JPH0740434B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

Semiconductor memory device

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JPH0740434B2
JPH0740434B2 JP1214447A JP21444789A JPH0740434B2 JP H0740434 B2 JPH0740434 B2 JP H0740434B2 JP 1214447 A JP1214447 A JP 1214447A JP 21444789 A JP21444789 A JP 21444789A JP H0740434 B2 JPH0740434 B2 JP H0740434B2
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pair
transistors
memory device
semiconductor memory
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順一 宮本
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) この発明は半導体記憶装置、特にMOS型のメモリセルを
有する半導体記憶装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor memory device having a MOS type memory cell.

(従来の技術) 第5図は従来の半導体記憶装置の要部を示した回路図で
ある。この回路は、高速のMOS型半導体記憶装置におい
て広く採用されているものであり、最もパフォーマンス
が良いとされているCMOS回路を採用している。同図にお
いて、1はメモリセル、2はセンスアンプ、3,4はビッ
ト線、Wはワード線をそれぞれ示す。MOSトランジスタ
5,6,7,10はそれぞれプリチャージ実行用のスイッチ、デ
ータ取り出し用のトランスフアゲート、メモリセル、及
び定電流源を構成している。また、8,9はそれぞれビッ
トライン3,4に結合されるビットライン容量である。
(Prior Art) FIG. 5 is a circuit diagram showing a main part of a conventional semiconductor memory device. This circuit is widely used in high-speed MOS semiconductor memory devices, and employs a CMOS circuit which is said to have the best performance. In the figure, 1 is a memory cell, 2 is a sense amplifier, 3 and 4 are bit lines, and W is a word line. MOS transistor
Reference numerals 5, 6, 7, and 10 constitute a switch for executing precharge, a transfer gate for extracting data, a memory cell, and a constant current source. Further, 8 and 9 are bit line capacitors coupled to the bit lines 3 and 4, respectively.

このような回路において、センスアンプ2の高速化のた
めにはプリチャージ用のトランジスタ5、トランスファ
ゲート用トランジスタ6及びメモリセル用トランジスタ
7の寸法を最適化し、ビット線3,4の電位差をハイレベ
ル“1"側とローレベル“0"側とでできるだけ小さくする
必要がある。
In such a circuit, in order to speed up the sense amplifier 2, the dimensions of the precharge transistor 5, the transfer gate transistor 6, and the memory cell transistor 7 are optimized, and the potential difference between the bit lines 3 and 4 is set to a high level. It is necessary to make it as small as possible on the “1” side and the low level “0” side.

この場合、一般に、ビット線3又は4の電位が△Vだけ
変化するのに必要な時間tは、ビット線容量8,9をCBL
して、 t=CBL・△V/I ・・・(1) と表わされる。ここで、Iはビット線3,4に流れる電流
である。
In this case, generally, the time t required for the potential of the bit line 3 or 4 changes by △ V, the bit line capacitance 8,9 as C BL, t = C BL · △ V / I ··· ( 1) is represented. Here, I is a current flowing through the bit lines 3 and 4.

(1)式によれば、高速化のためには、Iを大きく、C
BLおよび△Vを小さくすれば良い。しかし、メモリセル
用トランジスタ7の寸法、特に幅Wはできるだけ小さく
しなければならないため、ビット線3,4に流れる電流I
は小さくなってしまう。また、高集積化のためにトラン
スフアゲート用トランジスタ6を多数接続する場合に
は、そのドレインと基板との間に形成される接合容量に
よるビット線容量8,9が増加する。
According to the equation (1), I is increased by
It suffices to reduce BL and ΔV. However, since the size of the memory cell transistor 7, especially the width W, must be made as small as possible, the current I flowing through the bit lines 3 and 4 is
Becomes smaller. When a large number of transfer gate transistors 6 are connected for high integration, the bit line capacitances 8 and 9 increase due to the junction capacitance formed between the drain and the substrate.

従って、(1)式に基づいて時間tを小さくするために
はビット線の変化電圧△Vを小さくし、ビット線3,4の
遷移時間(回復時間)を小さくする以外に方法がない。
Therefore, in order to reduce the time t based on the equation (1), there is no other method than to reduce the change voltage ΔV of the bit lines and the transition time (recovery time) of the bit lines 3 and 4.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

しかし、第5図に示した構成では、ビット線3,4の電圧
をセンスアンプ2のNチャネルのMOS型トランジスタの
ゲートで受けているため、遷移電圧△Vを大きく取る必
要があった。すなわち、MOS型トランジスタの相互コン
ダクタンスgmを大きくしようとすると、その寸法が大き
くなってしまうため、集積度を上げるためにはこれを低
く押えざるをえず、必然的に遷移電圧△Vを大きくせざ
るを得ない。従って、従来のセンスアンプでは微小電流
を検出することが極めて難かしいという欠点を有してい
た。しかも、ビット線3,4の電位は電源電圧VDD付近で変
化するよう構成されているため、センスアンプ2の最も
感度の良いスレシュホールド電圧Vth付近からは大幅に
外れて動作しているという問題もあった。
However, in the configuration shown in FIG. 5, since the voltage of the bit lines 3 and 4 is received by the gate of the N-channel MOS type transistor of the sense amplifier 2, it is necessary to take a large transition voltage ΔV. That is, if the transconductance g m of the MOS type transistor is increased, the size of the transistor becomes large, so that it must be kept low in order to increase the degree of integration, and the transition voltage ΔV is necessarily increased. I have to do it. Therefore, the conventional sense amplifier has a drawback that it is extremely difficult to detect a minute current. Moreover, since the potentials of the bit lines 3 and 4 are configured to change in the vicinity of the power supply voltage V DD , it is said that the sense amplifier 2 operates largely outside the threshold voltage V th in which the sensitivity is the highest. There was also a problem.

