DE2519486A1 - Exklusive oder-schaltung - Google Patents
Exklusive oder-schaltungInfo
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Description
Böblingen, den 28. April 1975 di-gg
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: FR 973 306 Exklusive ODER-Schaltung
Die Erfindung betrifft eine exklusive ODER-Schaltung bestehend aus einem ersten und einem zweiten Paar jeweils seriell verbundener
Feldeffekt-Transistoren eines ersten Kanal-Leitungstyps zwischen einem ersten Anschluß der Betriebsspannungsquelle und
dem logischen Ausgang und aus einem dritten und einem vierten Paar jeweils seriell verbundener Feldeffekt-Transistoren des
entgegengesetzten zweiten Kanal-Leitungstyps zwischen dem zweiten Anschluß der Betriebsspannungsquelle und dem logischen Ausgang.
Es handelt sich demnach um eine exklusive ODER-Schaltung in komplementärer Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekt-Transistortechnologie.
Exklusvie ODER-Schaltungen finden in logischen Schaltungen insbesondere in der Datenverarbeitung vielfältige
Anwendung. Eine exklusvie ODER-Schaltung liefert eine logische Null, wenn an beiden Eingängen der gleiche logische Pegel anliegt
und eine logische Eins, wenn an den Eingängen entgegengesetzte logische Pegel anliegen.
Exklusive ODER-Schaltungen in der genannten Technologie sind bekannt und enthalten zwölf oder mehr der genannten Feldeffekt-Transistoren.
Ausgehend von einer derartigen bekannten Schaltung liegt der
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Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der benötigten Feldeffekt-Transistoren
zu verringern und gleichzeitig eine optimale Integrierbarkeit bei minimalem Leistungsverbrauch zu
erzielen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe für eine exklusive ODER-Schaltung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der gemeinsame Verbindungspunkt des ersten (dritten) Paares und der
gemeinsame Verbindungspunkt des zweiten (vierten) Paares «jeweils über einen jeweils einen Inverter für das zugeordnete
logische Eingangssignal bildenden Feldeffekt-Transistor des zweiten (ersten) Kanal-Leitungstyps mit dem zweiten (ersten)
Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch, niedergelegt
.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Schnittansicht zweier integrierter,
komplementärer Feldeffekt-Transistoren (MOSFET),
Fig. 2 eine zum Stande der Technik gehörende, exklusive ODER-Schaltung (Fig. 2 b), ihre
Wahrheitstabelle (Fig. 2 a) einen Inverter (Fig. 2c) und dessen Wahrheitstabelle
(Fig. 2d) zur Erzeugung der für die Grundschaltung gemäß Fig. 2b erforderlichen invertierten Eingangssignale,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen exklusiven ODER-Schaltung, die aus
j Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekt-Transi-
I
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«- *z —
stören besteht.
Die in Fig. 1 in Schnittansicht dargestellte Halbleiterstruktur
umfaßt zwei komplementäre Transistoren nach Art der MOSPETs.
Die unterschiedlichen Arten von MOSPETs und ihre Betriebsweise sind hinreichend bekannt, so daß sich eine eingehende Beschreibung
erübrigt. Ein MOSPET ist ein Halbleiterbauelement, bei dem in einem bestimmten Abstand zueinander zwei als Source
und Drain bezeichnete Halbleitergebiete eines ersten Leitungstyps in ein Substrat des zweiten, entgegengesetzten Leitungstyps eingebracht sind. Das Gebiet zwischen Source und Drain
wird als Kanal bezeichnet. Dieses Gebiet ist mit einer dünnen Isolationsschicht, meist Silicium-Dioxyd, beschichtet. Auf
dieser Isolationsschicht ist eine Metallschicht, die Gate-Elektrode angeordnet, über zwei weitere Elektroden sind Source und
Drain kontaktiert. Die in Pig. I gezeigte Struktur 10 umfaßt jzwei derartige komplementäre Transistoren 11 und 12. Ein erster
N-Kanal-Peldeffekt-Transistor enthält zwei N+-dotierte Gebiete
13 und 14 innerhalb eines P-dotierten Gebietes 15. Die Gebiete 13 und 14 bilden Source und Drain des Transistors. Die Struktur
ist vervollständigt durch eine dünne Isolationsschicht 16 und MetalIkontakte 17, 18 und 19 für Source, Gate und Drain. Der
restliche Teil der Struktur ist durch eine dicke Isolationsschicht 20 geschützt. Legt man an das Gate dieses Transistors
ein positives Potential an, so werden durch den kapazitiven Sffekt im P-dotierten Gebiet unterhalb der dünnen Isolationsschicht
negative Ladungen induziert. Diese negative Ladungen erzeugen einen N-leitenden Kanal zwischen der N -dotierten
t>rain und Source, so daß zwischen Drain und Source ein Strom
fließen kann.
