JP2672023B2 - Substrate voltage generation circuit - Google Patents

Substrate voltage generation circuit

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JP2672023B2
JP2672023B2 JP1313758A JP31375889A JP2672023B2 JP 2672023 B2 JP2672023 B2 JP 2672023B2 JP 1313758 A JP1313758 A JP 1313758A JP 31375889 A JP31375889 A JP 31375889A JP 2672023 B2 JP2672023 B2 JP 2672023B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、集積回路等の半導体装置において、半導
体基板に加えるべき電圧を発生する基板電圧発生回路に
関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a substrate voltage generating circuit for generating a voltage to be applied to a semiconductor substrate in a semiconductor device such as an integrated circuit.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

一般に、P型半導体基板を用いた半導体装置であるダ
イナミックRAMでは、入力信号のアンダーシュートによ
る誤動作防止や、ラッチアップに対する耐量の向上、拡
散領域と半導体基板との間の接合容量の軽減による高速
化等の理由から、基板に負電圧を印加することが行われ
ており、このためにチップに負電圧を発生する基板電圧
発生回路が設けられる。
In general, in a dynamic RAM which is a semiconductor device using a P-type semiconductor substrate, malfunction is prevented due to undershoot of an input signal, latch-up resistance is improved, and a junction capacitance between a diffusion region and a semiconductor substrate is reduced to increase speed. For these reasons, a negative voltage is applied to the substrate, and for this purpose, a substrate voltage generating circuit for generating a negative voltage is provided in the chip.

第6図はNMOS構成の従来の基板電圧発生回路の結線図
であり、同図において、1は発振器であるリングオシレ
ータ、2はドライバ、C0はキャパシタ、Q1,Q2はキャパ
シタC0とともにチャージポンプ回路3を構成するNチャ
ネルMOSFET、V0はこのNチャネルMOSFETQ1,Q2を接続す
るノード、4は本基板電圧VBBを出力する出力端子であ
る。
FIG. 6 is a connection diagram of a conventional substrate voltage generation circuit having an NMOS structure. In the figure, 1 is a ring oscillator which is an oscillator, 2 is a driver, C 0 is a capacitor, Q 1 and Q 2 are capacitors C 0 together with An N-channel MOSFET constituting the charge pump circuit 3, V 0 is a node connecting the N-channel MOSFETs Q 1 and Q 2 , and 4 is an output terminal for outputting the main substrate voltage V BB .

ところで、リングオシレータ1は、第7図に示すよう
に、正電源5と接地との間に直列にPチャネルMOSFET6
及びNチャネルMOSFET7が接続されてインバータ8が構
成され、インバータ8の出力端子である両FET6,7の接続
点が次段のインバータ8の入力端子である両FET6,7のゲ
ートに接続されて、3以上の奇数個のインバータ8が縦
列接続されるとともに、最終段のインバータ8の出力端
子が初段のインバータ8の入力端子に接続されて構成さ
れている。
By the way, as shown in FIG. 7, the ring oscillator 1 includes a P-channel MOSFET 6 connected in series between the positive power source 5 and the ground.
And an N-channel MOSFET 7 are connected to form an inverter 8, and a connection point of both FETs 6 and 7 which are output terminals of the inverter 8 is connected to gates of both FETs 6 and 7 which are input terminals of the next-stage inverter 8. An odd number of inverters 3 of 3 or more is connected in cascade, and the output terminal of the final stage inverter 8 is connected to the input terminal of the first stage inverter 8.

また、第8図はチャージポンプ回路3の断面図であ
り、P型基板9に形成されたPウェル10にN+拡散層11a,
11b,11cが形成され、拡散層11cが接地され、それぞれド
レイン,ソースとなる拡散層11a,11b及びゲート12aによ
りFETQ1が構成され、それぞれドレイン,ソースとなる
拡散層11b,11c及びゲート12bによりFETQ2が構成され、
出力端子4に相当するFETQ1のゲート12a及びドレインで
ある拡散層11aがPウェル13中の電子注入用P+拡散層14
に接続され、ゲート12bが拡散層11Bに接続され、ノード
V0がキャパシタC0に接続されている。ただし、15は分離
酸化膜である。
8 is a cross-sectional view of the charge pump circuit 3, in which the P well 10 formed in the P type substrate 9 has an N + diffusion layer 11a,
11b and 11c are formed, the diffusion layer 11c is grounded, the diffusion layers 11a and 11b serving as drains and sources, and the gate 12a constitute the FET Q 1 , and the diffusion layers 11b and 11c serving as drains and sources and the gate 12b, respectively. FETQ 2 is configured,
The diffusion layer 11a, which is the gate 12a and drain of the FET Q 1 corresponding to the output terminal 4, is the P + diffusion layer 14 for electron injection in the P well 13.
, The gate 12b is connected to the diffusion layer 11B, and the node
V 0 is connected to capacitor C 0 . However, 15 is an isolation oxide film.

つぎに、第6図の動作について説明する。 Next, the operation of FIG. 6 will be described.

いま、第9図に示すように、リングオシレータ1の周
期パルスに同期したドライバ2の出力である駆動信号φ
の電圧が0からVPに立上がると、ノードV0の電圧はキ
ャパシタC0による容量結合のために、0からVPに上昇
し、FETQ2がオン状態になり、FETQ2のしきい電圧をVTH2
とすると、ノードV0の電圧はVTH2に下がり、その後駆動
信号φがVPから0に立下がると、キャパシタC0による
容量結合のために、ノードV0の電圧は上記VTH2から(V
TH2−VP)に下がる。
Now, as shown in FIG. 9, the drive signal φ which is the output of the driver 2 synchronized with the periodic pulse of the ring oscillator 1.
When the voltage of 0 rises from 0 to V P, due to capacity coupling by the capacitor C 0 voltage node V 0, increases from 0 to V P, FETs Q 2 is turned on, the threshold of the FETs Q 2 Voltage to V TH2
When, drop to the voltage V TH2 of the nodes V 0, the subsequent drive signal phi 0 falls to 0 V P, due to capacity coupling by the capacitor C 0, the voltage at node V 0 from the V TH2 ( V
TH2 falls -V P).

