DE19803937C1 - MOS-Kaskodetransistor mit einer Klemmeinrichtung - Google Patents

Abstract

MOS-Kaskodetransistor mit einer Klemmeinrichtung, die innerhalb mindestens einer Wannenzone (W1, W2), die einem ersten Leitfähigkeitstyp (n) entspricht, mittels MOS-Transistorstrukturen von einem zweiten Leitfähigkeitstyp (p) gebildet sind. Die MOS-Transistorstrukturen enthalten zur Bildung des Kaskodetransistors (T1) eine Source-Zone (S1), eine Gate-Zone (G1) und eine Drain-Zone (D1) und zur Bildung der Klemmeinrichtung (T2) eine Source-Zone (S2), eine Gate-Zone (G2) und eine Drain-Zone (D2), wobei die Gate-Zone (G1) als Gate-Anschluß (Ng), die mit einem Wannenkontakt (w1) verbundene Source-Zone (S1) als Source-Anschluß (Ns) und die Drain-Zone (D1) als Drain-Anschluß (Nd) für den Kaskodetransistor (T1) dienen. Die Steuerelektrode für die Gate-Zone (G2), die Source-Zone (S2) und eines zugehörigen Wannenkontaktes (w2) sind mit dem Source-Knoten (Ns) verbunden. Schließlich ist die Drain-Zone (D2) mit einer Quelle (Q) an ein Klemmpotential (V1, V2) angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft einen MOS-Kaskodetransistor mit einer Klemmeinrichtung zur Verwendung in CMOS-Schaltungen. In US 3 911 428 ist innerhalb der Beschreibung eines Spaltendekoders (vgl. dortige Fig. 2) ein MOS-Kaskodetransistor mit einer Klemmeinrichtung beschrieben, die aus der Parallelschaltung zweier p-Kanal- Transistoren gebildet sind, wobei der eine Parallelanschluß an das Massebezugspotential und der andere an die positive Versorgungsspannung angeschlossen sind.

Kaskodetransistoren werden gerne verwendet, um standardisierte CMOS- Schaltungen an hohen Versorgungsspannungen betreiben zu können, ohne die standardisierten Herstellungsverfahren ändern zu müssen. Mittels eines oder mehrerer Kaskodetransistoren in den einzelnen Querstrompfaden der Schaltung wird die zu große Versorgungsspannung in kleinere Teilspannungen aufgeteilt, die dann für die Transistoren unkritisch sind. Bei dem üblicherweise verwendeten p-Substrat- Halbleitermaterial eignen sich besonders vorteilhaft p-Kanal-Transistoren für diese Kaskodierung.

Bei bestimmten Schaltzuständen, insbesondere bei digital arbeitenden Schaltungen, können die mit dem Source-Anschluß der Kaskode-Transistoren verbundenen Zweige stromlos sein. Dabei kann das Potential des Source-Anschlusses in Spannungsbereiche driften, die bei nachgeschalteten Transistoren entweder einen falschen Schaltzustand bewirken oder über kritische Überspannungen sogar zu Zerstörungen innerhalb der Schaltung führen. Für diese Fälle muß das Wegdriften über bestimmte Spannungsgrenzen hinweg mit Klemmeinrichtungen verhindert werden. Obwohl die zu klemmenden Ströme sehr klein sind - es handelt sich lediglich um Leck- oder Kriechströme - ist der Flächenaufwand zur Implementierung derartiger Klemmeinrichtungen und der zugehörigen Verbindungen nicht mehr vernachlässigbar, wenn viele Kaskodetransistoren vorhanden sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung für einen MOS-Kaskodetransistor unter Beibehaltung standardisierter CMOS-Herstellungsverfahren eine möglichst kleine Klemmeinrichtung anzugeben.

Die Aufgabe wird entsprechend der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Grundgedanke der Erfindung ist dabei, daß die Sperrschicht zwischen einer Wannenzone vom einen Leitungstyp und einer in die Wanne eingebetteten Struktur vom anderen Leitungstyp im Driftfall leitend wird und diese Flußstrecke zur Bildung einer Klemmdiode herangezogen wird. Der Wanne, die grundsätzlich dazu dient, dem Kaskodetransistor gegenüber dem Substrat einen anderen Leitungstyp zu geben, kommt gemäß der Erfindung eine zusätzliche Funktion zu. Die Bildung der leitenden Sperrschicht zwischen der Wannenzone und einer darin eingebetteten Struktur widerspricht dabei der üblichen Wannenfunktion, deren Potential in der Regel mindestens so hoch gehalten wird wie das höchste Potential der darin eingebetteten Strukturen vom anderen Leitungstyp. Die erfinderische Verwendung der Wanne ist noch überraschender, wenn die Klemmstruktur nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel direkt mit dem eigentlichen Kaskodetransistor kombiniert wird.

