DE2510604A1

DE2510604A1 - Integrierte digitalschaltung

Info

Publication number: DE2510604A1
Application number: DE19752510604
Authority: DE
Inventors: Gerard Cachier; Jean Paul Puron
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-03-12
Filing date: 1975-03-11
Publication date: 1975-09-18
Also published as: FR2264434B1; DE2510604C2; JPS50127548A; US4028556A; FR2264434A1; GB1502639A

Description

75360 Paris / Frankreich

Unser Zeichen; T 1743

Integrierte Digitalschaltung

Die Erfindung betrifft sehr schnelle integrierte Digitalschaltungen mit geringem Leistungsverbrauch. Es handelt sich irisbesondere um NOR-Schaltungen und NAND-Schaltungen, d.h. um Torschaltungen, welche die logischen Verknüpfungen NICHT ODER bzw. NICHT UND ausführen. Diese Torschaltungen sollen auf ein und derselben Siliziumscheibe hergestellt werden und ausserdem:

1 - kompatibel, d.h. zu einer Kette miteinander verbindbar sein, wobei die Ausgangssignale eines Gliedes der Kette das folgende Glied zu steuern erlauben.

2 - parallel mehrere gleiche Digitalschaltungen steuern können, die parallel an ihren Ausgang angeschlossen sind, also eine gewisse Ausgangsfächerung (fan-out oder Ausgangslastfaktor) in der Grössenordnung von einigen Einheiten auf-

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Gegenwärtig ist man zwar bereits in der Lage/ solche Schaltungen mit bekannten Mitteln herzustellen, jedoch unter Beachtung eines gewissen Kompromisses zwischen ihrer Ausgangsfächerung oder der Leistung, die sie verbrauchen, und ihrer Schaltgeschwindigkeit, die anhand der Laufdauer einer Information in der Digitalschaltung oder der Fortschalt-Verzögerungszeit t , (entsprechend

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der englischen Bezeichnung "propagation delay time") abgeschätzt wird. Die Güte des Kompromisses wird oft durch das Produkt in Pikojoule aus der verbrauchten Leistung in Milliwatt und der Zeit t , in Nanosekunden ausgedrückt, das a\s"Gütefaktor" bezeichnet wird. Der Kompromiss ist umso besser, je kleiner dieses Produkt ist.

Die Erfindung ermöglicht. Schaltungen herzustellen, welche einen Gütefaktor aufweisen, der einem Produkt in der Grössenordnung von einem Zehntel Pikojoule entspricht, ein Ergebnis also, welches besser ist als das bei den bekannten Ausführungsformen erzielte.

Die Schaltung nach der Erfindung enthält eine erste Stufe, die über eine sättigbare Last gespeist wird und zumindest einen Eingangstransistor aufweist, und eine zweite Stufe, die einen Transistor in Reihe mit einem Spannungsschieber aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die sättigbare Last und der Spannungsschieber jeweils einen Feldeffekttransistor enthalten, dessen Gate- und Sourceelektroden kurzgeschlossen sind, dass die Eingangs- und Ausgangstransistoren Feldeffekttransistoren sind und dass der Absolutwert der Schwellenspannung eines Eingangstransistors viel kleiner ist als die Schwellenspannung aller anderen Transistoren der Schaltung.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus

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der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Die Fig. 1 und 5 Schaltbilder von Schaltungen nach

der Erfindung, und

die Fig. 2 bis 4 Erläuterungskurven.

