二段式電壓位移模塊的製作方法

2023-12-01 01:41:11 5

專利名稱：二段式電壓位移模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電壓位移模塊，特別涉及一種可用於使用不同偏壓的多 種輸出入裝置的二段式電壓位移模塊。
背景技術：
隨著集成電路的發展，在集成電路的工藝中，集成電路的體積大小正逐 漸往下探底，因此使用於集成電路的偏壓也必須要適應體積大小逐漸遞減的 工藝而同步縮減。在這樣的趨勢之下，以具有較小偏壓的集成電路驅動與聯 具有較高偏壓的外接裝置的情況越來越多，然而，這些外接裝置通常不會隨著集成電路工藝的演進減少其偏壓，或是跟不上集成電路工藝遞減偏壓的腳步。此類的外接裝置包含了一般的輸出入(Input/Output， 1/0)裝置。如以上 所述，若直接以具有較低偏壓的集成電路來驅動與聯繫具有較高偏壓的外接 裝置時，以一般的手段是無法順利運作的。為了解決這樣的問題，在現有技 術中會在集成電路內另外設置電壓位移電路，以將集成電路較小的偏壓轉換 為適合外接裝置的較高偏壓來操作外接裝置。然而，這樣的電壓位移電路也帶來了新的問題。首先，由於集成電路在 工藝上不斷的縮小其體積，集成電路包含的金屬氧化物半導體場效應電晶體 中柵極氧化層的厚度也會同步遞減，並造成柵極電壓的上限也逐漸降低，此 是因超過上限的柵極電壓會引起金屬氧化物半導體場效應電晶體內柵極氧化 層崩潰(gate oxide breakdown)的發生。再者，上述的電壓位移電^^實質上 只是提高了集成電路偏壓範圍的上限，而並沒有對偏壓範圍的下限做更動， 換言之，該偏壓範圍只有數字邏輯1所代表的電壓被提高，但數字邏輯0所 代表的電壓並沒有任何變動。舉例來說，將集成電路原本的偏壓範圍為0伏 特至1.8伏特的提升到0伏特至3. 3伏特，其中，數字邏輯l所代表的電壓 由1. 8伏特提升至3. 3伏特以適應外接裝置，且數字邏輯0所代表的電壓即 為0伏特。然而，當集成電路的偏壓範圍提升時，會使得其包含的金屬氧化 物半導體場效應電晶體的柵極與源極電壓差極易造成柵極氧化層崩潰的現象，並造成柵極氧化層的永久性傷害。因此可知，現有技術在集成電路內設置電壓位移電路的作法仍然有需要改進的必要。若以0. 18微米工藝下的金氧 化電晶體而言，3. 3伏特的電壓差相當容易導致柵極氧化層崩潰的現象。請參閱圖1，其為一種現有技術中可增加電壓範圍上限的電壓位移電路 100的示意圖。如圖1所示，電壓位移電路IOO包含一反邏輯運算放大器102， 一第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體104, —第二N型金屬氧化物半 導體場效應電晶體106， 一第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體108, — 第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體110， 一第一P型金屬氧化物半導 體場效應電晶體112，以及一第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體114。 反邏輯運算放大器102的正偏壓端耦接一電壓源VDD1，負偏壓端接地，且輸 入端耦接於一信號源I叩ut。信號源Input的電壓大小在接地與電壓源VDD1 的電位之間。第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體104的柵極耦接於反 邏輯運算放大器102的輸出端，且源極接地。第二N型金屬氧化物半導體場 效應電晶體106的柵極耦接於信號源Input,且源極接地。第三N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體108的源極耦接於第一N型金屬氧化物半導體場效 應電晶體104的漏極，且柵極耦接於一電壓源VDD2。其中，電壓源VDD2的 電位高於電壓源VDD1的電位。第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體110 的源極耦接於第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體106的漏極，且柵極 耦接於第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體108的柵極。第一 P型金屬 氧化物半導體場效應電晶體112的漏極耦接於第三N型金屬氧化物半導體場 效應電晶體108的漏極，柵極耦接於第四N型金屬氧化物半導體場效應晶體 管110的漏極，且源極耦接於一電壓源VDDIO。電壓源VDDIO的電位高於電 壓源VDD2。第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體114的漏極耦接於第四 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體110的漏極，柵極耦接於第三N型金屬 氧化物半導體場效應電晶體108的漏極，且源極耦接於電壓源VDDIO。電壓位移電路100主要是用來以將信號源Input所輸入的電壓上限提高 來增加信號源Input所輸入的電壓範圍。在圖1中敘述電壓位移電路IOO的 運作方式時，是假設電壓源VDD1的電位為1. 0伏特，電壓源VDD2的電位為 2. 5伏特，電壓源VDDIO的電位為3. 3伏特，且信號源Input是輸入電位介 於0伏特與1. 0伏特之間的信號以輸入數字邏輯為0或1的信號。反邏輯運 算放大器102藉由偏壓在0伏特(即接地端)與電壓源VDD1之間，將所輸出的電壓可完整的拉高至1. 0伏特或是降低至0伏特，其中，反邏輯運算放大器102可視為以一運算放大器外接一反向器(inverter)來實施，以將高電位的 電壓完全轉為低電位的電壓，或是將低電位的電壓完全轉為高電位的電壓， 此是為了可以清楚辨識電壓代表高電位或是低電位的作法，故不再加以贅述。 電壓位移電路100的運作方式如以下所述當信號源Input輸入數字邏輯為 1的信號時，第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體104的柵極處於低電 位，且第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體106的柵極處於高電位，因 此第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體104會處於關閉狀態，且第二N 型金屬氧化物半導體場效應電晶體106會處於開啟狀態。