JPH0347777B2 - - Google Patents
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- JPH0347777B2 JPH0347777B2 JP58037500A JP3750083A JPH0347777B2 JP H0347777 B2 JPH0347777 B2 JP H0347777B2 JP 58037500 A JP58037500 A JP 58037500A JP 3750083 A JP3750083 A JP 3750083A JP H0347777 B2 JPH0347777 B2 JP H0347777B2
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/08—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
- H03K19/094—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
- H03K19/0952—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using Schottky type FET MESFET
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明はGaAs論理集積回路に関するものであ
る。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来GaAs論理集積回路(以下GaAsICと略称)
の回路構成法としては、BFL(Buffered FET
Logic),SDFL(Schottky Diode FET Logic)
又はDCFL(Direct Coupled FET Logic)と呼
ばれるものが知られ各所で精力的な研究開発が行
なわれている。回路の構成要素には、FET、ダ
イオード、抵抗等がある。このうち、GaAsIC実
現上最も重要なFETとしてはシヨツトキーゲー
ト型FET(MESFET)を用いるが、これには大
別して2種類ある。すなわちノーマリオン型
FETとノーマリオフ型FETである。前者はゲー
ト電圧がソース電極に対し零の時ドレイン・ソー
ス間が導通状態にあり、デプレシヨン型とも呼ば
れ、後者は、ゲート電圧零の時非導通状態にあり
エンハンスメント型とも呼称されている。以下、
ノーマリオン型FETをDFET、ノーマリオフ型
FETをEFETと呼ぶ。DFETを基本FETとした
回路がBFL、SDFLであり、EFETを基本FETと
した回路がDCFLである。第1図にBFL、第2図
にSDFL、第3図にDCFLの回路構成を示す。
第1図のBFLにおいては、ドライバとなる
DFET11,111〜114と負荷となるDFET1
2を直列に配し、入力信号VINを反転させる。こ
の反転した信号レベルは、次段の入力ゲートが
DFETで構成されているためそのままでは使え
ず、レベルシフトを行なう必要がある。そのため
出力段に、ソースフオロアDFET13、シヨツト
キーダイオード14,141〜143および電流源
としてのDFET15からなるレベルシフト回路を
設けている。このレベルシフト回路には電流源と
してのDFET15によつて常に電流が流れており
従つて消費電力は大きい。
第2図に示すSDFLにおいては、DFET21を
ドライバ、DFET22を負荷としてインバータを
構成するが、その入力部で入力信号のレベルシフ
トを行う。即ち、論理ゲート用シヨツトキーダイ
オード23,231,232、レベルシフト用シヨ
ツトキーダイオード24および電流源用DFET2
5により入力部レベルシフト回路を構成して、イ
ンバータのドライバEFET21を動作させる信号
レベルを得ている。これはBFLのソースフオロ
ワFETに相当するFETがないこと、論理ゲート
としてBFLのようにFET群11を使わずにシヨ
ツトキーダイオード23を用いていることのため
にBFLに比べ消費電力は小さくなるが、しかし
やはりレベルシフトのために電力を消費せざるを
得ない。
第3図に示すDCFLにおいては、ドライバに
EFET31を用い、負荷にDFET32を用いる。
このため出力信号VOUTのレベルは次段のゲート
を動作させることができ、入力信号VINとレベル
コンパテイブルにすることができる。従つて、
BFLやSDFLの場合のようなレベルシフト回路が
不要でそれだけ低消費電力で動作させることがで
きる。その反面、EFETをドライバとしているた
め、低レベルを出力するためには負荷のDFETと
してドライバより電流容量の小さいものを用いな
ければならず、従つてドライブ能力にかけ、動作
速度がやや遅くなるという難点がある。
第4図に、現在まで報告されている各種論理集
積回路のゲート当り遅延時間と消費電力の関係を
示す。GaAsではDCFLが最も低消費電力である
ことが明らかであるが、DFETを用いるBFLや
SDFLに比べ動作速度はやや遅いという傾向があ
る。消費電力については、GaAsはSiのように
MOS構造の実現が困難であるためCMOS回路が
得られず、DCFLでさえもSi−CMOSより1桁以
上大きくなつている。
ところでGaAsICの高集積化を考えた場合、IC
の放熱条件を考えると1チツプ当り1W程度と考
えるのが、実用上の上限である。これはSiICの例
をそのまま適用したもので、GaAsの場合Siに比
べて熱伝導率が小さいということもあつて、その
上限はSiに比べて低い可能性もある。そこで、数
1000ゲート規模以上のGaAsLSIを実現しようと
すれば、ゲート当りの消費電力は数100μW以下
にする必要がある。BFLやSDFLでこれを実現す
るのは無理であるし、DCFLを用いても、困難を
伴なうことが予想される。またDCFLの場合、集
積度が大きくなつた時増大する負荷のために動作
速度の遅くなり方が激しいという問題がある。こ
れはDCFLのドライブ能力の小ささに起因してい
る。従つてゲート当りの伝播遅延時間τpdの負荷
依存性はDCFLの場合大きい。このことはICの高
