DE2620401A1 - Schaltungsanordnung zum erzeugen einer referenzspannung - Google Patents
Schaltungsanordnung zum erzeugen einer referenzspannungInfo
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Description
Int. Az.: Case 982 3. Mai 1976
Hewlett-Packard Company 2 D 2 0 H 0
SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM ERZEUGEN EINER REFERENZSPANNUNG
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Referenzspannung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
Typische Festkörper-Schaltungsanordnungen zum Erzeugen von Referenzspannungen nutzen in der Regel eine bekannte Durchbruchsspannung
oder die bekannte Strom/Spannungskennlinie einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiteranordnung
■aus. In der Regel ist eine Konstantstromquelle zur Erhöhung
der Genauigkeit erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Art so zu verbessern, daß in schaltungstechnisch einfacher Weise eine möglichst genaue Flachband-Referenzspannung
erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1. Demgemäß ist ein Paar von im
wesentlichen gleichen Feldeffekteinrichtungen mit unterschiedlichen Flachbandspannungen vorgesehen. Jede Feldeffekteinrichtung
erhält einen im wesentlichen gleichen Drain-Strom, wodurch eine Referenzspannung zwischen den
Gate-Elektroden erzeugt wird, die der Differenz der Flachbandspannungen der beiden Feldeffekteinrichtungen entspricht,
pie erzeugte Referenzspannung ist im wesentlichen unabhängig von Änderungen des Arbeitspunktes, der Versorgungsspannung
und der Temperatur.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:
Figur 1 schematisch qualitative Kennlinien von zwei Feld-
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effekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden, die sich beide nur in ihren Flachbandspannungen unterscheiden
und denen jeweils konstante und gleiche Source/Drain- bzw. Source/Substratspannungen zugeführt
sind;
Figur 2 schematisch eine Referenzspannungsquelle gemäß der Erfindung;
Figur 3 schematisch einen Querschnitt eines Feldeffekttransistors mit zwei isolierten Steuerelektroden;
Figur 4 schematisch eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Referenzspannung gemäß der Erfindung mit einer Einrichtung
zum elektrischen Injizieren einer Ladung in den Isolator von einem der Feldeffekttransistoren mit isolierter
Steuerelektrode;
Figur 5 eine Tabelle mit Metallkombinationen für die Gate-Elektroden
der beiden Isolierschicht-Feldeffekttransistoren und mit Näherungswerten für die dabei erwarteten
Spannungen;
Figur 6A bis E schematisch monolytische Strukturen von Halbleiteranordnungen
zum Erzeugen einer Referenzspannung gemäß der Erfindung;
Figur 7 schematisch eine andere Ausführungsform einer Referenzspannungsquelle
gemäß der Erfindung;
Figur 8 schematisch eine Anordnung zur Kombination verschiedener Referenzspannungsquellen gemäß der Erfindung,
um größere Referenzspannungen abzuleiten;
Figur 9 schematisch eine Referenzspannungsquelle, bei welcher die für den Integrationsprozess erforderliche Oberfläche
minimal ist;
Figur 10 schematisch eine Schaltungsanordnung mit Feldeffekt-Kondensatoren
gemäß der Erfindung;
Figur 11 schematisch eine andere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
mit Feldeffekt-Kondensatoren gemäß der Erfindung.
Gemäß Figur 1 unterscheiden sich die typischen Kennlinien von zwei Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden
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nur in ihren Flachbandspannungen, wenn beiden Feldeffekttransistoren
eine konstante Drain/Source-Spannung V^ und eine konstante Subs tr at/Source- Spannung V13 zugeführt wird.