由於電壓源VDD2耦 接於第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體108與第四N型金屬氧化物半 導體場效應電晶體110的柵極，因此第三N型金屬氧化物半導體場效應晶體 管108與第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體IIO會持續處於開啟狀態， 且藉由電壓源VDD2的偏壓，可拉高第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體 108與第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體110的漏極的電位，以達到 第一階段提高電壓範圍的目的。此時，由於第一N型金屬氧化物半導體場效 應電晶體104處於關閉狀態，因此沒有電流流經第一N型金屬氧化物半導體 場效應電晶體104與第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體108，並使得 第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體112的漏極的電位(亦即圖1所示節 點A+的電位)不至於由電壓源VDDIO的電位下降太多。同理，由於第二N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體106處於開啟狀態，因此會有電流流經第二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體106與第四N型金屬氧化物半導體場效 應電晶體110，並大幅拉低第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體114的 漏極的電位(亦即圖l所示節點B+的電位)。請注意，電壓位移電路100的輸 出端即為節點A+與B+,換言之，節點A+與B+之間的電位差即為電壓位移電 路100的輸出電壓範圍。再者，藉由耦接於第一P型金屬氧化物半導體場效 應電晶體112與第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體114的源極的電壓 源VDDIO的偏壓，可使得原本介於0伏特與電壓源VDD1的電位之間的電壓範 圍增加到0伏特與電壓源VDDIO的電位之間。以上述的例子來說，電壓範圍 由0至1. Q伏特被拉高到0至3. 3伏特。然而，誠如之前對柵極氧化區崩潰 的敘述，當第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體112與第二P型金屬氧 化物半導體場效應電晶體114其中之一帶有了 3. 3伏特的源極電壓與0伏特的柵極電壓時，亦即承受了 3. 3伏特的源極與柵極電壓差時，極有可能發生 上述的柵極氧化區崩潰現象，而造成P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的永久性損壞，也造成節點A+與B+的電位無法正確代表數字邏輯0與1的狀況。 在現有技術中，也有直接將兩組同樣的電壓偏移電路互接以提供較大範 圍且安全的電壓範圍的做法，但是這樣一來勢必也須要增加集成電路中光掩 膜的數量為至少原先的兩倍，因此會增加集成電路的生產成本，並大幅增加 集成電路本身的體積。發明內容本發明提供一種可用於使用不同偏壓的多種輸出入裝置的二段式電壓位 移模塊。該二段式電壓位移模塊包含一第一級電壓位移電路、 一第一電壓源、 一第二電壓源、 一第三電壓源、 一第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體、 一第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體、以及一第二級電壓位移電路。 該第一電壓源耦接於該第一級電壓位移電路的一第一電源輸入端。該第二電 壓源的電位高於該第一電壓源的電位，並耦接於該第一級電壓位移電路的一 第二電源輸入端。該第三電壓源的電位高於該第一電壓源與該第二電壓源的 電位。該第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極耦接於該第三電壓 源。該第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極耦接於該第三電壓源, 漏極耦接於該第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且柵極耦接 於該第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極。該第二級電壓位移電 路包含一第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體、 一第四P型金屬氧化物 半導體場效應電晶體、 一第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體、 一第六 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體、 一第一 N型金屬氧化物半導體場效應 電晶體、 一第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體、 一第七P型金屬氧化 物半導體場效應電晶體、以及一第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體。 該第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極耦接於該第一 P型金屬氧 化物半導體場效應電晶體的漏極。該第四P型金屬氧化物半導體場效應晶體 管的源極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極。該第五 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極耦接於該第三P型金屬氧化物半 導體場效應電晶體的漏極，源極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導體場效應 電晶體的柵極，且漏極耦接於該第一電壓源。