DE2111979A1

DE2111979A1 - Feldeffekt-Halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE2111979A1
Application number: DE19712111979
Authority: DE
Inventors: Atsuo Hotta; Ichiro Imaizumi; Kenji Taniguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-03-13
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1971-10-21
Also published as: NL7103303A; US3657575A

Description

DA-4227

Be Schreibung

zu der
Patentanmeldung

der Firma
Hitachi Limited
1~ 5-1, Karunouchi, Chiyoda~ku, TOKYO

betreffend

Feld-effekt-IIalbleitereinrichtunff. (Priorität: 13. Harz 1970, Japan, Nr. 20882)'

Die Erfindung bzieht sich auf eine B'eldeffekt-Halbleitereinrichtung, bei der sich mehrere Feldeffekt-Halbleiterelemente in ein gemeinsames Halbleitersubstrat teilen, und betrifft insbesondere eine Einrichtung, die mit einer Schaltung zur Kompensation oder Verminderung von Schwankungen in den Schwellenspannungen der Elemente arbeitet.

Die Technologie der integrierten Schaltkreise geht in ihrer Entwicklung neuerdings dahin, daß diese integrierten Schaltungen in allen Arten von elektrischen oder elektronischen Geräten wie etwa elektronischen Computern, den verschiedenen Datenverarbeitungssystemen, I-Ießschaltungen und logischen Schaltkreisen allgemeiner Instrumente in immer stärkerem Maße verwendet werden.

In integrierten Speicberschaltungen und integrierten logischen Schaltkreisen finden Feldeffektransistoren des I-Ietalloxid-IIalbleitertyps, die im folgenden als KOS-Transistoren bezeichnet werden, starke Verwendung, da

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sie in der Fabrikation einfach sind und trotzdem eine hohe Packungsdichte gestatten.

Der MOS-Transistor arbeitet generell mit Kajoritätsträgern im Gegensatz zum bipolaren Transistor, der generell mit Minoritätsträgern arbeitet. Bekanntlich -wird der MOS-Transistor durch die gespeicherte Ladung theoretisch weniger beeinflußt und ist daher von sich aus zu höheren logischen Operationsgeschv/indigkeiten als der Bipolar-Transistor fähig.

Der MOS-Transistor besitzt in einem Halbleitersubstrat zwei Zonen, nämlich eine Source- und eine Drain-Zone, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind, sowie eine isolierte Gate-Elektrode, die auf den Halbleitersubstrat an einem Kanal angebracht ist, der zwischen den Source- und Drain-Zonen durch einen Isolationsfilm, etwa einen i-Ietallor.idfiln, gebildet wird. Die Ein/ Aussteuerung eines von der Drain-Zone zur Source-Zone eines KOS-Transistors fließenden Stromes erfolgt durch eine an der isolierten Gate-Elektrode liegende Spannung.

Die Ein/Aus-Zustände des Drain-Stromes stellen die logischen Werte "0" und "1" der in logischen Schaltkreisen benötigten Schaltfunktion dar.

Die Spannung, die an der Grenze zwischen dem Ein- und dem Aus-Zustand des Drain-Stromes an der Gate-!elektrode auftritt, wird als Schv/ellenspannung Y^-n bezeichnet. Diese Schwellenspannung ändert sich in Abhängigkeit von der Dicke und Art des verwendeten Isolierfilms, der fabrikationsbedingten Streuung der Kennwerte der Schaltungselemente sowie dem Temperaturbereich. Dies bringt das Problem mit sich, wie man MOS-Transistoren' hinrichtlich ihrer Schwellenr.pannungcn stabilisieren kann. Für eine derartige Stabilisation sind bisher komplizierte Anordnungen erforderlich gewesen.

1 Π 9 ι K Γ- ,■ ·^{; :}" * 2

Zur Erläuterung der Schwankung in den Schwellenspannungen wird im folgenden Bezug auf die Zeichnungen genommen; darin zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Inverterstufe;

Fig. 2 die Eingangs/Ausgangs-Rennlinien eines MOS-Transistors ;

Fig. 3 die Eingangs/Ausgangs-Kennlinien eines in der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten MOS-Transistors, wobei eine zwischen der Source-Zone und einem gemeinsamen Substrat liegende Gegen-Vorspannung als Parameter verwendet wird; und

Fig. 4 und 5 bevorzugte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Schaltungen.

