DE3035484C2

DE3035484C2 - Leseschaltung

Info

Publication number: DE3035484C2
Application number: DE3035484A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Kodaira Tokyo Hagiwara; Tokyo Yuji Hachioji Yatsuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1980-09-19
Publication date: 1983-08-18
Also published as: JPS5833638B2; JPS5647995A; US4443718A; DE3035484A1

Description

bO

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leseschältüng mit einem Leseverstärker und einer Ausgangspufferschaltung zum Lesen der Informationen, die in einer ausgewählten Speicherzelle eines Halbleiterfestwertspeichers enthalten ist, der aus im Matrixform tv> angeordneten, mit Festwcrtspeicherelementen versehenen Speicherzellen aufgebaut ist.

ROMs lassen sich einteilen in (1) mit Ultraviolett-Licht löschbäfe ROMs (kürz als »EPROM« (für Erasable Programmable ROM) bezeichnetji (2) elektrisch änderbare ROMs (kürz als »EAROM« (für Electrically Alterable ROM) bezeichnet) und (3) PRÖMS (programmierbare ROMs), wie etwa Fuse-ROMs oder Mäskert-ROMs (maskenprögfämmierbare ROMs).

Bei einem bekannten EAROM beispielsweise sind MNOS-Isölierschichtfeideffekt-Transistofen (kurz als »MNÖS^Tfansistoren«: bezeichnet) in Form einer Matrix angeordnet Bei diesen MNOS-Tfansistoren werden Elektronen ürtd Löcher über den Tunneleffekt in die Haftstelle an der Grenzfläche zwischen zwei Arten Von Isolierschichten (d. h. einer SisN^-Schicht und einer SiOa-Schicht) durch eine SiOrSchicht injiziert, die dünner gehalten ist als die Si-Seite.

Durch Anlegen einer positiven Schreibspannting (von ungefähr +25 V) an die Gate-EIektfode des MNOS-Tfansistors werden die Elektronen durch den Tunneleffekt in die Haftstelle injiziert, so daß die Schwellenspannung des MNOS-Tfansistors zur Herstellung des eingeschriebenen Zustands (d. h. des leitenden Zustands des MNOS-Transistors, der kurz als »1 «-Zustand bezeichnet wird) abgesenkt werden kann (beispielsweise auf ungefähr +1 V). Zur Beseitigung dieser Elektfonenhaftstelle werden durch Anlegen einer negativen Löschsp£"Jnung(von ungefäSir —25 V) an die Gate-Elektrode die umgekehrten Vorgänge bewirkt, so daß die Schwellenspannung des MNOS-Transistors zur Herstellung des gelöschten Zustands (d. h. des nicht-leitenden Zustands des MNOS-Transistors, der kurz als »O«-Zustand bezeichnet wird) angehoben werden kann (beispielsweise auf ungefähr —8 V). Zur Ermittlung des Unterschiedes zwischen den beiden Zuständen »0« und »!«wird eine Lesespannung von ungefähr —6 V auf die Gate-Elektrode des MNOS-Transistors gegeben, so daß abgefühlt werden kann, ob zwischen Source und Drain ein Strom fließt oder nicht.

Andererseits sind bei einem bekannten EPROM Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren mit freischwebendem Gate (die kurz als »FAMOS-Transistoren« bezeichnet werden) in Form einer Matrix angeordnet. Bei dem FAMOS-Transistor werden Elektronen in das freischwebende Gate durch Bewirken des Lawineneffekts zwischen Drain und Substrat, wenn eine hohe Spannung zwischen Source und Drain angelegt wird, injiziert womit der Schireibvorgang in den »1 «-Zustand bewirkt werden kann. Falls das Auslesen bewirkt werden soll, wird ein leitender Zustand zwischen Source und Drain hergestellt, wenn darinnen eine Spannung aufgeprägt wird, weil darinnen eine Inversionsschicht ausgebildet ist, wenn das freischwebende Gate negativ geladen ist. Das heißt mit anderen Worten, daß sich der »0«- und »!«-Zustand in Übereinstimmung damit beurteilen lassen, ob das freischwebende Gate negativ geladen ist. Das Löschen der gespeicherten Information geschieht durch Betung mit Ultraviolett-Licht, wodurch die Elektronenladung aus dem freischwebenden Gate abgeführt wird.

