DE2235175A1

DE2235175A1 - Schaltungsanordnung fuer logische schaltkreise mit feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE2235175A1
Application number: DE2235175A
Authority: DE
Inventors: John A Freeman; David De Souza
Original assignee: Microsystems International Ltd
Current assignee: Microsystems International Ltd
Priority date: 1971-07-21
Filing date: 1972-07-18
Publication date: 1973-02-01
Also published as: JPS5214074B1; CA929611A; FR2146739A5; US3739194A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für logische Schaltkreise mit Feldeffekttransistoren, wobei in einer Inverterschaltung ein bipolares Bauteil mit einem Feldeffektbauteil in komplementärer Weise zusammenwirkt.

MOS-Feldeffekttransistoren (Metalloxydhalbleiter) und bipolare Halbleiterbauteile, wie sie in integrierten logischen Schaltungen verwendet werden, arbeiten bei verschiedenen Potentialen, entsprechend verschiedenen logischen Werten. Beispielsweise liegt der Schalt-

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schwellwert für einen Feldeffekttransistor mit einem P-Kanal im Bereich von -1,5 bis -2,5 Volt. Bei einem entsprechenden Transistor mit N-Kanal beträgt der Schaltschwellwert *-0,k bis +1,0 Volt. Der Schwellwert bei bipolaren Bauteilen liegt näherungsweise bei demjenigen des Bauteils mit einem N-Kanal. Hierdurch entstehen beträchtliche Schwierigkeiten, insbesondere wenn ein P-kanaliges MOS-Bauteil zusammen mit einem bipolaren Bauteil verwendet wird. Üblicherweise ist der SpeiseSpannungsanschluß für die Eingangsarbeitselektrode des MOS-Systems verbunden mit der Kollektiorspeisespannung des bipolaren Systems. Hierdurch ist es jedoch lediglich möglich, die ungünstigen Verhältnisse zwischen den beiden benötigten Speisespannungen zu beseitigen, jedoch ist damit nicht der mögliche Fehler beseitigt,daß der vom bipolaren System angesteuerte MOS-Transistor ständig eingeschaltet sein kann, bei der vom bipolaren System abgeleiteten unteren SchaItspannung_fwobei dieser Zustand auftritt, wenn die Schaltung unter einer hohen Last steht.

Bei Verwendung von MOS-Bauteilen mit einem N-Kanal treten diese Polaritätsschwierigkeiten nicht auf, jedoch schaltet ein derartiges Bauteil bei +0,4 Volt oder weniger, wobei diese Spannung vom bipolaren System abgegeben wird.und dem logischen Wert "1" entspricht. Bine fehlerhafte Arbeitsweise des Systems tritt'jedoch dann auf, wenn weitere 400 Millivolt Rauschspannung zu berücksichtigen sind.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Nachteile bezüglich der Schaltspannungen beseitigt werden,

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wobei als weitere Aufgabe der Erfindung zu verzeichnen ist, daß zusätzliche Schaltungsmaßnahmen ohne zusätzliche Arbeitsschritte bei der Herstellung des integrierten MOS-Systems vorgenommen werden sollen.

Bei einer Schaltungsanordnung für logische Schaltkreisemit Feldeffekttransistoren, wobei ein Feldeffekttransistor und ein Widerstand in Serie an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, die einen ersten und einen zweiten Anschluß mit einem ersten und einem zweiten Potential aufweist, wobei das dem Transistor entgegengesetzte Ende des Widerstandes am ersten Anschluß angeschlossen ist und die Steuerelektrode des Transistors an ein Eingangssignal anlegbar ist, welches zwischen zwei Spannungen sich verändert, wobei das erste Potential eine solche Amplitude aufweist, daß der Transistor voll eingeschaltet wird und das zweite Potential eine Höhe aufweist, bei welcher die Leitfähigkeit des Transistors wesentlich geringer ist als beim Anlegen der ersten Spannung und wobei die Ausgangsarbeitselektrode des Transistors zum Abgriff einer Ausgangsspannung vorgesehen ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die an der Eingangsarbeitselektrode des Transistors eine Vorspannung bewirken durch welche die effektive Einschaltspannung dieses Transistors auf einen Wert verändert wird, bei welchem die Leitfähigkeit dieses Transistors beim Anlegen der zweiten Eingangsspannung an die Steuerelektrode des Transistors im wesentlichen Null ist, wobei diese die Vorspannung erzeugenden Mittel in Serie zwi-

