DE1964956A1 - UEbertragungsstufe,insbesondere fuer Schieberegister - Google Patents

Description

DRf.-INQ. DIPL.-INO. M. SC. OIPL.-PHYS. DR. DIPI PHYS. HÖGER - STELLRECHT-QRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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20.12.1969

Texas Instruments Incorporated 13500 North Central Expressway

Dallas, Texas, U.S.A.

ÜBERTRAGOTGSSTUFE,INSBESONDERE PUR SCHIEBEREGISTER

Die Erfindung "betrifft eine Übertragungsstufe, insbesondere für Schieberegister, mit einem Dateneingang, einem Taktimpulseingang und einem Ausgang, einem Treiber- und einem Koppelschalter mit jeweil.s mindestens drei Anschlüssen, wobei der Steueranschluß des Treiberschalters mit dem Dateneingang und einer seiner beiden anderen Anschlüsse mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, und wobei ferner der Steueranschluß des Koppelschalters mit dem Taktpulseingang und einer seiner beiden anderen Anschlüsse mit dem Ausgang gekoppelt ist.

Schieberegister sind bekannte Bauteile zum Bau von Speichern und Zeitverzögerungseinheiten, um nur zwei Anwendungsfälle

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zu nennen. Eine neuere Entwicklung·in der Schieberegister-Technologie ist das .Kondensator-Hochziehregister (capacitor pull-up register). Dieser rückführungsfreie Schieberegistertyp (ratioless type) bietet den Vorteil möglicher Hochgeschwindigkeitsarbeitsweise im Zweitaktbetrieb (high-speed two-phase operation). Bei bekannten Schieberegistern wurden hochohmige Impedanzen zur Begrenzung des Stromflusses verwendet, was ausnehmend lange Zeitkonstanten ergab. Pur höhere Geschwindigkeiten (5 bis 10 MHz) bietet jedoch das rückführungsfreie Kondensator-Hochziehregister die insbesondere für größere logische Systeme erforderliche hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit .

Grundsätzlich enthält ein vorzugsweise Feldeffekttransistoren als Schalter verwendendes Kondensator-Hochziehschieberegister einen Treiber-Feldeffekttransistor und einen Koppel-Feldeffekttransistor, welcher ersterem nachgeschaltet ist, der andererseits wiederum einen Treibertransistor und dieser einen Koppeltransistor beaufschlagt; eine solche Schalter-Kaskade hat also die Form Treibertransistor, Koppeltransistor, Treibertransistor, Koppeltransistor usw. Die Treibertransistoren sind über jeweils einen Ladekondensator an einzelne Taktimpulsquellen angeschlossen; diese Quellen stellen die einzigen Energiequellen zum Betreiben des Schieberegisters d.h. zum Durchtakten einer Information durch schleusentorartige Schieberegisterstufen dar, wodurch die Notwendigkeit eigener Gleichspannungsquellen für solche Schieberegister entfällt.

Eine Schwierigkeit beim Kondensator-Hochziehschieberegister , wird durch Injektionsströme hervorgerufen. Es treten dabei zweierlei Arten von Injektionsströmen auf, eine, die mit relativ einfachen Mitteln und eine andere, die nur schwierig zu beheben ist. Die letztere insbesondere hat auf die Ausgangsspannung aus dem einzelnen Registerbit einen negativen EinfluS. Besonders bei Schieberegistern mit hoher Bi t-

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zahl verursacht die zweite Art von Injektionsströmen eine unzureichende Arbeitsweise.

Aufgabe der Erfindung ist nun, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden und ein Schieberegister zu schaffen, bei dem der Effekt unerwünschter Injektionsströme auf ein Mindestmaß herabgesetzt oder eliminiert ist. Insbesondere ist diese Aufgabe für MOS-Transistor-Schieberegister zu lösen.

Diese Aufgabe wird für eine übertragungsstufe der eingangs erwähnten Art gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch ™ eine vom Potential am Dateneingang sowie am dritten Anschluß des Treiberschalters gesteuerte"Schaltvorrichtung zur Durchreichung der Taktpulse an den dritten Anschluß des Koppelschalters.

Zweckmäßigerweise wird die Erfindung auf einen Kondensator-Hochzieh-Gegentakt-Schieberegisterbausteir (push-pull shiftregisterelement), bei dem storenu*. I —icnsrtröme niedrig gehalten oder gar beseitigt sind. Die hierfür bevorzugt verwendeten Grundbausteine sind Konde nsatoren und MOS-Traneistoren. Letztere weisen den Vorteil einfacherer Herstellung mit weniger Arbeitsgängen auf als dies für bipolare Transistoren erforderlich ist.

