DE19706537C2 - Halbleiter-Schaltungsanordnung - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Schaltungsan
ordnung mit einem über ein Eingangssteuersignal steuerbaren
Inverter und einem dem Inverter nachgeschalteten und von die
sem angesteuerten Transfertransistor, an dessen einem Elek
trodenanschluß eine zu schaltende Arbeitsspannung anliegt,
wobei der Inverter und der Transfertransistor als integrierte
Halbleiterschaltungselemente in einem Halbleitersubstrat mit
einem vorbestimmten ersten Leitfähigkeitstyp ausgebildet
sind.
Insbesondere bei den Ansteuerungsteilen für Fowler-Nordheim
löschbare Flashspeicher ist es in integrierten Schaltungsan
wendungen erforderlich, negative (Hoch-)Spannungen zu schal
ten bzw. wegzuschalten. Die schaltungstechnische Realisierung
mit Standard-CMOS-Schaltkreisen ist relativ aufwendig, da in
CMOS-Technik üblicherweise nur positive Spannungen geschaltet
werden.
Aus der US 5 396 459 ist die Verwendung eines Tripple-Well-
Transistors mit einer Doppelwannenstruktur zur Vermeidung ei
nes Leckstromes an das Substrat bei einem EEPROM für den
Fall, dass eine negative Spannung an den Drain-Anschluss des
Tripple-Well-Transistors angelegt wird, bekannt geworden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu
stellen, mit welcher ausgehend von einer Standard-CMOS-Schal
tungstechnik auch negative Spannungen, insbesondere negative
Hochspannungen mit betragsmäßigen Werten von größer als die
Versorgungsspannung geschaltet werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiter-Schaltungsanordnung
nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Transfertransistor
durch einen innerhalb einer in dem Halbleitersubstrat einge
betteten äußeren Wanne eines zweiten, gegenüber dem ersten
Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausge
bildeten Tripple-Well-Feldeffekttransistor mit einem der äu
ßeren Wanne vom zweiten Leitfähigkeitstyp zugeordneten Wan
nen-Anschluss und einem einer inneren Wanne des Transfertran
sistors zugeordneten Bulk-Anschluss ausgebildet ist, welcher
Bulk-Anschluss gegenüber dem Halbleitersubstrat vom ersten
Leitfähigkeitstyp elektrisch isoliert ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das
Halbleitersubstrat vom positiven Leitungstyp. Selbstverständ
lich kann die Erfindung genauso gut bei Substraten vom n-lei
tenden Typ angewendet werden, wobei in diesem Fall die Leit
fähigkeitstypen der im Substrat auszubildenden Schichten bzw.
Wannen zu vertauschen sind.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird das Pro
blem, mit Standard-CMOS-Schaltungen auch negative Spannungen
zu schalten, mit Hilfe von sogenannten Tripple-Well-n-Kanal-
Transistoren gelöst. Ein derartiger n-Kanal-Transistor ist in
eine zusätzliche, innerhalb des Substrates vorgesehene Hoch
spannungs-(HV)-n-Wanne eingebaut. Damit ergibt sich die Mög
lichkeit, den der inneren HV-p-Wanne des n-Kanal-Transistors
zugeordneten Bulk-Anschluss vom p-Halbleitersubstrat zu iso
lieren. Mit diesem Bauelement kann dem Schaltungsentwickler
ein n-Kanal-Transistor zur Verfügung gestellt werden, der an
seinem Bulkknoten (HV-p-Wanne) negatives Potential führen
kann. Ein solcher Tripple-Well-n-Kanal-Transistor dient bei
der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltungsanordnung als
Transfertransistor, über den die Arbeitsspannungen von nega
tiv nach positiv geschaltet werden. In Abhängigkeit des
Substratsteuerfaktors des Transfertransistors bzw. der dem
Transfertransistor zugeordneten Steuertransistoren können ty
pischerweise die am Negativanschluss des Transfertransistors
erlaubten Potentiale in dem Bereich von etwa -17 Volt bis
etwa Vdd -1,5 V (hierbei bezeichnet Vdd die Versorgungsspan
nung, die vorzugsweise etwa +5 V beträgt) liegen. Der Gate
anschluss des Transfertransistors wird über einen Inverter
angesteuert, welcher bei einer bevorzugten Ausführungsform
aus einem HV-p-MOS-Transistor und einem Tripple-Well-n-Kanal-
Transistor besteht. Der Inverter wird über ein zweiwertiges
Eingangssteuersignal gesteuert, so dass die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung mit lediglich einem Logiksignal zum
Schalten einer (analogen) negativen Hochspannung angesteuert
werden kann.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Be
schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Hochvolt-
Tripple-Well-n-Kanal-Transistors; und
Fig. 2 ein Schaltbild gemäß einem bevorzugten Ausführungs
beispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltungs
anordnung mit zwei Hochvolt-Tripple-Well-n-Kanal-
Transistoren.