この様な欠点を解決するために、定電流源用のトランジ
スタ10のコンダクタンスを抑えたり、センスアンプ用ト
ランジスタの負荷にPチャネルトランジスタを採用する
等の手段を講じていた。しかし、前者の対策はセンス用
トランジスタのドレイン電流を減少させることになり、
一方後者の対策は特性的に劣るPチャネルMOSトランジ
スタをNチャネルMOSトランジスタの代りに使用するこ
とになるので、高速動作に関して問題があった。
In order to solve such a drawback, measures such as suppressing the conductance of the transistor 10 for the constant current source and adopting a P-channel transistor as the load of the transistor for the sense amplifier have been taken. However, the former measure reduces the drain current of the sense transistor,
On the other hand, the latter measure involves using a P-channel MOS transistor, which is inferior in characteristics, instead of the N-channel MOS transistor, and thus has a problem with respect to high-speed operation.

この発明は、このような従来の問題を解決するためにな
されたもので、高速の半導体装置を提供することを目的
とする。
The present invention has been made to solve such conventional problems, and an object thereof is to provide a high-speed semiconductor device.

〔発明の構成〕[Structure of Invention]

(課題を解決するための手段) この発明は、 MOSトランジスタで構成されてマトリクス状に配置され
た複数のメモリセルと、これらのメモリセルの列ごとに
設けられて同じ列のメモリセルにそれぞれ接続された複
数の相補的なビット線対と、これらのビット線対から読
み出した信号を増幅して出力するセンスアンプとを有す
る半導体記憶装置であって、 前記センスアンプが、 前記ビット線対にそれぞれベースが接続された、複数の
検出用バイポーラトランジスタ対と、 前記検出用バイポーラトランジスタ対の前記エミッタに
共通接続された定電流源と、 この定電流源の供給電流よりも大きい飽和ドレイン電流
を有するMOSトランジスタで構成され、それぞれの一端
が前記検出用バイポーラトランジスタ対のコレクタに接
続され且つそれぞれの制御電極がコラムデコーダ信号を
入力する、複数のトランスファーゲート対と、 これらのトランスファーゲート対を構成する前記MOSト
ランジスタの他端にそれぞれ共通接続された共通負荷素
子と、 を有することを特徴とする。
(Means for Solving the Problem) The present invention is directed to a plurality of memory cells formed of MOS transistors and arranged in a matrix, and connected to memory cells provided in each column of these memory cells in the same column. A plurality of complementary bit line pairs, and a sense amplifier that amplifies and outputs a signal read from these bit line pairs, wherein the sense amplifier is provided in each of the bit line pairs. A plurality of detection bipolar transistor pairs to which bases are connected, a constant current source commonly connected to the emitters of the detection bipolar transistor pairs, and a MOS having a saturated drain current larger than the supply current of the constant current source Transistors, one end of each of which is connected to the collector of the detection bipolar transistor pair and Control electrode enters the column decoder signal, and having a plurality of transfer gates pair, and a common load element commonly connected to the other end of the MOS transistors constituting the transfer gates pair.

(作 用) ビット線の電位を検出するために使用するトランジスタ
としてエミッタが共通接続されたバイポーラトランジス
タを用い、これらのビット線をベースに接続してコレク
タから電位差の増幅された信号を取り出すようにしてい
るので、ビット線の電圧差が微小な場合でもその変化を
高速に検出し、しかも高増幅度で出力することができ
る。
(Operation) Use a bipolar transistor whose emitter is commonly connected as a transistor used to detect the potential of the bit line, and connect these bit lines to the base so that the signal with the amplified potential difference is taken out. Therefore, even if the voltage difference between the bit lines is minute, the change can be detected at high speed and output with a high amplification degree.

また、コラムデータ信号によって制御されるトランスフ
ァゲート対を共通負荷素子と検出用バイポーラトランジ
スタ対との間に設けたので、このトランスファーゲート
対によってコラム選択を行うことができる。したがっ
て、コラム選択を行うためにビット線の電位を変更する
必要がないので、読み出しを高速化することができる。
Further, since the transfer gate pair controlled by the column data signal is provided between the common load element and the detection bipolar transistor pair, column selection can be performed by this transfer gate pair. Therefore, it is not necessary to change the potential of the bit line in order to select the column, and the reading speed can be increased.

