JP2004504751A - High-speed switching input buffer - Google Patents
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Abstract
半導体装置のための入力バッファ回路(300)は、PMOSトランジスタ(306)、NMOSトランジスタ(308)、およびプルアップ回路(314)を含む。プルアップ回路(314)は、PMOSトランジスタ(306)のバルク領域に電圧を印加して正の基板効果を引き起こし、これはPMOSトランジスタ(306)のしきい値電圧の絶対値を一時的に、入力バッファ(300)がスイッチングされた場合に、低下させる。これは入力バッファ(300)が従来の入力バッファよりも高速でスイッチングすることを可能にする。入力バッファ(300)はインバータ、NOR、NAND、または他の入力バッファである。The input buffer circuit (300) for a semiconductor device includes a PMOS transistor (306), an NMOS transistor (308), and a pull-up circuit (314). The pull-up circuit (314) applies a voltage to the bulk region of the PMOS transistor (306) to cause a positive body effect, which temporarily inputs the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor (306). Reduce if buffer (300) is switched. This allows the input buffer (300) to switch faster than conventional input buffers. The input buffer (300) is an inverter, NOR, NAND, or other input buffer.
Description
【0001】
【技術分野】
この発明は一般的に、半導体装置のためのCMOS入力バッファに関する。
【0002】
【背景技術】
相補型金属酸化膜半導体(CMOS)入力バッファは、何年もの間半導体装置のために用いられてきた。入力バッファの重要な特徴は、スイッチング時間であるが、これはハイ状態からロー状態への遷移またはその反対の遷移に要求される時間である。
【0003】
図1は、半導体装置のための従来のCMOSインバータ入力バッファ100の例を示す。CMOSインバータ入力バッファ100は、PMOSトランジスタとも呼ばれるPチャネルMOSFETトランジスタ106と、相補的な構成におけるNMOSトランジスタとも呼ばれるNチャネルMOSFETトランジスタ108とを含む。PMOSおよびNMOSトランジスタ106、108のゲートは、入力端子とも呼ばれる入力ノード102に接続される。両方のゲートが入力ノード102に接続されているので、入力信号はまたゲート電圧Vgとも呼ばれる。出力信号は、出力端子とも呼ばれる出力ノード110から送信される。出力ノード110は、PMOSおよびNMOSトランジスタ106、108のドレインに接続される。実質的に0ボルトであるロー信号が入力ノード102に印加されると、PMOSトランジスタ106はオンしてNMOSトランジスタ108はオフし、出力ノード110をハイに駆動する。実質的に電源電圧であるハイ信号が入力端子102に与えられると、PMOSトランジスタ106がオフしてNMOSトランジスタ108がオンし、出力ノードをローに駆動する。PMOSおよびNMOSトランジスタの一方がオフ状態にあるので、DC電流はほとんど消費されない。
【0004】
図2は、従来のCMOS NOR入力バッファ200の例を示す。CMOS NOR入力バッファ200は、第1および第2のPMOSトランジスタ210、212と、第1および第2のNMOSトランジスタ214、216とを含む。第2のPMOSトランジスタ212のゲートおよび、第1のNMOSトランジスタ214のゲートは、入力ノード202に接続される。出力信号は、第2のPMOSトランジスタ212のドレインと第1および第2のNMOSトランジスタ214、216のドレインとに接続される、出力ノード210から送信される。制御信号「power down」は制御ノード218で受けられる。制御ノード218は、第1のPMOSトランジスタ210のゲートおよび第2のNMOSトランジスタ216のゲートに接続される。
【0005】
【発明の開示】
PMOSトランジスタ、NMOSトランジスタ、およびプルアップ回路を含む半導体装置のための入力バッファ回路。プルアップ回路は、電圧をPMOSトランジスタのバルク領域に印加し、入力バッファがスイッチングするときにPMOSトランジスタの電圧しきい値の絶対値を一時的に低める正の基板効果を引き起こす。これは、入力バッファを従来の入力バッファよりも速くスイッチングさせる。入力バッファはインバータ、NOR、NAND、または他の入力バッファである。
【0006】
この発明を、添付の図面を参照して説明する。図面においては、同様の参照符号が同一のまたは機能的に同様の要素を示す。さらに、参照符号の最も左側の数字は、参照符号が最初に出現する図面を識別する。
【0007】
【発明を実行するためのモード】
