JP3737240B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に高速化と省電力性の両立を意図した半導体集積回路装置に関する。
近年、CPUの高速化が目覚ましく、クロックスピード200MHz超のものも実用化されている。こうしたCPUの性能をフルに引き出すためには周辺回路の高速化が不可欠であるが、単に高速化しただけではクロック周波数に比例(式▲1▼参照)して電力消費が増え、特にバッテリ駆動の機器にとっては不都合を否めない。
【0002】
電力消費=クロック周波数×負荷容量×電源電圧 ………▲1▼
【0003】
【従来の技術】
式▲1▼より、電源電圧を下げることは省電力化に有効である。実際に可搬型のOA機器では3.3V程度の低電源電圧を採用するケースが多い。しかし、単に低電源電圧化しただけでは回路の動作スピードが落ちて高速性が損なわれることから、例えば、低しきい値のトランジスタで回路(以下、低しきい値回路と呼ぶことにする)を構成することが行われるが、低しきい値トランジスタはサブスレッショルド電流(※1)が大きいという欠点があるため、今度は省電力性が損なわれてしまい、結局、高速化と省電力性を両立できない。※1:ゲート電圧がしきい値電圧以下で、しかも表面が弱反転状態のときに流れるチャネル電流のこと。典型的なMOSトランジスタではしきい値が0.1V低下するとサブスレッショルド電流が10倍増える。
【0004】
高速化と省電力性の両立を意図した従来の半導体集積回路装置として、例えば、以下のものが知られている。
(1)マルチスレッショルド方式と呼ばれるもの(図6参照)
特開平6−29834号公報には、低しきい値回路1に対して、高電位電源線Vccから第1の高しきい値トランジスタ2を介して電源を供給すると共に、低電位電源線Vssから第2の高しきい値トランジスタ3を介して電源を供給する構成が示されている。第1の高しきい値トランジスタ2はPMOSトランジスタ、第2の高しきい値トランジスタ3はNMOSトランジスタであり、各トランジスタのゲートには一対の相補制御信号CTa、CTaバーが加えられている。
【0005】
このような構成において、CTaをLレベル、CTaバーをHレベルにすると、第1及び第2の高しきい値トランジスタ2、3が共にオンし、低しきい値回路1にVcc、Vssが供給され、低しきい値回路1は動作を開始する。記述のとおり、低しきい値回路1の欠点はスタンバイ時の電力消費が大きいことであるが、この欠点はCTaをHレベル、CTaバーをLレベルにすることにより解消される。第1の高しきい値トランジスタ2と第2の高しきい値トランジスタ3が完全にオフし(しきい値が高くサブスレッショルド電流が流れないため)低しきい値回路1への電源供給が絶たれるからである。
(2)基板電位コントロール方式と呼ばれるもの(図7参照)
特開昭60−229363号公報には、論理回路4(図では便宜的に基本的な論理回路であるCMOSインバータゲートを多段に接続した例を示してある)を構成するPMOSトランジスタ5、6とNMOSトランジスタ7、8のそれぞれの基板電位(※2)を制御する第1及び第2の基板電位制御部9、10を備えた構成が示されている。Vbpは第1の基板電位制御部9で作られたPMOSトランジスタ5、6の基板電位であり、Vbnは第2の基板電位制御部10で作られたNMOSトランジスタ7、8の基板電位である。※2:MOSトランジスタのソース電位Vsを0Vとしてチャネル中の一点から見ると、ゲート電位の正ポテンシャルはチャネルをターンオンさせるが、基板電位Vbは通常の動作条件において逆バイアスとなり、MOSトランジスタをターンオフさせる。なぜならVbはNMOSトランジスタにおいてVsよりも負であるからである。このため、基板はしばしば、第2のゲート(あるいはバックゲート)とみなされる。すなわち、Vbを増すとトランジスタは導通性を減じ、しきい値電圧を増加させる結果、トランジスタのエンハンスメントしきい値を増大させるように作用する。逆にVbを減じるとトランジスタは導通性を増し、しきい値電圧を減少させる結果、トランジスタのエンハンスメントしきい値を低下させるように作用する。
【0006】
このような構成において、Vbpを低くVbnを高くすれば、論理回路4の各MOSトランジスタ5〜8のしきい値が低くなり、低しきい値回路として動作して高速性が確保される一方、Vbpを高くVbnを低くすれば、論理回路4の各MOSトランジスタ5〜8のしきい値が高くなり、サブスレッショルド電流を抑制して省電力性が確保され、結局、高速化と省電力性の両立が図られる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のマルチスレッショルド方式と基板電位コントロール方式は、高速化と省電力性の両立を図ることができる点で有益なものの、例えば、プロセスコストやレイアウト面積、あるいは、論理回路の動作開始までのロスタイムに着目すると未だ不十分であり、解決すべき技術課題がある。
