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JPH0378007B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0378007B2
JPH0378007B2 JP59222173A JP22217384A JPH0378007B2 JP H0378007 B2 JPH0378007 B2 JP H0378007B2 JP 59222173 A JP59222173 A JP 59222173A JP 22217384 A JP22217384 A JP 22217384A JP H0378007 B2 JPH0378007 B2 JP H0378007B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
circuit
gate
threshold voltage
logic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP59222173A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS60143012A (en
Inventor
Osamu Yamashiro
Kanji Yo
Kotaro Nishimura
Kazutaka Narita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP59222173A priority Critical patent/JPS60143012A/en
Publication of JPS60143012A publication Critical patent/JPS60143012A/en
Publication of JPH0378007B2 publication Critical patent/JPH0378007B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は電子装置、特に基準電圧発生装置とそ
の応用並びに絶縁ゲート型電解効果トランジスタ
とその製造方法に関する。 各種の半導体電子回路において、基準となる電
圧を発生させるには電圧の次元を持つた物理量を
利用することが必須の条件である。これまで、そ
の物理量としてはもつぱらPN接合ダイオードの
順方向電圧降下VFや逆方向降伏電圧(ツエナ電
圧)VZ並びに絶縁ゲート型電界効果トランジス
タ(IGFET、MOSFETで代表されることが多
い)のしきい値電圧Vth等が利用されている。 これらの物理量は絶対的な電圧値を示すもので
なく、その電圧値はさまざまなフアクターによつ
て変動を受ける。従つて、これらの物理量を各種
電子回路の基準電圧発生装置として利用するため
には、得られる電圧値の変動要素と許容できる変
動幅に注意を払わなければならない。 まず、これら物理量の温度特性について言え
ば、上記VFやVthは通常2〜3mV/℃程度の温
度依存性を持つており、この温度変化に伴なう基
準電圧の温度変化は用途によつて実用を断念せざ
るを得ない程の大きさ及ぶ。 例えば公称1.5Vの酸化銀電池を使用する電子
時計において、電池の電圧の下がつたことを警告
する目的で作られるバツテリー・チエツカーを実
現しようとすれば、1.4V程度を境(検出レベル)
として電池電圧の高低を判断する必要がある。 これを0.6V程度のMOSFETのしきい値電圧
Vth又は、ダイオードの順方向降下電圧VFを利用
して構成しようとすれば、1.4Vを目標とした検
出レベルは 1.4(V)/0.6(V)×{2〜6(m
V/℃)}=4.67〜7.0(mV/℃) の温度依存性を持ち、実用動作温度範囲を0℃〜
50℃と狭く見積つても、1.23V〜1.57Vと大きく
変動することになり、実用的なバツテリーチエツ
カーとはなり得ない。 次に、これら物理量の製造バラツキについて
は、MOSFETのしきい値電圧Vthは±0.2V程度
のバラツキがあり、このバラツキは温度変化より
も大きくなる。従つて、上述のバツテリ・チエツ
カをVthを利用してIC(集積回路)化した場合基
準電圧補正のための外部部品と接続ピン(端子)
のみならず、IC製造後の調整の手間が必要とな
る。 また半導体RAM等、MOSFET集積回路にお
いて、基板(バツク・ゲート)に逆バイアス電圧
を印加して、FETのしきい値電圧を制御したい
場合、温度依存性および製造バラツキに依存しな
い基準電圧源が必要であり、しかも集積化が可能
であることが必要であるが、上述のVFやVthでは
同様な理由で採用が難しい。また、ツエナ電圧
VZは低い電圧では3V程度が限度であり、3V以下
の低電圧範囲で使用する基準電圧としては不適当
であり、又、ツエナ電圧及びダイオードの順方向
降下電圧を基準電圧として使用するのには、数m
A〜数十mA程度の電流を流す必要があり、低消
費電力化という点でも不適当である。 以上の説明から明らかなようにVth,VFおよび
VZを利用した従来の基準電圧発生装置は、温度
特性、製造バラツキ、消費電力および電圧レベル
等を考えれば、必ずしもあらゆる用途に適合する
ものではなく、極めて厳しい特性が要求される用
途に対しては実用化や量産化を断念せねばならな
くなるケースがしばしばであつた。 本発明者らは、以上のような検討から従来の基
準電圧発生装置の改良には物理的に限界があると
知り、新しい考え、発想を持つた基準電圧発生装
置の研究、開発に踏み切つた。 なお、基準電圧発生回路としては、例えば特開
昭48−63257号公報に示されているものが公知で
ある。 本発明の目的は従来にはみられない全く新しい
考えに基ずいた基準電圧発生回路を提供し、電子
回路の設計、量産化を容易にすることにある。 本発明の他の目的は温度変化の小さい基準電圧
発生装置を提供することである。 本発明の他の目的は得られる電圧値の変動が製
造条件の変動に対して小さい、例えばロツト間の
製造バラツキ(偏差)が小さい基準電圧発生装置
を提供することである。 本発明の他の目的は製造後の調整が不要な程に
製造バラツキを小さくできる集積回路化された基
準電圧発生装置を提供することである。 本発明の他の目的は目標仕様に対して大きい余
裕度を持つて製造することが可能な基準電圧発生
装置を含む集積回路化された電子回路装置を提供
することである。 本発明の他の目的は製造歩留りの高い基準電圧
発生装置を含む集積回路化された電子回路装置を
提供することである。 本発明の他の目的はIGFET集積回路に適した
基準電圧発生装置を提供することである。 本発明の更に他の目的は消費電力の少ない基準
電圧発生装置および電圧比較器を提供することで
ある。 本発明の他の目的は精度の優れた低電圧
(1.1V以下)を得ることができる基準電圧発生装
置を提供することである。 本発明の他の目的は比較的低い電圧(約1〜
3V)の電源、例えば1.5Vの酸化銀電池や1.3Vの
水銀電池に適合する基準電圧発生装置を提供する
ことである。 本発明の他の目的は半導体集積回路に適合する
基準電圧発生装置を提供することである。 本発明の他の目的は高精度の電圧比較器、安定
化電源装置、定電流回路、バツテリ・チエツカを
提供することである。 本発明の他の目的は高精度のバツテリ・チエツ
カを内蔵した、外部端子数の少ない電子時計用半
導体集積回路装置を提供することである。 本発明の他の目的はバツク・バイアスの印加さ
れたIGFETのしきい値電圧を製造バラツキや温
度変化に依存しないほぼ一定の電圧に維持でき、
もつて製造歩留りを向上できるIGFET集積回路
を提供することである。 本発明の他の目的は相補型絶縁ゲート電界効果
トランジスタ集積回路(CMOS IC)やNチヤン
ネルMOSICやPチヤンネルMOSICとコンパチブ
ルな基準電圧発生装置とその製造方法を提供する
ことである。 本発明は半導体や金属の物性の原点にたちかえ
り、特にエネルギーギヤツプEg、仕事関数φ、
フエルミ準位Ef等に着眼して成されたものであ
る。 即ち、半導体がエネルギー・ギヤツプEg、ド
ナー、アクセプタおよびフエルミ準位等の各種準
位を持つことは周知であるが、これら半導体の物
性、特にエネルギー・ギヤツプEgやフエルミ準
位Efに着目した基準電圧発生装置は、半導体が発
見されて以来広範囲の分野に目覚ましい発展を遂
げた現在に至るまで、いまだ例をみない。 結果論で言うと、本発明者らはこのエネルギ
ー・ギヤツプEg、仕事関数φ、フエルミ準位Ef
を基準電圧源に利用することを考え、その実現に
成功した。エネルギー・ギヤツプEg、フエルミ
準位Ef等を基準電圧源に使用すること自体は決し
て難しい理論ではなく、その結果はたやすく理
解、納得できるところであろう。しかしながら、
もはや浅い歴史ではなくなつたこの半導体工業の
分野において、半導体物性の原点にたちかえり、
本発明者らがもたらした前人未到と信じられるこ
の成功例は独創的かつ画期的なものであり、今後
の電子回路や半導体工業の一層の発展に大きく寄
与できるものと期待される。 本発明の一実施例によれば、シリコン・ゲート
電極の導電型が異なる2つのIGFETがシリコ
ン・モノリシツク半導体集積回路チツプ内に作ら
れる。これらのFETはゲート電極の導電型を除
いてほぼ同じ条件で製造されるので、両者のVth
の差はほぼP型シリコン、N型シリコン、i型
(真性半導体)シリコンのフエルミ準位の差に等
しくなる。P型、N型ゲート電極には飽和濃度付
近にそれぞれの不純物がドープされ、この差はシ
リコンのエネルギー・ギヤツプEg(約1.1V)もし
くはEg/2(0.55V)にほぼ等しくなり、これが
基準電圧源として利用される。 このような構成に基ずく基準電圧発生装置は温
度依存性が小さくまた製造偏差も小さいので、各
種電子回路の基準電圧発生装置として利用され得
る。 本発明および本発明の更に他の目的は図面を参
照した以下の説明から一層明白に理解されるであ
ろう。 半導体の結晶構造から始まり、半導体のエネル
ギー・バンドおよびドナーとアクセプタ不純物が
半導体にもたらす現象などへと展開していく半導
体の物性論は数多くの文献で説明されている。 組成の異なる半導体がそれぞれ固有のエネルギ
ー・ギヤツプEgを有し、eVで表わされるエネル
ギー・ギヤツプEgが電圧の次元を持つているこ
とは言うまでもなく周知である。しかしながら、
前述したように半導体が固有のエネルギー・ギヤ
ツプEgを持ち、この温度依存性が小さいことに
着目し、これを基準電圧源として利用した例はい
まだ例をみない。 本実施例はこのような半導体物性の基礎から出
発して成されたものであるので、本発明の詳細な
説明はまずは半導体の物性を引き合いにして本発
明の原理的なところから始める。なお、半導体の
物性については、多くの文献でなかり丁寧に説明
されているので、以下その文献の一つであるS・
M・SZE著、“physics of Semiconductor
Devices”、1969年John Wiley & Sons者発
行、特にChapter 2“Physics and Properties
of Semiconductors−A Resume”11頁〜65頁
の助けを借りて簡単に説明する。 エネルギー・ギヤツプEgの応用 半導体の組成物としてはさまざまなものがある
が、そのうち現在工業的に利用されている半導体
として代表的なのがゲルマニウム(Ge)、シリコ
ン(Si)の非化合物半導体とガリユウム・ひ素
(GaAs)化合物半導体である。これらのエネル
ギー・ギヤツプEgと温度との関係は前述の著書
24頁で説明されており、これを第1図に再掲す
る。 第1図から理解されるように、Ge、Siおよび
GaAsのEgは常温(300〓)で、それぞれ、0.80
(eV)、1.12(eV)および1.43(eV)である。また
その温度依存性は、それぞれ、0.39(meV/〓)、
0.24(meV/〓)および0.43(meV/〓)である。
従つて、これらのエネルギー・ギヤツプEgに相
当する或いはそれに近い値に電圧を取り出すこと
によつて、前述したPN接合ダイオードの順方向
電圧降下VFやIGFETのしきい値電圧Vthが持つ温
度依存性より1桁も小さい温度依存性を持つ基準
電圧発生装置が得られる。さらに、得られる電圧
は半導体固有のエネルギー・ギヤツプEgで決ま
り、例えばSiでは常温で約1.12(V)と他の要因
とほぼ無関係に定められ、製造条件等のバラツキ
に左右されにくい基準電圧を得ることが可能であ
る。 では、この半導体のエネルギー・ギヤツプEg
に相当する電圧はいかなる原理に基ずいて取り出
すことができるか、その一例を説明する。 N型、i型およびP型半導体のフエルミ準位(仕
事関数)の差の応用 半導体にドナーおよびアクセプター不純物をド
ープした場合のエネルギー準位の状態はよく知ら
れている。なかでも本発明で注目したところは、
N型およびP型半導体のフエルミ・エネルギーの
位置するところが、真性半導体のフエルミ・エネ
ルギー準位Eiを基準にして、それぞれ伝導帯およ
び価電子帯に向けて2分されるという物性であ
る。そして、アクセプターおよびドナー不純物の
濃度が高ければ高い程、真性半導体のフエルミ準
位Eiから一層離れる傾向で、P型半導体のフエル
ミ準位Efpは価電子帯の最上限準位Evに近づき、
N型半導体のフエルミ準位Efoは伝導帯の最下限
準位Ecに近づき、両フエルミ準位の差(Efo
Efp)をとれば、これは半導体の持つエネルギ
ー・ギヤツプEgにより近づくことになり、その
温度依存性もエネルギー・ギヤツプEgのそれに
近くなる。また、P型半導体の真性半導体、およ
びN型半導体と真性半導体のフエルミ準位の差
(Efo−Ei),(Ei−Efp)についても同様であるが、
この場合絶対値はEg/2に近づく。以下真性半
導体との差についてはP型とN型の差の半分にな
るということで、説明を省略する。詳しくは後述
するが不純物濃度が高ければ高い程(Efo−Efp
の温度依存性は小さくなり、飽和濃度にできるだ
け近い濃度にすることが好ましい。 フエルミ準位Efo,Efpはドナーおよびアクセプ
ター不純物の濃度だけでなく、ドナーおよびアク
セプター準位EdおよびEaにも関係し、この準位
Ed,Eaは不純物材料によつて異なる。準位Ed
よびEaがそれぞれ伝導帯および価電子帯に近い
程、フエルミ準位EfdおよびEfaもそれぞれに近づ
く。言い換えれば、ドナーおよびアクセプターの
不純物準位Ed,Efが浅い程、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)は半導体のエネルギー・ギヤツプEg
に近くなる。 ドナーおよびアクセプターの不純物準位Ed,Ef
が真性半導体のフエルミ・レベルEiに近い程、す
なわち深い程フエルミ準位の差(Efo−Efp)は半
導体のエネルギー・ギヤツプEgからより離れる。
しかしながら、このことは必ずしも温度依存性が
悪くなることを意味しているのではなく、フエル
ミ準位の差(Efo−Efp)の絶対値が小さくなるこ
とを意味している。従つて、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)や仕事関数の差は、半導体材料およ
び不純物材料等の材料固有のものであり、別の見
方をすれば半導体のエネルギー・ギヤツプEg
カテゴリを異にした、ギヤツプEgと並ぶ基準電
圧源と成り得る。すなわち、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)は、それ自体で、PN接合の順方向電
圧降下VFやIGFETのしきい値電圧Vthよりも温度
依存性が小さく、また製造バラツキに左右されに
くい基準電圧源となり得、浅いドナーおよびアク
セプタ準位Ed,Efを示す不純物材料を使用してフ
エルミ準位の差(Efo−Efp)を取り出すことが、
半導体のエネルギー・ギヤツプEgにほぼ近い値
の電圧を取り出す一つの方法となり得る訳であ
る。一方、得られる電圧値の設定に関して言え
ば、半導体のエネルギー・ギヤツプに相当するだ
けの比較的大きい基準電圧を得ることを目的とす
る場合には、浅い準位を示す不純物を使用し、比
較的小さい基準電圧を得ることを目的とする場合
には深い準位を示す不純物を使用すれば良い。 不純物材料の選択の具体例 フエルミ準位Efとドナー準位Ed、アクセプタ準
位Ec、ドナー濃度Nd、アクセプタ濃度Naおよび
温度Tとの関係については第2図および第3図を
参照して更に詳しく説明するが、それに先立ち、
Ge,SiおよびGaAs半導体に対して各不純物がど
のような準位を示すかを理解し、本発明ではそれ
らの不純物をいかに利用するかを理解するため
に、前述の文献第30頁のデータを第4図として再
掲し、説明を加える。 第3図a,bおよびcは、それぞれ、Ge,Si
およびGaAsに対する各種不純物のエネルギー分
布を示す図であり、各図における数字は、破線で
表わされたギヤツプの中心Eiから上側に位置する
準位については伝導帯の最下限準位Ecからのエネ
ルギー差(Ec−Ed)を示し、下側に位置する準
位については価電子帯の最上限準位Evからのエ
ネルギー差(Ea−Ev)を示し、その単位はいず
れも(eV)である。 従つて、同図において小さい数値で示された不
純物材料はその準位が伝導帯の最下源準位Ec若し
くは価電子帯の最上限準位Evに近いことを表わ
しており、エネルギー・ギヤツプEgに近い電圧
を得る不純物としてふさわしい。例えば現在最も
ひんぱんに使用されているSiに対しては、Li,
Sb,P,AsおよびBiのドナー不純物およびB,
AlおよびGaのアクセプター不純物の示す準位差
(Ec−Ed),(Ea−Ev)が最も小さく、それぞれの
準位差はいずれもSiのエネルギー・ギヤツプEg
約6%以下である。これらの不純物を使用したN
型SiおよびP型Siのフエルミ準位の差(Efd
Efa)は、0〓からの温度変化を無視すれば、Si
のエネルギー・ギヤツプEgの約94%〜97%とな
り、ほぼEgに等しい値となる。また、上記不純
物の次に小さい準位差(Ec−Ed),(Ea−Ev)を
示すドナー不純物はS(Egの約16%)で、アクセ
プター不純物はIo(Egの約14%)であり、各不純
物を使用したN型SiおよびP型Siのフエルミ準位
の差(Efd−Efa)は0〓において約0.85Egとなり、
Siのエネルギー・ギヤツプEgとのずれは約15%に
も及び、上述の不純物に対してずれは極端に開く
ことが判る。 従つて、Siのエネルギー・ギヤツプEgにほぼ等
しい電圧を得るためのP型およびN型Siの不純物
材料としては、Li,Sb,P,AsおよびBiのグル
ープから選択された1つのドナー不純物および
B,AlおよびGaのグループから選択された1つ
のアクセプター不純物が好適であり、その他の不
純物はSiのエネルギー・ギヤツプEgよりかなり小
さい電圧を得る目的に好適であろう。 フエルミ準位Efの物性 次に、フエルミ準位の差(Efo−Efp)につい
て、第2図を参照して物性的な説明をする。第2
図は半導体のエネルギー準位を示す図であり、同
図aおよびbはそれぞれN型半導体のエネルギー
準位モデルとその温度特性を示し、同図cおよび
dはそれぞれP型半導体のエネルギー準位モデル
とその温度特性を示している。 半導体中のキヤリアはドナーの不純物Ndのう
ち、イオン化して生じた電子ndと価電子帯より
励起された電子及びホールのペアーである。不純
物Ndが十分大きい時は励起された電子及びホー
ルのペアーが無視でき、伝導電子の数nは n≒nd ……(1) となる。ndはドナー準位にトラツプされる確率
から、またnは、伝導帯に存在する電子数から求
められ、各々 nd=Nd{1−1/1+e(Ed−Ef/KT)} =Nd・1/1+e(EF−Ed/KT) ……(2) n=Nc・e(Ef−Ec/KT) ……(3) となる。ここで Nc=2(2πm*/h2KT)3/2 h:ブランク定数、m*;電子の有効質量 これより、 Nc・e(EF−Ec/KT)=Nd/1+e(EF−Ed/KT)…
…(4) となり、 Nd/Nc=e(EF−Ec/KT)+e(2EF−Ed−Ec/KT)
……(5) となる。 ここで、フエルミ・準位は、Ecに接近した位置
にある場合を相定しているから(5)式の第一項は無
視できて EF=1/2(Ed+Ec)−1/2KTlnNc/Nd ……(6) となる。 この式の示すところは温度が低い時はもちろ
ん、常温においても不純物濃度Ndが高い場合に
は、Nc/Ndは1に近づき、lnNc/Nd→0となるた め、フエルミ準位は伝導帯の下端とドナー準位の
中間に位置し、温度の依存性は、Ecの温度特性に
ほぼ等しくなる。 但し、温度が十分高くなつた場合には、価電子
帯から励起された電子とホールのペアーから多数
となり、不純物の影響は少なくなり、フエルミ・
準位は真性半導体の準位Eiに近ずく。以上の関係
を示したものが、第2図bである。 第2図cのようなアクセプター不純物だけを含
んだP型半導体の場合も全く同様で、低温の時及
び、アクセプター不純物濃度が大きい場合には、
フエルミ準位は、低電子帯の上端とアクセプター
準位の中間にほぼ位置し温度が高くなると真性半
導体のフエルミ・準位に近づいていく。 この関係を示したものが第2図dである。 フエルミ準位Efの温度特性と不純物濃度との関係
−具体例 フエルミ準位Efp,Efoの温度依存性と不純物濃
度との関係について物性的な説明をしたが、次
に、現在最も多く実用されているSi半導体を具体
例として、前述の著書37頁のデータを参考にし
て、実用化する際のフエルミ準位の差(Efo
Efp)とその温度依存性について説明する。 第3図にそのデータを再掲する。 通常のSi半導体集積回路製造プロセスにおいて
不純物材料としてはもつぱらボロンB、リンPが
使用され、その不純物濃度の高いところでは1020
(atoms/cm3)であるが、不純物濃度をそれより
2桁低い1018(atoms/cm3)としても、第3図か
ら読み取れるように、N型半導体とP型半導体の
フエルミ・準位の差(Efo−Efp)は、300〓にお
いて0.5−(−0.5)=1.0(eV)であり、同温度での
エネルギーギヤツプEg1.1eVに比較的近い値と
なる。温度に対する変化は200〓から40〓(−70
℃〜130℃)の範囲で、約1.04(eV)から0.86
(eV)の変化で、変化率は、0.9(mV/℃)であ
る。これは先に述べたIGFETのしき値電圧Vth
び、ダイオードの順方向降下電圧VFの温度に対
する変化率が2〜3mV/℃であるのに対し約1/
3の小さい値である。 不純物濃度が1020cm-3以上であればシリコン・
エネルギーギヤツプ(Eg)Si=1.1(V)にほぼ等
しくなり、温度の変化率は約0.2mV/℃となり、
十分小さい値となる。 従つて、不純物濃度は約1018cm-3以上であれば
少くとも従来より1/2〜1/3に小さくされた温度依
存性を得ることができ、更に好ましくは1020cm-3
以上(約1/10に改善)、更に最も好ましくは飽和
濃度である。 フエルミ準位の差の取り出し原理と実例 では、このフエルミ準位の差(Efo−Efp),(Efo
−Ei),(Ei−Efp)に相当する電圧はいかなる原
理に基ずいて取り出すことができるのか、その一
例は、同一半導体基体表面に形成された導電型の
異なる半導体ゲート電極を有する2つの
MOSFETのしきい値電圧Vthの差を利用するこ
とである。以下のその具体例を説明する。 第5図は各FETの概念的な断面構造を表わし
たものである。以後簡単のため、P+型半導体を
ゲート電極としたMOSトランジスタをP+ゲート
MOS、N+型半導体をゲート電極としたMOSト
ランジスタをN+ゲートMOSi型半導体をゲート
電極としたMOSトランジスタをiゲートMOSと
言うこととする。同図において左半分はP+、i
およびN+ゲートPチヤンネルMOSトランジスタ
であり、右半分はN+、iおよびP+ゲートNチヤ
ンネルMOSトランジスタである。 第5図のMOSFET(Q1)〜(Q3),(Q4)〜
(Q6)の相互のしきい値電圧の差は下表のように
なる。
The present invention relates to electronic devices, particularly to a reference voltage generator and its applications, as well as an insulated gate field effect transistor and its manufacturing method. In various semiconductor electronic circuits, in order to generate a reference voltage, it is essential to use a physical quantity having the dimension of voltage. Until now, physical quantities such as the forward voltage drop V F of a PN junction diode, the reverse breakdown voltage (Zena voltage) V Z , and the insulated gate field effect transistor (often represented by an IGFET or MOSFET) have been considered. Threshold voltage V th etc. are used. These physical quantities do not indicate absolute voltage values, and the voltage values are subject to fluctuations depending on various factors. Therefore, in order to utilize these physical quantities as a reference voltage generating device for various electronic circuits, it is necessary to pay attention to the fluctuation factors of the obtained voltage value and the permissible fluctuation range. First, regarding the temperature characteristics of these physical quantities, the above V F and V th usually have a temperature dependence of about 2 to 3 mV/°C, and the temperature change in the reference voltage that accompanies this temperature change varies depending on the application. It is so large that we have no choice but to abandon its practical use. For example, in an electronic watch that uses a nominally 1.5V silver oxide battery, if you are trying to realize a battery checker that is made to warn that the battery voltage has dropped, it is necessary to use a battery checker that is designed to warn that the battery voltage has dropped.
It is necessary to judge whether the battery voltage is high or low. This is the MOSFET threshold voltage of about 0.6V.
If you try to configure it using V th or the forward drop voltage V F of the diode, the detection level with a target of 1.4 V will be 1.4 (V) / 0.6 (V) × {2~6 (m
V/℃)} = 4.67 to 7.0 (mV/℃), with a practical operating temperature range of 0℃ to
Even if we make a narrow estimate of 50°C, the voltage will fluctuate significantly between 1.23V and 1.57V, making it impossible to use as a practical battery checker. Next, regarding manufacturing variations in these physical quantities, the threshold voltage V th of the MOSFET has a variation of about ±0.2V, and this variation is larger than the temperature change. Therefore, when the battery checker described above is made into an IC (integrated circuit) using V th , external components and connection pins (terminals) for reference voltage correction are required.
Not only that, but it also requires time and effort for adjustments after the IC is manufactured. In addition, in MOSFET integrated circuits such as semiconductor RAM, if you want to control the threshold voltage of the FET by applying a reverse bias voltage to the substrate (back gate), you need a reference voltage source that is independent of temperature dependence and manufacturing variations. Moreover, it is necessary that it can be integrated, but it is difficult to adopt it for the above-mentioned V F and V th for the same reason. Also, Zena voltage