さらに、定電流源の供給電流よりも大きい飽和ドレイン
電流を有するMOSトランジスタでトランスファーゲート
対を構成して検出用バイポーラトランジスタ対のコレク
タ側に接続したことにより、かかる検出用バイポーラト
ランジスタ対を非飽和領域で動作させることができるの
で、検出用バイポーラトランジスタ対の動作を高速化す
ることができ、このことによっても読み出しの高速化を
図ることができる。
Further, by forming a transfer gate pair with a MOS transistor having a saturated drain current larger than the supply current of the constant current source and connecting the transfer gate pair to the collector side of the detection bipolar transistor pair, the detection bipolar transistor pair is connected to the non-saturation region. Therefore, the operation of the detection bipolar transistor pair can be speeded up, and this can also speed up the reading.

(実施例) 以下、添付図面を従って本発明を説明する。(Example) Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明の一実施例に係わる半導体記憶装置の
構成を概略的に示す回路図である。同図において、図5
を同じ符号を付した構成部分は、それぞれ図5の場合と
同じものを示している。
FIG. 1 is a circuit diagram schematically showing the configuration of a semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. In FIG.
The components denoted by the same reference numerals indicate the same components as in FIG.

また、同図に示したように、センスアンプは、ビット線
3,4(本発明の「ビット線対」を構成する)にそれぞれ
ベースが接続されたバイポーラNPNトランジスタ15,15′
(本発明の「検出用バイポーラトランジスタ対」を構成
する)と、バイポーラトランジスタ15,15′のエミッタ
に共通接続されたMOSトランジスタ14(本発明の「定電
流源」を構成する)と、それぞれの一端がバイポーラト
ランジスタ15,15′のコレクタに接続され且つそれぞれ
のゲート電極がコラムデコーダ信号を入力するMOSトラ
ンジスタ20,20′(本発明の「トランスファーゲート
対」を構成する)と、一端がMOSトランジスタ20,20′の
他端にそれぞれ共通接続され且つ他端が電源ライン(電
圧VDD)に接続されたMOSトランジスタ13,13′(本発明
の「共通負荷素子」を構成する)とを備えている。ま
た、MOSトランジスタ20,20′の前記一端は、それぞれゲ
ート16に入力される。ゲート16は、入力電圧に応じた出
力信号を、出力端子17に対して出力する。
Also, as shown in the figure, the sense amplifier is
Bipolar NPN transistors 15,15 'whose bases are respectively connected to 3, 4 (which constitutes the "bit line pair" of the present invention)
(Constituting the "detection bipolar transistor pair" of the present invention), a MOS transistor 14 (constituting the "constant current source" of the present invention) commonly connected to the emitters of the bipolar transistors 15 and 15 ', and One end is connected to the collectors of the bipolar transistors 15 and 15 ', and each gate electrode is a MOS transistor 20 or 20' (which constitutes a "transfer gate pair" of the present invention) to which a column decoder signal is input, and one end is a MOS transistor. MOS transistors 13 and 13 '(which constitute the "common load element" of the present invention) which are commonly connected to the other ends of 20, 20' and the other end of which is connected to a power supply line (voltage V DD ). There is. The one ends of the MOS transistors 20 and 20 'are input to the gate 16, respectively. The gate 16 outputs an output signal according to the input voltage to the output terminal 17.

なお、本実施例に係わる半導体記憶装置においては、メ
モリセルはマトリクス状に配置されているが、図1では
1個のみ示している。また、センスアンプも、マトリク
ス状に配置されたメモリセルの各列ごとに同じものが設
けられているが、図1では1個のみ示している。そし
て、各センスアンプのトランスファゲート20,20′は、
共通接続されて、1個の負荷用のMOSトランジスタ13,1
3′に接続されている。このような構成によれば、トラ
ンスファゲート20,20′のゲート電極に入力されるコラ
ムデコータ信号によって選択された列のセンスアンプ出
力のみが取出されてゲート16に入力されることとなる。
Although the memory cells are arranged in a matrix in the semiconductor memory device according to this embodiment, only one memory cell is shown in FIG. The same sense amplifier is provided for each column of memory cells arranged in a matrix, but only one is shown in FIG. The transfer gates 20 and 20 'of each sense amplifier are
Commonly connected to one load MOS transistor 13,1
It is connected to 3 '. With such a configuration, only the sense amplifier output of the column selected by the column decoder signal input to the gate electrodes of the transfer gates 20 and 20 'is taken out and input to the gate 16.

次に、第1図に示した半導体記憶装置の動作について説
明する。
Next, the operation of the semiconductor memory device shown in FIG. 1 will be described.

第1図に示した半導体記憶装置において、ビット線3と
ビット線4との電位差を△V、高電位側のビット線に流
れる電流をIH、低電位側のビット線に流れる電流をIL
した場合、IHとILの比は、 IH/IL=exp{(q/KT)・△V} ・・・(2) で表わされる。従って、例えばKT/q=25mVとし、△V=
0.4Vとすれば、IH/IL=107となる。
In the semiconductor memory device shown in FIG. 1, the potential difference between the bit lines 3 and 4 is ΔV, the current flowing in the high potential side bit line is I H , and the current flowing in the low potential side bit line is I L. Then, the ratio of I H and I L is expressed by I H / I L = exp {(q / KT) · ΔV} (2) Therefore, for example, KT / q = 25 mV, and ΔV =
With 0.4V, I H / I L = 10 7 .

