JP3519506B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3519506B2
JP3519506B2 JP17625995A JP17625995A JP3519506B2 JP 3519506 B2 JP3519506 B2 JP 3519506B2 JP 17625995 A JP17625995 A JP 17625995A JP 17625995 A JP17625995 A JP 17625995A JP 3519506 B2 JP3519506 B2 JP 3519506B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のMIS(me
tal-insulator-semiconductor)トランジスタによりリン
グ型発振器を構成してなる半導体装置に関し、特に、半
導体装置の動作の高速化対策に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a plurality of MIS (me
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device in which a ring oscillator is composed of tal-insulator-semiconductor (transistor-semiconductor) transistors, and more particularly to measures for increasing the operation speed of the semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】MISトランジスタは、基板部,ゲー
ト,ソース及びドレインを有する4端子デバイスであ
る。このMISトランジスタにおいて、チャネルが形成
されるために必要なゲート端子への印加電圧として定義
されるしきい値電圧Vtは、基板部への印加電圧つまり
基板バイアスVsubに応じて変化する。図8は一般的
なゲート−基板間電圧Vgsに対するドレイン電流Id
の変化特性が基板バイアスVsub によって変化すること
を示している。また、図9は、一般的な基板バイアスV
subに対するしきい値電圧Vt の変化特性を示してい
る。図8において、横軸はゲート−基板間電圧Vgs
を、縦軸はドレイン電流Idを示し、図中の白丸で示さ
れる点におけるゲート−基板間電圧Vgsがしきい値電
圧Vtに相当する。図8及び図9に示されるように、一
般に、基板バイアスVsubが深くなる、すなわち、基
板バイアスVsub が負の側に増大するにつれて、しきい
値電圧Vtが増大するという特性がある。なお、サブミ
クロンサイズのMISトランジスタでは、通常電源電圧
は3.3Vあるいは5Vであり、しきい値電圧Vtは
0.5V程度に設定されている。また、基板バイアスV
subは、例えば−2Vや0Vに固定されている。
2. Description of the Related Art A MIS transistor is a four-terminal device having a substrate portion, a gate, a source and a drain. In this MIS transistor, a threshold voltage Vt defined as a voltage applied to a gate terminal required to form a channel changes according to a voltage applied to a substrate portion, that is, a substrate bias Vsub. FIG. 8 shows a drain current Id with respect to a general gate-substrate voltage Vgs.
It is shown that the change characteristic of V changes with the substrate bias Vsub. Further, FIG. 9 shows a general substrate bias V
The change characteristic of the threshold voltage Vt with respect to sub is shown. In FIG. 8, the horizontal axis represents the gate-substrate voltage Vgs.
The vertical axis represents the drain current Id, and the gate-substrate voltage Vgs at the point indicated by the white circle in the figure corresponds to the threshold voltage Vt. As shown in FIGS. 8 and 9, generally, the threshold voltage Vt increases as the substrate bias Vsub becomes deeper, that is, the substrate bias Vsub increases toward the negative side. In the submicron MIS transistor, the power supply voltage is usually 3.3V or 5V, and the threshold voltage Vt is set to about 0.5V. Also, the substrate bias V
Sub is fixed to, for example, -2V or 0V.

【0003】ところで、MISトランジスタを使用した
パルス発振器としては、例えば図10に示されるような
複数段のインバータを基本構成としたリング型発振器が
用いられる。図10において、50は電源電圧印加端
子、51は出力端子、52〜56はインバータである。
ここで、奇数段のインバータ52〜54(ここでは3段
のみを示しているが、その段数はこれに限定されな
い。)は帰還ループを形成している。また、図11は図
10のリング型発振器の回路構成の一例を示した図で、
図において、図10と同一符号は同一または相当する部
分を示し、52a,53a,54a,55aはPチャネ
ルトランジスタ、52b,53b,54b,55bはN
チャネルトランジスタである。すなわち、図10のリン
グ型発振器はPチャネルトランジスタとNチャネルトラ
ンジスタの並列接続体からなるインバータ52〜54を
直列接続することにより構成されている、
By the way, as the pulse oscillator using the MIS transistor, for example, a ring oscillator having a basic structure of a plurality of stages of inverters as shown in FIG. 10 is used. In FIG. 10, 50 is a power supply voltage application terminal, 51 is an output terminal, and 52 to 56 are inverters.
Here, the odd-numbered stages of inverters 52 to 54 (only three stages are shown here, but the number of stages is not limited to this) form a feedback loop. FIG. 11 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the ring oscillator of FIG.
In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 10 denote the same or corresponding parts, 52a, 53a, 54a, 55a are P-channel transistors, and 52b, 53b, 54b, 55b are N-type.
It is a channel transistor. That is, the ring oscillator of FIG. 10 is configured by connecting in series the inverters 52 to 54 each including a parallel connection body of a P-channel transistor and an N-channel transistor.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】通常、リング形発振器
の場合、電源が供給されてから、発振周波数が安定する
まで、理想的な状態でも10サイクル程度の待ち時間が
必要である。特に、リング形発振器を例えばPLL(pha
se locked loop )クロック発生器のような信号処理回路
システム内に組み込む際は、さらに前記待ち時間の10
倍程度のマージンが必要になる。近年、半導体装置にお
ける動作の高速化への要望はめざましく、前記のMIS
トランジスタを使用したリング形発振器における,電源
が供給されてから発振周波数が安定するまでの待ち時間
の短縮が要望されている。
Generally, in the case of a ring type oscillator, a waiting time of about 10 cycles is required from the power is supplied until the oscillation frequency stabilizes even in an ideal state. In particular, a ring-type oscillator, for example PLL (pha
se locked loop) When incorporating in a signal processing circuit system such as a clock generator, the waiting time of 10
Double the margin is required. In recent years, the demand for high-speed operation in semiconductor devices has been remarkably high.
In a ring-type oscillator that uses transistors, there is a demand for shortening the waiting time from when power is supplied until the oscillation frequency stabilizes.

