DE2229123A1

DE2229123A1 - Dynamisch betriebene feldeffekttransistoranordnung

Info

Publication number: DE2229123A1
Application number: DE2229123A
Authority: DE
Inventors: Gerhard R Thompson
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-06-30
Filing date: 1972-06-15
Publication date: 1973-01-11
Also published as: IT956848B; US3747064A; FR2143712A1; FR2143712B1

Description

Böblingen, 9, Juni 1972 mö-we

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 970 086

Dynamisch betriebene Feldeffekttransistoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mehreren dynamisch betriebenen Feldeffekttransistoranordnungen, die in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind.

Bisher realisierte Vierphasenschaltungen mit Feldeffekttransistoren (FET) erforderten üblicherweise zwei Takteingänge pro Schaltungsstufe. Es ist auch bereits ein dynamisches vierphasig betriebenes Schieberegister mit einem Takteingang pro Stufe bekannt geworden, das jedoch auf die Verwendung als Schieberegister beschränkt ist, vgl. IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13, Nr. 1, Juni 1970, Seite 23. Mit diesen früheren vierphasig betriebenen Schaltungen waren im wesentlichen drei Ladungsübertragungsschwierigkeiten verbunden, nämlich die sog. Ladungsaufteilung (charge-sharing), die.Taktimpulskopplung auf den Eingang (clock phase to input coupling) und der kapazitive Verstärkungseffekt (capacitive gain). Darunter ist folgendes zu verstehen:

a) Ladungsaufteilung. In üblichen dynamisch betriebenen logischen Schaltungen wird eine Isolierung bzw. Trennvorrichtung benutzt, um den Ausgang auch dann im logischen Sinne gültig zu erhalten, wenn ein Eingang voraufgeladen worden ist. Eine solche eingangsseitige Voraufladung kann jedoch eine Rückverteilung der Ausgangsladung verursachen, die früher als oder während des durch den nachfolgenden Schaltkreis vorgenommenen Abfühlvorgangs erfolgt. Diese Ladungsaufteilung kann die Ausgangsspannung bis zu einem

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Punkt erniedrigen, an dem eine völlige Entladung des nachfolgenden Schaltkreises nicht mehr möglich ist, so daß ein-logischer Fehler auftritt.

b) Taktimpulskopplung auf den Eingang. Wenn sich in Schaltungen der oben bezeichneten Art ein zwei aufeinanderfolgende Stufen betreibendes Eingangssignal auf dem unteren Pegel befindet, ist es möglich, daß die Voraufladung der zweiten Stufe über die Kapazität des zweiten Gateanschlusses zur gemeinsamen Eingangsleitung koppelt und auf diese Weise das erste Gate potentialmäßig angehoben und teilweise die erste Stufe entladen wird. Dieser Effekt tritt bei einer seriellen Verbindung dreier oder mehrerer Feldeffekttransistoren auf, von denen die oberen beiden mit der Taktleitung und das unterste Gate mit der Signalquelle verbunden ist. Dabei ist das verbleibende Diffusionsgebiet der untersten (FET-)Anordnung ebenfalls mit einer Taktimpulsquelle verbunden.

c) Kapazitive Verstärkung. Dieses Problem tritt in üblichen logischen Schaltungen auf, wenn der Ausgang über die Gate/Drain-Kapazität auf den Eingang koppelt. Auf diese Weise bewirkt ein Entladen eines Stufenausganges eine entsprechende Veränderung des betroffenen Eingangspotentials. Die Schaltungsauslegung für vierphasig betriebene logische (im Gegensatz zu Speicheroder Schieberegister-)Schaltungen gestaltete sich in der Vergangenheit deshalb kompliziert, weil mindestens zwei Takteingänge pro Stufe erforderlich waren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben aufgezeigten Nachteile bei derartigen Schaltungen zu vermeiden. Die Lösung dieser Aufgabe sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen gekennzeichnet. Das mit mindestens fünf und vorzugsweise mit sechs Taktimpulsen betriebene erfindungsgemäße Schaltungssystem bietet gegenüber den vierphasig betriebenen Schaltungssystemen die folgenden Vorteile:

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1. Es werden die genannten Ladtingsübertragungsprob lerne wirksam beseitigt. Das oben erläuterte Problem bezüglich der Ladungsaufteilung wird dadurch vermieden, daß bei fünf- oder sechsphasigen Sehaltungssystemen gemäß der Erfindung der Ausgang während der Vorladung der Eingänge als im logischen Sinne nicht gültig berücksichtigt wird. Mit anderen Worten, während ein gültiges Ausgangssignal vorliegt, kann der Eingang niemals vom Pegel im entladenen Zustand in den Pegel für den Vorladungszustand übergehen. Dadurch werden damit verbundene logische Fehler vermieden. Das Problem der Taktkopplung auf den Eingang wird bei den erfindungsgemäßen Systemen dadurch ausgeschaltet, daß der Eingangspegel im entladenen Zustand während dieser Kopplungsmöglichkeit durch eine Treiberschaltung aufrechterhalten wird, wodurch die angekoppelte Stufe entladen wird. Das Problem der kapazitiven Verstärkung wird gelöst in der Weise, daß der Ausgang eines jeden Schaltkreises vor dem Aufladen entladen wird und für NOR-Glieder immer entladen ist.

2. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen mehrphasig betriebenen Schaltungssystems besteht in seiner einfachen physikalischen Realisierbarkeit auf einem Halblei terplättchen'.

3. Die Schaltverzögerung bei derartigen Mehrphasensystemen kann infolge des Fehlens einer Abfülleinrichtung kürzer gehalten werden als für vierphasig betriebene Systeme. Ist daher der Vorladevorgang einmal abgeschlossen, tritt keine Verzögerung beim Einleiten des Abfühlvorganges auf, und die Entladung des Ausganges muß nicht über eine in Serie geschaltete Abfülleinrichtung durchgeführt werden.

4. Der Abfühlvorgang eines Ausgangs beginnt im Anschluß an den Voraufladevorgang und dauert an, bis ein Eingang wieder voraufgeladen wird. Es ist daher möglich, Schaltungen so zu verbinden, daß sich langsam entladende Schaltungen mehr als eine Taktzeit dafür zur Verfügung- haben, d.h., .die Abfühlzeit ist nicht auf eine einzige Taktzelt beschränkt.

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5. Jede Stufe einer solchen mehrphasigen Anordnung benötigt gegenüber einer vierphasig betriebenen Schaltungsstufe weniger Komponenten .

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine mit sechs Taktphasen arbeitende dynamische

FET-Schaltung mit einigen alternativen Stufenverbindungen;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm mit den Taktimpulsen zur

Steuerung der Schaltungen nach den Fign. 1, 3A, 4, 5, 6A, 6B, 7, 8 und 9;

Fig. 3A einen weiteren FET-Schaltkreis, an dem die möglichen Verhältnisse für die Verbindung zwischen den Einzelphasen für ein sechsphasiges System erläutert sind;

Fig. 3B eine Darstellung der Fhasenverhältnisse zwischen

bestimmten Potentialen als Funktion der Zeit für die Schaltung nach Fig. 3A;

Fig. 4 eine dreistufige Inverterschaltung, an der die

allgemeinen Regeln für die Zwischenverbindung der Stufen gemäß der Erfindung erläutert wird, wobei die Definitionsgleichungen mit angegeben sind;

Fig. 5 ein erfindungsgemäß aufgebautes EXKLUSIV-ODER-

Glied;

Fig. 6A zwei erfindungsgemäß verbundene NOR-Glieder;

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Fig. 6Β denselben Schaltkreis wie in Fig. 6A dargestellt,

jedoch zum Zwecke des Vergleichs mit einer physikalischen Realisierung der Schaltungen nach Fig. 6A und 6B etwas abgeändert, welche Realisierung in der Draufsicht in Fig. 6C dargestellt ist;

Fig. 7 eine zusammenhängende Draufsicht auf die auf

einem Substrat ausgebildeten Diffusionsstreifen mit den als Taktphasenleitungen auf einer darüber angeordneten Isolierschicht ausgebildeten Metallisierungsstreifen zur Schaffung einer mehrphasigen Anordnung;

Fig. 8 die physikalische Realisierung zweier NOR-Glieder

auf einem Substrat und

Fig. 9 die physikalische Realisierung eines UND-ODERr

Invertergliedes gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine sechsstufige MOS FET(N-Kanal)-Inverterschaltung, die über sechs Taktsignale betrieben wird, nämlich 01 an den Leitungen 10, 10 ; 02 an den Leitungen 19, 19 ; 03 an den Leitungen 31, 31 ; 04 an den Leitungen 39, 39 ; 05 an den Leitungen 50, 50 und 06 an den Leitungen 58, 58 . Die gegenseitige zeitliche Beziehung zwischen den einzelnen Taktsignalen ist aus Fig. zu ersehen. Die.sechs Taktsignale wiederholen sich; sie überlappen sich im wesentlichen nicht, so daß zu einem bestimmten Zeitpunkt nur jeweils ein positiver Impuls vorliegt. Die Taktimpulse folgen ferner zeitlich aufeinander und vorzugsweise im wesentlichen ohne dazwischenliegende Lücken. Jedes der Zeitintervalle TO bis T6" enthält gerade eines dieser Taktsignale. Bei bestimmten Schaltungsanwendungen können auch ein oder mehrere Taktsignale weggelassen werden. Wenn im Zeitintervall zwischen TO und Tl das. Taktsignal 01 tiut uen Leitungen 10 und 10 (die über nicht gezeigte

.iiLtuiujBteiLe miteinander verbunden sind) , wie durch den in Fig. 2 mit 52 bezeichneten Impuls dargestellt, positiv ist, wird die