Fig. 1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild eines integrierten Schaltungselements, welches ein Beispiel einer NOR-Schaltung nach der Erfindung darstellt. Drei N-Kanal-Feldeffekttransistoren T,, T₂ und T_ sind derart parallel geschaltet, dass ihre Drain-Source-Strecke zwischen einem Punkt A (Drain-Seite) und einer Masse 11 (Source-Seite) liegt. Die Gateelektroden dieser Transistoren sind mit Anschlüssen 1 bzw. 2 bzw. 3 verbunden, welche drei Eingänge der NOR-Schaltung bilden. Der Punkt A ist mit der Sourceelektrode, die selbst mit der Gateelektrode verbunden ist, eines Transistors RSA, (als sättigbare Last geschaltet) verbunden, dessen Drain-Anschluss über einen Leiter 10 mit dem positiven Pol einer nicht dargestellten Stromversorgungseinheit verbunden ist, welche eine Gleichspannung V, (+1,5 V) liefert. Der durch den Punkt A gehende Zweig der Schaltung, der soeben beschrieben wurde, bildet die erste Stufe der NOR-Schaltung. Zwischen dem Leiter 10 und einem Leiter 12, der mit dem negativen Pol einer Gleichstromversorgungseinheit V„ (-0,6 V) verbunden ist, liegen in Reihe:

- die Drain-Source-Strecke eines Transistors T.,

- die Anode-Kathode-Strecke einer Diode D,

- die Drain-Source-Strecke eines Transistors RSA₀, der als sättigbare Last (Gateelektrode mit der Sourceelektrode verbunden) geschaltet ist.

Der Punkt A ist mit dem Gateanschluss des Transistors T.

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verbunden. Der Punkt C, der mit der Kathode der Diode D und mit dem Drain-Anschluss des Transistors RSA₃ verbunden ist, ist mit drei Anschlüssen 4,5 und 6 verbunden, welche drei Ausgänge der Torschaltung bilden. Der Punkt B an dem Sourceanschluss des Transistors T. ist nur ein

Zwischenpunkt des Schaltbildes. Der durch den Punkt B gehende zweig der Schaltung bildet die zweite Stufe der NOR-Schaltung.

In dem Fall der Erfindung handelt es sich bei den Feldeffekttransistoren der Schaltung:

- hinsichtlich der drei Eingangstransistoren T,, T_

und T_ um Feldeffekttransistoren mit niedriger Schwellenspannung ( beispielsweise -0,2 V).

- hinsichtlich des Ausgangstransistors T₄ und der als sättigbare Last geschalteten Transistoren um Feldeffekttransistoren mit deutlich negativer Schwellen— spannung (-0,6 V).

In dem Beispiel von Fig. 1 sind die Transistoren T,, T„ und T- Transistoren mit Schottky-Gate und derart dimensioniert, dass sie einen Drain-Source-Strom abgeben:

- der bei einer Gate-Source-Spannung in der Grössenordnung von 0,4 V kleiner als 2 μΑ ist.

- der unter Berücksichtigung der sättigbaren Last bei einer Gate-Source-Spannung von +0,4 V kleiner als 25 μΑ ist.

Die Transistoren des oben genannten zweiten Typs sind derart dimensioniert, dass bei einer Gate-Spannung von 0 Volt:

- der Transistor RSA₁ etwa 20 mA liefert.

.- die Transistoren T₄ und RSA etwa 40 mA liefern.

Die Wirkungsweise einer Torschaltung des in Fig. 1 dargestellten

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Typs ist in bezug auf die Aufeinanderfolge der digitalen Zustände bekannt. Die erreichten Niveaus und die entsprechenden Abgabeleistungen der Stromversorgungseinheit stellen jedoch ein vorteilhaftes Resultat der Erfindung dar. Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen dieses Resultat.

In Fig. 2 sind in einem Strom-Spannungsdiagramm die Kennlinien des Drain-Source-Stroms I_A für die Transistoren des durch den Punkt A gehenden Zweiges (der Gate-Strom des Transistors T. wird als vernachlässigbar angenommen) in Abhängigkeit von der Spannung V zwischen dem Punkt A und Masse dargestellt. Für jeden von ihnen ergibt sich, getrennt betrachtet, als Kennlinie:

- in bezug auf den Transistor RSA, eine gestrichelte Kurve 25.

- ein ausgezogene Kurve 20 oder 21 oder 22 beispielsweise für den Transistor T,, je nachdem, ob das Gate-Potential O Volt oder -0,4 Volt oder +0,4 Volt beträgt.

