DE2341822B2 - Digitales Schieberegister - Google Patents

Digitales Schieberegister

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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales Schieberegister mit einer Reihe in Serie geschalteter Emitterfolger, welche jede einen ersten Transistor enthalten, welcher Transistor eine Eingangselektrode, eine Ausgangselektrode und eine gemeinsame Elektrode aufweist wobei die gemeinsame Elektrode mit einem Anschluß einer zugehörigen Speicherkapazität mit einem elektronischen Schalter, mit dessen Hilfe die zugehörige Speicherkapazität auf den Bezugspegel gebracht wird, und mit der Eingangselektrode des ersten Transistors des nachfolgenden Emitterfolgers verbunden ist wobei die Ausgangselektrode jedes ersten Transistors mit einer Taktleitung verbunden ist, wobei die Ausgangselektroden zweier nebeneinanderliegender Transistoren mit gesonderten Taktleitungen verbunden sind
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein in
einem Halbleiterkörper integriertes Schieberegister. Das Bestreben geht dahin, die jetzigen Schieberegister immer weiter zu miniaturisieren. Diese Miniaturisierung hat den Zweck, die Kosten herabzusetzen und eine Vergrößerung der Schiebegeschwindigkeit zu erzielen. Durch die Miniaturisierung des Schieberegisters nimmt die Packungsdichte und somit auch die Energieableitung pro Oberflächeneinheit des Halbleiterbauelemeus zu. Der Quotient der Ableitung und der Schiebegeschwindigkeit ist z. B. ein Maß für die Güte des Schieberegisters. Im allgemeinen geht das Bestreben dahin, diesen Quotienten möglichst niedrig zu machen. Ein Schieberegister dieser Art ist aus der niederländischen Patentanmeldung 68 13 329 (Fig. 5) bekannt In diesem Schieberegister werden die Emitterfolger durch Feldeffekttransistoren gebildet deren Source-EIektroden mit der Gate-Elektrode jeweils des auffolgenden Transistors verbunden sind Die Drain-Elektroden zweier aufeinanderfolgender Transistoren sind mit zwei gesonderten Taktleitungen verbunden. Die Kapazitäten sind einerseits mit den Source-Elektroden der zugehörigen Transistoren und andererseits mit einer von zwei Taktleitungen verbunden, wobei nebeneinanderliegende Kapazitäten mit verschiedenen Taktleitungen verbunden sind In dem bekannten Schieberegister werden die elektronischen Schalter durch Dioden gebildet deren Anoden mit den Gate-Elektroden der zugehörigen Transistoren und deren Kathoden mit einer fünften oder einer sechsten Taktleitung verbunden sind, wobei nebeneinanderliegende Dioden mit verschiedenen Taktleitungen verbunden sind Dadurch, daß an die mit den Drain-Elektroden der Transistoren verbundenen Taktleitungen eine Betriebsspannung angelegt wird wird die Ladespannung von der vorangehenden Kapazität auf eine folgende Kapazität übertragen. Um den Unterschied in der Gleichspannung (Schwellwertspannung) zwischen den Ein- und Ausgängen jedes der Emitterfolger auszugehen, werden an die mit den Kapazitäten verbundenen Taktleitungen Impulse angelegt deren Amplitude dnsn obengenannten Unterschied entspricht Dadurch wird erreicht daß die Spannung des an der Kathodenseite liegenden Anschlußendes einer Kapazität bei Übertragung der Spannung auf eine folgende Kapazität gleich groß wie die Spannung an der Gate-Elektrode des zugehörigen Transistors beim Aufladen der Kapazität ist