V Z has a low voltage limit of about 3V, which is inappropriate as a reference voltage for use in the low voltage range below 3V.Also, it is not suitable for using the Zener voltage and forward drop voltage of a diode as a reference voltage. is several meters
It is necessary to flow a current of approximately A to several tens of mA, which is inappropriate in terms of reducing power consumption. As is clear from the above explanation, V th , V F and
Conventional reference voltage generators that use V In many cases, it was necessary to give up on commercialization and mass production. From the above studies, the present inventors learned that there are physical limits to the improvement of conventional reference voltage generators, and decided to research and develop a reference voltage generator with new ideas and ideas. . Incidentally, as a reference voltage generating circuit, for example, one shown in Japanese Patent Laid-Open No. 48-63257 is publicly known. An object of the present invention is to provide a reference voltage generation circuit based on a completely new idea not seen in the past, and to facilitate the design and mass production of electronic circuits. Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator with small temperature changes. Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator in which fluctuations in voltage values obtained are small relative to fluctuations in manufacturing conditions, for example, manufacturing variations (deviations) between lots are small. Another object of the present invention is to provide an integrated circuit reference voltage generating device that can reduce manufacturing variations to the extent that post-manufacturing adjustments are not required. Another object of the present invention is to provide an integrated electronic circuit device including a reference voltage generating device that can be manufactured with a large margin of tolerance to target specifications. Another object of the present invention is to provide an integrated electronic circuit device including a reference voltage generator with high manufacturing yield. Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for IGFET integrated circuits. Still another object of the present invention is to provide a reference voltage generator and a voltage comparator that consume less power. Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator capable of obtaining a low voltage (1.1 V or less) with excellent accuracy. Another object of the invention is a relatively low voltage (approximately 1 to
3V) power source, such as a 1.5V silver oxide battery or a 1.3V mercury battery. Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for semiconductor integrated circuits. Another object of the present invention is to provide a highly accurate voltage comparator, stabilized power supply, constant current circuit, and battery checker. Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device for an electronic watch that has a built-in highly accurate battery checker and has a small number of external terminals. Another object of the present invention is to maintain the threshold voltage of an IGFET to which a back bias is applied at a substantially constant voltage independent of manufacturing variations and temperature changes;
An object of the present invention is to provide an IGFET integrated circuit that can improve manufacturing yield. Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator compatible with complementary insulated gate field effect transistor integrated circuits (CMOS ICs), N-channel MOSICs, and P-channel MOSICs, and a method for manufacturing the same. The present invention returns to the origin of the physical properties of semiconductors and metals, and in particular, the energy gap E g , the work function φ,
This was achieved by focusing on the Fermi level E f etc. That is, it is well known that semiconductors have various levels such as energy gap E g , donor, acceptor, and Fermi level, but we focused on the physical properties of these semiconductors, especially the energy gap E g and Fermi level E f . Since the discovery of semiconductors, such a reference voltage generator has made remarkable progress in a wide range of fields, and has never been seen before. In terms of results, the present inventors considered using this energy gap E g , work function φ, Fermi level E f, etc. as a reference voltage source, and succeeded in realizing it. Using energy gap E g , Fermi level E f, etc. as a reference voltage source is not a difficult theory in itself, and the results are easy to understand and accept. however,
In the field of semiconductor industry, which no longer has a short history, we are returning to the origins of semiconductor physical properties.
This successful example, which is believed to be unprecedented, brought about by the present inventors is original and groundbreaking, and is expected to greatly contribute to the further development of the electronic circuit and semiconductor industries in the future. According to one embodiment of the invention, two IGFETs with different conductivity types of silicon gate electrodes are fabricated within a silicon monolithic semiconductor integrated circuit chip. These FETs are manufactured under almost the same conditions except for the conductivity type of the gate electrode, so their V th
The difference is approximately equal to the difference in the Fermi levels of P-type silicon, N-type silicon, and i-type (intrinsic semiconductor) silicon. The P-type and N-type gate electrodes are doped with respective impurities near the saturation concentration, and this difference is approximately equal to the silicon energy gap E g (approximately 1.1V) or E g /2 (0.55V). Used as a reference voltage source. A reference voltage generating device based on such a configuration has low temperature dependence and small manufacturing deviation, so it can be used as a reference voltage generating device for various electronic circuits. The present invention and further objects thereof will be more clearly understood from the following description with reference to the drawings. Numerous documents explain the physical properties of semiconductors, starting from the crystal structure of semiconductors and extending to the energy bands of semiconductors and the phenomena caused by donor and acceptor impurities in semiconductors. It is of course well known that semiconductors of different compositions each have their own energy gap E g and that the energy gap E g expressed in eV has the dimension of voltage. however,
As mentioned above, semiconductors have a unique energy gap E g and the fact that this temperature dependence is small has been focused on, and there has never been an example of using this as a reference voltage source. Since this embodiment was developed starting from the basics of semiconductor physical properties, a detailed explanation of the present invention will first start from the fundamentals of the present invention with reference to the physical properties of semiconductors. The physical properties of semiconductors are explained in detail in many documents, so the following is one of those documents, S.
M. SZE, “physics of Semiconductor
Devices”, published by John Wiley & Sons, 1969, especially Chapter 2 “Physics and Properties”
of Semiconductors-A Resume", pages 11 to 65. Applications of Energy Gap E g There are various compositions of semiconductors, among which the ones currently used industrially. Typical semiconductors are germanium (Ge), silicon (Si) non-compound semiconductors, and gallium arsenide (GaAs) compound semiconductors.The relationship between their energy gap E g and temperature can be found in the book mentioned above.
It is explained on page 24 and is reproduced in Figure 1. As understood from Figure 1, Ge, Si and
The E g of GaAs is 0.80 at room temperature (300〓), respectively.
(eV), 1.12 (eV) and 1.43 (eV). The temperature dependence is 0.39 (meV/〓), respectively.
0.24 (meV/〓) and 0.43 (meV/〓).
Therefore, by extracting a voltage corresponding to or close to these energy gaps E g , the temperature of the forward voltage drop V F of the PN junction diode and the threshold voltage V th of the IGFET mentioned above can be reduced. A reference voltage generating device having a temperature dependence that is one order of magnitude smaller than the temperature dependence can be obtained. Furthermore, the voltage that can be obtained is determined by the energy gap E g unique to semiconductors; for example, in the case of Si, it is approximately 1.12 (V) at room temperature, which is determined almost independently of other factors, and the reference voltage is not affected by variations in manufacturing conditions. It is possible to obtain. Then, the energy gap E g of this semiconductor is
An example of how the voltage corresponding to can be derived will be explained below. Application of the difference in Fermi levels (work functions) of N-type, i-type, and P-type semiconductors The state of energy levels when a semiconductor is doped with donor and acceptor impurities is well known. Among these, the points we focused on in this invention are:
It is a physical property that the location of the Fermi energy of N-type and P-type semiconductors is divided into two toward the conduction band and the valence band, respectively, based on the Fermi energy level E i of the intrinsic semiconductor. As the concentration of acceptor and donor impurities increases, the Fermi level E fp of the P-type semiconductor tends to move further away from the Fermi level E i of the intrinsic semiconductor, and the Fermi level E fp of the P-type semiconductor approaches the uppermost level E v of the valence band. ,
The Fermi level E fo of the N-type semiconductor approaches the lowest level E c of the conduction band, and the difference between both Fermi levels (E fo
If we take E fp ), this will be closer to the energy gap E g of the semiconductor, and its temperature dependence will also be closer to that of the energy gap E g . The same is true for the Fermi level difference (E fo −E i ) and (E i −E fp ) between the intrinsic semiconductor of the P-type semiconductor, and between the N-type semiconductor and the intrinsic semiconductor.
In this case the absolute value approaches E g /2. Hereinafter, the difference from the intrinsic semiconductor will be omitted because it is half the difference between P type and N type. The details will be explained later, but the higher the impurity concentration (E fo −E fp )
The temperature dependence of is small, and it is preferable to set the concentration as close to the saturation concentration as possible. The Fermi levels E fo and E fp are related not only to the concentration of donor and acceptor impurities, but also to the donor and acceptor levels E d and E a , and this level
E d and E a differ depending on the impurity material. The closer the levels E d and E a are to the conduction band and valence band, respectively, the closer the Fermi levels E fd and E fa are to them, respectively. In other words, the shallower the impurity levels E d and E f of the donor and acceptor, the more the Fermi level difference (E fo −E fp ) becomes the energy gap E g of the semiconductor.
becomes close to. Donor and acceptor impurity levels E d , E f
The closer E is to the Fermi level E i of the intrinsic semiconductor, that is, the deeper it is, the further the Fermi level difference (E fo −E fp ) is away from the energy gap E g of the semiconductor.
However, this does not necessarily mean that the temperature dependence becomes worse, but it means that the absolute value of the Fermi level difference (E fo −E fp ) becomes smaller. Therefore, the difference in Fermi level (E fo −E fp ) and the difference in work function are inherent to materials such as semiconductor materials and impurity materials, and from another perspective, they are the energy gap E g of semiconductors. It can be used as a reference voltage source similar to Gap E g , which is in a different category. In other words, the Fermi level difference (E fo −E fp ) has less temperature dependence by itself than the forward voltage drop V F of the PN junction or the threshold voltage V th of the IGFET, and is also less dependent on manufacturing variations. It is possible to extract the Fermi level difference (E fo −E fp ) using an impurity material that can serve as a reference voltage source that is not easily influenced by the voltage and exhibits shallow donor and acceptor levels E d and E f .
This can be one way to extract a voltage that is approximately close to the energy gap E g of a semiconductor. On the other hand, when it comes to setting the voltage value to be obtained, if the purpose is to obtain a relatively large reference voltage equivalent to the energy gap of a semiconductor, an impurity exhibiting a shallow level is used, and a relatively large reference voltage is used. If the purpose is to obtain a small reference voltage, an impurity exhibiting a deep level may be used. Specific example of selection of impurity materials For the relationship between the Fermi level E f , donor level E d , acceptor level E c , donor concentration N d , acceptor concentration N a and temperature T, see Figures 2 and 3. I will refer to it and explain it in more detail, but before that,
In order to understand what level each impurity exhibits in Ge, Si, and GaAs semiconductors and how to utilize these impurities in the present invention, the data on page 30 of the aforementioned document was used. It is reproduced as Figure 4 and an explanation is added. Figure 3 a, b and c are Ge, Si, respectively.
