DE69408320T2

DE69408320T2 - Vorrichtung und verfahren zum einstellen der schwellenspannung von mos-transistoren

Info

Publication number: DE69408320T2
Application number: DE69408320T
Authority: DE
Inventors: Doug Farrenkopf; Richard Merrill
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1994-04-04
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: KR100314892B1; WO1994023353A1; JP2006319372A; KR960702637A; JPH08508600A; EP0704072B1; US5397934A; EP0704072A1; TW238424B; DE69408320D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Metalloxidhalbleiter (MOS)-Transistoren und insbesondere eine Vorrichtung zum Einstellen der Schwellenspannung von MOS-Transistoren.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET) verwendet eine dünne dielektrische Sperrschicht, um Gate und Kanal zu isolieren. Eine an den Gateanschluß angelegte Steuerspannung induziert über der elektrischen Sperrschicht ein elektrisches Feld und moduliert die freie Trägerkonzentration der Kanalregion. MOS-Transistoren sind entweder als p-Kanal- oder n-Kanal-Vorrichtungen klassifiziert, abhängig vom Leitungstyp der Kanalregion.
MOS-Transistoren sind auch gemäß ihrem Betriebsmodus klassifiziert. Bei einem Verarmungs-MOS-Transistor existiert unter dem Gate ein leitender Kanal, an den keine Gatespannung angelegt ist. Die angelegte Gatespannung steuert den Stromfluß zwischen der Source und dem Drain durch "Verarmen" oder Einengen eines Teils des Kanals.
In einem Anreicherungs-MOS-Transistor existiert zwischen der Source und dem Drain bei einer angelegten Gatespannung von 0 kein leitender Kanal. Da eine Gate-Source-Vorspannung mit passender Polarität angelegt und über eine Schwellenspannung VT hinaus erhöht wird, ist direkt unterhalb des Gates eine lokalisierte Inversionsschicht ausgebildet. Diese Schicht dient als ein Leiterkanal zwischen der Source und dem Drain. Wenn die Gate-Source-Vorspannung weiter erhöht wird, wird der spezifische Widerstand des induzierten Kanals verringert und die Stromleitung zwischen Source und Drain wird erhöht.
In einem n-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor muß die Gate- Source-Spannung VGS positiv sein, um einen Kanal zu induzieren. Weil solange kein Strom fließen kann, bis der Kanal gebildet ist, wird Strom nur fließen, wenn VGS eine positive Spannung VT überschreitet. In einem p-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor muß die Gate-Source-Spannung VGS negativ sein, um einen Kanal zu induzieren. Strom wird nur dann fließen, wenn VGS unter einen negativen Wert VT fällt oder anders gesagt, wenn VSG einen positiven Wert VT überschreitet.
Der Wert der Schwellenspannung VT eines MOS-Transistors ist teilweise durch die Spezifikationen des Herstellprozesses bestimmt, d.h. die Kanallänge, die Kanalbreite, die Dotierung, etc. Somit kann VT während der Herstellung auf eine gewünschte Höhe eingestellt werden.
In einer integrierten Schaltung, die viele Tausende von MOS-Transistoren enthalten kann, wird ein unterschiedlicher Schaltungaufbau verwendet, um die Gate-Source-Spannung VGS jedes Transistors zu variieren, um den Transistor ein und aus zu schalten. Im allgemeinen wird VGS über den Wert VT erhöht, um den Transistor einzuschalten und unter den Wert von VT gesenkt, um den Transistor auszuschalten. Der Schaltungsaufbau, der verwendet wird, um VGS der einzelnen Transistoren zu variieren, ist so ausgebildet, daß er mit vorbestimmten Versorgungsspannungen arbeitet, die der integrierten Schaltung zugeführt werden.
Obwohl herkömmliche MOS-Transistoren in Tausenden von integrierten Schaltunganwendungen adäquat funktioniert haben, werden derzeit wenigstens zwei Probleme der Wahl der Schwellenspannung VT zugeordnet, die zu der Ineffizienz der MOS-Transistoren beisteuern.
Das erste Problem, das der VT-Wahl zugeordnet ist, bezieht sich auf die vorbestimmten Versorgungsspannungen. Infolge von variierenden Lasten, die an Spannungeversorgungen liegen und Unstimmigkeiten in verschiedenen Spannungsversorgungen, ist es nicht ungewöhnlich, daß eine vorbestimmte Versorgungsspannung, die 3,3 Volt sein soll, so niedrig wie 2 Volt und so hoch wie 5 Volt ist. Somit muß VT der Transistoren so gewählt werden, daß die Transistoren mit einer Spannungsversorgung betreibbar sind, die sich im Bereich von 2 bis 5 Volt bewegt.
Es ist jedoch schwierig, VT so zu wählen, daß der Transistor effizient in einem derartigen breiten Spannungsversorgungsbereich arbeitet. Wenn beispielsweise VT des Transistors für das optimale Verhalten bei einer Versorgungsspannung von 2 Volt gewählt ist, dann wird eine Versorgungsspannung von 5 Volt verursachen, daß VGS zu weit über VT wächst. Weil der gewählte Wert VT für den Betrieb mit einer Versorgungsspannung von 5 Volt zu niedrig sein kann, kann VGS nahe oder sogar gleich VT sein, wenn der Transistor vermeintlich abgeschaltet wird. Wenn daher VT zu niedrig ist, dann könnte der Transistor leicht zu einer Stromleckage führen, wenn angenommen wird, daß er in dem Aus-Zustand ist.
