DE19727817A1

DE19727817A1 - Schaltung zur Steuerung der Schwellenspannung in einer Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE19727817A1
Application number: DE19727817A
Authority: DE
Inventors: Jin Kook Choi
Original assignee: Hyundai Electronics Industries Co Ltd
Current assignee: MagnaChip Semiconductor Ltd
Priority date: 1996-06-29
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2017-07-01
Also published as: US5909140A; KR980004940A; JP3405658B2; DE19727817C2; JPH1079662A; KR100223770B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steue rung der Schwellenspannung in einer Halbleitervorrichtung, und insbesondere betrifft sie eine Schaltung zum Erhöhen der Schwellenspannung nur dann, wenn eine Halbleitervorrichtung im Stand-by-Modus ist, wodurch eine Erhöhung des Leckstroms unterhalb der Schwelle, der bei Verwendung einer niedrigen Schwellenspannung für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Halbleitervorrichtung erzeugt wird, verhindert wird.

In letzter Zeit wurden mit der Gewichtsverringerung und Mi niaturisierung von elektronischen Vorrichtungen Halbleiter vorrichtungen mit Hochgeschwindigkeitsbetrieb und geringem Leistungsverbrauch notwendig. Weiter wurde es notwendig, daß die Halbleitervorrichtungen insbesondere bei Verwendung einer Batterie so entworfen sein sollten, daß ihr Leistungsver brauch verringert wird, während sie im Stand-by-Betrieb ist.

Im allgemeinen führt die Absenkung einer Versorgungsleistung zu einem geringeren Leistungsverbrauch der Halbleitervorrich tungen, und ein Absenken der Schwellenspannung ermöglicht, daß die Halbleitervorrichtungen bei einer hohen Geschwindig keit arbeiten.

In dem Stand-by-Modus ruft jedoch eine Absenkung der Schwel lenspannung eine Erhöhung des Leckstroms unterhalb der Schwelle hervor, wodurch die erwartete Lebensdauer der Batte rie bei einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Halbleitervor richtungen verringert wird.

Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, mit der die Schwellenspannung in einer Halbleitervorrichtung steuerbar ist zum Minimieren des Leck stroms unterhalb der Schwelle, der eine Folge des Leistungs verbrauchs bei einer niedrigen Schwellenspannung ist, durch Erhöhen der Schwellenspannung in ihrem Stand-by-Modus, und durch Verringern der Schwellenspannung in ihrem Betriebsmo dus.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung geschaffen zum Steuern der Schwellenspannung in ei ner Halbleitervorrichtung mit einer Substratvorspannungs meßeinheit, die ein Abfallen der Substratvorspannung unter einen vorbestimmten Wert verhindert; und einer Substratvor spannungssteuerungseinheit zum Steuern der Schwellenspannung in Erwiderung auf die Ausgabe von der Substratvorspannungs meßeinheit und ein Stand-by/Betriebsmodussteuersignal.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Substratvorspannungssteuereinheit geschaffen mit einem Oszillatormittel zur Ausgabe einer Oszillationsfrequenz in Erwiderung auf die Ausgabe von der Substratvorspannungssteue rungseinheit und das Stand-by/Betriebsmodussteuersignal; ei nem Pumpmittel zum Pumpen von Substratladungen in Erwiderung auf die Oszillationsfrequenz zur Absenkung der Substratvor spannung; und einer Strombereitstellungsvorrichtung zur Be reitstellung von Strom, der in das Substrat fließt, um die Stubstratvorspannung zu erhöhen, in Erwiderung auf das Stand by/Betriebsmodussteuersignal.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Substratvorspannungsmeßeinheit geschaffen mit einem Spannungsteiler mit einer Vielzahl von PMOS-Transistoren, die in Reihe aneinandergekoppelt sind zwischen einer Leistungs versorgung und der Substratvorspannung, wobei eine erste Ver bindung zwischen jedem von ihnen mit dem Substrat und eine zweite Verbindung mit dem Gate gekoppelt ist; und mit einem Latch, auf das die Spannung der ersten Verbindung eines der PMOS-Transistoren und die invertierte Spannung der zweiten Verbindung angewendet wird.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft für eine in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform näher er läutert und beschrieben. In den begleitenden Zeichnungen zei gen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm, das eine Schwellen spannungsteuerungsschaltung gemäß einer Ausführungs form der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm, das eine Substrat vorspannungssteuerungseinheit in Fig. 1 veranschau licht;

