JPS59163858A - Gaas logic integrated circuit - Google Patents

Gaas logic integrated circuit

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JPS59163858A
JPS59163858A JP58037501A JP3750183A JPS59163858A JP S59163858 A JPS59163858 A JP S59163858A JP 58037501 A JP58037501 A JP 58037501A JP 3750183 A JP3750183 A JP 3750183A JP S59163858 A JPS59163858 A JP S59163858A
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gaasfet
dfet
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turned
efet
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Yasuo Igawa
井川 康夫
Akimichi Hojo
北條 顕道
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • H03K19/0008Arrangements for reducing power consumption
    • H03K19/0013Arrangements for reducing power consumption in field effect transistor circuits
    • HELECTRICITY
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Abstract

PURPOSE:To reduce power consumption per a gate by controlling a DFET for a load by an input signal to turn the DFET ON-OFF and operating the DFET in a false complementary type. CONSTITUTION:When an input signal VIN is at a high level, an EFET 51 and a DFET 53 in a driver are turned ON, voltage 56a, 56b among drains and sources operates as limiters to gates in the EFET 51 and the DFET 53, and the flow-in of currents from the gates are inhibited. The drain potential of the DFET 53 is brought to approximately control voltage VSS, and applied to a gate in a DFET 52. On the other hand, when the pinch-OFF voltage of the DFET 52, the both terminal voltage of diodes 541, 542, voltage VSS, etc. are set under some conditions, the EFET 51 is turned ON and the DFET 52 is turned OFF when the signal VIN is at the high level. When the signal VIN is at a low level, the DFET 53 and the EFET 51 are turned OFF, and the DFET 52 is turned ON.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はGaAs論理集積回路に関するものである。[Detailed description of the invention] [Technical field of invention] The present invention relates to GaAs logic integrated circuits.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

従来GaAs論理集積回路(以下GaAsICと略称)
の回路構成法としては、BFL (Bufferea 
FETLogic ) 、 5DFL (5chott
ky Diode FET Loglc)又tri D
CFL (Direct Coupled FET L
ogic )と呼ばれるものが知られ各所で精力的な研
究開発が行なわれている。回路の構成要素には、FET
 、ダイオード、抵抗等がある。このうちGaAsIC
実現上鏝も重要なFETとしてはショットキーケ゛−ト
型FET (MESF”ET )を用いるがこれには大
別して2種類ある。すなわちノーマリオン型FETと後
者は、ケ″−1−電圧零〇時非導通状態にありエンハン
スメント型とも呼称されている。以下、ノーマリオンa
’↓F’ETをDFET 、ノーマリオフ型、、FET
全EFE’I’と呼ぶ。DFETを基本Ti’ETとし
だ回’ 降カDCFLf9ル。第1図にBET、 、第
2図に5r)F’L 。
Conventional GaAs logic integrated circuit (hereinafter abbreviated as GaAsIC)
As a circuit configuration method, BFL (Bufferea
FETLogic), 5DFL (5chott
ky Diode FET Loglc) and tri D
CFL (Direct Coupled FET L
ologic) is known, and vigorous research and development is being carried out in various places. The circuit components include FET
, diodes, resistors, etc. Among these, GaAs IC
Schottky gate FETs (MESFETs) are used as FETs that are important for implementation, but they can be roughly divided into two types: normally-on FETs and the latter, which It is in a non-conducting state and is also called an enhancement type. Below, normalion a
'↓F'ET to DFET, normally off type, FET
All EFEs are called 'I'. When the DFET is basically Ti'ET', the DCFLf9 is dropped. BET in Figure 1, 5r) F'L in Figure 2.

、−、□・ 第′3図にDCFLの回路構成を示す。,−,□・ Figure '3 shows the circuit configuration of the DCFL.

第1図のBFLにおいては、ドライバとなるDFETエ
ユ(I11〜114 )と負荷となるDFET12を直
列に配し、入力信号VINを反転させる。
In the BFL of FIG. 1, DFET units (I11-114) serving as drivers and DFET 12 serving as a load are arranged in series, and the input signal VIN is inverted.

この反転し7た信置1ノベルに、次段の入力デートがD
F’ETで構成されているためその!、捷では使えず、
レベルシフト’(r行なう必要がある。そのため出力段
に、ソースフォロワDFET 13 、ショットキーダ
イオードz4(141〜I43 )および電流源として
のDFET 15からなるI/ベルシフト回路を設けて
いる。乙のレベルシフト回路には電流源としてのDFE
T 15によって常に電流が流ね、ており従って消費電
力は大きい。
The input date of the next stage is D
Because it is composed of F'ET! , cannot be used in Kashi,
It is necessary to perform a level shift '(r). Therefore, an I/bell shift circuit consisting of a source follower DFET 13, a Schottky diode z4 (141 to I43), and a DFET 15 as a current source is provided in the output stage. The shift circuit uses a DFE as a current source.
Current always flows due to T15, so power consumption is large.