Wenn andererseits VT des Transistors für optimales Verhalten hoch gewählt ist (d.h. niedrige Leckage im Aus-Zustand) wenn die Versorgungsspannung 5 V beträgt, dann wird eine Versorgungsspannung von nur 2 V das Maß der "Durchgangshöhe" senken, die im Betriebsbereich des Transistors zur Verfügung steht. Insbesondere der Begriff "Durchgangshöhe", wie er hier verwendet wird, hat die Intention, auf die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und VT Bezug zu nehmen. Wenn VT zu hoch gewählt ist, dann wird die Durchgangshöhe gesenkt, was unerwünscht ist, weil eine geringere Garantie besteht, daß VGS weit genug über VT steigt, um den Transistor voll einzuschalten. In der Tat ist es möglich, daß VGS nicht einmal VT erreicht, in welchem Fall der Transistor nicht einschalten könnte.
Das zweite Problem, welches der Wahl der Schwellenspannung zugeordnet ist, bezieht sich auf den Herstellvorgang der MOS-Transistoren. Die Kanallänge, die Kanalbreite, die Gateoxiddicke, die Dotierung etc. spielen alle eine Rolle bei der Bestimmung von VT. Obwohl moderne Herstelltechniken es ermöglichen, daß VT ziemlich genau definiert wird, verursachen Unstimmigkeiten beim Herstellvorgang trotzdem bei den einzelnen Transistoren VT-Abweichungen.
Selbst wenn die Versorgungsspannung nicht von ihrem bestimmten Wert abweicht, können, wenn VT nicht genau eingestellt werden kann, die gleichen Probleme wie Stromleckage oder verminderte Durchgangshöhe auftreten. Anders ausgedrückt, wenn sich VT am unteren Ende des Bestimmungsbereiches befindet, dann kann Stromleckage ein Problem sein. Wenn andererseits VT am oberen Ende des Bestimmungsbereiches liegt, dann wird die Durchgangshöhe vermindert.
Herkömmliche Lösungen für die Unmöglichkeit VT genau zu steuern, umfassen die Auswahl einer extra großen Kanallänge L, sodaß wenn VT am unteren Ende des Bestimmungsbereiches liegt, Stromleckage, vielleicht infolge von Dotierungsabweichungen, innerhalb des Bestimmungsbereiches bleibt. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß, wenn eine extra große Kanallänge verwendet wird, der mittlere Treiberstrom niedrig gehalten werden muß, um die Stromleckage zu steuern. Es ist wünschenswerter, einen höheren mittleren Treiberstrom zu haben.
Es wird zunehmend wünschenswerter, bei MOS-Transistoren niedrigere Versorgungsspannungen zu verwenden, um Strom zu sparen. Wenn die Versorgungsspannungen sinken, erhält die genaue Steuerung des exakten Wertes von VT mehr Bedeutung. Die genaue Steuerung des Wertes VT ist von Bedeutung, weil weniger Durchgangshöhe zur Verfügung steht. Weiterhin kann, wenn VT genau gesteuert wird, der Transistor mit Herstellangaben hergestellt werden, die es erlauben, daß ein vorteilhaft höherer Treiberstrom toleriert werden kann.
Der Stand der Technik ist durch die JP-A-5414892 repräsentiert.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Einstellen der effektiven Schwellenspannung eines MOS-Transistors vorzugsweise gemeinsam mit einer Vielzahl von anderen ähnlichen Transistoren, mit einer Referenzspannungserzeugungsschaltung zum Erzeugen eines ersten Spannungssignals, das für eine gewünschte effektive Schwellenspannung repräsentativ ist, gekennzeichnet durch: einen Spannungsteiler mit dem MOS-Transistor, dessen Gate mit seinem Drain verbunden ist, und der ein zweites Spannungssignal erzeugt, das repräsentativ ist für die effektive Schwellenspannung des MOS-Transitors; und Mittel zum Vergleichen des ersten und zweiten Signals, um ein Rückkopplungssignal zum Einstellen der effektiven Schwellenspannung des MOS-Transistors zu entwickeln.
Ein besseres Verständnis der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Figuren erhalten, die eine veranschaulichende Ausführungsform zeigen, in welcher die Prinzipien der Erfindung verwendet sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Einstellen der Schwellenspannung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung der Vorrichtung zum Einstellen der Schwellenspannung gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Einstellen der Schwellenspannung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Einstellen der Schwellenspannung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 5 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung einer Vorrichtung zum Einstellen der Schwellenspannung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung überwindet die zwei Probleme, welche der vorstehend erörterten Wahl der Schwellenspannung VT eigen sind, indem eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen einer Variablen geschaffen wird, die hier mit "effektive Schwellenspannung VTeff" eines MOS-Transistors bezeichnet wird. Die Bedeutung des Begriffes "Schwellenspannung" und "effektive Schwellenspannung", wie sie hier verwendet werden, sind etwas unterschiedlich.
Der Begriff "Schwellenspannung VT", wie hier verwendet, soll sich auf die Transistorgate-Sourcespannung VGS beziehen, bei welcher der Strom zwischen dem Drain und der Source zu fließen beginnt, wenn der "Transistor-Körper" an das gleiche Potential wie die Source angelegt ist.
Die Masse der Halbleiterregion eines MOS-Transistors ist normalerweise inaktiv, weil der Stromfluß auf den dünnen Oberflächenkanal direkt unterhalb des Gates beschränkt ist. Dieser Teil des Transistors wird "Körper" genannt und wird oft an das gleiche Potential wie die Source gelegt. Wenn der Körper an das gleiche Potential wie die Source gelegt ist, ist die Source-Körperspannung VSB = 0 V. Bei diesem Szenario, d.h., wo der Körper an das gleiche Potential wie die Source gekoppelt ist, ist der Wert VT primär durch die vorstehend erörterten Herstellspezifikationen bestimmt.