Die Kennlinien A und B in Figur 1 unterscheiden sich um einen im wesentlichen konstanten Betrag, der gleich der
Differenz der Flachbandspannungen ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein Substratkontakt
jedes Feldeffekttransistors mit dem entsprechenden Source-Kontakt verbunden, obgleich dieses für die Erfindung nicht
wesentlich ist. Beispielsweise werden Feldeffekttransistoren vom P-Kanal-Typ, welche über der Einschaltspannung aber
unter der Abschnürspannung betrieben werden;durch die folgende
Gleichung beschrieben:
I -£ η C
1D-L Mp c
Gleichung 1
Dabei ist I der Drain-Strom, Z die Kanalbreite, L die Kanallänge,
M die effektive Mobilität der Deffektelektronen im Kanal. C die Oxidkapazität per Einheitsfläche, VG die Gate/
Substrat-Spannung, V„_. die Flachbandspannung, szL, das Fermi
Potential, ( die Dielektizitätskonstante des Halbleiters,
q die Größe der elektrischen Ladung und N die Donatorendichte im Halbleiter. Ein im Abschnürbetrieb arbeitender Feldeffekttransistor
mit isolierter Steuerelektrode wird auch durch die Gleichung 1 beschrieben, bei welcher der Wert für
V konstant ist und V wird dargestellt durch:
2V (VG -
Gleichung 2
Für zwei Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode,
welche gleich sind mit Ausnahme der Flachbandspannungen und
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welche mit gleichen Strömen Iß im Abschnürbetrieb oder
gleichen Strömen I und Spannungen V unterhalb der Abschnürpannung
betrieben werden, ist der Wert von V -V__,
gleich. Es kann somit folgende Referenzspannung abgeleitet werden;
= Av ^V
Ref G FB
Gleichung 3
Dabei ist V £ die Referenzspannung, AV die Differenz der
Gate-Spannungen und AV7711, die Differenz der Flachbandspannungen.
Diese Referenzspannung wird erzeugt, unabhängig davon, ob die Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode
über oder unter der Abschnürspannung betrieben werden. Diese Spannung wird auch dann erzeugt, wenn die
Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode unter der Einschältspannung betrieben werden, solange
gleiche Werte für I und V aufrechterhalten werden.
In Figur 2 ist eine erste Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung
dargestellt. Ein erster Feldeffekttransistor 5 vom n-Kanal-Typ
mit isolierter Gate-Elektrode und ein entsprechender zweiter Feldeffekttransistor 7 mit isolierter Steuerelektrode
vom n-Kanal-Typ sind im wesentlichen gleich aufgebaut und unterscheiden sich bezüglich ihrer Flachbandspannungen.
Zwischen dem Source-Kontakt 13 und dem Drain-Kontakt
17 des Feldeffekttransistors 5 ist eine Vorspannungsquelle 1 angeschlossen, und zwischen dem Source-Kontakt 15 und dem
Drain-Kontakt 19 des Feldeffekttransistors 7 ist eine weitere Vorspannungsquelle 3 angeschlossen. Substratkontakte
21 und 23 der Feldeffekttransistoren 5 bzw. 7 liegen auf dem Potential V_. Das Potential des Gate-Kontaktes 35 des Feld-
£5
effekttransistors 5 und der Gate-Kontakt 37 des Feldeffekttransistors
7 werden durch eine in Figur 2 nicht dargestellte Gate-Elektroden-Vorspannungseinrichtung eingestellt.
Diese Gate-Elektroden-Vorspannungseinrichtung und die Vor-
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\ mtvöl 1 vieröLöTi dernt eingestellt, daß die
Drain/Source-Spannung des Feldeffekttransistors 5 im wesentlichen
gleich der Drain/Source-Spannung des Feldeffekttransistors 7 ist und daß der Drain-Strom des Feldeffekttransistors
5 im wesentlichen gleich dem Drain-Strom des Feldeffekttransistors 7 ist. Aus der Differenz zwischen den Potentialen
des Gate-Kontaktes 35 des Feldeffekttransistors 5 und des Gate-Kontaktes 37 des Feldeffekttransistors 7 wird eine Referenzspannung
VR f erzeugt. Die Flachbandspannung läßt sich
ausdrucken durch:
?FB = *MS ~ C " C C / χ
ο ο ο -/ _ ο
Gleichung 4
Dabei bedeutet #„„ die Differenz der Arbeitsfunktion zwischen
dem für die Gate-Elektrode verwendeten Material und dem Substratmaterial, QIS die Ladung je Einheitsfläche in den Grenzflächenzuständen,
Q33 die feste Ladung je Einheitsfläche an
der Halbleiter/Isolator-Grenzfläche und die integralen Beträge für die in dem Isolator verteilte Ladung. yo(x) ist die
Ladungsdichte in dem Isolator im Abstand χ vom Metall, und χ ist die Dicke des Isolators. Gemäß Gleichung 4 wird eine
Änderung in Vx,- erreicht, indem entweder eine der Ladungskomponenten
im Isolator geändert wird (d.h. die Grenzflächenzustandsdichte mit einer sich ergebenden Änderung in der Ladung
im Grenzflächenzustand, die feste Ladung an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator oder die im Isolator
oder dergleichen verteilte Ladung) oder indem die Differenz der Arl:)eitsfunktion geändert wird.
