JP4543193B2 - Semiconductor device - Google Patents

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本発明は、半導体装置、特に拡散電流を流す半導体素子を用いて集積回路上に構成される基準電圧源に関するものである。更に詳細に述べると、電源電圧の変動に対して安定な基準電圧源、絶対温度に比例する電圧を発生するPTAT基準電圧源、及びこの型の基準電圧源の利用に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a reference voltage source configured on an integrated circuit using a semiconductor element that flows a diffusion current. More particularly, the present invention relates to a reference voltage source that is stable against fluctuations in power supply voltage, a PTAT reference voltage source that generates a voltage proportional to absolute temperature, and the use of this type of reference voltage source.

絶対温度に比例した(PTAT:Proportional To Absolute Temperature)基準電圧源は、集積回路上に温度センサやバンドギャップ基準電圧源を実現する際に必要となる重要なアナログ回路である。ところで、PTAT基準電圧源としては、弱反転状態で動作するMOSFETを利用した半導体装置として、特許文献1がある。特許文献1は、弱反転領域で動作するMOSFETのゲート端子とドレイン端子を接続してダイオード接続し、飽和する状態で動作させたMOSFETを組み合わせたPTAT基準電圧源を示している。特許文献1のPTAT基準電圧源では、PTAT基準電圧は、絶対温度及びMOSFETの形状によって決まる定数に比例し、指数動作状態における傾斜係数nに反比例する特性を示す。   A Proportional To Absolute Temperature (PTAT) reference voltage source that is proportional to absolute temperature is an important analog circuit that is required when a temperature sensor or a band gap reference voltage source is realized on an integrated circuit. By the way, as a PTAT reference voltage source, there is Patent Document 1 as a semiconductor device using a MOSFET that operates in a weak inversion state. Patent Document 1 shows a PTAT reference voltage source in which MOSFETs operated in a saturated state are connected by connecting a gate terminal and a drain terminal of a MOSFET operating in a weak inversion region to be diode-connected. In the PTAT reference voltage source of Patent Document 1, the PTAT reference voltage is proportional to a constant determined by the absolute temperature and the shape of the MOSFET, and exhibits a characteristic inversely proportional to the slope coefficient n in the exponential operation state.

しかし、近年のアナログ回路の低電源電圧化の要求にともない、基準電圧が集積回路の製造パラメータに影響されない低電源電圧駆動のPTAT基準電圧源が必要とされている。特許文献1に示されるゲート端子とドレイン端子が接続されたダイオード接続のMOSFETでは、ドレイン電圧の変化に伴ってゲート電圧も変化するために、MOSFETの動作状態はドレイン電圧により変化することになる。特に、近年の集積回路における低いしきい値のMOSFETにおいては、ドレイン電圧の設定範囲が著しく制限される。また、指数動作状態における傾斜係数nは、集積回路の製造パラメータおよびMOSFETの動作状態によって変動するパラメータであり、基準電圧の特性を劣化させるとともに、設計時の設定電圧の信頼性を劣化させる。   However, with the recent demand for lowering the power supply voltage of analog circuits, a PTAT reference voltage source driven by a low power supply voltage, in which the reference voltage is not affected by the manufacturing parameters of the integrated circuit, is required. In the diode-connected MOSFET in which the gate terminal and the drain terminal are connected as shown in Patent Document 1, the gate voltage also changes as the drain voltage changes, so that the operating state of the MOSFET changes depending on the drain voltage. In particular, in a low threshold MOSFET in a recent integrated circuit, the setting range of the drain voltage is remarkably limited. In addition, the slope coefficient n in the exponential operation state is a parameter that varies depending on the manufacturing parameters of the integrated circuit and the operation state of the MOSFET, and degrades the characteristics of the reference voltage and the reliability of the set voltage at the time of design.

公開特許公報 特開昭55−57920号Japanese Published Patent Publication No. 55-57920

近年の微細化プロセスにおけるしきい電圧の低下によりMOSFETの駆動範囲がさらに狭まり、汎用プロセスのもとで0.5V以下の低い電源電圧から動作し、電源電圧の変動に対して安定な電圧を生成するPTAT基準電圧源は存在しない。このため、太陽電池等の微弱でかつ不安定な電源で駆動できるオンチップPTAT回路を実現することができない。また、外部回路として直列に電流源を必要とする場合には、回路の最低動作電源電圧がさらに高められてしまう。さらに、指数動作状態における傾斜係数nの変動による劣化は、基準電圧源の設定電圧の信頼性を低下させる要因となる。   The driving range of MOSFETs is further narrowed due to a decrease in threshold voltage in recent miniaturization processes, and it operates from a low power supply voltage of 0.5 V or less under a general-purpose process and generates a stable voltage against fluctuations in power supply voltage. There is no PTAT reference voltage source to perform. For this reason, an on-chip PTAT circuit that can be driven by a weak and unstable power source such as a solar cell cannot be realized. In addition, when a current source is required in series as an external circuit, the minimum operating power supply voltage of the circuit is further increased. Further, the deterioration due to the variation of the slope coefficient n in the exponential operation state becomes a factor of reducing the reliability of the set voltage of the reference voltage source.

