КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1996 года по МПК H01L27/92 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при создании микромощных аналоговых интегральных схем (ИС) с КМОП-структурами.

Известно применение одиночного МОП-транзистора в качестве ключа для коммутации аналоговых сигналов. Его недостатком является невозможность коммутации сигналов во всем диапазоне от потенциала "земли" до потенциала положительного вывода источника питания +Е. Например nМОП-транзистор не в состоянии пропускать сигналы с уровнем выше, чем +Е U_тn, где U_тn пороговое напряжение nМОП-транзистора с учетом смешения подложки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является комплементарный ключ, который состоит из параллельно включенных nМОП- и pМОП-транзисторов с противофазным управлением. В открытом состоянии такого ключа сигналы низкого уровня (от потенциала "земли") проводят nМОП-транзистор, сигналы высокого уровня (до потенциала +Е) проводят pМОП-транзистор, за коммутацию сигналов среднего уровня отвечают оба транзистора.

Недостатками такого комплементарного ключа являются повышенное сопротивление и невозможность коммутации сигналов среднего уровня при низковольтном питании. Минимальное значение питающего напряжения, при котором возможна коммутация сигналов среднего уровня, существенно превышает сумму пороговых напряжений nМОП- и pМОП-транзисторов из-за эффекта влияния подложки. Например, при пороговых напряжениях (без смещения подложки) обоих транзисторов 0,6-0,7 В ключ не может пропустить сигналы среднего уровня при питании ниже 2,3 В (IEEE J. of Sol. St. Cir. 1985, v.20, N 3, pp. 657-665). При низкой температуре это ограничение еще сильнее из-за роста пороговых напряжений транзисторов. Использование транзисторов с очень низкими пороговыми напряжениями связано с риском плохого запирания ключа при повышенной температуре из-за снижения пороговых напряжений и конечного разброса их значений. Использование встроенного генератора повышенного напряжения для питания транзисторов ключей (IEEE J. of Sol. St. Cir. 1984, v. 19, pp. 343-348) приводит к увеличению площади кристалла ИС, а сам генератор может стать источником нежелательных помех.

Техническим результатом является снижение минимально допустимого питающего напряжения аналогового комплементарного ключа. Цель достигается тем, что в комплементарном ключе с двумя внешними выводами nМОП- и pМОП-компоненты которого, состоящие соответственно из n- и p-канальных МОП-транзисторов, включены параллельно между его внешними выводами, причем одна из МОП-компонент расположена в отдельном кармане с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки, в которой расположена другая МОП-компонента, МОП-компонента, которая расположена в отдельном кармане, имеет пару последовательно соединенных МОП-транзисторов, включенную между внешними выводами ключа, а общий исток-стоковый узел этой пары подключен к отдельному карману, в котором расположена эта МОП-компонента.

На фиг. 1 показан известный комлементарный ключ в открытом состоянии; на фиг. 2 показана зависимость проводимости компонент ключей от уровня коммутируемого сигнала; на фиг. 3 показан пример предлагаемого ключа; на фиг. 4 другой пример реализации предлагаемого ключа.

Известный ключ, изображенный на фиг. 1, имеет внешние выводы 1 и 2 и состоит из параллельно соединенных nМОП- и pМОП-компонент, представленных транзисторами VT1 (nМОП) и VT2 (pМОП). P-карман 3 транзистора VT1 заземлен, а n-подложка 4 pМОП-транзистора VT2 соединена с шиной +Е. Согласно соотношению для ВАХ МОП-транзистора в крутой области характеристик проводимость G такого ключа при малой разности потенциалов на его концах 1 и 2 складывается из проводимостей его компонент и определяется выражением
G G_n + G_p K_n (U_gsn U_тn) +
+ K_p(U_gsp U_тр), где G_n и G_p проводимость n- и p-компонент ключа;
K_n, K_p коэффициенты, зависящие от размеров транзисторов, емкости затворного окисла и подвижности носителей заряда;
U_gsn и U_gsp напряжения затвор-исток n- и p-МОП-транзисторов;
U_тn, U_тp пороговые напряжения транзисторов с учетом смешения подложки (кармана).

