JPH0444422A - Semiconductor logic circuit - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体論理回路、特に、ショットキゲート電
界効果トランジスタ(MESFET)を用いた半導体論
理回路に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to semiconductor logic circuits, and particularly to semiconductor logic circuits using Schottky gate field effect transistors (MESFETs).
情報化社会の発展にともない、より高速の情報処理を行
う装置に対する需要が高まり、これを構成する半導体装
置にもより高速の動作が求められている。ガリウムひ素
集積回路(G a A s I C)は1. G a
A s自身の持つ高電子移動度、半絶縁性基板などの特
徴からこれらの分野での貢献か期待されている。2. Description of the Related Art With the development of an information society, the demand for devices that process information at higher speeds has increased, and the semiconductor devices that make up these devices are also required to operate at higher speeds. Gallium arsenide integrated circuit (GaAs IC) is 1. Ga
Due to the characteristics of As itself, such as its high electron mobility and semi-insulating substrate, it is expected to contribute to these fields.
第3図は、GaAs1Cに多く用いられるSCF L
(Source Coupled FET Logic
)回路によるインバータ回路を示すものである。同図に
おいて、符号21.22は負荷素子、符号23.24は
駆動用トランジスタ、符号25.27はソースホロワト
ランジスタ、符号26.28はレベルシフト用素子、符
号29.30.31は定電流源、符号32.33は電源
用端子、符号34.35は入力端子、符号36〜39は
出力端子をそれぞれ示している。入力信号は、入力端子
34.35に相補的に与えられ、基本の出力信号は出力
端子36.37から得ることができる。Figure 3 shows SCF L, which is often used for GaAs1C.
(Source Coupled FET Logic
) circuit. In the figure, 21.22 is a load element, 23.24 is a driving transistor, 25.27 is a source follower transistor, 26.28 is a level shift element, and 29.30.31 is a constant current. 32 and 33 are power supply terminals, 34 and 35 are input terminals, and 36 to 39 are output terminals, respectively. The input signals are provided complementary to the input terminals 34.35, and the fundamental output signal can be obtained from the output terminals 36.37.
5CFL回路は、対になった2つのFETて電流を振り
分けることによって動作するため、その2つのFETの
特性か同じてあればその特性の中心値かいくらであるか
は動作に大きな影響を与えない。したかって、FETの
しきい値の選択の幅は広く、低消費電流での動作が望ま
れる場合には、比較的大きなに値か得られるしきい値の
浅いFETか用いられる。ここに、K値とは次式におけ
る定数にのこ°とである。The 5CFL circuit operates by distributing current through two paired FETs, so if the characteristics of the two FETs are the same, the center value of the characteristics does not have a big effect on the operation. . Therefore, there is a wide range of selection for the threshold value of the FET, and when operation with low current consumption is desired, an FET with a shallow threshold value that can obtain a relatively large value is used. Here, the K value refers to a constant in the following equation.
I =K (VG−VT)
5at
IDsat ’ ドレイン飽和電流
■G:ゲート電圧
V T : Lきい値電圧
なお、K値の大きいエンハンスメント型のFETが用い
られた場合の5CFL回路を特にLSCF L (Lo
w−power 5ource Coupled FE
T Logic)回路と呼ぶことがある。I = K (VG - VT) 5at IDsat' Drain saturation current ■G: Gate voltage V T: L threshold voltage Note that the 5CFL circuit when an enhancement type FET with a large K value is used is especially LSCF L (Lo
w-power 5source Coupled FE
It is sometimes called a T Logic circuit.
ところで、5CFL回路は、論理ゲートを縦積みするこ
とができるという特長をもっている。第4図に示す回路
は、論理ゲートを縦積みした5CFL回路であり、3人
力ナンド(NAND)回路を実現したものである。ただ
し、この回路では、出力レベルを所望のレベルにするた
めのレベルシフト用ソースホロワ回路か省かれている。By the way, the 5CFL circuit has the feature that logic gates can be vertically stacked. The circuit shown in FIG. 4 is a 5CFL circuit in which logic gates are vertically stacked, and realizes a three-manpower NAND (NAND) circuit. However, this circuit does not include a level shift source follower circuit for adjusting the output level to a desired level.
