DE2719726A1 - Semiconductor data store with MOS switching transistors - has matrix of storage cells in rows and columns and read amplifier arranged in centre of each column - Google Patents
Semiconductor data store with MOS switching transistors - has matrix of storage cells in rows and columns and read amplifier arranged in centre of each columnInfo
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Abstract
Description
Speicheranordnung Storage arrangement
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterspeicheranordnungen, und insbesondere auf einen Leseverstärker für einen N-Kanal-MOS-Speicher mit Speicherzellen, in denen ein Transistor verwendet wird.The invention relates to semiconductor memory devices, and in particular a sense amplifier for an N-channel MOS memory with memory cells, in which a transistor is used.
Bei der Herstellung digitaler Anordnungen, insbesondere Kleinrechner, werden in großem Umfang MOS-Direktzugriffspeicher (RAM) verwendet.D# Fähigkeiten und die Kostenvorteile solcher Speicheranordnungen haben in den letzten Jahren ständig zugenommen. Die Kosten pro Speicherbit nehmen bei MOS-Direktzugriffspeichern in der gleichen Weise ab, wie die Anzahl der Bits oder Speicherzellen pro Baueinheit zunimmt. In der Industrie sind immer größere Direktzugriffspeicher Standardbaueinheiten geworden, beispielsweise 256 Bit-Speicher, 512 Bit-Speicher, 1024 Bit-,peicher und jetzt 4096 Bitspeicher. Ein Direktz#;riffspc-icher mit 4096 Bits ist beispielsweise in der US-PS 3 940 747 beschrieben. Derzeit wird von den tlerstellern von Halbleiterbauelementen versucht, Direktzugriffspeicher mit 16 584 Bits, sogenannte 16K-RAM's herzustel len; d.lZU sei auf die Zeitscfirift "Electronics" vom Februar 1976 Seiten 11 1 1 verwiesen Wenn die Anzahl der Bits in einem Halbleiterchip zunimmt, nimmt die Zellengröße ab, und zwangsläufig wird auch die Größe des Speicherkondensators in jeder Zelle kleiner.In the production of digital arrangements, especially small computers, MOS random access memories (RAM) are widely used. D # capabilities and the cost benefits of such memory arrays have continued to grow in recent years increased. The cost per memory bit increases with MOS random access memories in the same way as the number of bits or memory cells per unit increases. Increasingly large random access memories are standard building blocks in the industry become, for example, 256 bit memory, 512 bit memory, 1024 bit memory and now 4096 bit memory. For example, a direct code processor with 4096 bits is in U.S. Patent 3,940,747. It is currently used by manufacturers of semiconductor components tries to produce random access memory with 16,584 bits, so-called 16K RAM's len; d.lZU to the magazine "Electronics" from February 1976 pages 11 1 1 referenced When the number of bits in a semiconductor chip increases, the cell size decreases, and inevitably the size of the storage capacitor also increases smaller in each cell.
Auch die Anzahl der Zellen an einer Stellenleitung in der Zellenmatrix nimmt zu,so daß die Kapazität dieser Leitung ansteigt. Diese Faktoren setzen die Größe des an einer Stellenleitung vorhandenen Datensignals herab. Ein voller digitaler Pegel, d.h. der Unterschied zwischen dem Signalwert 1 und dem Signalwert "O" kann in einer dieser Baueinheiten beispielsweise 10 oder 12 Volt betragen. Die Spannungsdifferenz zwischen einem Signalwert ~1" und einem Signalwert "O" für die an eine Stellenle itung in der Speichermatrix aus der ausgewählten Zelle mit einem Transistor gekoppelten Daten kann jedoch nur ein oder zwei Zehntel eines Volts betragen. Zum Lesen dieser Signale mit niedrigem Pegel sind verschiedene Schaltungen vorgeschlagen worden. Beispielsweise sind Leseverstärker in der oben erwähnten US-PS 3 940 747 , in der US-PS 3 838 404, in der Zeitschrift Electronics, 13. September 1973, Band 46, Nr. 19, Seiten 116 bis 121 und in"IEEE"journal of Solid State Circuits", Oktober 1972, Seite 336 beschrieben.Also the number of cells on a point line in the cell matrix increases so that the capacity of this line increases. These factors set the Decreases the size of the data signal present on a point line. A full digital one Level, i.e. the difference between the signal value 1 and the signal value "O" in one of these structural units, for example, be 10 or 12 volts. The voltage difference between a signal value ~ 1 "and a signal value" O "for the at one point iteration in the memory matrix from the selected cell coupled with a transistor However, data can only be one or two tenths of a volt. To read this Various circuits have been proposed for low level signals. For example, sense amplifiers are disclosed in the aforementioned US Pat. No. 3,940,747, US Pat U.S. Patent 3,838,404, Electronics magazine, Sep. 13, 1973, Volume 46, No. 19, pages 116 to 121 and in "IEEE" journal of Solid State Circuits ", October 1972, Page 336.
Bei der Anwendung auf Speichervorrichtungen, die eine hohe Packungsdichte, eine hohe Betriebsgeschwindigkeit und eine niedrige Verlustleistung erfordern, wie es bei dem 16 K-Direktzugriffspeicher erforderlich ist, sind die oben vorgeschlagenen Leseverstärker mit Nachteilen verbunden.When applied to storage devices that have a high packing density, require high operating speed and low power dissipation, such as as required in the 16K random access memory are those proposed above Sense amplifier associated with disadvantages.
Manche haben eine hohe Verlustleistung und übermässig lange Ladezeiten für die Stellenleitungen. Andere erfordern einen hohen Momentanstrom und eine kritische Taktzeitsteuerung.Some have a high power loss and excessively long charging times for the managerial staff. Others require a high instantaneous current and a critical one Cycle time control.
Mit Hilfe der Erfindung soll somit ein Leseverstärker für einen MOS-Direktzugriffspeicher geschaffen werden, der eine niedrige Verlustleistung und eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und eine hohe Empfindlichkeit aufweist.With the aid of the invention, a sense amplifier for a MOS random access memory is thus intended be created that have a low power dissipation and a high operating speed and has high sensitivity.
