JP4461430B2 - セルフリフレッシュタイマ回路及びセルフリフレッシュタイマの調整方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体記憶装置の記憶情報を保持するセルフリフレッシュ動作を制御するためのタイマ周期を発生するセルフリフレッシュタイマ回路に関する。
代表的な半導体記憶装置であるDRAMは、記憶情報を保持するために所定の間隔でセルフリフレッシュを実行する。通常、セルフリフレッシュ動作は周期的に実行されるため、DRAMにはセルフリフレッシュ動作のタイミングを制御するタイマ周期を発生するセルフリフレッシュタイマ回路が内蔵されている。一般に、セルフリフレッシュ時にタイマ周期が長くなるほど、DRAMの消費電流は減少する。例えば、モバイル用途のDRAMなどでは待機時における低消費電力化への要望が強いので、できるだけ長いタイマ周期を用いてセルフリフレッシュを実行することが望ましい。
一方、DRAMのメモリセルの情報保持時間は温度依存性があり、温度上昇に伴いそのべき乗で情報保持時間が減少することが知られている。そのため、室温で適正な情報保持時間を確保できるように所定のタイマ周期を設定したとしても、高温環境下ではタイマ周期が情報保持時間を超えて不適切なリフレッシュ動作になることも想定される。このような問題を踏まえて、温度に応じてタイマ周期を制御する種々の方式が提案されている。例えば、非特許文献1に開示された方式は、半導体記憶装置の温度計測手段を設け、計測された温度に従って段階的にタイマ周期を切り替えるように構成されている。また例えば、特許文献1に開示された方式は、温度のべき乗で特性が変化するダイオードを用い、その温度特性を適切に制御することによりタイマ周期を情報保持時間に適合させて調整できるように構成されている。
"A Low-Power 256-Mb SDRAM With an On-Chip Thermometer and Biased Reference Line Sensing Scheme",IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.38,No.2,February 2003 特開2002−117671
しかしながら、非特許文献1に開示された方式によれば、タイマ周期を温度に対して段階的に切り替える際、その切り替え温度点においてはタイマ周期が急激に変化する。例えば、図15に示すように、切り替え温度点Tp1、Tp2、Tp3において階段状にタイマ周期を切り替える際、メモリセルの情報保持時間の温度特性Cmを超えない温度特性に従って制御を行う。このとき、情報保持時間の直線状の温度特性Cmを階段状の波形で近似させるので、特に切り替え温度点が少なくなるほど、その近傍でタイマ周期が情報保持時間から乖離して短くなる結果、消費電流を十分に低減できないという問題となる。一方、このような問題を回避するには、多数の切り替え温度点を設定して多段階の波形でタイマ周期を制御すればよいが、この場合は切り替えるべきタイマ周期を設定するためのスイッチ回路、プログラム用デコーダ、ヒューズ等の構成要素が増加し、レイアウト面積の増大を招くことになる。
また、特許文献1に開示された方式によれば、タイマ周期の温度特性をきめ細かく制御するためには、直列接続された複数のダイオードを設ける必要がある。しかし、ダイオードの順方向降下電圧が0.6V程度あることを考えると、ダイオードの接続数は電源電圧に制約される。例えば、動作電圧が1.5Vまで低下すると、直列接続可能なダイオードは2個に限られるので、タイマ周期のきめ細かい制御に支障を来たす。このように複数のダイオードを直列接続する構成は、DRAMの低電圧化を考えると好ましくない。
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、滑らかな温度特性でタイマ周期を制御して情報保持時間に対する最適化が可能で、タイマ周期の周期を切り替えるための多数の構成要素を設ける必要がないためレイアウト面積の増大を回避でき、低電力動作であってもきめ細かくタイマ周期を制御することが可能なセルフリフレッシュタイマ回路を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路は、半導体記憶装置のセルフリフレッシュ動作の制御に用いるタイマ周期を発生するセルフリフレッシュタイマ回路であって、ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された電圧を出力する温度依存電圧源と、ダイオード特性を有する温度検知素子に前記温度依存電圧源の出力電圧を印加し、前記温度検知素子に流れる電流に比例する大きさの制御電流を発生する制御電流発生手段と、前記制御電流の大きさに反比例すると共に連続的に変化するタイマ周期を発生するタイマ周期発生手段と、を備え、前記タイマ周期の温度特性における温度べき乗係数を調整する第1の調整手段と、前記タイマ周期の温度特性における対数レベルを調整する第2の調整手段と、を含む調整手段をさらに備えることを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、セルフリフレッシュ動作時の情報保持時間の温度特性を近似するためダイオード特性に着目し、温度に対して連続的かつ指数関数的に変化するダイオード電流を利用してタイマ周期の温度特性を制御する。まず、ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された電圧を出力し、その出力電圧をダイオードのアノード・カソード間あるいはダイオード接続されたバイポーラトランジスタのエミッタ・ベース間に印加する。その際に流れる電流に基づき制御電流を発生し、その大きさに反比例するタイマ周期を発生させる。これにより、パラメータの調整によって情報保持時間の温度特性に適合する温度特性が付与されたタイマ周期を容易に得ることができ、周囲温度が変化する状況下で常に最適なリフレッシュ周期でセルフリフレッシュを行うことが可能となる。