Figures 1 and 2 are diagrams showing the energy distribution of various impurities with respect to GaAs, and the numbers in each diagram are from the lowest level of the conduction band E c to the level located above the gap center E i represented by the broken line. The energy difference (E c − E d ) is shown for the lower level, and the energy difference (E a − E v ) from the uppermost level of the valence band E v is shown for the lower level. is also (eV). Therefore, the impurity material indicated by a small value in the figure indicates that its level is close to the lowest source level E c of the conduction band or the highest upper level E v of the valence band, and the energy It is suitable as an impurity to obtain a voltage close to the gap E g . For example, for Si, which is currently most frequently used, Li,
Donor impurities of Sb, P, As and Bi and B,
The level differences (E c − E d ) and (E a −E v ) exhibited by acceptor impurities of Al and Ga are the smallest, and each level difference is approximately 6% or less of the energy gap E g of Si. It is. N using these impurities
Difference in Fermi level between type Si and P type Si (E fd
E fa ) is Si
The energy gap is approximately 94% to 97% of E g , which is approximately equal to E g . In addition, the donor impurity that shows the next smallest level difference (E c - E d ), (E a - E v ) after the above impurities is S (approximately 16% of E g ), and the acceptor impurity is I o (E g The difference in Fermi level between N-type Si and P-type Si using each impurity (E fd - E fa ) is about 0.85E g at 0〓,
It can be seen that the deviation from the energy gap E g of Si is about 15%, and the deviation becomes extremely large due to the above-mentioned impurities. Therefore, the impurity materials for P-type and N-type Si to obtain a voltage approximately equal to the energy gap E g of Si include one donor impurity selected from the group of Li, Sb, P, As, and Bi; One acceptor impurity selected from the group B, Al and Ga is preferred; other impurities may be suitable for the purpose of obtaining voltages significantly smaller than the energy gap E g of Si. Physical Properties of Fermi Level E f Next, the physical properties of the Fermi level difference (E fo −E fp ) will be explained with reference to FIG. Second
The figure shows the energy level of a semiconductor. Figures a and b show an energy level model of an N-type semiconductor and its temperature characteristics, and c and d show an energy level model of a P-type semiconductor, respectively. and its temperature characteristics. The carrier in the semiconductor is a pair of an electron nd generated by ionization of the donor impurity N d and an electron and a hole excited from the valence band. When the impurity N d is sufficiently large, the excited electron and hole pairs can be ignored, and the number n of conduction electrons is n≒nd (1). nd is determined from the probability of being trapped in the donor level, and n is determined from the number of electrons existing in the conduction band, respectively. nd = N d {1-1/1 + e (E d - E f /KT)} = N d・1/1+e( EF −E d /KT) ...(2) n=N c・e(E f −E c /KT) ...(3) Here, N c = 2 (2πm * / h 2 KT) 3/2 h: blank constant, m * ; effective mass of electrons From this, N c・e (E F −E c /KT) = N d /1 + e (E F −E d /KT)…
…(4), N d /N c = e(E F −E c /KT) + e(2E F −E d −E c /KT)
...(5) becomes. Here, since the Fermi level is determined to be at a position close to E c , the first term of equation (5) can be ignored, and E F = 1/2 (E d + E c ) − 1/2KTlnN c /N d ...(6). This equation shows that not only when the temperature is low but also when the impurity concentration N d is high even at room temperature, N c /N d approaches 1, and lnN c /N d → 0, so the Fermi level is located between the lower end of the conduction band and the donor level, and its temperature dependence is approximately equal to the temperature characteristic of E c . However, when the temperature becomes high enough, the number of pairs of electrons and holes excited from the valence band becomes large, and the influence of impurities decreases, causing Fermi
The level approaches the level E i of an intrinsic semiconductor. FIG. 2b shows the above relationship. The same is true for a P-type semiconductor containing only acceptor impurities as shown in Figure 2c; at low temperatures and when the acceptor impurity concentration is high,
The Fermi level is located approximately between the top of the low electron band and the acceptor level, and as the temperature increases, it approaches the Fermi level of an intrinsic semiconductor. This relationship is shown in FIG. 2d. The relationship between the temperature characteristics of the Fermi level E f and impurity concentration - a concrete example We have explained the physical properties of the relationship between the temperature dependence of the Fermi levels E fp and E fo and the impurity concentration. Using Si semiconductors that are in practical use as a specific example, and referring to the data on page 37 of the book mentioned above, we can calculate the Fermi level difference (E fo
E fp ) and its temperature dependence. The data is reproduced in Figure 3. In the normal Si semiconductor integrated circuit manufacturing process, boron B and phosphorus P are mainly used as impurity materials, and in areas where the impurity concentration is high, 10 20
(atoms/cm 3 ), but even if the impurity concentration is two orders of magnitude lower, 10 18 (atoms/cm 3 ), as can be read from Figure 3, the Fermi level of the N-type and P-type semiconductors will be The difference (E fo −E fp ) is 0.5 − (−0.5) = 1.0 (eV) at 300ⓓ, which is a value relatively close to the energy gap E g 1.1 eV at the same temperature. The change with temperature is from 200〓 to 40〓(-70
℃ to 130℃), approximately 1.04 (eV) to 0.86
(eV), the rate of change is 0.9 (mV/°C). This is about 1/1 of the rate of change with temperature of the threshold voltage V th of the IGFET and the forward drop voltage V F of the diode, which was 2 to 3 mV/°C, as mentioned earlier.
It is a small value of 3. If the impurity concentration is 10 20 cm -3 or higher, silicon
The energy gap (E g ) is almost equal to Si = 1.1 (V), and the rate of change in temperature is approximately 0.2 mV/℃,
This is a sufficiently small value. Therefore, if the impurity concentration is about 10 18 cm -3 or more, it is possible to obtain a temperature dependence that is at least 1/2 to 1/3 smaller than that of the conventional method, and more preferably 10 20 cm -3
or higher (improved to about 1/10), and most preferably saturation concentration. Principle and example of extracting Fermi level difference In this Fermi level difference (E fo −E fp ), (E fo
-E i ) and (E i -E fp ) can be extracted based on what principle. One example is that the voltages corresponding to two
This method uses the difference in threshold voltage V th of MOSFETs. A specific example will be explained below. FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional structure of each FET. From now on, for simplicity, a MOS transistor with a P + type semiconductor as a gate electrode will be referred to as a P + gate.
MOS, a MOS transistor with an N + type semiconductor as a gate electrode is called an N + gate MOS transistor with an Si type semiconductor as a gate electrode is referred to as an i-gate MOS. In the same figure, the left half is P + , i
and N + gate P channel MOS transistors, and the right half is N + , i and P + gate N channel MOS transistors. MOSFET (Q 1 ) ~ (Q 3 ), (Q 4 ) ~ in Figure 5
The difference in threshold voltage between (Q 6 ) is shown in the table below.

【表】 第6図a,bないし第11図a,bは、実際に
回路構造上使用される平面パターンと平面パター
ンのA−A部断面とを、P+ゲート、iゲート、
Nゲートの各P−チヤンネルおよびNチヤンネル
MOSトランジスタを断面構造と合せて、表わし
たものである。 上記各図において、ソースおよびドレインのP
型領域は多結晶Siをマスクとして、不純物の拡散
によつて形成される。P型不純物及びN型不純物
を選択拡散するためのマスクと上記ソースおよび
ドレイン領域とのマスク合せの余裕をとるために
ゲート電極のソース及び、ドレインに接した両端
部には、P+ゲートMOS、N+ゲートMOSの両者
ともソース及びドレイン領域と同じ不純物が拡散
される。例えばPチヤンネルMOSではP型不純
物である硼素が拡散される。ゲート電極の中央に
は、P+ゲートMOSはP型不純物が、N+ゲート
MOSはN型不純物が拡散される。 上記第6図、第7図及び第8図は各々Pチヤン
ネルのP+ゲート、iゲート、N+ゲートMOSの平
面図と断面図を表わしており、第9図、第10図
及び、第11図は各々NチヤンネルのN+ゲート、
iゲートN+ゲートMOSの平面図と断面図を表わ
している。 第6図〜第11図において、セルフ・アライン
のためにとつたゲートのソース及びドレイン領域
と同じ不純物拡散領域が、マスクの合わせの誤差
により、製造時において、左右(ソース側あるい
はドレイン側)の一方の片寄つたことによる
MOSトランジスタの実効的なチヤンネル長のず
れ(変化)が極力少なくなるように、ソース領域
とドレイン領域の列を交互に配置し、かつ全体的
に左半分と右半分がチヤンネル方向に対して線対
称となるように配置される。従つて、マスク合わ
せのチヤンネル方向に対する(左右)のズレが各
列のFETの実効チヤンネル長に変化を及ぼして
も、並列に接続された各列のP+ゲートMOSiゲー
トMOS、及びN+ゲートMOSの平均的な実効チ
ヤンネル長は、全体的にズレが相殺されほぼ一定
となる。 第12図は、通常のシリコンゲートCMOS製
造プロセスにおいて、いかにしてP+ゲートMOS
及びN+ゲートMOSが構成されるかを示したもの
である。 第12図aにおいて、101は比抵抗1Ωcm〜8Ω
cmのN型シリコン半導体で、その上に熱酸化膜
102を400Å〜16000Å程度に成長させ、ホトエツ
チング技術により、選択的に拡散のための窓をあ
ける。P型不純物となるボロンを50KeV〜
200KeVのエネルギーで1011〜1013cm-2程度の両
でボロン打込みを行い、その後8時〜20時間程度
熱拡散してNチヤンネルMOSトランジスタの基
板であるP-ウエル103を形成する。 同図bにおいて、熱酸化膜102を除去し、熱酸
化膜104を1μm〜2μm程形成しMOSトランジスタ
のソース、ドレイおよびゲートとなる領域をエツ
チングにより除去する。その後300Å〜1500Å程
度のゲート酸化膜105を形成する。その上に多結
晶Si106を2000Å〜6000Å程成長させ、MOSトラ
ンジスタのゲート部を残してエツチングにより除
去する。 同図cにおいて、気相成長により酸化膜107を
形成し、P型不純物を拡散する領域をホトエツチ
ング技術により除去する。その後、1020〜1021cm
-3程の高濃度のP型不純物となるボロンを拡散
し、PチヤンネルMOSトランジスターのソース、
ドレイン領域108を形成し、同時にP型半導体の
ゲート電極を形成する。 同図dにおいて、先と同様に気相成長により酸
化膜109を形成し、N型不純物を拡散する領域を
ホトエツチング技術により除去する。その後、
1020〜1021cm-3程度の高濃度のN型不純物となる
リンを拡散し、NチヤンネルMOSトランジスタ
ーのソース、ドレイ領域110を形成し、同時にN
型半導体のゲート電極を形成する。 次に、酸化膜109を除去し、気相成長により
4000Å〜8000Å程度の酸化膜を形成し、電極取り
出し部をホトエツチング技術により除去する。そ
の後、金属(Al)を蒸着し、ホト・エツチング
技術により電極配線部分を形成する。 次に、気相成長により1μm〜2μmの酸化膜で
覆う。 ここで、第12図dにおいてQ3,Q4は一般の
CMOSインバータを構成するMOSであり、Q1
Q2は基準電圧発生のためのP+ゲート、N+ゲート
MOSである。 第13図aないしdは、Pチヤンネル型のP+
ゲートMOSとiゲートMOSの製造プロセスにお
ける断面を示している。この例では同図cまでは
第12図cまでと同じであるが、同図dにおいて
MOSFETQ2のゲート上の酸化膜1096を除去しな
いでN型不純物を拡散する。 第14図aないしdはNチヤンネル型のP+
ートMOSとN+ゲートMOSの製造プロセスにお
ける断面を示している。 第15図aないしdはNチヤンネル型のN+
ートMOS、iゲートMOSの製造プロセスにおけ
る断面を示している。 次に、ゲート電極として半導体を用いたMOS
