JP2001510951A - 電子アナログ・スイッチ - Google Patents

電子アナログ・スイッチ

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JP2001510951A JP2000503601A JP2000503601A JP2001510951A JP 2001510951 A JP2001510951 A JP 2001510951A JP 2000503601 A JP2000503601 A JP 2000503601A JP 2000503601 A JP2000503601 A JP 2000503601A JP 2001510951 A JP2001510951 A JP 2001510951A
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 半導体基板上に形成されたアナログ・スイッチであって、その構成は、入力および出力ポート(204、205)と、第1のエンハンスメント・モードMOSトランジスタ(201)であって、基板材料内の絶縁されたウエル内に形成され、そのゲート(G)は制御信号(207)を受け、その導電チャンネルの一端(S)とそのウエル(W)とは入力ポート(204)に接続する第1のエンハンスメント・モードMOSトランジスタとを含む。第2のエンハンスメント・モードMOSトランジスタ(202)は基板内の絶縁ウエル内に形成され、その導電チャンネルの一端(S)とそのウエル(W)とは入力ポート(204)に接続し、そのゲート(G)は第1のトランジスタ(201)の導電チャンネルの他端(D)に接続する。第3のエンハンスメント・モードMOSトランジスタ(203)は基板内の絶縁されたウエル内に形成され、そのゲート(G)は前記制御信号のコンプリメント(208)を受け、その導電チャンネル(D、S)は出力ポート(205)と第2のトランジスタ(202)の導電チャンネルの他端(D)との間に接続し、そのウエル(W)はスイッチの電源線の1つ(0v)に接続する。制御手段(210)は第2のトランジスタ(202)のゲート(G)に接続して第2のトランジスタ(202)を第1のトランジスタ(201)と逆の状態に保持する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の技術分野) 本発明は電子アナログ・スイッチに関するもので、特にMOSトランジスタを
用いたアナログ・スイッチに関する。
【0002】 (関連技術の説明) 金属酸化物半導体(MOS)トランジスタを含む従来のアナログ・スイッチは
pチャンネルおよびnチャンネルMOSトランジスタを含む。通常、nチャンネ
ル・トランジスタの本体はデバイスの最も負の電源線に接続する。しかし、NM
OSデバイスのソースが負電源より更に負の場合は、NMOSデバイスのソース
と本体の間のPN接合ダイオードは順方向にバイアスされる。したがって、負電
源からアナログ・スイッチが接続するノードに向かって電流が流れる。この電流
によりスイッチの望ましい高オフ抵抗は悪化する。
【0003】 例えば代表的なCMOSトランジスタ・スイッチは、「電子工学の技術(The Art of Electronics)」, Horowitz and Hill, 2nd Ed. Cambridge University P
ress の図3.36とページ142および143に図示され説明されている。P MOSトランジスタがNMOSトランジスタに並列に接続し、2つのトランジス
タは論理的に逆の制御信号を受ける。この配置によりスイッチのオン抵抗は十分
低くなる。しかし上に述べたように、入力電圧が0vより下がるとオフ抵抗は悪
くなる。なぜなら、この電圧が下がるためにNMOSトランジスタ内のpn接合
は順方向にバイアスされるからである。
【0004】 (本発明の概要) 本発明は、アナログ・スイッチがオフ位置にあるときのスイッチの最大許容動
作電圧を改善するものである。
【0005】 本発明は半導体基板上に形成されたアナログ・スイッチを提供するもので、そ
の構成は、入力および出力ポートと、第1のエンハンスメント・モードMOSト
ランジスタであって、基板材料内の抵抗絶縁されたウエル内に形成され、そのゲ
ートは制御信号を受け、その導電チャンネルの一端とそのウエルとは入力ポート
に接続する第1のエンハンスメント・モードMOSトランジスタと、第2のエン
ハンスメント・モードMOSトランジスタであって、基板材料内の絶縁されたウ
エル内に形成され、その導電チャンネルの一端とそのウエルとは入力ポートに接
続し、そのゲートは第1のトランジスタの導電チャンネルの他端に接続する第2
