DE2422653C2

DE2422653C2 - Integrierte Halbleiteranordnung mit Feldeffekt-Transistoren

Info

Publication number: DE2422653C2
Application number: DE2422653A
Authority: DE
Inventors: James Minda Lee; George Wappingers Falls N.Y. Sonoda
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-06-29
Filing date: 1974-05-10
Publication date: 1983-03-31
Also published as: CH570705A5; DE2422653A1; FR2235417A1; ES427740A1; GB1462935A; JPS5024054A; IL45251A0; BE815619A; SU643099A3; CA1033410A; IT1012365B; JPS5417541B2; SE7407783L; FR2235417B1; NL7408728A; IL45251A; SE391996B; DD114197A5

Description

6. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kondensator (C4) auf- und entladende Schaltung so ausgebaut ist, daß sie beide Halbwellen des periodischen Signals ausnützt.

7. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratspannungsdetektor (30) einen Spannungsteiler (31, 32) aufweist, dessen Teilerverhältnis die Regelung der Siibstratspannung bestimmt.

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiteranordnung mit Feldeffekt-Transistoren, bei der zur Einstellung und Regelung der Schwellenspannung der Feldeffekt-Transistoren eine außerhalb des Bereiches der Speisespannung der Halbleiteranordnung liegende, geregelte Substratspannung an das Substrat gelegt ist, wobei mit der Halbleiteranordnung ein Substratspannungsdetektor und ein Spannungskonverter integriert sind und mittels des vom Substratspannungsdetektor gelieferten Ausgangssignals in Kombination mit dem Impulszug eines Impulsgenerators die Steuerung des ι Spannungskonverters erfolgt, dessen Ausgangsspannung als Substratspannung auf das Substrat rückgekoppelt ist.

Das Problem der Veränderung der Schwelienspannung bei der Herstellung von Feldeffekt-Transistoren ίο ist bekannt und auch schon gelöst worden. Die Schwellenspannung von Elementen wird nach den bisherigen Lösungen durch eine Schaltung abgefühlt und durch einen Differentialverstärker mit einem Bezugspotential verglichen. Der Ausgang des Differentialverstärkers wird dann auf das Substrat zurückgekoppelt. Da der Differentialverstärker die negative Substratspannung von einer negativeren Speisespannung ableitet, muß er außerhalb des Chips liegen. Daß der Differentialverstärker für jeden FET außerhalb des Chips liegen muß, macht die bisherigen Lösungen, wie sie z.B. in dem US-Patent 36 09 414 beschrieben werden, unpraktisch.

Es sind auch Möglichkeiten zur Erzeugung einer negativen Substratspannung als das negative Potential der Speisespannungsquelle bekannt, wie beispielsweise im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 11, Nr. 10, März 1969, S. 1219 beschrieben. Es ist jedoch daraus nicht bekannt, eine so erzeugte negative Spannung auf eine bestimmte Substratspannung einzuregeln,
jo Aus der Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 12, Nr. 12, Mai 1970, Seite 2078, ist bereits eine Anordnung bekannt, die im wesentlichen der Anordnung entspricht, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist.

Außerdem ist unter Bezugnahme auf diese Literaturstelle aus der Literaturstelle »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 13, Nr. 8, Januar 1971, Seiten 2385 und 2386, ein Impulsgenerator bekannt, der mit einer Feldeffekt-Transistoren enthaltenden integrierten Halbleiteranordnung integrierbar ist und mit dem eine Schaltung zur Erzeugung der Substratspannung für die Halbleiteranordnung betrieben werden kann.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist in erster Linie, daß weiterhin eine Speisespannungsabhängigkeit der Schwellenspannung festzustellen ist und daß der Substratspannungsdetektor eine gesonderte Referenzspannungsquelle benötigt.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine integrierte, Feldeffekt-Transistoren enthaltende Halbleiteranordnung anzugeben, die gegenüber den bekannten Anordnungen eine wesentlich verbesserte Anordnung zur Erzeugung und Regelung der Substratspannung aufweist und damit eine einheitliche Schwellenspannung der integrierten Feldeffekt-Transistoren gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 zu entnehmen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen wird die Erfindung anschließend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in einem schematischen Schaltbild ein fe5 Alisführungsbeispiel und

Fig. 2 eine Reihe von Inipulszügen zur Illustration der Arbeitsweise des Ausfiihrungsbcispieles.