【0005】本発明は上記のような課題に鑑みてなされ
たものであり、MISトランジスタによりリング型発振
器を構成してなる半導体装置において、その発振周波数
を素早く安定するリング形発振器を備えた半導体装置を
提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above problems, and in a semiconductor device in which a ring oscillator is constituted by MIS transistors, a semiconductor device provided with a ring oscillator for quickly stabilizing the oscillation frequency thereof. It is intended to provide.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体装
置は、複数のMISトランジスタによりリング型発振器
を構成してなる半導体装置において、前記複数のMIS
トランジスタを、その基板部へ抵抗体を介してバイアス
が印加されて、作動時と非作動時とでその基板バイアス
が自己調整的に変化する基板バイアス自己調整型MIS
トランジスタにしたことを特徴とするものであり、これ
により、前記基板バイアス自己調整型MISトランジス
タの作動時は、基板電流によって前記抵抗体の両端に電
位差が生じて、前記基板バイアスが浅くなり、非作動時
には、基板電流が流れず、前記基板バイアスが外部から
のバイアス電位そのものになる。したがって、通常,基
板バイアスが切り替わるのに必要な時定数RCがリング
型発振器の発振周期より短いことから、発振周期の1周
期内で基板バイアスが変化することとなり、リング型発
振器が動作すると、基板バイアス自己調整型MISトラ
ンジスタの基板バイアスが発振周期内で浅くなり、それ
が固定されて、リング型発振器を構成するMISトラン
ジスタはその駆動能力が向上した状態に維持される。こ
の結果、リング型発振器の電源が供給されてから発振周
波数が安定するまでの時間が大幅に短縮される。
A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which a ring oscillator is constituted by a plurality of MIS transistors.
A substrate bias self-adjusting MIS in which a bias is applied to a substrate portion of a transistor through a resistor and the substrate bias changes in a self-adjusting state during operation and during non-operation.
As a result, when the substrate bias self-adjusting MIS transistor is operated, a potential difference is generated across the resistor due to the substrate current, the substrate bias becomes shallow, and During operation, the substrate current does not flow, and the substrate bias becomes the bias potential itself from the outside. Therefore, since the time constant RC required for switching the substrate bias is usually shorter than the oscillation period of the ring oscillator, the substrate bias changes within one period of the oscillation period. When the ring oscillator operates, the substrate bias changes. The substrate bias of the bias self-adjusting MIS transistor becomes shallow within the oscillation period and is fixed, and the MIS transistor that constitutes the ring oscillator is maintained in a state in which its driving capability is improved. As a result, the time from the supply of power to the ring oscillator to the stabilization of the oscillation frequency is greatly shortened.

【0007】更に、本発明にかかる半導体装置は、PL
Lクロック発生器の電圧制御発振器に、前記の複数の基
板バイアス自己調整型MISトランジスタにより構成さ
れたリング型発振器を組み込んでなることを特徴とする
ものであり、これにより、前記リング型発振器の発振周
波数がすばやく安定することから、PLLクロック発生
器の動作を高速化することができる。
Further, the semiconductor device according to the present invention has a PL
It is characterized in that the voltage controlled oscillator of the L clock generator incorporates the ring oscillator constituted by the plurality of substrate bias self-adjusting MIS transistors, whereby the oscillation of the ring oscillator is achieved. Since the frequency stabilizes quickly, the operation of the PLL clock generator can be speeded up.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】前記構成において、前記リング型
発振器を構成する複数の基板バイアス自己調整型MIS
トランジスタを、それぞれが同一の抵抗体を介して,そ
れぞれの前記基板部に前記バイアスが印加されるものに
すれば、各トランジスタ毎に個別に抵抗体を設ける必要
がないので、その製造工程を簡単なものにすることがで
きる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the above structure, a plurality of substrate bias self-adjusting MISs constituting the ring type oscillator.
If the transistors are configured such that the bias is applied to the respective substrate portions through the same resistor, it is not necessary to provide a resistor for each transistor, so the manufacturing process is simplified. It can be anything.