この回路は、一対の負荷素子41.42と、駆動用トラ
ンジスタ43〜48と、定電流源49とて構成され、電
源端子50.51にはそれぞれ■、■DD SS
が印加されている。駆動用トランジスタ43.44のそ
れぞれのゲートには相補的な入力信号A、Aが、また、
駆動用トランジスタ45.46のゲートには相補的な入
力信号B、Bか、さらに、駆動用トランジスタ47.4
8のゲートには相補的な入力信号C,Cが与えられ、各
駆動用トランジスタ対によって論理演算処理がなされ、
出力端子58.59に相補的な出力信号Q、Qが現れる
。This circuit is composed of a pair of load elements 41, 42, driving transistors 43 to 48, and a constant current source 49, and DD SS is applied to power supply terminals 50 and 51, respectively. Complementary input signals A, A are applied to the respective gates of the driving transistors 43 and 44, and
The gates of the driving transistors 45, 46 are supplied with complementary input signals B, B, or in addition, the driving transistors 47.4.
Complementary input signals C and C are applied to the gates of 8, and logical operation processing is performed by each pair of driving transistors.
Complementary output signals Q, Q appear at output terminals 58,59.
ところで、上述した5CFL回路で用いられるMESF
ETの構造は、短ゲート化の傾向にある。By the way, the MESF used in the 5CFL circuit mentioned above
ET structures tend to have shorter gates.
MESFETのゲート長を短くするのは、FET自身の
容量の低減とドレインコンダクタンスg。The purpose of shortening the gate length of a MESFET is to reduce the capacitance of the FET itself and drain conductance g.
の向上を図り、ICを高性能化するためである。This is to improve the performance of the IC.
しかし、ゲート長の短縮に伴い、短ゲート効果というマ
イナスの現象か生しることか知られている。However, it is known that as the gate length is shortened, a negative phenomenon called the short gate effect occurs.
すなわち、MESFETのドレイン電流は、本来ドレイ
ン−ソース間電圧に依存せず、定電流源としての特性を
示すものであるか、ゲート長か極端に短いとドレイン電
圧の変化によって定電流特性かくずれしまう。この現象
は、特に1μm以下のゲート長をもつFETに著しい。In other words, the drain current of a MESFET does not originally depend on the drain-source voltage and exhibits characteristics as a constant current source, or if the gate length is extremely short, the constant current characteristics will be lost due to changes in the drain voltage. . This phenomenon is particularly noticeable in FETs with gate lengths of 1 μm or less.
ここで、このような短ゲートのM E S F E T
を第4図の縦積み5CFL回路の駆動用トランジスタ4
3〜48に用いた場合を考えてみる。駆動用トランジス
タ43.44のドレイン端子は共に負荷素子41.42
に直接接続されているのてドレイン電圧に関して対称性
か保たれている。しかし、駆動用トランジスタ45.4
6の対については、駆動用トランジスタ45のドレイン
が上位レベルの信号を扱う駆動用トランジスタ43を介
して負荷素子41に接続されているのに対し、駆動用ト
ランジスタ46のドレインは負荷素子42に直接接続さ
れている。したがって、駆動用トランジスタ46のドレ
イン端子電圧は、駆動用トランジス夕45のドレイン端
子電圧に比べて高くなる。すると、駆動用トランジスタ
45.46の特性が、短ゲート効果により異なったもの
となってしまい、論理回路動作に支障を来す。駆動用ト
ランジスタ47.48については、さらに大きなドレイ
ン電圧の相違か生じる。Here, the M E S F E T of such a short gate
The driving transistor 4 of the vertically stacked 5CFL circuit in Fig. 4
Let's consider the case where it is used for 3 to 48. The drain terminals of drive transistors 43 and 44 are both connected to load elements 41 and 42.
