JP2010273044A - Frequency-divider circuit, and semiconductor device - Google Patents
Frequency-divider circuit, and semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010273044A JP2010273044A JP2009122338A JP2009122338A JP2010273044A JP 2010273044 A JP2010273044 A JP 2010273044A JP 2009122338 A JP2009122338 A JP 2009122338A JP 2009122338 A JP2009122338 A JP 2009122338A JP 2010273044 A JP2010273044 A JP 2010273044A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- transistor
- circuit
- threshold voltage
- type
- mosfet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、分周回路及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a frequency dividing circuit and a semiconductor device.
従来から、SOI構造(Silicon on Insulator)を有するMOSFETが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。ここで、SOI構造とは、絶縁膜上にシリコン薄膜(SOI層)を積層した構造であり、SOI構造を有するMOSFET(以下、SOI−MOSFETともいう。)とは、このSOI層に形成されたMOSFETのことである。SOI−MOSFETは、接合容量の低減と、低閾値電圧による動作電圧の低下とを可能にするという特徴を有し、低消費電力による動作が要求される各種回路を実現する技術として注目されている。このようなSOI−MOSFETには、チャネルに相当する領域として、シリコン層からなるボディ領域が形成されている。このボディ領域に、多数キャリアが存在する中性領域があるか否かによって、SOI−MOSFETの特性は異なったものとなる。ここで、ボディ領域に中性領域が存在するものは部分空乏型(PD:Partially Depleted)と呼ばれ、中性領域が存在しないものは完全空乏型(FD:Fully Depleted)と呼ばれている。 Conventionally, a MOSFET having an SOI structure (Silicon on Insulator) is known (see, for example, Patent Document 1). Here, the SOI structure is a structure in which a silicon thin film (SOI layer) is stacked on an insulating film, and a MOSFET having an SOI structure (hereinafter also referred to as SOI-MOSFET) is formed in this SOI layer. It is a MOSFET. The SOI-MOSFET has a feature that enables a reduction in junction capacitance and a reduction in operating voltage due to a low threshold voltage, and has attracted attention as a technique for realizing various circuits that require operation with low power consumption. . In such an SOI-MOSFET, a body region made of a silicon layer is formed as a region corresponding to a channel. Depending on whether or not there is a neutral region where majority carriers exist in this body region, the characteristics of the SOI-MOSFET differ. Here, the case where the neutral region exists in the body region is called a partially depleted type (PD), and the case where the neutral region does not exist is called a fully depleted type (FD).
完全空乏型のSOI−MOSFET(以下、FD−SOI−MOSFETともいう。)は、バルク型と比べてS値が小さいため、オフリーク電流(漏れ電流)を増加させずに閾値電圧を低く設定することができ、低消費電力化に適している。その反面、SOI層に要求される薄膜化が厳しく、膜厚の均一化が難しいため、閾値電圧がばらつき易いというデメリットがある。これに対して、部分空乏型のSOI−MOSFET(以下、PD−SOI−MOSFETともいう。)は、SOI層の膜厚に関して製造上のマージンを容易に確保することができ、バルク型と同じプロセスを用いて形成することができる、という大きな利点がある。また、完全空乏型と同様、接合容量も低いため、高速動作、低消費電力が可能である。 A fully-depleted SOI-MOSFET (hereinafter also referred to as FD-SOI-MOSFET) has a smaller S value than a bulk type, and therefore, a threshold voltage is set low without increasing off-leakage current (leakage current). Suitable for low power consumption. On the other hand, since the thinning required for the SOI layer is severe and it is difficult to make the film thickness uniform, there is a demerit that the threshold voltage tends to vary. On the other hand, a partially depleted SOI-MOSFET (hereinafter also referred to as PD-SOI-MOSFET) can easily secure a manufacturing margin with respect to the thickness of the SOI layer, and is the same process as the bulk type. There is a great advantage that it can be formed using. Further, like the fully depleted type, the junction capacitance is low, so that high speed operation and low power consumption are possible.
さらに、PD−SOI−MOSFETには、ボディ領域をソース領域に電気的に接続してその電位を固定したもの(いわゆる、ボディタイ型)と、ボディ領域を他の領域と電気的に接続しないでその電位を浮遊させたもの(いわゆる、フローティングボディ型)とがある。ボディタイ型はキャリアの逃げ場があるので空乏層が拡がりやすく、その特性はバルク型に近いものとなる。一方、フローティングボディ型(以下、FB型ともいう。)はキャリアの逃げ場がないので空乏層は拡がりにくく、その特性は完全空乏型に近いものとなる。さらに、FB型は、素子端子数が少なく、占有面積が小さくて済むため、MOSFETの小型化と低コスト化が可能である。 Further, in the PD-SOI-MOSFET, the body region is electrically connected to the source region and the potential is fixed (so-called body tie type), and the body region is not electrically connected to other regions. There is a floating type (so-called floating body type). The body tie type has a carrier escape area, so that the depletion layer easily spreads, and its characteristics are close to those of the bulk type. On the other hand, since the floating body type (hereinafter also referred to as FB type) has no escape space for carriers, the depletion layer is difficult to expand, and its characteristics are close to those of the complete depletion type. Furthermore, since the FB type has a small number of element terminals and a small occupation area, the MOSFET can be reduced in size and cost.
また、FB型のPD−SOI−MOSFET(以下、FB−PD−SOI−MOSFETともいう。)を、分周回路を含むデジタル回路に適用することが知られている(例えば、特許文献1、2参照。)。ここで、分周回路とは、周波数を分周する回路のことであり、例えば発振回路で生成した高い周波数のクロック信号を整数で分割し、低い周波数のクロック信号に変換する回路のことである。このような分周回路では、通常、複数個のフリップフロップ回路(以下、FF回路ともいう。)を使用して周波数を低くする。
In addition, it is known that an FB type PD-SOI-MOSFET (hereinafter also referred to as an FB-PD-SOI-MOSFET) is applied to a digital circuit including a frequency divider (for example,
例えば、ウォッチ用ICでは、水晶発振器から32kHzのクロック信号が発生し、分周回路においては、1個のFF回路で周波数を1/2にする。この場合、FF回路を15段に亘って連ねることにより、32kHzのクロック信号から1Hzのクロック信号を得ることができ、1秒の時間刻みを作っている(例えば、特許文献3参照。)。ここで、ウォッチのような携帯機器では、直接交流電源に接続することができないため、ICは、ボタン電池や自然エネルギーで動作する。そのため、長時間の動作を維持するためには、消費電力を極力削減することが重要になる。なお、分周回路では、発振回路に近い前段のFF回路は高い周波数(例えば、32kHz)で動作し、後段のFF回路や、秒針の時間制御を行う制御回路は、低い周波数(例えば、1〜8Hz)で動作する。 For example, in a watch IC, a 32 kHz clock signal is generated from a crystal oscillator, and in a frequency dividing circuit, the frequency is halved by one FF circuit. In this case, by connecting the FF circuits in 15 stages, a 1 Hz clock signal can be obtained from a 32 kHz clock signal, and a time interval of 1 second is created (for example, see Patent Document 3). Here, since a portable device such as a watch cannot be directly connected to an AC power supply, the IC operates with a button battery or natural energy. For this reason, it is important to reduce power consumption as much as possible in order to maintain long-term operation. In the frequency dividing circuit, the front FF circuit close to the oscillation circuit operates at a high frequency (for example, 32 kHz), and the rear FF circuit and the control circuit that performs time control of the second hand have a low frequency (for example, 1 to 1). 8 Hz).
このような分周回路において、FB−PD−SOI−MOSFETを採用すれば、デザインルール上最小のMOSFETを実現することができ、接合容量の低減を理想的に行うことができる。即ち、FB−PD−SOI−MOSFETは、素子端子が少なく、MOSFET面積が小さく、低コスト製造が可能になり、また、駆動電流のオン/オフ比が大きく、拡散容量が小さい。このため、集積回路の高速化と、低パワー化に優れている。 If an FB-PD-SOI-MOSFET is employed in such a frequency dividing circuit, the smallest MOSFET can be realized in terms of design rules, and the junction capacitance can be ideally reduced. In other words, the FB-PD-SOI-MOSFET has a small number of element terminals, a small MOSFET area, can be manufactured at low cost, has a large driving current on / off ratio, and has a small diffusion capacitance. Therefore, the integrated circuit is excellent in speeding up and low power.
ところで、FB−PD−SOI−MOSFETは、SOI層の基板浮遊効果のため、その電気的特性に不安定性がある。即ち、PD−SOI−MOSFETのうち、ボディタイ型のId−Vg特性はヒステリシスを示さないが、フローティングボディ型のId−Vg特性はヒステリシスを示す。ここで、Idとはソース領域とドレイン領域との間に流れる電流(即ち、ドレイン電流)のことであり、Vgとはゲート電極に印加される電圧(即ち、ゲート電圧)のことである。Id−Vg特性は、電流−電圧特性、又は、伝達特性とも呼ばれている。また、ヒステリシス(即ち、ヒストリー効果)とは、MOSFETの状態が、現在印加されている電圧だけでなく、過去に印加された電圧に依存して変化する性質のことである。 By the way, the FB-PD-SOI-MOSFET has instability in its electrical characteristics due to the substrate floating effect of the SOI layer. That is, in the PD-SOI-MOSFET, the body tie type Id-Vg characteristic does not show hysteresis, but the floating body type Id-Vg characteristic shows hysteresis. Here, Id is a current (ie, drain current) flowing between the source region and the drain region, and Vg is a voltage applied to the gate electrode (ie, gate voltage). The Id-Vg characteristic is also called a current-voltage characteristic or a transfer characteristic. The hysteresis (that is, the history effect) is a property that the state of the MOSFET changes depending on not only the currently applied voltage but also the voltage applied in the past.
このように、ヒステリシスを示すFB−PD−SOI−MOSFETは、従来、分周回路などのロジック回路に適用されてはいたものの、回路を構成する個々のFB−PD−SOI−MOSFETにおいて、個々のSOI層基盤浮遊状態の違いを考慮した回路設計はなされていなかった。言い方を代えると、FF回路が複数段に亘って連なる分周回路において、全てのFB−PD−SOI−MOSFETは、Pチャネル毎、Nチャネル毎に各々、同一条件で且つ同一パターンに設計されており、FB−PD−SOI−MOSFETの電気的特性の不安定性は、その分周回路内での位置付けに依らず、全て同じであることを前提として、回路設計がなされていた。 As described above, the FB-PD-SOI-MOSFET showing the hysteresis has been conventionally applied to a logic circuit such as a frequency divider circuit, but in each FB-PD-SOI-MOSFET constituting the circuit, A circuit design that takes into account the difference in the floating state of the SOI layer substrate has not been made. In other words, in the frequency divider circuit in which the FF circuits are connected over a plurality of stages, all the FB-PD-SOI-MOSFETs are designed in the same condition and in the same pattern for each P channel and each N channel. Therefore, the circuit design has been made on the assumption that the instability of the electrical characteristics of the FB-PD-SOI-MOSFET is the same regardless of the position in the frequency divider circuit.