また、センスアンプの出力電圧(すなわちゲート16の入
力電圧)のうち、高電位側のビット線に対応するものを
VOH、低電位側のビット線に対応するものをVOL、負荷用
のMOSトランジスタ13,13′の抵抗をRとすると、VOHとV
OLの差は、 VOH−VOL=R(IH−IL)−RIH−RI ・・・(3) となる。
Also, of the output voltage of the sense amplifier (that is, the input voltage of the gate 16), select the one that corresponds to the bit line on the high potential side.
V OH, a low potential side of the V OL which corresponds to the bit line, and the resistance of the MOS transistors 13 and 13 'for loading the R, V OH and V
The difference of OL is V OH −V OL = R (I H −I L ) −RI H −RI (3).

このように、本実施例では、バイポーラトランジスタ1
5,15′のコレクタ電流の電流差を負荷用のMOSトランジ
スタ13,13′を用いて電圧差に変換することによって、
ビット線3,4のレベル変化を検出することとしている。
したがって、レベル変化の検出感度を向上させることが
できる。
Thus, in this embodiment, the bipolar transistor 1
By converting the current difference of the collector current of 5,15 'into a voltage difference using the load MOS transistors 13, 13',
The level change of the bit lines 3 and 4 is to be detected.
Therefore, the level change detection sensitivity can be improved.

なお、共通負荷素子としてMOSトランジスタ13,13′を用
いたのは占有面積が低いにも拘らずその内部インピーダ
ンスが高いという利点を利用するためであるが、通常の
抵抗素子を使用してもよいことはもちろんである。
The MOS transistors 13 and 13 'are used as the common load element in order to utilize the advantage that the internal impedance is high in spite of the small occupied area, but a normal resistance element may be used. Of course.

ここで、バイポーラトランジスタ15,15′を飽和領域で
使用すると、少数キャリアの蓄積効果のために、動作ス
ピードが大幅に損なわれてしまう。したがって、バイポ
ーラトランジスタ15,15′は非飽和状態で使用する必要
があり、このためには、コレクタ電位がベース電位に対
して十分に大きくなるように設計する必要がある。
If the bipolar transistors 15 and 15 'are used in the saturation region, the operation speed will be significantly reduced due to the effect of accumulating minority carriers. Therefore, the bipolar transistors 15 and 15 'need to be used in a non-saturated state, and for this purpose, the collector potential needs to be designed to be sufficiently larger than the base potential.

本実施例では、バイポーラトランジスタ15,15′と共通
負荷素子13,13′との間にトランスファーゲート20,20′
が設けられているので、以下のような理由により、バイ
ポーラトランジスタ15,15′のコレクタ電位をベース電
位に対して十分に大きくすることができる。
In this embodiment, transfer gates 20, 20 'are provided between the bipolar transistors 15, 15' and the common load elements 13, 13 '.
Is provided, the collector potentials of the bipolar transistors 15 and 15 'can be made sufficiently higher than the base potential for the following reason.

第2図は、MOSトランジスタのゲート・ソース間電圧VGS
を一定とした場合の、ドレイン電流IDとドレイン・ソー
ス間電圧VDSとの関係を示すグラフである。同図におい
て、IDmaxは飽和ドレイン電流を示す。このIDmaxの値は
概略的に、 IDmax=β(VGS−Vth2/2 ・・・(4) で表わされる。ただし、β=μCG(W/L)である。
Figure 2 shows the gate-source voltage V GS of a MOS transistor.
In a case where the constant is a graph showing the relationship between the drain current I D and the drain-source voltage V DS. In the figure, ID max indicates the saturated drain current. The value of this ID max is schematically, ID max = β (V GS -V th) represented by 2/2 (4). However, β = μC G (W / L).

バイポーラトランジスタ15,15′のコレクタ電位をベー
ス電位よりも十分に高くするためには、トランスファゲ
ート20,20′と負荷MOSトランジスタ13,13′とからなる
回路(この回路と等価なMOSトランジスタ)を非飽和領
域で動作させることが必要である。このためには、トラ
ンスファゲート20,20′および負荷MOSトランジスタ13,1
3′の両方を非飽和領域で動作させることが必要とな
る。
In order to make the collector potential of the bipolar transistors 15 and 15 'sufficiently higher than the base potential, a circuit composed of the transfer gates 20 and 20' and load MOS transistors 13 and 13 '(a MOS transistor equivalent to this circuit) is required. It is necessary to operate in the unsaturated region. To this end, transfer gates 20, 20 'and load MOS transistors 13, 1'
It is necessary to operate both 3'in the unsaturated region.

以下、バイポーラトランジスタ15,15′のコレクタ電位
をベース電位よりも十分に高くするための条件ついて、
詳細に説明する。
The conditions for making the collector potentials of the bipolar transistors 15 and 15 'sufficiently higher than the base potential are as follows.
The details will be described.