Vorstehende Beschreibung war auf EAROMs und EPROMs als Beispiele gerichtet, verschiedene andere Arten von ROMs sind aber ebenfalls bekannt.

Die genannten MNOS- und FAMOS-Transistoren wurden als P-Kanalelemente beschrieben, N-Kanalelemente sind aber natürlich auch möglich (wobei dann allerdings die Polarität der anzulegenden Spannung umgekehrt ist).

Bei bekannten Leseschaltungen, die nur mit einer

Versorgungsspannung versorgt werden, ergeben sich Schwierigkeiten beim Auslesen von Signalen mit tiefem Pegel. Sie sind ferner empfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend, eine Leseschaltung anzugeben, die mit nur einer Versorgungsspannung auskommt, die auch Signale mit tiefem Pegel einwandfrei ausliest und die unempfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung ist.

Diese Aufgabe wird mit einer im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Leseschaltung gelöst, die erfmdungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer ROM-Leseschaltung.

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der einzelnen Knotenspannungen der in Fig.3 gezeigten Schaltung von der Versorgungsspannung V_m

Fig.3 ein vereinfachtes Schaltbild einer Ausführungsform der ROM-Leseschaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der einzelnen Knotenspannungen der in F ig. 5 gezeigten Schaltung von der Versorgungsspannung V_m

Fig.5 ein Konturdiagramm, das die Änderung der Arbeitsgeschwindigkeit der in F i g. 5 gezeigten Schaltung in Abhängigkeit von den Gate-Spannungen von MOS-Transistoren 71 und T₂ zeigt.

Eine Leseschaltung für die ROMs ist in F i g. 1 gezeigt.

Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf den Fall, daß die ROMs aus N-Kanalelementen aufgebaut sind und daß die Leseversorgungsspannung V«. bei 5 V liegt, während eine Spannung V₅₅ auf Erdpotential liegt. In Fig. 1 bezeichnet31 einen Dekodierer;32bezeichnet einen Ausgangspuffer; 71 und T₂ bezeichnen Anreicherungs-lsolierschicht-Feldeffekt-Transistoren des N-Kanaltyps (die eine Schwellenspannung von beispielsweise 23 V haben); und Tj bezeichnet einen Verarmungs-Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor des N-Kanaltyps (der eine Schw^Ilenspannung von beispielsweise —3 V hat). Ein Leseverstärker ist im wesentlichen eine Inverterschaltung, die ein Element M\ (beispielsweise einen MNOS-Transistor) einer Speicherzelle als Treiber und einen Isolierschicht-Transistor T₃ (der kurz als »MOS-Transistor« bezeichnet wird) als Last verwendet. Da jedoch ein einfacher Inverter infolge der großen Streukapazität der Datenleitung (entsprechend einem Knoten N₂ in der Figur) die hohe Arbeitsgeschwindigkeit nicht leisten kann, sind die folgenden Modifikationen vorgenommen. Zunächst wird der Schalt-Anreicherungs-MOS-Transistor 71 eingeführt, um den Knoten N₂ von einem Knoten /V, zu trennen. Dies heißt genauer, daß, wenn der MOS-Transistor Ti die Knoten Μ und N₂ auflädt, bis der Knoten N₂ auf eine bestimmte Spannung aufgeladen ist, der MOS-Transistor T₁ gesperrt wird, wonach es ausreicht, allein den Knoten /Vi aufzuladen, so daß damit die Ladegeschwindigkeit gesteigert werden kann. Das hat zur Folge, daß, wenn sich die Speicherzelle in ihrem nicht-leitenden Zustand befindet, der Knoten /V| den Spannlingswert von 5 V mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit erreicht. Wenn

