JP2006186977A

JP2006186977A - 半導体装置、表示装置及び電子機器

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Publication number: JP2006186977A
Application number: JP2005338869A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kimura; 肇木村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: JP4974512B2

Abstract

【課題】
レベルシフタや作動増幅回路などを有する半導体装置において、余計に流れる貫通電流を減らして消費電力を低減し、且つ出力波形のなまりなどを抑えることができる半導体装置を提供することを課題とする。
【解決手段】
第１のトランジスタのゲート端子を第１の入力端子、第２のトランジスタのゲート端子を第２の入力端子とし、第１のトランジスタのゲート端子を第２のトランジスタのソース端子に接続する。また、第２のトランジスタのゲート端子を第１のトランジスタのソース端子に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、増幅機能を有する半導体装置の技術に関する。より詳細には、差動増幅回路、センスアンプ、レベルシフタなどに代表される回路が形成された半導体装置に関する。また、それらを有する表示装置に関する。また、その表示装置を表示部に有する電子機器に関する。

近年、携帯電話や携帯端末などに幅広く使用されている集積回路（ＩＣ）は、５ｍｍ四方程度のシリコン基板上に、数十万〜数百万ものトランジスタや抵抗等を形成したもので、装置の小型化及び高信頼化、装置の大量生産に重要な役割を果たしている。

そして、集積回路（ＩＣ）等に用いられる回路を設計するときには、多くの場合において、振幅が小さい信号の電圧や電流を増幅させる機能を有する増幅回路が設計される。増幅回路は、ひずみの発生をなくし、回路を安定に働かせるために不可欠な回路であるため、幅広く用いられている。

ここで、増幅回路の一例として、差動増幅回路について説明する。差動増幅回路はよくレベルシフタやオペアンプに利用される。ここで、従来のレベルシフタの構成例を図６に示し、構成と動作について説明する（特許文献１の従来技術を参照）。

なお、本明細書中、各電源電位をＶＤＤ＃及びＶＳＳ＃（＃は数字）と表記する。ここでは、ＶＤＤ１、ＶＤＤ２、ＶＳＳ１、ＶＳＳ２、ＶＳＳ３を用い、その大小関係はＶＳＳ３＜ＶＳＳ２＜ＶＳＳ１＜ＶＤＤ１＜ＶＤＤ２とする。

まずは、図６（Ａ）に示したレベルシフタの構成について説明する。図６（Ａ）に示したレベルシフタは、低電位側を固定して高電位側をシフトさせるレベルシフタで、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする入力信号に対し、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする出力信号を得るものである。このレベルシフタの構成は以下のようになっている。ｐチャネル型トランジスタ６０１のソース領域と、ｐチャネル型トランジスタ６０２のソース領域とは共に高電位電源（電源電位ＶＤＤ２）に接続されている。ｐチャネル型トランジスタ６０１のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ６０２のゲート電極は互いに接続され、ｐチャネル型トランジスタ６０２のドレイン領域と接続されている。ｐチャネル型トランジスタ６０１のドレイン領域はｎチャネル型トランジスタ６０３のドレイン領域と接続されている。ｎチャネル型トランジスタ６０３のソース領域と、ｎチャネル型トランジスタのソース領域とは共に低電位電源（電源電位ＶＳＳ１）に接続されている。また、第１の入力信号ｉｎ１（電圧をＶｉｎ１と表記する）は、ｎチャネル型トランジスタ６０３のゲート電極に入力され、第２の入力信号ｉｎ２（電圧をＶｉｎ２と表記する）は、ｎチャネル型トランジスタ６０４のゲート電極に入力される。なお、第２の入力信号ｉｎ２は第１の入力信号ｉｎ１の反転信号である。ｐチャネル型トランジスタ６０２のドレイン領域はｎチャネル型トランジスタ６０４のドレイン領域に接続され、この交点から出力信号ｏｕｔ（電圧をＶｏｕｔと表記する）を取り出す。

次に、図６（Ａ）に示したレベルシフタの基本的な動作を説明する。第１の入力信号ｉｎ１にＨｉｇｈ信号が入力されると、ｎチャネル型トランジスタ６０３が導通状態になり、ｎチャネル型トランジスタ６０３のドレイン電位がＶＳＳ１となる。一方、ｐチャネル型トランジスタ６０２のゲート電極とドレイン領域とが接続されているので、ｐチャネル型トランジスタ６０２は飽和領域で動作する。従って、ｐチャネル型トランジスタ６０１のゲート電極には、ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間の電圧をｎチャネル型トランジスタ６０４とｐチャネル型トランジスタ６０２の有する抵抗で抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_６０１と表記する。第１の入力信号ｉｎ１がＨｉｇｈ信号のとき、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるため、ｎチャネル型トランジスタ６０４は非導通状態となる。これにより、ｐチャネル型トランジスタ６０１のゲート電極に入力される電位Ｖ_６０１は電源電位ＶＤＤ２に引っ張られて高くなる。従って、ｐチャネル型トランジスタ６０１は非導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＳＳ１となる。

第１の入力信号ｉｎ１にＬｏｗ信号が入力されると、ｎチャネル型トランジスタ６０３が非導通状態になる。一方、第２の入力信号はＨｉｇｈ信号となるため、ｎチャネル型トランジスタ６０４は導通状態となる。これにより、ｐチャネル型トランジスタ６０１のゲート電極に入力される電位Ｖ_６０１は電源電位ＶＳＳ１に引っ張られて低くなる。従って、ｐチャネル型トランジスタ６０１は導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＤＤ２となる。

このようにして、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする入力信号は、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする出力信号に変換される。

次に、図６（Ｂ）に示したレベルシフタの構成について説明する。図６（Ｂ）に示したレベルシフタは、高電位側を固定して低電位側をシフトするレベルシフタで、電圧レベルＶＳＳ２と電圧レベルＶＳＳ１との差を振幅とする入力信号に対し、電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＳＳ１との差を振幅とする出力信号を得るものである。このレベルシフタの構成は以下のようになっている。ｎチャネル型トランジスタ６０７のソース領域と、ｎチャネル型トランジスタ６０８のソース領域とは共に低電位電源（電源電位ＶＳＳ３）に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ６０７のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ６０８のゲート電極は互いに接続され、ｎチャネル型トランジスタ６０８のドレイン領域及びｐチャネル型トランジスタ６０６のドレイン領域と接続されている。ｎチャネル型トランジスタ６０７のドレイン領域はｐチャネル型トランジスタ６０５のドレイン領域と接続されている。ｐチャネル型トランジスタ６０５のソース領域と、ｐチャネル型トランジスタ６０６のソース領域とは共に低電位電源（電源電位ＶＳＳ１）に接続されている。また、第１の入力信号ｉｎ１は、ｐチャネル型トランジスタ６０５のゲート電極に入力され、第２の入力信号ｉｎ２は、ｐチャネル型トランジスタ６０６のゲート電極に入力される。なお、第２の入力信号ｉｎ２は第１の入力信号ｉｎ１の反転信号である。出力信号ｏｕｔは、第１のｐチャネル型トランジスタ６０５のドレイン領域から取り出される。

次に、図６（Ｂ）に示したレベルシフタの基本的な動作を説明する。第１の入力信号ｉｎ１にＬｏｗ信号が入力されると、ｐチャネル型トランジスタ６０５が導通状態になり、ｐチャネル型トランジスタ６０５のドレイン電位がＶＳＳ１となる。一方、ｎチャネル型トランジスタ６０８のゲート電極とドレイン領域とが接続されているので、ｎチャネル型トランジスタ６０８は飽和領域で動作する。従って、ｎチャネル型トランジスタ６０７のゲート電極には、ＶＳＳ１−ＶＳＳ３間の電圧をｐチャネル型トランジスタ６０６とｎチャネル型トランジスタ６０８の有する抵抗で抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_６０７と表記する。第１の入力信号ｉｎ１がＬｏｗ信号のとき、第２の入力信号はＨｉｇｈ信号となるため、ｐチャネル型トランジスタ６０６は非導通状態となる。これにより、ｎチャネル型トランジスタ６０７のゲート電極に入力される電位Ｖ_６０７は電源電位ＶＳＳ３に引っ張られて低くなる。従って、ｎチャネル型トランジスタ６０７は非導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＳＳ１となる。

第１の入力信号ｉｎ１にＨｉｇｈ信号が入力されると、ｐチャネル型トランジスタ６０５が非導通状態になる。一方、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるため、ｐチャネル型トランジスタ６０６は導通状態となる。これにより、ｎチャネル型トランジスタ６０７のゲート電極に入力される電位Ｖ_６０７は電源電位ＶＳＳ１に引っ張られて高くなる。従って、ｎチャネル型トランジスタ６０７は導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＳＳ３となる。

このようにして、電圧レベルＶＳＳ２と電圧レベルＶＳＳ１との差を振幅とする入力信号は、電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＳＳ１との差を振幅とする出力信号に変換される。
特開平６−２１６７５３号公報

図６に示したレベルシフタにおける問題点について述べる。なお、ここでは、図６（Ａ）、図６（Ｂ）いずれのレベルシフタについても共通の問題点であるため、図６（Ａ）のみを例に挙げて説明する。

第２の入力信号ｉｎ２がＨｉｇｈ信号の時、ｎチャネル型トランジスタ６０４は導通状態となる。また、ｐチャネル型トランジスタ６０２が常に飽和領域で動作している。この結果、ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間にｐチャネル型トランジスタ６０２とｎチャネル型トランジスタ６０４を介して電流が流れることになる。この状態は、ｎチャネル型トランジスタ６０４が非導通状態にならない限り継続する。電流が流れ続けることにより、レベルシフタの消費電力は高くなってしまう。

ここで、第２の入力信号ｉｎ２がＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号へ切り替わる場合について、図７を用いて説明する。図７（Ａ）は、縦軸が第２の入力信号ｉｎ２の電位Ｖｉｎ２、第２の入力信号ｉｎ２の時間経過を示す。図７（Ｂ）は、縦軸が第１の入力信号ｉｎ１の電位Ｖｉｎ１、横軸が第１の入力信号ｉｎ１の時間経過を示す。ｎチャネル型トランジスタ６０４のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ_６０４は以下の（１）式で与えられる。

ここで、Ｖｇｓ_６０４の時間経過を図７（Ｃ）に示す。特に、第２の入力信号ｉｎ２がＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号への切り替わり時間が長い場合、Ｖｉｎ２がＶＤＤ１から徐々にＶＳＳ１まで減少するため、Ｖｇｓ_６０４がｎチャネル型トランジスタ６０４の閾値電圧Ｖｔｈ_６０４以下になるまでに余計な時間がかかってしまう。すなわち、ｎチャネル型トランジスタ６０４が非導通状態になるまでの時間が必要以上に長くなり、その分ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間に、ｐチャネル型トランジスタ６０２とｎチャネル型トランジスタ６０４を介して、電流が余計に流れてしまう。その結果、レベルシフタの消費電力を高くしてしまう。また、余計な電流が流れる結果、出力波形がなまってしまう。

