DE2232274C2 - Statischer Halbleiterspeicher mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Statischer Halbleiterspeicher mit Feldeffekttransistoren

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DE2232274C2 DE19722232274 DE2232274A DE2232274C2 DE 2232274 C2 DE2232274 C2 DE 2232274C2 DE 19722232274 DE19722232274 DE 19722232274 DE 2232274 A DE2232274 A DE 2232274A DE 2232274 C2 DE2232274 C2 DE 2232274C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen, statischen Halbleiterspeicher aus Flipflop-SpeicherzeHen mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Bei Feldeffekttransistoren ist der Strom abhängig vom Quadrat der Differenz zwischen der Spannung zwischen Steuerelektrode und Quellenelektrode und der Schwellwertspannung. In Speichern der eingangs genannten Art werden als Lastelemente Feldeffekttransistoren mit sehr hohem Widerstand verwendet, d. h., der von ihnen durchgelassene Strom besitzt einen möglichst geringen Wert, um die Verlustleistung und damit die auf den betreffenden Halbleiterplättchen entstehende Wärme möglichst gering zu halten. Umfangreichere Speicher setzen sich dabei aus auf mehreren Halbleiterplättchen angeordneten Speicherbausteinen zusammen. In der Regel wird dabei an die Steuerelektroden dieser Transistoren ein für alle Speicherzellen auf den gegebenenfalls mehreren Halbleiterplättchen gleiches Potential gelegt Die Schwellwertspannungen zwischen einander entsprechenden Transistoren auf verschiedenen Halbleiterplättchen können jedoch, bedingt durch den Herstellungsprozeß der Halbleiteranordnungen, um Werte bis zu einem Volt voneinander abweichen. Das an die Steuerelektroden der Transistoren gelegte Potential muß demnach so bemessen sein, daß auch diejenigen Transistoren mit der höchsten Schwellwertspannung noch den aus Stabilitätsgründen erforderlichen Strom liefern. Diejenigen Transistoren, die eine demgegenüber niedrigere τ Schwellwertspannung besitzen, lassen in einem solchen Fall jedoch einen teilweise erheblich größeren Strom als erforderlich passieren. Wenn bei Speicherbausteinen auf einem Halbleiterplättchen sehr viele dieser hochohmigen Feldeffekttransistoren angeordnet sind, ergeben sich wesentliche Abweichungen in der Verlustleistung und damit der Erwärmung der einzelnen Halbleiterplättchen untereinander. Die einzelnen Schaltkreiselemente lassen sich somit nicht so dicht zueinander auf den Halbleiterplättchen anordnen, wie es unter hersteilungstechnischen Gesichtspunkten an sich möglich wäre.
Aus der Veröffentlichung im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13, No. 9, Februar 1971, Seite 2516 ist eine hinsichtlich herstellungsbedingter Schwankungen
jo der jeweiligen Schwellwertspannungen kompensierte Konstantstromquelle als bekannt anzusehen, in der dem strombestimmenden Feldeffekttransistor eine von der jeweiligen Schwellwertspannung abhängige Steuerspannung zugeführt wird, die aus einer auf demselben Halbleiterplättchen angeordneten weiteren Schaltung abgeleitet wird. Im Gegensatz zu Speicherbausteinen, bei denen extrem viele identische Speicherzellen auf einem Halbleiterplättchen unterzubringen sind, handelt es sich bei einer solchen kompensierten Konstantstromquelle um einen typischen Einzelsrhaltkreis, bei dem es auf die Erzielung einer möglichst geringen Verlustleistung naturgemäß nicht ankommt Eine derartige, beim Entwurf von Speicherbausteinen regelmäßig streng zu beachtende Problemstellung liegt dort nicht vor und wird auch nicht angesprochen oder gelöst.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, statische Halbleiterspeicher der eingangs genannten Art in dem Sinne weiter zu verbessern, daß unabhängig von herstellungsbedingten Streuungen der Schwellwertspannungen üie hochohmigen Last-Feldeffekttransistoren der Speicherzellen auf den ggf. mehreren Halbleiterplättchen stets nur den zum stabilen Betrieb der Speicherzelle erforderlichen Strom führen, so daß eine möglichst weitgehende Reduzierung der erzeugten