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sehen der Eingangsarbeitselektrode des Transistors und dem zweiten Anschluß der Speisespannungsquelle angeschlossen sind.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die die Vorspannung erzeugenden Mittel aus einem zweiten Feldeffekttransistor und einem zweiten Widerstand. Die Eingangsarbeitselektrode des ersten Transistors ist verbunden mit der Ausgangsarbeitselektrode des zweiten Transistors und einem Ende des Widerstandes , dessen anderes Ende am Massebezugspotential liegt. Die Steuerelektroden beider Transistoren sind miteinander verbunden und liegen an der Eingangesteuerspannung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Die Fig. 1 ein Schaltbild eines an ein bipolares System anschließbaren MOS-Schaltkreises bekannter Art.

Die Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Die Fig. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels und

die Fig. 4 diö Draufsicht auf ein integriertes System einer Schaltung gemäß Fig.3.

Die Fig. 1 zeigt einen üblichen Schaltkreis für die Verwendung in logischen Systemen mit einem

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(nicht dargestellten) bipolaren und einem MOS-Teilsystem, das einen P-Kanal aufweist. Bin Eingangs-* signal liegt an der Steuerelektrode des Transistors T₁. Dieses Eingangssignal hat entweder den logischen Zustand "0" oder "1^M. Dem logischen Zustand "0" entspricht eine höhere Einschaltspannung, während der logische Zustand ¹¹I" eine niedere Ausschaltspannung für T₁ entspricht. Die Eingangsarbeitselektrode (source) des Transistors T₁ ist mit einer Speisespannung V__ verbunden, während die andere Arbeitselektrode von T über den Punkt A mit einem Widerstand R verbunden ist, der seinerseits an das Bezugsmassepotential angeschlossen ist. Vom Punkt A wird die Ausgangsspannung abgegriffen. Venn vorausgesetzt ist, daß die Steuerelektrode des Transistors T am logischen Wert ¹¹O" liegt, dann ist der Transistor T leitend. Da-T und R bezüglich der logischen Ein- und Ausgangswerte einen Inverter darstellen, liegt das Potential an Punkt A an dem logischen Wert ¹¹I!¹. Schaltet das Eingangssignal auf den logischen Wert "1!· , wird T ausgeschaltet und der Ausgang am Punkt A weist den logischen Wert "0" auf. Wie schon zuvor ausgeführt, weist die Spannung V den gleichen Wert auf wie die Kollektorspeisespannung des bipolaren Systems, von welchem der Eingang von T abgegriffen wird. Diese Kollektorspannung beträgt +5_f0 +--0,25 Volt. Für konventionelle MOS-Schaltkreise mit einem P-Kanal würde normalerweise die Spannung V__s am Bezugsmassepotential liegen, während das gegenüberliegende' Ende des Widerstandes R an einer Spannung zwischen -5»0 bis -10,0 Volt anliegt, abhängig Von den Eigenschaften des Bauteils. Da die Eingangsarbeitselektrode von T jedoch 5 Volt höher liegt als das gegenüberliegende Ende des Widerstandes R, wodurch die gewünschte Ar-

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beitsweise dieses Inverters sichergestellt ist, ergibt sich, daß das Steuerpotential für T. ebenfalls um 5 Volt angehoben wird. Hierdurch werden die normalerweise benötigten negativen Schaltspannungen auf positive Spannungswerte angehoben, die eine ähnliche Amplitude aufweisen wie diejenigen des bipolaren Systems. Die ent sprechenden. Werte der Potentiale zwischen einem bipolaren und einem konventionellen MOS-System sind nachfolgend gezeigt:

Bipolar TTL	4.6 _r	4	0 4 i	0	. -0.	4	MOS Logic
(Volt)	3				(Volt)
5	2				-0
1
		-1
■> 4	6	-2
		— 3
	-4

	-5

Da die Schaltspannung für den MOS-Bauteil zwischen -1,5 und -2,5 Volt liegt, ist der Unterschied zwischen den Spitzenspannungen der logische Potentiale für das MOS-Bauteil von -0,4 Volt und -4,6 Volt ausreichend groß, um ein sicheres Schalten des Transistors zu gewährleisten. Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn vom bipolaren Bauteil ein großer Strom gezogen wird. In diesem Fall steigt die Ausgangsspannung des bipolaren Schaltbauteils nicht bis auf +4,6 Volt an. Die Erfahrung hat gezeigt, daß unter ungünstigen Betriebsbedingungen

