DE2900639B2

DE2900639B2 - Current mirror amplifier in MOS design

Info

Publication number: DE2900639B2
Application number: DE2900639A
Authority: DE
Inventors: Otto Heinrich North Caldwell N.J. Schade Jun. (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1978-01-09
Filing date: 1979-01-09
Publication date: 1980-03-20
Also published as: JPS5940295B2; DE2900639A1; DE2900639C3; JPS5498165A; IT1099381B; IT7828651A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen, deren Grundlage Feldeffekttransistoren mit proportionalen Leitfähigkeitsverhalten bilden, z. B. auf sogen. Stromspiegelverstärker, in denen für die spiegelnden Haupt- und Nebentransistoren Feldeffekttransistoren verwendet werden und deren Stromverstärkung (oder Stromverstärkungen) abhängig ist vom Verhältnis der Stromleitung des oder der spiegelnden Nebentransistoren zur Stromleitung des spiegelnden Haupttransistors.The invention relates to integrated circuits based on field effect transistors with proportional conductivity behavior, e.g. B. on sucked Current mirror amplifiers in which field effect transistors are used for the mirroring main and secondary transistors and whose current gain (or current gain) depends on the Ratio of the current line of the reflective secondary transistor or transistors to the current line of the reflective one Main transistor.

Der Ausdruck »Stromspiegelverstärker« oder kurz »Stromspiegel« ist die allgemeine Bezeichnung für einen linearen invertierenden Stromverstärker eines Typs, der folgendes enthält: einen Strom/Spannungs-Wandler, der auf den Eingangsstrom des Verstärkers anspricht und daraus eine Spannung erzeugt; einen Spannungs/Strom-Wandler, der auf die genannte Spannung anspricht und daraus den Ausgangsstrom des Verstärkers erzeugt. Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß jeder der genannten Wandler eine zugehörige Strom/Spannungs-Kennlinie hat, die nicht-linear sein kann, und daß diese Kennlinien über einen vom Betrag des zu verstärkenden Stroms unabhängigen Faktor G zueinander in Beziehung stehen und so ausgebucht sind, daß sie bei Temperaturänderunger. einander folgen, um einen Gesamtverstärkungsfaktor zu bringen, in dem das Betragsverhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom gleich dem Faktor C ist, und zwar über beträchtliche Bereiche sowohl der Temperatur als auch des Betrags des verstärkten Stroms.The term "current mirror amplifier" or "current mirror" for short is the general name for a linear inverting current amplifier of a type that includes: a current-to-voltage converter that responds to the input current of the amplifier and generates a voltage therefrom; a voltage / current converter which responds to said voltage and uses it to generate the output current of the amplifier. Another feature is that each of the converters mentioned has an associated current / voltage characteristic curve, which can be non-linear, and that these characteristic curves are related to one another via a factor G independent of the magnitude of the current to be amplified and are thus booked out that they do with temperature changes. follow one another to bring about an overall gain factor in which the magnitude ratio of output current to input current is equal to the factor C , over considerable ranges of both the temperature and the magnitude of the amplified current.

Bei Schaltungen der hier speziell betrachteten Gattung ist der Strom/Spannungs-Wandler ein Feldeffekttransistor, der als sogen. »Haupttransistor« des Stromspiegels durch eine Rückkopplungsverbindung zwischen seiner Drainelektrode und seiner Gateelektrode so konditioniert ist, daß er zugeführten Strom zwischen seiner Drain- und seiner Sourceelektrode leitet. Der bingangsstrom wird so in eine Spannung (Vas) zwischen Gate- und Sourceelektrode dieses Transistors umgewandelt, die im Einklang mit dem geleiteten Drain-Source-Strom steht. Die erzeugte Spannung Vas wird als Gate-Source-Spannung mindestens einem sogen. »Nebentransistor« des Stromspiegels angelegt, der ebenfalls ein Feldeffekttransistor ist. und zwar vom gleichen Leitungstyp wie der Haupttransistor. Jeder Nebentransistor wirkt als Spannungs/ Strom-Wandler, um in Verbindung mit dem Haupttransistor einen Stromspiegelverstärker zu bilden.In circuits of the type specifically considered here, the current / voltage converter is a field effect transistor, which is known as a so-called. The "main transistor" of the current mirror is conditioned by a feedback connection between its drain electrode and its gate electrode in such a way that it conducts supplied current between its drain and source electrodes. The input current is converted into a voltage (Vas) between the gate and source electrode of this transistor, which is in harmony with the conducted drain-source current. The generated voltage Vas is so-called at least one gate-source voltage. "Secondary transistor" of the current mirror is applied, which is also a field effect transistor. and of the same conductivity type as the main transistor. Each secondary transistor acts as a voltage / current converter in order to form a current mirror amplifier in connection with the main transistor.

In Stromspiegelverstärkern, die Feldeffekttransistoren als Haupt- und Nebentransistoren enthalten, verwendete man bisher entweder Sourcegegenkopplungswiderstände in Reihenschaltung mit den Stromspiegeltransistoren oder Anordnungen, um die Drain-Source-Spannungen (Vns-Werte) der Stromspiegeltransistoren konstant oder gleich zu halten. Tut man dies nicht, dann ändert sich der Verstärkungsfaktor G inIn current mirror amplifiers that contain field effect transistors as main and secondary transistors, either source negative feedback resistors in series with the current mirror transistors or arrangements to keep the drain-source voltages (Vns values) of the current mirror transistors constant or the same have been used up to now. If this is not done, the gain factor G changes in

unerwünschter Weise mit Ändemngen der Drain-Source-Spannung Vds jedes der Stromspiegeltransistoren, Dieser Nachteil beruht auf einer als »Kanalverkürzung« bekannten Erscheinung, bei der die effektive Kanallänge und somit der Leitwert eines Feldeffekttransistors durch das an die Enden des Kanals, d. h. an die Drain- und Sourceelektroden, gelegte Potential moduliert wird. Die Kanalverkürzung ist vergleichbar mit dem bei bipolaren Bauelementen auftretenden »Early-Effekt«, jedoch im allgemeinen ausgeprägter als dieser, insbesondere bei Elementen mit kurzem Kanal oder hoher Transkonduktanz.undesirably with changes in the drain-source voltage Vds of each of the current mirror transistors. This disadvantage is based on a phenomenon known as "channel shortening", in which the effective channel length and thus the conductance of a field effect transistor is transmitted to the ends of the channel, ie to the drain - and source electrodes, applied potential is modulated. The channel shortening is comparable to the "early effect" that occurs with bipolar components, but is generally more pronounced than this, especially with elements with a short channel or high transconductance.

