DE2313795C3 - Bipolare IGFET-Schaltung - Google Patents

Description

>5 pelt ist.

Feldeffekttransistoren weisen normalerweise Source- und Drainzonen an einer oberen Fläche eines Halbleiterplättchens auf, die durch eine Kanalzone miteinander verbunden sind. Eine über der Kanalzone

Hegende Gateelektrode steuert den Strom durch den Kanal zwischen Source und Drain. Dadurch werden so nützliche Funktionen wie Verstärkung und Schalten ermöglicht. Da die Stromleitung durch Ladungsträger einer einzigen Polarität bewirkt wird, bezeich-

net man Feldeffekttransistoren oft als unipolare Bauelement-,, um sie von den als bipolare Bauelemente bekannten üblichen Transistoren zu unterscheiden. Sie sind auch unter der Abkürzung FET bekannt. Wenn die Gateelektrode von der Kanalschicht

isoliert ist, nennt man sie IGFET-Bauelemente (für insulated gate field effect transistor, d. h. Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate).

Eine wichtige Art eines integrierten Schaltungsmoduls umfaßt bipolare und IGFET-T ransistoren, wobei

die Drainzone des IGFET gleichzeitig die Basiszone des bipolaren Transistors bildet. Integrierte SchaJ-tungsmodule dieser Ar ι, die manchmal als bipolare IGFETS oder BIGFETS bezeichnet werden, sind beispielsweise in den US-PSen 3 264493, 3553541 und

3 582975 beschrieben. Wie in diesen Schriften ausgeführt ist, haben BIGFET-Schaltungsmodule eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. ihre Einfachheit und Verträglichkeit mit Herstellungsmethoden für integrierte Schaltungen. Da sie eine hohe Eingangsimpe-

danz und eine niedrige Ausgangsimpedanz haben, sind sie nützlich als Übergangsschaltungen zwischen Komponenten mit verschiedenen Impedanzeigenschaften.

Aus der US-PS 3649843 ist eine Ausgangspufferschaltung für eine integrierte MOS-Logikschaltuing bekannt, bei der zwar ein MOS-Transistor und ein bipolarer Transistor auf demselben Halbleiter-Chip hergestellt sind, bei der es sich jedoch nicht um eine BIGFET-Schaltung im vorliegenden Sinn handelt.

Um eine hohe Schaltgeschwindigkeit zu ermöglichen, soll bei dieser bekannten Schaltung eine sehr niedrige Eingangs- und eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz erreicht werden. Zur Verringerung dieser Kapazitäten wird mititels einer Diffusionszone zwischen einem Metalleiter unddemSubstnit ein Ohmschei Kontakt hergestellt, damit das Substrat als Erdrückführung verwendet und somit ein sich über dein Chip erstreckender Erdleiter vermieden werden kann.

Für bestimmte Anwendungen ist jedoch eine als Puffertreiber bekannte Komponente erforderlich als Übergangsmodul zur Übertragung digitaler Signale von einer logischen IGFET-Schaltung zu einer anderen. Wenn auch ein BIGFET-Modul oft für diesen

•7 _Uprk erwünscht ist, besonders wenn eint: hohe Ge-

Sdißkeit erforderlich ist und an der Übergangs-MIp eroße Kapazitäten existieren, haben sich doch Problerne ergeben, wenn die betreffenden logischen

SchaltuTgen hergestellt sind unter Verwendung von

' i/mal-TGFETS mit niedriger Schwellenwertspan-

_nt(V - - 1.0 Volt). Für Anwendungen dieser

Cht man gefunden, daß ein üblicher BiGFET-Mohebe«-IGFET zu erlauben. Das Entlade-IGFET wird durch ein Durchschaltsignal gesteuert, das vorteilhalterweise von der Taktquelle eines Schieberegister g~- nommen werden kann, oder von ^e»ner anderen getakteten lGFET-Schaltung, die dem BIGFET voraus

geht. .