Verschiedene Dichten der Grenzflächenzustände werden beispielsweise
erreicht, indem ein Feldeffekttransistor mit
isolierter Gate-Elektrode einer Nachmetallisierungs-Glühbehandlung
und einem Zyklus von Vorspannungsänderungen unterworfen
wird (beispielsweise gemäß B.E. Deal, M. Sklar, A.S.
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Grove, und E.H. Snow "Characteristics of the Surface State Charge (Q00) of Thermal^Oxidized Silicon", Journal of
Electrochemical Society, Band 114, Seiten 266 bis 274, März 1967) oder indem ein erstes Substrat mit einer ersten
kristallographischen Orientierung für den ersten Feldeffekttransistor und ein zweites Substrat mit einer zweiten
kristallographischen Orientierung für den zweiten Feldeffekttransistor verwendet wurd (vergleiche beispielsweise A.
Goetzberger und S. M Sze, "Metal-Insulator-Semiconductor
(MIS) Physics", Applied Solid State Science, Band 1, Raymond
Wolfe und C. J. Kriessman (EDs.), Academic Press, New York (1969). Diese Technik führt auch zu einer unterschiedlichen
festen Ladung an den beiden Halbleiter/Isolator-Grenzflachen (siehe "Characteristics of the Surface-State Charge (Qcc) of
Thermally Oxidized Silicon").
Verschiedene Dichten der in den Isolatoren verteilten Ladung werden erreicht, indem beispielsweise ein Feldeffekttransistor
mit isolierter Gate-^Elektrode energiereichen Teilchen, beispielsweise
Elektronen, Protonen, Molekülen oder Atomen oder elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Licht oder
Gammastrahlen, ausgesetzt wird, so daß Fangstellen in der Oxidschicht ionisiert werden, wie beispielsweise in dem genannten
Artikel in der Zeitschrift "Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) Physics" erläutert wird. Eine andere Technik
besteht darin, daß ionisierte Atome oder Moleküle in einen Gate-Elektroden-Isolator eingeführt werden (vergleiche beispielsweise
A.S. Grove, Physics and Technology of Semiconductor Devices, John Wiley and Sons, New York, .1967). Eine
andere Technik, durch die eine unterschiedliche Isolatorladung erreicht werden kann, besteht darin, daß elektrisch
Ladungsträger in den Isolatorbereich injiziert werden, beispielsweise indem eine hinreichend hohe Spannung zwischen
einem der Substrate und seiner Gate-Elektrode erzeugt wird. Oft wird die Isolatortemperatur erhöht, um die Zeit herabzusetzen,
die für eine ausreichende Ladungsinjektion erforderlich ist. Eine andere Technik besteht darin, daß eine Gate-
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Elektrode bzw. Gate-Feldplatte einer ausreichend hohen Vorspannung
ausgesetzt wird, so daß die ionisierte oder eingefangene Ladung in dem Isolator von dessen Ausgangsverteilung
aus driftet. Durch Erhöhung der Temperatur des Isolators wird die für eine ausreichende Neuverteilung erforderliche
Zeit herabgesetzt.
Figur 3 stellt schematisch eine Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors mit mehreren Isolationsschichten dar,
der beispielsweise in der bekannten Metallnitrid-Oxid-Silizium-Technologie hergestellt sein kann. Dabei wird eine erste
Isolationsschicht 72, welche beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen kann, und eine zweite Isolationsschicht 74,
welche beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen kann, zwischen dem Substrat 52 und der Gate- Elektrode 64 angeordnet.
Die Isolationsschicht 72 ist vorzugsweise dünner als 100 S, und eine Spannung von einigen Volt zwischen der Gate-Elektrode
64 und dem Substrat 52 bewirkt, daß sich Ladungsträgern durch die erste Isolationsschicht 72 in die zweite Isolationsschicht
74 hindurchbewegen, wo im wesentlichen die gesamte Ladung' eingefangen wird.. Die Feldeffekttransistoren 95 und 97 sind
aufeinander abgestimmt und können eine oder mehrere Isolationsschichten aufweisen. Die Spannung der Spannungsquelle
9 wird an die Gate-Elektrode 39 angelegt, indem ein Schalter 11 zur übertragung der Ladung geschlossen wird, wodurch unterschiedliche
Potentiale V^n für den Feldeffekttransistor 95
und für den Feldeffekttransistor 97 erzeugt werden. Verschiedene Werte für φ~ werden erhalten, indem unterschiedliche
Metalle für die einzelnen Gate-Elektroden verwendet werden. Auch können unterschiedliche Werte für φ o zwischen den beiden
Feldeffekttransistoren erhalten werden, indem verschiedene Halbleitermaterialien kombiniert werden oder ein Halbleitermaterial
und ein Metall anstelle verschiedener Gate-Metalle verwendet werden.
