KR20030016401A - Fast switching input buffer - Google Patents
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Abstract
PMOS 트랜지스터(306), NMOS 트랜지스터(308) 및 풀업 회로(314)를 포함하는 반도체 소자용 입력버퍼회로(300)에 관한 것이다. 풀업 회로(314)는 PMOS 트랜지스터(306)의 벌크영역에 전압을 인가하여 입력버퍼(300)가 스위칭될 때 PMOS 트랜지스터(306)의 임계전압의 절대값이 일시적으로 낮아지게 하는 양의 기판바이어스 효과를 일으킨다. 이것은 입력버퍼(300)가 종래의 입력버퍼보다 더 빠르게 스위칭되도록 한다. 입력버퍼(300)는 인버터, NOR, NAND 또는 다른 입력버퍼이다.An input buffer circuit 300 for a semiconductor device including 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 positively lower the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor 306 when the input buffer 300 is switched. Causes This allows the input buffer 300 to switch faster than the conventional input buffer. The input buffer 300 is an inverter, NOR, NAND or other input buffer.
Description
상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 입력버퍼는 오랫 동안 반도체 소자에 이용되어 왔다. 입력버퍼의 중요한 특성은 스위칭 시간인데 이것은 하이 상태에서 로우 상태로 천이하거나 그 반대로 천이하는 데 필요한 시간이다.Complementary metal oxide semiconductor (CMOS) input buffers have long been used in semiconductor devices. An important characteristic of the input buffer is the switching time, which is the time required to transition from high to low or vice versa.
도 1은 종래의 반도체 소자용 CMOS 인버터 입력버퍼(100)의 예를 나타낸 것이다. CMOS 인버터 입력버퍼(100)는 PMOS 트랜지스터라고도 불리는 P-채널 MOSFET 트랜지스터(106) 및 상보적인 구성으로 되어 있는 NMOS 트랜지스터라고도 불리는 N-채널 MOSFET 트랜지스터를 포함한다. PMOS 및 NMOS 트랜지스터(106, 108)의 게이트는 입력단자라고도 불리는 입력노드(102)와 연결되어 있다. 두 게이트가 모두 입력노드(102)와 연결되어 있기 때문에, 입력신호는 게이트전압(Vg)이라고도 불린다. 출력신호는 출력단자라고도 불리는 출력노드(110)로부터 송신된다. 출력노드(110)는 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(106,108)의 드레인에 연결되어 있다. 0 볼트에 가까운 로우신호가 입력노드(102)에 인가되면, PMOS 트랜지스터(106)는 온되고 NMOS 트랜지스터(108)는 오프되어 출력노드(110)를 하이로 만든다. 공급전압에 가까운 하이신호가 입력단자(102)에 인가되면, PMOS 트랜지스터(106)는 오프되고 NMOS 트랜지스터(108)는 온되어 출력노드를 로우로 만든다. PMOS 및 NMOS 트랜지스터 중의 하나가 오프 상태이므로, DC 전류가 있다하더라도 그 소비는 매우 적다.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 referred to as a PMOS transistor, and an N-channel MOSFET transistor, also referred to as an NMOS transistor, in a complementary configuration. The gates of the PMOS and NMOS transistors 106 and 108 are connected to an input node 102, also called an input terminal. Since both gates are connected to the input node 102, the input signal is also called the gate voltage (Vg). The output signal is transmitted from an output node 110, also called an output terminal. The output node 110 is connected to the drains of the PMOS and NMOS transistors 106 and 108. When a low signal near zero volts is applied to the input node 102, the PMOS transistor 106 is on and the NMOS transistor 108 is off to make the output node 110 high. When a high signal close to the supply voltage is applied to the input terminal 102, the PMOS transistor 106 is turned off and the NMOS transistor 108 is turned on to bring the output node low. Since one of the PMOS and NMOS transistors is off, the consumption is very small even if there is a DC current.
