DE2851825C2

DE2851825C2 - Integrierte Halbleiterschaltung mit MIS-Feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE2851825C2
Application number: DE19782851825
Authority: DE
Inventors: Hubertus von Dr.rer.nat. 8000 München Dewitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1978-11-30
Publication date: 1987-03-12
Also published as: DE2851825A1

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, die sogenannte "Bootstrap-Schaltung" hinsichtlich ihrer Reaktionsgeschwindigkeit und der Ausgepraegtheit ihrer Signale weiter zu verbessern. Erfindungsgemaess ist der Signalausgang der Bootstrapschaltung an den Teilerpunkt eines aus einem Kondensator und einem weiteren als Widerstand geschalteten MOS-Transistor bestehenden Spannungsteilers gelegt, wobei der Kondensator am Bezugspotential und der Transistor mit Drain und Gate am Versorgungspotential liegt. Ausserdem sind die beiden als Widerstand geschalteten Transistoren und - im Gegensatz zu den beiden Eingangstransistoren - als Depletiontyp-Transistoren ausgebildet. Durch diese Massnahmen laesst sich vor allem die Schaltgeschwindigkeit um mehr als die Haelfte verkuerzen. des Impulswandlers - und zwar ein Eingang direkt, der andere

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit MIS-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp und einem Schaltungsteil, bei dem ein Signaleingang auf die Gateelektrode eines ersten und eines zweiten MIS-Feldeffekttransistors geschaltet und die Sourceelektroden dieser beiden Feldeffekttransistoren an ein gemeinsames Bezugspotential gelegt sind, bei dem außerdem der Drainanschluß des ersten MIS-Feldeffekttransistors über die Source-Drainstrecke eines dritten MIS-Feldeffekttransistors und der Drainanschluß des zweiten MIS-Feldeffekttransistors über die Source-Drainstrecke eines vierten MIS-Feldeffekttransistors an ein gemeinsames Versorgungspotential gelegt sind, bei dem ferner ein Schaltungspunkt zwischen dem ersten und dem dritten MIS-Feldeffekttransistor mit dem Gate des vierten MIS-Feldeffekttransistors und außerdem über einen Kondensator einerseits mit dem Gate des dritten MIS-Feldeffektransistors und andererseits mit einem Lastwiderstand verbunden und über diesen Lastwiderstand an das gemeinsame Versorgungspotential geschaltet ist, bei dem weiterhin der Lastwiderstand durch die Source-Drainstrecke eines fünften MIS-Feldeffekttransistors gegeben ist, dessen Gate am gemeinsamen Versorgungspotential liegt und bei dem schließlich ein zwischen dem zweiten und dem vierten MIS-Feldeffekttransistor liegender Anschluß vorgesehen ist.
Solche als Bootstrap-Stufen bekannten Schaltungsteile werden z. B. dann angewendet, wenn eine große kapazitive Last schnell auf den logischen Pegel "1" aufgeladen werden soll. Deshalb werden solche Schaltungen auch als Ausgang für interne Taktgeber in monolithisch integrierten MOS-Digitalschaltungen verwendet. Die Stufe ist z. B. in dem Buch von Becker und Mäder "Hochintegrierte MOS-Schaltungen" (1972) S. 75 beschrieben.
Der Schaltungsteil ist in Fig. 1 dargestellt. Wie bei Bootstrap-Stufen allgemein üblich, sind sämtliche Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp, was auch für den als Lastwiderstand dienenden fünften Tansistor gilt. Gewöhnlich sind die Transistoren als MOS-Transistoren ausgebildet, obwohl die Verwendung einer aus einem anderen Material als SiO₂ bestehenden Gateisolation durchaus denkbar ist. Die monolithische Herstellung bedingt dann in der Regel, daß die Feldeffekttransistoren auch vom selben Typ hinsichtlich ihrer Dotierungsverhältnisse sind.