In Figur 5 sind näherungsweise die erwarteten Spannungswerte V- aus experimentellen Daten an verschiedenen Metall/Vakuumflächen
für representative Kombinationen von Metallen für
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Gate-Elektroden und Halbleitermaterial dargestellt. Der erhaltene Wert für VR f unterscheidet sich etwas von diesen
werten aufgrund von Unterschieden in der Herstellungstechnik,
Es sollten vorzugsweise zwei Materialien für Gate-Elektroden verwendet werden, deren Temperaturkoeffizient sich wenig
unterscheidet,und welche ein gutes Haftvermögen bezüglich
S.O9 aufweisen.
Gegenwärtig ist die Verwendung von zwei unterschiedlichen Materialien für Gate-Elektroden wegen der Langzeitstabilität
und der gleichen Ladungsträgermobilität vorzuziehen. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung in Metalloxid mit Halbleitertechnologie.
Die Abstimmung der beiden Feldeffekttransistoren mit isolierten Gate-Elektroden wird verbessert, indem diese
nahe zueinander auf dem gleichen Substrat hergestellt werden. Die Grenzflächen haben dann im wesentlichen die gleiche Besetzung
und die Mobilitäten sind im wesentlichen in beiden Feldeffekttransistoren die gleichen, wenn sie im wesentlichen
mit dem gleichen Drain-Strom und der gleichen Drain-Spannung betrieben werden. Die Temperaturabhängigkeiten der Mobilitätswerte,
der Fermi-Potentiale und der Oberflächenpotentialen der Halbleiter haben nur minimale Auswirkungen. Das gleiche
gilt für die Effekte, welche durch Veränderungen des Versorgungspotentiales hervorgerufen werden.
Die Herstellungsstufen für die monolytische Herstellung von zwei Feldeffekttransistoren mit isolierten Gate-Elektroden,
bei welchen verschiedene Metalle für die beiden Gate-Elektroden verwendet werden, werden anhand von Figur 6 erläutert.
Ein Substrat 102, beispielsweise Silizium vom n-Typ, wird zunächst gereinigt und dann poliert. Es wird eine Oxidschicht
104 gezüchtet,wobei öffnungen 105 in der Oxidschicht
hergestellt werden und Dotierungsmittel vom p-Typ in das Substrat 102 diffundiert werden, um Source-Kontakte 106 und
108 und Drain-Kontakte 110 und 112 herzustellen (Figur 6A). Gemäß Figur 6B wird die Oxidschicht 104 entfernt zwischen
dem Diffusionsbereich 106 der Source-Elektrode und dem Dif-
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fusionsbereich 110 der Drain-Elektrode und in dem Bereich
zwischen dem Source-Diffusionsbereich 108 und dem Drain-Diffusionsbereich
112. Zu diesem Zeitpunkt werden auch die Kontaktöffnungen 118 weggeäzt. Dann werden die Oxidschichten.
114 und 116 für die Gate-Elektroden erzeugt. Gemäß Figur 6C
werden die Kontaktöffnungen 118 wieder geöffnet. Gemäß Figur 6D wird ein erstes Metall auf dem Plättchen aufgebracht und
überall mit Ausnahme der Stellen für die erste Gate-Elektrode 120, die Source- und Drain-Kontakte 106, 108, 110, 112 und
sämtliche VerbindungsStege entfernt. Gemäß Figur 6E wird
dann auf dem Plättchen ein zweiter Metallkontakt angeordnet und überall mit Ausnahme der Stelle für eine zweite Gate-Elektrode
122 und der verbleibenden Bereiche für die erste Metallschicht entfernt. Die vorgenannten Verfahrensschritte
können beispielsweise wie folgt modifiziert werden: Die beiden Feldeffekttransistoren können entweder auf den
gleichen oder unterschiedlichen Substraten mit den gleichen Verfahrensschritten hergestellt werden, nachdem die Kontakte
wieder geöffnet worden sind. Die Feldeffekttransistoren werden getrennt, und es werden verschiedene Metallschichten
für die Gate-Elektroden und VerbindungsStege auf jedem der
Transistoren aufgebracht.
