NL193599C

NL193599C - Direct gekoppelde halfgeleiderschakeling.

Info

Publication number: NL193599C
Application number: NL8503124A
Authority: NL
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1985-11-13
Publication date: 2000-03-02
Also published as: FR2573591A1; CA1267701A; GB8527128D0; FR2573591B1; NL8503124A; KR940002771B1; GB2167916B; NL193599B; KR870001672A; DE3541038A1; DE3541038C2; CN1004912B; JPS61125224A; CN85108261A; US4752701A; GB2167916A

Description

1 193599

Direct gekoppelde haifgeleiderschakeling

De onderhavige uitvinding betreft een direct gekoppelde haifgeleiderschakeling, omvattende: - een eerste omkeerschakeling die een eerste veldeffecttransistor van de soort waarbij de poortaanslulting 5 van het kanaal is gescheiden door een pn-overgang, omvat, waarvan een eerste kanaalaansluiting via een weerstandselement op een eerste spanningspotentiaal is aangesloten en waarvan de tweede kanaalaansluiting op een eerste referentiepotentiaal zoals aardpotentiaal is aangesloten; en - een tweede omkeerschakeling die een tweede veldeffecttransistor van de soort waarbij de poort-aansluiting van het kanaal is gescheiden door een pn-overgang, omvat, waarvan een eerste kanaal- 10 aansluiting via een weerstandselement op de eerste spanningspotentiaal is aangesloten, en de tweede kanaalaansluiting op de eerste referentiepotentiaal is aangesloten, waarbij de eerste kanaalaansluiting van de eerste veldeffecttransistor direct op de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor is aangesloten.

Een dergelijke haifgeleiderschakeling is bekend uit de publicatie IEEE Transactions on Electron devices 15 25 (1978,06)6,628/639.

Halfgeleiderschakelingen met een dergelijke opbouw zijn geschikt om te worden toegepast in direct gekoppelde logische veldeffecttransistorschakelingen en kunnen met toepassing van bekende werkwijzen voor het vervaardigen van geïntegreerde halfgeleiderschakelingen worden gevormd in een voor de onderdelen van de haifgeleiderschakeling gemeenschappelijk halfgeleidersubstraat van galliumarsenide.

20 Bij het onderzoek naar de eigenschappen van de bekende omkeerschakelingen is gebruik gemaakt van een ringoscillator die bestaat uit een serieschakeling van een oneven aantal omkeerschakelingen van gelijke opbouw in een gemeenschappelijk halfgeleidersubstraat. Door de weerstandselementen van de omkeerschakelingen van de ringoscillator gemeenschappelijk aan te sluiten op de eerste spanningspotentiaal, die de voedingspanning vormt en vervolgens de voedingspanning te variëren kan de samenhang tussen de 25 dissipatie en de vertragingstijd van een omkeerschakeling worden bepaald.

Uit andere proefnemingen is naar voren gekomen dat wanneer de voedingsspanning een bepaalde waarde overtreft de overdrachtvertragingstijd per omkeerschakeling geleidelijk groter wordt in overeenstemming met de toeneming van de voedingspanning.

Men meent dat dit veroorzaakt wordt door een ladingdrageropslageffect in het kanaal van de velfeffect-30 transistor of dat het halfgeleidersubstraat wordt verrijkt met minderheidsladingdragers als de ingangs-spanning aan de poortaansluiting groter wordt dan de voor de doorlaatrichting van de pn-overgang van de poortaansluiting van de veldeffecttransistors te hanteren voorwaartsspanning Vf, waarbij de pn-overgang geleidend wordt. Voor een pn-overgang in een halfgeleiderlichaam van galliumarsenide is de voorwaartsspanning Vf gelijk aan 1 V.

35 De uitvinding beoogt te voorzien in een in een direct gekoppelde logische veldeffecttransistorschakeling toe te passen haifgeleiderschakeling, waarbij de overdrachtvertragingstijd van de omkeerschakelingen niet nadelig wordt beïnvloed als de voedingspanning een bepaalde waarde overtreft.

Daartoe heeft een haifgeleiderschakeling van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding in een eerste uitvoeringsvorm het kenmerk dat een eerste Schottky-diode tussen de poortaansluiting van de 40 eerste veldeffecttransistor en een tweede referentiespanning is aangebracht en een tweede Schottky-diode tussen de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor en de tweede referentiespanning is aangesloten voor het klampen van de ingangsspanning aan de poortaansluitingen van de eerste veldeffecttransistor en van de tweede veldeffecttransistor tot ongeveer onder de voor de doorlaatrichting van de pn-overgangen van de poortaansluitingen van de eerste en de tweede veldeffecttransistor te hanteren voorwaartsspanning, 45 waarbij de pn-overgangen geleidend worden.

