專利名稱：減小漏電流的半導(dǎo)體存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲器，更具體地說，涉及可以工作在數(shù)據(jù)保持方式的半導(dǎo)體存儲器的基片偏壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)。
DRAMs(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器)已經(jīng)廣泛地用于諸如筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)和便攜式裝置(諸如尋呼機(jī)-便攜式數(shù)字電話機(jī)的便攜式信息終端)的PDAs(個(gè)人數(shù)字輔助裝置)中。由于這些便攜式裝置用電池工作，所以，特別需要低功率消耗的器件。在各種各樣的用來減小功率消耗的措施中，降低工作電源電壓是最有效的，這是因?yàn)楣β氏恼扔诠ぷ麟娫措妷旱钠椒?。出于這種觀點(diǎn)，目前，在某些情況下要求使用2伏的電源電壓。按照降低電源電壓的要求，遵循相似法則把MOS晶體管(絕緣柵場效應(yīng)晶體管)按比例縮小、以便保持工作特性。但是，正如下面將要說明的，由于子閾值電流增加的緣故，與降低電源電壓一致地降低閾值電壓通常是困難的。
圖33示出n溝道MOS晶體管的柵壓和漏極電流之間的關(guān)系。橫坐標(biāo)給出漏極電流Ids，而縱坐標(biāo)給出柵壓(即，參考源極電壓的柵壓)Vgs。MOS晶體管的閾電壓定義為一定數(shù)量的漏極電流流動(dòng)時(shí)的柵壓。在具有例如10微米的柵極寬度的MOS晶體管中，把1微安漏極電流流動(dòng)時(shí)的柵極電壓Vgs稱為閾電壓Vth。在MOS晶體管中，當(dāng)柵壓Vgs降低到或者低于所述閾電壓時(shí)，漏極電流Ids按指數(shù)率下降(由于圖33具有對數(shù)標(biāo)度，所以，圖中的曲線線性下降)，但是，甚至當(dāng)柵壓Vgs下降到0伏時(shí)，漏極電流Ids也不下降到0值。
當(dāng)MOS晶體管的閾電壓從Vth1下降到Vth2時(shí)，MOS晶體管的特征曲線從曲線I變化到曲線II。
相應(yīng)地，柵壓Vgs為0伏時(shí)流動(dòng)的電流(即，子閾值電流)從I1增加到I2。單純降低閾電壓導(dǎo)致所述子閾值電流的增加，因此增加了電流消耗?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)換圖33中柵壓Vgs的符號來推導(dǎo)出p溝道MOS晶體管的特性，同時(shí)出現(xiàn)類似的問題。
根據(jù)利用16兆DRAM的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以下問題。在電源電壓為2伏的情況下，當(dāng)n溝道和p溝道MOS晶體管的閾電壓的絕對值都降低到大約0.4伏時(shí)，備用期間(芯片的不激活狀態(tài)期間)消耗的電源電流增加到大約500微安。在實(shí)際操作中，所述DRAM被保持在備用狀態(tài)，在該狀態(tài)期間，所述DRAM被設(shè)定到自刷新方式、即、數(shù)據(jù)保持方式，并且在內(nèi)部進(jìn)行刷新操作。在這種數(shù)據(jù)保持方式操作中，除了備用期間消耗的備用電流之外，在刷新期間還需要消耗大約50微安刷新電流。鑒于自刷新操作所需要的刷新電流，處在數(shù)據(jù)保持方式的便攜式裝置一般需要消耗大約100微安或者小一些的備用電流。例如，公開讓公眾審查的日本專利第6-28847(1994)已經(jīng)公開了一種用來抑制備用狀態(tài)下(備用周期)的亞閾電流的結(jié)構(gòu)。
圖34示意地示出傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲器的總體結(jié)構(gòu)。在圖34中，半導(dǎo)體存儲器PSR包括內(nèi)部電路LC，它包含存儲器陣列和外圍電路系統(tǒng)；偏壓產(chǎn)生電路VBG，它把偏壓VBB和VWB輸送到為形成內(nèi)部電路LC而提供的并且包含阱和基片的基片區(qū)；數(shù)據(jù)保持方式檢測電路DRD，它檢測根據(jù)外加的數(shù)據(jù)保持方式指定信號ZRF和電源電壓而對數(shù)據(jù)保持方式的指定；以及偏壓控制電路VBC，它與來自數(shù)據(jù)保持方式檢測電路DRD的保持方式檢測信號DRM的激活一致地增加由偏壓產(chǎn)生電路VBG產(chǎn)生的偏壓VBB和VWB的絕對值。
內(nèi)部電路LC包括在p型基片上形成的n溝道MOS晶體管和在n型基片上形成的p溝道MOS晶體管。數(shù)據(jù)保持方式檢測電路DRD確定當(dāng)保持方式指定信號ZRF在預(yù)定的時(shí)間周期被保持在L電平時(shí)、或者當(dāng)電源電壓被設(shè)定到或低于預(yù)定的電壓電平時(shí)指定所述數(shù)據(jù)保持方式。偏壓產(chǎn)生電路VBG把負(fù)偏壓VBB加到p型基片區(qū)，而把正偏壓VWB加到n型基片區(qū)。下面將參考圖35的波形圖描述圖34中所述的半導(dǎo)體器件的操作。
在正常方式(正常操作方式)下，電源電壓保持在例如5伏的電壓電平。在這種狀態(tài)下，保持方式指定信號ZRF處在H電平的不激活狀態(tài)，而來自數(shù)據(jù)保持方式檢測電路DRD的保持方式檢測信號DRM處在L電平的不激活狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，由偏壓產(chǎn)生電路VBG提供的基片偏壓VBB保持在-3×Vthn的電壓電平，而基片偏壓VWB保持在電源電壓VCC的電平。Vthn代表n溝道MOS晶體管的閾電壓。
在時(shí)間T0，指定數(shù)據(jù)保持方式，并且電源電壓VCC被降低到3伏的電平。通過以下方法檢測這種數(shù)據(jù)保持方式數(shù)據(jù)保持方式檢測電路DRD檢測到保持方式指定信號ZRF在預(yù)定的時(shí)間周期內(nèi)被設(shè)定在L電平，或者檢測到電源電壓的電平降低了。當(dāng)進(jìn)入數(shù)據(jù)保持方式時(shí)，在時(shí)間t0，來自數(shù)據(jù)保持方式檢測電路DRD的保持方式檢測信號DRM被激活而達(dá)到H電平，并且來自偏壓控制電路VBC的偏壓控制信號VCL。偏壓產(chǎn)生電路VBG與偏壓控制信號VCL一致地把偏壓VBB降低到-4Vthn，而把偏壓VWB的電平提高到VCC+|Vthp|，其中，Vthp代表p溝道MOS晶體管的閾電壓。
偏壓VBB和VWB分別提供n溝道和p溝道MOS晶體管的反向柵電位。在MOS晶體管中，當(dāng)反向柵電位的絕對值增加時(shí)，其閾電壓的絕對值也增加。通過增加偏壓VBB和VWB的絕對值并由此加大這些晶體管的閾電壓的絕對值來減小p溝道和n溝道MOS晶體管的亞閾電流。
在時(shí)間t1，從數(shù)據(jù)保持方式返回而進(jìn)入正常方式，使得電源電壓回到5伏的電壓電平，并且數(shù)據(jù)保持方式檢測信號DRM被設(shè)定到L電平的不激活狀態(tài)。從而，偏壓VBB再次上升到3Vthn的電壓電平，而偏壓VWB返回到電源電壓VCC的電壓電平。
在正常方式中，減小偏壓VBB和VWB的絕對值，以便減小MOS晶體管的閾電壓的絕對值，從而有可能獲得所述半導(dǎo)體器件在正常方式下所需要的工作特性。
在上述公開讓公眾審查的日本專利第6-28847中，在數(shù)據(jù)保持方式下，為了減小亞閾電流，增加了偏壓的絕對值從而加大了MOS晶體管的閾電壓的絕對值。該先有技術(shù)參考文獻(xiàn)涉及在工作溫度上升時(shí)亞閾電流的有害的上升，但是，未涉及在用例如2伏的低的電源電壓工作的半導(dǎo)體存儲器中、為獲得高速操作能力而降低MOS晶體管的閾電壓。此外，由于在數(shù)據(jù)保持方式下加到形成內(nèi)部電路LC的整個(gè)基片區(qū)的偏壓VBB和VWB變化，所以，圖34中所示的結(jié)構(gòu)受到動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體存儲器所特有的問題的損害。
圖36是圖34中所示的內(nèi)部電路的部分截面圖。在圖36中，在p型半導(dǎo)體基片900上形成外圍電路系統(tǒng)和存儲器陣列。在形成于半導(dǎo)體基片900表面的N型阱901和P型阱906處形成所述外圍電路系統(tǒng)。在P型阱920上形成存儲器陣列，所述P型阱920形成于P型半導(dǎo)體基片900的表面、并且與P型阱906隔開。這種結(jié)構(gòu)一般稱為雙阱結(jié)構(gòu)。
N型阱901經(jīng)由重?fù)诫sN型雜質(zhì)區(qū)(N+區(qū))902接受偏壓VWB。在N型阱901的表面形成重?fù)诫sP型雜質(zhì)區(qū)(P+區(qū))903和904，并且還在那里、在P+區(qū)903和904之間的溝道區(qū)上形成柵極905，在柵極和所述溝道區(qū)之間有柵極絕緣薄膜(未示出)。P+雜質(zhì)區(qū)903和904以及柵極905形成p溝道MOS晶體管?？梢允∪ヅcp型半導(dǎo)體基片900電連接的的P型阱906。
在P型阱906的表面形成彼此隔開的N+區(qū)908和909，并且還在那里、在N+區(qū)908和909之間的溝道區(qū)上形成柵極910，在該柵極和所述溝道區(qū)之間有未示出的柵極絕緣薄膜。N+區(qū)908和909以及柵極層910形成n溝道MOS晶體管。在圖36中，P+區(qū)903接受電源電壓VCC，而N+區(qū)908接受地電壓VSS。P+區(qū)904和N+區(qū)909相互連接，而柵極905和910相互連接。這些結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)CMOS反相器，它把輸入信號反相、并且產(chǎn)生輸出信號OUT。
在所述存儲器陣列中，P型阱(或者p型半導(dǎo)體層)920經(jīng)由P+區(qū)921接受偏壓VBB。在P型阱920的表面形成彼此隔開的N+區(qū)922和923，并且還在那里、在N+區(qū)922和923之間的溝道區(qū)上形成柵極層926，在該柵極和所述溝道區(qū)之間有未示出的柵極絕緣薄膜。導(dǎo)電層924電連接到N+區(qū)923。在導(dǎo)電層924上形成導(dǎo)電層925，在導(dǎo)電層924和925之間有電容絕緣薄膜(未示出)。N+區(qū)922連接到位線BL，而柵極層926連接到字線WL。導(dǎo)電層925接受恒壓電池板電壓VCP。在這種存儲器陣列中，N+區(qū)922和923以及柵極926形成存儲單元的存取晶體管，而N+區(qū)923和導(dǎo)電層924、925形成數(shù)據(jù)存儲電容器。
圖37是圖36中所示的存儲器陣列的等效電路圖。在圖37中，存儲器單元包含n溝道MOS晶體管MQ，它具有連接到字線WL的柵極以及分別連接到位線BL和存儲節(jié)點(diǎn)SN的各導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)；電容器Cg，它連接在存儲節(jié)點(diǎn)SN和用來施加電池板電壓VCP的節(jié)點(diǎn)之間；以及電容器Cj，它連接在存儲節(jié)點(diǎn)SN和用來施加偏壓VBB的節(jié)點(diǎn)之間。MOS晶體管MQ對應(yīng)于圖36中包含N+區(qū)922和923以及柵極926的結(jié)構(gòu)。電容器Cg對應(yīng)于由導(dǎo)電層924和925形成的電容器。電容器Cj對應(yīng)于在N+區(qū)923和P型阱920之間形成的電容。還把基片偏壓VBB加到外圍電路中MOS晶體管PH的反向柵(back gate)。外圍電路中的晶體管PH對應(yīng)于由圖36中的N+區(qū)908和909以及柵極910形成的晶體管。在所述動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體存儲器中，存儲節(jié)點(diǎn)SN以電荷的形式存儲信息。
在數(shù)據(jù)保持方式下，所述動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體存儲器周期性地對所存儲的數(shù)據(jù)執(zhí)行刷新操作。更具體地說，選擇字線WL，并且借助于MOS晶體管MQ把存儲在存儲節(jié)點(diǎn)SN的電荷讀出到位線BL。像上述那樣讀出的位線電位被未示出的讀出放大器放大，并且如此放大后的位線電位被寫入存儲節(jié)點(diǎn)SN。在數(shù)據(jù)保持方式下，當(dāng)基片偏壓VBB的絕對值增加時(shí)，MOS晶體管MQ的閾電壓Vthn增加。在這種情況下，如果存儲節(jié)點(diǎn)SN已經(jīng)存儲H電平的數(shù)據(jù)，那么，由于MOS晶體管MQ兩端的閾電壓損失，讀出到位線BL的讀出電壓降低了，因此，所述讀出放大器的操作容限(即，電壓差未逼近精確的讀數(shù))降低了。因此，在這種狀態(tài)下，可能不能準(zhǔn)確地進(jìn)行所述存儲數(shù)據(jù)的刷新操作。
在圖38A中所示的時(shí)間t0，該器件的操作方式從正常方式轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)保持方式。這時(shí)，如果基片偏壓VBB具有大的絕對值，即，如果基片的電位降低，那么，由于電容器Cj的容性耦合而使存儲節(jié)點(diǎn)SN的電位降低(MOS晶體管MQ截止并且存儲節(jié)點(diǎn)SN浮空)。因此，如果存儲節(jié)點(diǎn)SN已經(jīng)存儲H電平的數(shù)據(jù)，那么，此處正電荷的量以及因此H電平數(shù)據(jù)的電平降低，使得刷新操作期間圖38B中所示的位線BL上的所述讀出電壓降低。因此，讀出余量(讀出操作容限)同樣地降低。
當(dāng)在圖38A中T1時(shí)間從數(shù)據(jù)保持方式返回到正常方式時(shí)，基片偏壓VBB的絕對值減小。因此，基片偏壓VBB在正方向上變化。這時(shí)，由于電容器Cj的容性耦合的緣故，存儲節(jié)點(diǎn)SN上的電位上升。當(dāng)存儲節(jié)點(diǎn)SN已經(jīng)存儲L電平的數(shù)據(jù)時(shí)，該L電平數(shù)據(jù)的電位上升。在這種情況下，在正常方式下，該存儲單元的存儲數(shù)據(jù)的讀出電壓降低(見圖38B)，并且L電平數(shù)據(jù)的讀出余量減小，導(dǎo)致在正常方式下可能不能準(zhǔn)確地讀出數(shù)據(jù)的問題。
如圖38B中所示，通常把位線BL上的讀出電壓預(yù)充電到等于電池板電壓VCP的電壓電平的中間電平。讀出H電平數(shù)據(jù)時(shí)的位線電壓高于該中間電壓，而讀出L電平數(shù)據(jù)時(shí)的L讀出電壓等于該中間電壓和位線BL上呈現(xiàn)的電壓之間的差值。當(dāng)H電平數(shù)據(jù)的電位降低時(shí)，H讀出電壓降低。當(dāng)L電平數(shù)據(jù)的電位上升時(shí)，L讀出電壓降低。具體地說，當(dāng)采用2.0伏的低的電源電壓VCC時(shí)，讀出電壓的變化對操作產(chǎn)生大的影響。這是由于讀出電壓ΔV可以用以下的公式表示、并且甚至在精確地操作時(shí)讀出電壓ΔV的絕對值也降低的緣故ΔV＝±(CS×VCC)(1/(CS+CB))
其中，CS代表存儲器單元中電容器的電容量(并聯(lián)的電容器Cg和Cj的組合)，以及CB代表位線電容量。符號“±”代表H讀出電壓和L讀出電壓。
本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體存儲器，其中，在允許采用低電源電壓的同時(shí)、在不影響存儲數(shù)據(jù)的情況下減小電流消耗。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在不對存儲單元中的存儲數(shù)據(jù)產(chǎn)生有害的影響的情況下減小數(shù)據(jù)保持方式下的電流消耗的動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的存儲器包括包含大量存儲單元的存儲單元陣列；陣列偏壓電路，用來為其中形成存儲單元陣列的基片區(qū)提供恒定偏壓；外圍電路，用來把存儲單元陣列激活到所選擇的狀態(tài)，以及外圍偏壓電路，用來為其中形成外圍電路的基片區(qū)提供偏壓。所述外圍偏壓電路包括偏壓控制電路，后者用來把由所述外圍偏壓電路提供的偏壓在數(shù)據(jù)保持方式指定信號處于激活狀態(tài)期間的值設(shè)定為大于該數(shù)據(jù)保持方式指定信號處于非激活狀態(tài)期間的值。
在正常方式和數(shù)據(jù)保持方式兩種方式下，為存儲單元陣列提供的恒定偏壓都是固定的。在數(shù)據(jù)保持方式指定信號處于激活狀態(tài)的數(shù)據(jù)保持方式期間，為其中形成外圍電路的基片區(qū)提供偏壓，該偏壓的絕對值大于在數(shù)據(jù)保持方式指定信號處于非激活狀態(tài)的正常方式期間為該基片區(qū)提供的偏壓的絕對值。從而，由于在該外圍電路中形成的晶體管元件的反向柵效應(yīng)、晶體管元件的閾電壓的絕對值增加了，并且抑制了亞閾電流。同時(shí)，加到所述存儲單元陣列區(qū)的偏壓是恒定的。這抑制了存儲單元電容器的存儲節(jié)點(diǎn)上的電位的變化，在從正常方式轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)保持方式的時(shí)候發(fā)生這種變化、反之亦然。
根據(jù)以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲器的基本操作的波形圖；圖2說明本發(fā)明的操作原理；
圖3示意地顯示本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲器的總體結(jié)構(gòu)；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體存儲器的陣列和外圍電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖5A顯示圖3中所示的刷新控制電路和控制信號產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)；圖5B是說明圖5A中所示的電路的操作的波形圖；圖6示意地顯示圖5中所示的SELF產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)；圖7示意地顯示圖6中所示的SELF產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖8是說明圖6和7中所示的SELF產(chǎn)生電路的操作的波形圖；圖9示意地顯示圖3所示的外圍偏壓電路中p溝道MOS晶體管基片偏壓產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu)；圖10是說明圖9中所示的電路在接通電源時(shí)所執(zhí)行的操作的波形圖；圖11示意地顯示圖9中所示的振蕩電路的結(jié)構(gòu)；圖12顯示圖9中所示的參考電壓產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖13A顯示圖9中所示的控制信號產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖13B是說明圖13A中所示的電路的操作的波形圖；圖14顯示圖9中所示的差分放大電路的具體結(jié)構(gòu)；圖15是說明圖14中所示的差分放大電路的操作的波形圖；圖16顯示圖9中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖17顯示圖9中所示的VPB產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖18具體地顯示圖9中所示的第一VPB電平保持電路的結(jié)構(gòu)；圖19具體地顯示圖9中所示的第二VPB電平保持電路的結(jié)構(gòu)；圖20A顯示圖9中所示的選擇電路的具體結(jié)構(gòu)；圖20B是說明圖20A中所示的電路的操作的波形圖；圖21示意地顯示用來為外圍偏壓電路中n溝道MOS晶體管基片區(qū)產(chǎn)生和提供偏壓的部分的結(jié)構(gòu)；圖22是說明圖21中所示的電路在接通電源時(shí)所執(zhí)行的操作的波形圖；圖23具體地顯示圖21中所示的參考電壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)；圖24A顯示圖21中所示的差分放大電路的結(jié)構(gòu)；圖24B是說明圖24A中所示的電路的操作的波形圖；圖25顯示圖21中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖26顯示圖21中所示的VNB產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu)；圖27顯示圖21中所示的第一VNB電平保持電路的具體結(jié)構(gòu)；圖28顯示圖21中所示的第二VNB電平保持電路的具體結(jié)構(gòu)；圖29A顯示圖21中所示的選擇電路的具體結(jié)構(gòu)；圖29B是說明圖29A中所示的電路的操作的波形圖；圖30A示意地顯示外圍電路系統(tǒng)中MOS晶體管的截面結(jié)構(gòu)；圖30B顯示圖30A中結(jié)構(gòu)的等效電路；圖31是說明圖3中所示的陣列偏壓電路的結(jié)構(gòu)的方塊圖；圖32顯示圖3中所示的陣列偏壓電路的改型的結(jié)構(gòu)；圖33舉例說明MOS晶體管的子閾值電流；圖34示意地顯示先有技術(shù)中半導(dǎo)體存儲器的結(jié)構(gòu)；圖35是說明圖34中所示的半導(dǎo)體存儲器的操作的波形圖；圖36示意地顯示作為圖34中所示的內(nèi)部電路的元件的MOS晶體管的截面結(jié)構(gòu)；圖37顯示包含在圖34中所示的內(nèi)部電路中的存儲器陣列的存儲器單元的結(jié)構(gòu)；圖38A是說明圖37中所示的存儲器單元的操作的波形圖；以及圖38B舉例說明圖37中存儲器單元的問題。
(基本操作的描述)圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體存儲器的基本操作的時(shí)序圖。在以下的說明中，把DRAM作為半導(dǎo)體存儲器的例子來描述，但是，本發(fā)明可以用于能夠工作在數(shù)據(jù)保持方式的各種類型的半導(dǎo)體存儲器中。
在圖1的時(shí)刻t0，行地址選通信號/RAS處在H電平，并且列地址選通信號/CAS降落到L電平。在從t0開始的10ns(納秒)之后的時(shí)刻t1，行地址選通信號/RAS降落，并且設(shè)定列地址選通信號/CAS在行地址選通信號/RAS之前(CBR)的刷新方式。當(dāng)設(shè)定這種CBR刷新方式時(shí)，存儲單元數(shù)據(jù)的刷新操作是隨著行地址選通信號/RAS的降落而在內(nèi)部進(jìn)行的。
在行地址選通信號/RAS和列地址選通信號/CAS都保持在L電平100微秒之后，在時(shí)刻t2激活自刷新激活信號(SELF)，使得所述半導(dǎo)體存儲器進(jìn)入自刷新方式，即，數(shù)據(jù)保持方式。在時(shí)刻t2之前，外圍電路中p溝道MOS(PMOS)晶體管的基片電位保持在作為各種工作電源電壓之一的電源電壓VCC的電平，而外圍電路中n溝道MOS(NMOS)晶體管的基片電位保持在作為另一種電源電壓電平的0伏的地電位(GND)電平。其中形成存儲單元的陣列基片區(qū)的電位VBB保持在預(yù)定的負(fù)電位電平。