F i g. I ist der einfacheren Beschreibung halber durch

gestrichelte Linien in verschiedene Abschnitte unterteilt. Der Abschnitt 10 ist ein Ringoszillator, der aus fünf Inverterstufen zusammengesetzt ist. Jede dieser Inverterschaltungen ist im einzelnen bekannt. Der Oszillator muß eine ungerade Zahl von Stufen h.iben. In der gesamten Beschreibung sind N-Kanal-FETs verwendet, natürlich können auch P-Kanal-Elemente verwendet werden, wenn das Potential der angelegten Speisespannungsquelle und der Signale umgekehrt wird. Die erste Oszillatorstufe umfaßt die Transistoren 11, 12, 13_; 14 und 15. Ga«e und Drain des Transistors 11 sowie die Drains der Transistoren 12 und 14 sind mit einem positiven Potential + V verbunden. Das Gate des Transistors 12 ist an die Source des Transistors 11 angeschlossen. Der Kondensator Ci ist auf bekannte Weise zwischen Gate und Source des Transistors 12 gelegt. Die Source des Transistors 12 ist mit dem Drain des Transistors 13 und dem Gate des Transistors 14 verbunden. Der Drain des Transistors 15 ist an die Source des Transistors 14 angeschlossen, und dieser Knotenpunkt bildet den Ausgang zur nächsten Stufe. Die Sources der Transistoren 13 und 15 sind beide geerdet, während die Gates der Transistoren 13 und 15 miteinander und dem Ausgangsknotenpunkt der letzten Stufe verbunden sind. Die Transistoren in den übrigen vier Stufen sind ähnlich numeriert. Signale werden von zwei aufeinanderfolgenden Stufen, Stufe 1 und Stufe 2, abgenommen. Die Ausgangsknotenpunkte, X und Y, sind mit den Gates der Transistoren 23, 24, 25 und 26 verbunden. Diese Transistoren bilden ebenso wie der Transistor 27 geerdete Source-Schaltungen. Die Transistoren 23, 25 und 27 bilden eine Inverterschaltung mit den Transistoren 21, 22 und dem Kondensator C2 ähnlich den Inverterstufen im Oszillator 10. Die Drains der Transistoren 21, 22 und 28 sind somit mit dem Potential -I- V verbunden, wie auch das Gate des Transistors 21. Das Gate des Transistors 22 ist an die Source des Transistors 21 angeschlossen, die Source des Transistors 22 ist mit dem Knotenpunkt C verbunden, der eine Verbindung der Drains der Transistoren 23, 25 und 27 ist. Der Kondensator C2 liegt zwischen Gate und Source des Transistors 22. Das Gate des Transistors 28 ist an den Knotenpunkt C angeschlossen, während seine Source mit dem Knotenpunkt D verbunden ist, der eine gemeinsame Verbindung für die Drains der Transistoren 24 und 26 bildet.