集積化にとつてもう一つの問題となる。即ちLSI
においては1つの論理ゲートから次の論理ゲート
まで信号を伝えるための配線長は平均で数mmにも
及ぶようになるため、接地面との間の容量は大き
な負荷となるし、又、多層配線のクロスオーバー
部の容量も負荷となる。その上、1つの論理ゲー
トの出力は一般にいくつかの論理ゲートの入力に
接続されることが回路構成上必要で、この次段の
入力容量も大きな負荷となる。これらの容量負荷
は、幅4μmの配線で100〜200fF/mm,4μmx4μm
のクロスオーバーでは5〜10fF/個、フアンア
ウト1つ当り100〜200fF程度と見積られ、IC中
の平均配線長を3mm、平均フアンアウトを3、平
均クロスオーバーを20個とすると、1論理ゲート
が負う出力容量は0.7〜1.4pFとなる。これはゲー
ト長1μm、ゲート幅10〜20μm程度のFETで構成
されるDCFL論理ゲートの場合、電流駆動能力数
mAとすれば数100psecのτpdに相当する。更に、
ICの外部回路とのインタフエースを考えると、
出力回路は内部回路の容量負荷より1桁以上大き
な負荷を駆動する必要が生じる。この出力回路に
おいてICの速度を損わないようにすると、出力
回路のFETの駆動電流は数10mA以上必要とな
り、電源電圧1〜3VとしてもICの出力数10〜20
個でも出力回路だけの消費電力が1W程度になつ
てしまう。
以上のように、低消費電力性と高速性を保ちな
がらなおかつ、LSIレベルの集積度をGaAsICで
実現しようとすると、現在知られている回路構成
では極めて困難を伴なうことがわかる。
〔発明の目的〕
本発明は、これら従来のGaAsIC回路構成の欠
点に鑑みなされたもので、ゲート当りの消費電力
が小さく、なおかつ負荷増大にも耐えうるドライ
ブ能力の大きな基本ゲート回路構成を提供するこ
とを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明は、ドライバとしてEFET、負荷として
DFETを用いたインバータ回路を基本とし、その
負荷用DFETを入力信号によつて制御してオン,
オフさせ、疑似相補型の動作を行わせる。具体的
にはドライバとしてのEFET(第1のGaAsFET)
と負荷としてのDFET(第2のGaAsFET)の間
にレベルシフト用のシヨツトキーGaAsダイオー
ドを1個以上介在させたインバータを構成し、入
力信号により制御されて所定の制御電源を第2の
GaAsFETのゲートに選択的に供給するDFET
(第3のGaAsFET)を設けると共に、第2の
GaAsFETのドレイン・ゲート間にゲート・ソー
ス間を共通接続したDFET(第4のGaAsFET)
を介在させる。そして、各素子特性および各部の
電位関係を設定することにより、入力信号が高
レベルで第1のGaAsFETがオンとなるとき、第
3のGaAsFETをオンにして第2のGaAsFETに
そのゲート・ソース間電圧がピンチオフ電圧以下
となるような制御電圧を与えて、第2の
GaAsFETをオフにする。例えば第3の
GaAsFETの飽和ドレイン電流(ゲート・ソース
間電圧が零のときのドレイン電流)を第4の
GaAsFETのそれより大きくしておけば、前記制
御電源をほぼそのまま第2のGaAsFETのゲート
に与えてこれをオフにすることができる。また
入力信号が低レベルで第1のGaAsFETがオフに
なるとき、第3のGaAsFETをオフにして第4の
GaAsFETを介して第2のGaAsFETのゲートに
主電源電圧を与えてこれをオンにする。
〔発明の効果〕
本発明に係る回路は、上述のようにドライバ
FETがオンのとき負荷FETがオフ、ドライバ
FETがオフのとき負荷FETがオンという相補型
動作を行わせる。この結果、ドライバFETがオ
ンのときも貫通電流が流れることはない。また
DCFLと異なり、負荷FETの電流容量を大きくで
きるから、ドライバFETがオフのときに次段に
十分な負荷電流を供給できるドライブ能力を持た
せ得る。また負荷FETを制御するための第3,
第4のGaAsFETの回路部分は負荷FETのみを負
荷とするので駆動能力の小さい低消費電力構造と
しても高速性が損われない。
従つて本発明によれば、低消費電力でかつ高速
動作が可能なGaAsLSIを実現することができる。
〔発明の実施例〕
次に本発明を、実施例を示しながら詳細に説明
する。第5図に一実施例の回路を示す。ドライバ
となるEFET(第1のGaAsFET)51と負荷と
なるDFET(第2のGaAsFET)52を主電源VDD
と接地間に直列接続してインバータを構成するの
が基本である。EFET51のドレインとDFET5
2のソース間にはレベルシフト用のシヨツトキー
GaAsダイオード54,541,542を設けてい
る。負荷としてのDFET52のゲートはDFET
(第3のGaAsFET)53を介して制御電源VSSに
接続すると共に、ゲート・ソース間を共通接続し
たDFET(第4のGaAsFET)55を介してドレ
イン、即ち主電源VDDに接続している。ここで
DFET53はその飽和ドレイン電流がDFET55
のそれより大きくなるように設定されている。ま
た制御電源VSSは主電源VDDに対して0<VSS<
VDDなる所定の値に設定されている。入力信号
VINはシヨツトキーGaAsダイオード56を介し
てEFET51のゲートに供給されると同時に、
DFET53のゲートにも直接供給されるようにな
つている。出力信号VOUTはEFET51のドレイン
から取出される。
この回路の動作は次のように説明できる。
まず入力信号VINが高レベルVHであると、ドラ
イバのEFET51とDFET53はオン(導通状
態)となる。その条件は、DFET53のピンチオ
フ電圧をVP2、EFET51のスレツシヨルド電圧
をVthとすると、
VH>VSS+VP2
VH−VD>Vth
と表わされる。但し、VP2は負、Vthは正であり、
またVDはダイオード56の両端電圧(ほぼ立上
り電圧)である。
このとき、DFET53がオンであつて、その飽
和ドレイン電流がDFET55のそれより大きいこ
とから、DFET53のドレイン電位はほぼVSSと