【0008】
すなわち、マルチスレッショルド方式にあっては、低しきい値と高しきい値の2種類のトランジスタを作り込む必要があり、プロセスコストのアップを招くうえ、高しきい値のトランジスタは飽和電流が少なく応答性に欠けるため、高速性確保の点から必然的に高しきい値トランジスタのサイズ(特にチャネル幅)を大きくしなければならないが、そうするとレイアウト面積の増大を招くという不都合があるし、また、基板電位コントロール方式にあっては、論理回路全体の基板電位をコントロールするため、大きな基板容量を充放電しなければならず、したがって、基板電位の切り換え時間が長くなって論理回路の動作開始までのロスタイムが大きくなるという不都合がある。
【0009】
そこで、本発明は、高速化と省電力性の両立を図りつつ、プロセスコストとレイアウト面積を削減でき、しかも論理回路の動作開始までのロスタイムも少なくできる有益な回路技術の提供を目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明に係る半導体集積回路装置は、低しきい値トランジスタで構成される低しきい値回路と、ソースを高電位電源に接続し、ドレインを前記低しきい値回路の高電位電源供給ノードに接続した低しきい値の第一のPMOSトランジスタと、ソースを前記高電位電源よりも高電位の電源に接続し、ドレインを前記第一のPMOSトランジスタのバックゲートに接続した低しきい値の第二のPMOSトランジスタと、前記第一のPMOSトランジスタのバックゲートと前記高電位電源との間に挿入された抵抗と、ソースを低電位電源に接続し、ドレインを前記低しきい値回路の低電位電源供給ノードに接続した低しきい値の第一のNMOSトランジスタと、ソースを前記低電位電源よりも低電位の電源に接続し、ドレインを前記第一のNMOSトランジスタのバックゲートに接続した低しきい値の第二のNMOSトランジスタと、前記第一のNMOSトランジスタのバックゲートと前記低電位電源との間に挿入された抵抗とを備え、第一の相補信号により前記第一のPMOSトランジスタと前記第一のNMOSトランジスタのオンオフを制御し、第二の相補信号により前記第二のPMOSトランジスタと前記第二のNMOSトランジスタのオンオフを制御することを特徴とするものである
【0011】
これによれば、第2のPMOS及びNMOSトランジスタからなる基板電位制御手段により、第1のPMOSトランジスタの基板電位を高く制御すると共に第1のNMOSトランジスタの基板電位を低く制御すれば、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタのしきい値が高くなり、第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタを完全にオフさせて低しきい値回路への電源供給を遮断し省電力性を確保できる。
【0012】
しかも、非制御時における第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタの基板電位を低しきい値回路の各トランジスタの基板電位に一致させれば、これら第1及び第2のPMOSトランジスタと第1及び第2のNMOSトランジスタを低しきい値トランジスタとして作り込むことができ、1種類のトランジスタで済むため、プロセスコストを削減できるうえ、低しきい値トランジスタとして動作する際の第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタの飽和電流は大きく応答性も良好であるから、小サイズでよく、レイアウト面積も削減できる。また、基板電位は二つのトランジスタ(第1のPMOSトランジスタと第1のNMOSトランジスタ)だけを制御すればよく、基板容量がきわめて小さいから、電位の切り換えを速やかに行うことができ、低しきい値回路の動作開始までのロスタイムを大幅に短縮できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1は本発明に係る半導体集積回路装置の一実施例を示す図である。
まず、構成を説明する。図1において、20は低しきい値のMOSトランジスタで構成した論理回路(以下、低しきい値回路)であり、低しきい値回路20の高電位電源供給ノード21と低電位電源供給ノード22には、それぞれ第1の電位供給回路23と第2の電源供給回路24を介して高電位電源Vccと低電位電源Vssがオンオフ可能に供給されている。
【0014】