Erfindungsgemäß enthäl't ein MOS-Kondensator-Hochzieh-Gegentakt-Schieberegister-Bit eine erste und zweite Transferstufe. Jede der Transferstufen verfügt über einen Treibertransistor und einen Koppeltransistor; beide Transistoren arbeiten als Schalter. Der Koppeltransistor wird durch Taktimpulse zum Leiten gebracht und legt dann die vom Treibertransistor angelieferte Information an einen Ausgangsanschluß. Den Arbeitswiderstand des Treibertransistors bildet ein Ladekondensator, der seinerseits an die Taktinpulsouelle angeschlossen ist. Sin Kreis aus zwei aktiven Bauteilen in Kaskadenschaltung stellt

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somit eine Stufe dar, wpbei die Taktpulsenergie dem Ausgangssignal die erforderliche Signalenergie verleiht. Insbesondere sind nun bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei aktive Bauteile in Serienschaltung zwischen den Treibertransistor und den ihm zugeordneten Ladekondensator einerseits und den Koppeltransistor andererseits zwischengeschaltet. Der eine dieser zwei Transistoren ist mit seinem Steuereingang vorzugsweise mit dem Ausgang des Treibertransistors verbunden, der andere vorzugsweise mit ihm in Serie liegende Transistor hat eine Verbindung zwischen seinem Steuereingang und dem Steuereingang des Treibertransistors. Durch diese zwischen Treiber- und Koppeltransistor gelegte vorzugsweise serienausgeführte Zwischenschaltung zweier Transistoren wird verhindert, daß Energie über den Ladekondensator zum Ausgang der jeweiligen Schieberegisterstufe gelangt, wodurch bisher ein Injektionsstrom der einen Art hervorgerufen worden war. Dadurch werden die erwähnten Instabilitäten, die sonst insbesondere bei Schieberegistern aus sehr vielen Bits auftreten, bereits teilweise vermieden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung legt man keine Serienschaltung aus zwei aktiven MOS-Transistoren zwischen Treiberausgang und Koppeltransistoreingang; lediglich eine Legierungsdiode, vorzugsweise von besonders .niedriger Kniespannung, verbindet in Leitrichtung den Treibertransistorausgang mit Masse. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird dieselbe Art eines Injektionsstroms wie oben praktisch vermieden oder zumindest wesentlich verringert. Die andere Art eines Injektionsstroms wird zweckmässigerweise bei beiden Ausfuhrungsbeispielen durch eine vorzugsweise p-leitende und mit Massepotential verbundene Umrandung jeder Schieberegisterstufe aller Bits erzielt.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind zwar insbesonde-

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re für eine Verwendung von MOS-Transistoren geeignet, jedoch können auch andere Schalter in den Schieberegistern verwendet werden. Deswegen soll im folgenden der mit Gate genannte Steuereingang aller Transistoren ebenso gut als < Basiseingang oder dergleichen verstanden werden können.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung können den beigefügten Ansprüchen und/oder der folgenden Beschreibung entnommen werden, die der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung dient. Es zeigen:

Fig. 1 einen Stromlaufplan eines einzelnen rückführungsfreien Kondensatorschieberegisterbits;

Fig. 2 eine Schnittzeichnung durch einen Metalloxydhalbleiterfeldeffekt-Transistor;

Fig. 3a ein Ersatzschaltbild zur Darstellung einer Injektionsstromart ;

Fig. 3b ein Zeitdiagramm eines Taktpulssignales und Störspannungsspitzen, die hieraus resultieren und einen Injektionsstrom der einen Art hervorrufen;

Fig. 4a ein Ersatzschaltbild zur Erklärung des Auftretens einer weiteren Injektionsstromart in dem Schaltkreis der Fig. 1 MOS-Transistoren;

Fig. 4b ein Zeitdiagramm zur Darstellung des Taktimpulses sowie von Störspannungsspitzen, welche einen Injektionsstrom zweiter Art hervorrufen;

Fig. 5 einen Stromlaufplan eines Kondensator-Hochzieh-

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push pull-Schieberegisterbits, welches ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Pig. 6 eine geomtrische Schaltkreis-Auslegung des Schieregisterkreises der Pig. 5;

Pig. 7 ein weiteres Kondensator-Schieberegisterbit, welches ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Pig. 8 Sperr- und Leitstromcharakteristik einer einfachen Flächendiode und einer Legierungsflächendiode; und

Pig. 9 eine ins einzelne gehende Schaltkreisauslegung für den Schaltkreis der Fig. 7.

In Pig. 1 wird ein rückführungsfreies Kondensator-Hochziiah-Sehieberegister (ratioless capacitor pull-αρ shift register) gezeigt, das eine erste Stufe 10 und eine zweite Stufe 12 aufweist. Die Stufe 10 enthält einen Treiber-Transistor 14, welcher als Schalter arbeitet und durch Impulse auf seiner Steuerleitung 14g ausgesteuert wird; der Transistor ist vorzugsweise ein Metalloxyd-Transistor, dessen Steuereingang oder Steuerleitung "gate" genannt wird. Ein "tiefer" Steuerimpuls (typisch etwa -10 Volt) schaltet den Transistor 14 in den Leitzustand, d.h. schafft einen niederohmigen Pfad zwischen einem Drain-AnschluS 14d und einem Source-AnschluS 14s dieses Transistors 14. Der Source-Anschluß 14s liegt an Massepotential. Ein "hoher" Impuls, z.B. Massepotential,macht die Drain-Source-Strecke des Transistors 14 liegt ein Ladekondensator 16, dessen zweite Elektrode mit einem Anschluß 18 verbunden ist, an den ein erster Taktpuls ά\ angelegt wird. Vom Anschluß 18 führt überdies eine Lei- *äußerst hochohmig. In Serie zu der Drain-Source-Strecke

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tung an einen Steuereingang 20g eines Koppeltransistors 20, dessen Source-Anschluß 20s mit dem Drain-AnSchluß 14d des Transistors 14 und dessen Drain-Anschluß 20d über einen Punkt 24 an eine Steuerleitung 26g eines Treiber-Transistors 26 am Eingang der Stufe 12 verbunden ist. Der Taktimpuls ^₁ vermag mit entsprechendem Potential die Drain-Source-Strecke des Koppeltransistors 20 zu öffnen bzw. zu schließen, wobei im Falle der öffnung das Potential von einem Punkt 22, welcher der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 16 und dem Drainpol 14d des Transistors ist, zum Punkt 24 hindurchgereicht wird, der mit dem Gate des ä Transistors 26 ohmisch verbunden ist.