SRAMおよびDRAMのようなメモリ装置などの半導体装置のための入力装置は、ハイ出力状態とロー出力状態との間の高速スイッチングを提供する。入力装置は、電流漏れが少なく、低い電源電圧で動作する。この発明は、一時的にしきい値電圧の絶対値を低めて、実質的な電流漏れを生じることなくスイッチング時間を減じる。
【0008】
入力バッファは、信号に対して入力ノードを監視し、かつ入力ノードに基づいて出力ノードをスイッチングする。入力バッファと出力ノードを超えた回路とが、電源電圧Vccと接地との間で動作する一方で、入力で受けられる信号はより狭い範囲に、たとえばVihおよびVilにあり得る。Vihは「ハイ」信号を表わし、Vilは「ロー」信号を表わす。配線容量および他の要因の結果、Vilはしばしば接地よりも高く、Vihはしばしば電源電圧よりも低い。
【0009】
PMOSトランジスタは、低い電源電圧で動作する場合、より遅い速度でスイッチングする傾向がある。低い電源電圧とは、1.8ボルトまたは1.6ボルトなどの、3.3ボルトよりも低い電源電圧である。多くの用途において、可能な限り高速で動作するスイッチを有することが望ましい。
【0010】
CMOS設計の原則は、PMOSトランジスタがNMOSトランジスタよりも「弱い」ことである。これは、移動度要因のためである。PMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値|Vt|がしばしばNMOSトランジスタのしきい値電圧に対して非常に高いので、入力バッファの「ハイ」から「ロー」へのスイッチング時間は一般的に、「ロー」から「ハイ」へのスイッチング時間よりも速い。しきい値電圧は、入力ラインの信号がハイであるかローであるかを判断するために用いられる。もしPMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値がスイッチング速度を減じる試みで低められると、PMOSトランジスタにおける電流漏れが増大するが、これは望ましくない。この発明は、しきい値電圧の絶対値を一時的に低めて、実質的な電流漏れを引き起こすことなくスイッチングタイムを減じるが、これを図3から図5に示す。
【0011】
図3は、高速スイッチングであり電流漏れが少ないCMOSインバータ入力バッファ300の例を示す。CMOSインバータ入力バッファ300は、PMOSトランジスタ306、相補的な構成におけるNMOSトランジスタ308、プルアップ装置314、および任意のキャパシタ312を含む。PMOSおよびNMOSトランジスタ306、308のゲートは、入力ノード302に接続される。出力信号は出力ノード310から送信されるが、これはPMOSおよびNMOSトランジスタ306、308のドレインに接続される。たとえばレジスタであるプルアップ装置314は、電源電圧とPMOSトランジスタ306のバルクに接続される。
【0012】
プルアップ装置314の抵抗は、入力バッファ300の特性に依存し、特にPMOSトランジスタ306の特性に依存する。たとえば、抵抗値は1キロオームから3000キロオームになり得る。PMOSトランジスタのバルク領域に電圧を提供する限り、他のプルアップ装置314をも用い得るが、これらはたとえばRL回路、ダイオード、または他の装置である。プルアップ装置314はPMOSトランジスタ306のバルクに電圧を供給するための充電機構として作用する。
【0013】
任意のキャパシタ312は、PMOSトランジスタのゲートとバルクとに接続される。キャパシタ312は、PMOSおよびNMOSトランジスタ306、308がバッファのスイッチング時間を増大させるのに十分な入力キャパシタンスを提供しない場合に入力バッファ300にゲート容量を加える。
【0014】
入力信号がローになると、すなわちVilが入力ノード302で受けられると、ゲート容量は瞬間的にPMOSトランジスタ306のバルク領域をローにプルする。これはしきい値電圧の絶対値|Vt|を減少させる。こうして、PMOSトランジスタ306は「より強く」なり、電流はPチャネルをより高速で通る。プルアップ装置314は、出力がハイにスイッチングした後で、PMOSトランジスタ306のバルク領域を再び電源電圧に向かって充電する。任意で、PMOSトランジスタ306およびプルアップ装置314は異なった電源電圧に接続される。
【0015】
図4は、高速スイッチングであり電流漏れが少ないCMOS NOR入力バッファ400の例を示す。CMOS NOR入力バッファ400は、第1および第2のPMOSトランジスタ410、412と、第1および第2のNMOSトランジスタ414、416と、第1および第2のプルアップ装置406、408と、任意のキャパシタ422とを含む。第2のPMOSトランジスタ412のゲートと第1のNMOSトランジスタ414のゲートとは、入力ノード402に接続される。出力信号は出力ノード420から送信されるが、これは第2のPMOSトランジスタ412のドレインと、第1および第2のNMOSトランジスタ414、416のドレインとに接続される。第1および第2のNMOSトランジスタ414、416のソースは、接地に接続される。第2のPMOSトランジスタ412のソースは、第1のPMOSトランジスタ410のドレインに接続される。第1のPMOSトランジスタ410のソースは、電源電圧404に接続される。「power down」と表記される制御信号は、制御ノード418で受けられる。制御信号は、第1のPMOSトランジスタ410のゲートと第2のNMOSトランジスタ416のゲートとに接続される。制御ノード418および入力ノード402は、NOR回路への入力であり、出力ノードはNOR回路の出力である。