のエンハンスメント・モードMOSトランジスタと、第3のエンハンスメント・
モードMOSトランジスタであって、基板材料内の絶縁されたウエル内に形成さ
れ、そのゲートは前記制御信号のコンプリメントを受け、その導電チャンネルは
出力ポートと第2のトランジスタの導電チャンネルの他端との間に接続し、その
ウエルはスイッチの電源線の1つに接続する第3のエンハンスメント・モードM
OSトランジスタと、第2のトランジスタのゲートに接続して第2のトランジス
タを第1のトランジスタと逆の状態に保持する制御手段とを含む。
【0006】 1つの実施の形態では、各MOSトランジスタは基板と同じ型の半導体材料の
導電チャンネルを有し、基板と逆の型の半導体材料のウエル内に形成される。
【0007】 基板材料はn型の半導体材料、ウエルはp型の半導体材料、トランジスタはN
MOSトランジスタで良い。この場合は第3のトランジスタのウエルはスイッチ
の最も負の電源線に接続する。この構成により、スイッチがオフ位置のときの最
大負動作電圧が改善される。
【0008】 または、基板材料はp型の半導体材料、ウエルはn型の半導体材料、トランジ
スタはPMOSトランジスタで良い。この場合は第3のトランジスタのウエルは
デバイスの最も正の電源線に接続する。この構成により、スイッチがオフ位置の
ときの最大正動作電圧が改善される。
【0009】 別の実施の形態では、電気的に絶縁された酸化物材料の溝の中に各トランジス
タを形成する。各MOSトランジスタはNMOSデバイスであり、第3のMOS
トランジスタのウエルはスイッチの最も負の電源線に接続する。または各MOS
トランジスタはPMOSデバイスであり、第3のMOSトランジスタのウエルは
スイッチの最も正の電源線に接続する。
【0010】 制御手段は好ましくは第2のMOSトランジスタをオンにするデバイスを含む
。この制御手段はエンハンスメント・モードMOSトランジスタを含み、そのゲ
ートは制御信号を受け、その導電チャンネルは電源線と第2のトランジスタのゲ
ートとの間に接続する。
【0011】 回路トランジスタがNMOSの場合はエンハンスメント・モード・トランジス
タはPMOSトランジスタであり、その導電チャンネルはデバイスの正の電源線
に接続する。 または、制御手段は切替え抵抗器を含んで良い。
【0012】 (図面の詳細な説明) 図1は、NMOSトランジスタ101とPMOSトランジスタ102を含む従
来のアナログMOSトランジスタ・スイッチ100を示す。このスイッチは入力
ポート104と出力ポート105を有する。切り替えられる信号は入力ポート1
04に接続し、スイッチがオン状態のときに出力ポート105に送られる。NM
OSトランジスタ101のゲートGは制御信号入力107に接続し、PMOSト
ランジスタ102のゲートGは制御信号入力108に接続する。
【0013】 NMOSトランジスタの本体はデバイスの最も負の電源線に接続し、PMOS
トランジスタの本体は最も正の電源線に接続する。図1に示す例では、これらの
電源線はそれぞれ0vと5vである。
【0014】 制御入力107がロー(すなわち、0v)で制御入力108がハイ(すなわち
、5v)のときはスイッチはオフ条件にあり、入力ポート104と出力ポート1
05との間に電流が流れない。
【0015】 しかし、入力ポート104の信号が、NMOSトランジスタの本体に接続する
電圧(0v)より低くなった場合は、NMOSトランジスタ101の本体とソー
スとの間に形成されるPN接合は順方向にバイアスされるので、電流が負の電源
から入力ノードに流れる。この電流によりスイッチの望ましい高いオフ抵抗は悪
化する。
【0016】 図2は本発明の第1の実施の形態200を示す図であって、第1、第2、第3
のNMOSトランジスタ201、202、203を含む。第1のNMOSトラン
ジスタ201のゲートGは制御入力207に接続する。第1のMOSトランジス
タ201のソースSとウエルWはデバイスの入力ポート204に接続する。この
ように、トランジスタ201はエンハンスメント・モードで動作する。
【0017】 第2のMOSトランジスタ202と第3のMOSトランジスタ203の導電チ
ャンネルとはデバイスの入力ポート204と出力ポート205との間に直列に接
続する。すなわち、トランジスタ202のソースSは入力ポートに接続し、トラ
ンジスタ202のドレインDはトランジスタ203のソースSに接続し、トラン
ジスタ203のドレインDは出力ポート205に接続する。第2のMOSトラン
ジスタ202のゲートGは第1のMOSトランジスタ201のドレインDと制御
デバイス210とに接続する。
【0018】 第3のトランジスタ203のゲートGは第2の制御入力208に接続して第1