Ϊ5 Verlustleistung bzw. eine möglichst hohe Packungsdichte derartiger Speicherzellen erzielt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen vor. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Schwellwertspannungen der einzelnen Transistoren auf einem Halbleiterplättchen nur unwesentlich, d. h. im Höchstfall um etwa 0,1 Volt, voneinander abweichen, während die Differenz der Schwellwertspannungen von Feldeffekttransistoren verschiedener Halbleiterplättchen bis zu einem Volt betragen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Feldeffekttransistor-Speicherzelle, deren Lasttransistoren ein von der Schwellwertspannung abhängiges Steuerelektrodenpotential, das in einem ebenfalls dargestellten Schaltkreis erzeugt wird, zugeführt wird,
F i g, 2 einen Schaltkreis zur Erzeugung eines von der Schwellwertspannung abhängigen Potentials mit einer Entkopplungsstufe und
Fig.3 eine weitere Ausrührungsform eines Schaltkreises, in dera ein schwellwertspannungsabhängiges Potential gebildet wird.
Die Fig. 1 zeigt eine ah sich bekannte Speicherzelle mit sechs Feldeffekttransistoren. Zwei kreuzgekoppelte Transistoren Ti und TI dienen zur Speicherung der binären Information. Zum Eingeben und zum Auslesen der Information sind weitere Transistoren T3 und T^ vorgesehen. Wenn keiner dieser beiden Vorgänge stattfinden soll, werden die beiden Transistoren T3 und TA über eine Wortleitung WL im nichtleitenden Zustand gehalten. Dadurch werden die beiden Speicher-Transistoren TX und T2 von zwei Bitleitungen BO und Bi getrennt Während dieser Zeit werden die Transistoren Ti und T2 durch das positive Potential Vl über Feldeffekttransistoren T5 und T6 gespeist Die Steuerelektroden dieser Transistoren 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 Γ3 und T4 in den 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 B1 den Speicher-Transistoren Ti und T2 entsprechende Signale über die Transistoren T3 und T4 zugeleitet.
Der von den Transistoren T5 bzw. T6 durchgelassene Strom braucht nur so groß zu sein, daß er den Leckstrom des zugeordneten gesperrten Speicher-Transistorr Ti bzw. T2 kompensiert. Die Speicherzelle sei beispielsweise in dem Zustand, in dem der Transistor Ti leitend und der Transistor T2 gesperrt sind. Der leitende Zustand des Transistors Ti wird durch das Potential des Punktes 2 aufrechterhalten. Hierfür muß jedoch die Bedingung erfüllt sein, daß das Potential dieses Punktes nicht absinkt Dazu ist erforderlich, daß der über den Transistor T6 gelieferte Strom den Leckstrom des im Sperrzustand gehaltenen Transistors T2 zu kompensieren vermag. Dieser Strom ist sehr gering; er hat einen Wert von etwa 30 nA. Die Transistoren T5 und T6 sollten demnach einen entsprechend hohen Widerstand besitzen, da durch einen niedrigeren Widerstand des dem jeweils leitenden Transistor, d. h. im vorliegenden Beispiel dem Transistor Ti, zugeordneten Transistors, d. h. des Transistors T5, nur die Verlustleistung erhöht, nicht jedoch die Stabilitätseigenschaften der Speicherzelle verbessert werden. Aus diesem Grunde ist es wesentlich, daß die Differenz zwischen der Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode und der Schwellwertspannung bei diesem Feldeffekttransistor möglichst gering ist. Bei Feldeffekttransistoren, deren Schwellwertspannungen voneinander abweichen, läßt sich dieses Ziel dadurch erreichen, daß den Steuerelektroden ein von der jeweiligen Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren abhängiges Potential zugeführt wird. Da die Sch well wertspannunger der auf einem Halbleiterplättchen befindlichen Feldeffekttransistoren als im wesentlichen gleich angesehen werden können, ist es ausreichend, für diese Transistoren einen gemeinsamen Schaltkreis zur Erzeugung des von der Schwellwertspannung abhängigen Potentials vorzusehen.