【0016】
第1のプルアップ装置406は、電源電圧および第1のPMOSトランジスタ410のバルクに接続される。プルアップ回路とも呼ばれる第2のプルアップ装置408は、電源電圧404および第2のPMOSトランジスタ412のバルクに接続される。プルアップ装置406、408の抵抗は、入力バッファ400の特性に依存し、特に接続されるPMOSトランジスタの特性に依存する。たとえば、プルアップ装置406、408の抵抗は1キロオームから3000キロオームになり得る。他の値もまた、入力バッファ400の特性に依存して許容可能である。プルアップ装置406、408は、PMOSトランジスタ410、412のバルク領域に電圧を供給する限り、他の回路をも含み得るが、これらはたとえばRL回路、RLC回路、ダイオード回路、または他の装置である。この実施例におけるプルアップ装置406、408は、PMOSトランジスタ410、412のバルクへ電圧を供給するための充電手段として作用する。他の実施例においては、2つのプルアップ装置406、408のうちの一方のみが用いられる。
【0017】
任意のキャパシタ422が、ゲート容量を増大させるために加えられてもよい。任意のキャパシタ422は、第2のPMOSトランジスタ412のゲートおよびバルクに接続される。
【0018】
任意で、第1のPMOSトランジスタ410およびプルアップ装置406、408は互いに異なった電源電圧に接続される。従来的な電源電圧は5.0ボルトおよび3.3ボルトである。この発明は好ましくは低電力入力バッファで用いられる。低電力入力バッファは、3.3ボルト以下の電源電圧を有する。たとえば、電源電圧は約2.0ボルトから1.0ボルトであり得る。この発明はまた、他の電源電圧範囲においても用い得る。
【0019】
図5は、この発明の要素を実現するPMOSトランジスタ500の断面図である。PMOSトランジスタ500は、N型基板領域526、誘電領域524、2つのP型領域518、522およびNウェル領域とも呼ばれるPチャネル領域520を含む。PMOSトランジスタ500の外部インターフェイスは、ソース512、ゲート514、ドレイン516、およびバルク528を含む。PMOSトランジスタ500は、バルク528をソースノード504で電源電圧に接続するプルアップ装置506を有する。任意のキャパシタ508は、バルク528をゲート514に接続する。ゲート514は、ゲート信号を受けるゲートノード502に接続される。ドレイン516は、PMOSトランジスタ500からの出力を送信するドレインノード510に接続される。実質的に0ボルトである接地がゲートノード502に印加された場合、Pチャネル520は生成されず、ドレイン516は最小限の電流を供給する。負電圧がゲートノード502に印加された場合、電子は表面から追い出され、導通領域であるPチャネル520を生成し、ソース512からドレイン516に正電流を提供する。
【0020】
NMOSトランジスタにおける基板効果現象は、バックゲート電圧Vbとソース電位Vsとの間のVbsと呼ばれる電位差が、入力信号の電圧によって負に変化された場合に生じ、NMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値を増大させる。PMOSトランジスタについては、電位差Vbsは正に変化されてしきい値電圧の絶対値を増大させる。この現象がNMOSトランジスタで生じると、ゲートからソースへの電圧Vgsが減少し、NMOSトランジスタの駆動力が減少し、信号転送抵抗が増大する。これは「負の」基板効果として公知である。この発明は、「正の」基板効果と呼ばれる相補的な現象を用いて、PMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値を一時的に低める。
【0021】
上述の入力バッファ300(図3)、400(図4)は、低い漏洩電圧をもたらす高いDCしきい値電圧を有する。さらに、入力バッファ300、400はより速いスイッチングおよびより低い漏洩電圧をもたらす低いACしきい値電圧を有する。そのような入力バッファは、従来の低電圧入力バッファの50%から60%の時間でハイからローにスイッチングできると推定される。
【0022】
入力バッファ500は、コンピュータ、携帯電話フラッシュメモリ、論理回路および他の回路において用いる半導体メモリを含む、さまざまな装置に用い得る。好ましい実施例においては、入力バッファ500は低電圧半導体メモリに用いられる。
【0023】
入力ラインがハイからローへ、論理1から論理0へ遷移すると、ゲート容量は瞬間的にプルダウンされる。これはしきい値電圧の絶対値を低減させる。次いで電流は、Pチャネルを通ってより速く移動する。これは出力電圧Voを高速にローからハイにスイッチングする。バルク層での電圧Vbulkは、出力ノード510がハイにスイッチングされた後に、プルアップ装置506を通してフルの電源電圧に再び充電される。任意で、キャパシタ508が加えられてゲート−バルク容量を増大させる。
【0024】
以下の方程式は、しきい値電圧の絶対値への効果を表わす。
|Vt|=Vt0+δ*[sqrt(2ΦF+Vbs)−sqrt(2ΦF)] 方程式1
ここで:
|Vt|は、PMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値である。
【0025】
Vt0は、Vbs=0の場合のしきい値電圧である。
δは、基板のバイアス効果定数である。この定数は、製作プロセスの関数であり、装置間で変動し得る。
【0026】