第1の電源供給回路23は、ソースをVccに接続しドレインを低しきい値回路20の高電位電源供給ノード21に接続した低しきい値の第1のPMOSトランジスタ25と、ソースをVccよりも高電位の電源Vcc′に接続しドレインを第1のPMOSトランジスタ25の基板(バックゲート)に接続した第2のPMOSトランジスタ26と、第1のPMOSトランジスタ25のバックゲートとVccの間に挿入された抵抗27とを備え、また、第2の電源供給回路24は、ソースをVssに接続しドレインを低しきい値回路20の低電位電源供給ノード22に接続した低しきい値の第1のNMOSトランジスタ28と、ソースをVssよりも低電位の電源Vss′に接続しドレインを第1のNMOSトランジスタ28の基板(バックゲート)に接続した第2のNMOSトランジスタ29と、第1のNMOSトランジスタ28のバックゲートとVssの間に挿入された抵抗30とを備えている。第2のPMOSトランジスタ26と抵抗27は請求項1に記載の第1の基板電位制御手段を構成し、第2のNMOSトランジスタ29と抵抗30は請求項1に記載の第2の基板電位制御手段を構成する。
【0015】
なお、CTaとCTaバーは第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28のオンオフを制御する相補信号、CTbとCTbバーは第2のPMOSトランジスタ26と第2のNMOSトランジスタ29のオンオフを制御する相補信号である。
このような構成において、CTbをHレベル(CTbバーをLレベル)にすると、第2のPMOSトランジスタ26と第2のNMOSトランジスタ29がオフし、第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28の基板電位は、それぞれ抵抗27、30を通してVcc、Vssで与えられ、低しきい値トランジスタとして動作することになる。したがって、この状態で、CTaをLレベル(CTaバーをHレベル)にすれば、第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28がオンし、低しきい値回路20にVccとVssが供給される。
【0016】
一方、CTbをLレベル(CTbバーをHレベル)にすると、第2のPMOSトランジスタ26と第2のNMOSトランジスタ29がオンし、第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28の基板電位は、それぞれVcc′、Vss′で与えられ、Vcc′>Vcc、Vss′<Vssであるから、第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28は高しきい値トランジスタとして動作(すなわちサブスレッショルド電流が少ない)することになる。したがって、この状態で、CTaをHレベル(CTaバーをLレベル)にすれば、第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28が完全にオフし、低しきい値回路20への電源供給が遮断される。
【0017】
以上述べたように、本実施例によれば、低しきい値回路20の動作時には第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28を低しきい値トランジスタとして動作させて高速性を確保できると共に、低しきい値回路20の非動作時(スタンバイ時)には第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28を高しきい値トランジスタとして動作させて省電力性を確保でき、高速性と省電力性の両立を図ることができるという効果に加え、以下に述べる(イ)〜(ハ)の有利な効果を奏することができる。
【0018】
すなわち、(イ)第1及び第2のPMOSトランジスタ25、26と第1及び第2のNMOSトランジスタ28、29を低しきい値トランジスタとして作り込むことができ、したがって、1種類のトランジスタでよいから、プロセスコストを削減できる、(ロ)低しきい値トランジスタとして動作する際の第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28の飽和電流は十分に大きく、応答性が良好であるから、小サイズで済み、レイアウト面積も削減できる、(ハ)基板電位の制御は、第1のPMOSトランジスタ25と第1のNMOSトランジスタ28のバックゲートだけであるから、制御対象の基板容量がきわめて小さく、電位の切り換えを速やかに行うことができ、低しきい値回路20の動作開始までのロスタイムを局限することができる、という従来技術にない格別な効果が得られる。
【0019】
なお、本実施例では、低しきい値回路20の構成を特に限定していないが、要は、低しきい値のMOSトランジスタで構成された論理回路であればよく、簡単なもの(1段のCMOSインバータゲート)から複雑なものまで幅広く適用できる。
例えば、図2に示すように、並列接続したn個(図では2個)の低しきい値のPMOSトランジスタ31、32と、直列接続したn個の低しきい値のNMOSトランジスタ33、34を備え、PMOSトランジスタ31のゲートとNMOSトランジスタ33のゲートに第1入力(A)を加えると共に、PMOSトランジスタ32のゲートとNMOSトランジスタ34のゲートに第n入力(B)を加え、PMOSトランジスタ32のドレインとNMOSトランジスタ33のドレインから出力(X)を取り出すようにしたNAND型の論理回路に適用してもよい。