該第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極耦接於該第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏 極，源極耦接於該第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且漏極 耦接於該第一電壓源。該第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極耦 接於該第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，柵極耦接於該第一 級電壓位移電路的一第一信號輸出端，且漏極耦接於該第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極。該第二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的 源極耦接於該第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，柵極耦接於 該第一級電壓位移電路的一第二信號輸出端，且漏極耦接於該第四P型金屬 氧化物半導體場效應電晶體的柵極。該第七P型金屬氧化物半導體場效應晶 體管的柵極耦接於該第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，漏極 耦接於該第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且源極耦接於該 第二電壓源。該第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極耦接於該第 二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，其漏極耦接於該第二 N型金 屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且源極耦接於該第二電壓源。


圖1為一種現有技術中可增加電壓範圍上限的電壓位移電路的示意圖。 圖2為本發明所揭露的二段式電壓位移模塊的示意圖。 附圖符號說明電壓位移電3各100、202、204反邏輯運算放大器102、242N型金屬氧化物半導體場效應晶體104、106、108、110、218、220、管222、224、230、232、234、236、238、240、244、246、252、254P型金屬氧化物半導體場效應晶體112、114、210、212、214、216、管221、223、226、228、248、250電壓源 VDD1、 VDD2、 VDDIO節點 A+、 B+、 A、 B、 AA、 BB、 AAA、 BBB信號源 Input。
具體實施方式
因此，本發明提供一種二段式電壓位移^f莫塊，以解決現有技術中當電壓 範圍過大時引起金屬氧化物半導體場效應電晶體發生柵極氧化區崩潰的現象 的問題。本發明所提供的二段式電壓位移模塊所使用的技巧為將圖1中現有 技術所揭露的可增加電壓範圍上限的電壓位移電路另外再加上一級光掩膜較 少的電壓位移電路，以提高上述電壓範圍中低電位的下限，避免過大的電壓 差造成柵極氧化區崩潰的現象，其中，現有技術所揭露的電壓位移電路可視 為 一第 一級電壓位移電路，且另外加上的電壓位移電路可視為 一第二級電壓 位移電^各。請參閱圖2，其為本發明所揭露的二段式電壓位移模塊200的示意圖。 二段式電壓位移模塊200包含一第一級電壓位移電路202與一第二級電壓位 移電路204。請注意，在圖2中，為了避免線路交錯造成閱讀不易，因此二 段式電壓位移模塊200中部分的耦接方式會以節點的方式表示。舉例來說， 所有標為AAA的節點之間保有互相耦接的關係，因此所有標為AAA的節點的 電位皆相同，且此點對於圖2中所示的其它節點也是相同，以避免線路交錯 造成圖2在瀏覽上造成困惑。第一級電壓位移電路202大致上的結構與圖1 所示的電壓位移電路IOO大致上相同，但仍存在有部分不同處。第一級電壓 位移電路202的詳細結構將在之後再述。在二段式電壓位移模塊200中，第一P型金屬氧化物半導體場效應晶體 管210的源極耦接於電壓源VDDIO。第二 P型金屬氧化物半導體場效應晶體 管212的源極耦接於電壓源VDDIO,其漏極耦接第一 P型金屬氧化物半導體 場效應電晶體210的柵極，且其柵極耦接於第一 P型金屬氧化物半導體場效 應電晶體210的漏極。第二級電壓位移電路204包含第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體 214、第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體216、第九N型金屬氧化物半 導體場效應電晶體218、第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體220、第五 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體221、第六P型金屬氧化物半導體場效應 電晶體223、第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體222、第二N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體224、第七P型金屬氧化物半導體場效應電晶體226、 第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體228、第五N型金屬氧化物半導體 場效應電晶體230、第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體232、第七N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體234、第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體236、第九N型金屬氧化物半導體場效應電晶體238、與第十N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體240。第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體214 的源極耦接於第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體210的漏極。第四P 型金屬氧化物半導體場效應電晶體216的源極耦接於第二P型金屬氧化物半 導體場效應電晶體212的漏極。