Für das oben beschriebene Schwellwertspannungskompensationsverfahren werden zwei zusätzliche Taktleitungen benötigt Diese Taktleitungen beanspruchen Raum auf dem zu verwendenden Halbleiterkörper, welcher Raum also nicht mehr zum Integrieren von Schaltungselementen, wie Transistoren und Kapazitäten, benutzt werden kann. Dadurch wird die maximale Packungsdichte herabgesetzt Für eine befriedigende Wirkung des obengenannten Schieberegisters ist es erforderlich, daß die einzelnen Schwellwertspannungen aller Feldeffekttransistoren genau ausgeglichen werden. Da die Schwellwertspannungen der Feldeffekttransistoren auf dem Halbleiterkörper von Transistor zu Transistor verschieden sind, ist es unmöglich, mit Hilfe einer einzigen gewählten Ausgleichsspannung die vorerwähnten Schwellwertspannungen auszugleichen. Auch der sogenannte »Back-gate«-Effekt (Einfluß der Substratspannung auf die Schwellwertspannung) beeinträchtigt die Wirkung des Schieberegisters. Wenn nämlich die Source-Substratspannung eines Feldeffekttransistors zunimmt nimmt die Schwellwertspannung beträchtlich zu. Dies bedeutet daß, wenn eine logische
Null der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors zugeführt wird, eine andere Ausgleichsspannung erforderlich ist als wenn eine logische Eins zugeführt wird. Die GrSBe der Amplitude der Ausgleichsimpulse wird auch durch den Quotienten der Kapazitätswerte der betreffenden Kapazität und der Eingangskapazität des darauffolgenden Feldeffekttransistors bestimmt. Um zu verhindern, daß die Amplitude der Ausgleichsimpulse groß gewählt werden muß, müssen die betreffenden Kapazitäten verhältnismäßig groß sein. Größere Kapazitäten beanspruchen mehr Raum auf dem Halbleiterkörper, wodurch also die maximale Packungsdichte verringert und auch die maximale Schiebegeschwindigkeit herabgesetzt wird
Die Erfindung bezweckt, die obenerwähnten Nachtei-Ie zu beseitigen und ein Schieberegister zu schaffen, das eine groEe Packungsdichte aufweist und dessen maximale Schiebegeschwindigkeit sehr groß ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingangselektroden mindestens eines Teils der ersten Transistoren und den mit dieser, verbundenen Taktleitungen veränderliche Kapazitäten angebracht sind, wobei die elektronischen Schalter durch weitere Transistoren gebildet werden, deren Hauptstrombahnen zwischen der gemeinsamen Elektrode des zugehörigen ersten Transistors und dem anderen Anschluß der zugehörigen Speicherkapazität angeordnet sind.
Es sei bemerkt, daß aus der DE-OS 21 53 879 bekannt ist, zur Oberwindung der Schwellspannungen eine Kapazität zwischen die Gate-Elektrode des Transistors und eine Phase einer Spannungsversorgung zu schalten. Aber diese Kapazität ist nicht veränderlich.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Ausführungsform des digitalen Schieberegisters nach der Erfindung,
F i g. 2 ein Snannungsdiagramm der von der Schaltspannungsquelle gelieferten Spannungen,
F i g. 3 schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des integrierten Schieberegisters nach der Erfindung,
F i g. 4 schematisch einen Querschnitt längs der Linie A in F i g. 3,
F i g. 5 eine Schieberegisterstufe zur Anwendung im Schieberegister nach F i g. I und
F i g. 6 eine andere Schieberegisterstufe zur Anwendung im Schieberegister ntrti Fig. 1.