この場合、タイマ周期を不連続に切り替える構成要素や直列接続された複数のダイオードは不要であるため、レイアウト面積を増大させることなく低電力動作に適合した半導体記憶装置を実現することができる。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記第1の調整手段は、前記温度依存電圧源の出力電圧レベルを変更して前記温度べき乗係数を調整し、前記第2の調整手段は、前記制御電流の大きさを変更して前記対数レベルを調整することを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記第1の調整手段は、予め設定された複数の異なる前記出力電圧レベルの中から所定の出力電圧レベルを選択可能に構成され、前記第2の調整手段は、予め設定された複数の異なる前記制御電流の大きさの中から所定の制御電流の大きさを選択可能に構成されることを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記調整手段は、予め設定された高温測定点において前記タイマ周期が一致するように、前記出力電圧レベル及び前記制御電流の大きさを変更可能であることを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記制御電流発生手段は、ミラー比を切り替え可能なカレントミラーを介して前記温度検知素子に流れる電流を伝達することにより前記制御電流を発生し、前記第2の調整手段は、前記ミラー比の切り替え制御に応じて前記制御電流の大きさを変更することを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記温度依存電圧源は、抵抗の分圧比を切り替え可能な分圧回路を介して電圧を出力し、前記第1の調整手段は、前記分圧比の切り替え制御に応じて前記出力電圧レベルを変更することを特徴とする。
以上のように本発明の調整手段により、タイマ周期の所望の温度特性を容易に調整することができる。メモリセルの情報保持時間は、温度のべき乗で変化するので対数グラフ上で直線の温度特性で表される。そして、第1の調整手段により、温度べき乗係数に対応する温度依存性(直線の傾き)を調整し、第2の調整手段により、対数レベル(絶対値)を調整するので、自在に温度特性を制御できる。また、高温測定点でタイマ周期が一致するように調整を行えば温度依存性と絶対値を独立に調整でき所望の温度特性を迅速に得ることができる。さらに、タイマ周期の調整時には、温度依存電圧源の出力電圧レベルと制御電流の大きさをそれぞれ調整すればよいので、きめ細かく効率的な調整が可能となる。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記制御電流発生手段は、所定の温度以下において前記制御電流を一定の大きさに保持するように負帰還をかける帰還回路を有することを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記制御電流発生手段は、前記帰還回路の負帰還の大きさを制御して前記所定の温度を変更可能に構成されることを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路において、前記制御電流発生手段は、通常動作が設定されている場合は前記帰還回路を動作させ、テスト動作が設定されている場合は前記帰還回路の動作を停止させることを特徴とする。
以上のような本発明の帰還回路の作用により、情報保持時間の温度特性に対応させるべく低温で制御電流を減少させる際には発振動作が不安定になる恐れがあるので、それを回避するために一定の制御電流を確保することができる。この場合、所定温度以上で消費電流の低減が確保できれば、低温下では極端な消費電流の低減は不要であることも多いので、使用形態に適合するタイマ周期を確保しつつ動作の信頼性を高めることができる。
上記課題を解決するために、本発明のセルフリフレッシュタイマの調整方法は、ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された電圧を出力し、ダイオード特性を有する温度検知素子に前記温度依存電圧源の出力電圧を印加し、前記温度検知素子に流れる電流に比例する大きさの制御電流を発生し、前記制御電流の大きさに反比例すると共に連続的に変化するタイマ周期を発生し、前記タイマ周期の温度特性における温度べき乗係数を調整する第1の調整工程と前記タイマ周期の温度特性における対数レベルを調整する第2の調整工程とを含むことを特徴とする。
また、本発明の調整方法において、前記タイマ周期の温度特性における前記温度べき乗係数及び前記対数レベルをそれぞれ調整して得られる温度特性の中から、予め設定された高温測定点において前記タイマ周期が一致する所望の温度特性を選択可能であることを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ周期調整方法において、前記高温測定点において前記タイマ周期が一致する温度特性の中から、予め設定された低温測定点において前記温度べき乗係数と前記対数レベルの一方又は双方を調整して所望の温度特性を選択可能であることを特徴とする。
また、本発明のセルフリフレッシュタイマ周期調整方法において、前記所望の温度特性における前記タイマ周期は、メモリセルの情報保持時間により規定される温度特性を下回るように調整可能であることを特徴とする。