Yü -wo .«lii, 209882/1169

aus den Feldeffekttransistoren (FET's) 12 und 13 bestehende Stufe 11 "vorgeladen". Drain und Gate des FET 12 stehen mit dem Anschluß 10 in Verbindung. Der Sourceanschluß des FET 12 und der Drainanschluß des FET 13 sind mit dem Ausgang 14 dieser Stufe verbunden. Der Sourceanschluß des FET 13 ist an die Leitung 10 angeschlossen. Der Gateanschluß des FET 13 ist über die Eingangsleitung 9 mit der Eingangsklemme gekoppelt. Die Stufe 11 wird in dem Sinne vorgeladen, daß der mit dem Sourceanschluß des FET 12 sowie mit dem Drainanschluß des FET 13- verbundene Ausgang 14 ein positives Potential annimmt und in diesem Zeitintervall die mit dem Ausgang 14 zusammenhängenden Streukapazitäten geladen werden. Nachdem dieser aufladeVorgang lange genug angedauert hat, kehrt das Eingangspotential auf den Leitungen 10 und 10 wieder auf einen geringeren Ruhepotentialwert 53 zum Zeitpunkt Tl zurück. Das sich anschließend am Ausgang 14 einstellende Potential hängt von dem Eingangspotential auf der Leitung 9 ab. Befindet sich die Eingangsleitung 9 auf einem höheren Potential, wird sich die Ausgangsleitung 14 im Anschluß an das Ende des Vorladungsvorganges schnell über den Transistor 13 entladen, welcher Transistor 13 durch das positive Eingangssignal eingeschaltet ist. Der Ausgang 14 ist mit dem Eingang 17 der nächsten Stufe 18 mit den Feldeffekttransistoren 20 und 21 verbunden, die in gleicher Weise wie die FET's 12, 13 zwischen den Leitungen 19 und 19 eingeschaltet sind.

Durch das Vorladen des Eingangs 17 des Feldeffekttransistors 21 wird der Ausgang 22 der Stufe 18 auf Massepotential gelegt. Dies geschieht, wenn 01 positiv ist. Der Ausgang 32 einer dritten Feldeffekttransistorstufe 28 wird durch das Vorladen des Eingangs 17 über 01 nicht beeinflußt, so daß der Ausgang 32 so lange gültig bleibt, bis die zweite Stufe 18 über ein Taktsignal 02 vorgeladen wird.

Zur Erläuterung der Auswirkung der Verhältnisse beim Vorladen auf die nachfolgenden Stufen soll hier au£ Fig. 3A Bezu/ genommen werden. Die dort gezeigte SchaLtung entiiaH: v?ine BJjT- Inverters tu Ee 100 mit den FET's 101 und 102, deren Drain- bzw, Sourceanschluß

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mit dem über die Leitungen 103 und 103 zugeführten Taktsignal 0y beaufschlagt werden. Das Gate des FET 1Ol ist mit der Leitung verbunden. Der Ausgang 104 der Schaltung 100 ist mit dem Eingang der mit dem Taktsignal 0x beaufschlagten Inverterschaltung 60 verbunden. Für den zeitlichen Bereich der Taktphasen für ein sechsphasiges dynamisches System gilt, daß 0x zwischen 04 bis 06 und 0y zwischen 03 bis 05 gewählt werden kann, und zwar solange, wie der Wert χ für 0x den Wert y für 0y übersteigt. D.h., der 0x-Impuls sollte später als der 0y-Impuls auftreten. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß das Eingangssignal für die Stufe 100 von einem mit einem Taktsignal 02 beaufschlagten Schaltkreis kommt. Eine weitere Inverterstufe 60 enthält einen Feldeffekttransistor 61, dessen Gate und Drain mit der das Taktsignal 0x führenden Leitung 62 verbunden sind und dessen Source zusammen mit dem Drainanschluß eines Feldeffekttransistors 63 mit der Ausgangsleitung 64 in Verbindung stehen. Der Sourceanschluß des FET 63 ist mit der das Signal 0x führenden Leitung 62 gekoppelt, welche Leitung 62 mit der Leitung 62 über nicht gezeigte Schaltungsteile verbunden ist.

Die Leitung 64 ist mit dem Eingang eines FET NOR-Gliedes 65 verbunden. Dieses besteht aus den sourceseitig mit der das Signal 01 führenden Leitung 70 verbundenen FET's 66, 67 und 68 sowie aus einem FET 69, dessen Drainanschluß mit der Leitung 70 und dessen Sourceanschluß zusammen mit den Drainanschlüssen der übrigen FET's mit der Ausgangsleitung 71 verbunden ist. Ferner ist der Gateanschluß des FET 69 mit der das Signal 01 führenden Leitung 70 gekoppelt.