第2図に示す5DFLにおいては、DF’ET 21を
ドライバ、DFET22を負荷としてインバータを4− 構成するが、その入力部で入力信号のレベルシフトを行
なう。即ち、論理ダート用ショットキーダイオード2s
 (、? sI 、z s2 )、レベルシフト用ショ
ットキーダイオード24および電流源用DFET 25
により入力部レベルシフト回路を構成して、インバータ
のドライバEFET 21をいることのためにBFLに
比べ消費電力は小さくなるが、しかしやはりレベルシフ
トのために電力を消費せざるを得ない。
In the 5DFL shown in FIG. 2, an inverter is configured with a DF'ET 21 as a driver and a DFET 22 as a load, and the level shift of the input signal is performed at its input section. That is, Schottky diode 2s for logic dirt
(,?sI,zs2), Schottky diode 24 for level shift and DFET 25 for current source
Since the input level shift circuit is constituted by this and the inverter driver EFET 21 is included, the power consumption is lower than that of the BFL, but power must still be consumed for the level shift.

第3図に示すDCFLにおいては、ドライバにEFET
 31を用い、負荷にDFgT、9.、?を用いる。
In the DCFL shown in Fig. 3, an EFET is used as a driver.
31, DFgT as the load, 9. ,? Use.

このため出力信号VOUTの7ベルは次段のデートを動
作させることができ、入力信号vINとレペルコンノ平
ティプルにすることができる。従って、BF’Lや5D
FI、の場合のようなレベルシフト回路が不要でそれだ
け低消費電力で動作させることが5− できる。その反面、EFETをドライバとしているため
、低レベルを出力するためには負荷のDFETとしてI
SSライ上り電流容量の小さいものを用いなければなら
ず、従ってドライブ能力にかけ、動作速度がやや遅くな
るという難点がある。
Therefore, the 7th level of the output signal VOUT can operate the date of the next stage, and can be made to be a level tipple with the input signal vIN. Therefore, BF'L and 5D
There is no need for a level shift circuit as in the case of FI, and operation can be performed with lower power consumption. On the other hand, since the EFET is used as a driver, in order to output a low level, it is necessary to use I as the load DFET.
It is necessary to use a device with a small SS rise current capacity, which has the disadvantage that the drive ability is affected and the operating speed is somewhat slow.

第4図に、現在まで報告されている各種論理、集積回路
のr−)当り遅延時間と消費電力の関係を示す。GaA
s−ではDCF’Lが最も低消費電力であることが明ら
かであるが、DI’ETを用いるBFI。
FIG. 4 shows the relationship between delay time per r-) and power consumption of various logics and integrated circuits that have been reported up to now. GaA
It is clear that DCF'L has the lowest power consumption in s-, but BFI using DI'ET.

1や5DFLに比べて動作速度はやや遅いという傾向J
”ある。消費電力については、Ga’A sはStのよ
ところでGaAsICの高集積化を考えた場合、ICの
放熱条件を考えると1チップ当り1w程度と考えるのが
、実用上の上限である。これは5tICの例をそのまま
適用したもので、GaAsの場合Siに比べて熱伝導率
が小さいということもあって、その上限はStに比べて
低い可能性もある。
The operating speed tends to be slightly slower than 1 and 5DFL.
``Yes. Regarding power consumption, Ga'As is St, so when considering the high integration of GaAs IC, the practical upper limit is about 1 W per chip considering the heat dissipation conditions of the IC. This is a direct application of the 5t IC example, and in the case of GaAs, the thermal conductivity is lower than that of Si, so the upper limit may be lower than that of St.

6− そこで、数1000ダ一ト規模以上のGaAsLSIを
実現しようとすれば、ケ”−11りの消費電力は数10
0μwB下にする必要がある。BF’LやSDF’Lで
これを実現するのは無理であるし、DCFLを用いても
、困難を伴なうことが予想される。
6- Therefore, if we try to realize a GaAs LSI with a scale of several thousand Daltons or more, the power consumption will be several tens of thousands.
It is necessary to lower it to below 0 μwB. It is impossible to achieve this using BF'L or SDF'L, and even if DCFL is used, it is expected that difficulties will occur.

またDCFLの場合、集積度が大きくなった時増大する
負荷のために動作速度の遅くなり方が激しいという問題
がある。これはDCFLのドライブ能力の小ささに起因
している。従ってデート当りの伝播遅延時間τ、dの負
荷依存性はDCFT、の場合=:力るため、接地面との
間の容量は大きな負荷と]i i:′なるし、又、多層配線のクロスオーバ一部の容X
:′。
Further, in the case of DCFL, there is a problem in that the operating speed becomes slower due to the increased load as the degree of integration increases. This is due to the small drive ability of the DCFL. Therefore, the load dependence of the propagation delay time τ and d per date is for DCFT, so the capacitance between the ground plane and the ground plane becomes a large load. Over some amount
:′.

・11も負荷となる。その上、1つの論理r−)の・; ″”出力は一般にいくつかの論理ダートの人力に接続さ
れることが巨1路構成上必要で、この次段の入力容量も
大きな負荷となる。これらの容量負7− 荷は、幅4. l1mの配線で100〜200 fF/
rtan 。
・No. 11 is also a load. Moreover, it is generally necessary for the output of one logic r-) to be connected to the power of several logic darts due to the large one-way configuration, and the input capacity of this next stage also becomes a large load. These capacitive loads have a width of 4. 100-200 fF/ with 1m wiring
rtan.