本発明によれば、ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された電圧とダイオード特性を有する温度検知素子を用いて制御電流を発生し、制御電流に反比例するタイマ周期を発生するようにしたので、温度に対して連続的かつ指数関数的に変化するタイマ周期を発生することができる。このとき、タイマ周期の温度特性における温度べき乗係数と対数レベルを自在に調整できるので、メモリセルの情報保持時間に適合する温度特性が付与されたタイマ周期を容易に得られ、周囲温度が変化する状況下で常に最適なリフレッシュ周期を用いたセルフリフレッシュを実行可能となる。また、本発明においては、タイマ周期を不連続に切り替える構成要素や直列接続された複数のダイオードを設ける必要がないため、レイアウト面積を増大させることなく低電力動作に適合した半導体記憶装置を実現可能となる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。ここでは、本発明のセルフリフレッシュタイマ回路についての2つの形態(第1実施形態及び第2実施形態)をそれぞれ説明するものとする。
(第1実施形態)
第1実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路の基本的な構成と機能について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、第1実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路1をDRAM等の半導体記憶装置に対して適用する場合の要部構成を示すブロック図である。図1においては、多数のメモリセルから構成されるメモリアレイ2の記憶情報を保持するためのセルフリフレッシュ動作を実行する際に必要な構成を示している。リフレッシュ制御部3は、メモリアレイ2に対するセルフリフレッシュ動作を制御する。その際、セルフレッシュタイマ回路1から出力されるタイマ周期信号に基づいて、セルフリフレッシュを実行するタイミングを判別する。セルフリフレッシュの実行時には、セルフリフレッシュ制御部3により指定される行アドレスに対応するワード線がワード線制御回路4により選択され、メモリアレイ2の選択ワード線上の各メモリセルがリフレッシュされる。また、コマンドデコーダ5は、セルフリフレッシュ動作の開始又は停止を含む各種コマンドを解析し、解析結果をリフレッシュ制御部3とワード線制御回路4に伝送する。
次に図2は、第1実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路1の機能ブロック図である。図2に示すセルフリフレッシュタイマ回路1は、バイアス電流回路11と、温度依存電圧源12と、温度検知ダイオード13aと電流源13bからなる制御電流発生回路13と、電流制御発振回路14と、分周回路15とを含んで構成されている。
以上の構成において、温度依存電圧源12は、出力レベルが温度に反比例して変化するような温度依存性を有する電圧Vを出力する電圧源である。温度依存電圧源12における温度依存性の度合は、制御信号S1に基づいて調整することができる。制御電流発生回路13では、本発明の温度検知素子としての温度検知ダイオード13aに温度依存電圧源12から出力された電圧Vが印加される。これにより、温度検知ダイオード13aにはダイオード特性に基づく電流Iが流れ、電流源13bにて電流Iに比例する大きさの制御電流I’を発生して出力する。制御電流発生回路13における電流Iと制御電流I’の比例係数は、制御信号S2に基づいて調整することができる。一方、バイアス電流回路11は、温度依存電圧源12及び制御電流発生回路13に対し、基準となるバイアス電流を供給する定電流源である。
電流制御発振回路14は、制御電流発生回路13から出力された制御電流I’の大きさに反比例する周期の発振信号を生成する回路である。分周回路15は、電流制御発振回路14の発振信号をN分周し、N倍の周期を持つタイマ周期信号を出力する。分周回路15における分周数Nは、セルフリフレッシュ動作における情報保持時間に応じて適切に設定すればよい。これらの電流制御発振回路14及び分周回路15により得られたタイマ周期信号に基づきセルフリフレッシュ動作のタイミングを制御することにより、情報保持時間の温度特性を補償し得る最適なタイマ周期を確保することが可能となる。
なお、制御電流発生回路13は、本発明の制御電流発生手段として機能し、電流制御発振回路14は、分周回路15と相まって本発明のタイマ周期発生手段として機能する。
以下、図2のセルフリフレッシュタイマ回路1の各構成要素に関し、より具体的な回路構成を説明する。まず、図3は、バイアス電流回路11の回路構成の一例を示す図である。図3に示すバイアス電流回路11には、抵抗RBとNチャネルMOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと呼ぶ)N10からなる第1の回路と、抵抗RS、PチャネルMOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタと呼ぶ)P10、P11、NMOSトランジスタN11、N12からなる第2の回路が含まれる。第1の回路においては、電源Vddが供給されて定電流が流れ、ノードND1から基準電圧VGNを出力する。また、第2の回路においては、電源Vddが供給されて所定の電流I0が流れ、ノードND2から基準電圧VBPを出力するとともに、ノードND3から基準電圧VBNを出力する。ここで、電流I0は、次の(1)式のように表される。
Figure 0004461430
ただし、n:放出係数(通常、シリコンではn=1)
k:ボルツマン定数(1.38×10-23J/K)
T:絶対温度(K)
q:電子の電荷(1.60×10-19℃)
Wa:NMOSトランジスタN11のチャネル幅
Wb:NMOSトランジスタN12のチャネル幅
(1)式に示される電流I0は、NMOSトランジスタN11、N12、PMOSトランジスタP10、P11のチャネル幅比と、抵抗RSの抵抗値に依存して変化する。この場合、タイマ周期の温度特性を規定する後述のダイオード電流に比べ、(1)式の電流I0の温度依存性が十分小さいので、セルフリフレッシュタイマ回路1の動作特性に与える影響は小さくなる。