【0009】前記構成において、前記リング型発振器を
構成する複数の基板バイアス自己調整型MISトランジ
スタを、それぞれが専用の抵抗体を介して,それぞれの
前記基板部に前記バイアスが印加されるものにすれば、
前記複数の基板バイアス自己調整型MISトランジスタ
を、それぞれ、その専用の抵抗体の抵抗値の調整によ
り、最大トランスコンダクタンスGmmaxを大幅に向
上させることのできる基板バイアスで動作するものにす
ることができる。
In the above structure, the plurality of substrate bias self-adjusting MIS transistors forming the ring oscillator may be such that the bias is applied to each of the substrate portions via a dedicated resistor. If
Each of the plurality of substrate bias self-adjusting MIS transistors can be operated with a substrate bias capable of significantly improving the maximum transconductance Gmmax by adjusting the resistance value of its dedicated resistor.

【0010】[0010]

【実施例】実施例1 .図1は本発明の実施例1によるPLLクロッ
ク発生器の構成を示すブロック図であり、図において、
10は所定導電型の半導体基板で、この半導体基板10
に位相比較器1,低域フィルタ2,及び電圧制御発振器
3が形成されている。ここで、電圧制御発振器3は、前
記図10,11に示したリング型発振器を用いて構成さ
れたもので、基板10の所定領域に形成された当該基板
10の導電型とは異なる導電型のウエル11内に形成さ
れている。電圧制御発振器3は、このウエル11によ
り、位相比較器1及び低域フィルタ2が形成されている
基板領域と電気的に分離されている。20は基板バイア
ス発生回路で、これは前記位相比較器1及び低域フィル
タ2(これらが形成されている基板領域)には直接接続
され、電圧制御発振器3(が形成されている基板領域)
には電気抵抗の高い物質からなる抵抗体4を介して接続
されている。したがって、電圧制御発振器(リング型発
振器)3を構成するMISトランジスは、基板バイアス
自己調整型トランジスタとなり、その他の回路を構成す
るMISトランジスタ(位相比較器1及び低域フィルタ
2を構成するMISトランジスタ)は基板バイアス固定
型トランジスタとなっている。
EXAMPLES Example 1 1 is a block diagram showing a configuration of a PLL clock generator according to a first embodiment of the present invention.
Reference numeral 10 is a semiconductor substrate of a predetermined conductivity type.
A phase comparator 1, a low pass filter 2, and a voltage controlled oscillator 3 are formed in the. Here, the voltage controlled oscillator 3 is configured by using the ring oscillator shown in FIGS. 10 and 11, and has a conductivity type different from that of the substrate 10 formed in a predetermined region of the substrate 10. It is formed in the well 11. The well 11 electrically isolates the voltage-controlled oscillator 3 from the substrate region in which the phase comparator 1 and the low-pass filter 2 are formed. Reference numeral 20 denotes a substrate bias generation circuit, which is directly connected to the phase comparator 1 and the low-pass filter 2 (the substrate region in which they are formed), and the voltage controlled oscillator 3 (the substrate region in which it is formed).
Is connected via a resistor 4 made of a substance having a high electric resistance. Therefore, the MIS transistor forming the voltage controlled oscillator (ring type oscillator) 3 becomes a substrate bias self-adjusting transistor, and the MIS transistors forming the other circuits (MIS transistors forming the phase comparator 1 and the low-pass filter 2). Is a fixed substrate bias type transistor.

【0011】図2は基板バイアス自己調整型のMISト
ランジスタの構造および動作を説明するための断面図で
あり、図において、図1と同一符号が同一または相当す
る部分を示し、半導体基板21のLOCOS(local oxi
dation silicon )膜26によって他の領域から分離され
た基板領域がPウエル21aとされ、このPウエル21
a内にソース24,ドレイン25が形成されている。基
板表面にはゲート酸化膜23が形成され、このゲート酸
化膜23上にゲート22が形成されている。半導体基板
21には前記の電気抵抗の高い物質からなる抵抗体4を
介してバイアス電圧印加用端子27が接続され、バイア
ス発生回路20からはVbbが出力される。図に示すよ
うに、ドレイン25からソース24に電流が流れると
き、ソース24からドレイン25に向かって電子が流れ
る。この際、ドレイン25近傍の高電界のチャネル領域
(通常、ソース24とドレイン25の中間の電位にあ
る)により、電子が急加速され、半導体基板21の格子
と衝突してホットエレクトロン−ホットホール対が発生
する。このようにして発生したホットエレクトロンはゲ
ート22に引き寄せられるが、ホットホールは低電位に
ある半導体基板21(Pウエル21a)に流れ、基板電
流Isubとなる。そして、この基板電流Isubによ
り抵抗体4の両端に電位差が生じ、この電位差により基
板バイアスVsubが自己調整される。
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the structure and operation of the substrate bias self-adjusting MIS transistor. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 designate the same or corresponding portions, and the LOCOS of the semiconductor substrate 21 is shown. (local oxi
The substrate region separated from other regions by the dation silicon) film 26 is defined as a P well 21a.
A source 24 and a drain 25 are formed in a. A gate oxide film 23 is formed on the surface of the substrate, and the gate 22 is formed on the gate oxide film 23. A bias voltage applying terminal 27 is connected to the semiconductor substrate 21 via the resistor 4 made of the substance having a high electric resistance, and the bias generating circuit 20 outputs Vbb. As shown in the figure, when a current flows from the drain 25 to the source 24, electrons flow from the source 24 to the drain 25. At this time, electrons are rapidly accelerated by a high electric field channel region near the drain 25 (usually at a potential midway between the source 24 and the drain 25) and collide with the lattice of the semiconductor substrate 21 to form a hot electron-hot hole pair. Occurs. The hot electrons generated in this way are attracted to the gate 22, but the hot holes flow into the semiconductor substrate 21 (P well 21a) at a low potential and become the substrate current Isub. Then, the substrate current Isub causes a potential difference across the resistor 4, and the substrate bias Vsub is self-adjusted by the potential difference.

