Brevet FR2559323A1 — publié le 19850809

CIRCUIT LOGIQUE ELEMENTAIRE REALISE A L'AIDE DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP EN ARSENIURE DE GALLIUM ET COMPATIBLE AVEC LA TECHNOLOGIE ECL 100 K. L'invention concerne un circuit logique élémentaire réalisé à l'aide de transistors à effet de champ en arséniure de gallium et trouve son application dans la réalisation de modules de circuits in- tégrés ultrarapides à faible consommation en arséniure de gallium compatibles avec les circuits intégrés ultrarapides réalisés en logique ECL 100 K sur silicium. La technologique ECL 100 K (de l'anglais: Emitter Coupled Logic), utilisant des transistors bipolaires, permet de réaliser des circuits intégrés ultrarapides. Mais de tels circuits consomment beaucoup d'énergie. C'est pourquoi les efforts actuels de la recherche portent sur le remplacement, dans certains cas, de la technologie ECL 100 K par une autre technologie permettant de réaliser des circuits intégrés aussi rapides mais consommant beaucoup moins d'énergie. Cependant le remplacement d'une famille logique par une autre famille logique ne peut être opéré que graduellement. Il est donc nécessaire, dans un premier temps, de prévoir le remplacement d'un cer- tain nombre de modules réalisés en technologie ECL 100 K par des modules équivalents réalisés dans la nouvelle technologie étudiée à cet effet. Les deux technologies doivent alors coexister et il est impératif de les rendre compatibles. Dans ces conditions, elles doivent présen- ter: - la même ou les mêmes tensions d'alimentation; - le même niveau de tension de commande des portes logiques; - le même gabarit de fonction de transfert des portes logiques; Remplacer un module entier de circuit intégré réalisé en technologie ECL 100 K conduit donc d'abord à étudier la possibilité de remplacer une porte élémentaire ECL 100 K par une porte équivalente réalisée dans la nouvelle technologie. Une porte élémentaire dans la technologie ECL est connue par exemple par la demande de brevet n0 78 30 358 du 25 Octobre 1978, dans laquelle une telle porte est représentée comme une partie de la figure 1 et donnée comme une porte logique "OU/NON-OU". Il faut -2- noter qu'il s'agit en fait d'une porte "NON-OU"à une seule entrée, plutôt à fonction "INVERSEUR", mais capable de sortir deux signaux complémentaires. Cette porte est constituée d'abord, par un amplifica- teur différentiel, réalisé par deux transistors planar npn T1 et T2 à émetteurs couplés et dont la sortie est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R1 ou R2 à un potentiel de référence Vcc, notamment la masse. La base du transistor T1 reçoit le signal d'entrée Il, tandis que la base du transistor T2 est raccordée à un potentiel de référence VBB, qui est une référence interne. Pour réaliser l'alimenta- tion en courant de cet étage différentiel, on utilise un transistor S dont la base est portée à un potentiel VB et dont l'émetteur est raccordé à travers une résistance RI à un troisième potentiel désigné par VEE. La sortie de l'étage différentiel formée par le collecteur du transistor T2 est raccordée à la base d'un autre transistor bipo- laire T3 tandis que la sortie formée par le collecteur du transistor T est reliée à la base d'un autre transistor bipolaire T4. Les collec- teurs des deux transistors T3, T4 sont placés au potentiel d'alimenta- tion VCC, tandis que leurs émetteurs sont respectivement alimentés en courant par un transistor S, dont le montage est analogue à celui du transistor Si. La sortie du signal vrai se fait sur l'émetteur du tran- sistor T3, alors que la sortie de son complémentaire se fait sur l'émet- teur du transistor T4. Les performances obtenues à l'aide d'unetelle logique sont, par porte élémentaire, une puissance consommée de l'ordre de 20 mW, un temps de propagation de l'ordre de 400 ps, une fréquence de travail maximale de l'ordre de 1 GHz. La densité d'intégration peut atteindre 1200 à 2000 portes au cm. Or les travaux portant sur la recherche de nouvelles techno- logies ultrarapides à faible consommation ont prouvé que le transistor à effet de champ à barrière Schottky en arséniure de gallium constitue un composant de commutation à grande vitesse qui peut être intégré mono- lithiquement avec des résistances et des diodes Schottky pour former des