次に図4は、温度依存電圧源12の回路構成の一例を示す図である。図4に示す温度依存電圧源12は、PMOSトランジスタP20、P21、P22、P23、NMOSトランジスタN20、N21、N22、バイポーラトランジスタであるPNPトランジスタQa、抵抗R1、R2からなる。かかる構成において、PMOSトランジスタP20は、図3のPMOSトランジスタP10とカレントミラーを構成し、そのゲートに基準電圧VBPが印加されている。よって、PNPトランジスタQaには、上述の電流I0がPMOSトランジスタP20を介して伝達された電流Iaが流れる。
ここで、PNPトランジスタQaは、ベースとコレクタがグランドに接続されているため、ノードND4側のアノードからグランド側のカソードに挿入されたダイオードとして動作する。そして、ノードND4には、ダイオード特性に基づいて、負の温度依存性を持つ電圧Vaが発生する。このとき、電圧Vaと電流Iaの間で以下の関係が成り立つ。
Figure 0004461430
ただし、Aa:PNPトランジスタQaのエミッタ面積
Is:飽和電流
図4に示すように、ノードND4に生じた電圧Vaは、NMOSトランジスタN20のゲートに印加される。図4において、PMOSトランジスタP21、P22、P23及びNMOSトランジスタN20、N21、N22は、いわゆる非反転増幅器のボルテージフォロワを構成する。NMOSトランジスタN22のゲートに基準電圧VGNを印加した状態で、NMOSトランジスタN21のゲートが接続されるノードND5には、電圧Vaに追随する電圧が生じる。さらに、上記のボルテージフォロワは、PMOSトランジスタP23に直列接続された抵抗R1、R2と分圧回路を構成し、その分圧比rに応じて電圧Vaを分圧した電圧V1をノードND6に発生する。この電圧V1は、次のように表される。
Figure 0004461430
ただし、r=R2/(R1+R2)
第1実施形態においては、(4)式における抵抗R1、R2の分圧比rを調整して、温度依存電圧源12から出力される電圧V1のレベルを変化させることにより、セルフリフレッシュタイマ回路1のタイマ周期の温度依存性を制御しているが、詳しくは後述する。
次に図5は、制御電流発生回路13の回路構成の一例を示す図である。図5に示す制御電流発生回路13は、PMOSトランジスタP30〜P34、NMOSトランジスタN30〜N35、PNPトランジスタQbからなる。かかる構成において、NMOSトランジスタN30のゲートには、温度依存電圧源12から出力される電圧V1が印加されている。PMOSトランジスタP30〜P32、NMOSトランジスタN30〜N32は、ボルテージフォロワを構成し、NMOSトランジスタN31のゲートが接続されるノードND7に、電圧V1に追随する電圧Vbを生じさせる。そして、PNPトランジスタQbは、ベースとコレクタがグランドに接続されてダイオードとして動作し、ノードND7を経由して電流Ibが流れる。
上記PNPトランジスタQbは、図2の温度検知ダイオード13aとしての役割を担う。ここで、PNPトランジスタQbにおける電圧Vbと電流Ibについては、上述の(2)、(3)式と同様、以下の関係が成り立つ。
Figure 0004461430
ただし、Ab:PNPトランジスタQbのエミッタ面積
かかる(5)式によれば、Vb=V1としたときに(3)、(4)式を用いて次の(7)式を導くことができる。
Figure 0004461430
ただし、N=Ab/Aa(2つのPNPトランジスタのエミッタの面積比)
この(7)式に示されるように、分圧比rの調整により電流Ibの温度べき乗係数を変化させることができる。また、PNPトランジスタQa、Qbのエミッタの面積比Nを調整して電流Ibの係数を変化させることができる。ここで、対数グラフ上では、温度べき乗係数は温度依存性(傾き)に対応し、電流Ibの係数は、対数レベル(絶対値)に対応する。なお、PMOSトランジスタP10(図3)、P20(図4)のチャネル幅比により電流Iaを調整する場合も、電流Ibの対数レベルを変化させることができる。
図5に示すように、電流Ibが流れるPMOSトランジスタP32は、PMOSトランジスタP33とカレントミラーを構成しているので、上記の電流IbはPMOSトランジスタP33を介した電流Icに伝達される。また、PMOSトランジスタP33、P34もカレントミラーを構成しているので、電流IcがさらにPMOSトランジスタP34を介して制御電流Idに伝達される。これらの電流Icと制御電流Idは、いずれも上記の電流Ibと比例関係にある。そして、ノードND8から電圧VOSPを出力し、ノードND9から電圧VOSNを出力する。なお、NMOSトランジスタN33の役割については後述する。
次に図6は、電流制御発振回路14の回路構成の一例を示す図である。図6に示す電流制御発振回路14は、PMOSトランジスタP40〜P55とNMOSトランジスタN40〜N55からなる。図6に示すように、電源側とグランド側に定電流源を持つ4段のインバータと他の3段のインバータを接続してフィードバックする構成とし、一定周期の発振出力を生成している。電源側の定電流源であるPMOSトランジスタP42、P44、P46、P48、P50の各ゲートには電圧VOSPが印加され、図5のPMOSトランジスタP34とカレントミラーを構成する。また、グランド側の定電流源であるNMOSトランジスタN43、N45、N47、N49、N52の各ゲートには電圧VOSNが印加され、図5のNMOSトランジスタN34とカレントミラーを構成する。
ここで、PMOSトランジスタP42、P44、P46、P48、P50を同一のチャネル幅とし、NMOSトランジスタN43、N45、N47、N49、N52も同一のチャネル幅とすることで、各々のインバータには共通の制御電流Idが流れるものとする。この場合、PMOSトランジスタP34、NMOSトランジスタN34のサイズの調整に連動して、各々のインバータに流れる制御電流Idが変化することになる。
