DE3872446T2 - Vorspannungseinrichtung, um eine spannungsunabhaengige kapazitanz zu verwirklichen. - Google Patents
Vorspannungseinrichtung, um eine spannungsunabhaengige kapazitanz zu verwirklichen.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Kapazitanzstruktur unter Verwendung der CMOS-Technologie, insbesondere eine Vorspanneinrichtung, um eine spannungsunabhängige Kapazitanz zu verwirklichen.
- Die VLSI (Very Large Scale Integration)-Technologie ist so weit fortgeschritten, daß es nun möglich ist, Silizium-Chips herzustellen, die ganze elektrische Systeme aufnehmen können. Gewöhnlich werden solche Silizium-Chips durch digitale Komponenten, wie z.B. logische Schaltkreise und Speicherschaltkreise, dominiert. Jedoch werden bei den vorherrschenden Digital-Chips noch etwa ein bis fünf Prozent der Chipfläche für analoge Bauelemente verwendet. Der Kondensator ist eines dieser analogen Bauelemente, welches gewöhnlich auf den vorherrschenden Digitalchips benötigt wird.
- Weil der VLSI-Chip durch digitale Bauelemente dominiert wird, wurde das Verfahren für digitale Schaltkreise optimiert, obwohl es wünschenswert ist, ein Herstellungsverfahren zu haben, welches sowohl bei der Fertigung von analogen als auch von digitalen Schaltkreisen gleichermaßen geeignet ist. Obwohl das CMOS- Verfahren für digitale Schaltkreise optimiert wurde, wird angenommen, daß das CMOS-Verfahren die Erfordernisse einer effektiven Fertigung sowohl von digitalen als auch von analogen Komponenten am ehesten erfüllt. Anders ausgedrückt, das CMOS-Verfahren ist extrem günstig in der Anordnung von digitalen Komponenten auf einem gemischten Chip-Schaltkreis (z.B. einem Chip, welcher sowohl analoge als auch digitale Schaltkreise aufweist). Es ist weniger günstig, analoge Schaltkreise anzuordnen. Jedoch ist es sehr viel günstiger analoge Schaltkreise anzulegen, als jedwedes der bekannten Herstellungsverfahren, in denen das ultimative Ziel vorherrscht, die VLSI-Logik mit Analogtechnik zu vermischen.
- Die Verwendung von Feldeffekttransistoren als Kondensatoren ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Die GB-Patentschrift 20 79 635 beschreibt einen Feldeffekttransistor, in dem die Kondensatorstruktur durch Feldeffekttransistoren gebildet wird und bei denen die Drain- mit den Source-Elektroden verbunden sind.
- Die Verwendung eines modifizierten CMOS-Verfahrens zur Herstellung von Kondensatoren ist im Stand der Technik bereits gut dokumentiert. Bei einem modifizierten CMOS-Verfahren werden zusätzliche Verfahrensschritte eingesetzt, um auch die analogen Komponenten auf dem Chip herzustellen. Beispiele von modifizierten CMOS-Verfahren sind aus den folgenden Veröffentlichungen bekannt: Hodges, D. et al, "Potential of MOS Technologies for Analog Integrated Circuits," IEEE ISSC, Juni 1978, Seiten 285-294; Ham, P., und Newman, D., "Digital CMOS Cell Library Adopts Analog Circuits," Elektronik-Design, 8. Dezember 1983, Seiten 107-114, und Stone, D., et al, "Analog Building Blocks for Custom and Semi-custom Applications," IEEE ISSC, Februar 1984, Seite 55.
- In der US-Patentschrift 4,214,252, der US-Patentschrift 4,005,466 und in JP 56-153778, wurden spannungsunabhängige Kondensatoren unter Verwendung von speziellen Verfahrensschritten zur Erzeugung einer leitenden Schicht unter dem Gatteroxid gebildet.
- Obwohl die Verwendung von zusätzlichen Verfahrensschritten eine Bewegung in die richtige Richtung ist, entstehen durch die zusätzlichen Verfahrensschritte zusätzliche Kosten und die Komplexität des fertigen Chips wird erhöht.