また、第２の入力信号ｉｎ２がＬｏｗ信号からＨｉｇｈ信号へ切り替わる場合についても同様に、Ｌｏｗ信号からＨｉｇｈ信号への切り替わり時間が長い場合、Ｖｉｎ２がＶＳＳ１から徐々にＶＤＤ１まで増加するため、Ｖｇｓ_６０４がｎチャネル型トランジスタ６０４の閾値電圧Ｖｔｈ_６０４以上になってからＶＤＤ１に到達するまでに時間がかかる。すなわち、ｎチャネル型トランジスタ６０４が導通状態になる時間が必要以上に長くなり、その分ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間に、ｐチャネル型トランジスタ６０２とｎチャネル型トランジスタ６０４を介して、電流が余計に流れてしまう。

故に、本発明においては、前述のように入力信号のＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号、またはＬｏｗ信号からＨｉｇｈ信号への切り替わり時間が長い場合でも余計な電流を流さず、消費電力を低減でき、出力波形のなまりを抑えることができる半導体装置を提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明においては以下に説明するような半導体装置を考案した。

本発明の半導体装置は、
ゲート電極に第１の信号が入力され、第１の端子に第２の信号が入力される第１のトランジスタと、
ゲート電極に第２の信号が入力され、第１の端子に第１の信号が入力される第２のトランジスタと、
第１の端子に所定の電位が入力され、第２の端子が該第１のトランジスタの第２の端子と接続される第３のトランジスタと、
ゲート電極が該第３のトランジスタのゲート電極と接続され、第１の端子に該所定の電位が入力され、第２の端子が該第２のトランジスタの第２の端子と接続され、ゲート電極と第２の端子が接続された第４のトランジスタと、を有する。

また、他の構成の本発明の半導体装置は、第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、
を有し、
該第３のトランジスタのゲート電極は、該第４のトランジスタのゲート電極と接続され、該第３のトランジスタの第１の端子は、第１の配線と接続され、
該第４のトランジスタの第１の端子は、第２の配線に接続され、該第４のトランジスタの第２の端子は、該第４のトランジスタのゲート電極に接続され、
該第１のトランジスタのゲート電極は、第３の配線に接続され、該第１のトランジスタの第１の端子は、第４の配線に接続され、該第１のトランジスタの第２の端子は、該第３のトランジスタの第２の端子に接続され、
該第２のトランジスタのゲート電極は、該第４の配線に接続され、該第２のトランジスタの第１の端子は、該第３の配線に接続され、該第２のトランジスタの第２の端子は、該第４のトランジスタの第２の端子に接続されている。

例えば、第１のトランジスタのゲート端子を第１の入力端子、第２のトランジスタのゲート端子を第２の入力端子とし、第１のトランジスタのゲート端子を第２のトランジスタのソース端子に接続する。また、第２のトランジスタのゲート端子を第１のトランジスタのソース端子に接続する。

また、他の構成の半導体装置は、上記構成において、該第３の配線は、第１のレベルシフタ回路を介してと該第３のトランジスタのゲート電極と接続され、該第４の配線は、第２のレベルシフタ回路を介して該第４のトランジスタのゲート電極と接続されている。

また、他の構成の半導体装置は、上記構成において、該第３の配線に第１の入力信号を入力し、該第４の配線に第２の入力信号を入力される。

また、他の構成の半導体装置は、上記構成において、該第１のトランジスタ及び該第２のトランジスタが同じ第１の導電形式であり、該第３のトランジスタ及び該第４のトランジスタが同じ第２の導電形式である。

なお、トランジスタはその構造上、ソース領域とドレイン領域の区別が困難である。さらに、回路の動作によっては、電位の高低が入れ替わる場合もあるため、ここでは特に特定せず、第１の端子、第２の端子と記述する。例えば、第１の端子がソース領域である場合には、第２の端子とはドレイン領域を指し、逆に第１の端子がドレイン領域である場合には、第２の端子とはソース領域を指すものとする。

また、トランジスタの導電形式にはｎチャネル型とｐチャネル型とがあるが、本明細書中、特にその極性を限定しない場合においては、第１の導電形式、第２の導電形式と記述する。例えば、第１の導電形式と記したトランジスタがｎチャネル型である場合には、第２の導電形式とはｐチャネル型を指し、逆に第１の導電形式と記したトランジスタがｐチャネル型である場合には、第２の導電形式とはｎチャネル型を指すものとする。

なお、本発明において、接続されているとは、電気的に接続されていることと同義である。したがって、本発明が開示する構成において、所定の接続関係に加え、その間に電気的な接続を可能とする他の素子（例えば、トランジスタやダイオードや抵抗や容量やスイッチなど）が配置されていてもよい。

本発明の半導体装置によって、入力信号の切り替わり時間が長い場合でも電流を削減することができ、無駄な消費電力を低減できると同時に、出力波形のなまりを抑えることができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本実施形態の半導体装置の基本的構成について、図１を用いて説明する。

図１は、本実施形態の半導体装置の回路図を示す。本実施形態の半導体装置の構成は以下のようになっている。ｐチャネル型トランジスタ（第３のトランジスタ）１０１のソース領域は、第１の配線１０５に接続されている。ｐチャネル型トランジスタ（第４のトランジスタ）１０２のソース領域は、第２の配線１０６に接続されている。ｐチャネル型トランジスタ１０１、ｐチャネル型トランジスタ１０２のゲート電極は互いに接続され、ｐチャネル型トランジスタ１０２のドレイン領域と接続されている。ｐチャネル型トランジスタ１０１のドレイン領域は、ｎチャネル型トランジスタ（第１のトランジスタ）１０３のドレイン領域と接続され、この交点より出力信号ｏｕｔを得る。ｎチャネル型トランジスタ１０３のソース領域は、ｎチャネル型トランジスタ（第２のトランジスタ）１０４のゲート電極に接続され、ｎチャネル型トランジスタ１０４のソース領域は、ｎチャネル型トランジスタ１０３のゲート電極に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１０３のゲート電極には第１の入力信号ｉｎ１（電圧Ｖｉｎ１）が入力され、ｎチャネル型トランジスタ１０４のゲート電極には第２の入力信号ｉｎ２（電圧Ｖｉｎ２）が入力される。

次に、本実施形態の半導体装置の基本的な動作を説明する。ここでは、本実施形態の半導体装置をレベルシフタとして用いた場合を例に挙げて説明する。なお、第１、第２の入力信号は電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とし、第１の配線１０５、第２の配線１０６には共に電源電位ＶＤＤ２が印加され、第２の入力信号として、第１の入力信号の反転信号が入力されるものとする。ここで、電源電位の大小関係はＶＳＳ１＜ＶＤＤ１＜ＶＤＤ２である。

まず、第１の入力信号ｉｎ１として、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｎチャネル型トランジスタ１０３のゲート電極に入力され、第２の入力信号として電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｎチャネル型トランジスタ１０４のゲート電極に入力される。ここで、ｎチャネル型トランジスタ１０３のソース領域は、ｎチャネル型トランジスタ１０４のゲート電極に接続されているため、ｎチャネル型トランジスタ１０３のソース電位はＶｉｎ２となる。同様に、ｎチャネル型トランジスタ１０４のソース領域は、ｎチャネル型トランジスタ１０３のゲート電極に接続されているため、ｎチャネル型トランジスタ１０４のソース電位はＶｉｎ１となる。

第１の入力信号にＨｉｇｈ信号が入力されると、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるので、ｎチャネル型トランジスタ１０３のソース電位がＶＳＳ１となり、ｎチャネル型トランジスタ１０３は導通状態となる。そして、ｎチャネル型トランジスタ１０３のドレイン電位がＶＳＳ１となる。一方、ｐチャネル型トランジスタ１０２のゲート電極とドレイン領域とが接続されているので、ｐチャネル型トランジスタ１０２は飽和領域で動作する。従って、ｐチャネル型トランジスタ１０１のゲート電極には、ＶＤＤ２−Ｖｉｎ１間の電圧をｎチャネル型トランジスタ１０４とｐチャネル型トランジスタ１０２の有する抵抗で抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_１０１と表記する。第１の入力信号ｉｎ１がＨｉｇｈ信号のとき、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるため、ｎチャネル型トランジスタ１０４のソース電位はＶＤＤ１となり、ｎチャネル型トランジスタ１０４は非導通状態となる。これにより、ｐチャネル型トランジスタ１０１のゲート電極に入力される電位Ｖ_１０１は電源電位ＶＤＤ２に引っ張られて高くなる。従って、ｐチャネル型トランジスタ１０１は非導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＳＳ１となる。

第１の入力信号にＬｏｗ信号が入力されると、第２の入力信号はＨｉｇｈ信号となるので、ｎチャネル型トランジスタ１０３のソース電位がＶＤＤ１となり、ｎチャネル型トランジスタ１０３が非導通状態となる。一方、ｎチャネル型トランジスタ１０４のソース電位はＶＳＳ１となり、ｎチャネル型トランジスタ６０４は導通状態となる。これにより、ｐチャネル型トランジスタ１０１のゲート電極に入力される電位Ｖ_１０１は電源電位ＶＳＳ１に引っ張られて低くなる。従って、ｐチャネル型トランジスタ１０１は導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＤＤ２となる。

本実施形態の半導体装置の出力波形を図２２に示す。図２２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、第１の入力信号ｉｎ１の電位Ｖｉｎ１、第２の入力信号ｉｎ２の電位Ｖｉｎ２、出力信号ｏｕｔの電位Ｖｏｕｔの時間経過を示す。

ここで、第２の入力信号ｉｎ２がＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号へ切り替わる場合について、図２を用いて説明する。図２（Ａ）は、縦軸が第２の入力信号ｉｎ２の電位、横軸が第２の入力信号ｉｎ２の時間経過を示す。図２（Ｂ）は、縦軸が第１の入力信号ｉｎ１の電位、横軸が第１の入力信号ｉｎ１の時間経過を示す。ｎチャネル型トランジスタ１０４のゲート−ソース間電圧Ｖｇｓ_１０４は以下の（２）式で与えられる。

ここで、Ｖｇｓ_１０４の時間経過を図２（Ｃ）に示す。特に、第２の入力信号ｉｎ２がＨｉｇｈ信号からＬｏｗ信号へ切り替わるのにかかる時間が長い場合でも、Ｖｉｎ２がＶＤＤ１からＶＳＳ１まで減少すると同時に、Ｖｉｎ１がＶＳＳ１からＶＤＤ１まで増加するため、Ｖｇｓ_１０４がｎチャネル型トランジスタ１０４の閾値電圧Ｖｔｈ_１０４以下になるまでの時間を従来のレベルシフタよりも短縮することができる。すなわち、ｎチャネル型トランジスタ１０４が非導通状態になるまでの時間を短縮することができ、その分、ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間にｐチャネル型トランジスタ１０２とｎチャネル型トランジスタ１０４を介して流れる電流を削減することができる。その結果、消費電力が低減される。また、電流の削減により、出力波形のなまりを抑えることができる。

また、第２の入力信号ｉｎ２がＬｏｗ信号からＨｉｇｈ信号へ切り替わる場合についても同様に、Ｖｉｎ２がＶＳＳ１からＶＤＤ１まで増加すると同時に、Ｖｉｎ１がＶＤＤ１からＶＳＳ１まで減少するため、Ｖｇｓ_１０４がｎチャネル型トランジスタ１０４の閾値電圧Ｖｔｈ_１０４以上になってからＶＤＤ２に到達するまでに時間を短縮することができる。すなわち、第２のｎチャネル型トランジスタ１０４が導通状態になる時間を短縮することができ、その分、ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間にｐチャネル型トランジスタ１０２とｎチャネル型トランジスタ１０４を介して流れる電流を削減することができる。その結果、消費電力が低減される。また、電流の削減により、出力波形のなまりを抑えることができる。