なり、これが負荷のDFET52のゲートに印加さ
れる。一方、EFET51がオンであるから、もし
DFET52がオンであれば主電源VDDからDFET
52→ダイオード541,542→EFET51を通
つて接地へと電流が流れる。このとき出力端電位
をVOUT1、ダイオード541,542での電圧降下
を2×VDとすると、DFET52のソース電位は
VOUT1+2×VD
である。DFET52のピンチオフ電圧をVP1(負)
とすれば、
VSS<VOUT1+2×VD+VP1
が成立するとDFET52はオフ(非導通状態)と
なる。そのための十分条件は、VOUT0である
から、
VSS<2×VD+VP1 ′
となる。
こうして、〜′の条件を満たすことによつ
て、DFET52の過去の状態の如何にかかわら
ず、入力信号VINが高レベルVHのとき、EFET5
1はオン、DFET52はオフとなる。
次に入力信号VINが低レベルVLであると、
DFET53とEFET51はオフとなる。その条件
は
VL<VSS+VP2
VL−VD<Vth
と表わされる。このとき、DFET53がオフとな
るのでそのドレイン電位はほぼ主電源VDD電位と
なり、これがDFET52のゲートに印加される。
これによりDFET52はオンとなりそのソース電
位はほぼVDDとなる。従つて出力信号VOUT2は
VOUT2=VDD−2×VD
となる。
以上のように、入力が高レベルVHであると出
力はほぼ0(接地電位)、入力が低レベルVLであ
ると出力は式で表わされる高レベルとなる。以
上の動作をする条件をまとめると、
VH>VSS+VP2
VH−VD>Vth
VSS<2×VD+VP1 ′
VL<VSS+VP2
VL−VD<Vth
VH≡VOUT2=VDD−2×VD
VL≡VOUT10
となる。以上の式において回路中にはダイオード
順方向の立上り電圧相当の電位が発生しているこ
とが前提となるが、これを満たすには微小電流が
ダイオードに流れているだけで十分である。
この実施例では、EFET51とDFET52は一
方がオンのとき他方がオフであつて、主電源VDD
→DFET52→ダイオード541,542→EFET
52→接地と流れる電流は殆んどない。つまり
EFET51とDFET52とは相補型動作をするの
で、ここでの消費電力は極めて小さい。また出力
部の駆動能力を増すにはDFET52、EFET51
の電流駆動能力を増せばよいが、駆動能力を増し
ても上述のように相補型動作をするため、この部
分での消費電力増加はわずかである。
一方、主電源VDD→DFET55→DFET53→
制御電源VSSの回路部は基本的には反転動作とレ
ベルシフト動作を行うものであるが、その負荷は
DFET52のゲートだけなので、駆動能力の小さ
い低消費電力構造としても高速性が損われること
がない。
次に検討すべきは前段からの電流の流れ込み
(次段への電流の流れ出しと等価)による電力消
費についてである。これは、入力信号VINが高レ
ベルVHのときにのみ問題となる。この点につい
ては、EFET51のクランプ電圧(ゲートからソ
ースへ電流が流れ出すときのゲート・ソース間電
圧)をVCLとすると、
VH<VD+VCL
を満たすことにより、電流の流れ込みがなく電力
消費をなくすことができる。
以上のように本実施例の回路は、大駆動能力か
つ低消費電力という特徴を有することが明らかと
なつた。具体的には例えば、
VP1=−0.5V
VP2=−0.5V
Vth=0.2V
VD=0.8V
VCL=0.7V
VDD=3V
VSS=1V
に設定すると、〜の全ての式を満足すること
ができ、本実施例回路のインバータ動作が正常に
行われる。
次に上記動作条件を考慮して、インバータ回路
とこれを用いたリングオシレータ回路を試作し、
負荷容量を負わせた場合につき、そのゲート当り
の伝播遅延時間および消費電力を測定し、また比
較のため第3図のE/D型DCFLを用いたリング
オシレータ回路を試作してその特性を測定した。
そのデータを以下に説明する。FETおよびシヨ
ツトキーダイオード用の活性層の形成はCrドー
プ半絶縁性GaAs基板への28Si+の直接イオン注入
により行つた。注入条件は第1表に示すとおりで
ある。また実施例回路のデバイス寸法は第2表、
比較例回路のデバイス寸法は第3表にそれぞれ示
した。所望のFET、シヨツトキーダイオード特
性を得るためにこのあと、AsH3(1%)+Arの雰
囲気下で850℃、15分間のキヤツプレスアニール
を行なつた。次に、AuGeオーミツク電極を形成
しこのあとFETのシヨツトキーゲート電極、シ
ヨツトキーダイオードのシヨツトキー電極として
Ptを蒸着し400℃のシンタ処理を用いてFETのピ
ンチオフ電圧、スレツシユホールド電圧の制御を
行ない、EFETのスレツシユホールド電圧を
0.2V、DFETのピンチオフ電圧を−0.5Vに設定
した。
【表】
【表】
【表】
リングオシレータ回路は15段であり、各段に容
量負荷として1辺50μmの正方形のシヨツトキー
ダイオードを出力ラインと接地端間に挿入した。
その回路図を第6図に示す。
リングオシレータ発振波形を測定し、1段当り
の伝播遅延時間τpd、消費電力Pd、論理振幅ΔV
を求めた結果を第4表に示す。
【表】
リングオシレータ各段の負荷容量は数pF〜
10pF程度であり、高集積GaAsLSIで想定される
回路内部の負荷、外部回路の負荷条件に近いもの
であつて、第4表の測定結果は実際のGaAsLSI
中の特性を示したものと考えてよい。本実施例の
回路は、τpd・pd積という指標でみれば、E/D
型DCFLに比べて1/5以下であり、高速性、低消
費電力性に優れた回路であることが明らかとなつ
た。しかも論理振幅は1.41Vと大きく、DCFLに
比べて2.5倍になつている。当然、雑音余裕が大
きいことが推定されるが、本実施例回路の直流ト
ランスフア曲線を測定したところ、第7図のよう
になつた。図から明らかなように、極めて良好な
特性であり、雑音余裕も低レベル側で0.6V以上、
高レベル側で0.5V以上を見込むことができる。
本実施例の回路において、EFET51とDFET
52の相補型動作のためにはDFET55は本質的