In een tweede uitvoeringsvorm heeft de haifgeleiderschakeling van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding het kenmerk dat een eerste Schottky-diode is aangesloten tussen de eerste kanaalaansluiting en de poortaansluiting van de eerste veldeffecttransistor en een tweede Schottky-diode is aangesloten tussen de eerste kanaalaansluiting en de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor, 50 waarbij de Schottky-diodes in dezelfde richting zijn geschakeld als de pn-overgang tussen de poortaansluiting en het kanaal van de veldeffecttransistor.

Opgemerkt wordt dat uit de Japanse octrooipublicatie JP-A-58.143.583 een deel als een geïntegreerde haifgeleiderschakeling in een gemeenschappelijke halfgeleidersubstraat gevormde omkeerschakeling bekend is, waarbij de te schakelen veldeffecttransistor van de omkeerschakeling is voorzien van een door 55 een pn-overgang van het kanaal gescheiden poortaansluiting en waarbij een Schottky-diode is aangebracht tussen de poortaansluiting en de met een referentiepotentiaal, zoals aardpotentiaal, verbonden kanaalaansluiting van de te schakelen veldeffecttransistor om het aan de met de poortaansluiting verbonden 193599 2 uitgang van de direct voorafgaande stuurschakeling optredende uitgangssignaal te begrenzen tot de voorwaartsspanning, waarbij de Schottky-diode in de doorlaatrichting geleidend wordt. Doordat de voorwaartsspanning van de Schottky-diode aanmerkelijk lager is dan de voorwaartsspanning van de pn-overgang tussen de poortaansluiting en het kanaal van de te schakelen veldeffecttransistor treedt bij 5 omkeerschakelingen van deze opbouw geen ladingsopslageffect op.

Voorts wordt opgemerkt dat uit de Japanse octrooipublicatie JP-A-54.110.588 een als deel van een geïntegreerde halfgeleiderschakeling in een gemeenschappelijk halfgeleidersubstraat gevormde omkeer-schakeling bekend is, waarbij de te schakelen veldeffecttransistor van de omkeerschakeling is voorzien van een door de metaal-halfgeleiderovergang van een Schottky-diode van het kanaal gescheiden poortelektrode 10 en waarbij de tussen de met een belastingselement verbonden kanaalaansl uiting en de referentiepotentiaal, zoals aardepotentiaal, een klampmiddel is aangebracht om het aan een volgende omkeerschakeling toe te voeren uitgangssignaal te begrenzen. Door voor het klampmiddel een combinatie van een Schottky-diode en een tweede referentiesignaal toe te passen wordt een zodanig uitgangssignaal verkregen dat de halfgeleiderschakeling bij een grotere snelheid kan worden bedreven zonder de functie als logisch element 15 aan te tasten.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin toont: - figuur 1 het schakelschema van een halfgeleiderschakeling, waarbij Schottky-diodes zijn aangesloten tussen de poortaansluitingen van de eerste en de tweede veldeffecttransistor en een tweede referentie- 20 potentiaal; - figuur 2 het schakelschema van een halfgeleiderschakelling, waarbij Schottky-diodes zijn aangebracht tussen de poortaansluitingen en de eerste kanaalaansluitingen van de eerste en de tweede veldeffecttransistor.

25 Figuur 1 toont een logische veldeffecttransistorschakeling met twee direct gekoppelde omkeerschakelingen of invertors 11 en 21. De invertors bestaan uit een te schakelen veldeffecttransistor 12 resp. 22, die is voorzien van een poortaansluiting die door een pn-overgang van het kanaal is gescheiden en een weerstand 13 resp. 23 die zijn gevormd in een halfgeleidersubstraat van galliumarsenide. Bij deze opbouw is de UIT weerstand van de veldeffecttransistor normaliter aanzienlijk groter dan de weerstand 13 resp. 23. 30 De poortaansluitingen van de veldeffecttransistor 12 en 22 zijn door middel van een Schottky-diode of Schottky-overgangsdiode 14 resp. 24 aangesloten op een, niet weergegeven, klampvoedingsbron, die de tweede referentiepotentiaal VGG verschaft.

Door deze opbouw van de invertors wordt voorkomen dat het hoge niveau van het uitgangssignaal van een dergelijke invertor bij een hoge voedingsspanning VDD niet groter wordt dan de voor de doorlaatrichting 35 van de pn-overgang tussen de poortaansluiting en het kanaal van de te schakelen veldeffecttransistor te hanteren voorwaartsspanning Vf, waarbij de pn-overgang geleidend wordt.