Die Erfindung und vorteilhafte Ausgestaltungen werden nun anhand der beiden Figuren der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt die Ersatzschaltung des Kaskodetransistors mit Klemmeinrichtung und

Fig. 2 zeigt schematisch eine zugehörige Layout-Darstellung.

Fig. 1 zeigt die Ersatzschaltung eines MOS-Kaskodetransistors T1 mit der zugehörigen Klemmeinrichtung T2 sowie die mit dem Kaskodetransistor verbundenen Transistoren T3 und T4 im Querstrompfad. Der Kaskodetransistor T1 ist ein p-Kanal- Transistor mit einer eigenen Wanne W1, deren Wannenkontakt w1 mit der Source- Elektrode S1 leitend verbunden ist. Der gemeinsame Schaltungsknoten bildet dabei für die gesamte Kaskodeneinrichtung T1, T2 einen Source-Anschluß Ns, die Drain- Elektrode D1 bildet einen Drain-Anschluß Nd und der Anschluß für die Gate- Elektrode G1 bildet einen Gate-Anschluß Ng. Eine interne oder externe Spannungsquelle Q liefert an einem ersten Ausgang Q1 eine erste Hilfspannung V1, die als Bezugsspannung für die Gate-Elektrode G1 dient. An den Source-Anschluß Ns ist die Drain-Elektrode des p-Kanal-Transistors T3 angeschlossen, der von einem Steuersignal s3 aus einer internen oder externen Schaltung C auf die obere Versorgungsspannung VDD gezogen oder gesperrt wird. Entsprechend wird der mit dem Drain-Anschluß Nd verbundene n-Kanal-Transistor T4 mittels eines Steuersignals s4 aus der Schaltung C auf die untere Versorgungsspannung VSS durchgeschaltet oder gesperrt.

Der bereits erwähnte kritische Schaltzustand kann am Source-Anschluß Ns auftreten, wenn Transistor T3 gesperrt ist und Transistor T4 leitet. In positiver Richtung kann der Source-Anschluß Ns nur so lange wegwandern, bis die Schwellspannung des Kaskodetransistors T1 erreicht wird, der dann über den leitenden Transistor T4 das weitere Wegdriften in positiver Richtung verhindert. Driftet der Source-Anschluß Ns jedoch in negativer Richtung, dann wird ab einer bestimmten Spannung die Schwellspannung des Kaskodetransistors T1 unterschritten, so daß dieser gesperrt wird. Der durch den Source-Anschluß Ns gebildete Schaltungsknoten floated (= schwebt) damit und kann theoretisch beliebig weit in Richtung der unteren Versorgungsspannung VSS absinken. Dies wird jedoch durch die Klemmeinrichtung T2 verhindert.

Die Funktion der Klemmeinrichtung T2 beruht auf einer Sperrschichtdiode, die zwischen einer Wannen-Zone W2 vom n-Leitungstyp und einer darin angeordneten Zone D2 vom p-Leitungstyp gebildet ist. Vom Layout-Standpunkt aus gesehen entspricht die Klemmeinrichtung T2 nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 oder Fig. 2 einem p-Kanal-Transistor. Die zugehörigen Source-, Gate- und Drain-Zonen S2, G2, D2 bzw. ihre Anschlüsse sind mit dem Kaskodetransistor T1 folgendermaßen verbunden. Der Source-Anschluß der Zone S2 und der Gate-Anschluß der Zone G2 liegen gemeinsam am Source-Anschluß Ns. Der Drain-Anschluß der Zone D2 ist an einen zweiten Ausgang Q2 der Quelle Q an das Klemmpotential V2 angeschlossen. Für viele Fälle ist das Klemmpotential für den Gate-Anschluß der Zone D2 jedoch identisch mit dem Gate-Potential V1 für den Kaskode-Transistor T1.