在時(shí)刻T2，自刷新激活信號(SELF)被激活，使得所述外圍電路中PMOS和NMOS晶體管的基片電位改變。在從時(shí)刻t2開始的幾十或者幾百納秒之后的時(shí)刻t3，PMOS晶體管的基片電位從電源電壓VCC變化到更高的電位、并且被穩(wěn)壓，而外圍NMOS晶體管的基片電位完成從0伏的地電位到負(fù)電位VNB的變化、并且被穩(wěn)壓。因此，所述外圍電路中的PMOS和NMOS晶體管的基片電位的絕對值增加，并且，其閾電壓的絕對值上升。因而，抑制了外圍電路中的子閾值電流，這允許低功率工作。即使在這種自刷新方式中，其中形成存儲單元的陣列基片的電位也保持在恒定的偏壓VBB。因此，所述存儲單元的存儲節(jié)點(diǎn)的電位不變，并且穩(wěn)定地保持在對應(yīng)于所存儲的電荷的電位。
在這種自刷新方式下，在預(yù)定的時(shí)間周期執(zhí)行刷新操作。
在時(shí)刻T4，行地址選通信號/RAS的電平上升。在從時(shí)刻t4開始的幾十或者幾百納秒之后的時(shí)刻t5，自刷新激活信號(SELF)被停止，并且從自刷新方式轉(zhuǎn)換到正常方式。由于以下的原因，在時(shí)刻t4和t5之間形成一定的時(shí)間間隔。當(dāng)在時(shí)刻t4行地址選通信號/RAS上升到H電平時(shí)，有可能正在內(nèi)部進(jìn)行刷新操作、并且必須保證完成這種刷新操作。時(shí)刻t4和t5之間的時(shí)間間隔是為完成這種刷新操作而提供的，并且被設(shè)定為等于最大的刷新操作周期的值(幾百納秒)。
在時(shí)間t5，自刷新激活信號(SELF)被停用。從而，外圍電路的基片電位變化，使得外圍PMOS(p溝道MOS)晶體管的基片電位開始降低，并且外圍NMOS(n溝道MOS)晶體管的基片電位開始上升。
在從時(shí)刻t5開始的幾十或者幾百納秒之后的時(shí)刻t6，外圍PMOS晶體管的基片電位從電位VPB變化到電源電位VCC、并且被穩(wěn)壓。外圍NMOS晶體管的基片電位也完成從電位VNB到0伏的地電位的變化。從而，外圍電路中晶體管的閾電壓的絕對值減小，這允許快速操作。存儲單元陣列基片的電位不變化，并且保持恒定的偏壓VBB。
目前一般使用的DRAM的電源電壓是3.3伏，并且其中使用的PMOS和NMOS晶體管的閾電壓的幅度滿足以下關(guān)系VTN＝|VTP|＝0.7伏。在例如需要降低功率消耗的便攜式裝置的器件中需要大約2.0伏的電源電壓。假設(shè)電源電壓是2.0伏，那么，根據(jù)以下觀點(diǎn)，即，適當(dāng)?shù)卮_保DRAM的操作速度以及相對于可能由制造參數(shù)的變化引起的閾電壓的變化的操作穩(wěn)定性，最好是與電源電壓的降低成比例地把閾電壓的絕對值降低到大約0.42伏(＝0.7×2.0/3.3)。根據(jù)用16兆DRAM進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電源電壓從3.3伏降低到2.0伏時(shí)，VTN＝|VTP|＝0.7伏的MOS晶體管的操作速度降低大約1.5倍。關(guān)于這一點(diǎn)的原因說明如下。隨著閾電壓與電源電壓的比值的增加，即使信號的幅度小，MOS晶體管充電/放電開始時(shí)的信號起始時(shí)間被延遲了。當(dāng)MOS晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，漏極電流與柵極對源極的電壓和閾電壓的絕對值之間的差值的平方成正比，因此，充電/放電電流是小的，從而信號不能快速地變化。這些就是上述速度降低的原因。
根據(jù)使用16兆DRAM進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，還發(fā)現(xiàn)了以下問題。在使用閾電壓絕對值為0.7伏的MOS晶體管的DRAM中，當(dāng)電源電壓是3.3伏時(shí)，在備用(芯片的非激活狀態(tài))期間有大約10微安的電源電流流動(dòng)。同時(shí)，如果閾電壓的絕對值降低0.4伏，那么，甚至當(dāng)電源電壓是2伏時(shí)，備用期間的電源電流也增加到大約500微安。在實(shí)際操作中，以這樣的方式把DRAM的芯片保持在備用狀態(tài)，即，把該DRAM設(shè)定到自刷新方式，也就是數(shù)據(jù)保持方式，并且，在內(nèi)部周期性地刷新存儲單元數(shù)據(jù)。通常，根據(jù)便攜式裝置的技術(shù)要求，一般要求在數(shù)據(jù)保持方式下自刷新操作期間消耗的備用電流為大約100微安或者更小。
因此，在正常方式下(工作期間而不是自刷新激活狀態(tài)期間)，為外圍電路的MOS晶體管設(shè)定淺基片偏壓，把這些外圍MOS晶體管的閾電壓的絕對值設(shè)定為大約0.4伏，如圖1中所示。當(dāng)該DRAM進(jìn)入自刷新方式、即、數(shù)據(jù)保持方式時(shí)，基片電位的絕對值加大，以及外圍MOS晶體管的閾電壓的絕對值增加到大約0.7伏。在正常操作(即，從外部讀出和寫入數(shù)據(jù)的訪問操作)期間，所述DRAM必須進(jìn)行如此快速的操作，以致每個(gè)邏輯門的延遲時(shí)間是大約500微微秒(皮秒)至1納秒，以便實(shí)現(xiàn)快速訪問。這滿足了使外圍電路中的MOS晶體管的閾電壓的絕對值小以及進(jìn)行快速操作的要求。同時(shí)，在只進(jìn)行數(shù)據(jù)保持操作而不進(jìn)行外部訪問的自刷新方式下，內(nèi)部刷新周期是大約一百幾十微秒，這比正常操作下的周期時(shí)間(即，一次訪問操作所需要的時(shí)間)長大約一千倍。因此，甚至當(dāng)外圍電路中MOS晶體管的閾電壓的絕對值加大從而電路的延遲時(shí)間增加大約1.5倍時(shí)，也不出現(xiàn)問題、并且確保實(shí)施存儲單元數(shù)據(jù)的內(nèi)部刷新。大部分刷新電流消耗在對位線的充電/放電方面，并且，由于50微安+10微安＜100微安，所以，完全能夠滿足對于所述保持方式下的電源電流的要求。
在正常方式下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出，并且，流通大約50至大約100毫安的電源電流。甚至當(dāng)外圍MOS晶體管的閾電壓的絕對值降低時(shí)，所述電源電流也只增加大約幾毫安，并且由閾電壓的絕對值的降低引起的電源電流的這種增加僅僅對操作期間的電源電流產(chǎn)生極輕微的影響。
如圖1中所示，由于下面的原因，需要用于改變(穩(wěn)定)外圍電路中MOS晶體管的基片電位的時(shí)間。外圍電路的外圍基片區(qū)(形成外圍電路中的MOS晶體管的區(qū)域(阱或者半導(dǎo)體層))形成所述MOS晶體管的反向柵極，因此，在所述基片區(qū)存在比較大的寄生電容(PN結(jié)電容)。因此，為了改變所述基片電位，需要幾十至幾百納秒的時(shí)間，但是，即使從正常操作方式改變到自刷新方式(反之亦然)需要長的時(shí)間，也不出現(xiàn)實(shí)際問題。當(dāng)從正常方式變化到自刷新方式時(shí)，在使所述基片電位穩(wěn)定之后，僅僅需要進(jìn)行刷新操作。當(dāng)從自刷新方式變化到正常方式時(shí)，在使所述基片電位穩(wěn)定之后，僅僅需要按照說明書規(guī)定應(yīng)當(dāng)進(jìn)行訪問，并且根據(jù)說明書中規(guī)定的條件進(jìn)行訪問。
因此，如圖1中所示，在自刷新方式、即、數(shù)據(jù)保持方式中，外圍MOS晶體管的反向柵極電壓的絕對值、因此其閾電壓的絕對值加大。同時(shí)，在正常操作方式中，外圍電路中的MOS晶體管的反向柵極電壓(基片電位)的絕對值、因此其閾電壓的絕對值變小。因此，有可能實(shí)現(xiàn)類似于使用3.3伏電源電壓的DRAM那樣的操作速度以及備用期間的小的功率消耗。由于存儲單元陣列的基片電位是固定的，所以，存儲單元的存儲節(jié)點(diǎn)上的電位不變化，這樣不損害讀出數(shù)據(jù)，因此，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行刷新操作并保持?jǐn)?shù)據(jù)。
(閾電壓和反向柵極電壓之間的關(guān)系)圖2示意地示出MOS晶體管的閾電壓Vth隨著反向柵極和源極之間的電位差的變化?？梢杂靡韵碌墓?1)來表示NMOS晶體管的閾電壓Vth。
Vth＝VTH0+|K|[(|2·φF|+|VBS|)1/2-(|2·φF|)1/2]…(1)在公式(1)中，VBS代表參考源極電位的反向柵極電位，K代表效能常數(shù)，ΦF代表基片表面電位，以及VTHO代表當(dāng)VBS是0伏時(shí)的閾電壓。在NMOS晶體管中，如從圖2的曲線可以明白的，閾電壓Vth隨著反向柵極電壓VBS在負(fù)值方向上的增加而增加?，F(xiàn)在假定例如通過控制離子注入劑量來制備兩種MOS晶體管、當(dāng)VBS是0伏時(shí)它們的閾電壓分別是0.7伏和0.38伏，并且假定在具有0.7伏的閾電壓Vth0的NMOS晶體管中設(shè)定0伏的反向柵極電壓VBS、以及在具有0.38伏的閾電壓Vth0的NMOS晶體管的反向柵極上加有0伏或者-1.4伏的電壓。具有0.7伏的閾電壓Vth0的NMOS晶體管的閾電壓Vth總是固定在0.7伏，這是由于其反向柵極電壓VBS是0伏的緣故。具有038.伏的閾電壓Vth0的NMOS晶體管的閾電壓Vth在反向柵極電壓VBS是0伏時(shí)是0.38伏、而在反向柵極電壓是-1.4伏時(shí)是大約0.7伏。
因此，把外圍電路中確定DRAM的操作速度的NMOS晶體管的反向柵極電壓VBS在正常工作方式下設(shè)定為0伏、而在備用狀態(tài)(數(shù)據(jù)保持方式以及自刷新方式)下設(shè)定為-1.4伏，從而能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作方式下的快速操作以及備用期間的低電源電壓操作。
在DRAM中，操作速度主要決定于外圍電路。在PMOS晶體管中也建立了反向柵極電壓和閾電壓之間的所述關(guān)系。在PMOS晶體管中，如果反向柵極電壓在正方向增長，那么，其閾電壓降低(在負(fù)方向增長)。因此，通過這樣設(shè)定作為外圍電路的元件的PMOS和NMOS晶體管的反向柵極電壓、即、基片柵壓，使得它們在正常工作方式下的絕對值大于在數(shù)據(jù)保持方式下的絕對值，就有可能提高正常工作方式下的操作速度、并且減小數(shù)據(jù)保持方式下的功率消耗。
(設(shè)定自刷新方式)如已經(jīng)描述的，自刷新方式用于數(shù)據(jù)保持。如下面將要描述的，自刷新方式可以有效地用作把消耗功率減至最小的措施，所述功率僅僅在進(jìn)行數(shù)據(jù)保持操作時(shí)才被消耗。借助于CBR(所述列地址選通信號/CAS在行地址選通信號/RAS之前)條件來設(shè)定自刷新方式。行地址選同信號指定DRAM的存儲單元選擇操作、并且還確定選用DRAM內(nèi)部電路系統(tǒng)的時(shí)間周期。列地址選通信號/CAS確定接收列地址信號的時(shí)序和控制列選擇操作的時(shí)序，并且還用作在正常工作方式(正常方式)下確定寫入和讀出外部數(shù)據(jù)的時(shí)序的信號。
在自刷新方式下，在DRAM內(nèi)部提供的地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生刷新地址(即，指定待刷新的行的地址)，并且，在DRAM內(nèi)部提供的定時(shí)器提供刷新時(shí)序(即，用來刷新存儲單元數(shù)據(jù)的時(shí)序)。因此，不必例如由外部DRAM控制器周期性地產(chǎn)生用來限定刷新時(shí)序的脈沖信號。相應(yīng)地，減小了在諸如DRAM控制器的外部刷新控制電路中消耗的功率以及在整個(gè)系統(tǒng)中消耗的功率。在所述CBR刷新方式下，響應(yīng)來自所述內(nèi)部定時(shí)器的刷新請求信號而執(zhí)行刷新操作。只要行地址選通信號/RAS被設(shè)定在L電平，就以不變的周期、例如125微秒的周期重復(fù)地進(jìn)行刷新操作。
(總體結(jié)構(gòu))圖3示意地顯示根據(jù)本發(fā)明的DRAM的總體結(jié)構(gòu)。在圖3中，所述DRAM包括存儲單元陣列100，其動(dòng)態(tài)存儲單元排列成行和列的矩陣形式；行譯碼器102，它把內(nèi)部行地址信號RA譯碼，以便選擇存儲單元陣列中的相應(yīng)的行；讀出放大器組104，它讀出和放大連接到存儲單元陣列100中所選擇的行的存儲單元的數(shù)據(jù)；列譯碼器106，它把所施加的內(nèi)部列地址信號CA譯碼、從而產(chǎn)生用來選擇存儲單元陣列100中相應(yīng)的列的列選擇信號；以及輸入/輸出門108，它響應(yīng)來自列譯碼器106的所述列選擇信號而把存儲單元陣列100中被選擇的列連接到內(nèi)部數(shù)據(jù)線110。
讀出放大器104包括與存儲單元陣列100中各個(gè)列相對應(yīng)地設(shè)置的讀出放大器。存儲單元陣列100中的每一列一般由一對位線構(gòu)成，并且，每一個(gè)讀出放大器以微分的方式放大相應(yīng)的位線對上的電位。
所述DRAM還包括多路復(fù)用器112，它允許外加的地址信號A和來自地址計(jì)數(shù)器120的刷新地址REFA中的一個(gè)通過；行地址緩沖器114，它接收來自多路復(fù)用器112的信號并且產(chǎn)生內(nèi)部行地址信號RA；列地址緩沖器116，它接收外加的地址信號A并且產(chǎn)生內(nèi)部列地址信號CA；刷新控制電路118，它接收外加的行地址選通信號/RAS和列地址選通信號/CAS，并且產(chǎn)生當(dāng)指定刷新方式時(shí)進(jìn)行刷新操作所需要的各種控制信號；RAS(行地址選通)控制信號產(chǎn)生電路122，它響應(yīng)行地址選通信號/RAS和來自刷新控制電路118的控制信號而產(chǎn)生用來控制與信號RAS有關(guān)的電路的信號；以及CAS(列地址選通)控制信號產(chǎn)生電路124，它響應(yīng)列地址選通信號/CAS和來自RAS控制信號產(chǎn)生電路122和刷新控制電路118的控制信號而產(chǎn)生用來控制與信號CAS有關(guān)的電路的信號。
來自RAS控制信號產(chǎn)生電路122的控制信號被加到行譯碼器102和行地址緩沖器114，用來確定它們的操作時(shí)序，并且還經(jīng)由未示出的路徑確定讀出放大器組的操作時(shí)序。與信號RAS有關(guān)的電路包括與行選擇有關(guān)的電路(行地址緩沖器114和行譯碼器102)以及與讀出操作有關(guān)的電路(讀出放大器組104)。
來自CAS控制信號產(chǎn)生電路124的控制信號列譯碼器106和列地址緩沖器116的操作時(shí)序，并且還確定外部寫入和讀出操作的時(shí)序。在正常操作時(shí)，當(dāng)RAS控制信號產(chǎn)生電路122激活內(nèi)部RAS信號時(shí)，CAS控制信號產(chǎn)生電路124被激活，并且，所述DRAM是激活的以及進(jìn)行行選擇操作。
所述DRAM還包括定時(shí)器126，它響應(yīng)來自刷新控制電路118的刷新指令而被激活，并且在各預(yù)定的時(shí)間間隔產(chǎn)生(激活)刷新請求信號；地址計(jì)數(shù)器120，它在刷新控制電路118的控制下執(zhí)行計(jì)數(shù)操作；寫控制電路128，它響應(yīng)來自CAS控制信號產(chǎn)生電路124的控制信號和外加的允許寫信號/WE而產(chǎn)生用來確定數(shù)據(jù)寫入時(shí)序的內(nèi)部寫信號；輸入電路130，它響應(yīng)來自寫控制電路128的內(nèi)部寫信號而從外加的寫數(shù)據(jù)D產(chǎn)生內(nèi)部寫數(shù)據(jù)并且把該數(shù)據(jù)傳送到存儲單元陣列100中所選擇的存儲單元；以及輸出電路132，它響應(yīng)來自CAS控制信號產(chǎn)生電路124的控制信號從存儲單元陣列100中所選擇的存儲單元的數(shù)據(jù)產(chǎn)生外部讀數(shù)據(jù)0。
寫控制電路128根據(jù)列地址選通信號/CAS和允許寫信號/WE的降落時(shí)序中較后的一個(gè)而產(chǎn)生內(nèi)部寫信號。輸出電路132隨著列地址選通信號/CAS的降落而被激活。
圖3中，地址緩沖器140包括行地址緩沖器114和列地址緩沖器116，分別由來自RAS和CAS控制信號產(chǎn)生電路122和124的控制信號確定它們的地址裝入時(shí)序。就外部地址信號A而論，可以以多路復(fù)用的形式或者非多路復(fù)用的形式施加行和列地址信號。輸入電路130和輸出電路132可以分別通過不同的引腳末端進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入/輸出，或者可以通過公共的引腳末端進(jìn)行所述輸入/輸出。
所述DRAM還包括陣列偏壓電路150，它總是產(chǎn)生不變的基片偏壓VBB并且把該偏壓加到形成存儲單元陣列100的基片區(qū)域；以及外圍偏壓電路160，它把偏壓VPBS和VNBS加到形成外圍電路的基片區(qū)域。當(dāng)自刷新激活信號SELF被激活時(shí)，外圍偏壓電路160增加偏壓VPBS和VNBS的絕對值，使它們超過正常方式下的值。下面將簡單描述圖3中所示的DRAM的操作。
在讀出和寫入數(shù)據(jù)的正常操作下，外圍偏壓電路160產(chǎn)生偏壓VPBS和VNBS，它們分別處在電源電壓VCC電平和地電壓VSS電平，并且把這兩種偏壓加到外圍電路基片區(qū)。如下面將描述的，所述外圍電路包括位線量化/預(yù)充電電路、以及讀出放大器、行譯碼器和列譯碼器。陣列偏壓電路150總是產(chǎn)生不變的偏壓(負(fù)電位)、并且把它加到存儲單元陣列100的基片區(qū)。多路復(fù)用器112把外部地址信號A加到行地址緩沖器114。當(dāng)行地址選通信號/RAS降落到L電平時(shí)，所述DRAM被激活，并且開始存儲單元周期。RAS控制信號產(chǎn)生電路122響應(yīng)/RAS的降落而產(chǎn)生內(nèi)部控制信號并且把它加到行地址緩沖器114。
行地址緩沖器114響應(yīng)如此施加的控制信號而從經(jīng)由多路復(fù)用器112接收的地址信號A中產(chǎn)生內(nèi)部行地址信號RA、并且把該信號RA加到行譯碼器102。行譯碼器102響應(yīng)來自RAS控制信號產(chǎn)生電路122的控制信號而把內(nèi)部行地址信號RA譯碼、以便選擇存儲單元陣列100中的相應(yīng)的行。接著，響應(yīng)未示出的來自RAS控制信號產(chǎn)生電路122的控制信號而激活讀出放大器組104，以便它放大和鎖存連接到所選擇的行的存儲單元的數(shù)據(jù)。
當(dāng)列地址選通信號/CAS降落到L電平時(shí)，列地址緩沖器116裝人外部地址信號A、并且在CAS控制信號產(chǎn)生電路124的控制下產(chǎn)生不必列地址信號CA。如果以時(shí)分多路復(fù)用的形式施加行和列地址信號，那么，從信號/RAS降落以后經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間(RAS-CAS延遲時(shí)間)之后、列地址選通信號/CAS降落。如果同時(shí)施加行和列地址信號，那么，列地址選通信號/CAS按照大體上與行地址選通信號/RAS相同的時(shí)序降落到L電平。
然后，列譯碼器106在CAS控制信號產(chǎn)生電路的控制下被激活，以便它將內(nèi)部列地址信號CA譯碼并且產(chǎn)生用來選擇存儲單元陣列100中相應(yīng)的列的列選擇信號。輸A/輸出門108響應(yīng)這種列選擇信號而并且所選擇的存儲單元陣列100中的列連接到內(nèi)部數(shù)據(jù)線110。
在數(shù)據(jù)寫操作時(shí)，允許寫信號/WE處在L電平的激活狀態(tài)，并且，當(dāng)信號/CAS和/WE兩者都到達(dá)L電平時(shí)、寫控制電路128產(chǎn)生內(nèi)部寫信號。輸入電路130根據(jù)來自寫控制電路128的內(nèi)部寫信號而從外部寫數(shù)據(jù)D中產(chǎn)生內(nèi)部寫數(shù)據(jù)。由此，把數(shù)據(jù)寫入相當(dāng)于分別由列和行譯碼器106和102選擇的列和行的交叉點(diǎn)的存儲單元中。
在數(shù)據(jù)讀出操作時(shí)，輸出電路132受控于CAS控制信號產(chǎn)生電路124、以便從在內(nèi)部數(shù)據(jù)線110上讀出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生外部讀出數(shù)據(jù)Q并且輸出該數(shù)據(jù)。
由外圍偏壓電路160施加的偏壓VPBS和VNBS的絕對值是小的，并且把作為外圍電路的元件的MOS晶體管的閾電壓設(shè)定為大約0.4伏。從而，能夠快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入/讀出。
在自刷新操作方式下，刷新控制電路118被激活。當(dāng)刷新控制電路118根據(jù)信號/RAS和/CAS的狀態(tài)的組合(CBR條件)而檢測到所述自刷新方式被指定時(shí)，它把開關(guān)信號加到多路復(fù)用器112、并且起動(dòng)地址計(jì)數(shù)器120。在正常操作方式下，把地址計(jì)數(shù)器120設(shè)定在這樣的狀態(tài)，使得它鎖存其計(jì)數(shù)值。外圍偏壓電路160隨著來自刷新控制電路118的自刷新激活信號SELF的激活而增加基片偏壓VPBS和VNBS的絕對值。由陣列偏壓電路150施加的基片偏壓VBB的電平被保持不變。從而，作為外圍電路的元件的MOS晶體管的閾電壓的絕對值增加到0.7伏。
刷新控制電路118激活定時(shí)器126，并且還把所述控制信號加到RAS控制信號產(chǎn)生電路122、以便激活RAS控制信號產(chǎn)生電路122。RAS控制信號產(chǎn)生電路122對此作出響應(yīng)而產(chǎn)生控制信號，并且，行地址緩沖器114從由地址計(jì)數(shù)器120經(jīng)由多路復(fù)用器112提供的刷新地址TEFA中產(chǎn)生內(nèi)部行地址信號RA，并把該信號加到行譯碼102。行譯碼102把從刷新地址REFA產(chǎn)生的內(nèi)部行地址信號RA譯碼，并且選擇存儲單元陣列100中相應(yīng)的行。讀出放大器組104在RAS控制信號產(chǎn)生電路122的控制下被激活，并且，用來讀出、放大和鎖存連接到所選擇的行的存儲單元的數(shù)據(jù)。
在信號/RAS處在L電平的同時(shí)，在刷新控制電路118的控制下禁止CAS控制信號產(chǎn)生電路124工作。從而，列地址緩沖器116、列譯碼器106、寫控制電路128和輸出電路132被禁止工作。在刷新控制電路118的控制下，僅僅在預(yù)定的時(shí)間周期保持來自RAS控制信號產(chǎn)生電路122的內(nèi)部控制信號。一旦這種刷新周期終止，立即停用來自RAS控制信號產(chǎn)生電路122的所有控制信號。在這種刷新周期期間，把存儲單元的、已經(jīng)被讀出放大器組104讀出、放大和鎖存的數(shù)據(jù)寫入原來的存儲單元中，從而完成存儲數(shù)據(jù)的刷新操作，并且所述DRAM返回到預(yù)充電狀態(tài)。
