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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Feldeffekttransistorschaltung, und insbesondere auf eine
Gegentaktschaltung, die für eine Ausgangsstufe einer
integrierten Halbleiterschaltung geeignet ist.
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Für die Ausgansstufe einer integrierten Halbleiterschaltung
wird häufig eine Gegentaktschaltung verwendet, die aus zwei
Feldeffekttransistoren gleicher Charakteristik besteht.
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Fig. 4 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel einer typischen
Geentaktschaltung zeigt, wie in DCFL-Schaltungen (Direct
Coupled FET Logic) etc. benutzt wird. Zwischen der positiven
Leistungsversorgung (VDD) und Erde sind zwei
Feldeffekttransistoren Q&sub1; und Q&sub2; in Reihe geschaltet. Ein
positives Eingangssignal VIN wird an die Gatterelektrode des
Transistors Q&sub1; angelegt, während ein invertiertes
Eingangssignal an die Gatterelektrode des Transistors Q&sub2;
angelegt wird. der Drain des Transistors Q&sub1; ist an die positive
Leistungsversorgung angeschlossen, während die Source des
Transitors Q&sub2; an Erde gelegt ist, um ein Ausgangssignal VAUS
dem Ausgangspunkt AUS zu entnehmen, der einen Verbindungsknoten
der Source des Transistors Q&sub1; und des Drain des Transistors Q&sub2;
bildet. Zur Betriebssimulation ist eine Last 1, die einen
Kondensator C und einen Widerstand R in Parallelschaltung
umfaßt, an den Ausgangspunkt AUS angeschlossen. Diese Last
besitzt beispielsweise einen Kapazitätswert von 10 pF und einen
Widerstandswert von 100 Kilo-Ohm.
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Bei dieser Schaltung werden, wenn VIN einen (niedrigen) L-Pegel
auweist und auf (hohen) H-Pegel übergeht, die Transistoren
Q&sub1;
bzw. Q&sub2; jeweils entsprechend ein- bzw. ausgeschaltet. Damit
fließt ein Drain-Strom Id, um den Kondensator C zu laden.
Entsprechend wird das Potential am Ausgangspunkt angehoben, was
zu einem H-Pegel führt.
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Bei einer solchen Schaltungskonfiguration wird aber, da die
Gatter-Source-Spannung VGS des Transistors Q&sub1; abgesenkt wird,
wenn VAUS ansteigt, der Drainstrom Id abgesenkt, was zu einer
verringerten Lasttreibfähigkeit führt.
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Wenn daher in Fig. 4 Transistoren mit völlig gleichen
Charakteristika als Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; verwendet werden,
ist das Anstiegsvermögen, um von L-Pegel auf H-Pegel
überzugehen, geringer als das Abstiegsvermögen, um von H-Pegel
auf L-Pegel überzugehen.
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der
Ausgangs spannung (Wellenform A) und dem Stromverbrauch
(Wellenform B) in einer solchen herkömmlichen
Gegentaktschaltung wiedergibt, wobei die Abszisse die Zeit
(Nanosekunden) darstellt. Wie aus der Figur hervorgeht, wird
der Strom von 350 uA auf einen üblichen Wert von 500 uA erhöht,
wenn die Ausgangsspannung auf das dargestellte Maß ansteigt.
Daher kann nicht gesagt werden, daß ein ausreichender Strom
geliefert wird. Es kann nämlich nicht gesagt werden, daß die
Spannung steil ansteigt, was zu einer unzureichenden
Lasttreibfähigkeit führt.
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Dementsprechend besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung
darin, eine Feldeffekttransistorschaltung zu schaffen, die eine
Gegentaktschaltung mit einer ausgezeichneten Lasttreibfähigkeit
bildet.