第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體221 的柵極耦接於第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體214的漏極，其源極 耦接於第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體212的柵極，且其漏極耦接 於電壓源VDD1。第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體223的柵極耦接於 第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體216的漏極，其源極耦接於第一 P 型金屬氧化物半導體場效應電晶體210的柵極，且其漏極耦接於電壓源VDD1。 第九N型金屬氧化物半導體場效應電晶體218的漏極耦接於第三P型金屬氧 化物半導體場效應電晶體214的漏極，且其柵極耦接於電壓源VDD2。第十N 型金屬氧化物半導體場效應電晶體220的漏極耦接於第四P型金屬氧化物半 導體場效應電晶體216的漏極，且其柵極耦接於第九N型金屬氧化物半導體 場效應電晶體218的柵極。第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體222的 源極耦接於第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體2n的漏極，其柵極經 由節點AAA耦接於第一級電壓位移電路202的一第一信號輸出端，且其漏極 經由節點BB耦接於第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體214的柵極。第 二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體224的源極耦接於第六P型金屬氧化 物半導體場效應電晶體223的漏極，其柵極經由節點BBB耦接於第一級電壓 位移電路202的一第二信號輸出端，且其漏極經由節點AA耦接於第四P型金 屬氧化物半導體場效應電晶體216的柵極。第七P型金屬氧化物半導體場效 應電晶體226的柵極耦接於第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體222的 柵極，其漏極耦接於第一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體222的漏極， 且其源極耦接於電壓源VDD2。第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體228 的柵極耦接於第二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體224的柵極，其漏極 耦接於第二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體224的漏極，且其源極耦接 於電壓源VDD2。第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體230的柵極經由節 點B耦接於第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體212的漏極，其源極耦 接於第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體221的漏極，且其漏極耦接於 第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體212的柵極。第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體232的柵極經由節點A耦接於第一P型金屬氧化物半導 體場效應電晶體210的漏極，其源極耦接於第六P型金屬氧化物半導體場效 應電晶體223的漏極，且其漏極耦接於第一 P型金屬氧化物半導體場效應晶 體管210的柵極。第七N型金屬氧化物半導體場效應電晶體234的柵極耦接 於電壓源VDD2 ，且其漏極耦接於第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體212 的柵極。第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體236的漏極耦接於第七N 型金屬氧化物半導體場效應電晶體234的源極，其柵極藉由節點BBB耦接於 第一級電壓位移電路202的第二信號輸出端，且其源極耦接於第五P型金屬 氧化物半導體場效應電晶體221的漏極。第九N型金屬氧化物半導體場效應 電晶體238的漏極耦接於第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體210的柵 極，且其柵極耦接於電壓源VDD2。第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體 240的漏極耦接於第九N型金屬氧化物半導體場效應電晶體238的源極，其 柵極經由節點AAA耦接於第一級電壓位移電路202的第一信號輸出端，且其 源極耦接於第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體220的漏極。請注意， 節點A與節點B是二段式電壓位移模塊200的信號輸出端，用來輸出將信號 端I叩ut輸入的電壓範圍放大以後的數位訊號。
第一級電壓位移電路202包含一反邏輯運算放大器242、 一第九P型金 屬氧化物半導體場效應電晶體248、 一第十P型金屬氧化物半導體場效應晶 體管250、 一第十一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體244、與一第十二N 型金屬氧化物半導體場效應電晶體246。反邏輯運算放大器242的第一電壓 輸入端耦接於電壓源VDD1,且其第二電壓輸入源接地，以使得反邏輯運算放 大器242可偏壓於接地端與電壓源VDD1之間的電壓範圍。第十一N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體244的柵極耦接於反邏輯運算放大器242的輸出端， 其源極接地，且其漏極藉由節點AAA耦接於第一級電壓位移電路202的第一 信號輸出端。第十二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體246,其柵極耦接 於反邏輯運算放大器242的輸入端，其源極接地，且其漏極藉由節點BBB耦 接於第一級電壓位移電路202的第二信號輸出端。第九P型金屬氧化物半導 體場效應電晶體248的源極耦接於電壓源VDD2，其柵極耦接於第十二 N型金 屬氧化物半導體場效應電晶體246的漏極，且其漏極耦接於第十一 N型金屬 氧化物半導體場效應電晶體244的漏極。第十P型金屬氧化物半導體場效應 電晶體250的源極耦接於電壓源VDD2,其柵極耦接於第十一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體244的漏極，且其漏極耦接於第十二 N型金屬氧化物半 導體場效應電晶體246的漏極。