도 2는 종래의 CMOS NOR 입력버퍼(200)의 예를 나타낸 것이다. CMOS NOR 입력버퍼(200)는 제 1 및 제 2 PMOS 트랜지스터(210, 212)와 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(214, 216)를 포함한다. 제 2 PMOS 트랜지스터(212) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(214)의 게이트들은 입력노드(202)에 연결된다. 출력신호는 제 2 PMOS 트랜지스터의 드레인과 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(214, 216)의 드레인과 연결된 출력노드(220)로부터 송신된다. 제어신호 "파워다운(Power down)"은 제어노드(218)에서 수신된다. 제어노드(218)는 제 1 PMOS 트랜지스터(210) 및 제 2 NMOS 트랜지스터(216)의 게이트들과 연결된다.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. Gates of the second PMOS transistor 212 and the first NMOS transistor 214 are connected to the input node 202. The output signal is transmitted from an output node 220 connected to the drain of the second PMOS transistor and the drains of the first and second NMOS transistors 214 and 216. The control signal "Power down" is received at the control node 218. The control node 218 is connected to the gates of the first PMOS transistor 210 and the second NMOS transistor 216.
본 발명은 반도체 소자용 CMOS 입력버퍼에 관한 것이다.The present invention relates to a CMOS input buffer for a semiconductor device.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명되어 있다. 도에서 참조부호는 동일하거나 기능적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 부가적으로, 참조부호의 가장 좌측의 숫자는 도면번호와 같다.The invention has been described with reference to the accompanying drawings. Reference numerals in the drawings denote the same or functionally similar components. In addition, the leftmost digit of the reference numeral is the same as the reference numeral.
도 1은 종래의 CMOS 인버터 입력버퍼를 도시한 것이다.1 illustrates a conventional CMOS inverter input buffer.
도 2는 종래의 CMOS NOR 입력버퍼를 도시한 것이다.2 illustrates a conventional CMOS NOR input buffer.
도 3은 CMOS 인버터 입력버퍼에 관한 본 발명의 실시예를 도시한 것이다.Figure 3 illustrates an embodiment of the invention with respect to a CMOS inverter input buffer.
도 4는 CMOS NOR 입력버퍼에 관한 본 발명의 실시예를 도시한 것이다.4 illustrates an embodiment of the invention with respect to a CMOS NOR input buffer.
도 5는 본 발명의 구성요소를 구체화한 PMOS 트랜지스터의 단면도를 도시한 것이다.Fig. 5 shows a cross-sectional view of a PMOS transistor incorporating the components of the present invention.
반도체 소자용 입력버퍼 회로는 PMOS 트랜지스터와 NMOS 트랜지스터, 풀업(pull-up) 회로를 포함한다. 풀업 회로는 PMOS 트랜지스터의 벌크영역에 전압을 공급하여 입력버퍼가 스위칭될 때 PMOS 트랜지스터의 임계전압의 절대값을 일시적으로 낮추는 양의 기판바이어스 효과(positive body effect)를 일으킨다. 이것는 종래의 입력버퍼보다 고속으로 입력버퍼를 스위칭시킨다. 입력버퍼로는 인버터, NOR, NAND 또는 다른 입력버퍼들이 있다.Input buffer circuits for semiconductor devices include PMOS transistors, NMOS transistors, and pull-up circuits. The pull-up circuit supplies a voltage to the bulk region of the PMOS transistor to cause a positive substrate bias effect that temporarily lowers the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor when the input buffer is switched. This switches the input buffer at a higher speed than the conventional input buffer. Input buffers include inverters, NOR, NAND, or other input buffers.
SRAM 이나 DRAM 등의 메모리 소자와 같은 반도체 소자용 입력 소자는 하이와 로우 상태간의 신속한 스위칭을 제공한다. 입력 소자는 낮은 전류누설을 갖고 낮은 공급전압에서 동작한다. 본 발명은 실질적인 전류누설를 생성함이 없이 스위칭 시간을 줄이기 위해 일시적으로 임계전압의 절대값을 낮춘다.Input devices for semiconductor devices, such as memory devices such as SRAM and DRAM, provide fast switching between high and low states. Input devices have low current leakage and operate at low supply voltages. The present invention temporarily lowers the absolute value of the threshold voltage to reduce switching time without generating substantial current leakage.