の制御入力207に与えられる信号のコンプリメントを受け、このデバイスのウ
エルWはスイッチの最も負の電源線に接続する。
【0019】 制御デバイス210は第2のトランジスタ202のゲートGに接続して、第1
のMOSトランジスタ201とは逆にトランジスタ202をオンの状態に切り替
えるように動作する。
【0020】 スイッチをオフ条件にするには、ハイ(5v)制御信号を制御入力207に与
え、ロー(0v)制御信号を制御入力208に与える。制御信号がハイになると
トランジスタ201はオンになり、トランジスタ202のゲートGは入力ポート
204の電圧レベルまでプルダウンされる。したがってトランジスタ202のゲ
ート・ソース電圧Vgsは0vに保持されて、トランジスタ202はオフ条件に
留まる。
【0021】 このオフ条件では第3のトランジスタ203のゲートGは0vなっているので
、第3のトランジスタ203もオフ条件に留まる。
【0022】 制御デバイス210は、スイッチをオンにするときに第2のMOSトランジス
タを確実にオンにするよう動作する。このデバイスはPMOSトランジスタ、切
替え抵抗器、非切替え抵抗器、またはMOSまたはバイポーラ・デバイスの電流
源で実現することができる。
【0023】 スイッチをオンにするには、ロー(0v)信号を制御入力207に与え、ハイ
(5v)信号を制御入力208に与える。これらの信号により第1のトランジス
タ201はオフになるので、デバイス210により第2のトランジスタをオンに
することができる。第3のトランジスタもオンになるので、スイッチはオン状態
になる。
【0024】 図1の従来の回路とは異なり、制御入力204の電圧が負の電源電圧よりトラ
ンジスタ201のしきい値電圧だけ更に負になっても、トランジスタ201とト
ランジスタ202のソースと本体との間のPN接合はオフ状態にバイアスされて
いないままである。その結果、スイッチの入力ポート204と出力ポート205
との間に漏れ電流が流れない。
【0025】 このように、入力ポート204に与えられるオフ状態負電圧範囲は従来の回路
設計に比べて大幅に改善される。この場合、可能な最大負電圧は主として各トラ
ンジスタのウエルWとドレインDとの間の逆バイアスされたPN接合の逆バイア
ス降伏電圧に基づき、その限度はトランジスタ201のしきい値である。
【0026】 理解されるように、図2はNMOSデバイスだけを示しているが、本発明を実
現する回路のトランジスタはPMOSデバイスでも良い。
【0027】 図3は図2の回路の修正を示すもので、デバイス210はPMOSトランジス
タ211で構成する。インバータ212を制御入力207と第3のトランジスタ
203のゲートとの間に接続して、入力207に入る制御信号のコンプリメント
をこのトランジスタに与える。
【0028】 更に、第2のPMOSトランジスタ213を、第2のNMOSトランジスタ2
02と第3のNMOSトランジスタ203とに並列に接続し、また制御信号21
4を受けるように接続する。図1に示す従来の回路と同様に、PMOSトランジ
スタ213はスイッチのオン抵抗を減らすためのものであって、入力制御信号が
ローのときオンになる。
【0029】 図3の回路は図2の回路の全ての利点を有する。特に、スイッチがオフ位置に
あるときの入力ポート204の最大許容負電圧が従来のデバイスに比べて改善さ
れる。
【0030】 PMOSトランジスタ211は制御入力207から制御信号を受けるので、第
1のNMOSトランジスタ201がオンのときはPMOSトランジスタ211は
オフになる。またはその逆になる。このPMOSトランジスタ211は、スイッ
チをオンにするときに第2のNMOSトランジスタ202をオン状態にするため
のものである。PMOSトランジスタ211または他のデバイスがないと、トラ
ンジスタ201がオフのとき第2のNMOSトランジスタ202のゲート電圧は
フロートになり、スイッチ全体の条件が不確定になる。
【0031】 図4は図3を改善した設計を示すもので、第1のNMOSトランジスタ201
のソースSおよびウエルWと入力ポート204との間に追加のダイオード215
を挿入する。
【0032】 ダイオード215は、スイッチがオンのときにポート204にかかる負電圧の
大きさをダイオードの順方向電圧降下の値だけ大きくするためのものである。特
定して述べると、スイッチがオンのときに、本来なら入力ポート204からデバ
イス201のチャンネルを通して流れる望ましくない電流を、ポート204にか
かる負電圧がトランジスタ201のしきい値電圧とダイオード215の順方向電
圧降下との和に等しい電圧になるまで流さない。