トランジスタのしきい値電圧について、第16図
に従つて説明する。まずP+ゲートMOSの場合に
ついては、第16図aのエネルギーバンド図より であることが示される。 但しここで VG;半導体基板とゲート電極(P+半導体)との
電位差 X;電子親和力、Eg;エネルギーギヤツプ φS;N型半導体基板の表面ポテンシヤル φFp;真性半導体のフエルミ・ポテンシヤルを基
準としたP型半導体のフエルミ・ポテ φF;真性半導体のフエルミ・ポテンシヤルを基
準としたN型半導体基板のフエルミ・ポテンシ
ヤル q;電子の電位電荷 V0;絶縁物に加わる電位差 Ec;伝導帯のエネルギー準位の下限 Ev;価電子帯のエネルギー準位の上限 Ei;真性半導体のフエルミ・準位 (7)式において、ゲート電極の仕事関数をポテン
シヤルで表わしてφMP+とし、又半導体の仕事関
数を同様にφsiとすると φMP+=x+Eg/2q+φFP+ ……(8) φsi=x+Eg/2q−φF ……(9) であるから、 V0=−VG+φM−φsi−φs ……(10) となる。 また第16図bの電荷の関係より −COX・V0+Qss+Qi+QB=0 ……(11) である。ここで COX;単位面積当り、絶縁物の容量 Qss;絶縁物中の固定電荷 QB;半導体基板中不純物のイオン化による固定
電荷 Qi;チヤンネルとして形成されたキヤリア (10)、(11)より −COX(−VG+φMP+−φS−φsrf) ……(12) +Qss+Qi+QB=0 ……(12) となる。 チヤンネルQiができるときのゲート電圧VGが、
しきい値電圧であるから、P+ゲートMOSしきい
値電圧をVthp+とすると Vthp+=VG Q=0=φMP+−φsi−φs −Qss/COX−QB/COX ……(13) この時φs=2φFである。 以下同様にして、N+ゲートMOSトランジスタ
においてはゲート電極の仕事関数φMN+のみの相
違で φMN+=x+Eq/2q+φFN+ ……(14) である。従つてそのしきい値電圧VthN+は VthN+=φMN+−φsi−φs−Qss/COX−QB/COX ……(15) ここでφs=2φF となる。 これよりP+ゲートMOSとN+ゲートMOSのし
きい値電圧の差Vthp+−VthN+は、 Vthp+−VthN+=φMP+−φMN+= φFP+−φFN- ……(16) となり、ゲート電極を構成している半導体のフエ
ルミ・ポテンシヤルの差になる。これは第16図
においてa,cを比較して、同じ電荷分布になる
時のゲート電圧が、ゲート電極の仕事関数差であ
り、フエルミ・準位の差になつていることで容易
に理解できる。 以上により、P+ゲートMOSとN+ゲートMOS
のしきい値電圧の差として、エネルギー、ギヤツ
プEgにほぼ等しい電圧を取り出すことができる
ということが分つたが、その他の方法として、真
性半導体をゲート電極としたMOS(iゲート
MOSと以下記す)のしき値電圧とP+ゲートMOS
あるいはN+ゲートMOSのしきい値電圧との差に
よつても、エネルギー・ギヤツプEgの電圧を取
り出すことができる。 iゲートMOSのしきい値電圧をVthiとすると、
真性半導体のフエルミ準位は0であるから(真性
半導体のフエルミ準位を基準としているため)i
ゲートMOSとP+ゲートMOS′のしきい値電圧の
差は |Vthi−Vthp+|=|0−φFP+|≒1/2Eg ……(17) であり、iゲートMOSとN+ゲートMOSのしき
い値電圧の差は |Vthi−VthN+|=|φFN+−0|≒1/2Eg ……(18) となり、ちようどエネルギーギヤツプEgの半分
の電圧になることが容易に分る。 このiゲートMOSとP+ゲートあるいはN+ゲー
トMOSのしきい値電圧の差によつて得られる電
圧は約0.55Vと低い基準電圧源と適すること、ま
た後述するようにCMOSの製造工程だけでなく、
ゲート電極への不純物のドープ工程は1回ででき
るのでシングル・チヤネルのMOSの製造工程で
も容易に高精度の基準電圧源が得られるというこ
とで非常に有用である。 次にNチヤンネルMOS半導体集積回路でのプ
ロセスを第17図a〜eに示した断面を用いて説
明する。 (1) 比抵抗8〜20Ωcmを有する半導体基板101を
用意し、この基板表面に厚さ1μmの熱酸化膜
103を形成する。 (2) MISFETが形成されるべき部分の半導体基
板表面を露出するために熱酸化膜を選択的にエ
ツチングする。 (3) しかる後、露出した半導体基板表面に厚さ
750〜1000Åのゲート酸化膜(SiO2)103を形
成する(第17図a) (4) 多結晶シリコン層と直接コンタクトを取るべ
き部分のゲート酸化膜103を選択的にエツチン
グし、ダイレクトコンタクト穴103aを形成す
る。(第17図b) (5) 酸化膜102、ゲート酸化膜103、コンタクト穴
103aを有する半導体基板101主表面全体にシリ
コンをCVD(Chemical Vapor Deposition)法
によりデポジツトし、厚さ3000〜5000Åの多結
晶シリコン層を形成する。 (6) 多結晶シリコン層104を選択的にエツチング
する。(第17図c) (7) 半導体基板101主表面全体にCVD法により
CVD−SiO2膜を2000〜3000Åの厚さにデポジ
ツトする。 (8) メモリセル負荷抵抗等の高抵抗部分および、
真性準位ゲート部104aの多結晶シリコン層上
のみ上記CVD−SiO2膜105を選択的に残す。
(第17図d) (9) 多結晶シリコン層をマスクとして半導体基板
101内にリンを拡散し、不純物濃度
1020atoms/cm3のソース領域およびドレイ領域
106を形成する。この時多結晶シリコン層内に
も不純物が導入されて、ゲート電極104b、ダ
イレクトコンタクト104cおよび多結晶シリコン
配線部104dを形成する。(第17図d) (10) 半導体基板101主表面全体にPSG(Phospho
Silicate Glass)膜107を7000〜9000Åの厚さ
に形成する。 (11) しかる後、Alを準導体基板101主表面に全
面蒸着し、厚さ1mmのAl膜108を形成する。 (12) 上記Al膜を選択的にエツチングし、配線領
域108を形成する。(第17図e) 以下に説明する回路は上述したフエルミ準位の
差(Efo−Efp)(Efo−Ei),(Ei−Efp)を取り出す
ための一方法となり得るが、その他一般的に、異
なるVthを持つFETのVthの差に基ずく電圧を基
準電圧として利用する基準電圧発生装置として応
用できる。 第18図bは、MOSトランジスタのしきい値
電圧に対応する電圧を発生する回路である。T1
T2はドレインとゲートが共通に接続された、い
わゆるMOSダイオードを構成している。 I0は定電流源、T1,T2は異なるしきい値電圧
Vth1,Vth2とほぼ等しい相互コンダクタンスβを
持つMOSFETであり、各々のドレイン電圧を
V1,V2とすれば I0=1/2β(V1−Vth12 =−1/2β(V2−Vth22 ……(17) であるから V1=Vth1+√20 ……(18) V2=Vth2+√20 ……(19) となり、ドレイン電圧の差をとれば、しきい値電
圧の差を取り出すことができる。 定電流源としては、十分大きな抵抗を使つても
良く、特性のそろつたものであれば、拡散抵抗、
多結晶Si抵抗、イオン打込みによつて作られた抵
抗、MOSトランジスタによる抵抗を使用するこ
とができる。 この回路で一例としてT1、T2として先に説明
したN+ゲートMOS及びP+ゲートMOSを使用す
れば、しきい値電圧の差とほぼ等しい値の、N型
半導体とP型半導体のフエルミ・準位の差(Efo
−Efp)を取り出すことができる。 第19図および第20図は、異なるしきい値電
圧を持つFETをMOSダイオード形式に直列に接
続して、しきい値電圧の差を取り出す回路例であ
る。T1はしきい値電圧Vth1,T2はしきい値電圧
Vth2を持つているとする。 抵抗R1がT1のインピーダンスに比較して十分
大きく、抵抗R2がT2のインピーダンスに比較し
て十分大きい条件では V1−V2≒Vth1 ……(23) V1≒Vth2 ……(24) ゆえに、V2≒Vth1−Vth2 ……(25) となる。 第21図aは、容量の両端子にしきい値電圧に
対応する電圧を加え、容量に保持された電圧を差
電圧として取り出すものである。第21図bはそ
の動作タイミングを表わしたものである。クロツ
クパルスφ1によりT5,T6をオンさせて容量C1
T1,T2のしきい値電圧Vth1,Vth2の差電圧をチ
ヤージする。 φ1が切れた後、クロツクφ2によりT3をオンさ
せ、C1のノードを接地する。この時C1にはし
きい値電圧の差電圧が保持されているから、ノー
ドにはその電位をそのままでる。後に述べるよ
うな電圧検出回路に使用する場合には、この時の
ノードの電位をそのまま基準電圧として使用す
ることもできる。が、より一般的な形で使用でき
るためには、クロツクφ2が入つている時間内に
クロツクφ3によつてトランス・ミツシヨンゲー
トT6,T7をオンさせて、容量C2にその電位をと
り込み、演算増幅器5の逆相入力(−)へ出力を
全面帰還した、いわゆるボルテージ・フオロワで
受ければ、その出力として、十分内部インピーダ
ンスの低い状態で、T1,T2のしきい値電圧の差
が基準電圧として得られる。 第22図は同様に容量C2を利用した基準電圧
発生装置である。クロツクφ1によりT8をオンさ
せる。この時T9はクロツクφ2によりオフ状態で
ある。ノードの電位はノードの電位よりT1
のしきい値電圧Vth1だけ下がり、ノードの電位
はノードの電位よりT2のしきい値電圧Vth2
け下がり、容量Cの両端には両者の差電圧がチヤ
ージされる。次にφ1によりT8をオフし、φ2によ
りT9をオンさせるとノードにしきい値電圧の
差電圧が得られる。 第23図は、第21図の回路で使用される演算
増幅器を示したものである。T1,T2は差動増幅
回路を構成している差動対であり、T5,T6はそ
の能動負荷である。T7は、T3,T4によるバイア
ス回路と共に定電流回路を構成している。T8
T7はT7を定電流源負荷とするレベル・変換兼出
力バツフアー回路である。図ではC−MOSでの
回路構成例を示したが、シングル・チヤネル
MOSでも構成できることは言うまでもない。 第24図は、その差動部分のみを取り上げて一
般的な演算増幅器を概略的に表わしたものである
が、ここでMOSトランジスタT1,T2は各々異な
るしきい値電圧Vth1,Vth2を持つており、それ以
外の特性は等しいものとする。また入力側に表わ
れた(−)、(+)の記号は各々、出力に対して逆
相、同相となることを意味するものである。 T1の入力V1,T2の入力をV2とすれば、 V1−Vth1=V2−Vth2つまり V1−V2=Vth1−Vth2 ……(26) の条件を境として、出力レベルが変化する。 演算増幅器はしきい値電圧の差電圧分の入力オ
フ・セツトを持たせ、入力のいずれか一方を接地
あるいは、電源に接続すれば、このオフ・セツト
電圧を基準電圧とするコンパレータとして動作さ
せることができる。従つて第24図に示すよう
に、(−)入力端子に出力を接続し(+)入力端
子を設置すれば、出力outにはしきい値電圧の差
が得られる。この場合演算増幅器の動作をさせる
ためには、T2はデプレツシヨン・モードである
ことが必要である。例えばT1にP+ゲートMOS、
T2にN+ゲートMOSを使用する場合には、両方の
MOSFETのチヤンネル部に同一の条件でイオン
打込みを行つて、デイプレツシヨン型とすれば良
い。 第25図は、第24図における演算増幅器を使
つて、基準電圧を任意に限定できるようにしたも
のである。出力を分圧手段R5,R6を通して(−)
入力に帰還させれば、その分圧比をrとすれば、
出力電圧V0は V0=Vth1−Vth2/r ……(27) となる。分圧手段R5,R6は線形抵抗が望ましい
が、許容できる程度に十分に特性のそろつた抵抗
であれば何でもよい。 第24図、25図の回路はデイプレツシヨン型
MOSを使用するのが前提であるのに対し、第2
6図、第27図の回路はエンハンスメント型
MOSでも動作可能なようにしたものである。も
ちろん、デイプレツシヨン型であつても差しつか
えない。 第26図の例は、第24図の例と同様出力を
(−)入力に直接帰還させたもので、出力V0は、
電源電圧をVDDとすれば V0=VDD−(Vth1−Vth2) ……(28) となる。第24,25図の回路では差動対の少な
く共一方をデイプレシヨン・モードにする必要が
あり、ケースによつては製造工程数を増やさなけ
ればならないことがあるが、Vthの差電圧を接地
電位を基準にして取り出すことができる。 逆に、第26,27図の回路では得られる差電
圧の基準が接地電位でない方の電源電圧となる
が、FETの動作モードの条件は特に付かない。 いずれの回路形式を採用するかはどの長短所を
重くみるかによつて決めれば良い。 第27図の例は第25図の例と同様分圧手段
R7,R8を通して出力を(−)入力に帰還させた
もので、出力は V0=VDD−Vth1−Vth2/r ……(29) となる。 次に以上にのべた基準電圧発生装置の応用につ
いて、回路、ICチツプの構造、等について説明
する。 しきい値電圧の制御 MOS集積回路において個所素子である
MOSFETのしきい値電圧(Vth)は、LSIの特性
を決める重要なパラメータとなつている。この
Vthは、製造プロセスによるバラツキ、温度によ
る変化が大きく、VSthの制御がMOSFSI製造上
の難点となつている。 一方第28図に例として示す、MOSメモリに
おいては、基板にバイアス電圧をかけ、寄生容量
を減少させている。このバイアス電圧を得るため
に、基板バイアス発生回路を用いている。基板バ
イアス発生回路は、第29図で示す構成となつて
いる。従来の基板バイアス発生回路は発振部およ
び波形整形部のみからなり、Vthによるフイード
バツクがなされないのが一般的であつた。このた
め、製造バラツキ、温度により発振周波数、波形
整形能力の差が生じ、安定なバツクバイアス電圧
VBBを得られず、Vthの変動も大きいものであつ
た。 本発明では、この基板バイアス発生回路に、前
述したゲート電極の仕事関数差を用いたコンパレ
ーターを使用し、Vthを一定の電圧にコントロー
ルする。 Vthは、基板バイアスにより変化し、次の式で
表わされる。 Vth=Vth0+K(2φF+|VBB|−2φF) ここでVth0は、VBB=OGのVth、Kは基板効果
定数、φFはフエルミレベルを表わす。 このためVthは基板バイアスVBBを変化させる
ことによりコントロール可能である。第29図に
おいて、発振回路部は、リングオンレータを使用
している。この発振回路は他の発振回路としても
よい。波形整形部は2つのMOSダイオードQ1
Q2およびコンデンサC1より成り、VBBの電荷をポ
ンプ作用によりGNDに引き抜く作用をしている。
このポンプ作用により、VBBは負電圧に引かれて
いくが|VBB|の最大電圧VBBMは、このポンプ作
用による引き抜き電圧と基板リーク電流の安定し
た点で決定される。発振回路が動作しているかぎ
り、VBBはこの安定点VBBMに保たれるが、発振が
停止すると、基板リーク電流により、基板の電荷
はリークしGNDレベルに近づいていく。VBB
GNDレベルに近づくとVthは低下する。 第29図のコンパレータ部は、前述したゲート
電極の仕事関数差を利用したものであり、Nチヤ
ンネルプロセスでの例を第30図に示した。第3
0図でQ1は、真性レベルゲートMOS、Q2はNゲ
ートMOSを用いている。またこれらはデイプレ
ツシヨンタイプMOSとなつている。このため、
コンパレータは一入力部にEg/2=0.55Vの電圧が 入力された時反転する。第29図のVthセンス部
は一つの抵抗およびMOSFETQ3より成る。ここ
で抵抗はポリシリコン抵抗拡散層抵抗、MOS抵
抗のいづれでもよいが、抵抗値は、Q3のVth
0.55Vとなつた時、出力が0.55Vとなるよう設定
されている。今VBBがGNDレベルに近くQ3のVth
が0.55V以下の時には、コンパレート部一入力電
圧は0.55V以下となり、コンパレータの出力は
“1”となり発振回路は動作を続けている。VBB
がVBBMに近づきVthが上昇し、0.55Vを越えると
コンパレータ出力は“0”となり、発振は停止
し、VBBはリークによりGNDレベルに近づく。す
なわち、フイードバツクループが形成され、この
基板バイアス発生回路によりVthがコントロール
される。コンパレート部で得られる電圧0.55V
は、エネルギーギヤツプの1/2となるため、前述
した通り温度、製造バラツキ、電源電圧に対し変
化が少ないので、Vthをきわめて精度よく制御す
ることが可能となり、温度マージン製造プロセス
マージン、電源マージンの広いMOSLSIが得ら
れる。また後述するように、プロセス的にも第3
2図で示すメモリセルにおいて高抵抗Rを得るプ
エロセスと全く同一プロセスで真性レベルゲート
MOSを得ることができるため、従来プロセスを
用い容易に実現できる。 レベルシフト回路 MOSLSIにおいて電源として5V電源を用い、
入力としてTTLロジツク回路からの信号を用い
た場合、高レベルとして2.0V、低レベルとして
0.8Vの信号となる。このTTL信号をMOSレベル
に変換する場合には、従来入力部インバータのレ
シオをとり、MOSレベルへ変換していたが、Vth
バラツキ、温度変化により、入力レベルマージン
が小さくなる問題があつた。 前述したゲート電極の仕事関数差を用いた基準
電圧発生回路を用いたTTL→MOS変換回路の例
を示す。第32図にMOSメモリのアドレスバツ
フア回路に本方式を用いた具体例を示す。 Vrefとして前述第25図の回路により基準電圧
1.4Vを発生する。アンプとして第33図の差動
アンプを用い入力のロジツクVthを1.4Vとなる入
力バツフアを作成する。本方法によりTTL→
MOS変換回路が得られる。 また他の方法としてアンプに、第23図で示す
路を用いVrefすなわち第24図をGND、を
入力としてもよい。この場合T1,T2はデプレツ
シヨン型MOSを用いる。 論理Vth安定化回路 第34図はインバータを始めとする論理回路の
ロジツク・スレツシヨールドを使用電源電圧、
MOSトランジスタのしきい値電圧、温度等の変
化に対し、常に一定にしようとするものである。 Q1,Q2,Q3で構成されるインバータ1,Q4
Q5,Q6で構成されるインバータ2は各各、ロジ
ツク・スレツシヨールド制御用のMOSQ1,Q4
持つている。 Q7,Q8,Q9は先に述べたインバータ1、イン
バータ2と相似(MOSのパターンサイズ比が等
しい)になるように構成されており、インバータ
としての入力と出力が結合されて、ちようどロジ
ツク・スレツシヨールド電圧が得られるようにな
つている。 CMP1は先に説明した基準電圧を差動回路の
オフ・セツトとして有する比較回路である。
CMP1はこのロジツク・スレツシヨールドと自
分の中に持つている基準電圧とを比較し、両者の
差がほぼ0となるようにQ7のゲート電圧を制御
する。 つまりロジツク・スレツシヨールド>基準電圧
であればCMP1の出力はハイ・レベルになりQ7
の等価抵抗は大きくなり、ロジツク・スレツシヨ
ールドを下げる方向に作用する。ロジツク・スレ
ツシヨールド<基準電圧の場合にはこの逆とな
り、両者は等しいところで平衡状態となる。 Q1,Q4のゲート電圧はQ7のゲート電圧と共通
であり、前者と後者は相似の関係にあるから、こ
れによりインバータ1、インバータ2のロジツ
ク・スレツシヨールドは基準電圧と等しくなり、
非常に安定なインバータ特性を有することにな
る。 始めに述べたように、これはインバータのみに
必らず、ナンド・ノア等の他の論理回路にも同様
に適用できる。 CMOS構成でなくとも、通常のシングル・チ
ヤンネルのインバータ等の論理回路の場合にも、
容易に適用できる。 これらの回路は、特に入力レベル、論理振巾の
範囲が狭い場合にも確実に信号をデジタル処理で
きる入力のインターフエース回路として有用であ
る。 電圧検出器 第35図は、Vthの差を利用した基準電圧発生
装置からの基準電圧を比較器の一入力に加え、他
の一方の入力に被検出電圧を加え、被検出電圧の
基準電圧に対する高低が区別できるようにした電
圧検出回路である。 第36図の例は、Vthの差を利用した基準電圧
発生装置からの基準電圧を比較器の一入力に加
え、他の一方の入力に被検出電圧を分圧手段R9
R10により分圧した電圧を加えた電圧検出回路で
ある。分圧比をr、基準電圧をVref、検出レベル
をVseoseとすると Vseose=Vref/r ……(30) となり、分圧比rにより検出レベルVseoseを任意
に設定できる。 第37図の例は、Vthの差に相当するオフ・セ
ツトを持つた演算増幅器を用いて、先に説明した
ようにオフ・セツト電圧を基準電圧として利用し
た電圧検出回路である。またR11,R12は第36
図の例と同じ分圧手段である。 第36,36,37図の例において被検出電圧
を電源電圧とすればバツテリーを電源として使用
するシステムにおいては、バツテリーチエツカー
として利用できる。第37図の電圧検出回路を電
子時計のバツテリ・チエツカーに応用した具体例
を第44図に示すが、詳しい説明は後述する。 定電圧装置 第38図の例は、安定化電源回路に応用したも
のである。基準電圧発生回路は先に述べたいくつ
かの方法で構成したものであり、R13,R14によ
り安定化出力の一部と基準電圧とを比較し、一致
するようにT20のゲート電圧を制御し、出力電圧
を安定化する。演算増幅器は、その特性が許容さ
れる範囲で何を使つても良い。 第39図の例は第38図の例でT20にMOSトラ
ンジスタを使用したのに代えてバイポーラ・トラ
ンジスタTR1を使用したものである。 第40図の例は第24図の例で示したオフ・セ
ツト電圧を持つた演算増幅器を使用したものであ
る。T21は当然MOSトランジスタであつてもバイ
ポーラトランジスタであつても、接合型電界効果
トランジスタであつても良い。 定電流装置 第41図の例は、T1とT2のしきい値電圧の差
によつて決定される定電流回路である。 T1,T2は同一の相互コンダクタンスβを持ち、
しきい値電圧は各々異なるVth1,Vth2である。抵
抗R20がT1のインピーダンスに比較して十分高け
れば、T1のドレイン電圧(=ゲート電圧)V1
