DE2232274A1 - Halbleiterschaltungsanordnung - Google Patents

Description

BGblingen, 27. Juni 1972 bm-we

Anmelderint XBM Deutschland GmbH Pascalstrafie 100

7000 Stuttgart 80

Amtlich·· Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenseichen der Anmelderint _s GE 972 006

Halbleiterachaltungsanordnung

Die Erfindung besieht eich auf eine Halbleiter«chaltung·anordnung mit Feldeffekttransistoren, die einen hohen Wideretand be«it»en und eich auf mindestens einem Halbleiterplättchen befinden .

Bei Feldeffekttransistoren ist der Strom abhängig vom Quadrat der Different «wischen dar Spannung «wischen Steuerelektrode und Quellenelektrode und der Sdwells«rfcepeammg. Es sind Scheltungsanordnungen bekannt, bei denen Feldeffekttransistoren «dt sehr hohem Widerstand verwendet w«·?ilon, d.h., der von ihnen durchgelassene Strom besitzt einen möglichst geringen Wert. Diese Feldeffekttransistoren können auf mehreren Halblelterpllttchen angeordnet sein* Zn der Regel wird an alle Steuerelektroden dieser Transistoren ein bestimmtes Potential gelegt. Die Schwellwertspannungen «wischen Transistoren von verschiedenen KaIbleiterplattchen können, bedingt durch den Herstellungsproseft der Halbleiteranordnungen, um Werte bis am einem Volt voneinander abweichen. Das an die Steuerelektroden der Transistoren gelegte Potential nuß so bemessen sein, daft auch diejenigen Transistoren mit der höchsten Schwellwertspannung noch den erforderlichen Strom liefern. Diejenigen Transistoren, die eine niedrigere Schwellwertspannung besitzen, lassen demzufolge einen teilweise erheblich größeren Strom als erforderlich passieren. Wenn auf einen Halbleiterplättchen sehr viele dieser hochohmigen Feldeffekttransistoren angeordnet sind, so ergeben sich wesent-

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liehe Abweichungen in der Verlustleistung und dar.it der Erwärmung der einaelnen HalbleiterplSttchen untereinander. Die einzelnen Schaltkreiselemente lassen sich «emit nicht so dicht zueinander auf den Halbleiterplättchen anordnen, al« es aus hereteilung·technischen Gründen möglich wäre.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die hochohnlgen Feldeffekttransistoren auf den einseinen Halbleiterpllttchen so zn steuern, daß sie nur den erforderlichen Strom liefern. Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten HaIbleiterschaltungsanordnung erflndungegetnae dadurch gelöst, daß auf de» (den) Halbleiterplfittchen (jeweils) mindestens ein Schaltkreis aur Erseugimg mitmr von der jeweiligen Schwellwertapannung 6λζ Feldeffekttransistoren abhängigen Spannung, die den ßtevierelektroden der iiigecrdneten hochohmigen Feldeffekttransistoren sugeführt wird» vorgesehen ist. Vorsugswels· stellen die hochofmlgen Feldeffekttransistoren Lasttransistoren In statischen Speicherzellen dar. Vorteilhaft 1st ein Schaltkreis sur Ers«§ugung elsia^ Spannung, die sich mit der Schwel 1-wartRp*nnung de? Feldeff»kttres}&l£torem₍ jedooh stärker als dies« Ändert, vorgesehen. Dar Schaltkreis enthalt In geeigneter Melee Földeffekttramaiefcorsn,. als den hochohnigen Feldeffekttransistoren nachgssbiIiS^t si&d. Weiterhin kann der Schaltkreis »inde«t«ne ein@ Eeikopplnpgssiisf^ die die Abhängigkeit der erseagten Spannting von (Serr Schw©llw€irt8pait,nung nicht beeinfluBt, nachgescheitet natm.