Fig. 3A Spannungskurven, die die Spannungsveränderung der Substratvorspannungssteuerungseinheit in Fig. 2 ver anschaulichen, wenn der Betriebsmodus in den Stand by-Modus übergeführt wird;

Fig. 3B Spannungskurven, die die Spannungsveränderung der Substratvorspannungssteuerungseinheit in Fig. 2 ver anschaulichen, wenn ein Stand-by-Modus in einen Be triebsmodus übergeführt wird; und

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm, das die Substratvor spannungsmeßeinheit in Fig. 1 veranschaulicht.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, gibt im Falle einer Steuerung der Schwellenspannung V_th-n von NMOS-Transistoren eine Substrat vorspannungsmeßeinheit 11 anfänglich ein Signal mit hohem Pe gel aus. Wenn eine Halbleitervorrichtung in dem Stand-by- Modus ist, ist das Stand-by-Betriebsmodussteuersignal SLEEP auf einem hohen Pegel. Die Substratvorspannungssteuerungsein heit 12 wird aktiviert und pumpt dann ungefähr 100 µA Strom von dem Substrat heraus, bis die Substratvorspannung V_BB-p-sub, die der Differenz der Massespannung und der Substratspannung entspricht, ungefähr -2 V ist. Als Ergebnis davon wird die Schwellenspannung von 0,3 V auf 0,7 V angeho ben, entsprechend der Absenkung der Substratspannung V_BB-p-sub von 0 V auf -2 V. Wenn die Substratvorspannung V_BB-p-sub unter einen vorbestimmten Wert abgesenkt wird, gibt die Substrat vorspannungsmeßeinheit 11 ein Signal mit niedrigem Pegel aus und die Substratvorspannungssteuereinheit 12 wird deakti viert.

Wenn andererseits eine Halbleitervorrichtung in dem Betriebs zustand ist, befindet sich das Stand-by-Betriebsmodussteuer signal SLEEP auf einem niedrigen Pegel. Die Substratvorspan nungsteuerungseinheit 12 wird deaktiviert, und dann fließt Strom von den MOS-(Metalloxidhalbleiter)-Transistoren MN1 in das Substrat. Als Folge davon wird die Schwellenspannung von 0,7 V auf 0,3 V abgesenkt gemäß der Anhebung der Substratvor spannung V_BB-p-sub von -2 V auf 0 V.

Die Steuerung der Schwellenspannung V_th-p in PMOS-Transisto ren wird nach einem Prinzip durchgeführt, das dem oben er wähnten ähnlich ist. Dabei wird die Steuerung der Schwellen spannung V_th-p in dem Bereich von -0,3 V bis -0,7 V durchge führt durch Steuerung der Substratvorspannung V_BB-n-well, die der Differenz zwischen der Substratspannung und der Versor gungsspannung V_DDL entspricht.

Als Folge davon werden Änderungen der Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung durchgeführt durch Steuerung der Substratvorspannung, die auf NMOS- und PMOS-Transistoren an gewendet wird. Im Falle von NMOS-Transistoren bleibt in dem Betriebsmodus (die Substratvorspannung ist 0 V) die Schwel lenspannung bei 0,3 V. Andererseits wird in dem Stand-by- Modus (die Rückwärtsvorspannung ist nun -2 V) die Schwellen spannung auf 0,7 V angehoben.