Die Schieberegisterstufe 12 ist· völlig gleich aufgebaut wie die ihr vorgeschaltete Stufe 10. Ee entsprechen der Treiber-Transistor 26 der Stufe 12 dem Treibertransistor 14 der Stufe 10, ein ladekondens.ator 28 dem Ladekondensator 16,

ein Anschluß 30 dem Anschluß 18, ein Koppeltransistor 32 dem Koppeltransistor 20, ein Punkt 34 dem Punkt 22, sowie ein Ausgangsanschluß 36 dem Punkt 24 der Stufe 10. Statt eines ersten Taktpulses ^- am Anschluß 18 der Stufe 10 wird nun ein zweiter Taktpuls /C, ^am Anschluß 30 wirksam, um in entsprechender Weise den Kondensator 28 sowie den Koppeltransistor 32 zu beeinflussen.

Für die hier vorzugsweise verwendeten MOS-Peldeffekt-Traneistoren ist eine besrtimmte Zwischenelektrodenkapazität eigentumlich und typisch. Diese Kapazitäten sind als EreatzkapazitHten 38, 40, 42, 44 im Stromlaufplan der Pig.1 mittels gestrichelter Linien entsprechend miteingezeichnet worden. Die KapazitHt 38 liegt zwischen dem Punkt 22 und Masse, die Kapazität 40 zwischen dem Punkt 24 und Kasse, die Kapazität 42 zwischen dem Punkt 34 und Masse und die KapazitHt 44 zwischen dem Ausgangsanschluß 36 und Masse. Die Kapazitäten 38 bis 44 sind nichtlinear gemäß der Cha-

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rakteristik von ρ-η-Verbindungen insbesondere bei MOS-Anordnungen.

Zur Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 1 sei angenommen, daß der Punkt 22 infolge einer niederohmigen Drain-Source-Strecke des Transistors 14 auf Massepotential liegt» und daß überdies anfangs kein erstes Taktpulssignal ρ₁ wirksam sei. Außerdem liege an der Kapazität 40 ein solches Potential, daß der Transistor 26 leite. Erscheint nun ein erster Taktpuls 0* zu einem Zeitpunkt, da an der Steuerleitung 14g des Transistors 14 ein entsprechendes Steuersignal wirkt, wird durch die Öffnung des Koppeltransistors 20 das Massepotential am Punkt 22 auf die Kapazität 40 umgeladen, so daß durch dieses Potential am Steuereingang 24 des Transistors 26 dieser sperrend wird. Bei einem nun folgenden zweiten Taktpulssignalp'ρ am Anschluß 30 wird infolge des nun leitenden Transistors 32 und des in seiner Drain-Source-Strecke hochohmigen Transistors 26 ein entsprechendes (negatives) Signalpoteniäal über den Kondensator 28 an die Kapazität 44 gereicht, welche dieses Potential so lange zu speichern vermag, bis es infolge einer niederohmigen Drain-Source-Strecke des Transistors 26 während eines späteren Taktimpulses Xp ^auf Masse umgeladen wird. Der Transistor "26 wird aber dann leitend sein, wenn der Transistor 14 in einer vorhergehenden Taktpulszeit X₁ sperrte. Der Ausgangsanschluß 36 führt entsprechend dem von der Kapazität 44 gespeicherten Potential ein Ja- oder Nein-Signal.

Die eigentliche Schieberegister-Arbeitsweise in Fig. 1 ist also die, ein Signal zeitlich zu verzögern, indem dieses am Ausgangsanschluß 36 erst nach geraumer Zeit erscheint, obwohl es einige Zeit zuvor am SingangsanschluS, im Falle der Fig. 1 an der Steuerleitung 14g, anlag. Die Taktpulsfrequenz der ersten und zweiten Takt pulse X₁ und

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ein Maß für die Zeitverzögerung. Die oben gegebene Beschreibung der Wirkungsweise des Schieberegisters der Fig. 1 soll lediglich das grundsätzliche Verständnis für die Arbeitsweise eines Kondensator-Hochziehschieberegisters durch Beschreibung einer einzelnen Stufe herbeiführen.

Bei einem MOS-Aufbau kann jeder der in Fig. 1 gezeigten Transistoren in einem Halbleiter-Träger aufgebaut sein, wie dies durch Fig. 2 dargestellt wird. Ein beispielsweise η-leitender Siliciumträger 46 weist eindiffundierte p-leitende Stellen 48 und 50 auf, wobei die Stelle 50 den Drain- und die Stelle 48 und den Source-Anschluß bildet, wie dies f für einen Feldeffekttransistor üblich ist. Der Gate-Anschluß wird durch eine Metallisierungsschicht über einer dünnen Oxydschicht., die etwa 1000 2. dick ist und sich sowohl über die Drain- als auch die Source-Diffusionsstelle 48 und 50 erstreckt, gebildet. Eine direkte Kontaktierung der otellen 48, 50 erfolgt durch eine Metallisierung, welche als Herausführung für die Drain- und Source-Anschlüsse dient.