Die Erfindung nutst dl« Tfttsaefes ®,ws ? daß die Sshwellwertspannungen der ©itisalfi$K Tx&mi&toz&n imf Einern Kiübl«it©rpllttch«n nur unweseptllch r d.h,_t Ir Höchstfall, ^m ©twa 0,1 Volt_# voneinander abweichen, während di& Oift&z^ns amr Sefiwallwertspannungen von F«ldeff®kttrfinsistör«n verschiedener Ha]Ubleiterplättchen bis xu einen Volt betragen

Die Erfindung wird iss folgenden anhand von in den Figuren darg·-

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stellten Aueführung«beispielen nMher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine Feldeffekttransistor-Speicherzelle, deren

Lasttraneistoren ein von der Schweliwertspanmin? abhängiges Steuerelektrodenpotential, das in einen ebenfalls dargestellten Schaltkreis er« SEeugt wird, zugeführt wird,

Fig. 2 einen Schaltkreis zur Erzeugung eines von der

Schwellwertspannung abhangigen Potenttale adt einer Entkopplungsstufe und

Fig. 3 eine weitere Ausftihrungsform eines Schaltkreises,

in dem ein schwellwertspannungsabhSngiges Potential gebildet wird.

Die Fig. 1 zeigt eine an sich bekannte Speicherzelle mit sech« Feldeffekttransistoren. Zwei kreusgekoppslte Transistoren 71 und T2 dienen zur Speicherung der binären SBforipation. 2uxn Eingeben und zum Auslesen der Information sind weites?® Transistoren T3 und T4 vorgesehen. Kenn keiner dieser beiden Vorgänge stattfinden soll, werden die beiden Transistoren T3 und T4 über eine Hortleitung HL im nichtleitenden Zustand gehalten* Dadurch werden die beiden Speicher-Transistoren Tl und T2 von zwei Bitleitungen BO und Bl getrennt, wahrend dieser Seit werden die Traneistoren Tl und T2 durch das positive Potential V_ Ober Feldeffekt-

Li

transistoren T5 und T6 gespeist. Die Steuerelektroden dieser Translatoren T5 und T6 sind mit einem Schaltkreis verbunden, der ein von der Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren abhängiges Potential liefert. Wird die Speicherzelle für einen Eingabe- oder Auslesevorgang angesteuert, dann werden durch ein Signal auf der Wortleitung WL die Transistoren T3 und T4 in den

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leitenden Zustand gebracht. Beim Lesevorgang wird das Potential der Punkte 1 und 2 auf die zugehörigen Bitleitungen gebracht und über diese Leseverstärkern zugeführt. Beim Einspeichern werden von den Bitleitungen BO und Bl den Speicher-Traneistoren Tl und T2 entsprechende Signale über die Transistoren T3 und T4 xugeleitet.

Der von den Transistoren T5 bzw. T6 durchgemessene Strom braucht nur so groß zu sein, daß er den Leckstrom des zugeordneten gesperrten Speicher-Transistors Tl bzw. T2 kompensiert. Die Speicherzelle sei beispielsweise in dem Zustand, in dem der Transistor Tl leitend und der Transistor T2 gesperrt sind. Der leitend· Zustand des Transistors Tl wird durch das Potential des Punktes 2 aufrechterhalten. Hierfür muß jedoch die Bedingung erfüllt sein, daß das Potential dieses Punktes nicht absinkt. Dazu 1st erforderlich, daß der über den Transistor T6 gelieferte Strom den Leckst rom des im Sperrzustand gehaltenen Transistors T2 zu kondensieren vermag. Dieser Strom ist sehr gering» er hat einen Wert von etwa 30 nA. Die Transistoren TS und T6 sollten demnach einen entsprechend hohen Wideretand besitzen, da durch einen niedriceren Widerstand des dem jeweils leitenden Transistor, d.h. im vorliegenden Beispiel dem Transistor Tl, zugeordneten Transistors, d.h. des Transistors T5, nur die Verlustleistung erhöht, nicht jedoch die Stabilitltseigenschaften der Speicherzelle verbessert werden. Aus dieseir Grunde ist es wesentlich, deft die Differenz zwischen der Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode und der Schwellwertspannung bei diesem Feldeffekttransistor möclichst gering 1st. Bei Feldeffekttransistoren, deren Schwellw«rtsr>annungen voneinander abweichen, ISBt sich dieses JBiel dadurch erreichen, daß den Steuerelektroden ein von der jeweiligen Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren abhängiges Potential zugeführt wird. Da die Schwellwertspannungen der auf einem HalbleiterplÄttcheis befindlichen Feldeffekttransistoren als iro

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wesentlichen gleich angesehen werden können, ist es ausreichend, für diese Transistoren einen gemeinsamen Schaltkreis sur Brzeugung des von der Schwellwertspannung abhängigen Potentials vorzusehen .