例えば、分周回路において高い周波数で動作する前段のFF回路でも、低い周波数で動作する後段のFF回路でも、秒針の時間制御を行う制御回路でも、これらに含まれるFB−PD−SOI−MOSFETは、Pチャネル型、Nチャネル型毎に各々、同一条件で且つ同一パターンに設計されていた。
そして、従来の技術では、例えば分周回路に含まれる全てのFB−PD−SOI−MOSFETにおいて、ボディ電位が不安定になること前提に、そのヒステリシス特性が最悪のケースとなるときに合わせて、回路を設計し、駆動電圧と消費電流マージンを大きく確保していた(例えば、特許文献4参照。)。例えば、分周回路のスタンドバイ電流を低減したいときは、最悪のケース、即ち、オフリーク電流が想定し得る範囲で最大となるときのI−V特性を前提に、分周回路を構成する全てのFB−PD−SOI−MOSFETの閾値電圧の絶対値を高めの値に設定していた。
For example, the FF-PD-SOI-MOSFET included in the FF-PD-SOI-MOSFET included in the FF-PD-SOI-MOSFET included in the first stage FF circuit that operates at a high frequency in the frequency divider circuit, the subsequent FF circuit that operates at a low frequency, or the control circuit that performs time control of the second hand. Each of the P channel type and the N channel type is designed in the same condition and in the same pattern.
In the conventional technique, for example, in all the FB-PD-SOI-MOSFETs included in the frequency divider circuit, on the premise that the body potential becomes unstable, when the hysteresis characteristic becomes the worst case, The circuit was designed to ensure a large drive voltage and current consumption margin (see, for example, Patent Document 4). For example, when it is desired to reduce the standby current of the frequency divider circuit, the worst case, i.e., all of the frequency divider circuits that constitute the frequency divider circuit on the premise of the IV characteristics when the off-leakage current is maximized within the range that can be assumed. The absolute value of the threshold voltage of the FB-PD-SOI-MOSFET is set to a higher value.
しかしながら、この場合、発振開始までの初期値設定時と、その後の発振継続時とでは、個々のSOI層基盤浮遊状態が異なってくることにより、同一条件で且つ同一パターンに形成されたFB−PD−SOI−MOSFETであっても、その電気特性はそれぞれ異なる値を示す。このため、消費電力の低減等を目的に駆動電圧を下げておくと、分周回路の動作マージンが不足し、特に高い周波数で動作するFF回路においては、発振開始時や発振継続時における分周抜け等が発生してしまう可能性があった。一方、低電圧でも動作できるように、分周回路を構成するFB−PD−SOI−MOSFETの閾値電圧の絶対値を低めの値に設定すると、オフリーク電流が増え、分周回路全体の消費電流が増大してしまう可能性があった。
そこで、本発明の幾つかの態様はこのような事情に鑑みてなされたものであって、回路動作の安定性を向上と、消費電力の低減とを両立できるようにした分周回路及び半導体装置の提供を目的とする。
However, in this case, the FB-PDs formed under the same conditions and in the same pattern are different when the initial value until the start of oscillation is set and when the subsequent oscillation is continued, because the floating state of each SOI layer substrate is different. Even in the case of -SOI-MOSFET, the electrical characteristics show different values. For this reason, if the drive voltage is lowered for the purpose of reducing power consumption, etc., the operating margin of the frequency divider circuit will be insufficient, and especially in the FF circuit operating at a high frequency, the frequency division at the start of oscillation or at the time of oscillation continuation. There is a possibility that a dropout or the like may occur. On the other hand, if the absolute value of the threshold voltage of the FB-PD-SOI-MOSFET that constitutes the frequency divider circuit is set to a low value so that it can operate even at a low voltage, the off-leakage current increases and the current consumption of the entire frequency divider circuit is reduced. There was a possibility that it would increase.
Accordingly, some aspects of the present invention have been made in view of such circumstances, and a frequency dividing circuit and a semiconductor device that are capable of both improving the stability of circuit operation and reducing power consumption. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る分周回路は、発振回路に対して複数個のフリップフロップ回路が複数段に亘って連なる分周回路であって、前記発振回路に近い前段の側にあって高い周波数で動作する第1のフリップフロップ回路と、前記発振回路から遠い後段の側にあって低い周波数で動作する第2のフリップフロップ回路と、を備え、前記第1のフリップフロップ回路は、絶縁層上の半導体層に形成された第1のトランジスターを有し、前記第1のトランジスターは、フローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常、オン、オフを繰り返すトランジスターであり、前記第2のフリップフロップ回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第2のトランジスターを有し、前記第2のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常、オン、オフを繰り返すトランジスターであり、前記第1のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth1│とし、前記第2のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth2│としたとき、│Vth1│<│Vth2│に設定されていることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a divider circuit according to one embodiment of the present invention is a divider circuit in which a plurality of flip-flop circuits are connected to an oscillator circuit in a plurality of stages, and is close to the oscillator circuit. A first flip-flop circuit operating at a high frequency on the front stage side, and a second flip-flop circuit operating on a low frequency side on the rear stage far from the oscillation circuit. The flip-flop circuit has a first transistor formed in a semiconductor layer on an insulating layer, and the first transistor is a floating body type partially depleted transistor, which is normally used when the frequency divider circuit operates. The second flip-flop circuit has a second transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer. The second transistor is a floating body type partially depleted transistor, and is normally a transistor that repeatedly turns on and off during the operation of the frequency dividing circuit. The absolute value of the threshold voltage of the first transistor is expressed as | Vth1 It is characterized in that | Vth1 | <| Vth2 | is set, where | is the absolute value of the threshold voltage of the second transistor | Vth2 |.
ここで、「絶縁層」は例えばBOX層、「半導体層」は例えばSOI層とも呼ばれる。また、「フローティングボディ型の部分空乏型トランジスター」とは、ゲート電極直下の領域の半導体層(即ち、ボディ領域)が電気的に浮遊し、且つゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記ボディ領域が部分的に空乏化する(つまり、空乏層が絶縁層まで達せずに中性領域が残る)トランジスターのことである。また、トランジスターの閾値電圧の設定(調整)は、例えばボディ領域への不純物の導入により行われる。このような不純物の導入は、例えばチャネルドープとも呼ばれる。 Here, the “insulating layer” is also called a BOX layer, for example, and the “semiconductor layer” is also called an SOI layer, for example. In addition, the “floating body type partially depleted transistor” means that the semiconductor layer (that is, the body region) immediately below the gate electrode is electrically floated and the body voltage is applied when a threshold voltage is applied to the gate electrode. A transistor in which a region is partially depleted (that is, a neutral region remains without a depletion layer reaching an insulating layer). The threshold voltage of the transistor is set (adjusted) by introducing impurities into the body region, for example. Such introduction of impurities is also called channel doping, for example.
このような構成であれば、発振回路に近い前段の側にある第1のフリップフロップ回路では、第1のトランジスターの閾値電圧の絶対値│Vth1│が低いため、低電圧でも大きなオン(On)電流を得ることができる。これにより、第1のフリップフロップ回路では、例えばインバーターの動作速度を高める(即ち、遅延時間を減らす)ことができるため、分周抜けなどの動作不良を回避することができ、回路動作の安定性を高めることができる。また、第2のフリップフロップ回路では、発振回路から遠い後段の側にある第2のトランジスターの閾値電圧の絶対値│Vth2│が高いため、オフリーク電流を低減することができる。ここで、第2のフリップフロップ回路では、オフリーク電流だけでなくオン電流も低減されてしまうが、第2のフリップフロップ回路は低い周波数で動作するため、高い周波数で動作する場合と比べて、分周抜けなどの動作不良は生じ難い。従って、回路動作の安定性を向上させると共に、消費電力を低減することが可能である。 With such a configuration, in the first flip-flop circuit on the upstream side close to the oscillation circuit, the absolute value | Vth1 | of the threshold voltage of the first transistor is low, so that a large on (On) even at a low voltage. A current can be obtained. Accordingly, in the first flip-flop circuit, for example, the operation speed of the inverter can be increased (that is, the delay time can be reduced), so that it is possible to avoid malfunction such as missing frequency division, and stability of circuit operation. Can be increased. Further, in the second flip-flop circuit, since the absolute value | Vth2 | of the threshold voltage of the second transistor on the rear stage side far from the oscillation circuit is high, the off-leak current can be reduced. Here, in the second flip-flop circuit, not only the off-leak current but also the on-current is reduced. However, since the second flip-flop circuit operates at a low frequency, the second flip-flop circuit operates at a lower frequency than in the case of operating at a higher frequency. Malfunctions such as loop-through are unlikely to occur. Therefore, it is possible to improve the stability of the circuit operation and reduce power consumption.
また、上記の分周回路において、前記第1のトランジスターは、第1のN型トランジスターと、第1のP型トランジスターと、を含み、前記第1のN型トランジスターのゲート長をL1(N)とし、前記第1のN型トランジスターのゲート幅をW1(N)とし、前記第1のN型トランジスターの閾値電圧をVth1(N)と、一方、前記第1のP型トランジスターのゲート長をL1(P)とし、前記第1のP型トランジスターのゲート幅をW1(P)とし、前記第1のP型トランジスターの閾値電圧をVth1(P)としたとき、L1(N)=L1(P)、W1(N)=W1(P)、Vth1(N)=−Vth1(P)に設定されていることを特徴とするものである。 In the frequency divider circuit, the first transistor includes a first N-type transistor and a first P-type transistor, and the gate length of the first N-type transistor is L1 (N). The gate width of the first N-type transistor is W1 (N), the threshold voltage of the first N-type transistor is Vth1 (N), and the gate length of the first P-type transistor is L1. (P), where the gate width of the first P-type transistor is W1 (P) and the threshold voltage of the first P-type transistor is Vth1 (P), L1 (N) = L1 (P) , W1 (N) = W1 (P) and Vth1 (N) = − Vth1 (P).
