DD256001B5

DD256001B5 - Geregelter cmos-substratspannungsgenerator

Info

Publication number: DD256001B5
Application number: DD29830186A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Dipl-Phys Hoenig; Horst-Guenther Dipl-Ph Schniek
Original assignee: Zentr Mikroelekt Dresden Gmbh
Priority date: 1986-12-23
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1993-11-18
Also published as: DD256001A1; JPS63186458A

Description

Der geregelte CMOS-Substratspannungsgenerator enthält einen Komparator, welcher beim Erreichen des Endwertes der Substratspannung Us in bezug auf das Massepotential Uss den Ringoszillator beeinflußt.

Der Ringoszillator ist über einen Verstärker mit einer Pumpschaltung aus einem Pumpkondensator und einem ersten PMOS-Entkoppelglied zwischen Masse und Pumpkondensator und einem zweiten NMOS-Entkoppelglied zwischen Pumpkondensator und dem Substrat verbunden.

Erfindungsgemäß ist der Ausgang des Verstärkers über ein erstes Verzögerungsglied mit der ersten Pumpschaltung und über ein zweites invertierendes Verzögerungsglied mit einer im Gegentakt arbeitenden zweiten Pumpschaltung verbunden. Die beiden Verzögerungsglieder haben dabei die gleiche Verzögerung (τ,), so daß die beiden Pumpschaltungen im Gegentaktbetrieb arbeiten. Weiterhin sind zwei Steuerschaltungen vorgesehen, die jeweils aus einem Verzögerungsglied und einem Kondensator bestehen. Die erste Steuerschaltung ist dabei mit den Gates der beiden Entkoppelglieder der ersten Pumpschaltung und die zweite Steuerschaltung ist dabei mit den Gates der beiden Entkoppelglieder der zweiten Pumpschaltung verbunden. Das Verzögerungsglied der ersten Steuerschaltung invertiert dabei das Signal des Verstärkers bei gleicher Verzögerung τ₂ gegenüber der zweiten Steuerschaltung aber geringerer Verzögerung T₂ < T₁ als die Verzögerung τ der Pumpschaltungen. Weiterhin sind die Gates der Entkoppelglieder der Pumpschaltungen jeweils mit in Flußrichtung gepolten PMOS-Dioden mit Masse verbunden. In Ausgestaltung der Erfindung sind den NMOS-Entkoppelgliedern zwischen dem Pumpkondensator und Substrat PMOS-Entkoppelglieder parallelgeschaltet, deren Gates jeweils mit der im Gegentakt arbeitenden Steuerschaltung verbunden sind. Weiterhin sind PMOS-Entladetransistoren zwischen den Gates der PMOS-Entkoppelglieder und Masse angeordnet, die von den im Gleichtakt arbeitenden Steuerschaltungen gesteuert werden.

In Ausgestaltung der Erfindung entfällt bei einem festgelegten Einschwingverhalten des Ringoszillators eine der beiden PMOS-Dioden. Dabei ist durch Dimensionierungsmaßnahmen das Einschwingverhalten so zu bestimmen, daß an der Steuerschaltung, an der zuerst eine High-Low-Flanke auftritt, die PMOS-Diode entfällt.

Die Funktion des geregelten Substratspannungsgenerators ist nachstehend beschrieben: Der Komparator mißt ständig die Substratspannung Uß. Bei Unterschreiten der Substratspannung-Ub > 2Ut (negative Werte) blockiert der Komparator je nach Einstellung des Lasttransistors das Steuertor des Ringoszillators, welches bei positiveren Substratspannungen-Ub < 2Ut

öffnet. Die erhaltene Schwingung wird über den Verstärker ausgekoppelt. Die Pumpschaltungen erhalten ein genau —

phasenverschobenes Signal, so daß sie im Gegentakt arbeiten. Die zugehörige Steuerschaltung arbeitet voreilend und inverszu der Pumpschaltung.