Vth1とほぼ等しくなる。 T2が飽和領域の時は、T2に流れる電流I2は I=1/2β(Vth1−Vth22 ……(31) となる。 第42図の例は、T22に流れる電流Iによる電
圧降下IputR21を基準電圧Vrefと比較し、常に両者
が等しくなるようにT1のゲート電圧を制御する
ようにした定電流回路である。 IputR21=VrefよりIput=Vref/R ……(32) となる。 ここで基準電圧は、先の例にもあるように演算
増幅器にオフ・セツトを持たせることによつて得
ても良い。 第43図の例は、T31,T33を同一のトランジ
スタとし、いわゆるカレント・ミラー回路を用い
た定電流回路である。 電子時計 第44図の例は、第37図の例のバツテリ・チ
エツカーを電子時計に応用した例である。 T1,T1,T41〜T49およびR41とR42は公称1.5V
の水銀電池E1の電圧レベルをチエツクする回路
を構成する。差動部のトランジスタ対をP+ゲー
ト・Nチヤンネル−MOS、N+ゲート・Nチヤン
ネル−MOST1,T2で構成し、両者のしきい値電
圧が電子時計の動作電源範囲である1.0V〜1.5V
以内になるように、チヤンネル部分にイオン打込
みをほどこしている。 基準電圧となるしきい値電圧の差は、シリコン
半導体の場合は、約1.1Vであり、バツテリーの
電圧が下つたことを検出するレベルを1.4V近辺
に合せるために抵抗手段R1,R2の抵抗比で調整
している。 このバツテリーチエツカーは、消費電流を実用
上無視できる程度とするために、分周回路FDよ
りタイミング回路TMを通して得られるクロツク
信号φにより、間欠的に動作する。 バツテリーチエツカーの出力はNANDゲート
NA1,NA2で構成されたラツチによりスタテイ
ツクに保持され、このラツチ回路出力の論理レベ
ルにより、タイミング回路TMを制御し、それに
よつてモータの駆動出力を変えて、指針の運針の
方法を変えて、バツテリー電圧の低下を表示す
る。バツテリー電圧の低下は指針の動きを変え
ず、別に液晶や発光ダイオード等の電気光学的素
子を点滅させる等して表示することも可能であ
る。 なお同図において、OSCはCMOSインバータ
で構成され、IC外の部分水晶Xta1及び容量CG
CDを一緒に含む水晶発振回路、WSはその発振出
力を正弦波からく形波に変換する波形成形回路、
CMは秒針を駆動するステツプ・モータの励磁コ
イル、BF1,BF2はCMOSインバータで構成され
励磁コイルCMを1秒毎に極性を反転して駆動す
るためのバツフアーである。 IC内の全ての回路は公称1.5Vの水銀電池E1
動作する。またTMは分周回路FDの複数の周波
数の異なる分周出力およびNA1,NA2で構成さ
れたラツチの制御出力を入力として、任意の周期
およびパルス幅を持つアルスを発生するタイミン
グパルス発生回路である。ICは第6図に示すSiゲ
ートCMOSプロセスで作られた指針式電子腕時
計用モノリシツクSi半導体チツプである。 以上本発明について種々の実施例をもとに説明
したが、これに限定されず、ここに記載された技
術思想はその他色々な用途の電子機器に応用され
るであろう。 次に本発明に係る基準電圧発生手段を電子装置
の状態設定回路、オートクリア回路等に応用した
具体例につき説明する。 第45図は状態設定回路の一例を示す回路図で
あり、4個のMOSFETで構成されている。同図
において、a点、b点の電位が0の場合、電源
(−VDD)投入時MOSFETT1,T3はN−
MOSFETであるので共に“ON”状態となり、
a点、b点は電源の立下りと同時に電源側(−
VDD)に引つ張られる。この時T3のN−
MOSFETは半導体のエネルギーバンド差を利用
したもので、そのVthNがMOSFETT1のそれに比
べ約3倍(例T1Vth=0.45V、T3Vth=1.25V)と
なつているので、電源の立下りの途中で、
MOSFETT3は先に“OFF”となる。
MOSFETT1は引き続き“ON”状態となつてい
るため、b点は−VDD、a点はGNDの電位で安定
となる。 又、電源(−VDD)が切れた状態で、a点で
OV、b点で1V位に電荷が残つた場合において
は、電源の立下り途中においてVDD
MOSFETT3のVthNまではT3は“OFF”状態とな
つており、MOSFETT1はVDD=T1VthNで“ON”
状態となるため、初期状態にa点がOV、b点が
1V(又はT3のVthNまで)位であつても、安定状態
ではb点がVDD、a点がOVとなる。さらに本回
路では全てE−MOSFETで構成されているため
安定状態での消費電流は殆んど零である。 第46図は従来提案されている状態設定回路の
例を示す回路図であり、同図において、ラツチ回
路の安定度を増すため、T1のNチヤンネルD(デ
プリーシヨン)−MOSFETが挿入されている。
このD−MOSFETにより電源(−VDD)投入時、
a点は必ず電源と同時に立下り、又b点は
MOSFETT4のVthまで電源が立下がらないと、
“ON”しないため安定状態ではb点がVDD、a点
がOVとなる。しかし本回路ではa点とVDDとの
間にD−MOSFETを使用しているため、次に何
等かの形でa点VDD、b点OV(RESET)状態に
なつた時、P−MOSFETT3が“ON”となりT1
とT3による直流パスが生じて消費電流大となる。
それに対して第45図のような本発明の状態設定
回路では上記したように状態設定が確実にできる
と共に消費電流が極めて小さくてすむので有効な
状態設定手段を提供することができる。 次に本発明に係る電圧レギユレータ及びその応
用例を説明する。 第47図は本発明による電圧レギユレータであ
り、第48図はその特性図である。 第47図の比較型電圧レギユレータは公知のそ
れと類似の構成となつているが、電圧比較器CP
がプラス・マイナス両入力端子からみて電圧レベ
ルで非対称になつているところが通常の電圧比較
器と異なつている。つまり、この電圧比較器はプ
ラス・マイナス両入力の電圧レベルが等しいとき
にはバランスせず、マイナス側の方に所定の高い
入力電圧(絶対値で)が印加されたときバランス
する。言い換えればこの電圧比較器はプラス・マ
イナスの入力レベルがバランス点に対してオフセ
ツトを持つている。 このような電圧レギユレータによれば、入力電
圧Vioが高い場合出力電圧Vputは基準電圧Vrefに依
存し|Vput−Vio|の差が大きくとられるが、入
力電圧Vioが低い場合はVputは専らVioに依存し、
|Vio−Vput|の差は小さくされる。両者の変化
点Pは、入力電圧Vioに関して言えば、VioV1
点に設定される(V1はレギユレータ負荷∠の最
低動作電圧である)。 このように構成された電圧レギユレータによれ
ば、負荷∠は、入力電圧Vioが高いときは、最低
動作電圧V1よりも高いが入力電圧Vioよりも低い
出力電圧Vputで動作されるので、動作が保証され
つつその消費電力が低減される。また入力電圧
Vioが低いときは、負荷∠は入力電圧Vioとほぼ同
じかそれより若干小さい出力電圧Vputで動作させ
られるので、負荷∠の入力電圧Vioに対する最低
動作電圧V1が保証され、高い入力電圧Vioに対し
ては負荷∠に合つた電圧に出力電圧Vputを低減し
ているので、この電圧レギユレータは負荷∠に対
して低消費電力及び広範囲な入力電圧Vioの幅を
持たせることができる。 このような効果を、オフセツトを持たない電圧
比較器レギユレータに対比させて、第48図のグ
ラフを用いて詳述する。 同図において横軸は入力電圧Vioを縦軸は出力
Vputおよび基準電圧Vrefを示している。曲線aは
Vioに等しいVputを示しており、言い換えれば、
電圧レギユレータを用いないで、入力電圧Vio
直接負荷∠を動作させた場合の仮想曲線を示して
いる。 曲線Cは一般の基準電圧Vref1を示しており、
通常基準電圧発生回路VrefGENFETのしきい値
電圧Vth、電流増幅係数13相互コンダクタンス
gn、或はPN接合の順方向、逆方向電圧降下VF
VZ、双極トランジスタの電流増幅率hfeを利用し
ているため、VrefGENの出力電圧Vrefはその電源
電圧Vioに依存する{Vref=f(Vio)}。 電圧比較回路CPの基準電圧としてこのような
基準電圧Vref1を使用し、また前述したようなオ
フセツトを比較回路CPに持たせなかつた場合、
出力電圧Vputは基準電圧Vref1に等しくなり曲線C
に一致する。そして、基準電圧Vref1は入力電圧
Vioより高くなることはないので、出力電圧Vput
はどの範囲においても入力電圧Vioよりも低くな
る。その結果、出力電圧Vputが負荷∠の最低動作
電圧V1に等しくなるとき(点R)の入力電圧Vio
はV2(V2>V1)となる。従つて、負荷∠からみ
た入力電圧Vioの可能使用範囲は|V2−V1|に相
当する電圧分だけ、損失が生ずることになる。 この損失を小さくするために、第47図の電圧
レギユレータでは、マイナス入力がプラス入力よ
りもオフセツト電圧ΔVpff高くなつたとき平衡す
るよう比較器CPを構成する。 また基準電圧としては、仮想の基準電圧Vref1
よりも小さく類似特性をもつ基準電圧Vref2(曲線
d)を用い、目標通常入力電圧V3における実質
的な比較電圧(Vref2+ΔVpff)が仮想の基準電圧
Vref1に等しくなるよう、つまり目標動作点Sに
一致するようVref2とΔVpffの値を設定している。 このような構成によれば、電圧比較器CPは、
Vput=Vref2+ΔVpffの条件で平衡し、この平衡条
件を満足する入力電圧Vioは、VioVputなので、
VioVref2+ΔVpffのときだけとなる。 入力電圧Vioが(Vref2+ΔVpff)より小さい場
合、出力電圧Vioもそれより小さくなるので比較
器CPは出力電圧Vputを高くしようと働くが、こ
の帰還制御は出力電圧Vputを入力電圧Vioに等し
くしたところで制限されてしまう(VputVio
ため)。 従つて出力電圧VputはVio=Vref2+ΔVpffを変曲
点(P)として、入力電圧Vioが変曲点Pよりも
高いときはVref2+ΔVpffに低減(制限)され(曲
線b1)、Vioがそれより低いときはほぼ入力電圧
Vio(曲線a2)に等しくされる。 そして、この変曲点Pが入力電圧Vio関して
(横軸で)最低動作電圧V1(点Q)と同じかまた
は高ければ前述した損失を避けることができる。 これは、曲線bがΔVpffによつて曲線aと交差
点を持つからであり、曲線dのように曲線aと交
点を持たない場合にはこのような効果は得られな
い。 なお、第47図のFETはソース・フオロワー
として働くもののデプレツシヨン・モードNチヤ
ンネルFETであるので、Vput=Vioを可能とし、
そのしき値電圧Vthの損失がない。従つて、これ
は入力電圧Vioが小さい場合に有効である。 しかしながら、このことはエンハンス・メント
モードのソース・フオロワFETの使用を否定す
るものでなく、入力電圧が大きくVth損失が重大
な問題でなくて、デプレツシヨン・モードFET
製造プロセスを採用することが困難な場合極めて
有効である。この場合、低い方の出力電圧Vput
(変化点Pより下)を決める曲線a2(Vput=Vio
はVthだけ下方の方へシフトする(Vput=Vio
Vth)だけであり、出力電圧Vputに上述したよう
な効果を持たせることが可能なことに変わりはな
い。 また、図中NチヤンネルFETをPチヤンネル
FETに代えることもでき、この場合Pチヤンネ
ルFETはソース接地として働くので、上述した
Vthの損失はない。 制御用のFETとしてソース接地、ソースフオ
ロワのいずれを採用するかに本質的な差異はない
が、ソース接地にした場合はデプレツシヨン・モ
ードFETにするようなしきい値電圧Vth損失に対
する特別な配慮は必要でない。また、ソース・フ
オロワにした場合は、電圧比較の動作を創期的に
サンプリングする必要があるとき(例えば比較器
CPを低消費電力化のためにクロツク・ドライブ
するとき)、このFETはボルチージ・フオロワと
して働くので便利である。つまりこのFETの相
互コンダクタンスgnが十分高ければ、出力電圧
はゲート電圧により一義的に決まるからである。 また制御用トランジスタとしてバイポーラ・ト
ランジスタを使用することも可能である。 オフセツトVpffは入力電圧Vioの関数になるこ
とが必ずしも否定されることではないが、変曲点
Pを設定する上ではVioに対して一定であること
が望ましい。 また基準電圧Vref2として、負荷∠と同様な変
動要素を持つ基準電圧を使用すれば、負荷∠の特
性に応じた出力電圧Vputを得ることができるので
これまた便利である。その場合Vref2を負荷∠を
動作させる最低の電圧の電圧に設定しておけば、
ΔVpffを一定のマージン手段として利用すること
ができる。 オフセツトΔVpffを持たせる構成およびその応
用回路については後述するが、ここで出力電圧
Vputに変曲点を持たせる他の方法を第49図の回
路図と第50図のグラフを用いて説明する。 以下の説明および第50図のグラフでは電圧値
は全て絶対値にする。 第49図においてQ107はNチヤンネル・デプレ
ツシヨン・モードFETからなる制御用トランジ
スタである。Q101とQ102およびQ104,Q106はカレ
ント・ミラー回路を構成しており、Q103のドレイ
ン電流とほぼ等しいドレイン電流がダイオード接
地されたFETQ104とQ105に流れる。ダイオード接
続されたPチヤンネルFETQ104、Nチヤンネル
FETQ105のソース・ドレイン間電圧降下VDSは、
高インピーダンス負荷Q102,Q106によつてほぼそ
れぞれのしきい値電圧Vthp,Vthoとなる。従つ
て、比較器CPのプラス・マイナス両入力端子に
それぞれ、Vthp、(Vio−Vtho)の電圧が加わる
(第50図曲線d,b)。 比較器CPはオフセツトを持たず、従つて両入
力が等しいときバランスする。従つて、その平衡
条件は(Vput−Vtho)=Vtho、すなわちVput=Vthp
+Vthoである。VioVputの条件より、出力電圧
Vputは、VioVthp+Vthoのとき(Vthp+Vtho)に
制限され、VioVthp+VthoのときほぼVioに等し
くなる。従つて、負荷∠がCMOSで構成されて
いる場合、その動作下限電圧は通常(Vthp
Vtho)になるので出力電圧Vputはそれを補償する
ことができる。 なお、MOSダイオード回路によつて取り出さ
れるしきい値電圧は本来のしきい値電圧に近いが
等しい訳でなく、そのドレイン電流に追従する。
平衡点の出力電圧Vputは勿論本来の(Vthp+Vtho
よりも大きめにした方が良く、そのためには各
MOSダイオードQ104,Q105に流れる電流を小さ
くするようFETQ103の相互コンダクタンスを小
さくしておけば良い。 また、MOSダイオードによつて取り出す近以
のしきい値電圧はドレイン電流が流れることが前
提となるので、入力電圧Vioが低くなつても、両
方のダイオードに電流が流れるよう回路を構成し
なければならない。 次に第49図の電圧レギユレータを電子時計に
応用した例を第51図を用いて説明する。 第51図において、OSCは水晶発振器、WSは
正弦波発振出力をく形波に変換する波形成形回
路、FDは分周回路、TMは分周出力から所定の
周期、幅を持つパルスを作るタイミング・パルス
発生回路、LFは低いレベルの信号を高いレベル
の信号に変換するレベルシフト回路、BCは電池
寿命検出器、VCは電圧比較器、VRはそれを使
用した電圧レギユレータ、Hはホールド回路、
DTは発振状態検出器、LMは秒針を駆動するス
テツプ・モータの励磁コイルである。 検出器DTは、OSCが発振したことを分周器
FD、タイミング回路TMを通して検出し、発振
した場合電圧レギユレータVRを働かせて、発振
器OSCおよびWS,FD,TM等の動作電源電圧を
1.5Vから落とす。 電池Eを入れた瞬間、インバータI7の入力ノー
ドは放電抵抗R104によつて接地電位(論理“0”)
になつているのでNチウヤンネル・FETQ201
ON状態にし、レギユレータの出力を電池電圧の
1.5Vにする。このときQ203もONにされ、
FETQ202のゲート・ノードを充電しておく。こ
れは次にFETQ201がOFFにスイツチングした瞬
間、レギユレータ出力が落ち込むことがないよ
う、レギユレータの負帰還ループを予め能動的に
しておくためである。 発振器が動作し始めたとき、他の論理回路は既
に動作状態に入つているため、タイミング回路
TMから検出器DTにパルスφBが供給される。排
他的論理和回路EX1はこのパルスφBが出たことを
検出するもので、一方の入力には他方に対してイ
ンバータI4,I5、積分回路C101,R103によつて遅
延されたパルスφBが印加される。従つて、パル
スφBが出ると、ゲートEX1の出力には遅延時間に
相当する幅のパルスが生じる。このパルスは
FETQ225、インバータI6、コンデンサC102から成
る整流回路で積分され、φBが出始めてからしば
らく経つとNチヤンネル、FETQ201,Q203
OFFにする。これによつて、レギユレータVRは
自身の制御ループのみによつて、所定の出力電圧
(1.5V未満)を発生し、低消費電力に寄与する。 以下、このレギユレータ、特に電圧比較器VC
の動作を説明する。この比較器VCは第47図の
原理図と第48図の特性図で説明した比較器CP
と同様な動作をするので簡単な説明にとどめてお
く。 PチヤンネルMOSFETQ206,Q207はオフセツ
ト電圧Vpffを得るために、Q206のゲートは第5図
のQ1、第6図のようなP型にされ、Q207のゲー
トは第5図のQ2、第7図のようなN型にされる。
従つて、Q207のしきい値電圧VthはQ206より約
0.55V高くなり、これが前述したオフセツト電圧
Vpffとる。NチヤンネルFETQ208とPチヤンネル
FETQ209は共にダイオード接続されているので、
比較器VCのプラス入力であるQ207のゲートには
両Vthの和(Vthp+Vtho)が印加され、これが第
48図および第50図の曲線dに示したVref2
電圧となる。 従つて、電圧レギユレータVRの出力電圧Vput
はVput=Vthp+Vtho+ΔVpff(VioVthp+Vtho
ΔVpffの場合)となる。入力電圧Vioが低いときは
前述と同様Vput=Vioとなる。 この比較器は低消費電力化のためにタイミング
信号φAによつて動作時間が制限されている。勿
論基準電圧Vref2を得る回路もそうであり、その
ため基準電圧Vref2の電圧をホールドするようコ
ンデンサC104が又Q202のゲート電圧をホールドす
るようにコンデンサC105がゲート容量等の寄生容
量とは別個に追加されている。コンデンサC103
帰還ループに幾つかのFETが縦続接続されたこ
とによつて位相回りが生じ、それに起因する発振
を防止するためのものである。 バツテリ・チエツカーBCは第44図とほぼ同
様な構成となつているのでその説明は省略する。 なお、ICの出力段で励磁コイルの駆動器I2,I3
は、駆動能力を大きくするため1.5Vの電池を直
接電源にしている。 第52図は本発明による電圧レギユレータVR
とバツテリ・チエツカーBCをデイジタル表示電
子時計に応用した例を示している。 同図において、OSC,WS,FDは第51図の
例と同様、1.5Vより低い調整電圧を電源とし、
またデコレーダDC時刻修正回路TCのようなIC内
部の論理回路も低い電圧を電源としている。 DBは1.5Vの電圧を3.0Vに昇圧する信電圧回路
であり、この電圧は液晶表示装置DPの駆動電圧
として使用される(駆動器は省略してある)。∠
Sはレベルシフト回路であり、電源電圧の高い回
路へ低い信号レベルを直流的に高く変換して供給
する。 このように、低い動作電圧で動作するIC内部
の通常の論理回路は低い動作電源で、ICの入出
力インターフエースにおける高い動作電圧を必要
とする表示駆動器等は高い動作電源を使用する
と、低消費電力化や使用電源範囲の拡張に有効で
ある。
[Table] Figures 6a, b to 11a, b show plane patterns actually used in circuit structures and cross-sections of plane patterns taken along the line A - A.
Each P-channel and N-channel of N gates
This is a representation of a MOS transistor along with its cross-sectional structure. In each of the above figures, source and drain P
The mold region is formed by diffusing impurities using polycrystalline Si as a mask. In order to ensure sufficient mask alignment between the mask for selectively diffusing P-type impurities and N-type impurities and the source and drain regions, P + gate MOS, The same impurities as the source and drain regions are diffused in both N + gate MOS. For example, in a P-channel MOS, boron, which is a P-type impurity, is diffused. In the center of the gate electrode, the P + gate MOS has a P type impurity, while the N + gate MOS
In MOS, N-type impurities are diffused. The above FIGS. 6, 7, and 8 respectively represent the plan view and cross-sectional view of the P channel P + gate, i gate, and N + gate MOS, and FIGS. 9, 10, and 11 The figure shows N + gates of N channels, respectively.
