JPS60252925A - Constant current circuit - Google Patents

Constant current circuit

Info

Publication number
JPS60252925A
JPS60252925A JP20176984A JP20176984A JPS60252925A JP S60252925 A JPS60252925 A JP S60252925A JP 20176984 A JP20176984 A JP 20176984A JP 20176984 A JP20176984 A JP 20176984A JP S60252925 A JPS60252925 A JP S60252925A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
difference
reference voltage
circuit
gate
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.)
Granted
Application number
JP20176984A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS6319884B2 (en
Inventor
Kanji Yo
陽 完治
Osamu Yamashiro
山城 治
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 JP20176984A priority Critical patent/JPS60252925A/en
Publication of JPS60252925A publication Critical patent/JPS60252925A/en
Publication of JPS6319884B2 publication Critical patent/JPS6319884B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/26Current mirrors
    • G05F3/262Current mirrors using field-effect transistors only

Abstract

PURPOSE:To obtain a constant current circuit having high accuracy by using a reference voltage generating circuit of an FET based on the Fermi level difference of a gate electrode to produce a constant current. CONSTITUTION:A reference voltage generating circuit is provided with an FET which has the threshold voltage difference (Vth1-Vth2) based on the Fermi level difference of a gate electrode and the same mutual conductance beta. When a resistance 20 has a level sufficiently higher than the impedance of an FETT1, the drain voltage (gate voltage) of the FETT1 is approximately equal to the threshold voltage Vth1. When an FETT2 is set in a saturated area, the current I2 flowing to the FETT2 is equal to I=(Vth1-Vth2)<2>.beta/2. In such a way, a constant current circuit of high accuracy is obtained with use of a reference voltage generating circuit of high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】 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界効果トランジスタとその製造方法
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 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 a manufacturing method thereof.

各種の半導体電子回路において、差率となる電圧を発生
させるには電圧の次元を持っ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っ
ばら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(ツェナ電圧)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。
In various semiconductor electronic circuits, it is essential to use a physical quantity having the dimension of voltage in order to generate a voltage that is a differential rate. Until now, the physical quantities have mainly been the forward voltage drop vF of a PN junction diode, the reverse breakdown voltage (Zener voltage) Vz, and the threshold of an insulated gate field effect transistor (often represented by IGFET or MOSFET). Value voltage Vth etc. are used.

これらの物理量は絶対的な電圧値を示すものでな(、そ
の電圧値はさまざまなファクターによって変動を受ける
。従って、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
These physical quantities do not indicate absolute voltage values (the voltage values are subject to fluctuations due to various factors. Therefore, in order to use these physical quantities as reference voltage generators for various electronic circuits, it is necessary to Attention must be paid to the fluctuation factors of the voltage value and the permissible fluctuation range.

まず、これら物理量の温度特性について言えば、上記V
FやVthは通常2〜3nV/C程度の温度依存性を持
っており、この温度変化に伴なう基準電圧の温度変化は
用途によっては実用を断念せざるを得ない程の大きさに
及ぶ。
First, regarding the temperature characteristics of these physical quantities, the above V
F and Vth usually have a temperature dependence of about 2 to 3 nV/C, and the temperature change in the reference voltage that accompanies this temperature change is so large that it may be necessary to give up on practical use depending on the application. .

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、電池の電圧の下がったことを警告する目的で作
られるバッテリー・チェッカーを実現しようとすれば、
1.4Vi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。
For example, if you want to create a battery checker for an electronic watch that uses a nominal 1.5V silver oxide battery to warn that the battery voltage has dropped,
It is necessary to judge whether the battery voltage is high or low using 1.4 Vi degrees as the boundary (detection level).

これを0.6V程度のMOSFETのしきい値電圧Vt
h又は、ダイオードの順方向降下電圧■F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 の温度依存性を持ち、実用動作温度範囲をOC〜50C
と狭く見積っても、1.23V〜1.57Vと大きく変
動するととKなり、実用的なバッテリーチェッカーとは
なり得ない。
This is the MOSFET threshold voltage Vt of approximately 0.6V.
Or, if you try to configure it using the diode's forward drop voltage ■F, the detection level with a target of 1.4V will have a temperature dependence, and the practical operating temperature range will be OC~50C.
Even if we make a narrow estimate, if the voltage fluctuates significantly from 1.23V to 1.57V, it will be K, and it cannot be used as a practical battery checker.

次に、これら物理量の製造バラツキについては、MOS
FET(7)しきい値電圧■thハ±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。従って、上述のバッテリ・チェッカを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。
Next, regarding manufacturing variations in these physical quantities, MOS
The FET (7) threshold voltage ■th has a variation of about ±0.2V, and this variation is larger than the temperature change. Therefore, when the above-mentioned battery checker is made into an IC (integrated circuit) using Vth, not only external parts and connection pins (terminals) for correcting the reference voltage but also adjustment after the IC is manufactured are required. .

また、ツェナ電圧vzは低い電圧では3V程度が限度で
あり、1〜3V程度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、ツェ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k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。
In addition, the Zener voltage vz has a low voltage limit of about 3V, which is inappropriate as a reference voltage used in the low voltage range of about 1 to 3V. The k used as
It is necessary to flow a current of approximately A to several tens of mA, which is inappropriate in terms of reducing power consumption.

以上の説明から明らかなように、 Vtb 、 v、お
よび■z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*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(、
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
った。
As is clear from the above explanation, conventional reference voltage generators using Vtb, v, and z are not necessarily suitable for all uses, considering temperature characteristics, manufacturing variations, power consumption, voltage levels, etc. It's not something (,
For applications that require extremely strict characteristics, it has often been necessary to abandon practical application or mass production.

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、発想を持った基準電圧発生装置の研究、開発に踏み
切った。
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.

なお、定電流回路としては、特開昭51−28645号
公報に示されているものが公知である。
Incidentally, as a constant current circuit, one shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 51-28645 is publicly known.

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である。
An object of the present invention is to provide a reference voltage generation circuit based on a completely new concept not seen in the past, and to facilitate the design and mass production of electronic circuits.

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。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator with small temperature changes.

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、例えばロッ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
Another object of the present invention is to keep fluctuations in the obtained voltage values small with respect to fluctuations in manufacturing conditions, such as manufacturing variations between lots (
It is an object of the present invention to provide a reference voltage generating device with a small deviation).

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発生装置を提
供することである。
Another object of the present invention is to provide an integrated circuit reference generator that can reduce manufacturing variations to the extent that post-manufacturing adjustments are not required.

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
っ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。
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.

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a 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。
Another object of the present invention is to provide an integrated circuit electronic circuit device including a reference voltage generator with a high manufacturing yield.Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for an IGFET integrated circuit. It is to provide.

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。
Still another object of the present invention is to provide a reference voltage generator and a voltage comparator that consume less power.

本発明の他の目的は精度の優れた低電圧(1,1■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。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator capable of obtaining a highly accurate low voltage (1.1 square meters or less).

本発明の他の目的は比較的低い電圧(約1〜3■)の電
源、例えば1.5Vの酸化銀電池や1.3■の水銀電池
に適合する基準Mi5圧発生装置を提供することである
Another object of the present invention is to provide a standard Mi5 pressure generator that is compatible with relatively low voltage (approximately 1 to 3 cm) power sources, such as 1.5 V silver oxide batteries and 1.3 V mercury batteries. be.

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。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for semiconductor integrated circuits.

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、バッテリ・チェッカを提供することで
ある。
Another object of the present invention is to provide a highly accurate voltage comparator, regulated power supply, constant current circuit, and battery checker.

本発明の他の目的は高精度のバッテリ・チェッカを内蔵
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。
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.

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(0MO8IC)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。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator compatible with a complementary insulated gate field effect transistor integrated circuit (0MO8IC) and a method of manufacturing the same.

本発明は半導体物性の原点にたちかえり、4IKエネル
ギーギヤツプEg、フェルミ準位Ef等に着眼してなさ
れたものである。
The present invention has been made by returning to the origins of semiconductor physical properties and focusing on the 4IK energy gap Eg, Fermi level Ef, etc.

即ち、半導体がエネルギー−ギャップEg、ドナー、ア
クセプタおよびフェルミ準位等の各種準位をもつことは
周知であるが、これら半導体の物性、%にエネルギー・
ギャップEgやフェルミ準位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
That is, it is well known that semiconductors have various levels such as energy gap Eg, donor, acceptor, and Fermi level, but the physical properties of these semiconductors, energy and
A reference voltage generator that focuses on the gap Eg or the Fermi level Ef has made remarkable progress in a wide range of fields since the discovery of semiconductors, and has never been seen before.

結果論で言うと、本発明者らはこのエネルギー・ギャッ
プEg、7エルミ準位Ef等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・ギャップ
Eg、フェルミ準位Bf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っ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
らした助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。
In terms of results, the present inventors considered using this energy gap Eg, 7 Hermi level Ef, etc. as a reference voltage source, and succeeded in realizing it. Using energy gap Eg, Fermi level Bf, 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 the semiconductor industry, which no longer has a short history, this success story brought about by the present inventors, which is believed to be unprecedented, is original and groundbreaking, returning to the origins of semiconductor physical properties. It is expected that this technology will greatly contribute to the further development of the electronic circuit and semiconductor industries in the future.