【0020】
又は、図3に示すように、直列接続したn個(図では2個)の低しきい値のPMOSトランジスタ35、36と、並列接続したn個の低しきい値のNMOSトランジスタ37、38を備え、PMOSトランジスタ35のゲートとNMOSトランジスタ37のゲートに第1入力(A)を加えると共に、PMOSトランジスタ36のゲートとNMOSトランジスタ38のゲートに第n入力(B)を加え、PMOSトランジスタ36のドレインとNMOSトランジスタ38のドレインから出力(X)を取り出すようにしたNOR型の論理回路に適用してもよい。
【0021】
又は、図4に示すように、直列接続したm段(mは奇数)の低しきい値のCMOSインバータゲート39〜42の1段目入力とm段目出力とを接続すると共に、m段目出力をバッファ43(低しきい値のCMOSインバータゲート)から取り出すようにしたいわゆるリングオシレータにも適用できる。
又は、図5に示すように、1個のPMOSトランジスタ44とn個(図では3個)のNMOSトランジスタ45〜47を直列接続して構成し、スタンバイ時にはイネーブル信号をLレベルにしてPMOSトランジスタ44をオン状態にし、n個の入力(A〜C)のすべてがHレベルのときに出力(X)をLレベルにする、例えばメモリのワードデコーダに用いられるダイナミックNAND型の論理回路にも適用できる(但しこの場合はVcc側の電源供給回路23は不要である)。
【0022】
なお、図1の抵抗27、30をMOSトランジスタで構成してもよい。すなわち、抵抗27の代わりにPMOSトランジスタのソース−ドレイン抵抗を利用すると共に、抵抗30の代わりにNMOSトランジスタのソース−ドレイン抵抗を利用してもよい。又は、PMOSトランジスタのゲートにCTbバーを加えると共に、NMOSトランジスタのゲートにCTbを加えれば、PMOS26がオンするときにはこの追加したPMOSトランジスタがオフし、NMOS29がオンするときにはこの追加したNMOSトランジスタがオフするので望ましい。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、高速化と省電力性の両立を図りつつ、プロセスコストとレイアウト面積を削減でき、しかも論理回路の動作開始までのロスタイムも少なくできる有益な回路技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例の構成図である。
【図2】一実施例の低しきい値回路の構成図(NAND型)である。
【図3】一実施例の低しきい値回路の構成図(NOR型)である。
【図4】一実施例の低しきい値回路の構成図(リングオシレータ)である。
【図5】一実施例の低しきい値回路の構成図(ダイナミックNAND型)である。
【図6】従来例の構成図(マルチスレッショルド方式)である。
【図7】従来例の構成図(基板電位コントロール方式)である。
【符号の説明】
Vcc:高電位電源線
Vss:低電位電源線
20:低しきい値回路
21:高電位電源供給ノード
22:低電位電源供給ノード
25:第1のPMOSトランジスタ(PMOSトランジスタ)
26:第2のPMOSトランジスタ(第1の基板電位制御手段)
27:抵抗(第1の基板電位制御手段)
28:第1のNMOSトランジスタ(NMOSトランジスタ)
29:第2のNMOSトランジスタ(第2の基板電位制御手段)
30:抵抗(第2の基板電位制御手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a semiconductor integrated circuit device intended to achieve both high speed and low power consumption.
In recent years, CPUs have been remarkably increased in speed, and those having a clock speed exceeding 200 MHz have been put into practical use. In order to bring out the full performance of the CPU, it is indispensable to increase the speed of the peripheral circuit. However, simply increasing the speed increases the power consumption in proportion to the clock frequency (see equation (1)), and particularly battery driven. There is no denying the inconvenience for equipment.
