DE2615553A1

DE2615553A1 - Schwellenschaltung mit hysterese

Info

Publication number: DE2615553A1
Application number: DE19762615553
Authority: DE
Inventors: Michel Caen Frankreich Oussie
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-04-22
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1976-10-28
Also published as: JPS51130160A; IT1059204B; CA1067160A; DE2615553C3; FR2309084B1; JPS586416B2; US4115711A; FR2309084A1; GB1487721A; DE2615553B2

Description

Schwellenschaltung mit Hysterese

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwellenschaltung mit Hysterese, die mindestens zwei komplementäre Transistoren und einen Ausgangstransistor enthält und bei der die Basiszone jedes komplementären Transistors direkt mit der Kollektorzone .des anderen Transistors verbunden ist.

Es sind integrierte logische Schaltungen unter der Bezeichnung "DCTL-Schaltungen" (kurz für "direct coupled transistor logic") bekannt, deren Basiselement ein gesteuerter Transistor ist, der in gemeinsamer Emitterschaltung angeordnet ist und dessen Basisstrom über einen Widerstand injiziert wird. Unter der Bezeichnung I L (= injected integrated logic) sind ebenfalls verbesserte Schaltungen der genannten Art bekannt, nach welcher Verbesserung der Strom in die Basiszone mittels eines Transistors injiziert wird, der zu dem in gemeinsamer Basisschaltung angeordneten gesteuerten Transistor komplementär ist.

Diese Schaltungen zeichnen sich durch sehr niedrige Betriebsspannungen und sehr niedrige Betriebsströme aus; die genannten niedrigen Betriebsspannungen machen diese Schaltungen besonders empfindlich für Störsignale, und es ist erforderlich, die Störunempfindlichkeit dieser Schaltungen möglichst zu verbessern, vor allem im Falle der zwischen Gehäusen angebrachten Verbindungen, die beträchtliche Störsignale herbeiführen.

Ein bekanntes Verfahren zur Verbesserung der Störunempfindliehkeit in logischen Schaltungen, die mehrere Funktionselemente enthalten, besteht in der Anordnung einer Schwellenschaltung mit Hysterese, z.B. am Eingang eines derartigen Funktionselements, die Signale mit steilen Vorderflanken erzeugt, wenn das Eingangssignal z.B. eine ansteigende oder z.B. eine abfallende Schwelle überschreitet, wobei die genannten Schwellen durch ein Intervall getrennt werden, das die Hysterese bestimmt. Die Störunempfindlichkeit ist dann einerseits der Unterschied zwischen dem niedrigen logischen Pegel und der ansteigenden

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ORIGIMAL INSPECTED

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Schwelle und andererseits der Unterschied zwischen dem hohen logischen Pegel und der abfallenden Schwelle, wobei die ansteigende Schwelle erheblich höher liegt als die abfallende Schxielle.

Die Schwellenschaltungen mit Hysterese vom bekannten Typ, z.B. eine Schmitt-Kippschaltung, enthalten aber Widerstände und sind mit den integrierten Schaltungen mit Strominjektion nicht kompatibel. Die Spannungsabfälle, die am Ladewiderstand erforderlich sind, wurden es nämlich notwendig machen, Widerstände mit zu hohen ohmschen Werten zu verwenden, wenn die Betriebsströme in der Größenordnung von Nanoamperes berücksichtigt werden. Außerdem soll die Schaltung zur Verbesserung der Störunempfindlichkeit keine Zeitkonstante einführen, die die Vorteile im bezug auf die Betriebsgeschwindigkeit und die Verlustleistung dieser Schaltungen beseitigen würde.

Ein anderer wichtiger Vorteil der Schaltungen mit Stroininjektion ist die sehr hohe Packungsdichte der Teile pro Oberflächeneinheit, wodurch es möglich wird, auf einem und demselben Kristall eine Vielzahl von Funktionselementen anzubringen. Die Einführung von Schmitt-Kippschaltungen vom bekannten Typ würde die Bedeutung derartiger Schaltungen sehr stark verringern.

Die Erfindung bezweckt insbesondere, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu beseitigen und eine Schwellenschaltung mit Hysterese zu schaffen, die den Anforderungen entspricht, die mit den integrierten Schaltungen mit Strominjektion kompatibel sind und die es ermöglichen, die Störunempfindlichkeit der genannten Schaltung zu verbessern.

Weiter bezweckt die Erfindung, eine Schwellenschaltung mit Hysterese zu schaffen, mit der eine große Störunernpfindlichkeit in eine Schnittstelle zwischen Schaltungen mit Strominjektion oder zwischen einer TTL-Schaltung einerseits und einer Schaltung mit Stroiainjektion andererseits erhalten wird, wobei

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die genannten Schaltungen auf verschiedenen Halbleiterscheiben oder zwischen einer mechi
Schaltung gebildet sind.