ここで、本実施形態のレベルシフタの上面図を図３に示す。ただし、図３中のトランジスタ（ｐチャネル型トランジスタ１０１、ｐチャネル型トランジスタ１０２、ｎチャネル型トランジスタ１０３及びｎチャネル型トランジスタ１０４）は、それぞれ図１の回路図内に付したトランジスタの番号ｐチャネル型トランジスタ１０１、ｐチャネル型トランジスタ１０２、ｎチャネル型トランジスタ１０３及びｎチャネル型トランジスタ１０４に対応している。

なお、図中、配線メタル−ゲートメタル−半導体層間には、それぞれ絶縁膜を有しており、互いに重なる部分においての短絡はない。コンタクトホールを配した部分で互いを接続している。

ここで、図４に、本実施形態で用いられるトランジスタの一例として、ＣＭＯＳトランジスタの断面図を示す。４０１はｎチャネル型トランジスタを、４０２はｐチャネル型トランジスタを示す。４０３は基板を示す。４０４は下地膜を示す。下地膜は、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜などの絶縁膜から成る。４０５は半導体層を示す。半導体層の材料として、シリコンやシリコンゲルマニウム合金などが上げられる。４０６は半導体層を覆うゲート絶縁膜を示す。ゲート絶縁膜にはシリコンを含む絶縁膜を用いる。４１１、４１２は第１、第２の導電膜を示す。第１、第２の導電膜はゲート電極を形成するためのものであり、いずれもＴａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕ等から選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金材料もしくは化合物材料を用いる。４０７はｎ型不純物領域を示す。ｎ型不純物領域は、第１のドーピング処理を行い、ｎ型を付与する不純物元素（典型的にはリンや砒素を用いる）を添加することにより、自己整合的に形成される。４０８はｐ型不純物領域を示す。ｐ型不純物領域は、第２のドーピング処理を行い、ｐチャネル型トランジスタを形成する半導体層のみにｐ型を付与する不純物元素（典型的にはホウ素を用いる）を添加することにより、自己整合的に形成される。４０９、４１０は第１、第２の層間絶縁膜を示す。４１３は半導体層のソース領域とコンタクトを形成するソース配線４１３を示し、４１４はドレイン領域とコンタクトを形成するドレイン配線を示す。

なお、本発明において、適用可能なトランジスタの種類に限定はなく、非晶質シリコンや多結晶シリコンに代表される非単結晶半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、半導体基板やＳＯＩ基板を用いて形成されるＭＯＳ型トランジスタ、接合型トランジスタ、バイポーラトランジスタ、有機半導体やカーボンナノチューブを用いたトランジスタ、その他のトランジスタを適用することができる。また、トランジスタが配置されている基板の種類に限定はなく、単結晶基板、ＳＯＩ基板、ガラス基板などに配置することが出来る。

本実施形態のレベルシフタは、その動作の特性上、各々を構成するトランジスタの特性のばらつきが少ないことが望ましい。故に、各回路を構成するトランジスタは、近接に配置することが望ましい。また、トランジスタ基板の作成工程中、レーザー照射等が含まれる場合にも、図３のように近接配置することにより、照射ムラ等によるトランジスタ特性のばらつきを低減することができる。加えて、前述のレーザー照射等は、線状照射が一般的であるため、各トランジスタを平行に配置することで、さらに前述の照射ムラ等によるトランジスタ特性のばらつきを低減することができるため、望ましい。

なお、図３は本実施形態で示したレベルシフタの上面図の一例を示したものであり、本実施形態で示したレベルシフタ回路は図３に示した構成に限定されない。

なお、本実施形態においては、入力信号は、第１の入力信号の反転信号を第２の入力信号としているが、これに限定されない。差動回路として用いる場合は、２つの入力信号の電位Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２に差があればどのような信号でもよい。また、第１の配線１０５、第２の配線１０６に電源電圧が印加されているが、これに限定されない。他の回路からの信号が入力されてもよいし、クロック信号が入力されてもよい。また、第１の配線１０５、第２の配線１０６には異なる電位を印加してもよい。

（実施の形態２）
本実施形態では、実施の形態１において、トランジスタの極性を変えた場合について、図５を用いて説明する。

図５は、本実施形態の半導体装置の回路図を示す。本実施形態の半導体装置の構成は以下のようになっている。ｎチャネル型トランジスタ５０３のソース領域は、第１の配線５０５に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ５０４のソース領域は、第２の配線５０６に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ５０３、ｎチャネル型トランジスタ５０４のゲート電極は互いに接続され、ｎチャネル型トランジスタ５０４のドレイン領域と接続されている。ｎチャネル型トランジスタ５０３のドレイン領域は、ｐチャネル型トランジスタ５０１のドレイン領域と接続され、この交点より出力信号ｏｕｔを得る。ｐチャネル型トランジスタ５０１のソース領域は、ｐチャネル型トランジスタ５０２のゲート電極に接続され、ｐチャネル型トランジスタ５０２のソース領域は、ｐチャネル型トランジスタ５０１のゲート電極に接続されている。ｐチャネル型トランジスタ５０１のゲート電極には第１の入力信号ｉｎ１（電圧Ｖｉｎ１）が入力され、ｐチャネル型トランジスタ５０２のゲート電極には第２の入力信号ｉｎ２（電圧Ｖｉｎ２）が入力される。

次に、本実施形態の半導体装置の基本的な動作を説明する。ここでは、本実施形態の半導体装置をレベルシフタとして用いた場合を例に挙げて説明する。なお、第１、第２の入力信号が電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とし、第１の配線５０５、第２の配線５０６には共に電源電位ＶＳＳ３が印加され、第２の入力信号として、第１の入力信号の反転信号が入力されるものとする。ここで、電源電位の大小関係はＶＳＳ３＜ＶＳＳ２＜ＶＳＳ１である。

まず、第１の入力信号ｉｎ１として、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とする信号がｐチャネル型トランジスタ５０１のゲート電極に入力され、第２の入力信号として電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とする信号がｐチャネル型トランジスタ５０２のゲート電極に入力される。ここで、ｐチャネル型トランジスタ５０１のソース領域は、ｐチャネル型トランジスタ５０２のゲート電極に接続されているため、ｐチャネル型トランジスタ５０１のソース電位はＶｉｎ２となる。同様に、ｐチャネル型トランジスタ５０２のソース領域は、ｐチャネル型トランジスタ５０１のゲート電極に接続されているため、ｐチャネル型トランジスタ５０２のソース電位はＶｉｎ１となる。

第１の入力信号にＨｉｇｈ信号が入力されると、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるので、ｐチャネル型トランジスタ５０１のソース電位がＶＳＳ２となり、ｐチャネル型トランジスタ５０１は非導通状態となる。一方、ｎチャネル型トランジスタ５０４のゲート電極とドレイン領域とが接続されているので、ｎチャネル型トランジスタ５０４は飽和領域で動作する。従って、ｎチャネル型トランジスタ５０３のゲート電極には、Ｖｉｎ１−ＶＳＳ３間の電圧をｐチャネル型トランジスタ５０２とｎチャネル型トランジスタ５０４の有する抵抗で抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_５０３と表記する。第１の入力信号ｉｎ１がＨｉｇｈ信号のとき、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるため、ｐチャネル型トランジスタ５０２のソース電位はＶＳＳ１となり、ｐチャネル型トランジスタ５０２は導通状態となる。これにより、ｎチャネル型トランジスタ５０３のゲート電極に入力される電位Ｖ_５０３は電源電位ＶＳＳ１に引っ張られて高くなる。従って、ｎチャネル型トランジスタ５０３は導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＳＳ３となる。

第１の入力信号にＬｏｗ信号が入力されると、第２の入力信号はＨｉｇｈ信号となるので、ｐチャネル型トランジスタ５０１のソース電位がＶＳＳ１となり、ｐチャネル型トランジスタ５０１は導通状態となる。そして、ｐチャネル型トランジスタ５０１のドレイン電位がＶＳＳ１となる。一方、ｐチャネル型トランジスタ５０２のソース電位はＶＳＳ２となり、ｐチャネル型トランジスタ５０２は非導通状態となる。これにより、ｎチャネル型トランジスタ５０３のゲート電極に入力される電位Ｖ_５０３は電源電位ＶＳＳ３に引っ張られて低くなる。従って、ｎチャネル型トランジスタ５０３は非導通状態になり、出力信号ｏｕｔの電位はＶＳＳ１となる。

本実施形態の半導体装置の出力波形を図２３に示す。図２３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、第１の入力信号ｉｎ１の電位Ｖｉｎ１、第２の入力信号ｉｎ２の電位Ｖｉｎ２、出力信号ｏｕｔの電位Ｖｏｕｔの時間経過を示す。

このようにして、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とする入力信号は、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ３との差を振幅とする出力信号に変換される。

なお、本実施形態においては、入力信号は、第１の入力信号の反転信号を第２の入力信号としているが、これに限定されない。差動回路として用いる場合は、２つの入力信号の電位Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２に差があればどのような信号でもよい。また、第１の配線５０５、第２の配線５０６に電源電圧が印加されているが、これに限定されない。他の回路からの信号が入力されてもよいし、クロック信号が入力されてもよい。また、第１の配線５０５、第２の配線５０６には異なる電位を印加してもよい。

（実施の形態３）
実施の形態１（図１）では、入力信号ｉｎ１、ｉｎ２の電圧振幅よりもｎチャネル型トランジスタ１０３、１０４の閾値電圧が高い場合には、ｎチャネル型トランジスタ１０３、ｎチャネル型トランジスタ１０４が非導通状態となり、正常に動作しない場合がある。そこで、本実施形態では、ｎチャネル型トランジスタ１０３、ｎチャネル型トランジスタ１０４に加えるゲート電位を高くして、ｎチャネル型トランジスタ１０３、ｎチャネル型トランジスタ１０４を導通状態にしやすくした。

まず、本実施形態の半導体装置の基本的構成について、図８を用いて説明する。

本実施形態の半導体装置は、差動回路部８０７、第１のレベルシフタ回路８０８、第２のレベルシフタ回路８０９から構成されている。差動回路部８０７の構造は以下のようになっている。ｐチャネル型トランジスタ８０１のソース領域は、第１の配線８０５に接続されている。ｐチャネル型トランジスタ８０２のソース領域は、第２の配線８０６に接続されている。ｐチャネル型トランジスタ８０１、ｐチャネル型トランジスタ８０２のゲート電極は互いに接続され、ｐチャネル型トランジスタ８０２のドレイン領域と接続されている。ｐチャネル型トランジスタ８０１のドレイン領域は、ｎチャネル型トランジスタ８０３のドレイン領域と接続され、この交点より出力信号ｏｕｔを得る。ｎチャネル型トランジスタ８０４のソース領域には、第１の入力信号ｉｎ１（電圧Ｖｉｎ１）が入力され、ｎチャネル型トランジスタ８０３のソース領域には、第２の入力信号ｉｎ２（電圧Ｖｉｎ２）が入力される。第１のレベルシフタ回路８０８は、ｎチャネル型トランジスタ８０３のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ８０４のソース領域とに接続され、第２のレベルシフタ回路８０９は、ｎチャネル型トランジスタ８０４のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ８０３のソース領域とに接続される。