ΦFはバルク電位である。バルク電位は製作プロセスの関数であり、装置間で変動し得る。
【0027】
Vbsは、バルクとソースとの間の電圧差である。
ゲート電圧がハイからローになった場合に、しきい値電圧の絶対値|Vt|を一時的に低めるために、|Vbs|が低くされ、かつバルク電圧Vbがソース電圧Vsに向かって上昇されるが、これはバルク−ソース電圧Vbsが負であることを意味する。ゲート電圧がローにスイッチングすると、バルク電圧はゲート電圧と結合され、電源電圧よりも低くされる。これは、PMOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値|Vt|を一時的に低くし、出力電圧Voutのスイッチングを加速する。
【0028】
RC回路、たとえば506および508(図5)は、好ましくはバルク電圧がソース電圧よりも低い場合に、ラッチアップ状態を避けるようスケーリングされる。
【0029】
図3から図5はインバータおよびNOR入力バッファを示すが、この発明はメモリ装置のような半導体装置のために用いられる他の入力バッファでも実現され得る。たとえば、この発明はNAND入力バッファで用い得る。
【0030】
好ましい実施例が示され説明されてきたが、これらはこの開示を限定することは意図されず、すべての方法および装置の変更および代替例を、前掲の特許請求の範囲およびその等価物に規定されるこの発明の精神および範囲に含むことが意図されることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のCMOSインバータ入力バッファを示す図である。
【図2】従来のCMOS NOR入力バッファを示す図である。
【図3】CMOSインバータ入力バッファに関連するこの発明の実施例を示す図である。
【図4】CMOS NOR入力バッファに関連するこの発明の実施例を示す図である。
【図5】この発明の要素を実現するPMOSトランジスタの断面図である。[0001]
【Technical field】
The present invention relates generally to CMOS input buffers for semiconductor devices.
[0002]
[Background Art]
Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) input buffers have been used for semiconductor devices for many years. An important feature of the input buffer is the switching time, which is the time required for a high-to-low transition or vice versa.
[0003]
FIG. 1 shows an example of a conventional CMOS inverter input buffer 100 for a semiconductor device. CMOS inverter input buffer 100 includes a P-channel MOSFET transistor 106, also called a PMOS transistor, and an N-channel MOSFET transistor 108, also called an NMOS transistor, in a complementary configuration. The gates of the PMOS and NMOS transistors 106, 108 are connected to an input node 102, also called an input terminal. Since both gates are connected to input node 102, the input signal is also referred to as gate voltage Vg. The output signal is transmitted from an output node 110, also called an output terminal. Output node 110 is connected to the drains of PMOS and NMOS transistors 106,108. When a low signal of substantially 0 volts is applied to input node 102, PMOS transistor 106 turns on and NMOS transistor 108 turns off, driving output node 110 high. When a high signal, which is substantially a power supply voltage, is applied to the input terminal 102, the PMOS transistor 106 turns off and the NMOS transistor 108 turns on, driving the output node low. Since one of the PMOS and NMOS transistors is off, little DC current is consumed.