ではないが、このDFET55はDFET52をオフ
からオンにするときの動作を高速にする上で大き
な意味をもつ。またシヨツトキーダイオード56
も同様に本質的ではないが、論理振幅が大きいた
めにこれがないとEFET51のクランブ効果によ
り、入力信号レベルがEFETのクランプ電圧以上
になると電流の流れ込みが生じて消費電力増大を
もたらす。従つて低消費電力構造とする上でこの
シヨツトキーダイオード56は有効に機能してい
る。
また第5図から明らかなように、本実施例の回
路では製造上プロセス制御が難しいEFETは1個
しか用いていず、他は全て製造の容易なDFETで
ある。その結果、本実施例回路の製造歩留りは
E/D型DCFLと基本的に同一レベルと考えてよ
く、ICの性能/価格比は高いものとなる。この
ように製造歩留りの低いEFETが1個だけで疑似
相補型動作を実現できるのは、ダイオード54の
存在と制御電源VSSの供給によるためであるが、
制御電源VSSの必要性は本発明の利点を減じるも
のではない。何故なら、主電源VDDに対して制御
電源VSSは常に0<VSS<VDDなる関係にあり、IC
内部で例えばシヨツトキーダイオードにより主電
源VDDの電圧を落とすことで制御電源VSSを得る
ことができ、IC外部からは単一電源動作のよう
にして動作させ得るからである。
本発明の回路は、電源電圧VDD,VSS、シヨツ
トキーダイオード54,56の個数や逆方向飽和
電流(これはダイオード接合面積による)、
DFETのピンチオフ電圧、EFETのスレツシヨル
ド電圧などを変えることで論理振幅を大きくする
こともできる。従つてTTLコンパチブルのレベ
ルで動作させることも可能であり、GaAsICと他
の回路とのインタフエース方式の問題も解決でき
る。
またラインドライブなどのためドライブ能力を
増したい場合には、EFET51,DFET52のゲ
ート幅を大きくすればよく、それにもかかわらず
相補型動作のため消費電力は大きくならないとい
う利点をもつ。
以上詳述したように本発明によれば、従来の
BFLやSDFL、並みのデバイス数とDCFL並みの
プロセス技術でこれらの回路より格段に優れた高
速性、大駆動能力および低消費電力性を実現する
ことが可能となり、GaAsICのLSI化に果たす役
割は極めて大きい。
なお、以上の説明では専らGaAsICを用いた例
を示したが、MES FETを構成FETとしている
点から、他の半導体材料、例えばInP,Si等を用
いた場合にも本発明を適用することが可能であ
る。また第5図においてDFET55はDFET53
の負荷としての役割をもつものであるから、これ
を抵抗に置換しても同様の効果が得られる。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to GaAs logic integrated circuits. [Technical background of the invention and its problems] Conventional GaAs logic integrated circuit (hereinafter abbreviated as GaAsIC)
As a circuit configuration method, BFL (Buffered FET
Logic), SDFL (Schottky Diode FET Logic)
Alternatively, something called DCFL (Direct Coupled FET Logic) is known, and vigorous research and development is being carried out in various places. Components of the circuit include FETs, diodes, resistors, etc. Among these, Schottky gate type FETs (MESFETs) are used as the most important FETs for realizing GaAsICs, but they can be roughly divided into two types. In other words, normally on type
FET and normally-off type FET. The former is in a conductive state between the drain and source when the gate voltage is zero with respect to the source electrode, and is also called a depletion type, and the latter is in a non-conductive state when the gate voltage is zero, and is also called an enhancement type. below,
Normally-on type FET to DFET, normally-off type
FET is called EFET. Circuits that use DFET as the basic FET are BFL and SDFL, and circuits that use EFET as the basic FET are DCFL. Figure 1 shows the circuit configuration of the BFL, Figure 2 the SDFL, and Figure 3 the DCFL. In the BFL shown in Figure 1, it becomes the driver.
DFET 11 , 11 1 to 11 4 and DFET 1 as a load
2 in series to invert the input signal V IN . This inverted signal level is used by the next stage input gate.