このとき、FETQ2はオフ状態であるが、FETQ1がオン状
態になるため、基板電圧VBBは下がる。
At this time, the FET Q 2 is in the off state, but the FET Q 1 is in the on state, so that the substrate voltage V BB decreases.

そして、このような動作の繰り返しにより、FETQ1
しきい電圧をVTH1とすると、基板電圧VBBは最終的に(V
TH1+VTH2−VP)となって安定する。
When the threshold voltage of FET Q 1 is set to V TH1 by repeating such operations, the substrate voltage V BB finally becomes (V
TH1 + V TH2 -V P) and made to be stable.

一方、PMOS構成の従来の基板発生回路は、第10図に示
す構成となり、第6図のチャージポンプ回路3がPチャ
ネルMOSFETQ3,Q4からなるチャージポンプ回路3′に代
わった以外は、第6図と同様の構成である。ただし、
V0′はFETQ3,Q4を接続するノードである。
On the other hand, the conventional substrate generating circuit having the PMOS structure has the structure shown in FIG. 10, except that the charge pump circuit 3 shown in FIG. 6 is replaced by the charge pump circuit 3'comprising P-channel MOSFETs Q 3 and Q 4 . The configuration is the same as in FIG. However,
V 0 ′ is a node that connects FETs Q 3 and Q 4 .

そして、第11図はチャージポンプ回路3′の断面図で
あり、第8図と異なりP型基板9に形成されたNウェル
16にP+拡散層17a,17b,17cが形成され、拡散層17cが接地
され、それぞれソース,ドレインとなる拡散層17a,17b
及びゲート18aによりFETQ3が構成され、それぞれソー
ス,ドレインとなる拡散層17b,17c及びゲート18bにより
FETQ4が構成され、出力端子4に相当するFETQ3のソース
である拡散層17aがPウェル19中の電子注入用P+拡散層2
0に接続され、ゲート18a,18bがそれぞれ拡散層17b,17c
に接続され、ノードV0′がキャパシタC0に接続されてい
る。
And, FIG. 11 is a sectional view of the charge pump circuit 3 ′, which is different from FIG. 8 in that the N well formed in the P type substrate 9 is formed.
P + diffusion layers 17a, 17b, 17c are formed in 16 and the diffusion layer 17c is grounded, and the diffusion layers 17a, 17b become the source and the drain, respectively.
FET Q 3 is composed of the gate 18a and the diffusion layers 17b and 17c serving as the source and drain, respectively, and the gate 18b.
The FET Q 4 is constituted, and the diffusion layer 17a, which is the source of the FET Q 3 corresponding to the output terminal 4, is the P + diffusion layer 2 for electron injection in the P well 19.
Gates 18a and 18b are connected to the diffusion layers 17b and 17c, respectively.
, And node V 0 ′ is connected to capacitor C 0 .

ただし、21はNウェル16に形成されたN+拡散層であ
り、電源22に接続されている。
However, 21 is an N + diffusion layer formed in the N well 16 and is connected to the power supply 22.

このとき、第10図に示すPMOS構成の基板電圧発生回路
の動作は、第6図に示すNMOS構成の場合と同様であり、
PチャネルMOSFETQ3,Q4のしきい電圧VTH3,VTH4とする
と、基板電圧VBBは最終的に(VTH3+VTH4−VP)となっ
て安定する。
At this time, the operation of the substrate voltage generation circuit of the PMOS configuration shown in FIG. 10 is the same as that of the NMOS configuration shown in FIG.
When the threshold voltages V TH3 and V TH4 of the P-channel MOSFETs Q 3 and Q 4 are set, the substrate voltage V BB finally becomes (V TH3 + V TH4 −V P ) and becomes stable.

ところで、第6図のNMOS構成の場合、前述したよう
に、定常状態における基板電圧VBBは(VTH1+VTH2
VP)であるが、ノードV0の電圧は周期的に定常時の基板
電圧VBBよりも低い(VTH2−VP)まで低下し、その結果
第8図において、ノードV0に接続されているN+拡散層11
bと、その下のpウェル10との間のPN接合に周期的に順
方向バイアスが加わることになり、その拡散層11bから
pウェル10を経て基板9に電子が周期的に注入されるこ
とになる。
By the way, in the case of the NMOS configuration in FIG. 6, as described above, the substrate voltage V BB in the steady state is (V TH1 + V TH2
V P ), but the voltage of the node V 0 periodically drops to a voltage (V TH2 −V P ) lower than the steady-state substrate voltage V BB , and as a result, in FIG. 8, it is connected to the node V 0 . N + diffusion layer 11
A forward bias is periodically applied to the PN junction between b and the p well 10 thereunder, and electrons are periodically injected from the diffusion layer 11b to the substrate 9 through the p well 10. become.

ここで、基板9への電子の注入周期は、ドライバ2の
駆動信号φの周期,すなわちリングオシレータ1の発
振周期に等しい。
Here, the period of injection of electrons into the substrate 9 is equal to the period of the drive signal φ 0 of the driver 2, that is, the oscillation period of the ring oscillator 1.

また、リングオシレータ1の電源電圧をVCCとする
と、電源電圧VCCが高くなるほど、その発振周波数も高
くなってて発振周期が短くなり、基板9に電子が注入さ
れる頻度も増し、例えばダイナミックRAMの場合この頻
度が高くなると、基板9に注入される電子がメモリセル
部にまで到達し、そのメモリセル部に蓄えられた情報を
破壊するという現象が生じることがあり、NMOS構成の基
板電圧発生回路を採用したダイナミックRAMでは、特に
電源電圧VCCが高い場合に、基板9に注入される電子に
より誤動作が生じるおそれがある。
When the power supply voltage of the ring oscillator 1 is V CC , the higher the power supply voltage V CC is, the higher the oscillation frequency thereof is, the shorter the oscillation cycle is, the more frequently electrons are injected into the substrate 9, and, for example, the dynamic frequency is increased. In the case of RAM, if this frequency becomes high, electrons injected into the substrate 9 may reach the memory cell portion and destroy the information stored in the memory cell portion. In the dynamic RAM employing the generation circuit, there is a possibility that the electrons injected into the substrate 9 may cause malfunctions, especially when the power supply voltage V CC is high.