Trotz der zusätzlichen strukturellen Elemente, die man u. U. zur Konstanthaltung der Drain-Source-Spannungen benötigt, verwendet man gerne Feldeffekttransistoren als Spiegeltransistoren in Stromspiegelverstärkern. Feldeffekttransistoren fordern nämlich keinen Eingangsstrom an ihren Steuer- oder Gateelektroden, während Bipolartransistoren Basissi.röme ziehen, die es mit sich bringen, daß der Faktor G infolge von Unregelmäßigkeiten bei der Fertigung oder infolge von Änderungen der Betriebstemperatur der Tiansistoren schwanken kann. Feldeffekttransistoren sind außerdem Elemente mit breiterbandigem Verhalten als Bipolartransistoren in Lateralbauweise, und ihre Struktur ist besser geeignet, um die Ausgangsstrom/Eingangsspannungs-Kennlinien der Haupt- und Nebentransistoren des St.romspiegels einander anzupassen. Daher geht die bisherige Praxis dahin, Stromspiegelverstärker mit konstanterer Stromverstärkung trotz Schwankunger von Eingangs- und Ausgangsspannung dadurch zu realisieren, daß man einen einfachen aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegelverstärker mit anderen Schaltungsanordnungen zur Konstanthaltung der Drain-Source-Spannungen kombiniert. Solche Schaltungsanordnungen machen den Stromspiegelverstärker jedoch in unerwünschter Weise zusätzlich kompliziert und erfordern für einen einwandfreien Betrieb des Stromspiegelverstärkers eine höhere Spannung an seinen Eingangs- und Ausgangskreisen. Das sehr wünschenswerte Merkmal eines einfachen aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegelverstärkers, nämlich die Tatsache, daß der Kanal jedes Nebentransistors eine Klemmschaltung mit "sehr geringer daran abfallender Offsetspannung bilden kann, geht dadurch verloren. Es bleibt somit die Aufgabe, einen Weg zu finden, wie d'e Stromverstärkung eines einfachen aus Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegelverstärkers unabhängig von Änderungen seiner Eingangsund AusgangSspannungen gemacht werden kann.Despite the additional structural elements that may be required to keep the drain-source voltages constant, field effect transistors are often used as mirror transistors in current mirror amplifiers. Field effect transistors do not require any input current at their control or gate electrodes, while bipolar transistors draw Basissi.röme, which means that the factor G can fluctuate as a result of irregularities in production or as a result of changes in the operating temperature of the Tiansistors. Field effect transistors are also elements with a broader band behavior than bipolar transistors in lateral construction, and their structure is better suited to match the output current / input voltage characteristics of the main and secondary transistors of the St. current mirror. Therefore, the previous practice is to realize current mirror amplifiers with more constant current gain despite fluctuations in input and output voltage by combining a simple current mirror amplifier made up of field effect transistors with other circuit arrangements to keep the drain-source voltages constant. Such circuit arrangements, however, make the current mirror amplifier additionally complicated in an undesirable manner and require a higher voltage at its input and output circuits for proper operation of the current mirror amplifier. The very desirable feature of a simple current mirror amplifier made up of field effect transistors, namely the fact that the channel of each secondary transistor can form a clamping circuit with "very little offset voltage dropping across it, is thereby lost. The task remains to find a way how d ' e Current amplification of a simple current mirror amplifier made up of field effect transistors can be made independent of changes in its input and output voltages.

StromspiejJelverstärker wurden bisher mit Feldeffekttransistoren aufgebaut, die in Substraten mit gleichmäßigen St.örstoffkonzentrationen oder in örtlich dotierten Gebieten (sogen. »Wannen«) gebildet wurden, die komplementären Metall-Oxyd-Halbleiterbauelementen (sogen. »CMOS-Baueleinenten«) gemeinsam sind und die entweder keiner oder relative Drainfortsätze haben, d. h. flach im Vergleich zur Tiefe des entarteten Draingebiets von der aktiven Oberfläche des Substrats. Als »Drainfortsatz« sei hisr ein Gebiet des Halbleitermaterials bezeichnet, das den gleichen Leitungstyp wie die Drain- und Sourcegebiete der Feldeffekttransistoren hat und das sich zumindest an der Oberfläche des Substrats, worin sich die Feldeffekttran sistorstruktur befindet, über den Rand des Draingebiets hinaus erstreckt und e/ne niedrigere Störstoffkonzentration als die Drain- und Sourcegebiete aufweist. Drainfortsätze werden typischerweise verwendet, um die Draiii-Source-Durchbruchsspannung von Feldeffekttransistoren zu erhöhen. So kann z, B. ein Feldeffekttransistor, der in einer typischen CMOS-Digitalschaltung gebildet und für eine Drain-source-Durchbnichsspannung von mindestens 15 Volt ausgelegt ist, Draingebiete haben, deren Oberflächenkonzentration 10²⁰ Störstoffatome je cm³ beträgt und die sich von der Oberfläche des Substrats bis in eine Tiefe von 0,2 Mikrometern erstrecken, und Drainfortsätze, derenUp to now, current mirror amplifiers have been built with field effect transistors, which were formed in substrates with uniform concentrations of pollutants or in locally doped areas (so-called "wells"), which have complementary metal-oxide semiconductor components (so-called "CMOS components") in common and which have either zero or relative drain extensions, ie shallow compared to the depth of the degenerate drain region from the active surface of the substrate. The term "drain extension" refers to an area of the semiconductor material which has the same conductivity type as the drain and source areas of the field effect transistors and which extends beyond the edge of the drain area at least on the surface of the substrate in which the field effect transistor structure is located e / ne has a lower concentration of impurities than the drain and source regions. Drain extensions are typically used to increase the draiii-source breakdown voltage of field effect transistors. Thus, for, example, a field effect transistor formed in a typical CMOS digital circuit, and a source drain-Durchbnichsspannung is designed of at least 15 volts, have drain regions, the surface concentration of 10 ²⁰ impurity atoms per cm ³ and which extends from the surface of the substrate to a depth of 0.2 micrometers, and drain extensions, their