【0033】 このような設計では、トランジスタ201がオンのときにトランジスタ202
をオフ条件に保持するため、第2のMOSトランジスタ202のゲート・ソース
しきい値電圧Vtはダイオードの順方向電圧降下より大きくなければならない。
【0034】 理解されるように、本発明の実施の形態についてMOSトランジスタの特定の
型を参照して説明したが、その代わりに逆の型のMOSトランジスタを容易に用
いることもできる。
【0035】 例えば、第3のMOSトランジスタはPMOSトランジスタでも良い。この場
合は、そのウエルはデバイスの最も正の電源線に接続する。 また容易に理解されるように、上に述べた回路内の各トランジスタの代わりに
複数の並列または直列のデバイスを用いても良い。
【0036】 または、第2および/または第3のトランジスタの代わりに、チャンネルを互
いに直列に接続しゲートを共通にした複数のデバイスを用いても良い。このよう
な直列デバイスのウエル接続は互いに共通である。
【0037】 第1のMOSトランジスタの代わりに、チャンネルを直列に接続しゲートを共
通にした複数のデバイスを用いても良い。ウエルを共通に入力ポートに接続する
か、または各ウエルを別個に、入力ポートに最も近いチャンネルの端に接続して
も良い。
【0038】 図2、図3および図4で説明した本発明の実施の形態は溝絶縁の特性を利用す
ることができる。 この溝絶縁では、MOSデバイスを別個の抵抗絶縁された溝の中に置く。図5
はこのようなMOSデバイスの一例の略図を示す。
【0039】 このデバイスは基板50の上に形成され、そのウエル52は酸化物層51によ
り基板材料から絶縁されている。基板材料はp型またはn型であり、またウエル
材料もどちらかの型の材料(PMOSトランジスタではn型、NMOSトランジ
スタではp型)で良い。導電チャンネル53はデバイスのドレイン接続54とソ
ース接続55の間にできる。導電は従来の方法によりゲート端末56で制御する
【0040】 または、基板半導体材料とは逆の型の半導体材料のウエルを形成することによ
り、MOSトランジスタを基板材料から「接合絶縁」して良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は従来のアナログ・スイッチの回路図を示す。
【図2】 図2は本発明の第1の実施の形態の一般的な回路図を示す。
【図3】 図3は図2の実施の形態の修正を示す。
【図4】 図4は図3の実施の形態の修正の回路図を示す。
【図5】 図5は本発明の実施の形態に用いられるMOSトランジスタの製造の略図を示
す。
【手続補正書】
【提出日】平成12年1月18日(2000.1.18)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0003
【補正方法】変更
【補正内容】
【0003】 例えば代表的なCMOSトランジスタ・スイッチは、「電子工学の技術(The A
rt of Electronics)」, Horowitz and Hill, 2nd Ed. Cambridge University Pr
ess の図3.36とページ142および143に図示され説明されている。PM
OSトランジスタがNMOSトランジスタに並列に接続し、2つのトランジスタ
は論理的に逆の制御信号を受ける。この配置によりスイッチのオン抵抗は十分低
くなる。しかし上に述べたように、入力電圧が0vより下がるとオフ抵抗は小さ
くなる。なぜなら、この電圧が下がるためにNMOSトランジスタ内のpn接合
は順方向にバイアスされるからである。 国際特許出願公開第WO97/24807号は、2つのMOSトランジスタを
含み、第1のトランジスタを入力ポートと第2のトランジスタのゲートとの間に
接続するアナログ・スイッチを開示している。第1のトランジスタは比較器とし
て動作し、通常の範囲外の電圧を入力にかけるとオンになる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HU ,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR, KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,M D,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL ,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK, SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,UZ,V N,YU,ZW 【要約の続き】 続し、そのウエル(W)はスイッチの電源線の1つ(0 v)に接続する。制御手段(210)は第2のトランジ スタ(202)のゲート(G)に接続して第2のトラン ジスタ(202)を第1のトランジスタ(201)と逆 の状態に保持する。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成されたアナログ・スイッチであって、 入力および出力ポートと、 第1のエンハンスメント・モードMOSトランジスタであって、前記基板材料