二段式電壓位移模塊200另包含一第十三N型金屬氧化物半導體場效應 電晶體252與一第十四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體254。第十三N 型金屬氧化物半導體場效應電晶體252的源極耦接於第十一N型金屬氧化物 半導體場效應電晶體244的源極，其柵極藉由節點BBB耦接於第一級電壓位 移電路202的第二信號輸出端，且其漏極耦接於第九N型金屬氧化物半導體 場效應電晶體218的源極。第十四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體254 的源極耦接於第十二 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體246的源極，其柵 極藉由節點AAA耦接於第一級電壓位移電路202的第一信號輸出端，且其漏 極耦接於第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體220的源極。
二段式電壓位移模塊200的運作方式敘述如下當信號源Input處於高 電位時，第十一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體244會處於關閉狀態， 且第十二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體246會處於開啟狀態，使得節 點AAA的電位因為第十一 N型金屬氧化物半導體場效應電晶體244沒有電流 通過而不致由電壓源VDD2的電位滑落太多，換言之，節點AAA此時處於高電 位；而節點BBB的電位會因為第十二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體246 有電流通過而由電壓源VDD2的電位大幅滑落，因此此時節點BBB處於低電位。 此時在電壓源VDD2的偏壓下，原本電壓範圍處於O伏特至電壓源VDD1的電 位之間的信號源I叩ut，其電壓範圍會在節點AAA與BBB轉換為落在O伏特 與電壓源VDD2的電位之間。接著，在節點AAA的高電位與節點BBB的低電位 下，第七P型金屬氧化物半導體場效應電晶體226會處於關閉狀態，第一N 型金屬氧化物半導體場效應電晶體222處於開啟狀態，第八P型金屬氧化物 半導體場效應電晶體228會處於開啟狀態，第二N型金屬氧化物半導體場效 應電晶體224處於關閉狀態，第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體236 會處於關閉狀態，第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體240會處於開啟 狀態，第十三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體252會處於關閉狀態，且 第十四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體254會處於開啟狀態。此時，因 為第七P型金屬氧化物半導體場效應電晶體226處於關閉狀態，且第三P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體222處於開啟狀態，因此節點BB的電位會被 大幅拉低至低電位。同理，因為第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體228處於開啟狀態，且第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體224處於關閉狀 態，因此節點AA的電位會維持在接近於電壓源VDD2的高電位。由於節點AA 處於高電位，且節點BB處於低電位，因此第三P型金屬氧化物半導體場效應 電晶體214處於開啟狀態，且第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體216 處於關閉狀態。然而因為第十三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體252會 處於關閉狀態，且第十四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體254會處於開 啟狀態，因此第十三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體252沒有電流通過， 且第十四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體254會有電流通過，並連帶使 得第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體214的通過電流較小，且第四P 型金屬氧化物半導體場效應電晶體216有較大電流通過。此時，第三P型金 屬氧化物半導體場效應電晶體214的漏極的電位會較接近其源極的電位，也 就是接近電壓源VDDIO的電位，並使得第五P型金屬氧化物半導體場效應晶 體管221關閉，因此第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體210的漏極的 電位(亦即節點A的電位)會接近於電壓源VDDIO的電位；同理，第四P型金 屬氧化物半導體場效應電晶體216的漏極的電位會被通過的電流拉低，使得 第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體223進入開啟狀態，並拉低第二 P 型金屬氧化物半導體場效應電晶體212的漏極的電位(亦即節點B的電位)； 因此，節點A的電位處於高電位，且節點B的電位會處於低電位，其中節點 A的電位會接近於電壓源VDDIO，節點B的電位會因為耦接於第六P型金屬氧 化物半導體場效應電晶體223的漏極的電壓源VDD1而比電壓源VDD1的電位 略高。
