notamment pour objet un circuit logique intégré à injection. Elle peut être utilisée en particulier dans les grands circuits intégrés faisant partie des microprocesseurs, calculateurs, horloges électroniques, mémoires vives de grande taille. On connaît des circuits logiques intégrés à injection, comportant un transistor de commutation de type n-p-n (p-n-p, p-n-métal) dont la base est reliée à un générateur de courant et à l'électrode d'entrée du circuit, l'émetteur est mis à la masse et le collecteur est connecté à ltélectrode de sortie du circuit. De façon générale, le générateur de courant est réalisé sous forme d'un transistor p-n-p (n-p-n) dont la base est mise à la masse, l'émetteur est relié à une source d'alimentationet le collecteur est connecté à la base d'un transistor de commutation, ou sous forme d'une jonction p-n irradiée qui est réunie à la jonction p-n émetteur-base du transistor de commutation. Vu l'utilisation, en tant qu'élément commutateur, d'unlransistor de commutation bipolaire, les circuits du type connu ne peuvent pas fonctionner en régime de micropuissance, lorsque le courant débité par le générateur (courant d'alimentation) est faible, ce qui est du à la baisse de leur capacité de charge jusqu'à l'unité et même moins par suite de la dégradation des propriétés d'amplification des transistors bipolaires dans la garde des courants faibles. Par suite de l'accumulation d'une charge excédentaire de porteurs minoritaires dans les régions semi-conductrices du transistor bipolaire de commutation, et aussi de la saturation du transistor bipolaire, les circuits du type connu ont une faible rapidité d'action. De plus, la construction et la technologie de fabrication des structures semi-conductrices des circuits logiques intégrés à injection du type connu sont compliquées, car ces structures sont créées sur des substrats à couches épitaxiales, et le procédé de fabrication des transistors bipolaires de commutation et de courant qui sont combinés et opposés en ce qui concerne le type de conduction doit satisfaire à une série d'exigences contradictoires, ce qui rend plus sévères les tolérances technologiques et diminue le pourcentage de rendement en produits finis aptes à fonctionner correctement. La présente invention vise à mettre au point un circuit logique intégré à injection avec un élément commu- tateur dont l'utilisation permettrait de diminuer le courant d'alimentation et la puissance consommée par le circuit, dtaugnenter sa capacité de charge, de réduire l'influence de l'accumulation et de la dissipation de la charge excédentaire de porteurs minoritaires, ainsi que d'améliorer la rapidité d'action du circuit et d'en simplifier la conception et la technologie de fabrication. Ce problème est résolu du fait que le circuit logique intégré à injection, du type comportant un transistor de cormutation du type n-p-n (p-n-p, p-n-métal) dont la base est connectée à un générateur de courant et à ltëlectrode d'entrée du circuit, le collecteur est relié à l'électrode de sortie du circuit et l'émetteur est mis à la masse, est caractérisé, selon l'invention, en ce qu'il est équipé d'un transistor à effet de champ normalement bloqué à canal n(p), avec une porte sous forme d'unejonction p-n, dont le drain est relié à l'électrode de sortie du circuit, la porte, à l'électrode d'entube du circuit, et la source, à la masse. En vue d'améliorer la capacité de charge et la rapidité d'action du circuit intégré ayant un générateur de courant soug forme d'un transistor planar du type p-n-p, et d'en simplifier la construction et la technologie de fabrication, il est avantageux de réaliser le transistor à effet de champ sous forme d'une structure à canal vertical et à porte réunie (coincidant) avec la région de collecteur du transistor planar du type p-n-p. Pour améliorer davantage la rapidité d'action du circuit intégré ayant un générateur de courant sous forme d'un transistor planar du type n-p-n, et pour en simplifier la construction et la technologie de fabrication, il est souhaitable de réaliser le transistor à effet de champ sous forme d'une structure à canal vertical, à porte réunie (coincidant) à la région de collecteur du transistor