接著，定時(shí)器126檢測預(yù)定時(shí)間周期的消逝，并且把刷新請求信號加到刷新控制電路118。刷新控制電路118響應(yīng)這種刷新請求信號再次激活RAS控制信號產(chǎn)生電路122。當(dāng)最后的刷新操作完成時(shí)，地址計(jì)數(shù)器120已經(jīng)根據(jù)由RAS控制信號產(chǎn)生電路122施加的計(jì)數(shù)信號而將其計(jì)數(shù)值加1(或者減1)。因此，在這種刷新周期，來自地址計(jì)數(shù)器120的刷新地址REFA指定下一行。根據(jù)刷新地址REFA而執(zhí)行行選擇和存儲單元中數(shù)據(jù)的恢復(fù)(刷新)。此后，在信號/RAS和/CAS處在L電平時(shí)，在預(yù)定的時(shí)間周期執(zhí)行上述刷新操作。
當(dāng)信號/RAS上升到H電平時(shí)，刷新控制電路118將定時(shí)器126復(fù)位，并且，把多路復(fù)用器112設(shè)定為用來選擇外部地址信號A的狀態(tài)。此外，當(dāng)完成最后的刷新操作時(shí)，刷新控制電路118將其計(jì)數(shù)值改變1，并且，接著把地址計(jì)數(shù)器120設(shè)定為鎖存狀態(tài)。當(dāng)信號/RAS上升到H電平時(shí)，解除刷新控制電路118的刷新控制操作。
在自刷新方式中，在內(nèi)部自動(dòng)地刷新存儲單元中的數(shù)據(jù)。在這種操作期間，外圍偏壓電路160的偏壓VPBS和VNBS被設(shè)定為大的絕對值，并且降低了該外圍電路的子閾值電流。陣列偏壓電路150的偏壓VBB處在和正常操作方式下的相同的電平。因此，在這種刷新操作時(shí)，能夠在減小自刷新方式下的備用電流(備用期間的電源電流)和避免減小存儲單元數(shù)據(jù)的讀出電壓容限的同時(shí)可靠地進(jìn)行刷新操作。
(基片偏壓的施加形式)圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的DRAM中基片偏壓的施加形式。更具體地說，圖4顯示與一對位線BL和/BL以及一根字線WL有關(guān)的部分的結(jié)構(gòu)。為位線對BL和/BL提供預(yù)充電/均衡電路P/E和讀出放大器SA，前者用來將位線對BL和/BL上的電位均衡和預(yù)充電到中間電位VBL(＝VCC/2)，后者用來以互補(bǔ)的方式放大位線對BL和/BL上的電位。為字線WL提供行譯碼器102。
讀出放大器SA包括p溝道MOS晶體管PQ1，其導(dǎo)電端子連接到位線BL、柵極連接到位線/BL以及另一個(gè)導(dǎo)電端子接收讀出放大器激活信號SAP；p溝道MOS晶體管PQ2，其導(dǎo)電端子連接到位線/BL、柵極連接到位線BL以及另一個(gè)導(dǎo)電端子接收讀出放大器激活信號SAP；n溝道MOS晶體管NQ1，其導(dǎo)電端子連接到位線BL、柵極連接到位線/BL以及另一個(gè)導(dǎo)電端子接收讀出放大器激活信號SAN；以及n溝道MOS晶體管NQ2，其導(dǎo)電端子連接到位線/BL、柵極連接到位線BL以及另一個(gè)導(dǎo)電端子接收讀出放大器激活信號SAN。MOS晶體管PQ1和PQ2在它們的基片區(qū)(反向柵極)加有電源電壓VCC。MOS晶體管NQ1和NQ2在它們的反向柵極上加有地電壓VSS。備用期間，讀出放大器激活信號SAP和SAN被保持在中間電位電平(＝VCC/2)。
預(yù)充電/均衡電路P/E包括n溝道MOS晶體管NQ3和NQ4，它響應(yīng)均衡指令信號EQ的激活而導(dǎo)通，以便把中間電位VBL(＝VCC/2)傳送到位線BL和/BL；n溝道MOS晶體管NQ5，它響應(yīng)均衡指令信號EQ的激活而導(dǎo)通，以便把位線BL和/BL在電氣上短路。這些MOS晶體管NQ3、NQ4和NQ5在它們的反向柵極上加有地電壓VSS，并且它們的閾電壓是固定的。
存儲單元包括電容器MC，其一個(gè)電極連接到存儲節(jié)點(diǎn)SN、而另一個(gè)電極接收電池板電位VCP(＝VCC/2)；以及n溝道MOS晶體管MT，其柵極連接到字線WL，一個(gè)導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)連接到位線BL以及另一個(gè)導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)連接到存儲節(jié)點(diǎn)SN。MOS晶體管MT在其反向柵極上加有偏壓VBB。
行譯碼器102包括“與”譯碼器電路GA，它把內(nèi)部行地址信號譯碼；n溝道MOS晶體管NQ8，它在“與”譯碼器電路GA處在H電平時(shí)導(dǎo)通，從而把提升電壓VPP傳送到字線WL；以及n溝道MOS晶體管NQ6，它在譯碼器電路GA的輸出信號處在L電平時(shí)導(dǎo)通，從而把字線WL放電到地電位電平。在其柵極上接收電源電壓VCC的n溝道MOS晶體管NQ7被設(shè)置在MOS晶體管NQ8的柵極和譯碼器電路GA之間。MOS晶體管NQ6-NQ8在它們的反向柵極上接收偏壓VNBS。提升電壓VPP具有高于電源電壓的電位電平，并且，消除了存儲器晶體管MT上閾電壓損失的影響。
備用期間，均衡指令信號EQ被置為H電平。當(dāng)電源電壓為2.0伏時(shí)，均衡指令信號EQ也是2.0伏。甚至當(dāng)把MOS晶體管NQ3-NQ5的閾電壓固定在0.4伏時(shí)，位線BL和/BL的電位也等于中間電位VBL或者1.0伏，并且，在將位線電位均衡之后，沒有電流流過MOS晶體管NQ3-NQ5。此外，在備用時(shí)的讀出放大器SA中，讀出放大器激活信號SAP和SAN處在等于位線BL和/BL的預(yù)充電電位的中間電位電平，并且，沒有電流流過MOS晶體管PQ1、PQ2、NQ1和NQ2。因此，甚至當(dāng)基片偏壓固定時(shí)，也沒有漏電流流過MOS晶體管NQ1、NQ2、PQ1和PQ2。這通過降低閾電壓而獲得高速度操作。
在存儲單元中，在正常操作方式和數(shù)據(jù)保持方式(自刷新方式)下，MOS晶體管MT的反向柵極處在不變的電位VBB，并且，其閾電壓不變并保持在大約0.7伏。尤其是，為了避免可能由于存儲節(jié)點(diǎn)SN和位線BL(/BL)之間的漏電流而引起存儲電荷的流出，把該閾電壓設(shè)定為大的數(shù)值。
此外，在行譯碼器102中，為了抑制備用期間從提升電壓到地電壓的漏電流，在自刷新方式下，把MOS晶體管NQ6-NQ8的閾電壓設(shè)定為大的數(shù)值。因此，字線WL的充電/放電速度降低到微小的程度。當(dāng)柵極電路的輸出信號處在H電平時(shí)，由于MOS晶體管NQ7的閾電壓的影響，該輸出信號的電位電平降低。但是，當(dāng)字線WL被激勵(lì)時(shí)，MOS晶體管NQ8的柵極電位由于MOS晶體管NQ8的自舉功能而上升，使得MOS晶體管NQ8可靠地導(dǎo)通而不受MOS晶體管NQ7的閾電壓的上升的影響。
在譯碼電路GA中，p溝道MOS晶體管在其反向柵極接收偏壓VPBS，而n溝道MOS晶體管接收偏壓VNBS。這僅僅導(dǎo)致在自刷新方式下行選擇操作的速度的降低。能夠可靠地抑制備用期間子閾值電流的增加。
這種外圍電路包括用來把存儲單元陣列激勵(lì)到所選擇的狀態(tài)的電路，并且還包括輸入/輸出門108；列譯碼器106；地址緩沖器140；RAS控制信號產(chǎn)生電路122；CAS控制信號產(chǎn)生電路124；寫控制電路128；輸入電路130；輸出電路132；以及刷新控制電路118，如圖3中所示。但是，它不包括讀出放大器SA和位線均衡電路P/E。
(刷新控制電路的結(jié)構(gòu))圖5顯示圖3中所示的刷新控制電路118，RAS控制信號產(chǎn)生電路122和CAS控制信號產(chǎn)生電路124的結(jié)構(gòu)的例子。圖5中，刷新控制電路118包括CBR檢測電路1，它響應(yīng)信號/RAS和/CAS而產(chǎn)生表明是否指定自刷新方式的內(nèi)部刷新指令信號CBR；置位/復(fù)位觸發(fā)器2(下文簡稱為“RS觸發(fā)器”)，它響應(yīng)來自CBR檢測電路1的信號CBR而被置“1”，并且響應(yīng)信號/RAS的上升而被復(fù)位；脈沖產(chǎn)生電路3，它被RS觸發(fā)器2的輸出信號Q激活，并且，響應(yīng)信號/RAS而產(chǎn)生單穩(wěn)脈沖信號；“或”電路4，它接收來自定時(shí)器126的刷新請求信號ΦREF和脈沖產(chǎn)生電路3的輸出脈沖信號；單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路5，它響應(yīng)“或”電路4的輸出信號而產(chǎn)生單穩(wěn)脈沖信號PU；以及SELF產(chǎn)生電路6，它響應(yīng)內(nèi)部刷新指令信號CBR和行地址選通信號/RAS而產(chǎn)生自刷新激活信號SELF。
在把內(nèi)部刷新指定信號CBR置為H電平的激活狀態(tài)之后，在行地址選通信號/RAS到達(dá)L電平后經(jīng)過的預(yù)定的時(shí)間時(shí)，SELF產(chǎn)生電路6把自刷新激活信號SELF置為H電平的激活狀態(tài)。隨著行地址選通信號/RAS的上升，自刷新激活信號SELF被置為L電平的非激活狀態(tài)。
CBR檢測電路1包括反相器電路12，它把列地址選通信號/CAS反相；以及“與”電路14，它接收反相器電路12的輸出信號和行地址選通信號/RAS。當(dāng)其兩個(gè)輸入端都到達(dá)H電平時(shí)，“與”電路14產(chǎn)生H電平信號。RS觸發(fā)器2隨著內(nèi)部刷新指定信號CBR上升到H電平而被置“1”、從而從其輸出端Q產(chǎn)生H電平的信號，并且，隨著信號/RAS的上升而被復(fù)位、從而把其輸出信號Q置為L電平。來自RS觸發(fā)器2的輸出/Q的信號用作多路復(fù)用器112的選擇操作控制信號。
當(dāng)其輸入端中至少一個(gè)到達(dá)H電平時(shí)，“或”電路4產(chǎn)生H電平的信號。單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路5隨著“或”電路4的輸出信號的上升而產(chǎn)生具有預(yù)定的時(shí)間寬度的脈沖信號PU(通常，該時(shí)間寬度包含從開始行選擇操作到完成所述讀出和鎖存操作的時(shí)間間隔)。
RAS控制信號產(chǎn)生電路122包括“或非”電路20，它接收行地址選通信號/RAS和來自RS觸發(fā)器2的輸出端Q的信號；“或”電路22，它接收“或非”電路20和單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路5的輸出信號；以及RAS相關(guān)控制電路24，它響應(yīng)“或”電路22的輸出信號而產(chǎn)生控制與信號RAS相關(guān)的電路的信號。當(dāng)其輸入端中的至少一個(gè)到達(dá)H電平時(shí)，“或非”電路20產(chǎn)生L電平的信號。
CAS控制信號產(chǎn)生電路124包括RS觸發(fā)器32，它隨著內(nèi)部刷新指定信號CBR的激活而被置“1，并且隨著列地址選通信號/CAS的上升而被復(fù)位；三輸入端“或非”電路34，它接收來自RS觸發(fā)器32的輸出端Q的信號CCE以及行地址選通信號/RAS和列地址選通信號/CAS；以及RAS相關(guān)控制電路30，它響應(yīng)“或非”電路34的輸出信號而產(chǎn)生用來控制與信號RAS相關(guān)的電路的信號。下面將參考顯示自刷新操作中操作波形的圖5B描述圖5A中與自刷新控制相關(guān)的電路的操作。
當(dāng)信號/RAS和/CAS被置為/CAS在/RAS之前的時(shí)序時(shí)，來自CBR檢測電路1的信號CBR上升到H電平。內(nèi)部刷新指定信號CBR隨著行地址選通信號/RAS的降落而降落到L電平。RS觸發(fā)器2隨著內(nèi)部刷新指定信號CBR的上升而被置“1”，從而起激活定時(shí)器126并且借助于“或非”電路20而禁止行地址選通信號/RAS的行選擇操作的作用。信號CBR激活SELF產(chǎn)生電路6。
然后，隨著行地址選通信號/RAS的降落，脈沖產(chǎn)生電路3的輸出信號上升到H電平，該電平被保持預(yù)定的時(shí)間間隔，并且，“或”電路4的輸出信號上升到H電平。單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路5響應(yīng)“或”電路4的輸出信號而產(chǎn)生H電平的信號PU，該信號被保持預(yù)定的時(shí)間間隔。根據(jù)內(nèi)部RAS信號ΦRAS，RAS相關(guān)控制電路24執(zhí)行與行選擇相關(guān)的控制操作。這時(shí)，把來自RS觸發(fā)器2的輸出端/Q的信號加到多路復(fù)用器112，后者改變其連接路徑、以便從地址計(jì)數(shù)器120選擇用來施加到行地址緩沖器的所述刷新地址。
同時(shí)，RS觸發(fā)器32響應(yīng)內(nèi)部刷新指定信號CBR而被置“1”，使得其輸出端到達(dá)H電平，并且，“或非”電路34的輸出信號到達(dá)L電平。在RS觸發(fā)器32的輸出信號CCE處在H電平的同時(shí)，作為“或非”電路34的輸出信號的內(nèi)部行地址選同信號ΦRAS被保持在L電平。從而，在自刷新方式下，有可能禁止可能由例如列地址選通信號/CAS中的噪聲引起的數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤的寫和讀操作。
在內(nèi)部刷新指定信號CBR的激活之后，在把行地址選通信號/RAS置為L電平后經(jīng)過預(yù)定的時(shí)間，來自SELF產(chǎn)生電路6的自刷新激活信號SELF被激活并且到達(dá)H電平。接著，定時(shí)器126產(chǎn)生刷新請求信號ΦREF。在把自刷新激活信號SELF置為H電平的激活狀態(tài)之后從定時(shí)器126產(chǎn)生刷新請求信號ΦREF，并且，把基片電位VPBS和VNBS分別穩(wěn)定地保持在預(yù)定的電位VPB和VNB。
根據(jù)刷新請求信號ΦREF，通過“或”電路4、單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路5和“或”電路22，產(chǎn)生具有與脈沖信號PU一致的脈沖寬度的內(nèi)部RAS信號ΦRAS，以便再次執(zhí)行刷新操作。當(dāng)所述刷新操作結(jié)束時(shí)，RAS相關(guān)控制電路24把計(jì)數(shù)器120的計(jì)數(shù)值增加1或者減小1。此后，在各預(yù)定的時(shí)間間隔執(zhí)行刷新操作，更具體地說，定時(shí)器126每次產(chǎn)生刷新請求信號ΦREF。當(dāng)行地址選通信號/RAS上升到H電平時(shí)，RS觸發(fā)器2被復(fù)位，并且從其輸出端Q產(chǎn)生L電平的信號。由此，定時(shí)器126被復(fù)位，并且，所述多路復(fù)用器被置為用來選擇外部地址信號的狀態(tài)。此外，根據(jù)RS觸發(fā)器2的輸出信號，計(jì)數(shù)器120被置為用來鎖存所述計(jì)數(shù)值的狀態(tài)，該圖中未示出該過程的路徑。此外，SELF產(chǎn)生電路6被停用，并且自刷新激活信號SELF到達(dá)L電平而且被停用。
當(dāng)信號/RAS上升時(shí)，在某些情況下可能正根據(jù)來自定時(shí)器126的刷新請求信號ΦREF進(jìn)行自刷新操作。這是由于不可能從外部確定自刷新操作的進(jìn)行階段。甚至當(dāng)信號/RAS上升到H電平時(shí)，如果已經(jīng)產(chǎn)生信號ΦRAS，則根據(jù)內(nèi)部RAS信號ΦRAS執(zhí)行自刷新操作。因此，當(dāng)為了把操作方式從自刷新方式轉(zhuǎn)換到正常操作方式而要把信號/RAS從H電平降低到L電平時(shí)，正如已經(jīng)參考圖1說明的，為了穩(wěn)定基片電壓，在信號/RAS上升到H電平之后，必須使信號/RAS在H電平保持至少一個(gè)周期(相當(dāng)于信號PU的時(shí)間寬度)，以便完成所述自刷新操作。
為避免在自刷新方式下出現(xiàn)這樣的情況、即、產(chǎn)生內(nèi)部CAS信號ΦCAS并且進(jìn)行數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤的寫和讀操作，設(shè)置RS觸發(fā)器32。如果僅僅是為了避免產(chǎn)生內(nèi)部信號ΦCAS，則不需要RS觸發(fā)器32?？梢詢H僅通過把RS觸發(fā)器2的輸出信號直接加到“或非”電路34來達(dá)到上述目的。為了以下的原因而設(shè)置響應(yīng)列地址選通信號/CAS而復(fù)位的RS觸發(fā)器32，并且，還把列地址選通信號/CAS加到“或非”電路34。
在自刷新方式下，刷新地址計(jì)數(shù)器120發(fā)布刷新地址。為了周期地對DRAM中存儲單元陣列的各行的存儲單元進(jìn)行刷新操作，所述刷新地址計(jì)數(shù)器必須準(zhǔn)確地工作，并且，必須周期地發(fā)布所述刷新地址?，F(xiàn)在假定刷新地址計(jì)數(shù)器120是10位計(jì)數(shù)器，在這種情況下，每隔1024個(gè)周期必須發(fā)布同一個(gè)刷新地址。為了進(jìn)行計(jì)數(shù)器校驗(yàn)、以便確定該刷新地址計(jì)數(shù)器是否正準(zhǔn)確地工作，必須把操作方式置為自刷新方式并且在該自刷新方式下進(jìn)行存儲單元數(shù)據(jù)的寫/讀。RS觸發(fā)器32是為這個(gè)目的提供的。換言之，上述結(jié)構(gòu)是為通過信號/CAS而將觸發(fā)器32復(fù)位并且操作CAS相關(guān)電路(與列選擇相關(guān)的電路)而提供的。
在自刷新方式下，從單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路5產(chǎn)生的脈沖信號的時(shí)間寬度近似等于正常的數(shù)據(jù)寫/讀所需要的周期時(shí)間間隔的長度。在僅僅進(jìn)行一次刷新操作的CBR刷新的情況下(即，刷新操作僅僅利用刷新地址計(jì)數(shù)器而不利用定時(shí)器，并且是在信號SELF處在L電平的非激活狀態(tài)時(shí)進(jìn)行的)，用來把信號/RAS保持在L電平的時(shí)間間隔的最大值被置為大約10微秒。設(shè)定一個(gè)周期時(shí)間間隔中信號/RAS的激活狀態(tài)的最大時(shí)間間隔的目的是要避免例如由于漏電而降低字線電位，并從而避免不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的精確的寫/讀(刷新)的情況。
(SELF產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu))圖6示意地顯示圖4A中所示的SELF產(chǎn)生電路6的結(jié)構(gòu)。圖6中，SELF產(chǎn)生電路6包括降落延遲電路302，它隨著來自CBR檢測電路1的內(nèi)部刷新指令信號CBR的激活而被激活、以便按照預(yù)定的時(shí)間將行地址選通信號/RAS的降落延遲；以及激活信號產(chǎn)生電路304，它響應(yīng)降落延遲電路302的輸出信號的激活而產(chǎn)生自刷新激活信號SELF。降落延遲電路302的延遲時(shí)間確定了從施加CBR條件到進(jìn)入自刷新方式的時(shí)間間隔。CBR檢測電路1的結(jié)構(gòu)示于圖4A中。
圖7顯示圖6中所示的SELF產(chǎn)生電路6的具體結(jié)構(gòu)的例子。圖7中，SELF產(chǎn)生電路6包括RS觸發(fā)器350，其置位輸入端S接收內(nèi)部刷新指令信號CBR、而其復(fù)位輸入端R接收行地址選通信號/RAS；延遲電路352，它按照預(yù)定的時(shí)間將行地址選通信號/RAS延遲；以及門電路354，它接收來自RS觸發(fā)器350的輸出端Q的輸出信號、延遲電路352的輸出信號以及行地址選通信號/RAS。
RS觸發(fā)器350響應(yīng)內(nèi)部刷新指令信號CBR的激活而被置“1”、從而由輸出端Q產(chǎn)生H電平的信號，并且，響應(yīng)行地址選通信號/RAS的降落而被復(fù)位、從而把來自輸出端Q的輸出信號變換到L電平的非激活狀態(tài)。延遲電路352具有例如100微秒的延遲時(shí)間，并且確定從施加CBR條件到進(jìn)入自刷新方式的時(shí)間。當(dāng)RS觸發(fā)器350的輸出信號處在H電平、并且延遲電路352的輸出信號和行地址選通信號/RAS兩者都處在L電平時(shí)，門電路354把自刷新激活信號SELF置為H電平的激活狀態(tài)。下面將參考圖8的操作波形圖描述圖7中所示的SELF產(chǎn)生電路的操作。
當(dāng)滿足所述CBR條件時(shí)，內(nèi)部刷新指令信號CBR達(dá)到H電平、RS觸發(fā)器350被置“1”并且來自其輸出端的輸出信號達(dá)到H電平。當(dāng)行地址選通信號/RAS降落到L電平時(shí)，內(nèi)部刷新指令信號CBR被置為L電平。這時(shí)，延遲電路352的輸出信號仍然處在H電平，并且自刷新激活信號SELF處在L電平。當(dāng)延遲電路352的延遲時(shí)間(100微秒)過去時(shí)，延遲電路352的輸出信號到達(dá)L電平，而來自門電路354的自刷新激活信號SELF到達(dá)H電平的激活狀態(tài)。從而，所述DRAM進(jìn)入自刷新方式。
當(dāng)行地址選通信號/RAS到達(dá)H電平時(shí)，RS觸發(fā)器350被復(fù)位，而來自其輸出端Q的輸出信號到達(dá)L電平。從而，來自門電路354的自刷新激活信號SELF到達(dá)L電平的非激活狀態(tài)。
根據(jù)自刷新激活信號SELF而轉(zhuǎn)換外圍電路中基片區(qū)的偏壓的電位電平。當(dāng)自刷新激活信號SELF從激活狀態(tài)轉(zhuǎn)換到非激活狀態(tài)時(shí)，可能正在內(nèi)部進(jìn)行自刷新操作。只能通過將自刷新激活信號SELF向非激活狀態(tài)的轉(zhuǎn)換延遲一個(gè)工作周期(即，刷新操作的工作周期)來避免自刷新操作期間基片電位的變化。與延遲電路352的延遲時(shí)間(100微秒)相比，這種延遲時(shí)間是相當(dāng)小的，因此不會(huì)對進(jìn)入自刷新方式的時(shí)序產(chǎn)生有害的影響。
(外圍偏壓電路的結(jié)構(gòu))圖9是示意地顯示圖3中所示的外圍偏壓電路的VPNBS(p溝道(n溝道)MOS晶體管基片偏壓)產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu)的方塊圖。圖9中，外圍偏壓電路160包括振蕩電路160a，它利用電源電壓VCC和地電壓兩者作為工作電源電壓、并且產(chǎn)生具有預(yù)定的周期的重復(fù)信號Φ(時(shí)鐘信號)；控制信號產(chǎn)生電路160b，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而產(chǎn)生具有彼此不同的激活周期的二相的控制信號/ΦP和ΦS；基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而進(jìn)行電荷泵操作、以便產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓
Vrefp；微分放大電路160d，它響應(yīng)控制信號/ΦP和ΦS而分別激活預(yù)充電操作和比較操作，當(dāng)比較操作被激活時(shí)、將基準(zhǔn)電壓Vrefp與輸出節(jié)點(diǎn)161上的偏壓VPB進(jìn)行比較；重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e，它響應(yīng)來自微分放大電路160d的輸出信號PBE而被激活、以便產(chǎn)生具有預(yù)定周期的重復(fù)信號ΦF；VPB產(chǎn)生電路160f，它響應(yīng)重復(fù)信號ΦF而進(jìn)行產(chǎn)生偏壓VPB的電荷泵操作；以及選擇電路160g，它選擇偏壓VPB和電源電壓VCC中的一個(gè)，并且把基片偏壓VPBS傳送到外圍電路中PMOS晶體管形成區(qū)的基片。
在提供電源電壓VCC之后振蕩電路160a產(chǎn)生振蕩。作為時(shí)鐘信號的重復(fù)信號Φ也是確定微分放大電路160d中比較操作時(shí)序的基本信號，并且僅僅用來在數(shù)據(jù)保持方式(自刷新方式)下把偏壓VPB保持在不變的電壓電平。因此，重復(fù)信號Φ不需要快速特性，所以，通常把重復(fù)信號Φ的周期時(shí)間置為幾個(gè)微秒至幾十微秒。此外，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c根據(jù)重復(fù)信號Φ而進(jìn)行電荷泵操作、以便產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vrefp。但是，僅僅把基準(zhǔn)電壓Vrefp輸送到微分放大電路160d中微分比較級的MOS晶體管的柵極，因此不存在依靠該基準(zhǔn)電壓的大的負(fù)荷。因此，甚至在比較慢的重復(fù)信號Φ的情況下，也能夠足夠快地使基準(zhǔn)電壓Vrefp穩(wěn)定化。
同時(shí)，為了達(dá)到快速穩(wěn)定偏壓VPB的目的，需要來自重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e的重復(fù)信號ΦF。當(dāng)選擇電路160g選擇偏壓VPB時(shí)，必須激勵(lì)大的負(fù)載電容。因此，把重復(fù)信號ΦF的周期置為大約100納秒。
外圍偏壓電路160還包括第一VPB電平保持電路160h，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而進(jìn)行電荷泵操作、以便偏壓VPB的電壓電平；以及第二VPB電平保持電路160i，它根據(jù)對應(yīng)于在自刷新方式期間產(chǎn)生的內(nèi)部RAS信號的脈沖信號PU而進(jìn)行電荷泵操作，從而起到把電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)161并且偏壓VPB的電壓電平的作用。VPB電平保持電路160h是為補(bǔ)償所述DRAM備用期間由漏電流引起的偏壓VPB的電平的降低而設(shè)置的，并且，具有與VPB產(chǎn)生電路160f的相比足夠小的充電電源。
VPB電平保持電路160i是為避免由基片熱載流子電流引起的偏壓VPB(VPBS)的降低而設(shè)置的，所述熱載流子電流是由執(zhí)行刷新操作期間產(chǎn)生的基片電引起的。為此目的，VPB電平保持電路160i具有與VPB保持電路160h的相比足夠大的充電電源。
所有電路160b-160i都是分別把電源電壓VCC作為一個(gè)工作電源電壓、把地電壓作為另一個(gè)工作電源電壓而工作的。
如下面將要描述的，利用圖9中所示的結(jié)構(gòu)，可以在接通電源的預(yù)定的時(shí)間內(nèi)降低功率消耗并且改變電源電壓VCC的情況下把偏壓VPB的電壓電平置為預(yù)定的電平。通過提供VPB電平保持電路160h和160i，有可能縮短具有大的充電電源的VPB產(chǎn)生電路160f的工作周期，從而，有可能減小產(chǎn)生偏壓VPB所需要的功率消耗。在圖9所示的電路160a-160g中，不需要高速度的操作，因此，如下面將要描述的，這些電路中的大部分電路是由具有大絕對值的閾電壓的MOS晶體管構(gòu)成的。下面將參考圖10的工作波形圖來描述圖9中所示的偏壓電路在接通電源時(shí)所進(jìn)行的操作。
在時(shí)刻t0，接通電源，并且電源電壓VCC的電壓電平上升。隨著電源電壓VCC的上升，振蕩電路160a起動(dòng)、從而產(chǎn)生其幅度隨著電源電壓VCC的上升而增加的重復(fù)信號Φ(如下面將要描述的，當(dāng)把電源電壓VCC輸送到振蕩電路160a時(shí)，該電路產(chǎn)生振蕩)?；鶞?zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c根據(jù)重復(fù)信號Φ而進(jìn)行電荷泵操作、從而產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓Vrefp?；鶞?zhǔn)電壓Vrefp僅僅激勵(lì)微分放大電路160d的比較級的MOS晶體管的柵極電容，并且，基準(zhǔn)電壓Vrefp按照先前的時(shí)序到達(dá)預(yù)定的電壓電平。微分放大電路160d根據(jù)來自控制信號產(chǎn)生電路160b的控制信號/ΦP和ΦS而把偏壓VPB和基準(zhǔn)電壓Vrefp進(jìn)行比較。在初始狀態(tài)下，基準(zhǔn)電壓Vrefp的電壓電平高于偏壓VPB電壓電平(輸出節(jié)點(diǎn)161的負(fù)載電容是大的(如下面將要描述的，設(shè)置了穩(wěn)定電容))，因此，來自微分放大電路160d的信號PBE到達(dá)H電平的激活狀態(tài)。信號PBE的H電平隨著電源電壓VCC的上升而上升。重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e根據(jù)信號PBE而被激活、從而產(chǎn)生重復(fù)信號ΦF。重復(fù)信號ΦF具有大約100納秒的短的周期時(shí)間，并且，VPB產(chǎn)生電路160f根據(jù)重復(fù)信號ΦF而進(jìn)行電荷泵操作，從而把電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)161并且提高偏壓VPB的電壓電平。
在時(shí)刻t1，偏壓VPB的電壓電平變成等于基準(zhǔn)電壓Vrefp的電壓電平，使得來自微分放大電路160d的信號PBE到達(dá)L電平，并且重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e停止產(chǎn)生重復(fù)信號ΦF的操作。從而，VPB產(chǎn)生電路160f停止電荷泵操作，并且不再向輸出節(jié)點(diǎn)輸送電荷。
在時(shí)刻t1之后，進(jìn)行的主要操作僅僅是振蕩電路160a的振蕩，并且外圍偏壓電路僅僅消耗VPB電平保持電路160h用于通過輸送電荷來補(bǔ)償漏電流的電流功率。由于這種漏電流是非常小的、并且是幾個(gè)納秒，所以，VPB電平保持電路160h僅僅消耗非常小的電流。因此，只在接通電源時(shí)比較快的操作并且消耗大的功率的電路160e和160f僅僅在預(yù)定的時(shí)間周期內(nèi)工作.因此，外圍偏壓電路160的功率消耗是非常小的。
第二VPB電平保持電路160i用來提高偏壓VPB的電平，當(dāng)DRAM進(jìn)入數(shù)據(jù)保持方式(自刷新方式)并且進(jìn)行刷新操作時(shí)，偏壓VPB的電平可能由于流過所述基片的熱載流子電流而降低。因此，第二VPB電平保持電路160i的功率消耗是比較大的。但是，在自刷新方式下，它僅僅在產(chǎn)生內(nèi)部RAS信號(脈沖信號PU)的刷新操作期間被激活、并且其刷新周期足夠地長(大約幾百微秒)，因此，第二VPB電平保持電路160i的功率消耗(平均功率消耗)是足夠小的。
如下面將要更詳細(xì)描述的，在微分放大電路160d中，具有使其激活周期彼此不同的相位的控制信號/ΦP和ΦS用來穩(wěn)定地放大微小電位差，后者在確實(shí)完成各比較節(jié)點(diǎn)的預(yù)充電之后出現(xiàn)在所述比較節(jié)點(diǎn)上。下面將描述各部分的結(jié)構(gòu)。
(振蕩電路)圖11顯示圖9中所示的振蕩電路160a的結(jié)構(gòu)。圖11中，振蕩電路160a包括環(huán)形振蕩器160aa，它把電源電壓VCC和地電壓作為其工作電源電壓、并且按照預(yù)定的周期振蕩；以及激勵(lì)電路160ab，它把環(huán)形振蕩器160aa的輸出信號反相并且緩沖寄存該信號、以便輸出。例如，環(huán)形振蕩器160aa包括五個(gè)串聯(lián)的。每個(gè)CMOS反相器由p溝道MOS晶體管P1-i(i＝1-5)和n溝道MOS晶體管N1-i構(gòu)成。p溝道MOS晶體管P1-1至P1-5中的每一個(gè)的反向柵極連接到相應(yīng)的源極(即，加有電源電壓VCC的節(jié)點(diǎn)，下文將簡稱為“電源節(jié)點(diǎn)”)，并且，n溝道MOS晶體管N1-1至N1-5中的每一個(gè)的反向柵極連接到相應(yīng)的源極(即，加有地電壓的節(jié)點(diǎn)，下文將簡稱為“接地節(jié)點(diǎn)”)。
通過把這些MOS晶體管中的反向柵極和源極互連，消除了反向柵極效應(yīng)的影響，并且把閾電壓保持在不變值。把最后一級的CMOS反相器(MOS晶體管P1-5和N1-5)的輸出信號加到第一級的CMOS反相器(MOS晶體管P1-1和N1-1)的柵極。把環(huán)形振蕩器160aa的周期置為大約10微秒，不需要快速的操作，并且，MOS晶體管P1-1至P1-5和N1-1至N1-5的閾電壓具有大約0.7伏的大的絕對值。此外，這些MOS晶體管不需要激勵(lì)大的負(fù)載，因此具有小的電流驅(qū)動(dòng)能力、從而減小了環(huán)形振蕩器160aa的電流消耗。
激勵(lì)電路160ab包括形成CMOS反相器的p溝道MOS晶體管P1-6和n溝道MOS晶體管N1-6。p溝道MOS晶體管P1-6的反向柵極連接到其源極、以便接收電源電壓VCC，而n溝道MOS晶體管N1-6的反向柵極連接到其源極、以便接收地電位。激勵(lì)電路160ab把重復(fù)信號Φ加到如圖9中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c、控制信號產(chǎn)生電路160b和VPB電平保持電路160h，用來激勵(lì)這些電路。因此，它有比較大的電流激勵(lì)能力，并且這些晶體管具有比較大的柵極寬度(溝道寬度)W。其閾電壓近似地等于環(huán)形振蕩器160aa中所包含的(溝道寬度)W。其閾電壓近似地等于環(huán)形振蕩器160aa中所包含的MOS晶體管的閾電壓。下面將簡單地描述操作過程。
輸送電源電壓VCC，并且把它提高到超過環(huán)形振蕩器160aa中所包含的MOS晶體管的閾電壓的絕對值。環(huán)形振蕩器160aa工作(振蕩)、產(chǎn)生所述重復(fù)信號。激勵(lì)電路160ab根據(jù)從環(huán)形振蕩器160aa發(fā)送的重復(fù)信號而產(chǎn)生重復(fù)信號Φ。由于重復(fù)信號Φ的幅度決定于CMOS反相器的工作電源電壓，所以，重復(fù)信號Φ的幅度隨著電源電壓VCC的上升而逐漸上升。環(huán)形振蕩器160aa的周期是比較長的，例如，大約10微秒，并且，由于僅僅當(dāng)CMOS反相器進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)才出現(xiàn)的直通電流的流動(dòng)而消耗電流。由于把閾電壓置為大的絕對值，所以，當(dāng)用這些CMOS反相器的輸出信號來激勵(lì)圖9中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c、控制信號產(chǎn)生電路160b和VPB電平保持電路160h時(shí)，所述子閾值電流是非常小的。因此，它有比較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，并且所述晶體管具有比較大的柵極寬度(溝道寬度)W。其閾電壓近似地等于環(huán)形振蕩器160aa中所包含的MOS晶體管的閾電壓。下面將簡單地描述操作過程。
當(dāng)輸送電源電壓VCC，并且把它提高到超過環(huán)形振蕩器160aa中所包含的MOS晶體管的閾電壓的絕對值時(shí)，環(huán)形振蕩器160aa工作(振蕩)、產(chǎn)生所述重復(fù)信號。激勵(lì)電路160ab根據(jù)來自環(huán)形振蕩器160aa的重復(fù)信號而產(chǎn)生重復(fù)信號Φ。由于重復(fù)信號Φ的幅度決定于CMOS反相器的工作電源電壓，所以，重復(fù)信號Φ的幅度隨著電源電壓VCC的上升而逐漸上升。
環(huán)形振蕩器160aa的周期是比較長的，例如，大約10微秒，并且，由于僅僅當(dāng)CMOS反相器進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)才出現(xiàn)的直通電流的流動(dòng)而消耗電流。由于把閾電壓置為大的絕對值，所以，當(dāng)限定這些CMOS反相器的輸出信號時(shí)，所述子閾值電流是非常小的。因此，甚至在接通電源之后連續(xù)地振蕩運(yùn)行的情況下，振蕩電路160a也在低功率消耗的情況下穩(wěn)定地工作、以產(chǎn)生重復(fù)信號Φ。
(基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu))圖12顯示圖9中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c的結(jié)構(gòu)。圖12中，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c包括n溝道MOS晶體管N2-1，它以正向連接的二極管的形式連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NC之間；n溝道MOS晶體管N2-2，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NC和ND之間；p溝道MOS晶體管P2-1，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)ND和輸出節(jié)點(diǎn)NE之間；p溝道MOS晶體管P2-2和P2-3，它們以正向連接的二極管的形式以及彼此串聯(lián)連接的形式連接在節(jié)點(diǎn)NE和電源節(jié)點(diǎn)VCC之間；電荷泵電容器C2-1，它根據(jù)加到節(jié)點(diǎn)NA的重復(fù)信號Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NC；電荷泵電容器C2-2，它根據(jù)加到節(jié)點(diǎn)NB的重復(fù)信號Φ的反相信號/Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NC；以及穩(wěn)定電容器C2-3，用來穩(wěn)定由節(jié)點(diǎn)NE施加的基準(zhǔn)電壓Vrefp的電壓電平。
p溝道MOS晶體管P2-1至P2-3的反向柵極分別連接到相應(yīng)的晶體管的源極(高電位節(jié)點(diǎn))。n溝道MOS晶體管N2-1和N2-2的反向柵極耦合接收地電位。由于以下的原因而使用n溝道MOS晶體管N2-1和N2-2。
在節(jié)點(diǎn)NC和ND上的電位上升期間，如果使用p溝道MOS晶體管，那么，p+區(qū)(源極/漏極)和基片區(qū)將被正向偏置、并且電流將流向基片。為了避免在P/N結(jié)上的正向偏置，使用n溝道MOS晶體管N2-1和N2-2，并且把它們這樣連接，使得它們的反向柵極接收低于N+區(qū)的電壓電平的電位。由于反向柵極效應(yīng)，n溝道MOS晶體管N2-1和N2-2具有大的閾電壓。在這種情況下，當(dāng)電源電壓VCC變化時(shí)，可能不能得到具有必要的電平的基準(zhǔn)電壓Vrefp。因此，使用具有小的閾電壓的MOS晶體管作為n溝道MOS晶體管N2-1和N2-2。p溝道MOS晶體管P2-1至P2-3具有大約0.7伏絕對值的大的閾電壓。p溝道MOS晶體管P2-1至P2-3的源極電位總是高于漏極電位，并且，p溝道MOS晶體管P2-1至P2-3中的每一個(gè)的反向柵極和源極耦合在一起，從而消除了基片偏置效應(yīng)、并且把閾電壓保持在不變的電壓電平。下面將簡單地描述操作過程。
當(dāng)MOS晶體管N2-1導(dǎo)通時(shí)，它把電壓(VCC-VTN1)輸送到節(jié)點(diǎn)NC。VTN1代表MOS晶體管N2-1的閾電壓。在這種情況下，當(dāng)重復(fù)信號Φ上升到H電平時(shí)，由于電荷泵電容器C2-1的電荷泵操作的緣故，節(jié)點(diǎn)NC上的電位上升到(2×VCC-VTN1)的電壓電平。在該操作過程中，重復(fù)信號/Φ降落到L電平，使得節(jié)點(diǎn)ND上的電位降低，并且MOS晶體管N2-2導(dǎo)通。從而，節(jié)點(diǎn)ND上的電位上升到(2×VCC-VTN1-VTN2)的電壓電平。如果節(jié)點(diǎn)ND和NE之間的電位差不大于|VTP|，那么，MOS晶體管P2-1斷開。在這種情況下，當(dāng)重復(fù)信號/Φ上升到H電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)ND上的電位上升到(3×VCC-VTN1-VTN2)、并且MOS晶體管P2-1導(dǎo)通，使得節(jié)點(diǎn)NE上的電位到達(dá)(3×VCC-VTN1-VTN2-|VTP|)的電壓電平，此處VTP代表MOS晶體管P2-1的閾電壓。在正常或者備用狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)NC的電壓V(NC)在(VCC-VTN1)和(2×VCC-VTN1)之間變化。節(jié)點(diǎn)ND的電壓V(ND)在(2×VCC-VTN1-VTN2)和(3×VCC-VTN1-VTN2)之間變化。因此，基準(zhǔn)電壓Vrefp能夠一直上升到(3×VCC-VTN1-VTN2-|VTP|)的電壓電平。但是，MOS晶體管P2-2和P2-3把從MOS晶體管P2-1輸送到節(jié)點(diǎn)NE的電荷旁路到節(jié)點(diǎn)NE，并且從節(jié)點(diǎn)NE輸送的基準(zhǔn)電壓Vrefp被固定在(2×VCC+|VTP|)的電壓電平。
現(xiàn)在假定所有p溝道MOS晶體管P2-1至P2-3具有相同的閾電壓。MOS晶體管P2-2和P2-3各自具有大的絕對值的閾電壓，并且，其柵極連接到源極。此外，閾電壓VTP是不變的、并且等于-0.7伏。因此，基準(zhǔn)電壓Vrefp達(dá)到比電源電壓VCC高1.4伏的電壓電平。穩(wěn)定電容器C2-3使節(jié)點(diǎn)NE上的基準(zhǔn)電壓Vrefp保持穩(wěn)定，并且，即使產(chǎn)生噪聲也能穩(wěn)定地輸送具有預(yù)定的電壓電平的基準(zhǔn)電壓Vrefp。下面將推導(dǎo)出基準(zhǔn)電壓Vrefp的電壓電平。
由于n溝道MOS晶體管N2-1和N2-2有接地的反向柵極，所以產(chǎn)生反向柵極偏置效應(yīng)?？梢杂孟旅娴墓絹肀硎竟?jié)點(diǎn)NC上的電壓V(NC)V(NC)＝VCC-VTN1＝|VTH0|+|K|{(|2·φF|+|V(NC)|)1/2-(2·φF|)1/2}＝|VTH0|+|K|{(|2·φF|+|VCC-VTN1|)1/2-(2·φF|)1/2}假定|VTH0|＝0.38(伏)，|K|＝0.5(√V)，|2ΦF|＝0.6(伏)以及VCC＝2.0(伏)，則產(chǎn)生以下關(guān)系VTN1＝0.7(伏)用以下的公式來表示當(dāng)重復(fù)信號Φ使節(jié)點(diǎn)NC上的電位上升時(shí)呈現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)ND上的電壓V(ND)。由于在這種情況下MOS晶體管N2-1是斷開的并且未把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NC，所以，在以下公式中未考慮節(jié)點(diǎn)NC處MOS晶體管N2-1的閾電壓。此外，考慮節(jié)點(diǎn)NC的電壓電平上升時(shí)MOS晶體管N2-1達(dá)到的閾電壓，這是因?yàn)檫@時(shí)MOS晶體管N2-1是導(dǎo)通的，并且電荷被從節(jié)點(diǎn)NC輸送到節(jié)點(diǎn)ND。V(ND)＝2·VCC-VTN1-VTN2＝|VTH0|+|K|{(|2·φF|+|V(ND)|)1/2-(2·φF|)1/2}＝|VTH0|+|K|{(|2.φF|+|2.VCC-VTN1-VTN2|)1/2-(2·φF |)1/2}利用上述用來導(dǎo)出MOS晶體管N2-1的閾電壓的條件，可以得到以下關(guān)系VTN2＝0.86(伏)此外，可以用以下的公式來表示當(dāng)重復(fù)信號/Φ使節(jié)點(diǎn)ND上的電位上升時(shí)呈現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)NE上的電壓V(NE)，其中，VTP代表p溝道MOS晶體管P2-1的閾電壓V(NE)＝2·VCC-VTN1-VTN2+VCC-|VTP|＝3·VCC-VTN1-VTN2-|VTP|
假定VCC＝2.0(伏)，VTN1＝0.7(伏)，VTN2＝0.86(伏)以及|VTP|＝0.7(伏)，則可以得到以下關(guān)系V(NE)＝3.2-0.7-0.86-0.7＝3.74(伏)這樣，基準(zhǔn)電壓Vrefp能夠上升到3.74伏。p溝道MOS晶體管P2-2和P2-3把節(jié)點(diǎn)NE的電壓電平鉗位在VCC+2|VTP|＝2+1.4＝3.4伏。可以從由MOS晶體管N2-1，N2-2和P2-2以及電容器C2-1和C2-2構(gòu)成的電荷泵電路產(chǎn)生的該電壓(3.74(伏))的電平高于基準(zhǔn)電壓Vrefp所需要的電壓電平(3.4(伏))。因此，有可能產(chǎn)生其電平足以滿足所需要的電壓電平的要求的基準(zhǔn)電壓Vrefp。
如上所述，使用了具有大絕對值的閾電壓的p溝道MOS晶體管，并且使用了具有小的閾電壓的n溝道MOS晶體管，從而，能夠在低的功率消耗的情況下穩(wěn)定地產(chǎn)生具有預(yù)定的電壓電平的基準(zhǔn)電壓Vrefp。
(控制信號產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu))圖13A顯示圖9中所示的控制信號產(chǎn)生電路160b的結(jié)構(gòu)。圖13A中，控制信號產(chǎn)生電路160b包括三個(gè)級聯(lián)的接收重復(fù)信號Φ的反相器I3-1至I3-3以及接收重復(fù)信號Φ和反相器I3-3的輸出信號的“與非”電路G3-1?！芭c非”電路G3-1輸出控制信號/ΦP。
控制信號產(chǎn)生電路160b還包括五個(gè)級聯(lián)的接收重復(fù)信號Φ的反相器I3-4、I3-5、I3-6、I3-7和I3-8以及接收重復(fù)信號Φ和反相器I3-8的輸出信號的“與非”電路G3-2?！芭c非”電路G3-2輸出控制信號/ΦS。
控制信號產(chǎn)生電路160b具有所謂單穩(wěn)脈沖產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)。反相器I3-1至I3-3確定控制信號/ΦP的激活周期，而反相器I3-4至I3-8確定控制信號/ΦS的L電平的周期。此外，反相器I3-1至I3-3具有延遲電路的功能，而反相器I3-4至I3-8也具有延遲電路的功能。反相器I3-4至I3-8的延遲時(shí)間大于由反相器I3-1至I3-3所確定的延遲時(shí)間。下面將參考圖13B的工作波形圖描述圖13A中所示的控制信號產(chǎn)生電路160b的操作。