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・モノリシッ
ク半導体集積回路チップ内に作られる。これらのFET
はゲート電極の導電型を除いてはぼ同じ条件で製造され
るので、両者のVthの差はほぼP型シリコンとN型シ
リコンのフェルし単位の差に等しくなる。各ゲート電極
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・ギャップE、(約1、I
V)に#まぼ等しくなり、これが基準電圧源として利用
される。
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
Since they are manufactured under almost the same conditions except for the conductivity type of the gate electrode, the difference in Vth between the two is approximately equal to the difference in Fell unit between P-type silicon and N-type silicon. Each gate electrode is doped with each impurity near the saturation concentration, and this difference is the silicon energy gap E, (approximately 1, I
V), which is used as a reference voltage source.

このような栴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。
A reference voltage generating device based on such a structure has low temperature dependence and small manufacturing deviation, so it can be used as a reference voltage generating device for various electronic circuits.

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。
The present invention and further objects thereof will be more clearly understood from the following description with reference to the drawings.

半導体の結晶構造から始まり、半導体のエネルルーψ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。
Numerous documents explain the physical properties of semiconductors, starting from the crystal structure of semiconductors and extending to the energy-ψ band of semiconductors and the phenomena caused by donor and acceptor impurities in semiconductors.

組成の異なる半導体がそれぞれ固有のエネルギー・ギヤ
ツブへを有し、eVで表わされるエネルギー・ギャップ
Egが電圧の次元を持っ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−1ギャップ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。
It is of course well known that semiconductors of different compositions each have a specific energy gap, and that the energy gap Eg, expressed in eV, has the dimensions of a voltage. However, as mentioned above, there has never been an example in which semiconductors have a unique energy gap Eg and this temperature dependence is small, and this is used as a reference voltage source.

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
でかな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。
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, and the following is one of them, S.

M、SZE著、’ Physics of Sem1c
onductorDevices ”、1969年Jo
hn Wi ley & 5ons社発行、特1cch
apter 2 ”Physics and Prop
ertiesof Sem1conductors −
A Resume ’ 11頁〜65頁の助けを借りて
簡単に説明する。
M, SZE, 'Physics of Sem1c
onductorDevices”, 1969Jo
Published by hn Wiley & 5ons, special 1cch
apter 2 ”Physics and Prop
ertiesof Sem1conductors −
A brief explanation with the help of A Resume' pages 11-65.

巳色竺−二2!!’;f E (D及黒半導体の組成物
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ー
クム(G e ) + シリコン(Si)の非化合物半
導体とガリュクム・・ひ素(GaAs )化合物半導体
である。これらのエネルギーφギャップ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
図に昇揚する。
Snake-iroji-22! ! '; f E (D and black) There are various compositions of semiconductors, but the most representative semiconductor currently used industrially is the non-compound semiconductor of germanicum (G e ) + silicon (Si). and galycum... are arsenic (GaAs) compound semiconductors.The relationship between these energy φ gap Eg and temperature is explained on page 24 of the aforementioned book, and this is
Elevate to figure.

第1図から理解されるように、Ge、SiおよびGaA
sのEgは常温(300K )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 (
m e V/K )、0.24 (m e V/ K)
および0.43(meV/K)である。従って、これら
のエネルギー・ギャップEgに相当する或いはそれ忙近
い値の電圧を取り出すことによって、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IA−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m−ギャップEg
で決まり、例えばSiでは常温で約1.12(V)と他
の要因とは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。
As understood from FIG. 1, Ge, Si and GaA
The Eg of s is 0.80 at room temperature (300K), respectively.
(eV), 1.12 (eV) and 1.43 (eV). In addition, the temperature dependence is 0.39 (
m e V/K), 0.24 (m e V/K)
and 0.43 (meV/K). Therefore, by extracting a voltage corresponding to or close to the energy gap Eg, the temperature dependence of the forward voltage drop vF of the PN junction diode and the threshold voltage Vth of the IGFET can be reduced by one order of magnitude. A reference voltage generation IA-position having a small temperature dependence is also obtained. moreover,
The voltage obtained is the semiconductor-specific energy m-gap Eg
For example, in the case of Si, the voltage is determined to be about 1.12 (V) at room temperature, almost independently of other factors, and it is possible to obtain a reference voltage that is not easily affected by variations in manufacturing conditions, etc.

では、この半導体のエネルギー・ギャップEgに相当す
る電圧はいかなる原理に基すいて取り出すことができる
か、その−例を説明する。
Now, an example will be explained based on which principle the voltage corresponding to the energy gap Eg of this semiconductor can be extracted.

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7エルミ・エネルギーの位置するところが、真性半導
体のフェルミ・エネルギー準位Ej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7工ルミ単位Ei
から一層離れる傾向で、P型半導体の7工ルミ単位Ef
pは価電子帯の最上限準位Evに近づき、N型半導体の
フェルr準位Efnは伝導帯の最下限準位Ecに近づき
、両フェル扛準位の差(Efn−Ef、 )をとれば、
これは半導体の持つエネルギー・ギャップ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・ギャッ
プEgのそれに近くなる。詳しくは後述するが不純物濃
度が高ければ高い程(Efn−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。
The state of energy levels when a semiconductor is doped with donor and acceptor impurities is well known. In particular, what we have focused on in this invention is that the 7 Hermi energies of N-type and P-type semiconductors are located toward the conduction band and valence band, respectively, based on the Fermi energy level Ej of the intrinsic semiconductor. It is a physical property that it is divided into two parts. The higher the concentration of acceptor and donor impurities, the more the 7-luminium unit Ei of the intrinsic semiconductor
With a tendency to further deviate from
p approaches the upper limit level Ev of the valence band, and the fer r level Efn of the N-type semiconductor approaches the lower limit level Ec of the conduction band, and the difference between the two fer levels (Efn - Ef, ) can be taken. Ba,
This approaches the energy gap Eg of the semiconductor, and its temperature dependence also approaches that of the energy gap Eg. As will be described in detail later, the higher the impurity concentration, the smaller the temperature dependence (Efn-Efp), and it is preferable to keep the concentration as close to the saturation concentration as possible.

フェルミ単位Efn p 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&Cも関係し、この準位Ed、
Eaは不純物材料によって異なる1、準位BdおよびE
aがそれぞれ伝導帯および価電子帯に近い程、フェルミ
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Edlf
が浅い程、7工ルミ準位の差(Efn ”fp )は半
導体のエネルギー11ボヤップV、−π祈ンt、tAへ
ドナーおよびアクセプターの不純物単位Ed。
The Fermi unit Efn p Efp is related not only to the concentration of donor and acceptor impurities but also to the donor and acceptor levels Ed and Ea&C, and these levels Ed,
Ea varies depending on the impurity material1, levels Bd and E
The closer a is to the conduction band and valence band, respectively, the closer the Fermi levels Efd and Efa are to each. In other words, the donor and acceptor impurity levels Edlf
The shallower is the difference in the 7-luminium level (Efn ``fp), the more the energy of the semiconductor 11 V, -π, t, tA to the donor and acceptor impurity unit Ed.

Efが真性半導体のフェルミ・レベルEiに近い程、す
なわち深い程フェルミ単位の差(Efn−Bfp’)は
半導体のエネルギー・ギャップ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、フェルミ準位の差(E
fn−Bfp)の絶対値が小さくなることを意味してい
る。従って、フェルミ準位の差(Efn −Efp )
は、半導体材料および不純物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・ギャップEgとカ
テゴリを異にした、ギャップEgと並ぶ基準電圧源と戒
り得る。すなわち、フェルミ準位の差(Efn−Efp
)は、それ自体で、PN接合の順方向電圧降下VFやI
GFET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、浅いドナー及びアクセプタ準位Ed、Bfを示す
不純物材料を使用して7工ルミ単位の差(Efn−Ef
p)を取り出すことが、半導体のエネルギー・ギャップ
Eヶにi[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・ギャッ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単位を示す不純物
を使用すれば良い。
The closer Ef is to the Fermi level Ei of the intrinsic semiconductor, that is, the deeper it is, the further the Fermi unit difference (Efn-Bfp') is from the semiconductor energy gap Eg. However, this does not necessarily mean that the temperature dependence becomes worse, but the Fermi level difference (E
This means that the absolute value of fn-Bfp) becomes small. Therefore, the Fermi level difference (Efn −Efp)
is unique to semiconductor materials and impurity materials, and from another perspective, it can be regarded as a reference voltage source on par with the energy gap Eg, which is in a different category from the semiconductor energy gap Eg. In other words, the Fermi level difference (Efn-Efp
) itself increases the forward voltage drop VF and I of the PN junction.
It has less temperature dependence than the threshold voltage Vth of GFET and can serve as a reference voltage source that is less affected by manufacturing variations. Difference (Efn-Ef
Therefore, extracting p) can be one way to extract a voltage close to the energy gap E of the semiconductor. On the other hand, in terms of setting the voltage value to be obtained, if the aim is to obtain a relatively large reference voltage equivalent to the energy gap of the semiconductor,
When an impurity exhibiting a shallow level is used and the purpose is to obtain a relatively small reference voltage, an impurity exhibiting a deep level may be used.