In F i g. 1 werden die Emitterfolger durch Feldeffekttransistoren *, 2,3,4,5 gebildet. Diese Transistoren sind vom Typ mit isolierter Gate-Elektrode. Die Source-Elektrode jedes der Transistoren 1 bis 4 ist mit der Gate-Elektrode des darauffolgenden Feldeffekttransistors verbunden. Die Drain-Elektroden der Transisto- r>i ren 1,3 und 5 sind mit der Taktleitung 41 verbunden, die mit dem Ausgang a der Schaltspannungsquelle 5 verbunden ist Die Drain-Elektroden der Ti ansistoren 2 und 4 sind mit der Taktleitung 40 verbunden, die mit dem Ausgang ί der Schaltspannungsquelle S verbunden w> ist Die elektronischen Schalter werden durch die Feldeffekttransistoren 10, 24, 34, 45 und 46 gebildet, deren Source-Elektroden mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden sind. Die Drain-Elektroden der Transistoren 10, 24, 34, 45 und 56 sind mit den Source-Elektroden der Transistoren 1, 2, 3, 4 bzw. 5 verbunden. Die Gate-Elektroden der Transistoren 10, 34 und 56 sind mit der Taktleitung 43 verbunden, die mit dem Ausgang (/der Schaltspannungsquelle S verbunden ist Die Gate-Elektroden der Transistoren 24 und 25 sind mit der Taktleitung 42 verbunden, die mit dem Ausgang b der Schaltspannungsquelle 5 verbunden ist Zwischen den Gate-Elektroden und den Drain-Elektroden der Transistoren 2, 3, 4 und 5 sind die veränderlichen Kapazitäten 12, 13, 14 bzw. 15 angebracht Die Kapazitäten 22,33,44 und 55 sind parasitär vorhanden und werden durch passende Wahl des Layouts möglichst klein gehalten. Die Wirkungsweise des Schieberegisters nach der Erfindung ist wie folgt
In dem Zeitintervall t\ ist die Spannung an der Taktleitung 41 gleich +EVoIt. während die Spannung an den anderen Taktleitungen gleich 0 Volt ist (siehe F i g. 2). Es sei angenommen, daß in diesem Zeitintervall eine logische »1«, z. R '/2JS1VoIt, an der Gate-Elektrode des Transistors 1 vorhanden ist, wobei 1IiE > 2 V ist, wobei Vdie Schwellwertspannung eines Feldeffekttransistors ist Die am Knotenpunkt SO vorhandene Kapazität wird dann auf eine Spannung von (1IiE- V) Volt aufgeladen. Dabei sei bemerkt, caß die am Knotenpunkt vorhandene Kapazität durch die Summe der Kapazitäten 12 und 22 gebildet wird. Da die Spannung am Knotenpunkt 80 größer als die Schwellwertspan;,üng ist, wird die Kapazität 12 groß sein. Die Wirkung dieser und anderer veränderlicher Kapazitäten wird nachstehend noch näher beschrieben. Im Zeitintervall h ist die Spannung an der Taktleitung 42 auch gleich +EVoIt Der Transistor 24 ist nun leitend und entlädt die insgesamt am Knotenpunkt 81 vorhandene Kapazität, bis die Spannung über dieser Kapazität gleich 0 V (dem Bezugspegel) geworden ist
Im Zeitintervall h ist die Spannung an der Taktleitung 40 gleich + E Volt, während die Spannungen an den anderen Taktleitungen gleich OV sind. In diesem Zeitintervall wird die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors 2 gleich (E/l+a) + (UiE- V) Volt werden, wobei χ = CnIQi und Cn - der Kapazkätswert der Kapazität 22 und Cn = der Kapazitätswert der Kapazität 12 ist Die Kapazität Cn ist im allgemeinen klein in bezug auf die Kapazität Cn, so daß der Faktor χ viel kleiner als 1 sein wird, wodurch die Zunahme der Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors 2 nahezu gleich E Volt im betrachteten Zeitintervall sein wird. Infolge der genannten Spannungszunahme wird der Transistor 2 sehr stark leitend, wodurch die Kapazität am Knotenpunkt 81 sehr schnell aufgeladen wird, bis die Spannung — EVoIt ist
Im Zeitintervall U werden die Transistoren 10 und 34 leitend sein, wodurch die an den Knotenpunkten 80 und 82 vorhandenen Kapazitäten aufgeladen werden. Der Transistor 3 wird dann nicht mehr leitend sein, und der Knetenpunkt 81 ist von der Taktleitung 40 entkoppelt Aus obenstehendem geht hervor, daß nach zwei Taktphasen die Information von dem Eingang des Schieberegisters zu dem Knotenpunkt 81 weitergeschoben und außerdem bis zu dem Höchstwert der Taktspannung verstärkt ist Zwei kientische Taktphasen fs- ie werden die Information von dem Knotenpunkt 81 auf entsprechende Weise unter Beibehaltung der Amplitude zu dem Knotenpunkt 83 weitercchteben. Nach dem Zeitintervall 4 kann dem Eingang des Schieberegisters neue Information zugeführt werden. Eine Bit-Einheit aus dsm Schieberegister besteht also aus vier Stufen mit je zwei Transistoren.