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst
eine Halbleiter-Schaltungsanordnung 1 mit einem HV-(Hoch
volt)-n-Kanal-MOS-Transfer-Transistor 2, der gemäß Fig. 1
durch einen sogenannten Tripple-Well-Feldeffekttransistor mit
einer im p-Halbleitersubstrat 9 ausgebildeten äußeren n-Wanne
10 und einer in der äußeren Wanne 10 vollständig eingebette
ten inneren p-Wanne 11, in welcher ein n+-leitender Bereich
12a für den Sourceanschluss 3 (erster Elektrodenanschluss)
und ein n+-leitender Bereich 12b für den Drainanschluss 4
(zweiter Elektrodenanschluss), sowie ein separater p+-lei
tender Bereich 16 für den Bulk-Anschluss 5 ausgebildet sind.
Ein der äußeren Wanne 10 zugeordneter n+-leitender Bereich 15
bildet den Wannenanschluss 6, der bei der Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 elektrisch mit dem Sourceanschluss 3 fest ver
schaltet ist. Der Bulk-Anschluss 5 ist mit einer Versorgungs
spannung Vdd von vorzugsweise etwa +5 V verbunden. An dem
Sourceanschluss 3 des Transfertransistors 2 liegt eine Ar
beitsspannung von typischerweise -17 V bis etwa +3,5 V
(entsprechend Vdd -1,5 V) an. An dem Drainanschluss 4 wird
die Arbeitsspannung an einen Ausgang 8 abgegeben.
Der dem p+-leitenden Halbleiterbereich 16 zugeordnete Bulk-
Anschluss 5 ist durch die äußere n-Wanne 10 elektrisch vom
wiederum p-leitenden Halbleitersubstrat 9 getrennt. Damit
kann in einer CMOS-Schaltungsanordnung mit positiver Schal
tungslogik ein n-Kanaltransistor zur Verfügung gestellt wer
den, der an seinem Bulk-Knoten (HV-p-Wanne) negatives Poten
tial führen kann.
Der den Kanal 13 steuernde Gateanschluss 14 des Transfertan
sistors 2 wird durch einen Inverter 17 bestehend aus einem
HV-p-Kanal-MOS-Transistor 19 und einem Tripple-Well-n-Kanal-
Transistor 18, die entsprechend dem Schaltbild nach Fig. 2
parallel geschaltet sind, angesteuert, wobei der Inverter 17
über ein den Gateanschlüssen 28, 29 der MOS-Transistoren 18,
19 zugeordnetes Eingangssteuersignal 20 mit zwei Betriebszu
ständen "Ein" und "Aus" angesteuert wird. Der p-Kanal-Tran
sistor 19 ist als an sich bekannter Hochspannungs-HV-MOS-
Transistor ausgebildet, dessen Drain- 25 und Bulk-Anschluss
26 mit der Versorgungsspannung Vdd verbunden sind, und dessen
Sourceanschluss 27 über den Verbindungsknoten 30 mit dem Ga
teanschluss 14 des Transfertransistors 2 verbunden ist. Der
zweite, komplementär gestaltete Transistor 18 des Inverters
17 ist als Tripple-Well-n-Kanal-Transistor ausgebildet und
besitzt eine dem Transistor 2 entsprechende Ausbildung nach
Fig. 1 mit einer in dem Substrat 9 geformten äußeren n-Wan
ne, welcher ein mit der Versorgungsspannung Vdd verbundener
Wannenanschluss 22 zugeordnet ist, und dessen innere p-Wanne
über einen Bulk-Anschluss 23 verfügt, der mit dem Sourcean
schluss 24 elektrisch verbunden ist. Der Drain-Anschluss 21
des Transistors 18 ist mit dem Verbindungsknoten 30 und damit
mit dem Sourceanschluss 27 des Transistors 19 und dem Gatean
schluss 14 des Transfertransistors 2 gekoppelt.
Im Folgenden wird die Betriebsweise der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung erläutert. Die Schaltungsanordnung be
sitzt die beiden Betriebsfälle "Ein" und "Aus", wobei in bei
den Fällen immer zuerst das Eingangssteuersignal 20 am Ein
gang des Inverters angelegt sein muss, und erst daran an
schließend die negative Arbeitsspannung am Eingang 7 einge
stellt werden kann (vorher sollte die am Eingang 7 liegende
Arbeitsspannung am Besten einen Wert von 0 V haben). Dies be
deutet mit anderen Worten, dass zuerst der Schalter einge
stellt wird, und zeitlich erst danach die Arbeitsspannung
über den Schalter geschickt (oder weggeschaltet) wird.