一方、PMOS構成の基板電圧発生回路の場合、前述した
ように、定常状態における基板電圧VBBは(VTH3+VTH4
−VP)であるのに対し、ノードV0′の電圧は周期的に定
常時の基板電圧VBBよりも低い(VTH4−VP)まで低下
し、ノードV0′の電圧が周期的に定常時の基板電圧VBB
より低い電圧にまで低下するという点では、NMOS構成の
基板電圧発生回路と同様である。
On the other hand, in the case of the substrate voltage generation circuit having the PMOS configuration, as described above, the substrate voltage V BB in the steady state is (V TH3 + V TH4
Whereas a -V P), the node V 0 'voltage drops to periodically lower than the substrate voltage V BB in a steady state (V TH4 -V P), the node V 0' periodic voltage of Substrate voltage V BB during steady state
It is similar to the NMOS substrate voltage generation circuit in that the voltage is reduced to a lower voltage.

しかし、第11図に示すように、NMOS構成の場合と違っ
てノードV0′はP+拡散層17bに接続されており、その下
にはNウェル16との間のPN接合には逆方向バイアスが加
わることになり、その結果NMOS構成の基板電圧発生回路
のように基板9に電子が注入されることはなく、ダイナ
ミックRAMの場合にメモリセル部の蓄積情報が破壊され
ることもなく、電源電圧VCCが高い場合に限ればPMOS構
成の基板電圧発生回路はNMOS構成より優れている。
However, as shown in FIG. 11, unlike the case of the NMOS structure, the node V 0 ′ is connected to the P + diffusion layer 17b, and the PN junction between the node V 0 ′ and the N well 16 is in the reverse direction to the node V 0 ′. As a result, a bias is applied, and as a result, electrons are not injected into the substrate 9 as in the substrate voltage generating circuit having the NMOS structure, and the stored information in the memory cell portion is not destroyed in the case of dynamic RAM. The substrate voltage generation circuit of the PMOS configuration is superior to the NMOS configuration only when the power supply voltage V CC is high.

ところで、NMOS構成の基板電圧発生回路の場合、前述
したように基板電圧VBBは理想的には(VTH1+VTH2
VP)で安定するが、一般に半導体装置が動作状態にある
時には基板上の様々な回路動作に伴って基板9への正孔
の注入が起こり、いわゆる基板電流が流れて基板電圧V
BBが正の方向に引っ張られるため、基板電圧VBBは実際
には(VTH1+VTH2−VP)よりも大きな値になる。
By the way, in the case of the substrate voltage generation circuit having the NMOS configuration, the substrate voltage V BB is ideally (V TH1 + V TH2
Stable at V P), but in general when the semiconductor device is in an operative state with the various circuit operations of the board occurs injection of holes into the substrate 9, the substrate voltage V so-called substrate current flows
Since BB is pulled in the positive direction, the substrate voltage V BB is actually larger than (V TH1 + V TH2 −V P ).

これは、PMOS構成の基板電圧発生回路においても同様
に言えることである。
The same applies to the substrate voltage generation circuit having the PMOS structure.

しかし、基板電圧VBBが基板電流の影響を大きく受
け、基板電圧VBBの絶対値が小さくなってくると、半導
体装置の入力信号のアンダーシュートにより基板9への
電子注入が起こり、これによりダイナミックRAMの場合
にはメモリセル部の蓄積情報が破壊されたり、拡散層と
基板との間の接合容量が増加することによって、回路動
作速度が劣化したり、ラッチアップに対する耐量が減少
するなどの不都合が生じる。
However, when the substrate voltage V BB is greatly affected by the substrate current and the absolute value of the substrate voltage V BB becomes smaller, electrons are injected into the substrate 9 due to the undershoot of the input signal of the semiconductor device, which causes a dynamic change. In the case of RAM, the stored information in the memory cell part is destroyed, the junction capacitance between the diffusion layer and the substrate increases, and the circuit operation speed deteriorates and the resistance to latch-up decreases. Occurs.

そこで、基板電流の基板電圧VBBへの影響を打ち消す
ためには、チャージポンプ回路の電流駆動力を大きくす
る必要があり、チャージポンプ回路の電流駆動力は、第
6図,第10図の構成では、リングオシレータ1の周波
数,駆動信号すなわちドライバ2の出力電圧φの振幅
VP,キャパシタC0及びチャージポンプ回路3,3′それぞれ
を構成するトランジスタQ1,Q2又はQ3,Q4の抵抗によって
決まる。
Therefore, in order to cancel the influence of the substrate current on the substrate voltage V BB , it is necessary to increase the current driving force of the charge pump circuit. The current driving force of the charge pump circuit is the same as that shown in FIGS. 6 and 10. Then, the frequency of the ring oscillator 1, the drive signal, that is, the amplitude of the output voltage φ 0 of the driver 2
V P , the capacitor C 0, and the resistance of the transistors Q 1 and Q 2 or Q 3 and Q 4 forming the charge pump circuits 3 and 3 ′, respectively.

また、電子の移動度は正孔の移動度よりも大きいた
め、同一サイズのトランジスタでチャージポンプ回路を
構成すると、NMOS構成の方がPMOS構成に比べて抵抗を小
さくすることができ、チャージポンプ回路の電流駆動力
をより大きくすることが可能である。
In addition, since the mobility of electrons is higher than the mobility of holes, if the charge pump circuit is composed of transistors of the same size, the NMOS configuration can have a smaller resistance than the PMOS configuration. It is possible to further increase the current driving force of.

さらに、電圧VPはドライバ2の出力電圧の振幅であ
り、通常は電源電圧VCCに等しく設計されることが多
く、これらのことから、電源電圧VCCが高い場合にはド
ライバ2の出力電圧の振幅VPも大きくなり、チャージポ
ンプ回路の電流駆動力が大きくなるため、チャージポン
プ回路がNMOS構成,PMOS構成のいずれであっも十分なレ
ベルの基板電圧を得ることができる。
Further, the voltage V P is the amplitude of the output voltage of the driver 2, usually it is often equally designed to supply voltage V CC, from these facts, the power supply voltage V CC is the case high output voltage of the driver 2 Since the amplitude V P of the charge pump circuit also increases and the current driving capability of the charge pump circuit increases, a sufficient level of substrate voltage can be obtained regardless of whether the charge pump circuit has an NMOS configuration or a PMOS configuration.