Es ist. also zu ersehen, daß der MOS-Transistor der Fig. 2 ebenfalls eine p-n-p-Struktur wie ein bipolarer Transistor (lateral surface, bi-polar transistor) aufweist. Diese duale Natur wirkt sich im Betrieb des Kondensator-Hochziehschieberegisters darin ungünstig aus, daß die p-n-Verbindungen gelegentlich als Ursachen für injizierte Ströme in Erscheinung treten. Es sei der Fall des Transistors 14 betrachtet, der durch einen entsprechenden (negativen) Steuerpuls an seinem Eingang leitend gemacht ist. Sein Ersatzschaltbild ist zusammen mit dem Ladekondensator 16 in Fig. 3a zu erkennen. Ein niederohmiger Widerstand 52, dem eine Diode 54 in Leitrichtung nach Masse parallel geschaltet ist, stelle die Drain-Source-Strecke im Leitzustand dar. Die Diode 54 kennzeichnet die p-n-Verbindung zwischen der Stelle 50 und dem Träger 46 der Fig. 2. Die Schaltung in Fig. 3a stellt also

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eine Differenzierschaltung dar, bei welcher im Ruhezustand der Punkt 22 auf einer leicht positiven Spannung gehalten wird, welche gleich der Dioden-Kniespannung der Diode 54 ist.

Pig. 3b lässt ein Zeitdiagramm des zeitlichen Verlaufs des ersten Taktpulses^zf⁷.] (obere Kurve)sowie der dabei gemessenen Spannung am Punkte 22 (untere Kurve) für den Fall der Pig. 3a erkennen. Durch die Vorderflanke (die negative Planke) des ersten Taktpulssignals j^.. entsteht ein negativer Spannungsstoß 56 am Punkt 22, durch die Rückflanke (positive Planke) des Signalsfl^ ein entsprechend positiver SpannungsstoS 58; beide Spannungsspitzen erklären sich aus dem RC-Verhalten des Kondensators 16 konstanter P- äße und des sehr niederohmigen Widerstands 52. In Wirklichkeit entfällt der in Fig. 3b gestrichelt gezeichnete Teil der Spannungsspitze 58 aufgrund der bei etwa 0,6 Volt leitend werdenden Diode 54. Infolge des Abschneidens des grösseren Teils der Spannungsspitze 58 durch den p-n-Übergang der Dio de 54 entsteht ein erster Injektionsatrom aus der Quelle des Taktpulssignals ^₁ über den Kondensator 16 und den p-n-Übergang 54 nach Masse.

Als nächstes sei der in der Stufe 12 im Anschluß an den soeben in Stufe 10 stattgefundenen Vorgang sich abspielende elektronisch Ablauf betrachtet. Der Treibertransistor 26 ist sperrend, stellt also praktisch eine Unterbrechung zwischen dem Punkt 34 und Masse dar, die lediglich durch die jetzt wirksame Ersatzkapazität 42 überbrückt wird. In Pig. _t 4a wird das Ersatzschaltbild der Stufe 12 unter diesen Voraussetzungen bei Wirksainwerden des zweiten Takt puls signals ^₂ am Anschluß 30 gezeigt. Wie bereits erwähnt sind die Ersatzkapazitäten 42, 44 bei Verwendung von Peldeffekt-

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transistoren notwendigerweise vorhanden. Pig. 4 b stellt ein Zeitdiagramm für diesen Pall der Pig. 4a dar, wobei das obere Signal den zweiten Taktpuls pf„ ^un<* das untere Signal die an den Stellen 34_t 36 messbare Signalspannung zeigt. Erscheint das Takt puls signal pf~ in negativer Logik, d.h. auf dieselbe Art und Weise wie in Pig. 3b das Taktpulssignal jf*_t so folgt die Spannung am Punkt 34 und am Anschluß 36 im wesentlichen dem Signal ^₂; das Taktpulssignal /^₂ ' reicht also Über den Kondensator 28 und den niederohmigen Transistor 32 zum Ausgangsanschluß 36 hindurch. Für die Spannung an den Punkten 34, 36 gilt: Λ

ν ν °²⁸

mit Cpft* ^42 ^un<* ^44 ^a^^s ^^en Werten &^es Kondensators 28 bzw. der Ersatzkapazitäten 42, 44; V,/ als der Spannung am Punkt 34, und V^₂ als dem Betrag der Spannungsdifferenz des zweiten Taktpulssignals /5g. Die Ladungsmenge am Kondensator 28 sollte gleich der Summa der Ladungsmengen an den Ersatzkapazitäten 42, 44 sein, d.h. der Kondensator 28 sollte gleich der Summe der Ersatzkapazitäten 42, 44 sein. Ab der Rilckflanke des Signals #₂ (Pig. 4b) bleibt die Ladung der Ersatzkapazität 44 die einen Teil der ursprünglich am Punkt 34 vorgefundenen Ladung darstellt unverändert. Es entstand ein positiver Ladungsstoß am Punkt 34 zur Zeit der Rückflanke, der'eine entsprechende positive Spannungsspitze 62 erzeugt. In Wirklichkeit wird auch hier der größte Teil dieser Spitze unterdrückt, da die aus dem p-n-Übergang analog der Stelle 50 und dem Träger 46 der Pig. 2 gebildete Diode, die in Pig, 4a durch das Bezugszeichen 60 ausgewiesen ist, keine positiven Spannungen über etwa 0,6 Volt zuläßt.

