JP2699817B2 - 半導体メモリ装置 - Google Patents

半導体メモリ装置

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JP2699817B2
JP2699817B2 JP5201010A JP20101093A JP2699817B2 JP 2699817 B2 JP2699817 B2 JP 2699817B2 JP 5201010 A JP5201010 A JP 5201010A JP 20101093 A JP20101093 A JP 20101093A JP 2699817 B2 JP2699817 B2 JP 2699817B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体メモリ装置に関
し、特に高速動作に適したバイポーラトランジスタによ
り構成された半導体メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】現在の技術における最高速のバイポーラ
メモリセルとしては、図4に示す様なSBD(ショット
キーバリアダイオード)負荷型セルがある。このメモリ
セルについては、日本電気株式会社発行の「NEC R
&D,Vol.33,NO.2, April 199
2」の161ページ以降に開示されている。
【0003】また、小形のメモリセル、すなわち高集積
度をめざす高速バイポーラメモリセルとしては、図6に
示す様なPNPトランジスタ型セルが使われている。
【0004】ここで、図4に示したSBD型メモリセル
構成におけるバイポーラメモリの基本動作を説明する。
同図のメモリセルは電流切替型のものであり、2本のデ
ータラインLD1,LD2にエミッタが接続される読出
し用トランジスタQ1,Q2、情報保持用トランジスタ
Q1´,Q2´、負荷抵抗RL1,RL2、情報保持電
流IH、ワード線X1とQ1,Q2との間に接続された
スピードアップ用のショットキーバリアダイオードD
1,D2からなる。
【0005】これ等のメモリセルが接続される周辺回路
の概要を示したのが図5である。図4のメモリセルの抵
抗RL1,RL2とダイオードD1,D2の共通接続点
は、ワード線X1を介して、ワード線駆動用トランジス
タQX1に接続され、トランジスタQ1´,Q2´の共
通接続点は、保持電流IHの電流源回路に接続されてい
る。
【0006】データラインLD1,LD2には、読出し
電流IRを流すための定電流源回路と、読出し制御電圧
VRCを受ける駆動回路(トランジスタQS1,負荷抵抗R
C1)、(トランジスタQS2,負荷抵抗RC2)とが接続さ
れている。
【0007】この回路において、情報は情報保持用トラ
ンジスタQ1´又はQ2´のいずれか一方がオン状態と
なっていることにより保持されている。ワード線が非選
択である期間(情報保持期間)において、ワード線X1
の電位がトランジスタQX1によって低レベルに設定され
ており、トランジスタQ1,Q2のベース電位は駆動回
路のトランジスタQS1,QS2のベース電位VRCよりも低
くなっている。その結果、トランジスタQ1,Q2はオ
フ状態にある。
【0008】情報の読出し時においては、メモリセルの
オン状態にあるトランジスタQ1´又はQ2´のベース
電位が駆動回路のVRCよりも高くなり、しかも、オフ状
態にあるトランジスタQ1´又はQ2´のベース電位は
上記VRCよりも低くなる様に、ワード線X1の電位が高
レベルとなる。即ち、ワード線が選択状態である。
【0009】その結果、メモリセルのトランジスタQ1
又はQ2のいずれか一方がオン状態となる。読出し電流
IRは、メモリセルの記憶内容に従って、トランジスタ
Q1かトランジスタQS1に流れ、同様に、トランジスタ
Q2かトランジスタQS2に流れる。この結果、コレクタ
抵抗RC1又はRC2には、メモリセルの記憶内容に従った
電圧が発生し、読出しデータとして次段回路へ出力され
る。
【0010】情報の書込み時においては、ワード線を選
択状態にした上で、トランジスタQS1とQS2との相互の
ベース電位に電位差が設定される。この電位差によりI
R(この時は書込み電流となる)がトランジスタQ1又
はQS1に流れ、同様に、Q2又はQS2に流れ、その一方
を強制的にオン状態とする。
【0011】図4のSBD型メモリセルでは、ダイオー