また、上記の分周回路において、前記第2のトランジスターは、第2のN型トランジスターと、第2のP型トランジスターと、を含み、前記第2のN型トランジスターのゲート長をL2(N)とし、前記第2のN型トランジスターのゲート幅をW2(N)とし、前記第2のN型トランジスターの閾値電圧をVth2(N)とし、一方、前記第2のP型トランジスターのゲート長をL2(P)とし、前記第2のP型トランジスターのゲート幅をW2(P)とし、前記第2のP型トランジスターの閾値電圧をVth2(P)としたとき、L2(N)=L2(P)、W2(N)=W2(P)、Vth2(N)=−Vth2(P)に設定されていることを特徴とするものである。 In the frequency divider circuit, the second transistor includes a second N-type transistor and a second P-type transistor, and the gate length of the second N-type transistor is L2 (N). The gate width of the second N-type transistor is W2 (N), the threshold voltage of the second N-type transistor is Vth2 (N), while the gate length of the second P-type transistor is L2 (P), where the gate width of the second P-type transistor is W2 (P) and the threshold voltage of the second P-type transistor is Vth2 (P), L2 (N) = L2 (P) , W2 (N) = W2 (P) and Vth2 (N) = − Vth2 (P).
また、上記の分周回路において、前記第1のフリップフロップ回路又は前記第2のフリップフロップ回路の少なくとも一方は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第3のトランジスター、を有し、前記第3のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常オフのトランジスターであり、前記第3のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth3│としたとき、│Vth2│≦│Vth3│に設定されていることを特徴とするものである。このような構成であれば、第1のフリップフロップ回路又は第2のフリップフロップ回路において、第3のトランジスターの抵抗成分を高めることができる。これにより、フリップフロップ内でのオフリーク電流をさらに低減することができるので、分周回路の消費電力をさらに低減することが可能となる。 In the frequency divider circuit, at least one of the first flip-flop circuit or the second flip-flop circuit includes a third transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer, The third transistor is a floating body type partially depleted transistor, which is normally turned off during the operation of the frequency divider, and when the absolute value of the threshold voltage of the third transistor is | Vth3 | , | Vth2 | ≦ | Vth3 | is set. With such a structure, the resistance component of the third transistor can be increased in the first flip-flop circuit or the second flip-flop circuit. Accordingly, the off-leakage current in the flip-flop can be further reduced, so that the power consumption of the frequency divider circuit can be further reduced.
また、上記の分周回路において、前記第1のフリップフロップ回路又は前記第2のフリップフロップ回路の少なくとも一方は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第4のトランジスター、を有し、前記第4のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常オンのトランジスターであり、前記第4のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth4│としたとき、│Vth4│≦│Vth1│に設定されていることを特徴とするものである。このような構成であれば、第1のフリップフロップ回路又は第2のフリップフロップ回路において、第4のトランジスターの抵抗成分を低くすることができる。これにより、フリップフロップ内でのオン電流をさらに増やすことができるので、分周回路の動作安定性をさらに高めることが可能となる。 Further, in the above frequency divider circuit, at least one of the first flip-flop circuit or the second flip-flop circuit includes a fourth transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer, The fourth transistor is a floating body type partially depleted transistor, which is a normally-on transistor during the operation of the frequency divider, and when the absolute value of the threshold voltage of the fourth transistor is | Vth4 | , | Vth4 | ≦ | Vth1 | is set. With such a structure, the resistance component of the fourth transistor can be reduced in the first flip-flop circuit or the second flip-flop circuit. Accordingly, the on-current in the flip-flop can be further increased, so that the operation stability of the frequency divider circuit can be further improved.
本発明の別の態様に係る半導体装置は、上記の分周回路と、前記発振回路と前記分周回路との間に配置され、前記発振回路から出力される振幅電圧を波形整形して前記分周回路に供給する波形整形回路と、を具備し、前記波形整形回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第5のトランジスター、を有し、前記第5のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記波形整形回路の動作時に通常、オン、オフを繰り返すトランジスターであり、前記第5のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth5│としたとき、│Vth5│≦│Vth1│に設定されていることを特徴とするものである。 A semiconductor device according to another aspect of the present invention is disposed between the frequency divider circuit, the oscillation circuit, and the frequency divider circuit, and shapes the amplitude voltage output from the oscillation circuit by shaping the waveform. A waveform shaping circuit for supplying to a peripheral circuit, wherein the waveform shaping circuit has a fifth transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer, and the fifth transistor is a floating body type Is a transistor that normally repeats on and off during the operation of the waveform shaping circuit, and when the absolute value of the threshold voltage of the fifth transistor is | Vth5 | It is characterized by being set to │Vth1│.
このような構成であれば、半導体装置の回路動作の安定性を向上させると共に、消費電力を低減することが可能である。また特に、波形整形回路では、第5のトランジスターの閾値電圧の絶対値│Vth5│が低いため、低電圧でも大きなオン電流を得ることができる。これにより、波形整形回路でも、例えばインバーターの動作速度を高める(即ち、遅延時間を減らす)ことができる。 With such a configuration, it is possible to improve the stability of the circuit operation of the semiconductor device and reduce power consumption. In particular, in the waveform shaping circuit, since the absolute value | Vth5 | of the threshold voltage of the fifth transistor is low, a large on-current can be obtained even at a low voltage. Thereby, even in the waveform shaping circuit, for example, the operation speed of the inverter can be increased (that is, the delay time can be reduced).
また、上記の半導体装置において、前記第5のトランジスターは、第5のN型トランジスターと、第5のP型トランジスターと、を含み、前記第5のN型トランジスターのゲート長をL5(N)とし、前記第5のN型トランジスターのゲート幅をW5(N)とし、前記第5のN型トランジスターの閾値電圧の絶対値をVth5(N)とし、一方、前記第5のP型トランジスターのゲート長をL5(P)とし、前記第5のP型トランジスターのゲート幅をW5(P)とし、前記第5のP型トランジスターの閾値電圧をVth5(P)としたとき、L5(N)=L5(P)、W5(N)=W5(P)、Vth5(N)=−Vth5(P)に設定されていることを特徴とするものである。 In the above semiconductor device, the fifth transistor includes a fifth N-type transistor and a fifth P-type transistor, and the gate length of the fifth N-type transistor is L5 (N). The gate width of the fifth N-type transistor is W5 (N), the absolute value of the threshold voltage of the fifth N-type transistor is Vth5 (N), while the gate length of the fifth P-type transistor is Is L5 (P), the gate width of the fifth P-type transistor is W5 (P), and the threshold voltage of the fifth P-type transistor is Vth5 (P), L5 (N) = L5 ( P), W5 (N) = W5 (P), and Vth5 (N) = − Vth5 (P).
また、上記の半導体装置において、前記波形整形回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第6のトランジスター、を有し、前記第6のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記波形整形回路の動作時に通常オフのトランジスターであり、前記第6のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth6│としたとき、│Vth2│≦│Vth6│に設定されていることを特徴とするものである。
このような構成であれば、波形整形回路において、第6のトランジスターの抵抗成分を高めることができる。これにより、波形整形回路のオフリーク電流をさらに低減することができるので、半導体装置の消費電力をさらに低減することが可能となる。
In the above semiconductor device, the waveform shaping circuit includes a sixth transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer, and the sixth transistor is a floating body type partially depleted transistor. When the waveform shaping circuit is in operation, the transistor is normally off. When the absolute value of the threshold voltage of the sixth transistor is | Vth6 |, | Vth2 | ≦ | Vth6 | It is a feature.
With such a configuration, the resistance component of the sixth transistor can be increased in the waveform shaping circuit. Thereby, the off-leak current of the waveform shaping circuit can be further reduced, so that the power consumption of the semiconductor device can be further reduced.
また、上記の半導体装置において、前記波形整形回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第7のトランジスター、を有し、前記第7のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記波形整形回路の動作時に通常オンのトランジスターであり、前記第7のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth7│としたとき、│Vth7│≦│Vth1│に設定されていることを特徴とするものである。このような構成であれば、波形整形回路において、第7のトランジスターの抵抗成分を低くすることができる。これにより、波形形成回路内でのオン電流をさらに増やすことができるので、半導体装置の動作安定性をさらに高めることが可能となる。
なお、上記の分周回路又は半導体装置は、例えば、小型・軽量のバッテリで長時間の動作が要求される時計(ウォッチ)、携帯電話、モバイルパソコン等の携帯型電子機器に適用して極めて好適である。
Further, in the above semiconductor device, the waveform shaping circuit includes a seventh transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer, and the seventh transistor is a floating body type partially depleted transistor. When the waveform shaping circuit is in operation, the transistor is normally on, and when the absolute value of the threshold voltage of the seventh transistor is | Vth7 |, | Vth7 | ≦ | Vth1 | It is a feature. With such a configuration, the resistance component of the seventh transistor can be lowered in the waveform shaping circuit. As a result, the on-current in the waveform forming circuit can be further increased, so that the operational stability of the semiconductor device can be further increased.
Note that the above-described frequency dividing circuit or semiconductor device is extremely suitable for application to portable electronic devices such as a watch, a mobile phone, and a mobile personal computer that require a long-time operation with a small and light battery, for example. It is.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
(1)第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態に係るに係る分周回路50の構成例を示す図である。
図1に示すように、分周回路50は、n個のフリップフロップ回路10がn段に亘って連なる構造(即ち、n個のフリップフロップ回路10が直列にn段接続された構造)を有する。フリップフロップ回路10は、例えば、準スタティック型Tフリップフロップ回路である。この分周回路50では、1段目のフリップフロップ回路(FF回路)10の入力端子C1が例えば発振回路に接続され、1段目のFF回路10の出力端子Q1が2段目のFF回路10の入力端子C2に接続されている。同様に、nが3以上の場合は、n−1段目のFF回路10の出力端子Qn−1がn番目のFF回路10の入力端子Cnに接続され、n−1段目のFF回路10の出力端子XQn−1が、n番目のFF回路10の出力端子XQnにそれぞれ接続されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
(1) First Embodiment FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a
As shown in FIG. 1, the
これにより、例えば発振回路から与えられるクロック信号に同期して、分周回路50の出力端子QnからQn出力信号が出力されると共に、出力端子XQnからXQn出力信号が出力される。ここで、Qn出力信号は、クロック信号であるC1入力信号と比べて周期が2n倍(即ち、周波数が1/2)の信号であり、XQn出力信号はQn出力信号のハイ(High:以下、単にHともいう。)とロウ(Low:以下、単にLともいう。)とを反転させた信号である。
Thus, for example, in synchronization with a clock signal supplied from the oscillation circuit, the Q n output signals from the output terminals Q n of the
図2(a)及び(b)は、本発明の第1実施形態に係るFF回路10の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャートである。
図2(a)に示すように、このFF回路10は、クロックドインバーター1、3、4、5と、インバーター2、6とを有する。クロックドインバーター1、3、4、5には、それぞれC入力端子又はXC入力端子の一方、又は両方が設けられている。ここで、C入力端子に入力される信号(即ち、C入力信号ともいう。)は、クロック信号であり、一定の間隔でHとLとを繰り返す信号である。また、XC入力端子に入力される信号(即ち、XC入力信号)は、C入力信号のHとLとを反転させた信号である。また、インバーター2、6には、セット端子とリセット端子(図示せず)とがそれぞれ設けられている。
2A and 2B are a circuit diagram showing a configuration example of the
As shown in FIG. 2A, the
クロックドインバーター1、3、4、5と、インバーター2、6との接続関係を説明すると、図2(a)に示すように、クロックドインバーター1の出力端子は、インバーター2の入力端子と、クロックドインバーター3の出力端子とに接続されている。また、インバーター2の出力端子と、クロックドインバーター3の入力端子は、クロックドインバーター4の入力端子に接続されている。さらに、クロックドインバーター4の出力端子は、クロックドインバーター5の出力端子と、インバーター6の入力端子と、クロックドインバーター1の入力端子と、Q出力端子とに接続されている。また、クロックドインバーター5の入力端子とインバーター6の出力端子は、XQ出力端子に接続されている。
The connection relationship between the clocked
これにより、C入力信号に同期して、Q出力端子からQ出力信号が出力されると共に、XQ出力端子からXQ出力信号が出力される。図2(b)に示すように、Q出力信号はC入力信号と比べて周期が2倍(即ち、周波数が1/2)の信号であり、XQ出力信号はQ出力信号のHとLとを反転させた信号である。
図3は、図2(a)及び(b)に示したFF回路10を論理回路の符号を用いて示した図である。図3に示すように、このFF回路10は、例えば、クロックドインバーター1、3、4、5と、インバーター2、6とを含む。これらの中で、インバーター2、6は、例えば、1つのAND回路と1つのNOR回路との組み合わせによりそれぞれ構成され、AND回路の入力端子にはリセット(XR)端子が接続され、NOR回路の入力端子にはセット(S)端子が接続されている。本発明において、これらインバーター1〜6を構成している各トランジスターは、フローティングボディ型の部分空乏型のSOI−MOSFET(即ち、FB−PD−SOI−MOSFET)からなる。
Thus, in synchronization with the C input signal, the Q output signal is output from the Q output terminal, and the XQ output signal is output from the XQ output terminal. As shown in FIG. 2B, the Q output signal is a signal having a cycle twice that of the C input signal (that is, the frequency is ½), and the XQ output signal is the H and L of the Q output signal. Is a signal obtained by inverting.
