JP3516307B2 - デジタルトランジスタで構成される差動アナログトランジスタ - Google Patents
デジタルトランジスタで構成される差動アナログトランジスタInfo
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Description
ジスタで構成されるアナログ型トランジスタに関する。
ンジスタ)は二つの型、すなわち「アナログ」型及び
「デジタル型、の二つに分類することができる。これら
の型は異なる機能を果たす。デジタル型はスイッチとし
て作用し、オン状態又はオフ状態のいずれかである。ア
ナログ型は増幅器として作用し、信号を増幅する。
ちアナログトランジスタは長いチャンネルをもち大きな
表面積を有する。デジタルトランジスタは可能な限り短
いチャンネルをもつことが望ましい。しかし、短いチャ
ンネルはチャンネルの長さ(すなわちソースとドレーン
の間)に沿って大きな電界を生ずるので、チャンネルは
十分に長くして電界がチャンネル材料のブレークダウン
値を超えないようにしなければならない。これらの相異
をさらに詳細に説明する。
ゲートに適当な電圧を印加することによりスイッチとし
て使用される。かかる電圧がチャンネル材料の抵抗を変
化させることにより、(a)チャンネル内の電流を(高抵
抗により)阻止し、又は (b) 電流が(低抵抗により)
流れることを許容する。
設計上の問題を提起する。一方では低抵抗状態は短いチ
ャンネル(すなわちドレーンとソース間の距離)を要求
する。なぜならば 抵抗=(長さ×抵抗率)/断面積 (1) であるからである。長さおよび断面積等の用語は図1に
定義してある。方程式(1)が示すように、チャンネル
が長くなるほど抵抗は高くなる。
ースとドレーン間に延びる電界が当該チャンネル材料に
ついての臨界値以下に留まることが必要とされる。
びドレーン間の電圧が5ボルトであると仮定し、(B)
ソース-ドレーン距離Lが1μM(1ミクロン)である
と仮定しよう。その結果、電界は5ボルト/ 10-6 m 、
すなわち5×106 ボルト/ mとなる。ソース及びドレー
ン間の絶対的電圧差は小さい(すなわち5ボルト)が、
これは大きな電界である(ボルト/m で測ったとき)で
ある。
圧を超えないようにしなければならない。
は可能なかぎりチャンネルは(低いオン抵抗を得るた
め)短くされる。ただしその場合もオフ状態で電界が臨
界値を超えないようにチャンネルは長くなければならな
いという必要条件に従わなければならない。
の条件とは異なるチャンネル条件を必要とする。アナロ
グMOSFETのチャンネルは長く、かつ幅を広くする
べきである。高利得を得るため、チャンネルは長くなけ
ればならない。(例えばエス エム ツェ著, フィジック
スオブ セミコンダクターデバイス(Physics of Semico
nductor Devices)誌(1969年、ジョン ワイリー、
ISBN 471 84290 7)第7章第3節、3
40頁以下参照)。
て知られる型の電気ノイズを低減するため、幅が広くな
ければならない。この型のノイズがこのように呼ばれる
のは、「1/f」と表記したことから示唆されるように
ノイズが実験的に周波数に逆比例することが知られてい
るからである。この逆比例性のため、ノイズのパワーの
多くが低周波に集中している。もしも低周波での利得が
重要であるなら、「1/fノイズ」が問題となる。
ップ(surface trap)により起こされることが理論付け
られている。このトラップはランダムにエネルギーを吸
収し、そのエネルギーをノイズとして再発生する。この
ノイズ問題に対する一つの解決法はチャンネルの表面積
を増大することである。この増大により表面トラップの
量を増大させる。これが「1/fノイズ」を低下させ
る。なぜならばトラップ数を増大することにより、エミ
ッション(emission)に関与するトラップ数と共に、吸
収(absorption)に利用できるトラップ数が増大するか
らである。言い換えると、大きな量のトラップの下では
発生したノイズを吸収する可能性のあるトラップの存在
確率が大きくなるのである。
ズを低減させるため、チャンネルの表面積が大きくされ
る。利得を増大するためにはチャンネルの長さを長くす
る。
ジタルトランジスタとアナログトランジスタとの間には