Der Signaleingang E des Schaltungsteils ist mit den Gateelektroden des ersten MIS-Transistors T ₁ und des zweiten MIS-Transistors T ₂ verbunden, deren Sourceanschlüsse über die Source-Drainstrecke je eines weiteren MIS-Transistors an das gemeinsame Versorgungspotential V _DD geschaltet sind. Dabei ist dem ersten MIS-Transitor T ₁ der dritte MIS-Transistor T ₃ und dem zweiten MIS-Transistor T ₂ der vierte MIS-Transistor T ₄ zugeordnet.
Ein zwischen dem ersten Transistor T ₁ und dem dritten Transistor T ₃ liegender Knoten a ist einerseits mit dem Gate des vierten Transistors T ₄ und andererseits mit der einen Elektrode eines Kondensators C ₁ verbunden, dessen zweiter Anschluß einerseits am Gate des dritten Transistors T ₃ und andererseits über die Source-Drainstrecke des als Widerstand geschalteten fünften MIS- Transistors T ₅ am gemeinsamen Versorgungspotential V _DD liegt. Der Gateanschluß des fünften MIS-Transistors T ₅ ist deshalb mit dem Drain dieses Transistors T ₅ verbunden und somit an das gemeinsame Versorgungspotential V _DD gelegt.
Liegt der Signaleingang E der in Fig. 1 dargestellten Bootstrap-Stufe am logischen Pegel "1", so sind die beiden Transistoren T ₁ und T ₂ durchgesteuert, so daß die Spannung an dem zwischen dem zweiten Transistor T ₂ und dem vierten Transistor T ₄ liegenden und den Ausgang der in Fig. 1 dargestellten Stufe bildenden Anschluß b 0 Volt beträgt. Damit wird der Kondensator C ₁ auf die Spannung V _DD abzüglich des durch den fünften MIS-Transistors T ₅ bedingten Spannungsabfall aufgeladen. Wechselt der Eingang E auf den logischen Pegel "0", so werden die beiden Transistoren T ₁ und T ₂ gesperrt, wodurch das Gate des vierten Transistors T ₄ über den dritten Transistor T ₃ aufgeladen wird. Über den Kondensator C ₁ wird der Spannungsanstieg an das Gate des dritten Transistors T ₃ rückgekoppelt, wodurch der Transistor T ₃ niederohmiger und der Aufladevorgang begünstigt wird. Die Gatespannung des Transistors T ₃ wird über das Versorgungspotential V _DD angehoben, so daß das Gate des Transistors T ₄ bis auf das Versorgungspotential V _DD aufgeladen wird. Mit dieser Schaltung kann man somit maximale Taktspannung von V _DD - U _T (U _T = Spannungsabfall am Lastelement T ₅) und kurze Übergangszeiten zwischen den beiden Zuständen der Schaltung erreichen.
Nun besteht die Möglichkeit, die Schaltung hinsichtlich der Stabilisierung ihrer Signale und hinsichtlich ihrer Schaltgeschwindigkeit weiter zu verbessern. So kann man z. B. einen RC-Spannungsteiler vorsehen, dessen Lastelement am gemeinsamen Betriebspotential V _DD, dessen zweites Element - ein Kondensator - am gemeinsamen Bezugspotential V _b und ein zwischen den beiden Elementen liegender Knoten einerseits den Ausgang c der so verbesserten Stufe bildet und andererseits an dem zwischen dem zweiten und dem vierten MIS-Transistor, also den Transistoren T ₂ und T ₄ vorgesehenen Anschluß b liegt. Dann hat man das aus Fig. 3 ersichtliche schaltungsmäßige Verhalten der Anordnung.
Wie jedoch gemäß der Erfindung erkannt wurde, läßt sich eine wesentlich weitere Verbesserung im elektrischen Verhalten der Bootstrap-Stufe erreichen, wenn man noch zusätzlich den fünften Transistor T ₅ und das Lastelement des Spannungsteilers, also eines sechsten MIS-Feldeffekttransistors T ₆, als Verarmungstyp-Transistoren und wenigstens den ersten und den zweiten MIS-Feldeffekttransistor als Anreicherungstyp-Transistoren ausbildet, wobei bevorzugt die Source- und Drainzonene sämtlicher Transistoren des Schaltungsteils denselben Leitungstyp aufweisen. Ferner stimmten die Anreicherungstyp-Transistoren einerseits und die Verarmungstyp-Transistoren andererseits jeweils bevorzugt in ihren Dotierungsverhältnissen überein.