Der durch die Begrenzun^irkung der Diode 60 kurzzeitig entstehende Strom stellt einen zweiten Injektionsstrom aus

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der Quelle des zweiten Taktimpulssignals ^ über den Anschluß 30, den Kondensator 28 und die Diode 60 nach Masse dar.

Die Injektionsströme verschlechtern die Wirkungsweise des Schieberegisters der Pig. 1.

In Fig. 5 wird nun ein erster erfindungsgemässer Schaltkreis gezeigt, durch den der erste Injektionsstrom klein gehalten und der zweite Injektionsstrom ganz vermieden wird. Das Schieberegister-Bit der Fig. 5 enthält eine erste Übertragungsstufe 64, der eine zweite Übertragungsstufe 66 folgt. Stufe 64 enthält einen mit seinem Sourcepol 68s auf Masse gehaltenen Treibertransistor 68 sowie einen Koppeltransistor 70. Ein Ladekondensatbr 72 ist zwischen den Drain-Pol 68d des Transistors 68 und einen Anschluß 74 gelegt, welch letzterer ein Taktpulssignal rf* aufnimmt. Der Anschluß 74 führt überdies an das Gate 70g des Koppeltransistors 70' sowie an eine Reihenschaltung zweier Drain-Source-Strecken von Transistoren 76, 78, welche nach Masse führt. Ein Punkt 80 am Drain-AnSchluß 68d ist zum Gate des Transistors 76, ein Punkt 82 am gemeinsamen Verbindungspunkt der Drain-Source-Strecken der Transistoren 76, 78 zum Source-Anschluß 70s des·Transistors 70 geführt. Der Gate-Eingang 78g des Transistors 78 ist zusammen mit dem Gate-Eingang 68g des Transistors 68 an den Eingang des Schieberegister-Bits geführt. Der Draxn-Anschluß 7Od des Transistors 70 weist eine Ersatzkapazität 84 nach Masse auf und bildet gleichzeitig den Eingang für die Stufe 66, die vorzugsweise gleich ausgebildet ist wie die Stufe 64, jedoch einen zweiten Taktpuls f>2 so erhält, wie die Stufe 64,einen ersten Taktpuls ^₁ zugeteilt bekam. Es entsprechen ein Transistor 86 der Stufe 66 dem Transistor 88 der Stufe 64, ein Koppeltransistor 88 dem Transistor 70, eine Serienschaltung "" '

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von Transistoren 90, 92 der Serienschaltung der Transistoren 76, 78, ein Koppelkondensator 94 dem Kondensator 72, ein Anschluß 96 für das Signal pf^ dem Anschluß 74 für das Signal /ζΛ , sowie eine Ersatzkapazität am Ausgang der Stufe 66 der Ersatzlcapazität 84 der Stufe 64. Die Serienschaltung der Transistoren 76, 68 und 90, 92 verursacht die Eliminierung zweiter Injektionsströme, da sie zwischen Treibertransistor und Koppeltransistor jeder Stufe als Trennglied geschaltet ist. Die Transistoren 68, 78 bzw. 86, 92 werden infolge ihres galvanisch miteinander verbundenen Gate-Eingangs jeweils zur selben Zeit zu- und abgeschal- ä tet. Erscheint ein ausreichend langdauerndes negatives Signal am Punkt 80 und damit am Gate-Eingang des Transistors 76, beginnt letzterer zu leiten. Der Transistor 90 der Stufe 60 arbeitet in der gleichen Weise.

Zur Wirkungsweise der Schaltung ist zu sagen, daß durch ein negatives Eingangssignal an den Gate-Eingangen 68g, 78g die Transistoren 68, 78 leitend werden, so daß sie über ihre niederohmigen Drain-Source-Strecken die Punkte 80, 82 praktisch auf Massepotential bringen. Erscheint nun ein Taktpulssignal tf* am Anschluß 74, verbleiben die Potentiale der Punkte 80, 82 auf Massepotential, und der Transistor 76 bleibt sperrend; gesetztden Fall, die Transistoren 68, f 78 wurden infolge eines ausbleibenden negativen Signals an ihren Steuereingängen sperren, dann folgt das Potential am Punkt 80 dem Taktpuls signal ^zT. in seinem negativen Verlauf und steuert auch den Transistor 76 auf, so daß dieser leitend wird. Da zur gleichen Zeit infolge des negativen Signals ff* auch der Koppeltransistor 70 leitend gemacht ist, kann nun die Ersatzkapazität 84 über die Strecke 74, 76, 82, 70 negativ beladen werden. Es sei hervorgehoben, daß die Ladung des Kondensators 72 am Punkt 80 keine Beladung der Ersatzkapazität 84 mehr verursacht. Mit dem Auf-

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hören des negativen Signals $L sperren auch wiederum die Transistoren 76 und 70. Injektionsströme zweiter Art treten also infolge des Fehlens einer Ladungsdifferenz nicht mehr auf.