- Darüber hinaus wurden spannungsunabhängige Kondensatoren aus Bauelementen mit PN-Übergängen mit Sperrvorspannung gebildet, um einen Varaktor zu bilden. Aus dem Stand der Technik sind folgende Beispiele dieser Technik bekannt: US-Patentschriften: 4,003,004; 4,143,383; 3,909,637; 3,586,929; 3,582,823; 3,569,865; 3,559,104; 3,290,618; 3,139,596 und 3,109,995. Das Problem mit diesen Methoden ist, daß die Varaktor-Kapazitanz mit umgekehrter Spannung ändert. Also, wenn sich die Spannung über den Varaktor ändert, ändert sich auch die Kapazitanz. D.h., daß einige der Varaktoren, welche nicht auf dem Chip integriert werden können, mittels Induktoren vorgespannt werden müssen.
- Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorspanneinrichtung zu schaffen, welche eine spannungsunabhängige Kapazitanz aufweist, wobei diese in einfacher Weise mittels eines digitalen CMOS-Verfahrens auf einem Chip integriert werden kann.
- Die erfindungsgemäße Vorspanneinrichtung enthält ein erstes und zweites Feldeffekttransistor-Bauelement als Kondensatoren, welche in Reihe geschaltet sind und wobei jeweils die Source-Elektroden und die Drain-Elektrode miteinander verbunden sind. Außerdem enthält die erfindungsgemäße Vorspannungseinrichtung ein Vorspannungs-Netzwerk, welches mit den Gatter-Elektroden des ersten und des zweiten Feldeffekttransistor-Bauelementes verbunden ist. Damit wird ein relativ hoher Impedanzpfad für die Signale geschaffen, welche zwischen der gemeinsamen Source-Drain- Elektrode des ersten Feldeffekttransistor-Bauelementes als Eingangsknoten und der gemeinsamen Source-Drain-Elektrode des zweiten Feldeffekttransistor-Bauelementes als Ausgangsknoten fließen. Dabei wird ein ausgewähltes Spannungsniveau an dieser Gatter-Elektrode geschaffen, so daß für einen gesamten Bereich von Signalspannungen eine Inversionsschicht in jedem Feldeffekttransistor-Bauelement unter den Gatter-Elektroden erhalten wird.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Vorspannungsnetzwerk eine Vielzahl von P-Kanal-Feldeffekttransistor-Bauelementen, die miteinander in Reihe verbunden sind. Die Gatter-Elektrode des ersten Feldeffekttransistor-Bauelementes wird mit der Source-Elektrode des dritten Feldeffekttransistor- Bauelementes verbunden und die Source-Elektrode des ersten Feldeffekttransistor-Bauelementes wird mit der Gatter-Elektrode des dritten Feldeffekttransistor-Bauelementes verbunden.
- Die oben genannten Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung ausführlicher beschrieben.
- Figur 1 zeigt ein äquivalentes Schaltkreismodell für die erfindungsgemäße Einrichtung.
- Figur 2 zeigt eine Einrichtung gemäß der technischen Lehre der Erfindung.
- Figur 3 zeigt einen Querschnitt für jeden der in Reihe geschalteten N-Kanal-Anreicherungszustände der Feldeffekttransistoren aus Figur 2.
- Figur 1 zeigt ein äquivalentes Schaltkreismodell für eine erfindungsgemäße Kapazitätsstruktur. Diese Kapazitätsstruktur enthält zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 10 und 12 (mit den gleichen Werten) sowie einen Knoten 14 zwischen einem Eingangspol A und einem Ausgangspol B. Ein hoher Impedanzwiderstand 16 und ein Vorspannungsnetzwerk 18 sind mit dem Knoten 14 verbunden. Der Widerstand 16 und das Vorspannungsnetzwerk 18 sind parallel zu den in Reihe geschalteten Kondensatoren geschaltet. Weil die Kondensatoren 10 und 12 in Reihe geschaltet sind, kann der sich zwischen den Knoten A und B befindende äquivalente Kondensator CeQ ausgedrückt werden durch:
- CeQ = C1 C2/(C1+C2)
- Dabei sind C1 und C2 die Kapazitäten der Kondensatoren 10 und 12.