しかし、電源電圧VCCが低い場合には、チャージポン
プ回路の電流駆動力はかなり小さくなり、基板電流の基
板電圧VBBへの影響も無視できなくなるため、電源電圧V
CCが低い場合に、電流駆動力をより大きくするチャージ
ポンプ回路はPMOS構成よりもNMOS構成の方が有利であ
る。
However, when the power supply voltage V CC is low, the current driving capability of the charge pump circuit becomes considerably small, and the influence of the substrate current on the substrate voltage V BB cannot be ignored.
When the CC is low, the charge pump circuit that increases the current driving force is more advantageous in the NMOS configuration than in the PMOS configuration.

以上のことから、電源電圧VCCが高い場合には、基板
への電子注入が生じないため、PMOS構成の基板電圧発生
回路はNMOS構成より優れているが、電源電圧VCCが低い
場合には、チャージポンプ回路の電流駆動力を大きくで
きるため、NMOS構成の方がPMOS構成よりも有利である。
From the above, when the power supply voltage V CC is high, electron injection into the substrate does not occur, so the substrate voltage generation circuit of the PMOS configuration is superior to the NMOS configuration, but when the power supply voltage V CC is low Since the current driving capability of the charge pump circuit can be increased, the NMOS configuration is more advantageous than the PMOS configuration.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

従来の基板電圧発生回路は、第6図に示すようなNMOS
構成か、或いは第10図に示すようなPMOS構成のいずれか
であるため、第6図のようなNMOS構成では電源電圧VCC
が高い場合に誤動作を生じることがあり、第10図のよう
なPMOS構成では電源電圧VCCが低い場合に十分な基板電
圧を発生することができず、いずれの構成も電源電圧V
CCが高,低に変動する場合には良好に動作しないという
問題点があった。
The conventional substrate voltage generation circuit is an NMOS as shown in FIG.
Since it has either the configuration or the PMOS configuration as shown in FIG. 10, the power supply voltage V CC is required in the NMOS configuration as shown in FIG.
When the power supply voltage V CC is low, a sufficient substrate voltage cannot be generated in the PMOS configuration as shown in Fig. 10.
There was a problem that it did not work well when CC fluctuated between high and low.

ところで、基板電圧発生回路としての具体的な先行技
術例として、特公平1−14712号公報,特開昭60−54467
号公報,特開昭60−62147号公報に記載のものがある
が、これらは第6図に示すNMOS構成又は第10図に示すPM
OS構成のいずれかに該当するものであるため、前述した
ような不都合が生じる。
By the way, as a specific prior art example as a substrate voltage generating circuit, Japanese Patent Publication No. 114712/1985, JP-A-60-54467.
JP-A No. 60-62147 and JP-A No. 60-62147 have the NMOS configuration shown in FIG. 6 or the PM shown in FIG.
Since it corresponds to any of the OS configurations, the above-mentioned inconvenience occurs.

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、電源電圧VCCが高,低に変動する場合で
あっても、誤動作を生じることなく、十分な基板電圧を
供給し、安定した動作を確保できるようにすることを目
的とする。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and supplies a sufficient substrate voltage without causing a malfunction even when the power supply voltage V CC fluctuates between high and low. The purpose is to ensure stable operation.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

この発明に係る基板電圧発生装置は、半導体装置を構
成する基板への印加電圧を発生する基板電圧発生回路に
おいて、周期パルスを発生する発振器と、前記周期パル
スを入力として駆動信号を出力するドライバと、前記駆
動信号を入力とし第1キャパシタ及びNチャネルMOSト
ランジスタからなる第1チャージポンプ回路と、前記駆
動信号を入力とし第2キャパシタ及びPチャネルMOSト
ランジスタからなる第2チャージポンプ回路と、前記両
チャージポンプ回路の出力端子に接続された基板電圧出
力端子と、前記発振器及びドライバの電源電圧が設定し
きい電圧より高いか低いかを検出する検出手段と、前記
検出手段の出力により動作し前記電源電圧が前記設定し
きい電圧より高いとき及び低いときにそれぞれ前記第2,
第1チャージポンプ回路を駆動する制御手段とを備えた
ことを特徴としている。
A substrate voltage generating device according to the present invention is a substrate voltage generating circuit that generates a voltage applied to a substrate that constitutes a semiconductor device, and an oscillator that generates a periodic pulse, and a driver that outputs a drive signal using the periodic pulse as an input. A first charge pump circuit including the drive signal as an input and including a first capacitor and an N-channel MOS transistor; a second charge pump circuit including the drive signal as an input and including a second capacitor and a P-channel MOS transistor; A substrate voltage output terminal connected to the output terminal of the pump circuit, a detection means for detecting whether the power supply voltage of the oscillator and the driver is higher or lower than a set threshold voltage, and the power supply voltage operated by the output of the detection means. Is higher and lower than the set threshold voltage, respectively, the second,
And a control means for driving the first charge pump circuit.

〔作用〕[Action]

この発明によると、検出手段により電源電圧が設定し
きい電圧より高いか低いかが検出され、電源電圧が設定
しきい電圧より高いとき及び低いときに、制御手段によ
りそれぞれ第2,第1チャージポンプ回路が駆動されるた
め、電源電圧が設定しきい電圧より高い場合にはPチャ
ネルMOSトランジスタからなる第2チャージポンプ回路
が動作し、基板への電子注入が生じることがなく、誤動
作の発生が防止され、電源電圧が設定しきい電圧より低
い場合にはNチャネルMOSトランジスタからなる第1チ
ャージポンプ回路が動作し、十分な基板電圧が供給され
る。
According to the present invention, the detection means detects whether the power supply voltage is higher or lower than the set threshold voltage, and the control means respectively controls the second and first charge pump circuits when the power supply voltage is higher or lower than the set threshold voltage. Therefore, when the power supply voltage is higher than the set threshold voltage, the second charge pump circuit composed of the P-channel MOS transistor operates, electron injection into the substrate does not occur, and the occurrence of malfunction is prevented. When the power supply voltage is lower than the set threshold voltage, the first charge pump circuit composed of N-channel MOS transistors operates to supply a sufficient substrate voltage.

〔実施例〕 第1図はこの発明の基板電圧発生回路の一実施例の結
線図である。
[Embodiment] FIG. 1 is a connection diagram of an embodiment of a substrate voltage generating circuit of the present invention.