フェルミ準位Bfとドナー準位Ed、アクセプタ準位E
。、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G
aAs半導体に対し℃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図として昇揚し、説明を加える、 第3図(a) 、 (b)および(C)は、それぞれ、
Ge。
Fermi level Bf, donor level Ed, acceptor level E
. , donor concentration Nd, acceptor concentration Na and temperature T
The relationship between Ge, Si and G will be explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
In order to understand what level each impurity exhibits in the aAs semiconductor and how to use these impurities in the present invention, the data on page 30 of the above-mentioned document is used as Figure 4. Figures 3(a), (b) and (C), respectively, are
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
れたギャップの中心Eiから上側に位置する準位につい
ては伝導帯の最下限単位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。
It is a diagram showing the energy distribution of various impurities with respect to Si and GaAs, and the numbers in each diagram represent the energy from the lowest unit of the conduction band EC for the level located above the center Ei of the gap represented by the broken line. Difference (EC
-Ed), and for the lower level, the energy difference from the uppermost level Ev of the valence band (Ea-Ev)
The unit is (eV).

従って、同図において小さい数値で示された不純物材料
はその単位が伝導帯の最下限準位EC着しくは価電子帯
の最上限準位Evに近いことを表わしており、エネルギ
ー・ギャップEgに近い電圧を得る不純物としてふされ
しい。例えば現在量もひんばんに所用されている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、AI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
・ギャップEgの約6%以下である。
Therefore, impurity materials indicated by small numbers in the same figure indicate that their units are close to the lowest level EC of the conduction band or the highest level Ev of the valence band, and the energy gap Eg It is suitable as an impurity to obtain a similar voltage. For example, for Si, which is currently widely used, the level difference (Ec-Ed) of donor impurities of Li, Sb, P, As, and Bi and acceptor impurities of B, AI, and Ga, ( Ea-Ev) is the smallest, and each level difference is about 6% or less of the Si energy gap Eg.

これらの不純物を使用したN型SiおよびP型Siのフ
ェルミ準位の差CEfd −Efa)は、0 ’Kから
の温度変化を無視すれば、54のエネルギー・ギャップ
E の約94%〜97%となり、はぼEgに等しい値と
なる。また、上記不純物の次に小さ−S位差(Ec E
cl)−(Ea−Ev)を示すドナー不純物はS (E
gの約16%)で、アクセプター不純物はIn(Egの
約14%)であり、各不純物を使用したN型Siおよび
P型S1の7工ルr準位の差(Efd −Efa )は
OKにおいて約0.85Egとなり、Siのエネルギー
・ギャップEg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。
The difference in Fermi levels between N-type Si and P-type Si using these impurities (CEfd - Efa) is approximately 94% to 97% of the energy gap E of 54, if the temperature change from 0'K is ignored. Therefore, is a value equal to Eg. In addition, the second smallest −S phase difference (Ec E
The donor impurity exhibiting cl)-(Ea-Ev) is S(E
(about 16% of Eg), and the acceptor impurity is In (about 14% of Eg), and the difference in r level (Efd - Efa) of N-type Si and P-type S1 using each impurity is OK. It is found that the deviation in the energy gap Eg of Si is about 15%, and the deviation becomes extremely wide with respect to the above-mentioned impurities.

以下余白 l/ 従って、Siのエネルギー・ギャップEgにほば等しい
電圧を得るためのP型およびNlj!ISi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、A4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・ギャップEgよりかなり小さい電圧を得る目的に好
適であろう。
Below margin l/ Therefore, P type and Nlj to obtain a voltage approximately equal to the energy gap Eg of Si! As the impurity material for ISi, one donor impurity selected from the group of Li, Sb+P, As and Bi and one acceptor impurity selected from the group of B, A4 and Ga are suitable, and the other impurities are Si It would be suitable for the purpose of obtaining a voltage considerably smaller than the energy gap Eg of .

7工ルミ準位Efの物性 次に、フェルミ準位の差(Efn−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薄位モデルとそ
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。
7 Physical properties of the lumi level EfNext, regarding the Fermi level difference (Efn-Efp),
The physical properties will be explained with reference to FIG. Figure 2 is a diagram showing the energy levels of a semiconductor, with (a) and (
Figure b) shows an energy level model of an N-type semiconductor and its temperature characteristics, and Figures (c) and (d) each show an energy level model of a P-type semiconductor and its temperature characteristics.

半導体中のキャ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ップされる確率から、
またnは、伝導帯に存在する電子数からめられ、各々 となる。ここで、 h& h;ブランク定数、m*;電子の有効質量これより、 となり、 ・・・(5) となる。
Carriers in the semiconductor are electrons nd generated by ionization of the donor impurity Nd, and pairs of electrons and holes excited from the valence band. When the impurity Nd 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 the probability of being trapped in the donor level,
Further, n is determined from the number of electrons present in the conduction band, and is determined by the number of electrons present in the conduction band. Here, h&h: blank constant, m*: effective mass of electron.

ここで、フェルε・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 となる。
Here, the first term of equation (5) can be ignored since the Fe level ε is determined to be at a position close to EC.

この式の示すところは温度が低い時はもちろん、フェル
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の温度特性にほば等しくなる。
This equation shows that when the temperature is low, the Fermi level is located between the lower end of the conduction band and the donor level, and the temperature dependence is approximately equal to the temperature characteristic of EC.

但し、温度が十分高(なった場合には1価電子帯から励
起された電子とホールのペアーから多動となり、不純物
の影響は少な(なり、フェルミ・単位は真性半導体の準
位E、に近ずく。以上の関係を示したものが、第1図(
b)である。
However, if the temperature is sufficiently high, electron-hole pairs excited from the single valence band will become hyperactive, and the influence of impurities will be small (the Fermi unit will be at the level E of an intrinsic semiconductor). The relationship described above is shown in Figure 1 (
b).

第1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(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。
In the case of a P-type semiconductor containing only acceptor impurities as shown in FIG.

フェルミS位は、価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ェル
ミ・準位に近づいていく。
The Fermi S level is located approximately between the top of the valence band and the acceptor level, and as the temperature increases, it approaches the Fermi level of an intrinsic semiconductor.

この関係を示したものが第1図(d)である。This relationship is shown in FIG. 1(d).

フェルミ準位Efの温度特性と不純物濃度との関係−具
体例 7工ルミ準位Efp 、Efn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(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
フェルミ単位の差(”fn−E(p)とその温度依存性
について説明する。第3図にそのデータを昇揚する。
The relationship between the temperature characteristics of the Fermi level Ef and the impurity concentration - Specific example 7 We have explained the physical properties of the relationship between the temperature dependence of the Fermi levels Efp and Efn and the impurity concentration. Using Si semiconductors in practical use as a specific example, we will explain the Fermi unit difference (fn-E(p) and its temperature dependence in practical use, with reference to the data on page 37 of the aforementioned book. Figure 3 shows the data.

通常のSi半半導体集口回路製造プロセスおいて不純物
材料としてはもっばらボロンB、すyPが使用され、そ
の不純物濃度の高いところでは10”(atoms/m
’)であるが、不純物濃度をそれより2桁低い10”(
atomsΔが)としても、第3図から読み取れるよう
に、N型半導体とP型半導体のフェルミ・準位の差(E
fn−Efp)は、300゜Kにおいて0.5− (−
0,5) −1,0(eV)であり、同温度でのエネル
ギーギャップE g” 1.1 eV K比較的近い値
となる。温度に対する変化は200゜Kから400°K
(−70℃〜130℃)の範囲で、約1.04(eV)
からo、56(eV) の変化で、変化率は、0.9(
mV/’C) である。これは先に述べたIGFETの
しきい値電圧Vth及び、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/’Cであるの
に対し約1/3の小さい値である。
In the normal Si semi-semiconductor integrated circuit manufacturing process, boron B and SyP are mostly used as impurity materials, and in areas where the impurity concentration is high, 10" (atoms/m
'), but the impurity concentration is 10'' (
Even if atoms Δ), as can be read from Figure 3, the Fermi level difference (E
fn-Efp) is 0.5- (-
0,5) -1,0 (eV), which is a relatively close value to the energy gap E g" 1.1 eV K at the same temperature. The change with temperature is from 200°K to 400°K.
(-70°C to 130°C), approximately 1.04 (eV)
o, 56 (eV), the rate of change is 0.9 (
mV/'C). This is a small value of about 1/3 of the previously mentioned rate of change of the threshold voltage Vth of the IGFET and the forward drop voltage vF of the diode with respect to temperature, which is 2 to 3 mV/'C.

不純物濃度が10”0X−3以上であればシリコン・エ
ネ#df−df−wyプ(Eg) S t−1−1(V
 ) Kはば等しくなり、温度の変化率は約0.2mV
/’Cとなり、十分小さい値となる。
If the impurity concentration is 10"0X-3 or more, silicon energy #df-df-wyp(Eg) S t-1-1(V
) K becomes equal and the rate of change of temperature is about 0.2 mV
/'C, which is a sufficiently small value.

従りて、不純物濃度は約IQ”01−3以上であれば少
(共従来より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l Q ” 01−
3以上(約1710に改善)、更に最も好ましくは飽和
濃度である。
Therefore, if the impurity concentration is about IQ"01-3 or more, it is small (temperature dependence reduced to 1/2 to 1/3 compared to the conventional one can be obtained, and more preferably lQ"01-
3 or more (improved to about 1710), and most preferably saturation concentration.

理と実例 では、このフェルミ準位の差(Efn−Efp)に相当
する電圧はいかなる原理に基すいて取り出すことができ
るのか、その−例は、同−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MOS
FETのしきい値電圧Vthの差を利用することである
。以下その具体例を説明する。
In the theory and example, we will explain on what principle the voltage corresponding to the Fermi level difference (Efn - Efp) can be extracted. Two MOSs with different semiconductor gate electrodes
This method utilizes the difference in threshold voltage Vth of the FETs. A specific example will be explained below.