ある葛藤があることが明らかである。すなわちアナログ
トランジスタは大きな表面積を備えた長いチャンネルを
もたなければならない。デジタルトランジスタは可能な
かぎり短いチャンネルを有しなければならない(ただし
ブレークダウン起きる限界を超えないようにする制限を
受ける)。
びW(幅)は図1に示すように定義される。通常のデジ
タルトランジスタにおいてはチャンネルの長さは0.7
ないし1.5ミクロン(1ミクロンは10-6メートルであ
る)であり、チャンネルの幅は10ないし50ミクロン
である。これとは対照的に、アナログトランジスタの場
合はチャンネルの長さは通常16ないし25ミクロンで
あり、チャンネルの幅は通常40ないし400ミクロン
である。したがってこれらの例に基づいて言えばアナロ
グトランジスタのチャンネルの長さは、比較しているデ
ジタルトランジスタの寸法よりも10ないし35倍長
く、チャンネルの幅は約40倍広い。
トランジスタのように振る舞うデジタルトランジスタの
組み合わせを与えることである。
つのグループに分けられた複数のデジタルトランジスタ
により構成される集積回路であって、前記複数のデジタ
ルトランジスタの夫々は、1.5ミクロンを越えないチ
ャンネル長を持ち、二つの複合トランジスタを形成する
べく一体に接続され、前記二つのグループを構成する前
記複数のデジタルトランジスタは、当該複数のデジタル
トランジスタが形成される半導体基盤領域における中心
点に対して対称となるように配置された二つのアナログ
トランジスタを形成し、前記二つの複合トランジスタの
少なくとも一つは、一つのFETデバイスのソースが他
のFETデバイスのドレインに接続されてなる直列接続
された複数のFETデバイスにより構成されたことを特
徴とする集積回路を提供するものである。
Tを構成する方法、及びアナログFETを差動増幅器と
して構成する方法。
そのいくつかは上記(3)の構成の結果生ずるものであ
る。
レーションは以下のように理解することができる。
仮定する。もしも入力線 INPUT が高レベル HIGH、 例
えば12ボルト、に引き上げられると、p-チャンネル
FET20はオフ状態にされる。図3(b)に示すよう
に、このオフ状態ではFET20は実効上大きな抵抗R
となる。R及び負荷抵抗RLは電圧分割器として働くの
で、かつRはRLよりも著しく大きいので、出力電圧は
ほぼゼロに駆動される。
ルトであると、Rは非常に低い抵抗となり、出力電圧 O
UTPUT はほぼVssの12ボルトに達する。
チャンネルのコンダクタンスが入力電圧(ただししきい
値の上にあるとする)にほぼ正比例するようにFETが
構成される。したがってFETは増幅器のように動作す
る。その場合、入力電圧は9から12ボルトの間で揺動
し、出力電圧は0と12ボルトの間で揺動する。
結合したものである。これらは一定電流源25を与えら
れている。この結合された増幅器は次のように動作す
る。 ---もしも INPUT 1及び INPUT 2の両方が HIGH で
あると、両方のFETがオフとなる。ここで OUTPUT
A及び OUTPUT Bはほぼゼロ ボルトの等電圧にある。 OUTPUT 電圧が等しいので、両
者の差はゼロである。 ---もしも両方の INPUT がLOWであると、両方のFET
はオンとなり、両方の OUTPUT はほぼ12ボルトにな
り、再び OUTPUT 間の電圧差はゼロである。 ---もしも INPUT 1が INPUT 2よりも高電圧である
(すなわち差信号が存在する)なら、FET27の抵抗
はFET29の抵抗よりも高い。 その結果 OU
TPUT 2はOUTPUT 1の電圧を超える。このときは前の
二 つの場合と異なり、 OUTPUT 電圧に差があ
る。 これらの三つの状況は、簡単化した形で図4の装置が差
動増幅器としてどのように動作するかを示している。差
動 INPUT 電圧に応答して、この増幅器は差動OUTPUT 電
圧を与える。
互接続することにより差動増幅器を与える。
ャンネルを、実効上個別のチャンネルよりも長く、かつ
幅が広い一層大きな複合的チャンネルに結合するため、
デジタルFETを一体的に接続する一つの方法を与え
る。図に示したトランジスタは、二つのアナログトラン
ジスタに組み合わされている。図5(a)では明確化の
