Brevet FR2068610A1 — publié le 19710827

4193A 1 2068610 La présente invention concerne un circuit inverseur pour charges de sortie capacitives. Les circuits inverseurs assurent la fonction logique consistant à convertir un "1" logique en un "G" logique et constituent un module fondamental 5 de nombreux circuits digitauxo En conséquence, tout perfectionnement apporté aux circuits inverseurs peut avoir des répercussions étendues et peut s'avérer très avantageux pour ^industrie. L'un des critères principaux de la détermination du "10 succès commercial d'un circuit est son prix de revient. Sous la forme circuit intégré, le prix de revient est étroitement lié à la dimension matérielle du circuit» Plus les circuits sont petits, moins ils sont coûteux» L'invention améliore la technique antérieure en rendant possible une réduction appréciable 15 des dimensions des cirauits inverseurs à semi-conducteurs0 Dans la demande de brevet français U° 6 932 140, publiée sous le ÏT° 2 018 652, on a décrit un inverseur à transistors à effet de champ à porte isolée, en particulier du type dans lequel deux transistors à effet de champ MOS (métal-oxyde-20 silicium) sont montés "dos-à-dos", c'est-à-dire que leurs drains sont interconnectés, ainsi que leurs sources,, Une entrée d'horloge ou de charge préalable est appliquée à la connexion de drain commune et la sortie est recueillie sur la connexion de source commune. L'entrée d'horloge est également appliquée 25 à la porte de l'un des transistors à effet de champ MOS (porte "d'horloge") et l'entrée de données informations logiques est appliquée à la porte de l'autre transistor à effet de champ MOS (porte "données"). Le fonctionnement du circuit est essentiellement basé sur le principe résidant en ce que, lorsque 30 l'horloge devient négative (en supposant que les transistors à effet de champ MOS soient du type n), la porte horloge est excitée et la sortie devient un "1" logique» La capacité inhérente de la sortie mémorise l'état logique "1" après le retour de l'horloge au niveau de la masse» Si l'entrée de données 35 appliquée à la porte données est négative après l'interruption de l'horloge, la capacité de sortie se décharge à la masse, par l'intermédiaire de la porte données, et un état logique "O" 70 41938 2 2068610 est établi à la sortie» Par ailleurs, si l'entrée de données appliquée à la porte données est au niveau de la masse après la cessation de l'impulsion d'horloge, la capacité de sortie ne peut pas se décharger et la sortie reste au niveau logique '"I". 5 On remarquera que la construction qui vient d'être décrite exige deux transistors à effet de champ MOS à portes séparées» Etant donné que la miniaturisation des circuits de calcul est l'un des buts principaux de la technologie des transistors à effet de champ MOS, il serait hautement désirable 10 d'obtenir le même résultat avec un unique transistor à effet de champ MOS, de manière à réduire la superficie de fragment de semi-conducteur exigée par un circuit inverseur donné quelconque. En outre, il est désirable d'augmenter la vitesse de commutation du circuit inverseur dans toute la mesure du possible. 15 Compte tenu de ce qui précède, l'invention vise tua circuit inverseur pour charges de sortie capacitives, comprenant des moyens semi-conducteurs comportant des électrodes d'entrée de courant et de sortie de courant et une électrode de commande pour contrôler le passage du courant entre lesdi-20 tes électrodes d'entrée de courant et de sortie de courant, des moyens du type diode directement connectés entre une électrode d'entrée de courant et une 'électrode de sortie de courant, des moyens pour connecter une source d'impulsions de données (informations logiques) à ladite électrode de commande, des moyens 25 pour connecter une source d'impulsions d'horloge à l'une des extrémités desdits moyens du type diode et des moyens de sortie connectés à l'autre extrémité desdits moyens du type diode. De préférence, le moyen semi-conducteur est un transistor à effet de champ dont la source et