Der nach der Erfindung ausgebildete Leseverstärker macht von zwei kreuzweise gekoppelten Treibertransistoren Gebrauch, die als bistabile Schaltung geschaltet sind und in der Mitte jeder Spaltenleitung in der Speichermatrix angeordnet sind. Lasttransistoren für die zwei Treibertransistoren werden nur während eines Teils des Arbeitszyklus getaktet; während dieser Zeit werden die Zellen adressiert. Die Treibertransistoren sind über zwei verschiedene Wege mit Masse verbunden, die von zwei zu unterechiedlichen Zeiten getakteten Transistoren gebildet sind. Während einer anfänglichen Leseperiode wird der Strom durch die Treibertransistoren auf einem niedrigen Wert gehalten, und er kann dann später höher sein, so daß ein Ausgangssignal mit der Größe des vollen digitalen Pegels erzeugt wird.The sense amplifier constructed according to the invention makes two Cross-coupled driver transistors use that as a bistable circuit are connected and arranged in the middle of each column line in the memory matrix are. Load transistors for the two driver transistors are only used during one Clocked part of the work cycle; during this time the cells are addressed. The driver transistors are connected to ground via two different paths, the are formed by two transistors clocked at different times. While an initial read period, the current through the driver transistors is on is kept at a low value, and it can then later be higher, so that an output signal is generated with the size of the full digital level.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen: Fig.1 ein Blockschaltbild einer Halbleiterspeichervorrichtung, in der die Erfindung angewendet werden kann, Fig.2 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung von Fig.1 in einem Gehäuse, Fig.3 ein elektrisches Schaltbild einer Speicherzellenmatrix für das System von Fig.1 unter Anwendung der erfindungsgemäßen Leseverstärker, Fig.4a bis Fig.4f graphische Darstellungen der an verschiedenen Ptrnkten des erfindungsgemäßen Systems erscheinenden Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit, Fig.5 eine graphische Darstellung verschiedener Spannungen und Verlustleistungsfaktoren in der erfindungsgemäßen Schaltung in Abhängigkeit von der Bauelementform, Fig.6 eine genaue graphische-Darstellung der Spannung an den Stellenleitungen der Schaltung. von Fig.3 in Abhängigkeit von der Zeit und Fig.7 eine stark vergrößerte Photographie eines Halbleiter-Chips mit dem erfindungsgemäßen System.The invention will now be explained by way of example with reference to the drawing. 1 shows a block diagram of a semiconductor memory device in which the invention can be applied, Fig.2 is a perspective view of the Device of Figure 1 in a housing, Figure 3 is an electrical circuit diagram of a Memory cell array used for the system of Figure 1 the sense amplifier according to the invention, Fig.4a to Fig.4f graphic representations of the tensions appearing at various points of the system according to the invention as a function of time, Fig. 5 is a graphical representation of various voltages and power loss factors in the circuit according to the invention as a function from the component shape, Figure 6 shows an accurate graphic representation of the voltage the control lines of the circuit. of Fig.3 as a function of time and Fig.7 a greatly enlarged photograph of a semiconductor chip with the invention System.
In Fig.1 ist eine MOS-Speichervorrichtung dargestellt, in der die Erfindung angewendet werden kann. Die Speichervorrichtung kann zwar verschiedene Größen haben, doch ist die Erfindung für die Anwendung bei einem Speicher mit sehr hoher Packungsdichte mit 16 384 Speicherzellen auf einen Silizium-Chip mit einer Fläche von 0,32 cm2 (1/20 inch2) bestimmt, der mittels des N-Kanal-Silizium-Gate-MOS-Verfahrens mit Selbstausrichtung hergestellt ist,das bei der Produktion von 4096 Bit-Speichervorrichtungen gemäß der Zeitschrift Electronics vom 13.September 1973 angewendet wurde, wie oben erwähnt worden ist. Die Speichervorrichtung besteht aus einer Matrix 10 aus 16 384 Speicherzellen, die allgemein in 128 Zeilen und 128 Spalten aufgeteilt sind; jede Zelle ist eine sogenannte Eintransistorzelle, wie sie in der US-PS 3 940 747 oder in der Zeitschriftlectroics vom 13.September 1973 beschrieben ist. In dieser Ausführungsform ist die Matrix 10 in 16 1K-Blöcke unterteilt, die mit 10-1 bis 10-16 bezeichnet sind. Jeweils zwei Blöcke, beispielsweise die Blöcke 10-1 und 10-2 wirken als eine Leseeinheit. Ein Zeilendecodierer 11 wählt eine der 128 Zeilenleitungen aus, die von einer Zeilen- oder X-Adresse bestimmt wird, die in einem 7-Bit-Zeilenadressenpuffer 12 enthalten ist; ein Spaltendecodierer 13 wählt eine von 128 Spaltenleitungen aus, die von einer Spalten- oder Y-Adresse in einem 7-Bit-Spaltenadressenpuffer 14 enthalten ist. Diese Adressen werden über sieben Adressenleitungen 15 an den Halbleiter-Chip im Zeitteilverfahren angelegt. EinZeilenadressenabtasteingang 16 (RAs) gibt den Zeilenadressenpuffer 12 so frei, daß er eine Zeilenadresse annimmt, die Adressenbits AO bis A6 enthält; in der gleichen Weise gibt ein Spaltenadressen-Abtasteingang 17 (CAS) den Spaltenadressenpuffer so frei , daß er eine Spaltenadresse aus den Bits A7 bis A13 von den Leitungen 15 annimmt. Zur eindeutigen Definition eines Bits aus 16 384 Zellen 14 16 384 ) sind 14 Adressenbits erforderlich; eine Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 18 ist über den Spaltendecodierer 13 und Zwischenausgabepuffer 19 an die Natrix 10 angeschlossen; sie arbeitet so, daß von einem Dateneingabestift 20 Daten an die Spaltenleitungen angelegt werden oder daß Daten an den Spaltenleitungen festgestellt und an einen Datenausgabestift 21 unter der Steuerung über einen Lese/Schreib-Eingang 22 (rad) und unter der Steuerung durch verschiedene intern erzeugte Takt- und Logikspannungen angelegt werden. Die Baueinheit benötigt an Stiften 23 mehrere verschiedene Versorgungsspannungen; es sind die Versorgungsspannungen Vbb, Vcc und Vdd sowie Masse Vss. Manche Schaltungen sind natürlich auch so ausgelegt, daß sie mit einer oder mit zwei Versorgungsspannungen anstelle der drei genannten Versorgungsspannungen arbeiten. Typische Spannungswerte sind :Vdd = +12V, Vbb = -5V und Vcc = + 5V. Wie