Der Wert V_ ^ ist nur bezüglich Fehlanpassungen in den Feldeffekttransistoren
und bezüglich unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten der entsprechenden unterschiedlichen Arbeitspotentiale temperaturabhängig.
In Figur 7 ist eine andere Ausfuhrungsform gemäß der Erfindung
dargestellt. Ein erster Feldeffekttransistor 2 vom p-Typ und ein zweiter Feldeffekttransistor 4 vom p-Typ sind
im wesentlichen gleich mit Ausnahme der Flachbandspannungen. Die isolierte Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 4
wird über einen Verstärker 6 gespeist. Der Verstärker 6 hat einen invertierenden Eingang, der mit der Drain-Elektrode
des Feldeffekttransistors 2 und einem Widerstand 8 verbunden
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ist. Ein nichtinvertierender Eingang des Verstärkers 6 ist
mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 4 und mit
einem Widerstand 10 verbunden, der ebenso wie der Widerstand 8 mit Masse verbunden ist. Der Verstärker 6 hat eine
große Eingangsimpedanz im Vergleich zu den Widerstandswerten
der Widerstände 8 und 10. Zwischen einer Klemme 12 und einem Masseanschluß 14 ist eine VersorgungsSpannungsquelle angeschlossen.
Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 2, der Widerstand 8 und der Widerstand 10 sind mit dem Masseanschluß
14 verbunden. Die Drain-Ströme und Drain-Spannungen der Feldeffekttransistoren 2 und 4 sind im wesentlichen
gleich durch Auswahl abgestimmter Widerstände 8 und 10 und die Wirkung des Verstärkers 6, der die Gate-Elektrode des
Feldeffekttransistors 4 speist. An den Klemmen 16 und 14 liegt eine Referenzspannung.
Gemäß Figur 8 können zwei ReferenzSpannungsquellen gemäß Figur
7 kombiniert werden. In ähnlicher Weise können weitere Referenzspannungsquelloizu größeren Referenzspannungsschaltungen
zusammengeschlossen werden.
Gemäß Figur 9 können für die abgestimmten Widerstände 8 und 10 der Ausfuhrungsform gemäß Figur 7 abgestimmte Feldeffekttransistoren
18 und 20 verwendet werden. Dadurch wird eine kleinere Fläche auf dem Substrat beansprucht, falls große
Widerstandswerte für die Widerstände R8 und R10 erforderlich sein sollten.
Andere von dem Wert V„D abhängige Paramter, beispielsweise
der Wechselstromleitwert und die Steilheit der Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode können ebenfalls
abgefühlt und zur Einstellung der Vorspannungsbedingungen verwendet werden, um eine Referenzspannungsquelle zu erhalten.
In Figur 10 ist eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der
Erfindung mit Feldeffektkondensatoren dargestellt.
Die Spannung zwischen der Gate-Elektrode und dem Substrat be-
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trägt bei einem Feldeffektkondensator:
Qs
C
ο
ο
Gleichung 5,
dabei ist V„ die Steuerelektroden/Substratspannung, ^s das
Oberflächenpotential, Qs die Ladung pro Einheitsfläche des
Halbleitermateriales, C die Oxidkapazität pro Einheitsfläche und VpB die Flachbandspannung.. Jedem der beiden Feldeffektkondensatoren
wird eine geeignete Gate-Spannung zugeführt, so daß sich für jzls gleiche Werte ergeben. Die beiden
Feldeffektkondensatoren sind im wesentlichen gleich mit Ausnahme der Flachbandspannung. Es wird eine Referenzspannung
VRef erzeu9't' für welche die Gleichung gilt:
V =v -V =V -V vRef G1 G2 FB1 FB2
Gleichung 6
Dabei bedeuten VG1 und V _ die Gate/Substratspannungen für
die ersten bzw. zweiten Feldeffektkondensatoren und und VpB2 die entsprechenden Flachbandspannungen für die
ersten bzw. zweiten Feldeffektkondensatoren. Der Wert V_,
wird verändert, um den zur Abstimmung vom ^s erforderlichen
Kapazitätswert zu erhalten. Die Flachbandspannungen werden in gleicher Weise verändert, wie es für die Feldeffekttransistoren
beschrieben wurde.