planar n-p-n, et un à drain métallique recouvrant partiellement sa région de porte et formant avec celle-ci un contact redresseur, et avec sa région de canal, un contact ohmique. Pour permettre d'utiliser, en tant que source d'alimentation du circuit intégré, un générateur de courant sous forme d'uneeonction p-n planar irradiée, il convient de réaliser le transistor à effet de champ sous forme d'une structure à canal vertical et à jonction p-n porte-source qui est aussi ladite jonction p-n irradiée. Dans l'exposé qui suit, l'invention est expliquée par la description d'exemples de réalisation concrets mais non limitatifs, avec références aux dessins annexés dans lesquels - la figure 9 représente le schéma électrique du circuit logique intégré à injection conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en perspective de la structure semi-conductrice d'un circuit logique intégré à injection conforme à l'invention, comportant un générateur de courant sous forme d'un transistor planar du type p-n-p - la figure 3 est une vue en perspective similaire à la figure 2, mais dans laquelle le circuit logique comporte un générateur de courant sous forme d'un transistor planar du type n-p-n - la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale de l'ensemble de la figure 2, avec un générateur de courant sous forme d'une jonction p-n planar irradiée. A titre d'exemple de mise en oeuvre de la présente invention, sont décrites ci-dessous différentes variantes de circuits intégrés comportant des transistors à effet de champ dont le drain est réalisé sous forme d'une région semi-conductrice de diffusion ; cependant, au lieu d'une région semi-conductrice de diffusion on peut avoir recours à une région locale épitaxiale ou polycristalline du même type de conduction, ce qui réduit la redistribution des impuretés de dopage et permet d'obtenir des circuits intégrés en n'effectuant qutune seule opération de diffusion. Le circuit logique intégré à injection qui apparatt sur la figure 1 représente un inverseur logique ayant deux sorties indépendantes. L'élément commutateur est constitué par une paire de transistors 1 eut 2, dont le premier est un transistor n-p-n de commutation, et le second, un transistor à effet de champ et à canal de type n, comportant une porte sous forme d'une jonction p-n, deux canaux normalement fermés, la tension de coupure étant de O à 0,2 V, L'électrode d'entrée 3 du circuit est reliée à la base du transistor 1, à la porte du transistor 2 et au p81e positif d'un générateur 4 de courant d'alimentation, tandis que les électrodes de sortie 5 du circuit sont reliées aux collecteurs du transistor 1 et aux drains du transistor à effet de champ 2.L'émetteur du transistor 1,-la source du transistor 2 et le polie négatif du générateur 4 de courant d'alimentation sont mis à la masse. Le circuit donné sur la figure 1 fonctionne de la façon suivante. On désigne par "O" logique ltétat de mise à la masse de l'électrode 3 ou 5 (potentiel positif faible ou nul, O - 0,2 V) et par nla logique ltétat d'absence de mise à la masse de l'électrode 3 ou 5 (potentiel positif élevé, égale à la chute de tension directe sur la jonction p-n, c'est-à-dire entre +0,3 et +0,8 V pour les circuits intégrés au silicium) lorsque le signal logique IIO est appliqué à l'électrode d'entrée 3 du circuit, le transistor de commutation 1 est bloqué, de m#me que le transistor à effet de champ 2, étant donné que les couches de charge d'espace ou volumique des jonctions p-n porte -canaux recouvrent la section des canaux dudit transistor 2. Aux électrodes de sortie 5 apparaît le signal logique tel". Lorsqu'on applique à l'électrode d'entrée 3 du circuit le signal logique i#Ii#, le courant d'alimentation issu du générateur 4 passe dans la base du transistor de commutation 1 et dans la porte du transistor à effet de champ 2, en assurant la polarisation directe de leurs jonctions p-n base-émetteur et porte-source. Par ailleurs, le potentiel de la porte du transistor 2 correspond au niveau "1" logique (+ 0,3 à 0,7 V), les couches de charge d'espace des jonctions p-n porte-canaux sont rétrécies et ne recouvrent pas la section des canaux. Le transistor à effet de champ 2 se