JP2004134530A - Level shifter circuit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a level shifter circuit for reducing the manufacturing cost by preventing breakdown of the junction between the gate oxidation layer and the drain junction face. <P>SOLUTION: The level shifter circuit includes at least one or more complementary metal oxide film semiconductor transistors formed on p-type substrate and provided with a p-type metal oxide film semiconductor transistor and an n-type metal oxide film semiconductor transistor. The n-type metal oxide film semiconductor 60 is composed of a gate 62, a drain 66 provided with an n-type well 70 formed on the p-type substrate and a first N+ doping region formed in the n-type well and formed adjacent to the n-type well, and a source 64 having a second N+ doping region formed on the p-type substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電位シフト回路に関し、特にゲート酸化層のブレークダウンと、ドレイン接合面のブレークダウンの発生を防ぐことのできる電位シフト回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属酸化膜半導体トランジスタ(MOS)において、ゲート酸化層の品質は、トランジスタ全体の操作特性に直接影響する。例えば、酸化層の電荷の分布は、トランジスタの閾電圧に影響を与え、さらに電荷の存在によって該酸化層のブレークダウン電圧が降下する。
【0003】
図1に従来の金属酸化膜半導体トランジスタ10の酸化層における電荷の分布を開示する。金属酸化膜半導体トランジスタ10は、ゲートとなる金属層11と、酸化層12と、基板13とを含んでなる。一般に、酸化層における電荷の種類は、インタフェーストラップ電荷14と、酸化層固定電荷16と、酸化層トラップ電荷18と、可動電荷20とに分けられる。
【0004】
図1に開示するインタフェーストラップ電荷14は、主に酸化層12と、基板13との接合個所において形成される。即ち、酸化層12と基板13の接合個所における結晶格子が連接しないために欠陥を有することから、基板13内のケイ素の原子と、酸化層11の二酸化ケイ素の分子において、ケイ素とケイ素との連鎖と、ケイ素と酸素との連鎖が分断されてインタフェースとラップ電荷14が発生する。
【0005】
図1に開示する酸化層固定電荷16は、主に酸化層11と基板13の接合個所に近接した位置に分布する。酸化層固定電荷15はプラス電荷であって、かつ充放電によって消失することがない。その発生は、酸化の過程において酸化が突然中止すると、酸化層12と基板13との接合個所に存在する大量のケイ素イオンが酸素分子と酸化反応を起こすことができなくなり酸化層12内に残留することによる。
【0006】
図1に開示する酸化層トラップ電荷18は、酸化層12内に分布し、主に酸化層12自身の構造上の欠陥によって発生し、電子、もしくは正孔を該欠陥に取り込むことによって通電状態となる。
【0007】
可動電荷20は、主に製造工程において、例えばナトリウムイオン、カリウムイオンなどの金属イオンをはじめとする不純物が酸化層12内を自由に移動するものである。
【0008】
図2に、図1の金属酸化膜半導体トランジスタ10の構造を開示する。図示によれば、金属酸化膜半導体トランジスタ10はn型金属酸化膜半導体(NMOS)トランジスタ22と、p型金属酸化膜半導体(PMOS)トランジスタ24とを含む。n型金属酸化膜半導体トランジスタ22は金属によってなるゲート26と、n型ドーピング領域であるソース28と、n型ドーピング領域であるドレイン30と、及び酸化層31とを含む。また、p型金属酸化膜半導体トランジスタ24は、金属によってなるゲート32と、p型ドーピング領域であるソース34と、p型ドーピング領域であるドーピング領域であるドレイン36と、及び酸化層37とを含む。
【0009】
さらに、n型金属酸化膜トランジスタ22及びp型金属酸化膜トランジスタ24はp型基板38上に形成され、かつp型金属酸化膜半導体24は該p型基板38に隣接するn型ウェル40を別途形成し、ソース34とドレイン36はn型ウェル40によってp型基板38と隔離され、p型金属酸化膜半導体トランジスタ24に電流が導通した場合にn型ウェル40を介してチャネルが形成される。
【0010】
n型金属酸化膜半導体トランジスタ22は、ゲート26とドレイン30との間の電圧差が所定値より大きい場合、半導体材料内の共有結合が外部の電界によって破壊される。また酸化層31自体も複数の電荷を含むため、かかる外部の電界の影響を受けると酸化層31内に電子の乱れが発生し、酸化層31に含まれる電子の数が急増することによって、酸化層31のブレークダウンが発生してn型金属酸化膜半導体22の特性が破壊され、効力を失う。
【0011】
同様に、p型金属酸化膜半導体トランジスタ24は、ゲート32とドレイン36との間の電圧差が所定値を越えると、半導体材料内の共有結合が外部の電界によって破壊される。また、酸化層37自体も複数の電荷を含むため、かかる外部の電界の影響を受けると、酸化層37内に電子の乱れが発生し、酸化層37に含まれる電子の数が急増することによって、酸化層31のブレークダウンが発生し、p型金属酸化膜半導体24の特性が破壊されて効力を失う。
【0012】
図3に、従来のレベルシフト回路50を開示する。図示によれば、レベルシフト回路50は複数の金属酸化膜半導体トランジスタ52、54、56、58を含み、金属酸化膜半導体トランジスタ52、56はp型金属酸化膜半導体トランジスタであって、金属酸化膜半導体トランジスタ54、58はn型金属酸化膜半導体トランジスタである。また金属酸化膜半導体トランジスタ54はゲートに電圧Vddが接続し、金属酸化膜半導体トランジスタ52、56はソースに電圧Vnが接続する、また、入力電圧Vinの高レベル電圧値がVddであって、低レベル電圧値が接地電圧(0V)である。例えば、仮にVn及びVddがそれぞれ10Vと3.3Vであり、金属酸化膜半導体トランジスタ52、54、56、58のブレークダウン電圧が10Vであれば、入力電圧Vinを高レベル電圧(3.3V)とすると、金属酸化膜半導体トランジスタ58は導通し、トランジスタ54は非導通となる。よって、エンドポイントBの電圧は接地電圧に近づき、金属酸化膜半導体トランジスタ52が導通する。同時にエンドポイントAの電圧が10Vに近づき、この場合金属酸化膜半導体トランジスタ56は非導通となる。よって、出力電圧Voutが接地電圧に近づく。金属酸化膜半導体トランジスタ52、58については、導通状態にあるが、但しドレインとゲートとの間の逆バイアスが10Vに近づく。
【0013】
上述のように、逆バイアスが金属酸化膜半導体トランジスタ52、58のブレークダウン電圧を超えると、ゲート酸化層のブレークダウンが発生し、レベルシフト回路50の特性が破壊される。同様に、入力電圧Vinが低レベル(0V)の場合、金属酸化膜半導体トランジスタ58は非導通となり、金属酸化膜半導体トランジスタ54が導通してエンドポイントAの電圧が0Vに近くなり、同時に金属酸化膜半導体トランジスタ56が導通してエンドポイントBの電圧が10Vに近づく。この場合金属酸化膜半導体トランジスタ52は非導通となる。よって、出力電圧Voutは10Vに近づく。金属酸化膜半導体トランジスタ54、56については、導通状態となるが、但しドレインとゲートの間のバイアスが10Vに近づく。
【0014】
上述のとおり、バイアスが金属酸化膜半導体トランジスタ54、56のブレークダウン電圧を超えると、対応する酸化層がブレークダウンして大量のブレークダウン電流が発生し、レベルシフト回路50の特性を破壊する。
【0015】
レベルシフト回路50は、金属酸化膜半導体トランジスタ52、54、56、58の酸化層が高電圧差の状況下にあってブレークダウンの発生を防ぐためには、レベルシフト回路50は電圧Vnのレベル(例えば5V)を制御して金属酸化膜半導体トランジスタ52、54、56、58を正常に作動さえなければならない。仮に金属酸化膜半導体トランジスタ52、54、56、58の製造に一般の金属酸化膜半導体トランジスタの製造工程を応用するのであれば、ゲート酸化層自体は電荷のドーピングによって比較的低いブレーク電圧を具えることになり、さらにレベルシフト回路50を高電圧(Vn)で操作すると、金属酸化膜半導体トランジスタ52、54、56、58の低ブレーク電圧の影響を受けて不安定になる。よって、レベルシフト回路50は低レベルの入力信号を電圧差が過大な高レベル出力信号に転換することができない。
【0016】
【本発明が解決しようとする課題】
本発明は、ブレークダウンの発生を効果的に防ぐことができるとともに、一般の金属酸化膜半導体トランジスタの製造工程を応用して金属酸化膜半導体トランジスタのブレークダウン電圧を改善し、かつ製造コストの低減を達することのできるレベルシフト回路を提供することを課題とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は従来の技術に見られる欠点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、p型基板上に形成され、p型金属酸化膜半導体トランジスタとn型金属酸化膜半導体トランジスタとを具える少なくとも1以上の相補型金属酸化膜半導体トランジスタを含んでなるレベルシフト回路において、