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Gemäß der Erfindung ist eine Feldeffekttransistorschaltung mit
einem ersten und einem zweiten Feldeffekttransistor vorgesehen,
die auf dem gleichen Substrat gebildet sind, wobei der erste
Transistor einen Drain aufweist, der an eine
Leistungsversorgung positiver Spannung angeschlossen ist, und
der ein Gatter aufweist, das so angepaßt ist, daß ein
Eingangssignal daran angelegt wird, wobei der zweite Transistor
aufweist: einen Drain, der an die Source des ersten
Feldeffekttransistors angeschlossen ist; ein Gatter, das so
angepaßt ist, daß daran ein invertiertes Signal des
Eingangssignals angelegt wird; und eine mit Erde verbundene
Source, wobei der Übergang beider Transistoren als
Ausgangspunkt dient, an den eine Last angeschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterbreite des ersten
Feldeffekttransistors veranlaßt wird, größer als die
Gatterbreite des zweiten Feleffekttransistors zu sein.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei
Feldeffekttransistoren vorgesehen sind, die eine
Gegentaktschaltung bildet, welche auf dem gleichen
Halbleitersubstrat vorgesehen ist, wobei der Drain des ersten
Feldeffekttransistors zum Liefern eines Stromes an eine Last
der beiden Feldeffekttransistoren an eine Leistungsversorgung
angeschlossen ist, wobei die Gatterbreite des ersten
Transistors veranlaßt wird, größer als die Gatterbreite des
zweiten Feldeffekttransistors zum Entladen der Ladungen von der
Last ausgebildet zu sein.
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Somit kann der Drainstrom während der Anstiegszeit gesteigert
werden, was zu einer verbesserten Lasttreibfähigkeit führt.
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Nachfolgend wird der Gegenstand der beigefügten Zeichnungen
kurzgefaßt wiedergegeben.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen
Teilquerschnitt einer Halbleitervorrichtung gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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Fig. 2 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer
Schaltung zeigt, auf die die vorliegende Erfindung
angewandt ist;
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Verbesserung der
Lasttreibbarkeit gemäß der Erfindung veranschaulicht;
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Fig. 4 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer
herkömmlichen typischen Gegentaktschaltung zeigt; und
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine herkömmliche
Lasttreibfähigkeit veranschaulicht.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 2 ist ein Schaltbild, das eine akutelle
Schaltungskonfiguration zeigt. Bei dieser Schaltung ist ein
Inverter 2, der aus in Reihe geschalteten Transistoren Q&sub1;&sub3; und
Q&sub1;&sub4; besteht, an der vorhergehenden Stufe zweier in Reihe
geschalteter Transistoren Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2; vorgesehen, die eine
Gegentaktschaltung bilden. Der Drain des Transistors Q&sub1;&sub1; ist
nämlich an eine positive Leistungsversorgung VDD angeschlossen;
die Source des Transistors Q&sub1;&sub1; und der Drain des Transistors
Q&sub1;&sub2; sind miteinander verbunden; und die Source des Transistors
Q&sub1;&sub2; ist geerdet. Weiter ist die Source des
Verarmungstransistors Q&sub1;&sub3; an die positive Leistungsversorgung
(VDD) angeschlossen; die Source des Anreicherungstransistors
Q&sub1;&sub4; ist mit dem Drain des Transistors Q&sub1;&sub3; verbunden; und der
Drain des Transistors Q&sub1;&sub4; ist geerdet. Das Gatter des
Transistors Q&sub1;&sub3; ist an den Drain desselben angeschlossen, und
der Übergang desselben ist an das Gatter des Transistors Q&sub1;&sub1;
angeschlossen. Weiter sind das Gatter des Transistors Q&sub1;&sub4; und
das Gatter des Transistors Q&sub1;&sub2; normal verbunden und bilden so
einen Signaleingangspunkt VIN. Darüber hinaus dient die
Verbindung des Drain des Transistors Q&sub1;&sub1; und der Source des
Transistors Q&sub1;&sub2; als Ausgangspunkt AUS. Eine Last 1, die eine
Parallelschaltung eines Kondensators C und eines Widerstandes R
umfaßt, ist an den Ausgangspunkt AUS angeschlossen. Diese Last
1 besitzt beispielsweise einen Kapazitätswert von 10 pF und
einen Widerstandswert von 100 Kilo-Ohm.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen
Teilquerschnitt einer Vorrichtungsstruktur gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist ein Feldeffekttransistor als Beispiel gewählt, der aus
einem chemischen Verbindungshalbleiter besteht, welcher ein
halbisolierendes Ga-As-Substrat der Gruppe III-V benutzt; doch
soll darauf hingewiesen werden, daß die verwendeten
Transistoren nicht auf diesen speziellen Transistor beschränkt
sind.