第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體230、第七N型金屬氧化物半導 體場效應電晶體234、與第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體236用於 在節點A處於低電位時，將節點A的電位更為快速的放電而降低電位。同理， 第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體232、第九N型金屬氧化物半導體 場效應電晶體238、與第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體240用於在 節點B處於低電位時，將節點B的電位更為快速的放電而降低電位。如以上 所述信號源Input輸入高電位時，第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體 230會因為其柵極耦接於處於低電位的節點B而關閉，且第八N型金屬氧化 物半導體場效應電晶體236會因為其柵極耦接於處於低電位的節點BBB而關 閉，因此節點A的電位不會被第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體230、第七N型金屬氧化物半導體場效應電晶體234、與第八N型金屬氧化物半導 體場效應電晶體236拉低而順利維持在高電位。同理，由於第六N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體232會因為其柵極耦接於處於高電位的節點A而開 啟，且第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體240會因為其柵極耦接於處 於高電位的節點AAA而開啟，因此第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體 232會形成一放電路徑，且第九N型金屬氧化物半導體場效應電晶體238與 第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體240會形成另外一條放電路徑，以 加快節點B拉低電位的速度。請注意，當第五N型金屬氧化物半導體場效應 電晶體230包含於第二級電壓位移電路204內時，可在不包含第七N型金屬 氧化物半導體場效應電晶體234與第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體 236的狀況下同樣達到加速降低節點A的電位的效果；反之，當第七N型金 屬氧化物半導體場效應電晶體234與第八N型金屬氧化物半導體場效應晶體 管236存在於第二級電壓位移電路204內時，可在不包含第五N型金屬氧化 物半導體場效應電晶體230的狀況下達到加速降低節點A的電位的效果。同 理，當第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體232包含於第二級電壓位移 電路204內時，可在不包含第九N型金屬氧化物半導體場效應電晶體238與 第十N型金屬氧化物半導體場效應電晶體240的狀況下達到加速降低節點B 的電位的效果，且反之亦然。總結來說，第五N型金屬氧化物半導體場效應 電晶體230、第七N型金屬氧化物半導體場效應電晶體"4、第八N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體236 、第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體232 、 第九N型金屬氧化物半導體場效應電晶體238、與第十N型金屬氧化物半導 體場效應電晶體240用於以放電的方式加速第二級電壓位移電路204在電位 上的切換，因此使得二段式電壓位移模塊200可以快速且準確的根據信號端 Input輸入的電位切換其輸出電位。請注意，雖然以上的敘述僅基於信號源I叩ut處於高電位的狀況來說明， 但是由於第二級電壓位移電路204具備有對稱的結構，因此信號源在I叩ut 處於低電位的狀況與上面的敘述也會在第二級電壓位移電路204各電晶體的 間呈現對稱，故不再此加以贅述。除此以外，第一級電壓位移電路202可以 一般常見可提高電壓範圍上限的其它電壓位移電路來實施，且圖2所示的電 壓位移模塊200僅為本發明所揭露的一較佳實施例，故對第一級電壓位移電 路202以其它可提高電壓範圍上限的其它電壓位移電路做替換並不構成脫離17將之前所敘述中假設電壓源VDD1的電位為1. 0伏特，電壓源VDD2的電 位為2. 5伏特，且電壓源VDDIO為3. 3伏特的情況考慮進本發明所提供的二 段式電壓位移模塊200時，輸入信號的電壓範圍是0伏特至1.0伏特，且輸 出信號的電壓範圍是l. O伏特至3. 3伏特。以0. 18微米工藝的集成電路來說， 2. 3伏特的電壓差尚不至於造成柵極氧化層崩潰的現象。請注意，本發明所 提供的二段式電壓位移模塊200尚可運用於其它大小的工藝與不同種類之外 接輸出入裝置的偏壓，並不限於上述的例子。總結來說，本發明所提供的二段式電壓位移模塊藉由第 一級電壓位移電 路將輸入信號的電壓範圍上限先行做一初步的提升，接著再以第二級電壓位 移電路將輸入信號的電壓範圍的上限與下限同步提升，以避免現有技術中造 成金屬氧化物半導體場效應電晶體產生柵極氧化區崩潰的缺點，以正確的表 示出數字邏輯0與數字邏輯1的數位訊號。除此以外，當本發明所提供的二 段式電壓位移模塊應用於具有不同電位的偏壓範圍的外接輸出入裝置時，藉 由本發明的二段式電壓位移模塊可提供較大且較安全偏壓範圍的優點，可以 順利的提供這些外接輸出入裝置適當的偏壓。本發明所提供的二段式電壓位 移模塊也較現有技術中直接將兩組相同的電壓偏移電^4妄起來的做法使用較 少的光掩膜，因此可以避免增加集成電路的體積。