DE3530092C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung für einen Feldeffekttransistoren mit isolierter Gatterelektrode als wesentliche Bauelemente benutzenden integrierten Halbleiter-Schaltkreis, mit einem ersten Schaltungskreis, der über ein erstes kapazitives Element ein Pulssignal von einem Impulse erzeugenden Schaltkreis erhält, welcher von einer Versorgungsspannung zum Treiben eines ersten Substrat-Vorspannungsstroms zu einem Ausgang zu allen Zeitpunkten nach dem Anlegen der Versorgungsspannung gespeist wird.

Bei einem integrierten Schaltkreis mit MOS-Transistoren, insbesondere bei einem dynamischen RAM (Random Access Memory, Speicher mit wahlfreiem Zugriff) wird gewöhnlich eine Vorspannung (Bias) an das Halbleitersubtrat angelegt, um die Arbeitsgeschwindigkeit des Schaltkreises zu erhöhen. Im allgemeinen ist diese Vorspannung eine elektrische Spannung, welche von einer auf dem Chip vorgesehenen, ein Substrat-Potential erzeugende Schaltung bereitgestellt wird.

Eine herkömmliche, Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung dieser Art ist aus US 44 55 628 bekannt und in Fig. 1 dargestellt. In dieser Figur ist mit dem Bezugszeichen 1 ein mittels eines Ringoszillators Impulse erzeugender Schaltkreis bezeichnet; 2 bezeichnet einen Stromanschluß für den Impulse erzeugenden Schaltkreis; 3 den Ausgang des Impulses erzeugenden Schaltkreises 1; 4 einen Koppel-Kondensator; 5 einen Abzweigpunkt; und 6 einen zwischen den Verzweigungspunkt 5 und Erde geschalteten gleichrichtenden MOS-Transistor. Die Gate- Elektrode des MOS-Transistor 6 ist mit dem Abzweigpunkt 5 verbunden, und die am Abzweigpunkt angeschlossene Seite dient als Anode. Ferner ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 7 ein gleichrichtender MOS- Transistor bezeichnet, welcher zwischen den Abzweigpunkt 5 und einen Substrat-Potential liefernden Anschluß (Ausgang) 9 geschaltet ist. Die Gate-Elektrode des Transistors 7 ist mit dem Ausgang 9 verbunden, und die mit diesem Ausgangsanschluß verbundene Seite dient als Anode. Der Ausgang 9 ist über einen Kondensator 8 zur Stabilisierung des Substrat-Potentials mit Erde verbunden. Die oben beschriebenen Bauelemente 4 bis 7 bilden die Substrat-Potential erzeugende Schaltung.

Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 wird nun unter Bezugnahme auf das Kurvendiagramm in Fig. 2 beschrieben.

Der Stromanschluß 2 des die Impulse erzeugenden Schaltkreises 1 ist mit dem Stromanschluß des integrierten Schaltkreises verbunden. Wenn an den integrierten Schaltkreis eine Speisespannung V_cc angelegt wird, erreicht die Spannung V₂ am Anschluß 2 sofort den Wert von V_cc; die Spannung V₉ am Ausgangsanschluß 9 hingegen erreicht ihren Endwert V_SUB erst nach einer Verzögerungszeit (t₀-t₁).

Zur Erzeugung einer Substrat-Vorspannung wird ein Impuls mit einer Amplitude V_cc an einen der Anschlüsse des Koppel-Kondensators angelegt, oder an den Ausgang 3 des Impulse erzeugenden Schaltkreises 1, so daß der Fluß eines Ruhestroms durch den Koppel- Kondensator 4 bewirkt wird. Der mit dem Ausgang 9 verbundene Kondensator 8 wird von diesem Strom allmählich aufgeladen.

Dies bedeutet, daß die Frequenz des Impulse erzeugenden Schaltkreises 1 und die Kapazität des Koppel-Kondensators 4 so bemessen sind, daß der Impulse erzeugende Schaltkreis 1 einen Strom von typisch 40 µA durch den Koppel-Kondensator zu dem Kondensator 8 treibt.