Durch Variieren des Potentials, welches an den Körper des Transistors angelegt wird (d.h. durch Variieren der Source- Körperspannung VSB), kann jedoch die Gate-Sourcespannung VGS, bei der zwischen dem Drain und der Source Strom zu fließen beginnt, weiter eingestellt werden, selbst wenn die "Schwellenspannung VT" bereits durch die Herstellspezifikationen bestimmt ist. Der hier verwendete Begriff "effektive Schwellenspannung VTeff" soll sich auf die Spannung VGS beziehen, bei der ungefähr 1,0 Mikroampére Strom zwischen dem Drain und der Source für irgendeinen gegebenen Wert der Source-Körperspannung VSB fließt.
Daher kann die effektive Schwellenspannung VTeff eines Transistors eingestellt werden, indem das Potential variiert wird, welches an den Körper angelegt wird. In einem n- Kanal-MOS-Transistor erhöht eine positive Spannung VSB den Wert VTeff, und eine negative Spannung VSB senkt den Wert VTeff. In einem p-Kanal-MOS-Transistor senkt eine positive Spannung VSB den Wert VTeff und eine negative Spannung VSB erhöht den Wert VTeff.
Im allgemeinen überwindet die vorliegende Erfindung das Problem bezüglich der Versorgungsspannungsänderung durch konstantes Überwachen von VTeff eines Transistors und dynamisches Einstellen von VTeff auf einen Wert, der das Transistorverhalten angesichts des tatsächlichen Wertes der Versorgungsspannung VCC, die von der integrierten Schaltung empfangen wird, verbessert. Das Problem bezüglich der Herstellungsunterschiede wird durch konstantes Überwachen von VTeff eines Transistors und dynamisches Einstellen von VTeff auf einen Wert näher an dem bestimmten Wert VT, überwunden.
Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 20 zum Einstellen einer Schwellenspannung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zum Überwinden des Problems bezüglich der Versorgungsspannungsänderung verwendet wird. Die Vorrichtung 20 kann dazu verwendet werden, VTeff für einige 100 oder 1000 MOS-Transistoren 22 einzustellen. Die Werte für VTeff der Transistoren 22 werden durch Variieren des Potentials eingestellt, welches an den Körper jedes Transistors 22 angelegt ist, wodurch wiederum VSB jedes Transistors 22 variiert wird. Der Wert VTeff wird auf einen Wert eingestellt, der das Transistorverhalten angesichts des tatsächlichen Wertes der Versorgungsspannung VCC, die von den Transistoren empfangen wird, verbessert.
Die Vorrichtung 20 hat einen Referenzspannungsgenerator 24, einen effektiven Schwellenspannungsmonitor 26 und eine Vergleichs-Rückkopplungsschaltung 28. Diese Komponenten arbeiten zusammen, um angesichts des tatsächlichen Wertes der Versorgungsspannung VCC, des vorhandenen Wertes von VTeff der Transistoren 22, und ob ein positives oder negatives Potential für einen wünschenswerten Wert für VTeff an den Korper der Transistoren 22 angelegt werden sollte, einen wünschenswerten Wert für VTeff zu bestimmen. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Transistoren 22 n-Kanal-MOS-Transistoren.
Der Referenzspannungsgenerator 24 empfängt die Versorgungsspannung VCC und bestimmt einen wünschenswerten Wert für VTeff, ein Wert, der im Nachfolgenden als "gewüschte effektive Schwellenspannung VTdes" bezeichnet wird, angesichts des tatsächlichen Wertes für VCC. Nach dieser Bestimmung erzeugt der Referenzspannungsgenerator 24 ein Referenz(oder erstes)Spannungssignal Vref, das gleich VTdes sein kann oder nicht. Wenn im einzelnen die Transistoren 22 n- Kanal-MOS-Transistoren sind, wie dies bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Fall ist, wird Vref ungefähr gleich VTdes sein. Wenn jedoch, wie unten erörtert, die Transistoren 22 p-Kanal-MOS-Transistoren sind, ist Vref normalerweise ungefähr gleich der Differenz zwischen der Versorgungsspannung VCC und VTdes.
Der Referenzspannungsgenerator 24 bestimmt VTdes angesichts des tatsächlichen Wertes VCC. Wenn der tatsächliche Wert für VCC niedriger ist als wie in den Spezifikationen verlangt, und der vorliegende Wert für VTeff zu hoch ist, dann können die Transistoren 22 nicht eingeschaltet werden; daher bestimmt der Referenzspannungsgenerator 24 einen Wert VTdes, der üblicherweise kleiner als VT ist, wodurch sichergestellt ist, daß die Transistoren 22 bei einem niederen Wert von VCC einschalten können. Wenn andererseits der tatsächliche Wert für VCC höher als der in den Spezifikationen verlangte Wert ist, und der vorliegende Wert für VTeff zu niedrig ist, dann kann Stromleckage exzessiv auftreten; daher bestimmt der Referenzspannungsgenerator 24 einen Wert VTdes, der üblicherweise größer als VT ist, wodurch die Stromleckage verringert wird, wenn die Transistoren 22 ausgeschaltet werden.
Aus der vorstehenden Analyse ist zu erkennen, daß VTdes für kleine Werte von VCC klein und VTdes für große Werte von VCC groß ist. Somit bestimmt der Referenzspannungsgenerator 24 VTdes, indem er den Wert VTdes gleich einem Bruchteil des tatsächlichen Wertes für VCC macht. Eine Spannungsteilerschaltung wird dazu verwendet, VTdes gleich einem Bruchteil von VCC zu machen, was im einzelnen im folgenden anhand der Fig. 2 diskutiert wird. Zusätzlich ist zu ersehen, daß, obwohl die vorliegende Ausführungsform der Erfindung VTdes bestimmt, indem VTdes gleich einem Bruchteil von VCC gemacht wird, VTdes auch unabhängig von VCC bestimmt werden kann. Beispielsweise kann VTdes konstant bleiben, während VCC variiert.