Eine entsprechend der eingangs gegebenen Definition und entsprechend der Erfindung ausgestaltete integrierte Halbleiterschaltung ist demgemäß dadurch gekennzeichnet, daß dem vierten MIS-Feldeffekttransistor T ₄ ein als Widerstand geschalteter sechster MIS-Feldeffekttransistor T ₆ parallel geschaltet ist, der mit seinem Sourceanschluß einerseits mit einem zwischen dem zweiten und dem vierten MIS-Feldeffekttransistor T ₂ und T ₄liegenden Anschlußpunkt b verbunden und andererseits über einen zweiten Kondensator C ₂ am gemeinsamen Bezugspotential V _b liegt und daß außerdem der fünfte und der sechste MIS-Feldeffekttransistor T ₅ und T ₆ des Schaltungsteils wenigstens im Gegensatz zum ersten und zweiten MIS-Feldeffekttransistor T ₁ und T ₂ als Verarmungstyp- Transistoren ausgestaltet sind.
Bei der in Fig. 2 dargestellten und der Erfindung entsprechenden Anordnung ist außerdem ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Anordnung auch der dritte und der vierte MIS-Feldeffekttransistor als Anreicherungtyp-Transistor ausgestaltet. Das auch gegenüber einer lediglich mit einem Spannungsteiler T ₆, C ₂ im Ausgang ausgestatteten Bootstrap-Stufe unterschiedliche Verhalten ist in Fig. 4 im Diagramm dargestellt.
Hinsichtlich der Realisierung der beiden Kondensatoren C ₁ und C ₂ ist dabei zu sagen, daß diese in üblicher Weise als MIS-Kondensatoren, also bevorzugt als MOS-Kondensatoren, ausgebildet sind. Sie bestehen dann aus einer die Dotierung der Source- und Draingebiete der beteiligten Feldeffekttransistoren aufweisenden Zone im Halbleiterkristall als erste Kondensatorelektrode, einer der Gateisolation der Transistoren entsprechenden und die erste Kondensatorelektrode abdeckenden Isolierschicht als Dielektrikum und einer auf der Isolierschicht aufgebrachten Metallisierung oder dotierten Halbleiterschicht als zweite Kondensatorelektrode.
Stellt man unter sonst gleichen Verhältnissen eine in Fig. 2 dargestellte Schaltung her, bei der auch die Transistoren T ₅ und T ₆ als Transistoren vom Anreicherungstyp hergestellt sind, und eine Schaltung, bei der als einziger Unterschied gegenüber der zuerst genannten Schaltung der Umstand zu verzeichnen ist, daß die beiden Transistoren T ₅ und T ₆ vom Verarmungstyp sind, so wird man den aus den Fig. 3 und 4 ersichtlichen Unterschied selbst ohne weiteres feststellen können. Insbesondere wird man feststellen, daß trotz der identischen Bemessung und Dotierung die Schaltzeit der der Erfindung entsprechenden Anordnung auch gegenüber einer mit einem Spannungsteilerausgang ausgestatteten Bootstrap- Stufe etwa um die Hälfte und gegenüber einer lediglich der in Fig. 1 dargestellten Stufe um ein noch größeres Ausmaß gesunken ist. Durch den Signaleingang E, an dem das Signal E mit dem aus den Fig. 3 und 4 ersichtlichen gleichen Spannungsverlauf anhängig ist, wird der Knoten d zwischen dem fünften Transistor T ₅ und dem ersten Kondensator C ₁ auf V _DD vorgeladen und kann somit schneller auf höhere Spannungswerte angehoben werden, was bei einem Vergleich der Diagramme gemäß Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich ist.