ίο Oberflächenkonzentration 5 · 10" Störstoffatome je cm³ beträgt und die sich von der Oberfläche des Substrats bis in eine Tiefe von etwa 0,5 Mikrometern erstrecken. Die in solchen Feldeffekttransistoren von der Drain- zur Sourceelektrode fließenden Kanalströme (fos) ändern sich bei Änderung der Drain-Source-Spannung Vos, auch wenn ein konstantes Potential an der Gateelektrode liegtίο surface concentration is 5 · 10 "impurity atoms per cm ³ and which extend from the surface of the substrate to a depth of about 0.5 micrometers. The channel currents (fos) flowing in such field effect transistors from the drain to the source electrode change when they change the drain-source voltage Vos, even if a constant potential is applied to the gate electrode

Es wbrde gefunden, daß Schaltungen, die auf Feldeffekttransistoren mit propc. tionalen Leitfähigkeitseigenschaften beruhen, ohne die Notwendigkeit zusätzlicher struktureller Elemente zur Kompensation von sich aus Vos-Schwankungen ergebenden los-Schwankungen konstruiert werden können, falls die Feldeffekttransistoren auf einem Halbleitergebiet gebaut sind, dessen Störstoffkonzentration von der Oberfläche des Substrats zur Mitte des Substratmaterials hin abnimmt (z. B. gebildet durch eine p-Wanne in einem η-Substrat), und falls die Feldeffekttransistoren mit Drainfortsälzen versehen sind, die verhältnismäßigIt would be found that circuits based on field effect transistors with propc. tional conductivity properties can be constructed without the need for additional structural elements to compensate for loos fluctuations resulting from Vos fluctuations, if the field effect transistors are built on a semiconductor area whose concentration of impurities decreases from the surface of the substrate to the center of the substrate material (e.g. B. formed by a p-well in an η-substrate), and if the field effect transistors are provided with drains, the relative

jo tief in die Substratgebiete reichen. Es wurde gefunden, daß eine solche Feldeffekttransistorstruktur (die zwar an sich bekannt ist) zu einem Kanalstrom los führt, dessen Verhalten von Änderungen der Drain-Source-Spannung Vos praktisch nicht beeinflußt wird. Diesejo reach deep into the substrate areas. It has been found that such a field effect transistor structure (which is known per se) leads to a channel current los , the behavior of which is practically not influenced by changes in the drain-source voltage Vos. These

r> Erscheinung, über die bisher nirgends berichtet wurde, ist überraschend und auch nicht aufgrund normaler theoretischer Überlegungen zu erwarten.r> phenomenon that has not yet been reported anywhere is surprising and also not to be expected on the basis of normal theoretical considerations.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Stromverstärker eines Typs, der einenThe present invention provides an improved current amplifier of a type comprising a

4i) Eirigangsanschluß und einen Ausgangsanschluß und einen dtm Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsamen Anschluß aufweist und der sehr unähnlichen Spannungen an seinen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen unterworfen ist. Der Stromverstärker ist mit Haupt- und Neben-Feldeffekttransistoren gebildet, die alle in einem oder jeweils in einem eigenen Halbleitersubstratgebiet liegen, das eine Störstoffkonzentration mit einem derartigen graduellen Profil aufweist, daß der spezifische Widerstand des Materials in Richtung in das4i) input port and an output port and a dtm input and output circuit has a common connection and the very dissimilar voltages is subject to its input and output ports. The current amplifier is with main and Beside field effect transistors formed all in one or each lie in a separate semiconductor substrate region that has an impurity concentration with a has such a gradual profile that the resistivity of the material in the direction in the

-,(i Substrat hinein höher wird, und die relativ ti^fe Draint'ortsätze aufweisen, die ebenfalls Störstoffkon-■'.en./Ätionen mit graduellen Profilen haben.-, (i substrate becomes higher into it, and the relatively ti ^ fe Have drain sections which also contain contaminants / ations with gradual profiles.

Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Patentansprüchen g>.:kennzeich-Details and advantageous embodiments of the invention are in the claims g> .: characterizing

?-, net. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele anhand von Zeichnungen näher erläutert.? -, net. Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to drawings.

Fig. 1, 3 und 4 zeigen Schaltbilder von drei Ausführungsformen der Erfindung;
Fig 2 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau einerFigures 1, 3 and 4 show circuit diagrams of three embodiments of the invention;
Fig. 2 shows a section through the structure of a

ho integrierten Schaltung, die eine Ausfühnmgs.'orm der Erfindung enthält.ho integrated circuit which is an embodiment of the Invention contains.

Die Schaltung nach Fig. I enthält modifizierte Feldeffekttransisto^ren QX und Q2, die als Stromverstärker angeordnet sind, dessen Ausgangsstrom überThe circuit of Fig. I contains modified Feldeffekttransisto ^r s QX and Q2, which are arranged as a current amplifier whose output current via

b5 die Klemme 12 fließt. Der Feldeffekttransistor Ql hat eine Rückkopplungsverbindung 16 zwischen Drain- und Gateelektrode und spricht auf einen an der Klemme 11 zugeführten Eingangsstrom an, um daraufhin eineb5 the terminal 12 flows. The field effect transistor Ql has a feedback connection 16 between drain and gate electrodes and responds to one at terminal 11 supplied input current to then a