該n型金属酸化膜半導体トランジスタは、ゲートと、
該p型基板上に形成されるn型ウェル及び該n型ウェル内に形成されるとともに該n型ウェルに隣接して形成される第1N+ドーピング領域とを具えるドレインと、
該p型基板上に形成される第2N+ドーピング領域を有するソースとを含む構造によって課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。
【0018】
即ち、上述の通り、少なくとも一以上の相補型金属酸化膜半導体トランジスタをp型基板上に形成し、入力電圧を出力電圧に転換することによって、この発明の課題であるブレークダウンの発生を防ぐレベルシフト回路が得られる。
【0019】
以下、本発明について具体的に説明する。
【0020】
請求項1に記載のレベルシフト回路は、p型基板上に形成され、p型金属酸化膜半導体トランジスタとn型金属酸化膜半導体トランジスタとを具える少なくとも1以上の相補型金属酸化膜半導体トランジスタを含んでなるレベルシフト回路において、
該n型金属酸化膜半導体トランジスタは、ゲートと、
該p型基板上に形成されるn型ウェル及び該n型ウェル内に形成されるとともに該n型ウェルに隣接して形成される第1N+ドーピング領域とを具えるドレインと、
該p型基板上に形成される第2N+ドーピング領域を有するソースとを含み、
入力電圧を出力電圧に転換する。
【0021】
請求項2に記載するレベルシフト回路は、請求項1におけるレベルシフト回路が、第1と第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタと、第1と第2p型金属酸化膜半導体トランジスタとを含み、
該第1と第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタは、該両相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体トランジスタのゲート同士が互いに接続して参考電圧を提供し、
該第1と第2p型金属酸化膜半導体トランジスタは、該両p型金属酸化膜半導体トランジスタのソースがいずれも電源供給手段に接続し、
該第1p型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに接続し、
該第2p型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに接続し、
該第1p型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体のソースに接続し、
該第2p型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体のソースに接続する。
【0022】
請求項3に記載するレベルシフト回路は、請求項2における第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続するドレインと、
前記第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続するゲートとを具える第1n型金属酸化膜半導体トランジスタをさらに含み、
かつ該第1n型金属酸化膜半導体のソースが接地である。
【0023】
請求項4に記載するレベルシフト回路は、請求項3における第1n型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートに接続し、該入力電圧を入力して該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を制御するための入力端をさらに具える。
【0024】
請求項5に記載するレベルシフト回路は、請求項4における第1及び第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが制御電圧に接続して、該制御電圧と該入力電圧に基づいて該2つの相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を決定する。
【0025】
請求項6に記載するレベルシフト回路は、請求項5における第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタが導通した場合、該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタとが非導通となり、
該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタとが導通した場合、
該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタが非導通となる。
【0026】
請求項7に記載するレベルシフト回路は、請求項2におけるインバータを介してゲートが互いに接続する第1、及び第2n型金属酸化膜半導体トランジスタを更に含み、
該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続し、
該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続し、
該両n型金属酸化膜半導体トランジスタのソースが接地である。
【0027】
請求項8に記載するレベルシフト回路は、請求項7における第1n型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートに接続し、入力電圧を入力して該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタか、もしくは該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を制御する。
【0028】
請求項9に記載するレベルシフト回路は、請求項8における第1、及び第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが制御電圧に接続して、該制御電圧と該入力電圧に基づいて該2つの相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を決定する。
【0029】
請求項10に記載するレベルシフト回路は、請求項9における第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタが導通した場合、該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタとが非導通となり、
該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタとが導通した場合、
該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタとが非導通となる。
【0030】
請求項11に記載するレベルシフト回路は、請求項1における相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、p型金属酸化膜半導体トランジスタとの間に設けられ、該出力電圧を出力する出力端を更に含む。
【0031】
【発明の実施の形態】
この発明は、ゲート酸化層、ドレイン接合面に発生するブレークダウンを抑制することのできるレベルシフト回路を提供するものであって、少なくとも一以上の相補型金属酸化膜半導体トランジスタを具えてなり、該相補型金属酸化膜半導体トランジスタは、p型金属酸化膜半導体トランジスタと、n型金属酸化膜半導体トランジスタとを含んでなる。
【0032】
かかるレベルシフト回路の構造と特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図示を参照にして以下に説明する。
【0033】
【第1の実施例】
図4に、この発明におけるn型金属酸化膜半導体トランジスタ60の構造を開示する。図示によれば、n型金属酸化膜半導体60は、金属、もしくは複合結晶ケイ素によってなるゲート62と、n型ドーピング領域であるソース64と、n型ドーピング領域であるドレイン66と、p型基板68と、酸化層67と、n型ウェル70とを含んでなり、該n型ウェルはドレイン66とp型基板68との間に形成されてドレイン66とp型基板68とが直接接触してPN接合面を形成しないように隔離し、さらにn型ウェル70によってp型基板68とドレイン66との間のブレークダウン電圧を高めて、ドレイン66とp型基板68の接合面にブレークダウン現象の発生を防ぐ。
【0034】
図5に、本発明によるレベルシフト回路80を開示する。図示によれば、レベルシフト回路80は複数の金属酸化膜半導体トランジスタ82、84、86、88、90、92、94を含んでなる。金属酸化膜半導体トランジスタ86、88、90、92はp型金属酸化膜半導体トランジスタであって、金属酸化膜半導体トランジスタ82、84、94はn型金属酸化膜半導体トランジスタである。ここで注意すべき点は、金属酸化膜半導体トランジスタ84、94は図4に開示するn型金属酸化膜半導体トランジスタ60を使用し、金属酸化膜半導体トランジスタ82は従来のn型金属酸化膜半導体トランジスタを使用する点である。
【0035】
金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のソースは電圧供給元Vnに接続し、金属酸化膜半導体トランジスタ88、90はクロスカップリング方式で接続する。金属酸化膜半導体トランジスタ86、92のゲートは参考電圧Vkに接続し、金属酸化膜半導体トランジスタ84、94のゲートは電圧供給元Vddに接続する。入力電圧Vinの高レベル電圧値はVddであって、低レベル電圧値は接地電圧(0V)である。
【0036】