第1図を参照して、リングオシレータ1及びドライバ
2の電源電圧VCCが設定しきい電圧より高いか低いかを
検出する検出手段23が設けられ、高いときに検出手段23
の出力φ1,がそれぞれハイレベル(以下Hとい
う),ローレベル(以下Lという)となり、低いときに
φ1,がそれぞれL,Hとなる。
Referring to FIG. 1, a detection means 23 is provided for detecting whether the power supply voltage V CC of the ring oscillator 1 and the driver 2 is higher or lower than a set threshold voltage.
Output φ 1 , 1 becomes high level (hereinafter referred to as H) and low level (hereinafter referred to as L) respectively, and when it is low, φ 1 , 1 becomes L and H respectively.

そして、検出手段23の出力φ1,がそれぞれL,Hの
ときにオンするトランスミッションゲート24aと、φ1,
がそれぞれH,Lのときにオンするトランスミッショ
ンゲート24bとからなる制御手段24が設けられ、一方の
トランスミッションゲート24aを介して、キャパシタC0a
及びNチャネルMOSFETQ1a,Q2aからなる第1チャージポ
ンプ回路25がドライバ2に接続され、他方のトランスミ
ッションゲート24bを介して、キャパシタC0b及びPチャ
ネルMOSFETQ1b,Q2bからなる第2チャージポンプ回路26
がドライバ2に接続され、両チャージポンプ回路25,26
の出力端子が基板電圧VBBの共通の基板電圧出力端子27
に接続されている。
The transmission gate 24a which is turned on when the outputs φ 1 and 1 of the detection means 23 are L and H, and φ 1 and
There is provided a control means 24 comprising a transmission gate 24b which is turned on when 1 is H and L respectively, and a capacitor C 0a is provided via one transmission gate 24a.
And a first charge pump circuit 25 including N-channel MOSFETs Q 1a and Q 2a is connected to the driver 2, and a second charge pump circuit including a capacitor C 0b and P-channel MOSFETs Q 1b and Q 2b is connected via the other transmission gate 24b. 26
Is connected to the driver 2 and both charge pump circuits 25, 26
The output terminal of is a common board voltage output terminal of board voltage V BB 27
It is connected to the.

ところで、検出手段23は、例えば第2図に示すように
構成され、リングオシレータ1の正電源5と同じ正電源
5と接地との間に3個のNチャネルMOSFETQ5,Q6,Q7及び
各FETQ5〜Q7の導通抵抗の和より大きい抵抗値の抵抗28
が直列に設けられ、FETQ7と抵抗28とを接続するノードN
1に、2個のインバータ29,30の直列回路を介してφ
力端子が接続されるとともに、ノードN1にインバータ29
を介して出力端子が接続されている。
By the way, the detecting means 23 is configured as shown in FIG. 2, for example, and three N-channel MOSFETs Q 5 , Q 6 , Q 7 and the same positive power supply 5 as the positive power supply 5 of the ring oscillator 1 are connected to the ground. resistance of the sum is greater than the resistance value of the conduction resistance of each FETs Q 5 to Q 7 28
Is connected in series and connects the FET Q 7 and the resistor 28 to the node N.
1 is connected to the φ 1 output terminal via a series circuit of two inverters 29 and 30, and the inverter 29 is connected to the node N 1.
1 output terminal is connected via.

ここで、第2図の各FETQ5,Q6,Q7のしきい電圧をそれ
ぞれVTA,VTB,VTCとすると、VCC≦(VTA+VTB+VTC)で
ある場合には、各FETQ5,Q6,Q7はオフするため、ノードN
1の電圧は0Vとなり、VCC>(VTA+VTB+VTC)である場
合には、各FETQ5,Q6,Q7はオンするため、ノードN1の電
圧は{VCC−(VTA+VTB+VTC)}となる。
Here, assuming that the threshold voltages of the FETs Q 5 , Q 6 , and Q 7 in FIG. 2 are V TA , V TB , and V TC , respectively, when V CC ≤ (V TA + V TB + V TC ), Since each FET Q 5 , Q 6 , and Q 7 is turned off, node N
The voltage of node 1 is 0V, and when V CC > (V TA + V TB + V TC ), each FET Q 5 , Q 6 , and Q 7 is turned on, so the voltage of node N 1 is {V CC − (V TA + V TB + V TC )}.

従って、このノードN1の電圧{VCC−(VTA+VTB
VTC)}がインバータ29の入力しきい電圧に等しくなる
ときの電源電圧VCCが、検出手段23の設定しきい電圧VS
となり、電源電圧VCCがこの設定しきい電圧VSより高い
とき、出力φ1,はそれぞれH,Lとなり、低いときに
は、出力φ1,はそれぞれL,Hとなる。
Therefore, the voltage of this node N 1 {V CC − (V TA + V TB +
V TC )} becomes equal to the input threshold voltage of the inverter 29, the power supply voltage V CC is the set threshold voltage V S of the detection means 23.
When the power supply voltage V CC is higher than the set threshold voltage V S , the outputs φ 1 and 1 are H and L, respectively, and when the power source voltage V CC is low, the outputs φ 1 and 1 are L and H, respectively.

例えば、インバータ29の入力しきい電圧をVCC/2,VTA
=VTB=VTC=0.9Vとすると、VCC−(VTA+VTB+VTC)=
VCC2を満足するVCCがVSとなり、これよりVS=5.4Vが得
られ、VCC>5.4Vのときφ1,はそれぞれH,Lとなり、
VCC<5.4Vのときφ1,はそれぞれL,Hとなる。
For example, if the input threshold voltage of the inverter 29 is V CC / 2, V TA
= V TB = V TC = 0.9 V, V CC − (V TA + V TB + V TC ) =
V CC is V S becomes which satisfies V CC 2, which than V S = 5.4V is obtained, phi 1 when V CC> 5.4V, 1 is respectively H, L, and the
When V CC <5.4V, φ 1 and 1 are L and H, respectively.