circuits logiques ultrarapides ou des circuits hyperfréquences. Ces performances sont dues aux propriétés de l'arséniure de gallium, qui présente une mobilité électronique et une vitesse de saturation élevée. -3- C'est pourquoi de façon plus précise, la présente invention concerne un circuit logique élémentaire, réalisé à l'aide de transistors à effet de champ à barrière Schottky en arséniure de gallium, comprenant en premier lieu un amplificateur différentiel dont la première branche est formée du transistor TI du type à enrichissement commandé par le signal d'entrée E et relié par son drain, sur lequel est disponible la sortie Sl, à une alimentation VDD, par exemple la masse, à travers la résistance de charge RI, dont la seconde branche est formée du transistor T2 du type à enrichissement commandé par un signal de référence et relié par drain, sur lequel est disponible la sortie 52, à l'alimentation VDD à travers la résistance de charge R2, les sources couplées des transis- tors T1 et T2 étant alimentées en courant par un transistor T5 du type à désertion de charges monté en grille-source court-circuitées communes au potentiel d'alimentation négatif VSS, comprenant en second lieu deux étages appariés dits translateurs de niveau, dont le premier est consti- tué d'un transistor T4 monté en drain commun au potentiel VDD, commandé par la sortie S1 de la première branche de l'amplificateur différentiel, et relié par sa source à l'anode d'une diode D4, et dont le second est constitué d'un transistor T3 monté en drain commun au potentiel VDD, commandé par la sortie S2 de la seconde branche de l'amplificateur différentiel et relié par sa source à l'anode d'une diode D3. Une telle porte logique est connue de l'art antérieur par la publication de Katsuhiko Suyama et aliiY de FUJITSU Ltd, intitulée "A GaAs high-speed counter using current mode logic" dans "1983 IEEE" pages 12 et suivantes. Cette publication décrit un circuit numérique ul- trarapide en GaAs utilisé pour applications hyperfréquences. Ce circuit est réalisé à partir d'une porte logique élémentaire en technologie CML (de l'anglais: Current Mode Logic) illustrée par la figure 2 du do- cument cité. Cette porte logique est constituée d'un amplificateur diffé- rentiel et de deux étages dits BUFFER appariés. L'amplificateur différen- tiel comprend deux transistors à effet de champ à désertion de charges normalement passants dits DRIVER, commandés l'un par la tension d'entrée (INPUT), l'autre par un signal de référence (REF). Les sources couplées de ces deux transistors sont reliées au drain d'un transistor à effet de champ à enrichissement, normalement pincé, dont la grille et la source court-circuitées sont reliées à la tension d'alimentation VsS(-5V) de telle sorte que ce transistor fonctionne en source de courant. Les drains -4- des transistors DRIVER sont reliés à la tension d'alimentation VDD = OV(la masse) à travers deux résistances de charge RL. La tension de ces drains vient commander les grilles respectives des transistors à effet de champ à enrichissement des étages BUFFER. Ces derniers tran- sistors sont montés en drain commun à la tension VDD = O, et leur source est reliée à deux diodes montées en série et reliées à un transistor constituant une source de courant analogue à celle de l'étage différen- tiel. Les sorties de la porte logique se font sur les drains des tran- sistors sources de courant des BUFFERS, sous la forme du signal d'entrée amplifié par l'un et de son complémentaire pour l'autre. Ce circuit fonctionne à l'aide d'une seule tension d'alimen- tation VS5 = -5V puisque la seconde VDD = 0 est la masse, et la troi- sième tension REF est une référence interne. La tension d'alimentation supplémentaire qui était référencée VB et qui commandait les transis- tors source de courant dans la description de la cellule ECL du brevet français no 78 30 358, n'existe pas dans le présent circuit du fait que la grille de chacun des trois transistors sources de courant est court- circuitée avec la source et portée au potentiel VS5S = -5V. Ce circuit est en outre complètement compatible avec la lo- gique ECL réalisée sur silicium. Cependant le fait que ce circuit fait appel, pour commander le second transistor de l'étage différentiel, à un signal de référence REF entraîne certains inconvénients. Le