Fig. 3B zeigt den Spannungsverlauf für 01, 0x, den NOR-Ausgang und für die Eingangsleitung 64. Zu Anfang befindet sich die Leitung 64 auf einem niedrigen Potential und 01 hebt das Potential der Leitung 71 an, um diese zwischen TO und Tmax vorzuladen. Damit ist Tmax der Zeitpunkt, an dem der Ausgang 71 des NOR-Gliedes einen Maximalwert annimmt, den er bis zum Zeitpunkt Ta aufrechterhält, an dem 0x potentialmäßig während eines 0x-Taktimpulses anzusteigen

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beginnt. Der Vorladevorgang auf der Leitung 64 bewirkt, daß der Ausgang des NOR-Gliedes in dem Maße potentialmäßig abnimmt wie der FET 66 über seinen Gateanschluß eingeschaltet wird und somit ermöglicht, daß die Leitung 71 wieder im wesentlichen Massepotential zum Zeitpunkt Tb annimmt, wenn nämlich der 0x-Impuls endigt. Der Ausgang des NOR-Gliedes 65 bleibt zwischen Tb, bis Te (im logischen Sinn) ungültig, während welcher Zeit zwischen Tc bis Td aufgrund eines weiteren 01-Impulses 74 ein Aufladevorgang stattfindet. Es sollte genügend Zeit für einen möglichen Entladevorgang zwischen Td und Te (in unterbrochenen Linien angedeutet) zur Verfügung stehen. Auf diese Weise verbleibt der Ausgang 71 des NOR-Gliedes 65 in dem einmal gesetzten bzw. vom Zeitpunkt Te an gültigen Zustand, bis die vorhergehende Stufe 60 das nächste Mal mit einem 0x-Impuls zum Voraufladen der Leitung 64 beaufschlagt wird.

Es bestehen drei Zeitintervalle, während derer der Schaltungsausgang in dem Sinne logisch ungültig bzw. irrelevant ist, als die darzustellenden Daten infolge dynamischer Schaltungsvorgänge verdeckt sind. Das erste solche Zeitintervall tritt während des Vorauf lade Vorganges auf, wenn der Ausgang 71 des NOR-Gliedes zwischen TO bi& Tmax und Tc bis Td wechselt. Das zweite derartige Zeitintervall (bedingte Entladung) tritt unmittelbar im Anschluß an den durch die unterbrochene Linie 73 für den Fall eines positiven Eingangspotentials entsprechend der unterbrochenen Linie 72 auf der Leitung 64 auf, bis der Ausgang 71 entladen sein kann, falls vorher zwischen Td bis Te der Eingang 64 aufgeladen worden ist. Schließlich gibt es ein drittes solches Zeitintervall (unbedingtes Entladen) vom Zeitpunkt Ta an, an dem der Eingang 64 des NOR-Gliedes 65 vorgeladen wurde, bis sein Ausgang 71 zum Zeitpunkt Tc aufgeladen zu werden beginnt. Wenn somit auf den 0x-Impuls ein weiterer 01-Impuls, wie durch den Impuls 74 angedeutet, folgt, vergeht ein Zeitintervall von Ta bis Te oder die Entsprechung von mindestens drei aufeinanderfolgenden Impulsintervallen, bevor bezüglich des NOR-Gliedes 65 ein im logischen Sinne gültiger Zustand angenommen werden kann. Mit anderen Worten, wenn 0x (wobei χ die höchste Taktphase darstellt) unmittelbar und ohne

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— Q —

Zeitlücke Tb bis Tc dem 01-Impuls vorausgeht, wird eine Zeitverzögerung über drei Zeitintervalle auftreten. Je früher der erste Taktimpuls 0x auftritt, desto länger ist die Verzögerung, während derer der Ausgang ungültig ist. Diese Verzögerung nimmt entsprechend der Anzahl von Zeitintervallen zwischen dem Auftreten von 0x und dem anschließenden Auftreten von 01 zu.

In Fig. 1 wird der Eingang 17 der Stufe 18 in der Zeit zwischen TO bis Tl aufgeladen. Zwischen Tl und T2 wird sich ihr Eingang im instabilen Zustand einer möglichen Entladung des Ausgangs 15 befinden, da zu diesem Zeitpunkt der 01-Impuls abgeschlossen ist und bei einem auf hohem Potential liegenden Eingang 9 sich die Leitung 14 gerade entlädt. Dann wird auch der 02-Impuls in der Zeit zwischen Tl und T2 den mit dem Eingang 27 der FET-Stufe 28 verbundenen Ausgang 22 der Stufe 18 voraufladen. Im Zeitintervall zwischen T2 und T3, während der 03-Impuls auftritt, wird sich die Stufe 18 im möglichen Entladezustand befinden, wenn der Eingang 17 der Stufe 18 positiv ist. Der Zustand der Stufe 18 kann bis zum Zeitintervall T3-T4 nicht als stabil angenommen werden; die Stabilität wird dann aber zwischen T3 und T6 andauern.

Der übrige Teil der in Fig. 1 dargestellten Schaltung-enthält den Eingang 35 der Stufe 36, der mit dem Ausgang 32 der Stufe 28 in Verbindung steht. Die Stufe 38 enthält die Feldeffekttransistoren 37, 38 und 43, die alle mit den Taktleitungen 39 und 39¹ für die 04-Signale verbunden sind. Der Sourceanschluß des FET 37 und die Drainanschlüsse der FET ¹S 38 und 43 sind mit der Ausgangsleitung 44 verbunden. Der Gateanschluß des FET 43 ist über die Leitung 42, den Schalter 24 und die Leitung 23 mit dem Ausgang 22 der Stufe 18 verbunden.