[0004]
FIG. 2 shows an example of a conventional CMOS NOR input buffer 200. The CMOS NOR input buffer 200 includes first and second PMOS transistors 210 and 212, and first and second NMOS transistors 214 and 216. The gate of the second PMOS transistor 212 and the gate of the first NMOS transistor 214 are connected to the input node 202. The output signal is transmitted from an output node 210 connected to the drain of the second PMOS transistor 212 and the drains of the first and second NMOS transistors 214, 216. The control signal “power down” is received at control node 218. Control node 218 is connected to the gate of first PMOS transistor 210 and the gate of second NMOS transistor 216.
[0005]
DISCLOSURE OF THE INVENTION
An input buffer circuit for a semiconductor device including a PMOS transistor, an NMOS transistor, and a pull-up circuit. The pull-up circuit applies a voltage to the bulk region of the PMOS transistor, causing a positive body effect that temporarily reduces the absolute value of the voltage threshold of the PMOS transistor when the input buffer switches. This causes the input buffer to switch faster than a conventional input buffer. The input buffer is an inverter, NOR, NAND, or other input buffer.
[0006]
The present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numbers indicate identical or functionally similar elements. Further, the left-most digit (s) of a reference number identifies the drawing in which the reference number first appears.
[0007]
Mode for carrying out the invention
Input devices for semiconductor devices, such as memory devices such as SRAMs and DRAMs, provide fast switching between a high output state and a low output state. The input device operates with low current leakage and low power supply voltage. The present invention temporarily lowers the absolute value of the threshold voltage to reduce switching time without substantial current leakage.
[0008]
The input buffer monitors the input node for signals and switches the output node based on the input node. While the input buffer and circuitry beyond the output node operate between the power supply voltage Vcc and ground, the signals received at the inputs may be in a smaller range, for example, Vih and Vil. Vih represents a "high" signal and Vil represents a "low" signal. As a result of wiring capacitance and other factors, Vil is often higher than ground and Vih is often lower than the power supply voltage.
[0009]
PMOS transistors tend to switch at a slower speed when operating at lower power supply voltages. A low power supply voltage is a power supply voltage lower than 3.3 volts, such as 1.8 volts or 1.6 volts. In many applications, it is desirable to have a switch that operates as fast as possible.
[0010]
The principle of CMOS design is that PMOS transistors are "weaker" than NMOS transistors. This is due to mobility factors. Since the absolute value | V t | of the threshold voltage of the PMOS transistor is often very high relative to the threshold voltage of the NMOS transistor, the switching time from “high” to “low” of the input buffer is generally Faster than the switching time from "low" to "high". The threshold voltage is used to determine whether the signal on the input line is high or low. If the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor is reduced in an attempt to reduce the switching speed, the current leakage in the PMOS transistor increases, which is undesirable. The present invention temporarily reduces the absolute value of the threshold voltage to reduce switching time without causing substantial current leakage, as shown in FIGS.
[0011]
FIG. 3 shows an example of a CMOS inverter input buffer 300 with fast switching and low current leakage. CMOS inverter input buffer 300 includes PMOS transistor 306, NMOS transistor 308 in a complementary configuration, pull-up device 314, and optional capacitor 312. The gates of the PMOS and NMOS transistors 306, 308 are connected to the input node 302. The output signal is transmitted from output node 310, which is connected to the drains of PMOS and NMOS transistors 306,308. The pull-up device 314, for example, a register, is connected to the power supply voltage and the bulk of the PMOS transistor 306.
[0012]
The resistance of the pull-up device 314 depends on the characteristics of the input buffer 300, and particularly on the characteristics of the PMOS transistor 306. For example, the resistance can be from 1 kOhm to 3000 kOhm. Other pull-up devices 314 may be used, as long as they provide a voltage to the bulk region of the PMOS transistor, but these are, for example, RL circuits, diodes, or other devices. The pull-up device 314 acts as a charging mechanism for supplying a voltage to the bulk of the PMOS transistor 306.