입력버퍼는 신호의 입력노드를 감시하며 이 입력노드에 기초하여 출력노드를 스위칭한다. 이 입력버퍼와 그리고 출력노드 이외의 회로들은 공급전압(Vcc)과 접지 사이에서 동작하는 반면, 입력부에서 수신된 신호들은 좁은 범위(예를 들어, Vih와 Vil) 내에 있을 수 있다. Vih는 "하이" 신호를 나태내며 Vil은 "로우" 신호를 나타낸다. 라인 커패시턴스 및 다른 인자들(factors)로 인해, 보통 Vil은 종종 접지보다 높고 Vih는 종종 공급전압보다 낮다.The input buffer monitors the input node of the signal and switches the output node based on this input node. Circuits other than this input buffer and output node operate between the supply voltage Vcc and ground, while the signals received at the input may be in a narrow range (eg Vih and Vil). Vih represents the "high" signal and Vil represents the "low" signal. Due to line capacitance and other factors, Vil is often above ground and Vih is often below supply voltage.
PMOS 트랜지스터는 낮은 공급전압에서 동작할 때, 매우 느린 속도로 스위칭되는 경향이 있다. 낮은 공급전압이라고 하면 1.8 볼트 또는1.6 볼트와 같이 3.3볼트 미만의 공급전압을 말한다. 많은 응용에 있어서, 가능한 한 빠르게 스위치들이 동작되게 하는 것이 바람직하다.PMOS transistors tend to switch at very slow speeds when operating at low supply voltages. A low supply voltage means a supply voltage less than 3.3 volts, such as 1.8 volts or 1.6 volts. For many applications, it is desirable to have the switches operate as soon as possible.
CMOS 설계의 원리는 PMOS 트랜지스터가 NMOS 트랜지스터보다 "약하다"는 것이다. 이는 이동계수(mobility factor) 때문이다. PMOS 트랜지스터의 임계 전압의 절대값(|Vt|)이 NMOS 트랜지스터의 임계 전압과 비교해 높기 때문에 입력버퍼의 "하이"에서 "로우"로의 스위칭 시간이 "로우"에서 "하이"로의 스위칭 시간보다 일반적으로 빠르다. 입력라인의 신호가 하이 또는 로우인지를 판정하기 위해 임계전압이 사용된다. 스위칭 속도를 줄이기 위해 PMOS 트랜지스터의 임계전압의 절대값을 낮출 경우, PMOS 트랜지스터의 전류누설이 증가되며 이는 바람직하지 못하다. 본 발명은 실질적인 전류누설을 생성함이 없이 스위칭 시간을 줄이기 위해 임계 전압의 절대값을 일시적으로 낮추는 것으로서, 이에 대하여 도 3 내지 도 5에서 도시되어 있다.The principle of CMOS design is that PMOS transistors are "weak" than NMOS transistors. This is due to the mobility factor. Since the absolute value of the threshold voltage (| Vt |) of the PMOS transistor is high compared to the threshold voltage of the NMOS transistor, the switching time from "high" to "low" of the input buffer is generally higher than the switching time from "low" to "high". fast. 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 lowered to reduce the switching speed, the current leakage of the PMOS transistor is increased, which is undesirable. The present invention is to temporarily lower the absolute value of the threshold voltage in order to reduce the switching time without generating substantial current leakage, as shown in FIGS. 3 to 5.