premier inconvénient réside dans le fait que ce signal doit être fabriqué sur le même substrat que le circuit à proximité de ce dernier, ce qui diminue la-densité d'inté- gration et augmente la consommation du circuit. Mais l'inconvénient le plus important est que l'emploi d'un tel signal comme référence diminue sensiblement la dynamique de réponse du circuit logique élémentaire. D'autres inconvénients non négligeables résident dans l'emploi de tran- sistors à désertion de charge dans les étages translateurs de niveau et dans la réalisation de trois sources de courant pour la seule porte élémentaire ainsi que dans l'emploi de deux diodes par étage transla- teur, ce qui augmente considérablement la consommation d'un tel circuit. C'est pourquoi la présente invention apporte une améliora- tion notable dans la réalisation d'un circuit élémentaire tel que défini dans le préambule en proposant un tel circuit remarquable en ce que les transistors T3 et T4 des étages translateurs de niveau sont du type à 2559323 5 -5- enrichissement, en ce que les cathodes des diodes D3 et D4 des étages translateurs de niveau sont reliées au potentiel d'alimentation VSS par l'intermédiaire des résistances R3 et R4 appariées, en ce que le signal de sortie S inverse du signal d'entrée E de ce circuit logique élémen- taire est disponible sur la cathode de la diode D4 du premier étage translateur de niveau, en ce que le signal de sortie S complémentaire du précédent est disponible sur la cathode de la diode D3 du second étage translateur de niveau, et en ce que enfin le signal de sortie S de ce circuit logique élémentaire constitue le signal de référence qui commande le transistor T2 de la seconde branche de l'amplificateur différentiel. Il peut être également réalisé à partir d'un tel circuit élémentaire un circuit remarquable en ce qu'un transistor To commandé par un signal E0 est placé en parallèle au transistor T1 dans la pre- mière branche de l'amplificateur différentiel, et en ce que le signal de sortie S de ce circuit logiquedisponible sur la cathode de la diode D4 du premier étage translateur de niveau, est le résultat de l'opération logique NON-OU entre les signaux d'entrée E0 et E1. Dans ces conditions le circuit élémentaire ainsi que les autres circuits réalisés à partir de ce dernier sont parfaitement com- patibles avec la logique ECL, les tensions d'alimentation sont identi- ques, les niveaux d'entrée et de sortie sont les mêmes. En comparaison avec l'art antérieur, la consommation est fortement diminuée, la fonction de transfert est améliorée, l'hystérésie est diminuéeainsi que le temps de propagation. De plus la suppression de l'obligation de fabriquer la tension de référence interne, ainsi que celle de quatre éléments actifs par cellule procure au niveau de la densité d'intégration et de la facilité de réalisation du circuit inté- gré un avantage certain. La description ci-après, en se référant aux figures annexées fera mieux comprendre comment l'invention est réalisée. La figure 1 représente le circuit élémentaire à une entrée et à deux sorties complémentaires à fonction de simple inverseur. La figure 2 représente le circuit élémentaire à deux entrées et à deux sorties complémentaires, à fonction logique NON-OU/OU. La figure 3 représente la courbe de transfert du circuit logique élémentaire à fonction simple inverseur. -6- Le circuit logique élémentaire selon la présente invention est constitué de diodes et de transistors à effet de champ de type Schottky monolithiquement intégrés avec des résistances sur un substrat en arséniure de gallium. Il est destiné à composer des modules de circuits intégrés compatibles avec la logique ECL 100K réalisée sur silicium. Il accepte donc les mêmes tensions d'alimentation: VDD = O, la masse et Vss = -4,5 V/ Il reçoit en outre un signal d'entrée E dont les niveaux O et 1 sont respectivement de l'ordre de -0,9 V et -1,7 V identiques à ceux qui constituent les signaux d'entrée d'un circuit ECL. Tel que représenté sur la figure l, le circuit élémentaire présente la fonction d'un simple inverseur, mais fournit deux sorties complémentaires. On dispose donc en sortie d'une part du signal S = E et d'autre part du signal S = E. Ce circuit élémentaire comprend dabord un amplificateur dif- férentiel, dont la première branche