4μm×4μmのクロスオーバーでは5〜10fF/4
固、ファンアウト1つ当り100〜200 fF程度と
見積られ、IC中の平均配線長を31Il+11.平均
ファンアウトを3.平均クロスオーバーを20個とする
と、1論理ダートが負う負荷容量は07〜]、、 4 
pFとなる。これはダート長1μm、ダート幅10〜2
0μm程度のFETで構成されるDCFL論理ダートの
場合、電流駆動能力数mAとすれば数100声のτ、d
に相当する。更に、ICの外部回路とのインタフェース
を考えると、出力回路は内部回路の容量負荷より1桁U
上大きな負荷を駆動する必要が生じる。この出力回路に
おいてICの速度全損なわないようにすると、出力11
・”、1 8− 府実現しようとすると、現在知られている回路構成では
極めて困難を伴なうことがわかる。
5 to 10 fF/4 for a 4 μm x 4 μm crossover
However, it is estimated that each fanout is about 100 to 200 fF, and the average wiring length in the IC is 31Il+11. The average fanout is 3. If the average number of crossovers is 20, the load capacity carried by one logical dart is 07~],, 4
pF. This is a dart length of 1 μm and a dart width of 10 to 2
In the case of a DCFL logic dart composed of FETs of about 0 μm, the current drive capacity is several mA, and the τ, d is several hundred tones.
corresponds to Furthermore, when considering the interface with the external circuit of the IC, the output circuit is an order of magnitude higher than the capacitive load of the internal circuit.
Moreover, it becomes necessary to drive a large load. In this output circuit, if the speed of the IC is not lost, the output 11
・”, 1 8- It turns out that if we try to realize this, it will be extremely difficult with the currently known circuit configurations.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、これら従来のGaAsIC回路構成の欠点に
鑑みなされたもので、ケ゛−ト当りの消費電力が小さく
、なおかつ負荷増大にも耐えうるドライブ能力の大きな
基本ダート回路構成を提供することを目的とする。
The present invention was made in view of these drawbacks of the conventional GaAs IC circuit configuration, and aims to provide a basic dirt circuit configuration with low power consumption per card and high drive capacity that can withstand increased loads. shall be.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、ドライバとしてEFET、負荷としてDFE
T ’e用いたインバータ回路を基本とし、その負荷用
DFgTを人力信号によって制御してオン、オフさせ、
疑似相補型の動作を行なわせる。具体的にはドライバと
してのEFET (第1のGaAsFET )と負荷と
してのDFET (第2のGaAsFET )の間にレ
ベルシフト用のショットキーGaAaダイオードを1個
以上介在させたインバータを構成し、入力信号により制
御されて所定の制御電源を第2のGaAsFETのデー
トに゛選択的に供給するDFET (第3のGaAsF
ET )を設けると共に、第29− 「のGaAsFETのドレイン・デート間にダート・ソ
ース間を共通接続したDFET(第4のGaAsFET
 )を介在させる。壕だゲート・ソース間を共通接続し
たDFET (第5のGaAsFET )を用意してそ
のソースを第1のGaAsFETのダートに、ドレイン
を信号入力端子に接続し、更にダート・ソース間を共通
接続したDFET (第6のGaAsFET ) f用
意してそのソースを第3のGaAsFETのダートに、
ドレイン全信号入力瑞子に接続する。そして、各素子特
性および各部の電位関係を設定することにエリ、■入力
信号が茜レベルで第1のGaAaFETがオンとなると
き、第3のGaAsFETをオンにして第2のGaAs
FETにそのダート・ソース間電圧がピンチオフ電圧以
下となるような制御電圧を与えて、第2のGaAsFE
T f、Hオフにする。例えば第3のGaAsFETの
飽和ドレイン電流(ダート・ソース間電圧が零のときの
ドレイン電流)を第4のGaAsFETのそれより大キ
くシておけば、前記制御電源をほぼその−1ま第2のQ
aAsFETのケ゛−トに与えてこれをオフにすること
ができる。
The present invention uses an EFET as a driver and a DFE as a load.
Based on an inverter circuit using T'e, the load DFgT is controlled on and off by human power signals,
Performs pseudo-complementary operation. Specifically, an inverter is constructed in which one or more Schottky GaAa diodes for level shifting are interposed between an EFET (first GaAsFET) as a driver and a DFET (second GaAsFET) as a load. DFET (third GaAsFET) that selectively supplies a predetermined control power to the second GaAsFET
A DFET (fourth GaAsFET
) to intervene. We prepared a DFET (fifth GaAsFET) whose gate and source were commonly connected, and connected its source to the dirt of the first GaAsFET and its drain to the signal input terminal, and further connected the dirt and source in common. Prepare DFET (sixth GaAsFET) f and connect its source to the third GaAsFET dart,
Connect the drain to all signal inputs. Then, it is necessary to set the characteristics of each element and the potential relationship of each part. (1) When the input signal is at the Akane level and the first GaAaFET is turned on, the third GaAsFET is turned on and the second GaAsFET is turned on.
The second GaAsFE is
Turn T f, H off. For example, if the saturation drain current (drain current when the dirt-source voltage is zero) of the third GaAsFET is made larger than that of the fourth GaAsFET, the control power supply can be set to approximately -1 or -2. Q of
can be applied to the aAsFET gate to turn it off.

10− ■また入力信号が低レベルで第1のGaAsFETがオ
フになるとき、第3のGaAsFET ’、1オフにし
てオンのときも貫通電流が流れることはない。またDC
FLと異なり、負荷Ii’ETの電流容筐を大きくでき
るから、ドライ・−? FETがオフのときに次段に十
分な負荷電流を供給できるドライブ能力金持たせ得る。
10-2 Furthermore, when the input signal is at a low level and the first GaAsFET is turned off, no through current flows even when the third GaAsFET' is turned off and turned on. Also DC
Unlike FL, the current capacity of the load Ii'ET can be increased, so dry -? It is possible to provide a drive capability capable of supplying sufficient load current to the next stage when the FET is off.