Since it is composed of DFET, it cannot be used as is and requires level shifting. Therefore, a level shift circuit consisting of a source follower DFET 13, Schottky diodes 14 , 141 to 143 , and a DFET 15 as a current source is provided at the output stage. A current always flows through this level shift circuit by the DFET 15 as a current source, so power consumption is large. In the SDFL shown in FIG. 2, an inverter is configured with the DFET 21 as a driver and the DFET 22 as a load, and the level shift of the input signal is performed at the input section of the inverter. That is, shot key diodes 23, 23 1 , 23 2 for logic gates, shot key diode 24 for level shift, and DFET 2 for current source.
5 constitutes an input level shift circuit to obtain a signal level for operating the inverter driver EFET 21. This is because there is no FET equivalent to the source follower FET of the BFL, and because the Schottky diode 23 is used as a logic gate instead of the FET group 11 like the BFL, the power consumption is lower than that of the BFL. However, power must still be consumed for level shifting. In the DCFL shown in Figure 3, the driver
EFET31 is used and DFET32 is used for the load.
Therefore, the level of the output signal V OUT can operate the gate of the next stage, and can be made level compatible with the input signal V IN . Therefore,
It does not require a level shift circuit like BFL or SDFL, and can operate with lower power consumption. On the other hand, since an EFET is used as a driver, in order to output a low level, a DFET with a smaller current capacity than the driver must be used as the load DFET, which affects the drive capacity and slows down the operation speed. There is. FIG. 4 shows the relationship between delay time per gate and power consumption of various logic integrated circuits that have been reported to date. It is clear that DCFL has the lowest power consumption in GaAs, but BFL using DFET and
The operating speed tends to be slightly slower than SDFL. In terms of power consumption, GaAs is similar to Si.
Because it is difficult to realize a MOS structure, a CMOS circuit cannot be obtained, and even DCFL is more than an order of magnitude larger than Si-CMOS. By the way, when considering high integration of GaAsIC, the IC
Considering the heat dissipation conditions, the practical upper limit is about 1W per chip. This is a direct application of the SiIC example; in the case of GaAs, the thermal conductivity is lower than that of Si, so the upper limit may be lower than that of Si. Therefore, the number
In order to realize a GaAs LSI with more than 1000 gates, the power consumption per gate needs to be less than several 100 μW. It is impossible to achieve this with BFL or SDFL, and even if DCFL is used, it is expected to be difficult. Further, in the case of DCFL, there is a problem in that the operating speed becomes slower due to the increased load as the degree of integration increases. This is due to the small drive capacity of DCFL. Therefore, the load dependence of the propagation delay time τpd per gate is large in the case of DCFL. This poses another problem for higher integration of ICs. That is, LSI
Since the length of wiring to transmit signals from one logic gate to the next reaches several millimeters on average, the capacitance between it and the ground plane becomes a large load, and multilayer wiring The capacity of the crossover section also becomes a load. Furthermore, the output of one logic gate generally needs to be connected to the inputs of several logic gates due to the circuit configuration, and the input capacitance of the next stage also becomes a large load. These capacitive loads are 100 to 200fF/mm, 4μm x 4μm, with a 4μm width wiring.
It is estimated that 5 to 10 fF per crossover and 100 to 200 fF per fanout.If the average wiring length in the IC is 3 mm, the average fanout is 3, and the average crossover is 20, one logic gate The output capacitance incurred by In the case of a DCFL logic gate composed of an FET with a gate length of 1 μm and a gate width of about 10 to 20 μm, this corresponds to a τpd of several 100 psec, assuming a current drive capacity of several mA. Furthermore,
Considering the interface with the external circuit of the IC,
The output circuit is required to drive a load that is one order of magnitude larger than the capacitive load of the internal circuit. In order not to impair the speed of the IC in this output circuit, the drive current of the FET in the output circuit needs to be several tens of mA or more, and even if the power supply voltage is 1 to 3 V, the number of outputs of the IC is 10 to 20.
Even with just one unit, the power consumption of the output circuit alone is about 1W. As described above, it is clear that trying to achieve LSI-level integration with GaAsIC while maintaining low power consumption and high speed will be extremely difficult with currently known circuit configurations. [Object of the Invention] The present invention has been made in view of these drawbacks of conventional GaAsIC circuit configurations, and provides a basic gate circuit configuration with low power consumption per gate and high drive ability that can withstand increased loads. The purpose is to [Summary of the invention] The present invention uses an EFET as a driver and an EFET as a load.
Based on an inverter circuit using DFET, the load DFET is controlled by an input signal to turn on and off.
Turn off and perform pseudo-complementary operation. Specifically, EFET as a driver (first GaAsFET)
An inverter is constructed in which one or more level-shifting Schottky GaAs diodes are interposed between the input signal and the DFET (second GaAs FET) as a load, and a predetermined control power source is controlled by an input signal to be transferred to the second GaAs FET.
DFET that selectively supplies the gate of GaAsFET
(third GaAsFET) and a second
DFET with the gate and source commonly connected between the drain and gate of GaAsFET (fourth GaAsFET)
intervene. By setting the characteristics of each element and the potential relationship of each part, when the input signal is high and the first GaAsFET is turned on, the third GaAsFET is turned on and the second GaAsFET is connected between its gate and source. Applying a control voltage such that the voltage is below the pinch-off voltage, the second
Turn off GaAsFET. For example, the third
The saturation drain current (drain current when the gate-source voltage is zero) of GaAsFET is determined by the fourth
If it is made larger than that of the GaAsFET, the control power supply can be applied almost directly to the gate of the second GaAsFET to turn it off. Also, when the input signal is low level and the first GaAsFET is turned off, the third GaAsFET is turned off and the fourth GaAsFET is turned off.