- Wenn C1 = C2 = C ist, dann ist C äquivalent zu 1/2C.
- Figur 2 zeigt eine Schaltkreisanordnung für einen erfindungsgemäßen Kondensator. In Figur 2 sind Elemente, die auch in Figur 1 vorhanden sind, mit ähnlichen Bezugszeichen versehen. Der Kondensator 10 wird durch das Feldeffekttransistor-Bauelement 10' gebildet. Vorzugsweise ist das Feldeffekttransistor-Bauelement 10' ein N-Kanal-Anreicherungsbauelement, wobei seine Gatter- Elektrode mit Knoten 14 verbunden ist und sowohl seine Drainals auch seine Source-Elektrode ist mit dem Eingangspol A verbunden. Der Kondensator 12 enthält ebenso ein Feldeffekttransistor-Bauelement 12'. Das Feldeffekttransistor-Bauelement 12' ist ein N-Kanal-Anreicherungsbauelement, dessen Gatter-Elektrode mit Knoten 14 und dessen Source- und Drain-Elektroden mit dem Ausgangsknoten B verbunden ist. Es sollte noch erwähnt werden, daß es dem Durchschnittsfachmann möglich sein sollte, auch andere Typen von Feldeffekttransistor-Bauelementen zu verwenden, um die in Reihe geschalteten Kondensatoren 10 und 12 zu bilden.
- Die Figur 2 zeigt weiterhin, daß die Gatter-Elektroden der Feldeffekttransistor-Bauelemente 10' und 12' am Knoten 14 mit dem Hochimpedanzwiderstand 16 verbunden sind. Der Hochimpedanzwiderstand 16 wird aus dem Feldeffekttransistor-Bauelement 16' gebildet. Das Feldeffekttransistor-Bauelement 16' ist vorgespannt, so daß im linearen Bereich seiner Kennlinie operiert, in der es wie ein linearer Widerstand arbeitet.
- Das Feldeffekttransistor-Bauelement 16' ist vorzugsweise ein N-Kanal-Feldeffekttransistor-Bauelement, dessen Gatter-Elektrode mit Knoten 20 und dessen Drain-Elektrode mit Knoten 14 verbunden ist und dessen Source-Elektrode mit Knoten 22 verbunden ist. Wie Figur 2 weiterhin zeigt, sind die Knoten 20 und 22 in dem Vorspannungsnetzwerk 18 enthalten.
- Die Figur 2 zeigt weiterhin, daß das Vorspannungsnetzwerk 18 eine Vielzahl von in Serie geschalteten Feldeffekttransistor- Bauelementen mit den Bezugsnummern 18', 18'' und 18''' enthält. Jedes der Vorspannungs-Bauelemente ist vorzugsweise ein P-Kanal- Anreicherungs-Feldeffekttransistor. Die in Reihe geschalteten Feldeffekttransistoren 18', 18'' und 18''' dienen zum Vorspannen des Gatters von Feldeffekttransistor 16' zwischen einem ersten Potential Vdd und einem zweiten Potential. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Vdd das positive Spannungsniveau der auf dem Chip integrierten Spannungsversorgung, während das zweite Potential das Grundpotential der Spannungsversorgung darstellt. Jeder der Vorspannungs-Feldeffekttransistoren 18', 18'' und 18''' ist ein Vierpol-Bauelement mit einer Substrat- Elektrode, einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und einer Gatter-Elektrode. Bei dem Vorspannungsbauelement 18' ist die Substrat-Elektrode 24 über Knoten 20 mit der Source-Elektrode 26 verbunden. Ebenso ist die Gatter-Elektrode von Bauelement 18' über die Knoten 22 und 28 mit der Drain-Elektrode verbunden. Ebenso hat das Feldeffekttransistor-Bauelement 18'' eine mit der Source-Elektrode 32 verbundene Substrat-Elektrode 30 und eine mit der Drain-Elektrode verbundene Gatter-Elektrode. Schließlich ist die Substrat-Elektrode 34 des Feldeffekttransistor-Bauelementes 18''' verbunden mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 18'''. Die Gatter-Elektrode des Feldeffekttransistor-Bauelementes 18''' ist über Knoten 36 verbunden mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistor 18'''. Der Knoten 36 ist mit dem Erdpotential der auf dem Chip integrierten Stromversorgung verbunden.