Trotz einer Elimination zweiter Injektionsströme treten noch erste Injektionsströme auf; sie können bei der hier vorliegenden MOS-Transistor-Konfiguration dadurch verringert werden, daß ein p-leitender und vorzugsweise mit Masse verbundener eindiffundierter Ring 98 im Halbleiterträger jede der Übertragungsstufen 64, 66 vollständig umfaßt. Auf diese Art und Weise wird ein Großteil der ersten Injektionsströme abgefangen und unwirksam gemacht.

In Fig. 6 wird der Schaltkreis der Fig. 5 als integrierter Schaltkreis gezeigt. Auf einem einzelnen Halbleiterplättchen 100 können sich das in Fig. 6 gezeichnete Schieberegisterbit sowie eine kleinere oder größere Anzahl v/eiterer solcher Bits befinden, die insgesamt ein Schieberegister darstellen. Das Halbleiterplättchen ist normalerweise nleitendes Silicium. Alle durch Diffusion erzeugten p-leitenden Stellen auf dem Plättchen 100, das ja als Träger dient, sind in Fig. 6 durch Schraffur gekennzeichnet. So umgibt beispielsweise der p-leitende Sammelring 98, der in Fig. 5 als Umgrenzung der Stufen 64, 66 ausgewiesen wurde, auch in Fig. 6 diese Stufen, von denen die Stufe 64 links und die Stufe 66 rechts angebracht sind. Ein metallischer Leiterstreifen 102 (alle Metallisierungen werden durch starke Linien begrenzt) führt den Eingangsimpuls zur Stufe 64 in ein Gebiet, das die Gates der Transistoren 68, aufweist. Die p-leitenden Source-Gebiete der Transistoren 68, 78 sind als ein Teil des Sammelrings 98 ausgebildet und mit diesem mittels eines metallischen Leiterstreifen 104 und eines ohm-schen Kontakts 106 nach Masse verbunden.

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Sämtliche durch eine Oxydschicht über den Halbleiterplättchen 100 hindurchreichenden ohm-schen Kontakte werden in Fig. 6 punktiert dargestellt. Das p-leitende Drain-Gebiet des Transistors 68 ist mit einer Metallisierungszone verbunden, die eine Platte des Kondensators 72 bildet. Dieselbe Metallisierungszone erstrecket sich auch bis zum Gate-Gebiet des Transistors 76. Die zweite Platte des Kondensators 72 besteht aus einem eindiffundierten p-leitenden Gebiet, das einerseits mit einem metallischen Leiterstreifen 108, welcher Leiter für die ersten Taktimpulse /^ ist, und auf der anderen Seite mit einem metallischen Leiter 110 ™ verbunden ist, der zum Gate-Gebiet des Transistors 70 führt. Das p-leitende Drain-Gebiet des Transistors 70 erstreckt sich bis zu einem metallischen Leiterstreifen 112, mit dem es Verbindung hat. Der Streifen 112 verbindet die Stufe 64 mit den Gate-Zonen der Transistoren 86, 92 an der Stufe 66.

Die letztere Stufe entspricht in ihrem Aufbau völlig dem der Stufe 64. Es ist lediglich zu beachten, daß die Anordnung der Stufe 66 gegenüber der der Stufe 64 um 180° gedreht ist. Es entsprechen ein ohm-scher Kontakt 114 an einem metallischen Leiterstreifen 116, welcher das Signal ^₂ | vermittelt, dem ohraschen Kontakt am Leiterstreifen 108 der Stufe 64; ein Leiteretreifen 118 dem Streifen 110; und schließlich ein Leiterstreifen 120, welcher den Ausgang aus der Stufe 66 darstellt, dem Leiterstreifen zwischen dem ohmschen Kontakt 112 der Stufe 64 und den Gates der Transistoren 86, 92 der Stufe 66. Der Streifen 120 führt die Ausgangssignale der Stufe 66 gegebenenfalls an weitere Registerbits ·

Zur Herstellung eines solchen Registerbits in MOS-Transistor-Bauweise nach Art der in flg. 6 gezeigten Auslegung

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wird das η-leitende Silicium-Halbleiterplättchen 100 mit einer etwa 5000 S dicken Siliciumoxydschicht nach Art bekannter Oyxdniederschlagsverfahren überzogen, worauf in diese durch Potoresistmaskierung und Ätzung Öffnungen ■ eingebracht werden, um diejenigen Gebiete freizulegen, welche durch Eindiffusion p-leitend gemacht werden sollen. In einem Arbeitsgang können alle p-Leitung verursachenden Diffusionsvorgänge,die für die Herstellung eines vollständigen Schieberegisters erforderlich sind, gleichzeitig ausgeführt werden. Nun läßt man eine weitere Silicium-Oxydschicht über das ganze Halbleiterplättchen 100 bis zu einer Gesamtdicke von etwa 15000 $ aufwachsen. Durch Potoresistmaskierung und Ätzung werden wiederum öffnungen eingebracht zum Zwecke der Preilegung des Halbleiterplättchens für die Bildung ohmscher Kontakte für die Source-r, Drain- und Gate-Gebiete. Schließlich läßt man eine dünnere Oxydschicht über das ganze Halbleiterplättchen 100 bis zu einer Dicke von etwa 1000 S. aufwachsen, um ein Dielektrikum für die Gate-Bereiche und die Kondensatoren zu schaffen.» Diese dünne Oxydschicht wird nun vom Ort der künftigen ohmschen Kontaktgebiete für Drain-, Source-und andere Kontaktzonen abgezogen. Der letzte Herstellungsschritt ist eine Metallisierung des ganzen Halbleiterplättchens 100 zur Bildung ohmscher Kontakte sowie der einen Platte der Kondensatoren 72, 90. Diese Metallisierungsschicht wird durch Potoresistmaskierung und Ätzung gemustert. Wo erforderlich, werden nun Drähte an die Metallisierungszonen angeschlossen.