Der Eingang 45 des FET 48 der Stufe 46 ist mit der Ausgangsleitung

44 gekoppelt. Die Stufe 46 enthält den drainseitig mit der Taktleitung 50 und sourceseitig mit der Taktleitung 50* verbundenen FET 47 und die sourceseitig mit der Tak-tleitung 50 verbundenen

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FET's 48 und 49, dessen Sourceanschluß (FET 47) bzw. deren Drainanschlüsse (FET's 48, 49) mit der Ausgangsleitung 51 verbunden sind. Der Gateanschluß des FET 49 ist über die Leitung 15, den Schalter 25 und die Leitung 23 mit dem Ausgang 22 der Stufe 18 gekoppelt.

An den Ausgang 51 der Stufe 46 ist der Eingang 54 der Stufe 55 angeschlossen. Diese Stufe 55 enthält die FET's 56 und 57, die über die Taktleitungen 58 und 58 mit 06-Impulsen beaufschlagt werden.

Der Sourceanschluß von FET 56 sowie der Drainanschluß von FET sind mit dem Ausgang 59 verbunden. Bei geöffneten Schaltern 24 und 25 ist der jeweilige Zustand der Einzelstufen aus der folgenden Tabelle ersichtlich. Darin bedeuten

D = Zustand niedrigen Potentials (DOWN) infolge Aufladung des Eingangs bei unbedingter Entladung;

P = Voraufladung (Precharge) unabhängig vom Eingangssignal;

CD= Bedingte Entladung (Conditional Discharge) abhängig vom Eingangssignal;

V = Gültiger Zustand (Valid) und zwar hohes oder niedriges Potential.

Stufen

CD

V

Tabelle

D

I

CD

V

D

P

ausgang

V

P

V

D

P

CD

6

V

D

V

CD

P

V

D

P

CD

V

5

V

D

P

D

V

CD

V

D

P

CD

V

4

D

P

CD

P

V

D

P

CD

V

3

P

CD

V

CD

V

P

CD

V

D

2

V

1

V

D

Zeitintervall 12 3 4

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Durch Schließen des Schalters 24, der hier lediglich zu Erläuterungszwecken eingefügt ist, während des Zeitintervalls 2 in Fig. 2 wird die Stufe 18 voraufgeladen, wodurch die Ausgangsleitung 22 und der Eingang am Gateanschluß des FET 43 aufgeladen werden, so daß die Ausgangsbedingung für den Ausgang 44 während des Zeit-Intervalls 2 nicht gültig ist. Da der FET 49 über die Leitungen 15 und den Schalter 25 im geschlossenen Zustand auch mit dem Ausgang 22 verbunden ist, wird der Ausgang der Stufe 46 im Zeitintervall 1 gültig sein, jedoch nicht während der Zeitintervalle 2 und 3, was bei geschlossenem Schalter 25 allerdings gelten würde.

In Fig. 4 sind die Grundsätze dargestellt, nach denen aufeinanderfolgende Stufen miteinander in Verbindung stehen. Rechts neben der Zeichnung sind die entsprechenden Gleichungen bzw. Erläuterungen angegeben. Es wird angenommen, daß während eines Systemzyklusses sechs Taktphasenintervalle auftreten. Eine Inverterstufe 80 ist ausgangsseitig mit dem Eingang einer Inverterstufe 81 und deren Ausgang wiederum mit dem Eingang einer weiteren Inverterstufe 82 verbunden. Nimmt man für χ den Wert 1 an, wird die Stufe 80 mit 01-Taktsignalen beaufschlagt. Mit b = 3 (d.h. kleiner als 4, wie in der in Fig. 4 angegebenen Gleichung bestimmt ist) wird die Stufe 82 mit 04-Taktsignalen beaufschlagt. Da α kleiner als b und größer als 0 sein muß, kann es 1 oder 2 sein, d.h. χ + α ist entweder 2 oder 3. Es soll angenommen werden, daß α = 1 ist, so daß das Taktphasensignal für die Stufe 81 02 ist. Mit η = 6 ergeben sich die Modulo-6-Werte wie in Fig. 1 und Tabelle I kann Anwendung finden. Der Ausdruck "Modulo" wird hier gebraucht in bezug auf die Wiederholung der gleichen Taktimpulsfolge z.B. mit Beginn des nächsten Zyklusses im Anschluß an den momentanen Zyklus. Für den Fall Modulo 6 zeigt die folgende Tabelle II eine allgemeinere Übersicht in Abhängigkeit von der jeweiligen Stufenverbindung.