[0002]
Power consumption = clock frequency x load capacity x power supply voltage ……… ▲ 1 ▼
[0003]
[Prior art]
From equation (1), reducing the power supply voltage is effective for power saving. In fact, portable OA devices often employ a low power supply voltage of about 3.3V. However, simply lowering the power supply voltage reduces the operation speed of the circuit and impairs high speed performance. For example, a circuit with a low threshold transistor (hereinafter referred to as a low threshold circuit) is used. Although it is configured, the low threshold transistor has the disadvantage that the subthreshold current (* 1) is large, so the power saving performance is lost this time, and eventually both high speed and power saving performance are achieved. Can not. * 1: Channel current that flows when the gate voltage is below the threshold voltage and the surface is in a weakly inverted state. In a typical MOS transistor, the subthreshold current increases 10 times when the threshold value decreases by 0.1V.
[0004]
For example, the following are known as conventional semiconductor integrated circuit devices intended to achieve both high speed and low power consumption.
(1) The so-called multi-threshold method (see Fig. 6)
In Japanese Patent Laid-Open No. 6-29834, power is supplied to the low threshold circuit 1 from the high potential power line Vcc through the first high threshold transistor 2 and from the low potential power line Vss. A configuration in which power is supplied via the second high threshold transistor 3 is shown. The first high threshold transistor 2 is a PMOS transistor, and the second high threshold transistor 3 is an NMOS transistor. A pair of complementary control signals CTa and CTa bars are applied to the gates of the transistors.
[0005]
In such a configuration, when CTa is set to L level and CTa bar is set to H level, the first and second high threshold transistors 2 and 3 are both turned on, and Vcc and Vss are supplied to the low threshold circuit 1. Then, the low threshold circuit 1 starts operation. As described, the disadvantage of the low threshold circuit 1 is that the power consumption during standby is large. This disadvantage can be solved by setting CTa to H level and CTa bar to L level. The first high threshold transistor 2 and the second high threshold transistor 3 are completely turned off (because the threshold is high and the subthreshold current does not flow), and the power supply to the low threshold circuit 1 is cut off. Because it is.
(2) What is called substrate potential control method (see Fig. 7)
Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-229363 discloses PMOS transistors 5 and 6 constituting a logic circuit 4 (in the figure, an example in which CMOS inverter gates which are basic logic circuits are connected in multiple stages is shown for convenience) A configuration including first and second substrate potential control units 9 and 10 for controlling the substrate potentials (* 2) of the NMOS transistors 7 and 8 is shown. Vbp is the substrate potential of the PMOS transistors 5 and 6 produced by the first substrate potential control unit 9, and Vbn is the substrate potential of the NMOS transistors 7 and 8 produced by the second substrate potential control unit 10. * 2: When the source potential Vs of the MOS transistor is set to 0V and viewed from one point in the channel, the positive potential of the gate potential turns on the channel, but the substrate potential Vb becomes reverse bias under normal operating conditions, and turns off the MOS transistor. . This is because Vb is more negative than Vs in the NMOS transistor. For this reason, the substrate is often regarded as a second gate (or back gate). That is, increasing Vb causes the transistor to decrease conductivity and increase the threshold voltage, resulting in an increase in the transistor's enhancement threshold. Conversely, when Vb is decreased, the transistor increases its conductivity and acts to decrease the enhancement threshold of the transistor as a result of decreasing the threshold voltage.
[0006]
In such a configuration, if Vbp is lowered and Vbn is raised, the threshold values of the MOS transistors 5 to 8 of the logic circuit 4 are lowered, and the high-speed operation is ensured while operating as a low threshold circuit. If Vbp is increased and Vbn is decreased, the threshold value of each of the MOS transistors 5 to 8 of the logic circuit 4 is increased, and the subthreshold current is suppressed to ensure power saving. Coexistence is achieved.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the above-described multi-threshold method and substrate potential control method are beneficial in that both high speed and low power consumption can be achieved, for example, process cost, layout area, or logic circuit operation start. Focusing on the loss time is still insufficient, and there are technical issues to be solved.
