JP2004030603A - 半導体用基準電圧発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は温度変化に関わらず基準電圧の安定性を高めることのできる半導体用基準電圧発生装置を提供することにある。
【解決手段】ディプレッションＭＯＳトランジスタ１２の物理的ゲートサイズがエンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４の物理的ゲートサイズよりも小さく、且つドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線が実質的に対数領域にあることを特徴とする半導体用基準電圧発生装置１０。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体用基準電圧発生装置、特にその温度補償特性及び電流補償特性の改善機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体を用いた装置は、小型、低消費電力などの特性から電池を用いた可搬型デジマチック製品などに汎用される。特に、ＭＯＳトランジスタは高集積性、低消費電力性に優れるという利点を有するが、一方で、一般的にＭＯＳトランジスタは温度変化に伴い動作特性が大きく変化するという問題も合わせ有する。
このため、ＭＯＳトランジスタを用いた集積回路には、温度が変化しても常に一定の基準電圧を作成させるため、スレッショールド電圧は異なるが、ゲート電圧に対するドレイン電流の変化は温度が変化しても略同等の傾向（傾き）を持つ二つのＭＯＳトランジスタ、すなわちディプレッションＭＯＳトランジスタとエンハンスメントＭＯＳトランジスタの出力電圧の差分が略一定の電圧になることを利用して基準電圧を発生させていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＯＳ・ＩＣの集積度をさらに向上させたり、ＩＣの製造プロセスを変更するに伴い、ディプレッションＭＯＳトランジスタとエンハンスメントＭＯＳトランジスタの出力電圧の温度変化に対する動作特性の差が大きくなるという問題がある。
また、デジマチック製品の高精度化、高分解能化がすすむにつれて、要求される基準電圧の安定度はさらに高くなってきており、従来の基準電圧発生回路では要求仕様を満足させることが困難になってきている。
【０００４】
これらの要望に対し、特開２０００−８９８４３等は、ＭＯＳトランジスタのゲートサイズを調整することにより温度補償特性を向上させる試みを開示しているが、一方で電流変動に対する補償特性が低下するという問題があった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は温度変化に関わらず基準電圧の安定性を高めることのできる半導体用基準電圧発生装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明にかかる半導体用基準電圧発生装置は、ディプレッションＭＯＳトランジスタ及びエンハンスメントＭＯＳトランジスタの並列回路を有し、各ドレインが第一電源入力端子に負荷を介して接続され、各ソースが前記第一電源とは異なる電圧を有する第二電源に定電流回路を介して共通に接続され、前記両ＭＯＳトランジスタの差動電圧より基準電圧を得る半導体用基準電圧発生装置において、
ディプレッションＭＯＳトランジスタの物理的ゲートサイズがエンハンスメントＭＯＳトランジスタの物理的ゲートサイズよりも小さく、且つドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線が実質的に対数領域にあることを特徴とする。
【０００６】
また、前記装置において、前記ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートの幅Ｗ_１（ドレインないしソース対向辺の長さ）と、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲート幅Ｗ_２がＷ_１＜Ｗ_２であることが好適である。
また、前記装置において、前記ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートの長さＬ_１（ソースとドレイン間の長さ）と、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲートの長さＬ_２がＬ_１＞Ｌ_２であることが好適である。
また、前記装置において、（Ｗ_１／Ｌ_１）＞（Ｗ_２／Ｌ_２）であることが好適である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる半導体用基準電圧発生装置の回路構成が示されている。
同図に示す基準電圧発生装置１０は、スレッショールド電圧−０．２ＶのディプレッションＭＯＳトランジスタ１２と、スレッショールド電圧０．５５ＶのエンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４とを含み、両者の差動電圧より基準電圧を得るものである。
【０００８】
すなわち、本実施形態にかかる装置１０は、ディプレッションＭＯＳトランジスタ１２と、エンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４とが第一電源（本実施形態では１．５Ｖ）１６及び第二電源（本実施形態では接地：０Ｖ）１８との間に並列接続されている。そして、ディプレッションＭＯＳトランジスタ１２と第一電源１６との間、及びエンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４と第一電源１６との間にはシングルエンド出力にするためＭＯＳトランジスタ２０，２２が設けられている。
また、ディプレッションＭＯＳトランジスタ１２及びエンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４の各ソースは、定電流回路２４を介して第二電源１８に接続される。
【０００９】
前記エンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４のドレインは、ＭＯＳトランジスタ２６のゲートに接続され、ＭＯＳトランジスタ２６のドレインは第一電源１６に接続されている。この結果、該ＭＯＳトランジスタ２６のソースには、エンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４のドレイン電圧に依存した電圧が発生し、これを基準電圧２８として取り出す。