Gate-Source-Spannung Vas zu erzeugen, die im Einklang mit dem Strom Ips steht, der von der Drain-Source-Strecke (Kanal) des Transistors Q1 geleitet wird. Diese Spannung wird durch die Verbindung 16 dem ähnlich oder gleich aufgebauten Feldef- i fekttransistor Q2 als Gate-Source-Spannung angelegt und bewirkt, daß im Drain-Source-Kanal dieses Transistors ein Strom fließt, der auf die Ausgangsklemme 12 gegeben wird. Das Verhältnis der Drain-Source-Ströme von Q 1 und Q 2 bzw. die Stromverstärkung der κ Schaltung wird bestimmt durch das Verhältnis der Flächenausdehnungen der Kanalgebiete der beiden Feldeffekttransistoren. Für eine gegebene Gate-Sou'-ce-Spannung ist ideal der Drain-Source-Strom Ins eines Feldeffekttransistors proportional der Kanalbreite w π des Transistors und umgekehrt proportional der Kanallänge 1 /wischen Sonrrp- und Draingphipr rl hGenerate gate-source voltage Vas , which is in harmony with the current Ips , which is conducted by the drain-source path (channel) of the transistor Q 1. This voltage is applied as gate-source voltage through connection 16 to the field effect transistor Q2, which is constructed similarly or identically, and causes a current to flow in the drain-source channel of this transistor, which current is applied to output terminal 12. The ratio of the drain-source currents of Q 1 and Q 2 or the current amplification of the κ circuit is determined by the ratio of the surface areas of the channel regions of the two field effect transistors. For a given gate-sou'-ce voltage, the drain-source current Ins of a field effect transistor is ideally proportional to the channel width w π of the transistor and inversely proportional to the channel length 1 / between Sonrrp- and Drainphipr rl h

/iw~y· Der Verstärkungsfaktor G der Schaltung aus Q\ und Q 2 ist also idealisiert durch die Gleichung :i G\2= W₂I]Zw₁I₂ gegeben, wobei die Indices 1 und 2 des Feldeffekttransistor Q 1 bzw. Q2 bezeichnen./ iw ~ y · The gain G of the circuit from Q \ and Q 2 is idealized by the equation: i G \ 2 = W ₂ I] Zw ₁ I ₂ , where the indices 1 and 2 of the field effect transistor Q 1 and Designate Q2 .

In der F i g. 1 ist mit der gestrichelten Umrahmung 15 ein Gebiet von Halbleitermaterial angezeigt, in dem die jeweiligen Feldeffekttransistoren Qi und ζ) 2 gebildet 2; sind und dessen Störstoffkonzentration einen bestimmten Gradienten hat. Die Störstoffkonzentration ist maximal an der Oberfläche des Halbleitersubstrats und nimmt zur Mitte des Substrats hin (in der Zeichnung nach unten senkrecht zur Zeichenebene) ab, und zwar m im wesentlichen gemäß einer Gaußschen Verteilungsfunktion. Bei einer Ausführungsform, worin die Feldeffekttransistoren Qi und Q2 Bauelemente mit n-Kanal sind, ist das Gebiet 15 ein Gebiet vom p-Leitungstyp. welches in einem gleichförmig dotierten η-Substrat liegt r> und den p-Wannen ähnelt, wie sie bei den in Massen auf Silicium hergestellten CMOS-Bauelementen verwendet werden.In FIG. 1, the dashed frame 15 indicates a region of semiconductor material in which the respective field effect transistors Qi and ζ) 2 are formed 2; and whose contaminant concentration has a certain gradient. The concentration of impurities is maximal at the surface of the semiconductor substrate and decreases towards the center of the substrate (in the drawing downward perpendicular to the plane of the drawing), namely m essentially according to a Gaussian distribution function. In an embodiment wherein field effect transistors Qi and Q2 are n-channel devices, region 15 is a p-conductivity type region. which lies in a uniformly doped η substrate r> and is similar to the p-wells used in the CMOS devices manufactured in bulk on silicon.

Die an den Drainelektroden der Transistoren Q 1 und Q2 eingezeichneten schwarzen Kästchen 14 und 14' w sollen zeigen, daß die Draingebiete dieser Feldeffekttransistoren Fortsätze aufweisen. Drainfortsätze sind genauer in der F i g. 2 dargestellt, und zwar als Bereiche 54 und 56. Die Drainfortsätze enthalten eine allgemein abgestufte Konzentration an Störstoff, wobei die 4-, Konzentration ein Maximum an der Halbleiteroberfläche (Linie zwischen 67 und 67' in Fig. 2) hat. Die Abstufung des Störstoffs in den Fortsätzen folgt im wesentlichen einer Gaußschen Verteilungskurve. (Der Ausdruck »abgestuft« ist im allgemeinsten Sinne zu =m verstehen, d. h. die Abstufung muß nicht notgedrungen in diskreten Stufen erfolgen, sondern wird eher eine stetige Änderung sein.)The w to the drain electrodes of the transistors Q 1 and Q2 drawn black boxes 14 and 14 'are intended to show that the drain regions of the field effect transistors have extensions. Drainage processes are shown in more detail in FIG. 2, as regions 54 and 56. The drain extensions contain a generally graduated concentration of impurities, the concentration 4 having a maximum at the semiconductor surface (line between 67 and 67 'in FIG. 2). The gradation of the contaminant in the projections essentially follows a Gaussian distribution curve. (The expression "graduated" is to be understood in the most general sense = m, ie the graduation does not necessarily have to be in discrete steps, but rather will be a constant change.)