ここで、本実施形態の半導体装置をレベルシフタに用いた場合について、図９を用いて説明する。図９は、第１のレベルシフタ回路８０８、第２のレベルシフタ回路８０９を具体的に明示した図である。なお、第１、第２の入力信号が電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とし、第１の配線８０５、第２の配線８０６には共に電源電位ＶＤＤ２が印加され、第２の入力信号として、第１の入力信号の反転信号が入力されるものとする。ここで、電源電位の大小関係はＶＳＳ１＜ＶＤＤ１＜ＶＤＤ２である。

本実施形態のレベルシフタは、差動回路部９０９、第１のレベルシフタ回路９１０、第２のレベルシフタ回路９１１から構成されている。差動回路部９０９は、ｐチャネル型トランジスタ９０１、ｐチャネル型トランジスタ９０２、ｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０４から構成されている。第１のレベルシフタ回路９１０は電流源９０５とｎチャネル型トランジスタ９０６から構成されている。ｎチャネル型トランジスタ９０６のゲート電極と差動回路部９０９のｎチャネル型トランジスタ９０３のゲート電極は互いに接続され、ｎチャネル型トランジスタ９０６のドレイン領域及び電流源９０５と接続されている。第２のレベルシフタ回路９１１は電流源９０７とｎチャネル型トランジスタ９０８から構成されている。ｎチャネル型トランジスタ９０８のゲート電極と差動回路部９０９のｎチャネル型トランジスタ９０４のゲート電極は互いに接続され、ｎチャネル型トランジスタ９０８のドレイン領域及び電流源９０７と接続されている。入力信号に関しては、差動回路部９０９のｎチャネル型トランジスタ９０４及び第１のレベルシフタ回路９１０のｎチャネル型トランジスタ９０６のソース領域には第１の入力信号ｉｎ１（電圧Ｖｉｎ１）が入力され、差動回路部９０９のｎチャネル型トランジスタ９０３及び第２のレベルシフタ回路９１１のｎチャネル型トランジスタ９０８のソース領域には第２の入力信号ｉｎ２（電圧Ｖｉｎ２）が入力される。

次に、本実施形態のレベルシフタの基本的な動作を説明する。

まず、第１の入力信号ｉｎ１として、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｎチャネル型トランジスタ９０４、ｎチャネル型トランジスタ９０６のソース領域に入力され、第２の入力信号として電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０８のソース領域に入力される。従って、ｎチャネル型トランジスタ９０４、ｎチャネル型トランジスタ９０６のソース電位はＶｉｎ１となり、ｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０８のソース電位はＶｉｎ２となる。

次に、第１のレベルシフタ回路９１０、第２のレベルシフタ回路９１１の動作について説明する。ｎチャネル型トランジスタ９０６、ｎチャネル型トランジスタ９０８は、共にゲート電極とドレイン領域とが接続されているので、ｎチャネル型トランジスタ９０６、ｎチャネル型トランジスタ９０８はいずれも飽和領域で動作する。従って、ｎチャネル型トランジスタ９０３のゲート電極には、Ｖｉｎ１−ＶＤＤ２間の電圧を抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_９０３と表記する。同様に、ｎチャネル型トランジスタ９０４のゲート電極には、Ｖｉｎ２−ＶＤＤ２間の電圧を抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_９０４と表記する。
なお、ｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０４のゲート電極に入力される電位Ｖ_９０３、Ｖ_９０４のうち少なくとも一方が、ｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０４の閾値電圧よりも高くなるように、レベルシフタ回路９１０、レベルシフタ回路９１１を設定する

第１の入力信号ｉｎ１がＨｉｇｈ信号のとき、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるため、差動回路部９０９への入力電位Ｖ_９０３とＶ_９０４の大小関係はＶ_９０３＞Ｖ_９０４となる。また、ｎチャネル型トランジスタ９０３のソース電位がＶＳＳ１、ｎチャネル型トランジスタ９０４のソース電位がＶＤＤ１となるため、ｎチャネル型トランジスタ９０３のゲート−ソース間電圧は大きくなり、ｎチャネル型トランジスタ９０４のゲート−ソース間電圧は小さくなる。従って、差動回路部９０９により、出力信号ｏｕｔの電位は下降し、ＶＳＳ１となる。なお、差動回路部９０９の基本的な動作は、実施の形態１で示したレベルシフタ（図１）と同じなので、ここでは詳細な説明は割愛する。

第１の入力信号ｉｎ１がＬｏｗ信号のとき、第２の入力信号はＨｉｇｈ信号となるため、差動回路部９０９への入力電位Ｖ_９０３とＶ_９０４の大小関係はＶ_９０３＜Ｖ_９０４となる。また、ｎチャネル型トランジスタ９０３のソース電位がＶＤＤ１、ｎチャネル型トランジスタ９０４のソース電位がＶＳＳ１となるため、ｎチャネル型トランジスタ９０３のゲート−ソース間電圧は小さくなり、ｎチャネル型トランジスタ９０４のゲート−ソース間電圧は大きくなる。従って、差動回路部９０９により、出力信号ｏｕｔの電位は上昇し、ＶＤＤ２となる。

本実施形態のレベルシフタは、電圧振幅変換時の電流を低減することにより、出力波形のなまりを抑えるだけでなく、消費電力の削減を実現できる。また、第１のレベルシフタ回路９１０、第２のレベルシフタ回路９１１を用いることにより、ｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０４に加えるゲート電位Ｖ_９０３、Ｖ_９０４をｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０４の閾値電圧よりも高くすることができるため、ｎチャネル型トランジスタ９０３、ｎチャネル型トランジスタ９０４の閾値電圧が入力信号の電圧振幅が高い場合でも動作が可能となる。

なお、図９に示したレベルシフタ回路は電流源を用いた回路であったが、本実施形態においてレベルシフタ回路はこれに限定されない。レベルシフタ回路として用いることができる回路の一例を図１０に示す。図１０（Ａ）は、抵抗１００１とダイオード１００２を直列に接続した回路である。図１０（Ｂ）は、ダイオード１００３と抵抗１００４を直列に接続した回路で、図１０（Ａ）に示した回路と接続関係が逆になっている。図１０（Ｃ）は、ダイオード１００５、ダイオード１００６を直列に接続した回路である。なお、図１０に示した回路はレベルシフタ回路の一例であり、これに限定されない。

また、本実施形態においては、入力信号は、第１の入力信号の反転信号を第２の入力信号としているが、これに限定されない。差動回路として用いる場合は、２つの入力信号の電位Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２に差があればどのような信号でもよい。また、第１の配線８０５、第２の配線８０６に電源電圧が印加されているが、これに限定されない。他の回路からの信号が入力されてもよいし、クロック信号が入力されてもよい。また第１の配線８０５、第２の配線８０６には異なる電位を印加してもよい。

（実施の形態４）
本実施形態では、実施の形態３において、トランジスタの極性を変えた場合について、図１１を用いて説明する。実施の形態２（図５）では、入力信号ｉｎ１、ｉｎ２の電圧振幅よりもｐチャネル型トランジスタ５０１、ｐチャネル型トランジスタ５０２の閾値電圧が低い場合には、ｐチャネル型トランジスタ５０１、ｐチャネル型トランジスタ５０２が非導通状態となり、正常に動作しない場合がある。そこで、本実施形態では、ｐチャネル型トランジスタ５０１、ｐチャネル型トランジスタ５０２に加えるゲート電位を低くして、ｐチャネル型トランジスタ５０１、ｐチャネル型トランジスタ５０２を導通状態にしやすくした。

本実施形態の半導体装置は、差動回路部１１０７、第１のレベルシフタ回路１１０８、第２のレベルシフタ回路１１０９から構成されている。差動回路部１１０７の構造は以下のようになっている。ｎチャネル型トランジスタ１１０３のソース領域は、第１の配線１１０５に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１１０４のソース領域は、第２の配線１１０６に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１１０３、ｎチャネル型トランジスタ１１０４のゲート電極は互いに接続され、ｎチャネル型トランジスタ１１０４のドレイン領域と接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１１０３のドレイン領域は、ｐチャネル型トランジスタ１１０１のドレイン領域と接続され、この交点より出力信号ｏｕｔを得る。ｐチャネル型トランジスタ１１０２のソース領域には、第１の入力信号ｉｎ１（電圧Ｖｉｎ１）が入力され、ｐチャネル型トランジスタ１１０１のソース領域には、第２の入力信号ｉｎ２（電圧Ｖｉｎ２）が入力される。第１のレベルシフタ回路１１０８は、ｐチャネル型トランジスタ１１０１のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１１０２のソース領域とに接続され、第２のレベルシフタ回路１１０９は、ｐチャネル型トランジスタ１１０２のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１１０１のソース領域とに接続される。

ここで、本実施形態の半導体装置をレベルシフタに用いた場合について、図１２を用いて説明する。図１２は、第１のレベルシフタ回路１１０８、第２のレベルシフタ回路１１０９を具体的に明示した図である。なお、第１、第２の入力信号が電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とし、第１の配線１１０５、第２の配線１１０６には共に電源電位ＶＳＳ３が印加され、第２の入力信号として、第１の入力信号の反転信号が入力されるものとする。ここで、電源電位の大小関係はＶＳＳ３＜ＶＳＳ２＜ＶＳＳ１である。

本実施形態のレベルシフタは、差動回路部１２０９、第１のレベルシフタ回路１２１０、第２のレベルシフタ回路１２１１から構成されている。差動回路部１２０９は、ｐチャネル型トランジスタ１２０１、ｐチャネル型トランジスタ１２０２、ｎチャネル型トランジスタ１２０３、ｎチャネル型トランジスタ１２０４から構成されている。第１のレベルシフタ回路９１０は電流源９０５とｎチャネル型トランジスタ９０６から構成されている。第１のレベルシフタ回路１２１０はｐチャネル型トランジスタ１２０５と電流源１２０６から構成されている。ｐチャネル型トランジスタ１２０５のゲート電極と差動回路部１２０９のｐチャネル型トランジスタ１２０１のゲート電極は互いに接続され、ｐチャネル型トランジスタ１２０５のドレイン領域及び電流源１２０６と接続されている。第２のレベルシフタ回路１２１１はｐチャネル型トランジスタ１２０７と電流源１２０８から構成されている。ｐチャネル型トランジスタ１２０７のゲート電極と差動回路部１２０９のｐチャネル型トランジスタ１２０２のゲート電極は互いに接続され、ｐチャネル型トランジスタ１２０７のドレイン領域及び電流源１２０８と接続されている。入力信号に関しては、差動回路部１２０９のｐチャネル型トランジスタ１２０２及び第１のレベルシフタ回路１２１０のｐチャネル型トランジスタ１２０５のソース領域には第１の入力信号ｉｎ１（電圧Ｖｉｎ１）が入力され、差動回路部１２０９のｐチャネル型トランジスタ１２０１及び第２のレベルシフタ回路１２１１のｐチャネル型トランジスタ１２０７のソース領域には第２の入力信号ｉｎ２（電圧Ｖｉｎ２）が入力される。