Symmetry is maintained with respect to the drain voltage as it is directly connected to the drain voltage. However, the driving transistor 45.4
Regarding pair No. 6, the drain of the driving transistor 45 is connected to the load element 41 via the driving transistor 43 that handles upper level signals, whereas the drain of the driving transistor 46 is connected directly to the load element 42. It is connected. Therefore, the drain terminal voltage of the driving transistor 46 is higher than the drain terminal voltage of the driving transistor 45. Then, the characteristics of the driving transistors 45 and 46 become different due to the short gate effect, which impedes the operation of the logic circuit. For drive transistors 47 and 48, an even larger difference in drain voltage occurs.
上記課題を解決するために、本発明の半導体論理回路は
、縦積みの5CFL回路において、少なくとも1つの駆
動用トランジスタ対に関し、負荷素子との間で直列接続
された上位レベルの信号を扱う他の駆動用トランジスタ
の段数が少ない方の駆動用トランジスタのドレインに電
圧補償用トランジスタが直列に接続されており、その電
圧補償用トランジスタのゲートが当該駆動用トランジス
タ対の上位にある駆動用トランジスタ対の共通ソースに
接続されている。さらに、電圧補償用トランジスタのし
きい値電圧は駆動用トランジスタのそれよりもマイナス
側にある。In order to solve the above problems, the semiconductor logic circuit of the present invention relates to at least one pair of driving transistors in a vertically stacked 5CFL circuit, and other transistors that handle higher level signals connected in series with a load element. A voltage compensation transistor is connected in series to the drain of the drive transistor with fewer stages of drive transistors, and the gate of the voltage compensation transistor is connected to the drive transistor pair in a common state. connected to the source. Furthermore, the threshold voltage of the voltage compensation transistor is on the negative side than that of the driving transistor.
対になった駆動用トランジスタの一方に電圧補償用トラ
ンジスタが付加されることにより、2つの駆動用トラン
ジスタのドレイン端子電圧がほぼ等しくなる。したがっ
て、駆動用トランジスタとして短チヤネル効果が生じる
くらいにゲート長が短いものが用いられても、2つの駆
動用トランジスタの特性が揃うことになり、電流切り替
え動作による論理動作の安定化か図られる。By adding a voltage compensation transistor to one of the pair of driving transistors, the drain terminal voltages of the two driving transistors become approximately equal. Therefore, even if a drive transistor with a gate length so short as to cause a short channel effect is used, the two drive transistors have the same characteristics, and the logic operation can be stabilized by the current switching operation.
なお、低消費電流化のために駆動用トランジスタとして
E−FETが用いられた場合でも、電圧補償用トランジ
スタとしてしきい値電圧が駆動用トランジスタのしきい
値電圧よりもマイナス側にあるものを用いているので、
そのゲート−ソース間での電圧降下が少なく、この電圧
補償用トランジスタで補償される駆動用トランジスタの
ドレイン電圧が下がり過ぎることはない。Note that even if an E-FET is used as a driving transistor to reduce current consumption, a transistor whose threshold voltage is on the negative side than that of the driving transistor is used as a voltage compensation transistor. Because
The voltage drop between the gate and the source is small, and the drain voltage of the driving transistor compensated by the voltage compensating transistor does not drop too much.
第1図は本発明の一実施例である3人力ナンド回路を示
す回路図である。本実施例の回路は、第4図に示す従来
の5CFL回路による3人力ナンド回路とは、電圧補償
用トランジスタ60.61か付加されている点が相違す
る。FIG. 1 is a circuit diagram showing a three-person NAND circuit which is an embodiment of the present invention. The circuit of this embodiment differs from the conventional three-man NAND circuit using a 5CFL circuit shown in FIG. 4 in that voltage compensation transistors 60 and 61 are added.