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均 等變化與修^飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種可用於使用不同偏壓的多種輸出入裝置的二段式電壓位移模塊，包含一第一級電壓位移電路；一第一電壓源，耦接於該第一級電壓位移電路的一第一電源輸入端；一第二電壓源，其電位高於該第一電壓源的電位，並耦接於該第一級電壓位移電路的一第二電源輸入端；一第三電壓源，其電位高於該第一電壓源與該第二電壓源的電位；一第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第三電壓源；一第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第三電壓源，其漏極耦接於該第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且其柵極耦接於該第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極；及一第二級電壓位移電路，包含一第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極；一第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極；一第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其源極耦接於該第二P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且其漏極耦接於該第一電壓源；一第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其源極耦接於該第一P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且其漏極耦接於該第一電壓源；一第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電路的一第一信號輸出端，且其漏極耦接於該第三P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極；一第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第六P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電路的一第二信號輸出端，且其漏極耦接於該第四P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極；一第七P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，其漏極耦接於該第一N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其源極耦接於該第二電壓源；及一第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，其漏極耦接於該第二N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其源極耦接於該第二電壓源。
2. 如權利要求1所述的二段式電壓位移模塊，另包含一第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第三P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其柵極耦接於該第二電壓源；及一第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第四P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其柵極耦接於該第三N型金屬氧 化物半導體場效應電晶體的柵極。
3. 如權利要求1所述的二段式電壓位移模塊，另包含一第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第二 P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其源極耦接於該第五P型金屬氧化 物半導體場效應電晶體的漏極，且其漏極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導 體場效應電晶體的柵極；及一第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第一 P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其源極耦接於該第六P型金屬氧化 物半導體場效應電晶體的漏極，且其漏極耦接於該第一 P型金屬氧化物半導 體場效應電晶體的柵極。
4. 如權利要求1所述的二段式電壓位移模塊，另包含一第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第二電壓 源，且其漏極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極；一第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第三N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電 路的第二信號輸出端，且其源極耦接於該第五P型金屬氧化物半導體場效應 晶 體管的漏極；一第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且其柵極耦接於該第二電壓源；及 一第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第五N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電 路的第一信號輸出端，且其源極耦接於該第六P型金屬氧化物半導體場效應 電晶體的漏極。
5. 如權利要求1所述的二段式電壓位移模塊，另包含一第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其源極耦接於該第五P型金屬氧化 物半導體場效應電晶體的漏極，且其漏極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極；一第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第一 P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，其源極耦接於該第六P型金屬氧化 物半導體場效應電晶體的漏極，且其漏極耦接於該第一 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極；一第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該第二電壓 