まず、第１の入力信号ｉｎ１として、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とする信号がｐチャネル型トランジスタ１２０２、ｐチャネル型トランジスタ１２０５のソース領域に入力され、第２の入力信号として電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＳＳ２との差を振幅とする信号がｐチャネル型トランジスタ１２０１、ｐチャネル型トランジスタ１２０７のソース領域に入力される。従って、ｐチャネル型トランジスタ１２０２、ｐチャネル型トランジスタ１２０５のソース電位はＶｉｎ１となり、ｐチャネル型トランジスタ１２０１、ｐチャネル型トランジスタ１２０７のソース電位はＶｉｎ２となる。

次に、第１のレベルシフタ回路１２１０、第２のレベルシフタ回路１２１１の動作について説明する。ｐチャネル型トランジスタ１２０５、ｐチャネル型トランジスタ１２０７は、共にゲート電極とドレイン領域とが接続されているので、ｐチャネル型トランジスタ１２０５、ｐチャネル型トランジスタ１２０７はいずれも飽和領域で動作する。従って、ｐチャネル型トランジスタ１２０１のゲート電極には、ＶＳＳ３−Ｖｉｎ２間の電圧を抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_１２０１と表記する。同様に、ｐチャネル型トランジスタ１２０２のゲート電極には、ＶＳＳ３−Ｖｉｎ１間の電圧を抵抗分割した電位が入力される。この電位をＶ_１２０２と表記する。

第１の入力信号ｉｎ１がＨｉｇｈ信号のとき、第２の入力信号はＬｏｗ信号となるため、差動回路部１２０９への入力電位Ｖ_１２０１とＶ_１２０２の大小関係はＶ_１２０１＞Ｖ_１２０２となる。また、ｐチャネル型トランジスタ１２０１のソース電位がＶＳＳ２、ｐチャネル型トランジスタ１２０２のソース電位がＶＳＳ１となるため、ｐチャネル型トランジスタ１２０１のゲート−ソース間電圧は小さくなり、ｐチャネル型トランジスタ１２０２のゲート−ソース間電圧は大きくなる。従って、差動回路部１２０９により、出力信号ｏｕｔの電位は下降し、ＶＳＳ３となる。

なお、差動回路部１２０９の基本的な動作は、実施の形態２で示したレベルシフタ（図５）と同じなので、ここでは詳細な説明は割愛する。

第１の入力信号ｉｎ１がＬｏｗ信号のとき、第２の入力信号はＨｉｇｈ信号となるため、差動回路部１２０９への入力電位Ｖ_１２０１とＶ_１２０２の大小関係はＶ_１２０１＜Ｖ_１２０２となる。また、ｐチャネル型トランジスタ１２０１のソース電位がＶＳＳ１、ｐチャネル型トランジスタ１２０２のソース電位がＶＳＳ２となるため、ｐチャネル型トランジスタ１２０１のゲート−ソース間電圧は大きくなり、ｐチャネル型トランジスタ１２０２のゲート−ソース間電圧は小さくなる。従って、差動回路部１２０９により、出力信号ｏｕｔの電位は上昇しＶＳＳ１となる。

本実施形態のレベルシフタは、電圧振幅変換時の電流を低減することにより、出力波形のなまりを抑えるだけでなく、消費電力の削減を実現できる。また、第１のレベルシフタ回路１２１０、第２のレベルシフタ回路１２１１を用いることにより、ｐチャネル型トランジスタ１２０１、ｐチャネル型トランジスタ１２０２に加えるゲート電位Ｖ_１２０１、Ｖ_１２０２を低くし、ｐチャネル型トランジスタ１２０１、ｐチャネル型トランジスタ１２０２の閾値電圧よりも低くすることができるため、ｐチャネル型トランジスタ１２０１、ｐチャネル型トランジスタ１２０２の閾値電圧が入力信号の電圧振幅よりも低い場合でも動作が可能となる。

なお、図１２に示したレベルシフタ回路は電流源を用いた回路であったが、本実施形態においてレベルシフタ回路はこれに限定されない。レベルシフタ回路として用いることができる回路の一例を図１０に示す。なお、図１０に示した回路はレベルシフタ回路の一例であり、これに限定されない。

また、本実施形態においては、入力信号は、第１の入力信号の反転信号を第２の入力信号としているが、これに限定されない。差動回路として用いる場合は、２つの入力信号の電位Ｖｉｎ１、Ｖｉｎ２に差があればどのような信号でもよい。また、第１の配線１１０５、第２の配線１１０６に電源電圧が印加されているが、これに限定されない。他の回路からの信号が入力されてもよいし、クロック信号が入力されてもよい。また、第１の配線１１０５、第２の配線１１０６には異なる電位を印加してもよい。

（実施の形態５）
これまでの実施形態で示した半導体装置では、入力信号の低電位側、高電位側のどちらか一方を固定し、他方をシフトさせるレベルシフタとして用いる場合について説明したが、本実施形態では、入力信号の低電位側、高電位側を両方シフトさせるレベルシフタとして用いる場合について、図１３を用いて説明する。

実施の形態１、実施の形態２で示した半導体装置を併用することにより、入力信号の低電位側、高電位側を両方シフトさせるレベルシフタとして用いることができる。図１３は本実施形態を示す概略図である。図１３（Ａ）は、第１、第２の入力信号ｉｎ１、ｉｎ２を始めに高電位側レベルシフタ１３０１に入力し、入力信号の高電位側をシフトさせてから、低電位側レベルシフタ１３０２を用いて入力信号の低電位側をシフトされる場合を示す。図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）とは逆に、第１、第２の入力信号ｉｎ１、ｉｎ２を始めに低電位側レベルシフタ１３０２に入力し、入力信号の低電位側をシフトさせてから、高電位側レベルシフタ１３０１を用いて入力信号の高電位側をシフトされる場合を示す。本実施形態では、高電位側レベルシフタ１３０１として実施の形態１で示した半導体装置を用い、低電位側レベルシフタ１３０２として実施の形態２で示した半導体装置を用いることができる。

ここで、高電位側レベルシフタ１３０１として実施の形態１で示した半導体装置を用い、低電位側レベルシフタ１３０２として実施の形態２で示した半導体装置を用いた例について、図１４（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。図１４（Ａ）は、入力信号の高電位側をシフトした後、低電位側をシフトするレベルシフタの例を示し、図１４（Ｂ）は、入力信号の低電位側をシフトした後、高電位側をシフトするレベルシフタの例を示す。なお、本実施形態では、第１、第２の入力信号が電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とし、高電位側の電源電位がＶＤＤ２、低電位側の電源電位がＶＳＳ３であり、第２の入力信号として、第１の入力信号の反転信号が入力されるものとする。ここで、電源電位の大小関係はＶＳＳ３＜ＶＳＳ１＜ＶＤＤ１＜ＶＤＤ２である。

まず、図１４（Ａ）に示した、入力信号の高電位側をシフトした後、低電位側をシフトするレベルシフタについて説明する。

図１４（Ａ）のレベルシフタの構造は以下のようになっている。高電位側レベルシフタ１４０９は、実施の形態１で示した半導体装置（図１）と同様の構造となっており、低電位側レベルシフタ１４１０は、実施の形態２で示した半導体装置（図５）と同様の構造となっている。高電位側レベルシフタ１４０９は、ｐチャネル型トランジスタ１４０１、ｐチャネル型トランジスタ１４０２、ｎチャネル型トランジスタ１４０３、ｎチャネル型トランジスタ１４０４を有し、低電位側レベルシフタ１４１０は、ｐチャネル型トランジスタ１４０５、ｐチャネル型トランジスタ１４０６、ｎチャネル型トランジスタ１４０７、ｎチャネル型トランジスタ１４０８、インバータ１４１１を有している。

高電位側レベルシフタ１４０９において、第１の入力信号ｉｎ１はｎチャネル型トランジスタ１４０３のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４０４のソース領域に入力され、第２の入力信号ｉｎ２はｎチャネル型トランジスタ１４０４のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４０３のソース領域に入力される。ｐチャネル型トランジスタ１４０２のドレイン領域はｎチャネル型トランジスタ１４０４のドレイン領域と接続され、この交点から出力信号ｏｕｔ１を得る。

低電位側レベルシフタ１４１０において、高電位側レベルシフタ１４０９の出力信号ｏｕｔ１がｐチャネル型トランジスタ１４０５のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４０６のソース領域に入力され、高電位側レベルシフタ１４０９の出力信号ｏｕｔ１の反転信号がｐチャネル型トランジスタ１４０６のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４０５のソース領域に入力される。ｐチャネル型トランジスタ１４０６のドレイン領域はｎチャネル型トランジスタ１４０８のドレイン領域と接続され、この交点から出力信号ｏｕｔを得る。

次に、図１４（Ａ）のレベルシフタの基本的な動作について説明する。

まずは、高電位側レベルシフタ１４０９について説明する。第１の入力信号ｉｎ１として、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｎチャネル型トランジスタ１４０３のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４０４のソース領域に入力され、第２の入力信号として電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｎチャネル型トランジスタ１４０４のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４０３のソース領域に入力される。高電位側レベルシフタ１４０９の基本的な動作については、図１で示した半導体装置と同じなので、ここでは詳細な説明を割愛するが、最終的に電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする信号が出力信号ｏｕｔ１として得られる。

次に、低電位側レベルシフタ１４１０について説明する。ｐチャネル型トランジスタ１４０５のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４０６のソース領域には、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする高電位側レベルシフタ１４０９の出力信号ｏｕｔ１が入力され、ｐチャネル型トランジスタ１４０６のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４０５のソース領域には、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする高電位側レベルシフタ１４０９の出力信号ｏｕｔ１がインバータ１４１１を介して入力される。低電位側レベルシフタ１４１０の基本的な動作については、図５で示したレベルシフタと同じなので、ここでは詳細な説明を割愛するが、最終的に電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする信号が出力信号ｏｕｔとして得られる。

つぎに、図１４（Ｂ）に示した、入力信号の低電位側をシフトした後、高電位側をシフトするレベルシフタについて説明する。

図１４（Ｂ）のレベルシフタの構造は以下のようになっている。高電位側レベルシフタ１４２０は、実施の形態１で示した半導体装置（図１）と同様の構造となっており、低電位側レベルシフタ１４２１は、実施の形態２で示した半導体装置（図５）と同様の構造となっている。高電位側レベルシフタ１４２０は、ｐチャネル型トランジスタ１４１２、ｐチャネル型トランジスタ１４１３、ｎチャネル型トランジスタ１４１４、ｎチャネル型トランジスタ１４１５、インバータ１４２２を有し、低電位側レベルシフタ１４２１は、ｐチャネル型トランジスタ１４１６、ｐチャネル型トランジスタ１４１７、ｎチャネル型トランジスタ１４１８、ｎチャネル型トランジスタ１４１９を有している。

低電位側レベルシフタ１４２１において、第１の入力信号ｉｎ１はｐチャネル型トランジスタ１４１６のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４１７のソース領域に入力され、第２の入力信号ｉｎ２はｐチャネル型トランジスタ１４１７のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４１６のソース領域に入力される。ｎチャネル型トランジスタ１４１８のドレイン領域はｐチャネル型トランジスタ１４１６のドレイン領域と接続され、この交点から出力信号ｏｕｔ１を得る。

高電位側レベルシフタ１４２０において、低電位側レベルシフタ１４２１の出力信号ｏｕｔ１がｎチャネル型トランジスタ１４１５のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４１４のソース領域に入力され、低電位側レベルシフタ１４２１の出力信号ｏｕｔ１の反転信号がｎチャネル型トランジスタ１４１４のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４１５のソース領域に入力される。ｐチャネル型トランジスタ１４１２のドレイン領域はｎチャネル型トランジスタ１４１４のドレイン領域と接続され、この交点から出力信号ｏｕｔを得る。