Der Speiseinverter 20 hat einen Eingang vom Substrat-Spannungsdetektor 30. Der Substrat-Spannungsdetektor 30 besteht aus den Spannungsteiler-Transistoren 31 und 32, die zwischen + Kund Erde in Reihe geschaltet sind. Beide Transistoren sind mit ihren Gates an die Versorgung + Kangeschlossen, ebenso der Drain des Transistors 31. Die Source des Transistors 31 ist mit dem Drain des Transistors 32 verbunden und bildet den Knotenpunkt A, während die Source des Transistors 32 mit iErde verbunden ist. Drain und Gate des Transistors 33 sind an die Versorgung + V angeschlossen, während die Source des Transistors 33 mit dem Drain des Transistors 34 im Knotenpunkt B verbunden ist, der den Ausgang des Substrat-Spannungsdetektors 30 bildet. Die Source des Transistors 34 liegt zusammen mit der Source des Transistors 32 an Erde. Der Transistor 34 hat ebenfalls eine Verbindung zum Substrat. Wichtig ist hier die Feststellung, daß jeder Transistor eine Substratverbindung hat, wie sie beim Transistor 34 gezeigt ist. Der einfacheren Darstellung halber und um die durch die Substratverbindung des Transistors 34 gelieferte wichtige Funktion zu betonen, wurden alle.übrigen Verbindungen nicht dargestellt. Der Transistor 34 ist die Abfühleinrichtung, so daß das Potential am Knotenpunkt B eine Funktion des Substratpotentials des Transistors 34 ist- Das Potential am Knotenpunkt B ist außerdem eine Funktion der Schwellenspannung des Transistors 34, der Potentialdifferenz zwischen + Vund Erde und des Spannungsteiler-Verhältnisses der Transistoren 31 und 32. Das Potential am Knotenpunkt B versetzt den Transistor 27 in den leitenden Zustand und dadurch wiederum den Transistor 28, der das Potential am Knotenpunkt D beeinflußt, der den Ausgang des Inverters 20 bildet.

Der Ausgang des Inverters 20 geht zum Gate des Transistors 41 im Spannungskonverter 40. Der Drain des Transistors 41 ist mit der Source des Transistors 46 verbunden und bildet den Knotenpunkt £ an den auch der Kondensator C4 angeschlossen ist. Die Drain des Transistors 46 ist mit + V verbunden. Die Source des Transistors 41 ist gemeinsam mit der Source des Transistors 42 an Erde gelegt. Der Drain des Transistors 42 ist mit der anderen Seite des Kondensators C4 und der Kathode der Diode D1 verbunden zum Knotenpunkt F. Die Diode D 1 braucht keine separat gebildete Diode zu sein, sondern besteht am Übergang zwischen der Drain-Diffusion des Transistors 42 und dem Substrat. Das Signal am Knotenpunkt F wird auf den Substratanschluß durch die Diode D1 gekoppelt, wobei der angegebene Anschluß das gemeinsame Substrat ist, in dem alle Transistoren liegen. Der Rest der Schaltung im Spannungskor.verter 40 kompensiert seitliche NPN-Leckströme, wie noch zu beschreiben ist. Die Schaltung besteht aus den Transistoren 43, 44, 45 und einem Kondensator C 5. Die Versorgung + V ist an die Drains der Transistoren 43 und 44 und das Gate des Transistors 43 angeschlossen. Die Source des Transistors 43 ist mit den Gates der Transistoren 46 und 44 und einer Seite des Kondensators CH verbunden, wo der Knotenpunkt H gebildet wird. Die Source des Transistors 44 ist mit der anderen Seite des Kondensators C5, dem Drain des Transistors 45 und dem Gate des Transistors 42 verbunden zum Knotenpunkt G. Die Source des Transistors 45 ist an Erde gelegt, während das Gate des Transistors 45 mit dem Knotenpunkt Cim Inverter 20 verbunden ist.