Voor een pn-overgang is een halfgeleidersubstraat van galliumarsenide is de voorwaartsspanning Vf gelijk aan 1V.

Voor een in een halfgeleidersubstraat gevormde Schottky-diode is de voorwaartsspanning Vf waarbij de 40 Schottky-diode in de doorlaatrichting geleidend wordt enigszins afhankelijk van het toegepaste elektrode-materiaal en in het algemeen ongeveer 0,6 V. Indien een spanning groter dan 0,6 V in de doorlaatrichting wordt aangelegd over de Schottky-diodes 14 en 24, dan vloeit er een stroom door deze Schottky-diodes.

Indien een spanning (VGG) van de klampvoedingsbron op ongeveer 0,4 V wordt ingesteld, blijft een ingangsspanning aan de veldeffecttransistor 22 ongeveer 1,0 V voorzover als de Schottky-diode 24 een 45 voldoende stroomcapaciteit heeft. In andere woorden, wanneer de spanning VDD toeneemt en de uitgangsspanning van de veldeffecttransistor 12 bijna 1,0 V overschrijdt, loopt de stroom in de Schottky-diode 24, zodat de uitgangsspanning van de invertor 11, dat wil zeggen de ingangsspanning aan de veldeffecttransistor 22, op ongeveer 1,0 V wordt geregeld.

Dientengevolge wordt, zelfs indien de spanning VDD toeneemt, de ingangsspanning aan de veldeffect-50 transistor 22 tot onder ongeveer Vf van de pn-overgang geregeld. Zodoende treedt het ladingdrageropslag-effect niet merkbaar op bij de veldeffecttransistor 22 en neemt de overdrachtvertragingstijd van de invertor niet toe.

Bij deze uitvoeringsvorm wordt een poortaansluiting van de veldeffecttransistor 12 eveneens aan de klampvoedingsbron via de Schottky-diode 14 aangesloten. Daardoor loopt, zelfs indien de ingangsspanning 55 aan de veldeffecttransistor 12 bijna 1,0 V overschrijdt, een stroom in de Schottky-diode 14, zodat de ingangsspanning op ongeveer 1,0 V wordt geregeld. Dientengevolge treedt het iadingdrageropslageffect niet merkbaar op bij de veldeffecttransistor 12, waardoor een toename in overdrachtvertragingstijd van de

Claims

3 193599 invertor 11 wordt voorkomen. Figuur 2 toont een logische veldeffecttransistorschakelling met twee direct gekoppelde invertors met in hoofdzaak hetzelfde schema als de direct gekoppelde halfgeleiderschakeling, die in figuur 1 getoond is, behalve dat in figuur 2 geen klampvoedingsbron is aangebracht en de Schottky-diode 14 en 24 tussen de 5 eerste kanaalaansluitingen en de poortaansluitingen van de veldeffecttransistors 12 resp. 22 zijn aangesloten. Het lage niveau van de ingangsspanning aan de veldeffecttransistor 12 wordt op ongeveer 0,2 V ingesteld en de voorwaartsspanning Vf van de Schottky-diodes 14 en 24 wordt op ongeveer 0,7 V ingesteld. Bij een halfgeleiderschakeling van deze opbouw loopt, zelfs indien de spanning VDD toeneemt en de uitgangsspanning van de invertor 11 bijna 0,9 V overschrijdt, een stroom door de Schottky-diode 14, zodat 10 de uitgangsspanning van de invertor 11, dat wil zeggen de ingangsspanning aan de veldeffecttransistor 22 op 0,9 V wordt geregeld. Zodoende treedt het ladingdrageropslageffect niet merkbaar op en wordt de overdrachtvertragingstijd van de invertor 21 niet vergroot. Bij de halfgeleiderschakeling volgens figuur 2 wordt de Schottky-diode 24 tussen de afvoer- en de poortaansluiting van de veldeffecttransistor 22 aangesloten. Daardoor, zelfs wanneer de uitgangsspanning 15 van de invertor 21 bijna 0,9 V overschrijdt, loopt een stroom door de Schottky-diode 24 voor het op ongeveer 0,9 V regelen van de uitgangsspanning. De halfgeleiderschakeling volgens figuur 2 vereist geen klampvoedingsbron en heeft zodoende een veel simpeler schakelontwerp. De voorwaartsspanning Vf van de Schottky-diodes 14 en 24 echter bepaalt direct een logische amplitude, dat wil zeggen het verschil tussen de hoge en lage niveau uitgangsspanningen. 20 Teneinde de logische amplitude te vermeerderen, heeft het de voorkeur de voorwaartsspanning Vf van de Schottky-diodes 14 en 24 groter in te stellen dan die in de halfgeleiderschakeling volgens figuur 1. Zelfs wanneer de voorwaartsspanning Vf van de Schottky-diodes 14 en 24 op positieve wijze wordt vermeerderd, kan de hoge uitgangsspanning van de invertor 11 op ongeveer de voorwaartsspanning Vf van de pn-overgang worden geregeld door het verminderen van de lage niveau ingangsspanning van de 25 veldeffecttransistor 12 en het tegelijkertijd vermeerderen van de spanning VDD. Daardoor kunnen werkings-condities worden bepaald zonder het doen toenemen van de overdrachtsvertragingstijd. Het hoge niveau van de uitgangsspanning van de invertor 11, dat wil zeggen de ingangsspanning aan de veldeffecttransistor 22, wordt zowel in de eerste als in de tweede uitvoeringsvorm geregeld. Een laag niveau van deze spanningen wordt echter in overeenstemming met de verhouding van de weerstand van de 30 weerstand 13 ten opzichte van een AAN-weerstand van de veldeffecttransistor 12 bepaald. Daardoor kan het lage niveau onafhankelijk van het hoge niveau bepaald worden. 35