ρ oder zwischen einer mechanischen Vorrich-tung und einer IL-

Nach der Erfindung ist eine Schwellenschaltung mit Hysterese, die mindestens zwei komplementäre Transistoren und einen Ausgangstransistor enthält und bei der die Basiszone jedes komplementären Transistors direkt mit der· Kollektorzone des anderen Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone des ersten komplementären Transistors mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist und die Kollektorzone des zweiten komplementären Transistors direkt die Basiszone eines Ausgangstransistors mit Strominjektion vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite komplementäre Transistor steuert, und daß die Emitterzone dieses zweiten Transistors und die Emitterzone des Ausgangstransistors direkt mit dem gemeinsamen Bezugspunkt der Spannungen verbunden siiid.

Die Betriebsspannungen und die Betriebs ströme sorgen dafür, daß die Vorrichtung mit den logischen Schal-temgen mit Strominjektion kompatibel ist. Die Hysterese wird nämlich auf folgende Weise erzielt, wobei die Wirkung einer Schaltung mit einem npn-Ausgangstransistor beispielsweise an Hand des Schaltbildes nach Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen beschrieben wird. Fig. 2 ist ein Diagramm des Hystereseeffekts, der erhalten werden kann.

In Fig. 1 bezeichnene T^ und T^ komplementäre Transistoren, während T-^ den Ausgangstransistor der Schaltung bezeichnet, der vom npn-Typ ist. Der Eingang der Schaltung ist der Punkt A, während R ein Widerstandselement darstellt., über das das Eiriggangssignal zugeführt wird. Die Kollektorzone Cj des Transistors T^ ist mit der Basiszone B₂ des Transistors T^ verbunden, während die Kollektorzone Cp des Transistors Tp mit der Basiszone B^ des Transistors T^ verbunden ist. Der Transistor T₃ ist mit einem Strominjektor I, z.B. eine© Transistor, versehen. Der Ausgang S der Schaltung wird durch die Kollektorzone C-, des Transistors T- gebildet, während die Emitterzone Ep des

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Transistors T₂ und die Emitterzone E^ des Transistors T^ an V_Q. d.h. Erde liegen.

Wenn die Eingangs spannung V^ am Punkt A etwa gleich Null ist, führt der komplementäre Eingangstransistor T₁ vom npn-Typ keinen Strom infolge der Tatsache, daß dieser Transistor nicht gespeist wird. Der andere komplementäre Transistor T₂ vom npn-Typ wird ebenfalls nicht gespeist und führt somit keinen Strom. Wenn die zwei Transistoren T₁ und T₂ nicht leitend sind, kann der vom Strominjektor I des Transistors T, injizierte Strom nur über diesen Transistor T, passieren.

Die Spannung, die zwischen der Kollektorzone C-, und der Emitterzone E, des Ausgangstransistors vorhanden ist und den Pegel am Ausgang S bestimmt, ist minimal. Wenn die Eingangsspannung V^ größer wird, wird der Transistor T,. leitend, wenn die Spannung zwischen der Basiszone B₁ dieses Transistors und dem Punkt A die innere Spannung Vg_E1 des Emitter-Basisübergangs dieses Transistors T₁ überschreitet. Da die zwei Transistoren. T₁ und T, gegensinnig geschaltet sind und entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen aufweisen, sollen die zwei inneren Spannungen V_ßE1 und ^BE3 ^zxxei-^nai!1&^er addiert werden. Wenn die Eingangsspannung V. also den Wert V-güM + V-ng·* « V^₂ erreicht, wird der Transistor T₁ leitend und speist den Transistor T₂, der ebenfalls leitend wird, wodurch die Spannung an der Basiszone B-* des Ausgangstransistors T^ auf den Wert der inneren Spannung Vq_E2 zwischen der Kollektorzone C₂ und der Emitterzone E₂ des Transistors T₂ herabgesetzt und der Transistor T, nichtleitend wird. Die Ausgangsspannung Vg steigt auf einen hohen Pegel Vg₂ an. Auf diese Weise bildet der Eingangsspannungswert V^g₁ + Vg_E·* = V^₂ eine ansteigende Schwelle, die den Übergang der Ausgangsspannung Vg von einem niedrigen Pegel Vg^ zu einem haken Pegel Vg₂ bestimmt.