Als MOS-Transistor ist die Klemmeinrichtung T2 im nichtschwebenden Zustand des Schaltungsknotens Ns ohne Funktion, denn die Gate-Source-Steuerstrecke ist kurzgeschlossen. Im angenommenen Driftfall kann die Sperrschicht zwischen der Wannenzone W2 und der Drain-Zone D2 als Flußstrecke leitend werden, wodurch der Schaltungsknoten Ns gegenüber der Spannung V2 nicht mehr weiter absinkt und somit geklemmt ist. In Fig. 1 ist diese Diodenstrecke schematisch durch die Diode T2.1 dargestellt. Zusätzlich vertauscht sich in dem angenommenen Driftfall die Funktion der Source- und Drain-Zone S2, D2, so daß der p-Kanal-Transistors T2 eine MOS- Diode bildet, die aber die gleiche Wirkungsrichtung wie die Diode T2.1 aufweist.

Die Diode T2.1 ist auch als Basis-Emitter-Sperrschicht eines parasitären pnp- Substrattransistors T2.2 wirksam. Aus Fig. 1 geht ferner hervor, daß die beiden p- Kanal-Strukturen T1, T2 völlig unabhängig voneinander, jeweils in einer eigenen Wanne W1, W2 realisierbar sind, was jedoch nicht zweckmäßig ist.

Eine Verbesserung ergibt sich, wenn beide p-Kanal-Strukturen T1, T2 in einer einzigen Wanne W realisiert sind, wobei sie innerhalb der Wanne W immer noch voneinander getrennt sein können. Fig. 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung, nämlich eine Kombination beider p-Kanal-Strukturen T1, T2 in der Art eines Doppeltransistors, bei der die erste und zweite Source-Zone S1, S2 durch eine gemeinsame Source-Zone S realisiert sind. Eine zweckmäßige Anordnung der einzelnen Zonen, Anschlüsse und Verbindungsleitungen hierfür zeigt die in Fig. 2 dargestellte Layout-Ansicht. Bei dieser Anordnung liegt die gemeinsame Source-Zone S in der Mitte einer doppelten p- Kanal-Struktur, die außen die Anschlüsse für die erste und zweite Drain-Zone D1, D2 und dazwischen die erste und zweite Gate-Zone G1, G2 zeigt. Der gemeinsame Wannenanschluß ist durch eine eigene n⁺-Zone gebildet. Die Verbindung der einzelnen Anschlüsse untereinander ergibt sich sinngemäß aus dem Ersatzschaltbild von Fig. 1.

Claims (4)

1. MOS-Kaskodetransistor (T1) mit einer Klemmeinrichtung (T2), die innerhalb mindestens einer Wannenzone (W1, W2; W), die einem ersten Leitfähigkeitstyp (n) entspricht, mittels MOS-Transistorstrukturen (D1, G1, S1, S2, G2, D2) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp (p) gebildet sind, bei denen

• 1. die MOS-Transistorstrukturen zur Bildung des Kaskodetransistors (T1) eine erste Source-Zone (S1), eine erste Gate-Zone (G1) und eine erste Drain-Zone (D1) und zur Bildung der Klemmeinrichtung (T2) eine zweite Source-Zone (S2), eine zweite Gate- Zone (G2) und eine zweite Drain-Zone (D2) enthalten, wobei die erste Gate-Zone (G1) als Gate-Anschluß (Ng), die mit einem ersten Wannenkontakt (w1) verbundene erste Source-Zone (S1) als Source-Anschluß (Ns) und die erste Drain- Zone (D1) als Drain-Anschluß (Nd) für den Kaskodetransistor (T1) dienen,
• 2. die Steuerelektrode für die zweite Gate-Zone (G2), die zweite Source-Zone (S2) und ein zugehöriger zweiter Wannenkontakt (w2) mit dem Source-Knoten (Ns) verbunden sind und
• 3. zur Klemmung des Source-Anschlusses (Ns) die zweite Drain-Zone (D2) mit einer Quelle (Q) für ein Klemmpotential (V2) verbunden ist.

2. MOS-Kaskodetransistor (T1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (T2) in der selben Wanne (W) wie der MOS-Kaskodetransistor (T1) angeordnet ist.

3. MOS-Kaskodetransistor (T1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die MOS-Transistorstruktur als Doppeltransistorstruktur mit einer gemeinsamen Source-Zone (S) ausgebildet ist.

4. MOS-Kaskodetransistor (T1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Gate-Zone (G1) und die zweite Drain-Zone (D2) gemeinsam an einem Ausgang (Q1, Q2) der Quelle (Q) angeschlossen sind.