est constituée du transistor T1, à enrichissement, et dont la seconde branche est constituée du transistor T2 apparié avec ce dernier. Les drains des transistors T1 et T2 sont polarisés par la tension d'alimentation VDD = 0 à travers les résistances de charge respectives R1 et R2 appariées. Les sources des transistors T1 et T2 sont couplées et reliées au drain du transistor T5 à désertion de charges. Celui-ci, dont la grille et la source court-circuitées sont portées au potentiel d'alimentation V., = -4,5 V, fonctionne en source de courant. Le transistor T1 est commandé par le signal d'entrée E. La première branche de l'amplificateur différentiel fournit, sur le drain du transistor T, un signal Sl, alors que la seconde branche fournit sur le drain du transistor T2 un signal S2' Ce circuit élémentaire comporte en outre deux étages trans- lateurs de niveaux. Le premier de ces étages est constitué d'un transis- tor à enrichissement T4 dont le drain est porté au potentiel d'alimenta- tion VDD et dont la source est reliée à l'anode d'une diode D4. Ce tran- sistor T4 est commandé par la sortie S1 de la première branche de l'am- plificateur différentiel et fonctionne en suiveur. La translation de -7- niveau proprement dite est assurée par la diode D4 de type Schottky. La cathode de cette diode est polarisée par la tension d'alimentation VS$ à travers une résistance R4. La sortie du circuit élémentaire S = E est disponible sur la source du transistor T4. La caractéristique la plus importante de la présente invention est que ce signal S vient commander le transistor T2 de la seconde branche de l'amplificateur différentiel et tient lieu de tension de référence pour le fonctionnement de cet étage différentiel. Le second étage translateur de niveau est composé du transistor T3, de la diode D3 et de la résistance R3 respecti- vement d'une part appariés avec le transistor T4, la diode D4 et. la résistance R4 du premier étage et d'autre part montés de façon identique. Dans ces conditions la sortie S = E est disponible sur la source du transistor T3. Tel que représenté sur la figure 2, le circuit selon la présente invention peut présenter la fonction NON-OU/OU. Ainsi le transistor T1 commandé par l'entrée E tel qu'il était représenté sur la figure 1, est remplacé par deux transistors identiques To et T1, commandés respectivement par les entrées E0 et E1 sur les- quelles est effectuée l'opération logique en sorte que les sorties de ce nouveau circuit élémentaire sont: S = E0 + E alors que S = E0 + E1 Les caractéristique des éléments actifs et passifs permettant de réaliser ce circuit en technologie auto- alignée sur arséniure de gallium sont les suivantes: -8- T1, T2T3 T T4 T5 D3, D4 Transistors transistor à transistor à transistor enrichissement enrichissement à désertion diode Longueur 0,9 pm de grille 0,9 pm LG Largeur de grille 20 wm 160 pm. 4,5 im 10 im PIG 10. Tension de0 Tension de 0 V 0 V -1,5 V pincement R1, R2R3, R4 Résistances linéaires 1,9 k Q 10 k Q Dans ces conditions ce circuit élémentaire présente de nombreux avantages. En premier lieu, les niveaux d'entrée ne sont pas dégra- dés lorsque l'entrance du circuit est de deux, ce qui est le cas lorsque le circuit présente la fonction NON-OU. En second lieu ces niveaux ne sont pas dégradés lorsque la sortance varie de 1 à 4. En troisième lieu le gain G de ce circuit, défini comme la pente de la courbe de transfert représentée sur la figure 3, c'est-à- AVS dire G = AVA devient équivalent à 30, alors que ce même gain ne dé- E passait jamais la valeur 5 en technologie ECL 100 K. On constate en effet en considérant cette courbe que le passage du niveau bas au niveau haut se fait lorsque la tension d'entrée passe de 1,3 à 1,440 V. Ce qui produit une transition très abrupte. En quatrième lieu, l'hystérésis est négligeable, de l'ordre d'une dizaine de millivolts, alors que l'excursion du cycle logique est de 0,8 V, l'excursion étant égale à la différence entre le niveau haut à -1,7 V et le niveau bas à -0,9 V. Il est à noter que ce comportement n'est pas obtenu en logique ECL. Dans le circuit selon la présente invention, la valeur de chacun des composants est rendue opti- male de manière à réduire l'hystérésis tout en conservant les niveaux -9- logiques requis. Ces résultats sont illustrés par les courbes