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lediglich eine Spannung von +2,4 Volt erreicht wird. Hierbei handelt es sich dann um die Spannung, die am MOS-Transistor T anliegt. Wie sich aus der obigen Tabelle ergibt, entspricht dies einem logischen Spannungswert für das MOS-Bauteil von -2,6 Volt. Dies bedeutet, daß unter ungünstigen Betriebsbedingungen die entsprechenden Eingangsspannungen für das MOS-Bauteil zwischen -4,6 und -2,6 Volt liegen, d.h. bei Werten, welche negativer sind als die normale SchaItspannung zwischen -1,5 und-2,5 Volt. Dies hat zur Folge, daß bei beiden bipolaren logischen Werten'O" und "1^M der Tranistor T₁ eingeschaltet ist. Diese fehlerhafte Arbeitsweise des Systems ist also durch den verminderten Spannungshub bedingt, d.h.. der Transistor T schaltet nicht ab, wenn an ihm der logische Wert "1" anliegt. Weitere Faktoren komplizieren die Situation, wie beispielsweise Rauschspannungen (typischerweise in der Größenordnung von 400 Millivolt) und typische Änderungen der Speisespannung, die, wie zuvor erwähnt, in der Größenordnung von + 0,25 Volt liegen.

Wegen dieser Verhältnisse bei ungünstigen Betriebszuständen ist es natürlich wünschenswert, die Einschaltspannung des Transistors T₁ auf einen Wert anzuheben, der negativer ist als das normale Schaltpotential für diesen Transistor. Vorzugsweise sollte die EinschaItspannung auf einen Mittelwert angehoben werden, der zwischen den Spannungen -4,6 und -2,6 Volt liegt, wie sie bei schlechten Betriebsbedingungen vorkommen. Nimmt man näherungsweise -3,5 Volt als guten Mittelwert, wird das Anheben der Einschaltspannung erreicht durch Ausnützen

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der Tatsache, daß bei einer Erhöhung der Vorspannung für die Eingangsarbeitselektrode des Transistors T. der effektive Schaltschwellwert von T₁ zu negativen Werten wandert. Die vorliegende Erfindung geht davon aus, an die Eingangsarbeitselektrode von T. eine Vorspannung anzulegen, wenn die weniger negative Eingangsspannung von -2,5 Volt an der Steuerelektrode anliegt. Die Weise, mit welcher · dies erreicht wird, zeigt die Fig. 2. Hierbei ist eine zweite Inverterschaltung.bestehend aus den Transistoren T und dem Widerstand R in den Basis-

2 Ct

Emitterkreis der Schaltung nach Fig. 1 eingesetzt. Die Ausgangsarbeitselektrode (drain) von T ist verbunden mit der Eingangsarbeitselektrode vom Transistor T, und einem Ende des Widerstandes R . Das andere Ende des Widerstandes R₀ ist an das Massebezugspotential angeschlossen. Die Eingangsarbeitsleketrode von Transistor T₂ liegt an der Speisepsannung V₅₃ (+5,0 + 0,25 Volt), während die Steuerelektrode von T an die Steuerelektrode von T. angeschlossen ist. Wenn vorausgesetzt wird, daß am Eingang von T. die Spannung -4,6 Volt liegt (logischer Wert "0"), wird T₁ voll ausgesteuert. Weiterhin wird gleichzeitig T voll ausgesteuert, so daß der Verbindungspunkt

B praktisch am Potential V„_s liegt. Auf diese Weise ist die Vorspannung für die Eingangsarbeitselektrode von T₁ sehr gering, so daß T₁ ausgesteuert bleibt. In diesem Betriebszustand arbeitet also die Schaltung in gleicher Weise wie die bekannte Schaltung nach Fig. 1. Beträgt nun die Eingangsspannung von T -2,6 Volt (logischer Wert "1" unter schlechten Betriebsbedingungen) , dann werden beide Transistoren T. und T₂ weitgeringer ausgesteuert als bei einem Eingangssignal von -4,6 Volt. Der aus den Teilen T und R