Bei der Low-Flanke entsteht ein Spannungssprung von Ucc am Pumpkondensator. Da vorher das mit Masse verbundene PMOS-Entkoppelglied leitend und voll aufgesteuert war, war die Spannung am Pumpkondensator nahe OV. Jetzt wird sowohl das NMOS-Entkoppelglied als auch das von der im Gegentakt arbeitenden Steuerschaltung angesteuerte PMOS-Entkoppelglied leitend. Bei Substratspannungen nahe OV ist das PMOS-Entkoppelglied voll leitfähig und verhindert die Injektion von Ladungsträgern vom NMOS-Entkoppelglied direkt ins Substrat. Bei Substratspannungen nahe 2 U_T übernimmt das NMOS-Entkoppelglied in stärkerem Maße die Substratvorladung.

Bei der High-Flanke wird die Spannung am Pumpkondensator erneut nahe OV und die Entkoppelglieder ändern ihre Leitfähigkeit. Gleichzeitig wird das Gate des PMOS-Entkoppelgliedes über den PMOS-Entladetransistor entladen. Die Vorteile des geregelten CMOS-Substratspannungsgenerators liegen darin, daß erstens der volle Spannungshub zur Substratvorladung ohne Verringerung durch Schwellspannungen bei Dioden-Entkoppelelementen zur Verfügung steht, daßzweitens eine hohe Leistung durch die Parallelschaltung von PMOS- und NMOS-Entkoppelelementen bei jeder Substratspannung gegeben ist, wobei keine Injektionsgefahr von Ladungsträgern ins Substrat durch das NMOS-Entkoppelglied besteht.

Vorteilhaft ist drittens, daß die gesamte Schaltung auf dem Gegentaktprinzip aufgebaut ist, wodurch sich eine sehr leistungsfähige Substratvorladung ergibt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel und anhand zweier Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

Fig.!: eine Darstellung mit NMOS-Dioden zur Verdeutlichung des Mechanismus der Ladungsträgerinjektion Fig.2: den erfindungsgemäßen geregelten CMOS-Substratspannungsgenerator.

Der in Fig.1 dargestellte Substratspannungsgenerator enthält ein p-leitendes Substrat 1, auf dem sich in NMOS-Technikein Pumpkondensator 2 und zwei NMOS-Transistoren 3 und 4 befinden.

Dem Pumpkondensator 2 sind ein aktives Gebiet 5, dem Transistor 3 die aktiven Gebiete 6 und 7 und dem Transistor 4 die aktiven Gebiete 6 und 8 zugeordnet.

Am Gate 9 des Pumpkondensators 2 liegt dabei die periodische Schwingung an. Das aktive Gebiet 5 ist mit dem aktiven Gebiet 6 und dem Gate 10 des Transistors 3 verbunden. Das aktive Gebiet 7 ist mit dem Massepotential Uss und das aktive Gebiet 8 ist mit dem Gate 11 des Transistors 4 und dem Substrat 1 verbunden. Wenn der Knoten zwischen dem aktiven Gebiet 5 und dem aktiven Gebiet 6 während der Einschaltphase um die Schwellspannung U_T des parasitären pn-Überganges zwischen den aktiven Gebieten 5; 6 und dem Substrat 1 negativer wird, werden die pn-Übergänge leitend, und es fließen Ladungsträger ins Substrat 1. In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße geregelte CMOS-Substratspannungsgenerator 20 dargestellt. Er enthält einen Komparator 21 zum Vergleich der Substratspannung Ub und des Massepotentials Uss- Der Komparator 21 arbeitet als Schmitt-Trigger und besteht aus einem massegesteuerten Schalttransistor 22,'der mit einer NMOS-Diode 23 in Reihe zum Substrat liegt, sowie einem Lasttransistor 24, und einem nachgeschalteten ersten Inverter 25, an dem sich ein zweiter Inverter 26 anschließt. Der Ausgang des Inverters 26 steuert einen PMOS-Transistor 27, der zwischen der Versorgungsspannung U_Cc und dem Eingang des Inverters 26 angeordnet ist. Bei einer geringen negativen Substratspannung U₈ sind der Schalttransistor 22 und die MOS-Diode 24 gesperrt und damit der Inverter 25 aufgesteuert sowie der Inverter 26 gesperrt. Der Ausgang des Komparators 21 führt damit High-Potential.

Bei einer Substratspannung U₆ > 2 U_T öffnen Schalttransistor 22 und Diode 23, wodurch der Komparator 21 letztlich Low-Potential am Ausgang führt.