]j)ie Struktur 10 enthält zusätzlich einen P-Kanal-Peldeffekttransistor
12, der im wesentlichen identisch mit dem Transistor
Il ist. Da Drain und Source direkt in das N-dotierte Substrat
als P -dotierte Gebiete eingebracht sind, kann bei diesem Tran-
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sistor zwischen Drain und Source ein leitender Kanal erzeugt werden, wenn an das Gate ein negatives Potential angelegt
wird. Der Transistor 12 ist also komplementär zu dem Transistor 11.
Das große Interesse an dieser komplementären Technik ist durch die erreichbare Integrationsdichte begründet. Beispielsweise
ist es eine bekannte Tatsache, daß die Verlustleistung bei konventionellen unipolaren oder bipolaren Schaltungen im wesentlichen
durch den stationären Zustand bestimmt wird, da die verwendeten Transistoren Widerstände als Lastelemente aufweisen.
In der komplementären Technik sind diese Lastwiderstände durch Transistoren komplementärer Polarität ersetzt, so daß eine erhebliche
Reduzierung des Leistungsbedarfs erzielt wird. Neben anderen Vorteilen bietet diese Technologie hohe Verläßlichkeit,
Störsicherheit und hohe Arbeitsgeschwindigkeiten.
In Pig, 2 b ist eine bekannte exklusive ODER-Schaltung in
komplementärer MOSPET-Technologie dargestellt. Der Vollständigkeit
halber ist in Fig. 2a die Wahrheitstabelle der exklusiven
ODER-Punktion angegeben. Die bekannte Schaltung enthält komplementäre P-Kanal- und N-Kanal-Peldeffekt-Transistoren des
Anreicherungstyps. Die P-Kanal-Transistoren liefern die logische Verknüpfung S=ABUB während die N-Kanal-Transistoren die
Verknüpfung S=ABtIB erzeugen. Die die Unterverknüpfung
Ä !bildenden P-Kanal-Transistoren 21 und 22 und die die Unterverknüpfung
A B bildenden entsprechenden Transistoren 23 und 24 sind jeweils in Serie zwischen das positive Potential der
Betriebsspannung am Anschluß 25, im betrachteten Beispiel also +V, und den Ausgang 26 eingeschaltet. Das P-leitende Substrat
jedes dieser P-Kanal-Transistoren ist an das negative Potential der Betriebsspannung, im betrachteten Beispiel Masse, angeschlossen.
In symmetrischer Weise sind die N-Kanal-Transistoren, nämlich Transistoren 27 und 28 für die Unterverknüpfung A B und die
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Transistoren 29 und 30 für die Unterverknüpfung Ä B jeweils seriell zwischen das negative Potential, also Masse an Leitung
31 und dem Ausgang 26 angeordnet. Das Substrat (die Gebiete 15 der Struktur 10 gemäß Pig. I) jedes dieser N-Kanal-Transistoren
liegt am positiven Potential +V der Betriebsspannungsquelle.