le drain constituent, 30 respectivement, lesdites électrodes d'entrée de courant et de sortie de courant et dont la porte constitue ladite électrode de commande, l'effet de barrière de la diode se produisant entre certains revêtements métalliques et la diffusion p à un point de contact de la région du type p étant utilisée pour 35 éliminer la nécessité du transistor à porte horloge sans exiger la diffusion supplémentaire associée à une diode à jonction. Un rèvêtement d'un métal adapté au matériau de dopage 70 41938 3 2068610 de la couche diffusée sous-jacente du "type p est déposé sur la région p constituant le drain du transistor à effet de champ MOS à porte données. Tandis que des revêtements de métaux non adaptés se comportent essentiellement comme des 5 points de contact, des revêtements d'un métal adapté à la diffusion p conformément à des techniques connues de la métallurgie des semi-conducteurs coopèrent avec la diffusion p pour jouer essentiellement le rôle d'une diode à barrière dans laquelle la diffusion p est la cathode et la couche métallique, 10 l'anode# Ce type de diode est connu sous le nom de diode de Schottky0 En conséquence, le transistor à effet de champ du circuit suivant l'invention est, de préférence, un transistor à effet de champ MOS, tanis que le moyen du type diode est, 15 de préférence, une diode de Schottkyo En fonctionnement, la charge préalable ou précharge de la capacité de sortie s'effectue simplement en appliquant une impulsion d'horloge négative à la sortie dans le sens conducteur de la diode» Après cessation de l'impulsion d'hor-20 loge et précharge de la capacité de sortie, la connexion de la diode est polarisée en sens' inverse et l'état logique de la sortie est ainsi commandé par la conductivité de la porte données. De préférence, l'une des extrémités de la diode de 25 Schottky est la diffusion de l'une des électrodes d'un transistor à effet de champ MOS, tandis que son autre extrémité peut être un revêtement d'un métal différent de celui qui forme la plaquette de contact correspondante de ce transistor. L'invention permet de réaliser un circuit inverseur 30 dans lequel la vitesse de commutation est augmentée grâce à la réduction de la capacité parasite interneo L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs 35 modes de réalisation. Sur ce dessin : - la figure 1 est une vue en plan d'un circuit 70 41938 4 2068610 inverseur suivant l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe verticale suivant la ligne 2-2 de la figure 3 ; - la figure 3 est une vue en coupe verticale suivant 5 la ligne 3-3 de la figure 1 ; — la figure 4 est un schéma de câblage représentant un circuit inverseur de base ; - la figure 5 est un schéma de câblage du circuit inverseur suivant l'invention ; 10 — la figure 6 est un graphique temps-amplitude mon trant la relation avec le temps des impulsions d'horloge, de données et de sortie dans les circuits des figures 4 et 5 ; - la figure 7 est un schéma de câblage d'un circuit NON-OU utilisant les enseignements de l'invention, et 15 - la figure 8 est un schéma de câblage d'un circuit NON-ET utilisant les enseignements de l'invention.» Les figures 1 à 3 représentent un mode de réalisation matériel type d'un circuit inverseur suivant l'invention» Un substrat de silicium 10 en matériau du type n contient des 20 diffusions p 12, 140 La diffusion p 12 forme le drain du transistor à effet de champ MOS 16 et la cathode de la diode de Schottky 18o La diffusion p 14 est munie d'une plaquette de contact 15 en métal non adapté qui forme la source du transistor à effet de champ MOS 16 dont la porte métallique 19 est 25 séparée du substrat 10 par une couche diélectrique 20 de silice, de manière à former la borne d'entrée de données 21 du circuit inverseur» Un revêtement 22 d'un métal adapté au matériau dopant de la diffusion p 12 est appliqué sur l'ensemble pour former 30 l'anode de la diode de Schottky 18» Le revêtement métallique 22 est, en outre, connecté à la plaquette de contact 15 en métal non adapté