源，且其漏極耦接於該第二 P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極；一第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第五N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電 路的第二信號輸出端，且其源極耦接於該第五P型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極；一第七N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第一 P型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極，且其柵極耦接於該第二電壓源；及一第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其漏極耦接於該第七N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電 路的第一信號輸出端，且其源極耦接於該第六P型金屬氧化物半導體場效應 晶 體管的漏極。
6. 如權利要求1所述的二段式電壓位移模塊，其中，該第一級電壓位移 電路包含一反邏輯運算放大器，其第一電壓輸入端耦接於該第一電壓源，且其第 二電壓輸入源接地；一第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該反邏輯運算放大器的輸出端，其源極接地，且其漏極耦接於該第一級電壓位移電路的第一信號輸出端；一第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該反邏輯運 算放大器的輸入端，其源極接地，且其漏極耦接於該第一級電壓位移電路的第二信號輸出端；一第七P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第二電壓 源，其柵極耦接於該第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其漏極耦接於該第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極；及一第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第二電壓 源，其柵極耦接於該第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其 漏極耦接於該第四N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極。
7. 如權利要求6所述的二段式電壓位移模塊，另包含一第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第三N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，且其柵極耦接於該第一級電壓位移 電路的第二信號輸出端；及一第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第六N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，且其柵極耦接於該第一級電壓位移 電路的第一信號輸出端。
8. 如權利要求2所述的二段式電壓位移模塊，其中，該第一級電壓位移 電^各包含一反邏輯運算放大器，其第一電壓輸入端耦接於該第一電壓源，且其第 二電壓輸入源接地；一第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該反邏輯運 算放大器的輸出端，其源極接地，且其漏極耦接於該第一級電壓位移電路的 第一信號輸出端；一第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其柵極耦接於該反邏輯運 算放大器的輸入端，其源極接地，且其漏極耦接於該第一級電壓位移電路的第二信號輸出端；一第七p型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第二電壓源，其柵極耦接於該第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其 漏極耦接於該第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極；及一第八P型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第二電壓 源，其柵極耦接於該第五N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極，且其漏極耦接於該第六N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏極。 9.如權利要求8所述的二段式電壓位移模塊，另包含 一第七N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第五N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電 路的第二信號輸出端，且其漏極耦接於該第三N型金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極；及一第八N型金屬氧化物半導體場效應電晶體，其源極耦接於該第六N型 金屬氧化物半導體場效應電晶體的源極，其柵極耦接於該第一級電壓位移電 路的第一信號輸出端，且其漏極耦接於該第四N型金屬氧化物半導體場效應 電晶體的源極。
全文摘要
為了將電位較小的電壓範圍在不過分拉大電壓範圍的前提下提高其電位，將一僅可提高電壓範圍上限的第一級電壓位移電路耦接於另一可同步提高電壓範圍的上限與下限的第二級電壓位移電路，以使得由將第一級電壓位移電路耦接於第二級電壓位移電路所產生的二段式電壓位移模塊可提供具有不同電位的偏壓範圍的外接輸出入裝置適當的電壓，並以此電壓的上限與下限準確的反應代表數字邏輯0或數字邏輯1的數位訊號。
文檔編號H03K19/0185GK101320969SQ200710108228
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月4日 優先權日2007年6月4日
發明者楊財銘 申請人:聯華電子股份有限公司