なお、本発明においては、センスアンプの出力はバイポ
ーラトランジスタ15,15′のコレクタ出力によって得ら
れるので、このセンスアンプ出力はバイポーラトランジ
スタ15,15′とトランスファゲート20,20′とで抵抗分割
される。このため、センスアンプのゲインを大きく取る
ためには、トランスファゲート20,20′のβ(=β
を、負荷MOSトランジスタ13,13′のβ(=β)よりも
十分に大きく取る必要がある。
In the present invention, since the output of the sense amplifier is obtained by the collector output of the bipolar transistors 15 and 15 ', this sense amplifier output is resistance-divided by the bipolar transistors 15 and 15' and the transfer gates 20 and 20 '. . Therefore, in order to increase the gain of the sense amplifier, β (= β T ) of the transfer gates 20 and 20 '
Should be sufficiently larger than β (= β L ) of the load MOS transistors 13 and 13 ′.

したがって、バイポーラトランジスタ15,15′のコレク
タ電位をベース電位よりも十分に高くするための条件を
検討するにあたっては、負荷MOSトランジスタ13,13′と
定電流用MOSトランジスタ14との関係について検討すれ
ば足りることとなる。
Therefore, in considering the conditions for making the collector potentials of the bipolar transistors 15 and 15 'sufficiently higher than the base potential, the relationship between the load MOS transistors 13 and 13' and the constant current MOS transistor 14 should be examined. Will be enough.

負荷MOSトランジスタ13,13′を非飽和領域で動作させる
場合、定電流用MOSトランジスタ14の供給電流をIC
し、負荷MOSトランジスタのゲート・ソース間電圧、し
きい値、ドレイン・ソース間電圧をそれぞれVGS,L,V
th,L,VDS,Lとして、 IC=β{(VGS,L−Vth,L)VDS,L−VDS,L 2/2} ・
・・(5) が成立する。この式からわかるように、負荷MOSトラン
ジスタを非飽和領域で動作させる場合には、この負荷MO
Sトランジスタのドレイン・ソース間電圧VDS,Lは、供
給電流ICに対して一義的に決まる。
When the load MOS transistors 13 and 13 'are operated in the non-saturation region, the supply current of the constant current MOS transistor 14 is set to I C, and the gate-source voltage, threshold value, drain-source voltage of the load MOS transistor are set to V GS, L , V respectively
th, L, V DS, as L, I C = β L { (V GS, L -V th, L) V DS, L -V DS, L 2/2} ·
.. (5) is established. As can be seen from this equation, when operating the load MOS transistor in the non-saturation region, this load MO transistor
The drain-source voltage V DS, L of the S transistor is uniquely determined with respect to the supply current I C.

これに対して、負荷MOSトランジスタ13,13′を飽和領域
で動作させる場合には、ICは、定電流源用MOSトランジ
スタ14のゲート・ソース間電圧、しきい値をそれぞれV
GS,C,Vth,Cとして、 IC=β(VGS,C−Vth,C2/2 ・・・(6) で表される。すなわち、この式にはVDS,Lが含まれてい
ないので、負荷MOSトランジスタ13,13′を飽和領域で動
作させる場合には、この負荷MOSトランジスタのドレイ
ン・ソース間電圧VDS,Lは、定電流用MOSトランジスタ1
4の供給電流ICに対して一義的に決まらず、自由な値を
取れることとなってしまう。
On the other hand, when the load MOS transistors 13 and 13 'are operated in the saturation region, I C is the gate-source voltage of the constant current source MOS transistor 14 and the threshold value is V, respectively.
GS, C, V th, as C, I C = β C ( V GS, C -V th, C) is expressed by 2/2 (6). That is, since V DS, L is not included in this equation, when operating the load MOS transistors 13, 13 ′ in the saturation region, the drain-source voltage V DS, L of the load MOS transistors is MOS transistor for constant current 1
The supply current I C of 4 is not uniquely determined and a free value can be obtained.

バイポーラトランジスタ15,15′のコレクタ電位をベー
ス電位よりも十分に高く保つためにはVDS,Lを一定させ
る必要があるので、負荷MOSトランジスタ13,13′は非飽
和領域で動作させる必要があるということになる。
Since it is necessary to keep V DS, L constant in order to keep the collector potential of the bipolar transistors 15 and 15 'sufficiently higher than the base potential, the load MOS transistors 13 and 13' need to operate in the non-saturation region. It turns out that.

ここで、上式(5)の最大値は、負荷MOSトランジスタ1
3,13′の非飽和領域と飽和領域との境界値となる。すな
わち、式(5)の最大値は、 β(VGS,L−Vth,L2/2 ・・・(7) となる。負荷MOSトランジスタ13,13′は非飽和領域で動
作させるためには、(6)の右辺は、(7)よりも十分
に大きい値でなければならない。すなわち、 β(VGS,L−Vth,L2/2 ≫β(VGS,C−Vth,C2/2 ・・・(8) となる。
Here, the maximum value of the above equation (5) is the load MOS transistor 1
It is the boundary value between the unsaturated region and the saturated region of 3,13 '. That is, the maximum value of formula (5) is, β L (V GS, L -V th, L) becomes 2/2 (7). In order for the load MOS transistors 13 and 13 'to operate in the non-saturation region, the right side of (6) must have a value sufficiently larger than that of (7). In other words, the β L (V GS, L -V th, L) 2/2 »β C (V GS, C -V th, C) 2/2 ··· (8).