Es bedeuten dabei wieder:

D = Zustand niedrigen Potentials (DOWN);

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P = Voraufladung (Precharge) unabhängig vom jeweiligen Eingangssignal

CD= Bedingte Entladung (Conditional Discharge);

V = Gültiger Zustand (Valid) und zwar hohes und niedriges Potential in Abhängigkeit vom Eingangssignal zum früheren Taktzeitpunkt;

« = Gültig oder nicht in Abhängigkeit davon, ob der Eingang durch die jeweilige logische Verbindung voraufgeladen ist.

Stufenausgang

6	CD	V	»	ϊν	D	P	CD
5	V	Λ		D	P	CD	V
4	Ä		D	P	CD	V
3	Λ	D	P	CD	V		«
2	D	P	CD	V		«	D
1	P	CD	V	Vv		D	P
Zeitinter
vall	1	2	3	4	5	6	1

Tabelle II

Fig. 5 zeigt ein EXKLUSIV-ODER-Glied, das mindestens fünf Taktphasenintervalle zum Betrieb benötigt. Die erste Stufe 85 enthält den drain- und gateseitig mit der Taktleitung 89 verbundenen FET 86 sowie die FET's 87 und 88, deren Sourceanschlüsse mit der Leitung 89 und deren Drainansehlüsse zusammen mit dem Sourceanschluß des FET's 86 mit der Ausgangsleitung 90 verbunden sind. Die Eingänge 91 und 92 sind mit dem FET 87 bzw. 88 und weiterhin mit den FET's 9 3 bzw. 94 der zweiten Stufe verbunden. Die zweite Stufe stellt ein UND-Glied dar, das in Reihe zwischen die Taktleitung 95 und den Ausgang 96 der weiteren zur zweiten Stufe g hörenden FET-Schaltung 9 7 geschaltet ist. Die Schaltung 9 7 ent-

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hält ebenfalls einen FET 98, dessen Drain und Gate mit der !ableitung 95 für die 02-Impulse verbunden ist sowie einen FET 99, dessen Sourceanschluß mit der Leitung 95 und dessen Gateanschluß mit der Leitung 90 verbunden ist. Wenn die Eingangsleitungen 91 und 92 vom Ausgang eines mit der Taktphase 04 betriebenen Schaltungsausgangs betrieben werden würde, wäre bei einem vierphasigen System während des 03-Taktes in jedem Fall der Zustand unbedingter Entladung gegeben, so daß der Ausgang der Stufe 97 ungültig wäre. Es muß deshalb 05 oder 06 benutzt werden.

Fig. 6A zeigt zwei miteinander verbundene NOR-Glieder 110 und 111, die auf einem einzigen Halbleiterplättchen unter Verwendung paralleler Diffusionsstreifen mit darüber angeordneten Metallisierungsstreifen, wie in Fig. 6C im einzelnen dargestellt ist und unten näher beschrieben werden wird, angeordnet werden können. Das erste NOR-Glied 110 in Fig. 6A enthält den FET 112, der drain- und gateseitig mit der den Taktimpuls 01 führenden Leitung 115 verbunden ist, sowie die FET's 113 und 114, die sourceseitig mit der 01-Taktleitung 115 verbunden sind. Die Gateanschlüsse 116 bzw. 117 der FET's 113 bzw. 114 können mit den durch das NOR-Glied 110 zu prüfenden Signalen beaufschlagt werden. Die entsprechenden Source- und Drainanschlüsse der FET's sind mit der Ausgangsleitung 118 verbunden. Das zweite NOR-Glied 111 ist in gleicher Weise aufgebaut. Es wird über 02-Signale betrieben. Der Eingang Ϊ19 steht mit dem Ausgang des NOR-Gliedes 110 in Verbindung. Der Eingang 125 des weiteren FET¹S 122 kann mit einem weiteren zu prüfenden Signal beaufschlagt werden.

In der Fig. 6B ist der soeben beschriebene Schaltkreis geringfügig geometrisch verändert dargestellt, um so besser seiner in Fig. 6C dargestellten physikalischen Realisierung als Halbleiterschaltung 2u entsprechen. In Fig. 6C sind sechs horizontale DifEusionsstreifen 129, 127, 124, 118, 1.26, und 131 in einam Substrat 130 dargestellt, über die Diffusionsgebiete ist eine Isolierschicht angeordnet und darüber eine MetallIs ierunysebene,

^ra"^7Uübf) 209832/ I IBi)

in der drei Taktmetallisierungsstreifen 115, 123 und 128 ausgebildet sind. In der Isolierschicht sind Kontaktlöcher 132 und 133 vorgesehen, die den elektrischen Kontakt zwischen den Taktleitungen 115 bzw. 123 mit den rechtwinklig dazu verlaufenden Diffusionsstreifen 126, 126 bzw. 127, 127 herstellen. Zusätzliche vertikale Metallisierungsstreifen 116, 117, 119 und 125 verbinden die Signale mit den Gateanschlüssen und sind zusammen mit der Metallisierung der Feldeffekttransistoren 113, 114, 121 und 122 hergestellt. Zusammen mit der Metallisierung der Taktleitungen und 123 sind ferner die Gateanschlüsse der FET's 112 und 120 gebildet. Der Kontakt zwischen dem Diffusionsstreifen 118 und der Metallisierung 119 wird über das Kontaktloch 134 bewirkt. Der Taktleitungsstreifen 12 8 für 03-Signale ist lediglich zur Erläuterung dessen dargestellt, daß eine Anordnung von drei Taktleitungen so angepaßt werden kann, daß sie mit dem mittleren Teil einer Gruppe von horizontalen Diffusionsstreifen verbunden ist. Die Diffusionsstreifen 129 und 130 zeigen, wo zusätzliche 01- und 02-Schaltungsteile zugefügt werden können.