在時(shí)刻t0之前，當(dāng)重復(fù)信號Φ處在L電平時(shí)，控制信號/ΦP和ΦS兩者都處在H電平。借助于反相器I3-1至I3-3，把節(jié)點(diǎn)NF上的電位保持在H電平。
在時(shí)刻t0，重復(fù)信號Φ從L電平上升到H電平，而來自反相器I3-3和I3-8的輸出信號仍然處在H電平，使得來自“與非”電路G3-1和G3-2的控制信號/ΦP和ΦS保持L電平。當(dāng)反相器I3-1至I3-3的延遲時(shí)間過去時(shí)，節(jié)點(diǎn)NF上的電位降低到L電平，而來自“與非”電路G3-1的控制信號/ΦP上升到H電平(時(shí)刻t1)。這時(shí)，反相器I3-8的輸出信號仍然處在H電平，而控制信號ΦS仍然處在L電平。
當(dāng)反相器I3-4至I3-8的延遲時(shí)間過去時(shí)，在時(shí)刻t2，反相器I3-8的輸出信號降落到L電平，使得由“與非”電路G3-2產(chǎn)生的控制信號ΦS上升到H電平。如下面將要描述的，為了在微分放大電路中穩(wěn)定地進(jìn)行微分放大，這樣確定控制信號ΦS的L電平的周期，使得它長于控制信號/ΦP的L電平的周期。這里，控制信號/ΦP處在L電平時(shí)是激活的，而控制信號ΦS處在H電平時(shí)是激活的。
(微分放大電路的結(jié)構(gòu))圖14示意地顯示圖9中所示的微分放大電路160d的結(jié)構(gòu)。圖14中，微分放大電路160d包括p溝道MOS晶體管P4-1，它連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NG之間、并且響應(yīng)控制信號/ΦP而導(dǎo)通；p溝道MOS晶體管P4-2，它連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NH之間、并且響應(yīng)控制信號/ΦP而導(dǎo)通、以便把節(jié)點(diǎn)NH充電到電源電壓VCC電平；n溝道MOS晶體管N4-1它連接在節(jié)點(diǎn)NG和NI之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)NH；n溝道MOS晶體管N4-2，它連接在節(jié)點(diǎn)NH和NI之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)NG；n溝道和p溝道MOS晶體管N4-3和P4-3，它們彼此串聯(lián)連接、并且連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NG之間；n溝道和p溝道MOS晶體管N4-4和P4-4，它們彼此串聯(lián)連接、并且連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NH之間；反相器I4-1，它把節(jié)點(diǎn)NG上的電位反相以便加到p溝道MOS晶體管P4-3的柵極；反相器I4-2，它把節(jié)點(diǎn)NH上的電位反相以便加到p溝道MOS晶體管P4-4的柵極；以及n溝道MOS晶體管N4-5，它連接在節(jié)點(diǎn)NI和地節(jié)點(diǎn)之間、并且在其柵極上接收控制信號ΦS。
MOS晶體管P4-1至P4-4以及N4-1至N4-5中的每一個(gè)的反向柵極連接到相應(yīng)的源極。n溝道MOS晶體管N4-3在其柵極接收基準(zhǔn)電壓Vrefp，以及n溝道MOS晶體管N4-4在其柵極接收偏壓VPB。
MOS晶體管P4-1和P4-2具有分別把節(jié)點(diǎn)NG和NH預(yù)充電到電源電壓VCC電平的功能。當(dāng)MOS晶體管N4-5導(dǎo)通時(shí)，MOS晶體管N4-1至N4-2被激活、以便將節(jié)點(diǎn)NG和NH之間的微小的電位差微分放大。MOS晶體管N4-3至N4-4起電位差檢測電路的作用，用來把對應(yīng)于基準(zhǔn)電壓Vrefp和偏壓VPB之間的差別的電流輸送到節(jié)點(diǎn)NG和NH。當(dāng)節(jié)點(diǎn)NG和NH上的電位低于L電平時(shí)，MOS晶體管P4-3至P4-4分別根據(jù)反相器I4-1至I4-2的輸出信號而斷開，從而切斷從電源節(jié)點(diǎn)VCC到地節(jié)點(diǎn)的電流通路。
在圖14所示的微分放大電路中，各MOS晶體管的大小和排列是大體上相對于圖14中的垂直方向?qū)ΨQ的。但是，具有接近相等的大小的MOS晶體管N4-3和N4-4在以下方面彼此不同MOS晶體管N4-4具有稍大的(大約5％至大約10％)電流驅(qū)動(dòng)能力(例如，較大的柵極寬度)，使得當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vrefp和偏壓VPB處在相同的電壓電平時(shí)，輸出信號PBE能夠達(dá)到L電平。下面將參考圖15的工作波形圖來描圖14中所示的微分放大電路的操作過程。
在時(shí)刻t0之前，控制信號/ΦP和ΦS兩者都處在H電平。在這種狀態(tài)下，MOS晶體管P4-1和P4-2為了預(yù)充電而斷開，MOS晶體管N4-5導(dǎo)通，并且，根據(jù)基準(zhǔn)電壓Vrefp和偏壓VPB之間的差別來確定從節(jié)點(diǎn)NG產(chǎn)生的信號PBE的電壓電平。
在時(shí)刻t0，控制信號/ΦP和ΦS兩者都降落到L電平，從而，MOS晶體管N4-5MOS斷開，以及晶體管P4-1和P4-2為了預(yù)充電而導(dǎo)通。從而，節(jié)點(diǎn)NG和NH被充電到電源電壓VCC電平，并且信號PBE達(dá)到H電平。由于對節(jié)點(diǎn)NG和NH充電的結(jié)果，反相器I4-1至I4-2的輸出信號到達(dá)L電平，并且MOS晶體管P4-3和P4-4兩者都導(dǎo)通，從而形成從電源電壓VCC到節(jié)點(diǎn)NG和NH的電流通路。在這種操作過程中，僅僅對節(jié)點(diǎn)NG和NH進(jìn)行充電，而從電源節(jié)點(diǎn)到地節(jié)點(diǎn)的電流通路是被切斷的(MOS晶體管N4-5是斷開的)，因此，電流消耗是非常小的。
在時(shí)刻t1，控制信號/ΦP上升到H電平，MOS晶體管P4-1和P4-2被斷開，并且完成對節(jié)點(diǎn)NG和NH的預(yù)充電。這時(shí)，控制信號ΦS仍然處在L電燈，并且MOS晶體管N4-5被斷開，所以，尚未開始比較操作。
在時(shí)刻t2，控制信號ΦS上升到H電平，使得MOS晶體管N4-5導(dǎo)通，并且形成從節(jié)點(diǎn)NG和NH到地節(jié)點(diǎn)的電流通路，從而，將節(jié)點(diǎn)NG和NH之間的微小的電位差微分放大。
下面假設(shè)基準(zhǔn)電壓Vrefp高于偏壓VPB。在這種情況下，MOS晶體管N4-4的電導(dǎo)小于MOS晶體管N4-3的電導(dǎo)，因此，從電源節(jié)點(diǎn)VCC經(jīng)過MOS晶體管N4-3和P4-3流到節(jié)點(diǎn)NG的電流大于從電源節(jié)點(diǎn)VCC經(jīng)過MOS晶體管N4-4和P4-4流到節(jié)點(diǎn)NH的電流。當(dāng)MOS晶體管N4-5導(dǎo)通時(shí)，MOS晶體管N4-1和N4-2開始分別對節(jié)點(diǎn)NG和NH放電。在這種操作過程中，既然由于提供較大電流的緣故、節(jié)點(diǎn)NG上的電位比節(jié)點(diǎn)NH上的電位更慢地降落，所以，流經(jīng)MOS晶體管N4-1的電流小于流經(jīng)MOS晶體管N4-2的電流，因此，節(jié)點(diǎn)NH快速地放電到L電平。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)NH上的電位降落時(shí)，反相器I4-2的輸出信號的電平上升，并且，最后，MOS晶體管P4-4被斷開，使得從電源節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)NH的電流通路被切斷。從而，節(jié)點(diǎn)NH被徹底地放電到地電位電平，而節(jié)點(diǎn)NG基本上保持電源電壓VCC電平。因此，當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vrefp高于偏壓VPB時(shí)，輸出信號PBE保持H電平。
當(dāng)比較操作結(jié)束時(shí)，節(jié)點(diǎn)NG和NH上的電壓電平分別達(dá)到H電平和L電平。在這種狀態(tài)下，電流幾乎不流過MOS晶體管N4-1和N4-2，因此減小了比較操作的電流消耗。
在時(shí)刻t3，控制信號/ΦP和ΦS再次降低到L電平，從而完成比較操作，并且節(jié)點(diǎn)NG和NH再次被充電到電源電壓VCC。反相器I4-2的輸出信號達(dá)到L電平，并且MOS晶體管P4-4再次導(dǎo)通。
在時(shí)刻t4，控制信號/ΦP上升到H電平，并且完成對節(jié)點(diǎn)NG和NH的預(yù)充電。然后，在時(shí)刻t5，控制信號ΦS上升到H電平，并且執(zhí)行比較操作和微分放大操作。當(dāng)偏壓VPB處在等于基準(zhǔn)電壓Vrefp的上升后的電平時(shí)，MOS晶體管N4-3和N4-4具有處在相同電壓電平的柵極電壓。但是，MOS晶體管N4-4的電流驅(qū)動(dòng)能力大于MOS晶體管N4-3的電流驅(qū)動(dòng)能力。因此，流到節(jié)點(diǎn)NH的電流大于流到節(jié)點(diǎn)NG的電流。因此，在這種情況下，節(jié)點(diǎn)NH被置為H電平，并且節(jié)點(diǎn)NG被置為L電平。隨著節(jié)點(diǎn)NG的電位電平的降落，反相器I4-1的輸出信號達(dá)到H電平，并且MOS晶體管P4-3被斷開。由于控制信號/ΦP的L電平的周期長于控制信號ΦS的L電平的周期，所以，在已經(jīng)完成對節(jié)點(diǎn)NG和NH的預(yù)充電并且僅僅用經(jīng)由MOS晶體管N4-3至N4-4輸送來的電流對節(jié)點(diǎn)NG和NH充電之后，能夠穩(wěn)定地進(jìn)行比較操作和微分放大操作。
此處，如已經(jīng)說明的那樣，電源電壓VCC等于2.0伏，并且基準(zhǔn)電壓Vrefp是大約3.4伏。雖然MOS晶體管N4-3至N4-4的電流供給速率是彼此不同的，但是，MOS晶體管N4-3至N4-4能夠把電源電壓VCC輸送到節(jié)點(diǎn)NG和NH。MOS晶體管N4-3至N4-4工作在飽和區(qū)，并且由MOS晶體管N4-3至N4-4輸送的漏極電流各自正比于柵極電壓的平方。因此，甚至微小的電位差都能夠產(chǎn)生比較大的電流差值，并且，能夠精確地把節(jié)點(diǎn)NG和NH置為依賴有基準(zhǔn)電壓Vrefp和偏壓VPB之間的差別的電壓電平。
在完成比較操作之后，利用反相器I4-1和I4-2以及p溝道MOS晶體管P4-3和P4-4，能夠使連接到L電平節(jié)點(diǎn)的p溝道MOS晶體管(P4-3或者P4-4)斷開，從而能夠切斷從電源節(jié)點(diǎn)VCC到地節(jié)點(diǎn)的電流通路，因此能夠減小電流消耗。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠在低的電流消耗的情況下精確地讀出微小的電位差，從而，能夠產(chǎn)生其電壓電平或者等于電源電壓VCC電平或者等于地電平的信號PBE。在微分放大過程結(jié)束之后，節(jié)點(diǎn)NG和NH被保持在這樣的狀態(tài)，即，它們的電位分別由n溝道MOS晶體管N4-1和N4-2鎖存、直至節(jié)點(diǎn)NG和NH兩者都被預(yù)充電到電源電壓VCC電平。
(重復(fù)信號產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu))圖16顯示圖9中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e的結(jié)構(gòu)。圖16中，重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e包括五個(gè)級聯(lián)的反相器I6-1至I6-5以及接收來自所述微分放大電路的輸出信號PBE和來自反相器I6-4輸出信號的“與非”電路G6。把“與非”電路G6的輸出信號加到反相器I6-1的輸入端。反相器I6-1至I6-4具有比較小的電流驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，為了驅(qū)動(dòng)下一級的進(jìn)行電荷泵操作的VPB產(chǎn)生電路，產(chǎn)生信號ΦF的反相器I6-5具有比較大的驅(qū)動(dòng)能力。下面將簡單地描述操作過程。
當(dāng)信號PBE處在L電平時(shí)，偏壓VPB的電壓電平等于或者高于基準(zhǔn)電壓Vrefp。在這種情況下，“與非”電路G6的輸出信號被固定在H電平，因此，信號ΦF被固定在L電平。
當(dāng)信號PBE處在表示基準(zhǔn)電壓Vrefp的電壓電平高于偏壓VPB的電壓電平的L電平時(shí)，“與非”電路G6起反相器的作用，并且，“與非”電路G6和反相器I6-1至I6-4起由五級反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器的作用，使得來自反相器I6-5的信號ΦF按照預(yù)定的周期時(shí)間變化。該振蕩器的周期是100納秒，因此是比較短的，使得偏壓VPB快速地上升到基準(zhǔn)電壓Vrefp。然而，該環(huán)形振蕩器的周期是大約100納秒，而不特別要求由CMOS電路構(gòu)成的“與非”電路G6和反相器I6-1至I6-5進(jìn)行快速操作，因此，所述MOS晶體管、即、上述電路的元件、可以具有大絕對值的閾電壓。僅僅處在末級的反相器I6-5具有大的電流驅(qū)動(dòng)能力，而反相器I6-1至I6-4和“與非”電路G6可以具有小的電流驅(qū)動(dòng)能力。因此，充分地抑制了重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e的操作期間的電流消耗。
(VPB產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu))圖17顯示圖9中所示的VPB產(chǎn)生電路160f的具體結(jié)構(gòu)的例子。圖17中，VPB產(chǎn)生電路160f包括n溝道MOS晶體管N7-1，它以正向連接的二極管的形式連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NJ之間；n溝道MOS晶體管N7-2，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NJ和NK之間；p溝道MOS晶體管P7-1，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NJ和NL之間；p溝道MOS晶體管P7-2和P7-3，它們以正向連接的二極管的形式以及彼此串聯(lián)連接的形式連接在節(jié)點(diǎn)NL和電源節(jié)點(diǎn)VCC之間；電荷泵電容器C7-1，它根據(jù)重復(fù)信號ΦF而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NJ；電荷泵電容器C7-2，它根據(jù)重復(fù)信號/ΦF而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NK；以及穩(wěn)定電容器C7-3，用來穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)NL上的偏壓VPB。
MOS晶體管N7-1和N7-2是這樣連接的，以便在它們的反向柵極上接收地電位。MOS晶體管P7-1至P7-3的反向柵極中的每一個(gè)連接到同一個(gè)晶體管的導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)(源極)。
圖17中所示的VPB產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)大體上與已經(jīng)參考圖9描述過的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c的結(jié)構(gòu)相同。因此，MOS晶體管N7-1和N7-2具有小的閾電壓，而MOS晶體管P7-1至P7-3具有大絕對值的閾電壓。MOS晶體管N7-1和N7-2由n溝道MOS晶體管構(gòu)成、并且、它們的反向柵極是這樣連接的、以便接收地電位，如圖12所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中所連接的那樣。
在圖17中所示的VPB產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)中，偏壓VPB達(dá)到(VCC+2|VTP|)的電壓電平。由于重復(fù)信號ΦF具有比基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c的周期短的、100納秒的周期，所以，能夠快速地將偏壓VPB穩(wěn)定在預(yù)定的電壓電平。通過電荷泵操作輸送的電荷量取決于重復(fù)信號的頻率和電荷泵電容器的電容量。因此，為了快速地產(chǎn)生偏壓VPB，電荷泵電容器C7-1和C7-2的電容量數(shù)值可以大于所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中電荷泵電容器的電容量數(shù)值。
與圖12中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c相似，圖17中所示的VPB產(chǎn)生電路能夠在低的電流消耗的情況下快速地產(chǎn)生偏壓VPB。
(第一VPB電平保持電路的結(jié)構(gòu))圖18顯示圖9中所示的第一VPB電平保持電路160h的結(jié)構(gòu)。圖18中，VPB電平保持電路160h包括n溝道MOS晶體管N8-1，它以正向連接的二極管的形式連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NM之間；n溝道MOS晶體管N8-2，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NM和NN之間；p溝道MOS晶體管P8，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NN和輸出節(jié)點(diǎn)NO之間；電荷泵電容器C8-1，它根據(jù)重復(fù)信號Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NM；以及電荷泵電容器C8-2，它根據(jù)重復(fù)信號/Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NN。
MOS晶體管N8-1和N8-2是這樣連接的，以便在它們的反向柵極上接收地電位。MOS晶體管P8的反向柵極連接到節(jié)點(diǎn)NN。節(jié)點(diǎn)NO連接到VPB產(chǎn)生電路160f的輸出節(jié)點(diǎn)NL。
除了在所述VPB產(chǎn)生電路的輸出級未設(shè)置鉗位電路和穩(wěn)定電容器之外，圖18中所示的VPB電平保持電路160h具有與圖17中所示的VPB產(chǎn)生電路的相同的結(jié)構(gòu)。因此，VPB電平保持電路160h把(3×VCC-VTN1-VTN2-|VTP|)的電壓電平輸送到節(jié)點(diǎn)NO。此處，VTN1和VTN2分別代表MOS晶體管N8-1和N8-2的閾電壓，而VTP代表MOS晶體管P8的閾電壓。該電壓通過圖17中所示的旁路MOS晶體管P7-2和P7-3向電源節(jié)點(diǎn)VCC放電，并且節(jié)點(diǎn)NO的電壓電平達(dá)到(VCC+2|VTP|)。
第一電平保持電路160h僅僅用來避免從節(jié)點(diǎn)NO輸送的偏壓VPB在備用期間由于漏電流而降落。這種漏電流是非常小的，并且等于幾個(gè)納安，因此，第一電平保持電路160h具有足夠小的電荷輸送能力。所以，電荷泵電容器C8-1和C8-2各自具有大約幾個(gè)皮法的電容量。因此，甚至當(dāng)根據(jù)重復(fù)信號Φ和/Φ連續(xù)地進(jìn)行所述電荷泵操作以便把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NO時(shí)，所述功率消耗也可以是非常小的。這樣連接MOS晶體管N8-1和N8-2、以便在它們的反向柵極上接收地電位的理由與已經(jīng)聯(lián)系圖12中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和圖17中所示的VPB產(chǎn)生電路160f所說明的理由一樣。
(第二VPB電平保持電路)圖19具體地顯示圖9中所示的第二電平保持電路160i的結(jié)構(gòu)。圖19中，第二VPB電平保持電路160i包括n溝道MOS晶體管N9-1，它以正向連接的二極管的形式連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)NP之間；n溝道MOS晶體管N9-2，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NP和NQ之間；p溝道MOS晶體管P9，它以正向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)NQ和輸出節(jié)點(diǎn)NR之間；電荷泵電容器C9-1，它根據(jù)脈沖信號/PU而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NP；以及電荷泵電容器C9-2，它根據(jù)脈沖信號PU而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NQ。
MOS晶體管N9-1和N9-2是這樣連接的，以便在它們的反向柵極上接收地電位。使用MOS晶體管N9-1和N9-2并且這樣連接它們、以便在它們的反向柵極上接收地電位的理由與已經(jīng)聯(lián)系所述基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和所述VPB產(chǎn)生電路的第一VPB電平保持電路1所說明的理由一樣。節(jié)點(diǎn)NR連接到圖17中的節(jié)點(diǎn)NO。
脈沖信號/PU對應(yīng)于內(nèi)部RAS信號，后者在自刷新方式下進(jìn)行刷新操作時(shí)達(dá)到H電平的激活狀態(tài)。在刷新操作中，所述讀出放大器工作，各位線被充電和放電，因此，有比較大的基片電流流動(dòng)。因此，偏壓VPB的電壓電平可能由于由基片電流產(chǎn)生的熱載流子電流而降低。為了補(bǔ)償由熱載流子電流引起的偏壓VPB的降低，設(shè)置第二電平保持電路160i，并且，電荷泵電容器C9-1和C9-2因此而具有幾十至幾百皮法的較大的電容量。
當(dāng)要進(jìn)行刷新操作時(shí)，把脈沖信號PU置為H電平，節(jié)點(diǎn)NQ的電壓電平上升并且MOS晶體管P9導(dǎo)通，從而把正電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NR。因此，通過當(dāng)偏壓VPB有可能降低時(shí)把正電荷輸送到節(jié)點(diǎn)NR，就有可能制止偏壓VPB、即、基片偏壓的降低。