Das Referenzspannungssignal Vref, welches durch den Referenzspannungsgenerator 24 erzeugt wird, wird von der Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 empfangen. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist Vref gleich VTdes.
Der Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung mißt den vorhandenen Wert für VTeff der Transistoren 22 und erzeugt ein Monitor- (oder zweites)Spannungssignal Vmon in Abhängigkeit von dieser Messung. Das Monitorspannungssignal Vmon, das ebenfalls von der Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 empfangen wird, kann gleich dem vorhandenen Wert von VTeff sein oder nicht. Im einzelnen wird, wenn die Transistoren 22 n-Kanal-MOS-Transistoren sind, wie dies bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Fall ist, Vmon ungefähr gleich dem vorhandenen Wert für VTeff sein. Wenn jedoch, wie im folgenden erörtert, die Transistoren 22 p-Kanal-MOS-Transistoren sind, wird Vmon normalerweise ungefähr gleich der Differenz zwischen der Versorgungsspannung VCC und dem vorhandenen Wert für VTeff sein.
Wie im folgenden anhand der Figur 2 im einzelnen erörtert, mißt der Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung VTeff der Transistoren 22 unter Verwendung eines der Transistoren 22 als Beispiel und mißt dessen VTeff.
Die Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 bestimmt, ob ein positives oder negatives Einstellpotential Vadj an den Körper der Transistoren 22 angelegt werden soll, um VTdes zu erzielen, und es legt ein derartiges Potential Vadj in Abhängigkeit von der Bestimmung an. Diese Bestimmung wird durch Vergleichen des Referenzspannungssignals Vref und des Monitorspannungssignals Vmon durchgeführt.
Wenn die Transistoren 22 n-Kanal-MOS-Transistoren sind, wie dies bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Fall ist, ist Vmon gleich dem vorliegenden Wert für VTeff und Vref = VTdes. Wenn Vmon ein größeres Potential als Vref hat, dann ist der vorhandene Wert für VTeff größer als VTdes. Bei diesem Szenario muß VTeff gesenkt werden und die Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 legt eine positive Spannung Vadj an den Körper jedes Transistors 22 um eine negative Source-Körperspannung VSB zu erzeugen. Wenn Vmon ein kleineres Potential als Vref hat, dann ist der vorhandene Wert für VTeff kleiner als VTdes. Bei diesem Szenario muß VTeff erhöht werden und die Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 legt eine negative Spannung Vadj an den Körper jedes der Transistoren 22, um eine positive Source-Körperspannung VSB zu erzeugen.
Das Einstellpotential Vadj wird ebenfalls auf den Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung rückgekoppelt Das Signal Vadj wird dazu verwendet, VTeff des Transistors einzustellen, der als ein Beispiel für den Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung beim Messen des vorhandenen Wertes für VTeff der Transistoren 22 verwendet wurde. Somit wird VTeff des Beispieltransistors auf die gleiche Art und Weise wie die Transistoren 22 aktualisiert. Diese Rückkopplungsschleife erleichtert die konstante Überwachung des vorhandenen Wertes von VTeff der Transistoren 22.
Fig. 2 zeigt den Schaltungaufbau, der bei der Implementierung der Vorrichtung 20 gemäß Fig. 1 verwendet wird. Der Referenzspannungsgenerator 24 hat eine Spannungsteilerschaltung, die aus in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 gebildet ist. Die Widerstände R1 und R2 haben vorzugsweise 5 MΩ bzw. 1 MΩ. Die Widerstände R1 und R2 sind zwischen die Versorgungsspannung VCC und eine weitere Versorgungsspannung VSS geschaltet.
Die Versorgungsspannung VSS hat ein niedrigeres Potential als VCC. Für Analysezwecke wird hierbei angenommen, daß VSS gleich dem Massepotential ist; daher hat die "Versorgungsspannung", welche dem Referenzspannungsgenerator 24 und dem Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung zugeführt wird, den Wert von VCC. Wenn VSS gleich dem oder unterschiedlich zu dem Massepotential ist, ist die "Versorgungsspannung", welche an den Referenzspannungsgenerator 24 und den Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung angelegt wird, die Potentialdifferenz zwischen VCC und VSS.
Wie vorstehend erörtert, bestimmt der Referenzspannungsgenerator 24 den Wert für VTdes und daß der Wert für VTdes ein Bruchteil von VCC ist. Es wird davon ausgegangen, daß ein idealer Wert von VTdes ungefähr 15% von VCC ist; es ist jedoch klar zu ersehen, daß dieser Prozentsatz für viele Schaltungsanwendungen nicht ideal ist und daß die vorliegende Erfindung andere Situationen umfaßt, in welchen Modifikationen dieses Prozentsatzes effizientere Ergebnisse erzeugen.
Wie oben erläutert wird, wenn die Transistoren 22 n-Kanal- MOS-Transistoren sind, Vref ungefähr gleich VTdes sein. Es folgt, daß:
Vref = VTdes = 0.15 VCC = VCC (R2/(R1 + R2))
Wenn die Werte für R1 und R2 in diese Gleichung eingesetzt werden, folgt:
Vref = VCC (1 MΩ/ (5 MΩ + 1 MΩ) = 0.166VCC
Somit erzeugt die Spannungsteilerschaltung, welche aus den Widerständen R1 und R2 gebildet ist, einen Wert für Vref, der ungefähr gleich 15% von VCC ist.