[0013]
Optional capacitor 312 is connected to the gate and bulk of the PMOS transistor. Capacitor 312 adds gate capacitance to input buffer 300 when PMOS and NMOS transistors 306, 308 do not provide enough input capacitance to increase the switching time of the buffer.
[0014]
When the input signal goes low, ie, when Vil is received at input node 302, the gate capacitance momentarily pulls the bulk region of PMOS transistor 306 low. This reduces the absolute value | V t | of the threshold voltage. Thus, PMOS transistor 306 becomes "stronger" and current flows faster through the P-channel. The pull-up device 314 charges the bulk region of the PMOS transistor 306 again toward the power supply voltage after the output has switched to high. Optionally, PMOS transistor 306 and pull-up device 314 are connected to different power supply voltages.
[0015]
FIG. 4 shows an example of a CMOS NOR input buffer 400 with fast switching and low current leakage. The CMOS NOR input buffer 400 includes first and second PMOS transistors 410 and 412, first and second NMOS transistors 414 and 416, first and second pull-up devices 406 and 408, and an optional capacitor. 422. The gate of the second PMOS transistor 412 and the gate of the first NMOS transistor 414 are connected to the input node 402. The output signal is transmitted from output node 420, which is connected to the drain of second PMOS transistor 412 and the drains of first and second NMOS transistors 414, 416. The sources of the first and second NMOS transistors 414, 416 are connected to ground. The source of the second PMOS transistor 412 is connected to the drain of the first PMOS transistor 410. The source of the first PMOS transistor 410 is connected to the power supply voltage 404. A control signal labeled “power down” is received at control node 418. The control signal is connected to the gate of the first PMOS transistor 410 and the gate of the second NMOS transistor 416. Control node 418 and input node 402 are inputs to a NOR circuit, and output nodes are outputs of the NOR circuit.
[0016]
The first pull-up device 406 is connected to the power supply voltage and the bulk of the first PMOS transistor 410. A second pull-up device 408, also called a pull-up circuit, is connected to the power supply voltage 404 and the bulk of the second PMOS transistor 412. The resistance of the pull-up devices 406 and 408 depends on the characteristics of the input buffer 400, and particularly on the characteristics of the connected PMOS transistor. For example, the resistance of the pull-up devices 406, 408 can be from 1 kOhm to 3000 kOhm. Other values are also acceptable depending on the characteristics of the input buffer 400. The pull-up devices 406, 408 may include other circuits as long as they supply a voltage to the bulk region of the PMOS transistors 410, 412, such as RL circuits, RLC circuits, diode circuits, or other devices. . The pull-up devices 406 and 408 in this embodiment act as charging means for supplying a voltage to the bulk of the PMOS transistors 410 and 412. In other embodiments, only one of the two pull-up devices 406, 408 is used.
[0017]
An optional capacitor 422 may be added to increase the gate capacitance. Optional capacitor 422 is connected to the gate and bulk of second PMOS transistor 412.
[0018]
Optionally, the first PMOS transistor 410 and the pull-up devices 406, 408 are connected to different supply voltages. Conventional power supply voltages are 5.0 volts and 3.3 volts. The invention is preferably used with low power input buffers. The low power input buffer has a supply voltage of 3.3 volts or less. For example, the power supply voltage may be about 2.0 volts to 1.0 volt. The invention can also be used in other power supply voltage ranges.
[0019]
FIG. 5 is a cross-sectional view of a PMOS transistor 500 that implements the elements of the present invention. PMOS transistor 500 includes an N-type substrate region 526, a dielectric region 524, two P-type regions 518, 522, and a P-channel region 520, also referred to as an N-well region. The external interface of the PMOS transistor 500 includes a source 512, a gate 514, a drain 516, and a bulk 528. PMOS transistor 500 has a pull-up device 506 that connects bulk 528 to a power supply voltage at source node 504. Optional capacitor 508 connects bulk 528 to gate 514. Gate 514 is connected to gate node 502 that receives a gate signal. Drain 516 is connected to drain node 510 that transmits the output from PMOS transistor 500. If substantially zero volts of ground is applied to gate node 502, no P-channel 520 is created and drain 516 provides minimal current. When a negative voltage is applied to gate node 502, electrons are driven off the surface, creating a P-channel 520, a conductive region, providing a positive current from source 512 to drain 516.