The main power supply voltage is applied to the gate of the second GaAsFET via the GaAsFET to turn it on. [Effects of the Invention] The circuit according to the present invention has a driver as described above.
Load FET is off when FET is on, driver
Complementary operation is performed in which the load FET is on when the FET is off. As a result, no through current flows even when the driver FET is on. Also
Unlike a DCFL, the current capacity of the load FET can be increased, so when the driver FET is off, it can have the drive ability to supply sufficient load current to the next stage. Also, the third one for controlling the load FET,
Since the circuit portion of the fourth GaAsFET uses only the load FET as a load, high speed performance is not impaired even if it is a low power consumption structure with a small driving capacity. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a GaAsLSI that has low power consumption and is capable of high-speed operation. [Examples of the Invention] Next, the present invention will be described in detail by showing examples. FIG. 5 shows a circuit of one embodiment. The EFET (first GaAsFET) 51 serving as a driver and the DFET (second GaAsFET) 52 serving as a load are connected to the main power supply V DD
Basically, an inverter is constructed by connecting the power and the ground in series. Drain of EFET51 and DFET5
There is a shot key for level shifting between the two sources.
GaAs diodes 54, 54 1 and 54 2 are provided. The gate of DFET52 as a load is DFET
It is connected to the control power supply V SS through the (third GaAsFET) 53, and connected to the drain, that is, the main power supply V DD through the DFET (fourth GaAsFET) 55 whose gate and source are commonly connected. . here
DFET53 has a saturation drain current of DFET55
is set to be larger than that of . Also, the control power supply V SS is 0<V SS < with respect to the main power supply V DD .
It is set to a predetermined value called V DD . input signal
At the same time, V IN is supplied to the gate of EFET 51 via Schottky GaAs diode 56.
It is also designed to be directly supplied to the gate of DFET53. The output signal V OUT is taken out from the drain of EFET 51. The operation of this circuit can be explained as follows. First, when the input signal V IN is at a high level V H , the driver EFET 51 and DFET 53 are turned on (conductive state). The condition is expressed as V H > V SS +V P2 V H −V D > V th , where V P2 is the pinch-off voltage of DFET 53 and V th is the threshold voltage of EFET 51. However, V P2 is negative, V th is positive,
Further, V D is the voltage across the diode 56 (approximately the rising voltage). At this time, since the DFET 53 is on and its saturated drain current is larger than that of the DFET 55, the drain potential of the DFET 53 becomes approximately V SS , which is applied to the gate of the DFET 52 as a load. On the other hand, since EFET51 is on, if
If DFET52 is on, the main power supply V DD to DFET
Current flows through 52 → diodes 54 1 , 54 2 → EFET 51 to ground. At this time, assuming that the output end potential is V OUT1 and the voltage drop across the diodes 54 1 and 54 2 is 2×V D , the source potential of the DFET 52 is V OUT1 +2×V D. DFET52 pinch-off voltage V P1 (negative)
Then, when V SS <V OUT1 +2×V D +V P1 is satisfied, the DFET 52 becomes off (non-conductive state). A sufficient condition for this is that V OUT is 0, so V SS <2×V D +V P1 '. Thus, by satisfying the condition ~', when the input signal V IN is at the high level V H , regardless of the past state of the DFET 52, the EFET 5
1 is on and DFET52 is off. Next, when the input signal V IN is at a low level V L ,
DFET53 and EFET51 are turned off. The condition is expressed as V L <V SS +V P2 V L −V D <V th . At this time, since the DFET 53 is turned off, its drain potential becomes approximately the main power supply V DD potential, which is applied to the gate of the DFET 52 .
As a result, the DFET 52 is turned on and its source potential becomes approximately VDD . Therefore, the output signal V OUT2 becomes V OUT2 =V DD -2×V D. As described above, when the input is at a high level VH , the output is approximately 0 (ground potential), and when the input is at a low level VL , the output is at the high level expressed by the formula. To summarize the conditions for the above operation, V H >V SS +V P2 V H −V D >V th V SS <2×V D +V P1 ′ V L <V SS +V P2 V L −V D <V th V H ≡V OUT2 = V DD −2×V D V L ≡V OUT1 0. In the above formula, it is assumed that a potential equivalent to the rising voltage in the forward direction of the diode is generated in the circuit, but it is sufficient that a small current flows through the diode to satisfy this requirement. In this embodiment, EFET 51 and DFET 52 are such that when one is on, the other is off, and the main power supply V DD
→DFET52 →Diode 54 1 , 54 2 →EFET
52 → There is almost no current flowing between the earth and ground. In other words
Since the EFET 51 and DFET 52 operate in a complementary manner, the power consumption here is extremely small. Also, to increase the drive capacity of the output section, DFET52 and EFET51
However, even if the drive capacity is increased, the increase in power consumption in this part is small because complementary operation is performed as described above. On the other hand, main power supply V DD →DFET55→DFET53→
The circuit section of the control power supply V SS basically performs inversion operation and level shift operation, but its load is
Since it is only the gate of DFET52, high speed performance is not impaired even if it is a low power consumption structure with a small driving capacity. The next thing to consider is power consumption due to current flowing in from the previous stage (equivalent to current flowing out to the next stage). This is only a problem when the input signal V IN is at a high level V H . Regarding this point, if the clamp voltage of the EFET51 (voltage between the gate and source when current flows from the gate to the source) is V CL , by satisfying V H < V D + V CL , no current flows and power consumption is reduced. can be eliminated. As described above, it has become clear that the circuit of this example has the characteristics of large driving capacity and low power consumption. Specifically, for example, by setting V P1 = −0.5V V P2 = −0.5V V th = 0.2V V D = 0.8V V CL = 0.7V V DD = 3V V SS = 1V, all of the equations ~ can be satisfied. Therefore, the inverter operation of the circuit of this embodiment is performed normally. Next, considering the above operating conditions, we prototyped an inverter circuit and a ring oscillator circuit using it.