FIG. 3 is a diagram showing the
ところで、図2(a)及び(b)に示したように、分周回路50は、高い周波数のクロック信号を各段のFF回路10で順次分周して、低い周波数の信号に変換する。 このため、発振回路からみて近い側(即ち、前段)のFF回路10に含まれるFB−PD−SOI−MOSFETは高い周波数のクロック信号で動作し、発振回路からみて遠い側(即ち、後段)のFF回路10に含まれるFB−PD−SOI−MOSFETは低い周波数のクロック信号で動作する。
By the way, as shown in FIGS. 2A and 2B, the
例えば、発振回路から32kHzの入力信号が供給され、各FF回路10は入力信号を2分周(つまり、周波数を1/2に変換)して出力する。FF回路10を例えば15段接続すると、32kHzの信号は最終的に1Hzとなる。このとき、1段目のFF回路10を構成するFB−PD−SOI−MOSFETは例えば32KHzの信号で動作し、15段目のFF回路10を構成するFB−PD−SOI−MOSFETは例えば1Hzの信号で動作する。
For example, an input signal of 32 kHz is supplied from the oscillation circuit, and each
図4(a)及び(b)は、クロックドインバーター1の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャートである。図4(a)に示すように、クロックドインバーター1は、Nチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFET11、12と、Pチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFET13、14と、を有する。これらの中で、MOSFET11、13はインバーター本体を構成しており、MOSFET11のソースは例えば接地電位(又は、レギュレータ電位Vreg)に接続され、MOSFET13のドレインは例えば電源電位Vddに接続されている。また、これらMOSFET11、13のゲートはそれぞれクロックドインバーター1の入力端子Aに接続されている。さらに、MOSFET12はMOSFET11と出力端子Bとの間に接続され、MOSFET14はMOSFET13と出力端子Bとの間に接続されている。また、MOSFET12のゲートはC入力端子に接続され、MOSFET14のゲートはXC入力端子に接続されている。
4A and 4B are a circuit diagram showing a configuration example of the clocked
図4(a)及び(b)に示すように、このクロックドインバーター1では、C入力信号がH(即ち、XC入力信号がL)のときは、MOSFET12、14が共にオンするため、クロックドインバーター1は、その名のとおりインバーター(即ち、入力信号がHであればLを出力し、入力信号がLであればHを出力する素子)として機能する。一方、C入力信号がL(即ち、XC入力信号がH)のときは、MOSFET12、14が共にオフするため、MOSFET11のドレインと出力端子Bとの間が電気的に分離される共に、MOSFET13のソースと出力端子Bとの間が電気的に分離される。従って、出力端子Bの電位はそのままの状態に保持される。
As shown in FIGS. 4A and 4B, in this clocked
ここで、分周回路50の動作時は通常、前段のFF回路10では、MOSFET11〜14が高い周波数で動作(即ち、高い周波数に同期してオン、オフ)する。また、後段のFF回路10では、MOSFET11〜14が低い周波数で動作する。なお、図1に示した他のクロックドインバーター3、4、5も、例えば、図4(a)及び(b)に示したクロックドインバーター1と同じ構成を有する。
Here, during the operation of the
図5は、インバーター2の構成例を示す回路図である。図5に示すように、このインバーター2は、Nチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFET21〜23と、Pチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFET24〜26と、を有する。これらの中で、MOSFET21、25はインバーター本体を構成しており、MOSFET21のソースは例えば接地電位(又は、Vreg)に接続され、MOSFET25のドレインは例えば電源電位Vddに接続されている。また、これらMOSFET21、25のゲートはそれぞれインバーター2の入力端子Aに接続されている。さらに、MOSFET22はMOSFET21と出力端子Bとの間に接続され、MOSFET24はMOSFET25と出力端子Bとの間に接続されている。また、MOSFET22のゲートはリセット(XR)端子に接続され、MOSFET24のゲートはセット(S)端子に接続されている。さらに、MOSFET23は接地電位(又は、Vreg)と出力端子Bとの間に接続され、MOSFET26は電源電位VddとMOSFET24との間に接続されている(即ち、MOSFET25と並列に接続されている。)。また、MOSFET23のゲートはS入力端子に接続され、MOSFET26のゲートはXR入力端子に接続されている。
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
図5に示すように、このインバーター2では、S入力端子に入力される信号がLで、且つ、XR入力端子に入力される信号がHのときは、MOSFET22、24がオンし、MOSFET23、26がオフするため、インバーター2は、その名のとおりインバーターとして機能する。一方、S入力端子に入力される信号がHで、且つ、XR入力端子に入力される信号がLのときは、MOSFET22、24がオフし、MOSFET23、26がオンするため、出力端子Bの電位は入力端子Aに入力される信号のH、Lに依存せずに、接地電位(又は、Vreg)となる。従って、B電位の初期設定が可能になる。
As shown in FIG. 5, in the
ここで、分周回路50の動作時は通常、前段のFF回路10では、MOSFET21、25が高い周波数で動作(即ち、高い周波数に同期してオン、オフ)し、MOSFET22、24はオンになり、MOSFET23、26はオフになる。後段のFF回路10では、MOSFET21、25が低い周波数で動作し、MOSFET22、24はオンになり、MOSFET23、26はオフになる。
Here, during the operation of the
即ち、図示しない発振回路がその発振動作を開始した後、この発振回路に接続された分周回路50内のFF回路10では、インバーター2に繋がるセット(S)端子の電位がLに固定され、リセット(XR)端子の電位がHに固定される。これにより、図5に示したNチャネル型のMOSFET23と、Pチャネル型のMOSFET26がオフになり、Nチャネル型のMOSFET22と、Pチャネル型のMOSFET24がオンになる。また、Nチャネル型のMOSFET21と、Pチャネル型のMOSFET25とにより、インバーター本体が構成される。前段のFF回路10では、これらMOSFET21、25が高い周波数でオン/オフを繰り返し、後段のFF回路10では、これらMOSFET21、25が低い周波数でオン/オフを繰り返す。
That is, after an oscillation circuit (not shown) starts its oscillation operation, in the
ところで、FB−PD−SOI―MOSFETのゲート電極に、一定の間隔でHとLとが入れ替わる入力信号(即ち、振幅電圧)を繰り返し印加すると、数秒後には、オン電流とオフリーク電流は、その動作周波数に依らず安定した値を取る。つまり、分周回路50を構成する個々のMOSFETのボディ電位にはそれぞれ安定状態がある。
この点について、図5に示したインバーター2を例に説明する。図5において、セット(S)端子の電位がLに固定され、リセット(XR)端子の電位がHに固定されると、MOSFET22、23、24、26の各ボディ領域(中性領域)の電位(即ち、ボディ電位)は、各々のソース領域の電位(以下、ソース電位ともいう。)で安定するようになる(例えば、後述の図11(b)の過程I、IIを参照。)。即ち、Nチャネル型のMOSFET22、23ボディ電位はLに固定され、Pチャネル型のMOSFET24、26のボディ電位はHに固定され、それぞれ安定する。
By the way, when an input signal (that is, an amplitude voltage) in which H and L are switched at regular intervals is repeatedly applied to the gate electrode of the FB-PD-SOI-MOSFET, after a few seconds, the on-current and off-leakage current are changed in operation. It takes a stable value regardless of the frequency. That is, the body potentials of the individual MOSFETs constituting the
This will be described using the
一方、インバーターを構成するNチャネル型のMOSFET21と、Pチャネル型のMOSFET25のそれぞれのボディ電位は、入力端子Aに印加される入力信号(振幅電圧)の振幅に伴い振動はするものの、Nチャネル型のMOSFET21のボディ電位は、ソース電位(L)とソース電位から閾値電圧分だけ低い電位との間で安定振動し、Pチャネル型のMOSFET25のボディ電位はソース電位(H)とソース電位から閾値電圧分だけ高い電位との間で安定して振動する(例えば、後述の図12(b)の過程III、IVを参照)。即ち、Nチャネル型のMOSFET21のボディ電位は、そのソース電位よりも低い領域で固定電位差間を安定して振動し、Pチャネル型のMOSFET25のボディ電位は、そのソース電位よりも高い領域で固定電位差間を安定して振動する。
On the other hand, the body potentials of the N-
このように、同じチャネル型のMOSFETであっても、MOSFET21のボディ電位は振動し、MOSFET22、23のボディ電位は固定されるため、MOSFET21と、MOSFET22、23とでは異なる電気的特性を示す。同様に、Pチャネル型でも、MOSFET25のボディ電位は振動し、MOSFET24、26のボディ電位は固定されるため、MOSFET25と、MOSFET24、26とでは異なる電気的特性を示す。
As described above, even in the same channel type MOSFET, the body potential of the
例えば、後述の図13(a)及び(b)に示すように、Nチャネル型のMOSFET21では、ゲート電極の電位(以下、ゲート電位ともいう。)が振幅してオン/オフ駆動を開始すると、オン電流/オフリーク電流は徐々に小さくなるが、数秒後には、オン電流/オフリーク電流がそれぞれ安定した値となり、安定した伝達特性が示されるようになる。一方、Nチャネル型のMOSFET22では、ゲート電位が固定されているため、ボディ電位がソース電位と一致した状態で安定する。このとき、ボディ電位の違いから、MOSFET22の閾値電圧は、MOSFET21の閾値電圧よりも見かけ上小さくなり、MOSFET22のオン電流値は、MOSFET21のオン電流値と比べて増加する。同様に、Pチャネル型でも、ボディ電位の違いから、MOSFET24の閾値電圧の絶対値は、MOSFET25の閾値電圧の絶対値よりも見かけ上小さくなり、MOSFET24のオン電流値は、MOSFET25のオン電流値と比べて増加する。
For example, as shown in FIGS. 13A and 13B described later, in the N-
そこで、本発明では、このようなボディ電位の安定状態の違いを考慮すると共に、分周回路50における各MOSFETの位置付けを考慮して、分周回路50に含まれる各MOSFETの閾値電圧を最適化した回路設計を行う。
具体的には、発振回路に近い前段(少なくとも1段目を含む。)のFF回路10に含まれるMOSFETのうち、高い周波数でオン、オフを繰り返すMOSFET11〜14、21、25を閾値電圧の絶対値が低いFB−PD−SOI−MOSFETで構成する。また、後段のFF回路10に含まれるMOSFETのうち、低い周波数でオン、オフを繰り返すMOSFET11〜14、21、25を閾値電圧の絶対値が高いFB−PD−SOI−MOSFETで構成する。即ち、前段のFF回路10に含まれるMOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値を│Vth1│とし、後段のFF回路10に含まれるMOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値を│Vth2│としたとき、│Vth1│<│Vth2│に設定する。│Vth1│と│Vth2│の差は、例えば0.05〜0.1V程度にする。
Therefore, in the present invention, the threshold voltage of each MOSFET included in the
Specifically, among the MOSFETs included in the
即ち、高い周波数で動作する前段のFF回路10に含まれるNチャネル型のMOSFET11、12、21の閾値電圧をVth1(N)とし、前段のFF回路10に含まれるPチャネル型のMOSFET13、14、26の閾値電圧をVth1(P)とする。また、低い周波数で動作する後段のFF回路10に含まれるNチャネル型のMOSFET11、12、21の閾値電圧をVth2(N)とし、後段のFF回路10に含まれるPチャネル型のMOSFET13、14、26の閾値電圧をVth2(P)とする。このとき、Vth1(N)<Vth2(N)に設定すると共に、│Vth1(P)│<│Vth2(P)│に設定する。これにより、前段のFF回路10ではオン電流を増やすことができ、後段のFF回路10ではオフリーク電流を減らすことができる。