in Fig.2 zu erkennen ist, hat die Baueinheit von Fig.1 die Form eines Silizium-Chips 24, das in einem Gehäuse 25 mit 16 Anschlußstiften 26 entsprechend den oben erwähnten 16 Eingangs- und Ausgangsleitungen untergebracht ist.In Figure 1, a MOS memory device is shown in which the Invention can be applied. The storage device may be various Have sizes, but the invention is suitable for application to a memory with very high packing density with 16 384 memory cells on a silicon chip with a Area of 0.32 cm2 (1/20 inch2) determined by means of the N-channel silicon gate MOS process manufactured with self-alignment that resulted in the production of 4096 bit storage devices according to Electronics magazine dated September 13, 1973, as above has been mentioned. The storage device consists of a matrix 10 of 16,384 Memory cells commonly used in 128 rows and 128 columns divided are; each cell is a so-called single transistor cell, as described in US Pat 940 747 or in the magazine Electroics of September 13, 1973. In this embodiment, the matrix 10 is divided into 16 1K blocks marked with 10-1 to 10-16 are designated. Two blocks each, for example blocks 10-1 and 10-2 act as a reading unit. A row decoder 11 selects one of the 128 Row lines determined by a row or X address specified in a 7-bit line address buffer 12 is included; a column decoder 13 selects one of 128 column lines separated by a column or Y address in a 7-bit column address buffer 14 is included. These addresses are about seven Address lines 15 applied to the semiconductor chip in the time division method. A line address scan input 16 (RAs) enables the line address buffer 12 so that it accepts a line address, contains address bits A0 through A6; in the same way there is a column address scan input 17 (CAS) frees the column address buffer so that it can extract a column address from the Bits A7 through A13 from lines 15 assumes. For the unambiguous definition of a bit out of 16 384 cells 14 16 384) 14 address bits are required; an input / output control circuit 18 is via the column decoder 13 and intermediate output buffer 19 to the matrix 10 connected; it works so that from a data entry pen 20 data to the Column lines are applied or that data is detected on the column lines and to a data output pin 21 under the control of a read / write input 22 (rad) and under the control of various internally generated Clock and logic voltages are applied. The assembly requires several pins 23 different supply voltages; they are the supply voltages Vbb, Vcc and Vdd and ground Vss. Of course, some circuits are also designed so that they with one or two supply voltages instead of the three mentioned supply voltages work. Typical voltage values are: Vdd = + 12V, Vbb = -5V and Vcc = + 5V. As can be seen in Figure 2, the unit of Figure 1 has the shape of a silicon chip 24, which is in a housing 25 with 16 connection pins 26 corresponding to those mentioned above 16 input and output lines is housed.
Dünne Golddrähte verbinden Kontaktflächen auf dem Silizium-Chip 24 mit Innenanschlüssen der Stifte 26.Thin gold wires connect contact areas on the silicon chip 24 with internal connections of pins 26.
Ein nicht dargestellter Deckel dichtet die Baueinheit ab. Das Gehäuse 25 hat eine Länge von etwa 18 mm (3/4 inch), so daß eine große Anzahl dieser Gehäuse auf einer gedruckten Schaltungsplatte mit Standardgröße angebracht werden kann. Beispielsweise kann ein Kleinrechner auf einer kleinen Schaltungsplatte einen ganzen 32K-oder 64K-Wortspeicher (16 Bits pro Wort) enthalten.A cover, not shown, seals the structural unit. The case 25 is about 18 mm (3/4 inch) in length, making a large number of these housings can be mounted on a standard size printed circuit board. For example, a small computer can be a whole on a small circuit board 32K or 64K word memory (16 bits per word) included.
In der Speichervorrichtung von Fig.1 sind an einem gegebenen Zeitpunkt nur zwei der 1K-Blöcke 1-10 bis 1-16 ausgewählt. Diese Auswahl wird mit Hilfe eines Decodierers 28 erzielt, der abhängig von den Adressenbits A6, A12 und A13 eine der achtLeitungen 29 (29-1 bis 29-8) auswählt.In the memory device of Fig. 1 are at a given point in time only two of the 1K blocks 1-10 to 1-16 selected. This selection is made with the help of a Decoder 28 achieved, depending on the address bits A6, A12 and A13 one of the selects eight lines 29 (29-1 to 29-8).
Der Decodierer 28 empfängt diese drei Adressenbits als Eingangssignale, wobei das Adressenbit A6 von der Zeilenadressen-Speicherschaltung 12 und die Adressenbits A12 und A13 von der Spaltenadressen-Speicherschaltung 13 kommen.The decoder 28 receives these three address bits as inputs, where the address bit A6 from the row address memory circuit 12 and the address bits A12 and A13 from the column address storage circuit 13 come.
Es ist von Bedeutung, daß der Zeilendecodierer 11 in der Mitte der Matrix und nicht an einem Ende angeordnet ist. Der herkömmlich ausgelegte Decodierer 11 bewirkt die Auswahl einer von 128 Zeilenleitungen; eine Zeilenleitung ist eine aus polykristallinem Silizium gebildete Leitung, die sich etwa über die halbe Breite des Silizium-Chips erstreckt und die Gate-Elektroden von 128 MOS-Transistoren in den 128 Speicherzellen ansteuert, die dieser Zeile zugeordnet sind. zweiunddreissig Leitungen 11-1 führen also zu dem Quadrant, der den Block 10-1 enthält, zweiunddreissig Leitungen 11-2 führen zu den Blöcken 10-2 usw., zweiunddreissig Leitungen 11-3 führen zum Quadrant mit dem Block 10-15 und zweiunddreissig Leitungen 11-4 führen zum Quadrant mit dem Block 10-16.It is important that the row decoder 11 is in the middle of the Matrix rather than at one end. The traditionally designed decoder 11 causes the selection of one of 128 row lines; a row line is one Line formed from polycrystalline silicon, which extends over about half the width of the silicon chip and the gate electrodes of 128 MOS transistors in controls the 128 memory cells assigned to this row. thirty-two Lines 11-1 thus lead to the quadrant containing block 10-1, thirty-two Lines 11-2 lead to blocks 10-2 etc., thirty-two lines 11-3 lead to the quadrant with the block 10-15 and thirty-two lines 11-4 lead to the quadrant with the block 10-16.