Die in Fig. 2b gezeigte exklusive ODER-Schaltung läßt sich
nicht vereinfachen. Es ist darauf hinzuweisen, daß es bei dieser bekannten Schaltung zur Erzielung der exklusiven ODER-Funktion
erforderlich ist, nicht nur die Eingangswerte A und B, sondern auch die Eingangswerte A und B zuzuführen. Die letzteren
Werte müssen dabei unabhängig erzeugt werden, beispielsweise durch den zusätzlichen Einsatz von zwei Invertern, beispielsweise
der in Fig. 2c gezeigten Art. Dieser bekannte Inverter besteht aus zwei komplementären P- und N-Kanal-Feldeffekt-Transistoren
32 und 33, die in Serie zwischen +V und Masse angeordnet sind. Dieser Inverter liefert aufgrund eines logischen Eingangssignals
φ am Anschluß 34, am Anschluß 35 das negierte Signal φ\ Die
Wahrheitstabelle dieses Inverters ist der Vollständigkeit halber in Fig. 2b dargestellt. Der Inverter arbeitet in folgender
Weise. Wird an den Eingang 34 eine logische Eins angelegt, die
im betrachteten Beispiel dem Potential +V entspricht, so wird der N-Kanal-Transistor 33 leitend, während der P-Kanal-Transistor
32 gesperrt wird. Damit wird der Ausgang über den Transistor 33 auf das einer logischen Null entsprechende Potential
Masse gebracht. Wird in entsprechender Weise dem Eingang eine logische Null zugeführt, so erhält man am Ausgang eine logische
Eins, da Transistor 32 leitend und Transistor 33 gesperrt ist. Die vollständige exklusive ODER-Schaltung einschließlich der
notwendigen beiden Inverter umfaßt damit mindestens zwölf Transistoren. Zur Erzielung einer möglichst hohen Integrationsdichte
ist es von größtem Interesse, die Anzahl der notwendigen Bauelemente zu reduzieren.
ΎΚ gjy JOS
Das in Pig. 3 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
einer exklusiven ODER-Schaltung umfaßt zunächst wiederum die bekannte exklusive ODER-Schaltung der Fig. 2b. Da die gleichen
Elemente verwendet sind, sind sie auch mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Zwischen +V (Anschluß 25) und dem Ausgang sind also zwei Paare jeweils seriell eingeordneter P-Kanal-Feldeffekt-Transistoren
21, 22 und 23, 24 angeordnet. Zwischen Masse (Anschluß 31) und dem Ausgang 26 liegen wiederum die
beiden Paare der N-Kanal-Feldeffekt-Transistoren 27, 28 und
29, 30. Die N-dotierten Substrate sind mit Masse verbunden, ! während die P-dotierten Substrate an +V liegen. Die Anzahl
der insgesamt erforderlichen Transistoren ist dadurch verrin-
gert, daß die zur Erzeugung der logischen Signale Ä~ und B
!erforderlichen Inverter über bereits vorhandene Transistoren
gesteuert werden. Beispielsweise wird das Transistorpaar 21, 22, daß die Unterverknüpfung Ä B liefert, zur Erzeugung des
i Eingangs signal s Ä" mitbenutzt. Wie aus der Fig. 3 zu er- ;sehen ist, bildet ein N-Kanal-Transistor 36 zusammen mit dem
!bereits vorhandenen P-Kanal-Transistor 21 einen Inverter. !Source und Drain des Transistors 36 liegen an Masse bzw. an
der Drain des Transistors 21. Die Gates der beiden Transistoren sind an den gemeinsamen logischen Eingang A geführt. Am Knoten
I 37 wird daher das negierte Signal Ä~ erzeugt, das den Gates der
beiden Transistoren 24 und 29 zugeführt wird. In entsprechender ■ Weise bildet ein weiterer N-Kanal-Transistor 28 zusammen mit
dem Transistor 23 einen Inverter. Die Gates der beiden Tran-Jsistoren
sind gemeinsam an den Eingang B geführt. Das invertierte Signal B, daß den Gates der beiden Transistoren 22 und
|30 zugeführt wird, wird am Verbindungspunkt der beiden Drain !gewonnen. Auf diese Weise erhält man eine exklusive ODER-Schaltung
39 mit zwei Eingängen 40 und 41 für zwei Eingangssignale A und B. Die Schaltung enthält 10 Transistoren, nämlich
i4 P-Kanal-Transistoren und 6 N-Kanal-Transistoren. Es ist fest-
zustellen, daß die Schaltung in bezug auf die Transistoren vollkommen symmetrisch ist, was für die Integration von Vorteil