Bei der Ausfuhrungsform gemäß Figur 10 werden erste und zweite
im wesentlichen mit Ausnahme der Flachbandspannungen gleiche Feldeffektkondensatoren 202 und 204 verwendet, über Kondensatoren
208 und 209 ist eine Wechselspannungsquelle 206 mit den Gate-Elektroden 210 und 212 der Feldeffektkondensatoren
202 bzw. 204 verbunden. Substratkontakte 214 und 216
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der Feldeffektkondensatoren 202 und 204 sind über Widerstände 218 und 219 mit Masse verbunden. Die Widerstände 218 und 219
haben im wesentlichen den gleichen Wert und sind jeweils mit Gleichrichtern und Filtern 220 bzw. 222 verbunden. Ausgänge
228 und 230 der Gleichrichter und Filter 220 bzw. 222 sind mit den Differenzeingängen eines Verstärkers 224 verbunden.
Der Verstärker 224 hat einen mit der Gate-Elektrode 210 des Feldeffektkondensators 202 verbundenen Ausgang.
Der Widerstandswert der Widerstände 218 und 219 ist kleiner
als die Reaktanz des Feldeffektkondensators 202. Über eine
Vorspannungseinrichtung 226 wird der Kapazitätswert des Feldef f ektkondens ator s 204 eingestellt. Die Vorspannungseinrichtung
226 hat eine Impedanz, die größer als die Reaktanz des Feldeffektkondensators 204 ist. Die Reaktanzwerte der Kopplungskondensatoren
208 und 209 sind kleiner als die Größe der Reaktanzwerte.der Feldeffektkondensatoren 202 und 204
bei der Frequenz der Wechselspannungsquelle 206.
An den Substratkontakten 214 und 216 werden Wechselspannungen
erzeugt, die im wesentlichen proportional den Kapazitätswerten der Feldeffekttransistoren 202 und 204 sind. Diese Spannungen
werden durch Gleichrichter und Filter 220 bzw. 222 in Gleichspannungen umgesetzt, um Signale an den Ausgängen 228 und 230
zu erzeugen, welche den Verstärker 224 speisen. Dieser Verstärker gibt an die Gate-Elektrode 210 des Feldeffektkondensators
202 eine Spannung ab, bis der Kapazitätswert des Feldeffektkondensators 202 im wesentlichen gleich dem Wert des
Feldeffektkondensators 204 ist.
Die Referenzspannung V„ - liegt zwischen der Gate-Elektrode
210 und der Gate-Elektrode 212 und ist im wesentlichen gleich der Differenz der Flachbandspannungen der Feldeffektkondensatoren
202 und 204.
In Figur 11 ist eine andere bevorzugte Ausfuhrungsform der
Erfindung dargestellt. Im wesentlichen gleiche Wechselspannungs-
609853/0647
quellen 305 und 306 treiben im wesentlichen gleiche Ströme in Feldeffektkondensatoren 302 und 304, die im wesentlichen
gleich sind und sich nur bezüglich der Flachbandspannungen unterscheiden. Die Gleichrichter- und Filterschaltung 320
bzw. 322 sind mit den Feldeffektkondensatoren 302 bzw. 304 verbunden.
An Eingangsklemmen 328 und 330 eines Verstärkers 324 liegt eine Gleichspannung, welche bewirkt, daß der Verstärker 324
den Feldeffektkondensator 302 derart vorspannt, daß dessen Kapazitätswert im wesentlichen gleich demjenigen des Feldeffektkondensators
304 ist. Zwischen den Klemmen 350 und 352 liegt eine Referenzspannung V f,die im wesentlichen
gleich der Differenz der Flachbandspannungen der Feldeffektkondensatoren 302 und 304 ist. Die Vorspannungsquelle 326
dient zur Einstellung des Kapazitätswertes. Die unterschiedlichen Flachbandspannungen der Feldeffektkondensatoren werden
beispielsweise auf die gleiche Art erzeugt, wie es vorher mit Bezug auf die Feldeffekttransistoren erläutert
wurde.
Andere von dem Wert V-,., abhängige Paramter, beispielsweise
Tunnelströme in dünnen Oxidschichten von Feldeffektkondensatoren können ebenfalls abgetastet und zur Einstellung der
Vorspannungsbedingungen verwendet werden, so daß eine Referenzspannungsquelle erhalten wird.