도 3은 고속 스위칭 및 낮은 전류누설을 갖는 CMOS 인버터 입력버퍼(300)의 예를 도시한 것이다. CMOS 인버터 입력버퍼(300)는 PMOS 트랜지스터(306), 상보적으로 구성된 NMOS 트랜지스터(308), 풀업 소자(314) 및 선택적 커패시터(312)를 포함한다. PMOS 와 NMOS 트랜지스터(306, 308)의 게이트들은 입력노드(302)와 연결되어 있다. 출력신호는 출력노드(310)로부터 송신되고, 출력노드(310)는 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(306, 308)의 드레인들과 연결되어 있다. 예를 들어, 저항과 같은 풀업 소자(314)는 공급전압과 PMOS 트랜지스터(306)의 벌크영역과 연결되어 있다.3 shows an example of a CMOS inverter input buffer 300 with high speed switching and low current leakage. The CMOS inverter input buffer 300 includes a PMOS transistor 306, a complementary NMOS transistor 308, a pullup element 314, and an optional capacitor 312. Gates of the PMOS and NMOS transistors 306 and 308 are connected to the input node 302. The output signal is transmitted from the output node 310, and the output node 310 is connected to the drains of the PMOS and NMOS transistors 306 and 308. For example, a pullup element 314, such as a resistor, is connected to the supply voltage and the bulk region of the PMOS transistor 306.
풀업 소자(314)의 저항은 입력버퍼(300)의 특성에 따라 다르며, 특히 PMOS트랜지스터(306)의 특성에 따라 달라진다. 예를 들어 저항 값은 1KΩ내지 3000KΩ이 될 수 있다. PMOS 트랜지스터의 벌크 영역에 전압을 제공할 수 있다면, RL 회로나 다이오드 등 다른 풀업 소자(314)도 사용될 수 있다. 풀업 소자(314)는 PMOS(306)의 벌크 영역에 전압을 공급하는 충전 메커니즘으로서의 역할을 한다.The resistance of the pull-up element 314 depends on the characteristics of the input buffer 300, and in particular on the characteristics of the PMOS transistor 306. For example, the resistance value can be 1KΩ to 3000KΩ. If a voltage can be provided to the bulk region of the PMOS transistor, other pull-up devices 314 such as RL circuits or diodes may also be used. Pull-up element 314 serves as a charging mechanism to supply voltage to the bulk region of PMOS 306.
선택적 커패시터(312)는 PMOS 트랜지스터의 게이트와 벌크 영역에 연결되어 있다. PMOS 및 NMOS 트랜지스터(306, 308)가 버퍼의 스위칭 시간을 증가시키는데 충분한 입력 커패시턴스를 제공하지 못할 때, 커패시터(312)는 게이트 커패시턴스를 입력버퍼(300)에 부가한다.The optional capacitor 312 is connected to the gate and bulk region of the PMOS transistor. When the PMOS and NMOS transistors 306 and 308 do not provide enough input capacitance to increase the switching time of the buffer, the capacitor 312 adds the gate capacitance to the input buffer 300.
입력신호가 로우로 될 때, 즉 Vil이 입력노드(102)에서 수신되면, 게이트 커패시턴스는 PMOS 트랜지스터(306)의 벌크 영역을 일시적으로 로우로 끌어 내린다. 이것은 임계 전압의 절대값(|Vt|)을 감소시킨다. 따라서, PMOS 트랜지스터(306)가 "더 강하게" 되어 전류는 P-채널을 통해 더 빠르게 이동한다. 풀업 소자(314)는 출력부가 하이로 스위칭된 후 PMOS 트랜지스터(306)의 벌크 영역을 공급전압으로 재충전한다. 선택적으로, PMOS 트랜지스터(306)와 풀업 소자(314)는 서로 다른 공급전압과 연결될 수 있다.When the input signal goes low, that is, when Vil is received at the input node 102, the gate capacitance temporarily pulls the bulk region of the PMOS transistor 306 low. This reduces the absolute value of the threshold voltage (| Vt |). Thus, the PMOS transistor 306 is "stronger" so that the current moves faster through the P-channel. The pull-up element 314 recharges the bulk region of the PMOS transistor 306 with the supply voltage after the output is switched high. Optionally, the PMOS transistor 306 and the pullup element 314 may be connected to different supply voltages.