Die ganze bisher beschriebene Schaltung wird innerhalb eines Halbleitersubstrat^ wie 1, 2, 3 ... N gebildet; sie ist mit der Bezugszahl 100 bezeichnet. Mit dieser Schaltung soll die Abweichung der Schwellenwertspannung unter verschiedenen FETs und FET-Schaltungen, die in demselben Substrat gebildet und mit den Nummern 101, 102, 103, 104, 105 bezeichnet sind, stabilisiert und gesteuert werden. Der Rest ist nicht besonders bezeichnet, um die Darstellung zu vereinfachen. Auf jedem der Substrate 1, 2, 3 ... Λ/ liegt eine Schaltung 100 und dient sowohl der Stabilisierung der Schwellenspannung auf dem Substrat als auch der Vereinheitlichung der Schwellenspannung auf allen das Paket bildenden Substraten. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die gesamte Stabilisierungs- und Steuerschaltung 100 auf dem Substrat liegt, so daß alle FETs und FET-Schaltungen dasselbe Versorgungspotential empfangen und Abweichungen im Versorgungspotential ebenfalls kompensiert werden. Ein Halbleitersubstrat wie z. B. 1 enthält mehrere FETs, die Schaltungen 100, 101, 102, 103, 104, 105 usw. bilden, deren Schwellenpotentiale durch die auf dem Substrat befindliche Schaltung 100 vereinheitlicht und gesteuert werden. Die FET-Schaltung der Substrate 2. 3

... Nsind in der Hinsicht gleich. Eine .Speisespannungsquelle ist mit den auf dem 1 lalbleitersubstrat ausgebildeten Schaltungen gekoppelt, die eine Potentialdifferenz erzeugt, die hier als + V und Erde bezeichnet wird. + V beträgt etwa 8 bis IO Volt für bekannte N-Kanal-FETs. Die mit dem Substrat ein Teil bildende Schaltung 100 erzeugt eine Substrat vorspannung von z.B. -3VoIt außerhalb des durch die .Speisespannungsquelle festgelegten Potentialbereiches. Die Schaltung 100 enthält weiterhin Einrichtungen zum Abfühlen und Einstellen dieser negativen Substratvorspannung auf ein Potential, welches die Abweichungen von der Schwellenwertspannung auf einem bestimmten Substrat, unter verschiedenen Substraten und auch des Potentials + V der Speisespannungsquelle kompensiert. Bei Veränderung der Substratspannung wird das Potential zwischen Quelle und Substrat der Feldeffekt-Transistoren verändert und dadurch die Schwellenspannungscharakteristik dieser Elemente.

Um ein Potential außerhalb des durch die Speisespannungsquelle gelieferten Bereiches zu erzeugen, ist der Ringoszillator 10 als Impulsquelle vorgesehen. Der Ringoszillator 10 enthält eine ungerade Zahl bekannter Inverter, deren letzte Stufe mit dem Eingang der ersten Stufe verbunden ist. Dadurch entsteht eine unstabile Schaltung, die im vorliegenden Beispiel mit etwa 1 Megaherz schwingt. Wenn die Gates der Eingangstransistoren 13 und 15 der ersten Stufe auf einen hohen Signalpegel gebracht werden, werden ihre beiden Drains auf einen niedrigen Signalpegel gebracht. Dadurch wird der Transistor 14 abgeschaltet und die Gates der Transistoren 13.4 und 15,4 auf einen niedrigen Signalpegel gebracht. Dadurch werden die Drains von 13.4 und ISA über die Transistoren 12,4 und 14,4 auf einen hohen Signalpegel geladen. Die Kondensatoren bringen das Gate des Transistors 124 hoch genug, um den Schwellenspannungsabfall zu überwinden und das Gate des Transistors 14/4 auf + V zu bringen. Der Transistor 14.4 bringt im eingeschalteten Zustand die Gates von 13ßund 15ßauf einen hohen Signalpegel und dadurch ihre entsprechenden Drains auf einen niedrigen Signalpv.gcl usw. Die Inverter im Ringosziüa'.or stehen also abwechselnd auf einem hohen und einem niedrigen Signalpegel. Die Ausgabe des Ringoszillators wird von zwei aufeinanderfolgenden Stufen, wie z. B. dem Drain des Transistors 15 und 154. an den Eingangsknotenpunkter Xund ^abgenommen.