【0012】図3(a)は基板バイアス自己調整型MI
Sトランジスタにおける作動状態と非作動(スタンバ
イ)状態間での基板バイアスVsubの設定状態を示し
た図であり、図3(b)は基板バイアス自己調整型MI
Sトランジスタにおける作動状態と非作動(スタンバ
イ)状態間での基板電流Isubの変化特性を示した図
であり、図3(c)は基板バイアス自己調整型MISト
ランジスタにおける作動状態と非作動(スタンバイ)状
態間での基板バイアスVsubの変化特性を示した図で
ある。これらの図において、図2と同一符号は同一また
は相当する部分を示している。この図3(a)〜図3
(c)に示すように、基板バイアス自己調整型MISト
ランジスタの作動時は、基板電流Isubによって抵抗
体27の両端に電位差が生じ、基板バイアスVsubが
浅くなる。一方、非作動時(スタンバイ時)には、基板
電流Isubが流れないため、基板バイアスVsub
は、基板バイアス発生回路の出力Vbbと等しくなる。
つまり基板バイアス自己調整型MISトランジスタにお
いては、作動時と非作動時で基板バイアスVsubが変
化する。したがって、この基板バイアス自己調整型MI
Sトランジスタを用いて構成された電圧制御発振器3の
リング型発振器では、基板バイアスVsubが切り替わ
るのに必要な時定数RCが、リング型発振器の発振周期
(例えば非常に短い場合でも10ns)より短いので、発振
周期の1周期内で基板バイアスVsubが変化すること
になる。
FIG. 3A shows a substrate bias self-adjusting MI.
FIG. 3B is a diagram showing a setting state of the substrate bias Vsub between the operating state and the non-operating (standby) state in the S transistor, and FIG. 3B is a substrate bias self-adjusting MI.
FIG. 3C is a diagram showing a change characteristic of the substrate current Isub between the operating state and the non-operating (standby) state in the S transistor, and FIG. 3C is the operating state and the non-operating (standby) state in the substrate bias self-adjusting MIS transistor. It is a figure showing the change characteristic of substrate bias Vsub between states. In these figures, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or corresponding portions. This FIG. 3 (a) -FIG.
As shown in (c), when the substrate bias self-adjusting MIS transistor is in operation, the substrate current Isub causes a potential difference across the resistor 27, and the substrate bias Vsub becomes shallow. On the other hand, since the substrate current Isub does not flow during non-operation (standby), the substrate bias Vsub
Becomes equal to the output Vbb of the substrate bias generation circuit.
That is, in the substrate bias self-adjusting MIS transistor, the substrate bias Vsub changes between the operating state and the non-operating state. Therefore, this substrate bias self-adjusting MI
In the ring type oscillator of the voltage controlled oscillator 3 configured by using the S transistor, the time constant RC required for switching the substrate bias Vsub is shorter than the oscillation period of the ring type oscillator (for example, 10 ns even if it is very short). , The substrate bias Vsub changes within one cycle of the oscillation cycle.

【0013】図4は前記基板バイアス自己調整型MIS
トランジスタにおけるドレイン電流および基板電流のゲ
ート電圧依存性を示した図である。図中の実線で示され
る作動時"Active"には、基板バイアスVsubが0Vと
浅くなることでしきい値電圧が低くなり、駆動能力が向
上する。一方、図中の破線実線で示される非作動時"Sta
ndby" には、基板バイアスVsubが−2Vと深くなる
ことでしきい値電圧が高くなり、オフリーク電流が抑制
される。
FIG. 4 shows the substrate bias self-adjusting MIS.
It is a figure showing the gate voltage dependence of the drain current and substrate current in a transistor. At the time of operation "Active" indicated by the solid line in the figure, the substrate bias Vsub becomes as shallow as 0 V, so that the threshold voltage is lowered and the driving capability is improved. On the other hand, the non-operating "Sta indicated by the broken solid line in the figure
In ndby ", the substrate bias Vsub is deepened to -2 V to increase the threshold voltage and suppress the off leak current.