Um den angestrebten Effekt noch stärker herauszuarbeiten, empfiehlt es sich, wenn man die sich aufgrund des fünften MIS-Feldeffekttransistors T ₅ und des ersten Kondensators C ₁ ergebende RC-Zeit größer, insbesondere wesentlich größer (d. h. auf mindestens das Fünffache) als die sich aufgrund der Schaltung ergebende Aufladezeit für den Kondensator C ₂ einstellt. Damit wird erreicht, daß der Eintritt der am Knoten d liegenden Spannung in die Sättigung bzw. in das Maximum vor dem Eintritt der Spannung am Ausgang c der Stufe in die Sättigung erreicht wird.
Zu bemerken ist noch, daß auch die Transistoren T ₃ und T ₄ ggf. als Transistoren vom Verarmungstyp ausgestaltet sein können, wodurch man u. U. eine noch höhere Ausgangsspannung erhält.

Claims

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit MIS-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp und einem Schaltungsteil, bei dem ein Signaleingang auf die Gateelektrode eines ersten und eines zweiten MIS-Feldeffekttransistors geschaltet und die Sourceelektroden dieser beiden Feldeffektransistoren an ein gemeinsames Bezugspotential gelegt sind, bei dem außerdem der Drainanschluß des ersten MIS-Feldeffekttransistors über die Source-Drainstrecke eines dritten MIS-Feldeffekttransistors und der Drainanschluß des zweiten MIS-Feldeffekttransistors über die Source-Drainstrecke eines vierten MIS-Feldeffekttransistors an ein gemeinsames Versorgungspotential gelegt sind, bei dem ferner ein Schaltungspunkt zwischen dem ersten und dem dritten MIS-Feldeffekttransitor mit dem Gate des vierten MIS-Feldeffekttransistors und außerdem über einen Kondensator einerseits mit dem Gate des dritten MIS-Feldeffekttransistors und andererseits mit einem Lastwiderstand verbunden und über diesen Lastwiderstand an das gemeinsame Versorgungspotential geschaltet ist, bei dem weiterhin der Lastwiderstand durch die Source-Drainstrecke eines fünften MIS-Feldeffekttransistors gegeben ist, dessen Gate am gemeinsamen Versorgungspotential liegt und bei dem schließlich ein zwischen dem zweiten und dem vierten MIS-Feldeffekttransistor liegender Anschluß vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem vierten MIS-Feldeffekttransistor T ₄ ein als Widerstand geschalteter sechster MIS- Feldeffekttransistor (T ₆) parallel geschaltet ist, der mit seinem Sourceanschluß einerseits mit einem zwischen dem zweiten und dem vierten MIS-Feldeffekttransistor (T ₂ und T ₄) liegenden Anschlußpunkt (b) verbunden und andererseits über einen zweiten Kondensator (C ₂) am gemeinsamen Bezugspotential (V _b) liegt und daß außerdem der fünfte und der sechste MIS-Feldeffekttransistor (T ₅ und T ₆) des Schaltungsteils wenigstens im Gegensatz zum ersten und zweiten MIS-Feldeffekttransistor (T ₁ und T ₂) als Verarmungstyp-Transistoren ausgestaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem ersten und dem zweiten MIS-Feldeffekttransistor (T ₁ und T ₂) auch der dritte und der vierte MIS- Feldeffekttransistor (T ₃ und T ₄) als Anreicherungstyp- Feldeffekttransistor ausgestaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den fünften MIS-Feldeffekttransistor (T ₅) und den ersten Kondensator (C ₁) bedingte RC-Zeit größer als die Aufladezeit des zweiten Kondensators (C ₂) eingestellt ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei den beiden als Widerstand geschalteten Transistoren (T ₅ und T ₆) vom Verarmungstyp das Gate mit dem Drain des betreffenden Transistors verbunden ist.

5. Integrierte Halbleiterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich aus den Dimensionierungen des fünften MIS- Feldeffekttransistors (T ₅) und des ersten Kondensators (C ₁) ergebende Zeitkonstante mindestens das Fünffache einer Aufladezeit beträgt, die der zweite Kondensator (C ₂) aufweist.