Ein solcher Schaltkreis ist ebenfalls in F i g. 1 in Verbindung mit nur einer Speicherzelle dargestellt Er umfaßt die Feldeffekttransistoren 77, TS, T9, Γ10 und TIl. Dieser Schaltkreis bildet die angeschlossenen
ίο Speicherzellen nicht nur topologisch in ihren einzelnen Elementen nach, sondern die einander entsprechenden Feldeffekttransistoren besitzen auch die für einen gleichen Wert der Schwellwertspannung erforderliche Kanallänge. Die Schwellwertspannung eines Feldeffekttransistors ist von dessen Kanallänge in der Weise abhängig, daß bis zu einer Kanallänge von etwa 9 μπι die Schwellwertspannung mit der Kanallänge ansteigt und dann unabhängig von dieser ist Weiterhin wird eine im wesentlichen gleiche Spannung zwischen Substrat und die Quellenelektroden der einzelnen Feldeffekttransistoren gelegt, da die Schwell^Anspannung auch von dieser Spannung abhängig ist
Der Transistor TS entspricht bei leitendem Transistor Ti dem Lasttransistor T6 der Speicherzelle. Beide Transistoren arbeiten im gesättigten Bereich. Sie sind relativ lang ausgebildet und besitzen daher eine gleich hohe Schwellwertspannung. Der Feldeffekttransistor 7"6 wird nur durch einen kleinen Leckstrom von etwa 30 nA belastet. Durch den Transistor TS fließt ebenfalls nur ein kleiner Strom, da der mit ihm in Reihe geschaltete Feldeffekttransistor Tl einen sehr großen Widerstand darstellt Wegen dieses geringen Stromes liegt die Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode der beiden Transistoren T6 und TS 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 Trnnsistoren haben relativ kurze Kanallängen. Der Speichertransistor Ti, der im linearen Gebiet arbeitet, muß kräftig leii^nd sein, damit der gegenüberliegende Transistor T2 sicher ausgeschaltet bleibt. Die Spannung zwischen seiner Steuer- und seiner Quellenelektrode liegt daher um etwa 0,3 V über der Schwellwertspannung dieses Transistors. Der Feldeffekttransistoi Γ9 iit sehr niederohmig und arbeitet im gesättigten Bereich. Wegen des durch den Transistor Tl vorgegebenen geringen Stroms ist die Differenz zwischen der Spannung zwischen 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 71 auf Erdpotential, sondern an das Potent!?,! Vr gelegt. Durch das Potential VR 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,i V.
Das Potential Vr kann in einfacher Weise aus den Potentialen Vl und Vh mit Hilfe eines Spannungsteilers aus den Feldeffekttransistoren T1IO und TIl abgeleitet werden. Vt entspricht der Zellenspannung, deren niedrigster Wert bei 2 V liegt. VH wird für die Ansteuerkreise der Zelle benötigt und besitzt einen
Wert von etwa 10 V. Es kann gezeigt werden, daß Vr vom Potential V^und von den Schwellwertspannungen der Transistoren 710 und 711 praktisch unabhängig ist. Das am Punkt 3 des die Speicherzelle nachbildenden Schaltkreises erzeugte Potential Vc wird den Steuerelektroden der Lasttransistoren der einzelnen Speicherzellen zugeführt. Das Potential Vc, setzt sich zusammen aus den Potentialen Vr und den an den Transistoren 78 und 79 abfallenden Spannungen Vn und VT<t. Diese beiden Spannungen entsprechen im wesentlichen den Schwellwertspannungen der beiden Transistoren 78 und 79 V<; ist somit nicht nur von einer, sondern von der Summe aus zwei Schwellwertspannungen abhängig. Dadurch erfolgt ein Ausgleich hinsichtlich der Verlustleistung der nicht kompensierten, peripheren Schaltkreise auf dem die Speicher/eilen enthaltenden Halbleiterplättchen. Eine rehitiv niedrige Schwcllwcrtspannung der Feldeffekttransistoren auf dem !Mbieiterplättchen beispielsweise bewirkt, daß die peripherei: Schaltkreise eine vergleichsweise hohe Verlust leistung besitzen. Durch die geninnten Maßnahmen sinkt icdoch die Verlustleistung der iipoieher/ellen mit abnehmender Sclnvellwertspannung, so daß emc insge samt von der Schwellwertspannung etwa unabhängige Verlustleistung auf dem Halblei'.erplattchen cr/ielt werden kann.