電流制御発振回路14における発振出力の周期は、電源電圧、制御電流Idの大きさ、各々のインバータのゲート容量に依存して定まる。電源電圧とゲート容量を固定して考えれば、制御電流Idを可変することにより周期を自在に制御することができる。周期は制御電流Idに基づく充放電時間に依存するため、周期と制御電流Idの大きさが反比例する関係にある。よって、例えば、周期を長くするときは制御電流Idを減少方向に調整し、周期を短くするときは制御電流Idを増加方向に調整すればよい。図5のNMOSトランジスタN34のサイズを適切に調整すれば、各々のインバータを流れる制御電流Idを同時に変更することができる。この場合、NMOSトランジスタN34を流れる電流Icの温度依存性が、そのまま制御電流Idの温度依存性として伝達され、それがタイマ周期の温度依存性を規定することになる。
図6において、ノードND10には制御信号ONが入力され、電流制御発振回路14の発振動作を制御することができる。また、ノードND11からは一定周期の発振出力OUTが出力される。この発振出力OUTは、後段の分周回路15により分周されてタイマ周期信号となる。
次に、第1実施形態のセルフリフレッシュタイマに関し、タイマ周期の温度特性と具体的な調整方法について説明する。図7は、電圧(図4のVa、V1)の温度特性を示す図である。まず、PNPトランジスタQaを所定の電流Iaが流れた状態で、電圧Vaは温度特性C1に従って変化する。また、温度特性C1の状態から電流Iaを増加させた場合、電圧Vaは温度特性C2に従って変化する。例えば、図3のPMOSトランジスタP10と、図4のPMOSトランジスタP20のチャネル幅比w1を変更すれば、異なる温度特性C1、C2を自在に設定することができる。このチャネル幅比w1は、カレントミラーにおけるミラー比に対応する。
これらの温度特性C1、C2はいずれも負の温度依存性(ログスケールでの傾き)を示し、かつ両者の温度依存性は概ね同様になっている。これは(3)式で表される電圧Vaにおいて、飽和電流Isが強い正の温度依存性を持つことを反映したものである。すなわち、飽和電流Isは、次の(8)式のように表すことができる。
Figure 0004461430
ただし、T0:測定温度
Eg:エネルギーギャップ
XTI:飽和電流の温度特性のべき乗係数(通常、シリコンではXTI=3)
(8)式において、T/T0の項に比べて指数関数の項は温度に対する変化が大きくなるため、飽和電流Isは温度に対して指数関数的に変化することになる。ここで、(3)式に基づいて次の(9)式が導かれる。
Figure 0004461430
かかる(9)式においては、温度依存性に関してはln(Is)の項が支配的となるため、図7の温度特性C1、C2に示すように温度の上昇に伴い電圧Vaが減少していく一方で、電流Iaの変化に対しては主に絶対値が変化するのみの特性となる。
一方、抵抗R1、R2により分圧された電圧V1(図4)の場合は、温度特性C1に対しては温度特性C3が得られ、温度特性C2に対しては温度特性C4が得られる。それぞれ、電圧Vaの温度特性C1、C2に比べて温度依存性が小さくなることがわかる。つまり、温度特性C2、C4の傾きは緩やかになり、温度変化に対する変化率が減少している。これは、(4)式に示すように、単純にV1=r・Vaとなる計算結果を反映したものである。
ここで、第1実施形態においては、温度依存性の異なる温度特性C3と温度特性C4は、ともに図7における高温測定点Txにおいて同一の電圧値Vxで交わっている。高温測定点Txにおいて、上述の手法で温度依存性を調整する際、例えばPMOSトランジスタP10とPMOSトランジスタP20のチャネル幅比w1を適切に調整することで、常に高温測定点Tx、電圧値Vxの交点が変動しない状態を保つことが可能である。
次に図8は、電流制御発振回路14における制御電流Idの温度特性を示す図である。図8では、縦軸の制御電流Idをログスケール、横軸の温度をリニアスケールにて示している。上述したように、カレントミラーを介して電流Ibが電流Ic、制御電流Idと伝達されていくので、制御電流Idは、(7)式に示すように温度のべき乗に比例して変化する。よって、図8に示すように、制御電流Idはログスケールにおいて、ある傾きを持つ直線のグラフで表される。
まず、図8において、所定の条件下で制御電流Idが温度特性C5に従って変化する場合、上述のチャネル幅比w1を変更して制御電流Idを増加させると、絶対値(対数レベル)が大きくなって温度特性C6に推移する。この温度特性C6は、温度特性C5の傾きを保ったままグラフ上の垂直方向への平行移動として現れる。一方、温度特性C5の状態を基準に上述の方法に従って、高温測定点Tx及び電流値Ixとの交点を保持するように温度依存性を調整すると、温度特性C7、C8のように交点を中心に回転させることができる。
また、図8においては、温度特性C5の低温の範囲で直線から逸脱した領域C5aが示されている。この領域C5aは、図5のNMOSトランジスタN33を設けない場合の動作を反映したものである。すなわち、PNPトランジスタQbの低温時における固有の動作として、電流Ibが所定温度以下で急激に減少する現象がある。かかる現象によりログスケールの温度特性が直線から逸脱することを回避するため、NMOSトランジスタN33を流れる補正電流Issを加えることにより、低温側での電流Ibの減少を補正する構成を採用するものである。
ここで、制御電流Idの温度依存性の調整に際し、傾きが大きい特性になると領域C5aにおける制御電流Idの減少分が大きくなるため、補正電流Issを大きくする必要がある。そのため、NMOSトランジスタN33のサイズを可変に構成し、電流の温度依存性の調整に連動してチャネル幅Wとチャネル長Lの比W/Lを大きくすることにより、補正電流Issを大きくすればよい。
以上から、第1実施形態の構成において、タイマ周期の温度特性を調整する際には、
(1)PMOSトランジスタP10、P20のチャネル幅比w1(ミラー比)
(2)抵抗R1、R2による分圧比r