Der oben erwähnte Substrat-Vorspannungsstrom ist notwendig, um das Potential des Substrats innerhalb einer bestimmten Zeitdauer nach dem Anlegen der Versorgungsspannung Vcc zu stabilisieren. Zusätzlich dient der Substrat-Vorspannungsstrom zur Kompensation eines durch Stoßionisation bedingten Stromes, welcher durch Löcher in der Nähe des Elektronenkanals (Drain) des MOS-Transistors ausgelöst wird, wenn der integrierte Schaltkreis eine Schreib- oder Leseoperation ausführt. Im anderen Fall, wenn der integrierte Schaltkreis nicht arbeitet, wenn er sich also in Bereitschaftsstellung (stand-by) befindet, fließt lediglich der Rückwärts-Leckstrom durch den P-N-Übergang. Die Stärke dieses Leckstroms liegt gewöhnlich in der Größenordnung von einigen Zehnereinheiten PicoAmpere bis zu ungefähr 100 PicoAmpere. Aus diesem Grunde ist es nicht notwendig, einen Strom in der Größenordnung von 40 µA bereitzustellen.

In einem Speichersystem werden gewöhnlich eine große Anzahl dynamischer RAMs verwendet. Jedoch nur ein Bruchteil von ihnen arbeitet zu einem bestimmten Zeitpunkt, während die übrigen dynamischen RAMs im Bereitschaftszustand sind. Dies bedeutet, daß der Substrat- Vorspannungsstrom unökonomisch eingesetzt wird.

Deshalb umfaßt die Schaltung nach US 44 55 628 zusätzliche Schaltungskreise zur Erzeugung von zusätzlichen Substrat-Vorspannungsströmen, wenn ein Speicherbereich mittels RAS bzw. CAS-Signalen aktiviert wird.

Unmittelbar nach dem Anlegen der Versorgungsspannung kann die aus dieser Druckschrift bekannte Schaltung jedoch einen ausreichenden Substrat-Vorspannungsstrom nicht erzeugen, so daß die gewünschte Substrat-Vorspannung erst nach einer relativ langen Zeitdauer erreicht wird.

Aus US 41 42 114 ist es bekannt, den zur Erzeugung der Substrat-Vorspannung vorgesehenen Oszillator abhängig von der ermittelten Schwellwertspannung eines FETs so zu schalten, daß sich die Substratvorspannung innerhalb eines gewünschten Bereiches befindet. Nach Anlegen der Versorgungsspannung dauert es jedoch auch mit dieser Schaltung relativ lang, bis die gewünschte Substrat-Vorspannung aufgebaut ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltung zur Erzeugung eines Substrat-Potentials zu schaffen, welche unmittelbar nach dem Anlegen der Versorgungsspannung einen schnellen Aufbau des Substratpotentials ermöglicht und eine Überdimensionierung der Schaltung sowie einen hohen Versorgungsstrom für den fortgesetzten Betrieb vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung ferner einen zweiten Schaltungskreis umfaßt, der über ein zweites kapazitives Element das Pulssignal von dem Impulse erzeugenden Schaltkreis erhält, zum Treiben eines zweiten Substrat-Vorspannungsstroms zum Ausgang während einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Anlegen der Versorgungsspannung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Schaltung außerdem einen dritten Schaltungskreis umfaßt, der über ein viertes kapazitives Element ein Pulssignal erhält, welches nur dann erzeugt wird, wenn der Halbleiter Schaltkreis eine aktive Operation, wie beispielsweise Auslesen, Einschreiben oder Auffrischen, ausführt, und der einen dritten Substrat-Ruhestrom zum Ausgang treibt, und zwar nur dann, wenn ein Pulssignal empfangen wird.

Die Wirkungsweise, das Prinzip und die Verwendungsmöglichkeit der Erfindung wird durch die nachstehende, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesende Beschreibung noch klarer.

Fig. 1 zeigt den Schaltplan einer herkömmlichen, Substrat-Potential erzeugenden elektrischen Schaltung;

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Substrat- Potentials von der Schaltung nach Fig. 1, wenn eine Versorgungsspannung daran angelegt wird;

Fig. 3 zeigt den Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Substrat-Potential erzeugenden elektrischen Schaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 zeigt die zeitlichen Verläufe von Spannung und Strom an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 3 bei Anlegen einer Versorgungsspannung.