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Die Figur zeigt die Struktur an der
Halbleitersubstratoberfläche der Transistoren Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2;. Der
Transistor Q&sub1;&sub1; besitzt eine Struktur solcher Art, daß mit
Fremdatomen diffundierte Bereiche 12 und 13 desselben durch
einen Kanalbereich 15 unter einer Gatterelektrode 14 getrennt
einander gegenüberliegen. Weiter weist der Transistor Q&sub1;&sub2; eine
Struktur solcher Art auf, daß mit Fremdatomen diffundierte
Bereiche 13 und 16 desselben durch einen Kanalbereich 18 unter
einer Gatterelektrode 17 getrennt einander gegenüberliegen.
Diese mit Fremdatomen diffundierten Bereiche 12, 13 und 16 sind
mit Hilfe von Elektrodenverdrahtungen 17, 18 und 19, die
jeweils entsprechend aus einer Gold-Germanium-Legierung etc.
bestehen, an externe elektrische Anschlüsse herausgezogen. Bei
der vorliegenden Ausführungsform dient der mit Fremdatomen
diffundierte Bereich 12 als Drain des Transistors Q&sub1;&sub1;, der
Bereich 13 als Source des Transistors Q&sub1;&sub1; und als Drain des
Transistors Q&sub1;&sub2;, und der mit Fremdatomen diffundierte Bereich
16 dient als Source des Transistors Q&sub1;&sub2;.
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Im vorliegenden Falle besitzt die Gatterelektrode 14 des
Transistors Q&sub1;&sub1; eine Gatterlänge Lg1, die im wesentlichen der
Kanallänge entspricht, sowie eine Gatterbreite Wg1 in einer
Richtung senkrecht dazu. Weiter besitzt die Gatterelektrode 17
des Transistors Q&sub1;&sub2; eine Gatterlänge Lg2, die im wesentlichen
der Gatterlänge entspricht, sowie eine Gatterbreite Wg2 in
Richtung senkrecht dazu. Bei diesem Beispiel sind die beiden
Gatterlängen Lg1 und Lg2 einander gleich und besitzen einen
Wert von beispielswiese 0.8 um. Demgegenüber gilt die durch
Wg1/Wg2 > 1 ausgedrückte Beziehung in Verbindung mit der Breite
der Gate-Elektrode. Beispielsweise besitzt die Gatterbreite Wg1
den Wert 30 um, und die Gatterbreite Wg2 die Breite von 15 um.
Es gilt die Beziehung ausgedrückt durch Wg1/Wg2 = 2 > 1.
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Die Wirkungsweise der vorliegenden Schaltung wird nunmehr
beschrieben. Ein Eingangssignals wird an das Gatter des
Transistors Q&sub1;&sub2;, wie es ist, angelegt. Weiter wird ein
invertiertes Eingangssignal , das durch Invertieren des
Eingangssignals VIN mit Hilfe des Inverters 2 gebildet wird, an
das Gatter des Transistors Q&sub1;&sub1; angelegt. Dementsprechend wird
ein Ausgangssignal am Ausgangspunkt AUS abgenommen, der als
Verbindung bzw. Übergang des Drains des Transistors Q&sub1;&sub1; und der
Source des Transistors Q&sub1;&sub2; dient.