도 4는 고속 스위칭과 낮은 전류누설을 갖는 CMOS NOR 입력버퍼(400)의 예를 나타낸 것이다. CMOS NOR 입력버퍼(400)는 제 1 및 제 2 PMOS 트랜지스터(410, 412)와, 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(414, 416)와, 제 1 및 제 2 풀업 소자(406, 408)와 그리고 선택적 캐패시터(422)를 포함한다. 제 2 PMOS 트랜지스터(412) 및 제 1 NMOS 트랜지스터(414)의 게이트들은 입력노드(402)와 연결되어 있다. 출력신호는 제 2 PMOS 트랜지스터(412)의 드레인과 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(414, 416)의 드레인들과 연결되어 있는 출력노드(420)로부터 송신된다. 제 1 및 제 2 NMOS 트랜지스터(414, 416)의 소스들은 접지와 연결되어 있다. 제 2 PMOS 트랜지스터(412)의 소스는 제1 PMOS 트랜지스터(410)의 드레인에 연결되어 있다. 제 1 PMOS 트랜지스터(410)의 소스는 공급전압(404)에 연결되어 있다. "파워다운"으로 표기된 제어 신호는 제어 노드(418)에 수신된다. 제어 신호는 제 1 PMOS 트랜지스터(410) 및 제 2 트랜지스터(416)의 게이트들에 연결되어 있다. 제어 노드(418) 및 입력노드(402)는 NOR 회로의 입력부이며 출력노드는 NOR 회로의 출력부이다.4 shows an example of a CMOS NOR input buffer 400 with fast switching and low current leakage. 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 elements 406 and 408, and And an optional capacitor 422. Gates of the second PMOS transistor 412 and the first NMOS transistor 414 are connected to the input node 402. The output signal is transmitted from an output node 420 connected with the drain of the second PMOS transistor 412 and the drains of the first and second NMOS transistors 414 and 416. Sources of the first and second NMOS transistors 414 and 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 supply voltage 404. The control signal, labeled "power down", is received at the control node 418. The control signal is connected to the gates of the first PMOS transistor 410 and the second transistor 416. Control node 418 and input node 402 are the inputs of the NOR circuit and the output node is the output of the NOR circuit.
제 1 풀업 소자(406)는 공급전압과 제 1 PMOS 트랜지스터(410)의 벌크 영역과 연결되어 있다. 풀업 회로라 불리는 제 2 풀업 소자(408)는 공급전압(404)과 제 2 PMOS 트랜지스터(412)의 벌크영역과 연결되어 있다. 풀업 소자(406,408)의 저항값은 입력버퍼(400)의 특성에 따라 다르며 특히 풀업 소자가 연결되어 있는 PMOS 트랜지스터의 특성에 따라 달라진다. 예를 들어 풀업 소자(406, 408)의 저항값은 1KΩ으로부터 3000KΩ이 될 수 있다. 입력버퍼(400)의 특성에 따라 다른 값들도 허용될 수 있다. 풀업 소자(406, 408)는 PMOS 트랜지스터(410, 412)의 벌크 영역에 전압을 제공할 수 있다면, 예컨대 RL 회로, RLC 회로 또는 다이오드 회로 등의 다른 회로를 포함할 수 있다. 이 실시예의 풀업 소자(406, 408)는 PMOS 트랜지스터(410, 412)의 벌크영역에 전압을 공급하는 충전수단으로서의 역할을 한다. 다른 실시예에서 2개의 풀업 소자(406, 408)중 하나만 사용될 수 있다.The first pull-up element 406 is connected to the supply voltage and the bulk region of the first PMOS transistor 410. The second pull-up element 408, called a pull-up circuit, is connected to the supply voltage 404 and the bulk region of the second PMOS transistor 412. The resistance values of the pull-up elements 406 and 408 depend on the characteristics of the input buffer 400, and in particular, on the characteristics of the PMOS transistors to which the pull-up elements are connected. For example, the resistance values of the pull-up elements 406 and 408 may be from 1 KΩ to 3000 KΩ. Other values may be allowed depending on the characteristics of the input buffer 400. Pull-up elements 406 and 408 may include other circuits, such as, for example, RL circuits, RLC circuits, or diode circuits, as long as they can provide voltage to the bulk regions of PMOS transistors 410 and 412. The pull-up elements 406 and 408 of this embodiment serve as charging means for supplying voltage to the bulk regions of the PMOS transistors 410 and 412. In other embodiments, only one of two pull-up elements 406 and 408 may be used.