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Claims (22)
- Hewlett-Packard CompanyInt. Az.: Case 982 3. Mai 1976PATENTANSPRÜCHE/ 1 . /Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Referenzspannung da- ^—' durch gekennzeichnet , daß erste und zweite Feldeffektschaltkreise (5, 7) vorgesehen sind, die jeweils eine Source-Elektrode (13, 15), eine Drain-Elektrode (17, 19) und eine Gate-Elektrode (35, 37) aufweisen und welche unterschiedliche Flachband-Spannungen haben,eine Einrichtung (1, 3) mit den ersten und zweiten Feldeffekt-Schaltkreisenverbunden ist und einen im wesentlichen gleichen Strom für die Drain-Elektroden der ersten und zweiten Feldeffektschaltkreise erzeugt und daß die Gate-Elektroden der ersten und zweiten Feldeffektschaltkreise verbunden sind.
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Feldeffektschaltkreise Substratkörper (52) aus im wesentlichen ähnlichem Halbleitermaterial aufweisen, der erste Feldeffektschaltkreis eine erste Gate-Elektrode aus einem ersten Metall und der zweite Feldeffektschaltkreis eine zweite Gate-Elektrode aus einem zweiten Metall aufweist und diese Metalle derart ausgewählt sind, daß sich jeweils verschiedene Arbeitspotentiale zwischen Halbleiter und Metall in den ersten und zweiten Feldeffektschaltkreisen herausbilden.
- 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Feldeffektschaltkreise Substratkörper aus einem ersten Halbleitermaterial aufweisen, eine Gate-Elektrode des ersten Feldeffektschaltkreises aus einem zweiten Halbleitermaterial und eine Gate-Elektrode des zweiten Feldeffektschaltkreises aus einem dritten Halbleitermaterial besteht, die ersten und zweiten609853/0647Halbleitermaterialien untereinander eine Differenz der Arbeitsfunktionen ergeben, die sich von der Differenz der Arbeitsfunktionen der ersten und dritten Halbleitermaterialien unterscheidet.
- 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Feldeffektschaltkreise ähnliche Halbleiter-Substratkörper aufweisen, der erste Feldeffektschaltkreis eine Gate-Elektrode aus einem Halbleitermaterial enthaltenden Material aufweist und der zweite Feldeffektschaltkreis eine Gate-Elektrode aus einem Metall aufweisenden Material enthält.
- 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Feldeffektschaltkreis eine erste Grenzflächen-Zustandsdichte und der zweite Feldeffektschaltkreis eine zweite Grenzflächen-Zustandsdichte hat.
- 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η. η zeichnet , daß der erste Feldeffektschaltkreis einen Halbleiter-Substratkörper aufweist, der mit einem Isolator verbunden ist und eine erste feste Ladung je Flächeneinheit an der Halbleiter/Isolator-Grenzfläche enthält und der zweite Feldeffekt-Schaltkreis ein Halbleitersubstrat aufweist, das mit dem Isolator verbunden ist und eine zweite feste Ladung je Flächeneinheit an der Halbleiter/Isolator-Grenzflache aufweist.
- 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Feldeffektschaltkreis einen Isolator mit einer ersten Ladungsverteilung und der zweite Feldeffektschaltkreis einen Isolator mit einer zweiten Ladungsverteilung aufweist.
- 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Feldeffektschaltkreis ein Halbleitersubstrat und mehrere Isolatoren enthält und der mit609853/06A7dem Halbleitersubstrat des ersten Feldeffektschaltkreises in Kontakt stehende Isolator ausreichend dünn für eine "Tunnelbewegung" ist und eine Vorspannungseinrichtung mit der Gate-Elektrode des ersten Feldeffektschaltkreises derart verbunden ist, daß eine Ladung in den ersten Feldeffektschaltkreis tunneln kann und ein Unterschied der Flachbandspannungen der ersten und zweiten Feldeffekteinrichtungen erzeugt wird.
- 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Feldeffekteinrichtung ein Siliziumsubstrat enthält, ein erster Isolator aus Siliziumdioxid sich im Kontakt mit dem Siliziumsubstrat befindet und ein zweiter Isolator aus Siliziumnitrid sich im Kontakt mit dem ersten Isolator und der Gate-Elektrode der ersten Feldeffekteinrichtung befindet.
- 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Feldeffektschaltkreis mehrfache Isolatoren aufweist und der mit dem Halbleiter des zweiten Feldeffektschaltkreises im Kontakt befindliche Isolator ausreichend dünn für eine Tunnelbewegung ist.