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ist. Es ist zu erwähnen, daß mehrere Modifikationen der Schaltung möglich sind. Beispielsweise können zwei P-Kanal-Transistoren,
die jeweils zwischen +V und der Drain der Transistoren 28 und 30 angeordnet sind, anstelle der Transistoren
36 und 38 in die Schaltung eingefügt werden. Außerdem kann
eine Mischung der beiden beschriebenen Schaltungen ins Auge gefaßt werden, bei der beispielsweise der Inverter aus den
Transistoren 21 und 36 beibehalten und der andere Inverter
mit einem P-Kanal-Transistor und dem Transistor 30 gebildet
wird. Beim letztgenannten Ausführungsbeispiel sind fünf komplementäre Paare von Transistoren erforderlich. Bei der
Wahl der jeweils anzuwendenden Schaltung ist zu bedenken, daß ein N-Kanal-Peldeffekt-Transistor zwar von der Schaltgeschwindigkeit
her gesehen (die Beweglichkeit der Elektronen beträgt etwa das 3-fache der Beweglichkeit der Löcher) außerordentlich
vorteilhaft ist, jedoch im stationären Zustand einen höheren Leistungsverbrauch aufweist. Der Leistungsverbrauch ist eine
Punktion des Source-Drain-Leck-Stromes, der bei N-Kanal-Transistoren
größer ist als bei den P-Kanal-Transistoren.
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Claims (1)
1./ Exklusive ODER-Schaltung, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Paar jeweils seriell verbundener
Feldeffekt-Transistoren eines ersten Kanal-Leitungstyps zwischen einem ersten Anschluß der Betriebsspannungsquelle
und dem logischen Ausgang und aus einem dritten und einem vierten Paar jeweils seriell verbundener
Feldeffekt-Transistoren des entgegengesetzten zweiten Kanal-Leitungstyps zwischen dem zweiten Anschluß der
Betriebsspannungsquelle und dem logischen Ausgang, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Verbindungspunkt des ersten (dritten) Paares und der gemeinsame
Verbindungspunkt des zweiten (vierten) Paares jeweils über einen jeweils einen Inverter für das zugeordnete
logische Eingangssignal bildenden Feldeffekt-Transistor des zweiten (ersten) Kanal-Leitungstyps mit dem zweiten
(ersten) Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.
Exklusive ODER-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Verbindungspunkt des
ersten (dritten) Paares über einen einen Inverter für das zugeordnete logische Eingangssignal bildenden
Feldeffekt-Transistor des zweiten (ersten) Kanal-Leitungstyps mit dem zweiten (ersten) und der gemeinsame
Verbindungspunkt des vierten (zweiten) Paares über
einen einen Inverter für das zugeordnete logische Eingangssignal bildenden Feldeffekt-Transistor des ersten
(zweiten) Kanal-Leitungstyps mit dem ersten (zweiten) Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.
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|---|---|---|---|
| FR7424577*A FR2276694A1 (fr) | 1974-06-28 | 1974-06-28 | Circuit logique integre du genre ou exclusif a transistors complementaires mosfet |
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|---|---|
| DE2519486A1 true DE2519486A1 (de) | 1976-01-15 |
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ID=9141290
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| DE19752519486 Withdrawn DE2519486A1 (de) | 1974-06-28 | 1975-05-02 | Exklusive oder-schaltung |
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| DE (1) | DE2519486A1 (de) |
| FR (1) | FR2276694A1 (de) |
| GB (1) | GB1489007A (de) |
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1974
- 1974-06-28 FR FR7424577*A patent/FR2276694A1/fr active Granted
-
1975
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- 1975-05-20 GB GB21624/75A patent/GB1489007A/en not_active Expired
- 1975-06-17 JP JP50072777A patent/JPS5114257A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2276694A1 (fr) | 1976-01-23 |
| FR2276694B1 (de) | 1976-12-24 |
| JPS5114257A (de) | 1976-02-04 |
| GB1489007A (en) | 1977-10-19 |
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Legal Events
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