게이트 커패시턴스을 증가시키기 위해 선택적 캐패시터(422)가 부가될 수 있다. 선택적 캐패시터(422)는 제 2 PMOS 트랜지스터의 게이트와 벌크에 연결되어있다.An optional capacitor 422 can be added to increase the gate capacitance. An optional capacitor 422 is connected to the gate and the bulk of the second PMOS transistor.
선택적으로, 제 1 PMOS 트랜지스터(410)와 풀업 소자(406,408)는 각각 서로 다른 공급전압들과 연결될 수도 있다. 종래의 공급전압은 5.0 볼트와 3.3 볼트이다. 본 발명은 저전력 입력버퍼를 사용한다. 저전력 입력버퍼는 3.3 볼트 이하의 공급전압을 갖는다. 예를 들어 공급전압은 대략 2.0 볼트 내지 1.0 볼트이다. 본 발명은 다른 공급전압 범위에서도 사용될 수 있다.Optionally, the first PMOS transistor 410 and the pull-up elements 406 and 408 may be connected to different supply voltages, respectively. Conventional supply voltages are 5.0 volts and 3.3 volts. The present invention uses a low power input buffer. The low power input buffer has a supply voltage below 3.3 volts. For example, the supply voltage is approximately 2.0 volts to 1.0 volts. The invention can also be used in other supply voltage ranges.
도 5는 본 발명의 구성요소를 구체화한 PMOS 트랜지스터(500)의 단면도이다. PMOS 트랜지스터(500)는 N형 기판영역(526), 유전체영역(524), 2개의 P형 영역(518, 522) 및 N-웰이라 불리는 P채널 영역(520)을 포함한다. PMOS 트랜지스터(500)의 외부 인터페이스에는 소스(512), 게이트(514), 드레인(516) 및 벌크(528)를 포함한다. PMOS 트랜지스터(500)는 벌크(528)를 소스 노드(504)의 공급전압과 연결하는 풀업 소자(506)를 구비한다. 선택적 캐패시터(508)는 게이트(514)와 벌크(528)를 연결한다. 게이트(514)는 게이트 신호를 수신하는 게이트 노드(502)와 연결되어 있다. 드레인(516)은 PMOS 트랜지스터(500)로부터 출력을 송신하는 드레인 노드(510)와 연결되어 있다. 실질적으로 0 볼트인 접지전압이 게이트노드(502)에 인가되면, P-채널이 형성되지 않고 드레인(516)이 최저 전류를 공급한다. 음의 전압이 게이트 노드(502)에 인가될 때, 전자가 표면에서 튀어나와 전도영역인 P채널(520)을 형성하여 소스(512)에서 드레인(516)으로 양의 전류가 흐르게 된다.5 is a cross-sectional view of a PMOS transistor 500 incorporating components of the present invention. PMOS transistor 500 includes an N-type substrate region 526, a dielectric region 524, two P-type regions 518 and 522, and a P-channel region 520 called N-well. An 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 element 506 that connects bulk 528 with the supply voltage of source node 504. An optional capacitor 508 connects the gate 514 and the bulk 528. Gate 514 is connected to gate node 502 that receives a gate signal. The drain 516 is connected to the drain node 510 which transmits the output from the PMOS transistor 500. When a ground voltage of substantially zero volts is applied to the gate node 502, no P-channel is formed and drain 516 supplies the lowest current. When a negative voltage is applied to the gate node 502, electrons bounce off the surface to form the P-channel 520, which is a conducting region, for a positive current to flow from the source 512 to the drain 516.