Die Drainfortsätze 54 (56) sind angrenzend an gewöhnlichen Draingebieten 53 (55) gebildet, sie liegen benachbart zu den Kanalbereichen 72 (71) der Feldeffekttransistoren und in Reihe mit den Hauptstromstrecken der Feldeffekttransistoren, d. h. mit den Stromstrecken vom jeweiligen Draingebiet zum Sourcegebiet Der Querschnitt nach Fig.2 zeigt zwei _bo Feldeffekttransistoren, die ähnlich wie die Transistoren Qi und Q2 nach Fig. 1 zur Bildung eines Stromverstärkers miteinander verbunden sind. Die Transistoren sind NMOS-Elernente und teilen sich ein gemeinsames Sourcegebiet 57. Der erste und der zweite Feldeffekttransistor bestehen jeweils aus einem Draingebiet 55 bzw. 53 vom n-Leitungstyp mit angrenzenden Drainfortsätzen 56 bzw. 54 ebenfalls vom n-Leitungstyp, jeweils einem Kanalgebiet 71 bzw. 72 vom p-Leitungstyp, das zwischen dem jeweiligen Drainfortsatz und dem η-leitenden Sourcegebiet 57 liegt, sowie Gateisolierungen 65 bzw. 61 und Gateelektroden 64 bzw. 62 über den Kanalgebieten. Die beiden Feldeffekttransistoren sind innerhalb eines einzigen Halbleitergebiets 58 gebildet, das in der obengenannten Weise einen Gradienten in seiner Störstoffkonzentration hat und in einem Substrat 59 mit gleichmäßig verteilter Störstoffkonzentration liegt. Abgesehen von den speziell ausgebildeten Drainfortsätzen 54 und 56 ist der in F i g. 2 gezeigte Aufbau typisch für Feldeffekttransistor-Strukturen, wie sie in der Komplementär-MOS-Technik verwendet werden.The drain extensions 54 (56) are formed adjacent to the usual drain regions 53 (55), they are adjacent to the channel regions 72 (71) of the field effect transistors and in series with the main current paths of the field effect transistors, ie with the current paths from the respective drain region to the source region 2 shows two _b o field effect transistors similar to the transistors Qi and Q2 of FIG. 1 are connected to form a current amplifier. The transistors are NMOS elements and share a common source region 57. The first and second field effect transistors each consist of a drain region 55 and 53 of the n-conductivity type with adjacent drain extensions 56 and 54, also of the n-conductivity type, each with a channel region 71 or 72 of the p-conductivity type, which lies between the respective drain extension and the η-conductive source region 57, as well as gate insulations 65 or 61 and gate electrodes 64 or 62 over the channel regions. The two field effect transistors are formed within a single semiconductor region 58, which has a gradient in its impurity concentration in the above-mentioned manner and lies in a substrate 59 with a uniformly distributed impurity concentration. Apart from the specially designed drain extensions 54 and 56, the one in FIG. The structure shown in FIG. 2 is typical of field effect transistor structures as used in complementary MOS technology.

Zutreffendere Bezeichnungen für die Strukturen, die vorstehend als »Draingebiete« und »Drainfortsätze« hp<;rhripLpn wnrrlprv wären pinpntlirh rlip Wnrtp More appropriate designations for the structures that were previously referred to as "drain areas" and "drainage processes" hp <; rhripLpn wnrrlprv would be pinpntlirh rlip Wnrtp

»Drainkontakte« bzw. »Draingebiete«. Per Definition sind diejenigen Dotierungsgebiete eines Feldeffekttransistors, die an den Kanalbereich angrenzen, um die von den Sourcegebieten injizierten Ladungstäger zu empfangen. »Drain«-Gebiete, und diese Funktion wird im vorliegenden Fall von den »Drainfortsätzen« erfüllt. Die stärker dotierten und weiter oben mit »Draingebiet« bezeichneten Bereiche sind im vorliegenden Fall lediglich ein Mittel zur Herstellung eines Ohmschen Kontakts zwischen den Fortsätzen und den Anschlußelektroden, so daß die passendere Bezeichnung das Wort »Drainkontakt« wäre. Andererseits ist es jedoch gebräuchliche Praxis, die stärker dotierten Bereiche mit »Draingebiet« und die schwächer dotierten Bereiche mit »Drainfortsatz« ;:u bezeichnen, wie weiter oben gesehen; für den restlichen Teil der Beschreibung wird daher diese Terminologie beibehalten."Drain contacts" or "drain areas". By definition, those doping areas of a field effect transistor are which adjoin the channel region in order to receive the charge carriers injected from the source regions. "Drain" areas, and this function is fulfilled in the present case by the "drainage processes". the more heavily doped areas identified above with “drain area” are in the present case merely a means of establishing an ohmic contact between the extensions and the connection electrodes, so that the more appropriate designation would be the word "drain contact". On the other hand, however, it is Common practice, the more heavily doped areas with "drain area" and the less doped areas with »drainage process«;: u denote as seen above; for the remainder of the description will be therefore keep this terminology.

Die Drainfortsätze 54 und 56 sind in der Fig. 2 in Berührung mit den Draingebieten 53 und 55 und angrenzend an die jeweiligen Kanalgebiete dargestellt, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt. Die Drairifortsätze können in Wirklichkeit auch die Draingebiete vollständig umgeben, wobei die stärker dotierten Draingebiete nur ein Mittel zur Herstellung eines Ohmschen Kontakts mit den Drainfortsätzen bilden. Außerdem können in ähnlicher Weise Fortsätze an den Sourcegebieten der Feldeffekttransistoren gebildet werden, womit das Gesamtverhalten des Stromspiegelverstärkers weiter verbessert wird.The drain projections 54 and 56 are in FIG. 2 in contact with the drain regions 53 and 55 and shown adjacent to the respective channel regions, however, the invention is not limited to this arrangement limited. In reality, the drainage extensions can also completely surround the drainage areas, with the more heavily doped drain regions only a means of establishing an ohmic contact with the drain projections form. In addition, extensions on the source regions of the field effect transistors can be carried out in a similar manner are formed, whereby the overall behavior of the current mirror amplifier is further improved.