Der Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung hat einen n-Kanal-MOS-Transistor MN1, dessen Gate mit seinem Drain verbunden ist und einen Widerstand R3, der in Reihe mit dem Drain des Transistors MN1 geschaltet ist. Der Widerstand R3 hat vorzugsweise eine Größe von 5 MΩ. Der Widerstand R3 und der Transistor MN1 sind zwischen VCC und VSS in Reihe geschaltet.
Der Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung mißt den vorhandenen Wert von VTeff der Transistoren 22 durch Messen des vorhandenen Wertes von VTeff des Transistors MN1. Der Transistor MN1 ist ein Beispiel für einen der Transistoren 22. Wie im folgenden erörtert, kann der vorhandene Wert von VTeff des Transistors MN1 für VTeff jedes der Transistoren 22 repräsentativ sein oder nur eine Annäherung an VTeff jedes der Transistoren 22 sein.
Der vorhandene Wert von VTeff wird durch Messen von VGS gemessen. Weil im einzelnen der Transistor MN1 mit seinem Gate an seinen Drain geschaltet ist, ist die Gate-Source- Spannung VGS gleich dessen Drain-Source-Spannung VGS. Es folgt, daß VGS gleich der Differenz zwischen VCC und dem Spannungsabfall am Widerstand R3 (VR3) ist. Daher ist der vorhandene Wert für VTeff des Transistors MN1 gleich VGS, wenn ungefähr 1,0 Microampere Strom von dem Drain zur Source fließt.
Wie vorstehend erörtert, erzeugt der Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung auch ein Monitor- (oder zweites)Spannungssignal Vmon in Abhängigkeit von der VTeff-Messung. Vmon wird am Drain des MN1 erzeugt, d.h. Vmon ist die Potentialdifferenz zwischen dem Drain und VSS. Vmon, die von der Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 empfangen wird, kann gleich dem vorhandenen Wert für VTeff sein oder nicht. Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform, die VTeff von n-Kanal-MOS-Transistoren einstellt, ist Vmon gleich VGS, das gleich VTeff ist, wenn ungefähr 1,0 uA des Stroms vom Drain zur Source fließt.
Die Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 hat einen Operationsverstärker OP1. Der Operationsverstärker OP1 vergleicht Vref mit Vmon, indem er an seinem Umkehreingang Vref und an seinem nichtumkehrenden Eingang Vmon empfängt. Im allgemeinen stellen der Operationsverstärker OP1 und dessen Rückkopplungsschleife zum Körper des Transistors MN1 dynamisch den Wert für VTeff des Transistors MN1 so lange ein, bis die Spannung am Knoten zwischen den Widerständen R1 und R2 (Vref) gleich der Spannung am Drain des Transistors MN1 (Vmon) ist.
Wenn speziell Vmon ein größeres Potential als Vref hat, d.h. wenn VTeff > VTdes ist, dann erzeugt der Operationsverstärker OP1 ein positives Einstellspannungssignal Vadj, welches an die Körper der Transistoren 22 sowie an den Körper des Transistors MN1 angelegt wird. Das positive Signal Vadj verursacht eine negative Spannung VSB, die bewirkt, daß VTeff sinkt. Wenn Vmon ein kleineres Potential als Vref hat, d.h. wenn VTeff < VTdes ist, dann erzeugt der Operationsverstärker OP1 ein negatives Einstellspannungssignal Vadj, das an die Körper der Transistoren 22 sowie den Körper des Transistors MN1 angelegt wird. Das negative Signal Vadj verursacht eine positive Spannung VSB, die bewirkt, daß VTeff steigt.
Wenn VTeff des Transistors MN1 eingestellt ist, ist es näher an VTdes gebracht. Die Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28 fährt fort, Vref mit Vmon zu vergleichen und Vadj rückzukoppeln, um VTeff des Transistors MN1 einzustellen. Schließlich ist VTeff gleich VTdes gemacht worden und das Verhalten der Transistoren 22 ist verbessert.
Der Operationsverstärker OP1 wird mit zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen VCC und VSX gespeist. Die Versorgungsspannung VSX hat ein niedrigeres Potential als die Spannung VSS. Der Operationsverstärker OP1 muß eine Spannungsversorgung empfangen, die ein niedrigeres Potential als VSS hat, um eine positive Spannung VSB zu erzeugen. Wie vorstehend erläutert, wurde zum Zweck der Analyse davon ausgegangen, daß VSS gleich dem Massepotential ist. Die Source des Transistors MN1 ist an VSS angeschlossen. Um eine positive Spannung VSB zu erzeugen, muß eine negative Spannung Vadj mit einem Potential niedriger als VSS, an den Körper vom Transistor MN1 angelegt werden. Damit der Operationsverstärker OP1 eine derartige negative Spannung Vadj erzeugt, muß er mit einer Versorgungsspannung gespeist werden, die dieses Potential hat, nämlich VSX. Die Versorgungsspannung VSX kann durch einen Standardladungspumpen- Vorspanngenerator erzeugt werden.
In der Ausführungsform der Erfindung, wie in der Fig. 2 gezeigt, erzeugt der Referenzspannungsgenerator 24, der eine Spannungsteilerschaltung aus den Widerständen R1 und R2 aufweist, das Referenzspannungssignal Vref, das im Fall von n-Kanal-MOS-Transistoren 22 gleich der gewünschten effektiven Schwellenspannung VTdes ist. Der Monitor 26 für die effektive Schwellenspannung mißt den vorhandenen Wert von VTeff des Transistors MN1 und erzeugt das Monitorspannungssignal Vmon, das im Fall von n-Kanal-MOS-Transistoren 22 gleich dem vorhandenen Wert von VTeff ist. Die Vergleichs- und Rückkopplungsschaltung 28, die den Operationsverstärker OP1 aufweist, vergleicht Vref (gleich VTdes) mit Vmon (gleich VTeff) und legt entweder ein positives oder ein negatives Signal Vadj an den Körper des Transistors MN1 sowie an jeden der Transistoren 22 an, um VTeff auf einen Wert gleich VTdes einzustellen.