NMOS 트랜지스터에서 기판바이어스 효과(body effect) 현상은 백게이트 전압(Vb)와 Vbs라고 불리는 소스 전위(Vs) 사이의 전위차가 입력신호의 전압에 의해 음으로 변할 때 발생하며, 이 현상은 NMOS 트랜지스터의 임계 전압의 절대값을 증가시킨다. PMOS 트랜지스터의 경우, 전위차(Vbs)는 양으로 변하여 임계 전압의 절대값을 증가시킨다. 이러한 현상이 NMOS 트랜지스터에서 일어날 경우, 게이트-소스 전압(Vgs)는 감소하고 NMOS 트랜지스터의 구동력이 감소하고 신호 전송 저항이 증가한다. 이는 음의 기판바이어스 효과(negative body effect)라 불린다. 본 발명은 양의 기판바이어스 효과(positive body effect)라고 불리는 상보적인 현상을 이용하여 PMOS 트랜지스터의 임계 전압의 절대값을 일시적으로 낮춘다.In NMOS transistors, the body bias effect occurs when the potential difference between the backgate voltage (Vb) and the source potential (Vs), called Vbs, is changed negatively by the voltage of the input signal. Increase the absolute value of the threshold voltage. In the case of a PMOS transistor, the potential difference Vbs changes to a positive value to increase the absolute value of the threshold voltage. When this occurs in the NMOS transistor, the gate-source voltage Vgs decreases, the driving force of the NMOS transistor decreases, and the signal transfer resistance increases. This is called the negative body bias effect. The present invention temporarily lowers the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor by using a complementary phenomenon called a positive body bias effect.
상기 두 입력버퍼(300, 400)(도 3 및 도 4)는 전압누설을 낮게 하는 높은 DC 임계 전압을 갖고 있다. 부가적으로 입력버퍼(300, 400)는 고속 스위칭과 낮은 누설 전압을 제공하는 낮은 AC 임계전압을 갖는다. 이러한 입력버퍼는 종래의 저전압 입력버퍼의 시간의 대략 50% 내지 60%의 시간 내에 하이에서 로우로 스위칭을 할 수 있는 것으로 평가된다.The two input buffers 300 and 400 (FIGS. 3 and 4) have a high DC threshold voltage that lowers voltage leakage. In addition, input buffers 300 and 400 have a low AC threshold voltage that provides fast switching and low leakage voltage. Such an input buffer is estimated to be able to switch from high to low in approximately 50% to 60% of the time of a conventional low voltage input buffer.
입력버퍼(500)은 컴퓨터에 이용되는 반도체 메모리, 핸드폰 플래시 메모리, 논리 회로 및 다른 회로들을 포함하여 다양한 소자에 이용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 입력버퍼(500)는 저전력 반도체 메모리에서 사용된다.The input buffer 500 may be used in various devices, including semiconductor memory, mobile phone flash memory, logic circuits, and other circuits used in a computer. In a preferred embodiment, the input buffer 500 is used in a low power semiconductor memory.
입력라인이 하이에서 로우로(논리값 1에서 논리값 0으로) 스위칭될 때, 게이트 커패시턴스는 일시적으로 낮아진다. 이는 임계 전압의 절대값을 감소시킨다. 그러면 전류는 P채널을 통해 더 빠르게 이동한다. 이는 출력 전압(Vo)이 로우에서 하이로 더 빨리 스위칭되게 한다. 벌크 층 전압(Vbulk)은 출력노드(510)가 하이로 바뀐 후 풀업 소자(506)를 통해 공급전압을 채우도록 재충전된다. 선택적으로, 게이트-벌크 사이의 커패시턴스을 증가시키기 위해 커패시터(508)가 부가된다.When the input line switches from high to low (logical 1 to logic 0), the gate capacitance is temporarily lowered. This reduces the absolute value of the threshold voltage. The current then travels faster through the P-channel. This causes the output voltage Vo to switch from low to high more quickly. The bulk layer voltage Vbulk is recharged to fill the supply voltage through the pull-up element 506 after the output node 510 goes high. Optionally, a capacitor 508 is added to increase the capacitance between the gate and the bulk.