第5図は各FBT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)ランジスタをP+グー)MOS、N+型半導
体をゲート電極としたMOSトランジスタなN+ゲグー
MO8と菖うこととする。第6図は、一般の0MO8製
造工程において上記P÷ゲグーMO8及び、N+ゲグー
MO8が何ら〆の工程の変化及び追加をすることなく、
製造できることを示す主要1糧の断面図である。
FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional structure of each FBT. Hereinafter, for the sake of simplicity, a MOS transistor with a gate electrode of a P+ type semiconductor will be referred to as a P+ MOS transistor, and a MOS transistor with a gate electrode of an N+ type semiconductor will be referred to as an N+ MOS transistor MO8. FIG. 6 shows that in the general 0MO8 manufacturing process, the above P÷ Gegu MO8 and N+ Gegu MO8 are obtained without any change or addition of the final process.
It is a sectional view of one main food item showing that it can be manufactured.

第7図は、実際に回路構造上使用されるパターンを、P
−チャンネルMOSトランジスタの場合について、断面
構造と合せて、猜わしたものである。
Figure 7 shows the pattern actually used in the circuit structure.
- This is a detailed explanation of the case of a channel MOS transistor, together with the cross-sectional structure.

第7図において、セルフ・アライン構造とするために、
ゲート電極のソース及び、ドレインに接した両端部には
、この場合P−チャネルーMOSトランジスタであるか
ら、P+ゲートMOS。
In Fig. 7, in order to obtain a self-aligned structure,
At both ends of the gate electrode in contact with the source and drain, there is a P+ gate MOS because it is a P-channel MOS transistor in this case.

N+ダグ−MOSの両者ともP不純物が拡散される。ゲ
ート電極の中央には、P+グー)MOSはP型不純物が
、N+ダグ−MOSはN型不純物が拡散される。前記の
ソース及びドレインと接した両端部と中央の領域との間
には、何も不純物を拡散しない領域工を設けて、P十グ
ー)MOSとN+ダグ−MOSの相違点が単にゲート中
央の領域のP型中導体であることと%N型半導体である
ことのみになるよう配慮されている。
P impurities are diffused into both N+Dag-MOSs. In the center of the gate electrode, a P-type impurity is diffused in the P+Goo-MOS, and an N-type impurity is diffused in the N+Dug-MOS. A region in which no impurity is diffused is provided between the central region and both ends in contact with the source and drain, and the difference between the P10-MOS and the N+DC-MOS is simply the central region of the gate. Care has been taken to ensure that the region is only a P-type medium conductor and a %N-type semiconductor.

さらに、セルフ・アラインのためにとったゲートのpI
Sl!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
)の一方に片寄ったことによるMOS)ランジスタの実
効的なチャネル長のずれ(変化)が極力少な(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ャンネル方向に対して線
対称となるように配置される。従って、マスク合わせの
チャンネル方向に対する(左右)のズレが各列のFEf
f’の実効チャ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+グー)MOSとN+ダグ−MOSの
平均的な実効チャンネル長は、全体的にズレが相殺され
ほば一定となる。
Furthermore, the pI of the gate taken for self-alignment
Sl! The deviation (change) in the effective channel length of the MOS transistor due to the impurity diffusion region being biased to the left or right side (source side or drain side) during manufacturing due to mask alignment errors is minimized. As shown in FIG. The difference between left and right) is FEf of each column.
Even if the effective channel length of f' changes, the average effective channel length of the P+Goo-MOS and N+Dag-MOS of each column connected in parallel will remain constant as long as the overall deviation is canceled out. Become.

第6図は、通常のシリコングー)0MO8製造プロセス
において、いかにしてP+グー)MOS及びN”ゲ−)
MOSが構成されるかを示したものである。
Figure 6 shows how P+Goo)MOS and N''Ge) are formed in the normal silicon G)0MO8 manufacturing process.
This shows how the MOS is configured.

(a)図において、101は比抵抗1Ω錆〜8Ω伽のN
型シリコン半導体で、その上に熱酸化膜102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10 ” 〜10 ” am−”程度の量でイオ
ン打込みを行い、その後8時〜20時間程度熱拡散して
NチャンネルMOS)ランジスタの基板であるP−フェ
ル103を形成する。
(a) In the figure, 101 is N with a specific resistance of 1Ω to 8Ω.
A thermal oxide film 102 is formed on the silicon semiconductor, and a window for diffusion is selectively formed thereon using a technique of forming a thermal oxide film 102. Boron, which will serve as a P-type impurity, is ion-implanted at an energy of 50 KeV to 200 KeV in an amount of about 10'' to 10''am-'', and then thermally diffused for about 8 to 20 hours to form a substrate for an N-channel MOS transistor. A P-fel 103 is formed.

(b1図において、熱酸化膜102を除去し、熱酸化膜
104を111m〜2μm程形成しMOS )ランジス
タのソース、ドレイン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300λ〜1500A程度
のゲート酸化膜105を形成する。
(In Figure b1, the thermal oxide film 102 is removed, and the thermal oxide film 104 is formed to a thickness of about 111 m to 2 μm to form a MOS.) Regions that will become the source, drain, and gate of the transistor are removed by etching. Thereafter, a gate oxide film 105 of about 300λ to 1500A is formed.

その上に多結晶Si 106を2000A〜6000A
程成長させ、MOS)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。
On top of that, polycrystalline Si 106 is applied at 2000A to 6000A.
It is then removed by etching, leaving only the gate portion of the MOS transistor.

(c)図において、気相成長くより酸化膜107を形成
し、P型不純物を拡散する領域なホトエツチング技術に
より除去する。その後、1020〜10 ”鋸−3程の
高濃度のP型不純物となるボロンを拡散し、Pチャンネ
ルMOSトランジスタのソース。
In the figure (c), an oxide film 107 is formed by vapor phase growth and removed by photoetching in the region where P-type impurities are to be diffused. After that, boron, which becomes a P-type impurity, is diffused to a high concentration of 1020 to 10" to form the source of a P-channel MOS transistor.

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。
A drain region 108 is formed, and at the same time, a P-type semiconductor gate electrode is formed.

(d1図において、先と同様に気相成長により酸化膜1
09を形成し、N型不純物を拡散する領域なホトエツチ
ング技術により除去する。その後、1020〜lO−程
度の高濃度のN型不純物となるリンを拡散し、Nチャン
ネルMOS)ランジスタのソース、ドレイン領域110
を形成し、同時KNN型半導体ゲート電極を形成する。
(In figure d1, the oxide film 1 is formed by vapor phase growth as before.
09 is formed, and a region where N-type impurities are diffused is removed by photoetching. After that, phosphorus, which becomes an N-type impurity at a high concentration of about 1020 to 1O-, is diffused into the source and drain regions 110 of the N-channel MOS transistor.
, and simultaneously form a KNN type semiconductor gate electrode.

(e1図において、酸化膜109を除去し、気相成長に
より4000A〜8000A穆度の酸化膜111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M(Anを蒸着し、ホトエツチング技術
により電極配線部分112を形成する。
(In Figure e1, the oxide film 109 is removed, an oxide film 111 with a purity of 4000A to 8000A is formed by vapor phase growth, and the electrode extraction part is removed by photoetching. Thereafter, gold M (An) is vapor deposited and then photoetched. The electrode wiring portion 112 is formed using a technique.

(f)図において、気相成長により1μm〜2μmの酸
化膜で榎う。
In the figure (f), an oxide film of 1 μm to 2 μm is formed by vapor phase growth.

次に、ゲートは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8図に従って説明す
る。まずP+グー)MOSの場合については、第8図(
a)のエネルギーバンド図よりφM φ。
Next, the threshold voltage of a MOS transistor using a semiconductor as a gate electrode will be explained with reference to FIG. First of all, for the case of P+Goo) MOS, see Figure 8 (
From the energy band diagram in a), φM φ.

であることが示される。It is shown that

但しここで ■G;半導体基板とゲート電極(p+牛導
体)との電位差 X ;電子親和力、Bg;エネルギー・ギャップ φ8;N8;N型半導の表面ポテン シャル φ2F+;真性半導体のフェルミ・ポテンシャルを基準
としたP型中 導体の7エルミ・ポテンシャル φ2;真性半導体のフェルミ・ポテ ンシャルを基準としたN型半 導体基板のフェルミ・ポテン シャシ q ;電子の単位電荷 ■。;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単位の 上限 Ei;真性半導体のフェルミ・準位 (7)式において、ゲート電極の仕事関数をポテンシャ
ルで表わしてφMP十とし、又半導体の仕J#IE数を
同様にφ81とすると であるから、 Vo−−VG+φM−φ8ゴーφg ・”(10となる
However, here: ■G: Potential difference between the semiconductor substrate and the gate electrode (p+ conductor) 7 Hermi potential φ2 of a P-type medium conductor; Fermi potential q of an N-type semiconductor substrate based on the Fermi potential of an intrinsic semiconductor; unit charge of an electron ■. ; Potential difference Ec applied to the insulator; Lower limit Ev of the energy level of the conduction band; Upper limit Ei of the energy unit of the valence band; Fermi level of the intrinsic semiconductor In equation (7), the work function of the gate electrode is expressed as a potential. Assuming that φMP is ten, and the number of semiconductor parts J#IE is similarly φ81, then Vo−−VG+φM−φ8goφg・”(10).