Im weiteren Zusammenhang mit F i g. 1 zeigen die Diagramme in F i g. 2 den Signalverlauf an den verschiedenen Knotenpunkten. Der Inverter 20 empfängt die Ausgangssignale vom Oszillator 10 an den Gates der Transistoren 23. 24, 25 und 26. Der Inverter 20 unterscheidet sich von den im Oszillator 10 verwendeten In\ertern nur durch eine höhere Treiberleistung. Impulse vom Ringoszillator 10 zu den Gates der Transistoren 24 und 26 entladen den Knotenpunkt D. Dieser kann sich auf einen hohen Signalpegel nur aufladen, solange die beiden Transistoren 24 und 26 abgeschaltet sind und sich ihre Gates auf einem niedrigen Signalpegel befinden, und der Transistor 28 eingeschaltet ist. Dieser kurze periodische hohe Signalpegel wird am Ausgang des Inverters 20 für den Betrieb des Spannungskonverters 40 benötigt. Wenn der Betrieb des Inverters 20 forlgesetzt wird, kann der Knotenpunkt C nur auf einem hohen Signalpegel stehen, wenn die Transistoren 23,25 und 27 abgeschaltet sind. Die Ein- und Ausschaltpegel der Transistoren 23 und 25 werden durch die Signale an den Knotenpunkten .Vimd Vgesteuert. Der Zustand des Transistors 27 wird bestimmt durch den Poienüalpegel am Knotenpunkt ö, also durch den Ausgang des .Substratspannungsdetektors 30. Wenn der Knotenpunkt B also auf einem niedrigen Signalpegel stein, bleibt der Transistor 27 abgeschaltet, so daß der Knotenpunkt Cnicht beeinflußt wird und während eines großen lntervalles auf hohem Niveau bleiben kann. Das Intervall wird durch das Einschalten der Transistoren 23 und 25 begrenzt. Dadurch wiederum kann sich der Knotenpunkt D für maximale Zeit auf seinen Höchstwert aufladen und erzeugt die maximale Substratvorspannung durch den Spannungskonverter 40. Wenn andererseits der Knotenpunkt B hoch genug ist. um den Transistor 27 einzuschalten, dann wird der hohe Signalpegel am Knotenpunkt C entweder verkürzt oder unterdrückt, wodurch der hohe Signalpegel am Knotenpunkt D verkürzt oder unterdrückt wird und das Substrat nicht auf einen höchsten Pegel - V gebracht werden kann. • Leckströme können das Substratpotential näher an das Erdpotential heranbringen. Vom Knotenpunkt D zum Knotenpunkt S gibt es einen Rückkopplungsweg durch das Substrat, der eine Regelschleife zum Regeln des Substratpotentiales schließt. Um das Potential des

·. Substrats, in dem die ganzen Fcldelfekt-Transistoren ausgebildet sind, abzufühlen, ist ein Substrat-Spannungsdetektor 30 vorgesehen. Die Transistoren 31 und 32 bilden einen Spannungsteiler mit einem Ausgang am Knotenpunkt A. Das Potential am Knotenpunkt .4 ist

,.. ein Bezugspotential, welches durch das Spannungsteilerverhältnis der Transistoren 31 und 32 sowie die Spannung + V auf einen gewünschten Wert festgelegt wird. Im vorliegenden Beispiel liegt das Bezugspotential bei + 1 V. Es wird an das Gate des Abfühltransistors 34 angelegt. Im Vergleich zu seinem Ladetransistor ii ist der Transistor 34 ein sehr großes Element. Wenn also der Schwellenwert des Abfühltransistors 34 kleiner ist als die Spannung am Knotenpunkt A, ist der Transistor 34 eingeschaltet, und der Knotenpunkt B liegt auf Erdpotential. Der Transistor 27 ist abgeschaltet, und der Knotenpunkt C kann entsprechend den Eingängen von den Punkten X und Y schwingen. Wenn die Substratspannung jedoch negativ genug ist. um die Schwellenwertspannung des Transistors 34 dem Potential am