Beim Betriebszustand "Aus" der Schaltungsanordnung wird an
den Eingang 20 des Inverters 17 ein Eingangssteuersignal mit
dem Wert der Versorgungsspannung Vdd angelegt. In diesem Fall
leitet der Transistor 18 und verbindet das Gate 14 des Tran
sistors 2 mit dessen Sourceanschluss 3. Damit ist der Transi
stor 2 gesperrt, unabhängig von dem Wert des Potentiales am
Anschluss 7, solange dieses nicht größer ist wie ca. Vdd
-1,5 V (in Abhängigkeit des Substratsteuerfaktors der Tran
sistoren 2 bzw. 18).
Im Betriebszustand "Ein" wird am Eingang des Inverters 17 ein
Eingangssteuersignal 20 von 0 V (Vss) angelegt. In diesem
Fall sperrt der Transistor 18, der Transistor 19 leitet, und
das Gate des Transistors 2 wird auf die Versorgungsspannung
Vdd geschaltet. Damit ist der Transistor 2 geöffnet, solange
das Potential am Anschluss 7 nicht größer als etwa Vdd
-1,5 V wird (wiederum in Abhängigkeit des Substratsteuerfak
tors der Transistoren 2 und 18).
Claims (6)
1. Halbleiter-Schaltungsanordnung mit einem über ein Ein
gangssteuersignal steuerbaren Inverter (17) und einem dem In
verter (17) nachgeschalteten und von diesem angesteuerten
Transfertransistor (2), an dessen einem Elektrodenanschluss
(Source 3) eine zu schaltende Arbeitsspannung anliegt, wobei
gilt:
- - der Inverter (17) und der Transfertransistor (2) sind als integrierte Halbleiterschaltungselemente in einem Halbleiter substrat (9) mit einem vorbestimmten ersten Leitfähigkeitstyp (p) ausgebildet,
- - der Transfertransistor (2) ist durch einen innerhalb einer in dem Halbleitersubstrat (9) eingebetteten äußeren Wanne (10) eines zweiten, gegenüber dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (n) ausgebildeten Tripp le-Well-Feldeffekttransistor mit einem der äußeren Wanne (10) vom zweiten Leitfähigkeitstyp (n) zugeordneten Wannenan schluss (5, 15) und einem einer inneren Wanne (11) zugeordne ten Bulk-Anschluss (6, 16) ausgebildet, welcher Bulk-An schluss (6, 16) gegenüber dem Halbleitersubstrat (9) vom er sten Leitfähigkeitstyp elektrisch isoliert ist,
- - der Inverter (17) weist wenigstens zwei komplementäre, par allel mit einem Verbindungsknoten (30) geschaltete p- und n- Kanal-Feldeffekttransistoren (18, 19) auf, deren Gate-An schlüsse (28, 29) mit dem Eingangssteuersignal (20) beauf schlagt sind, und deren Verbindungsknoten (30) mit dem Gate anschluss (14) des Transfertransistors (2) gekoppelt ist, und
- - einer (18) der wenigstens zwei Feldeffekttransistoren des Inverters (17) ist gleichfalls durch einen innerhalb einer in dem Halbleitersubstrat (9) eingebetteten weiteren äußeren Wanne (10) ausgebildeten Tripple-Well-Feldeffekttransistor (18) ausgebildet, dessen der inneren Wanne (11) zugeordneter Bulk-Anschluss (22) gegenüber dem Halbleitersubstrat (9) elektrisch isoliert ist.
2. Halbleiter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wannenanschluss (15) der äußeren Wanne (10) des ei
nen und/oder des weiteren Tripple-Well-Feldeffekttransistors
(2, 18) mit einer Versorgungsspannung (Vdd) verbunden ist.
3. Halbleiter-Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der der inneren Wanne (11) zugeordnete Bulk-Anschluss
(16) des einen und/oder des weiteren Tripple-Well-Feldeffekt
transistors (2, 18) mit einem Elektrodenanschluss (Source 3,
24) des betreffenden Tripple-Well-Feldeffekttransistors (2,
18) verbunden ist.
4. Halbleiter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Halbleitersubstrat (9) p-leitend ist, die im Halb
leitersubstrat (9) eingebettete äußere Wanne (10) des Tripp
le-Well-Kanal-Feldeffekttransistors (2, 18) n-leitend und die
innere Wanne (11) wiederum p-leitend ist.
5. Halbleiter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Transfertransistor einen Hochvolt-(HV-)MOS-Typ (2)
darstellt, wobei die zu schaltende Arbeitsspannung etwa
-17 V bis etwa zum Wert der um 1,5 Volt verminderten Versor
gungsspannung (Vdd -1,5 V) beträgt.
6. Halbleiter-Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass der Transfertransistor (2) und der eine Invertertransi
stor (18) jeweils einen n-Kanal-Tripple-Well-Feldeffekttran
sistor und der weitere Invertertransistor (19) einen p-Kanal-
HV-MOS-Transistor darstellt.
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