In Fig. 1 ist eine Inverterstufe dargestellt, die MOS-Transistoren T.J und T₀ umfaßt. In Fig.1 ist das Substrat SUB von P-Typ; ein Eingangssignal bzw. eine Eingangsspannung V_n. liegt zwischen der Source-Zone S^ und der isolierten Gate-Elektrode G^ des Transistors T^. Die Source-Zone S₀ des Transistors T^ ist mit der Drain-Zone

C. el.

D^ des Transistors T^ verbunden, von der ein Ausgangssignal abgenommen 'wird. Die isolierte Gate-Elektrode G₀ und die Drain-Zone Dp des Transistors T₀ sind miteinander verbunden und liegen an der Arbeitsspannung. Die Transistoren T,, und T^. teilen sich in das Halbleitersubstrat SU3, das durch eine dicke Linie dargestellt ist. Dieses Substrat ist durch eine Gegen-Vorspannung V_n in Sperrichtung bezüglich der geerdeten Source-Zone S, des Transistors T^ vorgespannt.

Fig. 2 zeigt die mögliche Schwankung in den Schwellenspannungen von Feldeffekttransistoren, die selbst darm auftreten kann, wenn die Transistoren gleichzeitig in einen Halbleitersubstrat geformt werden, v/ie aus Fig. ersichtlich, können die Schwellenspannungen der einzelnen

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Feldeffekttransistoren streuen, wobei nur die unterste Schwellenspannung V_n,,/ .\ und die höchste Schwellen-

spannung Vmrr/„_nv\ gezeigt sind. Die Kurven (a) und (b) ~ iii^Eia^Cy

geben die Kennlinien Drain-Strom I über Eingangsspannung Vq der beiden extremen Transistoren bei konstanter Drain-Spannung wieder. Um genaue Schaltfunktion zu gewährleisten, müssen zusätzlich zu dem Streuungsbereich Rmyr in dem andere nicht gezeigte Schwellenspannungen liegen, Bereiche HIq und MLj für Rauschbänder unterhalb der untersten bzw» oberhalb der obersten Schwellenspannung reserviert werden.

Die Schwellenspannungen der Feldeffekttransistoren, die sich in,ein Halbleitersubstrat teilen, streuen gewöhnlich so weit, daß der für die logische Operation irrelevante Schwellenbereich R_T„ außerordentlich gedehnt ist; daher müßte die Amplitude des Eingangssignal V_QL- V₀^ erhöht v/erden, um die erforderlichen exakten logischen Operationen zwischen den Ein— und Aus-Zuständen sämtlicher Transistoren zu gewährleisten. Dies bringt einen erhöhten Leistungsbedarf für das Eingangssignal mit sich.

Bei einer Halbleiter-Einrichtung mit gemeinsam ausgebildeten noS-'Transistören sind die Schwankungen der Schwellenspannung 10 bis 20 mal größer als die Schwankungen der Basis-Emitter-Schwellenspannung von Bipolar-Transistoren. Darauf beruht die Schwierigkeit, mit IlOS-Transistoren leistungsfähigere logische Schaltkreise als mit Bipolar-Transistoren aufzubauen.

Eine generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Feldeffekt-Halbleitereinrichtung zu schaffen, die mit mehreren Feldeffekt-Halbleitelementen mit isoliertem Gate arbeitet und die insbesondere mit einem Schaltkreis versehen ist, der die Schwankungen in den Schwellenspannungen der Elemente kompensiert oder reduziert.

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Zur Lösung dieser Aufgabe macht die Erfindung von dem Prinzip Gebrauch, daß sich die Schwellenspannung jedes der Feldeffekt-Transistoren dadurch weitgehend ändern läßt, daß eine zwischen der Source-Zone des Transistors und dem Substrat liegende Gegenvorspannung geändert wird.

Genauer gesagt wird die Schwellenspannung des MOS-Transistors T-| in der Schaltung nach Fig. 1 von V™« auf "VmTTg ^¹⁰- umgekehrt verändert, wenn die an einem PN-Übergang zwischen der Source-Zone des Transistors und dem gemeinsamen Substrat liegende Gegen-Vorspannung Vg erhöht bzw. vermindert wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