ため図5(b)に示す入力線及び出力線の接続を省略し
てある。Vs sへの接続及び負荷抵抗RLへの接続は図5
(b)の右側に図示してあり、併せてこの図は差動増幅
器を形成するために四つのFETがどのように接続され
るかを示している。
Bと同様)直列に接続されているように見えるかも知れ
ないが、そうではない。これらのFETは共にp-チャ
ンネルデバイスである。ホールがマジョリティーキャリ
ヤであり、図で「ホールの流れ」を表記するようにホー
ルはソースからドレーンに流れる。その結果トランジス
タは1A及び1Bは実際には並列に接続されている。両
者のソースはドレーンと同様、一体に接続されている。
FET2A及び2Bについても同じことが言える。
的には図6に示したものに再配置することができる。各
FET対(1A及び1B)のメンバー(対の要素)及び
対(2A及び2B)は並列に接続され、幅の一層広いチ
ャンネルを有する単一のFETとしテストの効果を与え
る。しかし後に議論するように拡散勾配を補償するた
め、FETは図6に示す位置ではなく、図5に示す位置
に配置される。
源は以下の例で省略する。
できる。
ための積立ブロックを形成することができる。16個の
FETを含む差動増幅器の一例を考えよう。16-FE
T増幅器の全体的接続は図7(a)に示してある。図7
(a)はかなり複雑なので、部分に分けて考えることに
する。
対1A及び1Bにより形成されるものと、対2A及び2
Bにより形成されるものを含む。図7(a)に示す増幅
器もこの点では同様である。ただし図7(a)では8個
のFETが各差動トランジスタを形成しており、図5の
ように二つのFETが構成するのではない。一方の差動
トランジスタが1A及び1Bと表記した8個のFETか
ら構成される。他方の差動トランジスタは2A及び2B
と表記したFETで構成される。
どのように8個のドレーンを一体に接続するかを示す。
図8(b)は他方の8個のFETのドレーン接続を示
す。
に接続するかを示す。
る8個のFETのゲート接続を示す。
る8個のFETのゲート接続を示す。
及び二つの負荷抵抗RLが接続されており、図7(a)
の装置を差動増幅器として使用する一方法を示す。
して一つのより大きな増幅器にすることができる。この
一層のカスケード化は、図12を参照して説明すること
ができる。図12は図7(a)の16個のFETを、各
々が四個のFETからなる四つのグループに分類する。
各グループは点線のブロック内に含まれている。各点線
のブロックは電子回路理論で使用されている用語法のと
おり二ポート回路網とみなすことができる。
とがあり、他方のポートにはお OUTPUT 1及び OUTPUT
2がある。これ等の INPUT 及び OUTPUT は図5
(b)にそれぞれの記号で表記してある。(線Vssは厳
密にはポートの一部ではなく、電源線である。)
接続することにより達成することができる。 1.すべての INPUT 1を共通に接続する。 2.すべての INPUT 2を共通に接続する。 3.すべてのOUTPUT 1を共通に接続する。 4.すべての OUTPUT 2を共通に接続する。 図7(a)はこれらの特徴を16-FETシステムにつ
いて例示する。
ポートを接続して、任意数のFETを含む増幅器にする
ことができる。
び図7(a)の4×4アレイのように正方形である必要
はない。すなわち行数は列数に等しくなる必要はない。
しかし、すべての場合にカスケード化は次の規則にした
がって行なわれる。 1)ソースはすべて共通に接続する。 2)ゲートの半分は一方の差動入力に接続し、残りの半
分は他方の差動入力に接続する。 3)ドレーンの半分は一方の出力に接続し、残りの半分
は他方の差動出力に接続する。
と。 FETはソースがドレーンとして働くことができる、と
言う意味で対象的なデバイスとすることができることが
わかる。その結果本発明は次のように再構成することが
できる。 ---図5に示すようなすべてのSをすべてのDで置換す
る。 ---すべてのDをSで置換する。 ---Vssを接地線で置換する。 ---接地記号をVssで置換する。
幅の広い合成(又は複合)トランジスタを与える。例え
ば図6において各複合トランジスタのチャンネル幅(例
えば1Aおよび1Bの両方の幅)は実効上各個別のFE
T(1A又は1B)の幅の約ニ倍である。