以下、レベルシフト回路80の操作について詳述する。仮に入力電圧Vinの高レベル電圧値Vddが3.3Vであり、参考電圧Vkは3.3Vであり、電源供給元Vnは10Vであり、かつブレークダウン電圧は10Vである。入力電圧Vinが高レベル(3.3V)の場合、金属酸化膜半導体トランジスタ94は非導通となり、金属酸化膜半導体トランジスタ82、84は導通してエンドポイントBの電圧が接地電圧(0V)に近づく。金属酸化膜半導体トランジスタ86、92のゲートが参考電圧Vk(3.3V)に接続することによって、金属酸化膜半導体トランジスタ86は非導通となり、エンドポイントBの電圧(0V)はエンドポイントCに伝送されなくなる。また、金属酸化膜半導体トランジスタ86のソース(エンドポイントC)電圧が上昇し、ゲート電圧(3.3V)と、その閾電圧Vtの和を超えると、金属酸化膜半導体トランジスタ86が通電し、金属酸化膜半導体トランジスタ86のソース電圧がゲート電極と、その閾電圧の和に比して低くなるまで徐々に調整される。よって、金属酸化膜半導体トランジスタ90が導通してエンドポイントDの電圧が10Vに近づく。
【0037】
金属酸化膜半導体トランジスタ90については、ゲートとドレインとの間の電圧差が6.6Vに近づき、このためブレークダウンが発生しなくなる。同様に、金属酸化膜半導体トランジスタ88のゲートとドレインとの電圧差が6.6Vに近づくため、同じくブレークダウンが発生しない。
【0038】
最後に、エンドポイントDの電圧が10Vに近づき、金属酸化膜半導体トランジスタ92の導通によってエンドポイントAの電圧が10Vに近づく。
【0039】
上述のとおり、実施例においてはエンドポイントBからエンドポイントCに電圧0Vが伝送されることによって発生する金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のブレークダウンを防ぐことができる。
【0040】
入力電圧Vinが低レベル(0V)の場合、金属酸化膜半導体トランジスタ82は非導通となり、金属酸化膜半導体トランジスタ94が導通してエンドポイントAの電圧が接地電圧(0V)に近づく。金属酸化膜半導体トランジスタ86、92のゲートが参考電圧Vk(3.3V)に接続することによって、エンドポイントAの電圧(0V)はエンドポイントCに伝送されなくなる。また、金属酸化膜半導体トランジスタ92のソース(エンドポイントD)電圧が上昇し、ゲート電圧(3.3V)と、その閾電圧Vtの和を超えると、金属酸化膜半導体トランジスタ92が通電し、金属酸化膜半導体トランジスタ92のソース電圧がゲート電極と、その閾電圧の和に比して低くなるまで徐々に調整される。よって、金属酸化膜半導体トランジスタ88が導通してエンドポイントCの電圧が10Vに近づく。
【0041】
金属酸化膜半導体トランジスタ88については、ゲートとドレインとの間の電圧差が6.6Vに近づき、このためブレークダウンが発生しなくなる。同様に、金属酸化膜半導体トランジスタ90のゲートとドレインとの電圧差が6.6Vに近づくため、同じくブレークダウンが発生しない。
【0042】
最後に、エンドポイントCの電圧が10Vに近づき、金属酸化膜半導体トランジスタ86の導通によってエンドポイントBの電圧が10Vに近づく。
【0043】
上述のとおり、実施例においてはエンドポイントAからエンドポイントDに電圧0Vが伝送されることによって発生する金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のブレークダウンを防ぐことができる。また、金属酸化膜半導体トランジスタ84、94を作動させる過程において受けなければならないドレインエンドポイントの電圧(10V)は、その接合面のブレークダウン電圧より高い。よって、実施例において金属酸化膜半導体トランジスタ84、94は、図4に開示するn型金属酸化膜半導体トランジスタ60の構造を用いることによって、高いブレークダウン電圧特性を具えるようにする。
【0044】
【第2の実施例】
図6に、第2の実施例によるレベルシフト回路100を開示する。図示によれば、レベルシフト回路100は複数の金属酸化膜半導体トランジスタ82、84、86、88、90、92、94、102及びインバータ104を含んでなる。金属酸化膜半導体トランジスタ86、88、90、92はp型金属酸化膜半導体トランジスタであって、金属酸化膜半導体トランジスタ86、84、94、102はn型金属酸化膜半導体トランジスタである。ここで注意すべき点は、金属酸化膜半導体トランジスタ84、94は図4に開示するn型金属酸化膜半導体トランジスタ60を使用し、金属酸化膜半導体トランジスタ82、102は従来のn型金属酸化膜半導体トランジスタを使用する点である。
【0045】
金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のソースは電圧供給元Vnに接続し、金属酸化膜半導体トランジスタ88、90はクロスカップリング方式で接続する。金属酸化膜半導体トランジスタ86、92のゲートは参考電圧Vkに接続し、金属酸化膜半導体トランジスタ84、94のゲートは電圧供給元Vddに接続する。入力電圧Vinの高レベル電圧値はVddであって、低レベル電圧値は接地電圧(0V)である。また、インバータ104は金属酸化膜半導体トランジスタ82、102のゲートに接続する。
【0046】
以下、レベルシフト回路100の操作について詳述する。仮に入力電圧Vinの高レベル電圧値Vddが3.3Vであり、参考電圧Vkは3.3Vであり、電源供給元Vnは10Vであり、かつ酸化層ブレークダウン電圧、及び接合面ブレークダウン電圧は、いずれも10Vである。入力電圧Vinが低レベル(0V)の場合、金属酸化膜半導体トラジスタ94、102は非導通となり、金属酸化膜半導体トランジスタ82、84は導通してエンドポイントBの電圧が接地電圧(0V)に近づく。金属酸化膜半導体トランジスタ86、92のゲートが参考電圧Vk(3.3V)に接続することによって、エンドポイントBの電圧(0V)はエンドポイントCに伝送されなくなる。また、金属酸化膜半導体トランジスタ86のソースエンドポイントC電圧が上昇し、ゲート電圧(3.3V)と、その閾電圧Vtとの和を超えると、金属酸化膜半導体トランジスタ86が通電し、金属酸化膜半導体トランジスタ86のソース電圧がゲート電極と、その閾電圧との和に比して低くなるまで徐々に調整される。よって、金属酸化膜半導体トランジスタ90が導通してエンドポイントDの電圧が10Vに近づく。
【0047】
金属酸化膜半導体トランジスタ90については、ゲートとドレインとの間の電圧差が6.6Vに近づき、このためブレークダウンが発生しなくなる。同様に、金属酸化膜半導体トランジスタ88のゲートとドレインとの電圧差が6.6Vに近づくため、同じくブレークダウンが発生しない。
【0048】
最後に、エンドポイントDの電圧が10Vに近づき、金属酸化膜半導体トランジスタ92の導通によってエンドポイントAの電圧が10Vに近づく。
【0049】
上述のとおり、第2の実施例においてはエンドポイントBからエンドポイントCに電圧0Vが伝送されることによって発生する金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のブレークダウンを防ぐことができる。
【0050】
入力電圧Vinが高レベル(3.3V)の場合、金属酸化膜半導体トランジスタ82は非導通となり、金属酸化膜半導体トランジスタ94、102が導通してエンドポイントAの電圧が接地電圧0Vに近づく。金属酸化膜半導体トランジスタ86、92のゲートが参考電圧Vk(3.3V)に接続することによって、エンドポイントAの電圧(0V)はエンドポイントCに伝送されなくなる。また、金属酸化膜半導体トランジスタ92のソース(エンドポイントD)電圧が上昇し、ゲート電圧(3.3V)と、その閾電圧Vtとの和を超えると、金属酸化膜半導体トランジスタ92が通電し、金属酸化膜半導体トランジスタ92のソース電圧がゲート電極と、その閾電圧との和に比して低くなるまで徐々に調整される。よって、金属酸化膜半導体トランジスタ88が導通してエンドポイントCの電圧が10Vに近づく。
【0051】
金属酸化膜半導体トランジスタ88については、ゲートとドレインとの間の電圧差が6.6Vに近づき、このためブレークダウンが発生しなくなる。同様に、金属酸化膜半導体トランジスタ90のゲートとドレインとの電圧差が6.6Vに近づくため、同じくブレークダウンが発生しない。
【0052】
最後に、エンドポイントCの電圧が10Vに近づき、金属酸化膜半導体トランジスタ86の導通によってエンドポイントBの電圧が10Vに近づく。
【0053】
上述のとおり、第2の実施例においてはエンドポイントAからエンドポイントDに電圧0Vが伝送されることによって発生する金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のブレークダウンを防ぐことができる。また、金属酸化膜半導体トランジスタ84、94を作動させる過程において受けなければならないドレインエンドポイントの電圧(10V)は、その接合面のブレークダウン電圧より高い。よって、第2の実施例において金属酸化膜半導体トランジスタ84、94は、図4に開示するn型金属酸化膜半導体トランジスタ60の構造を用いることによって、高いブレークダウン電圧特性を具えるようにする。
【0054】
図3、図5、図6に開示するように、従来のレベルシフト回路50は、ブレークダウンによって低レベル電圧(Vdd)から高レベル(Vn)への転換を順調に行うことができない。但し、レベルシフト回路50を一次回路とし、レベルシフト回路80、もしくはレベルシフト回路100を二次回路とした場合、レベルシフト回路50の出力電圧をレベルシフト回路80、もしくはレベルシフト回路100の入力電圧として、さらに転換を行うことができる。例えば、レベルシフト回路50の入力電圧Vinの高レベルを3.3Vとし、低レベルを接地電圧とし、かつ電源供給元Vnを5Vとした場合、出力電圧Voutは5Vか、もしくは0Vとなり、かつゲートとドレインとの間の電圧差はブレークダウン電圧より低くなる。次いで、レベルシフト回路50の出力電圧Voutを次のレベルシフト回路80、もしくはレベルシフト回路100の入力電圧Vinとしてレベル転換の動作を実行する。
【0055】
ここで注意すべき点は、二次回路の低レベルVddは5vであって、レベルシフト回路80、もしくはレベルシフト回路100の出力電圧Voutの高レベルを10Vとし、低レベルを接地電圧(0V)としても、必要とするレベル転換の目的を達成することができ、トランジスタのゲートとドレインを跨ぐ電圧を減少させることができる点であって、かかる設定も同様にこの発明の範囲に属するものとする。
【0056】
