DE3889210T2

DE3889210T2 - Integrierte logische Schaltung mit Reduzierung der Effekte hochenergetischer Ladungsträger und Instabilitätsdämpfung.

Info

Publication number: DE3889210T2
Application number: DE3889210T
Authority: DE
Inventors: Jan Dikken
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2008-11-16
Also published as: EP0322000B1; US4952822A; JP2685251B2; JPH01162013A; NL8702781A; KR960009401B1; KR890009093A; EP0322000A1; DE3889210D1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Logikschaltung mit einer ersten Feilschaltung, die zwischen eine erste Stromversorgungsleitung und einen Ausgang der Schaltung geschaltet ist, und einer zweiten Teilschaltung, die zwischen den Ausgang und eine zweite Stromversorgungsleitung geschaltet ist, wobei ein Strompfad eines zusätzlichen Transistors mindestens zwischen eine der Teilschaltungen und den Ausgang geschaltet ist, um nachteilig hohe elektrische Felder in Teilen der einen Teilschaltung zu begrenzen, wobei eine Steuerelektrode des zusätzlichen Transistors nur mit derjenigen Stromversorgungsleitung gekoppelt ist, mit der die andere Teilschaltung verbunden ist.
Eine Logikschaltung dieser Art ist aus der niederländischen Patentanmeldung 8400523 bekannt.
Mit zunehmender Verkleinerung der Abmessungen von Transistoren und anderen Komponenten einer integrierten Schaltung werden auch die Abstände, über die die volle Differenz zwischen den Versorgungsspannungen anliegt, zunehmend kleiner, was zu hohen elektrischen Feldstärken führt. Solche hohen Feldstärken, die besonders in Logikschaltungen auftreten, bei denen die volle Versorgungsspannung an einem einzigen Transistor auftritt, führen zu Effekten "heißer Ladungsträger" wie "hot carrier stress" und "hot carrier degradation" bei beispielsweise Feldeffekttransistoren. Die von diesen Feldern beschleunigten hochenergetischen freien Ladungsträger stoßen mit dem Kristallgitter des Substrats zusammen, wodurch weitere Ladungsträger frei werden und erhebliche unerwünschte Ströme verursachen. Diese infolge der Stöße zur Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Oxid gestreuten Ladungsträger durchqueren bei ausreichend hoher Energie diese Grenzfläche, so daß sie von dem Oxid eingefangen werden, in dem sie eine erhöhte Oxidladung bewirken. Dementsprechend ändert sich die Schaltcharakteristik des Transistors. Die hohen Feldstärken in dem Transistor können auch Lawinendurchbruch in einem nicht-leitenden pn-Übergang verursachen. Je kleiner die Abmessungen des Transistors sind, desto kleiner ist die Spannung am pn-Übergang, bei der diese Erscheinung auftritt. Um solche Effekte zu vermeiden, ist in der bekannten Logikschaltung der Strompfad eines zusätzlichen Transistors in einer Strecke zwischen dem Ausgang der Schaltung und einer der Stromversorgungsleitungen aufgenommen, wobei eine Steuerelektrode mit der anderen Stromversorgungsleitung verbunden ist. Die dann an der geschützten Teilschaltung auftretende maximale Spannung ist dann um eine Schwellenspannung verkleinert. Die Verringerung der Abmessungen der Teile einer integrierten Schaltung führt jedoch noch zu einem anderen Problem. Die Schaltströme, die auftreten, wenn sich der Logikzustand der Schaltung ändert, führen zu Induktionsspannungen an den jeweiligen Stromversorgungsleitungen, weil diese Stromversorgungsleitungen eine erhebliche Induktivität haben. Eine impulsförmige Induktionsspannung an einer der Stromversorgungsleitungen wird über eine kapazitive Kopplung zur anderen Stromversorgungsleitung übertragen. Die Steuerelektrode des zusätzlichen Transistors in der bekannten Logikschaltung empfangt diesen Spannungsimpuls auch. Die Möglichkeit besteht, daß ein durch einen Lade- oder Entladestrom erzeugter Spannungsimpuls eine Schaltungsschleife durchläuft, die beispielsweise einen Teil der einen Stromversorgungsleitung, die kapazitive Kopplung, einen Teil der anderen Stromversorgungsleitung und die Steuerelektrode des zusätzlichen Transistors umfaßt, was zu einer den Lade- oder Entladestrom beeinflussenden Mitkopplung führt. Folglich nimmt die Ausgangsspannung der Logikschaltung möglicherweise erst nach einer Verzögerung einen stabilen Wert an; es können aber auch Instabilitäten auftreten, die zunehmend größere Stromspitzen verursachen. Im ungünstigsten Fall können solche Instabilitäten (Oszillationen) die Schaltung zerstören.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine integrierte Logikschaltung zu verschaffen, bei der solche durch das Vorhandensein des zusätzlichen Transistors verursachte Instabilitäten vermindert sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine erfindungsgemäße integrierte Logikschaltung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode über ein Widerstandselement mit der betreffenden Stromversorgungsleitung gekoppelt ist. Das in der Mitkopplungsschleife enthaltene Widerstandselement hat eine dämpfende Wirkung.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen integrierten Logikschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement einen Strompfad eines weiteren Transistors umfaßt, wobei eine Steuerspannung des weiteren Transistors nahezu gleich der Differenz von Spannungen auf den jeweiligen Stromversorgungsleitungen ist, und die Steuerspannung eine Basis-Emitter-Spannung bzw. eine Gate-Source-Spannung ist, falls der weitere Transistor vom Bipolar- bzw. vom Feldeffekttyp ist. Dies führt zu einem kompakten Aufbau eines Widerstandselements. Da sich die Steuerspannung des zusätzlichen Transistors kaum ändert, verhält sich der weitere Transistor wie ein Ohmscher Widerstand.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer Logikschaltung nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Logikschaltung, und
Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Logikschaltung.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Logikschaltung nach dem Stand der Technik. Zwischen die Stromversorgungsleitungen VL1 und VL2 ist eine Logikschaltung geschaltet, die eine zwischen die Stromversorgungsleitung VL1 und den Ausgang der Schaltung Vo geschaltete erste Teilschaltung S1 mit einem Eingang Vi1 und eine zwischen den Ausgang Vo und die Stromversorgungsleitung VL2 geschaltete zweite Teilschaltung S2 mit einem Eingang Vi2 umfaßt. Mit dem Ausgang Vo ist eine in die Widerstände R1 und R2 und die Kapazität C1 einbezogene ist verbunden. Der Transistor T ist zwischen den Ausgang Vo und die Teilschaltung S2 geschaltet, wobei seine Steuerelektrode mit der Stromversorgungsleitung VL1 verbunden ist, und schützt die Teilschaltung S2, wenn der Ausgang Vo logisch hoch ist. Die dann an der Teilschaltung S2 auftretende Spannung ist höchstens gleich der Versorgungsspannung VDD-VSS minus einer Schwellenspannung des Transistors T. Wenn von der Teilschaltung S2 im stabilen Zustand Strom abgeführt wird, ist die maximale Spannung an S2 noch niedriger. Wenn der Ausgang Vo über die Teilschaltung S2 entladen wird, tritt an der Stromversorgungsleitung VL2 ein Spannungsimpuls auf, weil die Versorgungsleitung eine Induktivität L2 hat. Die Stromversorgungsleitungen VL1 und VL2 sind mittels einer parasitären Kapazität Co, die auch als Chipkapazität bezeichnet wird, kapazitiv gekoppelt. Über die Chipkapazität Co erreicht der Spannungsimpuls die Stromversorgungsleitung VL1 und damit die Steuerelektrode des Transistors T, der somit mehr Strom zieht. Dieser Stromanstieg durch die Teilschaltung S2 erzeugt einen nächsten Spannungsimpuls, der die gleiche Schleife durchläuft.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Logikschaltung. Teile, die Fig. 1 entsprechen, haben gleiche Bezugszeichen. In die Verbindung zwischen der Steuerelektrode des zusätzlichen Transistors T und der Stromversorgungsleitung VL1 ist ein Widerstand R aufgenommen. Dieser Widerstand R hat eine dämpfende Wirkung auf Instabilitäten in der Mitkopplungsschleife, die der Spannungsimpuls wie oben beschrieben durchläuft.
Fig. 3 zeigt ein zweites Schaltbild einer erfindungsgemäßen Logikschaltung. Wie in der vorhergehenden Figur haben Teile, die Fig. 1 entsprechen, gleiche Bezugszeichen. Das Widerstandselement umfaßt jetzt den Transistor TR in der Verbindung zwischen der Stromversorgungsleitung VL1 und der Steuerelektrode des Transistors T. Der Transistor TR ist so gewählt, daß seine Steuerspannung gleich der Spannungsdifferenz zwischen den Stromversorgungsleitungen VL1 und VL2 ist. Die Versorgungsspannung ändert sich nicht, wenn der gleiche Spannungsimpuls auf beiden Stromversorgungsleitungen auftritt. In einer linearen Näherung ändert sich ein durch den Transistor TR fließender Strom proportional zur Größe des an der Stromversorgungsleitung VL1 auftretenden Spannungsimpulses. Es ist also ein Ohmscher Widerstand realisiert worden.
Auch wenn die Transistoren in der Zeichnung vom Feldeffekttyp sind, ist die Erfindung keinesfalls auf diesen Transistortyp beschränkt. Außerdem beschränkt sich die Lage des zusätzlichen Transistors nicht auf die in der Zeichnung angegebene Lage.

Claims

1. Integrierte Logikschaltung mit einer ersten Teilschaltung, die zwischen eine erste Stromversorgungsleitung und einen Ausgang der Schaltung geschaltet ist, und einer zweiten Teilschaltung, die zwischen den Ausgang und eine zweite Stromversorgungsleitung geschaltet ist, wobei ein Strompfad eines zusätzlichen Transistors mindestens zwischen eine der Teilschaltungen und den Ausgang geschaltet ist um nachteilig hohe elektrische Felder in Teilen der einen Teilschaltung zu begrenzen, wobei eine Steuerelektrode des zusätzlichen Transistors nur mit derjenigen Stromversorgungsleitung gekoppelt ist, mit der die andere Teilschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode über ein Widerstandselement mit der betreffenden Stromversorgungsleitung gekoppelt ist.

2. Integrierte Logikschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement einen Strompfad eines weiteren Transistors umfaßt, wobei eine Steuerspannung des weiteren Transistors nahezu gleich der Differenz von Spannungen auf den jeweiligen Stromversorgungsleitungen ist, und die Steuerspannung eine Basis- Emitter-Spannung bzw. eine Gate-Source-Spannung ist, falls der weitere Transistor vom Bipolar- bzw. vom Feldeffekttyp ist.