次に、図１４（Ｂ）のレベルシフタの基本的な動作について説明する。

まずは、低電位側レベルシフタ１４２１について説明する。第１の入力信号ｉｎ１として、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｐチャネル型トランジスタ１４１６のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４１７のソース領域に入力され、第２の入力信号として電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号がｐチャネル型トランジスタ１４１７のゲート電極とｐチャネル型トランジスタ１４１６のソース領域に入力される。低電位側レベルシフタ１４２１の基本的な動作については前述した通りであるため、ここでは詳細な説明を割愛するが、最終的に電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号が出力信号ｏｕｔ１として得られる。

次に、高電位側レベルシフタ１４２０について説明する。ｎチャネル型トランジスタ１４１５のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４１４のソース領域には、電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする低電位側レベルシフタ１４２１の出力信号ｏｕｔ１が入力され、ｎチャネル型トランジスタ１４１４のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１４１５のソース領域には、電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする低電位側レベルシフタ１４２１の出力信号ｏｕｔ１がインバータ１４２２を介して入力される。高電位側レベルシフタ１４２０の基本的な動作については前述した通りであるため、ここでは詳細な説明を割愛するが、最終的に電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする信号が出力信号ｏｕｔとして得られる。

このように、本実施形態のレベルシフタを用いると、電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする信号を電圧レベルＶＳＳ３と電圧レベルＶＤＤ２との差を振幅とする信号に変換できる。

なお、本実施形態では、高電位側レベルシフタとして実施の形態１で示した半導体装置を用い、低電位側レベルシフタとして実施の形態２で示した半導体装置を用いたが、高電位側、低電位側レベルシフタとして用いる回路はこれに限定されない。他の実施形態で示した半導体装置であればよい。また、従来のレベルシフタ回路と他の実施形態で示した半導体装置を組み合わせて用いてもよい。

（実施の形態６）
本実施形態では、信号線駆動回路、あるいは走査線駆動回路、あるいは表示素子を有する表示装置において、信号線駆動回路、あるいは走査線駆動回路に本発明の半導体装置を搭載した例について説明する。

図１５（Ａ）は、基板１５０１上に、複数の画素がマトリクス状に配置された画素部１５０２を有し、画素部１５０２の周辺に信号線駆動回路１５０３、第１の走査線駆動回路１５０４及び第２の走査線駆動回路１５０５を有する表示装置を示す。図１５（Ａ）に示した表示装置は、信号線駆動回路１５０３と２個の走査線駆動回路（第１の走査線駆動回路１５０４及び第２の走査線駆動回路１５０５）を有しているが、本実施形態はこれに限定されず、信号線駆動回路と走査線駆動回路の数は画素の構成に応じて任意に配置することができる。また、信号線駆動回路１５０３と２個の走査線駆動回路（第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５）には、ＦＰＣ１５０６を介して外部より信号が入力されている。しかし、本実施形態はこれに限定されず、画素部以外の半導体装置にはＩＣ等を用いて外部より信号を入力してもよい。

まず、信号線駆動回路１５０３について図１５（Ｂ）を用いて説明する。図１５（Ｂ）は信号線駆動回路１５０３の構成を示している。信号線駆動回路１５０３は、シフトレジスタ１５０７、第１のラッチ回路１５０８、第２のラッチ回路１５０９及びレベルシフタ回路１５１０を有する。

次に、信号線駆動回路１５０３の動作について簡単に説明する。シフトレジスタ１５０７は、フリップフロップ回路（ＦＦ）等を複数列用いて構成され、クロック信号（Ｓ−ＣＬＫ）、スタートパルス（Ｓ−ＳＰ）、クロック反転信号（Ｓ−ＣＬＫＢ）が入力される。これらの信号のタイミングに従って、順次サンプリングパルスが出力される。

シフトレジスタ１５０７より出力されたサンプリングパルスは、第１のラッチ回路１５０８に入力される。第１のラッチ回路１５０８には、ビデオ信号（ＶｉｄｅｏＤａｔａ）が入力されており、サンプリングパルスが入力されるタイミングに従って、各列でビデオ信号を保持していく。

第１のラッチ回路１５０８において、最終列までビデオ信号の保持が完了すると、水平帰線期間中に、第２のラッチ回路１５０９にラッチパルス（ＬａｔｃｈＰｕｌｓｅ）が入力され、第１のラッチ回路１５０８に保持されていたビデオ信号は、一斉に第２のラッチ回路１５０９に転送される。その後、第２のラッチ回路１５０９に保持されたビデオ信号は、１行分が同時にレベルシフタ回路１５１０に入力され、電圧が増幅された後に、信号線へ送られる。

次に、第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５について図１５（Ｃ）を用いて説明する。図１５（Ｃ）は第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５の構成を示している。第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５は、シフトレジスタ１５１１、レベルシフタ回路１５１２及びバッファ１５１３を有する。

次に、第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５の動作について簡単に説明する。シフトレジスタ１５１１は、フリップフロップ回路（ＦＦ）等を複数列用いて構成され、クロック信号（Ｇ−ＣＬＫ）、スタートパルス（Ｇ−ＳＰ）、クロック反転信号（Ｇ−ＣＬＫＢ）が入力される。これらの信号のタイミングに従って、順次サンプリングパルスが出力される。その後、レベルシフタ回路１５１２及びバッファ１５１３で増幅されたサンプリングパルスは走査線に入力されて、１行すつ選択状態にしていく。

ここで、本発明の半導体装置を信号線駆動回路１５０３のレベルシフタ回路１５１０として搭載した場合を、図１６を用いて説明する。図１６（Ａ）は、本実施形態における信号線駆動回路１５０３の１列分の回路図である。図１６（Ａ）に示したレベルシフタ回路は、実施の形態１に示したレベルシフタ回路である。レベルシフタ回路１６０４は、ｐチャネル型トランジスタ１６０５、ｐチャネル型トランジスタ１６０６、ｎチャネル型トランジスタ１６０７、ｎチャネル型トランジスタ１６０８、インバータ１６０９を有している。第２のラッチ回路１６０３から出力されたビデオ信号を、インバータ１６０９を介してレベルシフタ回路１６０４のｎチャネル型トランジスタ１６０７のゲート電極に、第２のラッチ回路１６０３から出力されたビデオ信号をｎチャネル型トランジスタ１６０８のゲート電極に入力し、ｎチャネル型トランジスタ１６０７のドレイン領域から出力信号ｏｕｔを得る。レベルシフタ回路１６０４の動作は前述した通りであるため、ここでは説明を割愛するが、最終的に第２のラッチ回路１６０３から出力されたビデオ信号の電圧振幅を増幅することができる。

図１６（Ｂ）は、本実施形態の信号線駆動回路のタイミングチャートの一例を示している。図１６（Ｂ）では、クロック信号（Ｓ−ＣＬＫ）、スタートパルス（Ｓ−ＳＰ）、クロック反転信号（Ｓ−ＣＬＫＢ）、ビデオ信号（ＶｉｄｅｏＤａｔａ）、ラッチパルス（ＬａｔｃｈＰｕｌｓｅ）が電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする場合を例に挙げている。シフトレジスタ１６０１、第１のラッチ回路１６０２、第２のラッチ回路１６０３を経てレベルシフタ回路１６０４に入力される信号は、Ｈｉｇｈ信号となる期間が短い信号となる。一方、本実施形態で用いたレベルシフタ回路１６０４において、ｎチャネル型トランジスタ１６０８のゲート電極にＨｉｇｈ信号が入力された場合に電流が流れる。従って、インバータ１６０９をｎチャネル型トランジスタ１６０７のゲート電極に接続することにより、ｎチャネル型トランジスタ１６０８のゲート電極にＨｉｇｈ信号が入力される時間を大幅に短縮することができるため、電流の削減と消費電力の低減が実現される。

次に、本発明の半導体装置を第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５のレベルシフタ回路１５１０、レベルシフタ回路１５１２として搭載した場合を、図１７を用いて説明する。図１７（Ａ）は、本実施形態における第１の走査線駆動回路１５０４、第２の走査線駆動回路１５０５の１行分の回路図である。図１７（Ａ）に示したレベルシフタ回路は、実施の形態１に示したレベルシフタ回路である。レベルシフタ回路１７０２は、ｐチャネル型トランジスタ１７０４、ｐチャネル型トランジスタ１７０５、ｎチャネル型トランジスタ１７０６、ｎチャネル型トランジスタ１７０７、インバータ１７０８を有している。シフトレジスタ１７０１から出力されたサンプリングパルスを、インバータ１７０８を介してレベルシフタ回路１７０２のｎチャネル型トランジスタ１７０６のゲート電極に、シフトレジスタ１７０１から出力されたサンプリングパルスをｎチャネル型トランジスタ１７０７のゲート電極に入力し、ｎチャネル型トランジスタ１７０６のドレイン領域から出力信号ｏｕｔを得、バッファ１７０３に入力する。レベルシフタ回路１７０２の動作は前述した通りであるため、ここでは説明を割愛するが、最終的にシフトレジスタ１７０１から出力されたサンプリングパルスの電圧振幅を増幅することができる。

図１７（Ｂ）は、本実施形態の走査線駆動回路のタイミングチャートの一例を示している。図１７（Ｃ）では、クロック信号（Ｇ−ＣＬＫ）、スタートパルス（Ｇ−ＳＰ）、クロック反転信号（Ｇ−ＣＬＫＢ）が電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とする場合を例に挙げている。シフトレジスタ１７０１を経てレベルシフタ回路１７０２に入力される信号は、Ｈｉｇｈ信号となる期間が短い信号となる。一方、本実施形態で用いたレベルシフタ回路１７０２において、ｎチャネル型トランジスタ１７０７のゲート電極にＨｉｇｈ信号が入力された場合に電流が流れる。従って、インバータ１７０８をｎチャネル型トランジスタ１７０６のゲート電極に接続することにより、ｎチャネル型トランジスタ１７０７のゲート電極にＨｉｇｈ信号が入力される時間を大幅に短縮することができるため、電流の削減と消費電力の低減が実現される。

また、本発明のレベルシフタ回路を搭載することにより、電圧振幅変換時にレベルシフタに電流が流れる時間を短縮できるため、出力波形のなまりを抑えることもできる。

なお、本実施形態では、本発明のレベルシフタ回路を、信号線駆動回路及び走査線駆動回路のレベルシフタ回路１５１０及びレベルシフタ回路１５１２として用いた例を示したが、本発明のレベルシフタ回路を信号線駆動回路及び走査線駆動回路の別の箇所に用いてもよい。

例えば、本発明のレベルシフタ回路を、信号線駆動回路及び走査線駆動回路に入力されるクロック信号の増幅回路として用いてもよい。この例を図２０、図２１に示す。

図２０は、本発明のレベルシフタ回路を、信号線駆動回路に入力されるクロック信号の増幅回路として用いた例を示す。第１のレベルシフタ回路２００１はｐチャネル型トランジスタ２００２、ｐチャネル型トランジスタ２００３、ｎチャネル型トランジスタ２００４、ｎチャネル型トランジスタ２００５、インバータ２００６を有する。電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ３との差を振幅とするクロック信号（ＩｎｐｕｔＳ−ＣＬＫ）を第１のレベルシフタ回路２００１に入力し、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とするクロック信号（Ｓ−ＣＬＫ）を生成する。ここで、電源電圧の大小関係は、ＶＳＳ１＜ＶＤＤ３＜ＶＤＤ１である。