In F i g. 2 wird das von der Schwellwertspannuniz abhängige Potential IV, über eine die Feldeffekttransistoren 712 und 713 enthaltende Entkopplungsstufe mehreren Speicherzellen zugeführt. In der das Potential V'V, führenden Leitung fließt normalerweise kein Sirom. 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 dienes Potential weiterführende Leitung beispielsweise unreiner hochdotierten Halbleiterzonc bestehen kann und dadurch Leckströme auftreten und da aus Testgriind'T die große Kapazität der Steuerelektroden der vielen Speicherzellen schnell aufgeladen werden soll. We»p außerdem mehrere Entkopplungsstufen für eir^r. V, erzeugenden Schaltkreis vorgesehen sind, und es mn .m 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 F i g. 2 besitzen die Feldeffekttransistoren 77. 78. 79. 710 und 7t1 die gleiche Funktion wie die entsprechend bezeichneten Transistoren in Fig. I. In die Reihenschaltung der Transistoren 77. 78 und 79 wurde lediglicl'. ein weiterer Feldeffekttransistor 714 eingefügt. Das Potential Vco in Fig. 2 entspricht dem Potential Vc in Fig. 1. Es wird gezeigt, daß die Differenz der Potentiale VG und Vco in Fig.2 unabhängig von der Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren ist und daß damit die in Vco erhaltene Abhängigkeit von der Schwellwertspannung unverzerrt auf das Potential Vb in F i g. 2 übertragen wird.
Es ist
L' _ V — V — V — (V — V *
YG YGO ~ YGS\1 rTH\2 \ rGS14 rTH)i'
ist. folgt:
K1VM
Hierin bedeuten: Vas die Spannung zwischen Steuer- und Quellenelektrode eines Transistors,
/die Schwellu er (spannung eines Tr ausist ι >r<·
den Strom eines Transistors
die K;itialbreite eines Transistors
lite kanallange eines Transistors um;
einen konstanten faktor (normierte Steilheit).
In durch den
tr: Α; entspricht dem Strom
7Ί3. Ks gilt angenähert die folgende
Da
= K71
Oer Strom /ι* hängt vom Potential des Punktes 4 :.ivr> .ib. da dieses Potential durch den hohen VV,derstar.dswert des Transistors 77 sehr viel kleiner .is das angelegte Potential Vn ist. Die Ströme /12 und /·4 ^ir.d somit unabhängig von der Schwellwertspannung ίί· Transistoren und damit auch die Potentialdiffcenz ; _ v, ,. Ps jst somit !ed-glich erforderlich, das !-Yi'!""·''?.! l/' u;n die Differenz Ve,— V,-,o /u korrigieren. u^ c!-.' rwjnschte Steuerelekt-odenp-itential Vr, zu erhalten.
Bei weiteren Entkopp'ungsstufen werden diese, wie in F i g. 2 angedeutet ist, an die zu den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren 712 und 713 führenden Leitungen angeschlossen.