[0008]
That is, in the multi-threshold method, it is necessary to build in two types of transistors, a low threshold value and a high threshold value, which causes an increase in process cost and a high threshold transistor has a low saturation current. The lack of responsiveness inevitably increases the size of the high threshold transistor (especially the channel width) from the standpoint of ensuring high speed, but this has the disadvantage of increasing the layout area. In the substrate potential control method, in order to control the substrate potential of the entire logic circuit, it is necessary to charge and discharge a large substrate capacity. Therefore, the substrate potential switching time becomes long and the operation of the logic circuit is started. There is an inconvenience that the loss time increases.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a useful circuit technology that can reduce the process cost and the layout area while reducing the loss time until the operation of a logic circuit starts, while achieving both high speed and low power consumption.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor integrated circuit device comprising: a low threshold circuit comprising low threshold transistors; a source connected to a high potential power supply; and a drain having a high potential of the low threshold circuit. A low-threshold first PMOS transistor connected to the power supply node, a source connected to a power supply having a higher potential than the high-potential power supply, and a drain connected to the back gate of the first PMOS transistor. A second PMOS transistor having a threshold value; a resistor inserted between the back gate of the first PMOS transistor and the high-potential power supply; a source connected to the low-potential power supply; and a drain connected to the low threshold voltage A first NMOS transistor having a low threshold value connected to a low-potential power supply node of the circuit; a source connected to a power supply having a lower potential than the low-potential power supply; and a drain connected to the first potential A low threshold second NMOS transistor connected to the back gate of the NMOS transistor, and a resistor inserted between the back gate of the first NMOS transistor and the low potential power source, ON / OFF of the first PMOS transistor and the first NMOS transistor is controlled by a complementary signal, and ON / OFF of the second PMOS transistor and the second NMOS transistor is controlled by a second complementary signal. To do .
[0011]
According to this, if the substrate potential of the first PMOS transistor is controlled to be high and the substrate potential of the first NMOS transistor is controlled to be low by the substrate potential control means comprising the second PMOS and NMOS transistors , The threshold values of the PMOS transistor and the first NMOS transistor are increased, and the first PMOS transistor and the first NMOS transistor are completely turned off to cut off the power supply to the low threshold circuit to ensure power saving. it can.
[0012]
In addition, if the substrate potentials of the first PMOS transistor and the first NMOS transistor at the time of non-control coincide with the substrate potentials of the transistors of the low threshold circuit, the first PMOS transistor and the first PMOS transistor In addition, since the second NMOS transistor can be formed as a low threshold transistor and only one type of transistor is required, the process cost can be reduced, and the first PMOS transistor when operating as the low threshold transistor Since the saturation current of the first NMOS transistor is large and the response is good, the first NMOS transistor can be small and the layout area can be reduced. Further, since the substrate potential only needs to control two transistors ( the first PMOS transistor and the first NMOS transistor) and the substrate capacitance is extremely small, the potential can be switched quickly, and a low threshold value is obtained. Loss time until the start of circuit operation can be greatly reduced.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
First, the configuration will be described. In FIG. 1, reference numeral 20 denotes a logic circuit (hereinafter referred to as a low threshold circuit) composed of a low threshold MOS transistor, and a high potential power supply node 21 and a low potential power supply node 22 of the low threshold circuit 20. A high potential power supply Vcc and a low potential power supply Vss are supplied to be turned on and off via a first potential supply circuit 23 and a second power supply circuit 24, respectively.
[0014]
The first power supply circuit 23 includes a low threshold first PMOS transistor 25 having a source connected to Vcc and a drain connected to the high potential power supply node 21 of the low threshold circuit 20, and a source connected to Vcc. Is inserted between the back gate of the first PMOS transistor 25 and Vcc, the second PMOS transistor 26 having a drain connected to the high-potential power supply Vcc 'and the drain connected to the substrate (back gate) of the first PMOS transistor 25. The second power supply circuit 24 includes a low threshold first resistor having a source connected to Vss and a drain connected to the low potential power supply node 22 of the low threshold circuit 20. NMOS transistor 28, a source connected to power supply Vss ′ having a potential lower than Vss, and a drain connected to the substrate (back gate) of first NMOS transistor 28. A second NMOS transistor 29 connected to g), and a inserted resistor 30 between the back gate and Vss of the first NMOS transistor 28. The second PMOS transistor 26 and the resistor 27 constitute the first substrate potential control means according to claim 1, and the second NMOS transistor 29 and the resistor 30 constitute the second substrate potential control means according to claim 1. Configure.