- 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Feldeffektschaltkreis ein Siliziumsubstrat aufweist, ein erster Isolator aus Siliziumdioxid sich im Kontakt mit dem Siliziumsubstrat befindet und ein zweiter Isolator aus Siliziumnitird sich im Kontakt mit dem ersten Isolator und der Gate-Elektrode des zweiten Feldeffektschaltkreises befindet.
- 12. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Referenzspannung, vorzugsweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Feldeffektkondensatoren (202, 204) vorgesehen sind, die jeweils einen ersten und einen zweiten Kontakt aufweisen und unterschiedliche Flachbandspannungskennlinien haben und deren Kapazitätswerte sich in Abhängigkeit von einer den ersten bzw..den zweiten Kontakten zuge-609853/0647führten Spannung ändert, eine Einrichtung mit den ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren verbunden ist und im wesentlichen einen gleichen Kapazitätswert in den ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren erzeugt und eine Einrichtung die ersten Kontakte der ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren verbindet.
- 13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren Substratkörper aus im wesentlichen gleichen Halbleitermaterial aufweisen, der erste Kondensator eine erste Gate-Elektrode aus einem ersten Metall und der.zweite Kondensator eine zweite Gate-Elektrode aus einem zweiten Metall aufweist und dadurch unterschiedliche Arbeitsfunktionen an dem jeweiligen Metall/Halbleiter-Übergang in den ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren erzeugt werden,
- 14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren Substratkörper aus einem ersten Halbleitermaterial haben, eine Gate-Elektrode des ersten Kondensators aus einem zweiten Halbleitermaterial und eine Gate-Elektrode des zweiten Kondensators aus einem dritten Halbleitermaterial besteht, die Kombination der ersten und zweiten Halbleitermaterialien eine Differenz der Arbeitsspannung zwischen den Halbleitern erzeugt, die verschieden ist von der Differenz der Arbeitsspannungen zwischen den Halbleitern der ersten und dritten Halbleitermaterialien.
- 15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren ähnliche Halbleitersubsträte aufweisen, der erste Feldeffektkondensator eine Gate-Elektrode aus einem Halbleitermaterial und der zweite Feldeffektkondensator eine Gate-Elektrode aus einem Metall aufweisenden Material enthält.
- 16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η - " zeichnet , daß der erste Feldeffektkondensator eine609853/0647" 18 " 262040terste Grenzflächen-Zustandsdichte und der zweite Feldeffektkondensator eine zweite Grenzflächen-Zustandsdichte aufweist.
- 17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Feldeffektkondensator eine erste feste Ladung je Einheitsfläche an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator enthält und der zweite Feldeffektkondensator eine zweite feste Ladung je Einheitsfläche an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator enthält.
- 18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Feldeffektkondensator einen Isolator mit einer ersten Ladungsverteilung und der zweite Feldeffektkondensator einen Isolator mit einer zweiten Ladungsverteilung aufweist.
- 19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Feldeffektkondensator mehrfache Isolatoren aufweist und der im Kontakt mit dem Halbleiter des ersten Feldeffektkondensators stehende Isolator ausweichend dünn für eine Tunnelbewegung der Ladungsträger ist und eine Vorspannungseinrichtung mit der Gate-Elektrode des ersten Feldeffektkondensators ist, so daß der Ladung eine Tunnelbewegung in den ersten Feldeffektkondensator ermöglicht ist und eine Differenz zwischen den Flachbandspannungseigenschaften der ersten und zweiten Feldeffektkondensatoren erzeugt wird.
- 20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der erste Feldeffektkondensator ein Siliziumsubstrat, einen ersten Isolator aus Siliziumdioxid im Kontakt mit dem Siliziumsubstrat und einen zweiten Isolator aus Siliziumnitrid im Kontakt mit dem ersten Isolator und dem Gate-Kontakt des zweiten Feldeffektkondensators enthält.609853/0647
- 21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Feldeffektkondensator mehrfache Isolatoren aufweist und der im Kontakt mit dem Halbleiter des zweiten Feldeffektkondensators stehende Halbleiter für eine Tunnelbewegung ausreichend dünn ist.
- 22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Feldeffektkondensator ein Siliziumsubstrat, einen ersten Isolator aus Siliziumdioxid im Kontakt mit dem Siliziumsubstrat und einen zweiten Isolator aus Siliziumnitrid im Kontakt mit dem ersten Isolator und dem Gate-Kontakt des zweiten Feldeffektkondensators aufweist.609853/0647
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1975
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1976
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- 1976-06-15 JP JP51070321A patent/JPS51149780A/ja active Pending
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