Wenn man die beiden Transistoren in Reihe schaltet, wie in dem linken Zweig des Schaltbildes von Fig. 1, erhält man einen Inverter, welcher Ausgangsniveaus entsprechend den Eingangsniveaus nach folgender Tabelle erzeugt:

Potentialniveaus

Eingang 1

niedrig hoch

Ausgang A

hoch niedrig

In dem Fall des gewählten Beispiels sind die Werte dieser Potentiale durch die Schnittpunkte der Kennlinien 21 und 22 mit der Kennlinie 25 gegeben, also:

Eingang 1

V„ = - 0,4 Volt V„ = + 0,4 Volt

Ausgang A

V₇, =1,5 Volt (Punkt H₇)

A . η

V = 0,1 Volt (Punkt L_A)

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Es ist zu erkennen, dass die Spannungen der Zustände hohen Potentials verschieden sind, je nachdem, ob es sich um den Eingang oder um den Ausgang handelt. Dasselbe gilt für die Spannungen der Zustände niedrigen Potentials. Man sagt, dass die Digitalschaltung (hier auf den Inverter des betreffenden Zweiges beschränkt) nicht kompatibel ist.

Der Zweck des rechten Zweiges, welcher den Transistor T,, die Diode D und den Transistor RSA enthält, besteht darin, die Gesatntschaltung kompatibel zu machen und ausserdem die Leistung zu liefern, die erforderlich ist, um eine bestimmte Ausgangsfächerung sicherzustellen. Er erfüllte eine doppelte Aufgabe als Verstärker und als Spannungsschieber.

Fig. 3 gestattet, die Arbeitstabellen für die Gesamtheit der Schaltung von Fig. 1 zu erstellen, indem die elektrischen Werte in den Zuständen hohen und niedrigen Potentials in dem Punkt A bzw. in dem Punkt C angegeben werden. Die gestrichelte Kurve 35 ist die Kennlinie des getrennt betrachteten Transistors RSA zwischen dem Punkt C und der Stromversorgungseinheit V-· Die ausgezogenen Kurven 31 und 32 sind die Kennlinien einer den Transistor T. und die Diode D enthaltenden Reihenschaltung,

Die Kurve 31 entspricht:

V_A = 1,5 Volt
und die Kurve 32 entspricht:

V_A =o,2 Volt.

Die Schnittpunkte mit der Kurve 35, d.h. die Punkte H und L entsprechen Ausgangsspannungen:

V_c = + 0,4 Volt
und V = - O, 4 Volt.

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Die Arbeitstabelle für die Gesamtschaltung ist somit:

Eingang 1 Ausgang C - 0,4 V + 0,4 V + 0,4 V - 0,4 V

Es ist ausserdem zu erkennen, dass für denselben Zustand niedrigen oder hohen Potentials die Stromabgabe I in dem rechten Zweig grosser ist als die Stromabgabe I in dem linken Zweig. Die verbrauchte Leistung bleibt jedoch insgesamt sehr gering_/ in der Grössenordnung von 0,1 mW.

Die Übertragungskennlinie der NOR-Schaltung ist durch die Kurve von Fig. 4 gegeben, in welcher auf der Abszisse die Eingangsspannungen V„ und auf der Ordinate die Ausgangsspannungen V aufgetragen sind. Eine Kurve, die diesen Verlauf hat, sichert einen guten Schutz gegen Rauschen.

Die Herstellung der Transistoren T,, T₂ und T-, die sich durch ihre niedrige Schwellenspannung (0,2 V) und ihre Schaltzeit von unter einer Nanosekunde auszeichnen, wird in bezug auf den N-leitenden Kanal durch die Ionenimplantationstechnik erleichert. Die Kapazitäten der Source- und Drainelektroden können in diesem Fall ebenso wie die Länge des Leitungskanals sehr gering sein, was die Schaltgeschwindigkeit begünstigt. Solche Transistoren können als integrierte Schaltung auf einem Substrat mit einem spezifischen Widerstand von etwa 100 Qcm hergestellt werden.