また負荷FET Q制御するための第3.第40GaA
sFETの回路部分は負荷FETのみを負荷とするので
駆動能力の小さい低消費電力構造としても高速性が損な
われない。
There is also a third filter for controlling the load FET Q. 40th GaA
Since the sFET circuit section uses only the load FET as a load, high speed performance is not impaired even if the drive capacity is low and the power consumption is low.

更に第1.第3のGaAsFETのダートと信号入力端
子との間にそれぞれ第5.第6のGaAsF”ETを介
在させたことにより、入力信号レベルが第1、第3のG
aAsFETのフランジ電圧より高い場合にもこれらの
ケゝ−トからの電流の流れ込みを効果的に抑制すること
ができ、また主電源電圧レベルを高くした場合に低レベ
ル出力の浮き上りを防止して安定なイン・ぐ−夕動作を
行なうこる。
Furthermore, the first. A 5th. By interposing the sixth GaAsF"ET, the input signal level is lower than that of the first and third G
It can effectively suppress the current flow from these gates even when the voltage is higher than the flange voltage of the aAsFET, and also prevents the low level output from rising when the main power supply voltage level is increased. It performs stable in/out movements.

ライパとなるEFET (第1のGaAsFET ) 
51と負荷となるDFET (第2のGaAsFET 
) 52を主電源VDDと接地間に直列接続してインバ
ータを構成するのが基本である。EFET 51のドレ
インとDFET 52のソース間にはレベルシフト用の
ショットキーGaAsダイオード54(541、5rt
2)を設けている。負荷としてのDFET 52のデー
トはDFET (第3のGaAsFET ) 53を介
して制御電源VSSに接続すると共に、ダート・ソース
間を共通接続したDFET(第4のGaAsFET )
 55 k介してドレイン、即ち主電源VDDに接続し
ている。
EFET that will become a Lyper (first GaAsFET)
51 and the load DFET (second GaAsFET
) 52 are connected in series between the main power supply VDD and ground to form an inverter. A Schottky GaAs diode 54 (541, 5rt
2). The date of the DFET 52 as a load is connected to the control power supply VSS via a DFET (third GaAsFET) 53, and a DFET (fourth GaAsFET) that is commonly connected between dirt and source.
55k to the drain, ie, to the main power supply VDD.

ここでDFET 53はその飽和ドレイン電流がDFE
T55のそれより大きくなるように設定されている。ま
た制御電源VSSは主電源VDDに対して0 < Vs
s < ’VDDなる所定の値に設定されている。
Here, DFET 53 has a saturation drain current of DFE
It is set to be larger than that of T55. Also, the control power supply VSS is 0 < Vs with respect to the main power supply VDD.
It is set to a predetermined value such that s<'VDD.

入力信号vINはダート・ソース間を共通接続さダート
にも供給されるようになっている。出力= 褥号VOUTはEFET 51のドレインから取出され
まず入力信号v1Nが高レベル(vH)であると、ドラ
イバのEFET 51とDFET 53はオン(導通状
態)となる。その条件は、DFET 53のビンチオ1
3− フ電圧全V、2 、 EFET 51のスレッショルド
電圧をVthとすると、 VH−VrErb > Vss +Vp2      
 ■VHVyEra > Vt1t         
  ■と表わされる。但しVFETaはDFET 56
 aのトンイン・ソース間電圧+ VFETbばDIi
’ET 56 bのドレイン・ソース間電圧である。こ
れら2つのDFET56a、 56 bはEFgT 5
1 、 DFET 53のダートに印加される入力信号
がダート・ソース間のクランf電圧以上になってダート
からソースに向けて電流が流れ出すと、自分自身のトン
イン・ソース間電位差を増大させ、EFET 51 。
The input signal vIN is also supplied to the dart through a common connection between the dart and the source. Output = VOUT is taken out from the drain of EFET 51. First, when input signal v1N is at a high level (vH), driver EFET 51 and DFET 53 are turned on (conducting state). The condition is DFET 53 Vincio 1
3- If the total voltage is V, 2, and the threshold voltage of EFET 51 is Vth, then VH-VrErb > Vss +Vp2
■VHVyEra > Vt1t
It is expressed as ■. However, VFETa is DFET 56
Ton-in-source voltage of a + VFETb DIi
'ET 56 b's drain-source voltage. These two DFETs 56a, 56b are EFgT 5
1. When the input signal applied to the dart of DFET 53 exceeds the clan f voltage between the dart and the source, and a current starts flowing from the dart to the source, it increases its own potential difference between the tunnel and the source, and the EFET 51 .

DFET 53のr−)にある一定以上の電流が流れな
いようなリミッタとしての動作を行なう。そ6閾値電流
はDFET 56 a 、 56 b ノ飽和トレイン
電流に等しい。従ってこの飽和電流値がEF’ET51
 、 DFET 53(D)ランプ電aEVCE + 
VCDにお14− ンプ電圧に保持され、ダートに流れ込む電流はこれ以上
増大しない。フラソノ電王は当然Vth 。
It operates as a limiter so that a current exceeding a certain level does not flow through the DFET 53 (r-). The threshold current is equal to the saturation train current of DFETs 56a, 56b. Therefore, this saturation current value is EF'ET51
, DFET 53 (D) lamp electric aEVCE +
The VCD voltage is maintained at 14-amp voltage, and the current flowing into the dart does not increase any further. Furathono Den-O is of course Vth.