Die RC-Verzögerung einer Leitung 11-1, die bis zur halben Breite der Matrix reicht, ist offensichtlich geringer als dann, wenn sie sich über die gesamte Matrixbreite erstrecken würde. Die sieben Adressenbits AO bis A6 im Zeilendecodierer 11 wählen eine Zeilenleitung aus, damit das an ihr liegende Signal einen hohen Wert annimmt. Das Adressenbit A6 wählt die linke oder die rechte Seite aus, d.h. es erlaubt die Aktivierung der Leitungen 11-1, 11-2 oder der Leitungen 11-3, 11-4.The RC delay of a line 11-1 that is up to half the width of the Matrix ranges is obviously less than when it extends over the whole Matrix width would extend. The seven address bits A0 to A6 in the row decoder 11 select a row line so that the signal applied to it has a high value accepts. The address bit A6 selects the left or the right side, i.e. it allows the activation of lines 11-1, 11-2 or lines 11-3, 11-4.
Das Adressenbit AS wählt gerade oder ungerade aus; das bedeutet, daß bei einer Auswahl der Leitungen 11-1, 11-2 durch das Adressenbit A6 das Adressenbit AS eine Auswahl zwischen den Leitungen 11-1 und 11-2 trifft.The address bit AS selects even or odd; It means that when the lines 11-1, 11-2 are selected by the address bit A6, the address bit AS makes a choice between lines 11-1 and 11-2.
Die Adressenbits AO bis A4 wählen dann eine der zweiunddreissig Leitungen im ausgewählten Quadrant aus. Das Adressenbit AS bestimmt auch die Aktivierung von Blindzellen in der nicht ausgewählten Seite über Blindzellen-Adressierungsleitungen 27, wie noch erläutert wird.The address bits A0 through A4 then select one of the thirty-two lines in the selected quadrant. The address bit AS definitely too the activation of dummy cells in the unselected side via dummy cell addressing lines 27, as will be explained.
Nach der Erfindung enthält die Speichervorrichtung von Fig.1 in der Mitte jeder Spaltenleitung Leseverstärker 30, die den niedrigen Signalwert feststellen, der beim Adressieren einer Zelle an den Spaltenleitungen erzeugt wird, und die diesen niedrigen Signalwert in einen vollen digitalen Pegel umsetzen.According to the invention, the memory device of Figure 1 includes in the Middle of each column line sense amplifiers 30, which detect the low signal value, which is generated when addressing a cell on the column lines, and these convert low signal value into a full digital level.
In Fig.3 ist ein nach der Erfindung ausgebildeter Leseverstärker 30 in der Matrix 10 dargestellt. Der Leseverstärker 30 besteht grundsätzlich aus einer bistabilen Schaltung, nämlich einem Flipflop, mit zwei kreuzweise gekoppelten Treibertransistoren 31 und 32 mit zugeordneten Lasttransistoren 33 und 34. Zwei Schaltungspunkte 35 und 36 sind an die jeweiligen Heften 37 bzw. 38 der Spaltenleitung angeschlossen. Diese Schaltungspunkte 35 und 36 sind an die Gate-Elektroden der Jeweils anderen Transistoren 31 und 32 angeschlossen, damit die Schaltungsanordnung mit der kreuzweisen Kopplung entsteht.A sense amplifier 30 designed according to the invention is shown in FIG shown in matrix 10. The sense amplifier 30 basically consists of one bistable circuit, namely a flip-flop, with two cross-coupled driver transistors 31 and 32 with assigned load transistors 33 and 34. Two circuit points 35 and 36 are connected to the respective booklets 37 and 38 of the column line. These nodes 35 and 36 are connected to the gate electrodes of the other respectively Transistors 31 and 32 connected so that the circuitry with the cross-wise Coupling arises.
Mit der Leitung 37, die eine Hälfte einer Spaltenleitung ist, sind zweiunddreissig Zellen 40 verbunden; das gleiche gilt für die Leitung 38. Jede Zelle besteht aus einem Transistor 41 und einem Kondensator 42. Die Gate-Elektrode des Transistors 41 wird von einer Zeilenleitung 43 gesteuert, die auch als Wortleitung oder X-Leitung bezeichnet wird; Jede Zeilenleitung ist mit 128 Gate-Elektroden von Transistoren 41 verbunden.With line 37, which is one half of a column line, are thirty-two cells 40 connected; the same applies to line 38. Each cell consists of a transistor 41 and a capacitor 42. The gate electrode of the Transistor 41 is controlled by a row line 43, which is also called the word line or X-line is designated; Each row line is made up of 128 gate electrodes Transistors 41 connected.