この発明によるレベルシフト回路80、100は、参考電圧Vkによって金属酸化膜半導体トランジスタ86、92の導通、非導通を制御して、接地電圧が金属酸化膜半導体トランジスタ86、92を介して金属酸化膜半導体トランジスタ88、90のゲートに伝送されて酸化層のブレークダウンが発生する現象を防ぐことができる。また、一般の金属酸化膜半導体トランジスタの製造工程において、ドレインと基板との間にn型ウェル構造を打ち込むことによってレベルシフト回路80、100内の金属酸化膜半導体トランジスタ84、94のフレークダウン電圧を高め、レベルシフト回路80、100がドレインの基板に対する高い電圧差を受けてブレークダウンが発生することを防ぐことができる。さらに、該n型ウェル構造を打ち込む工程は、余剰の特殊な製造工程を必要としないため、一般の金属酸化膜半導体トランジスタの製造工程を応用して完成させることができ、金属酸化膜半導体トランジスタのブレークダウン電圧を改善するのみならず、製造工程における低コストを達成することができる。
【0057】
以上は、この発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲の範囲に属する。
【0058】
【発明の効果】
本発明によるレベルシフト回路は、トランジスタのゲート酸化層と、ドレイン接合面におけるブレークダウンの発生を効果的に防ぐことができるとともに、その製造工程において一般の金属酸化膜半導体トランジスタの製造工程を応用して金属酸化膜半導体トランジスタのブレークダウン電圧を改善するため、製造コストを低減させる効果を具える。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の金属酸化膜半導体トランジスタの酸化層に分布する電荷にかかる説明図である。
【図2】図1に開示する金属酸化膜半導体トランジスタの構造を表わす説明図である。
【図3】従来のレベルシフト回路を表わす説明図である。
【図4】この発明によるn型金属酸化膜半導体トランジスタの構造を表わす説明図である。
【図5】第1の実施例によるレベルシフト回路を表わす説明図である。
【図6】第2の実施例によるレベルシフト回路を表わす説明図である。
【符号の説明】
10、52、54、56、58、82、84、86、88、90、92、94、102            金属酸化膜半導体トランジスタ
11             金属層
12、31、37、67    酸化層
13、38、68       基板
14             インタフェーストラップ電荷
16             酸化層固定電荷
18             酸化層トラップ電荷
20             可動電荷
22、60          n型金属酸化膜半導体トランジスタ
24             p型金属酸化膜半導体トランジスタ
26、32、62       ゲート
28、34、64       ソース
30、36、66       ドレイン
40、70          n型ウェル
50、80、100      レベルシフト回路
104            インバータ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a potential shift circuit, and more particularly to a potential shift circuit that can prevent a gate oxide layer from breaking down and a drain junction surface from occurring.
[0002]
[Prior art]
In metal oxide semiconductor transistors (MOS), the quality of the gate oxide layer directly affects the operating characteristics of the entire transistor. For example, the distribution of charge in the oxide layer affects the threshold voltage of the transistor, and the presence of the charge reduces the breakdown voltage of the oxide layer.
[0003]
FIG. 1 discloses a charge distribution in an oxide layer of a conventional metal oxide semiconductor transistor 10. The metal oxide semiconductor transistor 10 includes a metal layer 11 serving as a gate, an oxide layer 12, and a substrate 13. Generally, the types of charges in the oxide layer are classified into interface trap charges 14, oxide layer fixed charges 16, oxide layer trap charges 18, and movable charges 20.
[0004]
The interface trap charge 14 disclosed in FIG. 1 is mainly formed at a junction between the oxide layer 12 and the substrate 13. That is, since the crystal lattice at the junction of the oxide layer 12 and the substrate 13 is not connected, the crystal lattice has a defect. Therefore, in the silicon atoms in the substrate 13 and the silicon dioxide molecules in the oxide layer 11, a chain of silicon and silicon is formed. Then, the chain of silicon and oxygen is broken, and the interface and the wrap charge 14 are generated.
[0005]
The oxide layer fixed charge 16 disclosed in FIG. 1 is mainly distributed at a position close to the junction between the oxide layer 11 and the substrate 13. The oxide layer fixed charge 15 is a positive charge and does not disappear by charging and discharging. This occurs because if the oxidation is suddenly stopped in the course of the oxidation, a large amount of silicon ions present at the junction between the oxide layer 12 and the substrate 13 cannot cause an oxidation reaction with oxygen molecules and remain in the oxide layer 12. It depends.
[0006]
The oxide layer trap charge 18 disclosed in FIG. 1 is distributed in the oxide layer 12 and is mainly generated by a structural defect of the oxide layer 12 itself. Become.
[0007]
The movable charge 20 is one in which impurities such as metal ions such as sodium ions and potassium ions move freely in the oxide layer 12 mainly in the manufacturing process.
[0008]
FIG. 2 discloses the structure of the metal oxide semiconductor transistor 10 of FIG. As shown, the metal oxide semiconductor transistor 10 includes an n-type metal oxide semiconductor (NMOS) transistor 22 and a p-type metal oxide semiconductor (PMOS) transistor 24. The n-type metal oxide semiconductor transistor 22 includes a gate 26 made of metal, a source 28 as an n-type doping region, a drain 30 as an n-type doping region, and an oxide layer 31. The p-type metal oxide semiconductor transistor 24 includes a gate 32 made of metal, a source 34 that is a p-type doping region, a drain 36 that is a doping region that is a p-type doping region, and an oxide layer 37. .