VF6.1:り大きい値でありEFET 51 、 D
FET 53のオン、オフ動作に影響は与えない。従っ
て■。
VF6.1: It is a large value and EFET 51, D
It does not affect the on/off operation of the FET 53. Therefore■.

■式はケ゛−ト電圧がクランプ電圧以下の場合で考えて
もよく VH> VSS + VF6            
 ■IVH> Vth              ■
′と書き換えることができる。
■Formula can be considered when the gate voltage is less than the clamp voltage: VH > VSS + VF6
■IVH>Vth ■
’ can be rewritten as

このトキ、DF’ET 53がオンであって、その飽和
ドレイン電位がDFET 55のそれより大きいことか
ら、DFET 53のドレイン電位はほぼVSSとなり
、これが負荷のDFET 52のケ9−トに印加される
。一方、EFET 5 Zがオンであるから、もしDF
ET 52がオンテあれば主電源vDDからDFET5
2→ダイオード54..542→EFET 51を通っ
て接地へと電流が流れる。乙のとき出力端電位をvOU
TI +ダイオード54.,542でのWE降下を2×
VDとすると、DFET 52のソース電位は 5 ]? ユ”  Vss < VOUTl+2 X VD 十V
pt     ■が成立するとDFET 52はオフ(
非導通状態)となる。そのための十分条件は、votr
T≧Oであるから、 Vs s < 2 X Vo + Vp l     
      ■′となる。
At this time, since DF'ET 53 is on and its saturation drain potential is higher than that of DFET 55, the drain potential of DFET 53 becomes approximately VSS, which is applied to the gate of DFET 52 as a load. Ru. On the other hand, since EFET 5 Z is on, if DF
If ET 52 is on, connect DFET5 from main power supply vDD
2→diode 54. .. Current flows through 542→EFET 51 to ground. When B, the output terminal potential is vOU
TI + diode 54. , 542 by 2×
VD, the source potential of DFET 52 is 5]? Vss < VOUTl+2 X VD 10V
When pt ■ is established, DFET 52 is turned off (
(non-conducting state). A sufficient condition for this is votr
Since T≧O, Vs s < 2 X Vo + Vp l
■' becomes.

こうして、■〜■′の条件を満たすことによって、DF
ET 52の過去の状態の如何にかかわらず、入力信号
vINが高VペルVHのとき、EFET 51はオン、
 DFET 52はオフとなる。
In this way, by satisfying the conditions ■~■′, DF
Regardless of the past state of ET 52, when input signal vIN is high V pel VH, EFET 51 is on;
DFET 52 is turned off.

次に入力信号vINが低レベルvT、であると、DFE
T 53とEFET 51はオフとなる。その条件は VL < VSS + Vl)2          
   ■VL<Vth              ■
と表わされる。このとき、DFET 53がオフとなる
のでそのドレイン電位はほぼ主電源VDD電位る。以上
の動作をする条件をまとめると、VH> VSS + 
Vl)2             C)’VH> V
th              ■′VBB (2X
 VD + Vp X(3)’VL < VSS + 
VF6             ■Vt、<Vth 
             ■Vg = Vot+tz
 = VDD −2X VD       ■VLミv
ou’rtと0         0となる。以上の式
において回路中にはダイオード順方向の立上り電圧相当
の電位が発生してい17− ることか前提となるが、これを満たすKは微小電流がダ
イオードに流れているだけで十分である。
Next, when the input signal vIN is at a low level vT, the DFE
T 53 and EFET 51 are turned off. The condition is VL < VSS + Vl)2
■VL<Vth■
It is expressed as At this time, since the DFET 53 is turned off, its drain potential is approximately equal to the main power supply VDD potential. To summarize the conditions for the above operation, VH > VSS +
Vl)2 C)'VH>V
th ■'VBB (2X
VD + Vp X(3)'VL < VSS +
VF6 ■Vt, <Vth
■Vg=Vot+tz
= VDD -2X VD ■VLmiv
out'rt and 0 0. The above formula assumes that a potential equivalent to the rising voltage in the forward direction of the diode is generated in the circuit, but it is sufficient for K to satisfy this if only a small current flows through the diode.

この実施例では、EFET 5 ZとDF”ET 52
は一方がオンのとき他方がオフであって、主電源VDD
→DFET 52→ダイオード541.542→制御電
源VSSの回路部は基本的には反転動作とレベルシフト
動作を行なうものであるが、その負荷はDFET 52
のデートだけなので、駆動能力の小さい低消費電力構造
としても高速性が損なわれることがない。
In this example, EFET 5Z and DF"ET 52
is when one is on and the other is off, and the main power supply VDD
→ DFET 52 → Diode 541.542 → The circuit section of control power supply VSS basically performs inversion operation and level shift operation, but its load is DFET 52
, even if the drive capacity is low and the power consumption is low, the high speed performance will not be compromised.