Die F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines ein von der Schwellwertspannung abhängiges Potential erzeugenden Schaltkreises. Bei relativ kleinem Potential Vh schwankt bei Änderungen dieses Potentials der ober den Transistor 78 fließende Strom relativ stan*. In der Schaltung nach Fi g. 1 wird das Potential Vr durch diese Stromschwankungen beeinflußt. In der Anordnung nach F i g. 3 wird dieser Strom voa entern Feldeffekttransi stor 715 aufgenommen, so daß Vi? nicht durch Schwankungen dieses Stroms verändert werden kann. Das Potential Vg in F i g. 3 wird durch das Potential VÄ und durch die Reihenschaltung der Transistoren Γ9 und 78 gebildet Es entspricht wie bei der Schaltung nach F i g. 1 etwa der Summe des Potentials VR und der Schwellwertspannungen der beiden Transistoren T% und 79. Die Feldeffekttransistoreil 717 und 718 stellen hochohmige Widerstände dar. Der Ausgangswiderstand am Punkt 5 ist wegen der Rückkopplung durch die beiden Transistoren 715 und 716 sehr klein. Auch der Transistor 719 ist relativ niederohmig, so daß der gezeigte Schaltkreis eine niedrige Ausgangsimpedanz
besitzt. An den Punkt 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 Gefahr vermieden, daß beim
Lesevorgang der Lasttransistor invers leitet. Bei einem festen Potential an der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors Τβ von z. B. 3,4 V, einem Potential auf der Bitleitung 51 von ebenfalls 3,4 V und V;. = 2V könnte bei einer niedrigen Schwellwertspannung während des Lesevorganges ein Strom von der Bitleitung B \ über die Transistoren TA und Γ6 zu der V/.-Klemme fließen. Durch diesen Strom würde der Differenz-Lesestrom der Speicherzelle verringert.
I lier/u 1 Blatt
!"L1Il

Claims (3)

Patentansprüche;
1. Statischer Halbleiterspeicher aus Flipflop-Speicherzellen mit jeweils zwei kreuzgekoppelten niederohmigen Schalt-Feldeffekttransistoren und zwei hochohmigen Last-Feldeffekttransistoren, wobei alle Feldeffekttransistoren einer Speicherzelle jeweils auf einem Halbleiterplättchen angeordnet sind und sich die Speicherzellen auf einem Halbleiterplättchen verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß
1. die Steuerelektroden der hochohmigen Last-Feldeffekttransistoren (TS, 7*6) mit einem jeweils auf dem betreffenden Halbleiterplättchen vorgesehenen Vorspannungsschaltkreis (T7 bis TU, Γ14; Γ8 bis TIl, 7*16 bis 7Ί9) verbunden sind,
2. der Vorspannungsschaltkreis eine von der jeweiligen Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren auf dem betreffenden HaIbleiterpiättchen abhängige Vorspannung (Vg) bereitstellt, die eine Funktion der Summe zweier Schwellwertspannungen (V-r, V79) darstellt, nämlich der für einen hochohmigen Last-Feldeffekttransistor (TS bzw. Γ6) sowie der für einen niederohmigen Schalt-Feldeffekttransistor (Ti bzw. 7"2) geltenden Schwellwertspannung,
3. der VorspannungsschaHkreis eine Reihenschaltung aus zwei Feldeffekttransistoren (T8, T9) enthält, die bezüglich ihrer Schwellwertspannungen durch Übernahme der jeweiligen Werte der Kanallängen und Spannungen zwischen Quellenelektroden und Substrat Nachbildungen der hochohmigen Last-i eldeffekttransistoren (TS, T6) sowie der niederohmigen Schalt-Feldeffekttransistoren (Ti, T2) der Speicherzelle^) darstellen und von einem sehr kleinen Strom in der Größenordnung des Leckstromes im jeweils ausgeschalteten Flipflop-Schaltungszweig einer Speicherzelle durchflossen werden.
2. Statischer Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorspannungsschaltkreis (T7 bis TIl) mindestens eine Entkopplungsstufe (T12, Γ13) nachgeschaltet ist, welche die Abhängigkeit der erzeugten Spannung von der Schwellwertspannung nicht beeinflußt (F i g. 2).
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