- Wie in Figur 2 zu sehen ist, ist die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistor 18' mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 18'' und die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistor 18'' mit der Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 18''' verbunden. Wie oben bereits erwähnt, bilden die Feldeffekttransistoren 18', 18'' und 18''' eine Reihenschaltungsstruktur.
- Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen der in Reihe geschalteten N-Kanal-Feldeffekttransistor-Bauelemente 10 oder 12. Für das Verständnis, warum das N-Kanal-Feldeffekttransistor-Bauelement wie ein effektiver Kondensator wirkt, ist die Querschnittsdarstellung sehr hilfreich. Die Source-Elektrode S ist mit dem N&spplus;-Bereich 30 verbunden. Die Drain-Elektrode D ist mit dem N&spplus;-Bereich 32 verbunden. Die Source- und Drain-Elektroden sind mit der gemeinsamen Stromversorgungsquelle S/D verbunden.
- Die Gatter-Elektrode G ist mit dem Gatter-Bereich 34 verbunden. Die Gatter-Elektrode G ist somit auch mit einem wie oben beschriebenen Vorspannungsnetzwerk verbunden, welches eine Spannung auf dem Gatter verursacht, so daß Vg - VS/D größer ist als der absolute Wert von Vt. Mathematisch betrachtet, bewirkt die Konfiguration eine kapazitive Funktion, wenn
- (1) VG-S/D > VT .
- Dabei ist Vg die Spannung an der Gatter-Elektrode, VS/D die Spannung an der Source-/Drain-Elektrode und Vt die Grenzspannung des Feldeffekttransistor-Bauelementes.
- Sobald die Gleichung (1) erfüllt wird, bildet sich eine Inversionsschicht 36 zwischen N&spplus;-Bereich 30 und dem N-Bereich 32. Die Inversionsschicht ist eine leitende Schicht und bildet eine der Platten der kapazitiven Struktur. Ebenso bildet der Gatter-Bereich 34 die andere Platte der kapazitiven Struktur.
- Es sollte noch erwähnt werden, daß für N-Kanal-Feldeffekttransistor-Bauelemente die leitende Schicht (36) Elektronen sind.
- Es sollte auch erwähnt werden, daß P-Kanal-Bauelemente verwendet werden können um die kapazitive Struktur herzustellen. In einem P-Kanal-Bauelement sind die Source- und die Drain-Elektroden mit versetzten P-Bereichen verbunden. Mit einem P-Kanal-Bauelement wird die kapazitive Funktion geschaffen, wenn
- (2) VS/D - VG > Vt .
- Nimmt man Bezug auf die obigen Gleichungen 1 und 2, so scheint es, als ob der geradlinige Versuch zur Schaffung einer kapazitiven Funktion darauf hinausläuft, die Pole der Feldeffekttransistor-Bauelementes direkt durch eine Spannungsquelle vorzuspannen. Dies sind jedoch einige Schaltkreisanwendungen, bei denen der Kondensator so verwendet wird, daß eine direkte Spannungsvorspannung an den kapazitiven Polen nicht möglich ist. Zwei derartige Anwendungen treten auf, wenn ein Kondensator für einen Filter bzw. einen spannungsgesteuerten Oszillator verwendet wird. In diesen Anwendungen wird ein Signal durch den Kondensator geleitet und eine auf jeden Kondensatorknoten gelegte direkte Spannung würde das Signal von seinem vorgesehenen Pfad ablenken. In diesen Fällen muß eine Vorspannung gemäß Figur 2 verwendet werden.