Es wurde gefunden, daß ein Stromverstärker mit Feldeffekttransistoren, deren Drainfortsätze innerhalb eines Halbleitermaterials mit nach einer GauP chen Verteilungskurve abgestuften Störstoffkonzentration liegen und deren eigene Störstoffkonzentration selbst ebenfalls nach einer Gaußschen Verteilungskurve abgestuft ist, dank dieser Kombination mit einer merklich verbesserten Stromübertragungsfunktion von Eingang zu Ausgang arbeitet, ungeachtet von Potentialunterschieden zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme. Außerdem sind für die Erzielung der Verbesserung der Schaltung die Parameter der Struktur nicht auf bestimmte Absolutwerte beschränkt, sondern vielmehr an Relativwerte gebunden. Die gewünschten Ergebnisse konnten erfolgreich mit mehr als einem Rezept realisiert werden. Notwendig ist die Erfüllung der Forderung, daß die Störstoffkonzentrationen sowohl der Drair.forisätze a!s auch des Halbleiters, in dem sie sich befinden, ein abgestuftes Profil haben. Daß die Störstoffkonzentration einer Gaußschen Verteilungskurve folgt wird aufgrund der Herstellungsart der Schaltung angenommen, die in thermischer DiffusionIt has been found that a current amplifier with field effect transistors, the drain projections within of a semiconductor material with an impurity concentration graded according to a GauP chen distribution curve and their own contaminant concentration itself also according to a Gaussian distribution curve is graduated, thanks to this combination with a noticeably improved current transfer function of Input to output works regardless of potential differences between the input and output terminals. In addition, in order to achieve the improvement of the circuit, the parameters of the structure are not necessary limited to certain absolute values, but rather tied to relative values. The results you want could be successfully implemented with more than one recipe. What is necessary is the fulfillment of the Requirement that the contaminant concentrations of both the Drair.forisätze a! S as well as the semiconductor in which they have a graduated profile. The fact that the contaminant concentration follows a Gaussian distribution curve is due to the way in which the Circuit assumed that in thermal diffusion

besteht. Die kleinen Abmessungen der Halbleitergebiete in Richtung senkrecht zur Halbleiteroberfläche machen jedoch eine Messung der Störstoffverteilung nahezu unmöglich. Die Gründe, warum die Kombination abgestufter Drainfortsätze mit abgestuftem Subsi ! zur Verbesserung der Schaltung führt, konnten noch nicht völlig geklärt werden. Es wird vermutet, daß die Verarmung oder Raumladungszone und das dazugehörige Potential an der metallu.gischen Grenzschicht /wischen den Drainfortsatz.cn und dem Gebiet, worin sie liegen, soweit von einer normalen Struktur (wie sie sich in einem Halbleiter bei gleichmäßiger Störstoffkonzentration bildet) abweicht, daß die ansonsten zur Kanalverkürzung führenden Mechanismen entweder gehemmt werden oder an anderer Stelle entfernt vom Kanalgcbiet des Transistors auftreten.consists. The small dimensions of the semiconductor regions in the direction perpendicular to the semiconductor surface however, make a measurement of the distribution of contaminants almost impossible. The reasons why the combination graded drainage processes with graded subsi! to improve the circuit not yet be fully clarified. It is believed that the impoverishment or space charge zone and that associated potential at the metallic boundary layer / wipe the drainage process.cn and the area in which they lie, as far as of a normal structure (as it forms in a semiconductor with a uniform concentration of contaminants) differs from that otherwise Mechanisms leading to canal shortening are either inhibited or elsewhere occur away from the channel area of the transistor.

noch zusätzlich Sourcefortsätze an den beiden mit Q IO und Q 11 bezeichneten Feldeffekttransistoren enthält, die durch die Bereiche 45 und 45' angedeutet sind. Diese Fortsätze sind im allgemeinen als ein Hilfsmittel zur Verarbeitung enthalten, sie bringen jedoch auch ein geringes Maß an effektivem Gegenkopplungswiderstand in den Sourceverbindungen jeder der Transistoren, wodurch die Linearität der Schaltung weiter verbessert wird. Typischerweise werden die Fäulen eines Fcldeffckttransistorkanals, el. h. die inneren Runder der die effektiven Drain- und Sourccgebictc definierenden Bereiche über einen gemeinsamen F'hotomaskierungsschritt gebildet, um eine maximale Präzision in den Abmessungen zu erhalten. Dies bedeutet, daß Drain- und Sourcegebiete gleichzeitig mit gleichen Bestandteilen (Drainfortsät/e) gebildet werden, insbe-additionally contains source projections on the two field effect transistors labeled Q IO and Q 11, which are indicated by the areas 45 and 45 '. These projections are generally included as a processing aid, but they also introduce a small amount of effective negative feedback resistance in the source connections of each of the transistors, thereby further improving the linearity of the circuit. Typically, the rots of a flattened transistor channel, el. H. the inner rounds of the areas defining the effective drain and source areas are formed by a common photomasking step in order to obtain maximum dimensional precision. This means that drain and source regions are formed simultaneously with the same components (drain continuations), in particular

IClIt I S t. ftrtf 111IClIt I S t. ftrtf 111 IUIIUtI l_ VV CIUIIUtI l_ VV C IN(IIICtMCtIIN (IIICtMCtI I IVIIMUIIICICI IlI IVIIMUIIICICI Il

spezielles Ausführungsbeispiel folgendermaßen ausgelegt sein: als Grundlage wird ein gleichmäßig dotiertes η-Substrat 59 genommen, das ein gleichmäßige Stör-Stoffkonzentration von 1-2· IO^r> Atome je cm¹ aufweist. Im Substrat 59 befindet sich eine diffundierte abgestufte p-Wanne 58, die sich bis in eine Tiefe (X 2) von 5 Mikrometern von der Halbleiteroberfläche 67 erstreckt und eine Oberflächenkonzentration an cincliffundiertem Störstoff von 2,b · IO^lh Atomen je cm'hat. In diesem Halbleitcrgcbiet sind abgestufte Drainfortsätze 54 und 56 vom n-l.eitungstyp gebildet, die sich von der Η-..bleitcrfläche 67 bis in eine Tiefe (Xl) von 2,7 Mikrometern erstrecken und eine Oberflächcnkonzen-■.ration \on I ■ IO^|; Störstoffatomen je cm' haben. Ebenfalls im Halbleitergcbiet 58 sind entartete Draingebiete 53 und 55 vom n-l.eitungstyp gebildet, die sich von der Oberfläche 67 bis in eine Tiefe (-Y3) von 2 Mikrometern erstrecken und eine im wesentlichen Gleichmäßige Störstoffkonzentration von I0-" Atomen je cm¹ haben. Bei diesem Beispiel haben alle die vorgenannten Parameter eine Toleranz von mindestens 10%.Special embodiment can be designed as follows: A uniformly doped η substrate 59 is taken as the basis, which has a uniform concentration of impurities of 1-2 · IO ^r> atoms per cm ¹ . The substrate 59 is a diffused graded p-well 58, which extends to a depth (X 2) of 5 microns from the semiconductor surface 67 and a surface concentration of cincliffundiertem impurity of 2, b · IO ^lh atoms per cm'hat. In this semiconductor region, stepped drain projections 54 and 56 of the conduction type are formed, which extend from the conductive surface 67 to a depth (X1) of 2.7 micrometers and have a surface concentration ^|; Have impurity atoms per cm '. Also in the semiconductor region 58, degenerate drain regions 53 and 55 of the conduction type are formed, which extend from the surface 67 to a depth (-Y3) of 2 micrometers and have an essentially uniform impurity concentration of 10 "atoms per cm ¹ . In this example, all of the aforementioned parameters have a tolerance of at least 10%.