Es wurde vorstehend erwähnt, daß VTeff jedes der Hunderte oder Tausende von Transistoren 22 durch Anlegen von Vadj an den Körper jedes der Transistoren 22 eingestellt wird, um die Source-Körper-Spannung VSB einzustellen. In einer integrierten Schaltung wird Vadj an den Körper eines Transistors angelegt, indem Vadj an die Siliziumwanne angelegt wird, in welcher viele Transistoren ausgebildet sind. Somit wird durch Anlegen von Vadj an eine einzelne Siliziumwanne das Signal an den Körper vieler Transistoren angelegt.
Vorstehend wurde auch erwähnt, daß der Transistor MN1 ein Beispiel für einen der Transistoren 22 ist, und daß der vorliegende Wert für VTeff des Transistors MN1 repräsentativ für VTeff jedes der Transistoren 22 sein kann oder nur eine Annäherung an VTeff jedes der Transistoren 22 ist. Es ist zu ersehen, daß der Transistor MN1 an alle oder irgendeinen der Transistoren 22 angepaßt ist. Wenn der Transistor MN1 an alle Transistoren 22 angepaßt ist, dann wird VTeff von Transistor MN1 gleich VTeff jedes der Transistoren 22 sein. Wenn andererseits der Transistor MN1 nicht mit allen Transistoren 22 zusammenpaßt, dann wird VTeff des Transistors MN1 wahrscheinlich etwas anders als die unangepaßten Transistoren 22 sein. Selbst wenn einige oder sogar die meisten der Transistoren 22 an den Transistor MN1 nicht angepaßt sind, kann eine einzelne Vorrichtung 20 zum Einstellen der Schwellenspannung verwendet werden, um VTeff aller Transistoren 22 genau einzustellen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung beim Überwinden des Problems, welches sich auf die Änderung der Versorgungsspannung VCC bezieht. Die Vorrichtung 30 wird verwendet, um VTeff jedes von einigen 100 oder 1000 p-Kanal-MOS-Transistoren 32 auf einen Wert einzustellen, der das Transistorverhalten für den tatsächlichen Wert von VCC, welcher von dem Schaltkreis empfangen wird, verbessert.
Die Vorrichtung 30 ist bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise sehr ähnlich der Vorrichtung 20. Im einzelnen ist eine Spannungsteilerschaltung aus drei Widerständen R4 und R5 gebildet, die jeweils 1 MΩ und 5 MΩ haben, und wird dazu verwendet, Vref zu erzeugen. Ein p-Kanal-Transistor MP1, der mit seinem Gate an sein Drain angeschlossen ist, ist mit einem weiteren Widerstand R6 in Reihe geschaltet, der einen Widerstandswert von 5 MΩ hat. Das Signal Vmon wird am Drain des Transistors MP1 erzeugt. Ein Operationsverstärker CP2 empfängt Vref an seinem Umkehreingang und Vmon an seinem Nichtumkehreingang. Vref und Vmon werden miteinander verglichen und es wird ein Einstellspannungssignal Vadj an den Körper jedes der Transistoren 32 sowie an den Körper des Transistors MP1 angelegt, um VTeff auf VTdes einzustellen.
Abweichend vom Vorstehenden treten jedoch zwischen der Funktionsweise der Vorrichtung 30 und der Vorrichtung 20 Differenzen auf, die von der Substitution der n-Kanal-Transistoren 22 und MN1 durch die p-Kanal-Transistoren 32 und MP1 herrühren. Der Leser wird sich erinnern, daß für einen p-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor die Gate-Source-Spannung VGS negativ sein muß, um einen Kanal zu induzieren. Der Strom wird nur dann fließen, wenn VGS unter einen negativen Wert für VT fällt oder anders ausgedrückt, wenn VSG einen positiven Wert VT übersteigt. Weiterhin senkt in einem p-Kanal-MOS-Transistor eine positive Source-Körperspannung VSB die Spannung VTeff, und eine negative Source-Körperspannung VSB erhöht die Spannung VTeff.
Weil die Polaritäten eines p-Kanal-MOS-Transistors gegenüber denen eines n-Kanal-MOS-Transistors entgegengesetzt sind, ist der Transistor MP1 mit seiner Source an VCC anstatt an VSS angeschlossen. Diese Ausrichtung des Transistors MP1 führt dazu, daß Vmon, das am Drain des MP1 erzeugt wird, gleich der Spannung am Widerstand R6 (VR6) ist, anstatt VSG des Transistors MP1. Wenn somit ungefähr 1,0 mA des Stromes durch den Transistor MP1 fließen, ist VTeff gleich VSG und Vmon ist gleich VR6 oder der Differenz zwischen VCC und VTeff; Vmon ist nicht einfach gleich VTeff wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2.
Zusätzlich ist Vref nicht einfach gleich VTdes, wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2. Die Funktion des Operationsverstärkers OP2 ist es, VTeff des Transistors MP1 solange dynamisch einzustellen, bis es gleich VTdes ist. Der Operationsverstärker OP2 führt diese Funktion durch, indem der VTeff einstellt, bis Vref gleich Vmon ist. Wenn Vref gleich VTdes wäre, dann würde Vmon schließlich gleich VTdes, was dazu führen würde, daß VR6 gleich VTdes ist, anstatt gleich VSG des Transistors MP1.