ドD1,D2がトランジスタQ1,Q2のコレクタ電位
をクランプするので、読出し電流IRを大きくすること
ができ、高速の読出し、書込みを行うことができる。
【0012】図6に示したPNPトランジスタ型メモリ
セルの動作原理も、上記SBD型メモリセルとほぼ同様
に説明できるが、但し、IHやIRによってPNPトラ
ンジスタが飽和領域にて動作し、その結果、読出し電流
IRの増加となり、よって読出し時間は高速化される
が、書込み時間の弊害とさえなる。しかしながら、PN
Pトランジスタ型メモリセルは、SBD型メモリセルに
比較して、セルサイズをより小さく設計できるために、
高集積度を狙った高速メモリとして広く使われているの
が現状である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】以上、SBD型メモリ
セル(図4)、及びPNP型メモリセル(図6)につい
て基本的動作原理について述べてきた。これらのメモリ
セルは、高速なバイポーラメモリとして広く使用されて
いるが、近年のメモリLSIの高集積化、高速化には目
ざましいものがあり、様々な問題も顕在化している。
【0014】記憶装置の大容量化にともない、チップ当
たりの集積度は、近年特に向上している。1チップ当り
の集積度を上げる場合、一般的な汎用型メモリでは、1
チップ当りの消費電力を従来と同じにして集積度を上げ
るのが通常である。これは1チップを収納するICパッ
ケージの放熱性の制約からである。
【0015】これに対し、コンピュータ向けなどの特定
用途用メモリLSI、例えばキャッシュメモリでは、装
置側の冷却能力が飛躍的に向上していることもあって、
高速性と高集積化を優先しており、チップ当たりの消費
電力は数10Wにも達している。
【0016】この様な高速性能を最優先した高電力メモ
リでの重要課題は、ワード線の電位降下問題とワード線
駆動回路の大型化問題である。図4のSBD型セルや、
図6のPNP型セルについて、ワード線電位降下の問題
と、ワード線駆動回路の大型化の問題とを図示したのが
図7である。尚、図8,9はワード線駆動回路の例を示
し、図8はエミッタフォロワ型、図9はダーリントン型
である。
【0017】図7において、QX1はワード線駆動回路出
力部、即ちワードドライバートランジスタである。ビッ
ト幅nに対応した読出し(又は書込み)電流源がIR1か
らIRnまである。レイアウト面としては、QX4からIR1
分岐点までの長さがl1 であり、以下l2 からln まで
に定義されているとしている。
【0018】前述したキャッシュメモリでは、読出し電
流は1mA,ビット幅は10ビット程度が一般的であ
る。従って、IWD=10mAであり、QX1のβ(エミッ
タ接地電流利得)が50であるとすると、QX1のベース
電流は0.2mAであり、ワード線論理振幅を決めてい
るRC4が1000Ωであるとすると、200mVの電位
降下がある。エミッタ電流=10mAのQX1は、メモリ
回路全体から見てもその電流量から見ても、最大サイズ
のトランジスタが用いられている。
【0019】ワードドライバートランジスタQX1はワー
ド線ごとに必要とされるトランジスタであって、このサ
イズを小さくすることができれば、QX1を負荷としてい
るQd1,Qd2などの駆動回路そのものを小さくすること
ができることになり、メモリ回路周辺回路を大きく縮小
化することができる。
【0020】更に、l1からlnで示したワード線自身
に流れる読出し電流(合計IWD)によって、ワード線信
号が大きく降下するという問題がある。
【0021】末端ビッド部での電位降下Vdropは、 Vdrop=Rl1 ・(IR1+IR2+……+IRn)+(Rl1
+Rl2)・(IR2+……+IRn)+……+(Rl1+Rl2
+……+Rln)・IRn となり、ここで、n=10,IR1=IR2=……=IRn,
Rl1=Rl2=……=Rlnとすると、 Vdrop=(10Rl IR+18Rl IR+24Rl IR
+28R lIR+30Rl IR)×2=220Rl IR となる。
【0022】Vdropが大きいことは動作マージンの減少
を表わし、更にビット間の特性(AC特性も含む)バラ
ツキ拡大を意味している。従って、設計技術者は高電力
メモリでのワード線電位降下対策に苦心しており、その
一例としてワード線配線の多層化により配線抵抗を下げ