That is, the threshold voltage of the N-
また、初期値セット・リセットの役割を担い、通常オフの固定ゲート電圧を有するMOSFET23、26の閾値電圧の絶対値を、前段及び後段のFF回路10において(つまり、分周回路50に含まれる全てのFF回路10において)全て同じ値に揃え、これを│Vth3│とする。このとき、│Vth2│≦│Vth3│に設定することが好ましい。これにより、前段及び後段のFF回路10において、通常オフであるMOSFET23、26の抵抗成分を高めることができ、オフリーク電流をさらに低減することができる。同様に、初期値セット・リセットの役割をし、通常オンの固定ゲート電圧を有するMOSFET22、24の閾値電圧の絶対値を、前段及び後段のFF回路10において全て同じ値に揃え、これを│Vth4│とする。このとき、│Vth4│≦│Vth1│に設定することが好ましい。これにより、前段及び後段のFF回路10において、通常オンであるMOSFET22、24の抵抗成分を低くすることができ、オン電流をさらに増大させることができる。
Further, the absolute value of the threshold voltage of the
また、前段及び後段のFF回路10において、MOSFET23、26の閾値電圧の絶対値が│Vth3│に揃えられ、MOSFET22、24の閾値電圧の絶対値が│Vth4│に揃えられることにより、前段のFF回路10と後段のFF回路10とを、同じ条件(例えば、同じ電圧値)でセット・リセットすることができる。
また、本発明では上記の設定に加えて、各段のFF回路10において、同一の役割を担うNチャネル型のMOSFETと、Pチャネル型のMOSFETの各閾値電圧の絶対値を、同一の値に設定することが好ましい。例えば、Vth1(N)=−Vth1(P)に設定することが好ましく、また、Vth2(N)=−Vth2(P)に設定することが好ましい。これにより、各FF回路10において、Nチャネル型のMOSFET21と、Pチャネル型のMOSFET25とを同じ条件(例えば、同じ電圧値)で、同じタイミングで、オン、オフさせることができる。
Further, in the front-stage and rear-
In the present invention, in addition to the above settings, the absolute values of the threshold voltages of the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET that play the same role in the
さらに、本発明では上記の設定に加えて、各段のFF回路10において、同一の役割を担うNチャネル型のMOSFETと、Pチャネル型のMOSFETの各サイズを、同一の値に設定することが好ましい。例えば、高い周波数で動作する前段のFF回路10に含まれるNチャネル型のMOSFET21のゲート長をL1(N)、ゲート幅をW1(N)とし、Pチャネル型のMOSFET13、14、26のゲート長をL1(P)、ゲート幅をW1(P)としたとき、L1(N)=L1(P)、W1(N)=W1(P)であることが好ましい。同様に、低い周波数で動作する後段のFF回路10に含まれるNチャネル型のMOSFET21のゲート長をL2(N)、ゲート幅をW2(N)とし、Pチャネル型のMOSFET26のゲート長をL2(P)、ゲート幅をW2(P)としたとき、L2(N)=L2(P)で、W2(N)=W2(P)であることが好ましい。これにより、閾値電圧あるいは閾値電圧以下のサブスレショルド電流を用いる回路において、PチャネルとNチャネルの各トランジスターのOn/Off電流のバランスが良くなる。なぜなら、サブスレショルド領域のスイングS値は、PチャネルとNチャネルの各トランジスターがともに理想値に近い同程度の値を取り、PチャネルとNチャネルの各トランジスターのOn/Off電流比がほぼ等しくなるからである。また、PチャネルとNチャネルの各トランジスターの寸法を、同じ最小寸法に取れば、回路を縮小化・素子を高集積化することができる。
Further, in the present invention, in addition to the above setting, the sizes of the N-channel type MOSFET and the P-channel type MOSFET that play the same role in the
このように、本発明の第1実施形態によれば、前段のFF回路10のMOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値が、後段のFF回路10のMOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値よりも低い値に設定されている。これにより、前段のFF回路10では低電圧でも大きなオン電流を得ることができ、例えばインバーター1〜6の動作速度を高める(即ち、遅延時間を減らす)ことができる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the absolute values of the threshold voltages of the
このため、高周波で動作する前段のFF回路10において、分周抜けなどの動作不良を回避することができ、回路動作の安定性を高めることができる。また、前段のFF回路10では、オン電流の増大とトレードオフで、オフリーク電流が増大してしまうものの、例えばウォッチ等においては、発振回路に接続される1〜5段目のFF回路10のMOSFET数は数個〜数十個と少ない。それゆえ、前段のFF回路10に含まれるMOSFET11〜14、21〜26として、例えばオフリーク電流が0.01〜0.1nAのFB−PD−SOI−MOSFETを使用したとしても、充放電電流以外の静止電流を1〜10nA以内に抑制することができる。従って、消費電流をほとんど増加させること無く、前段のFF回路10を安定動作させることが可能である。
For this reason, in the preceding
一方、後段のFF回路10では、MOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値が(前段と比べて)高い値に設定されるため、オフリーク電流を例えば0.001〜0.01nA以下に抑えることができる。このため、例えば、後段のFF回路10が十数段に亘って連なる場合や、後段のFF回路10の後に制御回路が連なる場合など、数千以上の多数のMOSFETからなる回路においてさえ、充放電電流以外の静止電流を1〜10nA以内に抑制することができる。また、後段のFF回路10では、オフリーク電流の抑制とトレードオフで、オン電流が低くなってしまうが、後段は動作周波数が低いため、FF回路10の動作不良を回避することができる。これにより、例えば、0.5V以下の超低電圧駆動が可能になる。
On the other hand, in the latter
この第1実施形態では、前段のFF回路10に含まれMOSFET11〜14、21、25が本発明の「第1のトランジスター」に対応し、後段のFF回路10に含まれMOSFET11〜14、21、25が本発明の「第2のトランジスター」に対応している。また、MOSFET23、26が本発明の「第3のトランジスター」に対応し、MOSFET22、24が本発明の「第4のトランジスター」に対応している。また、前段のFF回路10が本発明の「第1のフリップフロップ回路」に対応し、後段のFF回路10が本発明の「第2のフリップフロップ回路」に対応している。
In the first embodiment, the
なお、この第1実施形態では、インバーター2、6がセット(S)端子とリセット(XR)端子の両方を有する場合について説明したが、本発明はこれに限られることはない。例えば、図6に示すように、インバーター2は、FB−PD−SOI−MOSFET21、22、25、26と、リセット(XR)端子と、入力端子A、Bのみを有する構成であっても良い。即ち、セット(S)端子は無くても良い。インバーター6についても同様である。このような構成であっても、前段のFF回路10に含まれるMOSFET21、25の閾値電圧の絶対値を、後段のFF回路10に含まれるMOSFET21、25の閾値電圧の絶対値よりも低くすることにより、上記の第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
In addition, although this 1st Embodiment demonstrated the case where the
(2)第2実施形態
図7は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置100の構成例を示すブロック図である。図7に示す半導体装置100は、例えばウォッチに内蔵される半導体装置100であり、発振回路40と、分周回路50と、制御回路60と、検出回路70と、電源回路80と、を有する。発振回路40と、電源回路80と、検出回路70はアナログ回路であり、分周回路50と、制御回路60はデジタル回路である。
(2) Second Embodiment FIG. 7 is a block diagram showing a configuration example of a
図8は、発振回路40の構成例を示す回路図である。図8に示すように、この発振回路40は、発振インバーター41と、水晶発振子42と、抵抗器43と、キャパシタ44〜46と、を含む。この発振回路40では、水晶発振子42とキャパシタ44、45とにより共振回路が構成されており、この共振回路に発振インバーター41が接続されることにより、特定の周波数(例えば、32kHz)を発振するようになっている。また、この発振回路40の出力端子には、波形整形用のNAND回路90が接続されている。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
図9は、NAND回路90の構成例を示す回路図である。
図9に示すように、このNAND回路90は、例えば、Nチャネル型のMOSFET91、92と、Pチャネル型のMOSFET93、94と、を有する。例えば、MOSFET91のソースは例えば接地電位(又は、Vreg)に接続され、MOSFET91のドレインはMOSFET92のソースに接続されている。また、MOSFET92〜94の各ドレインは出力端子Yに接続されている。さらに、MOSFET93、94の各ソースは電源電位VDDに接続されている。また、MOSFET91、94の各ゲートは入力端子Aに接続され、MOSFET92、93の各ゲートは入力端子Bに接続されている。
FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
As shown in FIG. 9, the
このNAND回路90では、例えば入力端子Aが図8に示した発振回路40の出力端子に接続されており、入力端子Aに特定の周波数(例えば、32kHz)の振幅電圧が印加されるようになっている。これにより、入力端子Aにゲートが接続されたMOSFET91、94は、高い周波数で動作(即ち、高い周波数に同期してオン、オフ)する。また、入力端子Bには、例えば信号TとしてHが印加され、MOSFET92がオンし、MOSFET93がオフする。つまり、MOSFET92が通常オンであり、MOSFET93が通常オフである。
In this
ところで、この第2実施形態では、NAND回路90に含まれる全てのMOSFET91〜94は、FB−PD−SOI−MOSFETからなる。そして、高い周波数で動作するMOSFET91、94の閾値電圧の絶対値を│Vth5│とし、通常オフのMOSFET93の閾値電圧の絶対値を│Vth6│とし、通常オンのMOSFET92の閾値電圧の絶対値を│Vth7│としたとき、各値を例えば、│Vth5│≦│Vth1│、│Vth6│=│Vth3│、│Vth7│=│Vth4│に設定する。これにより、NAND回路90において、オン電流を増やすことができ、オフリーク電流を減らすことができる。
By the way, in this 2nd Embodiment, all MOSFET91-94 contained in the
また、本発明では上記の設定に加えて、高い周波数で動作するNチャネル型のMOSFET91の閾値電圧と、Pチャネル型のMOSFET94の閾値電圧の絶対値とを、同一の値に設定することが好ましい。即ち、Nチャネル型のMOSFET91の閾値電圧をVth5(N)とし、Pチャネル型のMOSFET94の閾値電圧をVth5(P)としたとき、Vth5(N)=−Vth5(P)に設定することが好ましい。これにより、Nチャネル型のMOSFET91と、Pチャネル型のMOSFET94とを同じ条件(例えば、同じ電圧値)で、同じタイミングで、オン、オフさせることができる。
In the present invention, in addition to the above setting, the threshold voltage of the N-
さらに、本発明では上記の設定に加えて、MOSFET91、94の各サイズを、同一の値に設定することが好ましい。即ち、Nチャネル型のMOSFET91のゲート長をL5(N)、ゲート幅をW5(N)とし、Pチャネル型のMOSFET94のゲート長をL5(P)、ゲート幅をW5(P)としたとき、L1(N)=L5(P)、W1(N)=W1(P)であることが好ましい。これにより、閾値電圧あるいは閾値電圧以下のサブスレショルド電流を用いる回路において、PチャネルとNチャネルの各トランジスターのOn/Off電流のバランスが良くなる。なぜなら、サブスレショルド領域のスイングS値は、PチャネルとNチャネルの各トランジスターがともに理想値に近い同程度の値を取り、PチャネルとNチャネルの各トランジスターのOn/Off電流比がほぼ等しくなるからである。また、PチャネルとNチャネルの各トランジスターの寸法を、同じ最小寸法に取れば、回路を縮小化・素子を高集積化することができる。
Further, in the present invention, in addition to the above setting, it is preferable to set the sizes of the