In Pig. 7 wird ein zweites Ausführungsbeispiel zur Herabsetzung erster und zweiter Injektionsströme bis auf ein Minimum gezeigt. Zwei kaskadengeschaltete Übertragungsstufen 122, 124 stellen wiederum ein Schieberegisterbit dar und weisen Treibertransistoren 126 bzw. 134 sowie Koppeltransistoren 128 bzw. 136 auf. Die Grundschaltung entspricht derjenigen der Fig. 1. Im weiteren entsprechen Koppelkondensatoren 130, 138 den Kondensatoren Ί6, 28 der Fig. 1, Takt-

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pulssignalanschliisse 132, 140 den Anschlüssen 18, 30, und schließlich die Direktverbindung zwischen dem Drain-Pol der Treiber-Transistoren und dem Source-Pol der Koppeltranrsistoren derjenigen der Pig. 1. Ersatzkapazitäten 142, 144, 146, 148 entsprechen den Ersatzkapazitäten 38, 40, 42, der Pig. 1.

Um nun die in die Stufen 122, 124 einfließenden Injektionsströme der zweiten Art (Pig. 4b; 62) klein und unter Kontrolle halten zu können, wurde eine Legierungsflächendiode (alloy junction diode) so in jeder Stufe eingebaut, daß a

deren Anode mit dem Source-Pol des Treiber-Transistors und deren Kathode mit Masse verbunden ist. Eine Diode 150 dient in der Stufe 122, eine Diode 152 in der Stufe 124 diesem Zweck. Um auf die Diskussion der Pig. 4a und 4b zurückzukommen, sei bemerkt, daß das Ersatzschaltbild für den Pail eines sperrenden Treibertransistors und eines mit seinem Drain-Pol verbundenen Source-Pols eines Koppeltransistors einen p-n-Übergang 60, der eine Diode darstellt, erfordert. Diese Diode verursacht durch ihre Beschneidungswirkung positiver Spannungsspitzen auf der Leitung 34 (Pig. 4a) die zweite Injektionsstromart. In Pig. 7 werden nun zu diesen p-n-Übergangsdioden 60 (Pig,4ä) eigens geschaffene Legierungsflächendioden 150, 152 parallel geschal- ( tet. Legierungsdioden weisen bereits bei sehr niedrigen Leitspannungen höhere Leitströme auf, haben also einen näher an Hull gelegenen Kniepunkt 5 sie führen damit infolge ihrer Hebenschlusschaltung einen großen Teil der Ladung · des Ladekondensators nach Masse ab, bevor der p-n-Übergang der Transistoren als Diode leitend wird.

In Pig. 8 wird anhand der Charakteristiken "iner gewöhnlichen Flächendiode und einer Legierungsflächendiode in Leit- und Sperrichtung dieser Sachverhalt quantitativ dargestellt. Wir können uns dabei auf die Betrachtung der Leit-

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Charakteristik der zwei Dioden beschränken. Die Legierungsdiode beginnt bei etwa 0,3 Volt bereits zu leiten. Die pn-Flächendiode dagegen leitet nicht vor etwa 0,6 Volt. Bei diesen 0,6 Volt aber vermag die Legierungsdiode bereits etwa 2 mA Strom abzuziehen. Die Legierungsdiode bleibt im quantitativen Abziehen von Strom der Flächendiode bis etwa 0,8 Volt überlegen. Bei diesen etwa 0,8 Volt führen beide Diodenarten den gleichen Strom von etwa 4 mA. Auf diese Weise kann also durch Farallelsehalten einer Legierungsdiode, beispielsweise einer Schottky-Diode, mit der durch einen MOS-Transistor implizit gegebenen p-n-Flächendiode das Auftreten von Injektionsströmen der zweiten Art außerordentlich verringert werden. Injektionsströme erster Art dagegen können wiederum wie in Fig. 5 durch dnen pleitenden Diffusionsring 154, der rings um die Übertragungsstufen 122, 124 gelegt ist_} aufgefangen und damit in ihrer Auswirkung auf ein Minimum herabgesetzt werden.

In Fig. 9 wird schließlich die geometrische Auslegung des in Fig. 7 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt. Die Auslegung erfolgt in integrierter Schaltkreistechnik und Fig. 9 stellt einen Ausschnitt aus einem Schieberegister dar,das sich aus mehreren oder vielen solcher Schieberegisterbits gleicher oder ähnlicher Bau weise auf einem einzelnen Halbleiterplättchen zusammen setzen kann. Ein metallischer Leiterstreifen 156 gestattet das Anlegen der in die Stufe 122 eingehenden Eingangssignale; der Leiterstreifen endet am Gate des Transistors 126. Eine p-leitende Diffusionsstrecke 158 bildet das Source-Gebiet des Transistors 126 und hat ohmschen Kontakt mit einem Massestreifen 160. Ohmsche Kontakte werden wiederum durch Punktierungen dargestellt; der letztgenannte ohmsche Kontakt erstreckt sich über eine Fläche 162. Die p-

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leitende Drainzone des Transistors 126 bildet in ihrer Verlängerung die eine Platte des Kondensators 130, dessen zweite Platte durch eine metallisierte Fläche dargestellt wird, die überdies die Gate-Zone des Transistors 128 und den Anschluß 132 (erster Taktpuls 0^) darstellt. Die Legierungsdiode 150 wird aus einer metallisierten Fläche, die ohmschen Kontakt mit demjenigen p-leitenden Gebiet hat, das einen Teil des Kondensators 130 darstellt, gebildet. Ein p-leitender,eindiffundierter Sammelring 164 schließt die Diode 150 ein, um die Einsammlung von Injektionsströmen zweiter Art zu verbessern. Der Ring 164 ist an eine Gleichspannung führende Schiene 165 angeschlossen.