Die Leistungsdaten einer NOR-Schaltung nach der Erfindung mit drei Eingängen und mit drei Ausgängen können folgende Werte haben:

^fcpd ⁼ °'^{8 nS/}

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also für eine mittlere Leistung von O₁15 mW: W . t , = 0,12 pj.

Bei einer abgewandelten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Eingangstransistoren zwischen dem Punkt A und der Masse 11 in Reihe und nicht mehr parallel geschaltet. Man erhält auf diese Weise eine in Fig."5 dargestellte NAND-Schaltung, welche die logische Verknüpfung NICHT UND ausführt. In der Schaltung von Fig. 5 liegen die Drain-Source-Strecken von drei Transistoren T, , T₂₀ und T__Q, die von denselben Typ sind wie die drei Transistoren T-,/ Tp und T , in Reihe. Die Gateanschlüsse 100, 200 und dieser Transistoren bilden die drei Eingänge der NAND-Schaltung. Die anderen Bauelemente dieser Torschaltung stimmen mit denen der Schaltung von Fig. 1 überein.

Die Betriebsweise der NAND-Schaltung ist der der NOR-Schaltung analog, mit folgender wichtigen Ausnahme: zwei der drei Eingangstransistoren müssen in dem leitenden Zustand sein, damit die über den dritten Transistor eingegebenen Signale Ausgangssignale an dem Punkt C verursachen.

In einer nicht dargestellten abgewandelten Ausführungsform sind die drei Eingangstransistoren der NAND-Schaltung durch einen einzigen Transistor mit drei Gateelektroden ersetzt.

Die Leistungsdaten dieser NAND-Schaltungen sind im wesentlichen dieselben, wenn dieselbe Technologie wie in den vorangehenden Beispielen verwendet wird.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung sind die Transistoren mit Schottky-Gate durch Transistoren mit PN- oder

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NP-Übergang oder durch MOS-Transistoren mit isoliertem Gate ersetzt.

Wenn man P-Kanal-Feldeffekttransistoren anstelle der in den vorangehenden Beispielen verwendeten N-Kana1-Feldeffekttransistoren verwenden würde, müssten das Vorzeichen der Polungen der Stromversorgungseinheiten sowie die Richtung der Ausgangsdiode verändert werden. Die erzielten Resultate wären in bezug auf die Schaltgeschwindigkeit weniger gut.

Schliesslich ist bei einer in bezug auf die Übertragungskennlinie weniger leistungsfähigen Ausführungsform die Diode des Ausgangszweiges durch einen einfachen Widerstand ersetzt.

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Claims

Patentansprüche ι

1. Sehr schnelle integrierte Digitalschaltung mit geringem Leistungsverbrauch, welche eine erste Stufe mit mindestens zwei Feldeffekttransistoren und eine zweite Stufe mit mindestens einem Feldeffekttransistor aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenspannung und der Leistungs— verbrauch der Transistoren der ersten Stufe deutlich kleiner sind als die Schwellenspannung und der Leistungsverbrauch des Transistors der zweiten Stufe.

2. Digitalschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe über eine sättigbare Last gespeist wird, die aus einem Feldeffekttransistor besteht, dessen Gateelektrode und Sourceelektrode kurzgeschlossen sind, und dass die zweite Stufe einen Spannungsschieber aufweist, welcher eine Halbleiterdiode enthält.

3. Digitalschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diode eine Schottky-Diode ist.

4. Digitalschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsschieber ausserdem in Reihe mit dem Feldeffekttransistor einen ohmschen Widerstand aufweist.

5. Digitalschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Eingangstransistoren aufweist, deren Drain-Source-Strecken parallel geschaltet sind, und dass die Schaltung eine NOR-Schaltung bildet.

6. Digitalschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Eingangstransistoren enthält,deren

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Drain-Source-Strecken in Reihe geschaltet sind, und dass die Schaltung eine NAND-Schaltung bildet.

7. Digitalschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoren MOS(Metal Oxide Semiconductor)-Feldeffekttransistoren sind.

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