(3)NMOSトランジスタN33のサイズの比W/L
の3項目を同時に調整する必要がある。
次に図9は、タイマ周期の温度特性を示す図である。図9では、図8と同様に縦軸のタイマ周期をログスケール、横軸の温度をリニアスケールにて示している。タイマ周期と制御電流Idは既に述べたように反比例する関係にあるので、タイマ周期はログスケールにおいて温度に対して負の傾きを持つ直線のグラフで表される。図8において制御電流Idの絶対値を調整したときの温度特性C5、C6は、図9における温度特性C9、C10に対応している。この場合、高温測定点Txにおいて制御電流Idを変更したとき、元の温度特性C9を基準にグラフ上の垂直方向に平行移動するので、例えば温度特性C10に推移させることができる。
ここで、図9においては、メモリセルの情報保持時間の温度特性Cmを重ねて示している。最終的にタイマ周期は情報保持時間を超えないように制御する必要があるので、上記の温度特性C10が高温測定点Txにて情報保持時間より若干短いタイマ周期を持つように調整を行う。次いで、温度を変更して低温測定点Tyに移行し、温度特性C10を基準として上述の調整項目(1)、(2)、(3)を同時に調整しながら制御電流Idの温度依存性を変化させる。このとき、上述したように高温測定点Txにおける交点を保持するように調整を行っておき、低温測定点Tyにて情報保持時間より若干短いタイマ周期に調整すればよい。このように2点の温度測定点における調整を行うことにより、情報保持時間の温度特性Cmを僅かに下方に平行移動した温度特性C11が得られ、温度に対してタイマ周期を最適に制御可能なセルフリフレッシュタイマ回路1を実現することができる。
次に、タイマ周期の制御に伴い上述のチャネル幅比w1と分圧比rを調整するために必要な切り替え回路の構成例を説明する。図10(a)は、NMOSトランジスタのチャネル幅切り替え回路の構成例であり、図10(b)は、PMOSトランジスタのチャネル幅切り替え回路の構成例である。また、図11は、抵抗R1、R2の分圧比切り替え回路の構成例である。
まず、図10(a)のチャネル幅切り替え回路は、ソースとゲートが共通に接続されたm個のNMOSトランジスタn(1)〜n(m)と、それらに直列に接続され、かつドレインが共通に接続されたm個のNMOSトランジスタからなる選択スイッチs(1)〜s(m)から構成される。m個の選択スイッチs(1)〜s(m)のゲートには、それぞれ異なる切替信号が入力され、各々の切替信号のレベルをハイ又はローに切り替え制御することにより、NMOSトランジスタn(1)〜n(m)のいずれかが選択的にオン状態となる。このとき、m個のNMOSトランジスタn(1)〜n(m)を異なるチャネル幅に設定しておけば、切替信号の選択に応じて所望のチャネル幅を選択可能となる。
また、図10(b)のチャネル幅切り替え回路は、ソースとゲートが共通に接続されたm個のPMOSトランジスタp(1)〜p(m)と、それらに直列に接続され、かつドレインが共通に接続されたm個のNMOSトランジスタからなる選択スイッチss(1)〜ss(m)から構成される。そして、図10(a)の場合と同様、m個の選択スイッチss(1)〜ss(m)のゲートに入力された異なる切替信号に応じて、PMOSトランジスタp(1)〜p(m)のいずれかをオン状態とすることで、異なるチャネル幅に設定されたm個のPMOSトランジスタp(1)〜p(m)の中から所望のチャネル幅を選択可能となる。
一方、図11の分圧比切り替え回路は、抵抗R1+R2中にk個のタップt(1)〜t(k)を設け、各々のタップt(1)〜t(k)にNMOSトランジスタからなる選択スイッチst(1)〜st(k)を接続して構成される。k個の選択スイッチst(1)〜st(k)のゲートには、それぞれ異なる切替信号が入力され、いずれかをハイレベルに切り替え制御することにより、各々のタップt(1)〜t(k)の一つを選択的に出力することができる。この場合、入力側から選択タップの位置までの抵抗R1と、選択タップの位置からグランド側までの抵抗R2とにより、分圧比rが定まることになる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路1について説明する。この第2実施形態は、第1実施形態と基本的な構成及び動作は共通であるが、タイマ周期の温度に対する制御が異なっている。一般にモバイル用途のDRAMのセルフリフレッシュに際し、所定温度以上でのみ消費電流の低減が要望される一方、低温側では極端な消費電流の低減が不要であるケースが少なくない。このような場合、図8に示すように低温側でタイマ周期を長くするために電流制御発振回路14の動作電流を極端に減らすと、動作が不安定になる恐れもある。そこで、第2実施形態では、タイマ周期の温度補償を高温側で行う一方、低温側では一定のタイマ周期を保持して動作の安定化を図る構成を説明する。
第2実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路1のうち、バイアス電流回路11、温度依存電圧源12、電流制御発振回路14、分周回路15の構成については第1実施形態と同様になるので、説明を省略する。第2実施形態においては、制御電流発生回路13の構成が第1実施形態と異なっている。
図12は、第2実施形態における制御電流発生回路20の回路構成の一例を示す図である。図12に示す制御電流発生回路20は、第1実施形態の制御電流発生回路13の各構成要素に、PMOSトランジスタP60とNMOSトランジスタN60、N61、N62、N63からなる帰還回路を付加した構成を備えている。そして、PMOSトランジスタP60のゲートには基準電圧VBPが印加され、バイアス電流回路11のPMOSトランジスタP10とカレントミラーを構成している。そして、PMOSトランジスタP60には定電流Ieが流れ、ノードND12がNMOSトランジスタN60のゲートに接続されている。