Die Verbindung zwischen der Stufe 122 und der nachfolgenden Stufe 124 wird vermittels eines metallischen Leiterstreifens 166 durchgeführt, der über dem Gate des Transistors der Stufe 124 endigt. Wiederum ist die Stufe 124 völlig gleich wie die Stufe 122 aufgebaut, wie dies auch bei den zwei Stufen der Pig. 6 der Fall war. Es entsprechen: ein Masso-Btreifen 168 der Stufe 124 dem Massestreifen 160 der Stufe 122; eine metallische Verbindung 170 einer gleichen Verbindung, welche die Legierungsdiode 150 mit dem p-leitenden Teil des Kondensators 130 verbindet; ein Ring 172 dem Ring 164; ein ohmscher Kontakt 174 demjenigen ohmschen Kontakt, welcher die Verlängerung des Rings 164 mit der Spannungsschiene 165 verbindet; eine Spannungsschiene 176 der Spannungsschiene 165; und ein als Ausgangsanschluß dienender metallischer Leiterstreifen 178 dem Streifen 166. Der ausgangsseitige Leiterstreifen 178 dient nun als Eingang für eine weitere Schieberegisterstufe oder auch als Ausgang des Schieberegisters, falls die Stufe 124 dessen letztes Speicherelement ist. In letzterem Falle ist der Stufe 124 ein Trennverstärker nachgeschaltet.

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Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind weitere. Modifikationen außer den zwei hier gezeigten Ausführungsbeispielen möglich.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. tJbertragungsstufe, insbesondere für Schieberegister, mit einem Dateneingang, einem Taktpulseingang und einem Ausgang, einem Treiber- und einem Koppelschalter mit jeweils mindestens drei Anschlüssen, wobei der Steueranschluß des Treiberschalters mit dem Dateneingang und einer seiner beiden anderen Anschlüsse mit einem Bezugspotential gekoppelt ist, und wobei ferner der Steueranschluß des Koppelschalters mit dem Taktpulseingang und einer seiner beiden anderen Anschlüsse mit dem Ausgang gekoppelt ist, gekennzeichnet durch eine vom Potential am Dateneingang (68g, 126g) sowie am dritten Anschluß (68d; 126d) des Treiberschalters (68; 126) gesteuerte Schaltvorrichtung (76, 78, 150) zur Durchreichung der Taktpulse (^₁) an den dritten Anschluß (70s; 128s) des Koppelschalters (70; 128).

2. Übertragungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential Massepotential ist.

3. tJbertragungsstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen Taktpulseingang (74; 132) und drittem Anschluß (68d;126d) des Treiberschalters eine Kapazität (72; 130) geschaltet ist.

4. tJbertragungsstufe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Treiberschalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor und vorzugsweise ein MOS-Feldeffekttransistor ist.

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5. Übertragungsstufe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschalter ein Transistor, insbesondere ein· Feldeffekttransistor und vorzugsweise ein MOS-Feldeffekttransistor ist.

6. Übertragungsstufe nach den Ansprüchen 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung zwischen Drainanschluß (68d; 126d) des Treibertransistors und Sourceanschluß (70s; 128s) des Koppeltransistors liegt.

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7. Üb ertragungsτ/ nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung zwei in Serie geschaltete elektronische Schalter (76, 78) aufweist, wobei der Ausgang dieser Teilschaltung mit dem Sourceanschluß (70s) des Koppeltransistors verbunden ist, und daß die Steueranschlüsse der beiden elektronischen Schalter mit dem Dateneingang (68g) und dem Drainanschluß (68d) des Treibertransistors verbunden sind.

8. Übertragungsstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (76, 78) Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren und vorzugsweise MOS-Feldeffekttransistoren sind, die in Reihe zwischen Taktpulseingang (74) und Masse liegen.

9. Übertragungsstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der SourceanschluÖ (70s) des Koppeltransistors mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt der in Reihe geschalteten Transistoren (76, 78) verbunden ist.

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10. Übertragungsstufe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Anschluß (128s) des Koppeltransistors (128) mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt zwischen Treibertransietor (126) und Kapazität (130) verbunden ist, zwischen den und Masse auch die bei Überschreiten eines vorbestimmten Potentials an diesem Schaltungspunkt leitend werdende Schaltvorrichtung (150) . liegt.

■11. übertragungsstufe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung eine Diode (150) aufweist.

12. Übertragungestufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Diode an den gemeinsamen Schaltungspunkt (126d) angeschlossen ist.

13» Übertragungsstufe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Legierungsdiode insbesondere eine Schottky-Diode ist.

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