る等の対策を施しているがこれ等の対策は十分ではな
い。
【0023】本発明の目的は、ワード線の電位降下を大
幅に削減可能な半導体メモリ装置を提供することであ
る。
【0024】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、各々が
マルチエミッタ構造とされ、1つのエミッタの各々が一
対のディジット線に接続され、一方のトランジスタのコ
レクタが他方のトランジスタのベースに接続された一対
のマルチエミッタトランジスタと、これ等一対のマルチ
エミッタトランジスタのコレクタに夫々一端が接続され
互いの他端が共通接続された一対のコレクタ負荷とから
なるメモリセルと、 前記メモリセルの選択をなすワード
線と、 前記ワード線にベースが接続され、前記一対のコ
レクタ負荷の前記他端の共通接続点にエミッタが接続さ
れ、電源にコレクタが接続された電流供給用トランジス
タと、を有することを特徴とする半導体メモリ装置が得
られる。更に本発明によれば、各々がマルチエミッタ構
造とされ、1つのエミッタの各々が一対のディジット線
に接続され、一方のトランジスタのコレクタが他方のト
ランジスタのベースに接続された一対のマルチエミッタ
トランジスタと、これ等一対のマルチエミッタトランジ
スタのコレクタ及びベースに夫々ベース及びコレクタが
接続され、エミッタ同士が共通接続された一対の負荷ト
ランジスタとからなるメモリセルと、 前記メモリセルの
選択をなすワード線と、 前記ワード線にベースが接続さ
れ、前記一対の負荷トランジスタの前記エミッタの共通
接続点にエミッタが接続され、電源にコレクタが接続さ
れた電流供給用トランジスタと、 を有することを特徴と
する半導体メモリ装置が得られる。
【0025】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例につき説
明する。
【0026】図1は本発明の一実施例の回路図であり、
図6のPNPトランジスタ型メモリセルAに本発明を適
用したものである。メモリセルAを通して流れる読出し
電流は、図4や図6の従来型メモリセルの如くワード線
X1の駆動回路(トランジスタQX1)の出力により供出
されるのではなく、新たに設けられたNPN型トランジ
スタQN1を介して直接に電源から供出されるようになっ
ている。
【0027】トランジスタQN1は、そのベース(制御電
極)がワード線X1に接続され、コレクタが電源に接続
され、エミッタがメモリセルAのPNPトランジスタQ
P1,QP2のコモンエミッタに接続されている。
【0028】図において、ワード線X1が選択的に活性
化される場合、駆動回路出力トランジスタQX1のベース
が高電位になり、よって、ワード線X1は高電位にな
る。すると、トランジスタQN1がオンとなり、メモリセ
ルA内のトランジスタQP1,QP2のいずれかに電流が流
れる様になる。この場合、メモリセル内の書込みデータ
に応じてデイジット線LD1,LD2のいずれかに読出
し電流が流れる。
【0029】この読出し電流IRはセル内に設置されて
いるNPNトランジスタQN1から供給されるものであ
り、よってワード線駆動回路出力トランジスタQX1には
QN1のベース電流(約IR/hfe)成分しか流れないこ
とになる。
【0030】本例では、各メモリセルに対応して夫々に
トランジスタQN1を付加しているが、図2に示す如く、
同一ワード線に属する複数のメモリセルに対して一つの
トランジスタQN1を付加しても良い。
【0031】一般に、出力1ビットに対してデイジット
側のセル列は複数で構成されており、2列構成の場合に
は、図2の如く、この2列のメモリセルに対して1つの
トランジスタQN1を設ける。
【0032】すなわち、複数列で1ビット出力をなすメ
モリ回路は、図2に示す如く、読出し電流IRは1ビッ
ト当りで共有化さており、本例でもQN1に流れる読出し
電流は一ケ分のIRのみである。
【0033】図3はSBD負荷型セルに本発明を適用し
た場合の例であり、電源とセルとの間にNPNトランジ
スタQN1を設け、ワード線X1によりこのトランジスタ
QN1をオンオフ制御している。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、従来の
PNP型メモリセルやSBD型メモリセルのワード線側