[0009]
Further, the n-type metal oxide film transistor 22 and the p-type metal oxide film transistor 24 are formed on a p-type substrate 38, and the p-type metal oxide film semiconductor 24 separately forms an n-type well 40 adjacent to the p-type substrate 38. The source 34 and the drain 36 are isolated from the p-type substrate 38 by the n-type well 40, and a channel is formed through the n-type well 40 when a current is conducted to the p-type metal oxide semiconductor transistor 24.
[0010]
In the n-type metal oxide semiconductor transistor 22, when a voltage difference between the gate 26 and the drain 30 is larger than a predetermined value, a covalent bond in the semiconductor material is broken by an external electric field. In addition, since the oxide layer 31 itself also includes a plurality of electric charges, the disturbance of the electrons occurs in the oxide layer 31 under the influence of such an external electric field, and the number of electrons contained in the oxide layer 31 increases rapidly. The breakdown of the layer 31 occurs, destroying the characteristics of the n-type metal oxide semiconductor 22 and losing its effectiveness.
[0011]
Similarly, in the p-type metal oxide semiconductor transistor 24, when the voltage difference between the gate 32 and the drain 36 exceeds a predetermined value, the covalent bond in the semiconductor material is broken by an external electric field. In addition, since the oxide layer 37 itself also includes a plurality of charges, when affected by such an external electric field, disturbance of electrons occurs in the oxide layer 37, and the number of electrons contained in the oxide layer 37 increases rapidly. Then, the breakdown of the oxide layer 31 occurs, and the characteristics of the p-type metal oxide semiconductor 24 are destroyed, losing its effectiveness.
[0012]
FIG. 3 discloses a conventional level shift circuit 50. As shown, the level shift circuit 50 includes a plurality of metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56, 58, wherein the metal oxide semiconductor transistors 52, 56 are p-type metal oxide semiconductor transistors, The semiconductor transistors 54 and 58 are n-type metal oxide semiconductor transistors. The voltage Vdd is connected to the gate of the metal oxide semiconductor transistor 54, the voltage Vn is connected to the sources of the metal oxide semiconductor transistors 52 and 56, and the high level voltage value of the input voltage Vin is Vdd. The level voltage value is the ground voltage (0 V). For example, if Vn and Vdd are 10V and 3.3V, respectively, and the breakdown voltage of the metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56, 58 is 10V, the input voltage Vin is changed to a high level voltage (3.3V). Then, the metal oxide semiconductor transistor 58 is turned on, and the transistor 54 is turned off. Therefore, the voltage at the end point B approaches the ground voltage, and the metal oxide semiconductor transistor 52 becomes conductive. At the same time, the voltage at the end point A approaches 10 V, and in this case, the metal oxide semiconductor transistor 56 is turned off. Therefore, the output voltage Vout approaches the ground voltage. The metal oxide semiconductor transistors 52 and 58 are conducting, but the reverse bias between the drain and the gate approaches 10V.
[0013]
As described above, when the reverse bias exceeds the breakdown voltage of the metal oxide semiconductor transistors 52 and 58, the breakdown of the gate oxide layer occurs and the characteristics of the level shift circuit 50 are destroyed. Similarly, when the input voltage Vin is at a low level (0 V), the metal oxide semiconductor transistor 58 is turned off, the metal oxide semiconductor transistor 54 is turned on, the voltage at the end point A approaches 0 V, and at the same time, the metal oxide semiconductor transistor is turned off. The film semiconductor transistor 56 conducts, and the voltage at the end point B approaches 10V. In this case, the metal oxide semiconductor transistor 52 is turned off. Therefore, the output voltage Vout approaches 10V. The metal oxide semiconductor transistors 54 and 56 are turned on, except that the bias between the drain and the gate approaches 10V.
[0014]
As described above, when the bias exceeds the breakdown voltage of the metal oxide semiconductor transistors 54 and 56, the corresponding oxide layer breaks down, generating a large amount of breakdown current and destroying the characteristics of the level shift circuit 50.
[0015]
In order to prevent the breakdown of the oxide layers of the metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56 and 58 when the oxide layers of the metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56 and 58 are at a high voltage difference, the level shift circuit 50 operates at the level of the voltage Vn ( For example, the metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56, and 58 must be operated normally by controlling 5 V). If a general manufacturing process of a metal oxide semiconductor transistor is applied to manufacture the metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56, and 58, the gate oxide layer itself has a relatively low break voltage due to charge doping. In other words, if the level shift circuit 50 is further operated at a high voltage (Vn), the level shift circuit 50 becomes unstable under the influence of the low break voltage of the metal oxide semiconductor transistors 52, 54, 56, 58. Therefore, the level shift circuit 50 cannot convert a low-level input signal into a high-level output signal having an excessively large voltage difference.
[0016]
[Problems to be solved by the present invention]
The present invention can effectively prevent the occurrence of breakdown, improve the breakdown voltage of a metal oxide semiconductor transistor by applying a general manufacturing process of a metal oxide semiconductor transistor, and reduce the manufacturing cost. It is an object of the present invention to provide a level shift circuit which can achieve the following.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, the present inventor has conducted intensive studies in view of the drawbacks found in the prior art, and as a result, has formed at least a p-type metal oxide semiconductor transistor and an n-type metal oxide semiconductor transistor formed on a p-type substrate. In a level shift circuit including one or more complementary metal oxide semiconductor transistors,
The n-type metal oxide semiconductor transistor comprises: a gate;
A drain comprising an n-type well formed on the p-type substrate and a first N + doping region formed in the n-type well and formed adjacent to the n-type well;
The inventors have focused on the point that the problem can be solved by a structure including a source having a second N + doping region formed on the p-type substrate, and completed the present invention based on such findings.
[0018]
That is, as described above, by forming at least one or more complementary metal oxide semiconductor transistors on a p-type substrate and converting an input voltage to an output voltage, a level that prevents the occurrence of breakdown, which is an object of the present invention, is obtained. A shift circuit is obtained.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described specifically.
[0020]
The level shift circuit according to claim 1, wherein at least one or more complementary metal oxide semiconductor transistors including a p-type metal oxide semiconductor transistor and an n-type metal oxide semiconductor transistor are formed on a p-type substrate. In the level shift circuit comprising
The n-type metal oxide semiconductor transistor comprises: a gate;
A drain comprising an n-type well formed on the p-type substrate and a first N + doping region formed in the n-type well and formed adjacent to the n-type well;
A source having a second N + doping region formed on the p-type substrate;
Converts input voltage to output voltage.
[0021]
According to a second aspect of the present invention, the level shift circuit according to the first aspect includes first and second complementary metal oxide semiconductor transistors, and first and second p-type metal oxide semiconductor transistors.
In the first and second complementary metal oxide semiconductor transistors, the gates of the p-type metal oxide semiconductor transistors of the two complementary metal oxide semiconductor transistors are connected to each other to provide a reference voltage,
In the first and second p-type metal oxide semiconductor transistors, both of the sources of the p-type metal oxide semiconductor transistors are connected to power supply means,
A gate of the first p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a drain of the p-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor;
A gate of the second p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a drain of the p-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor;
A drain of the first p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a source of the p-type metal oxide semiconductor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor;
The drain of the second p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to the source of the p-type metal oxide semiconductor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor.
[0022]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a level shift circuit comprising: a drain connected to a source of an n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor;
A gate connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor, further comprising a first n-type metal oxide semiconductor transistor;
The source of the first n-type metal oxide semiconductor is grounded.
[0023]
According to a fourth aspect of the present invention, the level shift circuit is connected to the gate of the first n-type metal oxide semiconductor transistor according to the third aspect, receives the input voltage, and turns on / off the first n-type metal oxide semiconductor transistor. Further comprising an input for controlling.