積も付加的に増大する。したがって本発明の背景にも述
べたように1/fノイズを低減する。
ば1A等)はそれ自体、直列接続されたいくつかのトラ
ンジスタ(例えば8ないし10個のトランジスタから構
成することができる。この直列接続は大きな実効チャン
ネル長を有する複合トランジスタを与える。
心) 好ましいFETの一つの配置がある。図7(b)は図7
(a)のFETを簡単化して示す図である。図7(b)
においてFETは次の二つのグループ (1) OUTPUT 2に接続するグループ(点線で示すも
の) (2)OUTPUT 1に接続するグループ(実線で示すも
の) を形成する。両方のグループはセントロイドP2に関し
て対象である。このセントロイドは「重心」と見做すこ
とができる。すなわち各FETは、観念的に小さな重り
と見做すことができる。それらは、一グループのFET
のみがあり他グループがないとしたときのセントロイド
P2の回りに平衡するように、分布している。言い換え
ると、(理論上)一方又は両方のFETグループが存在
したまま、そのセントロイドにある針先で当該回路を釣
り合わせる(平衡させる)ことができる。
ドを示す。三つの型のセントロイドP、P2、P1があ
る。セントロイドPは真の中心である。
る。各P2は図示するように4×4アレイのセントロイ
ドである。
ントロイドである。
次」のグループで、P1を「一次」のセントロイドと呼
ぶ。図13は四つの二次のグループを示す。
イは「二次」のグループと呼ぶことができ、P1を「二
次」のセントロイドと呼ぶことができる。
は「三次」のグループと呼ぶことができ、Pを「三次」
のセントロイドと呼ぶことができる。図13は一つの三
次グループを示す。
なし)の場合は、64個の一次グループ、16個の二次
グループ、4個の三次グループ、及び一つの新規の四次
グループがあろう。
ることができる。
ロイドとして機能することは重要である。このようにセ
ントロイドP2自身がPをセントロイドPとして有す
る。さらに、二次のセントロイドP2が一次のセントロ
イドP1に対するセントロイドとして機能する。したが
ってこれセントロイドは階層的である。一つの次数(例
えば次数3)のセントロイドPは、次の低次(例えば次
数2)のセントロイドP2に対するセントロイドとして
機能する。以下、同様である。
それらは蓄積的(cumulative)でもある。すなわち三次
セントロイドPは二次のセントロイドp2に対するセン
トロイドであるのみならず、一次セントロイドP1に対
するセントロイドでもある。
重ね合わせることができる。その一組50は事実上、一
方のFET、例えばOUTPUT 1、を与えるFETを接続
する。他方の組55は事実上、他方の出力、例えば OUT
PUT 2、を与えるFETを接続する。
差し、もしもアレイが正方形であれば、対角線は直角に
交差する。
差する(煩雑化することを避けるため、数個のセントロ
イドのみを示す)。
造することができる。一般に基盤中に導入されたドーパ
ントの濃度がすべての点で一定なわけではない。勾配が
存在する。本技術分野で知られている解決法の一つはト
ランジスタを基盤上のいくつかの位置に分散させること
である。本発明は以下に説明するように、単に分散させ
るよりも良好な補償を与える。
を示すが、各ボックスは基盤上の位置を表わす。各ボッ
クス内の数はボックス中心における濃度を示す。プロッ
ト図は濃度勾配を示す。濃度は位置(location)の平方
にしたがって変化し、したがって、濃度は二次の勾配で
ある(位置を平方するので指数は「2」であり、二次に
相当する)。
ルの半数が点線で示されている。点線のセルは図7
(b)のFET2A又は2Bに対応し、実線のセルはF
ET1Aまたは1Bに対応する。
る: (4+16+1+9+4+16+1+9)/8=60/
8=7.5 実線のセルについても濃度が同一である。
ジスタの一方のチャンネルにおける平均ドーパント濃度
は7.5である。
関して再指向されても変化しない。図16(b)-
(d)はこの変化しない様子を表わす。
布させるよりも良好であること(二次の勾配が与えられ
たとき) 本差動トランジスタのこれら平均濃度は、二つの差動ト
ランジスタを仮に図16でランダムに選択するトランジ
スタ構成にしたときよりも、接近する。(図16では両