Wie in Fig. 2 zu sehen ist, in der ein Beispiel der Substrat vorspannungssteuerungseinheit zur Steuerung der Schwellen spannung V_th-n des NMOS-Transistors in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Substratvorspannungssteuerungseinheit nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einen Oszillator 21 zum Ausgeben einer Oszillationsfrequenz zum Treiben einer La dungspumpe in Erwiderung auf das Substratvorspannungsaktivie rungssignal SSBEN, sowie eine erste und eine zweite Ladungs pumpe 22 und 23 zum Pumpen der Substratladungen zum Absenken der Substratvorspannung V_BB-p-sub in Erwiderung auf die Oszil lationsfrequenz.

Zum Erhöhen der Substratvorspannung V_BB-p-sub umfaßt die Sub statvorspannungssteuerungseinheit einen NMOS-Transistor M1, um Strom in das Substrat fließen zu lassen, und einen NMOS- Transistor M2 zur Steuerung des NMOS-Transistors Ml in Erwi derung auf das Stand-by/Betriebsmodussteuersignal/SLEEP.

Weiter umfaßt die Substratvorspannungssteuerungseinheit eine Diode D1 zur elektrischen Verbindung des Substrats mit der ersten Ladungspumpe 22 nur dann, wenn die Substratvorspan nungssteuerungseinheit sich im Stand-by-Modus befindet, eine Spannungsblockierschaltung 24, um Schaden an dem Gateoxid des NMOS-Transistors M1 zu verhindern, einen PMOS-Transistor M4, der das Substrat mit der Blockierschaltung 24 verbindet, um den Gatestrom des NMOS-Transistors M1 zu begrenzen, und einen PMOS-Transistor M3, um die Spannung am Knoten N2 höher als die Massespannung für den normalen Betrieb des NMOS- Transistors M2 zu halten.

Weiter enthält die Spannungsblockierschaltung 24 Dioden D2, D3 und D4, die in Reihe verbunden sind, durch die die Gate spannung Vg des NMOS-Transistors M1 nicht höher ist als die Summe aus 2,4 V und der Substratvorspannung V_BB-p-sub.

In dem Stand-by-Modus ist das Stand-by/Betriebsmodussteuer signal/SLEEP auf einem niedrigen Pegel und dann muß die Gate spannung Vg niedriger sein als die Substratvorspannung V_BB-p-sub, um den NMOS-Transistor M1 zu schließen. Da die pa rasitäre Kapazität am Knoten N1 wesentlich niedriger ist als die an dem Substrat, wird die Spannung am Knoten N1 schneller abgesenkt als die Substratvorspannung V_BB-p-sub, während jede der Ladungspumpen 22 und 23 in Betrieb ist. Daher wird die Gatespannung Vg zu V_BB-p-sub - 0,8 V und der NMOS-Transistor M1 wird geschlossen.

In dem Betriebsmodus ist das Stand-by/Betriebsmodussteuer signal/SLEEP auf einem hohen Pegel, und die ersten und zwei ten Ladungspumpen 22 und 23 beenden ihren Betrieb, und dann wird der NMOS-Transistor M2 geöffnet, wodurch der NMOS- Transistor M1 geöffnet wird gemäß dem Anstieg der Gatespan nung Vg. Es fließt ein großer Strom in das Substrat und dann ändert sich die Substratvorspannung V_BB-p-sub von -2 V auf 0 V.

Das Obenerwähnte kann durch die Fig. 3A und 3B veranschau licht werden.

Fig. 3A zeigt eine Spannungskurve, die die Spannungsverände rung an den Knoten N1 und N2 und die Substratvorspannung V_BB-p-sub in der Substratvorspannungssteuerungseinheit in Fig. 2 veranschaulicht, wenn der Betriebsmodus in den Stand-by- Modus übergeführt wird.