ι, Knotenpunkt A gleich zu machen, schaltet der Transistor 34 ab, und die Spannung am Knotenpunkt B steigt. Der Transistor 27 wird eingeschaltet, und der Knotenpunkt C ist auf Erdpotential festgehalten. Dadurch wiederum wird keine weitere Entladung der

-.) Substratspannung zugelassen. Diese extreme Bedingung tritt jedoch praktisch nie auf. Es fließt immer ein gewisser Leckstrom, und der Knotenpunkt Fist immer hinreichend negativ, so daß die Diode D 1 leitet, um die auf dem Substrat durch den Leckstrom entstehende

··. Ladung abzubauen. Wenn der Leckstrom hoch ist, erfolgen die Übergänge am Knotenpunkt E und F häufiger, und die Diode DX leitet öfter. Solange der Leckstrom gewisse Grenzen nicht überschreitet, kann er immer abgeleitet werden und daher auf das Potential

nc des Substrates keinen Einfluß haben. Die Grenze ist eine Funktion der Oszillatorfrequenz, der Versorgungsspannung + Vund der Kapazität des Kondensators C4.

Bisher wurde beschrieben, daß die Leit- und Sperrbedingung des Abfühltransistors 34 eine Funktion

- seiner Schwellenspannung und des Substratpotentiales ist und wie dadurch wiederum die Impulszüge an den Knotenpunkten B. C, D, E und F beeinflußt werden. Dadurch wiederum wird am Substratpotential und

durch dieses der Leitzustand des Transistors 34 geregelt. Bei dem Impulszug der Fig.2 am Knotenpunkt F bezieht sich das Überschwingen von V auf eine Wechselstrom-Überschwingspannung, die ein Bruchteil von + V beträgt. Die Spannung Δ Vl ist ebenfalls eine kleine Spannung, durch die die Substratspannung KSbei ihrem Einschwingen in den Ruhewert negativ wird.

Um ein Substratpotential zu erzeugen, das tiefer ist als das niedrigste an das Substrat angelegte Versorgungspotential, ist ein Spannungskonverter 40 vorgese- n hen. Wenn der Impulszug am Knotenpunkt Dauf einem niedrigen Niveau liegt, ist der Transistor 41 im wesentlichen abgeschaltet, und der Knotenpunkt E steigt an, da der Transistor 46 leitet. Das Potential am Knotenpunkt Ffolgt dem am Knotenpunkt £über den y Kondensator CA. Wenn zu diesem Zeitpunkt der Knotenpunkt Dauf einem niedrigen Potential liegt, ist auch das Potential am Knotenpunkt Ctief und hält den Transistor 45 gesperrt, so daß das Potential am Knotenpunkt G ansteigen kann, weil der Transistor 44 ₂i leitet. Dadurch wird der Knotenpunkt F durch den Transistor 42 wieder auf Erdpotential zurückgeführt. Wenn das Potential am Knotenpunkt G auf sein hohes Niveau ansteigt, steigt das Potential am Knotenpunkt H durch den Kondensator C5 noch höher als das Potential, auf welches der Knotenpunkt durch den Transistor 43 aufgeladen wurde, und stellt dadurch sicher, daß der Transistor 46 leitet. Wenn der Knotenpunkt C auf ein hohes Niveau gebracht wird, wird der Transistor 45 leitend, bringt die Knotenpunkte jo G und H auf niedriges Niveau und schaltet dadurch die Transistoren 42 und 46 ab. Wenn der Strom am Knotenpunkt Canzusteigen beginnt, beginn; er auch am Knotenpunkt Danzusteigen, weil der Transistor 28 den Transistor 41 einschallet und dadurch der Knotenpunkt _J5 E auf Erdpotential entladen wird. Der Knotenpunkt F, der schon in der Nähe von Erdpotential stand, folgt dem Knotenpunkt E über den Kondensator C 4 auf ein negatives Potential mit einer Amplitude von bis zu 95% der Versorgungsspannung + V. Dieses negative Potential am Knotenpunkt Fbildet eine Potentialsenke, in die Strom vom .Substrat durch die Diode D 1 fließt, so daß das Substrat unter Erdpotential gebracht wird und seine Spannung in negativer Richtung zunimmt.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wurde die die Transistoren 43, 44, 45 und den Kondensator C5 umfassende Schaltung nicht benutzt und das Gate des Transistors 42 an den Knotenpunkt F angeschlossen. Der Transistor 46 wurde durch eine Belastung ersetzt, wie sie für die Transistoren 43,44 und den Kondensator C5 gezeigt ist. Dabei wurde festgestellt, daß der Transistor 42 einen seitlichen NPN-Transistor-Leckstromweg von Erde zum Knotenpunkt F bildet, wenn die Diode Dl eingeschaltet ist. Gate und Drain sind dabei elektrisch verbunden. Zur richtigen Entladung des Knotenpunktes Fist eine niedrige Impedanz erforderlich, d.h. ein großes Verhältnis der Kanalbreite zur Kanallänge des FETs in der Größenordnung von mindestens 6:1. Eine große Kanaibreite reduziert jedoch den Kopplungswirkungsgrad. Auch schafft eine kleine Kanallänge einen lateralen NPN-Transistor zwischen der Source- und der Drain-Diffusion. Dieses Verhältnis der Abmessungen begrenzte die negativste Spannung, auf die das Substrat gebracht werden konnte, und damit den vom Substrat gezogenen Strom. Für 65 manche Anwendungen kann eine solche Anordnung, insbesondere wenn das Verhältnis von Breite zu Länge der verschiedenen Elemente richtig bemessen wird,