Eine erfindungsgemäße, Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. In dieser Figur sind die bereits eingangs anhand Fig. 1 beschriebenen Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 3 bezeichnen die Bezugsziffern 10 einen Koppel- Kondensator, 11 einen Abzweigpunkt und 12, 13 zwei MOS-Transistoren, welche in derselben Weise wie die Bauelemente 4, 5, 6 und 7 in Fig. 1 angeordnet sind. 24 bezeichnet einen Koppelkondensator, 25 einen Abzweigpunkt und 26, 27 zwei weitere MOS-Transistoren, welche ebenfalls in derselben Weise wie die Bauelemente 4, 5, 6 und 7 (vgl. Fig. 1) angeordnet sind. Die Schaltungselemente 10 bis 13 bilden einen ersten Schaltungskreis A, die Schaltungselemente 4 bis 7 sowie die Schaltungselemente 14 bis 22 bilden einen zweiten Schaltungskreis B, und die Schaltungselemente 24 bis 27 bilden einen dritten Schaltungskreis C. Ferner ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 23 ein Anschluß bezeichnet, an welchen ein Pulssignal Φ angelegt ist. Das Pulssignal Φ wird von einer auf dem integrierten Schaltkreis angeordneten Schaltung als Antwort auf ein auf den externen Anschluß des Chips gegebenes Signal erzeugt. Das Pulssignal Φ hat die Form einer Pulsfolge, wenn der Chip gerade eine Lese-, Schreib- oder Auffrischoperation ausführt, und es besitzt einen festen Wert, solang sich der Chip in Bereitschaftsstellung befindet.

Weiter bezeichnet in Fig. 3 die Bezugsziffer 15 einen MOS-Transistor, der zwischen den gleichrichtenden MOS-Transistor 6 und Erde geschaltet ist; 14 den gemeinsamen Anschluß der MOS-Transistoren 6 und 15; 16 einen Widerstand zwischen der Gatterelektrode des MOS-Transistor 15 und dem Anschluß 2 für die Stromquelle; 17 den Verbindungspunkt zwischen dem MOS- Transistor 15 und dem Widerstand 16; 18 die parasitäre Kapazität des Verbindungspunkts 17; 19 einen MOS-Transistor, geschaltet zwischen den Verbindungspunkt 17 und Erde; 20 einen zwischen den Anschluß 2 für die Stromquelle und den MOS-Transistor 19 geschalteten Widerstanad; 21 den gemeinsamen Anschluß des MOS-Transistors 19 und des Widerstandes 20; und 22 einen Kondensator, der zwischen den gemeinsamen Anschluß 21 und Erde geschaltet ist.

Die Wirkungsweise der in Fig. 3 gezeigten Schaltung wird nun unter Bezugnahme auf das Kurvendiagramm in Fig. 4 erläutert.

Sobald eine Versorgungsspannung V_cc zur festen Zeit t₀ angelegt wird, steigt die Spannung am Anschluß 2 sofort ebenfalls auf den Wert V_cc der Versorgungsspannung. Dies hat zur Folge, daß der Impulse erzeugende Schaltkreis 1 in Funktion gesetzt wird und einen Impuls zu seinem Ausgang 3 liefert, wodurch der erste Schaltungskreis A aktiviert wird und ein Substrat- Vorspannungsstrom I_S fließt. Dieser Substrat- Vorspannungsstrom I_S kann durch den folgenden Term dargestellt werden:

I_S = f · C₁₀ · (V_cc - V_TH), (4)

worin f die Frequenz des von dem Impulse erzeugenden Schaltkreises 1 gelieferten Impulses ist, C₁₀ die Kapazität des Koppel-Kondensators 10 und V_TH die Durchbruchspannung des MOS-Transistors 12.

Anhand des Terms (4) wird deutlich, daß der Substrat- Vorspannungsstrom I_S durch Verändern der Kapazität C₁₀ eingestellt werden kann. Der Koppel- Kondensator 10 wird gebildet von einer dünnen Isolierschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von mehreren 100 Angström und auf die beiden Seiten dieser Isolierschicht aufgebrachten Elektroden aus Polysilicium. Die Kapazität C₁₀ des Koppel-Kondensators kann auf einfache Weise eingestellt werden durch Veränderung der Elektrodenfläche oder der Dicke der Isolierschicht.

In der Schaltung gemäß Fig. 3 wurde eine Kapazität gewählt, welche eine gerade für die Kompensation des Leckstroms durch den P-N-Übergang ausreichende Stromstärke ergibt. Der zweite Schaltungskreis B hingegen liefert nur dann einen Substrat-Vorspannungsstrom I, wenn die Versorgungsspannung V_cc an ihn angelegt wird. Vor dem Anlegen der Versorgungsspannung V_cc liegen in dem zweiten Schaltungskreis B die Punkte 17 und 21 auf "0"-Potential (Logik-Zustand "low"), während die MOS-Transistoren 15 und 19 nichtleitend (ausgeschaltet) sind. Die Spannungen an den Punkten 17 und 21 steigen dann auf "1"-Pegel (Logik-Zustand "high"); da jedoch die parasitäre Kapazität 18 kleiner ist als die Kapazität des Kondensators 22, steigt die Spannung am Punkt 17 schneller auf den "1"-Pegel als die Spannung am Punkt 21 (die Kapazität 18 lädt sich nämlich schneller auf als der Kondensator 22). Die Aufladegeschwindigkeit ist im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit, mit der die Versorgungsspannung angelegt wird.