A plan view and a cross-sectional view of an i-gate N + gate MOS are shown. In Figures 6 to 11, the same impurity diffusion regions as the source and drain regions of the gate, which were taken for self-alignment, were formed on the left and right sides (source side or drain side) during manufacturing due to mask alignment errors. Due to one side being biased
In order to minimize the deviation (change) in the effective channel length of the MOS transistor, the rows of source and drain regions are arranged alternately, and the left and right halves are generally line-symmetrical with respect to the channel direction. It is arranged so that Therefore, even if the misalignment of the mask alignment in the channel direction (left and right) changes the effective channel length of the FET in each column, the P + gate MOSi gate MOS and N + gate MOS in each column connected in parallel The average effective channel length of is almost constant as the deviations are canceled out as a whole. Figure 12 shows how P + gate MOS
This shows how an N + gate MOS is constructed. In Figure 12a, 101 is a specific resistance of 1Ωcm to 8Ω
cm N-type silicon semiconductor with a thermal oxide film on top.
102 is grown to a thickness of approximately 400 Å to 16,000 Å, and a window for selective diffusion is opened using photoetching technology. Boron as a P-type impurity at 50KeV~
Boron implantation is performed at an energy of 200 KeV at an energy of about 10 11 to 10 13 cm -2 , and then thermal diffusion is performed for about 20 hours from 8 o'clock to form a P -well 103 which is the substrate of an N-channel MOS transistor. In FIG. 1B, the thermal oxide film 102 is removed, a thermal oxide film 104 is formed to a thickness of about 1 μm to 2 μm, and the regions that will become the source, drain, and gate of the MOS transistor are removed by etching. Thereafter, a gate oxide film 105 with a thickness of about 300 Å to 1500 Å is formed. Polycrystalline Si 106 is grown thereon to a thickness of about 2,000 Å to 6,000 Å, and is removed by etching, leaving the gate portion of the MOS transistor. In FIG. 3c, an oxide film 107 is formed by vapor phase growth, and a region where P-type impurities are to be diffused is removed by photoetching. Then 10 20 ~ 10 21 cm
By diffusing boron, which becomes a P-type impurity at a high concentration of -3 , the source of a P-channel MOS transistor,
A drain region 108 is formed, and at the same time, a P-type semiconductor gate electrode is formed. In Figure d, an oxide film 109 is formed by vapor phase growth as before, and the region where the N-type impurity is to be diffused is removed by photoetching. after that,
Phosphorus, which serves as an N-type impurity, is diffused at a high concentration of about 10 20 to 10 21 cm -3 to form the source and drain regions 110 of the N-channel MOS transistor, and at the same time, the N-type impurity is diffused.
form a gate electrode of a type semiconductor. Next, the oxide film 109 is removed and by vapor phase growth.
An oxide film of approximately 4000 Å to 8000 Å is formed, and the electrode lead portion is removed by photoetching. Thereafter, metal (Al) is deposited, and electrode wiring portions are formed using photo-etching technology. Next, it is covered with an oxide film of 1 μm to 2 μm by vapor phase growth. Here, in Figure 12d, Q 3 and Q 4 are the general
It is a MOS that constitutes a CMOS inverter, and Q 1 ,
Q2 is P + gate, N + gate for reference voltage generation
It is MOS. Figures 13 a to d show P channel type P +
It shows a cross section in the manufacturing process of a gate MOS and an i-gate MOS. In this example, up to c in the same figure are the same as up to c in figure 12, but in d in the same figure,
N-type impurities are diffused without removing the oxide film 1096 on the gate of MOSFETQ2 . FIGS. 14a to 14d show cross sections during the manufacturing process of an N-channel type P + gate MOS and an N + gate MOS. FIGS. 15a to 15d show cross sections during the manufacturing process of an N channel type N + gate MOS and an i gate MOS. Next, MOS using a semiconductor as the gate electrode
The threshold voltage of the transistor will be explained with reference to FIG. First, for the case of P + gate MOS, from the energy band diagram in Figure 16a, It is shown that However , here, V G : Potential difference between the semiconductor substrate and the gate electrode (P + semiconductor ) Fermi potential of the P-type semiconductor with reference to φ F ; Fermi potential of the N-type semiconductor substrate q with reference to the Fermi potential of the intrinsic semiconductor; Electron potential charge V 0 ; Potential difference applied to the insulator E c ; Conduction Lower limit of the energy level of the band E v ; Upper limit of the energy level of the valence band E i ; Fermi level of the intrinsic semiconductor In Equation (7), the work function of the gate electrode is expressed as a potential and is set as φ MP +. Similarly, if the work function of the semiconductor is φ si , then φ MP +=x+E g /2q+φ FP + ...(8) φ si =x+E g /2q−φ F ...(9) Therefore, V 0 =- V GM −φ si −φ s ……(10). Also, from the charge relationship shown in FIG. 16b, -COX·V 0 +Q ss +Q i +Q B =0 (11). Here, COX; capacitance of the insulator per unit area Q ss ; fixed charge in the insulator Q B ; fixed charge Q i due to ionization of impurities in the semiconductor substrate; carrier formed as a channel (10), (11) −COX(−V GMP +−φ S −φ srf ) ...(12) +Q ss +Q i +Q B =0 ...(12) The gate voltage V G when channel Q i is formed is
Since it is the threshold voltage, if the P + gate MOS threshold voltage is V thp+ , then V thp+ = V G Q = 0 = φ MP+ −φ si −φ s −Q ss /COX−Q B /COX …… (13) At this time, φ s = 2φ F. Similarly, in the N + gate MOS transistor, the difference is only in the work function φ MN+ of the gate electrode, φ MN+ =x+E q /2q+φ FN+ (14). Therefore, the threshold voltage V thN+ is V thN+MN+ −φ si −φ s −Q ss /COX−Q B /COX (15) Here, φ s =2φ F. From this, the difference in threshold voltage between P + gate MOS and N + gate MOS, V thp+ −V thN+ , is as follows: V thp+ −V thN+MP+ −φ MN+ = φ FP+ −φ FN- ……(16) This is the difference in the fermi potential of the semiconductors that make up the gate electrode. This can be easily understood by comparing a and c in Figure 16 and finding that the gate voltage when the charge distribution is the same is the difference in work function of the gate electrodes, which is the difference in Fermi level. . With the above, P + gate MOS and N + gate MOS
It was found that it is possible to extract a voltage approximately equal to the energy gap E g as the difference in the threshold voltage of
MOS (described below) threshold voltage and P + gate MOS
Alternatively, the voltage of the energy gap E g can also be extracted from the difference with the threshold voltage of the N + gate MOS. If the threshold voltage of i-gate MOS is V thi ,
Since the Fermi level of an intrinsic semiconductor is 0 (because it is based on the Fermi level of an intrinsic semiconductor) i
The difference in threshold voltage between the gate MOS and the P + gate MOS′ is |V thi −V thp+ |=|0−φ FP+ |≒1/2E g ……(17), and the difference between the i gate MOS and the N + gate The difference in the threshold voltage of the MOS is |V thi −V thN+ |=|φ FN+ −0|≒1/2E g ……(18), which means that the voltage is just half of the energy gap E g It is easy to see that. The voltage obtained by the difference in threshold voltage between the i-gate MOS and the P + gate or N + gate MOS is approximately 0.55V, which is suitable for a low reference voltage source, and as will be explained later, it is possible to Without,
Since the step of doping the gate electrode with impurities can be performed in one step, it is very useful in that a highly accurate reference voltage source can be easily obtained even in the manufacturing process of a single channel MOS. Next, the process of an N-channel MOS semiconductor integrated circuit will be explained using the cross sections shown in FIGS. 17a to 17e. (1) Prepare a semiconductor substrate 101 with a specific resistance of 8 to 20 Ωcm, and deposit a thermal oxide film with a thickness of 1 μm on the surface of this substrate.
Form 103. (2) The thermal oxide film is selectively etched to expose the surface of the semiconductor substrate where the MISFET is to be formed. (3) After that, a thickness is applied to the exposed semiconductor substrate surface.
Form a gate oxide film (SiO 2 ) 103 with a thickness of 750 to 1000 Å (Fig. 17a) (4) Selectively etch the portion of the gate oxide film 103 that should be in direct contact with the polycrystalline silicon layer to form a direct contact hole. Form 103a. (Figure 17b) (5) Oxide film 102, gate oxide film 103, contact hole
Silicon is deposited over the entire main surface of semiconductor substrate 101 having 103a by CVD (Chemical Vapor Deposition) to form a polycrystalline silicon layer with a thickness of 3000 to 5000 Å. (6) Selectively etching polycrystalline silicon layer 104. (Figure 17c) (7) The entire main surface of the semiconductor substrate 101 is coated by CVD method.
Deposit a CVD-SiO 2 film to a thickness of 2000-3000 Å. (8) High resistance parts such as memory cell load resistance and
The CVD-SiO 2 film 105 is selectively left only on the polycrystalline silicon layer of the intrinsic level gate portion 104a.
(Figure 17d) (9) Semiconductor substrate using polycrystalline silicon layer as a mask
Diffusion of phosphorus into 101 to reduce impurity concentration
10 20 atoms/cm 3 source and drain regions
form 106. At this time, impurities are also introduced into the polycrystalline silicon layer to form gate electrode 104b, direct contact 104c, and polycrystalline silicon wiring portion 104d. (Fig. 17d) (10) PSG (Phospho
Silicate Glass) film 107 is formed to a thickness of 7000 to 9000 Å. (11) After that, Al is deposited on the entire main surface of the quasi-conductor substrate 101 to form an Al film 108 with a thickness of 1 mm. (12) The Al film is selectively etched to form a wiring region 108. (Fig. 17e) The circuit described below can be a method for extracting the Fermi level difference (E fo −E fp ) (E fo −E i ), (E i −E fp ) mentioned above. , etc. Generally, it can be applied as a reference voltage generating device that uses a voltage based on the difference in V th of FETs having different V th as a reference voltage. FIG. 18b shows a circuit that generates a voltage corresponding to the threshold voltage of a MOS transistor. T1 ,
T 2 constitutes a so-called MOS diode whose drain and gate are commonly connected. I 0 is a constant current source, T 1 and T 2 are different threshold voltages
It is a MOSFET with mutual conductance β almost equal to V th1 and V th2 , and each drain voltage is
If V 1 and V 2 , then I 0 = 1/2β (V 1 −V th1 ) 2 = −1/2β (V 2 −V th2 ) 2 ... (17) Therefore, V 1 = V th1 +√ 2 0 ... (18) V 2 = V th2 +√2 0 ... (19) If we take the difference in drain voltage, we can extract the difference in threshold voltage. As a constant current source, a sufficiently large resistor may be used, and as long as it has the same characteristics, a diffused resistor,
Polycrystalline Si resistors, resistors made by ion implantation, and resistors made from MOS transistors can be used. If the N + gate MOS and P + gate MOS described earlier are used as T 1 and T 2 in this circuit, the ferromagnetism of the N-type semiconductor and the P-type semiconductor will be approximately equal to the difference in threshold voltage.・Level difference (E fo
−E fp ) can be extracted. FIGS. 19 and 20 are examples of circuits in which FETs having different threshold voltages are connected in series in a MOS diode format to extract the difference in threshold voltage. T 1 is the threshold voltage V th1 , T 2 is the threshold voltage
Suppose you have V th2 . Under the condition that resistance R 1 is sufficiently large compared to the impedance of T 1 and resistance R 2 is sufficiently large compared to the impedance of T 2 , V 1 −V 2 ≒V th1 ...(23) V 1 ≒V th2 ... …(24) Therefore, V 2 ≒V th1 −V th2 …(25). In FIG. 21a, a voltage corresponding to the threshold voltage is applied to both terminals of the capacitor, and the voltage held in the capacitor is extracted as a differential voltage. FIG. 21b shows the operation timing. Clock pulse φ 1 turns on T 5 and T 6 and sets the capacitance to C 1.
The difference voltage between the threshold voltages V th1 and V th2 of T 1 and T 2 is charged. After φ 1 is cut off, T 3 is turned on by clock φ 2 and the node of C 1 is grounded. At this time, since the difference voltage between the threshold voltages is held in C1 , that potential is output to the node as is. When used in a voltage detection circuit as described later, the potential of the node at this time can be used as it is as a reference voltage. However, in order to be able to use it in a more general form, the transmission gates T 6 and T 7 are turned on by the clock φ 3 during the time when the clock φ 2 is on, and the capacitance C 2 is If the potential is taken in and received by a so-called voltage follower that fully returns the output to the negative phase input (-) of the operational amplifier 5, the output will meet the thresholds of T 1 and T 2 with a sufficiently low internal impedance. The difference between the value voltages is obtained as a reference voltage. FIG. 22 shows a reference voltage generating device that similarly utilizes capacitance C 2 . Turn on T8 by clock φ1 . At this time, T9 is in an off state due to clock φ2 . The potential of the node is T 1 less than the potential of the node
The potential of the node is lowered by the threshold voltage V th2 of T 2 than the potential of the node, and the difference voltage between the two is charged across the capacitor C. Next, by turning off T8 with φ1 and turning on T9 with φ2 , a voltage difference between the threshold voltages is obtained at the node. FIG. 23 shows an operational amplifier used in the circuit of FIG. 21. T 1 and T 2 are a differential pair forming a differential amplifier circuit, and T 5 and T 6 are active loads thereof. T7 constitutes a constant current circuit together with a bias circuit formed by T3 and T4 . T8 ,
T7 is a level conversion/output buffer circuit that uses T7 as a constant current source load. The figure shows an example of a C-MOS circuit configuration, but single channel
Needless to say, it can also be configured with MOS. FIG. 24 schematically represents a general operational amplifier by taking only its differential part, and here MOS transistors T 1 and T 2 have different threshold voltages V th1 and V th2 , respectively. , and other characteristics are assumed to be equal. Further, the (-) and (+) symbols appearing on the input side mean that the output is in opposite phase and in phase with the output, respectively. If the input of T 1 is V 1 and the input of T 2 is V 2 , then V 1 −V th1 = V 2 −V th2 , that is, V 1 −V 2 = V th1 −V th2 (26). As a result, the output level changes. An operational amplifier has an input offset equal to the difference between the threshold voltages, and if one of the inputs is connected to ground or the power supply, it can operate as a comparator using this offset voltage as the reference voltage. I can do it. Therefore, as shown in FIG. 24, by connecting the output to the (-) input terminal and installing the (+) input terminal, a difference in threshold voltage can be obtained at the output out. In this case, T2 needs to be in depletion mode in order to operate as an operational amplifier. For example P + gate MOS to T1 ,
When using N + gate MOS for T2 , both
Ion implantation may be performed under the same conditions into the channel portion of the MOSFET to form a depletion type MOSFET. In FIG. 25, the reference voltage can be arbitrarily limited using the operational amplifier shown in FIG. 24. The output is passed through voltage dividing means R 5 and R 6 (−)
If it is fed back to the input, and the voltage division ratio is r, then
The output voltage V 0 is V 0 =V th1 −V th2 /r (27). The voltage dividing means R 5 and R 6 are preferably linear resistors, but any resistors with sufficiently uniform characteristics may be used. The circuits in Figures 24 and 25 are depletion type.
While it is a prerequisite to use MOS, the second
The circuits in Figures 6 and 27 are enhancement type.
It is designed to be able to operate on MOS as well. Of course, a depression type is also acceptable. The example in Figure 26 is similar to the example in Figure 24, in which the output is directly fed back to the (-) input, and the output V 0 is
If the power supply voltage is V DD , then V 0 = V DD − (V th1 − V th2 ) (28). In the circuits shown in Figures 24 and 25, it is necessary to put at least one of the differential pairs into depreciation mode, which may require an increase in the number of manufacturing steps depending on the case, but it is necessary to ground the differential voltage of V th . It can be extracted based on the potential. Conversely, in the circuits shown in FIGS. 26 and 27, the reference for the difference voltage obtained is the power supply voltage other than the ground potential, but there are no particular conditions for the operation mode of the FET. Which circuit format to adopt can be decided depending on which advantages and disadvantages are considered more important. The example in Figure 27 is the same pressure dividing means as the example in Figure 25.
The output is fed back to the (-) input through R 7 and R 8 , and the output is V 0 =V DD −V th1 −V th2 /r (29). Next, regarding the application of the reference voltage generator described above, the circuit, IC chip structure, etc. will be explained. Control of threshold voltage This is a local element in MOS integrated circuits.
The threshold voltage (V th ) of a MOSFET is an important parameter that determines the characteristics of an LSI. this
V th has large variations due to manufacturing processes and changes due to temperature, and controlling VS th is a difficult point in MOSFSI manufacturing. On the other hand, in the MOS memory shown as an example in FIG. 28, a bias voltage is applied to the substrate to reduce parasitic capacitance. A substrate bias generation circuit is used to obtain this bias voltage. The substrate bias generation circuit has the configuration shown in FIG. 29. Conventional substrate bias generation circuits consist only of an oscillation section and a waveform shaping section, and generally do not provide feedback based on V th . For this reason, differences in oscillation frequency and waveform shaping ability occur due to manufacturing variations and temperature, resulting in a stable back bias voltage.
V BB could not be obtained, and the fluctuations in V th were large. In the present invention, a comparator using the aforementioned work function difference between the gate electrodes is used in this substrate bias generation circuit to control V th to a constant voltage. V th changes depending on the substrate bias and is expressed by the following equation. V th =V th0 +K(2φ F +|V BB |−2φ F ) Here, V th0 is V th of V BB =OG, K is the substrate effect constant, and φ F is the Fermi level. Therefore, V th can be controlled by changing the substrate bias V BB . In FIG. 29, the oscillation circuit section uses a ring onlator. This oscillation circuit may be replaced by another oscillation circuit. The waveform shaping section consists of two MOS diodes Q 1 ,
It consists of Q 2 and capacitor C 1 , and has the function of drawing the charge of V BB to GND by pumping action.
Due to this pumping action, V BB is pulled to a negative voltage, but the maximum voltage V BBM of |V BB | is determined at the point where the drawing voltage due to this pumping action and the substrate leakage current are stable. As long as the oscillation circuit is operating, V BB is maintained at this stable point V BBM , but when oscillation stops, the charge on the substrate leaks due to substrate leakage current and approaches the GND level. V BB is
V th decreases as it approaches the GND level. The comparator section shown in FIG. 29 utilizes the aforementioned work function difference between the gate electrodes, and an example in an N-channel process is shown in FIG. 30. Third
In Figure 0, Q1 uses an intrinsic level gate MOS, and Q2 uses an N gate MOS. Also, these are depression type MOS. For this reason,
The comparator is inverted when a voltage of E g /2 = 0.55V is input to one input. The V th sense section in FIG. 29 consists of one resistor and MOSFET Q3 . The resistance here can be either a polysilicon resistance diffusion layer resistance or a MOS resistance, but the resistance value is determined by the V th of Q 3 .