[0024]
In a level shift circuit according to a fifth aspect, the gates of the n-type metal oxide semiconductor transistors of the first and second complementary metal oxide semiconductor transistors according to the fourth aspect are connected to a control voltage, and the control voltage and the control voltage are connected to each other. The conduction and non-conduction of the n-type metal oxide semiconductor transistors of the two complementary metal oxide semiconductor transistors are determined based on the input voltage.
[0025]
In the level shift circuit according to the present invention, when the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor in claim 5 is turned on, the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor is turned on. The metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor transistor become non-conductive,
When the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor transistor conduct,
The n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor is turned off.
[0026]
The level shift circuit according to claim 7 further includes first and second n-type metal oxide semiconductor transistors whose gates are connected to each other via the inverter according to claim 2,
A drain of the first n-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor;
A drain of the second n-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor;
The sources of the n-type metal oxide semiconductor transistors are grounded.
[0027]
The level shift circuit according to claim 8 is connected to the gate of the first n-type metal oxide semiconductor transistor according to claim 7 and receives an input voltage to input the input voltage to the first n-type metal oxide semiconductor transistor or the second n-type metal oxide semiconductor transistor. Controlling the conduction and non-conduction of the type metal oxide semiconductor transistor.
[0028]
In the level shift circuit according to the ninth aspect, the gates of the n-type metal oxide semiconductor transistors of the first and second complementary metal oxide semiconductor transistors according to the eighth aspect are connected to a control voltage, and the control voltage and The conduction and non-conduction of the n-type metal oxide semiconductor transistors of the two complementary metal oxide semiconductor transistors are determined based on the input voltage.
[0029]
According to a tenth aspect of the present invention, in the level shift circuit according to the ninth aspect, when the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor transistor conduct, The n-type metal oxide semiconductor transistor of the two complementary metal oxide semiconductor transistors and the second n-type metal oxide semiconductor transistor become non-conductive,
When the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor and the second n-type metal oxide semiconductor transistor conduct,
The n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor transistor become non-conductive.
[0030]
A level shift circuit according to claim 11 is provided between an n-type metal oxide semiconductor transistor and a p-type metal oxide semiconductor transistor of the complementary metal oxide semiconductor transistor according to claim 1, and controls the output voltage. An output terminal for outputting is further included.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention provides a gate oxide layer and a level shift circuit capable of suppressing breakdown occurring at a drain junction surface, comprising at least one or more complementary metal oxide semiconductor transistors. The complementary metal oxide semiconductor transistor includes a p-type metal oxide semiconductor transistor and an n-type metal oxide semiconductor transistor.
[0032]
In order to detail the structure and features of such a level shift circuit, a specific embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0033]
[First Embodiment]
FIG. 4 discloses the structure of an n-type metal oxide semiconductor transistor 60 according to the present invention. As shown, the n-type metal oxide semiconductor 60 includes a gate 62 made of metal or composite crystal silicon, a source 64 that is an n-type doping region, a drain 66 that is an n-type doping region, and a p-type substrate 68. And an oxide layer 67, and an n-type well 70. The n-type well is formed between the drain 66 and the p-type substrate 68 so that the drain 66 and the p-type Isolation is performed so as not to form a junction surface, and the breakdown voltage between the p-type substrate 68 and the drain 66 is increased by the n-type well 70, so that a breakdown phenomenon occurs at the junction surface between the drain 66 and the p-type substrate 68. prevent.
[0034]
FIG. 5 discloses a level shift circuit 80 according to the present invention. As shown, the level shift circuit 80 includes a plurality of metal oxide semiconductor transistors 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94. The metal oxide semiconductor transistors 86, 88, 90, and 92 are p-type metal oxide semiconductor transistors, and the metal oxide semiconductor transistors 82, 84, and 94 are n-type metal oxide semiconductor transistors. Here, it should be noted that the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 use the n-type metal oxide semiconductor transistor 60 disclosed in FIG. 4, and the metal oxide semiconductor transistor 82 is a conventional n-type metal oxide semiconductor transistor. The point is to use.
[0035]
The sources of the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 are connected to a voltage supply source Vn, and the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 are connected in a cross-coupling manner. The gates of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 are connected to the reference voltage Vk, and the gates of the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 are connected to the voltage supply source Vdd. The high level voltage value of the input voltage Vin is Vdd, and the low level voltage value is the ground voltage (0 V).
[0036]
Hereinafter, the operation of the level shift circuit 80 will be described in detail. Suppose that the high-level voltage value Vdd of the input voltage Vin is 3.3 V, the reference voltage Vk is 3.3 V, the power supply source Vn is 10 V, and the breakdown voltage is 10 V. When the input voltage Vin is at a high level (3.3 V), the metal oxide semiconductor transistor 94 is turned off, the metal oxide semiconductor transistors 82 and 84 are turned on, and the voltage at the end point B approaches the ground voltage (0 V). . When the gates of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 are connected to the reference voltage Vk (3.3 V), the metal oxide semiconductor transistor 86 is turned off, and the voltage (0 V) at the end point B is transmitted to the end point C. Will not be. When the source (end point C) voltage of the metal oxide semiconductor transistor 86 rises and exceeds the sum of the gate voltage (3.3 V) and the threshold voltage Vt, the metal oxide semiconductor transistor 86 is turned on, and the metal oxide semiconductor transistor 86 is turned on. The source voltage of the oxide semiconductor transistor 86 is gradually adjusted until it becomes lower than the sum of the gate electrode and the threshold voltage thereof. Therefore, the metal oxide semiconductor transistor 90 becomes conductive, and the voltage at the end point D approaches 10V.
[0037]
Regarding the metal oxide semiconductor transistor 90, the voltage difference between the gate and the drain approaches 6.6 V, so that breakdown does not occur. Similarly, the voltage difference between the gate and the drain of the metal oxide semiconductor transistor 88 approaches 6.6 V, so that no breakdown occurs.
[0038]
Finally, the voltage at the end point D approaches 10 V, and the voltage at the end point A approaches 10 V due to conduction of the metal oxide semiconductor transistor 92.
[0039]
As described above, in the embodiment, breakdown of the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 caused by transmission of the voltage 0V from the end point B to the end point C can be prevented.
[0040]
When the input voltage Vin is at a low level (0 V), the metal oxide semiconductor transistor 82 is turned off, the metal oxide semiconductor transistor 94 is turned on, and the voltage at the end point A approaches the ground voltage (0 V). By connecting the gates of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 to the reference voltage Vk (3.3 V), the voltage (0 V) at the end point A is not transmitted to the end point C. When the source (end point D) voltage of the metal oxide semiconductor transistor 92 rises and exceeds the sum of the gate voltage (3.3 V) and the threshold voltage Vt, the metal oxide semiconductor transistor 92 is energized and the metal oxide semiconductor transistor 92 is turned on. The source voltage of the oxide semiconductor transistor 92 is gradually adjusted until it becomes lower than the sum of the gate electrode and the threshold voltage thereof. Therefore, the metal oxide semiconductor transistor 88 becomes conductive, and the voltage at the end point C approaches 10V.
[0041]
With respect to the metal oxide semiconductor transistor 88, the voltage difference between the gate and the drain approaches 6.6 V, so that breakdown does not occur. Similarly, the voltage difference between the gate and the drain of the metal oxide semiconductor transistor 90 approaches 6.6 V, so that no breakdown occurs.
[0042]
Finally, the voltage at the end point C approaches 10V, and the voltage at the end point B approaches 10V due to conduction of the metal oxide semiconductor transistor 86.
[0043]
As described above, in the embodiment, it is possible to prevent breakdown of the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 caused by transmission of the voltage 0V from the end point A to the end point D. In addition, the voltage (10 V) at the drain end point that must be received in the process of operating the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 is higher than the breakdown voltage at the junction. Therefore, in the embodiment, the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 have a high breakdown voltage characteristic by using the structure of the n-type metal oxide semiconductor transistor 60 disclosed in FIG.