. Erfindungsgemäß kann die Schwellenspannung mindestens eines der Feldeffekt-Transistoren in einer integrierten Halbleiterschaltung (IC) oder in einer Integrierung in großem Maßstab (LSI) mit einer vorbestimmten speziellen Bezugsspannung verglichen werden, die einen Standard-Schwellenwert darstellt, auf den die jeweilige integrierte Einheit (IC oder LSI) stabilisiert ist; die Gegen-Vorspannung wird &nn in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs derart geändert, daß der jeweils verglichene Transistor gezwungen wird, seine Schwellenspannung so zu ändern, daß der Unterschied gegenüber der Bezugsspannung kleiner wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet die in Fig. 4 gezeigte Schaltung, die folgende Elemente umfaßt: einen MOS-Transistor 1, dessen Schwellenspannung ermittelt wird; eine externe Gleichstromquelle 6 zur Zuführung einer speziellen Bezugsspannung E^ zwischen der isolierten Gate-Elektrode G und der Source-Zone S des Transistors 1 j eine einen Bipolar-Transistor 2, eine Diode 3 sowie Widerstände 4 und 5 enthaltende Einrichtung zur Erzeugung einer Steuerspannung, die davon abhängt, ob die Schwellenspannung des Transistors 1 die Bezugs-

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spannung^überschreitet oder nicht; sowie eine Einrichtung 42 zum Anlegen dieser Steuerspannung zwischen dem Substrat SUB und der Source-Zone S des Transistors

Mit. 46 ist ein Anschluß bezeichnet, an dem eine Arbeitsspannung V liegt; 45 bezeichnet .einen Anschluß, an dein eine positive Betriebsspannung V^ liegt, und 47 "bezeichnet eine Klemme, der eine negative Betriebsspannung -V_Q zugeführt wird.

In der Schaltung nach Fig. 4 ist das Substrat vom P-Typ_s wobei die Bezugsziffer 41 ein Halbleiterplättchen bezeichnet, das die nach der integrierten Schaltkreistechnik geformten MOS-Transistoren T^, Tp» ^Tx ^v:nc^ -4 sowie den MOS-Transistor 1 gemeinsam enthält.

Vie aus Fig. 4 ersichtlich, sind in dem Halbleiterplättchen 41 zwei Inverter stuf en ausgebildet, die beide jeweils der Schaltung nach Fig. 1 ähnlich sind, wobei die Transistoren T^ und T₂ eine erste und die Transistoren Tt₅ und T^ eine zweite Inverterstufe bilden. Die Arbeitsspannung für die beiden Inverterstufen liegt an einer Klemme 44 und wird über die jeweiligen Lasttransistoren T₂ und T^ den Transistoren T^ bzw. T^ zugeführt.

Die Eingangssignale V und V ' für die jeweiligen In-

O O

verterstufen liegen zwischen den betreffenden isolierten Gate-Elektroden der Transistoren T^ und T, und dem gemeinsamen Substrat, während die Ausgangssignale von den betreffenden Drain-Zonen abgenommen v/erden.

Da die Bezugsspannung E₀ zwischen der isolierten Gate-Elektrode des Transistors 1 und dem gemeinsamen Substrat liegt, wird sie mit der Schwellensp'annung dieses Transistors verglichen.

Es sei angenommen, daß die Bezugsspannung E_R auf den Mittelwert des Schwellenbereichs ΙΙ^τχ derjenigen Transistoren

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eingestellt ist, deren Schwellenspannungen stabilisiert werden sollen, d.h. in diesem Falle der Transistoren* 1, T^ und Τ-*. Die übrigen Transistoren T₂ "und T^ kommen nicht in Betracht, da sie als Lastwiderstände dienen. Es gibt also zwei Zustände, in denen die Schvellenspannung des Transistors 1 größer oder kleiner ist als die Bezugsspannung Dp, so daß der Transistor 1 in den leitenden (Ein-)oder in den nichtleitenden (Aus-) Zustand versetzt wird, je nach-dem ob seine Schwellenspannung die Bezugsspannung überschreitet.

Falls die Schwellenspannung V^p- des Transistors 1 größer ist als die Bezugsspannung S_R, wird der Transistor 1 nichtleitend (Aus — Zustand), wobei der Drain-Strom I]-j zu fließen aufhört, so daß das Potential V₂ an der Klemme 49 steigt, da durch den Widerstand 4 nur ein kleiner Basisstrom I_ß fließt.

Der ΡΙΊ-Übergang der Diode 3 und der Basis-Emitter-Übergang des Bipolar-Transistors 2 liegen zwischen den Klemmen 48 und 49 in Durchlaßrichtung.

Der Spannungsabfall am Widerstand 4, der den Widerstandswert FU- hat, ist bestimmt durch Ig χ Rj .