Wenn die Eingangsspannung V. von einem die ansteigende Schwelle V.₂ überschreitenden Wert annimmt, ändert sich der Zustand des

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Systems nicht, solange diese Eingangsspannung höher als der Wert V-d_Ei + Vqe2 ⁼ ^A1 bleibt, unterhalb dessen das durch die komplementären Transistoren gebildete Gefüge nicht mehr leitend sein kann. Der Eingangsspannungswert V™^ + ^nyo ~ ^A 1 (^oc^^er ^^er nahezu äquivalente V/ert V_CE-j + Vj>_E2 ^er Kollektor-Emitterspannung des Transistors T^ zuzüglich der inneren Spannung des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors T₂) bildet auf diese Weise eine abfallende Schwelle, die den Übergang der Ausgangsspannung von dem hohen Pegel Vg₂ zu dem niedrigen Pegel Vg^ bestimmt, wobei das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.

Der Unterschied zwischen der ansteigenden Schwelle und der abfallenden Schwelle ist:

(^VBE1 ^{+ V}BE3^ " (^VBE1 ^{+ V}CE2^ ^{s V}BE3 " ^VCE2*

Es ist bekannt, daß bei Bipolartransistoren, die in einer Siliciumscheibe durch für die üblichen integrierten Schaltungen verwendete Techniken hergestellt sind, der Wert einer Spannung V_BE eines leitenden Transistors etwa 0,7 V, der Wert einer Spannung V_CE etwa 0,2 V und somit der "Abstand" zwischen den Schwellen oder die "Breite" der Hysterese der in der Siliciumscheibe hergestellten integrierten Schaltung etwa 0,5 V beträgt. Da die Ein- und Ausgangsspannungen der Schaltung in bezug auf Schaltungen mit Strominjektion und entsprechend logischen Spannungshüben etwa 2 V betragen, ist die Störunempfindlichkeit, die durch die Schaltung erzielt wird, verhältnismäßig bedeutend, welche Unempfindlichkeit mit Hilfe einer Mindestzahl an EinzelteHen erhalten wird.

Der Eingangswiderstand, der in Fig. 1 mit R bezeichnet wir.d, kann auf einfache Weise durch den Innenwiderstand der das Eingangssignal liefernden Quelle gebildet werden oder zumindest in der Schaltung des höher liegenden Eingangsteiles der Vorrichtung integriert sein.

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Wenn es sich um eine integrierte Schaltung handelt, ist der Eingangstransistor vom pnp-Leitfähigkeitstyp, während der zu diesem Transistor komplementäre' Transistor sowie der Ausgangstransistor vom npn-Typ sind. Auf diese ¥eise ist die Vorrichtung

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mit I L-Schaltungen der auf übliche Weise hergestellten Art kompatibel.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der pnp-Eingangstransistor ein flacher Transistor mit lateraler Struktur, der durch planare Diffusion in einer gegen einen Siliciumkristall isolierten Insel gebildet wird, während der komplementäre npn-Transistor ein planarer Transistor mit vertikaler Struktur ist, der durch dieselbe Technik erhalten wird, während einerseits die Basiszone des pnp-Transistors und die Kollektorzone des npn-Transistors zusammen ein einziges Gebiet und andererseits die Basiszone des npn-Transistors und die Kollektorzone des pnp-Transistors zusammen ebenfalls ein einziges Gebiet bilden. Die Trennung zwischen den genannten Gebieten is t ein pn-übergang. Das Gebilde der beiden komplementären Transistoren wird in derselben Insel hergestellt, die durch einen pn-übergang isoliert ist, wobei der Ausgangstransistor und sein Injektor in einer benachbarten Insel gebildet sind, während die Verbindung zwischen der Kollektorzone des komplementären npn-Transistors und der Basiszone des Ausgangstransistors mittels einer Leiterbahn an der Oberfläche der Scheibe hergestellt wird. Das Gebilde der Vorrichtung kann zugleich mit anderen Elementen logischer Schaltungen in einer und derselben Scheibe hergestellt -werden. Die Anzahl und die Komplexität der durchzuführenden Vorgänge werden nicht vergrößert.

Es ist vorteilhaft, wenn das Element zum Injizieren von Ladungsträgern in die Basiszone des Ausgangstransistors ein planarer pnp-Transistor mit lateraler Struktur ist, dessen Kollektorzone durch die Basiszone des Ausgangstransistors gebildet wird, wobei der letztere Transistor eine invertierte vertikale Struktur

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mit einer durch die Basiszone des lateralen npn-Injektionstransistors gebildeten Emitterzone aufweist. Da diese Anordnung

der I L-Technik entspricht, weist
Technik anhaftenden Vorteile auf.

der I L-Technik entspricht, weist diese Anordnung alle dieser

Auf analoge Weise kann der Injektor des Ausgangstransistors ein planarer Transistor mit lateraler Struktur sein, der isoliert ist und dessen Basiszone eine konstante Spannung aufweist.