電圧補償用トランジスタ60は、中段の駆動用トランジ
スタ45.46の動作ドレイン端子電圧を等しくするた
めに、駆動用トランジスタ45.46のうち負荷素子4
2側に繋がっている駆動用トランジスタ46のドレイン
に接続されている。The voltage compensation transistor 60 is connected to the load element 4 of the drive transistors 45 and 46 in order to equalize the operating drain terminal voltages of the drive transistors 45 and 46 in the middle stage.
It is connected to the drain of the driving transistor 46 connected to the second side.
電圧補償用トランジスタ60のゲートは、駆動トランジ
スタ46の上位レベルの駆動用トランジスタ43.44
の共通ソース端子に接続されている。The gate of the voltage compensation transistor 60 is connected to the driving transistors 43 and 44 at the upper level of the driving transistor 46.
connected to the common source terminal of the
電圧補償用トランジスタ61は、下段駆動用トランジス
タ47.48のドレイン端子電圧を等しくするために置
かれ、そのゲートは中段駆動用トランジスタ45.46
の共通ソース端子に接続されている。The voltage compensation transistor 61 is placed to equalize the drain terminal voltages of the lower drive transistors 47 and 48, and its gate is connected to the middle drive transistors 45 and 46.
connected to the common source terminal of the
なお、既に述べたように駆動用トランジスタとしては、
K値の大きなE−FETが用いられることが多くなって
きているが、電圧補償用トランジスタとして同U< E
−FETを用いると、このFETのゲート−ソース間て
電圧降下を生し、電圧補償用トランジスタが接続された
駆動用トランジスタのドレイン端子電圧が必を以上に低
くなってしまう。しかし、本実施例では電圧補償用トラ
ンジスタとしてD−FETが用いられているので、その
ゲート−ソース間に電圧降−ドは発生せす、対にtった
駆動用トランン゛スタのそれぞれのトレイン端子電圧が
等しくなる。As already mentioned, as a driving transistor,
E-FETs with large K values are increasingly being used, but as voltage compensation transistors
When a -FET is used, a voltage drop occurs between the gate and source of the FET, and the voltage at the drain terminal of the driving transistor to which the voltage compensation transistor is connected becomes lower than necessary. However, in this embodiment, since a D-FET is used as the voltage compensation transistor, a voltage drop is not generated between the gate and source of the D-FET. Terminal voltages become equal.
本実施例はこのように構成されているので、各段におい
て一対の駆動用トラン、′スタのドレイン端子電圧を揃
えることができる。Since this embodiment is constructed in this manner, the drain terminal voltages of the pair of driving transformers and stars can be made equal in each stage.
第2図は本発明の他の実施例であり、3人力ナンド回路
において、電圧補償による効果の大きい下段の駆動用ト
ランジスタ47.48の対に対してのみ、電圧補償用ト
ランジスタ61を付加したものである。FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, in which a voltage compensation transistor 61 is added only to the pair of drive transistors 47 and 48 in the lower stage, where voltage compensation has a large effect in a three-man NAND circuit. It is.
なお、上記2つの実施例はいずれも、3人力ナンド回路
について本発明を適用したものであるが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、駆動用トランジスタ対の段
数や接続を変更することにょり得られる種々の論理回路
に適用することができる。Note that in both of the above two embodiments, the present invention is applied to a three-person NAND circuit, but the present invention is not limited to this, and the number of stages and connections of driving transistor pairs can be changed. It can be applied to various logic circuits that can be obtained.
以上説明したように、本発明の半導体論理回路によれば
、差動型論理ゲートを構成する一対の駆動用トランジス
タの動作ドレイン端子電圧点を揃えることかできる。し
たかって、短ゲート効果により定電流特性か多少損なわ
れているゲート長の短いMESFETが駆動用トランジ
スタとして用いられても、対になっている駆動用トラン
ジスタは互いに等しい動作領域で動作する。そのため、
駆動用トランジスタ対による電流切替動作が安定してい
る。換言すると、本発明の半導体論理回路によれば、短
ゲート効果に対しても歩留まりよくICを製造すること
ができる。As described above, according to the semiconductor logic circuit of the present invention, the operating drain terminal voltage points of a pair of driving transistors constituting a differential logic gate can be aligned. Therefore, even if a MESFET with a short gate length whose constant current characteristics are somewhat impaired due to the short gate effect is used as a driving transistor, the paired driving transistors operate in the same operating range. Therefore,
The current switching operation by the driving transistor pair is stable. In other words, according to the semiconductor logic circuit of the present invention, ICs can be manufactured with high yield even against short gate effects.