【0014】以上の説明により、本実施例によるPLL
クロック発生器では、電圧制御発振器3が動作している
場合、つまり、リング型発振器が動作している場合、あ
る瞬間において、リング型発振器を構成する少なくとも
1個のインバータは過渡状態にあるので、リング型発振
器を構成する基板バイアス自己調整型MISトランジス
タでは基板電流Isubが定常的に流れることがわか
る。このため、リング型発振器の動作時、リング型発振
器を構成する基板バイアス自己調整型MISトランジス
タは、その基板バイアスVsubがリング型発振器の発
振周期内で浅くなり、それが固定され、その駆動能力が
向上した状態に維持される。したがって、リング型発振
器に電源が供給されてから発振周波数が安定するまでの
時間が大幅に短縮される。
From the above description, the PLL according to the present embodiment
In the clock generator, when the voltage controlled oscillator 3 is operating, that is, when the ring oscillator is operating, at a certain moment, at least one inverter forming the ring oscillator is in a transient state. It can be seen that the substrate current Isub steadily flows in the substrate bias self-adjusting MIS transistor that constitutes the ring oscillator. Therefore, during operation of the ring oscillator, the substrate bias self-adjusting MIS transistor forming the ring oscillator has a substrate bias Vsub that becomes shallow within the oscillation period of the ring oscillator, and is fixed, and its driving capability is reduced. Maintained in improved condition. Therefore, the time from when power is supplied to the ring oscillator to when the oscillation frequency stabilizes is greatly shortened.

【0015】なお、本実施例装置では、電圧制御発振器
3の基板に共通の抵抗体4を設けているため電圧制御発
振器3の動作中は電圧制御発振器3内の全てのトランジ
スタの基板電位が浅くなる。したがって、電圧制御発振
器3内の非動作状態にあるトランジスタのオフリーク電
流が大きくなるため、電圧制御発振器3の消費電力はあ
る程度大きくなる。しかしながら、非動作状態にあるト
ランジスタのオフリーク電流は、作動状態のトランジス
タの動作電流に比べ少なくとも数桁程度の差があるもの
で,極めて小さく、前記電圧制御発振器3の動作時にお
ける消費電力の増大は殆ど無視できる。一方、電圧制御
発振器3が非動作状態にあるときは、基板電位が深く設
定されるため、通常のMISトランジスタを使用して構
成されたものに対し、スタンバイ電流は全く変わらな
い。
In the device of this embodiment, since the common resistor 4 is provided on the substrate of the voltage controlled oscillator 3, the substrate potentials of all the transistors in the voltage controlled oscillator 3 become shallow during the operation of the voltage controlled oscillator 3. Become. Therefore, the off-leakage current of the non-operating transistor in the voltage controlled oscillator 3 increases, and the power consumption of the voltage controlled oscillator 3 increases to some extent. However, the off-leakage current of the transistor in the non-operating state is at least several orders of magnitude different from the operating current of the transistor in the operating state, and is extremely small, and the power consumption during the operation of the voltage controlled oscillator 3 does not increase. It can be almost ignored. On the other hand, when the voltage controlled oscillator 3 is in the non-operating state, the substrate potential is set deep, so that the standby current does not change at all as compared with the one configured by using the normal MIS transistor.

【0016】実施例2.以下、本発明の実施例2による
PLLクロック発生器について、図5,6を参照しなが
ら説明する。
Embodiment 2 . Hereinafter, a PLL clock generator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0017】図5は、本実施例で採用した基板バイアス
自己調整型MISトランジスタの構成を示す断面図であ
り、図において、図2と同一符号は同一または相当する
部分を示し、21aは半導体基板21の抵抗層28によ
って島状に仕切られた基板部である。前記実施例1で
は、電圧制御発振器3と基板バイアス発生回路の間に1
つの抵抗体4を設け、電圧制御発振器3の回路ブロック
全体が基板バイアス発生回路により制御されるようにし
たが、本実施例装置では、図5に示すように、電圧制御
発振器内のトランジスタの内の基板バイアス発生回路に
より制御されるべきトランジスタが、それぞれ抵抗層2
8で囲まれた基板部21aをもって構成されており、そ
の抵抗層28の抵抗値によって各トランジスタ毎にその
基板バイアスVsubが調整されている。また、基板バ
イアスが変化する基板領域が抵抗体28で仕切られるこ
とにより狭く(小さく)なっているため、この領域の寄
生容量が小さくなり、時定数が小さくなっている。つま
り、基板電位が基板電流に追従しやすい構造となってい
る。
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the substrate bias self-adjusting MIS transistor adopted in this embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same or corresponding portions, and 21a indicates a semiconductor substrate. The substrate portion is divided into island shapes by the resistance layer 28 of 21. In the first embodiment, there is a 1
Although one resistor 4 is provided so that the entire circuit block of the voltage controlled oscillator 3 is controlled by the substrate bias generation circuit, in the device of this embodiment, as shown in FIG. Transistors to be controlled by the substrate bias generating circuit of
The substrate portion 21a is surrounded by 8, and the substrate bias Vsub of each transistor is adjusted by the resistance value of the resistance layer 28. Further, since the substrate region in which the substrate bias changes is divided by the resistor 28 to be narrowed (smaller), the parasitic capacitance in this region becomes smaller and the time constant becomes smaller. That is, the structure is such that the substrate potential easily follows the substrate current.