repré- sentées sur la figure 3, ces courbes montrant l'absolue symétrie de la fonction de transfert correspondant à ce circuit. En cinquième lieu, l'utilisation des résistances R3 et R4 pour polariser les diodes D3 et D4, permet de réduire considérablement la consommation du circuit, par rapport au circuit réalisé en ECL d'une part, mais également par rapport au circuit décrit dans la publication japonaise citée comme art antérieur. En logique ECL la puissance con- sommée était de l'ordre de 25 mW. Elle est ici P*4,7 mW pour une sortance égale à 1. En sixième lieu, la suppression de la tension de référence interne venant commander le transistor de la seconde branche de l'ampli- ficateur différentiel et son remplacement par une contre-réaction posi- tive à l'aide du signal de sortie, permet d'une part d'augmenter la densité d'intégration et permet d'autre part de diminuer considérablement le temps de propagation, aussi bien par rapport au circuit ECL que par rapport au circuit cité comme art antérieur. Ce temps de propagation était de l'ordre de 400 ps en ECL, il est ici: pour une sortante 1: tpd =135 ps pour une sortance 4: tpd 170 ps. On notera que le transistor T5 assure la stabilité des niveaux de sortie en fonction des variations de la tension d'entrée de part et d'autre du seuil. Il est manifeste que de nombreuses variantes à la présente invention sont possibles, en particulier dans le choix du substrat semi-isolant, ainsi que dans les dimensions et le choix de la technolo- gie de réalisation des éléments actifs et passifs, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les reven- dications ci-après annexées. -10- REVENDICATIONS: 1. Circuit logique élémentaire réalisé à l'aide de transis- tors à effet de champ à barrière Schottky en arséniure de gallium, com- prenant en premier lieu un amplificateur différentiel dont la première branche est formée du transistor T1 du type à enrichissement commandé par le signal d'entrée E et relié par son drain, sur lequel est disponi- ble la sortie Sl, à une alimentation VDD, par exemple la masse, à travers la résistance de charge Rl, dont la seconde branche est formée du tran- sistor T2 du type à enrichissement commandé par un signal de référence et relié par son drain, sur lequel est disponible la sortie S2' à l'ali- mentation VDD à travers la résistance de charge R2, les-sources couplées des transistors T1 et T2 étant alimentées en courant par un transistor T5 du type à désertion de charges monté en grille-source court-circuitées communes au potentiel d'alimentation négatif VSS, comprenant en second lieu deux étages appariés dits translateurs de niveau, dont le premier est constitué d'un transistor T4 monté en drain commun au potentiel VY, commandé par la sortie S1 de la première branche de l'amplificateur différentiel, et relié par sa source à l'anode d'une diode D4, et dont le second est constitué d'un transistor 13 monté en drain commun au po- tentiel VDD, commandé par la sortie S2 de la seconde branche de l'ampli- ficateur différentiel et relié par sa source à l'anode d'une diode D3, caractérisé en ce que les transistors T3 et T4 des étages translateurs de niveau sont du type à enrichissement, en ce que les cathodes des diodes D3 et D4 des étages translateurs de niveau sont reliées au poten- tiel d'alimentation VS5 par l'intermédiaire des résistance R3 et R4 ap- pariées, en ce que le signal de sortie S inverse du signal d'entrée E de ce circuit logique élémentaire est disponible sur la cathode de la diode D4 du premier étage translateur de niveau, en ce que le signal de sortie U complémentaire du précédent est disponible sur la cathode de la diode D3 du second étage translateur de niveau, et en ce que enfin le signal de sortie S de ce circuit logique élémentaire constitue le signal de référence qui commande le transistor T2 de la seconde branche de l'am- plificateur différentiel. 2. Circuit selon la revendication l,caractérisé en ce qu'un transistor TO commandé par un signal E0 est placé en parallèle au tran- sistor T1 dans la première branche de l'amplificateur différentiel, et en ce que le signal de sortie S de ce circuit logique, disponible sur la cathode de la diode D4 du premier étage translateur de niveau, est le résultat de l'opération logique NON-OU entre les signaux d'entrée E0 et E1.