Wenn beispielsweise der Widerstanad R₁₆ zu 5 MegaOhm gewählt wird und die parasitäre Kapazität 18 0,5 PikoFarad beträgt, so ergibt sich eine Ladezeitkonstante τ₁₇ am Punkt 17 von:

τ₁₇ = (5 · 10⁶) · (0,5 · 10^-12) = 25 µs.

Wenn die Kapazität 18 aufgeladen wird (mit einer durch die Zeitkonstante τ₁₇ bestimmten Geschwindigkeit), befindet sich der MOS-Transistor 15 in leitendem Zustand (eingeschaltet), was eine Folge des Arbeitens des zweiten Schaltungskreises B und des Flusses des Substrat-Vorspannungsstroms I ist. Am Punkt 21 hingegen ist die Zeitkonstante größer und die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators 22 entsprechend langsamer. Hat der Widerstand R₂₀ beispielsweise einen Wert von 5 MegaOhm und der Kondensator C₂₂ eine Kapazität von 100 PikoFarad, so ergibt dies eine Auflade-Zeitkonstante τ₂₁ am Punkt 21 von

τ₂₁ = (5 · 10⁶) · (100 · 10^-12) = 500 Üs.

Da die Auflade-Zeitkonstante τ₂₁ relativ groß ist, ist die Ladegeschwindigkeit am Punkt 21 entsprechend niedrig. Sobald das Substrat im wesentlichen durch den Substrat-Vorspannungsstrom I aufgeladen ist (zur festen Zeit t₁), geht der MOS-Transistor 19 in den leitenden Zustand (EIN) über, während der MOS-Transistor 15 nichtleitend wird (AUS), so daß der zweite Schaltungskreis B abgeschaltet wird. Dies bedeutet, daß lediglich der Ladestrom I_S auf das Substrat fließt, was zum ökonomischen Umgang mit der elektrischen Energie beiträgt.

Der ständige Strom I₁₅ durch den MOS-Transistor 15, der fließt, wenn letzterer leitend ist, ist nur sehr gering:

I₁₅ = V_cc/R₁₆ = 5V/5 MΩ = 1ÜA.

Der dritte Schaltungskreis C ist zum Kompensieren des durch Stoßionisation bedingten Stromes vorgesehen, welcher in dem Substrat fließt, wenn der Chip eine aktive Operation, wie beispielsweise Auslesen, durchführt. Zum Betreiben des Chips wird ein Pulssignal Φ an ihn angelegt. Demzufolge bedingt das Pulssignal Φ einen im Schaltungskreis C fließenden Strom I_A, der notwendig ist, um den Abfall des Substrat-Potentials auszugleichen. Im Falle des Einsatzes einer Vielzahl von Impulsen zur Aktivierung des Chips sollte die Anzahl der Substrat-Vorspannungsstrom liefernden Schaltungskreise entsprechend der Anzahl der angelegten Impulse erhöht werden, wie dies in Fig. 3 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Aus der oben bestehenden Beschreibung geht hervor, daß die Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung einen ersten, zweiten und dritten Schaltungskreis aufweist, welche jeweils unabhängig voneinander dem Substrat verschiedene Vorspannungsströme als Antwort auf das Ablegen der Versorgungsspannung an den Chip zuführen, je nachdem, ob der Chip gerade Operationen ausführt oder sich in Bereitschaftsstellung befindet. Dies bedeutet, daß der Substrat-Vorspannungsstrom jeweils entsprechend dem Arbeitszustand des Chips bemessen wird. Auf diese Weise kann der Substrat-Vorspannungsstrom während den Bereitschaftszeiten reduziert werden, was zu einer deutlichen Verminderung des Stromverbrauchs des integrierten Schaltkreises beiträgt.