【0018】図6,7は基板バイアスVsubが基板電
流Isubに追従した場合の電流−電圧特性および飽和
電流特性における抵抗体の抵抗値Rext依存性を示し
た図である。図において、各特性曲線は、図中の矢印の
方向に向かって、順に抵抗体の抵抗値Rextが0,
0.5,1,1.5,2MΩのトランジスタの特性を示
し、そのうちの抵抗体Rextが0Ωの特性曲線は従来
の基板バイアス固定型MISトランジスタの特性を示
す。また、図6において、左側のドレイン電流Idを示
す縦方向のスケールは、Logスケールとリニアスケー
ルの両方より成り立っており、基板バイアス固定型MI
Sトランジスタと基板バイアス自己調整型MISトラン
ジスタのドレイン電流Ldの相違をより明確にするため
の表示である。これらの図から、抵抗体の抵抗値Rex
tの制御により、しきい値電圧以下の電流−電圧特性で
あるサブスレッショルド特性を全く変化させることな
く、最大トランスコンダクタンスGmmaxを大幅に向
上させることができるのがわかる。
FIGS. 6 and 7 are graphs showing the resistance value Rext dependence of the resistor in the current-voltage characteristic and the saturation current characteristic when the substrate bias Vsub follows the substrate current Isub. In the figure, each characteristic curve is such that the resistance value Rext of the resistor is 0, in the direction of the arrow in the figure.
The characteristics of the transistors of 0.5, 1, 1.5 and 2 MΩ are shown, and the characteristic curve of which the resistor Rext is 0Ω shows the characteristics of the conventional substrate bias fixed MIS transistor. Further, in FIG. 6, the vertical scale showing the drain current Id on the left side is made up of both the Log scale and the linear scale, and the substrate bias fixed MI is used.
This is a display for clarifying the difference in drain current Ld between the S transistor and the substrate bias self-adjusting MIS transistor. From these figures, the resistance value of the resistor Rex
It can be seen that by controlling t, the maximum transconductance Gmmax can be significantly improved without changing the subthreshold characteristic that is a current-voltage characteristic equal to or lower than the threshold voltage.

【0019】すなわち、本実施例のPLLクロック発生
器は、リング型発振器を含む電圧制御発振器を構成する
基板バイアス自己調整型MISトランジスタが、それぞ
れ、その抵抗層28の抵抗値の調整により、前記のしき
い値電圧以下の電流−電圧特性であるサブスレッショル
ド特性を全く変化させることなく、最大トランスコンダ
クタンスGmmaxを大幅に向上させることのできる基
板バイアスVsubで動作するものとなっている。従っ
て、通常、リング発振器は最大トランスコンダクタンス
Gmmax近傍で動作を繰り返すので、本実施例のPL
Lクロック発生器は、かかる点において前記実施例1の
PLLクロック発生器よりも優れたものとなる。
That is, in the PLL clock generator of this embodiment, each of the substrate bias self-adjusting MIS transistors forming the voltage controlled oscillator including the ring oscillator is adjusted by adjusting the resistance value of its resistance layer 28. It operates with the substrate bias Vsub that can significantly improve the maximum transconductance Gmmax without changing the subthreshold characteristic which is the current-voltage characteristic below the threshold voltage. Therefore, the ring oscillator normally repeats its operation in the vicinity of the maximum transconductance Gmmax.
The L clock generator is superior to the PLL clock generator of the first embodiment in this respect.

【0020】なお、前記においてPLLクロック発生器
における電圧制御発振器のリング発振器はインバータを
回路要素として構成したものであるが、本発明において
電圧制御発振器のリング発振器はNAND回路等の他の
論理回路を回路要素として構成されたものであってもよ
い。
In the above description, the ring oscillator of the voltage controlled oscillator in the PLL clock generator is constructed by using an inverter as a circuit element. However, in the present invention, the ring oscillator of the voltage controlled oscillator includes another logic circuit such as a NAND circuit. It may be configured as a circuit element.

【0021】また、前記実施例1,2では、電圧制御発
振器の回路ブロック全体のMISトランジスタを基板バ
イアス自己調整型MISトランジスタにしたが、本発明
においては、PLLクロック発振器全体のMISトラン
ジスタに、基板バイアス自己調整型MISトランジスタ
を適用してもよいし、電圧制御発振器内のリング型発振
器のみのMISトランジスタに、基板バイアス自己調整
型MISトランジスタを適用することもできる。このP
LLクロック発振器全体のMISトランジスタに、基板
バイアス自己調整型MISトランジスタを適用した場合
は、基板内において、基板バイアス自己調整型MISト
ランジスタと,基板バイアス固定型トランジスタの形成
領域を区別する必要が無くなるので、製造工程を簡略化
でき、また、PLLクロック発振器全体の消費電力の低
減化の点で有効なものとなる。
In the first and second embodiments, the MIS transistor of the entire circuit block of the voltage controlled oscillator is the substrate bias self-adjusting MIS transistor. However, in the present invention, the MIS transistor of the entire PLL clock oscillator is connected to the substrate. The bias self-adjusting MIS transistor may be applied, or the substrate bias self-adjusting MIS transistor may be applied to the MIS transistor of the ring oscillator only in the voltage controlled oscillator. This P
When the substrate bias self-adjusting MIS transistor is applied to the MIS transistor of the entire LL clock oscillator, it is not necessary to distinguish the formation region of the substrate bias self-adjusting MIS transistor and the substrate bias fixed type transistor in the substrate. The manufacturing process can be simplified, and the power consumption of the entire PLL clock oscillator can be reduced.