Um daher VSG schließlich gleich Vdes zu machen, muß Vmon gleich der Differenz zwischen VCC und VTdes gemacht werden. Vmon wird schließlich gleich der Differenz zwischen VCC und VTdes, wenn Vref anfänglich gleich der Differenz zwischen VCC und VTdes gemacht worden ist. Wenn VTdes mit ungefähr 15% von VCC gewählt ist, dann folgt:
Vref = VCC - VTdes = VCC - 0.15VCC = 0.85VCC
Wenn die Werte für die Widerstände R4 und R5 eingesetzt werden, gilt:
Vref =VCC(R5/(R4 + R5)) = VCC(5 MΩ/(1 MΩ + 5 MΩ)) = 0,833VCC
Somit ist Vref ungefähr gleich 85 % von VCC.
Es kann gesagt werden, daß VTeff des Transistors MP1 auf VTdes eingestellt wird, und zwar "indirekt" durch den Operationsverstärker OP2, der bewirkt, daß VR5 und VR6 gleichgemacht werden. Wenn der vorhandene Wert von VTeff größer als VTdes ist, dann wird Vmon kleiner als Vref. Der Operationsverstärker OP2 wird ein negatives Einstellspannungssignals Vadj erzeugen und dieses an den Körper des Transistors MP1 anlegen. Das negative Signal Vadj wird ein positives Signal VSB erzeugen, was bewirkt, daß VTeff sinkt. Wenn andererseits der vorhandene Wert von VTeff kleiner als VTdes ist, dann wird Vmon größer als Vref. Der Operationsverstärker OP2 wird ein positives Einstellspannungssignal Vadj erzeugen und dieses an den Körper des Transistors MP1 anlegen. Das positive Signal Vadj wird ein negatives Signal VSB erzeugen, wodurch bewirkt wird, daß VTeff steigt.
Ein anderer Unterschied zwischen der Vorrichtung 30 und der Vorrichtung 20 liegt darin, daß der Operationsverstärker OP2 Versorgungsspannungen Vpp und VSS anstatt VCC und VSX für den Betrieb erfordert. Die Versorgungsspannung Vpp hat ein höheres Potential als VCC. Der Operationsverstärker OP2 erfordert eine Spannungsversorgung mit einem höheren Potential als VCC, um ein negatives Signal VSB zu erzeugen. Diese Erfordernis ist ein Ergebnis davon, daß die Source des Transistors MP1 an VCC angeschlossen ist. Um ein negatives Signal VSB zu erzeugen, muß ein positives Signal Vadj mit einem Potential höher als VCC an den Körper des Transistors MP1 angelegt werden. Damit der Operationsverstärker OP2 ein derartiges positives Signal Vadj erzeugt, muß er mit einer Versorgungsspannung versorgt werden, die dieses Potential hat, nämlich Vpp. Die Versorgungsspannung Vpp kann durch einen Standardladungspumpenvorspannungsgenerator erzeugt werden.
Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 ist die Funktionsweise der Vorrichtung 30 zum Einstellen der Quellenspannung ähnlich wie die Funktionsweise der Vorrichtung 20 zum Einstellen der Schwellenspannung, wobei jedoch einige Unterschiede sind. Wegen der entgegengesetzten Polaritäten des p-Kanal-Transistors MP1 wird die Source normalerweise mit VCC verbunden. Um die Orientierung des Transistors MP1 anzupassen, muß Vref gleich der Differenz zwischen VCC und VTdes sein, anstatt einfach VTdes zu sein, so daß Vmon schließlich gleich der Differenz zwischen VCC und VTeff ist.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die dazu verwendet werden kann, das Problem zu überwinden, welches sich auf Herstellungsunterschiede und Unstimmigkeiten bezieht. Die Vorrichtung 40 zum Einstellen der Schwellenspannung wird dazu verwendet, VTeff von einigen 100 oder 1000 n-Kanal-MOS-Transitoren 42 einzustellen.
Für den Zweck der Analyse wird hierbei davon ausgegangen, daß die Versorgungsspannung VCC nicht signifikant von ihrem bestimmten Wert abweicht. Wie vorstehend erläutert, kann selbst wenn die Versorgungsspannung VCC nicht von ihrem bestimmten Wert abweicht, wenn VT beim Hersteilvorgang nicht genau eingestellt werden kann, eine Stromleckage oder die Unmöglichkeit des Einschaltens des Transistors auftreten. Anders ausgedrückt, wenn VT am unteren Ende des Bestimmungsbereiches liegt, dann kann Stromleckage ein Problem sein, und wenn VT am oberen Ende des Bestimmungsbereiches liegt, dann kann es unmöglich sein, daß VGS VT erreicht.
Im allgemeinen überwindet die Vorrichtung 40 diese Probleme durch konstantes Überwachen von VTeff des Transistors MN2 und dynamisches Einstellen von VTeff auf einen Wert, der näher dem bestimmten VT liegt. Durch Sicherstellen, daß VTeff näher an dem bestimmten Wert VT liegt, wird das Transistorverhalten verbessert. Weiterhin können andere Herstellungsspezifikationen modifiziert werden, um das Verhalten weiter zu verbessern. Beispielsweise kann wegen des enger gesteuerten Wertes VTeff die effektive Kanallänge Leff verringert werden, was einen höheren mittleren Treiberstrom erlaubt.
Der einzige Unterschied zwischen der Vorrichtung 40 gemäß Fig. 4 und der Vorrichtung 20 gemäß Fig. 2 liegt darin, daß der Widerstand R2 durch eine Diode D1 ersetzt ist; ansonsten ist die Funktionsweise der beiden Vorrichtungen 20 und 40 identisch. Somit ist in der Vorrichtung 40 Vref gleich der Spannung an der Diode D1 anstatt dem Widerstand R2. Weil der Transistor MN2 ein n-Kanal-Transistor ist, ist Vref gleich VTdes. Daher ist VTdes gleich der Spannung an der Diode T1.