このとき、VGS,L=VGS,C=VDD,Vth,L=Vth,Cとすれ
ば、 β≫β ・・・(9) となる。さらに、上述したようにβ≫βなので、 β(VGS,T−Vth,T2/2 ≫β(VGS,L−Vth,L2/2 ≫β(VGS,C−Vth,C2/2 ・・・(10) が成立し、これにより、結局、 β≫β≫β ・・・(11) となる。
At this time, if V GS, L = V GS, C = V DD , V th, L = V th, C , then β L >> β C (9). Moreover, since β T »β L as described above, β T (V GS, T -V th, T) 2/2 »β L (V GS, L -V th, L) 2/2 »β C ( V GS, C -V th, C ) 2/2 ··· (10) is satisfied, thereby, eventually, a β T »β L »β C ··· ( 11).

なお、上述のように、本発明では、負荷MOSトランジス
タ13,13′の代わりに通常の抵抗素子を使用することも
可能であるが、かかる抵抗素子を使用する場合には、上
式(10)に代えて、 β(VGS,T−Vth,T2/2 ≫VR/R ≫β(VGS,C−Vth,C2/2 ・・・(12) が成立するように、抵抗素子の抵抗値Rを定めればよ
い。なお、VRは、この抵抗素子の端子間電圧である。
As described above, in the present invention, it is possible to use a normal resistance element instead of the load MOS transistors 13 and 13 '. However, when such a resistance element is used, the above formula (10) is used. instead, β T (V GS, T -V th, T) 2/2 »V R / R »β C (V GS, C -V th, C) 2/2 ··· (12) is satisfied Therefore, the resistance value R of the resistance element may be determined. Incidentally, V R is the voltage between the terminals of the resistor element.

上式(11)により、トランスファゲート20,20′の相互
コンダクタンスgmTは負荷MOSトランジスタ13,13′の相
互コンダクタンスgmLより大きくしなければならず、且
つ、この相互コンダクタンスgmLは定電流源用トランジ
スタ14の相互コンダクタンスgmCよりも大きくしなけれ
ばならないことがわかる。
According to the above equation (11), the transconductance g mT of the transfer gates 20 and 20 'must be larger than the transconductance g mL of the load MOS transistors 13 and 13', and this transconductance g mL is constant current source. It can be seen that it must be larger than the mutual conductance g mC of the transistor 14 for use.

ただし、相互コンダクタンスgmcを余り小さくすると、
バイポーラトランジスタ15,15′のコレクタから取出さ
れる出力電圧の振幅を大きくとることができなくなるの
で、適当な値を選ぶ必要がある。
However, if the mutual conductance g mc is too small,
Since the amplitude of the output voltage taken out from the collectors of the bipolar transistors 15 and 15 'cannot be made large, it is necessary to select an appropriate value.

なお、トランスファーゲート20,20′としてMOSトランジ
スタを使用することとしたのは、バイポーラトランジス
タを使用することとすると該バイポーラトランジスタの
PN接合によりバイポーラトランジスタ15,15′のコレク
タ電位が低くなってしまい、当該コレクタ電位を上昇さ
せるという効果が低減されるからである。
The reason why the MOS transistors are used as the transfer gates 20 and 20 'is that if a bipolar transistor is used,
This is because the collector potential of the bipolar transistors 15 and 15 'is lowered by the PN junction, and the effect of raising the collector potential is reduced.

第3図は、本実施例の半導体記憶装置に係わるセンスア
ンプ(ただし、gmL/gmc=4とした)の入力電圧(ビッ
ト線3,4の電位)を変化させた場合の出力電圧の変化を
過渡解析シミュレーションにより求めた特性図である。
同図(a)は本発明の半導体記憶装置に係わるセンスア
ンプの出力電圧の波形図、同図(b)は第5図に示した
従来の半導体記憶装置に係わるセンスアンプの出力電圧
波形図、同図(c)は入力電圧の変化を示す波形図であ
る。同図からわかるように、本実施例の半導体記憶装置
によれば、ビット線3,4の電位差を読み出す際の増幅度
および反応速度を向上させることができる。
FIG. 3 shows the output voltage when the input voltage (the potential of the bit lines 3 and 4) of the sense amplifier (provided that g mL / g mc = 4) related to the semiconductor memory device of this embodiment is changed. It is a characteristic view which asked for change by transient analysis simulation.
5A is a waveform diagram of the output voltage of the sense amplifier according to the semiconductor memory device of the present invention, and FIG. 7B is a waveform diagram of the output voltage of the sense amplifier according to the conventional semiconductor memory device shown in FIG. FIG. 6C is a waveform diagram showing a change in the input voltage. As can be seen from the figure, according to the semiconductor memory device of the present embodiment, it is possible to improve the amplification degree and the reaction speed when reading out the potential difference between the bit lines 3 and 4.