Claims (11)

1. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung für einen Feldeffekttransistoren mit isolierter Gatterelektrode als wesentliche Bauelemente benutzenden integrierten Halbleiter-Schaltkreis, mit

• - einem ersten Schaltungskreis (A), der über ein erstes kapazitives Element (10) ein Pulssignal von einem Impulse erzeugenden Schaltkreis (1) erhält, welcher von einer Versorgungsspannung zum Treiben eines ersten Substrat-Vorspannungsstroms zu einem Ausgang (9) zu allen Zeitpunkten nach dem Anlegen der Versorgungsspannung gespeist wird.

gekennzeichnet durch

• - einen zweiten Schaltungskreis (B), der über ein zweites kapazitives Element (4) das Pulssignal von dem Impulse erzeugenden Schaltkreis (1) erhält, zum Treiben eines zweiten Substrat-Vorspannungsstroms zum Ausgang (9) während einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Anlegen der Versorgungsspannung.

2. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den ersten Schaltungskreis (A) bereitgestellte erste Substrat-Vorspannungsstrom so bemessen ist, daß der Leckstrom eines P-N-Übergangs innerhalb des integrierten Schaltkreises (1) kompensiert wird.

3. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltungskreis (A) enthält:

• - einen ersten gleichrichtenden MOS-Transistor (13), der zwischen die eine Elektrode des ersten kapazitiven Elements (10) und den Ausgang (9) geschaltet ist;
• - einen zweiten gleichrichtenden MOS-Transistor (12), der zwischen die eine Elektrode des ersten kapazitiven Elements (10) und Erde geschaltet ist;

und daß der zweite Schaltungskreis (B) enthält:

• - einen dritten gleichrichtenden MOS-Transistor (7), der zwischen die eine Elektrode des zweiten kapazitiven Elements (4) und dem Ausgang (9) geschaltet ist;
• - einen vierten gleichrichtenden MOS-Transistor (6), dessen eine Hauptelektrode mit der einen Elektrode des zweiten kapazitiven Elements (4) verbunden ist;
• - einen Kontroll-MOS-Transistor (15), der zwischen die andere Hauptelektrode des vierten gleichrichtenden MOS-Transistors (6) und Erde geschaltet ist;
• - und einen ein "EIN"-Signal erzeugenden Schaltkreis zum Anlegen eines "EIN"-Signals an die Gateelektrode des Steuer-MOS-Transistors (15) während einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Anlegen der Versorgungsspannung, welche den Steuer-MOS-Transistor (15) leitend werden läßt.

4. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das "EIN"-Signal erzeugende Schaltkreis enthält:

• - ein erstes Ladeelement (20), das zwischen einem ersten Verzweigungspunkt (21) und dem Stromanschluß (2), über den die Versorgungsspannung angelegt wird, geschaltet ist;
• - ein drittes kapazitives Element (22), das zwischen dem ersten Verzweigungspunkt (21) und Erde geschaltet ist;
• - ein zweites Ladeelement (16), das zwischen dem Stromanschluß (2) und einem zweiten, mit dem Kontroll- MOS-Transistor (15) verbundenen Verzweigungspunkt (17) geschaltet ist;
• - einen MOS-Transistor (19), der zwischen dem zweiten Verzweigungspunkt (17) und Erde geschaltet ist, und der eine mit dem ersten Verzweigungspunkt (21) verbundene Gateelektrode besitzt.

5. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des dritten kapazitiven Elements (22) größer ist als die parasitäre Kapazität (18) an der Gateeelektrode des Steuer-MOS-Transistors (15).

6. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner umfaßt:

• - einen dritten Schaltungskreis (C), der über ein viertes kapazitives Element (24) ein Impulssignal erhält, welches nur dann erzeugt wird, wenn der integrierte Halbleiter-Schaltkreis eine aktive Operation, wozu Auslesen, Einschreiben und Auffrischen zählt, ausführt, so daß ein dritter Substrat-Vorspannungsstrom nur dann zum Ausgang (9) getrieben wird, wenn ein solches Impulssignal empfangen wird.

7. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Schaltungskreis (C) enthält:

• - einen fünften gleichrichtenden MOS-Transistor (26), der zwischen die eine Elektrode des vierten kapazitiven Elements (24) und dem Ausgang (9) geschaltet ist;
• - und einen sechsten gleichrichtenden MOS-Transistor (27), der zwischen die eine Elektrode des vierten kapazitiven Elements (24) und Erde geschaltet ist.

8. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des ersten Substrat-Vorspannungsstroms geringer ist als der zweite Substrat-Vorspannungsstrom.

9. Substrat-Potential erzeugende elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des ersten Substrat-Vorspannungsstromes geringer ist als der dritte Substrat-Vorspannungsstrom.