sich umgekehrt die Speicherzelle in ihrem leitenden Zustand befindet, nehmen die Potentiale der Knoten N< und N₂ die Werte an, wie sie durch die Dimensionen des Anreicherungs-MOS-Transistors 71 und den Transistor /Wi, der die Speicherzelle bildet, und die Gate-Spannung bestimmt werden. Dabei werden die in den Knoten /Vi und N₂ gespeicherten Ladungen durch den Transistor Mt der Speicherzelle abgezogen. Hierfür ist es ausreichend, das Potential des Knotens N₂, der die höhere Streukapazität hat, geringfügig (um ungefähr 0,3 V) zu verändern. Dies kann zu einer bemerkenswerten Geschwindigkeitssteigerung, verglichen mit dem einfachen Inverter ohne Schalt-MOS-Transistor 71, führen. Andererseits ist der MOS-Transistor T₂ eine Hochzieheinrichtung, die verhindert, daß das Potential im Knoten N₂ übermäßig abgesenkt wird.

Wie unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben, hat die Leseschaltung der F i g. 1 Eigenschaften, die für einen hochintegrierten ROM geeignet sind, ihr wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, daß sie gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung labil ist. Dies heißt im einzelnen, daß, wenn die Vcssorgungsspannung Kr auf mehr als 5 V angehoben wird, crie Potentiale in allen Knoten des Leseverstärkers ebenfalls angehoben werden, so daß die Potentiale (sowohl auf »1«- als auch »O«-Pegel) im Ausgangsknoten N_{ des Leseverstärkers ebenfaii's angehoben werden. Dies hat zur Folge, daß, wenn die Spannung Kr höher als ein bestimmter Wert wird, die Inverterschaltung des Ausgangspuffers 32 in der nächsten Stufe außer Betrieb gesetzt wird, was ein fehlerhaftes Arbeiten bewirkt. Diese Erscheinungen sind in Fig.2 dargestellt In Fig.2 bezeichnet /νΊο die Änderung der »O«-Spannung im Knoten Nr, /Vu bezeichnet die Änderung der »1 «-Spannung im Knoten Nr, N₂o bezeichnet die Änderung der »O«-Spannung im Knoten N₂; und N₂, bezeichnet die Änderung der »!«-Spannung im Knoten N₂. Wenn die Auslegung so gewählt ist, daß die Inverterschaltung der nächsten Stufe fehlerfei bei Kr= 5 V arbeitet, macht es erhebliche Schwierigkeiten, ein Arbeiten für eine Spannung V_m die 7 V überschreitet, zu gewährleisten.

D^;e Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen im einzelnen beschrieben.

Eine die Erfindung veranschaulichende Leseschaltung für ROMs ist in F i g. 3 gezeigt.

Die ROM-Leseschaltung gemäß der Erfindung setzt sich im wesentlichen aus den folgenden vier Einheiten zusammen: einem Leseverstärker 51, einer Pegelschiebeschaltung 52 zum Verschieben des Pegels der durch den Leseverstärker zu erzeugenden Signalspannung, einer Wellenform-Wiederhersteilungsschaltung 53 und einer Treiberschaltung 54. Die durch die Pegelschiebeschaltung 52, die Wellenform-Wiederherstellungsschultung 53 und die Treiberschaltung 54 gebildeten drei Einheiten können als Ausgangspuffer betrachtet werden.

In Fig.3 bezeichnen T₁, T₂, T₄, T₅, T₁. T». T₉, Ti, und Γ« N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistoren Tj. Tf, und Γιο N-Kanal-Verarmungs-MOS-Transistoren, V_n bezeichnet den Anschluß, auf den die Versorgungsspannung gegeben wird, V_!S bezeichnet einen Masseausschluß. A einen Ausgang, M, ein Speicherelement (etwa einen MNOS-Transistor oder einen FAMOS-Transistor des N-Kanaltyps) und 55 einen Dekodierer.