Ein solcher Schaltkreis 1st ebenfalls in Fig. 1 in Verbindung mit nur einer Speicherselle dargestellt. Cr umfaßt die Feldeffekttransistoren T7, T8, T9, TlO und TIl. Dieser Schaltkreis bildet die angeschlossenen Speichersellen nicht nur topologisch in ihren einseinen Elementen nach, sondern die einander entsprechenden Feldeffekttransistoren besltsen auch die für einen gleichen Wert der Schwellwertspannung erforderliche Kanallänge. Die Schwellwertspannung eines Feldeffekttransistors ist von dessen Kanallänge in der Welse abhängig, daß bis zu einer Kanallänge von etwa 9 ya die Schwellwertspannung mit dmz Kanallänge ansteigt und dann unabhängig von dieser ist. Weiterhin wird eine la wesentlichen gleiche Spannung zwischen Substrat und die Quellenelektroden der einseinen Feldeffekttransistoren gelegt, da die Schwellwertspannung auch von dieser Spannung abhängig ist.

Der Transistor T8 entspricht bei leitendem Transistor Tl den Lasttransistor T6 der Speicherzelle» Beide Transistoren arbeiten im gesättigten Bereich. Sie sind relativ lang ausgebildet und besitzen daher eine gleich hohe Schwellwertspannung. Der Feldeffekttransistor T6 wird nur durch einen kleinen Leckstrom von etwa 30 nA belastet. Durch den Transistor T8 fließt ebenfalls nur ein kleiner Strom, da der mit ihm in Reihe geschaltete Feldeffekttransistor T7 einen sehr großen Widerstand darstellt. Wegen dieser geringen Ströme liegt die Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode der beiden Transistoren T6 und T8 nur wenig, d.h. etwa um 0,1 V über der entsprechenden Schwellwertspannung.

Der aktive Transistor der Speicherzelle, im vorliegenden Beispiel der Transistor Tl, wird durch den Feldeffekttransistor T9 nachgebildet. Beide Transistoren haben relativ kurze Kanallängen.

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Der Speichertranaistor Tl, der im linearen Gebiet arbeitet, muß kräftig leitend sein, damit der gegenüberliegende Transistor T2 sicher ausgeschaltet bleibt. Die Spannung zwischen seiner Spannung»- und seiner Quellenelektrode liegt daher um etwa 0,3 V über der Schwellwertspannung dieses Transistors. Der Feldeffekttransistor T9 ist sehr niederohmig und arbeitet im gesättigten Bereich. Wegen des durch den Transistor T7 vorgegebenen geringen Stroflts ist die Differenz zwischen der Spannung «wischen Steuer- und Quellenelektrode und der Schwellwertspannung nur sehr klein, d.h., sie beträgt etwa 0,05 V. Zur Kompensation der Spannungsdifferenz von 0,25 V zwischen Speicherzelle und deren Nachbildung wird daher die Quellenelektrode des Transistors T9 nicht wie diejenige des Transistors Tl auf Erdpotential, sondern an das Potential V„ gelegt. Durch das Potential V_ können weiterhin Unterschiede zwischen den Schwellwertspannungen der Feldeffekttransistoren der Speicherzelle und deren Nachbildung ausgeglichen werden. Diese Unterschiede sind jedoch sehr klein und betragen, wie bereits erwähnt, im Höchstfall jeweils 0,1 V.

Das Potential V_n kann in einfacher Weise aus den Potentialen V. und V„ mit Hilfe eines Spannungsteilers aus den Feldeffekttransistoren

TlO und TIl abgeleitet werden. V_r entspricht dar Zellenspannung, deren niedrigster Wert bei 2V liegt. V_ß wird für die Ansteuerkreise der Zelle benötigt und besitzt einen Wert von etwa 10 V. Es kann gezeigt werden, daß V vorc Potential V_H und von den Schwellwertspannungen der Transistoren TlO und TIl praktisch unabhängig ist. Das am Punkt 3 das die Speicherzelle nachbildenden Schaltkreises erzeugte Potential V„ wird dan Steuerelektroden der Lasttransistören der einzelnen Speicherzellen zugeführt. Das

