NL8702781A

NL8702781A - Geintegreerde logische schakeling met "hot-carrier-stress"-reduktie en instabiliteiten-demping.

Info

Publication number: NL8702781A
Application number: NL8702781A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1989-06-16
Also published as: KR960009401B1; JP2685251B2; DE3889210D1; EP0322000B1; JPH01162013A; EP0322000A1; DE3889210T2; KR890009093A; US4952822A

Description

% * PHN 12.344 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Geïntegreerde logische schakeling met "hot-carrier-stress"-reduktie en instabiliteiten-demping.

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde logische schakeling, omvattende een eerste deelcircuit aangesloten op een eerste voedingslijn voor een eerste voedingsspanning en op een uitgang van de schakeling, en een tweede deelcircuit aangesloten op een 5 tweede voedingslijn voor een tweede voedingsspanning en op de uitgang, waarbij in minstens één van de trajekten tussen één van de deelcircuits en de uitgang een stroomgeleidingspad van een extra transistor is opgenomen ter beperking van nadelig hoge elektrische velden in de onderdelen van dat deelcircuit, van welke extra transistor 10 een stuurelektrode is gekoppeld met die voedingslijn, waarop het andere deelcircuit is aangesloten.

Een dergelijke logische schakeling is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 8400523.

Bij een steeds verder gaande reduktie van de afmetingen 15 van transistoren en andere komponenten op een I.C., worden afstanden, waarover het volle verschil tussen de voedingsspanningen komt te staan, steeds kleiner, hetgeen hoge elektrische veldsterkten met zich meebrengt. Als gevolg van deze hoge veldsterkte, die vooral optreden in logische schakelingen, waarover een enkele transistor de volledige 20 voedingsspanning kan komen staan, treedt bijvoorbeeld in veldeffekttransistoren het verschijnsel van de zogenaamde "hot-carrier-stress" en van de “hot-carrier-degradation” op. De door deze velden versnelde, hoog-energetische vrije ladingsdragers botsen met het krystalrooster van het substraat en maken daarbij weer andere 25 ladingsdragers vrij, hetgeen tot aanzienlijke, onbedoelde stromen leidt. De, als gevolg van de botsingen naar het grensvlak tussen het substraat en het oxide, verstrooide ladingsdragers zullen bij voldoend hoge energie dit grensvlak passeren en ingevangen worden door het oxide, waar zij aanleiding geven tot een vergroting van de oxide-lading.

30 Bijgevolg verandert de schakelkarakteristiek van de transistor. Ter vermijding van dergelijke effekten is in de bekende logische schakeling een extra transistor met zijn geleidingspad opgenomen in een trajekt 8702781 t PHN 12.344 2 tussen de uitgang van de schakeling en één van de voedingslijnen, waarbij een stuurelektrode met de andere voedingslijn is verbonden. De maximale spanning, die nu over het beschermde deelcircuit komt te staan, is nu verminderd met een drempelspanning. Echter, de reduktie van de 5 afmetingen van de onderdelen van een I.C. brengt ook een ander soort problemen met zich mee. De schakelstromen, die optreden bij een toestandsverandering van de logische schakeling, zullen op de respektievelijke voedingslijnen induktiespanningen veroorzaken omdat deze voedingslijnen een aanzienlijke zelfinduktie bezitten. Een 10 pulsvormige induktie-spanningspuls op de ene voedingslijn wordt via een kapacitieve koppeling op de andere voedingslijn overgebracht. De extra transistor in de bekende logische schakeling zal op zijn stuurelektrode ook deze spanningspuls ontvangen. Het risiko bestaat, dat een door een oplaad- of ontlaadstroom opgewekte spanningspuls een circuitlus 15 doorloopt, die bijvoorbeeld een stuk van de éne voedingslijn, de kapacitieve koppeling, een stuk van de andere voedingslijn en de stuurelektrode van de extra transistor bevat, waarbij een meekoppeling optreedt, die de op- of ontlaadstroom beïnvloedt. Bijgevolg is het mogelijk dat de uitgangsspanning van de logische schakeling pas na een 20 vertraging een stabiele waarde bereikt, maar is het ook mogelijk dat instabiliteiten optreden, die steeds grotere stroompieken veroorzaken.

In het kwaadste geval kunnen dergelijke instabiliteiten (oscillaties) de schakeling beschadigen.

De uitvinding beoogt te voorzien in een geïntegreerde 25 logische schakeling, waarin dergelijk instabiliteiten, veroorzaakt door de aanwezigheid van de extra transistor, worden verminderd.

Daartoe wordt een geïntegreerde logische schakeling volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de genoemde stuurelektrode via een weerstandselement met één van de voedingslijnen is gekoppeld.

30 Het in de meekoppellus opgenomen weerstandselement heeft een dempende werking.

Een uitvoeringsvorm van een geïntegreerde logische schakeling volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat het weerstandselement een stroomgeleidingspad van een verdere transistor 35 omvat, en een stuurspanning van de verdere transistor nagenoeg gelijk is aan een verschil van spanningen op de respektievelijke voedingslijnen, waarbij de stuurspanning een basis-emitterspanning, respektievelijk een . 8702781

J

3" PHN 12.344 3 gate-source-spanning is in geval de verdere transistor van een bipolair-type, respectievelijk van een veldeffekt-type is.