durchaus zufriedenstellend sein.

Mit dem Knotenpunkt G wird der Transistor 42 eingeschaltet. Wenn der Knotenpunkt E hoch ist, ist auch der Knotenpunkt C hoch, und der Transistor 42 entlädt den Knotenpunkt F Wenn der Knotenpunkt E tief ist, ist auch der Knotenpunkt G tief, und der Transistor 42 sperrt; es fließt kein Strom von Erde zum Knotenpunkt F Wie im vorigen Absatz beschrieben wurde, wird der von Erde in den Knotenpunkt F fließende Strom nicht nur von dem Strom subtrahiert, der in der Diode D 1 fließt, sondern entlädt auch .. _: Kondensator C 4, wenn der Knotenpunkt E hoch ist. Das Gate des Transistors 45 ist mit dem Knotenpunkt C verbunden und das Gate des Transistors 41 mit dem Knotenpunkt D. Die Knotenpunkte C und D entladen sich gleichzeitig. Sie werden beide durch den Knotenpunkt Y heruntergezogen, steigen jedoch nicht gleichzeitig wieder an, da der Knotenpunkt Cden Transistor 28 einschaltet und dieser wieder den Knotenpunkt D auflädt. Diese kleine Verzögerung soll sicherstellen, daß der Knotenpunkt G vor dem Knotenpunkt fabfällt und damit der Transistor sperrt, bevor der Knotenpunkt E anfängt abzufallen. Die zeitliche Beziehung ist in den Diagrammen der Fig.2 wiedergegeben. Vom Rückkopplungsknotenpunkt H wird der Transistor 46 geschaltet. Da der Knotenpunkt G leicht geladen ist, steigt er wesentlich schneller an als der Knotenpunkt E Durch Rückkopplung des Anstiegs auf das Gate des Transistors 46 durch den Kondensator C5 wird die Anstiegszeit am Knoten £ verbessert gegenüber einer direkten Kopplung in Verbindung mit dem Lasttransistor 46. Das verlängerte Hoch-Intervall am Knotenpunkt Ebewirkt die vollständige Ladung des Kondensators C4 und dadurch einen größeren Strom vom Substrat, wenn der Knotenpunkt Fdurch den Transistor 41 entladen wird.