そして、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSより高い場
合、検出手段23の出力φ1,がそれぞれH,Lとなり、
トランスミッションゲート24a,24bがそれぞれオフ,オ
ンし、オン状態のトランスミッションゲート24bを介し
て、第2チャージポンプ回路26にドライバ2の出力であ
る駆動信号φが入力され、第2チャージポンプ回路26
が動作する。
When the power supply voltage V CC is higher than the set threshold voltage V S , the outputs φ 1 and 1 of the detection means 23 are H and L, respectively,
The transmission gates 24a and 24b are turned off and on, respectively, and the drive signal φ 0 that is the output of the driver 2 is input to the second charge pump circuit 26 via the transmission gate 24b in the on state, and the second charge pump circuit 26
Works.

一方、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSより低い場
合、検出手段23の出力φ1,がそれぞれL,Hとなり、
トランスミッションゲート24a,24bがそれぞれオン,オ
フし、オン状態のトランスミッションゲート24aを介し
て、第1チャージポンプ回路25にドライバ2の出力であ
る駆動信号φが入力され、第1チャージポンプ回路25
が動作する。
On the other hand, when the power supply voltage V CC is lower than the set threshold voltage V S , the outputs φ 1 and 1 of the detecting means 23 become L and H, respectively,
The transmission gates 24a and 24b are respectively turned on and off, and the drive signal φ 0 which is the output of the driver 2 is input to the first charge pump circuit 25 via the transmission gate 24a in the on state, and the first charge pump circuit 25
Works.

従って、VCC>VSのときには、PチャネルMOSFETQ1b,Q
2bからなる第2チャージポンプ回路26が動作するため、
NMOS構成の基板電圧発生回路のように、基板への電子注
入が生じることはなく、例えばダイナミックRAMにおい
て、メモリセル部の蓄積情報が電子注入によって破壊さ
れることがなく、誤動作の発生を防止することができ
る。
Therefore, when V CC > V S , P-channel MOSFETs Q 1b , Q
Since the second charge pump circuit 26 composed of 2b operates,
There is no electron injection into the substrate like in the substrate voltage generation circuit of the NMOS configuration, and in a dynamic RAM, for example, the stored information in the memory cell section is not destroyed by the electron injection, and a malfunction is prevented. be able to.

一方、VCC<VSのときには、NチャネルMOSFETQ1a,Q2a
からなる第1チャージポンプ回路25が動作するため、十
分な基板電圧VBBを供給することができ、電源電圧VCC
かなり低くても、PMOS構成の基板電圧発生回路のよう
に、入力信号のアンダーシュートにより基板への注入電
子が引き起こすダイナミックRAMにおけるメモリセル部
の蓄積情報の破壊や、ラッチアップに対する耐量の劣
化、或いは拡散層と基板との接合容量の増大による回路
動作速度の劣化を抑えることができる。
On the other hand, when V CC <V S , N-channel MOSFETs Q 1a , Q 2a
Since the first charge pump circuit 25 consisting of is operated, a sufficient substrate voltage V BB can be supplied, and even if the power supply voltage V CC is considerably low, the input signal To suppress the destruction of information stored in the memory cell section of the dynamic RAM caused by electrons injected into the substrate due to undershoot, deterioration of withstand capacity against latch-up, or deterioration of circuit operating speed due to increase in junction capacitance between the diffusion layer and the substrate. You can

第3図は他の実施例における検出手段23′の結線図で
あり、キャパシタC1,C2及びNチャネルMOSFETQ8,Q9から
なるチャージポンプ回路31の動作を利用したタイマ回路
を設けている。
Figure 3 is a wiring diagram of the detection means 23 'in another embodiment, is provided with a timer circuit utilizing the operation of the charge pump circuit 31 consisting of capacitor C 1, C 2 and N-channel MOSFET Q 8, Q 9 .

いま、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSよりも高い場
合、FETQ5〜Q7がオンしてノードN1はHとなり、インバ
ータ29,ナンドゲート32を介して出力φはHとなり、
インバータ33を介して出力はLとなり、Pチャネル
MOSFETQ10はインバータ29のL出力によってオンし、N
チャネルMOSFETQ11はオフしているので、、FETQ10のオ
ンによりキャパシタC2が充電されてノードN2はHとな
り、インバータ34の入力がHとなってその出力はLとな
る。
When the power supply voltage V CC is higher than the set threshold voltage V S , the FETs Q 5 to Q 7 are turned on, the node N 1 becomes H, and the output φ 1 becomes H via the inverter 29 and the NAND gate 32.
Output 1 becomes L through the inverter 33, and P channel
MOSFET Q 10 is turned on by the L output of inverter 29, and N
Since the channel MOSFET Q 11 is off, the capacitor C 2 is charged by turning on the FET Q 10 , the node N 2 becomes H, the input of the inverter 34 becomes H, and its output becomes L.

つぎに、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSよりも低い
値に変動すると、FETQ5〜Q7がオフしてノードN1はLに
なり、インバータ29の出力はHになるが、インバータ34
の出力がLのままであるため、依然として出力φはH,
はLのままである。
Next, when the power supply voltage V CC fluctuates to a value lower than the set threshold voltage V S , the FETs Q 5 to Q 7 are turned off and the node N 1 becomes L and the output of the inverter 29 becomes H, but the inverter 34
Since the output of L remains L, the output φ 1 is still H,
1 remains L.

このとき、前述したようにインバータ29の出力はHで
あるため、アンドゲート35の一方の入力はインバータ29
のH出力によりHとなり、アンドゲート35の出力レベル
は他方の入力への駆動信号φによって定まる。
At this time, since the output of the inverter 29 is H as described above, one input of the AND gate 35 is the inverter 29.
Goes high, and the output level of the AND gate 35 is determined by the drive signal φ 0 to the other input.

そして、駆動信号φが電圧0からVPになると、ノー
ドN3の電圧はキャパシタC1による容量結合のために0か
らVPに上昇するが、FETQ8がオン状態になり、FETQ8のし
きい電圧をVTH8とすると、ノードN3の電圧はFETQ8のオ
ンによってVTH8に低下する。
Then, the driving signal phi 0 is to consist of voltage 0 V P, the voltage of the node N 3 rises from zero to the capacitive coupling of the capacitor C 1 to V P, FETs Q 8 is turned on, the FETs Q 8 If the threshold voltage is V TH8 , the voltage of the node N 3 is lowered to V TH8 by turning on the FET Q 8 .