なお、エンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４のゲートには、分圧抵抗３０，３２により分圧された基準電圧２８はフィードバック印加されており、ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートには第二電源１８（０Ｖ）が接続されている。
以上のように構成された基準電圧発生装置１０により、基準電圧２８はディプレッションＭＯＳトランジスタ１２とエンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４のスレショールド電圧差に比例する一定の電圧が出力されることとなる。
【００１０】
ところで、前記基準電圧発生装置１０は、電源１６，１８の微少電圧変動などに対しては優れた定電圧維持機能を発揮するが、ＭＯＳトランジスタ、特に略同一形状、同一サイズのディプレッションＭＯＳトランジスタ１２とエンハンスメントＭＯＳトランジスタ１４は、温度に対する特性変化に相違があり、このため温度が大きく変化した場合には定電圧出力が困難になるという欠点があった。
この状態を図２に基づき説明する。同図において、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧の関係は、例えば２０℃（実線Ｅ１）から−２０℃（点線Ｅ２）に変化するのに対し、ディプレッションＭＯＳトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧の関係は、例えば２０℃（実線Ｄ１）から−２０℃（点線Ｄ２）に変化し、ディプレッションＭＯＳトランジスタの方が温度によるゲート電圧変化が大きいことが理解できる。
この結果、これらのゲート電圧に依存した両トランジスタのスレショールド電圧差は温度変化により変動してしまうのである。
【００１１】
一方、これらの問題に対し、例えば前記特開２０００−８９８４３はエンハンスメントＭＯＳトランジスタ及びディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートサイズをそれぞれ調整し、温度補償特性を向上させる構成が開示されている。
例えば、ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートサイズを調整した場合、そのドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線はシフトするとともに傾きも変化し、特定のドレイン電流におけるゲート電圧の温度変化に依存した変化を、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのそれに近似させることにより、温度補償特性の改善を図るものである。
【００１２】
しかしながら、この機構は、ドレイン電流の変化に対する補償特性を悪化させる傾向にある。すなわち、ドレイン電流変化に対する補償特性を向上させる場合には、ディプレッションＭＯＳトランジスタとエンハンスメントＭＯＳトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線の傾きが近似していることが必要であり、この傾きの近似性は両ＭＯＳトランジスタのゲート形状、サイズを含む物理的構造の近似性に依拠しているためである。
そこで本発明者はさらに温度補償特性及びドレイン電流変化に対する補償特性の両者を改善するため検討を行った。
【００１３】
そして、ディプレッションＭＯＳトランジスタとエンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲートのサイズを調整するとともに、各トランジスタのドレイン電流領域を対数領域に移動させることにより、温度補償特性、ドレイン電流補償特性の両者を両立させたのである。
すなわち、素子の動作特性自体をあわせるために、ディプレッションＭＯＳトランジスタとエンハンスメントＭＯＳトランジスタの相対的なゲートサイズを調整する。ディプレッションＭＯＳトランジスタはエンハンスメントＭＯＳトランジスタに不純物をさらにドープすることで製造されるが、そのため同じ大きさで各素子を構成した場合、ディプレッションＭＯＳトランジスタはエンハンスメントＭＯＳトランジスタよりも温度変化に対してのゲート電圧変化が大きいという特性を持ってしまう。そこで、ディプレッションＭＯＳトランジスタをエンハンスメントＭＯＳトランジスタよりも物理的サイズを小さくすることによって、温度変化に対するゲート電圧の変動の絶対量を小さくすればよい。
【００１４】
ＭＯＳトランジスタの構造は、図３に示すように基板５０上にソース５２、ドレイン５４、及びゲート５６を設けている。ゲート５６と基板５０の間には二酸化珪素絶縁膜５８が形成される。本実施形態において、ゲート５６の形状は、ソース５２−ドレイン５４間の長さＬ、ドレインないしソース対向辺の長さＷにより規定可能であり、ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートサイズをＬ_１，Ｗ_１、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲートサイズをＬ_２，Ｗ_２とすると、
▲１▼Ｌ_１，Ｌ_２を同じにしておいて、Ｗ_１＜Ｗ_２とする。
▲２▼Ｗ_１，Ｗ_２を同じにしておいて、Ｌ_１＞Ｌ_２とする。
▲３▼（Ｗ_１／Ｌ_１）＜（Ｗ_２／Ｌ_２）とする。
ことにより温度補償特性の改善が図られる。
【００１５】
一方、このように差動電圧を取得するディプレッションＭＯＳトランジスタ及びエンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲート形状を異なるものとすると、ドレイン電流が変動した場合には差動電圧が変動することになるが、これは定電流回路を用いるとともに、各ＭＯＳトランジスタの動作ドレイン電流領域を対数領域とすることで実質的な影響を排除することができる。
すなわち、前記図２において、ゲートサイズを変更した場合にはドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線の傾きが変動するが、この影響が大きく出るのは関係曲線の二次曲線領域Ａ_１であり、対数領域Ａ_２では傾きへの影響がほとんどない。これはＡ_１領域における関係曲線が数１で示され、またＡ_２領域における関係曲線が数２で示されることからも裏付けられる。
【００１６】
【数１】