[0015]
CTa and CTa bar are complementary signals for controlling on / off of the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28, and CTb and CTb bar control on / off of the second PMOS transistor 26 and the second NMOS transistor 29. Complementary signal.
In such a configuration, when CTb is set to H level (CTb bar is set to L level), the second PMOS transistor 26 and the second NMOS transistor 29 are turned off, and the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 are turned off. Are supplied as Vcc and Vss through resistors 27 and 30, respectively, and operate as a low threshold transistor. Therefore, if CTa is set to L level (CTa bar is set to H level) in this state, the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 are turned on, and Vcc and Vss are supplied to the low threshold circuit 20. Is done.
[0016]
On the other hand, when CTb is set to L level (CTb bar is set to H level), the second PMOS transistor 26 and the second NMOS transistor 29 are turned on, and the substrate potentials of the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 are Are given by Vcc ′ and Vss ′, respectively, and Vcc ′> Vcc and Vss ′ <Vss, the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 operate as high threshold transistors (that is, subthreshold currents). There will be less). Therefore, if CTa is set to H level (CTa bar is set to L level) in this state, the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 are completely turned off, and the power supply to the low threshold circuit 20 is performed. Is cut off.
[0017]
As described above, according to this embodiment, when the low threshold circuit 20 is operated, the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 can be operated as the low threshold transistors to ensure high speed. At the same time, when the low threshold circuit 20 is not in operation (standby mode), the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 can be operated as high threshold transistors to ensure power saving and high speed performance. In addition to the effect that both power saving can be achieved, the following advantageous effects (a) to (c) can be achieved.
[0018]
That is, (a) the first and second PMOS transistors 25 and 26 and the first and second NMOS transistors 28 and 29 can be formed as low-threshold transistors. (B) Since the saturation current of the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28 when operating as a low threshold transistor is sufficiently large and the response is good, the process cost can be reduced. (C) Since the substrate potential is controlled only by the back gates of the first PMOS transistor 25 and the first NMOS transistor 28, the substrate capacitance to be controlled is extremely small, and the potential of the substrate potential can be reduced. Can be quickly switched, and the loss time until the operation of the low threshold circuit 20 starts. Can be localized, exceptional effects not in the prior art that can be obtained.
[0019]
In the present embodiment, the configuration of the low threshold circuit 20 is not particularly limited, but the point is that any logic circuit including a low threshold MOS transistor may be used. It can be widely applied from CMOS inverter gates) to complicated ones.
For example, as shown in FIG. 2, n (two in the figure) low threshold PMOS transistors 31 and 32 connected in parallel and n low threshold NMOS transistors 33 and 34 connected in series are connected. The first input (A) is added to the gate of the PMOS transistor 31 and the gate of the NMOS transistor 33, and the nth input (B) is added to the gate of the PMOS transistor 32 and the gate of the NMOS transistor 34. Further, the present invention may be applied to a NAND logic circuit in which the output (X) is extracted from the drain of the NMOS transistor 33.
[0020]
Alternatively, as shown in FIG. 3, n (two in the figure) low threshold PMOS transistors 35 and 36 connected in series and n low threshold NMOS transistors 37 and 38 connected in parallel are connected. In addition, a first input (A) is added to the gate of the PMOS transistor 35 and the gate of the NMOS transistor 37, and an nth input (B) is added to the gate of the PMOS transistor 36 and the gate of the NMOS transistor 38. The present invention may be applied to a NOR type logic circuit in which the output (X) is taken out from the drain of the NMOS transistor 38.
[0021]
Alternatively, as shown in FIG. 4, the first stage input and the mth stage output of the m-th (m is an odd number) low-threshold CMOS inverter gates 39 to 42 connected in series are connected to the m-th stage. The present invention can also be applied to a so-called ring oscillator in which the output is taken out from the buffer 43 (low threshold CMOS inverter gate).