[0044]
[Second embodiment]
FIG. 6 discloses a level shift circuit 100 according to the second embodiment. As shown, the level shift circuit 100 includes a plurality of metal oxide semiconductor transistors 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 102 and an inverter 104. The metal oxide semiconductor transistors 86, 88, 90 and 92 are p-type metal oxide semiconductor transistors, and the metal oxide semiconductor transistors 86, 84, 94 and 102 are n-type metal oxide semiconductor transistors. Here, it should be noted that the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 use the n-type metal oxide semiconductor transistor 60 disclosed in FIG. 4, and the metal oxide semiconductor transistors 82 and 102 use the conventional n-type metal oxide film. The point is that a semiconductor transistor is used.
[0045]
The sources of the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 are connected to a voltage supply source Vn, and the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 are connected in a cross-coupling manner. The gates of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 are connected to the reference voltage Vk, and the gates of the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 are connected to the voltage supply source Vdd. The high level voltage value of the input voltage Vin is Vdd, and the low level voltage value is the ground voltage (0 V). The inverter 104 is connected to the gates of the metal oxide semiconductor transistors 82 and 102.
[0046]
Hereinafter, the operation of the level shift circuit 100 will be described in detail. Suppose that the high-level voltage value Vdd of the input voltage Vin is 3.3 V, the reference voltage Vk is 3.3 V, the power supply source Vn is 10 V, and the oxide layer breakdown voltage and the junction surface breakdown voltage are , And both are 10V. When the input voltage Vin is at a low level (0 V), the metal oxide semiconductor transistors 94 and 102 are turned off, the metal oxide semiconductor transistors 82 and 84 are turned on, and the voltage at the end point B approaches the ground voltage (0 V). . By connecting the gates of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 to the reference voltage Vk (3.3 V), the voltage (0 V) at the end point B is not transmitted to the end point C. When the voltage of the source end point C of the metal oxide semiconductor transistor 86 rises and exceeds the sum of the gate voltage (3.3 V) and the threshold voltage Vt, the metal oxide semiconductor transistor 86 is energized and the metal oxide semiconductor transistor 86 is turned on. The source voltage of the film semiconductor transistor 86 is gradually adjusted until it becomes lower than the sum of the gate electrode and its threshold voltage. Therefore, the metal oxide semiconductor transistor 90 becomes conductive, and the voltage at the end point D approaches 10V.
[0047]
Regarding the metal oxide semiconductor transistor 90, the voltage difference between the gate and the drain approaches 6.6 V, so that breakdown does not occur. Similarly, the voltage difference between the gate and the drain of the metal oxide semiconductor transistor 88 approaches 6.6 V, so that no breakdown occurs.
[0048]
Finally, the voltage at the end point D approaches 10 V, and the voltage at the end point A approaches 10 V due to conduction of the metal oxide semiconductor transistor 92.
[0049]
As described above, in the second embodiment, it is possible to prevent breakdown of the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 caused by transmission of the voltage 0V from the end point B to the end point C.
[0050]
When the input voltage Vin is at a high level (3.3 V), the metal oxide semiconductor transistor 82 is turned off, the metal oxide semiconductor transistors 94 and 102 are turned on, and the voltage at the end point A approaches the ground voltage 0V. By connecting the gates of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 to the reference voltage Vk (3.3 V), the voltage (0 V) at the end point A is not transmitted to the end point C. When the source (end point D) voltage of the metal oxide semiconductor transistor 92 rises and exceeds the sum of the gate voltage (3.3 V) and the threshold voltage Vt, the metal oxide semiconductor transistor 92 conducts, The source voltage of the metal oxide semiconductor transistor 92 is gradually adjusted until it becomes lower than the sum of the gate electrode and its threshold voltage. Therefore, the metal oxide semiconductor transistor 88 becomes conductive, and the voltage at the end point C approaches 10V.
[0051]
With respect to the metal oxide semiconductor transistor 88, the voltage difference between the gate and the drain approaches 6.6 V, so that breakdown does not occur. Similarly, the voltage difference between the gate and the drain of the metal oxide semiconductor transistor 90 approaches 6.6 V, so that no breakdown occurs.
[0052]
Finally, the voltage at the end point C approaches 10V, and the voltage at the end point B approaches 10V due to conduction of the metal oxide semiconductor transistor 86.
[0053]
As described above, in the second embodiment, it is possible to prevent breakdown of the metal oxide semiconductor transistors 88 and 90 caused by transmission of the voltage 0V from the end point A to the end point D. In addition, the voltage (10 V) at the drain end point that must be received in the process of operating the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 is higher than the breakdown voltage at the junction. Therefore, in the second embodiment, the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 have high breakdown voltage characteristics by using the structure of the n-type metal oxide semiconductor transistor 60 disclosed in FIG.
[0054]
As shown in FIGS. 3, 5, and 6, the conventional level shift circuit 50 cannot smoothly switch from the low level voltage (Vdd) to the high level (Vn) due to the breakdown. However, when the level shift circuit 50 is a primary circuit and the level shift circuit 80 or the level shift circuit 100 is a secondary circuit, the output voltage of the level shift circuit 50 is changed to the input voltage of the level shift circuit 80 or the input voltage of the level shift circuit 100. As a further conversion can be made. For example, when the high level of the input voltage Vin of the level shift circuit 50 is 3.3 V, the low level is the ground voltage, and the power supply source Vn is 5 V, the output voltage Vout is 5 V or 0 V, and the gate is The voltage difference between the gate and the drain is lower than the breakdown voltage. Next, the output voltage Vout of the level shift circuit 50 is used as the input voltage Vin of the next level shift circuit 80 or the level shift circuit 100 to perform a level conversion operation.
[0055]
It should be noted that the low level Vdd of the secondary circuit is 5 V, the high level of the output voltage Vout of the level shift circuit 80 or the level shift circuit 100 is 10 V, and the low level is the ground voltage (0 V). However, the required level switching can be achieved, and the voltage across the gate and drain of the transistor can be reduced, and such a setting also belongs to the scope of the present invention. .
[0056]
The level shift circuits 80 and 100 according to the present invention control the conduction and non-conduction of the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92 by the reference voltage Vk so that the ground voltage is increased via the metal oxide semiconductor transistors 86 and 92. It is possible to prevent a phenomenon that an oxide layer is broken down by being transmitted to the gates of the semiconductor transistors 88 and 90. Further, in the manufacturing process of a general metal oxide semiconductor transistor, the flake-down voltage of the metal oxide semiconductor transistors 84 and 94 in the level shift circuits 80 and 100 is reduced by implanting an n-type well structure between the drain and the substrate. In other words, it is possible to prevent the level shift circuits 80 and 100 from receiving a high voltage difference between the drain and the substrate to cause a breakdown. Further, since the step of implanting the n-type well structure does not require an extra special manufacturing step, it can be completed by applying a general manufacturing step of a metal oxide semiconductor transistor. Not only can the breakdown voltage be improved, but also lower costs in the manufacturing process can be achieved.
[0057]
The above is a preferred embodiment of the present invention, and does not limit the scope of the present invention. Therefore, any modifications or changes that can be made by those skilled in the art, which are made in the spirit of the present invention and which have an equivalent effect on the present invention, fall within the scope of the claims of the present invention. .