このように、本発明の第2実施形態によれば、発振回路40に最も近いNAND回路90では、高い周波数で動作するMOSFET91、94の閾値電圧の絶対値が、前段のFF回路10に含まれるMOSFET11〜14、21、25と少なくとも同じ、又はそれよりも低い値に設定されるため、低電圧でも大きなオン電流を得ることができ、MOSFET91、94からなるインバーターの動作速度を高める(即ち、遅延時間を減らす)ことができる。これにより、半導体装置において、分周抜けなどの動作不良を回避することができ、回路動作の安定性を高めることができる。また、低スタンドバイ電流と例えば0.5V以下の超低電圧駆動を両立することができる。
この第2実施形態では、MOSFET91、94が本発明の「第5のトランジスター」に対応し、MOSFET93が本発明の「第6のトランジスター」に対応し、MOSFET92が本発明の「第7のトランジスター」に対応している。また、NAND回路90が本発明の「波形整形回路」に対応している。その他の対応関係は、第1実施形態と同じである。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, in the
In the second embodiment, the
(3)第3実施形態
上記の第1、第2実施形態では、例えば、図10(a)に示すように、分周回路50を前段と後段とに区分し、分周回路50が動作している通常時に、オン、オフを繰り返すFB−SOI−MOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値を、NAND回路90と、前段のFF回路10と、後段のFF回路10とで差別化することについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限られることはない。
(3) Third Embodiment In the first and second embodiments described above, for example, as shown in FIG. 10A, the
例えば図10(b)に示すように、分周回路50を前段と、中段と、後段と、に区分し、この区分に従って閾値電圧の絶対値を差別化しても良い。ここで、中段とは、発振回路40からの距離が、前段より遠く且つ後段よりも近い位置のことであり、前段と後段の間の位置のことである。中断のFF回路10において、分周回路50が動作している通常時に、オン、オフを繰り返すMOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値を│Vth8│としたとき、この値を│Vth1│<│Vth8│<│Vth2│に設定する。
或いは、分周回路50を前段と、中段と、後段の3段ではなく、4段又はそれ以上の段数にさらに細かく区分し、発振回路40から離れるほどMOSFET11〜14、21、25の閾値電圧の絶対値が高くなるように設定しても良い。これにより、分周回路50における回路動作の安定性と、省電力性をより細かに調整することができる。
For example, as shown in FIG. 10B, the
Alternatively, the
(4)FB−PD−SOI−MOSFETについて
次に、FB−PD−SOI−MOSFETの電気的特性について説明する。
FB−PD−SOI−MOSFETでは、例えば交流電圧又はパルス電圧のように、一定の間隔でHとLとが入れ替わる入力信号(即ち、振幅電圧)が印加されるとき、その起動初期の数秒間、閾値電圧の絶対値が低く、時間の経過と共に、閾値電圧の絶対値が高くなる傾向がある。このような閾値電圧の変動は、起動初期の数秒間は、ボディ領域のうちの中性領域とソース領域との間に順方向のバイアスが働き、ソース領域の多数キャリアが中性領域に移動して、ボディ中性領域の多数キャリアを消滅させるため、ボディ領域全体の電位が不安定となることに起因している。この点について、例えば、Nチャネル型のMOSFET21を例に用いて説明する。
(4) FB-PD-SOI-MOSFET Next, electrical characteristics of the FB-PD-SOI-MOSFET will be described.
In the FB-PD-SOI-MOSFET, when an input signal (that is, an amplitude voltage) in which H and L are switched at regular intervals, such as an alternating voltage or a pulse voltage, is applied, The absolute value of the threshold voltage is low, and the absolute value of the threshold voltage tends to increase with time. Such threshold voltage fluctuation is caused by a forward bias acting between the neutral region of the body region and the source region for a few seconds at the beginning of the start-up, and majority carriers in the source region move to the neutral region. This is because the majority of the carriers in the neutral region of the body are eliminated, so that the potential of the entire body region becomes unstable. This point will be described using, for example, an N-
図11(a)〜図12(b)はボディ領域66の状態変化を示す図であり、これらのうちの各図(a)は空乏層66aと中性領域66bの広がり具合を示す概念図であり、各図(b)はボディ領域66をソース端表面から深さ方向に切断したときの切断面におけるポテンシャルエネルギー分布を深さ方向に沿って示した図である。図11(b)及び図12(b)において、横軸はポテンシャルエネルギーを示し、縦軸はボディ領域66の表面からの深さを示している。φ0は電圧が加わっていない初期のMOSFET21の表面ポテンシャルである。φfはボディ領域のフェルミレベルEfの関数で、q・Φf=Ef−Eiである。ここでEiはイントリンジックシリコンフェルミレベル、qは電子の電荷量である。2φfは閾値電圧に相当する。
11 (a) to 12 (b) are diagrams showing changes in the state of the
まず、図11(a)において、ゲート電極63にゲート電圧Vgを印加すると共に、ソース領域64とドレイン領域65との間にドレイン電圧Vdを印加する。ゲート電圧Vgとドレイン電圧Vdは共に、直流電圧(即ち、周期的に方向が変化しない電圧)である。一例として、ソース領域64とドレイン領域65との間にドレイン電圧Vd=0.4[V]を印加し、この状態でゲート電圧Vgを例えば0[V]から0.4[V]にする。なお、ドレイン電圧Vdは、図5に示した電源電位Vddと、接地電位(又は、Vreg)の差に相当する。また、閾値電圧がゲート印加電圧0.4Vより小さい場合について説明する。
First, in FIG. 11A, a gate voltage Vg is applied to the
すると、図11(a)に示すように、ボディ領域66において空乏層66aは徐々に大きく下方へ広がり、その分だけ中性領域66bは(破線の領域から実線の領域まで)小さくなる。これを図11(b)に示す。Vgを0Vから0.4Vに上げると、空乏層はすぐには広がらないため、ボディ領域66のポテンシャルエネルギー(即ち、電位)も全体的に上昇する(過程I)。
Then, as shown in FIG. 11A, the
また、この過程Iでは、ボディ領域66の電位はソース領域64の電位よりも高い。このため、図11(a)及び(b)において、P型であるボディ領域66とN型であるソース領域64との間には順方向のバイアスが働き、ソース領域64から中性領域66bに電子eが流れ込む。その結果、中性領域66bにおいて多数キャリアであるホールhと電子eとが再結合してホールhが減少し、中性領域66bが小さくなる(即ち、空乏層66aが拡がる)ため、中性領域66bの電位が徐々に下がる(過程II)。この中性領域66bへの電子eの流れ込みは、中性領域66bの電位がソース領域64の電位とほぼ同じ大きさになるまで続く。中性領域66bの電位とソース領域64の電位がほぼ同じ大きさになると、順方向のバイアスが働かなくなるので電子eの流れ込みが止まり、中性領域66bの縮小も止まる。つまり、ソース領域64とボディ領域(空乏層66aと中性領域66b)とが平衡状態となり、ボディ領域66の電位(多数キャリア数)が安定する。起動初期の数秒間において、Nチャネル型のMOSFET21がオンしている間は、過程Iと過程IIとが並行して進む。
In this process I, the potential of the
そして、中性領域66bの多数キャリア数が安定すると、図12(a)及び(b)に示すように、MOSFET21のオン/オフ駆動に合わせてボディ領域66の電位は全体的にシフトするようになる(過程III、IV)。これらの過程III、IVでは、中性領域66bの電位はソース領域64の電位よりも低くなり、ボディ領域66とソース領域64との間には逆方向のバイアスが働くので、ソース領域64と中性領域66bとの間で電荷の移動は生じにくい。そのため、中性領域66bの大きさ(すなわち、多数キャリア数)はほとんど変化しない。空乏層66aと中性領域66bとが平衡状態を維持したまま、MOSFET21のオン/オフ駆動に合わせて、ボディ領域66の電位は全体的に下降、上昇を繰り返す。
When the number of majority carriers in the
図13(a)及び(b)は、MOSFET21を連続してオン/オフさせたときのオン電流とオフリーク電流を実際に測定した結果を示す図である。図13(a)の横軸は時間を示し、縦軸はオン電流を示す。また、図13(b)の横軸は時間を示し、縦軸はオフリーク電流を示す。ここでは、ゲート電極63とドレイン領域65とを電気的に接続(即ち、短絡)すると共に、ゲート・ソース間に電圧Vgs=0.4Vを500msec間隔で印加した。
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing results of actually measuring the on-current and off-leakage current when the
図13(a)に示すように、電圧Vgsのパルスの印加を開始すると、オン電流はパルスに合わせて徐々に減少していき、約10秒が経過した後はその値が安定したものとなった。また、オン電流に見られるヒステリシスも約10秒が経過した後はほとんど見られなくなった。同様に、図13(b)に示すように、電圧Vgsのパルスの印加を開始すると、オフリーク電流はパルスに合わせて徐々に減少していき、約10秒が経過した後はその値が安定したものとなった。つまり、MOSFET21のオン/オフ駆動を開始してから約10秒が経過すると、ヒステリシスが無くなり、そのオン/オフ比はFD−SOI−MOSFETの理想特性に近いものとなった。
As shown in FIG. 13A, when the application of the voltage Vgs pulse is started, the on-current gradually decreases with the pulse, and after about 10 seconds, the value becomes stable. It was. Also, the hysteresis seen in the on-current almost disappeared after about 10 seconds. Similarly, as shown in FIG. 13B, when the application of the voltage Vgs pulse is started, the off-leakage current gradually decreases in accordance with the pulse, and the value becomes stable after about 10 seconds. It became a thing. That is, when about 10 seconds have elapsed after the on / off drive of the
このように、Nチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFET21は、起動時の方が安定時よりも、同じゲート電圧Vgでより大きなドレイン電流(即ち、オン電流、オフリーク電流)Idを流すことができ、より大きな電力を供給することができる。同時にリーク電流が増加する。その理由は、起動時においては、中性領域66bの電位はソース領域64の電位よりも高く、見かけ上の閾値電圧の絶対値が小さくなるからである。また、安定時においては、中性領域66bの電位はソース領域64の電位よりも小さくなり、見かけ上の閾値電圧の絶対値は大きくなる。また、ソースとボディ間では逆方向のバイアスが加わり、ソース領域64から中性領域66bに電子eが流れ込みにくくなり、中性領域66b及び空乏層66aの大きさがほとんど変化しなくなる。このため、ゲート電位は、空乏層を広げることなく、ソースとチャネル間の電位障壁にほとんど100%作用し、急峻なサブスレショルド電流特性を示す。
As described above, the N-channel FB-PD-SOI-