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Da sich das invertierte Signal des Eingangssignals auf L-
Pegel befindet, wenn das Signal auf H-Pegel übergeht,
werden die Transistoren Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2; jeweils entsprechend aus-
bzw. eingeschaltet. Als Folge davon werden die im Kondensator C
gespeicherten Ladungen als Drainstrom Id durch den Transistor
Q&sub1;&sub2; entladen. Somit wird das Potential des Ausganges VAUS
herabgesetzt, was zu einem L-Pegel führt. Im Gegensatz dazu
werden die Transistoren Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2; jeweils entsprechend
einbzw. ausgeschaltet, wenn sich das Eingangssignal auf L-
Pegel befindet und ein invertiertes Signal desselben auf H-
Pegel übergeht. Dementsprechend fließt ein Drainstrom Id,um den
Kondensator C zu laden. Das Potential des Ausganges VAUS wird
also angehoben, was zu einem H-Pegel führt. In diesem Zeitpunkt
nimmt der Drainstrom einen extrem hohen Wert an, da die
Gatterelektrodenbreite des Transistors Q&sub1;&sub1; größer als die
Gatterelektrodenbreite des Transistors Q&sub1;&sub2; wird.
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Die soeben beschriebenen Vorgänge sind in Fig. 3 dargestellt.
Die Stromwellenform B' zeigt an, daß der Stromwert zur Zeit des
Anstieges 1.1-mal größer, oder noch größer, als im Falle des
Standes der Technik ist. Dementsprechend ergibt sich, daß die
Ausgangspotentialwellenform A' steiler ansteigt als bei dem in
Fig. 5 dargestellten herkömmlichen Falle. Die
Lasttreibfähigkeit wird daher im Vergleich zum Stande der
Technik stärker verbessert. In dem Maße nämlich, wie die
Ausgangsspannung VAUS ansteigt, nimmt die
Gatter-Source-Spannung (VGS) des Transistors Q&sub1;&sub1; ab. Da aber in der
Anmfangsphase ein ausreichender Drainstrom Id fließt, wird zur
Zeit des Anstiegs eine befriedigende Charakteristik geschaffen.
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Es sei darauf hingewiesen, daß es sinnlos ist, bei einer
solchen Verbesserung der Anstiegscharakteristik die Gatterlänge
zu verändern. Der Grund dafür ist folgender. Da klar ist, daß
in dem Maße wie die Gatterlänge kurz wird, die Gatterkapazität
klein wird, und die Charakteristik stärker verbessert wird,
wenn die Gatterkapazität klein wird, genügt es, daß alle
Transistoren eine kurze Gatterlänge aufweisen, ohne daß zu
diesem Zweck die Gatterlänge verändert werden muß.
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Während in der vorhergehenden Beschreibung ein Inverter als
Mittel zur Erzeugung eines invertierten Signals verwendet wird,
können natürlich auch beliebige logische Gatter verwendet
werden, solange sie die Funktion des Inventierens der Logik
besitzen.
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Wie oben beschrieben, sind gemäß der vorliegenden Erfindung
zwei in Reihe geschaltete Feldeffekttransistoren vorgesehen, um
eine dimensionale Beziehung solcher Art anzuwenden, daß die
Gatterbreite des einen Transistors, welche das Fließen eines
Ladestromes zur Last der oben erwähnten beiden Transisotren
ermöglicht, größer als die Gatterbreite des anderen Transistors
ist, welche das Fließen eines Entladestromes von der Last
ermöglicht. Der zur Last fließende Ladestrom kann also, wenn
das Signal ansteigt, groß werden, was zu einer verbesserten
Lasttreibfähigkeit führt.
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Die in den Ansprüchen verwendeten Bezugszeichen dienen zum
besseren Verständnis und sollen den Umfang derselben nicht
beschränken.