[0020]
The body effect phenomenon in the NMOS transistor occurs when a potential difference called Vbs between the back gate voltage Vb and the source potential Vs is changed negatively by the voltage of the input signal, and the absolute value of the threshold voltage of the NMOS transistor Increase. For PMOS transistors, the potential difference Vbs is changed positively to increase the absolute value of the threshold voltage. When this phenomenon occurs in the NMOS transistor, the voltage Vgs from the gate to the source decreases, the driving force of the NMOS transistor decreases, and the signal transfer resistance increases. This is known as the "negative" substrate effect. The present invention uses a complementary phenomenon called the "positive" body effect to temporarily lower the absolute value of the threshold voltage of a PMOS transistor.
[0021]
The input buffers 300 (FIG. 3), 400 (FIG. 4) described above have a high DC threshold voltage that results in a low leakage voltage. Further, the input buffers 300, 400 have a low AC threshold voltage which results in faster switching and lower leakage voltage. It is estimated that such an input buffer can switch from high to low in 50% to 60% of the time of a conventional low voltage input buffer.
[0022]
Input buffer 500 may be used in a variety of devices, including computers, cell phone flash memory, semiconductor memory used in logic and other circuits. In the preferred embodiment, input buffer 500 is used in a low voltage semiconductor memory.
[0023]
As the input line transitions from high to low and from logic one to logic zero, the gate capacitance is momentarily pulled down. This reduces the absolute value of the threshold voltage. The current then travels faster through the P-channel. This quickly switches the output voltage Vo from low to high. The voltage Vbulk at the bulk layer is recharged to the full supply voltage through pull-up device 506 after output node 510 is switched high. Optionally, a capacitor 508 is added to increase the gate-bulk capacitance.
[0024]
The following equation describes the effect on the absolute value of the threshold voltage.
| V t | = V t0 + δ * [sqrt (2Φ F + V bs) -sqrt (2Φ F)] Equation 1
here:
| V t | is the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor.
[0025]
V t0 is a threshold voltage when V bs = 0.
δ is a bias effect constant of the substrate. This constant is a function of the fabrication process and can vary from device to device.
[0026]
Φ F is the bulk potential. Bulk potential is a function of the fabrication process and can vary from device to device.
[0027]
Vbs is the voltage difference between the bulk and the source.
In order to temporarily lower the absolute value | V t | of the threshold voltage when the gate voltage goes from high to low, | V bs | is lowered, and the bulk voltage V b is reduced to the source voltage V s . , Which means that the bulk-source voltage Vbs is negative. When the gate voltage switches low, the bulk voltage is combined with the gate voltage and is lower than the power supply voltage. This temporarily lowers the absolute value | V t | of the threshold voltage of the PMOS transistor, and accelerates the switching of the output voltage V out .
[0028]
The RC circuits, for example 506 and 508 (FIG. 5), are preferably scaled to avoid a latch-up condition when the bulk voltage is lower than the source voltage.
[0029]
Although FIGS. 3-5 illustrate an inverter and a NOR input buffer, the invention can be implemented with other input buffers used for semiconductor devices such as memory devices. For example, the present invention may be used in a NAND input buffer.
[0030]
While preferred embodiments have been shown and described, they are not intended to limit this disclosure, and all methods and apparatus modifications and alternatives are defined in the following claims and equivalents thereof. It will be understood that the invention is intended to be within the spirit and scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a conventional CMOS inverter input buffer.
FIG. 2 is a diagram showing a conventional CMOS NOR input buffer.
FIG. 3 illustrates an embodiment of the invention relating to a CMOS inverter input buffer.
FIG. 4 illustrates an embodiment of the present invention relating to a CMOS NOR input buffer.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a PMOS transistor realizing the elements of the present invention.