Die Erfindung verteuert die Schwung kaum da IGFET-Bauelemente leicht in das Modul einzubauen

^{die am}

AuSeΐ^Erfindung St, eine bipolare IGFET- Erfo.dernis irgendwelcher neuer Eingangsenerg.e-Schaltung der eingangs genannten Art so zu verbes- quellen oder Energiequellenänderungen,

daß ein ausreichend hoher »!«-Pegel erzeugt 15 In Fig. 1 i« ^^ma\'^ """S^' um eine angemessene Rauschbreite für Störsi- modul 11 gezeigt, der ^als^gangs- oder

^einrichtung verbunden ist, mit welcher die Emitter-Belastungsimpcdanz des bipolaren Transistors und der Strom durch den b.polaren Trans.sto. per.odtech veränderbar sind, so daß eine Spannungsanhe- 30 bung des digitalen Ausgangss.gnaJs des zwe.ten IG-FET-Bauelementes ermoghcht ,st.

werden können. IGFET-Einrich-

die direkt mit der Basis-,α _verbunden ist.

^f^e Weise erÄfVndTeSe Drainzone gleichzeitig die Basiszone

SSSSSa

15 mit une

mäßen Ausführungsbeispiels, und

Fig. 2 eine Reihe von graphischen Darstellungen verschiedener Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit an bestimmten Stellen des Schaltungsmoduls der

Merkma, der Erfindung besteht in der Erhö-

SäSSSS

Schaltung 13 verbundin ist, wobei die logi-™^, _{C darg}estellte Eingangskapa- » | BIGFET-Modul stellt _auch eine Zwischenschal-

T^ st

des »O«-Signals. . · ■ , · ,

Das erfindungsgemäße Ausfuhrungsbeisp.el weist ein Hilfs-IGFET zwischen der Vorspannungsque Ie und dem Ausgang auf. Genauer gesagt is di ϊ Hilfs-

Problem mit dem sich die vorliegende Erlin-™S J flds: Wenn auch die Stromder BIGFET-Schaltung , daß die Aus-

Ausgang als eine »0« übertragen wird, wahrend emc ,>0« am Eingang als »1« am Ausgang ersehe η

Wie später klar werden wird, bewirkt eine digitale Eingangs-»O«, daß das Hilfs-IGFET strom von der Vorspannungsquelle zum BIGFET-Ausgang fuhrt. was die Amplitude des Ausgangs-»!«-impulses erhöht. Das stellt sicher, daß eine nachfolgende logische Schaltung mit niedriger Schwellenwertspannung das Ausgangssignal korrekt als log.sche »1« interpretiert. auch beim Vorhandensein normaler Rauschs.gnale, wie sie in elektronischen Anlagen gewöhnlich auf taten. Gemäß anderen erfindungsgemaßen Merkmalen wird der durch den bipolaren Transistor des BIGFET fließende Strom durch ein Entlade-IGFET gesteuert, ..m ein ausreichendes Arbeiten des Hilfs- oder »An- ^FJlffin es sein, daß bei optimalen Em- ^, sun _Ausgangsspannung einer d.gi-

gangs pan g _{rf hoch} -^ _{um eme feh}i_er-

taten men ^^ ^ _{vermeideni b d rs}

hatte 11 ie P _{ischen Anlagtn oft} auftretende

wenn _vornandcn sind. Beispielsweise w.rc

_{i nal )>u bci} Nichtvorhandensein der ^₁ ⁸ _cherwclSc ( V_DD - 1,0 Volt) wo-

£ _sJ_{an lung der} Vorspannungsquelle 17 ,st

hu V₁ , bp g ₍ ^^^^ ^^ _unakzcp

tin LogiK , «-Eingangssignal eines p-

^_nVz, _mi, niedriger Schwel_{wird uberwun}den durch Vorsehen

eines Hilfs-IGFET 18, um die Spannung irgendeines digitalen Ausgangssignals »1« anzuheben, ohne die Strom- oder Impedanzeigenschaften der BIGFET-Schaltungll bemerkenswert zu beeinflussen. Zur Erreichung dieses Ziels wird es bevorzugt, die Eimitterlastimpedanz des Transistors 16 mit einem Durchschaltsignal zu steuern. Die Steuerwirkung wird vorzugsweise erreicht durch ein IGFET 20, dessen Gateelektrode mit einer Taktquelle 22 verbunden ist. Die Taktquellen 22 und 23 sind jene, die für ein IG-FET-Schieberegister oder eine andere logische IG-FET-Schaltung 12 für deren üblichen Schieberegisterbetrieb erforderlich sind. Somit sind zusätzliche Signalquellen nötig.