また、このような特性は、Nチャネル型だけでなく、Pチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFETでも見られる。即ち、Pチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFETは、起動時の方が安定時よりも、同じゲート電圧Vgでより大きなドレイン電流(即ち、オン電流、オフリーク電流)Idを流すことができ、より大きな電力を供給することができる。同時にリーク電流が増加する。図示しないが、Pチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFETの起動時は、中性領域の電位はソース領域の電位よりも低く、順方向のバイアスによって、ソース領域から中性領域にホールhが流れ込んで中性領域が小さくなる。また、安定時においては、中性領域の電位はソース領域の電位よりも大きくなり、逆方向のバイアスによって、ソース領域から中性領域にホールhが流れ込みにくくなっている。これにより、Pチャネル型のFB−PD−SOI−MOSFETにおいては、起動時の閾値電圧の絶対値は、安定時の閾値電圧の絶対値よりも低い値となっている。 Such characteristics can be seen not only in the N-channel type but also in the P-channel type FB-PD-SOI-MOSFET. That is, the P-channel type FB-PD-SOI-MOSFET can flow a larger drain current (that is, an on-current and an off-leakage current) Id at the same gate voltage Vg at the time of startup than at the time of stabilization. Larger power can be supplied. At the same time, the leakage current increases. Although not shown, when the P-channel type FB-PD-SOI-MOSFET is activated, the potential of the neutral region is lower than the potential of the source region, and a hole h is generated from the source region to the neutral region by a forward bias. It flows in and the neutral area becomes smaller. Further, at the stable time, the potential of the neutral region becomes larger than the potential of the source region, and holes h do not easily flow from the source region to the neutral region due to the reverse bias. Thereby, in the P-channel type FB-PD-SOI-MOSFET, the absolute value of the threshold voltage at the time of activation is lower than the absolute value of the threshold voltage at the time of stabilization.
なお、FB−PD−SOI−MOSFETでは、ゲート電圧Vgの絶対値、ドレイン電圧Vdの絶対値、又は、ゲート・ソース間電圧Vgsの絶対値、がそれぞれ0.8[V]以下、より望ましくは0.6[V]以下に設定されていることが好ましい。即ち、上記のMOSFET11〜14、21〜26では、その駆動電圧の絶対値が0.8[V]以下、より望ましくは0.6[V]以下であることが好ましい。これにより、ボディ領域において、インパクトイオナイゼーションによるペアクリエーション(即ち、電子−ホール対の生成)をそれぞれ抑制することができ、各ボディ領域の電位が意図しない方向にそれぞれ変動してしまうことを防ぐことができるので、分周回路の特性の安定化に寄与することができる。なお、駆動電圧の絶対値が0.8[V]を超えると、ボディ領域においてペアクリエーションが発生しやすくなる。
In the FB-PD-SOI-MOSFET, the absolute value of the gate voltage Vg, the absolute value of the drain voltage Vd, or the absolute value of the gate-source voltage Vgs is 0.8 [V] or less, more preferably It is preferably set to 0.6 [V] or less. That is, in the
なお、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETの閾値電圧は、その測定方法に依存して変化する。このため、閾値電圧の大小を比較する際は、その測定方法を定義する必要がある。つまり、Nチャネル型、Pチャネル型毎に、その測定方法を一通りに決めておく必要がある。例えば、Nチャネル型のMOSFETの閾値電圧は、ゲート・ソース間に使用(駆動)電圧以上の電圧を印加した後で、この印加電圧を徐々に減らして電流−電圧(DC−I−V)特性を評価することにより決定することができる。例えば、ゲート電圧Vg=0.4[V]を数〜十数秒間保持した後でゲート電圧を0.4[V]から0[V]まで下降させ、この下降の際に測定される伝達特性に基づいて、Nチャネル型のMOSFETの閾値電圧を決定することができる。この時、ソースとドレイン間の電圧は、インパクトイオナイゼーションが発生しない低電圧に設定する。また、Pチャネル型のMOSFETの閾値電圧は、ゲート・ソース間に使用(駆動)電圧の絶対値以上の電圧を印加した後で、この印加電圧の絶対値を徐々に減らして電流−電圧(DC−I−V)特性を評価することにより決定することができる。例えば、ゲート電圧Vg=−0.4[V]を数〜十数秒間保持した後でゲート電圧を−0.4[V]から0[V]まで上昇させ、この上昇の際に測定される伝達特性に基づいて、Pチャネル型のMOSFETの閾値電圧を決定することができる。 Note that the threshold voltage of the floating body type PD-SOI-MOSFET varies depending on the measurement method. For this reason, when comparing the magnitudes of threshold voltages, it is necessary to define the measurement method. That is, it is necessary to determine the measurement method for each of the N channel type and the P channel type. For example, the threshold voltage of an N-channel MOSFET is a current-voltage (DC-I-V) characteristic obtained by gradually reducing the applied voltage after applying a voltage higher than the use (drive) voltage between the gate and source. Can be determined by evaluating. For example, after holding the gate voltage Vg = 0.4 [V] for several to several tens of seconds, the gate voltage is decreased from 0.4 [V] to 0 [V], and the transfer characteristic measured at the time of the decrease. Based on the above, the threshold voltage of the N-channel MOSFET can be determined. At this time, the voltage between the source and the drain is set to a low voltage that does not cause impact ionization. In addition, the threshold voltage of the P-channel MOSFET is set such that, after applying a voltage higher than the absolute value of the use (drive) voltage between the gate and the source, the absolute value of the applied voltage is gradually reduced to obtain a current-voltage (DC -IV) can be determined by evaluating the characteristics. For example, after holding the gate voltage Vg = −0.4 [V] for several to several tens of seconds, the gate voltage is increased from −0.4 [V] to 0 [V], and measured at the time of this increase. Based on the transfer characteristics, the threshold voltage of the P-channel MOSFET can be determined.
1、3、4、5 クロックドインバーター、2、6 インバーター、10 準スタティック型Tフリップフロップ回路(FF回路)、11〜14、21〜26、91〜94 FB−PD−SOI−MOSFET、40 発振回路、41 発振インバーター、42 水晶発振子、43 抵抗器、44〜46 キャパシタ、50 分周回路、60 制御回路、63 ゲート電極、64 ソース領域、65 ドレイン領域、66 ボディ領域、66a 空乏層、66b 中性領域、70 検出回路、80 電源回路、90 NAND回路、100 分周回路 1, 3, 4, 5 clocked inverter, 2, 6 inverter, 10 quasi-static T flip-flop circuit (FF circuit), 11-14, 21-26, 91-94 FB-PD-SOI-MOSFET, 40 oscillation Circuit, 41 oscillating inverter, 42 crystal oscillator, 43 resistor, 44-46 capacitor, 50 frequency dividing circuit, 60 control circuit, 63 gate electrode, 64 source region, 65 drain region, 66 body region, 66a depletion layer, 66b Neutral region, 70 detection circuit, 80 power supply circuit, 90 NAND circuit, 100 frequency dividing circuit
Claims (9)
前記発振回路に近い前段の側にあって高い周波数で動作する第1のフリップフロップ回路と、
前記発振回路から遠い後段の側にあって低い周波数で動作する第2のフリップフロップ回路と、を備え、
前記第1のフリップフロップ回路は、絶縁層上の半導体層に形成された第1のトランジスターを有し、
前記第1のトランジスターは、フローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常、オン、オフを繰り返すトランジスターであり、
前記第2のフリップフロップ回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第2のトランジスターを有し、
前記第2のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常、オン、オフを繰り返すトランジスターであり、
前記第1のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth1│とし、前記第2のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth2│としたとき、
│Vth1│<│Vth2│に設定されていることを特徴とする分周回路。 A frequency dividing circuit in which a plurality of flip-flop circuits are connected to an oscillation circuit over a plurality of stages,
A first flip-flop circuit operating at a high frequency on the front side close to the oscillation circuit;
A second flip-flop circuit operating at a low frequency on the rear stage side far from the oscillation circuit,
The first flip-flop circuit includes a first transistor formed in a semiconductor layer on an insulating layer,
The first transistor is a floating body type partially depleted transistor, which is normally a transistor that repeatedly turns on and off during the operation of the frequency divider.