また第8図(blの電荷の関係より −COX・Vo+Qss+Qi+Qa=0 ”’αυ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う半導体基板中不純物のイオン 化による固定電荷 Ql;チャンネルとして形成された キャリア 顛、αυより −COX(−Vo十φMP+−φ8−φ5rf)+Qs
s +Qi +Qp −0・”03となる。
Also, from the relationship of charges in Figure 8 (bl), -COX・Vo+Qss+Qi+Qa=0 ``'αυ. Here, COX is the capacitance of the insulator per unit area, Qss is the fixed charge in the insulator, QB is the impurity in the semiconductor substrate. Fixed charge Ql due to ionization; carrier field formed as a channel, −COX (−Vo + φMP + −φ8 − φ5rf) + Qs from αυ
s +Qi +Qp -0·”03.

チャンネルQ+ができる時のゲート電圧■。が、しきい
値電圧であるから、P+グー)MO8Lきcox co
x ””3 この時φ8−2φ2である。
Gate voltage when channel Q+ is formed ■. is the threshold voltage, so P+g) MO8L cox co
x ""3 At this time, φ8-2φ2.

以下同様にして、N+ゲグーMO8)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 である。従ってそのしきい値電圧VthN十はここでφ
8−2φF となる。
Similarly, in the N+GEGMO8) transistors, the only difference is the work function φMN+ of the gate electrode. Therefore, the threshold voltage VthN0 is φ
It becomes 8-2φF.

これよりP+ゲートMOSとN+ゲグーMO8のしきい
値電圧の差Vthp”−VthN+は、vthp””−
■thN”φMP+−φMN”−φFP”−φFN+・
・・0e となり、ゲート電極を構成している牛導体のフェルミ・
ポテンシャルの差になる。これは第8図において(a)
 、 (c)を比較して、同じ電位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、フェルミ・
準位の差になっていることで容易に理解できる。
From this, the difference in threshold voltage between the P+ gate MOS and the N+ gate MO8, Vthp"-VthN+, is vthp""-
■thN"φMP+-φMN"-φFP"-φFN+・
...0e, and the Fermi of the cow conductor that makes up the gate electrode
It becomes a difference in potential. This is shown in (a) in Figure 8.
, (c), the gate voltage when the potential distribution is the same is the work function difference between the gate electrodes, and Fermi
This can be easily understood by the difference in levels.

以上の説明は、P−チャンネル型MO8)ランジスタの
例′とした場合であるが、N−チャンネル型MO8)ラ
ンジスタの場合も全く同様である。
The above explanation is based on the case of a P-channel type MO8) transistor, but the same applies to the case of an N-channel type MO8) transistor.

次)CMOS)ランジスタのVthの差を取り出す回路
について説明する。
Next) A circuit for extracting the difference in Vth of CMOS transistors will be explained.

以下に説明する回路は上述した7工ルミ準位の差(Ef
n−Elp’)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。
The circuit explained below is based on the above-mentioned 7-luminium level difference (Ef
This can be one way to extract n-Elp'), but
In addition, the present invention can generally be applied as a reference voltage generation device that uses a voltage based on the difference in Vth of FETs having different Vths as a reference voltage.

第9図(b)は、MOS)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。T、IT之はドレ
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。
FIG. 9(b) shows a circuit that generates a voltage corresponding to the threshold voltage of a MOS transistor. The drain and gate of T and IT were commonly connected. It constitutes a so-called MOS diode.

Ioは定電流源、T、、T、は異なるしきい値電圧Vt
hl 、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なV、、
V、とすれば ■。−−β(V+ −Vl)B )” 一−β(Vz −Vthx ) ” −Q71であるか
ら v、 −Vth+ +p暦/I −tJ&V、−vth
、十J2 I。/l/ −09となり、ドレイン電圧の
差をとれは、しきい値電圧の差を取り出すことができる
Io is a constant current source, T, , T are different threshold voltages Vt
It is a MOSFET with mutual conductance β almost equal to hl and Vth2, and each drain voltage V, ,
V, then ■. −−β(V+ −Vl)B )” 1 −β(Vz −Vthx ) ” Since −Q71, v, −Vth+ +p calendar/I −tJ&V, −vth
, 10J2 I. /l/-09, and by taking the difference in drain voltage, it is possible to extract the difference in threshold voltage.

定電流源としては、十分大きな抵抗を使っても良く、特
性のそろったものであれば、拡散抵抗。
As a constant current source, you can use a sufficiently large resistor, and as long as it has the same characteristics, you can use a diffused resistor.

多結晶St抵抵抗ベイオン打込によって作られた抵抗、
MOS)ランジスタによる抵抗を使用することができる
Polycrystalline St resistor resistor made by bayon implantation,
MOS) resistors can be used.

この回路でT、、T、として先に説明したN+ダグ−M
OS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型半導体のフェ
ルミ・準位の差(”’fn−Efp)を取り出すことが
できる。
In this circuit, N+Dag-M, which was explained earlier as T, ,T,
By using an OS and a P+ gate MOS, it is possible to extract the Fermi level difference ("'fn-Efp)" between the N-type semiconductor and the P-type semiconductor, which is approximately equal to the difference in threshold voltage.

なお、ゲート電極の組成を変えること以外にも、例えば
チャンネルへのイオン打込み、ドープド・ゲート・オキ
サイド、ゲート絶縁膜の厚さの変更等により異なるしき
い値電圧を持たせることが可能であるが、これを第9図
の回路に適用すれば、イオン打込み量に対応したしきい
値電圧の差、ゲート絶縁膜中忙ドーグされた不純物量お
よびゲート絶縁膜の厚さに応じたしきい値電圧の差を同
様に基!s!圧として取り出すことができる。
In addition to changing the composition of the gate electrode, it is also possible to create a different threshold voltage by, for example, implanting ions into the channel, doping the gate oxide, changing the thickness of the gate insulating film, etc. , if this is applied to the circuit shown in Figure 9, the difference in threshold voltage corresponding to the amount of ion implantation, the amount of impurity implanted in the gate insulating film, and the threshold voltage depending on the thickness of the gate insulating film. Based on the difference as well! s! It can be taken out as pressure.

例えばイオン打込み法は、打込み量が電流の形でモニタ
ー出来るため、不純物濃度の精度が、通常の拡散に比較
して極めて良いことは公知のところであるが、第10図
はこの様子を示したものである。イオン打込み以前のM
OS)ランジスタの特性がT、であるとして、それが製
造時に個々にバラツキ、イオン打込み後にΔVthだけ
のしきい値の変化し、個々にバランいたとしても、両者
のしきい値電圧の差であるΔvthは、イオン打込み量
で決まるために極めてバラツキが少なく、同様に製造バ
ラツキの少ない基準電圧として使用できる。つまり、イ
オン打込みをしないMOS)ランジスタT、のしきい値
電圧なVthxとすると09式同様 であり、イオン打込みによる基板の固定電荷の増分をΔ
Q、とするとイオン打込みされたMOS)ランジスタT
、のしきい値電圧Vth2はとなり となる。このしきい値電圧の差電圧の温度変化は、ΔQ
Bがほとんど温度変化に対して一定であるため、極めて
小さい。
For example, it is well known that in the ion implantation method, the implantation amount can be monitored in the form of current, so the accuracy of impurity concentration is extremely good compared to normal diffusion. Figure 10 shows this situation. It is. M before ion implantation
OS) Assuming that the characteristic of the transistor is T, the threshold value varies by ΔVth after ion implantation, and even if each transistor is balanced, the difference in threshold voltage between the two is Since Δvth is determined by the amount of ion implantation, there is extremely little variation, and similarly, it can be used as a reference voltage with little manufacturing variation. In other words, if Vthx is the threshold voltage of the transistor T (MOS) without ion implantation, it is the same as Equation 09, and the increase in the fixed charge of the substrate due to ion implantation is Δ
Q, then ion-implanted MOS) transistor T
The threshold voltages Vth2 of , are adjacent to each other. The temperature change in this threshold voltage difference voltage is ΔQ
Since B is almost constant against temperature changes, it is extremely small.

またイオン打込み量によって基s′fiL圧が自由に変
えることができ、シングル・チャンネルPwtos製造
工程でも容易に実現することができるのも大きな利点で
ある。
Another great advantage is that the base s'fiL pressure can be freely changed depending on the amount of ion implantation, and that it can be easily realized even in a single channel Pwtos manufacturing process.

以下余白 −二 第11図および第12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。T、はしきい値
電圧V、h1# ’rtはしきい値電圧■theを持っ
ているとする。
Figures 11 and 12 in the following margin are examples of circuits in which FETs having different threshold voltages are connected in series in the form of MOS diodes to extract the difference in threshold voltage. It is assumed that T has a threshold voltage V and h1#'rt has a threshold voltage ■the.

抵抗R3がT、のインピーダンスに比較して十分大きく
、抵抗R1がT、のインピーダンスに比較して十分大き
い条件では Vt −Vt +V、)、1−−−−−−+23V +
 * V @ h2 ・・・・・・(至)ゆえに、■!
 ”thl−vthe ・・・・・・(ハ)となる。
Under the condition that the resistance R3 is sufficiently large compared to the impedance of T, and the resistance R1 is sufficiently large compared to the impedance of T, Vt −Vt +V, ), 1−−−−−−+23V +
* V @ h2 ...... (to) Therefore, ■!
``thl-vthe'' (c).