Alternatively, as shown in FIG. 5, one PMOS transistor 44 and n (three in the figure) NMOS transistors 45 to 47 are connected in series, and the enable signal is set to L level during standby to make the PMOS transistor 44 Can be applied to, for example, a dynamic NAND type logic circuit used in a word decoder of a memory, in which an output (X) is set to an L level when all n inputs (A to C) are at an H level. (However, in this case, the power supply circuit 23 on the Vcc side is unnecessary).
[0022]
Note that the resistors 27 and 30 in FIG. 1 may be formed of MOS transistors. That is, the source-drain resistance of the PMOS transistor may be used instead of the resistor 27, and the source-drain resistance of the NMOS transistor may be used instead of the resistor 30. Alternatively, if CTb is added to the gate of the PMOS transistor and CTb is added to the gate of the NMOS transistor, the added PMOS transistor is turned off when the PMOS 26 is turned on, and the added NMOS transistor is turned off when the NMOS 29 is turned on. So desirable.
[0023]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a useful circuit technology that can reduce the process cost and the layout area while reducing the loss time until the operation of the logic circuit starts, while achieving both high speed and low power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram (NAND type) of a low threshold circuit according to an embodiment;
FIG. 3 is a configuration diagram (NOR type) of a low threshold circuit according to an embodiment;
FIG. 4 is a configuration diagram (ring oscillator) of a low threshold circuit according to an embodiment;
FIG. 5 is a configuration diagram (dynamic NAND type) of a low threshold circuit according to an embodiment;
FIG. 6 is a configuration diagram (multi-threshold method) of a conventional example.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional example (substrate potential control method).
[Explanation of symbols]
Vcc: high potential power supply line Vss: low potential power supply line 20: low threshold circuit 21: high potential power supply node 22: low potential power supply node 25: first PMOS transistor (PMOS transistor)
26: Second PMOS transistor (first substrate potential control means)
27: Resistance (first substrate potential control means)
28: First NMOS transistor (NMOS transistor)
29: Second NMOS transistor (second substrate potential control means)
30: Resistance (second substrate potential control means)

Claims (1)

低しきい値トランジスタで構成される低しきい値回路と、
ソースを高電位電源に接続し、ドレインを前記低しきい値回路の高電位電源供給ノードに接続した低しきい値の第一のPMOSトランジスタと、
ソースを前記高電位電源よりも高電位の電源に接続し、ドレインを前記第一のPMOSトランジスタのバックゲートに接続した低しきい値の第二のPMOSトランジスタと、
前記第一のPMOSトランジスタのバックゲートと前記高電位電源との間に挿入された抵抗と、
ソースを低電位電源に接続し、ドレインを前記低しきい値回路の低電位電源供給ノードに接続した低しきい値の第一のNMOSトランジスタと、
ソースを前記低電位電源よりも低電位の電源に接続し、ドレインを前記第一のNMOSトランジスタのバックゲートに接続した低しきい値の第二のNMOSトランジスタと、
前記第一のNMOSトランジスタのバックゲートと前記低電位電源との間に挿入された抵抗とを備え、
第一の相補信号により前記第一のPMOSトランジスタと前記第一のNMOSトランジスタのオンオフを制御し、
第二の相補信号により前記第二のPMOSトランジスタと前記第二のNMOSトランジスタのオンオフを制御することを特徴とする半導体集積回路装置。
A low threshold circuit composed of low threshold transistors;
A low threshold first PMOS transistor having a source connected to a high potential power supply and a drain connected to a high potential power supply node of the low threshold circuit;
A low-threshold second PMOS transistor having a source connected to a higher-potential power supply than the high-potential power supply and a drain connected to the back gate of the first PMOS transistor;
A resistor inserted between the back gate of the first PMOS transistor and the high potential power supply;
A low threshold first NMOS transistor having a source connected to a low potential power supply and a drain connected to a low potential power supply node of the low threshold circuit;
A low-threshold second NMOS transistor having a source connected to a power supply lower than the low-potential power supply and a drain connected to the back gate of the first NMOS transistor;
A resistor inserted between the back gate of the first NMOS transistor and the low-potential power source;
Controlling on / off of the first PMOS transistor and the first NMOS transistor by a first complementary signal,
A semiconductor integrated circuit device characterized in that on / off of the second PMOS transistor and the second NMOS transistor is controlled by a second complementary signal .
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