Es ist einleuchtend, daß der die obenbeschriebene Struktur aufweisende Ausgangstransistor mehrere Kollektorzonen besitzen kann,.wobei diese Zonen durch verschiedene in die Basiszone eindiffundierte Zonen gebildet werden.

Nach einer günstigen Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Hauptstrombahn eines ergänzenden Transistors mit Injektor vom gleichen Typ wie der zweite komplementäre Transistor zu dem Basis-Emitter-Übergang dieses zweiten Transistors parallelgeschaltet.

Der Transistor mit Injektor, der vorzugsweise stets leitend ist, führt den vom ersten komplementären Transistor gelieferten Strom ab, sobald der letztere Transistor bei zunehmender Eingangsspannung leitend wird. Der zweite komplementäre Transistor wird nur leitend, wenn der vom ersten komplementären Transistor gelieferte Strom den zusätzlichen Transistor mit Injektor aus dem Sattigungszustand führt. Auf diese Weise wird eine höhere ansteigende Schwelle und dadurch ein größerer "Abstand" zwischen den Schwellen sowie eine bessere Störunempfindlichkeit erhalten. Obendrein wird der Übergang des zweiten komplementären Transistors von dem leitenden zu dem nichtleitenden Zustand beschleunigt, wobei die in der Basiszone gespeicherten Ladungen dann über den zusätzlichen Transistor mit Injektor abgeführt werden.

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Vorzugsweise v/eist der zusätzliche Transistor mit Injektion

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eine Struktur vom I L-Typ auf.

Die Erfindung läßt sich insbesondere bei logischen Schaltungen anwenden, deren Signale sehr geringen Spannungshüben entsprechen.

Die Struktur hat sich insbesondere bei Anwendung für

Schaltungen vom I L- oder vom DCTL-Typ, insbesondere in Verbindungen zwischen den Gehäusen dieser Schaltungen, bewährt.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.3 einen teilweisen schematischen Schnitt längs der Linie

III-III durch eine Schaltung nach der Erfindung, Fig.4 eine Draufsicht auf die Schaltung nach Fig. 3, und

schließlich
Fig.5 ein Schaltbild einer mit einem zusätzlichen Transistor mit Injektor ergänzten Schaltung.

Eine planare Struktur vom I L-Typ einer Schaltung nach der Erfindung wird an Hand der Figuren 3 und 4 beschrieben, wobei der Injektor des Ausgangstransistors durch einen lateralen pnp-Transistor gebildet wird.

Ein p-leitendes Siliciumsubstrat 31 ist mit einer n-leitenden epitaktischen Schicht 32 überzogen. Diese Schicht 32 enthält isolierte Inseln, die mittels eines Netzwerks von Isolierzonen 35 vom p⁺-Leitfähigkeitstyp gebildet werden. Der Boden der Inseln wird durch die vergrabenaaSchichten 33 vom n⁺-Leitfähigkeitstyp gebildet. In die Insel 34 sind p-leitende Gebiete eindiffundiert. Ein Gebiet E^ bildet die Emitterzone des Eingangstransistors T^, dessen Basiszone B^ von der Insel 34 begrenzt wird,,während ein Gebiet C^, das die Kollektorzone desselben Transistors T^ bildet, zugleich die Basiszone B₂ des npn-Transistors T₂ bildet. Die Kollektorzone dieses Transistors T₂ wird von der Insel 34 begrenzt und die Emitterzone E₂ des Transistors T₂ ist eine Zone vom n⁺-Leitfähigkeitstyp, die in

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die Basiszone B₂ eindiffundiert ist.

Außerhalb der Insel 34 jenseits der Isolierzone 35 enthalten der Ausgangstransistor T, und sein Injektor die Emitterzone E^, des Transistors T,, die durch eine epitaktische Schicht 32 gebildet wird, sowie die p-leitende Basiszone B-* des Transistors T,, die in die Schicht 32 eindiffundiert ist, und die n⁺~ leitende Kollektorzone C-* desselben Transistors T-,, die in die

Basiszone B-, eindiffundiert ist. Diese Basiszone B_x bildet 3 3

ebenfalls die Kollektorzone eines Insektionstransistors, dessen Basiszone durch die Emitterzone E-, gebildet wird und dessen Emitterzone ein p⁺-leitendes diffundiertes Gebiet 37 ist, das in der Nähe der Basiszone B₇. liegt. Der Ausgangstransistor T-, ist hier mit einer einzigen Kollektorzone dargestellt, aber naturgemäß kann der genannte Transistor mehr als eine Kollektorzone besitzen.