    内の絶縁されたウエル内に形成され、そのゲートは制御信号を受け、その導電チ
    ャンネルの一端とそのウエルとは前記入力ポートに接続する第1のエンハンスメ
    ント・モードMOSトランジスタと、 第2のエンハンスメント・モードMOSトランジスタであって、前記基板内の
    絶縁されたウエル内に形成され、その導電チャンネルの一端とそのウエルとは前
    記入力ポートに接続し、そのゲートは前記第1のトランジスタの導電チャンネル
    の他端に接続する第2のエンハンスメント・モードMOSトランジスタと、 第3のエンハンスメント・モードMOSトランジスタであって、前記基板内の
    絶縁されたウエル内に形成され、そのゲートは前記制御信号のコンプリメントを
    受け、その導電チャンネルは前記出力ポートと前記第2のトランジスタの導電チ
    ャンネルの他端との間に接続し、そのウエルは前記スイッチの電源線の1つに接
    続する第3のエンハンスメント・モードMOSトランジスタと、 前記第2のトランジスタのゲートに接続して前記第2のトランジスタを前記第
    1のトランジスタと逆の状態に保持する制御手段と、 を含むアナログ・スイッチ。
  2. 【請求項2】 各MOSトランジスタは前記基板と同じ型の材料の導電チャ
    ンネルを有し、前記基板と逆の型の半導体材料のウエルの中に形成される、請求
    項1に記載のアナログ・スイッチ。
  3. 【請求項3】 前記基板材料はn型の半導体材料、前記ウエル材料はp型の
    半導体材料、前記トランジスタはNMOSトランジスタであり、前記第3のトラ
    ンジスタのウエルは前記スイッチの最も負の電源線に接続する、請求項2に記載
    のアナログ・スイッチ。
  4. 【請求項4】 前記基板材料はp型の半導体材料、前記ウエルはn型の半導
    体材料、前記トランジスタはPMOSトランジスタであり、前記第3のトランジ
    スタのウエルは前記デバイスの最も正の電源線に接続する、請求項2に記載のア
    ナログ・スイッチ。
  5. 【請求項5】 各トランジスタは電気的に絶縁された酸化物材料の溝内に形
    成される、請求項1に記載のアナログ・スイッチ。
  6. 【請求項6】 各MOSトランジスタはNMOSデバイスであり、前記第3
    のMOSトランジスタのウエルは前記スイッチの最も負の電源線に接続する、 請求項5に記載のアナログ・スイッチ。
  7. 【請求項7】 各MOSトランジスタはPMOSデバイスであり、前記第3
    のMOSトランジスタのウエルは前記スイッチの最も正の電源線に接続する、請
    求項5に記載のアナログ・スイッチ。
  8. 【請求項8】 前記制御手段は前記第2のMOSトランジスタをオンにする
    デバイスを含む、請求項1から請求項7までのいずれかに記載のアナログ・スイ
    ッチ。
  9. 【請求項9】 前記制御手段はエンハンスメント・モードMOSトランジス
    タを含み、そのゲートは制御信号を受け、その導電チャンネルは前記電源線と前
    記第2のトランジスタのゲートとの間に接続する、請求項8に記載のアナログ・
    スイッチ。
  10. 【請求項10】 前記エンハンスメント・モード・トランジスタはPMOS
    トランジスタであり、その導電チャンネルは前記デバイスの正の電源線に接続す
    る、請求項3に付随するときの請求項9に記載のアナログ・スイッチ。
  11. 【請求項11】 前記エンハンスメント・モード・トランジスタはNMOS
    トランジスタであり、その導電チャンネルは前記デバイスの負の電源線に接続す
    る、請求項4に付随するときの請求項9に記載のアナログ・スイッチ。
  12. 【請求項12】 前記制御手段は切替え抵抗器を含む、請求項9に記載のア
    ナログ・スイッチ。
  13. 【請求項13】 添付図面の図2から図5までを参照して説明されたアナロ
    グ・スイッチ。
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