Der Komparator 21 ist mit einem Ringoszillator 28 verbunden, der ein NAND 29 mit zwei Eingängen sowie in Reihe nachgeschaltete vier Inverter 30; 31; 32; 33 enthält. Der Ausgang des Ringoszillators 28 ist erstens auf den zweiten Eingang des NAND 29 rückgekoppelt und zweitens mit einem Verstärker 34 verbunden. Bei Low-Potential am Eingang blockiert der NAND 29 und der Ringoszillator 28 schwingt nicht, bei High-Potential dagegen beginnt der Ringoszillator 28 zu schwingen. Am Ausgang des Verstärkers 34 liegt somit eine periodische Schwingung zwischen der Versorgungsspannung U_Cc und Masse U_ss an. Der Ausgang des Verstärkers 34 ist über ein erstes Verzögerungsglied 35 a mit einer ersten Pumpschaltung 36a sowie über ein zweites invertierendes Verzögerungsglied 35 b mit einer zweiten Pumpschaltung 36 b verbunden, die zur Pumpschaltung 36 a im Gegentakt arbeitet.

Die beiden Verzögerungsglieder 35a; 35 b weisen daher die gleiche Verzögerung T₁ auf.

Weiterhin ist der Verstärker 34 mit einer ersten Steuerschaltung 37 a, die ein drittes invertierendes Verzögerungsglied 38 a und einen Kondensator 39a enthält, sowie mit einer zweiten Steuerschaltung 37b, die ein viertes Verzögerungsglied 38b und einen Kondensator 39b enthält, verbunden. Die Verzögerungsglieder 38a; 38b besitzen dabei eine gleich große Verzögerung T₂, die kleiner als die Verzögerung τ, ist. Jede Pumpschaltung 36a; 36b enthält dabei einen Pumpkondensator 40a; 40b sowie ein PMOS-Entkoppelglied41 a;41 bzwischen Masse U_Ss und dem Pumpkondensator40a; 40b, ein NMOS-Entkoppelglied42a;42b zwischen dem Pumpkondensator 40 a; 40 b und dem Substrat sowie ein PMOS-Entkoppelglied 43 a; 43 b ebenfalls zwischen dem Pumpkondensator 40a; 40b und dem Substrat. Die Gates der Entkoppelglieder 41 a; 42a sind mit der Steuerschaltung 37a und die Gates der Entkoppelglieder 41 b; 42 b sind mit der Steuerschaltung 37 b verbunden. Die Gates der PMOS-Entkoppelglieder43a; 43b sind jeweils mit der im Gegentakt arbeitenden Steuerschaltung 37 b; 37a verbunden.

Ein PMOS-Entladetransistor44a; 44b, der von der Steuerschaltung 37a; 37 b gesteuert ist, ist zwischen dem Gate des PMOS-Entkoppelgliedes43a; 43 b und Masse Uss angeordnet. Weiterhin ist jeweils eine PMOS-Diode45a; 45 b in Flußrichtung zwischen Masse Uss und den Gates der Entkoppelglieder 41 a; 42a bzw. der Entkoppelglieder 41 b; 42 b angeordnet.

Claims

1. GeregelterCMOS-Substratspannungsgeneratormiteinem Komparatorvon Substratspannung und Massepotential sowie einem von diesen beeinflußten Ringoszillator, einem Verstärker und einer Pumpschaltung mit einem ersten PMOS-Entkoppelglied zwischen Masse und dem Pumpkondensator und einem zweiten NMOS-Entkoppelglied zwischen dem Pumpkondensator und dem Substrat, gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (34) über ein erstes Verzögerungsglied (35a) mit der ersten Pumpschaltung (36a) sowie über ein zweites, invertierendes Verzögerungsglied (35b) mit einer im Gegentakt arbeitenden zweiten Pumpschaltung (36b) verbunden ist, wobei die Verzögerungsglieder (35a; 35b) die gleiche Verzögerung (T₁) aufweisen, daß eine erste Steuerschaltung (37a), bestehend aus einem dritten, invertierenden Verzögerungsglied (38a) und einem ersten Kondensator (39a) mit den Gates der Entkoppelglieder (41 a; 42a) der ersten Pumpschaltung (36a) verbunden ist, daß eine zweite Steuerschaltung (37b), bestehend aus einem vierten Verzögerungsglied (38b) und einem zweiten Kondensator (39 b) mit den Gates der Entkoppelglieder (41b; 42 b) der zweiten Pumpschaltung (36 b) verbunden ist, wobei die Verzögerungsglieder (38a; 38 b) die gleiche Verzögerung (τ₂), die kleiner als die Verzögerung (T₁) ist, aufweisen, und daß die Gates der Entkoppelglieder (41 a; 42 a) sowie die Gates der Entkoppelglieder (41 b; 42b) mit in Flußrichtung gepolten PMOS-Dioden (45a; 45b) mit Massepotential (Us_S) verbunden sind.