Mit der beschriebenen Anordnung kann das nötige Substratpotential, das eine Funktion der spezifischen Schwellenspannung ist, erzeugt und gesteuert werden. Wenn die spezifische Schwellenspannung niedrig ist. ist ein negativeres Substratpotential erforderlich, um den Abfühltransistor 34 auszuschalten, wodurch wiederum die Schwellenspannung aller Elemente auf dem Substrat ansteigt. Das Gegenteil tritt ein, wenn die spezifische Spannung hoch ist. Ungeachtet der Herstellungsstreuung der Schwellenspannungen haben alle geerdeten Source-Elemente eines Substrats dieselbe Schwellenspannung. Diese Schwellenspannung ändert sich nur als Funktion des Source-Potentials + V. Da die Streuung der Schwellenspannung ein Hauptfaktor für die endgültige Leistung von FET-Chips ist, reduziert die Regelung der Schwellenwertspannung diese Streuung wesentlich. Außerdem werden auch Schwankungen des Source-Potentiales + V kompensiert. Wenn die Spannung + Verhöht wird, steigt der Knotenpunkt A mit ihr an. Das höhere Potential am Knotenpunkt A läßt den Transistor 34 schwerer abschalten, da eine höhere Schwellenspannung benötigt wird. Die Substratspannung kann daher ein negativeres Potential erreichen, um diese höhere Schwellenspannung zu erzielen. Das ist aus zwei Gründen erwünscht Erstens wird sichergestellt, daß die Steuerelemente im dicken Oxid auch bei höherer Spannung + V abgeschaltet werden. Zweitens reduziert der höhere Schwellenwert bei höherer Spannung + Vdie Verlustleistung im ungünstigsten Fall, und der niedrigere Schwellenwert bei niedrigerer Spannung + Vverbessert die Leistung im ungünstigsten Fall.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Halbleiteranordnung mit Feldeffekt-Transistoren, bei der zur Einstellung und Regelung der Schwellenspannung der Feldeffekt-Transistoren eine außerhalb des Bereiches der Speisespannung der Halbleiteranordnung liegende, geregelte Substratspannung an das Substrat gelegt ist, wobei mit der Halbleiteranordnung ein Substratspannungsdetektor und ein Spannungskonverter integriert sind und mittels des vom Substratspannungsdetektor gelieferten Ausgangssignals in Kombination mit dem Impulszug eines Impulsgenerators die Steuerung des Spannungskonverters erfolgt, dessen Ausgangsspannung als Substratspannung auf das Substrat rückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,

daß der Impulsgenerator (1.0) ebenfalls mit der Halbleiteranordnung integriert ist,
daß zur Steuerung des Spannungskonverters (40) ein Speiseinverter (20) vorhanden ist, der ein von dem vom Substratspannungsdetektor (30) gelieferten Ausgangssignal und dem Impulszug des Impulsgenerators (10) abhängiges periodisches Signal erzeugt, und daß Impulsgenerator (10), Substratspannungsdetektor (30), Speiseinverter (20) und Spannungskonverter (40) direkt mit der Speisespannung der Halbleiteranordnung betrieben sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Substratspannung über eine Diode (D 1) an das Substrat gekoppelt ist.

3. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskonverter (40) eine von dem periodischen Signal gesteuerte Schaltung (41,42) enthält, die durch Auf- und Entladen eines Kondensators (CA) die erzeugte Spannung beeinflußt.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (10) ein Ringoszillator ist.

5. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratspannungsdetektor (30) einen im Substrat angeordneten Feldeffekt-Transistor (34) aufweist, der im wesentlichen die gleiche Schwellenspannung hat, wie die anderen im Substrat angeordneten Feldeffekt-Transistoren.