Potential V_ setzt sich gusaimnen aus den Potentialen V und den

G K

an den Transistoren TS und 'Γ9 abfallenden Spannungen V₇₈ und V₇₉, Diese beiden Spannungen entsprechen im wesentlichen den Gchwellwertspannungen der beiden Transistoren T8 und T9. V- ist somit nicht nur vom einfachen, sondern von*, etwa 2-fachen Wert der Schwellwertspannung abh&ncic. Durch dioss ijberkor"pcnsation erfolgt ein gewisser Ausgleich der Wirkung der nicht kompensierten,

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peripheren Schaltkreise auf dem die Speicherzellen enthaltenden Halbleiterplattchen. Eine relativ niedrige Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren auf dem Halbleiterplättchen beispieleweise bewirkt, daß die peripheren Schaltkreise eine vergleichsweise hohe Verlustleistung besitzen. Durch die Uberkompensatlon sinkt jedoch die Verlustleistung der Speicherzellen mit abnehmender Schwellwertspannung, so daß eine insgesamt von der Schwellwertspannung etwa unabhängige Verlustleistung auf den Halbleiterplättchen erzielt werden kann.

Es ist selbstverständlich möglich, bei Bedarf durch entsprechende Auslegung des nachbildenden Schaltkreises eine andere Abhängigkeit des Potentials V von der Schwellwertspannung herzustellen.

In Fig. 2 wird das von der Schwellwertspannung abhängige Potential V_ über eine die Feldeffekttransistoren T12 und T13 enthaltende Entkopplungsstufe mehreren Speicherzellen zugeführt. In der das Potential V_ führenden Lei tuner fließt normalerweise kein Strosa, da an diese Leitungen nur die Steuerelektroden von Feldeffekttransistoren angeschlossen sind. Ein niederohmiger Ausgang des das Potential V erzeugenden Schaltkreises ist jedoch wünschenswert, da die dieses Potential weiterführende Leitung beispielsweise aus einer hochdotierten Halbleiterzone bestehen kann und .dadurch Leckströme auftreten und da aus Testgründen die große Kapazität der Steuerelektroden der vielen Speicherzellen schnell aufgeladen werden soll. Wenn außerdem mehrere Entkopplungsβtufen für einen V_ erzeugenden Schaltkreis vorgesehen sind, und es tritt an einer Steuerelektrode eines von diesem Schaltkreis gesteuerten Feldeffekttransistors ein Kurzschluß auf/ so hat dieser Kurzschluß keine Rückwirkung auf den erzeugenden Schaltkreis und die nicht betroffenen Entkopplungsstufen.

In Fig. 2 besitzen die Feldeffekttransistoren T7, T8, T9, TlO und TIl die gleiche Funktion wie die entsprechend bezeichneten Transistoren in Fig. 1. In die Reihenschaltung der Transistoren T7, T8

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und Τ9 wurde lediglich ein weiterer Feldeffekttransistor T14 eingefügt. Das Potential V₀₀ in Fig. 2 entspricht dem Potential V in Fig. 1. Es wird gezeigt, daß die Differenz der Potential« V₀ und V in Flg. 2 unabhängig von der Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren ist und daß damit die in V₀- erhaltene Abhängigkeit von der Schwellwertspannung unverzerrt auf das Potential V₀ in Fig. 2 Obertragen wird.

Es ist V₀ -

n* V at V

^{oa V}TH12 ^VTH14

V-VvV — V —tV — V \

G GO GS12 TH12 ^lvGSl4 ^VTI!14'

²¹M VC.

21	14	14
y»		14
!	L

Hl«rln b«d«ut«nt V₀- dl« Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode eines Transistors,

^VTH ^di* Schwellwertspannung «Ines Transistors Z den Strom «ines Transistors W die Kanalbreit· eines Transistors L dl« Kanallänge eines Transistors und

y_ einen konstanten Faktor(normierte Steilheit).

Der Strom X₁₂ entspricht dem Strom I₁- durch d«n Transistor Tl3. Es gilt angenähert dl« folgende Beziehungι

Im 1 /0\*- -^ίΛ 5 It

13 /IIB Xi. ·» IV 4"V. _ —V , . . 1 m 1/2\λ· __ 2

* 13 R '

^{da V}TU9 - ^VTH13

Der Strom I₄ hängt vom Potential des Punktes 4 kaum ab, da dieses Potential durch den hohen Widerstandewert des Transistors T7 sehr viel kleiner als das angelegte Potential V„ ist. Di· Ström« 1

Ii 1*

und X₁₄ sind somit unabhängig von d«r Schwellw«rtspannung der

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Tranaistoren und damit auch die Potentialdifferen« V_ - V„_A. Es ist somit lediglich erforderlich, das Potential V_ um die Differenz V^ - V^ zu korrigieren, um des gewünschte Steuerelektroden-

potential V_ zu erhalten.

