DE2826624C2 - Integrierte IGFET-Konstantstromquelle - Google Patents

Description

Eine monolithisch integrierte Schaltung für eine IGFET-Konstantstromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 25 02 689 bekannt

Bei der bekannten IGFET-Konstantstromquelle werden die Streuungen der Schwellenspannungen der IGFETs dadurch auf ein Minimum gebracht indem auf die Verhältnisse Breite Wzur Länge /.der Kanalbereiche eingewirkt wird. Bei dieser IGFET-Konstantstromquelle ist aber die Wirkung des Substrat-Effektes auf die Schwellenspannung nicht berücksichtigt und es wären Isolierwannen erforderlich, wenn man den Substrateffekt vermeiden wollte.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Schwellenspannungen

(1)

für P-Kanal-IGFETs und

Jl.

A.

weitgehend angenähert ist und die Bedingung

A 2

35

40 (2)

für N-Kanal-IGFETs hauptsächlich den Schwankungen der Oberflächenladungsdichte Q₅₅ unterliegen. In den Gleichungen (1) und (2) sowie im folgenden bedeuten die Größen

Qss = Oberflächenladungsdichte

erfüllt ist

ß\ die Steilheitskonstante des zweiten IGFETs (T\)

der weiteren Reihenschaltung,
ßn die Steilheitskonstante des Last-IGFETs der

weiteren Reihenschaltung,
j?2 die Steilheitskonstante des zweiten IGFETs (T2) der ersten Reihenschaltung und

j3i2 die Steilheitskonstante des Last-IGFETs der ersten Reihenschaltung bedeutet.

2. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration unmittelbar an der Halbleiteroberfläche im Kanalbereich unter der Gate-Isolierschicht des zweiten IGFETs (Ti) der ersten Reihenschaltung (T₂, Tl₂) gegenüber der Substratoberflächenkonzentration der Kanalbereiche der übrigen IGFETs gezielt verändert ist

3. Monolithisch integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration im Kanalbereich des zweiten IGFETs (T₂) der ersten Reihenschaltung unter der Gate-Isolierschicht bis zu einer Tiefe von höchstens 10-⁵cm verändert ist.

4. Monolithisch integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß W -

L =

C_0x =

Qe =

Udd ⁼

n Utp -

AUr=

ms/ =

N_p

die Steilheitskonstante mit Breite des Kanalbereichs und Länge des Kanalbereichs, spezifische Kapazität der Gate-Elektrode,

V2e_sqN-2<P_F = Raumladung, Versorgungsspannung,
Gleichschwellenspannungen, Änderung der Schwellenspannung aufgrund des Substrateffekts durch Schwankungen der Oberflächenladungsdichte,

Differenz der Austrittsarbeiten zwischen Gate-Elektrode und eigenleitendem Silicium,

ursprüngliche Substratoberflächendotierungskonzentration

kT, N_n

<t>_Fp = — In

bzw.

und

= Intrinsic-Ladungsdichte.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaltung der bekannten IGFET-Konstantstromquelle derart weiterzubilden, daß der Einfluß des Substratelfektes (Oberflächenladungsdichte Qu) auf die Stromkonstanz weitgehend eliminiert wird.

Die genannte Aufgabe wird bei einer monolithisch ι ο integrierten Schaltung für eine "GFET-Konstantstromquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst Die verwendeten IGFETs können dabei entweder alle vom P-Kanal- oder vom N-Kanal-Typ sein. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Musteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Figur die monolithisch integrierte Schaltung am Beispiel einer p-Kanal-Konstantstromquelle nach der Erfindung zeigt.

In der Schaltung gemäß der Figur werden ausschließlich IGFETs eines Kanalleitungstyps verwendet Sie enthält eine erste Source-Drain-Reihenschaltung zweier IGFETs T_L2 und T₂, durch die der Strom I₂ fließt Der gemeinsame Verbindungspunkt 2 der Reihenschaltung liegt an der Gate-Elektrode des Stromquellen-IG-FETs Tk. durch den der konstantzaregelnde Strom Ik Hießt

Während die Gate-Elektrode des Last-IGFETs T_L2 an dem ersten Pol der Spannungsversorgung Udo liegt, wird die Gate-Elektrode des anderen IGFETs T₂ mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt 1 einer weiteren Source-Drain-Reihenschaltung zweier IGFETs T_L\ und T{ verbunden. Während die Gate-Elektrode der Last-IGFETs Ti. ι der weiteren Reiher.schaltung an dessen Drain-Zone bzw. am ersten Pol der Spannungsversorgung LOo liegt wird die Gate-Elektrode des anderen IGFETs Ti der weiteren Reihenschaltung mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt 1 der weiteren Reihenschaltung verbunden.