さらに、本実施例に係わる半導体記憶装置では、レベル
シフトのためのMOSトランジスタ19,19′を設けることに
よってビット線3,4が比較的電源電圧VDDより低い電圧で
動作するようにしてある。このことにより、センスアン
プの出力電圧差を大きくとることができ、したがってセ
ンスアンプから出力端17までのゲート16の段数を減らす
ことができるので、その分高速化が図れることとなる。
Further, in the semiconductor memory device according to the present embodiment, the MOS transistors 19 and 19 'for level shifting are provided so that the bit lines 3 and 4 operate at a voltage relatively lower than the power supply voltage V DD . As a result, the output voltage difference of the sense amplifier can be made large, and the number of stages of the gate 16 from the sense amplifier to the output terminal 17 can be reduced, and the speed can be increased accordingly.

第4図は、半導体集積回路によって第1図で示すセンス
アンプの片側を実現する場合の素子構成を示す素子断面
図である。
FIG. 4 is an element sectional view showing an element configuration in the case where one side of the sense amplifier shown in FIG. 1 is realized by a semiconductor integrated circuit.

同図によれば、P型シリコン基板21内に、負荷用のトラ
ンジスタ13、定電流源用のトランジスタ14、及び検出用
トランジスタ15が形成されている。すなわち、負荷トラ
ンジスタ13はN型ウエル22内にP型領域を形成すること
でソースS及びドレインDを形成し、また定電流源用ト
ランジスタ14は基板21の表面に直接n型領域を形成する
ことでソースS及びドレインDを形成し、更に検出用ト
ランジスタ15はN型ウエル23をコレクタCとし、このウ
エル23内のP型領域をベースBに、このP型領域内のN
型領域をエミッタEにするようにして形成する。
As shown in the figure, a load transistor 13, a constant current source transistor 14, and a detection transistor 15 are formed in a P-type silicon substrate 21. That is, the load transistor 13 forms a source S and a drain D by forming a P-type region in the N-type well 22, and the constant current source transistor 14 forms an n-type region directly on the surface of the substrate 21. To form a source S and a drain D, and the detecting transistor 15 uses an N-type well 23 as a collector C, and a P-type region in this well 23 is a base B, and an N-type well in this P-type region is formed.
The mold region is formed so as to serve as the emitter E.

この様な構成は周知のCMOSプロセスを採用することによ
り比較的容易に形成し、かつ集積化できる。
Such a structure can be formed and integrated relatively easily by adopting the well-known CMOS process.

なお、本実施例においてはビット線の検出用トランジス
タ15,15′をNPNトランジスタとして構成した場合につい
て説明したが、PNPトランジスタとしてもよいのはもち
ろんのことである。この場合には、定電流源用のMOSト
ランジスタ14および負荷用のMOSトランジスタ13,13′の
極性を合わせる必要がある。
Although the case where the bit line detection transistors 15 and 15 'are configured as NPN transistors has been described in the present embodiment, it goes without saying that they may be PNP transistors. In this case, it is necessary to match the polarities of the constant current source MOS transistor 14 and the load MOS transistors 13, 13 '.

また、本実施例では、本発明の「バイポーラトランジス
タ対」をトランジスタ15,15′で構成したが、バイポー
ラトランジスタをダーリントン接続したものを用いて構
成してもよい。
Further, in the present embodiment, the "bipolar transistor pair" of the present invention is composed of the transistors 15 and 15 ', but it may be composed of bipolar transistors connected in Darlington.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明によれば、ビット線の電位
を検出するためのトランジスタとしてエミッタが共通接
続されたバイポーラトランジスタを用い、これらのビッ
ト線をベースに接続してコレクタから電位差の増幅され
た信号を取り出すこととしたので、ビット線の電位差が
微小な場合でもその変化を高速に検出し、しかも高増幅
度で出力することができる半導体記憶装置を提供するこ
とができる。
As described above, according to the present invention, a bipolar transistor whose emitter is commonly connected is used as a transistor for detecting the potential of a bit line, and the potential difference is amplified from the collector by connecting these bit lines to the base. Since the signal is extracted, it is possible to provide a semiconductor memory device capable of detecting the change at high speed even when the potential difference between the bit lines is small and outputting the signal with a high amplification degree.

また、検出用バイポーラトランジスタ対と共通負荷素子
との間にトランスファーゲート対を設け、このトランス
ファーゲート対をコラムデコーダ信号にしたがって制御
することによりコラム選択を行うこととしたので、ビッ
ト線の設定電位を変更することによってコラム選択を行
う半導体記憶装置と比較して、コラム選択に要する時間
を短縮することができ、この点でも半導体記憶装置の動
作速度の向上を図ることができる。
Further, since a transfer gate pair is provided between the detection bipolar transistor pair and the common load element, and the column selection is performed by controlling the transfer gate pair in accordance with the column decoder signal, the set potential of the bit line is set. By making the change, the time required for column selection can be shortened as compared with a semiconductor memory device that performs column selection, and also in this respect, the operating speed of the semiconductor memory device can be improved.