第13図18+は、容量の両端子忙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13図18+はその動作タイミ
ングを表わしたものである。クロックパルスφIにより
Ts 、Tsをオンさせて容量c、 VC’rt 、 
’r、 (F’lLJイ値[圧Vth1. Vth。
18+ in FIG. 13 applies a voltage corresponding to the threshold voltage between both terminals of the capacitor, and extracts the voltage held in the capacitor as a differential voltage. FIG. 13 18+ shows the operation timing. By turning on Ts and Ts by clock pulse φI, capacitance c, VC'rt,
'r, (F'lLJ i value [pressure Vth1. Vth.

の差電圧をチャージする。Charge the voltage difference between.

φ、が切れた後、クロックφ、によりT、をオンさせC
3のノード■を接地する。この時C,K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。後で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Kは、クロックφ、が入っている時間内
にクロックφsKよってトランスOミツシツンゲ−)T
s 、T、をオンさせて、容量C,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◆フォロアで受ければ、その出
力として、十分内部インピーダンスの低い状態で、’r
、、’r、のしきい値電圧の差が基準電圧として得られ
る。
After φ, is turned off, T is turned on by clock φ, and C
Ground node 3. At this time, since the difference voltage between the threshold voltages of C and K is maintained, that potential is output as is to the node (2). When used in a voltage detection circuit as described later, the potential of node (2) at this time can be used as it is as a reference voltage. Since K can be used in a more general form, K can be transformed into a transformer by clock φsK during the time when clock φ is entered.
If s and T are turned on and the potential is taken into the capacitor C, and the output is fully fed back to the negative phase input (-) of the operational amplifier 5, it is received by a so-called voltage ◆ follower. In a state of low impedance, 'r
, 'r' is obtained as a reference voltage.

第14図は同様に容量C1を利用した基準電圧発生装置
である。クロックφ、によりTsをオンさせる。この時
T、はクロックφ、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T、のしきい値電圧Vthl
だけ下がり、ノード■の電位はノード■の電位よりT、
のしきい値電圧■thgだけ下がり、容量Cの両端には
両者の差電圧がチャージされる。次にφIによりT、を
オフし、φ!によりT、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。
FIG. 14 shows a reference voltage generating device that similarly utilizes the capacitor C1. Ts is turned on by the clock φ. At this time, T is in an off state due to clock φ. The potential of node ■ is higher than the potential of node ■ by the threshold voltage Vthl of T,
The potential of node ■ is lower than the potential of node ■ by T,
The threshold voltage of C is lowered by thg, and the difference voltage between the two is charged across the capacitor C. Next, T is turned off by φI, and φ! When T is turned on, a voltage difference between the threshold voltages is obtained at the node (2).

第15図は、第13図の回路で使用される公知の演算増
幅器を示したものである。T、、T、は差動増幅回路を
構成している差動対であり、TI。
FIG. 15 shows a known operational amplifier used in the circuit of FIG. 13. T, ,T, is a differential pair constituting a differential amplifier circuit, and TI.

Tsはその能動負荷である。T、は、Ts 、T<Kよ
るバイアス回路と共に定電流回路を構成している。TI
 、T?はT、を定電流源負荷とするレベル・変換兼出
力バクファー回路である。図ではc−Mosでの回路構
成例を示したが、シングル−チャネルMO8でも構成で
きることは言うまでもない。
Ts is its active load. T constitutes a constant current circuit together with Ts and a bias circuit with T<K. T.I.
, T? is a level conversion/output buffer circuit with T as a constant current source load. Although the figure shows an example of the circuit configuration using c-Mos, it goes without saying that it can also be configured with a single-channel MO8.

またこの演算増幅器において、差動増幅回路を構成する
差動対T、、T、K、先に述べた方法により異なるしき
い値電圧■tht ’ ”thg を持たせることによ
り、そのしきい値電圧の差を基準電圧として利用あるい
は取り出すことができ、これは従来にみられない演算増
lll1I器の応用である。
In addition, in this operational amplifier, the differential pairs T, , T, and K constituting the differential amplifier circuit are given different threshold voltages by the method described above. The difference can be used or extracted as a reference voltage, and this is an unprecedented application of an arithmetic multiplier.

第16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MO
S)ランジスタT、、T、は各々異なるしきい値電圧■
thl e■th2を持っており、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(−) 、 (
+)の符号は各々、出力に対して逆相、同相となるこ山
味するものである。
FIG. 16 schematically represents a general operational amplifier by taking only its differential part.
S) The transistors T, , T, each have a different threshold voltage■
thl e■th2, and other characteristics are assumed to be equal. Also, (-) and (
The signs (+) indicate that the outputs are in opposite phase and in phase, respectively.

T、の入力をV、、T、の入力を■、とすれば、V+ 
−■tbl= Vt V1h2 ツマリ■i ’t””
tht VthS −・・・・・wの条件を境として、
出力レベルが変化する。
If the input of T is V, and the input of T is ■, then V+
-■tbl= Vt V1h2 Tsumari■i 't""
tht VthS -...With the condition of w as the boundary,
The output level changes.

演算増幅器はしきい値電圧の差電圧分の入力オフ・セッ
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・セッ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。従って第
16図に示すように、(−)入力端子に出力を接続しく
+)入力端子な接地すれば、出力outK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、T、はデプレクシ冒ン・+−ドであることが
必要である。例えばT1にP+ゲグーMOS。
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. 16, if the output is connected to the (-) input terminal and the +) input terminal is grounded, a difference in threshold voltage can be obtained for the output outK. In this case, in order to operate the operational amplifier, T needs to be a deplexing voltage. For example, P+ Gegu MOS in T1.

T、KN+ゲーグーO8を使用する場合には、両方のM
OSFETのチャンネル部に同一の条件でイオン打込み
を行って、ディプレッジジン型とすれば良い。
When using T, KN + Gamegoo O8, both M
Ion implantation may be performed in the channel portion of the OSFET under the same conditions to form a deep gin type.

第17図は、第16図における演算増幅器を使って、基
準電圧を任意に設定できるよう和したものである。出力
を分圧手段R,,R,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■。は ■thx −vthl vo==□ ・・・・・・■ となる。分圧手段Rs、R,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った抵抗であれば何
でも良い。
FIG. 17 shows a summation using the operational amplifier in FIG. 16 so that the reference voltage can be set arbitrarily. If the output is fed back to the (-) input through the voltage dividing means R, , R, and the voltage dividing ratio is r, the output voltage will be ■. becomes ■thx −vthl vo==□ ・・・・・・■. The voltage dividing means Rs, R, is preferably a linear resistance, but
Any resistor may be used as long as it has sufficiently uniform characteristics to be acceptable.

第16図、17図の回路はディプレッジ欝ン型MO8を
使用するのが前提であるのに対し、第18図、第19図
の回路はエンハンスメント型MO8でも動作可能なよう
処したものである。もちろん、ディプレッジジン型であ
っても差しつかえない。
The circuits shown in FIGS. 16 and 17 are based on the assumption that a depression type MO8 is used, whereas the circuits shown in FIGS. 18 and 19 are designed to be operable with an enhancement type MO8. Of course, it doesn't matter if it's a Depledge Gin type.

第18図の例は、第16図の例と同様出力を(−)入力
に直接帰還させたもので、出力■。は、電源電圧を■D
Dとすれば、 ”’=VDD−(vthl−■tbs) °”−@とな
る。第16.17図の回路では差動対の少なく共一方を
ディプレッジ曹ン・モードにする必要があり、ケースに
よっ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堰り出す
ことができる。
The example shown in FIG. 18 is similar to the example shown in FIG. 16, in which the output is directly fed back to the (-) input, and the output is ■. is the power supply voltage ■D
If D, then "'=VDD-(vthl-■tbs) °"-@. In the circuit shown in Figure 16.17, it is necessary to set one of the differential pairs to the depletion mode, which may require an increase in the number of manufacturing steps depending on the case. It can be dammed based on.

逆に、第18.19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。
Conversely, in the circuits shown in Figures 18 and 19, the reference for the resulting differential voltage is the power supply voltage other than the ground potential, but there are no particular conditions for the operating mode of the FET.

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
かによって決めれば良い。
Which circuit format to adopt can be decided depending on which advantages and disadvantages are considered.

第19図の例は第17図の例と同様分圧手段R4、Ra
を通して出力を(−)入力に帰還させたもので、出力は となる。
The example in FIG. 19 is the same as the example in FIG.
The output is fed back to the (-) input through , and the output is .

第20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人力に加え、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忙対する高
低が区別できるようにした電圧検出回路である。
Figure 20 shows how the reference voltage from the reference voltage generator that uses the difference in Vth is added to one input of the comparator, and the voltage to be detected is added to the other input. This is a voltage detection circuit that allows for differentiation.

第21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人力に加え、他の一方の
入力に被検出電圧を分圧手段Re、Roにより分圧した
電圧を加えた電圧検出回路である。
In the example shown in Fig. 21, a reference voltage from a reference voltage generator that utilizes the difference in Vth is added to the comparator's output, and the detected voltage is divided into the other input by voltage dividing means Re and Ro. This is a voltage detection circuit that applies voltage.

分圧比をr、基準電圧な■ref、検出レベルをvse
nseとすると となり、分圧比rにより検出レベルv、e□。を任意に
設定できる。
The voltage division ratio is r, the reference voltage is ref, and the detection level is vse.
nse, and the detection level v, e□ due to the partial pressure ratio r. can be set arbitrarily.