Die F-"ig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, worin die beiden mit QS und Q9 bezeichneten Feldeffekttransistoren jeweils getrennt in gesonderten isolierten Teilgebieten 35 liegen. Diese Anordnung bringt eine zusätzliche Flexibilität in der Anordnung der integrierten Schaltung. Die Feldeffekttransistoren Q8 und Q9 sollten jedoch genügend dicht zur Sichcrstellung thermischer Kopplungen beieinander liegen, so daß sie gleichzeitig auf Temperaturänderungen ansprechen. Hinsichtlich der Schaltungsqualitäten besteht kein merklicher Unterschied zwischen Schaltungsanordnungen, in denen die Feldeffekttransistoren wie im Falle der F i g. 3 in getrennten Halbleitergebieten liegen, und Schaltungsanordnungen, in denen wie im Falle der F i g. 1 und 2 die Feldeffekttransistoren in einem gemeinsamen Gebiet liegen. Die Schaltung nach F i g. 4 gleicht der Schaltung nach F i g. 3, nur daß sie oder darunter liegt. Es ist zwar möglich. Feldeffekttransistoren mit Fortsätzen nur am Draingebiet zu bilden, jedoch ist dann die erzielbare Genauigkeit in der Bemessung der Kanallänge 1 geringer als im Falle der Herstellung eines Feldeffekttransistors, der sowohl Source- als auch Drainfortsätze aufweist. Präzision in den Abmessungen ist aber wichtig zur Einstellung eines gewünschten Verstärkungsfaktors C des Stromverstärkers. FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, in which the two field effect transistors labeled QS and Q9 are each located separately in separate isolated subregions 35. This arrangement provides additional flexibility in the arrangement of the integrated circuit. The field effect transistors Q8 and Q9 should, however, be sufficiently close to one another to ensure thermal couplings, so that they simultaneously respond to temperature changes. With regard to the circuit quality, there is no noticeable difference between circuit arrangements in which the field effect transistors, as in the case of FIG. 3, are in separate semiconductor areas, and circuit arrangements in which the in which the field effect transistors are located in a common area, as in the case of Figures 1 and 2. The circuit according to Figure 4 is similar to the circuit according to Figure 3, only that it is or below it Field effect transistors with extensions only in the drain area to form, but then the achievable accuracy in the dimensioning of the channel length 1 is less than in the case of the production of a field effect transistor which has both source and drain extensions. However, dimensional precision is important for setting a desired gain factor C of the current amplifier.

Mit einem Stromverstärker des vorstehend beschriebenen Typs können noch weitere Ausgangstransistoren verbunden werden, um zusätzliche unabhängige Ausgangsströme zu erhalten. Diese weiteren Transistoren werden hierzu mit ihren Gate- und Sourceelektroden an die Gate- und Sojrceclektroden des Verstärkerausgangstransistors angeschlossen, z. B. des Transistors Q 2 in Fig. I. Dank der Tatsache, daß die Gateelektroden von Feldeffekttransistoren praktisch keinen Strom führen, kann eine relativ große Anzahl solcher zusätzlicher Transistoren parallel geschaltet werden, wie es in der einschlägigen Technik bekannt ist. Diev: weiteren Ausgangstransistoren können in einem Halbleiterbereich mit anderen, den Verstärker bildenden Transistoren gebaut werden, wobei dieser Bereich in getrennte isolierte Teilbereiche aufgeteilt sein kann, deren jeder einen der Transistoren enthält.Further output transistors can be connected to a current amplifier of the type described above in order to obtain additional independent output currents. These further transistors are connected with their gate and source electrodes to the gate and Sojrceclektroden of the amplifier output transistor, z. The transistor Q 2 in Fig. I. Thanks to the fact that the gate electrodes of field effect transistors carry virtually no current, a relatively large number of such additional transistors can be connected in parallel, as is known in the relevant art. The further output transistors can be built in a semiconductor region with other transistors forming the amplifier, this region being able to be divided into separate isolated subregions, each of which contains one of the transistors.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand der dargestellten Schaltungen erläutert, die lediglich als Ausführungsbeispiele anzusehen sind. Aufgrund der vorstehenden Ausführungen wird es jedoch einem Fachmann möglich sein, auch andere Ausführungsformen zu realisieren, die gleichermaßen im Rahmen des trfindungsgedankens liegen. So können z. B. im Falle. daß die Transistoren Qi und Q2 innerhalb eines einzigen Halbleiterbereichs gebildet sind, die Sourcegebiete dieser Transistoren getrennt und verschieden sein oder aber zu einem einzigen Sourcegebiet zusammengefaßt «ein, wie es in F i g. 2 dargestellt ist.The invention has been explained above on the basis of the circuits shown, which are only to be regarded as exemplary embodiments. On the basis of the above explanations, however, it will be possible for a person skilled in the art to also implement other embodiments that are likewise within the scope of the concept of the invention. So z. B. in the case. that the transistors Qi and Q2 are formed within a single semiconductor region, the source regions of these transistors can be separate and different, or else combined to form a single source region, as shown in FIG. 2 is shown.

