[发明专利]半导体器件及其输出电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其输入和输出电路，更具体地涉及一种可广泛适用在不同外部供电电压Vcc下工作的半导体器件的输入和输出电路。

背景技术

近年来，如静态随机存取存储器(SRAMs)之类的半导体器件是由如从3伏左右的低压至5.5V的较高电压的宽阔范围内提供的外电源供电压Vcc在单块芯片上工作的。这样的半导体器件通常有一个由互补金属-氧化物—半导体(CMOS)场效应晶体管电路的倒相器构成的输入电路，它包括一个源极接至外加电源电压Vcc而漏极接至输出端的p沟道晶体管Tr01以及一个漏极接至输出端而源极接地的n沟道晶体管Tr02，它们如图5中所示。p沟道晶体管Tr01和n沟道晶体管Tr02的栅极与输入端共同连接。

图6A和6B示出常规的输出电路。图6A中所示输出电路包括一个p沟道晶体管Tr03和一个n沟道晶体管Tr04，其中p沟道晶体管Tr03的源极接外加电源电压Vcc、漏极接至输出端、而栅极则接至第一输入端，n沟道晶体管Tr04的漏极接输出端、源极接地、而栅极则接至第二输入端(此后称这种输出电路配置为P-N配置)。

图6B中所示输出电路包括一个n沟道晶体管Tr05和一个n沟道晶体管Tr06，其中n沟道晶体管Tr05的漏极接外电源电压Vcc、源极接至输出端、而栅极接至第一输入端，n沟道晶体管Tr06的漏极接至输出端、源极接地、而栅极则接至第二输入端(此后称这种输出电路配置为N-N配置)。

可是，将具有上述配置的输入和输出电路用作广泛适应的半导体器件却存在以下难题。

作为第一个问题，在常规输入电路中(图5)，在输出信号从高电平“H”变至低电平“L”时输入信号IN的电压VIH和规格值之间的余量，以及在输出信号从低电平“L”变至高电平“H”时输入信号IN的电压VIL和规格值之间的余量很难在外电源供电电压Vcc的宽阔范围内得到充分保证。

更具体地说，输入信号IN的电压VIH能够将从输入电路输出的输出信号OUT由高电平“H”转换到低电平“L”，这取决于外电源的供电电压Vcc和构成CMOS倒相器的p沟道晶体管Tr01对n沟道晶体管Tr02的尺寸比。这意味着假设输出晶体管Tr01对Tr02的尺寸比不变时，当外电源的供电电压Vcc升高，电压VIH也变高，以致对规格值的余量就变小。

若是余量更小，当因电路和互连的电感元件所产生的电动势引起接地(GND)电位的变化时器件就很可能错误地运作。换句话说，当有一大电流由一外电路接至输入电路至地时，接地的n沟道晶体管Tr02的漏电位由于电感元件的原因而超过了真正的地电位。这就缩小了电压VIH的余量，使高电压的运行变得不稳定。

为了避免这一问题，可将n沟道晶体管Tr02做得大于p沟道晶体管Tr01，即可以提高尺寸比以降低电压VIH。在此情况下，在高压运行中就能保障与电压VIH有关的对规格值的余量，不过对电压VIL的规格值的余量代表在一次低的供电电压Vcc变小的运作中的低电平“L”。其结果是，器件的错误运作取决于外部电源的供电电压Vcc，这就使得运行变得不稳。

对于在宽广范围的供电电压Vcc下工作的半导体器件来说，即使在低压运行中也要求有高的选取速度。作为第二个问题，由于噪音的影响常规的输出电路不能增大输出晶体管的尺寸，这使低压运行中的选取速度不能提高。

更具体地说，要在常规的输出电路中实现高速低压的运行，就必须增大图6A中所示采取P-N配置的晶体管Tr03和Tr04的尺寸或是图6B中所示采取N-N配置的晶体管Tr05和Tr06的尺寸。然而，当尺寸增大时，在高供电电压Vcc下运行的输出转换期间有一大电流流向输出晶体管，使得器件受到噪音的影响。这使晶体管的尺寸受到其自身的限制。由于这一原因，常规的输出电路不能同时解决半导体器件宽广范围高压运行中的噪音问题和低压运行中的选取速度问题。

在具有图6B中所示N-N配置的输出电路中，当输出一个高电平的电压时，即当接上所加外部电源供电电压Vcc的n沟道晶体管Tr05处于“开”态时，在漏极和源极之间产生一个电位差VT。其结果是，当输出电路输出一个高电平的电压时，输出端的电压OUT为(Vcc-VT)。在低的外电源供电电压Vcc下的运行中，由于有与高压一侧的输出晶体管Tr05中的电位差VT对应的电压降，使得很难满足与电压VOH有关的规格值表现出输出信号OUT是处于高电平“H”，造成错误运作。

发明内容

本发明的一项目的是要提供一种半导体器件及其输入与输出电路，这种半导体器件能在宽广范围内的外电源供电电压Vcc下以高选取速度稳定地运行。