第22図の例は、Vthの差に相当するオフ・セットを
持った演算増幅器を用いて、先に説明したようにオフ・
セッ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R+t−R□は第21図の例と同じ分圧手段で
ある。
The example in FIG. 22 uses an operational amplifier with an offset corresponding to the difference in Vth, and uses an off-set signal as described above.
This is a voltage detection circuit that uses a set voltage as a reference voltage. Further, R+t-R□ is the same voltage dividing means as in the example of FIG.

第20.21.22図の例において被検出電圧を電源電
圧とすればバッテリーを電源として使用するシステムに
おいては、バッテリーチェッカーとして利用できる。第
22図の電圧検出回路を電子時計のバッテリ・チェッカ
ーに応用した具体例を第29図に示すが、詳しい説明は
後述する。
In the example of Figures 20, 21, and 22, if the voltage to be detected is the power supply voltage, it can be used as a battery checker in a system that uses a battery as the power supply. A specific example in which the voltage detection circuit of FIG. 22 is applied to a battery checker for an electronic watch is shown in FIG. 29, and detailed explanation will be given later.

第23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、R,、lR,、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T’to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っても良い。
The example shown in FIG. 23 is applied to a stabilized power supply circuit. The reference voltage generation circuit is configured using several methods described above, and compares a part of the stabilized output with the reference voltage using R,,lR,, and adjusts the gate of T'to so that they match. Control voltage and stabilize output voltage. Any operational amplifier may be used as long as its characteristics are acceptable.

第24図の例は第23図の例でT、。にMOS)ランジ
スタを使用したのく代えてバイポーラ・トランジスタT
R,を使用したものである。
The example in FIG. 24 is T, in the example in FIG. Bipolar transistor T instead of using transistor (MOS) transistor
R, is used.

第25図の例は第16図の例で示したオフ−セット電圧
を持った演算増幅器を使用したものである。T□は当然
MO8)ランジスタであってもバイポーラトランジスタ
であっても、接合型電界効果トランジスタであっても良
い。
The example shown in FIG. 25 uses an operational amplifier having the offset voltage shown in the example shown in FIG. T□ may be a MO8 transistor, a bipolar transistor, or a junction field effect transistor.

第26図の例は、T、とTmのしきい値電圧の差によっ
て決定される定電流回路である。
The example in FIG. 26 is a constant current circuit determined by the difference in threshold voltage between T and Tm.

Tz 、Ttは同一の相互コンダクタンス−な持ち、し
きい値電圧は各々異なるVthl e Vthjである
。抵抗R2゜がTlのインピーダンスに比較して十分高
ければ、T、のドレイン電圧(=ゲート電圧)V+はV
th□とほば等しくなる。
Tz and Tt have the same transconductance, but have different threshold voltages Vthl e Vthj. If the resistance R2゜ is sufficiently high compared to the impedance of Tl, the drain voltage (=gate voltage) V+ of T is V
It becomes almost equal to th□.

T、が飽和領域の時は、T、に流れる電光重。When T, is in the saturated region, the electric light flowing through T.

は ■=−β(Vtht −Vtbs )” −−−−−−
C3f)となる。
■=-β(Vtht-Vtbs)” −−−−−−
C3f).

第27図の例は、T□に流れる電流IKよる電圧降下工
。utRlIを基準電圧■refと比較し、常に両者が
等しくなるようKT、のゲート電圧を制御するよう圧し
た定電流回路である。
The example in Fig. 27 is a voltage drop system using the current IK flowing through T□. This is a constant current circuit that compares utRlI with a reference voltage ref and controls the gate voltage of KT so that both are always equal.

・・・・・・(至) となる。・・・・・・(To) becomes.

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9セツトを持たせることによって得ても良い。
Here, the reference voltage may be obtained by providing an operational amplifier with an off-set, as in the previous example.

第28図の例は、T□tT’ss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。
The example shown in FIG. 28 is a constant current circuit using the same transistor as T□tT'ss and using a so-called current mirror circuit.

第29図の例は、第22図の例のバッテリ・チェッカー
を電子時計に応用した例である。
The example shown in FIG. 29 is an example in which the battery checker shown in FIG. 22 is applied to an electronic watch.

TI HTt r T41〜T41およびR4,とR4
,は公称1.5vの水銀電池E、の電圧レベルをチェッ
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チャネル−MOS、N+ゲグー・Nチャネル
−MO8T、、T、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〜1.5■以内に
なるように、チャネル部分にイオン打込みをほどこして
いる。
TI HTtr T41~T41 and R4, and R4
, constitutes a circuit that checks the voltage level of a mercury battery E, nominally 1.5V. The transistor pair in the differential section is set to P+
Consists of gate/N-channel MOS, N+gegu/N-channel MO8T, T, so that the threshold voltage of both is within 1.0V to 1.5■, which is the operating power supply range of electronic watches. , ion implantation is applied to the channel part.

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1.1■であり、バッテリーの電圧が下った
ことを検出するレベルを1.4■近辺に合せるために抵
抗手段R+−Rtの抵抗比で調整している。
The difference between the threshold voltages that serve as reference voltages is approximately 1.1■ in the case of silicon semiconductors, and the resistance means R+ is used to adjust the level at which the voltage drop of the battery is detected to around 1.4■. - It is adjusted by the resistance ratio of Rt.

このバッテリーチェッカーは、消費電流を実用上無視で
きる程度とするために1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ック信号φにより、間欠的
に動作する。
This battery checker operates intermittently using a clock signal φ obtained from the 1-frequency divider circuit FD through the timing circuit TM in order to reduce the current consumption to a practically negligible level.

バッテリーチェッカーの出力はNANDゲートグーI 
、NA!で構成されたラッチによりスタティック(保持
され、このラッ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Kよっ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、バッテリー電圧
の低下を表示する。バッテリ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。
The output of the battery checker is NAND gate goo I
, NA! The logic level of this latch circuit output controls the timing circuit TM, which changes the drive output of the motor, changes the way the hands move, and changes the battery voltage. A decrease in battery voltage can be indicated without changing the movement of the pointer, or by blinking an electro-optical element such as a liquid crystal or a light emitting diode.

なお同図において、O8CはCMOSインバータで構成
され、IC外の部品水晶Xtal及び容量CGICD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
するステップ・モータの励磁コイル、BF、、BF、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ッファーである。
In the figure, O8C is a crystal oscillator circuit that is composed of a CMOS inverter and includes a crystal Xtal and a capacitor CGICD outside the IC, WS is a waveform shaping circuit that converts the oscillation output from a sine wave to a rectangular wave, and CM BF is an excitation coil of a step motor that drives the second hand, and BF is a buffer for driving the excitation coil CM, which is composed of a CMOS inverter and inverts the polarity every second.

IC内の全ての回路は公称1.5vの水銀電池E。All circuits in the IC are nominally 1.5v mercury battery E.

で動作する。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NA、、NA、で構成されたラッ
チの制御出力を入力として、任意の周期およびパルス幅
を持つパ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ゲグーCMOSプロセスで
作られた指針式電子腕時計用モノリシックSi半導体チ
ップである。
It works. TM is a timing pulse generation circuit that generates pulses with arbitrary periods and pulse widths by inputting the divided outputs of a plurality of different frequencies of the frequency dividing circuit FD and the control output of a latch composed of NA, , NA, etc. It is. The IC is a monolithic Si semiconductor chip for a pointer type electronic wristwatch manufactured by the Si Gegu CMOS process shown in FIG.

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@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。
The present invention has been described above based on various embodiments, but
Without being limited to this, the technical ideas described herein may be applied to electronic devices for various other uses.