Die Wirkungsweise der BIGFET-Schaltung kann am besten im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben werden, welche eine Anzahl von Spannungs-Zeit-Darstellungen an verschiedenen Stellen in der Schaltung zeigt. Kurven 24 und 25 stellen die Ausgangssignale der Taktquelle 23 bzw. 22 dar. Kurve 26 ist eine Darstellung der durch die Schaltung 12 auf die Gateelektrode des IGFET 15 gelieferten Spannung. Kurven 27 und 28 sind Darstellungen von Spannungen über Q₁₁, bzw. Q₁.

Die Taktquellenspannungen mit Phasen 0_{ und Q₁ steuern den Informationsübertrag aus der Schaltung 12 so, daß Information am BIGFET-Eingang verfügbar wird, wenn 0₂ (Kurve 25) negativ wird. Es sei darauf hingewiesen, daß 0, und Q₁ um 180° phasenverschoben sind, und daß der positive Impuls einer jeden Taktquelle eine längere Zeitdauer aufweist als der negative Impuls. Zur Zeit Z₁, wenn Q₁ negativ zu werden beginnt, kann sich die BIGFET-Eingangsspannung beispielsweise von einem Eingangszustand »1« zu einem Eingangszustand »0« ändern, wie gezeigt ist (Kurve 26). Das bedeutet, daß zwischen den Zeiten /, und I₂ ein Eingangssignal »0« auf die BIGFET-Schaltung übertragen wird.

Wenn p-Kanal-Anreicherungs-IGFETs, wie in Fig. 1 gezeigt ist, verbunden werden, und wenn mit V_DD eine positive Spannung an die IGFET-Substrate angelegt wird, bewirkt eine niedrige Gatespannung ein Leiten des IGFET, und eine hohe Gatespannung verhindert ein solches Leiten. Somit ist zwischen den Zeitpunkten r, und t₂ IGFET 20 leitend und IGFET 21 nicht leitend.

Desgleichen macht die Eingangs-»!)« 'IGFET 15 und Transistor 16 leitend, so daß ein Ausgangsstrom und eine Spannung über C₁₁₁₁, entstehen, wie es durch Kurve 27 gezeigt ist. Die Ausgangsspannung über C₁₁₁₁, ist typischerweise gleich der Spannung V₁,,, der Quelle

17 minus Verlusten über IGFET 15 und Transistor 16. Wie gezeigt ist, kann die BIGFET-Ausgangsspannung typischerweise V₀₁, minus etwa 1.0 Volt sein. Wie oben erwähnt worden ist, kann dies keine ausreichend hohe Ausgangsspannung »1« bilden.

Die Eingangs-»!)« schaltet auch einen Hilfs-IGFET

18 an. der die Vorspannungsquelle 17 mit dem Ausgang koppelt. Zur Zeit /,, wenn IGFET 20 /u leiten aufhört, lädt somit Strom vom leitenden IGFEI 18 C₁₁₁₁₁ auf eine Spannung in der Nähe der Vorspannungsquelle 17 auf. Typischerweisc wird die Spannung über Q₁₁₁ erhöht auf ( V_n,, - 0,3 Volt), wie in Fig. 2 durch Kurve 27 gezeigt ist. Kurz nach Zeit f, wird die Gatespannung 0, des IGFET 21 negativ, wie durch Kurve 24 gezeigt ist, und IGFET 21 wird leitend, um die Eingangskapazität C_n praktisch auf die Soannunu von Q₁₁₁ aufzuladen. Die Spannung über Q₁ ist durch Kurve 28 gezeigt, und die nach Zeit f₂ auftretende hohe Spannung bildet natürlich die vom BIGFET auf die logische Schaltung 13 übertragene »1«.