Hierzu 1 Blatt ZeichnuncenFor this 1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Stromverstärker mit einem ersten und einem zweiten Isolierschicht-Feldeffekttransistor, die in einem ersten Halbleiterbereich eines ersten Störstofftyps gebildet sind und jeweils ein in diesem Halbleiterbereich gelegenes Drain- und Source-Halbleitergebiet eines zweiten Störstofftyps aufweisen, wobei der erste und der zweite Störstoff typ Zonen entgegengesetzten Leitungstyps bilden und wobei der erste Transistor zwischen einer Eingangsklemme und einer gemeinsamen Klemme des Verstärkers geschaltet ist, um ihn als Stromspiegel-Haupttransistor zu betreiben, während der zweite Transistor zwischen eine Ausgangsklemme und die gemeinsame Klemme des Verstärkers geschaltet ist, um ihn als Stromspiegel-Nebentransistor zu betreiben, und wobei die Stromverstärkung des Verstärkers idealisiert bestimmt ist durch das Verhältnis der geometrischen Dimensionen des Haupt- und des Nebentransistors und wobei der Verstärker von einem Typ ist, der ungleiche Potentiale an Eingangsund Ausgangsklemme aufweisen kann, dadurch gekennzeichnet, daß ir erste Halbleiterbereich (15; 58; 35; 46) eine abgestufte Diffusionsstörstoffkonzentration hat, die ein Maximum an der Oberfläche des Bereichs hat, und daß an den Draingebieten (D;55,53) des ersten (Q 1; QS; Q10) und des z.zeiten (Q2\ Q9; QiI) Transistors Drainfortsätze (56, ^; 14, 14'; 34, 34'; 44, 44') angrenzen, die vom zweiten Störstofftyp (N) sind und geringere Störstofikonz" Titrationen als die Draingebiete haben, wobei die Störstoffkonzentration ein abgestuftes Diffusionsprofil mit einem Maximum von Störatomen an der Halbleiteroberfläche hat, und daß die Drainfortsätze in den Drain-Source-Kanälen des ersten und des zweiten Transistors gebildet sind und von ihrer Oberfläche genügend weit in den ersten Halbleiterbereich reichen, um den Einfluß der Kanalverkürzung ;:u eliminieren und die Stromverstärkung des Verstärkers praktisch unabhängig von den besagten ungleichen Potentialen zu machen.1. Current amplifier with a first and a second insulating-layer field effect transistor, which are formed in a first semiconductor region of a first impurity type and each have a drain and source semiconductor region of a second impurity type located in this semiconductor region, the first and the second impurity type zones of opposite conductivity type and wherein the first transistor is connected between an input terminal and a common terminal of the amplifier in order to operate it as a current mirror main transistor, while the second transistor is connected between an output terminal and the common terminal of the amplifier in order to operate it as a current mirror To operate secondary transistor, and the current gain of the amplifier is idealized determined by the ratio of the geometric dimensions of the main and the secondary transistor and the amplifier is of a type that have unequal potentials at the input and output terminal n can, characterized in that ir first semiconductor region (15; 58; 35; 46) has a graded diffusion impurity concentration which has a maximum at the surface of the region, and that at the drain regions (D; 55,53) of the first (Q 1; QS; Q 10) and the second (Q2 \ Q9; QiI) adjoin transistor drain projections (56, ^; 14, 14 '; 34, 34'; 44, 44 '), which are of the second type of contaminant (N) and have lower contaminant concentration titrations than the drain regions, the contaminant concentration having a graduated diffusion profile with a maximum of impurity atoms on the semiconductor surface, and that the drain projections are formed in the drain-source channels of the first and the second transistor and extend from their surface sufficiently far into the first semiconductor region to eliminate the influence of the channel shortening;: u and to make the current gain of the amplifier practically independent of said unequal potentials.

2. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch ■»■> gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterbereich (15; 58; 35; 46) eine Wanne in einem weiteren Halbleiterbereich (59) des zweiten Störstofftyps (W^ ist und daß der weitere Bereich eine gleichmäßige Störstoffverteihing hat und daß die Grenzschicht >o zwischen der Wanne und dem weiteren Bereich einen pn-übergang bildet.2. Current amplifier according to claim 1, characterized in that ■ »■> characterized in that the first semiconductor region (15; 58; 35; 46) a well in a further semiconductor region (59) of the second contaminant type (W ^ and that the further area has a uniform distribution of contaminants and that the boundary layer> o forms a pn junction between the tub and the wider area.

3. Stromverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstoffkonzentration des ersten Halbleiterbereichs (15; 58; 35; 46) ein Profil v> hat, das im wesentlichen einer Gaußschen Verteilungskurve folgt, und daß die Störstoffkonzentration der Drainfortsätze (14,14';56,54;34,34';44,44')ein Profil hat, das im wesentlichen einer Gaußschen Verteilungskurve folgt. M)3. Current amplifier according to claim 1, characterized in that the contaminant concentration of the first semiconductor region (15; 58; 35; 46) has a profile v> which essentially follows a Gaussian distribution curve, and that the concentration of impurities the drainage processes (14.14 '; 56.54; 34.34'; 44.44 ') Has profile that essentially follows a Gaussian distribution curve. M)

4. Stromverstärker nach Anspruch I oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Transistor Sourcefortsätze (45, 45') aufweisen, die an die jeweiligen Sourcegebiete fS) angrenzen und in einer ähnlichen Weise wie die M jeweiligen Drainfortsätze (44, 44') der Transistoren gebildet sind.4. Current amplifier according to claim I or 3, characterized in that the first and the second transistor source extensions (45, 45 ') which adjoin the respective source regions fS) and in a similar manner to the M respective drain extensions (44, 44 ') of the transistors are formed.

5. Stromverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterbereich (58) in zwei getrennte isolierte Teile (35; 46) aufgeteilt ist, deren jeder einen der Transistoren «?8, Q9; QiO, QU) enthält, und daß diese getrennten Teile innerhalb eines Substratmaterials liegen, dessen Leitungstyp (N) dem Leitungstyp (P) des ersten Halbleiterbereirhs entgegengesetzt ist5. Current amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the first semiconductor region (58) is divided into two separate isolated parts (35; 46), each of which has one of the transistors «? 8, Q9; QiO, QU) , and that these separate parts lie within a substrate material whose conductivity type (N) is opposite to the conductivity type (P) of the first semiconductor range