次に検討すべきは前段からの電流の流れ込み18− (次段への電流の流れ出しと等価)による電力消費につ
いてである。これは、入力信号V■Nが高レベルvHの
ときのみ問題となる9一般にMESFETを用いる回路
において入力信号はFETのダートに印加されるがデー
トがショットキー接合型であるため、ダート・ソース間
電圧がショットキー接合の順方向立上り電(f以上にな
ると急政に電流が流れ出す。従って人力信号がある値1
以上になると、これによる′重力が消費されることにな
る。ところが本実施例(ロ)路では、DFET56a。
The next thing to consider is power consumption due to current flowing in from the previous stage 18- (equivalent to current flowing out to the next stage). This becomes a problem only when the input signal VN is at a high level vH.9Generally, in circuits using MESFETs, the input signal is applied to the dart of the FET, but since the date is a Schottky junction type, between the dart and source When the voltage exceeds the forward rising voltage (f) of the Schottky junction, current suddenly begins to flow.Therefore, the human input signal has a certain value 1
If it becomes more than this, the 'gravity' due to this will be consumed. However, in this embodiment (b), the DFET 56a.

における相補型動作による低消費電力性が更に補強され
ている点が本実施例の特徴の一つであ19− る。
One of the features of this embodiment is that the low power consumption achieved by complementary operation is further enhanced.

DF’ET 56 a 、 DFET 56 bの存在
は動作条件を緩和するというもう一つの効果を持ってい
る。
The presence of DF'ET 56 a and DFET 56 b has another effect of relaxing operating conditions.

第7図には、第5図に示す本実施例回路の入出力伝達時
)牛(○印)と、DFET 、56 a 、 56 b
を除いた回路の人出力伝達!時性(×印)を示す。
In FIG. 7, the input/output transmission time of the circuit of this embodiment shown in FIG.
Human output transmission of the circuit excluding! Indicates temporality (x mark).

本実施例回路によれば、人力が]、V、Lソ上高くなっ
ても出力it !にの浮き上りがない。DFET 56
 a 。
According to the circuit of this embodiment, even if the human power is higher than ], V, and L, the output it! There is no rising on the surface. DFET 56
a.

56bのない回路では浮き上りがあり、そのためVDD
として設定でBる電子はIV8度という制限がある。と
ころが本実施例回路によtq、ば、DFET 56 a
 、 56 bの働きで、VDD k I V 、I−
、Ij二K W& 定してもインパークとしての動作を
安定に行なうことができるという大きな長所を持たせV
p、 = −0,5V Vp、=−0,5V vth ””   0.2 V VD  ”=   0.8V VcL=   0.7V vDD −3V VSS −IV に設定すると、α)〜■の全ての式全満足するととがで
き、本実施例回路のイン・ζ−メタ動作正常に行なわね
、る。
In the circuit without 56b, there is a rise, so VDD
There is a limit of 8 degrees IV for B electrons in the setting. However, according to the circuit of this embodiment, tq, b, DFET 56 a
, 56 b, VDD k I V , I-
, Ij 2K W & V
p, = -0.5V Vp, = -0.5V vth "" 0.2 V VD "= 0.8V VcL = 0.7V vDD -3V VSS -IV When set to If all the conditions are satisfied, then the in/ζ-meta operation of the circuit of this embodiment can be performed normally.

次に上記動作条件を考慮して、インバータ回路とこれを
用いたリングオシレータ回路全試作し、負荷容t y、
負わせた場合につき、そのケ゛−ト当りの伝播遅延時間
および消費電力を測定し、まだ比較のため第3図の、/
/I)型r)CFLを用いたりングオシレータ回路を試
作してその特性を測定した。そのデータを以下に説明す
る。FETおよびショットキーダイオード用の活性層の
形成はルを行なった。次に、AII G eオーミック
電板全形成しこのあとFETのショットキーケ8−ト電
極、ショットキーダイオードのショットキー電極と(−
でpt7(ガε着し400℃のタンタ処理を用いてFE
Tのビンヂオフ電田、スレッシ、ホールド電圧の制御を
行ない、EFETのスレッシュホールド電圧を0.2 
V 、  DTi”ETのピンチオフ電FEを一〇、5
Vに設定した。
Next, considering the above operating conditions, we fabricated a prototype inverter circuit and a ring oscillator circuit using it, and the load capacity t y,
In this case, we measured the propagation delay time and power consumption per case.
A prototype oscillator circuit using a /I) type r) CFL was fabricated and its characteristics were measured. The data will be explained below. Formation of active layers for FETs and Schottky diodes was carried out. Next, the AII G e ohmic electric board is completely formed, and then the Schottky gate electrode of the FET, the Schottky electrode of the Schottky diode, and the (-
FE with pt7 (Gaε deposited and tanta treatment at 400℃)
Control the binge-off voltage, threshold, and hold voltage of T, and set the EFET threshold voltage to 0.2.
V, pinch-off electric FE of DTi”ET is 10,5
It was set to V.

リングオシレータ回路は15段であり、各段に容計負荷
として1辺50 Jimの正方形のショットキーダイオ
ードを出力ラインと接地端間に挿入した。その回路図を
第6図に示す。
The ring oscillator circuit had 15 stages, and a square Schottky diode with a side of 50 Jim was inserted between the output line and the ground terminal as a capacitive load in each stage. The circuit diagram is shown in FIG.

リングオシレータ発振波形を測定し、1段当りの伝播遅
延時間τpa 、消費電力Pd、論理振幅22− ΔVを求めた結果を第4表に示す。
Table 4 shows the results of measuring the ring oscillator oscillation waveform and determining the propagation delay time τpa, power consumption Pd, and logic amplitude 22-ΔV per stage.