Wenn IGFET 20 leitend ist, wird ein Weg durch den bipolaren Transistor 16 aufgebaut und die Spannung über Q_u, bestimmt sich durch V_DD minus dem relativ großen Spannungsabfall über dem bipolaren Transistor 16 und dem IGFET 15. Wenn dagegen IG-FET 20 nicht leitend ist, bestimmt sich die Spannung über Q₁₁, durch K₀₀ minus dem niedrigen Spannungsabfall über dem Hilfs-IGFET 18.

Die nachfolgende Ziffer am BIGFET-Eingang wird zwischen den Zeitpunkten i₃ und I₄ verfügbar, wobei »5 die Phase O₂ (Kurve 25) negativ und IGFET 20 wieder leitend ist. Es sei angenommen, daß die neue Eingangsziffer eine »1« ist, wie es durch Kurve 26 zur Zeit /j gezeigt ist. Die IGFETs 15 und 18 und der Transistor 16 sind nicht leitend, und der Kondensator Com ^w'^r(l über IGFET 20 entladen, wie es durch Kurve 27 dargestellt ist. Kurz nach dem Zeitpunkt I₄ wird die Phase 0, (Kurve 24) negativ, um IGFET 21 leitend zu machen, was bewirkt, daß sich Q in die Kapazität Q_u, entlädt. Dadurch nimmt die Spannung über Q ab, wie es in Kurve 28 gezeigt ist, was bewirkt, daß kurz nach dem Zeitpunkt I₄ eine digitale »0« auf die logische Schaltung 13 übertragen wird. Bei einem normalen Aufbau ist Q₁₁, typischerweise viel größer als Q, so daß Q₁ beim Einschalten des IGFET 21 das durch Q₁₁, gespeicherte Potential annimmt.

IGFET 24 wird in bekannter Weise mit einer Gatespannung V_GG betrieben, um einen Entladungsweg für die Basis des bipolaren Transistors 16 verfügbar zu machen, wenn IGFET15 nicht leitend ist. Tatsächlich ist dies eine einfache integriert geschaltete Alternative für einen Entladewiderstand.

Die am BIGFET-Zwischen- oder Übergangsmodul vorgenommenen Modifikationen ändern nicht dessen Grundeigenschaften und verschlechtern nicht dessen Arbeitsweise. Der IGFET 20 kann ein Bauelement mit großen Abmessungen und niedriger Impedanz sein, da er das Schieberegister nicht belastet und dadurch die Datenübertragung nicht verlangsamt. Die Schaltungsmodulgcschwindigkeit ist hoch, da der Transistor 16 C₁₁₁₁, auf Grund seiner hohen Stromtreibfähigkeitcn recht schnell auflädil. IGFET 18 kann ein relativ kleines Bauelement sein, das die kapazitive Last am Schieberegister praktisch nicht vergrößert.

So Man hat natürlich betrachtet, daß das meiste der digitalen Energie für eine »1« durch den bipolaren Transistor 16 übertragen wird, wobei lediglich ein kleiner, zum Spannungs-»Anhebcn« benötigter Teil durch IGFET 18 übertragen wird. Deshalb sollte die Kombination aus dem Ubcrtragungslcitwert g_m des IGFET 15. der gewöhnlichen Emittcrstromvcrstärkung des bipolaren Transistors 16 und der Impedanz des IGFET 20 genügend hoch sein. Normalerweise ist die Stromverstärkung des bipolaren Transistors 16 genügend hoch (typischerweisc größer als 50), um einen großen Spannungsabfall über dem IGFET 20 zwischen den Zeitpunkten i, und I₂ sicherzustellen, auch wenn keine besonderen Bemühungen vorgenommen worden sind, um die Impedanz des IGFET 20 groß zu machen. Natürlich sollte die Impedanz des IGFET 18 ausreichend niedrig gehalten werden, um ein angemessenes »Anheben« der Ausgangsspannung zu erzeugen.