In der Figur sind neben der Schaltung die Bedingungen angegeben, unter denen der Qss-Einfluß vollständig nach der im folgenden angegebenen Berechnung ausgeschaltet werden kann. In der Praxis müssen natürlich Streuungen der Steilheitskonstanten bei der Fertigung in Kauf genommen werden, so daß diese Idealwerle im allgemeinen nur weitgehend angenähert werden können.

Die folgende Berechnung bestätigt, daß eine Schaltung gemäß der Figur die Eigenschaft besitzt, daß der (?s.s-Einfluß vollständig eliminiert werden kann.

Die dazu erforderlichen ^-Verhältnisse folgen aus nachstehender Rechnung im Hinblick auf die in der Figur angegebenen Größen:

Berechnung von t/, erfolgt aus:

/i = 4¹ W - U_n)² = fy- {U_DD -U_x-IkH-A U_tl ,)² (3)

*i W - U_n) = U_DD - U₁ - IZ_7x, -AUm , (4)

bedeuten.

Aus (6) und (4) erhält man eine quadratische Gleiwobei U_n und U_TLi die Schwellenspannungen sind chung für IZ₁: und

mit

I Utl\ = U_B0 Π/Ι + J^- -A (6) so

W₁=-

₁ U_Tl - U_TL ,) (9)

mit der Lösung:

(10)

unter Verwendung der Abkürzung

⁸¹ A,+1
Berechnung von U₂ erfolgt aus:

h = 4" W - U_T2)² = %- Wdd -U₂- Utl2 ~ Λ U_TL2)² (H)

(12)

' solange T₂ in Sättigung ist, d. h. solange

U₁ - U_n < U₂
ist. Statt (12) gilt auch
b₂ (U₁ - U_n) = U_DD -U_x- U_TL1 - Δ Utl
mit

(12a)

(13)

(14) mittels Ionenimplantationen eine Oberflächenladung Q_n zur Schwellenspannungserhöhung des Transistors T₂ eingebracht wird.

Mit (19) können W\ und W₁ auch wie folgt geschrieben werden:

[U_DD+U_B0

-I)] (20)

W₁ = U_DD+U_B0 + U_n

- 1) + b₂

AU_TL1 = U_B0 ( ]/l + ^ - 1 \ (15) ^l5 Berechnung des Konstantstromes I_K:

Aus (13) und (15) erhält man eine quadratische Gleichung für

U?-2U₂i
mit

W₂ +

-Uj₀

(16)

W₂ = U_DD + U_B0 + O₂(U_n - U₁) - U_TL2 (17) und mit der Lösung:

j _ Mk til

solange

U₂-U_n < U₃
mit

Uaseff =Ui- U_n

(21)

(22) (23)

(24)

(18) Die Abhängigkeit des Konstantstromes I_K von der Oberflächenladungsdichte ist

Für die Schwellenspannungen kann man schreiben: Utli = U_TL2 = U_n (19a)

U_n =U_n (19b)

(19c) (19d) dI_K dQss

dh

dU_T0

J_n

(25)

+ Cox

-A

¹J

U_n = U_n + U_n

Cox

U_FB+U_BO +

(- fiir n-Kanal + für p-Kanal)

U_FB =

Φαε - — für η-Kanal (19e) Die Abhängigkeit des Konstantstromes I_K von der Versorgungsspannung U_DD berechnet sich aus:

dh

. + J^. fOr p-Kanal (190 so Cox

dU

_DD

dUp dU,

(26)

'DD

wobei sich der Term Q_n auf den Fall bezieht, bei dem Man kann zeigen, daß

-Ji₂₀)

(27)

(28)

unter Verwendung der Abkürzungen

K₁₀ =:

^/ tijf f TT

1 + -r-£—t- ( Umq/ΛΦ,

ϊφ-⁺ (ίφ;

Aus (25) und (27) ersieht man, daß

wenn

dl_K dQss

O,

(A₂ -I) = I.