débloque, de mtme que le transistor de commutation 1. Le signal logique "O" apparaît donc aux électrodes de sortie 5. Un tel circuit présente l'avantage d'être capable de fonctionner avec un faible courant du générateur 4 (courant d'alimentation) et une faible consommation de puissance, et de supporter des charges élevées grâce à l'utilisation, dans l'élément commutateur, d'un transistor à effet de champ 2 qui, de par sa nature, est apte à fonctionner dans la gamme des courants d'alimentation faibles, dans laquelle les propriétés d'amplification du transistor bipolaire sont soit faibles, soit absentes. Le circuit se distingue également par le régime de fonctionnement coordonné et parallèle des transistors de commutation I et à effet de champ 2 dans une plage de valeurs élevées du courant d'alimentation et de l'énergie consommée. Un autre avantage du circuit intégré conforme à l'invention est une grande rapidité d'action et sa faible valeur de travail de commutation, ce qui est dA à l'utilisation, dans l'élément commutateur du circuit, d'un transistor à effet de champ fonctionnant avec des porteurs majoritaires et, par conséquent, à une diminution des propriétés d'inertie de l'élément commutateur, conditionnées par les effets d'accumulation et de dissipation de la charge excédentaire de porteurs minoritaires. Le circuit intégré proposé offre encore un avantage, qui réside dans le fait qu'il est possible d'insérer dans ce circuit un transistor de commutation 1 dont le gain en courant est faible et peut même être bien inférieur à 1. Le schéma électrique qui est représenté à la figure I peut entre très facilement réalisé en appliquant la technique planar de fabrication des circuits intégrés, auquel cas il est avantageux de réaliser la structure semi-conductrice du circuit intégré conformément aux figures 2, 3 et 4, auxquelles on va maintenant se référer. La figure 2 montre la structure semi-conductrice d'un circuit logique intégré à injection constituant un inverseur logique à une seule sortie et à générateur de courant sous forme d'un transistor planar du type p-n-p. La structure semi-conductrice de ce circuit intégré est disposée sur un substrat 6 au silicium, du type n, et comprend des régions planar 9 et 10 du type n+, un canal vertical Il du type n, situé à l'intérieur de la région 8 et reliant la région 9 au substrat 6, de mtme que des électrodes métalliques 3, 5, 12, 13 qui forment des contacts ohmiques avec, respectivement les régions 8, 9, 7, 10.Les fonctions des régions d'émetteur de base et de collecteur du transistor horizontal planar p-n-p (générateur de courant) sont remplies respectivement par la région 7, le substrat 6 et la région 8. Le canal Il du type n est un canal de transistor à effet de champ ayant une porte sous forme de jonction p-n entre la région 8 et le canal 11, bs fonctions des régions de source et de drain du transistor à effet de champ étant remplies respectivement par le substrat 6 et la région 9. Les fonctions des régions d'émetteur, de base et de collecteur du transistor bipolaire de commutation du type n-p-n sont remplies respectivement par le substrat 6 et les régions 8 et 9. L'électrode 3 est l'électrode d'entrée du circuit, et l'électrode 5, son électrode de sortie. Le substrat 6 est Ils à la masse à travers la région 10 et l'électrode 13. L'électrode 12 est branchée sur le pôle positif d'une source d'alimentation qui n'apparat pas sur le dessin. Le circuit intégré conforme à cette variante de réalisation de l'invention est analogue à celui du circuit décrit ci-dessus et illustré par la figure 1. L'avantage d'un tel circuit intégré est d'offrir une rapidité d'action élevée et une bonne capacité de charge grâce à la faible résistance du canal vertical Il de faible longueur du transistor à effet de champ à ltétat conducteur, et aussi grâce à la construction indiquée ci-dessus du canal de transistor à effet de champ et à son fonctionnement en régime correspondant à la caractéristique courant-tension de sortie sans zones de limitation du courant de drain. Le circuit intégré réalisé conformément à la figure 2 offre une rapidité d'action maximale, de 11 ordre de 6 à 25 ns, le facteur de dérivation des sorties