다음의 수학식은 임계 전압의 절대값에 미치는 효과를 설명한다.The following equation describes the effect on the absolute value of the threshold voltage.
|Vt| = Vt0+ δ * [sqrt(2ΦF+ Vbs)- sqrt(2ΦF)]| Vt | = V t0 + δ * [sqrt (2Φ F + V bs )-sqrt (2Φ F )]
여기서,here,
|Vt|는 PMOS 트랜지스터의 임계 전압의 절대값이다.| Vt | is the absolute value of the threshold voltage of the PMOS transistor.
Vt0는 Vbs=0 일때 임계 전압이다.V t0 is the threshold voltage when V bs = 0.
δ는 기판의 바이어스효과 상수(bias effect constant)이다. 이 상수는 제조 공정의 함수이며 소자들 사이에서 변할 수 있다.δ is the bias effect constant of the substrate. This constant is a function of the manufacturing process and can vary between devices.
ΦF는 벌크전위이다. 벌크전위는 제조 공정의 함수이며 소자들 사이에서 변할 수 있다.Φ F is the bulk potential. Bulk potential is a function of the manufacturing process and can vary between devices.
Vbs는 벌크영역과 소스사이의 전압차이다.Vbs is the voltage difference between the bulk region and the source.
게이트 전압이 하이에서 로우로 갈 때 일시적으로 임계 전압의 절대값(|Vt|)을 낮추기 위해, |Vbs|는 낮아지고 벌크 전압(Vb)은 소스 전압(Vs)으로 상승하는데, 이것은 벌크-소스 전압(|Vbs|)이 음이라는 것을 의미한다. 게이트 전압이 로우로 스위칭되면, 벌크 전압은 게이트 전압과 연결되고 공급전압보다 낮아진다. 이것은 일시적으로 PMOS 트랜지스터의 임계 전압(|Vt|)을 낮추어 출력 전압(Vout)이 빠르게 스위칭되게 한다.To temporarily lower the absolute value of the threshold voltage (| Vt |) as the gate voltage goes from high to low, | Vbs | goes low and the bulk voltage Vb rises to the source voltage Vs, which is a bulk-source It means that the voltage (| Vbs |) is negative. When the gate voltage is switched low, the bulk voltage is connected to the gate voltage and lower than the supply voltage. This temporarily lowers the threshold voltage (| Vt |) of the PMOS transistor, causing the output voltage (Vout) to switch quickly.
RC 회로(예를 들어, 도 5에서 506 및 508)는 벌크 전압이 소소 전압보다 낮을 때 래치-업(latch-up) 현상을 막기 위해 조정되는 것이 바람직하다.The RC circuit (eg, 506 and 508 in Figure 5) is preferably adjusted to prevent latch-up when the bulk voltage is lower than the source voltage.
도 3 내지 도 5는 인버터와 NOR 입력버퍼를 설명한 것이지만, 본 발명은 메모리 소자와 같은 반도체 소자에 이용되는 다른 종류의 입력버퍼에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 NAND 입력버퍼에 사용될 수 있다.3 to 5 illustrate an inverter and a NOR input buffer, the present invention can be implemented in other types of input buffers used in semiconductor devices such as memory devices. For example, the present invention can be used for a NAND input buffer.
바람직한 실시예를 도시하여 설명하였는데, 이것들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 첨부된 청구항에서 정의한 발명 또는 그 균등물의 범위 내에서 모든 변경 및 대체될 수 있는 방법 및 장치를 포함하도록 의도된 것이라는 것을 알아야 한다.While the preferred embodiments have been illustrated and described, they are not intended to limit the present invention, but are intended to include methods and apparatus that can be modified and substituted all within the scope of the invention or its equivalents as defined in the appended claims. You should know
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