セルフリフレッシュタイマ回路1が低温下で動作する場合、所定の温度を下回って上記の定電流Ieが減少したとき、NMOSトランジスタN60のゲート電位が上昇してオン状態になる。このとき、NMOSトランジスタN62、N60、N61を介してノードND7から引き抜き電流が流れることにより、その分だけPMOSトランジスタP32を流れる電流が増加する。すると、PMOSトランジスタP32とカレントミラーを構成するPMOSトランジスタP33を流れる電流も増加するので、ノードND9を介してNMOSトランジスタN63のゲート電位が上昇する。これにより、NMOSトランジスタN63を流れる電流が増加するので、NMOSトランジスタN60のゲート電位が低下し、上述の引き抜き電流が減少する。このような変化が帰還ループに生じることで、NMOSトランジスタN63に定電流Ieが流れた状態で釣り合う。そして、NMOSトランジスタN63とカレントミラーを構成するNMOSトランジスタN34には定電流Ieに比例する一定の電流Icが流れる。その結果、制御電流Idも定電流Ieに比例することになる。このとき、低温時に流れる一定の制御電流Idの大きさは、MMOSトランジスタN63、N34のチャネル幅に応じて調整することができる。NMOSトランジスタN63、N34、N35のチャネル幅をそれぞれWx、Wy、Wzと表すと、制御電流Idは次の(10)式で表される。
Figure 0004461430
よって、NMOSトランジスタN35に対するNMOSトランジスタN63のチャネル幅比に応じて、低温において制御電流Idが一定となる電流値を調整することができる。一方、所定の温度を越えた高温環境下では、PNPトランジスタQbの電流Ibが増加するため電流Icも増加し、それによりNMOSトランジスタN63のゲート電位が上昇する。このときNMOSトランジスタN63にて定電流Ieより大きい電流を流すことができれば、NMOSトランジスタN60は、ゲート電位がそのしきい値以下に低化して遮断状態となり、ノードND7からの引き抜き電流は流れなくなる。このように、上記の帰還回路により、低温では負帰還による引き抜き電流を流して一定の制御電流Idを保つ一方、高温では自動的に負帰還による引き抜き電流を止めるように制御可能となる。
なお、図12において、NMOSトランジスタN62のゲートにテスト信号TEが印加されている。これにより、通常動作時は上記のNMOSトランジスタN62をオン状態として帰還回路を動作させる一方、テスト動作時はNMOSトランジスタN62をオフ状態として帰還回路の動作を停止させることができる。
ここで、図13は、第2実施形態の電流制御発振回路20における制御電流Idの温度特性を示す図であり、第1実施形態の図8に対応する図である。図13においては、制御電流Idについて所定の絶対値と所定の温度依存性が調整された状態で、NMOSトランジスタN63、N34のチャネル幅比w2を変更した場合の特性変化を示している。図13に示す3つの温度特性C21、C22、C23は、この順でチャネル幅比w2を大きくした場合の制御電流Idの特性変化を示している。
図13に示すように、各温度特性C21、C22、C23において、それぞれ所定の温度T1、T2、T3以上の範囲では同様の温度依存性に従って変化する。一方、各温度特性C21、C22、C23において、所定の温度T1、T2、T3以下の範囲で、それぞれ一定の制御電流が保持される。なお、これらの温度特性C21、C22、C23のいずれも、テスト信号TEをハイレベルとした通常動作時のものである。また、図13においては、テスト信号TEをローレベルとしてテスト動作に移行したときの変化を点線にて示している。このようにテスト動作の場合は、第1実施形態の図8と同様の特性変化になる。
また、図14は、第2実施形態のタイマ周期の温度特性を示す図であり、第1実施形態の図9に対応する図である。図14における温度特性C24、C25、C26は、それぞれ図13の温度特性C21、C22、C23に対応するものである。これらの温度特性C24、C25、C26においては、それぞれ所定の温度T1、T2、T3以下ではタイマ周期がそれ以上長くならずに所定周期が保持されることがわかる。一方、テスト動作の場合は、点線で示すように第1実施形態の図9と同様の変化になる。
以上、本実施形態に基づいて本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、本実施形態では、ダイオード接続された2つのPNPトランジスタQa、Qbを設けてタイマ周期の温度補償を行う構成を説明したが、かかる構成に限られることなく本発明の適用が可能である。すなわち、ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された温度依存電圧源12を用い、さらには制御電流発生回路13のPNPトランジスタQbは、ダイオード特性を持つ他の温度検知素子に置き換えて構成してもよい。また、タイマ周期の温度特性は、製造工程において温度べき乗係数、対数レベルを調整する場合のほか、予め設計条件で規定しておく場合であっても本発明の適用が可能である。
第1実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路を半導体記憶装置に対して適用する場合の要部構成を示すブロック図である。 第1実施形態のセルフリフレッシュタイマ回路の機能ブロック図である。 バイアス電流回路の回路構成の一例を示す図である。 温度依存電圧源の回路構成の一例を示す図である。 第1実施形態の制御電流発生回路の回路構成の一例を示す図である。 電流制御発振回路の回路構成の一例を示す図である。 電圧(Va、V1)の温度特性を示す図である。 第1実施形態の電流制御発振回路における制御電流の温度特性を示す図である。 第1実施形態のタイマ周期の温度特性を示す図である。 NMOS及びPMOSトランジスタのチャネル幅切り替え回路の構成例である。 抵抗の分圧比切り替え回路の構成例である。 第2実施形態の制御電流発生回路の回路構成の一例を示す図である。 第2実施形態の電流制御発振回路における制御電流の温度特性を示す図である。 第2実施形態のタイマ周期の温度特性を示す図である。 従来の構成におけるタイマ周期の温度特性を示す図である。