(31)

[1 - AT₂₀(A₂)] · I A₂ - 1 - A₂ -Jl-I [i - AT₁₀(A₁)] I = I Ai + 1 J

wenn

(29)

10 --2--[I -AT₁₀(D] =

(32)

Aus (26) und (28) ersieht man, daß 0, Aus (32) folgt:

15 1 -

(30) und (31) wird zur Bestimmungsgleichung für Q₁₂. Eine konkrete Rechnung zeigt, daß die Sättigungsbedingung (12 a) und zugleich (31) exakt nur erfüllt werden können, wenn eine genügend große Oberflächenladung Q₁₂ durch Ionenimplantation eingebracht wird. Die Rechnung zeigt auch, daß selber bei nichtoptimalem Q₁₂ die Abhängigkeit dI_K/UoD sehr klein

Beide Beziehungen vereinfachen sich beträchtlich ₂₅ bleibt und dI_K/dQ_ss = 0 erreicht werden kann. Es wurde fä^r Αι - 1 gefunden, daß die Ergebnisse ausgedehnter Computer-

Rechnungen durch 2 relativ einfache Näherungsglei-

dlg _ Q chungen mit guter Genauigkeit nachvollzogen werden

dQss ' können.

Die folgende Tabelle enthält eine genaue Vorschrift für die Wahl der Parameter in den oberhalb der Tabelle angegebenen Näherungsgleichungen zur Bestimmung des Verhältnisses A₂ und der Implantationsdosis Q₁₂Iq für den Transistor T₂ unter der Voraussetzung, daß *i = 1 gewählt wird:

— Qss/(10" cm'²) q

10"

cm

Volt

-15

a\ + A₁ log

10¹⁶ cm"³ + A₂ log

10¹⁶

cm

-3

Tabelle

Substrat dotierung N	Kanal- typ	Parameter für Qj2 No	XO	0,1357 0,505 0,1915 0,500 0,01735 0,505 0,02158 0,500
cm-3		cm-3	3,41 530 -2,86 -0,414	Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
1015... ΙΟ«	P η P η	1,42X1016 Ul X10« 8,50X1016 7,29X10'6

-0,016 -0^17 -0,048 0,522

-0,020 +0,517 +0,048

-0,032 -0,517 -0,105 0,572

-0,035 +0,517 +0,105

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierte Schaltung für eine nur IGFETs vom Anreicherungstyp desselben Leitungstyps enthaltende IGFET-Konstantstromquelle, die eine erste Source-Drain-Reihenschaltung zweier IGFETs in Reihe zwischen dem ersten Pol der Spannungsversorgung und dem mit dem zweiten Pol der Spannungsversorgung verbundenen Substrat ·ο enthält in welcher ersten Reihenschaltung die Gate-Elektrode des an dem ersten Pol der Spannungsversorgung liegenden Last-IGFETs mit dem ersten Pol der Spannungsversorgung und der gemeinsame Verbindungspunkt des Last-IGFETs '5 und des zweiten IGFETs mit der Gate-Elektrode eines St>-omquellen-lGFETs verbunden sind, dessen Source-Elektrode an dem Substrat liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elekirode des irweiien IGFETs (T₂) der ersten Reihenschaltung mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt (1) einer weiteren Source-Drain-Reihenschaltung zweier in Reihe zwischen dem ersten Pol der Spannungsversorgung (Udd) und dem Substrat liegenden IGFETs (Tl ι. Γι) verbunden ist, daß in der weiteren Source-Drain-Reihenschaltung die Gate-Elektrode des an dem ersten Pol der Spannungsversorgung (Udd) liegenden Last-IGFETs (Ti. 1) an diesem ersten Pol der Spannungsversorgung (Udd) und die Gate-Elektrode des zweiten IGFETs (T\) an deren gemeinsamen Verbindungspunkt (1) liegen und daß die Bedingung die Substratoberflächenkonzentrationen im Kanalbe^: reich des zweiten IGFETs (T₂) der ersten Reihenschaltung mittels Ionenimplantation verändert isL