第1表 第4表 リングオシレータ各段の′f′l荷容Ft li it
 pF〜!、SI中の特性を示シ1.たものと考えてよ
い。本実姉例の回路に、τpa ’Pd漬という指標で
みれば、5小型DCFLに比べて /71ツ下でイ)す
、高速性。
Table 1 Table 4 'f'l load capacity of each stage of ring oscillator Ft li it
pF~! , showing the characteristics in SI1. You can think of it as something that If you look at the circuit in this example, the high speed is 71 points lower than the 5 small DCFL in terms of τpa 'Pd dipping.

f:徒消費電力性に優れた回路であるとどが明らかとな
った。しかも語j理振輻ば2.5Vと犬きく、DCFL
に比べて45倍になっている。
f: It became clear that the circuit had excellent waste power consumption. Moreover, the word j Rishin transmission is 2.5V and the dog hears, DCFL
This is 45 times more than the previous year.

本実施例の回路において、EFET51とDFET52
の疑似相補型動作のためにわf DFET 55は本質
的では疫いが、このDFET 55はDFET 52を
オフからオンにするときの動作を高速にする上で大きな
意味をもつ。
In the circuit of this embodiment, EFET51 and DFET52
Although the DFET 55 is essentially a problem due to its quasi-complementary operation, the DFET 55 is of great significance in speeding up the operation when the DFET 52 is turned on from off.

また第5図から明らかなように、本実施例の回路では製
造上プロセス制御が難しいEFETは1個しか用いてい
す、他は全て8t!!造の容易なりFETである。その
結果、本実施例回路のタリ造歩留りけ0/D型DCFL
ど基本的に同一レベルと考えてよく、ICの性能/価格
比は高いものとなる。このように製造歩留りの低いEF
ETが1個だけで疑似相補型動作を実現できるのけ、ダ
イオード54の存在と制御電源VSSの供給知よるため
で、/′1 −からである。
Also, as is clear from FIG. 5, the circuit of this embodiment uses only one EFET, which is difficult to control in the manufacturing process, and all others are 8t! ! It is an easy-to-manufacture FET. As a result, the production yield of the circuit of this embodiment is 0/D type DCFL.
They can be considered to be basically the same level, and the performance/price ratio of the IC is high. In this way, EF with low manufacturing yield
The reason why pseudo-complementary operation can be realized with only one ET is due to the presence of the diode 54 and the supply of the control power supply VSS, which is from /'1-.

本発明の回路は、電源電田Vnl) 、 Vss、ショ
ットキーダイオード54の個数や逆方向飽和電流(こJ
]、はダイオード接合面積による) 、DFET25− のピンチオフ電圧、 EFETのスシッショルド電圧な
どを変えることで、論理振幅を大きくすることができる
。しかも本発明回路は、DFET56 a 。
The circuit of the present invention has a power supply voltage Vnl), Vss, the number of Schottky diodes 54, and a reverse saturation current (J
], depends on the diode junction area), the pinch-off voltage of DFET25-, the threshold voltage of EFET, etc. can be changed to increase the logic amplitude. Moreover, the circuit of the present invention uses DFET56a.

DFET 56 bの働きによりFETのケゝ−ト部に
おけるクランプ現象が起こらないようになっているので
、論理振幅を大きくするだめの各部の変更に際I−1自
由度が大きい。
Since the DFET 56b prevents a clamping phenomenon from occurring at the gate portion of the FET, the I-1 degree of freedom is large when changing each portion to increase the logic amplitude.

従って本発明の回路は、TTLコンノ9チブルのレベル
で動作させることも容易に実現でき、GaAsICと他
の回路とのインターフェース方式の問題も解決できる。
Therefore, the circuit of the present invention can easily be operated at a TTL convertible level, and the problem of the interface method between GaAs IC and other circuits can be solved.

才たGaAsICだけでシステムを作り上げる場合にも
ICチップ同志の間の信号伝送には耐ノイズ対策は重要
でそのためにはを増したい場合には、EFET 51 
、 DFET 52のケゝ−ト幅を太きぐずればよく、
それにもかかわらず相補型動作のため消費電力は犬きく
ならな26− −−以上詳述したように本発明によれば、従来のBFL
や5DFL並みのデバイス数とDCF’L並みのプロセ
ス技術でこれらの回路より格段に優れた高速性、大駆動
能力および低消費電力性を実現することが可能となり、
GaAsICのLSI化に果たす役割は極めて大きい。
Even when building a system using only advanced GaAs ICs, noise resistance measures are important for signal transmission between IC chips, and if you want to increase noise resistance, use EFET 51.
, just change the gate width of DFET 52,
Nevertheless, due to the complementary operation, the power consumption is quite low.26---As detailed above, according to the present invention, the conventional BFL
With the number of devices comparable to that of 5DFL and 5DFL, and the process technology comparable to DCF'L, it is possible to achieve significantly superior high speed, large drive capacity, and low power consumption compared to these circuits.
It plays an extremely important role in the development of GaAsIC into LSI.

なお、以上の説明では専らGaAsIC(i−用いた例
を示したが、MESFETを構成F’ETとしている点
から他の半導体材料、例えばInP 、 81等を用い
た場合にも本発明を適用することが可能である。
In the above explanation, an example using only GaAs IC (i-) was shown, but since the MESFET is a constituent F'ET, the present invention is also applicable to cases where other semiconductor materials such as InP, 81, etc. are used. Is possible.