に電流供給手段としてNPN型トランジスタを設置し
て、読出し電流もしくは書込み電流をワード線駆動回路
出力トランジスタから供給するのではなく、当該NPN
型トランジスタのコレクタ側、即ち電源から供給する構
成としたので、ワード線の配線抵抗により発生する電位
降下を大幅に減少(約1/hfe)させる効果が得られ、
動作マージンの拡大、及びビット間に発生していた特性
バラツキを圧縮できる。
【0035】又、微細化を妨げていたワード配線幅の確
保という課題から解放されるとともに、メモリセル周辺
回路の縮小化の妨げとなってたワード線駆動回路の駆動
能力確保という課題からも解放されて、ワード線駆動回
路を面積的にも大きく縮小化できる。
【0036】一方、性能面に付いても、ワード線駆動回
路が大幅に縮小化できることから、それ自身の遅延時間
を短縮できるとともに、これまで大きな配線容量が寄生
していたワード線が、その配線幅や膜厚を小とすること
ができるので寄生容量が減少し、遅延時間が大幅に小と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の回路図である。
【図2】本発明の他の実施例の回路図である。
【図3】本発明の別の実施例の回路図である。
【図4】従来の半導体メモリ装置の一例の回路図であ
る。
【図5】メモリ回路の概略構成図である。
【図6】従来の半導体メモリ装置の他の例の回路図であ
る。
【図7】ワード線駆動回路及びワード線電圧降下を説明
する図である。
【図8】ワード線駆動回路の一例を示す図である。
【図9】ワード線駆動回路の他の例を示す図である。
【符号の説明】
X1 ワード線 QX1 ワード線駆動回路出力トランジスタ LD1,LD2 ディジット線 D1,D2 ショットキーダイオード QN1 NPNトランジスタ QP1,QP2 PNPトランジスタ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 各々がマルチエミッタ構造とされ、1つ
    のエミッタの各々が一対のディジット線に接続され、一
    方のトランジスタのコレクタが他方のトランジスタのベ
    ースに接続された一対のマルチエミッタトランジスタ
    と、これ等一対のマルチエミッタトランジスタのコレク
    タに夫々一端が接続され互いの他端が共通接続された一
    対のコレクタ負荷とからなるメモリセルと、 前記メモリセルの選択をなすワード線と、 前記ワード線にベースが接続され、前記一対のコレクタ
    負荷の前記他端の共通接続点にエミッタが接続され、電
    源にコレクタが接続された電流供給用トランジスタと、 を有することを特徴とする半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】 各々がマルチエミッタ構造とされ、1つ
    のエミッタの各々が一対のディジット線に接続され、一
    方のトランジスタのコレクタが他方のトランジスタのベ
    ースに接続された一対のマルチエミッタトランジスタ
    と、これ等一対のマルチエミッタトランジスタのコレク
    タ及びベースに夫々ベース及びコレクタが接続され、エ
    ミッタ同士が共通接続された一対の負荷トランジスタと
    からなるメモリセルと、 前記メモリセルの選択をなすワード線と、 前記ワード線にベースが接続され、前記一対の負荷トラ
    ンジスタの前記エミッタの共通接続点にエミッタが接続
    され、電源にコレクタが接続された電流供給用トランジ
    スタと、 を有する ことを特徴とする半導体メモリ装置。
  3. 【請求項3】 前記電流供給用トランジスタは、同一ワ
    ード線に属する複数のメモリセルに対して共通に設けら
    れていることを特徴とする請求項1または2記載の半導
    体メモリ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6035757B2 (ja) * 1977-11-08 1985-08-16 日本電気株式会社 バイポーラ記憶セル
JPS593791A (ja) * 1982-06-30 1984-01-10 Fujitsu Ltd 半導体記憶回路

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