Claims (10)
(a) 入力ノード(302)と、
(b) 出力ノード(310)と、
(c) ソースノード、ゲートノード、ドレインノード、およびバルクノードを備えたPMOSトランジスタ(306)とを含み、前記PMOSトランジスタ(306)の前記ソースノードは第1の電源電圧(304)に接続され、さらに
(d) ソースノード、ゲートノード、およびドレインノードを備えたNMOSトランジスタ(308)を含み、前記ソースノードは接地に接続され、
前記PMOSおよびNMOSトランジスタ(306,308)の前記ゲートノードは、前記入力ノード(302)に接続され、前記PMOSおよびNMOSトランジスタ(306,308)の前記ドレインノードは、前記出力ノード(310)に接続され、さらに
(e) 前記PMOSトランジスタ(306)の前記バルクノードと第2の電源電圧とに接続されるプルアップ回路(314)を含む、入力バッファ回路(300)。An input buffer circuit (300) for a semiconductor device,
(A) an input node (302);
(B) an output node (310);
(C) a PMOS transistor (306) having a source node, a gate node, a drain node, and a bulk node, wherein the source node of the PMOS transistor (306) is connected to a first power supply voltage (304); And (d) an NMOS transistor (308) having a source node, a gate node, and a drain node, wherein the source node is connected to ground;
The gate nodes of the PMOS and NMOS transistors (306, 308) are connected to the input node (302), and the drain nodes of the PMOS and NMOS transistors (306, 308) are connected to the output node (310). And (e) an input buffer circuit (300) including a pull-up circuit (314) connected to the bulk node of the PMOS transistor (306) and a second power supply voltage.
入力ノード(402)と、
出力ノード(420)と、
選択ノード(418)と、
各々がソースノード、ゲートノード、ドレインノードおよびバルクノードを備える第1および第2のPMOSトランジスタ(410,412)とを含み、前記第2のPMOSトランジスタ(412)の前記ソースノードは第1の電源電圧(404)に接続され、さらに
各々がソースノード、ゲートノード、およびドレインノードを備える第1および第2のNMOSトランジスタ(414,416)を含み、前記第1および第2のNMOSトランジスタ(414,416)のソースノードは接地に接続され、前記第1および第2のNMOSトランジスタ(414,416)のドレインノードは出力ノード(420)に接続され、前記第1のNMOSトランジスタ(414)のゲートノードは入力ノード(402)に接続され、前記第2のNMOSトランジスタ(416)のゲートノードは選択ノード(418)に接続され、前記第1のPMOSトランジスタ(410)のドレインノードは出力ノード(420)に接続され、前記第1のPMOSトランジスタ(410)のゲートノードは入力ノード(402)に接続され、前記第2のPMOSトランジスタ(412)のゲートノードは選択ノード(418)に接続され、
第1のプルアップ回路(406)は前記第1のPMOSトランジスタ(410)のバルクノードおよび第2の電源電圧に接続され、第2のプルアップ回路(408)は前記第2のPMOSトランジスタ(412)のバルクノードおよび第3の電源電圧に接続されることを特徴とする、入力バッファ回路(400)。An input buffer circuit (400),
An input node (402);
An output node (420);
A selection node (418);
A first and a second PMOS transistor each comprising a source node, a gate node, a drain node and a bulk node, wherein the source node of the second PMOS transistor is a first power supply. A first and second NMOS transistor (414, 416) connected to a voltage (404) and each having a source node, a gate node, and a drain node; A source node of the first NMOS transistor (414) is connected to the ground, a drain node of the first and second NMOS transistors (414, 416) is connected to an output node (420), and a gate node of the first NMOS transistor (414). Is connected to an input node (402) and the second NMO The gate node of the transistor (416) is connected to the selection node (418), the drain node of the first PMOS transistor (410) is connected to the output node (420), and the gate of the first PMOS transistor (410). A node connected to an input node (402), a gate node of the second PMOS transistor (412) connected to a selection node (418),
A first pull-up circuit (406) is connected to a bulk node of the first PMOS transistor (410) and a second power supply voltage, and a second pull-up circuit (408) is connected to the second PMOS transistor (412). An input buffer circuit (400), wherein the input buffer circuit (400) is connected to the bulk node of (3) and a third power supply voltage.
(a) CMOS入力バッファ(300)を含み、前記CMOS入力バッファ(300)は少なくとも1つのNMOSトランジスタ(308)と、前記NMOSトランジスタ(308)と接続される少なくとも1つのPMOSトランジスタ(306)と、前記PMOSトランジスタ(306)のバルクノードを電源電圧(304)に接続するプルアップ回路(314)とを有し、さらに
(b) CMOS入力バッファ(300)と接続されるメモリのアレイを含む、メモリ装置。A memory device,
(A) including a CMOS input buffer (300), wherein the CMOS input buffer (300) includes at least one NMOS transistor (308) and at least one PMOS transistor (306) connected to the NMOS transistor (308); A pull-up circuit (314) for connecting a bulk node of the PMOS transistor (306) to a power supply voltage (304); and (b) an array of memories connected to a CMOS input buffer (300). apparatus.
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