また第5図においてDFET 55はDF’ET 53
の負荷としての役割をもつものであるから、これを抵抗
に置換しても同様の効果が得られる。
Also, in FIG. 5, DFET 55 is DF'ET 53
Since it has the role of a load, the same effect can be obtained even if it is replaced with a resistor.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はBFLと呼ばれるGaAsMESFETを用い
た論理ダート回路の回路図、第2図は5DFLと呼ば各
種論理回路の速度−消費電力の領域を示した図、第5図
は本発明の一実施例のGaAsIC用の基富14本論理
回路の回路図、第6図は第5図の回路にに試作して測定
した入力−出力特性を示す図である。 s ? ・EFET (第1のGaAsFET )、5
2 =−DFET(第2のGaAsFET )、53−
 DFET (第3のGaAsFET )、541  
+ 542 =−ショットキーGaAsダイオード、5
5・・DFET(第4のGaAsFET )、56 a
 −・−DFET (第5のGaAsFET )、56
 b 、・・DFET (第6のGaAsFET )、
VDD ”’主電源、VSS・・・制御電源。
Fig. 1 is a circuit diagram of a logic dart circuit using GaAs MESFET called BFL, Fig. 2 is a diagram showing the speed-power consumption range of various logic circuits called 5DFL, and Fig. 5 is an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a circuit diagram of a Mototomi 14-wire logic circuit for GaAs IC, and FIG. 6 is a diagram showing the input-output characteristics of the circuit shown in FIG. 5, which was prototyped and measured. S?・EFET (first GaAsFET), 5
2 =-DFET (second GaAsFET), 53-
DFET (third GaAsFET), 541
+542 =-Schottky GaAs diode, 5
5...DFET (4th GaAsFET), 56a
-・-DFET (fifth GaAsFET), 56
b,...DFET (sixth GaAsFET),
VDD ``'Main power supply, VSS...Control power supply.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 (1)  イン・々−タ回路のドライバとなるノーマリ
オフ型の第1のGaAsFETおよび負荷となるノーマ
リオン型の第2のGaAsFETと、これら第1゜第2
のGaAsFETO間に介在させたレベルシフト用のG
aAsダイオードと、前記第1のGaAsFETのダー
トに供給される入力信号により制御されて所定の制御電
源全選択的に前記第2のGaAsFETのデートに供給
するノーマリオン型の第3のGaAsFETと、ダート
・ソース間を共通接続してソース、ドレインをそれぞれ
前記第1のGaAsFETのゲート、ドレインに接続し
たノーマリオ□ ン型の第4のGaAsFgTと、ダート・ソース間を′
:l−通接続してソース側を前記第1のGaAsFET
のダートに接続しドレイン側を信号入力端子に接続した
ノーマリオン型の第50GaAsFETと、ダート・ソ
ース間を共通接続してソース側を前記第3のGaAsF
ETのダートに接続しドレイン側を信号入力端子に接続
したノーマリオン型の第6のGaAsFETとを集積し
て構成され、入力信号が高レベルのとき前記第1および
第3のGaAsFETがオン、第2のGaAsFETが
オフとなり、入力信GaAs論理集積回路。 (3)  前記第5のGaAsFETは、その飽和ドV
イン電流が前記第1のGaAsFETのダート・ソース
間ダイオード特性における順方向立上り電圧に対応する
電流より小さくなるように設定され、前記第6のGaA
sFETは、その飽和ドレイン電流鏡前記第3のGaA
sFET0ケ9−ト・ソース間ダイオード特性における
順方向立上り電圧に対応する電流より小さくなるように
設定されている特許請求の範囲第1項記載のG a A
s論理集積回路。
[Scope of Claims] (1) A normally-off type first GaAsFET serving as a driver of an inverter circuit, a normally-on type second GaAsFET serving as a load, and these first and second GaAsFETs.
G for level shifting interposed between GaAs FETO of
an aAs diode, a normally-on type third GaAsFET that is controlled by an input signal supplied to the first GaAsFET and selectively supplies a predetermined control power source to the second GaAsFET;・A fourth normally-on type GaAsFgT whose sources are connected in common and whose sources and drains are connected to the gate and drain of the first GaAsFET, respectively, and a dirt source.
:l-connected and the source side is connected to the first GaAsFET.
A normally-on type 50 GaAsFET connected to the dirt of the transistor and having its drain side connected to the signal input terminal, and the third GaAsFET with the dirt and source connected in common and the source side connected to the third GaAsFET.
A sixth normally-on GaAsFET is connected to the dirt of the ET and the drain side is connected to the signal input terminal.When the input signal is at a high level, the first and third GaAsFETs are turned on and the third GaAsFET is No. 2 GaAs FET is turned off, and the input signal is input to the GaAs logic integrated circuit. (3) The fifth GaAsFET has its saturation voltage V
The in-current is set to be smaller than the current corresponding to the forward rising voltage in the dirt-source diode characteristic of the first GaAsFET, and
The sFET has its saturated drain current mirror the third GaA
The G a A according to claim 1 is set to be smaller than the current corresponding to the forward rising voltage in the sFET0-to-source diode characteristic.
s logic integrated circuit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0222369A2 (en) * 1985-11-13 1987-05-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Gate circuit

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