さらに、本発明では、定電流源の供給電流よりも大きい
飽和ドレイン電流を有するMOSトランジスタでトランス
ファーゲート対を構成して検出用バイポーラトランジス
タ対のコレクタ側に設けたことにより、かかる検出用バ
イポーラトランジスタ対を非飽和領域で動作させること
ができるので、検出用バイポーラトランジスタ対の動作
を高速化することができ、このことによっても半導体記
憶装置の動作を高速化を図ることができる。
Further, according to the present invention, the transfer gate pair is constituted by MOS transistors having a saturated drain current larger than the supply current of the constant current source, and the transfer gate pair is provided on the collector side of the detection bipolar transistor pair. Can be operated in the non-saturated region, so that the operation of the detection bipolar transistor pair can be speeded up, and this can also speed up the operation of the semiconductor memory device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係わる半導体記憶装置の構成を概略的
に示す回路図、第2図はMOSトランジスタのドレイン・
ソース間電圧とドレイン電流との関係を示したグラフ、
第3図は入出力電圧の変化を示す特性図、第4図は第1
図の実施例の一部をシリコン基板内に実現した場合を示
す素子断面図、第5図は従来の半導体記憶装置の構成を
示す回路図である。 3,4……ビット線、13,13′……負荷用MOSトランジス
タ、14……定電流源用MOSトランジスタ、15,15′……検
出用バイポーラトランジスタ、19,19′……レベルシフ
ト用トランジスタ、20,20′……トランスファゲート。
FIG. 1 is a circuit diagram schematically showing the structure of a semiconductor memory device according to the present invention, and FIG.
A graph showing the relationship between source voltage and drain current,
FIG. 3 is a characteristic diagram showing changes in input / output voltage, and FIG.
FIG. 5 is a device sectional view showing a case where a part of the embodiment shown in the drawing is realized in a silicon substrate, and FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional semiconductor memory device. 3,4 …… bit line, 13,13 ′ …… load MOS transistor, 14 …… constant current source MOS transistor, 15,15 ′ …… detection bipolar transistor, 19,19 ′ …… level shift transistor , 20,20 '…… Transfer gate.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】MOSトランジスタで構成されてマトリクス
状に配置された複数のメモリセルと、これらのメモリセ
ルの列ごとに設けられて同じ列のメモリセルにそれぞれ
接続された複数の相補的なビット線対と、これらのビッ
ト線対から読み出した信号を増幅して出力するセンスア
ンプとを有する半導体記憶装置であって、 前記センスアンプが、 前記ビット線対にそれぞれベースが接続された、複数の
検出用バイポーラトランジスタ対と、 前記検出用バイポーラトランジスタ対の前記エミッタに
共通接続された定電流源と、 この定電流源の供給電流よりも大きい飽和ドレイン電流
を有するMOSトランジスタで構成され、それぞれの一端
が前記検出用バイポーラトランジスタ対のコレクタに接
続され且つそれぞれの制御電極がコラムデコーダ信号を
入力する、複数のトランスファーゲート対と、 これらのトランスファーゲート対を構成する前記MOSト
ランジスタの他端にそれぞれ共通接続された共通負荷素
子と、 を有することを特徴とする半導体記憶装置。
1. A plurality of memory cells which are composed of MOS transistors and are arranged in a matrix, and a plurality of complementary bits which are provided for each column of these memory cells and are respectively connected to the memory cells of the same column. A semiconductor memory device comprising: a line pair; and a sense amplifier that amplifies and outputs a signal read from the bit line pair, wherein the sense amplifier has a plurality of bases connected to the bit line pair. A pair of detecting bipolar transistors, a constant current source commonly connected to the emitter of the pair of detecting bipolar transistors, and a MOS transistor having a saturated drain current larger than the supply current of the constant current source. Are connected to the collectors of the pair of detecting bipolar transistors, and the respective control electrodes receive the column decoder signal. A semiconductor memory device comprising: a plurality of input transfer gate pairs; and a common load element commonly connected to the other ends of the MOS transistors forming the transfer gate pairs.
【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の半導体装置に
おいて、前記検出用バイポーラトランジスタのコレクタ
が、一導電型の半導体基板内に形成した逆導電型ウエル
からなることを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the collector of the detection bipolar transistor is a well of opposite conductivity type formed in a semiconductor substrate of one conductivity type. .
【請求項3】特許請求の範囲第1項記載の半導体装置に
おいて、前記共通負荷素子がMOSトランジスタからなる
ことを特徴とする半導体記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the common load element is a MOS transistor.
【請求項4】特許請求の範囲第1項記載の半導体装置に
おいて、前記検出用バイポーラトランジスタのベースと
前記ビット線との間にレベルシフト回路を備えたことを
特徴とする半導体記憶装置。
4. The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a level shift circuit between the base of the detecting bipolar transistor and the bit line.
【請求項5】特許請求の範囲第1項〜第4項記載の半導
体装置において、前記検出用バイポーラトランジスタ対
が2組のバイポーラトランジスタ回路で構成され、各バ
イポーラトランジスタ回路がカスケード接続された複数
のバイポーラトランジスタからなることを特徴とする半
導体装置。
5. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, wherein the detection bipolar transistor pair is composed of two sets of bipolar transistor circuits, and each of the bipolar transistor circuits is cascade-connected. A semiconductor device comprising a bipolar transistor.
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