Zunächst wird die Pegelschiebeschaltung 52 beschrieben. Da es schwifig is', das Ausgangssignal des Leseverstärkers 51 zu verstarken (oder die Wellenform desselben wiederherzustellen), weil das Ausgangssignal

zwischen 5 V und 2,4 V schwankt, hat der Pegelschieber 52 Umwandlungsfunktion zur Absenkung des Pegels. Das Signal nach der Pegelverschiebung kann durch allein die Inverterschaltung verstärkt und in seiner Wellenform wieder hergestellt werden. Der Pegelschieber ist aus einem üblichen Source-Folger (mit MOS-Transistoren T₄ und T₅). wie in der Figur als Beispiel gezeigt, aufgebaut. Mittels der aus den MOS-Transistoren T₆ und T₇ aufgebauten Schaltung wird der Last-Transistor T₄ des Source-Folgers an seinem Gate mit einer Spannung versorgt, die mit der Versorgungsspannung schwankt, wodurch dem effektiven Lastwiderstand eine Versorgungsspannungsabhängigkeit verliehen wird, so daß sich so ein stabilisierter Source-Folger gewinnen läßt. Bei der Schaltung gemäß der Erfindung wird unter normalen Arbeitsbedingungen mit bei 5 V liegender Versorgungsspannung der Ausgangswert (der einen Signalspannungshub von 5 V bis 2,4 V hat) des Leseverstärkers um ungefähr 2 V abgesenkt und in ein Signal mit einem Spannungshub von 2,2 V bis 0,4 V umgewandelt, so daß es durch die In\ erterschaltungen 501,502 und 503 der nachfolgenden Wellenform-Wiederherstellungsschaltung 53 verstärkt werden kann. Selbst bei Schwankungen der Versorgungsspannung bleibt die Ausgangsspannung des Source-Folgers im wesentlichen unverändert, so daß ein stabilisierter Betrieb erreicht ist.

Die Folge davon ist, daß in der Wellenform-Wiederherstellungsschaltung allein Inverterschaltungen vorgesehen sein können.

Die Treiberschaltung 54 ist eine Treiberschaltung, die aus MOS-Transistoren T₁₁ und T_n in ähnlicher Weise wie bei einem üblichen Speicher unter Verwendung eines Gegentaktverstärker aufgebaut ist.

Im folgenden wird die Stabilisierung des Leseverstärkers beschrieben.

Gemäß der in Fig.3 gezeigten Ausführungsform werden die Gaic-Spannungen der Transistoren Ti und T₂ durch eine Konstantspannungsschaltung gesteuert, die sich aus MOS-Transistoren T₈, T₉ und Ti₀ zusammensetzt. Die Ausgangsspannungen (Nt und Λ/₅) der Konstantspannungsschaltung zeigen im wesentlichen keine Abhängigkeit von Änderungen der Versorgungsspannung V_1x, die über 5 V führen, und werden auf einem konstanten Wert gehalten, so daß die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Leseverstärkers von der Versorgungsspannung minimalisiert und damit der nachfolgende Source-Folger weiter stabilisiert ist.

Die Abhängigkeiten der einzelnen Knotenspannungen von der Versorgungsspannung (V_a-)i\na in F i g. 4 wiedergegeben. In dieser Figur bezeichnet N₁₀ die > »0«-Spannung im Knoten N₁, Λ/n die »!«-Spannung im Knoten N₁, N*, /V₅ und N₆ bezeichnen die Spannungen in den einzelnen Knoten N*. AZ₅ und N₆. /V₁₀ bezeichnet die »0«-Sp;uinung im Knoten Nt und /Vji die »!«-Spannung im Knoten /V₃. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, ist die ¹⁽¹ Spannung am Ausgang (Ni) des Pegelschiebers kaum abhängig von der Versorgungsspannung V_1x, so daß die nachfolgende, die Wellenform wiederherstellende Inverterschaltung sicher betrieben werden kann.