In Fig. 6C liegen die beiden Schaltungen in derselben Spalte angeordnet und können vertikal verbunden werden. Andernfalls wäre eine horizontale Verbindung nötig. Um die Länge der Zwischenverbindungen in dem Fall gering zu halten, kann der Kontakt auf dem Diffusionsstreifen 118 je nach der Anordnung des anderen Schaltungsteils ganz rechts oder ganz Iink3 vorgesehen werden. Die Gatebereiche 11.3, 114, 121 und 122 für die Eingänge können horizontal entlang den Diffusionsstreifen versetzt angeordnet werden, ohne daß die Schultungsfunktion dadurch geändert wird. Dasselbe gilt für die Takteiingänga 115, 123 und 128, vorausgesetzt, die Taktdiffusionsstreifan liegen weit genug auseinander, urn diü Anordnung der Ga tube ro L ehe und Kontaktlöcher dazwischen zu ermöglichen. Eine umfangreichere Anordnung dieser NOU-GLieder kann in Spalten ausgeführt sein, so daß alle Diffusianastreifen horizontal verlaufen. Eine sechsphasige dynamische Schaltung dieser Art ist im ph/isikaliachen

vo «>70 O86 2 0 9882/ 1169

Schaltungsentwurf in Fig. 7 dargestellt. Dort sind sechs Blöcke von horizontal verlaufenden Diffusionsstreifen vorgesehen, wobei jeder Block drei Taktleitungen 141 oder 142 aufweist, die vertikal dazu und über die Mitte des jeweiligen Blocks verlaufen. In gleicher Weise lassen sich auch zusätzliche Schaltungen, wie z.B. NÄND- und UND-ODER-Inverter-Glieder in diesem Schaltungsentwurf durch Abwandlung des Diffusionsmusters unterbringen. Die in Fig. 7 dargestellte Halbleiteranordnung weist die folgenden Merkmale auf: .

1. Die logischen Schaltungen sind in parallel zueinander angeordneten Blöcken ausgebildet, so daß die Diffusionsstreifen horizontal und die Metallisierungsverbindungen entweder horizontal oder vertikal über die Schaltungen verlaufen,

2. die Taktleitungen verlaufen vertikal über die mittleren Bereiche jedes Blocks und jede Stufe verbindet nur mit einer Taktleitung. Auf diese Weise erlauben drei Taktleitungen in einem Block, daß jede in einem solchen Block realisierte Stufe zu einem von drei möglichen Typen gehören kann.

3. Es ist keine physikalische Grenze zwischen benachbarten Blöcken vorhanden. Es kann demnach die Breite eines Schaltungsteils in einem Block 114 größer oder kleiner gewählt werden mit entsprechender Auswirkung auf die Breite der benachbarten Schaltungen.

4. Benachbarte NOR-Glieder desselben Typs können sich in die als Diffusionsgebiete ausgebildeten Knotenpunkte für die Taktsignale in der Weise teilen, daß auf zwei NOR-Glieder (nur) drei solcher Diffusionen kommen.

5. Zur Verbindung der Schaltungen in benachbarten Blöcken sind keine als Diffusionsgebiete ausgelegten Unterführungen (Underpass) erforderlich, so daß diese Möglichkeiten für die Schaltungsverbindungen innerhalb der in einem Block untergebrachten Schaltungsteile offen bleiben.

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6. Die Stufen in jedem Block können von einem von drei möglichen Typen sein, da es drei Taktleitungen in jedem Block gibt und eine Stufe jeweils nur eine davon benötigt. Jede Stufe kann in drei von insgesamt sechs Säulen angeordnet sein.