除了使用不同類型的重復(fù)信號之外，圖19中所示的第二電平保持電路160i的操作與圖17和18中所示的電路的操作相同。在正常操作方式下，把脈沖信號PU置為L電平的激活狀態(tài)。但是，在這種正常操作方式下不使用偏壓VPB，并且所述選擇電路選擇電源電壓VCC作為偏壓VPB。因此，在這種情況下，不存在由于基片電流的影響而使偏壓VPB降低的可能性，因此，沒有必要特地輸送電荷。
如上所述，由于提供第二電平保持電路，所以，即使進(jìn)行刷新操作，也能夠穩(wěn)定地把偏壓VPB(基片電壓VPBS)保持在預(yù)期的電壓電平。此外，其操作周期與刷新周期一樣，所消耗的電流小于刷新期間消耗的電流，功率消耗的增加不產(chǎn)生顯著的影響。
(選擇電路的結(jié)構(gòu))圖20A顯示圖9中所示的選擇電路160g的具體結(jié)構(gòu)。圖20A中，選擇電路160g包括p溝道MOS晶體管P20-1，它連接在加有偏壓VPB的節(jié)點(diǎn)NU和節(jié)點(diǎn)NV之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)NS；p溝道MOS晶體管P20-2，它連接在節(jié)點(diǎn)NU和NS之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)NV；n溝道MOS晶體管N20-1，它連接在節(jié)點(diǎn)NV和地節(jié)點(diǎn)之間、并且其柵極接收自刷新激活信號SELF；n溝道MOS晶體管N20-2，它連接在節(jié)點(diǎn)NS和地節(jié)點(diǎn)之間；p溝道MOS晶體管P20-3和n溝道MOS晶體管N20-3，它們構(gòu)成用來將自刷新激活信號SELF反相的CMOS反相器；p溝道MOS晶體管P20-4，它連接在節(jié)點(diǎn)NU和輸出節(jié)點(diǎn)NT之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)NV；以及p溝道MOS晶體管P20-5，它連接在輸出節(jié)點(diǎn)NT和電源節(jié)點(diǎn)VCC之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)NS。
由MOS晶體管P20-3和N20-3構(gòu)成的CMOS反相器利用電源電壓VCC和地電壓作為其電源電壓。與p溝道MOS晶體管P20-5不同，上述MOS晶體管中的每一個(gè)的反向柵極連接到相應(yīng)的晶體管的源極。p溝道MOS晶體管P20-5的反向柵極連接到節(jié)點(diǎn)NU，以便接收偏壓VPB。如果p溝道MOS晶體管P20-5的反向柵極是這樣連接的、以便接收電源電壓VCC，那么，當(dāng)輸出節(jié)點(diǎn)NT上的電壓達(dá)到偏壓VPB的電平時(shí)，來自偏壓VPB的電荷將經(jīng)過基片區(qū)流到MOS晶體管P20-5中的電源節(jié)點(diǎn)VCC。上述結(jié)構(gòu)用來避免這種漏電。
如果MOS晶體管P20-5的反向柵極連接到節(jié)點(diǎn)NT，那么，基片偏壓VPBS將被從電源電壓VCC轉(zhuǎn)換到偏壓VPB，因此還是有必要向MOS晶體管P20-5的基片區(qū)充電，從而使基片偏壓VPBS不可取地慢慢地上升。上述結(jié)構(gòu)也避免了這種情況。通過總是把MOS晶體管P20-5的反向柵極固定在偏壓VPB，就有可能避免MOS晶體管P20-5中基片區(qū)的漏電流，因此，有可能在低功率消耗的情況下把基片偏壓VPBS升高到偏壓VPB電平。下面將參考圖20B的工作波形圖描述圖20A中所示的選擇電路160g的操作。
圖20A中所示的選擇電路是所謂電平轉(zhuǎn)換電路類型的選擇電路，并且是在低功率消耗的情況下從低電壓信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到高電壓信號系統(tǒng)。圖20A中所示的結(jié)構(gòu)利用2伏幅度的信號SELF將基片偏壓VPBS在各不變的電壓、即、2伏(VCC)和3.4伏(VPB)之間轉(zhuǎn)換。
在正常操作方式下，自刷新激活信號SELF處在L電平，MOS晶體管N20-1斷開，并且MOS晶體管N20-2響應(yīng)來自CMOS反相器(MOS晶體管P20-3和N20-3)的H電平的信號而導(dǎo)通。因此，在這種情況下，通過MOS晶體管N20-2將節(jié)點(diǎn)NS放電到地因此，在這種情況下，通過MOS晶體管N20-2將節(jié)點(diǎn)NS放電到地電壓電平，MOS晶體管P20-1導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)NV被充電到偏壓VPB電平，并且，MOS晶體管P20-2被斷開。因此，在這種情況下，MOS晶體管P20-5導(dǎo)通，節(jié)點(diǎn)NT接收電源電壓VCC，并且，提供具有電源電壓VCC電平的基片偏壓VPBS。
這時(shí)，MOS晶體管P20-4具有處在偏壓VPB電平的柵極電壓、并且被斷開。當(dāng)節(jié)點(diǎn)NS和NV上的電壓電平分別達(dá)到L電平和H電平(偏壓VPB電平)時(shí)，除了子閾值電流之外的電流不流入該電平轉(zhuǎn)換電路。這實(shí)現(xiàn)了低電流消耗的特性。由于在選擇電路160g中不要求快速的操作速度，所以，為了子閾值電流，由具有0.7伏的高閾值電壓的MOS晶體管構(gòu)成作為所述選擇電路的元件的MOS晶體管。
在自刷新方式下，把自刷新激活信號SELF置為H電平。與正常操作方式相反，MOS晶體管P20-1導(dǎo)通，而MOS晶體管P20-2被斷開。由此，節(jié)點(diǎn)NV達(dá)到地電位電平，MOS晶體管P20-2導(dǎo)通，而用來將節(jié)點(diǎn)NS放電的MOS晶體管N20-2被斷開。節(jié)點(diǎn)NS的電位電平由此上升到偏壓VPB電平，MOS晶體管P20-1被斷開，而節(jié)點(diǎn)NV被保持在地電位電平。因此，在這種情況下，MOS晶體管P20-4導(dǎo)通，而MOS晶體管P20-5被斷開。由此，把偏壓VPB輸送到輸出節(jié)點(diǎn)NT，結(jié)果，施加到外圍電路中p溝道MOS晶體管形成區(qū)的基片區(qū)的偏壓VPBS的電壓電平上升。
在上述轉(zhuǎn)換操作中，直通電流僅僅流入CMOS反相器(MOS晶體管P20-3和N20-3)，并且，當(dāng)節(jié)點(diǎn)NV或者NS向地電位轉(zhuǎn)換時(shí)，只有微小的電流流入其它部分，從而能夠?qū)崿F(xiàn)降低功率消耗的目的，并且阻止了偏壓VPB的降低。
(VNBS產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu))圖21顯示用來產(chǎn)生施加到n溝道MOS晶體管(NMOS)的基片區(qū)的基片偏壓VNBS的部分的結(jié)構(gòu)。圖21中所示的結(jié)構(gòu)被包含在圖9中所示的外圍偏壓電路160中。
參考圖21，外圍偏壓電路160中的VNBS產(chǎn)生部分包括控制信號產(chǎn)生電路160K，它響應(yīng)來自振蕩電路160a的重復(fù)信號Φ而產(chǎn)生j具有不同激活周期的控制信號/ΦP和/ΦS；基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而產(chǎn)生具有不變的負(fù)電壓電平的基準(zhǔn)電壓VrefN；微分放大電路160m，它響應(yīng)控制信號/ΦP和/ΦS(ΦS)而被激活、以便將基準(zhǔn)電壓VrefN與輸出節(jié)點(diǎn)162上的偏壓VPB相比較、從而產(chǎn)生表示所述比較結(jié)果的信號NBE；重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n，它響應(yīng)來自微分放大電路160m的信號NBE而選擇性地激活、從而產(chǎn)生重復(fù)信號ΦF；VNB產(chǎn)生電路160o，它響應(yīng)重復(fù)信號ΦF而進(jìn)行電荷泵操作、以便產(chǎn)生負(fù)偏壓VNB；以及選擇電路160p，它根據(jù)自刷新激活信號SELF而選擇偏壓VNB和地電壓VSS中的一個(gè)，并且把所選擇的電壓作為基片偏壓VNB。
振蕩電路160a也作為圖9中所示的用來產(chǎn)生偏壓VPB的振蕩電路。這些電路160k-160o把電源電壓VCC和地電壓(VSS)分別作為一個(gè)電源電壓和另一個(gè)電源電壓而工作。
所述VNBS產(chǎn)生部分還包括VNB電平保持電路160q，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而把負(fù)電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)162；以及VNB電平保持電路160r，它響應(yīng)在自刷新方式下刷新操作期間處在激活狀態(tài)的脈沖信號PU而被激活、以便把負(fù)電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)162。
只要求VNB電平保持電路160q在備用期間輸送用來阻止由漏電流引起的偏壓VNB的上升的負(fù)電荷，因此，VNB電平保持電路160q具有小的電荷輸送能力。
同時(shí)，VNB電平保持電路160r阻止由在刷新操作期間流動(dòng)的熱載流子引起的偏壓VNB的上升，為此，它以比較大的電荷輸送能力把負(fù)電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)162。選擇電路160p在自刷新激活信號SELF是激活的時(shí)選擇偏壓VNB，而在自刷新激活信號SELF是非激活的時(shí)選擇地電壓VSS。
一旦接通電源以及接通電源之后，圖21中所示的VNBS產(chǎn)生部分就按照下面參考圖22的波形圖所描述的那樣工作。
在時(shí)刻t0，接通電源，并且電源電壓VCC的電壓電平上升。一旦接通電源，振蕩電路160a產(chǎn)生振蕩并且產(chǎn)生具有預(yù)定周期的重復(fù)信號Φ?；鶞?zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601根據(jù)重復(fù)信號Φ而進(jìn)行電荷泵操作、從而產(chǎn)生具有負(fù)電壓電平的基準(zhǔn)電壓VrefN。該基準(zhǔn)電壓VrefN僅僅對微分放大電路160m的輸入部分的柵極電容進(jìn)行放電操作，因而基準(zhǔn)電壓VrefN快速地達(dá)到預(yù)定的電壓電平。
偏壓VNB高于基準(zhǔn)電壓VrefN(絕對值小)，使得來自微分放大電路160m的信號NBE處在H電平(該電壓電平隨著電源電壓VCC的上升而上升)，并且，重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n產(chǎn)生振蕩、從而產(chǎn)生具有大約100納秒的預(yù)定周期的重復(fù)信號ΦF。VNB產(chǎn)生電路160o根據(jù)重復(fù)信號ΦF而進(jìn)行電荷泵操作、以便把負(fù)電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)162，使得偏壓VNB的電壓電平降低。由于輸出節(jié)點(diǎn)162的電容量是大的，所以，偏壓VNB比基準(zhǔn)電壓VrefN慢地到達(dá)預(yù)定的電壓電平。
當(dāng)在時(shí)刻t1偏壓VNB和基準(zhǔn)電壓VrefN彼此相等時(shí)，來自微分放大電路160m的信號NBE被固定在L電平，并且重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n停止振蕩。接通電源之后，VNB產(chǎn)生電路160o利用從重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n接收到的具有大約100納秒的比較短的周期的重復(fù)信號ΦF進(jìn)行電荷泵操作，從而，能夠快速地產(chǎn)生具有預(yù)定電壓電平的偏壓VNB。
當(dāng)偏壓VNB到達(dá)基準(zhǔn)電壓VrefN的預(yù)定的電平時(shí)，VNBS產(chǎn)生部分停止其工作，因此，它不再消耗電流。VNB電平保持電路160q根據(jù)重復(fù)信號Φ進(jìn)行電荷泵操作。但是，VNB電平保持電路160q僅僅為了補(bǔ)償漏電流才進(jìn)行這種操作，因此，其電流消耗是非常小的、并且等于幾個(gè)納安。除了基準(zhǔn)電壓VrefN和偏壓VNB處在負(fù)電壓電平而基準(zhǔn)電壓Vrefp和偏壓VPB處在正電壓電平之外，圖21中所示的VNBS產(chǎn)生短路的結(jié)構(gòu)和圖9中所示的VPBS產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)基本上是相同的。下面將描述各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)。
(基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu))圖23顯示圖21中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601的具體結(jié)構(gòu)。圖23中，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601包括p溝道MOS晶體管P22-1，它以反向連接的二極管的形式連接在地節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)Da之間；p溝道MOS晶體管P22-2，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Da和Db之間；n溝道MOS晶體管N22-1，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Db和Dc之間；n溝道MOS晶體管N22-2和N22-3，它們以反向連接的二極管的形式以及彼此串聯(lián)連接的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dc和地節(jié)點(diǎn)之間；電荷泵電容器C22-1，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Da；電荷泵電容器C22-2，它響應(yīng)重復(fù)信號/Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Db；以及穩(wěn)定電容器C22-3，用來穩(wěn)定由節(jié)點(diǎn)Dc的基準(zhǔn)電壓VrefN。
p溝道MOS晶體管P22-1和P22-2是這樣連接的，以便在它們的反向柵極上接收電源電壓VCC。n溝道MOS晶體管N22-1至N22-3的反向柵極連接到各自的源極。p溝道MOS晶體管P22-1和P22-2是為避免基片區(qū)和它們的MOS晶體管的各自的一個(gè)導(dǎo)電節(jié)點(diǎn)之間的電連接而設(shè)置的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)Da和Db上的電位由于電荷泵電容器C22-1和C22-2的電荷泵操作而降低時(shí)可能出現(xiàn)這種電連接。用具有小絕對值的閾電壓的p溝道MOS晶體管作為p溝道MOS晶體管P22-1和P22-2。這樣做的目的是要減小反向柵極偏置效應(yīng)、并且產(chǎn)生具有所需要的電平的基準(zhǔn)電壓VrefN。設(shè)置這種p溝道MOS晶體管P22-1和P22-2的目的與已經(jīng)參考圖12描述的在基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c中設(shè)置n溝道MOS晶體管的目的是一樣的。下面將描述操作過程。
當(dāng)重復(fù)信號Φ處在H電平而重復(fù)信號/Φ處在L電平時(shí)，把正電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Da，并且從節(jié)點(diǎn)Db去除正電荷。因?yàn)閜溝道MOS晶體管P22-1由于節(jié)點(diǎn)Da上的電位的上升而導(dǎo)通，所以，節(jié)點(diǎn)Da被放電到地電位電平，并且，節(jié)點(diǎn)Da上的電位被鉗位在|VTP1|的電平。此處，VTP1代表MOS晶體管P22-1的閾電壓。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)Db上的電位降低，p溝道MOS晶體管P22-2被反向偏置，因而被斷開，并且n溝道MOS晶體管N22-1導(dǎo)通，因此，從節(jié)點(diǎn)Dc上去除正電荷、從而降低了節(jié)點(diǎn)Dc的電位電平。
當(dāng)重復(fù)信號Φ到達(dá)L電平而重復(fù)信號/Φ到達(dá)H電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)Db上的電位上升，并且n溝道MOS晶體管N22-1被斷開。節(jié)點(diǎn)Da上的電位電平也降低，并且p溝道MOS晶體管P22-2導(dǎo)通，使得節(jié)點(diǎn)Db上的電位降低。這時(shí)，p溝道MOS晶體管P22-1被斷開。通過重復(fù)地施加重復(fù)信號Φ和/Φ，節(jié)點(diǎn)Da上的電位在|VTP1|和|VTP1|-VCC之間變化。當(dāng)節(jié)點(diǎn)Da上的電位處在L電平時(shí)，節(jié)點(diǎn)Db被預(yù)充電，使得節(jié)點(diǎn)Db上的電位在(|VTP1|+|VTP|-VCC)和(|VTP1|+|VTP|-2VCC)之間變化。
由于節(jié)點(diǎn)Dc上的電位按照n溝道MOS晶體管N22-1的閾電壓VTN的值而低于節(jié)點(diǎn)Db上的電位，所以，節(jié)點(diǎn)Dc的電位電平可以降低到VTP+|VTP1|+|VTP2|-2VCC。但是，n溝道MOS晶體管N22-2和N22-3把節(jié)點(diǎn)Dc上的電位固定到-2VTN的電位電平。此處，地電壓是0伏。通過和已經(jīng)參考圖12描述的在基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160c中計(jì)算輸出電壓的相同的方法，有可能得到p溝道MOS晶體管P22-1和P22-2的閾電壓的絕對值(p溝道MOS晶體管P22-1和P22-2的閾電壓的絕對值對應(yīng)于n溝道MOS晶體管N22-1和N22-2的閾電壓VTN1和VTN2)。
因此，利用同樣的條件，可以得到以下公式。
|VTP1|＝0.7(伏)，|VTP2|＝0.86(伏)因此，可以從以下公式導(dǎo)出在輸出節(jié)點(diǎn)Dc上產(chǎn)生的電壓V(Dc)(空兩行)由n溝道MOS晶體管N22-2和N22-3確定的電壓電平等于-2VTN，并且，該電壓電平確定基準(zhǔn)電壓VrefN。因此，基準(zhǔn)電壓VrefN所需要的電壓電平等于-2VTN＝-2×0.7＝-1.4。因此，能夠可靠地獲得具有必要的電壓電平的基準(zhǔn)電壓VrefN。
(微分放大電路的結(jié)構(gòu))圖24A顯示圖21中所示的微分放大電路160f的具體結(jié)構(gòu)。圖24A中，微分放大電路160m包括p溝道MOS晶體管P23-1，它連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)Dd之間、并且在其柵極接收控制信號/ΦP；p溝道MOS晶體管P23-2，它連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)De之間、并且在其柵極接收控制信號/ΦP；n溝道MOS晶體管N23-1，它連接在節(jié)點(diǎn)Dd和Df之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)De；n溝道MOS晶體管N23-2，它連接在節(jié)點(diǎn)De和Df之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)Dd；以及n溝道MOS晶體管N23-5，它連接在節(jié)點(diǎn)Df和地點(diǎn)(VSS)之間，并且在其柵極上接收控制信號ΦS。
p溝道MOS晶體管P23-1和P23-2具有彼此相同的尺寸，并且當(dāng)控制信號/ΦP處在L電平時(shí)導(dǎo)通以便把節(jié)點(diǎn)Dd和De充電到電源電壓VCC電平。n溝道MOS晶體管N23-1和N23-2構(gòu)成觸發(fā)器，并且當(dāng)n溝道MOS晶體管N23-5導(dǎo)通時(shí)被激活、以便對節(jié)點(diǎn)Dd和De上的電位進(jìn)行微分放大。
微分放大電路160m還包括p溝道MOS晶體管P23-3和P23-4，它們彼此串聯(lián)連接、并且連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)Dd之間；反相器I23-1，它把節(jié)點(diǎn)Dd上的電位反相以便加到p溝道MOS晶體管P23-4的柵極；p溝道MOS晶體管P23-5和P23-6，它們彼此串聯(lián)連接、并且連接在電源節(jié)點(diǎn)VCC和節(jié)點(diǎn)De之間；反相器I23-6，它把節(jié)點(diǎn)De上的電位反相以便加到p溝道MOS晶體管P23-6的柵極。把電壓VrefN和VNB分別加到MOS晶體管P23-3和P23-5的柵極。
除了p溝道MOS晶體管P23-3和P23-5用來檢測電壓VrefN和VNB之間的差別之外，圖24A中所示的微分放大電路160m的結(jié)構(gòu)和已經(jīng)參考圖14描述的微分放大電路160d的結(jié)構(gòu)相同。在圖24A所示的微分放大電路160m中，各MOS晶體管的大小相對以于圖24A中的垂直方向是對稱的。但是，p溝道MOS晶體管P23-5的電流驅(qū)動(dòng)能力稍微小于(5％至10％)p溝道MOS晶體管P23-3的電流驅(qū)動(dòng)能力。因此，當(dāng)基準(zhǔn)電壓VrefN等于偏VNB時(shí)，比較大的電流來自p溝道MOS晶體管P23-3。微分放大電路160m的操作基本上與圖14中所示的微分放大電路的相同，但是，下面將參考圖24B的波形圖進(jìn)行簡單的描述。
在時(shí)刻t0，控制信號/ΦP和ΦS兩者都到達(dá)L電平，使得p溝道MOS晶體管P23-1和P23-2分別將節(jié)點(diǎn)Dd和De預(yù)充電到VCC電平。在時(shí)刻t1，控制信號/ΦP上升到H電平，并且MOS晶體管P23-1和P23-2被斷開，從而結(jié)束對節(jié)點(diǎn)Dd和De的預(yù)充電。這時(shí)，控制信號ΦS仍然處在L電平，并且MOS晶體管N23-5被斷開。由于反相器I23-1和I23-2的緣故，p溝道MOS晶體管P23-4和P23-6導(dǎo)通。