Die Verbindungen zwischen den Elementen der Schaltung und ihre Verbindung mit äußeren Elementen werden mittels Leiterbahnen hergestellt, die auf der Oberfläche der Schaltung angebracht sind.

In der Draufsicht nach Fig. 4 entsprechen die gestrichelten Linien den Kontaktöffnungen, während die vollen Linien den Begrenzungen der diffundierten Gebiete und die strichpunktierten Linien den Begrenzungen der Leiterbahnen entsprechen.

Die Emitterzone E^ enpfängt die Eingangssignale über eine Leiterbahn 54, die die genannte Emitterzone mit einer Eingangsklemme verbindet. Die Emitterzone E^ wird über eine Leiterbahn 53 mit einem Spannungsbezugspunkt verbunden, der gewähnlich, die Masse des Substrats 31 ist. Die Kollektorzone Cp ist mit der Basiszone B, über eine Leiterbahn 50 verbunden, die schematisch im Schnitt nach Fig. 3 durch eine volle Linie 36 angegeben ist. Die Kollektorzone C, ist über eine Leiterbahn mit einer Ausgangsklemme S oder vorzugsweise mit tiein Eingang eines vom Transistor T-, gesteuerten Funktionselements verbunden.

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Das Gebiet 37 empfängt den Injektionsstrom über eine Leiterbahn 52, die gegebenenfalls noch andere Elemente mit gleicher Struktur speist.

Fig. 5 ist das Schaltbild einer Schaltung, die die gleichen Elemente wie die Schaltung nach den Figuren 1, 3 und 4 enthält, aber die außerdem einen Transistor mit Injektor zur Verbesserung der Wirkung der Schaltung enthält. Der Eingang der Schaltung ist der Punkt 41J der Widerstand 42 stellt den Widerstand dar, über den aus der Quelle die Eingangssignale angelegt werden, während der erste komplementäre Transistor mit 43 und der zweite komplementäre Transistor mit 44 bezeichnet wird. Ein Transistor 48 wird hinzugefügt, um den Kollektorstrom des Transistors 43 abzuführen, wenn dieser Transistor 43 anfängt, leitend zu werden. Der Transistor 48 ist mit einem Injektor versehen. Ein Ausgangstransistor 47 ist ebenfalls mit einem Injektor 45 versehen, während der Ausgangspunkt mit 46 bezeichnet wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE: i

\\y Schwellenschaltung mit Hysterese, die mindestens zwei komplementäre Transistoren und einen Ausgangstransistor enthält und bei der die Basiszone jedes komplementären Transistors direkt mit der Kollektorzone des anderen Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone des ersten komplementären Transistors mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist und die Kollektorzone des zweiten komplementären Transistors direkt die Basiszone eines Ausgangstransistors mit Strominjektion vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite komplementäre Transistor steuert, und daß die Emitterzone dieses zweiten Transistors und die Emitterzone des Ausgangstransistors direkt mit dem gemeinsamen Bezugspunkt der Spannungen verbunden sind.
2. Schwellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste komplementäre Transistor vom pnp-Typ ist, während der zweite komplementäre Transistor und der Ausgangstransistor vom npn-Typ sind.
3. Schwellenschaltung-nach Anspruch T oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste komplementäre Transistor eine planare laterale Struktur aufweist, während der zweite komplementäre Transistor ein planarer vertikaler Typ ist.
4. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zwei komplementären Transistoren durch Diffusion in derselben elektrisch isolierten Insel gebildet werden.
5. Schwellenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein und dasselbe Gebiet die Basiszone des ersten komplementären Transistors und die Kollektorzone des zweiten komplementären Transistors bildet, während ein und dasselbe

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Gebiet die Kollektorzone des ersten komplementären Transistors und die Basiszone des zweiten komplementären Transistors bildet.
6. Schwellenschaltung nach einein der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor des Ausgangstransistors ein planarer Transistor mit lateraler Struktur ist, dessen Kollektorzone durch die Basiszone des Ausgangstransistors gebildet wird, wobei der letztere Transistor eine umgekehrte vertikale Struktur mit einer durch die Basiszone des Injektionstransistors gebildeten Emitterzone aufweist.
7. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor des Ausgangstransistors ein planarer Transistor mit lateraler Struktur ist, dessen Basiszone ein konstantes Potential aufweist.
8. Schwellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrombahn eines zusätzlichen Transistors mit Injektor vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite komplementäre Transistor zu dem Emitter-Basis-Übergang dieses zweiten Transistors parallel geschaltet ist.

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