The output is set to 0.55V when the voltage reaches 0.55V. Now V BB is close to GND level and V th of Q 3
When is below 0.55V, the input voltage to the comparator section is below 0.55V, the output of the comparator becomes "1" and the oscillation circuit continues to operate. VBB
approaches VBBM , Vth increases, and when it exceeds 0.55V, the comparator output becomes "0", oscillation stops, and VBB approaches the GND level due to leakage. That is, a feedback loop is formed, and V th is controlled by this substrate bias generation circuit. Voltage obtained at comparator section: 0.55V
is 1/2 of the energy gap, and as mentioned above, there is little change with temperature, manufacturing variations, and power supply voltage, so it is possible to control V th with extremely high accuracy, and the temperature margin, manufacturing process margin, A MOSLSI with a wide power supply margin can be obtained. In addition, as will be explained later, there is also a third
Intrinsic level gates are formed using exactly the same process as the process used to obtain high resistance R in the memory cell shown in Figure 2.
Since MOS can be obtained, it can be easily realized using conventional processes. In the level shift circuit MOSLSI, a 5V power supply is used as the power supply,
When using a signal from a TTL logic circuit as input, 2.0V as high level and 2.0V as low level.
The signal will be 0.8V. Conventionally, when converting this TTL signal to MOS level, the ratio of the input inverter was taken and converted to MOS level, but V th
There was a problem that the input level margin became smaller due to variations and temperature changes. An example of a TTL to MOS conversion circuit using the reference voltage generation circuit using the work function difference of the gate electrodes described above is shown. FIG. 32 shows a specific example of using this method in an address buffer circuit of a MOS memory. The reference voltage is set as V ref by the circuit shown in Figure 25 above.
Generates 1.4V. An input buffer with an input logic V th of 1.4V is created using the differential amplifier shown in FIG. 33 as an amplifier. With this method, TTL→
A MOS conversion circuit is obtained. Alternatively, V ref, that is, GND in FIG. 24 may be input to the amplifier using the path shown in FIG. 23. In this case, depletion type MOSs are used for T 1 and T 2 . Logic V th Stabilization Circuit Figure 34 shows the logic thresholds of logic circuits such as inverters used for power supply voltage,
The goal is to keep the threshold voltage of the MOS transistor constant despite changes in the threshold voltage, temperature, etc. Inverter 1 consisting of Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 ,
The inverter 2 composed of Q 5 and Q 6 each has MOS Q 1 and Q 4 for logic threshold control. Q 7 , Q 8 , and Q 9 are configured to be similar to inverter 1 and inverter 2 (the MOS pattern size ratio is the same), and the input and output of the inverter are combined, so that The logic threshold voltage can now be obtained. CMP1 is a comparator circuit having the reference voltage described above as the offset of the differential circuit.
CMP1 compares this logic threshold with its internal reference voltage and controls the gate voltage of Q7 so that the difference between the two becomes almost zero. In other words, if logic threshold > reference voltage, the output of CMP1 will be high level and Q 7
The equivalent resistance becomes larger, which acts to lower the logic threshold. If the logic threshold is smaller than the reference voltage, the opposite is true, and the two are in equilibrium when they are equal. The gate voltages of Q 1 and Q 4 are common to the gate voltage of Q 7 , and the former and the latter have a similar relationship, so the logic thresholds of inverters 1 and 2 become equal to the reference voltage,
This results in very stable inverter characteristics. As mentioned at the outset, this is not necessarily applicable only to inverters, but is equally applicable to other logic circuits such as Nando-Noah. Even if it is not a CMOS configuration, it can also be used for logic circuits such as ordinary single channel inverters.
Easy to apply. These circuits are particularly useful as input interface circuits that can reliably digitally process signals even when the range of input level and logic amplitude is narrow. Voltage Detector Figure 35 shows how the reference voltage from the reference voltage generator that uses the difference in V th is applied to one input of the comparator, the detected voltage is added to the other input, and the reference voltage of the detected voltage is This is a voltage detection circuit that can distinguish between high and low voltages. In the example shown in FIG. 36, the reference voltage from the reference voltage generator using the difference in V th is applied to one input of the comparator, and the detected voltage is applied to the other input of the voltage dividing means R 9 ,
This is a voltage detection circuit that applies a voltage divided by R10 . Let r be the voltage division ratio, V ref be the reference voltage, and V seose be the detection level, then V seose = V ref /r (30), and the detection level V seose can be arbitrarily set by the voltage division ratio r. The example shown in FIG. 37 is a voltage detection circuit that uses an operational amplifier having an offset corresponding to the difference in V th and uses the offset voltage as the reference voltage as described above. Also, R 11 and R 12 are the 36th
This is the same pressure dividing means as in the example shown. In the examples shown in FIGS. 36, 36, and 37, if the voltage to be detected is the power supply voltage, it can be used as a battery checker in a system using a battery as the power supply. A specific example in which the voltage detection circuit of FIG. 37 is applied to a battery checker for an electronic watch is shown in FIG. 44, and detailed explanation will be given later. Constant Voltage Device The example shown in FIG. 38 is applied to a stabilized power supply circuit. The reference voltage generation circuit is constructed using the several methods described above, and compares a part of the stabilized output with the reference voltage using R 13 and R 14 , and adjusts the gate voltage of T 20 so that they match. control and stabilize the output voltage. Any operational amplifier may be used as long as its characteristics are acceptable. The example of FIG. 39 uses a bipolar transistor TR 1 instead of the MOS transistor T 20 in the example of FIG. 38. The example shown in FIG. 40 uses the operational amplifier having the offset voltage shown in the example shown in FIG. Of course, T 21 may be a MOS transistor, a bipolar transistor, or a junction field effect transistor. Constant Current Device The example in FIG. 41 is a constant current circuit determined by the difference between the threshold voltages of T 1 and T 2 . T 1 and T 2 have the same mutual conductance β,
The threshold voltages are V th1 and V th2 which are different from each other. If the resistance R 20 is sufficiently high compared to the impedance of T 1 , the drain voltage (= gate voltage) V 1 of T 1 will be
Almost equal to V th1 . When T 2 is in the saturation region, the current I 2 flowing through T 2 is I=1/2β(V th1 −V th2 ) 2 (31). The example in Figure 42 is a constant current circuit that compares the voltage drop I put R 21 due to the current I flowing through T 22 with the reference voltage V ref and controls the gate voltage of T 1 so that both are always equal. It is. From I put R 21 = V ref , I put = V ref /R (32). Here, the reference voltage may be obtained by providing an operational amplifier with an offset, as in the previous example. The example shown in FIG. 43 is a constant current circuit using a so-called current mirror circuit in which T 31 and T 33 are the same transistor. Electronic clock The example shown in FIG. 44 is an example in which the battery checker shown in FIG. 37 is applied to an electronic clock. T 1 , T 1 , T 41 to T 49 and R 41 and R 42 are nominally 1.5V
Construct a circuit to check the voltage level of the mercury battery E1 . The transistor pair in the differential section is composed of P + gate/N channel - MOS, N + gate/N channel - MOST 1 , T 2 , and the threshold voltage of both is 1.0 V ~ which is the operating power supply range of electronic watches. 1.5V
Ion implantation is performed in the channel part so that the The difference in threshold voltage, which is the reference voltage, is approximately 1.1V in the case of silicon semiconductors, and in order to adjust the level at which the battery voltage drops to around 1.4V, the resistance means R 1 and R 2 are used. It is adjusted by the resistance ratio. This battery checker is operated intermittently by the clock signal φ obtained from the frequency divider circuit FD through the timing circuit TM in order to reduce the current consumption to a practically negligible level. The output of the battery checker is a NAND gate
It is held statically by a latch composed of NA 1 and NA 2 , and the logic level of this latch circuit output controls the timing circuit TM, thereby changing the drive output of the motor and changing the way the hands move. to display battery voltage drop. The decrease in battery voltage does not change the movement of the pointer, and can also be indicated by blinking an electro-optical element such as a liquid crystal or a light emitting diode. In the same figure, the OSC is composed of a CMOS inverter, and a partial crystal X ta1 and a capacitance C G ,
A crystal oscillation circuit including C D , WS is a waveform shaping circuit that converts the oscillation output from a sine wave to a square wave,
CM is an excitation coil for a step motor that drives the second hand, and BF 1 and BF 2 are buffers that are composed of CMOS inverters and drive the excitation coil CM by reversing its polarity every second. All circuits within the IC are powered by a mercury battery E1 with a nominal 1.5V. In addition, TM is a timing pulse generation circuit that generates an pulse with an arbitrary period and pulse width by inputting the divided outputs of the frequency divider circuit FD with different frequencies and the control output of the latch composed of NA 1 and NA 2 . It is. The IC is a monolithic Si semiconductor chip for a pointer type electronic wristwatch manufactured using the Si gate CMOS process shown in Fig. 6. Although the present invention has been described above based on various embodiments, it is not limited thereto, and the technical idea described herein may be applied to electronic devices for various other uses. Next, a specific example will be described in which the reference voltage generating means according to the present invention is applied to a state setting circuit, an auto clear circuit, etc. of an electronic device. FIG. 45 is a circuit diagram showing an example of a state setting circuit, which is composed of four MOSFETs. In the same figure, when the potentials at points a and b are 0, MOSFETT 1 and T 3 are N- when the power supply (-V DD ) is turned on.
Since it is a MOSFET, both are in the “ON” state,
Points a and b are on the power supply side (-
V DD ). At this time, N- of T 3
MOSFETs utilize the energy band difference of semiconductors, and their V thN is approximately three times that of MOSFET 1 (e.g. T 1 V th = 0.45V, T 3 V th = 1.25V), so the power supply In the middle of the fall of
MOSFETT 3 is turned “OFF” first.
Since MOSFETT 1 continues to be in the "ON" state, point b becomes stable at the potential of -V DD and point a becomes stable at the potential of GND. Also, with the power (-V DD ) turned off, at point a
OV, if a charge remains at about 1V at point b, V DD =
T 3 is “OFF” until V thN of MOSFETT 3 , and MOSFETT 1 is “ON” at V DD = T 1 V thN .
In the initial state, point a is OV and point b is
Even if the voltage is about 1 V (or up to V thN of T 3 ), in a stable state, point b is V DD and point a is OV. Furthermore, since this circuit is entirely composed of E-MOSFETs, current consumption in a stable state is almost zero. FIG. 46 is a circuit diagram showing an example of a conventionally proposed state setting circuit. In the same figure, a T1 N-channel D (depletion) MOSFET is inserted to increase the stability of the latch circuit. .
When the power (-V DD ) is turned on by this D-MOSFET,
Point a always falls at the same time as the power supply, and point b
If the power does not fall to V th of MOSFETT 4 ,
Since it is not turned on, in a stable state, point b is at V DD and point a is at OV. However, in this circuit, a D-MOSFET is used between point a and V DD , so next time when point a becomes V DD and point b OV (RESET) state, P-MOSFET 3 becomes “ON” and T 1
A DC path occurs due to T 3 and current consumption increases.
On the other hand, the state setting circuit of the present invention as shown in FIG. 45 can reliably set the state as described above and consumes only a very small amount of current, thus providing an effective state setting means. Next, a voltage regulator according to the present invention and an example of its application will be explained. FIG. 47 shows a voltage regulator according to the present invention, and FIG. 48 shows its characteristic diagram. The comparison type voltage regulator shown in FIG. 47 has a structure similar to that of a known one,
It differs from a normal voltage comparator in that the voltage level is asymmetrical when viewed from both the positive and negative input terminals. In other words, this voltage comparator is not balanced when the voltage levels of both the positive and negative inputs are equal, but is balanced when a predetermined high input voltage (in absolute value) is applied to the negative side. In other words, in this voltage comparator, the positive and negative input levels have offsets with respect to the balance point. According to such a voltage regulator, when the input voltage V io is high, the output voltage V put depends on the reference voltage V ref and a large difference |V put −V io | is taken, but when the input voltage V io is low V put depends exclusively on V io ,
The difference between |V io −V put | is made small. Both change points P are set at the point V io V 1 with respect to the input voltage V io (V 1 is the lowest operating voltage of the regulator load ∠). According to the voltage regulator configured in this way, when the input voltage V io is high, the load ∠ is operated at the output voltage V put which is higher than the minimum operating voltage V 1 but lower than the input voltage V io . , power consumption is reduced while operation is guaranteed. Also the input voltage
When V io is low, the load ∠ is operated with an output voltage V put approximately equal to or slightly less than the input voltage V io , thus guaranteeing a minimum operating voltage V 1 for the input voltage V io of the load ∠, and a high For the input voltage V io , the output voltage V put is reduced to a voltage that matches the load ∠, so this voltage regulator has low power consumption and a wide range of input voltage V io for the load ∠. be able to. These effects will be explained in detail using the graph of FIG. 48 in comparison with a voltage comparator regulator having no offset. In the same figure, the horizontal axis is the input voltage V io and the vertical axis is the output
V put and reference voltage V ref are shown. Curve a is
It shows V put equal to V io , in other words,
This shows a hypothetical curve when the load ∠ is operated directly at the input voltage V io without using a voltage regulator. Curve C shows the general reference voltage Vref1 ,
Normal reference voltage generation circuit V ref GENFET threshold voltage V th , current amplification factor 13 transconductance
g n , or the forward and reverse voltage drop V F of the PN junction,
Since V Z and the current amplification factor h fe of the bipolar transistor are used, the output voltage V ref of V ref GEN depends on its power supply voltage V io {V ref =f(V io )}. When such a reference voltage V ref1 is used as the reference voltage of the voltage comparison circuit CP, and the offset described above is not provided in the comparison circuit CP,
The output voltage V put is equal to the reference voltage V ref1 and curve C
matches. And the reference voltage V ref1 is the input voltage
Since it can never be higher than V io , the output voltage V put
is lower than the input voltage V io in any range. As a result, the input voltage V io when the output voltage V put is equal to the lowest operating voltage V 1 of the load ∠ (point R)
becomes V 2 (V 2 >V 1 ). Therefore, in the usable range of the input voltage V io seen from the load ∠, a loss occurs by a voltage corresponding to |V 2 −V 1 |. In order to reduce this loss, in the voltage regulator of FIG. 47, the comparator CP is configured so that it is balanced when the negative input becomes higher than the positive input by the offset voltage ΔV pff . In addition, as a reference voltage, a virtual reference voltage V ref1
Using a reference voltage V ref2 (curve d) that is smaller than , and has similar characteristics, the effective comparison voltage (V ref2 +ΔV pff ) at the target normal input voltage V 3 is the virtual reference voltage.
The values of V ref2 and ΔV pff are set to be equal to V ref1 , that is, to match the target operating point S. According to such a configuration, the voltage comparator CP is
Equilibrium is achieved under the condition of V put = V ref2 + ΔV pff , and the input voltage V io that satisfies this equilibrium condition is V io V put .
This occurs only when V io V ref2 +ΔV pff . If the input voltage V io is smaller than (V ref2 + ΔV pff ), the output voltage V io will also be smaller than that, so the comparator CP works to increase the output voltage V put , but this feedback control works by inputting the output voltage V put It is limited when it is equal to the voltage V io (because of V put V io ). Therefore, the output voltage V put is reduced (limited) to V ref2 + ΔV pff when the input voltage V io is higher than the inflection point (P) with V io = V ref2 + ΔV pff as the inflection point (P) (curve b 1 ), approximately the input voltage when V io is lower than
V io (curve a 2 ). If this inflection point P is equal to or higher than the lowest operating voltage V 1 (point Q) with respect to the input voltage V io (on the horizontal axis), the above-mentioned loss can be avoided. This is because curve b has an intersection with curve a due to ΔV pff , and this effect cannot be obtained when curve d does not have an intersection with curve a. Note that the FET in Figure 47 works as a source follower but is a depletion mode N-channel FET, so V put = V io is possible.
There is no loss of its threshold voltage V th . Therefore, this is effective when the input voltage V io is small. However, this does not negate the use of enhancement mode source follower FETs, but rather depletion mode FETs where the input voltage is large and V th losses are not a critical issue.
It is extremely effective when it is difficult to adopt a manufacturing process. In this case, the lower output voltage V put
(below the change point P) curve a 2 (V put = V io )
is shifted downward by V th (V put = V io
V th ), and it is still possible to give the output voltage V put the effect described above. In addition, the N-channel FET in the diagram is replaced with the P-channel FET.
It can also be replaced with a FET; in this case, the P-channel FET works as a common source, so the above-mentioned
There is no loss of V th . There is no essential difference whether a source-grounded or source-follower is used as a control FET, but if a source-grounded FET is used, special consideration must be given to threshold voltage V th loss, such as when using a depletion mode FET. Not. In addition, when using a source follower, it is useful when it is necessary to sample the voltage comparison operation (for example, when the comparator
When clock driving the CP to reduce power consumption), this FET is useful because it works as a voltage follower. In other words, if the mutual conductance g n of this FET is sufficiently high, the output voltage is uniquely determined by the gate voltage. It is also possible to use a bipolar transistor as the control transistor. Although it is not necessarily denied that the offset V pff is a function of the input voltage V io , in setting the inflection point P, it is desirable that it be constant with respect to V io . Furthermore, if a reference voltage having a variable element similar to that of the load ∠ is used as the reference voltage V ref2 , it is also convenient because the output voltage V put can be obtained in accordance with the characteristics of the load ∠. In that case, if you set V ref2 to the lowest voltage that operates the load ∠,
ΔV pff can be used as a constant margin measure. The configuration that provides the offset ΔV pff and its application circuit will be described later, but here the output voltage
Another method of providing an inflection point to V put will be explained using the circuit diagram of FIG. 49 and the graph of FIG. 50. In the following explanation and the graph of FIG. 50, all voltage values are absolute values. In FIG. 49, Q107 is a control transistor consisting of an N-channel depletion mode FET. Q 101 and Q 102 as well as Q 104 and Q 106 constitute a current mirror circuit, and a drain current approximately equal to the drain current of Q 103 flows through the diode-grounded FETs Q 104 and Q 105 . Diode connected P-channel FETQ 104 , N-channel
The source-drain voltage drop V DS of FETQ 105 is
The high impedance loads Q 102 and Q 106 result in approximately the respective threshold voltages V thp and V tho . Therefore, voltages of V thp and (V io −V tho ) are applied to both the positive and negative input terminals of the comparator CP, respectively (curves d and b in FIG. 50). Comparator CP has no offset and is therefore balanced when both inputs are equal. Therefore, the equilibrium condition is (V put - V tho ) = V tho , that is, V put = V thp
+V tho . From the conditions of V io V put , the output voltage
V put is limited to (V thp +V tho ) when V io V thp +V tho , and becomes approximately equal to V io when V io V thp +V tho . Therefore, if the load ∠ is composed of CMOS, its lower operating limit voltage is usually (V thp +
V tho ), so the output voltage V put can compensate for it. Note that the threshold voltage taken out by the MOS diode circuit is close to the original threshold voltage, but not equal, and follows its drain current.