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

第1図はGaAs 、 S iおよびGe半導体のエネ
ルギー争ギャップ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ェルミ準位Efを示
す図であり、同図+u # tblはN型半導体、lc
l 、 ldlはP型半導体の例を示す。第3図はN型
及びPWSiのフェルミ準位の、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1al 、 
lblおよび(clはそれぞれGe 、 S lおよび
GaAs半導体と各種のドナーおよびアクセグタ不純物
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PM半導体のフェルミ単位の差(E
fn−Efp)を取り出すために使用され得るP+ゲー
トおよびN+ゲグーMO8FETの断面構造を概略的に
示し、左半分がPチャンネルFET、右半分がNチャン
ネルFETを示している。 第6図(副乃至1flはN+ゲグー(B部分)およびP
+ゲート(A部分)PチャンネルMO8FETが通常の
コンプリメンタリMO8を構成するPチャンネルFET
(C部分)およびNチャンネルFET(D部分)と−緒
に製造されるのを示す。主要工程における断面図である
。第7図1al 、 tl)Iは夫々N+グートPチャ
ンネルMO8FETの平面図と断面図を、同図tC1l
 ldlはP+ゲグーPチャンネルMO8FETの平面
図と断面図を示し、各平面図の矢印で示した線をその断
面図の切断線と仮定している。 第8図1al 、 tblはそれぞれP+型半導体−絶
縁物−NfJ牛導体構造のエネルギー状態と電荷の状態
を示し、同図1cI 、 tdl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4図1al p tblは夫々異なるしきい値電圧V
th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
り、第10図はイオン打ち込みによってVthが変化す
る様子を示す特性図である。 第11図及び第12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13図181は更に他の
基準電圧発生回路の一例を示し、同図1b)はそのタイ
ミング信号波形を示す。第14図乃至第19図は更に他
の実施例にもとすく基準電圧発生回路を示す。第20図
〜第22図はそれらを電圧検出回路に応用した例を、第
23図〜第25図は電圧レギエレータに応用した例を、
第26図〜第28図は定電流回路に応用した例を、第2
9図は電子式腕時計用バッテリ・チェッカーに応用した
例を示している。 T・・・MOSFET、R・・・抵抗、C・・・コンデ
ンサ、Xtal・・・水晶振動子、O8C・・・水晶発
振回路、WS・・・正弦波−く形波変換波形成形回路、
FD・・・2進力ウンタ多段接続分周回路、TM・・・
タイミング回路、CM・・・秒針駆動用ステップモータ
の励磁コイ#、BF・・・CMの駆動用バッファー、N
A・・・NANDゲート、IC・・・モノリシックSi
半導体集積回路チップ、φ・・・クロックパルス、Eg
・・・半導体のエネルギー・ギャップ、Ev・・・価電
子帯の最上限準位、E、・・・伝導帯の最下限準位、E
i・・・真性半導体のフェルミ準位、Efn 、”fp
・・側型、P型半導体のフェルミ準位、Ed、Ea・・
・ドナーアクセプタ準位。 第 1 図 第 3 図 tct) 第 2 同 第 4 図 (a−) 第 9 図 (L)(b! 第11図 第12図 第 13 図 (σ) 第14区 第16図 第17図 第 18 図 第 19 図 第20図 第21図 第22図 第23図 第24図 第25図
FIG. 1 is a diagram showing the energy gap Eg of GaAs, Si, and Ge semiconductors and its temperature dependence. Figure 2 is a diagram showing the band structure and Fermi level Ef of a semiconductor, where +u # tbl is an N-type semiconductor, lc
l and ldl indicate examples of P-type semiconductors. FIG. 3 is a diagram showing the temperature characteristics of the Fermi level of N-type and PWSi with impurity concentration as a parameter. Figure 4 1al,
lbl and (cl are diagrams showing the energy level distributions of Ge, Sl, and GaAs semiconductors, and various donor and acceptor impurities, respectively. Figure 5 shows the Fermi unit difference (E
Fig. 3 schematically shows the cross-sectional structure of a P+ gate and N+ gate MO8FET that can be used to extract fn-Efp), with the left half showing the P-channel FET and the right half showing the N-channel FET. Figure 6 (secondary to 1fl are N+gegu (B part) and P
+Gate (A part) P-channel MO8FET constitutes a normal complementary MO8
(section C) and an N-channel FET (section D). It is a sectional view in a main process. Figure 7 1al, tl)I respectively show a plan view and a cross-sectional view of an N+Goot P-channel MO8FET;
ldl shows a plan view and a cross-sectional view of a P+gegu P-channel MO8FET, and the line indicated by the arrow in each plan view is assumed to be the cutting line of the cross-sectional view. Figure 8 1al and tbl show the energy state and charge state of the P+ type semiconductor-insulator-NfJ conductor structure, respectively, and Figure 1cI and tdl show the energy state of the N+ type semiconductor-insulator-N type semiconductor structure, respectively. FIG. 3 is a diagram showing the state of charge. FIG. 4 1al p tbl are respectively different threshold voltages V
10 is a characteristic diagram of a MOS diode circuit for extracting the difference in Vth between two FETs having th, and a diagram showing the circuit. FIG. 10 is a characteristic diagram showing how Vth changes due to ion implantation. 11 and 12 each show an example of a reference voltage generation circuit that utilizes the difference in Vth, FIG. 13 (181) shows an example of another reference voltage generation circuit, and FIG. shows. FIGS. 14 to 19 show reference voltage generating circuits according to still other embodiments. Figures 20 to 22 show examples in which they are applied to voltage detection circuits, and Figures 23 to 25 show examples in which they are applied to voltage regulators.
Figures 26 to 28 show examples of applications to constant current circuits.
Figure 9 shows an example of application to a battery checker for electronic wristwatches. T...MOSFET, R...resistance, C...capacitor, Xtal...crystal resonator, O8C...crystal oscillation circuit, WS...sine wave-square wave conversion waveform shaping circuit,
FD...Binary power counter multi-stage connection frequency divider circuit, TM...
Timing circuit, CM... Excitation coil # of the step motor for driving the second hand, BF... Buffer for driving the CM, N
A...NAND gate, IC...monolithic Si
Semiconductor integrated circuit chip, φ...clock pulse, Eg
...Energy gap of the semiconductor, Ev...The highest level of the valence band, E,...The lowest level of the conduction band, E
i...Fermi level of intrinsic semiconductor, Efn, "fp
...Fermi level of side-type, P-type semiconductor, Ed, Ea...
- Donor acceptor level. Figure 1 Figure 3 tct) Figure 2 Figure 4 (a-) Figure 9 (L) (b! Figure 11 Figure 12 Figure 13 (σ) District 14 Figure 16 Figure 17 Figure 18 Figure 19 Figure 20 Figure 21 Figure 22 Figure 23 Figure 24 Figure 25

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、ゲート電極のフェルミ準位差に応じたしきい値電圧
差を持つ第1.第2 IGFETを有し、このしきい値
電圧差にもとすいて形成された基準電圧を利用して定電
流を形成することを特徴とする定電流回路。 2、上記第1IGFETのドレインはそのゲートに直流
的に結合され、上記第2IGFETのゲート・ソース間
に上記第1IGFETが設けられ、上記第1.第2IG
FETのしきい値電圧差にもとすいた定電流が上記第2
IGFETのドレインに流れるようにされてなることを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載の定電流回路。 3、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1又は第2項記載の定
電流回路。
[Scope of Claims] 1. A first cell having a threshold voltage difference according to the Fermi level difference of the gate electrode. A constant current circuit comprising a second IGFET and generating a constant current using a reference voltage formed based on this threshold voltage difference. 2. The drain of the first IGFET is DC coupled to the gate thereof, the first IGFET is provided between the gate and source of the second IGFET, and the first IGFET is provided between the gate and source of the second IGFET, and the first IGFET is provided between the gate and source of the second IGFET. 2nd IG
The constant current that is suitable for the threshold voltage difference of the FET is the second
2. The constant current circuit according to claim 1, wherein the constant current circuit is configured to flow through the drain of an IGFET. 3. Above 1. 3. The constant current circuit according to claim 1, wherein each gate electrode of the second IGFET has a semiconductor layer portion having a different conductivity type.
JP20176984A 1984-09-28 1984-09-28 Constant current circuit Granted JPS60252925A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20176984A JPS60252925A (en) 1984-09-28 1984-09-28 Constant current circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP20176984A JPS60252925A (en) 1984-09-28 1984-09-28 Constant current circuit

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3924278A Division JPS54132753A (en) 1978-03-08 1978-04-05 Referential voltage generator and its application

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS60252925A true JPS60252925A (en) 1985-12-13
JPS6319884B2 JPS6319884B2 (en) 1988-04-25

Family

ID=16446630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP20176984A Granted JPS60252925A (en) 1984-09-28 1984-09-28 Constant current circuit

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS60252925A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02266715A (en) * 1989-03-07 1990-10-31 Kogo Denno Kofun Yugenkoshi Mos analog amplifier and cmos stationary circuit circuit
JPH05504670A (en) * 1990-02-01 1993-07-15 ガルトン インダストリーズ インク Communication system that controls multiple devices

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01149686U (en) * 1988-04-07 1989-10-17

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4952980A (en) * 1972-09-22 1974-05-23
JPS51102679A (en) * 1975-03-06 1976-09-10 Suwa Seikosha Kk DENSHISHIKI DOKEI
JPS51149780A (en) * 1975-06-16 1976-12-22 Hewlett Packard Yokogawa Standard voltage generator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4952980A (en) * 1972-09-22 1974-05-23
JPS51102679A (en) * 1975-03-06 1976-09-10 Suwa Seikosha Kk DENSHISHIKI DOKEI
JPS51149780A (en) * 1975-06-16 1976-12-22 Hewlett Packard Yokogawa Standard voltage generator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02266715A (en) * 1989-03-07 1990-10-31 Kogo Denno Kofun Yugenkoshi Mos analog amplifier and cmos stationary circuit circuit
JPH05504670A (en) * 1990-02-01 1993-07-15 ガルトン インダストリーズ インク Communication system that controls multiple devices

Also Published As

Publication number Publication date
JPS6319884B2 (en) 1988-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4377781A (en) Selectively adjustable voltage detection integrated circuit
US4559694A (en) Method of manufacturing a reference voltage generator device
US5159260A (en) Reference voltage generator device
US20180097510A1 (en) Schmitt Trigger Circuit With Hysteresis Determined By Modified Polysilicon Gate Dopants
US4454467A (en) Reference voltage generator
JPS60252925A (en) Constant current circuit
JPS60143012A (en) Semiconductor integrated circuit device
JPS645327B2 (en)
JPS6121515A (en) Semiconductor integrated circuit device
JPS60252923A (en) Semiconductor integrated circuit device
JPS60252928A (en) Differential amplifier and electronic device using said amplifier
JPS60252924A (en) Constant current circuit
JP2679450B2 (en) Semiconductor device
GB2100540A (en) Reference voltage generators
JPS60252926A (en) Voltage regulator
KR830000876B1 (en) Battery voltage detector
JPS60243716A (en) Voltage regulator
JPS60243715A (en) Electronic device
KR830000875B1 (en) Voltage generator
JPS60252927A (en) Reference voltage generator and electronic device using said voltage generator
GB2081458A (en) Voltage comparitors
JPS60242664A (en) Manufacture of insulated gate type field-effect semiconductor device
JPS6341223B2 (en)
JPS6243546B2 (en)
JPH0226816B2 (en)