- Es kann auch gezeigt werden, daß die Figur 3 gezeigte Struktur die höchsten kapazitiven Werte pro Fläche aufweist. Bezugnehmend auf Figur 3 gilt:
- CG-S/D = Cox(W.L)
- Cox = Eox/tox
- Dabei gilt:
- CG-S/D ist die Kapazitanz zwischen der Gatter- und der Source- /Drain-Elektrode.
- Cox ist die Oxidkapazität.
- Eox ist die Dielektrizitätskonstante des Gatteroxids.
- tox ist die Dicke des Gatteroxids.
- W ist die Bauelementbreite und
- L ist die Bauelementlänge.
- Weil die Oxiddicke (tox) zwischen den Platten extrem dünn ist und im Vergleich mit anderen Halbleiterstrukturen sehr effektiv gesteuert werden kann, schafft die Feldeffekttransistorstruktur von Figur 3 die größte Kapazitanz pro Fläche und die am besten erzielbare Toleranz. Deshalb wird ein Standard-Digitalverfahren verwendet um Kondensatoren zu fertigen, die bei maximaler Kapazitanz pro Fläche spannungsunabhängig sind und die die höchstmögliche Toleranz innerhalb des Verfahrens aufweisen.
Claims (5)
1. Vorspannungseinrichtung zur Schaffung einer konstanten
Kapazitanz, die von Änderungen zugehöriger Signalspannungen
unbeeinflußt bleibt, bestehend aus zwei in Serie geschalteten
Kondensatoren, wobei diese Kondensatoren eine ersten (10) und eine
zweite (12) FET-Einheit sind und bei jeder FET-Einheit die Source-
Elektrode mit der Drain-Elektrode verbunden ist,
und die Vorspannungseinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß
sie aufweist:
ein an die Gate-Elektroden der ersten und zweiten FET-Einheit
angeschlossenes Vorspannungsnetzwerk (16, 18), das einem Pfad
mit relativ hoher Impedanz für Signale schafft, die zwischen der
gemeinsamen Source-Drain-Elektrode der ersten FET-Einheit als
Eingangsknoten und der gemeinsamen Source-Drain-Elektrode der
zweiten FET-Einheit als Ausgangsknoten fließen, und das einen
ausgewählten Spannungspegel an der Gate-Elektrode sicherstellt,
so daß bei jeder FET-Einheit unterhalb der Gate-Elektrode eine
Inversionsschicht für einen vollen Bereich von Signalspannungen
aufrecht erhalten wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei welchem die erste (10) und
die zweite (12) FET-Einrichtung einen N-Kanal Anreicherungs-FET
aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das
Vorspannungsnetzwerk eine dritte FET-Einheit (16) aufweist, die eine an
die Gate-Elektroden (14) der ersten (10) und zweiten (12) FET-
Einheiten angeschlossene Drain-Elektrode, eine Gate-Elektrode
und eine Source-Elektrode besitzt, und eine Mehrzahl von
zwischen einem ersten und einem zweiten Referenzspannungspegel
in Serie geschalteten und mit der Gate-Elektrode (20) der
dritten FET-Einheit verbundenen FET-Einheiten besitzt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei welchem die dritte
FET-Einheit (16) eine N-Kanal Anreicherungseinheit aufweist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem die Mehrzahl
von FET-Einheiten eine vierte (18'), eine fünfte (18'') und eine
sechste (18''') P-Kanal FET-Einheit aufweist, wobei jede Einheit
eine an die Source-Elektrode angeschlossene Substrat-Elektrode
besitzt, die Gate-Elektrode mit der Drain-Elektrode verbunden
ist und benachbarte FET-Einheiten je über ihre Source- und
Drain-Elektroden miteinander verbunden sind.
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