appliquée sur la diffusion p 14. La plaquette de contact 15 constitue la borne horloge 23 du circuit inverseur. Une plaquette de contact métallique 24 est appliquée à la dif— 35 fusion p 12 pour former la borne de sortie 25 du circuit inverseur. On remarquera que le revêtement métallique 22 est 70 41938 5 2068610 séparé et distinct de la plaquette de contact métallique 15 bien qu'il soit en contact électrique avec lui. Pour assurer un effet de diode entre le revêtement métallique 22 et la diffusion p 12, il est nécessaire que le métal du revêtement 22 5 soit adapté à la diffusion p 12, c'est-à-dire présente sensiblement la même barrière de potentiel que le matériau dopani? utilisé pour créer la diffusion p 12. Un métal approprié à cet effet peut être choisi en tenant compte des techniques métallurgiques classiques bien connues dans le domaine des semi-10 conducteurs. Par ailleurs, la plaquette de contact 15 est, de même que la plaquette de contact 24, de préférence en un métal non adapté, généralement de l'aluminium, qui ne présente que peu ou pas de caractéristiques bipolaires par rapport à la diffu-15 sion p à laquelle il est appliqué. La tension de seuil ou d'arrêt de la diode de Schoti&y 18 est de l'ordre de 0,25 V. Il est à noter que ce seuil peut être favorablement comparé avec le seuil de 3 à 4 volts d'un transistor à effet de champ MOS0 En conséquence, la diode de 20 Schottky 18 est capable de déclencher le processus de charge de la capacité de sortie 28 à un moment un peu antérieur au cours du temps de montée de l'impulsion d'horloge. On va maintenant se référer aux figures 4 et 5j en précisant que la description du fonctionnement et de la struc-25 ture matérielle du circuit de la figure 4 est incorporé ici à titre de référence d'après la demande de brevet ci-dessus citée0 Essentiellement, une impulsion d'horloge négative appliquée à la borne horloge 23 de la figure 4, excite le transistor à effet de champ MOS d'horloge 26 et applique une 30 charge négative à la capacité inhérente 28 de la sortie 25 (le circuit inverseur suivant l'invention est destiné à alimenter un circuit de sortie purement capacitif). Après la cessation de l'impulsion dïhorloge et le retour de l'horloge au niveau de la masse, l'état logique de 35 la sortie 25 est déterminé par l'entrée de données 21 alimentant la porte 19 du transistor à effet de champ MOS à porte données 16. 70 41938 6 2068610 Si l'entrée de données 21 est négative, la porte données 16 est excitée et la capacité de sortie 28 se décharge, par l'intermédiaire de la porte données 16, à la masse de 1'horlogeo Par contre, si l'entréë de données 21 est à la mas-5 se, la porte données 16 est "bloquée et la capacité de sortie 28 peut se décharger» En pratique, la capacité de sortie du circuit de la figure 4 se décharge néanmoins dans une certaine mesure, même si l'entrée de données 21 est à la masse du fait qu'un parcours 10 de décharge limité est disponible à travers les capacités entre électrodes de la porte horloge 26. Cette déchargé, indiquée en Vj sur la figure 6, exige que le potentiel d'horloge soit notablement plus élevé que le potentiel "1M logique désiré sur la capacité de sortie 28o Par exemple, un niveau de sortie 15 logique "l* de 9 volts exige, généralement, un potentiel d'horloge d'environ 14 voltso Un examen de la figure 5 montre que le circuit des figures 1 à 3 et 5 fonctionne électriquement de la même manière que le circuit de la figure 4. Pendant l'impulsion d'horloge, 20 la diode 18 est polarisée dans le sens direct et l'impulsion d'horloge est transmise à la capacité de sortie 28., En réponse au retour du potentiel d'horloge au niveau de la masse, la diode 18 devient polarisée en sens inverse et la capacité de sortie 28 ne peut se décharger que si la porte données 16 est 25 excitée# En raison de la capacité interne extrêmement faible de la diode 18, la décharge parasite (figure 6) est, toutefois, pratiquement éliminée® En outre, l'absence de capacité interne appréciable des diodes évite l'effet diviseur de ten-30 sion qui se produit normalement entre la capacité interne de la porte horloge 26 et la capacité de sortie 28a Généralement, un niveau de sortie logique "1" de 9 volts dans le circuit inverseur suivant l'invention n'exige qu'un niveau d'horloge de 9 % volts. 