Fig. 3B zeigt eine Spannungskurve, die die Spannungsverände rung an den Knoten N1 und N2 und die Substratvorspannung V_BB-p-sub in der Substratvorspannungssteuerungseinheit in Fig. 2 veranschaulicht, wenn der Stand-by-Modus in den Betriebsmo dus übergeführt wird.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt der Spannungsteiler 42 eine Reihe von PMOS-Transistoren P1, Pk, Pk+1, Pn, die jeweils di odenverbunden sind, und die Gatespannung eines jeden von ih nen ist in einem Bereich, der nicht größer ist als die Schwellenspannung, wodurch ein kleiner Drainstrom erzeugt wird. Dann wird durch jeden von ihnen in gleiche Spannungs werte geteilt. Die Latch 41, die mit dem Spannungsteiler 42 verbunden ist (genauer gesagt mit den Übergängen des PMOS- Transistors Pk+1), und die Schaltung sind unempfindlich ge genüber Rauschen durch Einführung einer Hystereseeigenschaft für die DC-Eigenschaften. Daher gibt es nur geringe herstel lungs- oder temperaturbedingte Veränderungen der Schwellen spannung.

Wie oben erwähnt wurde, ist die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik unterschieden, der eine fixierte Schwellen spannung vorsieht, und die Schaltung zur Steuerung der Schwellenspannung der Halbleitervorrichtung nach der vorlie genden Erfindung belegt ein sehr kleines Gebiet im Vergleich mit dem gesamten Chip.

Erfindungsgemäß kann ein sehr kleiner Leckstrom unterhalb der Schwelle durch eine hohe Schwellenspannung im Stand-by-Modus aufrechterhalten werden, und ein geringer Leistungsverbrauch und ein Betrieb bei hoher Geschwindigkeit kann durch Absen kung der Schwellenspannung zusammen mit der niedrigen Versor gungsleistung im Betriebsmodus erzielt werden.

Die Erfindung wurde im einzelnen insbesondere in bezug auf die derzeit bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch klar, daß Veränderungen und Abwandlungen durchführbar sind, die innerhalb des Bereichs der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Schaltung zur Steuerung der Schwellenspannung in einer Halbleitervorrichtung mit:
einer Substratvorspannungsmeßeinheit (11), die ein Abfal len der Substratvorspannung unter einen vorbestimmten Wert verhindert; und
einer Substratvorspannungssteuerungseinheit (12) zum Steuern der Schwellenspannung in Erwiderung auf die Aus gabe von der Substratvorspannungsmeßeinheit und ein Stand-by/Betriebsmodussteuersignal.

2. Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Substratvorspan nungssteuerungseinheit umfaßt:
ein Oszillatormittel (21) zur Ausgabe einer Oszillations frequenz in Erwiderung auf die Ausgabe von der Substrat vorspannungssteuerungseinheit und das Stand-by/Betriebs modussteuersignal;
ein Pumpmittel zum Pumpen von Substratladungen in Erwide rung auf die Oszillationsfrequenz zur Absenkung der Substratvorspannung; und
eine Strombereitstellungsvorrichtung zur Bereitstellung von Strom, der in das Substrat fließt, um die Stubstrat vorspannung zu erhöhen, in Erwiderung auf das Stand-by/ Betriebsmodussteuersignal.

3. Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Substratvorspan nungsmeßeinheit umfaßt:
einen Spannungsteiler mit einer Vielzahl von PMOS-Tran sistoren (P1, Pk, Pk+1, Pn), die in Reihe aneinanderge koppelt sind zwischen einer Leistungsversorgung und der Substratvorspannung, wobei eine erste Verbindung zwischen jedem von ihnen mit dem Substrat und eine zweite Verbin dung mit dem Gate gekoppelt ist; und
ein Latch, auf das die Spannung der ersten Verbindung ei nes der PMOS-Transistoren und die invertierte Spannung der zweiten Verbindung angewendet wird.

4. Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei die Substratvorspan nungssteuereinheit weiter ein Blockiermittel umfaßt, um zu verhindern, daß eine Überspannung an der Strombereit stellungsvorrichtung auftritt.

5. Schaltung gemäß Anspruch 2, wobei das Stromversorgungs mittel einen NMOS-Transistor umfaßt, der das Substrat und die Massespannung koppelt.