[0058]
【The invention's effect】
The level shift circuit according to the present invention can effectively prevent the occurrence of breakdown at the gate oxide layer and the drain junction surface of the transistor, and applies a general metal oxide semiconductor transistor manufacturing process to its manufacturing process. In order to improve the breakdown voltage of the metal oxide semiconductor transistor, the manufacturing cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram concerning charges distributed in an oxide layer of a conventional metal oxide semiconductor transistor.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a structure of the metal oxide semiconductor transistor disclosed in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a conventional level shift circuit.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a structure of an n-type metal oxide semiconductor transistor according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a level shift circuit according to the first embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a level shift circuit according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
10, 52, 54, 56, 58, 82, 84, 86, 88, 90, 92, 94, 102 Metal oxide semiconductor transistors
11 Metal layer
12, 31, 37, 67 oxide layer
13, 38, 68 substrates
14 Interface trap charge
16 Oxide layer fixed charge
18 Oxide trap charge
20 mobile charge
22,60 n-type metal oxide semiconductor transistor
24 p-type metal oxide semiconductor transistor
26, 32, 62 gate
28, 34, 64 sauces
30, 36, 66 drain
40, 70 n-type wells
50, 80, 100 level shift circuit
104 inverter

Claims (11)

p型基板上に形成され、p型金属酸化膜半導体トランジスタとn型金属酸化膜半導体トランジスタとを具える少なくとも1以上の相補型金属酸化膜半導体トランジスタを含んでなるレベルシフト回路において、
該n型金属酸化膜半導体トランジスタは、ゲートと、
該p型基板上に形成されるn型ウェル及び該n型ウェル内に形成されるとともに該n型ウェルに隣接して形成される第1N+ドーピング領域とを具えるドレインと、
該p型基板上に形成される第2N+ドーピング領域を有するソースとを含み、
入力電圧を出力電圧に転換することを特徴とするレベルシフト回路。
A level shift circuit formed on a p-type substrate and including at least one or more complementary metal oxide semiconductor transistors including a p-type metal oxide semiconductor transistor and an n-type metal oxide semiconductor transistor,
The n-type metal oxide semiconductor transistor comprises: a gate;
A drain comprising an n-type well formed on the p-type substrate and a first N + doping region formed in the n-type well and formed adjacent to the n-type well;
A source having a second N + doping region formed on the p-type substrate;
A level shift circuit for converting an input voltage to an output voltage.
前記レベルシフト回路は、第1と第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタと、第1と第2p型金属酸化膜半導体トランジスタとを含み、
該第1と第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタは、該両相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体トランジスタのゲート同士が互いに接続して参考電圧を提供し、
該第1と第2p型金属酸化膜半導体トランジスタは、該両p型金属酸化膜半導体トランジスタのソースがいずれも電源供給手段に接続し、
該第1p型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに接続し、
該第2p型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインに接続し、
該第1p型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体のソースに接続し、
該第2p型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのp型金属酸化膜半導体のソースに接続することを特徴とする請求項1に記載のレベルシフト回路。
The level shift circuit includes first and second complementary metal oxide semiconductor transistors, and first and second p-type metal oxide semiconductor transistors,
In the first and second complementary metal oxide semiconductor transistors, the gates of the p-type metal oxide semiconductor transistors of the two complementary metal oxide semiconductor transistors are connected to each other to provide a reference voltage,
In the first and second p-type metal oxide semiconductor transistors, both of the sources of the p-type metal oxide semiconductor transistors are connected to power supply means,
A gate of the first p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a drain of the p-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor;
A gate of the second p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a drain of the p-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor;
A drain of the first p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a source of the p-type metal oxide semiconductor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor;
2. The level shift circuit according to claim 1, wherein the drain of the second p-type metal oxide semiconductor transistor is connected to the source of the p-type metal oxide semiconductor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor.
前記第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続するドレインと、
前記第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続するゲートとを具える第1n型金属酸化膜半導体トランジスタをさらに含み、
かつ該第1n型金属酸化膜半導体のソースが接地であることを特徴とする請求項2に記載のレベルシフト回路。
A drain connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor;
A gate connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor, further comprising a first n-type metal oxide semiconductor transistor;
3. The level shift circuit according to claim 2, wherein a source of said first n-type metal oxide semiconductor is grounded.
前記第1n型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートに接続し、該入力電圧を入力して該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を制御するための入力端をさらに具えることを特徴とする請求項3に記載のレベルシフト回路。The semiconductor device further includes an input terminal connected to a gate of the first n-type metal oxide semiconductor transistor, for inputting the input voltage to control conduction / non-conduction of the first n-type metal oxide semiconductor transistor. The level shift circuit according to claim 3, wherein 前記第1、及び第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが制御電圧に接続して、該制御電圧と該入力電圧に基づいて該2つの相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を決定することを特徴とする請求項4に記載のレベルシフト回路。The gates of the n-type metal oxide semiconductor transistors of the first and second complementary metal oxide semiconductor transistors are connected to a control voltage, and the two complementary metal oxide films are based on the control voltage and the input voltage. 5. The level shift circuit according to claim 4, wherein conduction and non-conduction of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the semiconductor transistor are determined. 前記第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタが導通した場合、該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタとが非導通となり、
該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタとが導通した場合、
該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタが非導通となることを特徴とする請求項5に記載のレベルシフト回路。
When the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor conducts, the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor Non-conduction with the transistor,
When the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor transistor conduct,
6. The level shift circuit according to claim 5, wherein an n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor is turned off.
インバータを介してゲートが互いに接続する第1、及び第2n型金属酸化膜半導体トランジスタを更に含み、
該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続し、
該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタのドレインが該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのソースに接続し、
該両n型金属酸化膜半導体トランジスタのソースが接地であることを特徴とする請求項2に記載のレベルシフト回路。
First and second n-type metal oxide semiconductor transistors having gates connected to each other via an inverter;
A drain of the first n-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor;
A drain of the second n-type metal oxide semiconductor transistor is connected to a source of the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor;
3. The level shift circuit according to claim 2, wherein the sources of the n-type metal oxide semiconductor transistors are grounded.
前記第1n型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートに接続し、入力電圧を入力して該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタか、もしくは該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を制御することを特徴とする請求項7に記載のレベルシフト回路。It is connected to the gate of the first n-type metal oxide semiconductor transistor and receives an input voltage to control conduction / non-conduction of the first n-type metal oxide semiconductor transistor or the second n-type metal oxide semiconductor transistor. The level shift circuit according to claim 7, wherein: 前記第1、及び第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタのゲートが制御電圧に接続して、該制御電圧と該入力電圧に基づいて該2つの相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタの導通、非導通を決定することを特徴とする請求項8に記載のレベルシフト回路。The gates of the n-type metal oxide semiconductor transistors of the first and second complementary metal oxide semiconductor transistors are connected to a control voltage, and the two complementary metal oxide films are based on the control voltage and the input voltage. 9. The level shift circuit according to claim 8, wherein conduction and non-conduction of an n-type metal oxide semiconductor transistor of the semiconductor transistor are determined. 前記第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタが導通した場合、該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタとが非導通となり、
該第2相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第2n型金属酸化膜半導体トランジスタとが導通した場合、
該第1相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、該第1n型金属酸化膜半導体トランジスタとが非導通となることを特徴とする請求項9に記載のレベルシフト回路。
An n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor; and an n-type metal oxide film of the second complementary metal oxide semiconductor transistor when the first n-type metal oxide semiconductor transistor conducts. The semiconductor transistor and the second n-type metal oxide semiconductor transistor become non-conductive,
When the n-type metal oxide semiconductor transistor of the second complementary metal oxide semiconductor transistor and the second n-type metal oxide semiconductor transistor conduct,
10. The level shift circuit according to claim 9, wherein the n-type metal oxide semiconductor transistor of the first complementary metal oxide semiconductor transistor and the first n-type metal oxide semiconductor transistor are non-conductive.
前記相補型金属酸化膜半導体トランジスタのn型金属酸化膜半導体トランジスタと、p型金属酸化膜半導体トランジスタとの間に設けられ、該出力電圧を出力する出力端を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のレベルシフト回路。The output terminal provided between the n-type metal oxide semiconductor transistor of the complementary metal oxide semiconductor transistor and the p-type metal oxide semiconductor transistor and configured to output the output voltage. 2. The level shift circuit according to 1.
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