When a load capacitance is applied, the propagation delay time and power consumption per gate are measured.For comparison, a ring oscillator circuit using the E/D type DCFL shown in Figure 3 is prototyped and its characteristics are measured. did.
The data will be explained below. The active layers for the FET and Schottky diode were formed by direct ion implantation of 28 Si + into a Cr-doped semi-insulating GaAs substrate. The injection conditions are as shown in Table 1. The device dimensions of the example circuit are shown in Table 2.
The device dimensions of the comparative example circuits are shown in Table 3. In order to obtain the desired FET and Schottky diode characteristics, a capsule annealing was then performed at 850° C. for 15 minutes in an atmosphere of AsH 3 (1%) + Ar. Next, an AuGe ohmic electrode is formed and then used as the short key gate electrode of the FET and the short key electrode of the short key diode.
The pinch-off voltage and threshold voltage of the FET are controlled by depositing Pt and using sintering at 400°C.
0.2V, and the DFET pinch-off voltage was set to −0.5V. [Table] [Table] [Table] The ring oscillator circuit has 15 stages, and a square Schottky diode with a side of 50 μm is inserted between the output line and the ground terminal as a capacitive load in each stage.
The circuit diagram is shown in FIG. Measure the ring oscillator oscillation waveform and determine the propagation delay time τpd, power consumption Pd, and logic amplitude ΔV per stage.
Table 4 shows the results. [Table] The load capacitance of each stage of the ring oscillator is several pF ~
It is approximately 10pF, which is close to the internal circuit load and external circuit load conditions expected in highly integrated GaAsLSIs, and the measurement results in Table 4 are based on actual GaAsLSIs.
It can be thought of as showing the characteristics inside. The circuit of this embodiment has an E/D ratio of τpd/pd product.
It has become clear that the circuit is less than 1/5 that of the type DCFL, and has excellent high speed and low power consumption. Moreover, the logic amplitude is large at 1.41V, which is 2.5 times that of DCFL. Naturally, it is presumed that the noise margin is large, but when the DC transfer curve of the circuit of this embodiment was measured, it was as shown in FIG. As is clear from the figure, the characteristics are extremely good, and the noise margin is 0.6V or more on the low level side.
0.5V or more can be expected on the high level side. In the circuit of this example, EFET51 and DFET
Although the DFET 55 is not essential for the complementary operation of the DFET 52, it is of great significance in speeding up the operation when the DFET 52 is turned on from off. Also, Schottky diode 56
Similarly, although it is not essential, since the logic amplitude is large, if it is not present, the clamp effect of the EFET 51 will cause current to flow when the input signal level exceeds the clamp voltage of the EFET, resulting in increased power consumption. Therefore, the Schottky diode 56 functions effectively in achieving a low power consumption structure. Furthermore, as is clear from FIG. 5, the circuit of this embodiment uses only one EFET, which is difficult to control in manufacturing process, and all the others are DFETs, which are easy to manufacture. As a result, the manufacturing yield of the circuit of this embodiment can be considered to be basically at the same level as that of the E/D type DCFL, and the performance/price ratio of the IC is high. The reason why quasi-complementary operation can be achieved with just one EFET, which has a low manufacturing yield, is due to the presence of the diode 54 and the supply of the control power supply V SS .
The need for a controlled power supply V SS does not diminish the advantages of the present invention. This is because the control power supply V SS always has a relationship of 0 < V SS < V DD with respect to the main power supply V DD , and the IC
This is because the control power supply V SS can be obtained internally by reducing the voltage of the main power supply V DD using, for example, a Schottky diode, and the IC can be operated from the outside as a single power supply operation. The circuit of the present invention has the power supply voltages V DD and V SS , the number of Schottky diodes 54 and 56, the reverse saturation current (this depends on the diode junction area),
The logic amplitude can also be increased by changing the pinch-off voltage of the DFET and the threshold voltage of the EFET. Therefore, it is possible to operate at a TTL compatible level, and the problem of the interface method between GaAsIC and other circuits can be solved. Furthermore, when it is desired to increase the drive capability for line drive, etc., it is sufficient to increase the gate widths of the EFET 51 and DFET 52, and the advantage is that the power consumption does not increase due to complementary operation. As detailed above, according to the present invention, the conventional
With the same number of devices as BFLs and SDFLs and the same process technology as DCFLs, it is possible to achieve significantly superior high speed, large drive capacity, and low power consumption compared to these circuits, and the role it will play in the conversion of GaAsIC to LSI. Extremely large. Note that although the above explanation has focused on examples using GaAsIC, since MES FETs are used as constituent FETs, the present invention can also be applied to cases where other semiconductor materials such as InP, Si, etc. are used. It is possible. Also, in Figure 5, DFET55 is DFET53
Since it has the role of a load, the same effect can be obtained even if it is replaced with a resistor.