つぎに、駆動信号φが電圧VPから0に下がると、キ
ャパシタC1による容量結合のためにノードN3の電圧は前
述のVTH8から(VTH8−VP)にさらに低下し、このときFE
TQ8はオフ状態になるが、FETQ9がオン状態になるため、
FETQ9のゲートを介してキャパシタC2が放電し、ノードN
2の電圧は低下し、その後すぐに駆動信号φが電圧0
からVPに上昇することによって再び同じ動作が繰り返さ
れる。
Next, when the drive signal φ 0 drops from the voltage V P to 0, the voltage of the node N 3 further decreases from V TH8 to (V TH8 −V P ) due to the capacitive coupling by the capacitor C 1. When FE
TQ 8 turns off, but FETQ 9 turns on,
Capacitor C 2 is discharged through the gate of FETQ 9 and node N
The voltage of 2 drops, and immediately after that, the drive signal φ 0 becomes 0
The same operation is repeated again by increasing from V P to V P.

そして、以上のような動作の繰返しによってノードN2
の電圧はHからLへと徐々に変化することにより、この
変化を受けてインバータ34の出力がLからHに変わり、
ナンドゲート32の出力であるφがHからLに変わり、
がLからHに変わる。
Then, by repeating the above operation, the node N 2
The voltage of is gradually changed from H to L, and in response to this change, the output of the inverter 34 is changed from L to H,
Φ 1 which is the output of the NAND gate 32 changes from H to L,
1 changes from L to H.

さらに、電源電圧が設定しきい電圧VSよりも高い値に
変動すると、FETQ5〜Q7がオンしてインバータ29の出力
はLとなり、ナンドゲート32を介して出力φ1,はそ
れぞれすぐにH,Lに変化する。
Further, when the power supply voltage fluctuates to a value higher than the set threshold voltage V S , the FETs Q 5 to Q 7 are turned on, the output of the inverter 29 becomes L, and the outputs φ 1 and 1 are immediately output via the NAND gate 32. Change to H and L.

すなわち、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSより低い
状態から高い状態に変化したときには、出力φ1,
電源電圧VCCの変化に応じてすぐに変化するが、電源電
圧VCCが設定しきい電圧VSより高い状態から低い状態に
変化したきには、チャージポンプ回路31の動作によって
ノードN2の電圧がHからLにすぐに変化せずに若干の時
間を要し、この時間だけ出力φ1,の変化が遅れるこ
とになる。
That is, when the power supply voltage V CC is changed to a high state from lower than the set threshold voltage V S state, the output phi 1, 1 is changed immediately in response to changes in the power supply voltage V CC, the power supply voltage V CC When the state changes from a state higher than the set threshold voltage V S to a state lower than the set threshold voltage V S, the voltage of the node N 2 does not change from H to L immediately due to the operation of the charge pump circuit 31, and it takes some time. The change of the output φ 1 , 1 is delayed by the time.

従って、第3図に示す構成の検出手段23′を用いるこ
とにより、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSの前後で短
時間に頻繁に変動しても、チャージポンプ回路25,26の
動作の切り換えが短時間にばたつくことを防止でき、基
板電圧発生回路の動作の安定化を図ることができる。
Therefore, by using the detecting means 23 'having the configuration shown in FIG. 3, the operation of the charge pump circuits 25 and 26 can be performed even if the power supply voltage V CC fluctuates frequently in a short time before and after the set threshold voltage V S. Can be prevented from fluttering in a short time, and the operation of the substrate voltage generating circuit can be stabilized.

第4図はこの発明のさらに他の実施例の結線図であ
り、第1図と相違するのは、トランスミッションゲート
24a,24bに代わり、制御手段36を構成するアンドゲート3
6a,36bを設け、両チャージポンプ回路25,26の動作を両
アンドゲート36a,36bにより切り換えるようにしたこと
である。
FIG. 4 is a connection diagram of still another embodiment of the present invention. What is different from FIG.
Instead of 24a and 24b, an AND gate 3 that constitutes the control means 36
6a and 36b are provided, and the operations of both charge pump circuits 25 and 26 are switched by both AND gates 36a and 36b.

ところで、両アンドゲート36a,36bの一方の入力には
ドライバ2の出力が入力され、アンドゲート36aの他方
の入力には検出手段23の出力が入力され、アンドゲ
ート36bの他方の入力には検出手段23の出力φが入力
されている。
By the way, the output of the driver 2 is input to one input of both AND gates 36a and 36b, the output 1 of the detecting means 23 is input to the other input of the AND gate 36a, and the other input of the AND gate 36b. The output φ 1 of the detection means 23 is input.

このように、アンドゲート36a,36bの動作により、第
1図の場合と同様に、電源電圧VCCの低,高に応じて両
チャージポンプ25,26を動作させることができる。
As described above, by operating the AND gates 36a and 36b, both charge pumps 25 and 26 can be operated in accordance with the low and high levels of the power supply voltage V CC , as in the case of FIG.

つぎに、第5図はリングオシレータ及びドライバをそ
れぞれ2個設けた場合の実施例であり、リングオシレー
タ1a,1bの最終段のインバータの後段にナンドゲートGa,
Gbがそれぞれ挿入され、両リングオシレータ1a,1のナン
ドゲートGa,Gbをそれぞれ検出手段23の出力1
よって駆動するようにし、リングオシレータ1a,1bの出
力パルスをドライバ2a,2bに供給し、ドライバ2a,2bから
の駆動信号により両チャージポンプ回路25,26をそれぞ
れ駆動するようになっている。
Next, FIG. 5 shows an embodiment in which two ring oscillators and two drivers are provided, and a NAND gate G a , is provided at the stage subsequent to the last inverter of the ring oscillators 1a, 1b.
G b is inserted into each of the ring oscillators 1a, 1 so that the NAND gates G a and G b of the ring oscillators 1a and 1 are driven by the outputs 1 and φ 1 of the detection means 23, and the output pulses of the ring oscillators 1a and 1b are driven by the drivers 2a and 2b. The charge pump circuits 25 and 26 are respectively driven by drive signals from the drivers 2a and 2b.

このとき、ナンドゲートGa,Gbが両チャージポンプ25,
26を駆動する制御手段に相当する。
At this time, the NAND gates G a and G b are connected to both charge pumps 25,
It corresponds to the control means for driving 26.