The second flip-flop circuit includes a second transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer,
The second transistor is a floating body type partially depleted transistor, and is normally a transistor that repeatedly turns on and off during the operation of the frequency divider.
When the absolute value of the threshold voltage of the first transistor is | Vth1 | and the absolute value of the threshold voltage of the second transistor is | Vth2 |
A frequency dividing circuit characterized in that | Vth1 | <| Vth2 | is set.
前記第1のN型トランジスターのゲート長をL1(N)とし、
前記第1のN型トランジスターのゲート幅をW1(N)とし、
前記第1のN型トランジスターの閾値電圧をVth1(N)と、一方、
前記第1のP型トランジスターのゲート長をL1(P)とし、
前記第1のP型トランジスターのゲート幅をW1(P)とし、
前記第1のP型トランジスターの閾値電圧をVth1(P)としたとき、
L1(N)=L1(P)、
W1(N)=W1(P)、
Vth1(N)=−Vth1(P)に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の分周回路。 The first transistor includes a first N-type transistor and a first P-type transistor,
The gate length of the first N-type transistor is L1 (N),
The gate width of the first N-type transistor is W1 (N),
The threshold voltage of the first N-type transistor is Vth1 (N),
The gate length of the first P-type transistor is L1 (P),
The gate width of the first P-type transistor is W1 (P),
When the threshold voltage of the first P-type transistor is Vth1 (P),
L1 (N) = L1 (P),
W1 (N) = W1 (P),
2. The frequency dividing circuit according to claim 1, wherein Vth1 (N) = − Vth1 (P) is set.
前記第2のN型トランジスターのゲート長をL2(N)とし、
前記第2のN型トランジスターのゲート幅をW2(N)とし、
前記第2のN型トランジスターの閾値電圧をVth2(N)とし、一方、
前記第2のP型トランジスターのゲート長をL2(P)とし、
前記第2のP型トランジスターのゲート幅をW2(P)とし、
前記第2のP型トランジスターの閾値電圧をVth2(P)としたとき、
L2(N)=L2(P)、
W2(N)=W2(P)、
Vth2(N)=−Vth2(P)に設定されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の分周回路。 The second transistor includes a second N-type transistor and a second P-type transistor,
The gate length of the second N-type transistor is L2 (N),
The gate width of the second N-type transistor is W2 (N),
The threshold voltage of the second N-type transistor is Vth2 (N),
The gate length of the second P-type transistor is L2 (P),
The gate width of the second P-type transistor is W2 (P),
When the threshold voltage of the second P-type transistor is Vth2 (P),
L2 (N) = L2 (P),
W2 (N) = W2 (P),
3. The frequency dividing circuit according to claim 1, wherein Vth2 (N) = − Vth2 (P) is set.
前記第3のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常オフのトランジスターであり、
前記第3のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth3│としたとき、
│Vth2│≦│Vth3│に設定されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の分周回路。 At least one of the first flip-flop circuit or the second flip-flop circuit has a third transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer,
The third transistor is a floating body type partially depleted transistor, and is a normally off transistor during the operation of the frequency divider.
When the absolute value of the threshold voltage of the third transistor is | Vth3 |
The frequency dividing circuit according to claim 1, wherein | Vth2 | ≦ | Vth3 | is set.
前記第4のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記分周回路の動作時に通常オンのトランジスターであり、
前記第4のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth4│としたとき、
│Vth4│≦│Vth1│に設定されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の分周回路。 At least one of the first flip-flop circuit or the second flip-flop circuit has a fourth transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer,
The fourth transistor is a floating body type partially depleted transistor, and is a normally-on transistor during the operation of the frequency divider.
When the absolute value of the threshold voltage of the fourth transistor is | Vth4 |
The frequency dividing circuit according to claim 1, wherein | Vth4 | ≦ | Vth1 | is set.
前記発振回路と前記分周回路との間に配置され、前記発振回路から出力される振幅電圧を波形整形して前記分周回路に供給する波形整形回路と、を具備し、
前記波形整形回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第5のトランジスター、を有し、
前記第5のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記波形整形回路の動作時に通常、オン、オフを繰り返すトランジスターであり、
前記第5のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth5│としたとき、
│Vth5│≦│Vth1│に設定されていることを特徴とする半導体装置。 A frequency dividing circuit according to any one of claims 1 to 5,
A waveform shaping circuit that is arranged between the oscillation circuit and the frequency divider circuit and that shapes the amplitude voltage output from the oscillation circuit and supplies the waveform to the frequency divider circuit;
The waveform shaping circuit includes a fifth transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer,
The fifth transistor is a floating body type partially depleted transistor, which is normally a transistor that repeatedly turns on and off when the waveform shaping circuit operates.
When the absolute value of the threshold voltage of the fifth transistor is | Vth5 |
| Vth5 | ≦ | Vth1 | is set.
前記第5のN型トランジスターのゲート長をL5(N)とし、
前記第5のN型トランジスターのゲート幅をW5(N)とし、
前記第5のN型トランジスターの閾値電圧の絶対値をVth5(N)とし、一方、
前記第5のP型トランジスターのゲート長をL5(P)とし、
前記第5のP型トランジスターのゲート幅をW5(P)とし、
前記第5のP型トランジスターの閾値電圧をVth5(P)としたとき、
L5(N)=L5(P)、
W5(N)=W5(P)、
Vth5(N)=−Vth5(P)に設定されていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。 The fifth transistor includes a fifth N-type transistor and a fifth P-type transistor,
The gate length of the fifth N-type transistor is L5 (N),
The gate width of the fifth N-type transistor is W5 (N),
The absolute value of the threshold voltage of the fifth N-type transistor is Vth5 (N),
The gate length of the fifth P-type transistor is L5 (P),
The gate width of the fifth P-type transistor is W5 (P),
When the threshold voltage of the fifth P-type transistor is Vth5 (P),
L5 (N) = L5 (P),
W5 (N) = W5 (P),
The semiconductor device according to claim 6, wherein Vth5 (N) = − Vth5 (P) is set.
前記第6のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記波形整形回路の動作時に通常オフのトランジスターであり、
前記第6のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth6│としたとき、
│Vth2│≦│Vth6│に設定されていることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の半導体装置。 The waveform shaping circuit includes a sixth transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer,
The sixth transistor is a floating body type partially depleted transistor, which is normally off during operation of the waveform shaping circuit,
When the absolute value of the threshold voltage of the sixth transistor is | Vth6 |
8. The semiconductor device according to claim 6, wherein | Vth2 | ≦ | Vth6 | is set.
前記第7のトランジスターはフローティングボディ型の部分空乏型トランジスターであって、前記波形整形回路の動作時に通常オンのトランジスターであり、
前記第7のトランジスターの閾値電圧の絶対値を│Vth7│としたとき、
│Vth7│≦│Vth1│に設定されていることを特徴とする請求項6から請求項8の何れか一項に記載の半導体装置。 The waveform shaping circuit includes a seventh transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer;
The seventh transistor is a floating body type partially depleted transistor, and is a normally-on transistor during operation of the waveform shaping circuit.
When the absolute value of the threshold voltage of the seventh transistor is | Vth7 |
The semiconductor device according to claim 6, wherein | Vth7 | ≦ | Vth1 | is set.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009122338A JP2010273044A (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Frequency-divider circuit, and semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009122338A JP2010273044A (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Frequency-divider circuit, and semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010273044A true JP2010273044A (en) | 2010-12-02 |
Family
ID=43420734
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009122338A Pending JP2010273044A (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Frequency-divider circuit, and semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010273044A (en) |
-
2009
- 2009-05-20 JP JP2009122338A patent/JP2010273044A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5537180B2 (en) | Electrostatic actuator device | |
US20180005685A1 (en) | Semiconductor device comprising charge pump circuit for generating substrate bias voltage | |
US6603175B2 (en) | Operating circuit with voltage regular circuit having at least a partially depleted soi field effect transistor | |
US10483844B2 (en) | Charge pump arrangement and method for operating a charge pump arrangement | |
JP2005191821A (en) | Comparator circuit and power supply circuit | |
JP2008131266A (en) | Semiconductor device | |
KR20090104362A (en) | Inverter Circuit | |
CN102956693A (en) | FINFET (Fin-Field-Effect-Transistor) and application circuit applying FIFET | |
US6229405B1 (en) | Low-voltage oscillation amplifying circuit | |
JP3886716B2 (en) | Semiconductor integrated circuit, timepiece and electronic device equipped with the same | |
JP2010273044A (en) | Frequency-divider circuit, and semiconductor device | |
JP2011090364A (en) | Constant voltage generation circuit, and semiconductor integrated circuit with the built-in circuit | |
US7078953B2 (en) | Level down converter | |
US7622983B2 (en) | Method and device for adapting the voltage of a MOS transistor bulk | |
US11695010B2 (en) | Semiconductor device | |
US11456665B2 (en) | Semiconductor device, electronic system device, and driving method thereof | |
US20120194281A1 (en) | Oscillation-Stop Detection Circuit, Semiconductor Device, Timepiece, And Electronic Device | |
CN203590155U (en) | Oscillator | |
US6552397B1 (en) | Charge pump device formed on silicon-on-insulator and operation method | |
JP4115358B2 (en) | Output circuit and level shift circuit | |
JP2010192625A (en) | Semiconductor device | |
CN202930389U (en) | FINFET and inverter using same | |
Kumar | Ultra low power sub-threshold ring oscillator | |
TWI466436B (en) | Ring oscillator | |
JP7042486B2 (en) | Low frequency signal generation circuit element for integrated circuits |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20110630 |