2. Geregelter CMOS-Substratspannungsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet, daß den NMOS-Entkoppelgliedern (42a; 42b) PMOS-Entkoppelglieder (43a; 43b) parallel geschaltet sind, deren Gate jeweils mit der im Gegentakt arbeitenden Steuerschaltung (37b; 37a) verbunden sind, und daß von den Steuerschaltungen (37a; 37b) gesteuerte PMOS-Entladetransistoren (44a; 44b) zwischen den Gates der PMOS-Entkoppelglieder (43a; 43b) und Masse (Uss) angeordnet sind.

3. Geregelter CMOS-Substratspannungsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet, daß bei einem festgelegten Einschwingverhalten des Ringoszillators (28) eine der beiden PMOS-Dioden (45a; 45b) entfällt.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung wird zur Beaufschlagung des Substrates eines Halbleiterchips mit einer negativen Substratspannung während des Betriebes verwendet. Anwendungsfälle sind insbesondere dynamische Speicher.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten Substratspannungsgeneratoren arbeiten nach dem Prinzip, daß ein Ringoszillator eine periodische Schwingung erzeugt und diese Schwingung über einen Pumpkondensator und Entkoppeldioden derart mit Masse und Substrat verbunden wird, daß sich das Substrat auf eine negative Spannung auflädt. Eine derartige Schaltung ist beispielsweise in der EP 24903 beschrieben, bei der ein zusätzlicher Spannungsbegrenzer aus zwei in Reihe geschalteten n-Kanal-FET-Dioden die Spannung Ub des Substrates auf das Doppelte der Schwellspannung Ut begrenzt. Nachteilig ist bei den Pumpschaltungen mit Entkoppeldioden die Verringerung des Pumphubes auf eine um 2 Ut verminderte Spannung, was einem langsameren Erreichen der Betriebsbereitschaft als bei vollem Pumphub entspricht. Zur Erreichung des vollen Pumphubes ist es aus der EP 173980 bekannt, das Bezugspotential für den Pumpkondensator über eine Bootstrapschaltung abzusenken. Nachteilig ist aber weiterhin die Möglichkeit, daß über die n-Kanal-FET-Dioden eine Injektion von Ladungsträgern ins Substrat erfolgt, wenn sich der Knoten am Pumpkondensator auf positive Werte nahe der Schwellspannung der parasitären pn-Übergänge (n*-Substrat) auflädt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen CMOS-Substratspannungsgenerator zu schaffen, der die Substratspannung extrem schnell auf den Endvyert auflädt, Substratspannungsschwankungen schnell ausgleicht und bei dem keine Gefahr der Injektion von Ladungsträgern über n^T-Gebiete von NMOS-Transistoren besteht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe, zur Erzielung extrem kurzer Zeiten zur Aufladung des Substrates auf den geforderten Wert einen Substratspannungsgenerator zu schaffen, bei dem die Aufladung des Substrates über gesteuerte Entkoppelgliedervorzugsweise gesteuerte MOS-Transistoren - erfolgt. Zur Erhöhung der Pumpleistung bei Substratspannungen nahe OV ist die Aufladung durch andere, parallelgeschaltete Entkoppelglieder zu sichern, die gleichzeitig eine Injektion von Ladungsträgern ins Substrat verhindern. Die Schaltung ist dabei als Gegentaktschaltung zu konzipieren.