ν»

Bei weiteren Entkopplungsstufen werden diese, wie in Fig. 2 angedeutet ist, an die zu den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren T12 und Tl3 führenden Leitungen angeschlossen.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere AusfOhrungsforza eines ein von der Schwellwertspannung abhängiges Potential erzeugenden Schaltkreises. Bei relativ kleinem Potential V„ schwankt bei Änderungen dieses Potentiale der Ober den Transistor T8 fließende Strom relativ stark. In der Schaltung nach Fig. 1 wird das Potential V_ durch diese Stromschwankungen beeinflußt. In der Anordnung nach Fig. 3 wird dieser Strom von einem Feldeffekttransistor T15 aufgenommen, so daß V_n nicht durch Schwankungen dieses Strome verändert werden

Xt

kann« Das Potential V„ in Fig. 3 wird durch das Potential V_ und

ν» Κ

durch die Reihenschaltung der Transistoren T9 und TS gebildet. Es entspricht wie bei der Schaltung nach Fig. I etwa der Surwe de· Potentials v_ und der Schwallwertspannungen der beiden Transistoren T8 und T9. Die Feldeffekttransistoren TI7 und TlB stellen hochotmige Widerstände dar. Der Ausgangswiderstand am Punkt 5 1st wegen der Rückkopplung durch die beiden Transistoren TlS und T16 sehr klein. Auch der Transistor T19 ist relativ niederohmiq, so da» der geielgte Schaltkreis eine niedrige Ausgangsimpedanz besitzt. An den Funkt 5 können weitere Ausgangsstufen angeschlossen sein.

Durch die vorgeschlagene Anordnung wird die Zellenverlustleistung im Vergleich zu einer konstanten Spannung an den Steuerelektroden der hochohmigen Lasttransistoren um etwa den Faktor 2 bis 3 herabgesetzt. Der für den zusätzlichen Schaltkreis erforderliche Aufwand ist gegenüber diesem beträchtlichen Vorteil von untergeordneter Bedeutung.

Es wird weiterhin die Möglichkeit vermieden, daß bei» Lesevorgang

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der Laettransistor ir.vers leitet. Bei einem festen Potential an der Steuerelektrode den Feldeffekttransistors T6 von z.3. 1,4 V, einem Potential auf der Bitleiturn? Bl von ebenfalls 3,4 V und V_ ■ 2V kann bei einer niedrigen SchwelIwertapannung wilhrend des LeseVorganges ein Strom von der Bitleitung Bl über die Transistoren T4 und T6 zu der V_-Klemme fließen. Durch diesen Stron- wird

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der Differens-Lesestrom der Speicherzelle verringert.

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Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Halbleiterschaltungsanordnung mit Feldeffekttransistoren, die einen hohen Widerstand besitzen und sich auf mindestens einem Halbleiterplättchen befinden, dadurch gekennzeichnet, dafl auf dem (den) Halbleiterplättchen (jeweils) mindestens ein Schaltkreis zur Erzeugung einer von der jeweiligen Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren abhängigen Spannung, die den Steuerelektroden der zugeordneten hochohmigen Feldeffekttransistoren zugeführt wird, vorgesehen 1st.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafl die hochohmigen Feldeffekttransistoren Lasttransistoren in statischen Speicherzellen darstellen*
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein'Schaltkreis zur Erzeugung einer Spannung, die sich mit der Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren, jedoch stärker als diese ändert, vorgesehen ist·
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis Feldeffekttransistoren enthält, die den hochohmigen Feldeffekttransistoren nachgebildet sind.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis eine Nachbildung der atatischen Speicherzellen darstellt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet» daß der Schaltkreis eine Reihenschaltung zweier Feldeffekt-transistoren, die von einem sehr kleinen Strom durchflossen werden, aufweist.

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7. 7. Schaltungsanordnung nach einem dor Ansprüche 1 bte 6, dadurch gekennzeichnet, daß dom Schaltkreis mindestens «in« Entkopplungsstufe, die die Abhängigkeit der erzeugten Spannung von der Schwelivertepannung nicht beeinflußt, nachgeaehaltet ist.

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