In der gesamten Matrix 10 sind 64 Zeilenleitungen 43 vorhanden, von denen jeweils 32 auf einer Seite Jedes Leseverstärkers liegen; es sind natürlich 256 Leseverstärker 30 vorhanden, so daß in Fig.3 nur ein sehr kleiner Teil der Matrix 10 zu erkennen ist. Jeder Leseverstärker weist zwei Blindzellen 44 auf, von denen jeweils eine auf jeder Seite des Verstärkers liegt und mit den Spaltenleitungen 37 und 38 verbunden ist. Die Blindzellen sind ebenso ausgebildet wie die Speicherzellen 40; sie enthalten Transistoren 45 und Kondensatoren 46. Uber Leitungen 47 wird der Transistor 45 in der Blindzellenzeile auf der der ausgewählten Zelle 40 entgegengesetzten Seite des Leseverstärkers eingeschaltet, die vom Adressenbit AS der Zeilenadresse bestimmt wird, was gleichzeitig mit der Adressierung der ausgewählten Speicherzelle 40 erfolgt. Die Spaltenleitungen 37 und 38 sind über einen Transistor 49 an eine Bezugsspannungsleitung 48 gelegt; die Gate-Elektroden dieser Transistoren 49 werden vom Taktsignal 7 angesteuert.Dies bewirkt eine gleiche Aufladung der Leitungen 37 und 38 auf einen Spannungswert, der etwa mit Vdd - 2Vt gewählt ist. Die Lasttransistoren 33 und 34 sind an die Spannung Vdd gelegt, und sie werden von einem Taktsignal #4 gesteuert, das im Zeitdiagramm von Fig.4 dargestellt ist. Das Flipflop mit den Transistoren 31 und 32 kann arbeiten, wenn das Taktsignal #4 positiv wird und die Transistoren 33 und 34 leitend macht und wenn ein an die Drain-Elektroden der Transistoren angeschlossner Schaltungspunkt 50 an Masse gelegt ist.In the entire matrix 10 there are 64 row lines 43, from each of which is 32 on one side of each sense amplifier; it is natural 256 sense amplifiers 30 are available, so that only a very small part of the matrix in FIG 10 can be seen. Each sense amplifier has two dummy cells 44, of which one on each side of the amplifier and with the column lines 37 and 38 is connected. The dummy cells are designed in the same way as the memory cells 40; they contain transistors 45 and capacitors 46. Via lines 47, the Transistor 45 in the dummy cell row on the opposite of the selected cell 40 Side of the sense amplifier switched on, the address bit AS of the row address what is determined simultaneously with the addressing of the selected memory cell 40 takes place. The column lines 37 and 38 are connected through a transistor 49 to one Reference voltage line 48 applied; the gate electrodes of these transistors 49 become driven by the clock signal 7. This causes the lines 37 to be charged equally and 38 to a voltage value which is selected to be approximately Vdd - 2Vt. The load transistors 33 and 34 are applied to the voltage Vdd, and they are activated by a clock signal # 4 controlled, which is shown in the timing diagram of Fig.4. The flip-flop with the transistors 31 and 32 can operate when clock # 4 goes positive and the transistors 33 and 34 makes conductive and if one is connected to the drain electrodes of the transistors Circuit point 50 is connected to ground.
Nach der Erfindung ist der Schaltungspunkt 50 über getrenn.According to the invention, the circuit point 50 is separated.
te Wege an Masse gelegt, die in diesem Fall die drei Transistoren 51, 52 und 53 enthalten, die von Taktsignalen #1, #2 und #3 gesteuert werden. Die Transistoren 51, 52 und 53 haben unterschiedliche Abmessungen, so daß der durch sie vom Schaltungspunkt 50 nach Masse fliesende Strom unterschiedlich groß ist, so daß sich damit auch die Spannung am Schaltungspunkt 50 in Abhängigkeit davon ändert, welcher der Transistoren 51, 52 und 53 eingeschaltet ist. Bei diesen drei Transistoren hat der Transistor 51 die kleinsten Abmessungen, während der Transistor 53 die größten Abmessungen hat.th paths to ground, in this case the three transistors 51, 52 and 53 controlled by clock signals # 1, # 2 and # 3. the Transistors 51, 52 and 53 have different dimensions, so that the through the current flowing from node 50 to ground is different, so that the voltage at node 50 is also dependent on it changes which of the transistors 51, 52 and 53 is turned on. With these three Transistors, the transistor 51 has the smallest dimensions, while the transistor 53 has the largest dimensions.
Die Vorteile dieser Anordnung werden bei einer Untersuchung der Empfindlichkeits- und Verlustleistungsbeziehungen für den Leseverstärker von Fig.3 erkennbar.The advantages of this arrangement will be demonstrated when examining the sensitivity and power loss relationships for the sense amplifier of FIG. 3 can be seen.
Wenn das Taktsignal #4 positiv wird, wird ein Lesevorgang ausgelöst, und das Flipflop geht in einen stabilen Zustand über, bei dem der Transistor 31 leitend und der Transistor 32 gesperrt ist oder umgekehrt. Die Richtung der Umschaltung hängt von der Spannungsdifferenz an den Leitungen 37 und 38 ab, die ihrerseits davon abhängt, ob in der ausgewählten Speicherzelle der Wert "1 noder der Wert "O" gespeichert war. Da an einer der Leitungen 37, 38 ein geringfügig höherer Spannungswert als an der anderen anliegt, ist an der Gate-Elektrode eines der Transistoren 31, 32 ein geringfügig höherer Spannungswert vorhanden, so daß beim Übergang des Taktsignals 4 auf einen positiven Wert ein Transistor mehr Strom leitet als der andere.Eine Empfindlichkeitsgütezahl S des Leseverstärkers von Fig.3 kann mit den Strömen Id und Id' durch die Transistoren 31 und 32 folgendermaßen ausgedrückt werden: was lediglich bedeutet, daß die Empfindlichkeit des Leseverstärkers umso größer ist, Je größer die Differenz der Ströme ist. An einem gegebenen Zeitpunkt t = to kann dies folgendermaßen erweitert werden: dies ist etwa gleich wobei gilt K = K' (W/L) Vt: Schwellenspannung der Transistoren 31 und 32, Vd: Drain-Spannung der Transistoren 31 und 32 an den Schaltungspunkten 35 und 36 Vo: Spannung am Schaltungspunkt 50 W : Kanalbreite der Transistoren 31 und 32 L : Kanallänge der Transistoren 31 und 32.When the clock signal # 4 becomes positive, a read operation is triggered and the flip-flop goes into a stable state in which the transistor 31 is conductive and the transistor 32 is blocked or vice versa. The direction of switching depends on the voltage difference on lines 37 and 38, which in turn depends on whether the value "1" or "O" was stored in the selected memory cell Voltage value than is applied to the other, a slightly higher voltage value is present at the gate electrode of one of the transistors 31, 32, so that when the clock signal 4 changes to a positive value, one transistor conducts more current than the other. A sensitivity figure of merit S of the sense amplifier 3 can be expressed with the currents Id and Id 'through the transistors 31 and 32 as follows: which merely means that the sensitivity of the sense amplifier is greater, the greater the difference in the currents. At a given point in time t = to this can be expanded as follows: this is roughly the same where applies K = K '(W / L) Vt: threshold voltage of transistors 31 and 32, Vd: drain voltage of transistors 31 and 32 at connection points 35 and 36 Vo: voltage at connection point 50 W: channel width of transistors 31 and 32 L: Channel length of transistors 31 and 32.