【0022】また、本発明において、前記PLLクロッ
ク発生器は、外部クロックよりも高い周波数を発生させ
るための分周器を有するものであってもよい。
Further, in the present invention, the PLL clock generator may have a frequency divider for generating a frequency higher than an external clock.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる半
導体装置によれば、複数のMISトランジスタによりリ
ング型発振器を構成してなる半導体装置において、前記
複数のMISトランジスタを、その基板部へ抵抗体を介
してバイアスが印加されて、作動時と非作動時とでその
基板バイアスが自己調整的に変化する基板バイアス自己
調整型MISトランジスタにしたので、リング型発振器
の動作時に、基板バイアス自己調整型MISトランジス
タの基板バイアスがリング型発振器の発振周期内で浅く
なり、それが固定されて、リング型発振器を構成するM
ISトランジスタはその駆動能力が向上した状態に維持
されることとなり、その結果、リング型発振器の電源が
供給されてから発振周波数が安定するまでの時間を大幅
に短縮できる効果がある。
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, in a semiconductor device in which a ring-type oscillator is composed of a plurality of MIS transistors, the plurality of MIS transistors are connected to the substrate portion thereof by resistors. Since a substrate bias self-adjusting MIS transistor in which a bias is applied through the body and the substrate bias changes in a self-adjusting manner during operation and when not in operation, the substrate bias self-adjusting during operation of the ring oscillator. The substrate bias of the ring-type MIS transistor becomes shallow within the oscillation period of the ring-type oscillator, and is fixed, so that the ring-type oscillator is constructed.
The IS transistor is maintained in a state in which its driving capability is improved, and as a result, there is an effect that the time from the supply of power to the ring oscillator to the stabilization of the oscillation frequency can be greatly shortened.

【0024】更に、本発明にかかる半導体装置によれ
ば、PLLクロック発生器の電圧制御発振器に、前記の
複数の基板バイアス自己調整型MISトランジスタによ
り構成されたリング型発振器を組み込んでなるものとし
たので、前記リング型発振器の発振周波数がすばやく安
定することにより、PLLクロック発生器の動作を高速
化できる効果がある。
Further, according to the semiconductor device of the present invention, the voltage controlled oscillator of the PLL clock generator incorporates the ring oscillator constituted by the plurality of substrate bias self-adjusting MIS transistors. Therefore, the oscillation frequency of the ring oscillator is quickly stabilized, which has the effect of speeding up the operation of the PLL clock generator.

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

【図1】本発明の実施例1によるPLLクロック発生器
の構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a PLL clock generator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のPLLクロック発生器内の電圧制御発振
器を構成する基板バイアス自己調整型のMISトランジ
スタの構造および動作を説明するための断面図である。
2 is a cross-sectional view for explaining the structure and operation of a substrate bias self-adjusting MIS transistor that constitutes the voltage controlled oscillator in the PLL clock generator of FIG.

【図3】図(a)は基板バイアス自己調整型MISトラ
ンジスタにおける作動状態と非作動(スタンバイ)状態
間での基板バイアスVsubの設定状態を示す図、図
(b)は基板バイアス自己調整型MISトランジスタに
おける作動状態と非作動(スタンバイ)状態間での基板
電流Isubの変化特性を示す図、図(c)は基板バイ
アス自己調整型MISトランジスタにおける作動状態と
非作動(スタンバイ)状態間での基板バイアスVsub
の変化特性を示す図である。
FIG. 3A is a diagram showing a setting state of a substrate bias Vsub between an operating state and a non-operating (standby) state in a substrate bias self-adjusting MIS transistor, and FIG. 3B is a substrate bias self-adjusting MIS. The figure which shows the change characteristic of the substrate current Isub between an operating state and a non-operating (standby) state in a transistor, FIG. (C) is the substrate between the operating state and a non-operating (standby) state in a substrate bias self-adjusting MIS transistor. Bias Vsub
It is a figure which shows the change characteristic of.

【図4】基板バイアス自己調整型MISトランジスタに
おけるドレイン電流および基板電流のゲート電圧依存性
を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a gate voltage dependency of a drain current and a substrate current in a substrate bias self-adjusting MIS transistor.

【図5】本発明に実施例2によるPLLクロック発生器
内の電圧制御発振器を構成する基板バイアス自己調整型
のMISトランジスタの構造を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a substrate bias self-adjusting MIS transistor which constitutes a voltage controlled oscillator in a PLL clock generator according to a second embodiment of the present invention.