者は同一である。)
方形は「偶」位置にあると見做すことができる。図16
では一つの特定の正方形(したがって当該正方形内のF
ET)はその(行、列)アドレスで同定することができ
る。例えば正方形「1」は(行1、列1)に位置してお
り、一つの正方形「16」は(行3、列4)位置に位置
しており、もう一つの正方形「16」は(行4、列4)
位置に位置する。
て「奇」又は「偶」のいずれかである。例えば、「1」
正方形は偶位置(1+1=2)にある。
線及び実線で示すもの等)に分割する。 ---各グループのFETを複合的差動トランジスタ(又
は増幅器)の形に接続する。 ---その結果、図16に示す勾配に関してアレイの方向
に拘わらず、複合トランジスタは平均チャンネル濃度に
おいてほぼ等しくなる。
ジスタを組み合わせる構成により、デジタルトランジス
タの長所をもちながら、単一のアナログトランジスタの
ように振る舞うトランジスタを与えることができる。
にすることができるかを例示する。
増幅器にすることができるかを示す(b)と共に、
(b)の装置を簡単化して示す図である(a)。
を再配置したものを例示する。
きな差動増幅器にカスケード化することができるかを例
示する(a)と共に、(a)の装置における二つの異な
るグループのFETを例示する(b)。その一グループ
は実線で示し、他方は点線で示してある。各グループの
FETは単一の複合トランジスタすなわち増幅デバイス
を形成する。
できる積立ブロックとして図5の装置をどのように処理
するかを例示する。
ントロイドP、P1、及びP2の周囲に配置するかを例示
する。
るかを例示する。
なる方向をもつFETアレイを例示する。
ー P、P1、P2 セントロイド
Claims (3)
- 【請求項1】 二つのグループに分けられた複数のデジ
タルトランジスタにより構成される集積回路であって、 前記複数のデジタルトランジスタの夫々は、1.5ミク
ロンを越えないチャンネル長を持ち、二つの複合トラン
ジスタを形成するべく一体に接続され、 前記二つのグループを構成する前記複数のデジタルトラ
ンジスタは、当該複数のデジタルトランジスタが形成さ
れる半導体基盤領域における中心点に対して対称となる
ように配置された二つのアナログトランジスタを形成
し、 前記二つの複合トランジスタの少なくとも一つは、一つ
のFETデバイスのソースが他のFETデバイスのドレ
インに接続されてなる直列接続された複数のFETデバ
イスにより構成されたことを特徴とする集積回路。 - 【請求項2】 二つのグループに分けられた複数のデジ
タルトランジスタにより構成される集積回路であって、 前記二つのグループに分けられた複数のデジタルトラン
ジスタは、二つの複合トランジスタを形成するべく一体
に接続され、 前記二つのグループを構成する前記複数のデジタルトラ
ンジスタは、当該複数のデジタルトランジスタが形成さ
れる半導体基盤領域における中心点(以下、「セントロ
イド」という)に対して対称になるように配置された二
つのアナログトランジスタを形成し、 前記二つのアナログトランジスタの組は、前記集積回路
の半導体基盤上に複数組形成され、各組の前記セントロ
イドの中心点に対して対称になるように配置され、 前記二つの複合トランジスタの少なくとも一つは、一つ
のFETデバイスのソースが他のFETデバイスのドレ
インに接続されてなる直列接続された複数のFETデバ
イスにより構成されたことを特徴とする集積回路。 - 【請求項3】 二次元濃度勾配を有するドーパントが分
散された半導体基盤と、 前記基盤上に形成されるデジタルFETトランジスタの
アレイと、 前記アレイを構成する複数のデジタルFETトランジス
タは、二つのグループに分かれて二つの複合トランジス
タを構成し、 前記二つの複合トランジスタを構成するデジタルFET
トランジスタの夫々は、前記二次元濃度勾配を有するド
ーパントの平均濃度を有するように前記半導体基盤にお
いて物理的に対称となるように接続され、 前記二つの複合トランジスタの少なくとも一は、一つの
FETデバイスのソースが他のFETデバイスのドレイ
ンに接続されてなる直列接続された複数のFETデバイ
スにより構成された、ことを特徴とする集積回路。
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