Daraus ist zu erkennen, daß die Empfindlichkeit S bei fester Spannung Vd mit einer Erhöhung der Spannung Vo verbessert wird.It can be seen from this that the sensitivity S at a fixed voltage Vd improves with an increase in voltage Vo.
In Fig.5 ist dargestellt, wie sich der Wert der Spannung mit dem Breiten/Längen-Verhältnis des Transistors 51 ändert. Wie erwartet ist der Spannungsabfall am Transistor 51 hoch, wenn seine Kanalbreite klein im Vergleich zur Kanallänge ist.In Fig.5 it is shown how the value of the tension changes with the width / length ratio of transistor 51 changes. As expected, the voltage drop across transistor 51 is high when its channel width is small compared to the channel length.
Wenn angenommen wird, daß gilt: Vd - Vt = 5 Volt, dann kann die Empfindlichkeitsgütezahl S um 50% verbessert werden, wenn das Breiten/Längen-Verhältnis des Transistors 51 von 0,1 auf 0,05 verringert wird. Bei einem Speicher mit hoher Packungsdichte ist eine Zunahme um 5096 von großer Bedeutung, da der Speicherkqndensator 42 in den Zellen 40 proportionaL vergrößert werden kann, was eine höhere Packungsdichte auf dem Silizium-Chip ergibt.Assuming that Vd - Vt = 5 volts, then the sensitivity figure of merit S can be improved by 50% if the width / length ratio of the transistor 51 is decreased from 0.1 to 0.05. In the case of a memory with a high packing density, an increase of 5096 is of great importance since the storage capacitor 42 is in the Cells 40 can be enlarged proportionally, resulting in a higher packing density the silicon chip results.
Die Schaltung vonFig.3 ergibt auch eine Verbesserung der Arbeitsgeschwindigkeit.Auf Grund einer hohen Spannung Vo versucht die Vorladespannung an den Leitungen 37, 38 oder den-Schaltungspunkten 35, 36 für den Signalwert Pi hoch zu bleiben. Im Gegensatz zu bisher üblichen Leseverstärkern ergibt der Leseverstärker von Fig.3 eine minimale Ladezeit für die Leitungen 37, 38 zur Auffrischung eines Signal werts ~1", da der Schaltungspunkt des Leseverstärkers, der auf dem Wert n1 n bleiben soll, während des Lesevorgangs nicht auf eine niedrige Spannung entladen wird.The circuit of Fig. 3 also results in an improvement in the operating speed Due to a high voltage Vo, the precharge voltage tries on lines 37, 38 or the nodes 35, 36 for the signal value Pi to remain high. In contrast The sense amplifier of FIG. 3 results in a minimum compared to the sense amplifiers which have been customary up to now Charging time for lines 37, 38 to refresh a signal value ~ 1 ", since the Node of the sense amplifier that should remain at the value n1 n while is not discharged to a low voltage during the reading process.
In Fig.6 ist die Spannung an den Leitungen 37, 38 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wenn die Taktsignale #1 und p2 eingeschaltet werden. Während der Zeitperiode 54, sind die Spannungen an den Leitungen 37, 38 vor den Hochwerten des Taktsignale 91 auf etwa Vdd-2Vt ausgeglichen, wie durch die Ladung über die Leitung 48 festgelegt wird. Im Zeitpunkt 55 nimmt das Taktsignal #1 einen hohen Wert an, und eine der Leitungen 37, 38 beginnt, sich gegen den Signalwert O zu entladen, während die andere Leitung nur geringfügig entladen wird, wie die Linien 56 und 57 erkennen lassen. Im Verlauf des Zeitintervalls 58 vor dem Einschaltzeitpunkt 59 des Taktsignals #2 entlädt sich der Schaltungspunkt 35 oder der Schaltungspunkt 36, der auf dem Wert ~1" sein soll, nicht sehr weit unter den Wert Vdd-2Vt, und er beginnt bald, sich über den Transistor 33 oder den Transistor 34 wieder auf den Wert 1 aufzuladen, solange das Taktsignal #4 einen hohen Wert hat. Der Wert ~1" liegt bei einer Spannung von etwa Vdd-Vt, und es gibt einen gewissen Pegel 60, der ein annehmbarer Pegel ist, bei dem das Chip-Freigabesignal gesperrt werden kann. Da die Kurve 56 nicht weit nach unten geht, wird der Pegel 60 im Vergleich zu dem Fall sehr schnell erreicht, der eintreten würde, wenn sich die "1"-Seite des Leseverstärkers wie bei bisher verwendeten Schaltungen auf einen niedrigen Wert entladen hätte können.In Figure 6, the voltage on the lines 37, 38 is dependent represented by the time when clock signals # 1 and p2 are turned on. While the Time period 54, the voltages on lines 37, 38 are before the highs of the Clock signals 91 are balanced to about Vdd-2Vt as determined by the charge on the line 48 is established. At time 55, the clock signal # 1 assumes a high value, and one of the lines 37, 38 begins to discharge towards the signal value O, while the other line is only slightly discharged, like lines 56 and 57 reveal. In the course of the time interval 58 before the switch-on time 59 of the clock signal # 2, the node 35 or the node is discharged 36, which should be at the value ~ 1 ", not very far below the value Vdd-2Vt, and he soon begins to turn on the transistor 33 or the transistor 34 again Charge value 1 as long as clock signal # 4 is high. The value ~ 1 " is at a voltage of about Vdd-Vt, and there is some level 60 that is an acceptable level at which the chip enable signal can be disabled. Since curve 56 does not go far down, level 60 is compared to that Reached the case very quickly, which would occur if the "1" side of the sense amplifier as with previously used circuits could have discharged to a low value.