Dit geeft een kompakte uitvoering van een weerstandselement. Omdat de stuurspanning van de extra transistor nagenoeg niet verandert, gedraagt 5 de verdere transistor zich als een ohmse weerstand.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een tekening waarin figuur 1 een principeschets van een logische schakeling volgens de stand van de techniek geeft, 10 figuur 2 een principeschets van een eerste logische schakeling volgens de uitvinding geeft, en figuur 3 een principeschets van een tweede logische schakeling volgens de uitvinding geeft.

In figuur 1 is een principeschets van een logische 15 schakeling volgens de uitvinding gegeven. Tussen voedingslijnen VL1 en VL2 is een logische schakeling geplaatst met, tussen voedingslijn VL1 en de uitgang van de schakeling Vo, een eerste deelcircuit met een ingang Vi1, en met, tussen de uitgang Vo een voedingslijn VL2 een tweede deelcircuit S2 met een ingang Vi2. Op uitgang Vo is een last 20 aangesloten, die verdisconteerd is in weerstanden R1 en R2 en kapaciteit C1. Transistor T, geplaatst tussen uitgang Vo en deelcircuit S2 en met zijn stuurelektrode verbonden met voedingslijn VL1, beschermt deelcircuit S2 als uitgang Vo logisch hoog is. De spanning die dan over deelcircuit S1 komt te staan, is dan ten hoogst gelijk aan 25 voedingsspanning VDD-VSS, minus een drempelspanning van transistor T. Bij het in stationaire toestand afvoeren van stroom door deelcircuit S1 is de maximale spanning over S1 nog lager. Bij het ontladen van uitgang Vo over deelcircuit S1 ontstaat op voedingslijn VL2 een spanningspuls, omdat de voedingslijn een zelfinduktie L2 bezit.

30 Voedingslijnen VL1 en VL2 zijn kapacitief gekoppeld door middel van een parasitaire kapaciteit Co, ook wel chip-kapaciteit genoemd. De spanningspuls springt via chip-kapaciteit Co over op voedingslijn VL1 en daarmee op de stuurelektrode van transistor T die daardoor meer stroom gaat trekken. Deze stroomvermeerdering door deelcircuit SI genereert dan 35 weer een volgende spanningspuls die eenzelfde lus doorloopt.

In figuur 2 is een eerste principeschets van een logische schakeling volgens de uitvinding gegeven. De met figuur 1 overeenkomende .8702781 PHN 12.344 4 f Λ komponenten zijn op eenzelfde wijze aangeduid. In de verbinding van de stuurelektrode van extra transistor T met voedingslijn VL1 is nu een weerstand R opgenomen. Deze weerstand R heeft een dempende werking op instabiliteiten in de meekoppellus die de spanningspuls doorloopt, zoals 5 boven is beschreven.

In figuur 3 is een tweede principeschets van een logische schakeling volgens de uitvinding weergegeven. Evenals bij de vorige figuur zijn de met figuur 1 overeenkomende elementen op eenzelfde wijze aangeduid. Het weerstandselement omvat nu transistor TR in de verbinding 10 tussen voedingslijn VL1 en de stuurelektrode van transistor T.

Transistor TR is zo gekozen dat zijn stuurspanning gelijk is aan het verschil in spanning tussen de voedingslijnen VL1 en VL2. De voedingsspanning verandert niet als op beide voedingslijnen eenzelfde puls voorkomt. In lineaire benadering loopt daarbij een stroom door 15 transistor TR evenredig met de grootte van de spanningspuls op voedingslijn VL1. Hiermee is dus een ohmse weerstand gerealiseerd.

Ofschoon in de tekening de weergegeven transistoren van het veldeffekttype zijn, is de uitvinding niet beperkt tot dit type. Ook de toepassing van de extra transistor is niet beperkt tot de in de 20 tekening getoonde positie.

87 02781

Claims

1. Geïntegreerde logische schakeling, omvattende een eerste deelcircuit aangesloten op een eerste voedingslijn voor een eerste voedingsspanning en op een uitgang van de schakeling, en een tweede deelcircuit aangesloten op een tweede voedingslijn voor een 5 tweede voedingsspanning en op de uitgang, waarbij in minstens één van de trajekten tussen één van de deelcircuits en de uitgang een strooageleidingspad van een extra transistor is opgenomen ter beperking van nadelig hoge elektrische velden in de onderdelen van dat deelcircuit, van welke extra transistor een stuurelektrode is gekoppeld 10 met die voedingslijn, waarop het andere deelcircuit is aangesloten, gekenmerkt, doordat de genoemde stuurelektrode via een weerstandselement met één van de voedingslijnen is gekoppeld.

2. Geïntegreerde logische schakeing volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat het weerstandselement een stroomgeleidingspad van 15 een verdere transistor omvat, en een stuurspanning van de verdere transistor nagenoeg gelijk is aan een verschil van spanningen op de respektievelijke voedingslijnen, waarbij de stuurspanning een basis-emitterspanning, respektievelijk een gate-source-spanning is in geval de verdere transistor van een bipolair-type, respektievelijk van een 20 veldeffekt-type is. .*7 01781