Ct Ct

gebildete Inverter ist nun so ausgelegt, daß eine

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beträchtliche Vorspannung an Punkt B auftritt, wenn T nicht voll ausgesteuert ist. Infolge dieser Vorspannung an der Eingangsarbeitseleki;rode des Transistor T. wird gleichzeitig die effektive Einschaltspannung auf einen negativeren Wert angehoben in Bezug auf die zweite Eingangsspannung von -2,6 Volt, so daß der Transistor T ausschaltet. Das Vorsehen des Transistors T und des Widerstandes R bewirkt also beim Anlegen einer Eingangsspannung von -2,6 Volt, daß der Einsehaltschwellwert des Transistors T, in negative Richtung verschoben wird.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Widerstände R und R ersetzt sind durch die Transistoren T„ und T.. Mit einer Speisespannung und Schwellwertspannung gleich denjenigen der Schaltung nach Fig. 2 beträgt die Steuerelektrodenspannung V„p für jeden der Transistoren T₃ und T^ -5+ 0,25 Volt. Die Verwendung von MOS-Transistoren T und T. ^Is Widerstände anstelle von diffundierten Widerständen ergibt eine wesentliche Verringerung der Größe des integrierten Bauteils bzw. der integrierten Schaltung. Die Arbeitsweise der Schale tung nach Fig. 3 ist im übrigen identisch mit derjenigen nach Fig. 2, d.h. die Transistoren T- und Tr bilden die Widerstände ^der dort gezeigten Inverter T. und R bzw. T_g und R .

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein integriertes System der Schaltung nach Fig. 3. Die Eingangsspannung liegt an an der Polysilizium-Flache der Steuerelektrode des Transistors T . Der Ausgang wird abgegriffen

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von Ausgangsarbeitselektrode des Transistors T . Die Steuerelektrodenbereiche 6 und G dieser Transistoren weisen eine durchgehende mäanderförmige Form auf. Bei jedem der Transistoren T und T befinden sich die Steuerelektrodenbereiche über P-diffundierten Silizium-Flächen und den daraus gebildeten Arbeitselektrodenbereichen D₁ und S₁ bzw. D und S . Über einem Teil der Arbeitselektrodenbereiche sind Metallschichten niedergeschlagen, wobei ein Metallstreifen 10 die Ausgangsarbeiteelektrode D₂ mit der Eingangsarbeitselektrode S₁ verbindet. Die Metallschicht über der Eingangsarbeitselektrode S₂ steht in Verbindung mit einem zweiten Metallstreifen 11, der seinerseits über einen Streifen P-diffundierten Siliziums an der Spannung V _s liegt.

Die Transistoren T und T. werden gebildet durch Streifen 12 und 13 zwischen einem die Spannung leitenden Streifen und den Ausgangsarbeitselek-

trodenbereichen D. und D . Diese Streifen bilden die Eingangs- und Ausgangsarbeitselektrodenbereiche S» und Si bzw. D„ und D^ dieser Transistoren. Die Steuerelektrodenbereiche G und Gi werden gebildet durch Niederschlag eines Polysilizium-Bereichs über den Streifen 12 und 13» wobei dann ein Metallstreifen aufgebracht wird, der am Potential V„_G liegt,und der in elektrischen Kontakt mit den Bereichen G„ und G. steht. Dem Aufbau der Schaltung nach Fig. 3 ist zu entnehmen, daß die integrierte Schaltung gegenüber den bekannten Schaltungen keiner zusätzlichen Verfahrensschritte bedarf.

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Die vorliegende Beschreibung bezog sich auf MOS-Transistoren mit einem P-Kanal. Sie ist jedoch in gleicher Weise anwendbar beim Zusammenwirken einer bipolaren Schaltung mit einem MOS-Bauteil mit einem N-Kanal. In diesem Fall ist jedoch V das Bezugsmassepotential. Die Ausgangsarbeitselektrode des Transistors T_ liegt an einer positiven Spannung zwischen +5»° und +10,0 Volt. Mit einem derartigen Feldeffekttransistor mit einem N-Kanal kann die Speisespannung für die Ausgangsarbeitselektrode mit den Eigenschaften des Bauteils unterschiedlich sein und beträchtlich weniger als +5)0 Volt betragen, weist jedoch positive Werte auf.