Hinsichtlich der Verlustleistung ergibt der Leseverstärker von Fig.3 eine Verbesserung, da sich die Verlustleistung Ps pro Leseverstärker durch die Beziehung Ps = Vdd ~Id = Vdd . K' (Vd - Vo - Vt)2 (W/L) ausdrücken läßt; Fig.5 gibt die Werte für die Verlustleitung Ps bei einer Änderung des Breiten/Längen-Verhältnisses an. Für ein niedriges Breiten/Längen-Verhältnis hat auch die Verlustleistung Ps einen niedrigen Wert.With regard to the power loss, the sense amplifier of FIG an improvement, since the power dissipation Ps per sense amplifier is given by the relationship Ps = Vdd ~ Id = Vdd. K '(Vd - Vo - Vt) 2 (W / L) expresses; FIG. 5 gives the values for the power loss Ps with a change in the width / length ratio at. For a low width / length ratio, the power dissipation Ps a low value.
Die Anwendung eines kleinen Breiten/Längen-Verhältnisses für den Transistor 51 würde zur Folge haben, daß die Verstärkung der #O"-Seite auf Grund der Tatsache, daß die Spannung Vo hoch ist, unzureichend wäre. Aus diesem Grund ist der Transistor 52 vorgesehen, damit eine weitere Verstärkung erzielt wird. Der Transistor 52 wird zu einem späteren Zeitpunkt als der Transistor 51 vom Taktsignal #2 aktiviert, was für den Auffrischvorgang den leitenden Zustand der Lasttransistoren 33 und 34 durch Beendigung des Taktsignals #4 beendet. Auf diese Weise liegt an der Leitung 37, 38, die einen niedrigen Wert annehmen soll, ein guter "O" ~Wert an.The use of a small width / length ratio for the transistor 51 would have the consequence that the reinforcement of the #O "-side due to the fact that that the voltage Vo is high would be insufficient. Because of this, the transistor is 52 is provided so that further reinforcement is achieved. The transistor 52 becomes at a later time than transistor 51 is activated by clock signal # 2, which the conductive state of the load transistors 33 and 34 through for the refreshing process Termination of clock signal # 4 ended. In this way is on line 37, 38, which should have a low value, give a good "O" value.
Während eines Lese- oder Schreibvorgangs wird der Transistor 53 mit Hilfe des Taktsignals #3 aktiviert; dieser Transistor it wesentlich größer als die Transistoren 51 und 52. Während der #2- und #3-Perioden bleibt das Taktsignal #4 für die Lese /Schreib-Operation hoch, so daß die Lasttransistoren 33 und 34 eingeschaltet werden. Während der Lese- oder Schreibvorgänge treten Störsignale von anderen Schaltungen auf, so daß die Lasttransistoren eingeschaltet bleiben müssen, damit ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet wird. Für die ausgewählte Spaltenleitung 37 wird auch ein Übertragungsglied 65 leitend gemacht, so daß diese Leitung mit einer Sammelleitung 66 verbunden wird, die zu einem Eingabepuffer 67 oder einem Ausgabepuffer 68 der Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 18 führt. Diese Sammelleitung 66 weist angesammelte Kapazitäten und Störsignale auf. Der vom großen Transistor 53 gelieferte hohe digitale Pegel ist daher von großem Vorteil.During a read or write process, the transistor 53 is with Activated by means of clock signal # 3; this transistor is much bigger than that Transistors 51 and 52. During the # 2 and # 3 periods, clock signal # 4 remains high for the read / write operation so that load transistors 33 and 34 are turned on will. Noise signals from other circuits occur during the read or write processes on, so that the load transistors must remain switched on, so that a reliable Operation is guaranteed. For the selected column line 37, will also a Transmission element 65 made conductive, so that this line with a collecting line 66 is connected to an input buffer 67 or an output buffer 68 of the Input / output control circuit 18 leads. This manifold 66 has accumulated Capacities and interference signals. The high digital provided by the large transistor 53 Level is therefore of great advantage.
Wie oben erläutert wurde, ist die Matrix in zwei 8K-Matrizen organisiert, die in Fig.1 dargestellt sind; eine dieser Matrizen enthält dabei die Blöcke 10-1 bis 10-8, während die andere die Blöcke 10-9 bis 10-16 enthält. Der Zeilendecodierer 11 ist zwischen den zwei 8K-Matrizen angeordnet, damit die Länge und somit die RC-Verzögerung der aus polykristallinem Silizium bestehenden Zeilenauswahlleitungen auf ein Minimum verringert wird. Jede 8K-Matrix enthält 128 symmetrische Leseverstärker 30 in der Mitte der jeweiligen Matrix, wobei mit jeder Seite des Leseverstärkers zweiunddreißig Zellen 40 verbunden sind. Während des Betriebs wird über das Adressenbit A6 nur eine 8K-Matrix ausgewählt, so daß nur 128 Leseverstärker aktiv sind; dies bedeutet, daß der Decodierer 28 während der Anfangsperiode 70 von Fig.4b ein Taktsignal #4 nur an vier der Leitungen 29 erzeugt, so daß die Lasttransistoren 33, 34 nur bei den Leseverstärkern auf einerSeite des Zeilendecodierers 11 eingeschaltet werden. Zur Verbesserung der Signalabtastung für die von einem Transistor gebildeten Zellen ist Jede 8K-Matrix in vier 2K-Matrizen (10-1 mit 10-2 usw.) oder in Paare aus 1K-Blöcken weiter unterteilt, wobei Jedes Blockpaar zweiunddreissig Leseverstärker 30 enthält und zusammen mit einem weiteren Blockpaar einen Zwischenausgabepuffer 19 gemeinsam benutzt.As explained above, the matrix is organized into two 8K matrices, which are shown in Figure 1; one of these matrices contains blocks 10-1 through 10-8, while the other contains blocks 10-9 through 10-16. The row decoder 11 is placed between the two 8K matrices, so the length and thus the RC delay of the row select lines made of polycrystalline silicon to a minimum is decreased. Each 8K matrix contains 128 balanced sense amplifiers 30 in the Center of the respective matrix, with each side of the sense amplifier thirty-two Cells 40 are connected. During operation, the address bit A6 is only used an 8K matrix selected so that only 128 sense amps are active; this means, that the decoder 28 a clock signal # 4 during the initial period 70 of Figure 4b generated only on four of the lines 29, so that the load transistors 33, 34 only at the sense amplifiers on one side of the row decoder 11 are turned on. To improve the signal sampling for the cells formed by a transistor Each 8K matrix is in four 2K matrices (10-1 with 10-2 etc.) or in pairs of 1K blocks further subdivided, each block pair containing thirty-two sense amplifiers 30 and together with another Block pair an intermediate output buffer 19 shared.