35 Etant donné que la puissance de charge de la capacité 2 28 est P = CE où G est la capacité totale vue par l'horloge et E le potentiel d'horloge, on comprendra aisément que ceci 70 41938 7 2068610 se traduit par une économie très appréciable (de l'ordre de 65%) dans la puissance d'horloge, ce gui permet l'utilisation d'horloges beaucoup plus petites. En même temps, le circuit inverseur suivant l'invention occupe moins de superficie sur 5 le fragment semi-conducteur que le circuit inverseur de la figure 4 et, néanmoins, la vitesse de charge de la capacité de sortie 28 est notablement augmentée en raison du fait que la capacité de courant de la diode 18 par unité de surface est considérablement plus grande que celle du transistor à effet 10 de champ MOS 16. la fabrication du dispositif suivant l'invention n'est pas beaucoup plus complexe que celle du circuit inverseur selon la demande de brevet précitée. Gomme celui-ci, le circuit inverseur suivant l'invention n'exige qu'une seule diffusion 15 et sa seule exigence supplémentaire est un masque supplémentaire pour le dépôt du revêtement métallique 22 séparément de celui des plaquettes de contact et des portes 15, 19 et 24. Les figures 7 et 8 représentent l'application du concept suivant l'invention à des modules logiques ÏJOÎT-OU et 20 NON-ET, respectivemento Il est évident que, dans le circuit de la figure 7» la capacité de sortie 28 se décharge chaque fois qu'une ou plusieurs des portes données "16a, 16b, 16c sont excitées, tandis que, dans le circuit de la figure 8, la capacité de sortie 25 28 se décharge seulement si toutes les portes données 16a, 16b, 16c sont excitées0 70 41938 8 2068610 BEVEHDICA/T ION S "1) Circuit inverseur pour charges de sortie capacitives, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen semi-conducteur comportant des électrodes d'entrée de courant et de sortie 5 de courant et une électrode de commande pour contrôler le passage du courant entre les électrodes d'entrée de courant et de sortie de courant, un moyen du type diode directement connecté entre une électrode d'entrée de courant et une électrode de sortie de courant, des moyens pour connecter une source 10 d1impulsions de données à l'électrode de commande, des moyens pour connecter une source d'impulsions d'horloge à l'une des extrémités du moyen du type diode et des moyens de sortie connectés à l'autre extrémité dudit moyen du type diode. 2) Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en 15 ce que le moyen semi-conducteur est un transistor à effet de champ, en ce que les électrodes d'entrée de courant et de sortie de courant sont la source et le drain de ce transistor et en ce que ladite électrode de commande est la porte de ce transistor. 20 5) Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le transistor à effet de champ est un transistor MOS et en ce que le moyen du type diode est une diode de Schottky. 4) Circuit suivant la revendication 3» caractérisé 25 en ce que l'une des extrémités de la diode est la diffusion d'électrode de l'une des électrodes diffusées du transistor à effet de champ MOSo 5) Circuit suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'autre extrémité de la diode est un revêtement d'un 30 métal différent de celui qui forme les plaquettes de contact du transistor à effet de champ M0So 6) Circuit suivant l'une des revendications 3» 4 et 5, caractérisé en ce que le moyen semi-conducteur est constitué par un certain nombre de transistors à effet de champ mon- 35 tés en série mais commandés séparément. 70 '41938 9 2068610 7) Circuit suivant l'une des revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que le moyen semi-conducteur est constitué par plusieurs transistors à effet de champ montés en parallèle mais commandés séparément.