Das Schieberegister nach der Erfindung kann z. B. auf die an Hand der Draufsicht nach Fig.3 und des Querschnitts nach Fig.4 veranschaulichte Weise
integriert werden. Die Draufsicht nach F i g. 3 zeigt die Transistoren 2,3,24 und 34 und die Kapazitäten 12,13, 22 und 33. Die Zone 241 entspricht der Drain-Elektrode des Transistors 2 und ist Ober die Kontaktöffnung 64 mit der Leiterbahn 40 verbunden. Die Zone 25 entspricht s der Source-Elektrode des Transistors 2 und auch der Drain-Elektrode des Transistors 24. Die Zone 23 ist über die Kontaktöffnung 65 mit der Gate-Elektrode 31 des Transistors 3 verbunden. Die Gate-Elektrode 36 des Transistors 2 ist mit einer leitenden Schicht 35 verbunden, die eine Kondensatorplatte der veränderlichen Kapazität 12 bildet Die Gate-Elektrode 341 des Transistors 24 ist über die Kontaktöffnung 63 mit der Leiterbahn 42 verbunden. Die Zone 20,21 entspricht der Drain-Elektrode des Transistors 3 und ist über die Kontaktöffnung 61 mit der Leiterbahn 41 verbunden. Die Zone 22 entspricht der Source-Elektrode des Transistors 3 und auch der Drain-Elektrode des Transistors 34. Die Gate-Elektrode 31 des Transistors 3 ist mit der leitenden Schicht 30 verbunden, die eine Kondensatorplatte der Kapazität 13 bildet. Die Gate-Elektrode 32 des Transistors 34 ist über die Kontaktöffnungen 62 und 66 mit der Taktleitung 43 verbunden. Die Zone 23 entspricht den Source-Elektroden der Transistoren 24 und 34. Die Zonen 20,21,22,23, 241 und 25 sind durch Diffusion im Halbleiterkörper 10 gebildet. Die Leiterbahnen 40, 41, 42 und 43 bestehen z. B. aus Aluminium, während die leitenden Schichten 30,31,32,341,35 und 36 vorteilhaft aus polykristallinem Silicium mit geeignet gewählten Verunreinigungen bestehen.
Wie beschrieben wurde, bildet die leitende Schicht 30 (Fig.4) eine Platte der veränderlichen Kapazität 13. welche leitende Schicht mit der leitenden Schicht 31 verbunden ist, die die Gate-Elektrode des Transistors 3 bildet Wenn die Spannung an der leitenden Schicht 31 unterhalb der Schwellwertspannung des Transistors 3 bleibt, wird zwischen der Zone 22 und der leitenden Schicht 31 eine sehr kleine Überlappungskapazität vorhanden sein. Zwischen der leitenden Schicht 30 und dem Substrat 10 ist eine Kapazität vorgesehen. Wenn nun die Spannung an der leitenden Schicht 31 größer als die Schwellwertspannung des Transistors 3 ist, bildet sich eine Inversionsschicht unter den leitenden Schichten 30 und 31. Durch das Vorhandensein der *5 Inversionsschicht unter der leitenden Schicht 30 wird nun die Kapazität, die zuerst zwischen dieser leitenden Schicht und dem Substrat vorhanden war, zu der bereits vorhandenen Überlappungskapazität zwischen der Zone 22 und der leitenden Schicht 31 parallel geschaltet. Mit anderen "Vorten: Beim Vorhandensein einer logischen »0« an der Gate-Elektrode des Transistors 3 ist eine sehr kleine Kapazität zwischen dieser Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode vorhanden, während beim Vorhandensein einer logischen »I« die Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode groß ist. Wenn eine Kapazität der oben beschriebenen Art zwischen der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode eines Feldeffekttransistors angebracht wird (z. B. die Kapazität 12 in F i g. 1), wird die Wirkung dieser Kapazität durch die Wirkung der Eingangskapazität dieses Transistors verstärkt. Die Eingangskapazität dieses Transistors ist teilweise zwischen der Gate- und der Drain-Elektrode (also parallel zu der Kapazität 12) und teilweise zwischen der Gate- und der Source-Elektrode vorhanden. Diese Kapazitäten sind nur dann groß, wenn die Spannung an der Gate-Elektrode des Transistors größer als die Schwellwertspannung dieses Transistors ist.