Wie vorstehend beschrieben, läßt sich gemäß der ¹^ Erfindung der Leseverstärker einschließlich des Source-Folgers gegenüber Versorgungsspannungen stabilisieren, so daß sich eine ROM-Leseschaltung mit weitem Betriebsbereich herstellen läßt. Verglichen mit der bekannten Schaltung ist bei der Schaltung gemäß der ^;o Erfindung mit dci Siüfe des Source-Folge rs cine zusätzliche Schaltung vorgesehen. Es ist jedoch bekannt, daß eine Source-Folgerschaltung eine solche niedrige Ausgangsimpedanz hat, daß ihre Verzögerungszeit gering ist. Es ist daher bei der Schaltung 2> gemäß der Erfindung vermieden, daß ihre Arbeitsgeschwindigkeit gegenüber der in Fig. I gezeigten Schaltung herabgesetzt ist. Vielmehr läßt sich bei der Schaltung gemäß der Erfindung durch Einstellen der Gate-Sp.«nnungen der Transistoren Ti und T₂ des J" Leseverstärkers auf die geeignetsten Werte die Arbeitsgeschwindigkeit gegenüber der bekannten Schaltung noch erhöhen. F i g. 5 zeigt die Ergebnisse, die als Höhenlinien aus den Änderungen der Arbeitsgeschwindigkeit des vorliegenden Leseverstärkers so aufgetragen sind, daß die Gate-Spannung des Transistors Ti als Abszisse und die Gate-Spannung des Transistors T₂ als Ordinate genommen ist. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die geeignetste F.instellung für die Gate-Spannungen der Transistoren Ti und" T₂ bei ungefähr 2,5 V mit einer Differenz von ungefähr 03 V liegt, und daß die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung gemäß der Erfindung um eine über 20 ns liegende Größe verglichen mit der herkömmlichen Schaltung (bei der die Transistoren Ti und T₂ auf der gleichen Gate-Spannung gehalten werden) angehoben werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Leseschältüng mit einem Leseverstärker und einer Aüsgängspufferschältüng zürn Lesen der Information, die in einer ausgewählten Speicherzelle eines Haibleiterfestwertspeichers enthalten ist der aus im Matrixforfn angeordneten, mit Festwertspeicherelementen Versehenen Speichefzeilen aufgebaut ist, wobei die Aüsgangspüfferschaltung eine Ausgangstfeibefschaltüngaufweist,dadurch gekennzeichnet; daß die Aüsgangspüfferschaltung (52,53,54j 98) eine Pegelschiebeschaltuhg (52) zum Verschieben des Pegels der Ausgangsssignalspanhüng des Leseverstärkers (51j 97) aufweist und daß das Ausgängssignäl der Pegelschiebeschaltung (52) an die Aüsgängstreibefschaltüng (53, 54) angelegt ist
2. Leseschältüng nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Pegelschiebeschaltung (53) eine Soüic^-Folgerschältung, deren Lastwiderstand sich entsprechend von Schwankungen der Versorgürigsspannung ändert, ist
3. Leseschältüng nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Squrce^Folgefschaltüng eine Einrichtung mit einem MOS-Transistor (Ta) zur Aufgabe einer Gate-Spannuög auf das Gate des MOS-Transistors, die sich entsprechend von Schwankungen der Versorgungsspannung ändert, enthält so
4. Leseschaltung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Leseverstärker (51) eine Inverterschaltung rnii einer.-* zwischen einem als Lastelement wirkender MOS-Transistor (73) und einer als Treiberelement wirk¹ iden Speicherzelle (Mi) angeschlossenen Schalt-MOS-Transistor (Ti) enthält, und daß der Schalt-MOS-Transistor in den Sperrzustand gebracht wird, wenn sein Verbindungsknoten (N₂) mit der Speicherzelle auf ein bestimmtes Potential angehoben wird, daß ein zwischen dem Verbindungsknoten (TVj) und einem Spannungsversorgungsanschluß (Vcc) angeschlossener Hochzieh-MOS-Transistor (T₂) vorgesehen ist, daß die Gate-Spannungen des Schalt-MOS-Transistor (T₁) und des Hochzieh-MOS-Transistors (T₂) ts durch eine Konstantspannungsschaltung (Ts, Tg, Ti₀) gesteuert werden, und daß die Gate-Spannung des Schalt-MOS-Transistors (T\) durch die Konstantspannungsschaltung (Ti, Ti, Γιο) so eingestellt ist, daß sie höher als die Gate-Spannung des Hochzieh- to MOS-Transistors (T₁) ist.
5. Leseschaltang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangstreiberschaltung (53, 54) eine Wellenform-Wiederherstellungsschaltung (53) und eine Gegentakttreiberschaltung (54) enthält.