ANSPRUCHE

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Claims

89 Augsburg, den 12. Juli 1972

ANSPRUC HE

Schaltungsanordnung für logische Schaltkreise mit Feldeffekttransistoren, wobei in einer Inverterschaltung ein bipolares Bauteil mit einem Feldeffektbauteil zusammenwirkt, wobei ein Feldeffekttransistor und ein Widerstand in Serie an eine Speisespannungsquelle angeschlossen sind, die einen ersten und zweiten Anschluß mit einem ersten und einem zweiten Potential aufweist, wobei das dem Transistor entgegengesetzte Ende des Widerstands am ersten Anschluß angeschlossen ist und die Steuerelektrode des Transistors an ein Eingangssignal anlegbar ist, welches zwischen zwei Spannungen sich verändert, wobei das erste Potential eine solche Amplitude aufweist, daß der Transistor voll eingeschaltet wird und das zweite Potential eine Höhe aufweist, bei welcher die Leitfähigkeit des Transistors wesentlich geringer ist als beim Anlegen der ersten Spannung und wobei die Ausgangsarbeitselektrode des Transistors zum Abgriff einer Ausgangsspannung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß Schaltungsmittel zum Erzeugen einer Vorspannung an der Eingangsarbeitselektrode des Transistors vorgesehen sind durch welche die effektive Einschaltspannung die-

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ses Transistors auf einen Wert verändert wird, bei welchem die Leitfähigkeit des zweiten Transistors beim Anlegen der zweiten Eingangsspannung an die Steuerelektrode des Transistors im wesentlichen gleich Null ist, wobei diese vorspannungserzeugenden Mittel in Serie zwischen der Eingangsarbeitselektrode des Transistors und dem zweiten Anschluß der Speisespannungsquelle geschaltet sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die vorspannungserzeugenden Schaltmittel aus einem zweiten Transistor T₀ und einem zweiten Widerstand R₀ be-

Gt . tit

stehen, die zusammen eine zweite Inverterschaltung bilden, wobei das dem zweiten Transistor entgegengesetzte Ende des zweiten Widerstandes am Massebezugspotential liegt, die Eingangsarbeitselektrode des zweiten Transistors mit dem zweiten Anschluß des Speisespannungsquelle verbunden ist, die Ausgangsarbeitselektrode des zweiten Transistors mit der Eingangsarbeitselektrode des ersten Transistors verbunden ist und die Steuerelektroden¹ beider Transistoren miteinander in Kontakt stehen, derart, daß beim Anlegen des ersten Eingangspotentials der zweite Transistor eine hohe Leitfähigkeit aufweist, so daß die Eingangsarbeitselektrode des ersten Transistors im wesentlichen an einem Potential des zweiten Anschlusses der Speisespannungsquelle liegt und der erste Transistor voll ausgesteuert ist und derart, daß beim Anlegen des zweiten Eingangspotentials die Leitfähigkeit des. zweiten Transistors relativ gering ist, wodurch an der Eingangsarbeitselektrode des ersten Transistors eine Vorspannung anliegt,

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die das effektive Einschaltpotential des ersten
Transistors in Richtung eines solchen Wertes
verschiebt, daß die Leitfähigkeit des ersten
Transistors beim Anlegen des zweiten Eingangspotentials im wesentlichen gleich Null ist,wobei die Widerstandswerte des zweiten Transistors
und des zweiten Widerstandes einen Spannungsteiler bilden, der die gerwünschte^Vorspannung für
die Eingangsarbeiteelektrode des ersten Transistors erzeugt.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der dem ersten
Transistor zugeordnete Widerstand von der Arbeitselektrodenstrecke eines dritten Feldeffekttransistors gebildet wird, dessen Eingangsarbeitselektrode mit
der Ausgangsarbeitselektrode des ersten Transistors verbunden ist und dessen Ausgangsarbeitselektrode
am ersten Anschluß der Speisespannungsquelle liegt, während die Steuerelektrode an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Widerstand gebildet wird durch einen vierten Transistor, dessen Ausgangsarbeitselektrode am Massebezugspotential liegt und dessen Eingangsarbeitselektrode
mit der Ausgangsarbeitselektrode des zweiten Transisto verbunden ist, während die Steuerelektrode des vierten Transistors an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist.

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Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Potential der Speisespannungsquelle das Massebezugspotential ist und das zweite Potential der Speisespannungsquelle positiv in Bezug auf das erste Potential ist, wobei das zwischen zwei Spannungen sich veränderte Eingangssignal in Bezug auf das Massebezugspotential positiv und in Bezug auf das zweite Potential der Speisespannung negativ ist.

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