Fig. 8 zeigt einen physikalischen Halbleiterschaltungsentwurf zweier NOR-Glieder, die sich in ein mittleres Diffusionsgebiet teilen. Die vertikalen Metallisierungsstreifen stellen die Eingänge 150, die Ausgänge 151 und die Taktleitung 152 dar. Die horizontalen Diffusionsstreifen 153, 154 und 155 sind über die Kontaktlöcher 156, 157 und 158 kontaktiert. Die Gatebereiche sind im Zuge der Leitungen 150 an den Stellen 159, 160 bzw. 161 und im Zuge der Leitung 152 an den Stellen 162, 16 3 gebildet. Die Kontaktlöcher 156 und 158 für die Ausgänge können irgendwo im Verlaufe der Diffusionsstreifen 15 3 und 155 angeordnet sein, vorausgesetzt, die physikalischen Entwurfsregeln werden eingehalten. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, können in gleicher Weise auch die als Eingänge dienenden Gatebereiche versetzt sein. Schließlich zeigt Fig. 9 den Halbleiterschaltungsentwurf eines UND-ODER-Inverter-Gliedes gemäß der Erfindung.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Anordnung mit mehreren dynamisch betriebenen Feldeffekttransistorschaltungen, die in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, gekennzeichnet durch mehrere parallel zueinander angeordnete Diffusionsgebiete mit gegenüber dem Halbleitersubstrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sowie durch mehrere · bezüglich der Diffusionsgebiete rechtwinklig dazu verlaufende Taktleitungen und mehrere Verbindungsleitungen, wobei die Takt- und Verbindungsleitungen über den Diffusionsgebieten angeordnet sind.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Transistorschaltungsstufen enthält, wobei jeweils nur eine Taktleitung mit jeder Stufe verbunden ist.

Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktleitungen die Diffusionsgebiete etwa in der Mitte kreuzend angeordnet sind.

Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Takteingangsleitungen zur Zuführung von zyklisch auftretenden Taktimpulsen mit η > 5 Takt-Zeitintervallen pro Zyklus, so daß in jedem Zeitintervall lediglich ein Taktimpuls auftritt, sowie durch eine erste mit dem ersten Taktimpuls beaufschlagte Schaltungsstufe, deren Ausgang mit dem Eingang einer zweiten Schaltungsstufe verbunden ist, die mit einem um α Zeitintervalle nach dem ersten Taktimpuls auftretenden Taktimpuls beaufschlagt wird, wobei α für eine ganze Zahl mit 0< ot< b und b als weitere Taktimpulsbezeichnung für eine ganze Zahl mit b < 4 steht.

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J.Ö

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Schaltungen mit mehreren Taktleitungen und Taktleitungsanschlüssen vorgesehen ist, daß eine Zeitaufteilung eines Zyklusses in η Takt-Zeitintervalle mit η > 4 vorgenommen ist, daß lediglich eine Taktleitung mit jeder Stufe verbunden ist, deren Ausgang mit einer über einen davon verschiedenen Taktimpuls gesteuerten Stufe in Verbindung steht, daß auf den Taktleitungen in zyklischer Folge Taktimpulse auftreten, so daß der Ausgang einer ersten Stufe mit dem Eingang einer zweiten Stufe verbunden ist, deren Taktimpuls um α mit O <a< b und O< b ■£ n-2 Takt-Zeitintervalle später auftritt als der Taktimpuls für die erste Stufe, und daß der Ausgang der zweiten Stufe mit dem Eingang einer dritten Stufe verbunden ist, deren Taktimpuls um b Takt-Zeitintervalle später auftritt als der Taktimpuls für die erste Stufe.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsgebiete in dem Halbleitersubstrat blockförmig und innerhalb eines Blocks streifenförmig parallel zueinander ausgebildet sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher Feldeffekttransistorschaltungen zusammengefaßt sind, derart, daß mindestens zwei miteinander verbundene Schaltungsstufen mit nicht aufeinanderfolgende Taktimpulse führenden Taktleitungen in Verbindung stehen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltungsstufe einen ersten als Diode geschalteten Feldeffekttransistor aufweist, der einerseits mit der Taktleitung und andererseits mit dem Drainanschluß eines zweiten Feldeffekttransistors verbunden ist, und daß der Gateanschluß des zweiten Feldeffekttransistors mit der Signal-

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eingangsleitung der jeweiligen Stufe gekoppelt ist und daß der Verbindungspunkt zwischen dem als Diode geschalteten ersten sowie dem zweiten Feldeffekttransistor auf das Gate eines entsprechenden Feldeffekttransistors der nächsten Stufe führt.

Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 5 Taktleitungen vorgesehen sind, wobei drei Taktleitungen die blockförmig angeordneten parallel zueinander verlaufenden Diffusionsstreifen kreuzen und Jede der derart ausgebildeten Schaltungsstufen mit lediglich einer Taktleitung in Verbindung steht, daß eine zeitliche Einteilung in η Taktintervalle mit η <. 4 vorgenommen ist, daß der Ausgang jeder Stufe mit dem Eingang einer durch eine demgegenüber unterschiedliche Taktimpulsfolge betriebenen Schaltuhgsstufe derart verbunden ist, daß die Taktimpulse der nächsten Stufe um α Takt-Zeitintervalle später auftreten als die Taktimpulse der ersten Stufe, daß bezüglich des Auftretens der Taktimpulse die Beziehungen 0 <a< b und b< n-2 gelten und daß der Ausgang der zweiten Stufe mit dem Eingang einer dritten Stufe gekoppelt ist, deren Taktimpuls um b Takt-Zeitintervalle später als der Taktimpuls für die erste Stufe auftritt.

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