1. Direct gekoppelde halfgeleiderschakeling, omvattende: - een eerste omkeerschakeling die een eerste veldeffecttransistor van de soort, waarbij de poortaansluiting van het kanaal is gescheiden door een pn-overgang, omvat, waarvan een eerste kanaal-aansluiting via een weerstandselement op een eerste spanningspotentiaal is aangesloten en waarvan de 40 tweede kanaalaansluiting op een eerste referentiepotentiaal zoals aardepotentiaal is aangesloten; en - een tweede omkeerschakeling die een tweede veldeffecttransistor van de soort waarbij de poortaansluiting van het kanaal is gescheiden door een pn-overgang, omvat, waarvan een eerste kanaalaansluiting via een weerstandselement op de eerste spanningspotentiaal is aangesloten, en de tweede kanaalaansluiting op de eerste referentiepotentiaal is aangesloten; 45 waarbij de eerste kanaalaansluiting van de eerste veldeffecttransistor direct op de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor is aangesloten, met het kenmerk, dat een eerste Schottky-diode, tussen de poortaansluiting van de eerste veldeffecttransistor en een tweede referentiespanning is aangebracht en een tweede Schottky-diode tussen de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor en de tweede referentiespanning is aangesloten voor het klampen van de ingangsspanning aan de 50 poortaansluitingen van de eerste veldeffecttransistor en van de tweede veldeffecttransistor tot ongeveer onder de voor de doorlaatrichting van de pn-overgangen van de poortaansluitingen van de eerste en de tweede veldeffecttransistor te hanteren voorwaartsspanning, waarbij de pn-overgangen geleidend worden.

2. Direct gekoppelde halfgeleiderschakeling, omvattende: 55. een eerste omkeerschakeling die een eerste veldeffecttransistor van de soort, waarbij de poort aansluiting van het kanaal is gescheiden door een pn-overgang, omvat, waarvan een eerste kanaalaansluiting via een weerstandselement op een eerste spanningspotentiaal is aangesloten en waarvan de 193599 4 tweede kanaalaansluiting op een eerste referentiepotentiaal zoals aardepotentiaal is aangesloten, en waarvan de tweede kanaalaansluiting op een eerste referentiepotentiaal, zoals aardepotentiaal, is aangesloten, en - een tweede omkeerschakeling die een tweede veldeffecttransistor van de soort waarbij de poort-5 aansluiting van het kanaal is gescheiden door een pn-overgang, omvat, waarvan een eerste kanaalaansluiting via een weerstandselement op de eerste spanningspotentiaal is aangesloten, en de tweede kanaalaansluiting op de eerste referentiepotentiaal is aangesloten; waarbij de eerste kanaalaansluiting van de eerste veldeffecttransistor direct op de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor is aangesloten, met het kenmerk, dat een eerste Schottky-diode is 10 aangesloten tussen de eerste kanaalaansluiting en de poortaansluiting van de eerste veldeffecttransistor en een tweede Schottky-diode is aangesloten tussen de eerste kanaalaansluiting en de poortaansluiting van de tweede veldeffecttransistor, waarbij de Schottky-diodes in dezelfde richting zijn geschakeld als de pn-overgang tussen de poortaansluiting en het kanaal van de veldeffecttransistor.

3. Direct gekoppelde halfgeleiderschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de voorwaarts-15 spanning waarbij de Schottky-diodes in de doorlaatrichting geleidend worden ongeveer 0,6 V is en de tweede referentiepotentiaal ongeveer 0,4 V ten opzichte van de eerste referentiepotentiaal is. Hierbij 1 blad tekening