在時(shí)刻t2，控制信號ΦS上升到H電平，使得MOS晶體管N23-5導(dǎo)通，并且，MOS晶體管N23-1和N23-2開始微分放大過程。當(dāng)基準(zhǔn)電壓VrefN低于偏壓VNB時(shí)，p溝道MOS晶體管P23-3的電導(dǎo)大于p溝道MOS晶體管P23-5的電導(dǎo)，比較大的電流從電源節(jié)點(diǎn)VCC流向節(jié)點(diǎn)Dd。因此，節(jié)點(diǎn)De被經(jīng)由MOS晶體管N23-2和N23-5放電到地電位電平，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)Dd保持電源電壓VCC電平。在這種情況下，信號NBE保持H電平。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)Dd和De的電平分別變化到H電平和L電平時(shí)，反相器I23-2起把p溝道MOS晶體管P23-6斷開的作用，使得從電源節(jié)點(diǎn)VCC到節(jié)點(diǎn)De的電流通路被斷開。因此，在完成比較操作之后，不存在從電源節(jié)點(diǎn)VCC到地節(jié)點(diǎn)的電流通路，從而抑制了電流消耗。
在時(shí)刻t3，控制信號/ΦP和ΦS再次被置為L電平，并且節(jié)點(diǎn)Dd和De被預(yù)充電到電源電壓VCC電平。在時(shí)刻t4，控制信號/ΦP上述到H電平，而控制信號ΦS在時(shí)刻t5上升到H電平。由于如上所述p溝道MOS晶體管P23-5的電流驅(qū)動(dòng)能力大于p溝道MOS晶體管P23-3的電流驅(qū)動(dòng)能力，所以，當(dāng)基準(zhǔn)電壓VrefN和偏壓VNB的電壓電平彼此相等時(shí)，比較大的電流被輸送到節(jié)點(diǎn)De。因此，節(jié)點(diǎn)Dd被放電到地電位電平。作為節(jié)點(diǎn)Dd的這種電位下降的結(jié)果，反相器I23-1的輸出信號達(dá)到H電平，并且，p溝道MOS晶體管P23-4被斷開。在這種情況下，來自節(jié)點(diǎn)Dd的信號NBE達(dá)到L電平。
此外，在這種微分放大電路160m中，為了在完成對節(jié)點(diǎn)Dd和De的預(yù)充電之后進(jìn)行比較操作(微分放大)，使控制信號/ΦP和ΦS的激活周期彼此不同，并且，建立一種可靠地通過MOS晶體管P23-3和P23-5向節(jié)點(diǎn)Dd和De充電的狀態(tài)。與上述情況相似，由于不要求這種微分放大電路160m具有快速操作能力，所以使用具有大絕對值的閾電壓的MOS晶體管。這能夠降低子閾值電流。
(重復(fù)信號產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu))圖25顯示圖21中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n的具體結(jié)構(gòu)。圖25中，重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n包括五個(gè)串聯(lián)連接的反相器I25-1至I25-5以及接收反相器I25-4的輸出信號和信號NBE的“與非”電路G25。把“與非”電路G25的輸出信號加到第一反相器I25-1的輸入端。反相器I25-5產(chǎn)生重復(fù)信號ΦF。圖25中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路160m的結(jié)構(gòu)基本上與圖16中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路160e的結(jié)構(gòu)相同。
“與非”電路G25和反相器I25-1至I25-5具有大約100納秒的振蕩周期，并且不特別要求具有快速操作能力，因此，使用具有大絕對值閾電壓的MOS晶體管作為它們的元件。僅僅反相器I25-5驅(qū)動(dòng)VNB產(chǎn)生電路160o。因此，反相器I25-5具有大的電流驅(qū)動(dòng)能力，而其它反相器I25-1至I25-4和“與非”電路G25具有比較小的電流驅(qū)動(dòng)能力。這實(shí)現(xiàn)了減小電流消耗的目標(biāo)。
當(dāng)信號NBE處在L電平時(shí)，“與非”電路G25的輸出信號被固定在H電平，因此，重復(fù)信號ΦF被固定在L電平。當(dāng)信號NBE處在H電平時(shí)，“與非”電路G25起反相器的作用，并且，重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n起由五個(gè)級聯(lián)的反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器的作用。從而，重復(fù)信號ΦF按照不變的周期變化。
(VNB產(chǎn)生電路的具體結(jié)構(gòu))圖26顯示圖21中所示的VNB產(chǎn)生電路160o的具體結(jié)構(gòu)。在圖26中，VNB產(chǎn)生電路160o包括p溝道MOS晶體管P26-1，它以反向連接的二極管的形式連接在地節(jié)點(diǎn)VSS和節(jié)點(diǎn)Dg之間；p溝道MOS晶體管P26-2，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dg和Dh之間；n溝道MOS晶體管N26-1，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dh和Di之間；n溝道MOS晶體管N26-2和N26-3，它們以反向連接的二極管的形式以及彼此串聯(lián)連接的形式連接在節(jié)點(diǎn)Di和地節(jié)點(diǎn)VSS之間；電荷泵電容器C26-1，它響應(yīng)重復(fù)信號ΦF而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Dg；電荷泵電容器C26-2，它響應(yīng)重復(fù)信號/ΦF而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Dh；以及穩(wěn)定電容器C26-3，用來穩(wěn)定從節(jié)點(diǎn)Di施加的偏壓VNB。
除了施加到它上面的重復(fù)信號之外，圖26中所示的VNB產(chǎn)生電路160o的結(jié)構(gòu)基本上與已經(jīng)參考圖22描述的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601相同。因此，圖26中所示的VNB產(chǎn)生電路160o產(chǎn)生-2×VTN電壓電平的偏壓VNB。此處，VTN代表MOS晶體管N26-2和N26-3的閾電壓。此外，使用p溝道MOS晶體管P23-1和P23-2并且這樣連接它們、以便在它們的反向柵極接收電源電壓VCC。這樣做的原因與已經(jīng)聯(lián)系基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601所說明的一樣。通過借助于快速重復(fù)信號ΦF和/ΦF進(jìn)行電荷泵操作，可以在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)快速地產(chǎn)生具有不變的電壓電平的偏壓VNB。
(第一VNB電平保持電路的具體結(jié)構(gòu))圖27顯示圖21中所示的第一VNB電平保持電路160q的具體結(jié)構(gòu)。圖27中，第一VNB電平保持電路160q包括p溝道MOS晶體管P27-1，它以反向連接的二極管的形式連接在地節(jié)點(diǎn)VSS和節(jié)點(diǎn)Dj之間；p溝道MOS晶體管P27-2，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dj和Dk之間；n溝道MOS晶體管N27，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dk和Dn之間；電荷泵電容器C27-1，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Dj；電荷泵電容器C27-2，它響應(yīng)重復(fù)信號/Φ而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Dk。
p溝道MOS晶體管P27-1和P27-2是這樣連接的，使得它們的反向柵極接收電源電壓VCC。設(shè)置p溝道MOS晶體管P27-1和P27-2的原因與已經(jīng)聯(lián)系基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601所說明的原因相同。
圖27中所示的第一VNB電平保持電路160q未備有用來將節(jié)點(diǎn)D1鉗位的n溝道MOS晶體管。這使得節(jié)點(diǎn)D1上的電位能夠達(dá)到-2×VCC-|VTP1|-|VTP2|-VTN的值。但是，通過圖26中所示的n溝道MOS晶體管N26-2至N26-3將節(jié)點(diǎn)D1充電到地電位，因此，節(jié)點(diǎn)D1達(dá)到-2VTN的電位電平。
圖27中所示的VNB電平保持電路160q僅僅補(bǔ)償備用期間的漏電流，并且，電荷泵電容器C27-1和C27-2各自具有幾個(gè)微微法的電容量，因此，顯著地抑制了電流消耗。
與上述結(jié)構(gòu)相似，由于與已經(jīng)聯(lián)系圖26中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路160o所說明的相同的理由，圖27中所示的結(jié)構(gòu)使用p溝道MOS晶體管P27-1和P27-2，并且它們的反向柵極接收電源電壓VCC。甚至當(dāng)總是響應(yīng)重復(fù)信號Φ和/Φ而進(jìn)行電荷泵操作時(shí)，也能夠顯著地抑制電流消耗。
(第二VNB電平保持電路的具體結(jié)構(gòu))圖28顯示圖21中所示的第二VNB電平保持電路160r的具體結(jié)構(gòu)。圖28中，第二VNB電平保持電路160r包括p溝道MOS晶體管P28-1，它以反向連接的二極管的形式連接在地節(jié)點(diǎn)VSS和節(jié)點(diǎn)Dj之間；p溝道MOS晶體管P28-2，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dm和Dn之間；n溝道MOS晶體管N28，它以反向連接的二極管的形式連接在節(jié)點(diǎn)Dn和Do之間；電荷泵電容器C28-1，它根據(jù)脈沖信號PU而進(jìn)行電荷泵操作、把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Dn；以及電荷泵電容器C28-2，它根據(jù)脈沖信號/PU而把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)Dn。節(jié)點(diǎn)Do連接到VNB產(chǎn)生電路160o的輸出節(jié)點(diǎn)。
圖28中所示的第二VNB電平保持電路160r具有與圖27中所示的第一VPB電平保持電路160q相同的結(jié)構(gòu)，并且以相同的方式工作。但是，為了補(bǔ)償刷新期間由熱載流子引起的偏壓VNB的上升，它使用對應(yīng)于內(nèi)部RALS信號的脈沖信號，并且電荷泵電容器C28-1和C28-2具有幾十至幾百微微法的比較大的電容量。當(dāng)進(jìn)行刷新操作時(shí)，脈沖信號/PU從H電平降低到L電平，節(jié)點(diǎn)Dn的電位降低，正電荷被從節(jié)點(diǎn)Do移到節(jié)點(diǎn)Dn，并且偏壓VNB的電壓電平降低。這阻止了刷新期間可能由基片電流引起的偏壓VNB的變化。與保持電路160q的結(jié)構(gòu)相似，第二VPB電平保持電路160r具有這樣的結(jié)構(gòu)，使得節(jié)點(diǎn)Do連接到VNB產(chǎn)生電路160o的輸出節(jié)點(diǎn)Di，并且，其電位電平被n溝道MOS晶體管N26-2至N26-3鉗位在-2×VTN。
(選擇電路的具體結(jié)構(gòu))圖29A顯示圖21中所示的選擇電路160p的具體結(jié)構(gòu)。圖29A中，選擇電路160p包括p溝道MOS晶體管P21-1和n溝道MOS晶體管N21-1，他們構(gòu)成將自刷新激活信號SELF反相的CMOS反相器，并且還包括p溝道MOS晶體管P29-2，它在自刷新激活信號SELF非激活時(shí)導(dǎo)通、從而把電源電壓VCC輸送到節(jié)點(diǎn)Dp；p溝道MOS晶體管P29-3，它在所述CMOS反相器(MOS晶體管P29-1和N29-1)的輸出信號處在L電平時(shí)導(dǎo)通、從而把電源電壓VCC輸送到節(jié)點(diǎn)Dq；n溝道MOS晶體管P29-2，它連接在節(jié)點(diǎn)Np和偏壓節(jié)點(diǎn)VNB(用相同的參考字符來電壓和與之對應(yīng)的節(jié)點(diǎn))之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)Nq；n溝道MOS晶體管P29-3，它連接在節(jié)點(diǎn)Dq和偏壓節(jié)點(diǎn)VNB之間、并且其柵極連接到節(jié)點(diǎn)Dp；n溝道MOS晶體管N29-4，它在節(jié)點(diǎn)Dp的電位處在H電平時(shí)導(dǎo)通、從而把地電壓VSS輸送到節(jié)點(diǎn)Dr；n溝道MOS晶體管N29-5，它在節(jié)點(diǎn)Dq的電位處在H電平時(shí)導(dǎo)通、從而把偏壓VNB輸送到輸出節(jié)點(diǎn)Dr。從節(jié)點(diǎn)Dr產(chǎn)生基片偏壓VNBS。
除了n溝道MOS晶體管N29-4之外，即，MOS晶體管P29-1至P29-3、N29-1至N29-3和N29-5各自的反相柵極連接到它們的各自的源極。為了以下的目的，MOS晶體管N29-4的反相柵極是這樣連接的、以便接收偏壓VNB。當(dāng)把負(fù)偏壓VNB輸送到輸出節(jié)點(diǎn)Dr時(shí)，在MOS晶體管N29-4的N+區(qū)和P型基片區(qū)之間施加了正向偏置，從而，避免電流從地節(jié)點(diǎn)VSS流到輸出節(jié)點(diǎn)Dr。
如果MOS晶體管N29-4的反相柵極連接到輸出節(jié)點(diǎn)Dr，所述基片區(qū)將隨著輸出節(jié)點(diǎn)Dr從地電壓VSS轉(zhuǎn)換到偏壓VNB而同時(shí)放電，使得基片偏壓VNBS不能快速變化。由于上述原因，MOS晶體管N29-4的反相柵極是這樣連接的、以便接收偏壓VNB。下面將參考圖29B的工作波形圖描述圖29A中所示的選擇電路的操作。
當(dāng)自刷新激活信號SELF處在L電平時(shí)，CMOS反相器(MOS晶體管P29-1和N29-1)的輸出信號處在L電平，MOS晶體管P29-2導(dǎo)通，而MOS晶體管P29-3截止。把節(jié)點(diǎn)Dp充電到電源電壓VCC電平，MOS晶體管N29-3導(dǎo)通，并且節(jié)點(diǎn)Dq上的電位下降到偏壓VNB電平。隨著節(jié)點(diǎn)Dq電位的下降，MOS晶體管N29-2截止。在這種狀態(tài)下，MOS晶體管N29-4導(dǎo)通，MOS晶體管N29-5截止，并且來自輸出節(jié)點(diǎn)Dr的基片偏壓VNBS到達(dá)地電壓VSS電平。
當(dāng)自刷新激活信號SELF到達(dá)H電平的激活狀態(tài)時(shí)，MOS晶體管P29-2截止，而MOS晶體管P29-2導(dǎo)通。通過MOS晶體管P29-3將節(jié)點(diǎn)Dq充電，并且，MOS晶體管P29-2導(dǎo)通、從而降低節(jié)點(diǎn)Dp上的電位。最后，節(jié)點(diǎn)Dq到達(dá)電源電壓VCC電平的電位，并且，節(jié)點(diǎn)Dp到達(dá)偏壓VNB電平的電壓電平。從而，MOS晶體管N29-4截止，并且MOS晶體管N29-5導(dǎo)通，使得從輸出節(jié)點(diǎn)Dr施加的基片偏壓VNBS下降到偏壓VNB電平。由于基片偏壓VNBS被輸送到具有比較大的電容量的基片區(qū)，所以，基片偏壓VNBS變化比較慢。外圍電路中n溝道MOS晶體管基片區(qū)的偏壓具有大的絕對值，其閾電壓上升，因此，減小了子閾值電流。
與上述結(jié)構(gòu)相似，圖29A中所示的選擇電路160p具有這樣的結(jié)構(gòu)，使得在轉(zhuǎn)換基片偏壓之后的穩(wěn)態(tài)下，作為元件的所有MOS晶體管都截止，并且?guī)缀鯖]有直流電流流動(dòng)。不要求作為元件的MOS晶體管具有快速操作能力，因此它們具有大的閾電壓。雖然節(jié)點(diǎn)Dp和Dq上的電壓在電源電壓VCC和偏壓VNB之間變化，但是，這種變化有利于建立輸出級的n溝道MOS晶體管N29-4至N29-5的強(qiáng)的導(dǎo)通狀態(tài)。也可以使用這樣的結(jié)構(gòu)，使得節(jié)點(diǎn)Dp和Dq上的電壓在地電壓VSS和偏壓VNB之間變化。
(外圍電路中晶體管的結(jié)構(gòu))圖30A示意地示出作為外圍電路元件的MOS晶體管的橫截面結(jié)構(gòu)，在圖30A中，所述外圍電路包括p溝道MOS晶體管PT和n溝道MOS晶體管NT，它們是在形成于P型半導(dǎo)體基片或者半導(dǎo)體層400的表面的N型阱(N型基片區(qū))402和410中形成的，彼此之間有間隔。
p溝道MOS晶體管PT包括P+區(qū)403和405，它們形成在N型阱402的表面、彼此隔開；以及柵極409，它形成在p+區(qū)403和405之間的溝道區(qū)上，在柵極409和該溝道區(qū)之間有柵極絕緣膜408?；珘篤NBS經(jīng)由N+區(qū)407加到N+區(qū)402。
把電源電壓VCC經(jīng)由N+區(qū)411輸送到N型阱410，并且，在N型阱410的表面形成P型阱(P型基片區(qū))420。在P型阱420上形成n溝道MOS晶體管NT。n溝道MOS晶體管NT包括N+區(qū)423和425，它們形成在P型阱420的表面、彼此隔開；以及柵極429，它形成在N+區(qū)423和425之間的溝道區(qū)上，在柵極429和該溝道區(qū)之間有柵極絕緣膜428。P型阱420經(jīng)由P+區(qū)427接收基片偏壓VNBS。
p+區(qū)405和N+區(qū)425連接在一起以便產(chǎn)生輸出信號OUT。柵極409和429連接在一起以便產(chǎn)生輸入信號IN。
正如從圖30B的等效電路圖可以看到的，圖30A中所示的結(jié)構(gòu)具有CMOS反相器的結(jié)構(gòu)。更具體地說，p溝道MOS晶體管PT和n溝道MOS晶體管NT的柵極經(jīng)由輸入節(jié)點(diǎn)Ti接收輸入信號IN，并且，MOS晶體管PT和NT的漏極共同連接到輸出端子To、以便產(chǎn)生輸出信號OUT。MOS晶體管PT在其反向柵極接受基片偏壓VPBS，而MOS晶體管NT在其反向柵極接受基片偏壓VNBS。
通常，CMOS電路中，當(dāng)p溝道MOS晶體管的源極電位(即，連接到電源節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)上的電位)超過基片電位VPBS和擴(kuò)散電位(P/N結(jié)兩端之間的正向電壓降)的和時(shí)，可能出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象、即、寄生閘流晶體管導(dǎo)通現(xiàn)象。具體地說，當(dāng)接通電源時(shí)，由于阱的大的寄生電容的緣故，p+區(qū)403的電源電壓VCC比基片偏壓VPBS更快地上升到電源電壓電平，因此，易于出現(xiàn)這種鎖定現(xiàn)象。
提供用來形成n溝道MOS晶體管NT的基片區(qū)域的P型阱420被N型阱410所包圍，并且，電源電壓VCC被經(jīng)由N+區(qū)411加到N型阱410。因此，在電流從形成p溝道MOS晶體管PT的源極區(qū)的p+區(qū)403流向N型阱402、并且寄生雙極晶體管的基極電流流向P型阱420的情況下，N型阱410能夠吸收這種電流，因此，能夠避免所述CMOS鎖定現(xiàn)象。
如圖30A中所示，n溝道MOS晶體管NT具有由P型基片、在其表面形成的N型阱以及在N型阱的表面形成的P型阱構(gòu)成的三重阱結(jié)構(gòu)。因此，N型阱410能夠吸收寄生雙極晶體管的柵極電流，并且，所述寄生閘流晶體管被截止，以致能夠可靠地阻止所述鎖定現(xiàn)象的出現(xiàn)。
圖30A和30B顯示所述CMOS反相器的結(jié)構(gòu)。但是，甚至諸如“與非”電路或者“或非”電路的其它CMOS結(jié)構(gòu)的邏輯門也能夠類似地使用這種三重阱結(jié)構(gòu)，使得能夠確保消除所述鎖定現(xiàn)象。
(陣列偏壓電路的結(jié)構(gòu))圖31是說明圖3中所示的陣列偏壓電路150的具體結(jié)構(gòu)的方塊圖。圖31中，陣列偏壓電路150包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路150a，它根據(jù)來自振蕩電路160a的重復(fù)信號Φ而產(chǎn)生不變的基準(zhǔn)電壓VrefB；控制信號產(chǎn)生電路150b，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而產(chǎn)生控制信號/ΦP和/ΦS(ΦS)；微分放大電路150c，它根據(jù)控制信號/ΦP和/ΦS(ΦS)而被選擇性地置為預(yù)充電狀態(tài)和工作狀態(tài)，并且，當(dāng)它處在工作狀態(tài)時(shí)，在基準(zhǔn)電壓VrefB和輸出節(jié)點(diǎn)151的偏壓VBB之間進(jìn)行比較；重復(fù)信號產(chǎn)生電路150d，當(dāng)微分放大電路150c的輸出信號BBE是激活的時(shí)，它重復(fù)地輸出重復(fù)信號ΦF；VBB產(chǎn)生電路150e，它響應(yīng)重復(fù)信號ΦF而進(jìn)行用來產(chǎn)生偏壓VBB的電荷泵操作；VBB電平保持電路150f，它響應(yīng)重復(fù)信號Φ而進(jìn)行用來把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)151的電荷泵操作；以及VBB電平保持電路150g，它響應(yīng)內(nèi)部RAS信號ΦRAS而進(jìn)行用來把電荷輸送到節(jié)點(diǎn)151的電荷泵操作。
用于陣列偏壓電路150的振蕩電路160a是與用于上述外圍偏壓電路160的振蕩電路160a通用的。但是，也可以分別為陣列偏壓電路150和外圍偏壓電路160設(shè)置分開的和獨(dú)立的振蕩電路?；鶞?zhǔn)電壓產(chǎn)生電路150a的結(jié)構(gòu)類似于圖23中所示的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路1601的結(jié)構(gòu)，并且，產(chǎn)生具有不變的電壓電平的基準(zhǔn)電壓VrefB(負(fù)電壓電平)。
控制信號產(chǎn)生電路150b的結(jié)構(gòu)類似于圖13A中所示的控制信號產(chǎn)生電路160b的結(jié)構(gòu)。雖然控制信號產(chǎn)生電路150b可以與外圍偏壓電路中的控制信號產(chǎn)生電路160b和160k通用，但是，這導(dǎo)致這樣的狀態(tài)，即，外圍偏壓電路160中微分放大電路的操作時(shí)序必須與陣列偏壓電路150中微分放大電路的操作時(shí)序一致，并且增加了比較操作期間的電流消耗。因此，為了使所述時(shí)序相互間輕微地偏移而獨(dú)立地設(shè)置所述微分放大電路。
除了施加偏壓VBB而不是圖24B中的偏壓VNB以及產(chǎn)生信號BBE而不是信號NBE之外，微分放大電路150c的結(jié)構(gòu)與圖24A中所示的相同。
重復(fù)信號產(chǎn)生電路150d的結(jié)構(gòu)與圖25中所示的重復(fù)信號產(chǎn)生電路160n相同，但是，使用信號BBE而不是圖25中所示的結(jié)構(gòu)中的信號NBE。