Es wird angenommen, daß die Spannung über eine Diode ähnlich einem gewünschten Wert für VT für MOS-Transistoren ist, die in CMOS-Logikschaltkreisen verwendet werden. Es ist jedoch auch zu ersehen, daß eine Diode nur ein Beispiel eines Schaltungselementes oder von Elementen ist, die verwendet werden können, um einen vorbestimmten Spannungsabfall einzustellen, der dazu verwendet wird, VTdes einzustellen. Es ist auch zu ersehen, daß, wenn die Vorrichtung in Silizium implementiert ist, als Diode D1 ein Dioden geschalteter Bipolartransistor verwendet werden kann.
Anzumerken ist, daß, weil die Spannung an der Diode relativ konstant bleibt, VTdes, d.h. VD1 relativ konstant bleibt, selbst wenn VCC sich ändert.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei der Überwindung des Problems, das sich auf Änderungen des Hersteilvorganges und Unstimmigkeiten bezieht. Die Vorrichtung 50 zum Einstellen der Schwellenspannung wird dazu verwendet, VTeff von einigen 100 oder 1000 p-Kanal-MOS-Transistoren 52 einzustellen.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung 50 gemäß Fig. 5 ist identisch mit dem der Vorrichtung 30, die in der Fig. 3 gezeigt ist, mit Ausnahme daß eine Diode D2 den Widerstand R4 ersetzt. Somit bewirkt die Vorrichtung 50, daß VTeff des p-Kanal-Transistors NP2 auf die Spannung an der Diode D2 (VD2) eingestellt wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Einstellen von VTeff eines MOS-Transistors auf VTdes. Als erstes wird im Fall eines n-Kanal-Transistors ein erstes Spannungssignal erzeugt, welches eine Spannung ungefähr gleich der gewünschten effektiven Schwellenspannung hat. Im Fall eines p-Kanal-Transistors hat das erste Spannungssignal eine Spannung ungefähr gleich der Differenz zwischen einer Versorgungsspannung und einer gewünschten effektiven Schwellenspannung. Als nächstes wird die effektive Schwellenspannung des MOS-Transistors gemessen.
Ein zweites Spannungssignal mit einer Spannung ungefähr gleich der gemessenenen effektiven Schwellenspannung wird dann erzeugt. Im Fall eines p-Kanal-Transistors ist das zweite Spannungssignal ungefähr gleich der Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der gemessenen effektiven Schwellenspannung. Das erste Spannungssignal wird dann mit dem zweiten Spannungssignal verglichen. Die effektive Schwellenspannung des MOS-Transistors wird so eingestellt, daß das zweite Spannungssignal im wesentlichen gleich dem ersten Spannungssignal ist. Normalerweise wird die effektive Schwellenspannung durch Variieren des Source-Körper- Spannungspotentials des MOS-Transistors eingestellt.

Claims

1. Vorrichtung zum Einstellen der effektiven Schwellenspannung eines MOS-Transistors, vorzugsweise gemeinsam mit einer Vielzahl von anderen ähnlichen Transistoren, mit:

einer Referenzspannungserzeugungsschaltung (24) zum Erzeugen eines ersten Spannungssignals, das für eine gewünschte effektive Schwellenspannung repräsentativ ist;

gekennzeichnet durch:

einen Spannungsteiler (R3, R6, R8; MN; MP) mit dem MOS- Transistor (MN; MP); dessen Gate mit seinem Drain verbunden ist, und der ein zweites Spannungssignal erzeugt, das für die effektive Schwellenspannung des MOS-Transistors repräsentativ ist; und

Mittel (OP) zum Vergleichen der ersten und zweiten Signale, um ein Rückkopplungssignal zum Einstellen der effektiven Schwellenspannung des MOS-Transistors zu entwickeln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rückkopplungssignal angelegt wird, um die Source- Gehäuse-Potentialdifferenz des MOS-Transistors einzustellen und dadurch die ersten und zweiten Spannungssignale auszugleichen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel (OP) zum Vergleichen einen Operationsverstärker (OP) aufweisen, der an die Referenzspannungserzeugungs-Schaltung angeschlossen ist, um das erste Spannungssignal an seinem invertierenden Eingang zu empfangen und an den Spannungsteiler angeschlossen ist, um an seinem nichtinvertierenden Eingang das zweite Spannungssignal zu empfangen.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spannungsteiler den MOS-Transistor mit einem Widerstand in Reihe aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der in Reihe geschaltete MOS-Transistor und der Widerstand zwischen der Spannungsversorgungsleitung und einem Knoten, der ein niedrigeres Potential als die Versorgungsspannung hat, geschaltet sind, und das zweite Spannungssignal am Drain des MOS-Transistors erzeugt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Referenzspannungserzeugungsschaltung eine Spannungsteilerschaltung (R1, R2; R7, D1) hat, die zwischen eine Spannungsversorgungsleitung für den Transistor und einen Knoten, der ein niedrigeres Potential als die Versorgungsspannung hat, geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Spannungssignal der gewünschten effektiven Schwellenspannung entspricht, und das zweite Spannungssignal der gemessenen effektiven Schwellenspannung des MOS- Transistors entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der MOS-Transistor ein n-Kanal-MOS-Transistor ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Spannungssignal der Differenz zwischen einer Versorgungsspannung und der gewünschten effektiven Schwellenspannung entspricht, und das zweite Spannungssignal der Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der gemessenen, effektiven Schwellenspannung des MOS-Transistors entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der MOS-Transistor ein p-Kanal-MOS-Transistor ist.