【図6】基板バイアス自己調整型MISトランジスタに
おける基板バイアスVsubが基板電流Isubに追従
した場合の電流−電圧特性における抵抗体の抵抗値Re
xt依存性を示す図である。
FIG. 6 is a resistance value Re of a resistor in a current-voltage characteristic when a substrate bias Vsub in a substrate bias self-adjusting MIS transistor follows a substrate current Isub.
It is a figure which shows xt dependence.

【図7】基板バイアス自己調整型MISトランジスタに
おける基板バイアスVsubが基板電流Isubに追従
した場合の飽和電流特性における抵抗体の抵抗値Rex
t依存性を示す図である。
FIG. 7 is a resistance value Rex of a resistor in a saturation current characteristic when a substrate bias Vsub in a substrate bias self-adjusting MIS transistor follows a substrate current Isub.
It is a figure which shows t dependence.

【図8】一般的なMOSトランジスタの基板バイアスの
変化に対するドレイン電流特性の変化を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing changes in drain current characteristics with respect to changes in substrate bias of a general MOS transistor.

【図9】一般的なMOSトランジスタの基板バイアスの
変化に対するしきい値電圧の変化特性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a change characteristic of a threshold voltage with respect to a change of a substrate bias of a general MOS transistor.

【図10】一般的なリング型発振器の回路構成を示す図
である。
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration of a general ring oscillator.

【図11】図10のリング型発振器の回路構成を更に詳
細に示す図である。
11 is a diagram showing the circuit configuration of the ring oscillator of FIG. 10 in more detail.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 位相比較器 2 低域フィルタ 3 電圧制御発振器 4 抵抗体 10 PLL発振器 20 基板バイアス発生回路 21 半導体基板 22 ゲート 23 ゲート酸化膜 24 ソース 25 ドレイン 26 LOCOS膜 27 バイアス電圧印加用端子 28 抵抗層 50 電源電圧印加用端子 51 出力端子 52〜56 インバータ 52a,53a,54a,55a,56a Pチャネル
トランジスタ 52b,53b,54b,55b,56b Pチャネル
トランジスタ
1 Phase Comparator 2 Low-pass Filter 3 Voltage Controlled Oscillator 4 Resistor 10 PLL Oscillator 20 Substrate Bias Generation Circuit 21 Semiconductor Substrate 22 Gate 23 Gate Oxide Film 24 Source 25 Drain 26 LOCOS Film 27 Bias Voltage Application Terminal 28 Resistance Layer 50 Power Supply Voltage application terminal 51 Output terminals 52-56 Inverters 52a, 53a, 54a, 55a, 56a P-channel transistors 52b, 53b, 54b, 55b, 56b P-channel transistors

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H03L 7/099 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 3/354 H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 29/78 H03K 19/0948 H03L 7/099 Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 identification code FI H03L 7/099 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H03K 3/354 H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 29 / 78 H03K 19/0948 H03L 7/099

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 複数のMIS(metal-insulator-semico
nductor)トランジスタによりリング型発振器を構成して
なる半導体装置において、 前記複数のMISトランジスタは、その基板部へ抵抗体
を介してバイアスが印加されて、作動時と非作動時とで
その基板バイアスが自己調整的に変化する基板バイアス
自己調整型MISトランジスタであることを特徴とする
半導体装置。
1. A plurality of MISs (metal-insulator-semico)
In the semiconductor device in which a ring-type oscillator is configured by a transistor, a bias is applied to the substrate portion of the plurality of MIS transistors via a resistor, and the substrate bias is different between operating and non-operating. A semiconductor device comprising a substrate bias self-adjusting MIS transistor that changes in a self-adjusting manner.
【請求項2】 前記リング型発振器を構成する複数の基
板バイアス自己調整型MISトランジスタは、それぞれ
が同一の抵抗体を介して,それぞれの前記基板部に前記
バイアスが印加されるものである請求項1に記載の半導
体装置。
2. The plurality of substrate bias self-adjusting MIS transistors forming the ring oscillator are those to which the bias is applied to the respective substrate portions via the same resistor. 1. The semiconductor device according to 1.
【請求項3】 前記リング型発振器を構成する複数の基
板バイアス自己調整型MISトランジスタは、それぞれ
が専用の抵抗体を介して,それぞれの前記基板部に前記
バイアスが印加されるものである請求項1に記載の半導
体装置。
3. The plurality of substrate bias self-adjusting MIS transistors forming the ring oscillator are each configured such that the bias is applied to each of the substrate portions via a dedicated resistor. 1. The semiconductor device according to 1.
【請求項4】 PLL(phase locked loop )クロック発
生器の電圧制御発振器に前記請求項1または2に記載の
リング型発振器が組み込まれてなる半導体装置。
4. A semiconductor device in which the ring oscillator according to claim 1 or 2 is incorporated in a voltage controlled oscillator of a PLL (phase locked loop) clock generator.
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