Das Potential V₂ am Punkt 49 erhält man dadurch, daß man den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung am PH-Übergang der Diode 3 und am Basis-Emitter-Übergang des Transistors 2 von dem Potential V,, subtrahiert«, Damit wird das Potential V₂ = V^ - I^ χ Rj. Diese Spannung V₂ liegt zwischen dem Substrat und der Source-Zone des Transistors 1 als Steuerspannung, die negativ gegenüber dem Brdpotential bestimmt ist; steigt diese Steuerspannung, so nimmt daher die Gegen-Vorspannung ab, so daß die Differenz zwischen der Schwellenspannung des Transistors 1 und der Bezugsspannung ebenfalls vermindert wird. Auf diese Weise wird der Betriebszustand des

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Transistors 1 auf einem leicht leitenden Zustand stabilisiert.

Normalerweise sind die Widerstandswerte der Yfiderstände 4 und 5 und der Verstärkungsfaktor des Bipolar-Transistors 2 so bestimmt, daß das Potential V₂ keinen Eintritt von Ladungsträgern in den Transistor 1 über den PN-Übergang zwischen dfer Source-Zone und dem gemeinsamen Substrat gestattet.

Falls die Schwellenspannung Y^„ des Transistors 1 kleiner ist als die Bezugsspannung E„, befindet sich dieser Transistor im leitenden (Ein-)Zustand, und der Drain-Strom I_D beginnt zu fließen. Infolgedessen fließt durch den Widerstand'·ein Strom I_n + 1^,· Man kann davon ausgehen, daß der Drain-Strom Ij-, den Spannungsabfall am Widerstand 4 fast vollständig ausmacht, da der Basisstrom Ig des Transistors 2 wegen der Verstärkungsfunktion des Transistors im Vergleich zu dem Drain-Strom I^ vernachlässigbar klein ist.

Damit ist das Potential am Punkt 48 mit V₁ = V₀ - I^ x R^ bestimmt. Das Potential V₂ am Punkt 49 erhält man dadurch, daß man den Spannungabfall der Diode 3 und des Transistors 2 in Durchlaßrichtung von dem Potential V₁ subtrahiert. Hit anderen Worten bedeutet dies, daß das Potential V₂ am Punkt 49, d.h. die dem Substrat zuführbare Steuerspannung, in Abhängigkeit von der Änderung des Drain-Stromes I^ geändert wird.

Sinkt beispielsweise infolge einer Temperaturänderung die Schwellenspannung V™., unter die Bezugs spannung E-^ so wird der Transistor 1 leitend, dadurch fließt ein Drain-Strom Ι_β, und das Potential V₁ fällt. Infolgedessen nimmt das Potential V₂ einen hohen negativen Wert an, und die dem Substrat zuführbare Steuerspannung, nämlich die Gegen-Vorspannung V„, steigt. Infolgedessen steigt auch die Schv/ellenspannung Vm₁₁ -eri;iß Fig. 3,

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so daß die Differenz zwischen der Schwellenspannung des Transistors 1 und der Bezugsspannung Ep abnimmt.

Um zu verhindern, daß der PN-Übergang zwischen der Source-Zone des Transistors 1 und dem gemeinsamen Substrat in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, ist es erforderlich, die Bezugsspannung E^ so zu wählen, daß sie größer ist als die Schwellenspannung Vm₁-T₀, wenn die an dem Substrat liegende Vorspannung V„ null ist.

Auf diese Weise wird die Schv/ellensnannung stabilisiert.

Fig. 5 ist ein 'Schaltbild eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Diese Schaltung wird .in der gleichen Weise wie oben betrieben mit der Ausnahme, daß der "widerstand 4 oder die Bezugsspannungsquelle β durch die Verwendung eines in dem Halbleiterplättchen 41 geformten HOS-Transistors gebildet werden.

Im einzelnen werden HOS-Transistoren 51 und 52 als ■Widerstandselemente verwendet, indem ihre Gate- und Drain-Anschlüsse kurz—geschlossen und die beiden Transistoren in Serie geschaltet v/erden, so daß die an dem Betriebsanschluß 44 liegende Spannung im Verhältnis der * beiden Widerstandselemente geteilt wird. Die sich am Verbindungspunkt 50 zwischen den Widerstandselementen einstellende Spannung dient als Bezugsspannung E„. Durch Kurzschließen von Drain und Gate wird der MOS-Transistor 53 als Widerstand 4 der Fig. 4 verwendet. Die Widerstandswerte dieser Elemente lassen sich durch geeignete Änderung der Anzahl von verwendeten HOS-Transistoren einstellen.