Der Zwischenausgabepuffer 19-1 arbeitet beispielsweise mit dem Blockpaar 10-1, 10-2 und dem Blockpaar 10-3, 10-4 zusammen. Die Adressenbits A12 und A13 wählen eine der vier 2K-Matrizen in einem Spaltendecodierer 13 für die Ausgabe über die Leitung 19- 5 und die Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 18 aus. Die Decodierer 13 in der linken Hälfte sind Duplikate der Decodierer in der rechten Hälfte, da zwei Gruppen aus 128 Spaltenleitungen vorhanden sind; die räumliche Anordnung (lay-out) ist so ausgeführt, daß diese Verdopplung erforderlich ist.The intermediate output buffer 19-1 operates on the pair of blocks, for example 10-1, 10-2 and the block pair 10-3, 10-4 together. Select address bits A12 and A13 one of the four 2K matrices in a column decoder 13 for output via the Line 19-5 and the input / output control circuit 18 off. The decoders 13 in the left half are duplicates of the decoders in the right half as there are two There are groups of 128 column lines; the spatial arrangement (lay-out) is designed in such a way that this doubling is necessary.
Am Anfang eines Lesezyklus werden vier Blockpaare 10-1, 10-2 usw. mittels der Taktsignale #1 und #4 nach Fig.4 eingeschaltet; dadurch werden 128 Bits aufgefrischt, beispielsweise die Bits an einer der Zeilenleitungen 11-1.At the beginning of a read cycle, four pairs of blocks 10-1, 10-2, etc. switched on by means of the clock signals # 1 and # 4 according to FIG. this makes 128 bits refreshed, for example the bits on one of the row lines 11-1.
Da der Transistor 51 ziemlich klein ist, ist die Verlustleistung bei dieser Auffrischoperation auf einen brauchbaren Wert begrenzt. Die Dauer dieser Auffrischoperation ist kurz, da der"1"#Spannungswert 56 an der Zeilenleitung nicht auf einen niedrigen Spannungswert absinkt, wie in Fig.6 zu erkennen ist. Für den Auffrischzyklus werden alle Taktsignale #4 abgeschaltet, wie in Fig.4b während des Zeitintervalls 72 zu erkennen ist, und das Taktsignal #2 nimmt einen hohen Wert an, wie Fig.4d zeigt.Since the transistor 51 is quite small, the power dissipation is at this refresh operation is limited to a useful value. The duration of this Refresh operation is short because the "1" #voltage value 56 on the row line is not drops to a low voltage value, as can be seen in Fig. 6. For the All clock signals # 4 are switched off, as in Figure 4b during the refresh cycle Time interval 72 can be seen, and the clock signal # 2 takes a high value as Fig.4d shows.
In dem speziellen Ausführungsbeispiel erfolgt die Eingabe des Signals CAS über den Anschluß 17. Der zusätzliche Strom durch den Transistor 52 während der Dauer des Taktsignals #2 gewährleistet in kurzer Zeit einen guten "O"-Wert an der Zeilenleitung 37, 38. Wenn die Zeilenleitung 38 mit der großen Kapazität der Eingabe/ Ausgabe-Sammelleitung 66 verbunden wird, die mittels des Y-Auswahlglieds 65 auf Vdd-Vt vorgeladen ist, dann würde der "1"-Spannungswert an der Leitung 37 versuchen, auf Grund der hohen Ubergangsspannung an der Leitung 38 abzusinken; dies könnte eine gespeicherte "1"-Spannung verschlechtern oder vollständig ausfallen lassen. Damit dies vermieden wird, erzeugt für den ausgewählten Block, bei dem das ausgewählte Y-Auswählglied 65 für einen Lese/Schreib-Vorgang eingeschaltet ist, das Signal CAS ein Taktsignal #3, das nach Fig.4e einen hohen Wert annimmt. Dadurch wird der große Transistor 53 eingeschaltet, so daß ein guter Pegel auch dann gewährleistet wird, wenn die Lasttransistoren 33, 34 zur Aufrechterhaltung eines guten"l",Pegels eingeschaltet sind.In the special embodiment, the input of the signal takes place CAS across terminal 17. The additional current through transistor 52 during the duration of the clock signal # 2 ensures a good "O" value in a short time of the row line 37, 38. When the row line 38 with the large capacitance of the Input / output manifold 66 is connected by means of of Y selector 65 is precharged to Vdd-Vt, then the "1" voltage value would be on on line 37 due to the high transition voltage on line 38 to descend; this could degrade or completely degrade a stored "1" voltage fail. To avoid this, generated for the selected block, in which the selected Y selector 65 is turned on for a read / write operation is, the signal CAS is a clock signal # 3, which assumes a high value according to Figure 4e. This turns on the large transistor 53, so that a good level too is then guaranteed if the load transistors 33, 34 to maintain a good "l" level are switched on.
Fig.4 ist eine stark vergrößerte Photographie des Halbleiter-Chips 24, der die erfindungsgemäße Anordnung enthält; dabei sind die Unterteilung der Matrix 10 und die Orte der Zeilen- und Spaltendecodierer sowie der Leseverstärker dargestellt. Die tatsächliche Größe des Chips beträgt 0,6 x 0,4 mm (1/4 inch x 1/6 inch).Fig. 4 is a greatly enlarged photograph of the semiconductor chip 24, which contains the arrangement according to the invention; here are the subdivision of the Matrix 10 and the locations of the row and column decoders and the sense amplifiers shown. The actual size of the chip is 1/4 inch x 1/6 inch).
Die Form und die Unterteilung wird teilweise von der Gehäusegröße bestimmt, wie in Fig.2 zu erkennen ist.The shape and division is partly determined by the size of the case determined, as can be seen in Fig.2.
Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben worden.The invention is here in connection with a specific embodiment has been described.
Der Fachmann kann jedoch erkennen, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres auch Abwandlungen und Änderungen ausgeführt werden können.However, those skilled in the art can recognize that within the scope of the invention without further modifications and changes can also be carried out.
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