В открытом ключе у nМОП-транзистора U_gsn E U_вх, а смещение p-кармана по отношению к истоку равно U_вх, у pМОП-транзистора U_gsp U_вх, а смешение n-подложки равно E U_вх, т.е. как U_gs, так и U_т транзисторов зависят от уровня входного сигнала U_вх. На фиг. 2 показана зависимость проводимостей компонент открытого ключа от входного сигнала при напряжении источника питания Е 3 В. Расчет сделан для пороговых напряжений n- и pМОП-транзисторов без смещения кармана (подложки) 1 В, толщины затворного окисла 0,088 мкм, концентрации примеси в p-кармане и подложке соответственно 3 х 10¹⁶ и 2 х 10¹⁵ см^-3 и комнатной температуры. Штриховкой выделена область значений входных сигналов, которые ключ не проводит.

На фиг. 3 показан пример предлагаемого ключа с внешними выводами 1 и 2, nМОП-компонента которого состоит из пары последовательно соединенных транзисторов VT1 и VT2, которые находятся в отдельном p-кармане 3, подключенном к их общему исток-стоковому узлу 3а. РМОП-компонента в n-подложке 4 представлена pМОП-транзистором VT3. В таком ключе пороговое напряжение транзисторов nМОП-компоненты в открытом состоянии не зависит от уровня входного сигнала, поскольку потенциал p-кармана следует за входным сигналом и отсутствует смещение p-кармана по отношению к истокам nМОП-транзисторов. Зависимость проводимости nМОП-компоненты этого ключа также показана на фиг. 2, но помечена символом G_n, откуда видно, что предлагаемый комплементарный ключ может коммутировать любые сигналы в диапазоне от 0 до 3 В. В то же время в закрытом состоянии такой ключ обладает очень высоким сопротивлением для любых соотношений потенциалов из этого диапазона на его выводах.

На фиг. 4 показан еще один пример реализации предлагаемого ключа с внешними выводами 1 и 2, отличающийся тем, что его nМОП-компонента состоит из трех n-МОП-транзисторов VT1, VT2 и VT3 в отдельном p-кармане 3. VT1 и VT2 пара последовательно соединенных транзисторов, подключенных к внешним выводам ключа, P-карман 3, транзисторов VT1, VT2 и VT3 соединен с общим исток-стоковым узлом 3а транзисторов VT1 и VT2. Транзистор VT3 подключен к внешним выводам 1 и 2 ключа для снижения общего сопротивления nМОП-компоненты.

Использование: в электронной технике при создании аналоговых интегральных схем с КМОП-структурами. Сущность изобретения: комплементарный ключ содержит внешние выводы, nМОП- и pМОП-компоненты, содержащие n- и p-канальные МОП-транзисторы, включенные параллельно между его внешними выводами. Одна из МОП-компонент расположена в отдельном кармане с типом проводимости, противоположном типу проводимости подложки, в котором расположена другая МОП-компонента. МОП-компонента, которая расположена в отдельном кармане, имеет два последовательно соединенных МОП-транзистора, включенных между внешними выводами ключа, а общий исток-стоковый узел этой пары подключен к отдельному карману, в котором расположена эта МОП-компонента. 4 ил.

КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ КЛЮЧ, содержащий два внешних вывода, nМОП- и pМОП-компоненты, состоящие соответственно из n- и p-канальных МОП-транзисторов, включенные параллельно между его внешними выводами, причем одна из МОП-компонент расположена в отдельном кармане с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки, в которой расположена другая МОП-компонента, отличающийся тем, что МОП-компонента, которая расположена в отдельном кармане, имеет пару последовательно соединенных МОП-транзисторов, включенную между внешними выводами ключа, а общий исток - стоковый узел этой пары подключен к отдельному карману, в котором расположена эта МОП-компонента.