Gemäß der gegebenen Beschreibung besteht eine Bit-Einheit des Schieberegisters nach Fig. 1 aus vier Stufen mit je zwei Transistoren. Es ist auch möglich, statt mit zwei Taktphasen und vier Stufen pro Bit mit drei Phasen und drei Stufen pro Bit zu arbeiten. Statt zweier Taktleitungen 40 und 41 werden drei Taktspannungen verwendet, während statt der zwei Taktleitungen 42 und 43 drei Taktleitungen verwendet werden. Die Informationsgeschwindigkeit und die Bitdichte werden dadurch um einen Faktor A/^ vergrößert. Durch die Anordnung einer Diode D zwischen der veränderlichen .Kapazität 12 und der Drain-Elektrode des Transistors 2, wie in F i g. 5 für eine Schieberegisterstufe dargestellt ist, kann diese Anzahl noch weiter auf zwei herabgesetzt werden. Durch die Anbringung der Diode D wird erreicht, daß der Transistor 2 nun nur in einer Richtung Strom durchläßt, so daß nun jeweils nach zwei Schieberegisterstufen neue Information eingeschrieben werden kann. Dadurch werden die Informationsschiebegeschwindigkeit sowie die Bitdichte um einen Faktor 2 vergrößert. Die Diode D kann auch, wie in Fig.6 für eine Stufe dargestellt ist, zwischen der Source-Elektrode des Transistors 2 und der Drain-Elektrode des Transistors 24 angebracht werden.
Es leuchtet ein, daß sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abwandlungen möglich sind. So können statt der in F i g. 1 verwendeten Emitterfolger andere Emitterfolger Anwendung finden. Neben der beschriebenen Anwendung als Serienschieberegister kann das Schieberegister auch als Serie-Parallel-Wandler verwendet werden. Weiter kann das Schieberegister vorteilhaft als Schaltung zur Erzielung einer Zeitmarkierung mit einer sehr hohen Taktfrequenz, z. B. 40 MHz, verwendet werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;
1. Digitales Schieberegister mit einer Reihe in Serie geschalteter Emitterfolger, welche jede einen ersten Transistor enthalten, welcher Transistor eine Eingangselektrode, eine Ausgangselektrode und eine gemeinsame Elektrode aufweist wobei die gemeinsame Elektrode mit einem Anschluß einer zugehörigen Speicherkapazität mit einem elektroiti- ι ο sehen Schalter, mit dessen Hilfe die zugehörige Speicherkapazität auf den Bezugspegel gebracht wird und mit der Eingangselektrode des ersten Transistors des nachfolgenden Emitterfolgers verbunden ist wobei die Ausgangselektrode jedes is ersten Transistors mit einer Taktleitung verbunden ist wobei die Ausgangselektroden zweier nebeneinanderliegender Transistoren mit gesonderten Ta'itleitungen verbunden sind dadurch gekennzeichnet ', äfeß zwischen den Eingangselektroden mindestens eines Teils der ersten Transistoren (1, 2, 3,4,5) und den mit diesen verbundenen Taktleitungen (40, 41) veränderliche Kapazitäten (12, 13, 14, 15) angebracht sind wobei die elektronischen Schalter durch weitere Transistoren (10, 24,34,45, 56) gebildet werden, deren Hauptstrombahnen zwischen der gemeinsamen Elektrode des zugehörigen ersten Transistors (1,2,3,4,5) und dem anderen Anschluß der zugehörigen Speicherkapazität (22,33, 44,55) angeordnet sind
2. Digitales Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß c-.e ersten Transistoren (1,2,3, 4,5) und die weiteren Transistoren (10, 24,34,45,56) Feldeffekttransistoren sind, wobei die Source-Elektroden der weiteren Transistoren mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden sind
3. Digitales Schieberegister nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den veränderlichen Kapazitäten (12, 13, 14, 15) und den Drain-Elektroden der zugehörigen ersten Feldeffekttransistoren (1,2,3,4,5) Dioden (D) angeordnet sind (F ig. 5).
4. Digitales Schieberegister nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Source-Elektroden der ersten Transistoren (1,2,3,4,5) und den mit diesen verbundenen Speicherkapazitäten (22,33,44,55) Dioden angebracht sind (F i g. 6).
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