Bei den obigen Ausführungsformen wurden die I-iOS-Transictoren als Transistoren mit einem IT-Kanal und einem P-Substrat angegeben. Statt dessen können auch HOS-Trancistoren mit P-Kancl verwendet v/erden. Im letzteren Fall muß die Polarität der KOG-Transistoren entsprechend modifiziert werden.

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Weiterhin sind in den obigen Ausführungsformen die MOS-Transistoren in einem Halbleiterplättchen ausgebildet; für den gleichen Zweck und mit der gleichen Wirkung können jedoch auch sonstige Feldeffekt-Halbleiterelernente, etwa Hetallisolations-Halbleiter (ϊ-IIS) und Metallnitrid-Halbleiter (KIiS) verwendet v/erden. Selbstverständlich sind die Prinzipien der vorliegenden Zrfindung auf Gleichstrom-Verstärkerschaltungen anwendbar, bei denen normalerweise eine stabilisierte Schwellenspannung erforderlich ist.

Generell ist die Schwankung in den Schwellenspannungen in einem verhältnismäßig kleinen Bereich eines HaIbleiterplättchens einer integrierten Schaltung, beispielsweise im Bereich eines einzigen Chips, klein. Bei praktischen Anwendungsfällen mag es daher ausreichen, in einem solchen kleinen Bereich eine Kompensationsschaltung bei einem HOS- (oder HIS-) Element vorzusehen, damit die Schwellenspannung dieses einen Elements nahezu gleich der Bezugs spannung v/erden kann.

Bei einer umfangreichen integrierten Schaltungseinrichtung (LSI), bei der integrierte Halbleiterschaltungen auf einem Halbleitersubstrat weit verstreut sind, treten relativ große Schwankungen in den Schwellenspannungen auf. In einem solchen Fall wird das Substrat vorzugsweise in mehrere einzelne Bereiche mit jeweils mehreren Feldeffektelementen unterteilt, wobei bei Bedarf individuelle Einrichtungen gebildet v/erden.

Nach der obigen Beschreibung läßt sich also erfindungsgemäß durch Verwendung einer einfachen Kompensationsschaltung stets eine stabilisierte Schwellenspannungerzielen und eine Feldeffekt-Kalbleitereinriohtimg mit stabilisiertem Betrieb realisieren.

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Claims

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Patentansprüche

./Feldeffelrt-Halbleitereinrichtung nit mehreren Feldeffekt-Kalbleiterelenenten, die sich in ein geneinsames Halbleitersubstrat teilen und möglicherweise voneinander abweichende Schwellenspannungen haben, ge kennzeichne t d.urch eine Konpensationsschaltung zur Verminderung dieser Abweichungen, die einem PH-Übergang zwischen der Source-Zone eines f

(1) der Feldeffekt-Halbleitereleinente, das als Konpensationselenent wirkt, und dem gemeinsanen Substrat (SUB) eine Cegen-Vorspannung zuführt und so arbeitet, daß die Größe dieser Gegen-Vorspannung zu- bzw. abnimmt, je nachdem ob das Konpensationselenent leitend oder nicht-leitend ist, wobei die Source-Zone des IT.ompeiisationselements mit der Source-Zone mindestens eines der übrigen Feldeffekt-Halbleiterelemente (T1, T3) verbunden ist, wodurch die Abweichung der Schwellenspannungen der so miteinander verbundenen Elenente vermindert j.-.'ird.
2. Einrichtung; nach Anspruch 1, dadurch g e. k e η η ze i c h η e t, daß die Feldeffekt-Halbleitereleinente (1, T₁, Tj ) Feldeffekt-Transistoren mit isoliertem Gate sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kenn ze ichnet, daß die Kompensationsschaltung eine Einrichtung (6) zum Zuführen einer speziellen

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Bezugsspannung zwischen Source und Gate des Kompensationselements (1) sowie eine Einrichtung (40) umfaßt, die den jeweiligen Leitungszustand des Kompensationselements, der davon abhängt, ob die Bezugsspannung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, feststellt und die Gegen-Vorspannung erzeugt, die je nach dem Ergebnis der Feststellung, ob die Bezugsspannung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, zu- bzw. abnimmt.
4. Einrichtung nach .Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung der Bezugsspannung eine Spännungsquelle (6) ist, deren Spannung den speziellen Schwellenwert darstellt.

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