そして、電源電圧VCCが設定しきい電圧VSより高い場
合には、検出回路23の出力φ1,はそれぞれH,Lとな
り、リングオシレータ1bのみが動作して第2チャージポ
ンプ回路26が動作し、電源電圧VCCが設定しきい値VS
り低い場合には、検出回路23の出力φ1,はそれぞれ
L,Hとなり、リングオシレータ1aのみが動作して第1チ
ャージポンプ回路25が動作し、第1図の場合と同等の効
果を得ることができる。
When the power supply voltage V CC is higher than the set threshold voltage V S , the outputs φ 1 and 1 of the detection circuit 23 become H and L, respectively, and only the ring oscillator 1b operates and the second charge pump circuit 26 operates. When it operates and the power supply voltage V CC is lower than the set threshold value V S , the outputs φ 1 and 1 of the detection circuit 23 are respectively
It becomes L and H, and only the ring oscillator 1a operates and the first charge pump circuit 25 operates, and the same effect as in the case of FIG. 1 can be obtained.

なお、第4図,第5図における検出手段23を、第3図
に示す構成の検出手段23′としてもよいのは勿論であ
る。
Of course, the detecting means 23 in FIGS. 4 and 5 may be the detecting means 23 'having the configuration shown in FIG.

また、上記実施例では、P型基板の場合について説明
したが、基板がN型であっても同様にこの発明を実施す
ることができ、このとき基板電圧発生回路は正電圧を発
生する構成となる。
Further, in the above embodiment, the case of the P-type substrate has been described, but the present invention can be similarly implemented even if the substrate is the N-type substrate. At this time, the substrate voltage generating circuit generates a positive voltage. Become.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように、この発明によれば、電源電圧が設定し
きい電圧より高いとき及び低いときに、制御手段により
第2,第1チャージポンプ回路を駆動するようにしたた
め、電源電圧が設定しきい電圧より高い場合に従来のよ
うな基板への電子注入による誤動作の発生を防止するこ
とができ、低い場合に、十分な基板電圧を供給すること
ができ、安定した動作を得ることができ、ダイナミック
RAM等の半導体装置における基板電圧発生回路として極
めて有効である。
As described above, according to the present invention, when the power supply voltage is higher or lower than the set threshold voltage, the control means drives the second and first charge pump circuits. When the voltage is higher than the voltage, it is possible to prevent the occurrence of malfunction due to electron injection into the substrate as in the conventional case, and when it is low, it is possible to supply a sufficient substrate voltage and obtain stable operation.
It is extremely effective as a substrate voltage generation circuit in a semiconductor device such as a RAM.

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

第1図はこの発明の基板電圧発生回路の一実施例の結線
図、第2図は第1図の一部の結線図、第3図は他の実施
例の一部の結線図、第4図及び第5図はそれぞれ異なる
他の実施例の結線図、第6図は従来の基板電圧発生回路
の結線図、第7図は第6図の一部の結線図、第8図は第
6図の断面図、第9図は第6図の動作説明用の各信号の
波形図、第10図は従来の他の基板電圧発生回路の結線
図、第11図は第10図の断面図である。 図において、1,1a,1bはリングオシレータ、2,2a,2bはド
ライバ、5は正電源、23,23′は検出手段、24,36は制御
手段、25,26は第1,第2チャージポンプ回路、27は基板
電圧出力端子、C0a,C0bはキャパシタ、Q1a,Q2aはNチャ
ネルMOSFET、Q1b,Q2bはPチャネルMOSFET、Ga,Gbはナン
ドゲートである。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。
1 is a connection diagram of an embodiment of the substrate voltage generating circuit of the present invention, FIG. 2 is a connection diagram of a portion of FIG. 1, FIG. 3 is a connection diagram of a portion of another embodiment, and FIG. FIG. 5 and FIG. 5 are wiring diagrams of other different embodiments, FIG. 6 is a wiring diagram of a conventional substrate voltage generating circuit, FIG. 7 is a partial wiring diagram of FIG. 6, and FIG. FIG. 9 is a sectional view of each signal for explaining the operation of FIG. 6, FIG. 10 is a wiring diagram of another conventional substrate voltage generating circuit, and FIG. 11 is a sectional view of FIG. is there. In the figure, 1,1a and 1b are ring oscillators, 2,2a and 2b are drivers, 5 is a positive power source, 23 and 23 'are detection means, 24 and 36 are control means, and 25 and 26 are first and second charge. A pump circuit, 27 is a substrate voltage output terminal, C 0a and C 0b are capacitors, Q 1a and Q 2a are N-channel MOSFETs, Q 1b and Q 2b are P-channel MOSFETs, and G a and G b are NAND gates. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体装置を構成する基板への印加電圧を
発生する基板電圧発生回路において、 周期パルスを発生する発振器と、 前記周期パルスを入力として駆動信号を出力するドライ
バと、 前記駆動信号を入力とし第1キャパシタ及びNチャネル
MOSトランジスタからなる第1チャージポンプ回路と、 前記駆動信号を入力とし第2キャパシタ及びPチャネル
MOSトランジスタからなる第2チャージポンプ回路と、 前記両チャージポンプ回路の出力端子に接続された基板
電圧出力端子と、 前記発振器及びドライバの電源電圧が設定しきい電圧よ
り高いか低いかを検出する検出手段と、 前記検出手段の出力により動作し前記電源電圧が前記設
定しきい電圧より高いとき及び低いときにそれぞれ前記
第2,第1チャージポンプ回路を駆動する制御手段と を備えたことを特徴とする基板電圧発生回路。
1. A substrate voltage generating circuit for generating a voltage applied to a substrate constituting a semiconductor device, an oscillator for generating a periodic pulse, a driver for outputting a drive signal with the periodic pulse as an input, and a drive signal for the drive signal. First capacitor and N channel as input
A first charge pump circuit including a MOS transistor, a second capacitor and a P channel which receives the drive signal as an input
A second charge pump circuit composed of a MOS transistor, a substrate voltage output terminal connected to the output terminals of both charge pump circuits, and a detection for detecting whether the power supply voltage of the oscillator and driver is higher or lower than a set threshold voltage. And a control unit that operates according to the output of the detection unit and that drives the second and first charge pump circuits when the power supply voltage is higher and lower than the set threshold voltage, respectively. Substrate voltage generator circuit.
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