図２１は、本発明のレベルシフタ回路を、走査線駆動回路に入力されるクロック信号の増幅回路として用いた例を示す。第１のレベルシフタ回路２１０１はｐチャネル型トランジスタ２１０２、ｐチャネル型トランジスタ２１０３、ｎチャネル型トランジスタ２１０４、ｎチャネル型トランジスタ２１０５、インバータ２１０６を有する。電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ３との差を振幅とするクロック信号（ＩｎｐｕｔＧ−ＣＬＫ）を第１のレベルシフタ回路２１０１に入力し、電圧レベルＶＳＳ１と電圧レベルＶＤＤ１との差を振幅とするクロック信号（Ｇ−ＣＬＫ）を生成する。ここで、電源電圧の大小関係は、ＶＳＳ１＜ＶＤＤ３＜ＶＤＤ１である。

このように、本発明のレベルシフタ回路を、信号線駆動回路及び走査線駆動回路に入力されるクロック信号の増幅回路として用いることにより、クロック信号（ＩｎｐｕｔＳ−ＣＬＫ、ＩｎｐｕｔＧ−ＣＬＫ）の電圧振幅を小さくすることができるため、クロック信号を流す配線の負荷を小さくすることができるとともに、消費電力を削減することができる。また、電圧振幅変換時にレベルシフタに電流が流れる時間を短縮できるため、出力波形のなまりを抑えることもできる。

なお、本実施形態では、実施の形態１で示した半導体装置（図１）を用いたが、レベルシフタ回路として用いる回路はこれに限定されない。他の実施形態で示した半導体装置を用いてもよい。

また、本実施形態に示した半導体装置に用いる表示素子は限定されない。液晶を用いた液晶表示装置や、エレクトロルミネッセンス（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：ＥＬ）で発光する無機及び有機材料を用いたＥＬ表示装置、ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ（ＤＭＤ）素子を用いた表示装置、電界放出ディスプレイ（ＦｉｅｌｄＥｍｉｓｓｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）、表面電界ディスプレイ（Ｓｕｒｆａｃｅ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ−ｅｍｉｔｔｅｒＤｉｓｐｌａｙ：ＳＥＤ）、及び電子ペーパー等に対しても本発明は適用できる。

（実施の形態７）
本実施形態では、本発明の半導体装置をオペアンプに適用した例を、図１８を用いて説明する。

図１８（Ａ）はオペアンプの回路記号を示す。オペアンプは、第１の入力電位Ｖｉｎ１及び第２の入力電位Ｖｉｎ２との電位差に対し、増幅された出力電位Ｖｏｕｔを出力する機能を有する。オペアンプの回路構成としては、様々なものがあるが、主に差動回路と増幅回路から構成されている。そこで、本実施形態では、本発明の半導体装置を差動回路として適用し、増幅回路としてソース接地回路と組み合わせた場合を例に挙げて説明する。なお、電源電位はＶＳＳ１、ＶＤＤ２を用い、大小関係はＶＳＳ１＜ＶＤＤ２である。

図１８（Ｂ）は、本実施形態におけるオペアンプの回路図を示す。本実施形態におけるオペアンプの構成は以下のようになっている。

本実施形態におけるオペアンプは、差動回路１８０７と増幅回路１８０８から構成されている。差動回路１８０７として、実施の形態１で示した半導体装置（図１）を適用した。差動回路１８０７は、ｐチャネル型トランジスタ１８０１、ｐチャネル型トランジスタ１８０２、ｎチャネル型トランジスタ１８０３、ｎチャネル型トランジスタ１８０４から構成されている。第１の入力電位Ｖｉｎ１がｎチャネル型トランジスタ１８０４のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１８０３のソース領域に印加され、第２の入力電位Ｖｉｎ２がｎチャネル型トランジスタ１８０３のゲート電極とｎチャネル型トランジスタ１８０４のソース領域に印加される。ｎチャネル型トランジスタ１８０４のドレイン領域はｐチャネル型トランジスタ１８０２のドレイン領域と接続され、この交点から出力電位Ｖｏｕｔ１を得る。
増幅回路１８０８は、ソース接地回路となっており、ｎチャネル型トランジスタ１８０５、ｎチャネル型トランジスタ１８０６から構成されている。ｎチャネル型トランジスタ１８０５のドレイン領域は高電位電源（電源電位ＶＤＤ２）に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１８０５のゲート電極とドレイン領域は互いに接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１８０６のソース領域は低電位電源（電源電位ＶＳＳ１）に接続されている。ｎチャネル型トランジスタ１８０６のゲート電極には、差動回路１８０７からの出力電位Ｖｏｕｔ１が印加される。ｎチャネル型トランジスタ１８０６のドレイン領域は、ｎチャネル型トランジスタ１８０５のソース領域と接続され、この交点から出力電位Ｖｏｕｔを得る。

次に、本実施形態におけるオペアンプの基本的な動作を説明する。

差動回路１８０７において、第１の入力電位Ｖｉｎ１と第２の入力電位Ｖｉｎ２に差がある場合、出力端子には、ｎチャネル型トランジスタ１８０３に流れる電流Ｉ_１８０３とｎチャネル型トランジスタ１８０４に流れる電流Ｉ_１８０４の差分の電流（Ｉ_１８０３ −Ｉ_１８０４）が流れる。従って、出力電位Ｖｏｕｔ１として差分の電流による電位が得られる。第１の入力電位Ｖｉｎ１と第２の入力電位Ｖｉｎ２の大小関係がＶｉｎ１＞Ｖｉｎ２の場合、ｎチャネル型トランジスタ１８０３に流れる電流Ｉ_１８０３は減少し、ｎチャネル型トランジスタ１８０４に流れる電流Ｉ_１８０４は増加する。従って、出力電位Ｖｏｕｔ１は下降する。

次に、増幅回路１８０８において、ｎチャネル型トランジスタ１８０５のゲート電極とドレイン領域が接続されているため、ｎチャネル型トランジスタ１８０５は飽和領域で動作する。従って、出力電位Ｖｏｕｔは、ＶＤＤ２−ＶＳＳ１間の電圧を抵抗分割した電位となる。第１の入力電位Ｖｉｎ１と第２の入力電位Ｖｉｎ２の大小関係がＶｉｎ１＞Ｖｉｎ２の場合、差動回路１８０７の出力電位Ｖｏｕｔ１が下降するため、ｎチャネル型トランジスタ１８０６のゲート−ソース間電圧が小さくなる。従って、出力電位Ｖｏｕｔは電源電位ＶＤＤ２に引っ張られて高くなる。なお、第１の入力電位Ｖｉｎ１と第２の入力電位Ｖｉｎ２の電位差が大きい程、出力電位Ｖｏｕｔはより電源電位ＶＤＤ２に近くなる。

一方、第１の入力電位Ｖｉｎ１と第２の入力電位Ｖｉｎ２の大小関係がＶｉｎ１＜Ｖｉｎ２の場合、差動回路１８０７において、ｎチャネル型トランジスタ１８０３に流れる電流Ｉ_１８０３は増加し、ｎチャネル型トランジスタ１８０４に流れる電流Ｉ_１８０４は減少する。従って、出力電位Ｖｏｕｔ１は上昇する。これにより、増幅回路１８０８において、ｎチャネル型トランジスタ１８０６のゲート−ソース間電圧が大きくなる。従って、出力電位Ｖｏｕｔは電源電位ＶＳＳ１に引っ張られて低くなる。なお、第１の入力電位Ｖｉｎ１と第２の入力電位Ｖｉｎ２の電位差が大きい程、出力電位Ｖｏｕｔはより電源電位ＶＳＳ１に近くなる。

このようにして、入力電位Ｖｉｎ１とＶｉｎ２の電位差に対して、ＶＳＳ１〜ＶＤＤ２の範囲で増幅された出力電位Ｖｏｕｔが得られる。

なお、本実施形態においては、差動回路として実施の形態１で示した半導体装置を用いたが、差動回路として用いる回路はこれに限定されない。他の実施形態で示した半導体装置を用いてもよい。また、増幅回路としてソース接地回路を用いたが、増幅回路として用いる回路はこれに限定されない。

（実施の形態８）
本発明の半導体装置を用いた電子機器として、ビデオカメラ、デジタルカメラ、ゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）、ナビゲーションシステム、音響再生装置（カーオーディオ、オーディオコンポ等）、ノート型パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、携帯情報端末（モバイルコンピュータ、携帯電話、携帯型ゲーム機、電子書籍等）、記憶媒体を備えた画像再生装置（具体的にはＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ（ＤＶＤ）等の記憶媒体を再生し、その画像を表示しうるディスプレイを備えた装置）等が挙げられる。それらの電子機器の具体例を図１９に示す。

図１８（Ａ）はテレビであり、筐体１９０１、支持台１９０２、表示部１９０３、スピーカー部１９０４、ビデオ入力端子１９０５等を含む。本発明は、表示部１９０３を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減されたテレビを提供することが可能となる。

図１９（Ｂ）はデジタルスチルカメラであり、本体１９０６、表示部１９０７、受像部１９０８、操作キー１９０９、外部接続ポート１９１０、シャッター１９１１等を含む。本発明は、表示部１９０７を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減されたデジタルスチルカメラを提供することが可能となる。

図１９（Ｃ）はノート型パーソナルコンピュータであり、本体１９１２、筐体１９１３、表示部１９１４、キーボード１９１５、外部接続ポート１９１６、ポインティングマウス１９１７等を含む。本発明は、表示部１９１４を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減されたノート型パーソナルコンピュータを提供することが可能となる。

図１９（Ｄ）はモバイルコンピュータであり、本体１９１８、表示部１９１９、スイッチ１９２０、操作キー１９２１、赤外線ポート１９２２等を含む。本発明は、表示部１９１９を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減されたモバイルコンピュータを提供することが可能となる。

図１９（Ｅ）は記憶媒体装置を備えた携帯型の画像再生装置（具体的にはＤＶＤ再生装置）であり、本体１９２３、筐体１９２４、表示部Ａ１９２５、表示部Ｂ１９２６、記憶媒体（ＤＶＤ等）読み込み部１９２７、操作キー１９２８、スピーカー部１９２９等を含む。表示部Ａ１９２５は主に画像情報を表示し、表示部Ｂは主に文字情報を表示するが、本発明は、表示部Ａ、Ｂ１９２５、１９２６を構成する半導体装置に用いることができる。なお、記憶媒体を備えた画像再生装置には家庭用ゲーム機器等も含まれる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減された画像再生装置を提供することが可能となる。

図１９（Ｆ）はゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）であり、本体１９３０、表示部１９３１、アーム部１９３２等を含む。本発明は、表示部１９３１を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減されたゴーグル型ディスプレイ（ヘッドマウントディスプレイ）を提供することが可能となる。

図１９（Ｇ）はビデオカメラであり、本体１９３３、表示部１９３４、筐体１９３５、外部接続ポート１９３６、リモコン受信部１９３７、受像部１９３８、バッテリー１９３９、音声入力部１９４０、操作キー１９４１等を含む。本発明は、表示部１９３４を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減されたビデオカメラを提供することが可能となる。