第1図はBFLと呼ばれるGaAs MES FETを
用い論理ゲート回路の回路図、第2図はSDFLと
呼ばれるGaAs MES FETを用いた論理ゲート
回路の回路図、第3図はDCFLと呼ばれるGaAs
MES FETを用いた論理ゲート回路の回路図、第
4図は従来の各種論理回路の速度消費電力の領域
を示した図、第5図は本発明の一実施例の
GaAsIC用の基本論理回路の回路図、第6図は第
5図の回路により試作したリングオシレータを示
す図、第7図は同じく第5図の回路を実際に試作
して測定した入力−出力特性を示す図である。
51…EFET(第1のGaAsFET)、52…
DFET(第2のGaAsFET)、53…DFET(第3
のGaAsFET)、55…DFET(第4の
GaAsFET)、541,542,56…シヨツトキ
ーGaAsダイオード、VDD…主電源、VSS…制御電
源。
Figure 1 is a circuit diagram of a logic gate circuit using GaAs MES FETs called BFL, Figure 2 is a circuit diagram of a logic gate circuit using GaAs MES FETs called SDFL, and Figure 3 is a circuit diagram of a logic gate circuit using GaAs MES FETs called DCFL.
A circuit diagram of a logic gate circuit using MES FETs, Fig. 4 is a diagram showing the speed and power consumption range of various conventional logic circuits, and Fig. 5 is a diagram of an embodiment of the present invention.
A circuit diagram of the basic logic circuit for GaAsIC. Figure 6 is a diagram showing a ring oscillator prototyped using the circuit in Figure 5. Figure 7 is the input-output characteristics measured by actually prototyping the circuit in Figure 5. FIG. 51...EFET (first GaAsFET), 52...
DFET (second GaAsFET), 53...DFET (third
GaAsFET), 55...DFET (fourth
GaAsFET), 54 1 , 54 2 , 56... Schottky GaAs diode, V DD ... main power supply, V SS ... control power supply.
Claims (1)
フ型の第1のGaAsFETおよび負荷となるノーマ
リオン型の第2のGaAsFETと、これら第1,第
2のGaAsFETの間に介在されたレベルシフト用
のGaAsダイオードと、そのドレイン側を前記第
2のGaAsFETのゲートに接続して前記第1の
GaAsFETのゲートに供給される入力信号により
ゲートを制御されて所定の制御電源を選択的に前
記第2のGaAsFETのゲートに供給するノーマリ
オン型の第3のGaAsFETと、ゲート・ソース間
を共通接続して前記第2のGaAsFETのドレイ
ン・ゲート間に介在させたノーマリオン型の第4
のGaAsFETとを集積し、且つ前記第1の
GaAsFETとレベルシフト用のGaAsダイオード
との接続部にインバータ回路の出力端子を設ける
ように構成され、前記入力信号が高レベルのとき
前記第1および第3のGaAsFETがオン、第2の
GaAsFETがオフとなり、前記入力信号が低レベ
ルのとき前記第1および第3のGaAsFETがオ
フ、第2のGaAsFETがオンとなるように各部の
電位関係を設定したことを特徴とするGaAs論理
集積回路。 2 前記第3のGaAsFETは、その飽和ドレイン
電流が前記第4のGaAsFETのそれより大きく設
定されている特許請求の範囲第1項記載のGaAs
論理集積回路。[Claims] 1. A first normally-off GaAsFET serving as a driver of an inverter circuit, a second normally-on GaAsFET serving as a load, and a level shift interposed between these first and second GaAsFETs. a GaAs diode for the second GaAs FET, and its drain side connected to the gate of the second GaAsFET.
A third normally-on type GaAsFET whose gate is controlled by an input signal supplied to the gate of the GaAsFET and selectively supplies a predetermined controlled power source to the gate of the second GaAsFET, and a common connection between the gate and the source. and a normally-on type fourth transistor interposed between the drain and gate of the second GaAsFET.
GaAsFETs are integrated, and the first
The output terminal of the inverter circuit is provided at the connection between the GaAsFET and the GaAs diode for level shifting, and when the input signal is at a high level, the first and third GaAsFETs are turned on and the second GaAsFET is turned on.
A GaAs logic integrated circuit characterized in that the potential relationship of each part is set so that when the GaAsFET is turned off and the input signal is at a low level, the first and third GaAsFETs are turned off and the second GaAsFET is turned on. . 2. The GaAs FET according to claim 1, wherein the third GaAsFET has a saturation drain current set to be larger than that of the fourth GaAsFET.
Logic integrated circuit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58037500A JPS59163857A (en) | 1983-03-09 | 1983-03-09 | Gaas logic integrated circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58037500A JPS59163857A (en) | 1983-03-09 | 1983-03-09 | Gaas logic integrated circuit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59163857A JPS59163857A (en) | 1984-09-14 |
| JPH0347777B2 true JPH0347777B2 (en) | 1991-07-22 |
Family
ID=12499241
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|---|---|---|---|
| JP58037500A Granted JPS59163857A (en) | 1983-03-09 | 1983-03-09 | Gaas logic integrated circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59163857A (en) |
Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2449369A1 (en) * | 1979-02-13 | 1980-09-12 | Thomson Csf | LOGIC CIRCUIT COMPRISING A SATURABLE RESISTANCE |
| JPS5646340A (en) * | 1979-09-22 | 1981-04-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Logic circuit using schottky or p-n junction gate type field effect transistor |
-
1983
- 1983-03-09 JP JP58037500A patent/JPS59163857A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS59163857A (en) | 1984-09-14 |
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