符号の説明
1…セルフリフレッシュタイマ回路
2…メモリアレイ
3…リフレッシュ制御部
4…ワード線制御回路
5…コマンドデコーダ
11…バイアス電流回路
12…温度依存電圧源
13、20…制御電流発生回路
13a…温度検知ダイオード
13b…電流源
14…電流制御発振回路
15…分周回路
P10、P11、P20〜P23、P30〜P34、P40〜P55、P60…PMOSトランジスタ
N10〜N12、N20〜N22、N30〜N35、N40〜N55、N60〜N63…NMOSトランジスタ
Qa、Qb…PNPトランジスタ
RB、RS、R1、R2…抵抗

Claims (13)

  1. 半導体記憶装置のセルフリフレッシュ動作の制御に用いるタイマ周期を発生するセルフリフレッシュタイマ回路であって、
    ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された電圧を出力する温度依存電圧源と、
    ダイオード特性を有する温度検知素子に前記温度依存電圧源の出力電圧を印加し、前記温度検知素子に流れる電流に比例する大きさの制御電流を発生する制御電流発生手段と、
    前記制御電流の大きさに反比例すると共に連続的に変化するタイマ周期を発生するタイマ周期発生手段と、
    を備え、
    前記タイマ周期の温度特性における温度べき乗係数を調整する第1の調整手段と、
    前記タイマ周期の温度特性における対数レベルを調整する第2の調整手段と、
    を含む調整手段をさらに備えることを特徴とするセルフリフレッシュタイマ回路。
  2. 前記第1の調整手段は、前記温度依存電圧源の出力電圧レベルを変更して前記温度べき乗係数を調整し、前記第2の調整手段は、前記制御電流の大きさを変更して前記対数レベルを調整することを特徴とする請求項に記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  3. 前記第1の調整手段は、予め設定された複数の異なる前記出力電圧レベルの中から所定の出力電圧レベルを選択可能に構成され、前記第2の調整手段は、予め設定された複数の異なる前記制御電流の大きさの中から所定の制御電流の大きさを選択可能に構成されることを特徴とする請求項に記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  4. 前記調整手段は、予め設定された高温測定点において前記タイマ周期が一致するように、前記出力電圧レベル及び前記制御電流の大きさを変更可能であることを特徴とする請求項に記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  5. 前記制御電流発生手段は、ミラー比を切り替え可能なカレントミラーを介して前記温度検知素子に流れる電流を伝達することにより前記制御電流を発生し、
    前記第2の調整手段は、前記ミラー比の切り替え制御に応じて前記制御電流の大きさを変更することを特徴とする請求項又はに記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  6. 前記温度依存電圧源は、抵抗の分圧比を切り替え可能な分圧回路を介して電圧を出力し、
    前記第1の調整手段は、前記分圧比の切り替え制御に応じて前記出力電圧レベルを変更することを特徴とする請求項又はに記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  7. 前記制御電流発生手段は、所定の温度以下において前記制御電流を一定の大きさに保持するように負帰還をかける帰還回路を有することを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  8. 前記制御電流発生手段は、前記帰還回路の負帰還の大きさを制御して前記所定の温度を変更可能に構成されることを特徴とする請求項に記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  9. 前記制御電流発生手段は、通常動作が設定されている場合は前記帰還回路を動作させ、テスト動作が設定されている場合は前記帰還回路の動作を停止させることを特徴とする請求項又はに記載のセルフリフレッシュタイマ回路。
  10. ダイオード特性に基づく温度依存性が付与された電圧を出力し、ダイオード特性を有する温度検知素子に前記温度依存電圧源の出力電圧を印加し、前記温度検知素子に流れる電流に比例する大きさの制御電流を発生し、前記制御電流の大きさに反比例すると共に連続的に変化するタイマ周期を発生し、
    前記タイマ周期の温度特性における温度べき乗係数を調整する第1の調整工程と前記タイマ周期の温度特性における対数レベルを調整する第2の調整工程とを含むことを特徴とするセルフリフレッシュタイマの調整方法。
  11. 前記タイマ周期の温度特性における前記温度べき乗係数及び前記対数レベルをそれぞれ調整して得られる温度特性の中から、予め設定された高温測定点において前記タイマ周期が一致する所望の温度特性を選択可能であることを特徴とする請求項10に記載の調整方法。
  12. 前記高温測定点において前記タイマ周期が一致する温度特性の中から、予め設定された低温測定点において前記温度べき乗係数と前記対数レベルの一方又は双方を調整して所望の温度特性を選択可能であることを特徴とする請求項11に記載の調整方法。
  13. 前記所望の温度特性における前記タイマ周期は、メモリセルの情報保持時間により規定される温度特性を下回るように調整可能であることを特徴とする請求項12に記載の調整方法。
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