【数２】

【００１７】
図４には、ＭＯＳトランジスタの各温度におけるドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線が示されており、同図（Ａ）はエンハンスメントＭＯＳトランジスタ（Ｗ_２／Ｌ_２＝２０／１０）、同図（Ｂ）はディプレッションＭＯＳトランジスタ（Ｗ_１／Ｌ_１＝２０／１０）、同図（Ｃ）は同じくディプレッションＭＯＳトランジスタ（Ｗ_１／Ｌ_１＝１０／２０）の関係曲線を対数軸で示したものである。同図よりエンハンスメントＭＯＳトランジスタの関係曲線を基準とすると、同図（Ｂ）に示すディプレッションＭＯＳトランジスタの関係曲線は明らかに温度の相違による電圧変動が大きいことが理解される。一方、同図（Ｃ）に示すディプレッションＭＯＳトランジスタの各温度における関係曲線は、同図（Ａ）に示すエンハンスメントＭＯＳトランジスタの対応温度における関係曲線と間隔及び傾きともに相似しており、温度補償特性、ドレイン電流補償特性ともに優れたものであることが理解される。なお、図４（Ｂ）（Ｃ）のディプレッションＭＯＳトランジスタをそれぞれ用いた場合の温度特性を図５に示す。
【００１８】
なお、このようにディプレッションＭＯＳトランジスタ及びエンハンスメントＭＯＳトランジスタの特性を合わせるための各素子の具体的なＬとＷは実験により帰納的に求める必要がある。
経験的にＭＯＳトランジスタは製造工程により温度変化に対する動作特性変動が異なるが、エンハンスメントＭＯＳトランジスタよりディプレッションＭＯＳトランジスタの方が温度変化に対する動作特性の変動が大きく出るという傾向には変わりがない。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明にかかる半導体用基準電圧発生装置によれば、ディプレッションＭＯＳトランジスタの物理的ゲートサイズをエンハンスメントＭＯＳトランジスタの物理的ゲートサイズよりも小さくするとともに、ドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線が実質的対数領域で駆動させることにより、温度補償特性とともにドレイン電流補償特性の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体用基準電圧発生装置の一回路構成例の説明図である。
【図２】ＭＯＳトランジスタの各温度におけるドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線の説明図である。
【図３】ＭＯＳトランジスタの構造説明図である。
【図４】ＭＯＳトランジスタのゲートサイズと対数領域におけるドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線の説明図である。
【図５】ディプレッションＭＯＳトランジスタのＷ／Ｌを変更した場合の差動電圧の温度特性の説明図である。
【符号の説明】
１０　基準電圧発生装置
１２　ディプレッションＭＯＳトランジスタ
１４　エンハンスメントＭＯＳトランジスタ
５２　ドレイン
５４　ソース
５６　ゲート

Claims (4)

1. ディプレッションＭＯＳトランジスタ及びエンハンスメントＭＯＳトランジスタの並列回路を有し、各ドレインが第一電源入力端子に負荷を介して接続され、各ソースが前記第一電源とは異なる電圧を有する第二電源に定電流回路を介して共通に接続され、前記両ＭＯＳトランジスタの差動電圧より基準電圧を得る半導体用基準電圧発生装置において、
   ディプレッションＭＯＳトランジスタの物理的ゲートサイズがエンハンスメントＭＯＳトランジスタの物理的ゲートサイズよりも小さく、且つドレイン電流−ゲート電圧の関係曲線が実質的に対数領域にあることを特徴とする半導体用基準電圧発生装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートの幅Ｗ_１（ドレインないしソース対向辺の長さ）と、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲート幅Ｗ_２がＷ_１＜Ｗ_２であることを特徴とする半導体用基準電圧発生装置。
3. 請求項１記載の装置において、前記ディプレッションＭＯＳトランジスタのゲートの長さＬ_１（ソースとドレイン間の長さ）と、エンハンスメントＭＯＳトランジスタのゲートの長さＬ_２がＬ_１＞Ｌ_２であることを特徴とする半導体用基準電圧発生装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、（Ｗ_１／Ｌ_１）＞（Ｗ_２／Ｌ_２）であることを特徴とする半導体用基準電圧発生装置。

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