図、第4図は従来の5CFL回路による3人カナント回
路を示す回路図である。4 are circuit diagrams showing a three-person canant circuit using a conventional 5CFL circuit.
41.42・・・負荷素子、43〜48・・・駆動用ト
ランジスタ、49・・・定電流源、50.51・・・電
源端子、52〜57・・入力端子、58.59・・出力
端子、60.61・・・電圧補償用トランジスタ。41.42... Load element, 43-48... Drive transistor, 49... Constant current source, 50.51... Power supply terminal, 52-57... Input terminal, 58.59... Output Terminal, 60.61... Voltage compensation transistor.
Claims (1)
用電界効果トランジスタ対の複数組と、定電流源とを有
し、各駆動用電界効果トランジスタ対において駆動用電
界効果トランジスタのドレインが上位レベルの信号を扱
う駆動用電界効果トランジスタ対のソースまたは前記負
荷素子に接続され、最下位レベルの信号を扱う駆動用電
界効果トランジスタ対のソースが定電流源に接続されて
いる半導体論理回路において、 少なくとも1つの駆動用電界効果トランジスタ対に関し
、前記負荷素子との間で直列接続された上位レベルの信
号を扱う他の駆動用電界効果トランジスタの段数が少な
い方の駆動用電界効果トランジスタのドレインに電圧補
償用電界効果トランジスタが直列に接続されており、 この電圧補償用電界効果トランジスタは、そのゲート端
子が当該駆動用電界効果トランジスタ対の上位にある駆
動用電界効果トランジスタの共通ソース端子に接続され
ており、 そのしきい値電圧は駆動用電界効果トランジスタのそれ
よりもマイナス側にあることを特徴とする半導体論理回
路。 2、駆動用電界効果トランジスタはエンハンスメント型
であり、電圧補償用電界効果トランジスタはディブリー
ション型であることを特徴とする請求項1に記載の半導
体論理回路。[Claims] 1. A pair of load elements, a plurality of pairs of driving field-effect transistors whose sources are connected to each other, and a constant current source, and each pair of driving field-effect transistors has a driving electric field. The drain of the effect transistor is connected to the source of a driving field-effect transistor pair that handles an upper-level signal or to the load element, and the source of the driving field-effect transistor pair that handles a lowest-level signal is connected to a constant current source. In a semiconductor logic circuit, with respect to at least one pair of driving field effect transistors, the driving electric field of the other driving field effect transistor connected in series with the load element and handling a higher level signal has a smaller number of stages. A voltage-compensating field-effect transistor is connected in series to the drain of the effect transistor, and the voltage-compensating field-effect transistor has a gate terminal common to the driving field-effect transistors whose gate terminal is located above the pair of driving field-effect transistors. A semiconductor logic circuit connected to a source terminal, the threshold voltage of which is on the negative side of that of a driving field effect transistor. 2. The semiconductor logic circuit according to claim 1, wherein the driving field effect transistor is an enhancement type, and the voltage compensation field effect transistor is a debleation type.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2153411A JPH0444422A (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | Semiconductor logic circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2153411A JPH0444422A (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | Semiconductor logic circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0444422A true JPH0444422A (en) | 1992-02-14 |
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ID=15561906
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2153411A Pending JPH0444422A (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | Semiconductor logic circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0444422A (en) |
-
1990
- 1990-06-12 JP JP2153411A patent/JPH0444422A/en active Pending
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