étant de 1 à 3, et la puissance consommée par chaque convertisseur logique, de 3 à Ii'W, alors que la valeur du travail de commutation des convertisseurs logiques est de l'ordre de 0,02 pJ. Un autre avantage du circuit intégré représenté à la figure 2 est son degré élevé d'intégration, la simplificité de sa construction et de la technologie de fabrication de sa structure semi-conductrice, dus à remploi d'un transistor à effet de champ à canal vertical, à la réunion (la coincidence) de ses régions semi-conductrices avec les régions des transistors bipolaires des types n-p-n et p-n-p, et à la réalisation du circuit sur un substrat sans couches épitaxiales, en effectuant deux opérations de diffusion. La figure 3 représente la structure semi-conductrice d'un circuit logique intégré à injection conforme à l'invention, comportant un générateur de courant sous forme d'un transistor horizontal planar du type n-p-n. Le substrat6', les régions semi-conductrices 7' et 8' et le canal Il' de cette structure semi-#conductrice sont analogues, respectivement, au substrat 6, aux régions 7 et 8 et au canal 11 de la structure semi-conductrice de la figure 2 et remplissent les mêmes fonctions, la seule différence étant leur type de conduction : le substrat 6' et le canal 11' sont du type p, les régions 7' et 8' sont respectivement du type n et du type n. Le transistor à effet de champ est réalisé sous forme d'une structure semi-conductrice à canal vertical Il', une porte sous forme d'une jonction p-n entre la région 8' et la canal 11', et un drain métallique dont la fonction est remplie par l'électrode de sortie 5 du circuit.Le drain métallique (électrode 5) forme un contact ohmique avec le canal 11' et un contact redresseur (jonction de Schottky) avec la région de porte du transistor à effet de champ, ladite région de porte étant partiellement recouverte par ledit drain métallique et ses fonctions sont remplies par la région 8'. Le transistor bipolaire de commutation du type p-n-métal comprend une région d'émetteur et une région de base sous forme, respectivement, du substrat 6' et de la région 8', et un collecteur métallique sous forme de 11 électrode de sortie 5 du circuit. La région 14 du type assure un contact ohmique de 11 électrode d'entrée 3 du circuit avec la région 8t de conduction du type n.Le substrat 6' est mis à la masse à travers l'électrode 13. L'électrode 12 est reliée au pôle négatif d'une source d'alimentation qui n'apparaît pas sur le dessin. Le fonctionnement du circuit intégré qui est illustré sur la figure 3 est analogue à celui des circuits représentés sur les figures 1 et 2 (les potentiels des niveaux logiques sont négatifs), avec cette seule particularité, toutefois, qu'à l'état de 'gln logique l'électrode d'entrée 3 n'est par influencée par une baisse excessive de potentiel dans les régions 8' et 14, et aussi par les injections intensives de porteurs minoritaires par la jonction p-n entre les régions 8' et 14 et le substrat 6' à la suite du shuntage de cette jonction p-n par le contact redresseur (jonction de Schottky) entre la région 8' et l'électrode 5 par l'intermédiaire du canal 11' à ltétat conducteur du transistor à effet de champ. Cette variante de réalisation du circuit intégré conforme à l'invention présente avantage d'une rapidité d'action élevée grace à la diminution de la capacité d'entrée (composante de diffusion de cette capacité), ce qui est dû aux particularités précitées de la conception et du fonctionnement du circuit, et aussi grâce à la réduction de l'amplitude des niveaux logiques du circuit. Un autre avantage du circuit intégré représenté sur la figure 3 est la simplicité de sa conception et de la technologie de fabrication sans couches épitaxiales à l'aide d'une seule opération de diffusion. La figure 4 est une illustration d'une autre variante de réalisation de la structure semi-conductrice du circuit logique intégré à injection conforme à l'invention. Dans cet exemple, la structure semi-conductrice est analogue à celle du circuit de la figure 2, à cette différence près que l'alimentation du circuit de la figure 4 se fait grace à 11 énergie d'un rayonnement 15 (lumineux, radioactif ou autre), qui est convertie