図１９（Ｈ）は携帯電話であり、本体１９４２、筐体１９４３、表示部１９４４、音声入力部１９４５、音声出力部１９４６、操作キー１９４７、外部接続ポート１９４８、アンテナ１９４９等を含む。本発明は、表示部１９４４を構成する半導体装置に用いることができる。本発明の半導体装置を用いることにより、消費電力が低減された携帯電話を提供することが可能となる。

以上のように、本発明の適応範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に用いることが可能である。

実施の形態１にて示したレベルシフタの一例を示す回路図。本発明の効果を説明した図。実施の形態１にて示したレベルシフタの上面図の一例を示す図。ＣＭＯＳトランジスタの断面の一例を示す図。実施の形態２にて示したレベルシフタの一例を示す回路図。従来のレベルシフタの一例を示す回路図。従来のレベルシフタにおける課題を説明した図。実施の形態３にて示した半導体装置の一例を示す回路図。実施の形態３にて示したレベルシフタの一例を示す回路図。実施の形態３のレベルシフタ回路の一例を示す図。実施の形態４にて示した半導体装置の一例を示す回路図。実施の形態４にて示したレベルシフタの一例を示す回路図。実施の形態５にて示した半導体装置の概略図。実施の形態５にて示したレベルシフタの一例を示す回路図。実施の形態６にて示した表示装置の構成の一例を示す図。実施の形態６にて示した信号線駆動回路の一例を示す回路図。実施の形態６にて示した走査線駆動回路の一例を示す回路図。実施の形態７にて示したオペアンプの一例を示す回路図。本発明が適用される電子機器の一例を示す図。実施の形態６にて示した信号線駆動回路の一例を示す回路図。実施の形態６にて示した走査線駆動回路の一例を示す回路図。実施の形態１にて示したレベルシフタの動作を示す図。実施の形態２にて示したレベルシフタの動作を示す図。

符号の説明

１０１ｐチャネル型トランジスタ
１０２ｐチャネル型トランジスタ
１０３ｎチャネル型トランジスタ
１０４ｎチャネル型トランジスタ
１０５第１の配線
１０６第２の配線
４０１ｎチャネル型トランジスタ
４０２ｐチャネル型トランジスタ
４０３基板
４０４下地膜
４０５半導体層
４０６ゲート絶縁膜
４０７ｎ型不純物領域
４０８ｐ型不純物領域
４０９第１の層間絶縁膜
４１０第２の層間絶縁膜
４１１第１の導電膜
４１２第２の導電膜
４１３ソース配線
４１４ドレイン配線
５０１ｐチャネル型トランジスタ
５０２ｐチャネル型トランジスタ
５０３ｎチャネル型トランジスタ
５０４ｎチャネル型トランジスタ
５０５第１の配線
５０６第２の配線
６０１ｐチャネル型トランジスタ
６０２ｐチャネル型トランジスタ
６０３ｎチャネル型トランジスタ
６０４ｎチャネル型トランジスタ
６０５ｐチャネル型トランジスタ
６０６ｐチャネル型トランジスタ
６０７ｎチャネル型トランジスタ
６０８ｎチャネル型トランジスタ
８０１ｐチャネル型トランジスタ
８０２ｐチャネル型トランジスタ
８０３ｎチャネル型トランジスタ
８０４ｎチャネル型トランジスタ
８０５第１の配線
８０６第２の配線
８０７差動回路部
８０８第１のレベルシフタ回路
８０９第２のレベルシフタ回路
９０１ｐチャネル型トランジスタ
９０２ｐチャネル型トランジスタ
９０３ｎチャネル型トランジスタ
９０４ｎチャネル型トランジスタ
９０５電流源
９０６ｎチャネル型トランジスタ
９０７電流源
９０８ｎチャネル型トランジスタ
９０９差動回路部
９１０第１のレベルシフタ回路
９１１第２のレベルシフタ回路
１００１抵抗
１００２ダイオード
１００３ダイオード
１００４抵抗
１００５ダイオード
１００６ダイオード
１１０１ｐチャネル型トランジスタ
１１０２ｐチャネル型トランジスタ
１１０３ｎチャネル型トランジスタ
１１０４ｎチャネル型トランジスタ
１１０５第１の配線
１１０６第２の配線
１１０７差動回路部
１１０８第１のレベルシフタ回路
１１０９第２のレベルシフタ回路
１２０１ｐチャネル型トランジスタ
１２０２ｐチャネル型トランジスタ
１２０３ｎチャネル型トランジスタ
１２０４ｎチャネル型トランジスタ
１２０５ｐチャネル型トランジスタ
１２０６電流源
１２０７ｐチャネル型トランジスタ
１２０８電流源
１２０９差動回路部
１２１０第１のレベルシフタ回路
１２１１第２のレベルシフタ回路
１３０１高電位側レベルシフタ
１３０２低電位側レベルシフタ
１４０１ｐチャネル型トランジスタ
１４０２ｐチャネル型トランジスタ
１４０３ｎチャネル型トランジスタ
１４０４ｎチャネル型トランジスタ
１４０５ｐチャネル型トランジスタ
１４０６ｐチャネル型トランジスタ
１４０７ｎチャネル型トランジスタ
１４０８ｎチャネル型トランジスタ
１４０９高電位側レベルシフタ
１４１０低電位側レベルシフタ
１４１１インバータ
１４１２ｐチャネル型トランジスタ
１４１３ｐチャネル型トランジスタ
１４１４ｎチャネル型トランジスタ
１４１５ｎチャネル型トランジスタ
１４１６ｐチャネル型トランジスタ
１４１７ｐチャネル型トランジスタ
１４１８ｎチャネル型トランジスタ
１４１９ｎチャネル型トランジスタ
１４２０高電位側レベルシフタ
１４２１低電位側レベルシフタ
１４２２インバータ
１５０１基板
１５０２画素部
１５０３信号線駆動回路
１５０４第１の走査線駆動回路
１５０５第２の走査線駆動回路
１５０６ＦＰＣ
１５０７シフトレジスタ
１５０８第１のラッチ回路
１５０９第２のラッチ回路
１５１０レベルシフタ回路
１５１１シフトレジスタ
１５１２レベルシフタ回路
１５１３バッファ
１６０１シフトレジスタ
１６０２第１のラッチ回路
１６０３第２のラッチ回路
１６０４レベルシフタ回路
１６０５ｐチャネル型トランジスタ
１６０６ｐチャネル型トランジスタ
１６０７ｎチャネル型トランジスタ
１６０８ｎチャネル型トランジスタ
１６０９インバータ
１７０１シフトレジスタ
１７０２レベルシフタ回路
１７０３バッファ
１７０４ｐチャネル型トランジスタ
１７０５ｐチャネル型トランジスタ
１７０６ｎチャネル型トランジスタ
１７０７ｎチャネル型トランジスタ
１７０８インバータ
１８０１ｐチャネル型トランジスタ
１８０２ｐチャネル型トランジスタ
１８０３ｎチャネル型トランジスタ
１８０４ｎチャネル型トランジスタ
１８０５ｎチャネル型トランジスタ
１８０６ｎチャネル型トランジスタ
１８０７差動回路
１８０８増幅回路
１９０１筐体
１９０２支持台
１９０３表示部
１９０４スピーカー部
１９０５ビデオ入力端子
１９０６本体
１９０７表示部
１９０８受像部
１９０９操作キー
１９１０外部接続ポート
１９１１シャッター
１９１２本体
１９１３筐体
１９１４表示部
１９１５キーボード
１９１６外部接続ポート
１９１７ポインティングマウス
１９１８本体
１９１９表示部
１９２０スイッチ
１９２１操作キー
１９２２赤外線ポート
１９２３本体
１９２４筐体
１９２５表示部Ａ
１９２６表示部Ｂ
１９２７読み込み部
１９２８操作キー
１９２９スピーカー部
１９３０本体
１９３１表示部
１９３２アーム部
１９３３本体
１９３４表示部
１９３５筐体
１９３６外部接続ポート
１９３７リモコン受信部
１９３８受像部
１９３９バッテリー
１９４０音声入力部
１９４１操作キー
１９４２本体
１９４３筐体
１９４４表示部
１９４５音声入力部
１９４６音声出力部
１９４７操作キー
１９４８外部接続ポート
１９４９アンテナ
２００１第１のレベルシフタ回路
２００２ｐチャネル型トランジスタ
２００３ｐチャネル型トランジスタ
２００４ｎチャネル型トランジスタ
２００５ｎチャネル型トランジスタ
２００６インバータ
２１０１第１のレベルシフタ回路
２１０２ｐチャネル型トランジスタ
２１０３ｐチャネル型トランジスタ
２１０４ｎチャネル型トランジスタ
２１０５ｎチャネル型トランジスタ
２１０６インバータ

Claims

ゲート電極に第１の信号が入力され、第１の端子に第２の信号が入力される第１のトランジスタと、
ゲート電極に第２の信号が入力され、第１の端子に第１の信号が入力される第２のトランジスタと、
第１の端子に所定の電位が入力され、第２の端子が前記第１のトランジスタの第２の端子と接続される第３のトランジスタと、
ゲート電極が前記第３のトランジスタのゲート電極と接続され、第１の端子に前記所定の電位が入力され、第２の端子が前記第２のトランジスタの第２の端子と接続され、ゲート電極と第２の端子が接続された第４のトランジスタと、を有することを特徴とする半導体装置。
第１のトランジスタと、第２のトランジスタと、第３のトランジスタと、第４のトランジスタと、
を有し、
前記第３のトランジスタのゲート電極は、前記第４のトランジスタのゲート電極と接続され、前記第３のトランジスタの第１の端子は、第１の配線と接続され、
前記第４のトランジスタの第１の端子は、第２の配線に接続され、前記第４のトランジスタの第２の端子は、前記第４のトランジスタのゲート電極に接続され、
前記第１のトランジスタのゲート電極は、前記第３の配線に接続され、前記第１のトランジスタの第１の端子は、第４の配線に接続され、前記第１のトランジスタの第２の端子は、前記第３のトランジスタの第２の端子に接続され、
前記第２のトランジスタのゲート電極は、前記第４の配線に接続され、前記第２のトランジスタの第１の端子は、前記第３の配線に接続され、前記第２のトランジスタの第２の端子は、前記第４のトランジスタの第２の端子に接続されることを特徴とする半導体装置。
請求項２において、前記第３の配線は、第１のレベルシフタ回路を介して前記第１のトランジスタのゲート電極と接続され、前記第４の配線は、第２のレベルシフタ回路を介して前記第２のトランジスタのゲート電極と接続されることを特徴とする半導体装置。
請求項２又は３において、前記第３の配線に第１の入力信号を入力し、前記第４の配線に第２の入力信号を入力することを特徴とする半導体装置。
請求項２又は３において、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタが同じ第１の導電形式であり、前記第３のトランジスタ及び前記第４のトランジスタが同じ第２の導電形式であることを特徴とする半導体装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記第１のトランジスタ乃至前記第４のトランジスタにおける、前記第１の端子はソースまたはドレインの一方であり、前記第２の端子はソースまたはドレインの他方であることを特徴とする半導体装置。
信号線駆動回路、あるいは走査線駆動回路、あるいは表示素子を有する表示装置であって、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置を搭載した表示装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置を有する電子機器。