Es sind Modifikationen beschrieben worden zum Anheben der Ausgangsspannung einer von einem BIGFET übertragenen Ziffer ■■ 1". ohne die Schnelligkeits- oder Impedanzeigenschaften des BIGFET-Modul bemerkenswert zu stören. Schaltvorgänge zum

Erreichen dieses Verhaltens können einfach durch Taktquellen gesteuert werden, die für IGFET-Schieberegister und andere logische IGFET-Schaltungen erforderlich sind und außerhalb des BIGFET-Moduls lieeen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Bipolare IGFET-Schaltung mit einem Eingangsanschluß zum Empfang eines digitalen Eingangssignals, einem Ausgangsanschluß zum Erhalt eines digitalen Ausgangssignals der Schaltung, einem Vorspannungsanschluß zum Anlegen eines Bezugspotentials an die Schaltung und einem ersten, Source-, Drain- und Gatezonen aufweisen IGFET-Bauelement, dessen Gatezone mit dem Eingangsanschluß und dessen Sourcezone mit dem Vorspannungsanschluß gekoppelt ist, und mit einem bipolaren Transistor, dessen Emitterzone mit dem Ausgangsanschluß, dessen Kollektorzone mit dem Vorspannungsanschluß und dessen Basiszone mit der Drainzone des ersten IGFET-Bauelementes gekoppelt ist, gekennzeichnet durch ein zweites IGFET-Bauelement (18), dessen Gatezone mit der Gatezone des ersten IGFET-Bauelementcs (15), dessen Sourcezone mit der Kollektorzone des bipolaren Transistors (16) und dessen Drainzone einerseits mit dem Emitter des bipolaren Transistors (16) und andererseits mit einer Schaltereinrichtung (22, 20) verbunden ist, mit welcher die Emitter-Belastungsimpedanz des bipolaren Transistors (16) und der Strom durch den bipolaren Transistor periodisch veränderbar sind, so daß eine Spannungsanhebung des digitalen Ausgangssignals des zweiten IGFET-Bauelementes (18) ermöglicht ist.

2. Bipolare IGFET-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung eine dritte IGFET-Einrichtung (20) mit einer Sourcezone, die mit dem Ausgangsanschluß verbunden ist, eine vierte IGFET-Einrichtung (21) mit einer Drainzone und einer Sourcezone, die mit dem Ausgangsanscliluß verbunden ist sowie eine Ausgangskapazität (C_OUI), die an den Ausgangsanschluß der IGFET-Schaltung angekoppelt ist, aufweist.

3. Bipolare IGFET-Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainzone der vierten IGFET-Einrichtung (21) an eine Last mit einer Eingangskapazität (Q₁) angekoppelt ist, derart, daß die vierte IGFET-Einrichtung periodisch die Spannung über der Eingangskapazität (Cj_n) ändert, indem sie Ladung zwischen der Ausgangskapazität (C_oul) und der Eingangskapazität (C)_n) überträgt.

4. Bipolare IGFET-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte bzw. dritte IGFET-Einrichtung (21 bzw. 20) durch einen ersten bzw. zweiten Taktimpuls (0, bzw. 0[) derselben Frequenz, aber unterschiedlicher Phase, betätigt wird.

5. Bipolare IGFET-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Taktimpuls (0, und 0,) die an die Gatezone der ersten und die Gatezone der zweiten IGFET-Einrichtung (15 und 18) angelegten digitalen Eingangssignale steuert.

6. Bipolare IGFET-Schaltung nach An Spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Taktimpuls (0, und O₂) einen Phasenunterschied von 180° aufweisen.

Die Erfindung betrifft eine bipolare IGFET-Schaltung mit einem Eingangsanschluß zum Empfang eines digitalen Eingangssignals, einem Ausgangsanschluß zum Erhalt eines digitalen Ausgangssignals der Schal-

tung, einem Vorspannungsanschluß zum Anlegen eines Bezugspotentials an die Schaltung und einem ersten, Source-, Drain- und Gatezonen aufweisenden IGFET-Bauelement, dessen Gatezone mit dem Eingangsanschluß und dessen Sourcezone mit dem Vor-

Spannungsanschluß gekoppelt ist, und mit einem bipolaren Transistor, dessen Emitterzone mit dem Ausgangsanschluß, dessen Kollektorzone mit dem Vorspannungsanschluß und dessen Basiszone mit der Drainzone des ersten IGFET-Bauelementes gekop-