en énergie électrique par un générateur de courant réalisé sous forme d'une jonction p-n planar irradiée 16. La jonction p-n 16 coincide avec la jonction p-n porte -drain d'un transistor à effet de champ à canal vertical Il (jonction p-n entre la région 8 du type p et le substrat 6 du type n). Le rayonnement 15 donne naissance à des porteurs libres dans le volume de semi-conducteur adjacent à la jonction p-n 16. Le champ électrique de la jonction p-n 16 assure la division des porteurs libres engendrés par le rayonnement, les trous se dirigeant alors vers la région 8 du type p et assurant l'arrivée du courant électrique d'alimentation du circuit dans cette région 8. Le circuit intégré représenté à la figure 4 présente l'avantage qu'il est possible d'utiliser pour son alimentation l'énergie d'un rayonnement de faible intensité et d'améliorer la capacité de charge du circuit à ce régime de fonctionnement, et ce, grâce à la bonne aptitude au fonctionnement et aux propriétés d'amplification élevées du transistor à effet de champ lorsque le courant d'alimentation est faible. En choisissant convenablement les dimensions des composants des structures semi-conductrices représentées sur les figures 2 à 4, ainsi que leur technologie de fabrication, on peut faire varier dans de larges limites la répartition du courant de charge du circuit intégré à l'état de "O" logique aux sorties entre le transistor bipolaire de commutation 1 et le transistor 2 à effet de champ (le degré de leur participation au fonctionnement du circuit), les deux cas extrêmes de cette variation étant les suivants d'une part, le passage de la majeure partie du courant de charge à travers le transistor 2 à effet de champ et d'une partie beaucoup moins importante à travers le transistor 1, par exemple enaugmentant l'épaisseur de la région 8 de la figure 2 et de la figure 4 (région 8' sur la figure 3) et en réduisant les dimensions de la région 9 de la figure 2 et de la figure 4 (électrode 5 sur la figure 3) ; et d'autre part, la circulation de la majeure partie du courant de charge à travers le transistor 1 et d'une partie beaucoup mosans importante à travers le transistor à effet de champ 2, en procédant à une modification inverse des dimensions des régions 8, 8', 9 et de l'électrode 5. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Circuit logique intégré à injection, du type comprenant un transistor de commutation du type n-p-n ou du type p-n-p#doht la base est connectée à un générateur de courant et à l'électrode d'entrée du circuit, tandis que son collecteur est relié à l'électrode de sortie du circuit et que son émetteur est mis à la masse, caractérisé en ce qu'il comprend un transistor à effet de champ normalement bloqué, à canal n ou p et à porte sous forme d'une jonction p-n, dont le drain est relié à l'électrode de sortie du circuit, tandis que sa porte est connectée à l'électrode d'entrée du circuit et que sa source est mise à la nasse. 2. Circuit logique intégré à injection selon la revendication I, avec un générateur de courant sous forme d'un transistor planar du type p-n-p, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ précité est réalisé sous forme d'une structure semi-conductrice comportant un canal vertical et une porte coïncidant avec la région de collecteur du transistor p-n-p. 3. Circuit logique intégré à injection selon la revendication I, avec un générateur de courant sous forme d'un transistor planar du type n-p-n, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ précité est réalisé sous forme d'une structure semi-conductrice comportant un canal vertical, une porte coincidant avec la région de collecteur du transistor n-p-n, et un drain métallique recouvrant partiellement sa région de porte et formant avec celle-ci un contact redresseur, et avec sa région de canal, un contact ohmique. 4. Circuit logique intégré d'injection selon la revendication 1, avec un générateur de courant sous forme d'une jonction p-n planar irradiée, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ précité est réalisé sous forme d'une structure semi-conductrice comportant un canal vertical et une jonction p-n porte-source qui est laditessonction p-n irradiée.