The output voltage V put at the equilibrium point is of course the original (V thp + V tho )
It is better to make each
The mutual conductance of FETQ 103 should be made small so that the current flowing through MOS diodes Q 104 and Q 105 is made small. In addition, since the near threshold voltage extracted by the MOS diode is based on the assumption that drain current flows, the circuit must be configured so that current flows through both diodes even if the input voltage V io becomes low. Must be. Next, an example in which the voltage regulator shown in FIG. 49 is applied to an electronic timepiece will be explained using FIG. 51. In Figure 51, OSC is a crystal oscillator, WS is a waveform shaping circuit that converts the sine wave oscillation output into a rectangular wave, FD is a frequency dividing circuit, and TM is the timing for creating a pulse with a predetermined period and width from the frequency divided output.・Pulse generation circuit, LF is a level shift circuit that converts a low level signal to a high level signal, BC is a battery life detector, VC is a voltage comparator, VR is a voltage regulator using it, H is a hold circuit,
DT is an oscillation state detector, and LM is an excitation coil for the step motor that drives the second hand. The detector DT detects that the OSC oscillates using a frequency divider.
FD is detected through the timing circuit TM, and when oscillation occurs, the voltage regulator VR is activated to adjust the operating power supply voltage of the oscillator OSC and WS, FD, TM, etc.
Drop from 1.5V. At the moment when battery E is inserted, the input node of inverter I7 is connected to ground potential (logic "0") by discharge resistor R104 .
Since it is becoming popular, N Qiuyannel FETQ 201 is
ON state, and the output of the regulator is set to the battery voltage.
Set it to 1.5V. At this time, Q 203 is also turned on,
Keep the gate node of FETQ 202 charged. This is to activate the negative feedback loop of the regulator in advance so that the regulator output does not drop the moment FETQ 201 is next switched OFF. When the oscillator starts operating, other logic circuits are already in operation, so the timing circuit
A pulse φ B is supplied from TM to the detector DT. The exclusive OR circuit EX 1 detects the output of this pulse φ B , and one input is delayed by inverters I 4 , I 5 and integration circuits C 101 , R 103 relative to the other. A pulse φ B is applied. Therefore, when the pulse φ B is output, a pulse with a width corresponding to the delay time is generated at the output of the gate EX1 . This pulse is
It is integrated in the rectifier circuit consisting of FETQ 225 , inverter I 6 and capacitor C 102 , and after a while after φ B starts appearing, the N channel, FETQ 201 and Q 203 are integrated.
Turn it off. Thereby, the regulator VR generates a predetermined output voltage (less than 1.5V) only by its own control loop, contributing to low power consumption. Below, this regulator, especially the voltage comparator VC
Explain the operation. This comparator VC is the comparator CP explained in the principle diagram in Figure 47 and the characteristic diagram in Figure 48.
Since the operation is similar to that, I will keep the explanation simple. In order to obtain the offset voltage V pff of the P channel MOSFETs Q 206 and Q 207 , the gate of Q 206 is made P type as shown in FIG . 5 and Q 1 in FIG. 2. It is made into an N type as shown in Figure 7.
Therefore, the threshold voltage V th of Q 207 is approximately
0.55V higher, which is the offset voltage mentioned above.
Take V pff . N channel FETQ 208 and P channel
FETQ 209 are both diode connected, so
The sum of both V th (V thp +V tho ) is applied to the gate of Q 207 , which is the positive input of the comparator VC, and this becomes the voltage V ref2 shown in curve d of FIGS. 48 and 50. Therefore, the output voltage V put of the voltage regulator VR
is V put = V thp + V tho + ΔV pff (V io V thp + V tho +
ΔV pff ). When the input voltage V io is low, V put =V io as described above. The operating time of this comparator is limited by the timing signal φA in order to reduce power consumption. Of course, the same applies to the circuit that obtains the reference voltage V ref2 , so the capacitor C 104 holds the voltage of the reference voltage V ref2 , and the capacitor C 105 holds the gate voltage of Q 202 due to the parasitic capacitance such as the gate capacitance. has been added separately. The capacitor C103 is used to prevent oscillation caused by a phase rotation caused by several FETs connected in series in the feedback loop. Since the battery checker BC has almost the same structure as shown in FIG. 44, its explanation will be omitted. In addition, the excitation coil drivers I 2 and I 3 are used at the output stage of the IC.
uses a 1.5V battery as a direct power source to increase drive capacity. Figure 52 shows the voltage regulator VR according to the present invention.
An example of applying the Batsuteri-Chetzker BC to a digital display electronic clock is shown. In the same figure, OSC, WS, and FD are powered by a regulated voltage lower than 1.5V, similar to the example in Figure 51,
In addition, logic circuits inside the IC such as the deco radar DC time correction circuit TC also use a low voltage as a power source. DB is a signal voltage circuit that boosts the voltage of 1.5V to 3.0V, and this voltage is used as the drive voltage of the liquid crystal display device DP (the driver is omitted). ∠
S is a level shift circuit, which converts a low signal level into a high DC signal level and supplies it to a circuit with a high power supply voltage. In this way, normal logic circuits inside ICs that operate at low operating voltages require low operating power supplies, and display drivers, etc. that require high operating voltages at the input/output interface of the IC, use high operating power supplies. It is effective in reducing power consumption and expanding the range of power sources used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はGaAs、SiおよびGe半導体のエネルギ
ー・ギヤツプEgとその温度依存性を示す図であ
る。第2図は半導体のバンド構造とフエルミ準位
Efを示す図であり、同図a,bはN型半導体の、
同図c,dはP型半導体の夫々バンド構造とフエ
ルミ準位を示す図である。第3図はN型及びP型
Siのフエルミ準位の、不純物濃度をパラメータに
した温度特性を示す図である。第4図a,bおよ
びcはそれぞれGe、siおよびGaAs半導体と各種
のドナーおよびアクセプタ不純物が持つエネルギ
ー準位の分布を示す図である。第5図はN型およ
びP型半導体のフエルミ準位の差(Efo−Efp)を
取り出すために使用され得るP+ゲートおよびN+
ゲートMOSFETの断面構造を概略的に示し、左
半分がPチヤンネルFET、右半分がNチヤンネ
ルFETを示している。第6図a,bは夫々P+
ートPチヤンネルMOSFETの平面図と断面図
を、第7図a,bはiゲートPチヤンネル
MOSFETの平面図と断面図を、第8図a,bは
N+ゲートPチヤンネルMOSFETの平面図と断面
図を、第9図a,bはN+ゲートNチヤンネル
MOSFETの平面図と断面図を、第10図a,b
はiゲートNチヤンネルMOSFETの平面図と断
面図を、第11図a,bはP+ゲートNチヤンネ
ルMOSFETの平面図と断面図を示している。第
12図a〜d、第13図a〜d、第14図a〜d
及び第15図a〜dは、それぞれコンプリメンタ
リMOSを一緒に製造する場合の主要工程におけ
る断面図である。第16図a,bはそれぞれP+
型半導体−絶縁物−N型半導体構造のエネルギー
状態と電荷の状態を示し、同図c,dはそれぞれ
N+型半導体−絶縁物−N型半導体構造のエネル
ギー状態と電荷の状態を示す図である。第17図
aないしeはNチヤンネルMOSFETの各製造工
程における断面図である。第18図a,bは夫々
異なるしきい値電圧Vthを持つ2つのFETのVth
の差を取り出すためのMOSダイオード回路の特
性図とその回路を示す図である。第19図及び第
20図は夫々Vthの差を利用した基準電圧発生回
路の一例を示し、第21図aは更に他の基準電圧
発生回路の一例を示し、同図bはそのタイミング
信号波形を示す。第22図乃至第27図は更に他
の実施例にもとずく基準電圧発生回路を示す。第
28図は半導体メモリのブロツク図を示し、第2
9図は第28図の基板バイアス発生回路の詳細な
回路図を示す。第30図、第31図、第32図、
第33図はそれぞれコンパレータ回路、メモリセ
ル回路、アドレスバツフア回路、差動アンプの回
路図を示す。第34図は論理回路の回路図を示
す。第35図〜第37図は基準電圧発生回路を電
圧検出回路に応用した例を、第38図〜第40図
は電圧レギユレータに応用した例を、第41図〜
第43図は定電流回路に応用した例を、第44図
は電子式腕時計用バツテリ・チエツカーに応用し
た例を示している。第45図及び第46図は夫々
本発明及び従来の状態設定回路の例を説明するた
めの回路図である。第47図は本発明による電圧
レギユレータの一例を説明するための回路図であ
り、第48図はその動作を説明するための電気的
特性図である。第49図は本発明による電圧レギ
ユレータの他の例を説明するための回路図であ
り、第50図はその動作を説明するための電気的
特性図である。第51図は本発明を電子時計に応
用した例を説明するための回路図であり、第52
図はデイジタル表示電子時計に応用した例を説明
するための回路システム図である。 T……MOSFET、R……抵抗、C……コンデ
ンサ、Xta1……水晶振動子、OSC……水晶発振回
路、WS……正弦波−く形波変換波形成形回路、
FD……2進カウンタ多段接続分周回路、TM…
…タイミング回路、CM……秒針駆動用ステツプ
モータの励磁コイル、BF……CMの駆動用バツフ
アー、NA……NANDゲート、IC……モノリシツ
クSi半導体集積回路チツプ、φ……クロツクパル
ス、Eg……半導体のエネルギー・ギヤツプ、Ev
……価電子帯の最上限準位、Ec……伝導帯の最下
限準位、Ei……真性半導体のフエルミ準位、Efo
Efp……N型、P型半導体のフエルミ準位、Ed
Ea……ドナー、アクセプタ準位。
FIG. 1 is a diagram showing the energy gap E g of GaAs, Si and Ge semiconductors and its temperature dependence. Figure 2 shows the semiconductor band structure and Fermi level.
This is a diagram showing E f , and a and b of the same diagram are
Figures c and d are diagrams showing the band structure and Fermi level of a P-type semiconductor, respectively. Figure 3 shows N type and P type
FIG. 3 is a diagram showing the temperature characteristics of the Fermi level of Si using impurity concentration as a parameter. FIGS. 4a, 4b and 4c are diagrams showing the distribution of energy levels of Ge, si and GaAs semiconductors and various donor and acceptor impurities, respectively. Figure 5 shows the P + gate and N +
The cross-sectional structure of a gate MOSFET is schematically shown, with the left half showing a P-channel FET and the right half showing an N-channel FET. Figures 6a and b show a plan view and cross-sectional view of a P + gate P-channel MOSFET, respectively, and Figures 7a and b show an i-gate P channel MOSFET.
Figure 8 a and b are the plan view and cross-sectional view of the MOSFET.
The plan view and cross-sectional view of the N + gate P channel MOSFET are shown in Figure 9 a and b.
The plan view and cross-sectional view of the MOSFET are shown in Figure 10a and b.
11A and 11B show a plan view and a sectional view of an i-gate N-channel MOSFET, and FIGS. 11a and 11b show a plan view and a sectional view of a P + gate N-channel MOSFET. Figure 12 a-d, Figure 13 a-d, Figure 14 a-d
and FIGS. 15a to 15d are cross-sectional views of main steps in manufacturing complementary MOS. Figure 16a and b are respectively P +
The energy state and charge state of the type semiconductor-insulator-N type semiconductor structure are shown in c and d of the same figure, respectively.
FIG. 3 is a diagram showing the energy state and charge state of an N + type semiconductor-insulator-N type semiconductor structure. FIGS. 17a to 17e are cross-sectional views in each manufacturing process of the N-channel MOSFET. Figures 18a and b show the V th of two FETs with different threshold voltages V th .
FIG. 2 is a diagram showing a characteristic diagram of a MOS diode circuit for extracting the difference between the two and the circuit thereof. 19 and 20 each show an example of a reference voltage generation circuit that utilizes the difference in V th , FIG. 21a shows an example of another reference voltage generation circuit, and FIG. 21b shows its timing signal waveform. shows. FIGS. 22 to 27 show reference voltage generating circuits based on still other embodiments. FIG. 28 shows a block diagram of a semiconductor memory, and the second
FIG. 9 shows a detailed circuit diagram of the substrate bias generation circuit of FIG. 28. Figure 30, Figure 31, Figure 32,
FIG. 33 shows circuit diagrams of a comparator circuit, a memory cell circuit, an address buffer circuit, and a differential amplifier, respectively. FIG. 34 shows a circuit diagram of the logic circuit. Figures 35 to 37 show examples in which the reference voltage generation circuit is applied to a voltage detection circuit, Figures 38 to 40 show examples in which it is applied to a voltage regulator, and Figures 41 to 40 show examples in which it is applied to a voltage regulator.
FIG. 43 shows an example of application to a constant current circuit, and FIG. 44 shows an example of application to a battery checker for an electronic wristwatch. FIGS. 45 and 46 are circuit diagrams for explaining examples of the present invention and conventional state setting circuits, respectively. FIG. 47 is a circuit diagram for explaining an example of the voltage regulator according to the present invention, and FIG. 48 is an electrical characteristic diagram for explaining its operation. FIG. 49 is a circuit diagram for explaining another example of the voltage regulator according to the present invention, and FIG. 50 is an electrical characteristic diagram for explaining its operation. FIG. 51 is a circuit diagram for explaining an example in which the present invention is applied to an electronic watch;
The figure is a circuit system diagram for explaining an example of application to a digital display electronic watch. T...MOSFET, R...resistor, C...capacitor, X ta1 ...crystal resonator, OSC...crystal oscillation circuit, WS...sine wave-square wave conversion waveform shaping circuit,
FD...Binary counter multi-stage connection frequency divider circuit, TM...
...Timing circuit, CM...Excitation coil of step motor for driving the second hand , BF...Buffer for driving CM, N A ...NAND gate, IC...Monolithic Si semiconductor integrated circuit chip, φ...Clock pulse, E g ...Semiconductor energy gap, E v
...the highest level of the valence band, E c ...the lowest level of the conduction band, E i ...the Fermi level of the intrinsic semiconductor, E fo ,
E fp ... Fermi level of N-type and P-type semiconductors, E d ,
E a ...donor, acceptor level.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 入力端子と制御端子を持ち上記制御端子に供
給される制御信号に応じてそのロジツクしきい値
電圧が変化される論理回路と、入力点と制御端子
とを持ち上記入力点の電位がその出力点の電位に
よつて決定されるようにされてなることによつて
上記出力点に上記論理回路のロジツクしきい値電
圧と対応する検出電圧を形成するロジツクしきい
値電圧検出回路と、互いにしきい値電圧の異なる
第1、第2入力IGFETを備え上記第1、第
2IGFETのしきい値電圧差にもとづいて形成され
るしきい値電圧を持つ電圧比較回路とを備え、上
記電圧比較回路の一対の入力のうちの一方を所定
電位にせしめるとともに、上記ロジツクしきい値
電圧検出回路の検出電圧を上記電圧比較回路の他
方の入力に供給せしめ、かつ上記電圧比較回路の
出力を上記論理回路及びロジツクしきい値電圧検
出回路の制御端子に供給せしめるようにしてなる
ことを特徴とする半導体集積回路装置。 2 上記論理回路は、論理段と、上記論理段と第
1電位点との間に設けられ、上記比較回路の出力
端子から取り出された出力信号により制御される
ようにそのゲートが上記制御端子とされた第
3IGFETを有し、上記ロジツクしきい値電圧検出
回路は、ロジツクしきい値電圧検出段と、上記ロ
ジツクしきい値電圧検出段と第1電位点との間に
設けられ、上記出力信号により制御されるように
そのゲートが上記制御端子とされた第4IGFETと
を有することを特徴とする特許請求の範囲第2項
記載の半導体集積回路装置。 3 上記第1、第2IGFETのしきい値電圧の差
は、それらのゲート電極のフエルミ準位差に基ず
いていることを特徴とする特許請求の範囲第1、
第2又は第3項記載の半導体集積回路装置。 4 上記第1、第2IGFETのそれぞれのゲート電
極は、互いに異なる導電型にされた半導体層部を
有することを特徴とする特許請求の範囲第4項記
載の半導体集積回路装置。
[Claims] 1. A logic circuit having an input terminal and a control terminal, the logic threshold voltage of which is changed in accordance with a control signal supplied to the control terminal; a logic threshold voltage such that the potential at a point is determined by the potential at the output point, thereby forming a detection voltage at the output point corresponding to the logic threshold voltage of the logic circuit; The first and second input IGFETs include a detection circuit and first and second input IGFETs having different threshold voltages.
and a voltage comparator circuit having a threshold voltage formed based on the threshold voltage difference of two IGFETs, one of the pair of inputs of the voltage comparator circuit is brought to a predetermined potential, and the logic threshold voltage is set to a predetermined potential. The detected voltage of the voltage detection circuit is supplied to the other input of the voltage comparison circuit, and the output of the voltage comparison circuit is supplied to the control terminal of the logic circuit and the logic threshold voltage detection circuit. Features of semiconductor integrated circuit devices. 2. The logic circuit is provided between a logic stage and a first potential point, and has a gate connected to the control terminal so as to be controlled by an output signal taken out from the output terminal of the comparison circuit. The first time
3IGFET, the logic threshold voltage detection circuit is provided between a logic threshold voltage detection stage and a first potential point, and is controlled by the output signal. 3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 2, further comprising a fourth IGFET whose gate serves as the control terminal. 3. Claim 1, wherein the difference in threshold voltage of the first and second IGFETs is based on the Fermi level difference of their gate electrodes.
The semiconductor integrated circuit device according to item 2 or 3. 4. The semiconductor integrated circuit device according to claim 4, wherein each of the gate electrodes of the first and second IGFETs has a semiconductor layer portion having a different conductivity type.
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