VBB產(chǎn)生電路150e的結(jié)構(gòu)類似于圖26中所示的VNB產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，如果陣列基片區(qū)的偏壓VBB的電平不同于外圍電路中基片區(qū)的偏壓VNB，那么，根據(jù)這些不同的電壓電平而調(diào)整用來鉗位的n溝道MOS晶體管(N26-2和N26-3)的數(shù)目，并且，也適當(dāng)?shù)卣{(diào)整MOS晶體管P26-1、P26-2和N26-1的數(shù)目。
VBB電平保持電路150f的結(jié)構(gòu)與圖27中所示的VNB電平保持電路160q的相同，并且，在備用方式(正常工作方式)和數(shù)據(jù)保持方式(自刷新方式)期間利用小的電荷供應(yīng)能力抵償了由漏電流引起的偏壓VBB的上升。
VBB電平保持電路150g的結(jié)構(gòu)類似于圖28中所示的VNB電平保持電路160r的結(jié)構(gòu)。但是，VBB電平保持電路150g根據(jù)內(nèi)部RAS信號ΦRAS而進(jìn)行電荷供應(yīng)操作(電荷泵操作)，并且阻止所述陣列中基片區(qū)的偏壓VBB的上升。因此，在正常工作方式和數(shù)據(jù)保持方式(自刷新方式)兩者之中任一種方式下，當(dāng)進(jìn)行存儲單元選擇操作時(shí)，VBB電平保持電路150g進(jìn)行向節(jié)點(diǎn)151供應(yīng)電荷的電荷泵操作。
(改型)圖32顯示所述陣列偏壓電路的改型的結(jié)構(gòu)。圖32中，陣列偏壓電路150經(jīng)由接線152把由包含在外圍偏壓電路160中的VNBS產(chǎn)生部分165提供的偏壓VNB作為基片偏壓VBB加到陣列的基片區(qū)。
在圖32所示的結(jié)構(gòu)中，存儲單元的晶體管在其反向柵極接收基片偏壓VNB，因此，其閾電壓是大的。在這種情況下，作為外圍電路元件的n溝道MOS晶體管和存儲單元晶體管可以由具有不同閾電壓的MOS晶體管構(gòu)成，從而可以把存儲單元晶體管的閾電壓設(shè)定為適當(dāng)?shù)闹怠?br> 陣列偏壓電路150可以具有與包含在外圍偏壓電路160中的VNBS產(chǎn)生部分155相同的結(jié)構(gòu)，從而，可以在低的電流消耗的情況下穩(wěn)定地產(chǎn)生基片偏壓VBB。
(另一種結(jié)構(gòu))在上述實(shí)施例中，已經(jīng)把自刷新方式描繪成數(shù)據(jù)保持方式?？梢允褂眠@樣的結(jié)構(gòu)，即，與除了CBR狀態(tài)之外的狀態(tài)以及在預(yù)定的時(shí)間把信號/RAS和/CAS保持在L電平的狀態(tài)一致地指定半導(dǎo)體存儲器的數(shù)據(jù)保持方式。
所述外圍偏壓電路選擇電源電壓(VCC或者VSS)和所述偏壓中的一種電壓，并且把所選擇的電壓加到外圍電路基片區(qū)?？梢允褂眠@樣的結(jié)構(gòu)，即，準(zhǔn)備兩種偏壓，根據(jù)操作方式選擇它們中的一種、并且把它加到外圍電路的基片區(qū)。由于電源電壓可以是工作電源電壓VCC和地電壓VSS兩者中的一種，所以，在所附的權(quán)利要求書中的電源電壓包含這兩種電壓。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在數(shù)據(jù)保持方式下，存儲器陣列中基片區(qū)的偏壓是固定的，而外圍電路中基片區(qū)的偏壓的絕對值是上升的。因此，在數(shù)據(jù)保持方式下，在對存儲單元的存儲數(shù)據(jù)沒有有害影響的情況下減小電流消耗。
由于是從電源電壓(VCC或者VSS)和較大絕對值的偏壓中選擇一種電壓作為外圍電路中基片區(qū)的偏壓的，所以，對于一種電源電壓僅僅需要產(chǎn)生一種偏壓，使得能夠簡化電路結(jié)構(gòu)、并且能夠減小該電路所占用的面積。
作為外圍電路的元件的晶體管的基片區(qū)具有包含第一和第二阱的三重阱結(jié)構(gòu)，并且下面的第一阱施加電源電壓作為偏壓。因此，甚至在CMOS電路中也能夠可靠地消除所述鎖定現(xiàn)象，并且，外圍電路能夠穩(wěn)定地工作。
由于在數(shù)據(jù)保持方式下為第一和第二導(dǎo)電類型的兩種絕緣柵場效應(yīng)晶體管都設(shè)定了大絕對值的偏壓，所以，在數(shù)據(jù)保持方式下，能夠確保抑制子閾值電流而與為CMOS電路的輸入和輸出信號設(shè)定的電位電平無關(guān)，因此，能夠減小電流消耗。
在所述第一阱處形成外圍電路的第一導(dǎo)電類型的絕緣柵場效應(yīng)晶體管，并且，在三重阱結(jié)構(gòu)的基片區(qū)處形成第二導(dǎo)電類型的絕緣柵場效應(yīng)晶體管，使得能夠確保消除這種外圍電路的鎖定現(xiàn)象。
所述外圍偏壓電路包括根據(jù)周期地產(chǎn)生的重復(fù)信號進(jìn)行電荷泵操作以便產(chǎn)生所述基準(zhǔn)電壓的電路；比較電路，它根據(jù)響應(yīng)這種重復(fù)信號產(chǎn)生的控制信號而在基準(zhǔn)電壓和偏壓之間進(jìn)行比較；重復(fù)信號產(chǎn)生電路，它根據(jù)所述比較電路的輸出信號而產(chǎn)生第二重復(fù)信號；以及偏壓電路，它根據(jù)所述第二重復(fù)信號而進(jìn)行電荷泵操作、從而產(chǎn)生加到輸出節(jié)點(diǎn)的偏壓。由于這種結(jié)構(gòu)的緣故，僅僅在所述偏壓的絕對值小于預(yù)定值時(shí)才進(jìn)行把電荷輸送到輸出節(jié)點(diǎn)的電荷泵操作，并且，僅僅在被激活時(shí)所述比較電路才進(jìn)行比較操作。因此，能夠減小外圍偏壓電路的電流消耗。
設(shè)置第一偏壓保持電路和第二偏壓保持電路，第一偏壓保持電路根據(jù)時(shí)鐘信號而以小的電荷供應(yīng)能力進(jìn)行電荷泵操作、以便把電荷輸送到所述輸出節(jié)點(diǎn)，而第二偏壓保持電路根據(jù)存儲單元選擇起始指令信號而以比較大的電荷供應(yīng)能力工作、以便把電荷輸送到所述輸出節(jié)點(diǎn)。由于這種結(jié)構(gòu)的緣故，有可能確保阻止偏壓絕對值的下降，從而穩(wěn)定地產(chǎn)生處在所需要的電壓電平的偏壓。
所述比較電路包括預(yù)充電電路，它在第一控制信號激活時(shí)把第一和第二節(jié)點(diǎn)預(yù)充電到預(yù)定電位；微分放大電路，它在所述第二控制信號激活時(shí)被激活、從而對所述第一和第二節(jié)點(diǎn)上的電位進(jìn)行微分放大；以及比較級，它把基準(zhǔn)電壓和所述輸出節(jié)點(diǎn)上的電壓相比較，并且把相當(dāng)于它們之間的差值的電流輸送到所述第一和第二節(jié)點(diǎn)。由于這種結(jié)構(gòu)的緣故，在除了完成所述比較操作時(shí)的操作和預(yù)充電操作之外的操作期間、有可能抑制直流狀態(tài)的電流(即，從電源節(jié)點(diǎn)流到地節(jié)點(diǎn)的電流)，因此，能夠減小電流消耗。
在所述比較級中，在第一和第二節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置用來把基準(zhǔn)電壓和偏壓相比較的絕緣柵場效應(yīng)晶體管，并且，當(dāng)?shù)谝缓偷诙?jié)點(diǎn)中的一個(gè)處在L電平時(shí)，所述絕緣柵場效應(yīng)晶體管能夠起切斷從電源節(jié)點(diǎn)到第一和第二節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流通路的作用。因此，有可能阻止來自電源節(jié)點(diǎn)的電流流經(jīng)所述節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)和所述微分放大級，使得能夠減小電流消耗。
用來轉(zhuǎn)換偏壓的所述選擇電路包括用來變換數(shù)據(jù)保持方式指令信號的電壓電平的電平變換級；以及轉(zhuǎn)換級，用來根據(jù)來自所述電平變換級的信號而產(chǎn)生電源電壓和偏壓中的一種電壓、把它作為基片偏壓。所述轉(zhuǎn)換級中的絕緣柵場效應(yīng)晶體管的反向柵極是這樣連接的、使得它接受所述偏壓。由于這種結(jié)構(gòu)的緣故，有可能阻止電流流向所述轉(zhuǎn)換級的絕緣柵場效應(yīng)晶體管的基片區(qū)，從而能夠減小電流消耗。
所述電平變換級可以由閂鎖型的電平變換電路構(gòu)成，在這種情況下，在完成電平變換之后，確實(shí)有可能阻止電流從電源節(jié)點(diǎn)流向地節(jié)點(diǎn)。
甚至必定能夠在低的電流消耗的情況下、從2.0伏的電源電壓產(chǎn)生具有所需要的電壓電平的偏壓。
雖然已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述和舉例說明，但是，顯然，這些描述和例示僅僅作為說明和例子、而不要把它作為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的精神和范圍僅僅受所附的權(quán)利要求書的條款的限制。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體存儲器，其特征在于包括存儲單元陣列(100)，它包括許多排列成行和列的存儲單元，陣列偏壓裝置(150)，用來把恒定的偏壓輸送到其上形成所述存儲單元陣列的基片區(qū)，外圍電路(122，124，102，106)，用來把所述存儲單元陣列激勵(lì)到所選擇的狀態(tài)，以及外圍偏壓裝置(160)，用來把偏壓輸送到其上形成所述外圍電路的基片區(qū)，所述外圍偏壓裝置包括偏壓控制裝置(160g，160p)，用來使在數(shù)據(jù)保持方式指定信號的激活狀態(tài)期間由所述外圍偏壓裝置輸送的偏壓的絕對值大于在數(shù)據(jù)保持方式指定信號的非激活狀態(tài)期間由所述外圍偏壓裝置輸送的偏壓的絕對值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述外圍偏壓裝置(160)包括偏壓產(chǎn)生裝置(160a-160i，160k-160r)，用來產(chǎn)生其絕對值大于電源電壓的電壓，以及選擇裝置(160q，160p)，用來響應(yīng)所述數(shù)據(jù)保持方式指定信號的激活而選擇由所述偏壓產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的電壓、響應(yīng)所述數(shù)據(jù)保持方式指定信號的停用而選擇所述電源電壓、以及把所選擇的電壓輸送到其上形成所述外圍電路(122，124，102，106)的基片區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述外圍電路包括晶體管元件(PT，NT)，該晶體管元件是在形成于第一阱(410)的表面的第二阱(420)上形成的，所述第一阱是在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面形成的，所述第一類型阱(410)具有第二導(dǎo)電類型并且加有所述電源電壓(VSS)作為偏壓，以及所述第二阱(410)具有第一導(dǎo)電類型并且接受來自所述外圍偏壓裝置(160)的偏壓VNBS。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述外圍電路包括第一導(dǎo)電類型的第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管(PT)和第二導(dǎo)電類型的第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管(NT)，所述外圍偏壓裝置(160)包括用來產(chǎn)生加到其上形成所述第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管的基片區(qū)的第一偏壓的裝置(160a-160g)，用來產(chǎn)生加到其上形成所述第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管的基片區(qū)的第二偏壓的裝置(160l-160p)，以及所述偏壓控制裝置(160g，160p)包括用來響應(yīng)所述數(shù)據(jù)保持方式指定信號的激活而加大所述第一和第二偏壓兩者的絕對值的裝置(P20-4，N29-4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述半導(dǎo)體存儲器具有作為一個(gè)電源電壓的第一電源電壓(Vcc)和作為另一個(gè)電源電壓的第二電源電壓(Vss)，所述第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管(PT)是在形成于第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層(400)的表面的第二導(dǎo)電類型的第一阱(402)上形成的，所述第一阱加有所述第一偏壓(VPBS)，所述第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管(NT)是在形成于第二阱(410)表面的第三阱上形成的，所述第二阱形成于所述半導(dǎo)體層的表面，所述第二阱與所述第一阱隔開，所述第二阱(410)具有所述第二導(dǎo)電類型并且加有所述第一電源電壓(VCC)，所述第三阱(420)具有所述第一導(dǎo)電類型并且加有所述第二偏壓(VNBS)，以及所述第一偏壓(VPBS)的絕對值等于或者大于有所述第一電源電壓(VCC)，并且所述第二偏壓(VNBS)的絕對值等于或者大于所述第二電源電壓(VSS)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述外圍偏壓裝置(160)包括用來周期地產(chǎn)生時(shí)鐘信號(Φ)的時(shí)鐘產(chǎn)生裝置(160a)，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生裝置(160c，160l)，用來響應(yīng)所述時(shí)鐘信號而進(jìn)行電荷泵操作以便產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，控制信號產(chǎn)生裝置(160b，160k)，用來響應(yīng)所述時(shí)鐘信號而產(chǎn)生比較控制信號(/ΦP，ΦS)，比較裝置(160d，160m)，它響應(yīng)所述比較控制信號而把所述基準(zhǔn)電壓同輸出節(jié)點(diǎn)(161，162)相比較、以便產(chǎn)生表示比較結(jié)果的信號，重復(fù)信號產(chǎn)生裝置，當(dāng)所述比較裝置的比較結(jié)果表示所述基準(zhǔn)電壓的絕對值大于所述輸出節(jié)點(diǎn)的電壓時(shí)，該重復(fù)信號產(chǎn)生裝置被激活并且周期地產(chǎn)生重復(fù)信號，以及偏壓產(chǎn)生裝置(160f，160o)，用來根據(jù)從所述重復(fù)信號產(chǎn)生裝置接收到的重復(fù)信號而對所述輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電荷泵操作以便產(chǎn)生偏壓(VNO)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述外圍偏壓裝置(160)還包括第一偏壓保持裝置(160h，160q)，用來響應(yīng)所述時(shí)鐘信號而進(jìn)行電荷泵操作以便把電荷輸送到所述輸出節(jié)點(diǎn)(161，162)，并且，其電荷供應(yīng)能力小于所述偏壓產(chǎn)生裝置(160f，160o)的電荷供應(yīng)能力，以及第二偏壓保持裝置(160i，160r)，用來響應(yīng)存儲單元選擇起動(dòng)指令信號(PU)而進(jìn)行電荷泵操作、把電荷輸送到所述輸出節(jié)點(diǎn)(161，162)以便進(jìn)行刷新操作，并且，其電荷供應(yīng)能力大于所述第一偏壓保持裝置的電荷供應(yīng)能力。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述控制信號產(chǎn)生裝置(160b，160k)包括響應(yīng)所述時(shí)鐘信號而產(chǎn)生具有彼此不重疊的激活時(shí)間周期的第一和第二控制信號，以及所述比較裝置(160d，160m)包括預(yù)充電裝置(P4-1，P4-2；P23-1，P23-2)，用來響應(yīng)所述第一控制信號(/ΦP)而把第一和第二節(jié)點(diǎn)(NG，NH；Dd，De)預(yù)充電到預(yù)定的電位，比較級(N4-3，N4-4；N23-3，P23-5)，用來在所述基準(zhǔn)電壓(VrefP；VrefN)和所述輸出節(jié)點(diǎn)(161，162)上的電位(VPB，VNB)之間進(jìn)行比較，并且，把相當(dāng)于所述基準(zhǔn)電壓和所述輸出節(jié)點(diǎn)上的電位之間的差值的電流分別輸送到所述第一和第二節(jié)點(diǎn)，以及微分放大級(N4-1，N4-2；N23-1，P23-2)，它隨著所述第二控制信號ΦS的激活而被激活，以便對所述第一和第二節(jié)點(diǎn)上的電位進(jìn)行微分放大而產(chǎn)生表示所述比較結(jié)果的、作為所述偏壓的信號(PBE，NBE)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述比較級(N4-3，N4-4；N23-3，P23-5)包括第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管(N4-3；P23-3)，它被連接在電源節(jié)點(diǎn)和第一節(jié)點(diǎn)(NG；Dd)之間、用來在其柵極接受所述基準(zhǔn)電壓(VrefP；VrefN)，第一切斷裝置(P4-3，I4-1，P23-4，I23-1)，它是這樣連接的、以便接受所述第一節(jié)點(diǎn)上的電位、并且響應(yīng)所述第一節(jié)點(diǎn)(NG；Dd)上的電位而切斷經(jīng)由連接在所述電源節(jié)點(diǎn)和所述第一節(jié)點(diǎn)之間的所述第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管形成的電流通路，第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管(N4-4；P23-5)，它被連接在所述電源節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)(NH；De)之間、用來在其柵極接受所述輸出節(jié)點(diǎn)(161，162)上的電位，第二切斷裝置(P4-4，I4-2；P23-6，I23-2)，它是這樣連接的、以便接受所述第二節(jié)點(diǎn)(NH；De)上的電位、并且響應(yīng)所述第二節(jié)點(diǎn)上的電位而切斷經(jīng)由連接在所述電源節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)之間的所述第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管形成的電流通路。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述電源電壓包括作為一個(gè)工作電源電壓的第一電源電壓和作為另一個(gè)工作電源電壓的第二電源電壓，以及所述選擇裝置(160q，160p)包括電平變換裝置(P20-1，P20-2；N29-2，N29-3)，用來把所述數(shù)據(jù)保持方式指定信號變換成具有所述偏壓電平(VPB；VNB)的信號和具有所述第一電源電壓電平(VSS；VCC)的信號，并且，產(chǎn)生互補(bǔ)的第一和第二選擇信號，第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管(P20-4；N29-5)，它響應(yīng)來自所述電平變換裝置的第一選擇信號的激活而導(dǎo)通、從而把所述偏壓輸送到輸出節(jié)點(diǎn)(NT；Dr)，以及第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管(P20-4；N29-4)，它響應(yīng)來自所述電平變換裝置的第二選擇信號的激活而導(dǎo)通、從而把所述第二電源電壓(VCC；VSS)輸送到所述輸出節(jié)點(diǎn)，所述第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管的反向柵極是這樣連接的、以便接受所述偏壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述第一偏壓(VPBS)的電壓電平等于或者大于具有2.0伏或者更小的值的正電源電壓(VCC)的電平，以及所述第二偏壓(VNBS)的電壓電平等于或者小于地電壓(VSS)的電平。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于還包括對應(yīng)于所述存儲單元陣列中存儲單元的各個(gè)列(BL，/BL)而設(shè)置的預(yù)充電裝置(P/E)，用來把對應(yīng)的列預(yù)充電到預(yù)定的電位，所述預(yù)充電裝置包括其反向柵極接受第一電源電位(VSS)的絕緣柵場效應(yīng)晶體管(NQ3-NQ5)；對應(yīng)于各個(gè)列設(shè)置的讀出放大裝置(SA)，用來當(dāng)被激活時(shí)將對應(yīng)列上的電位放大，所述讀出放大裝置包括其反向柵極接受第二電源電位(VCC)的第一絕緣柵場效應(yīng)晶體管(PQ1，PQ2)和其反向柵極接受第二電源電位的第二絕緣柵場效應(yīng)晶體管(NQ1，NQ3)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述許多存儲單元(MC)每一個(gè)包括絕緣柵場效應(yīng)晶體管(MT)，該絕緣柵場效應(yīng)晶體管(MT)的作為所述基片區(qū)的反向柵極接受來自所述陣列偏壓裝置(150)的、作為所述恒定偏壓的負(fù)電位(VBB)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體存儲器，其特征在于所述陣列偏壓裝置(150)包括裝置(152)，該裝置(152)接收來自所述偏壓產(chǎn)生裝置(165；160k-160r)的電壓、以便把它加到所述存儲單元陣列(100)的所述基片區(qū)。
全文摘要
在數(shù)據(jù)保持方式下，存儲單元陣列(100)中基片區(qū)的電位被固定在與正常方式下的相同的電平，并且使加到外圍電路的基片區(qū)的偏壓的絕對值大于正常工作方式下的對應(yīng)值。當(dāng)工作方式改變時(shí)，存儲單元晶體管基片電位不變，因此存儲單元的存儲節(jié)點(diǎn)上的電位不變，從而可靠地保持存儲數(shù)據(jù)。外圍電路中MOS晶體管的閾電壓的絕對值加大，并且子閾值電流減小。在半導(dǎo)體存儲器的數(shù)據(jù)保持方式下，在不對存儲數(shù)據(jù)產(chǎn)生有害影響的情況下減小了電流消耗。
文檔編號G11C11/413GK1162818SQ9710267
公開日1997年10月22日 申請日期1997年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月27日
發(fā)明者飛田洋一 申請人:三菱電機(jī)株式會(huì)社