そこで、本発明では、低い電源電圧で駆動でき、かつ、電源電圧の変動に対して安定な基準電圧を生成するとともに、基準電圧の温度係数が製造工程におけるパラメータの変動に影響されにくく、基準電圧の温度係数が拡散電流で動作する半導体素子の形状により集積回路上に正確に設計可能な、基準電圧生成のための半導体装置を提供することを目的としている。   Therefore, in the present invention, a reference voltage that can be driven with a low power supply voltage and is stable with respect to fluctuations in the power supply voltage is generated, and the temperature coefficient of the reference voltage is less affected by parameter fluctuations in the manufacturing process. An object of the present invention is to provide a semiconductor device for generating a reference voltage that can be accurately designed on an integrated circuit according to the shape of a semiconductor element that operates with a diffusion current.

第1のラテラルバイポーラトランジスタと第2のラテラルバイポーラトランジスタを備えた半導体装置であって、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタのコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタのエミッタ端子とを接続し、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタのコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタのエミッタ端子との端子間を出力端子とし、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタのエミッタ端子を基準電位とし、前記第2のラテラルバイポーラトランジスタのコレクタ端子に所定の供給電圧を印加し、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタのベース端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタのベース端子とを接続し、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタのベース端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタのベース端子との端子間を第1のベース端子とし、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタと前記第2のラテラルバイポーラトランジスタとは同一構造のラテラルバイポーラトランジスタであり、前記第1のベース端子には、第1のラテラルバイポーラトランジスタのエミッタ側pn接合がわずかに順方向バイアスされる動作領域から逆方向バイアスされる動作領域となる範囲の電圧を印加され、前記供給電圧には、前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタがnpnラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記基準電位に対して、正の電圧を印加され、前記供給電圧には、前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタがpnpラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記基準電位に対して、負の電圧を印加されることにより達成することができる。A semiconductor device comprising a first lateral bipolar transistor and a second lateral bipolar transistor, wherein a collector terminal of the first lateral bipolar transistor and an emitter terminal of the second lateral bipolar transistor are connected, and the first A terminal between the collector terminal of one lateral bipolar transistor and the emitter terminal of the second lateral bipolar transistor is an output terminal, the emitter terminal of the first lateral bipolar transistor is a reference potential, and the second lateral bipolar transistor is A predetermined supply voltage is applied to the collector terminal of the first lateral bipolar transistor, the base terminal of the first lateral bipolar transistor and the base terminal of the second lateral bipolar transistor are connected, and the first lateral bipolar transistor is connected. Between the base terminal of the first lateral bipolar transistor and the base terminal of the second lateral bipolar transistor is a first base terminal, and the first lateral bipolar transistor and the second lateral bipolar transistor are lateral bipolar transistors having the same structure. And the first base terminal is applied with a voltage in a range where the emitter side pn junction of the first lateral bipolar transistor is slightly forward biased to an operation region reversely biased, When the first and second lateral bipolar transistors are npn lateral bipolar transistors, a positive voltage is applied to the supply voltage with respect to the reference potential, and the supply voltage includes the first and second supply voltages. The lateral bipolar transistor is pnp lateral bipolar transistor If, relative to the reference potential, it can be achieved by being applied a negative voltage.

本発明の半導体装置及びその駆動方法によれば、比例係数を正確に設計可能で、絶対温度に比例するとともに、電源電圧の変動に不感な電圧を集積回路上で発生することが可能になる。微細な半導体素子を拡散電流でモデル化される領域で動作させているので、最低動作電源電圧は0.2V程度(出力電圧+0.1V程度)ときわめて低い電源電圧での動作が可能であり、消費電力がきわめて小さいとともに、設計面積が極めて小さい。また、形状比が異なる複数の半導体素子で得られる拡散電流の比により、温度に比例した出力電圧を決定しているために、製造プロセスにおるパラメータの変動に依存しない特性を実現している。したがって、太陽電池等の微弱な電源で駆動できるオンチップに集積可能なPTAT回路を実現できるという効果を奏するとともに、汎用集積回路に搭載してオンチップで温度検出を行う応用回路およびバイアス電圧回路に幅広く適応できるという効果を奏する。   According to the semiconductor device and the driving method thereof of the present invention, the proportionality coefficient can be designed accurately, and a voltage that is proportional to the absolute temperature and insensitive to fluctuations in the power supply voltage can be generated on the integrated circuit. Since a fine semiconductor element is operated in a region modeled by a diffusion current, the minimum operating power supply voltage can be operated with a very low power supply voltage of about 0.2 V (output voltage +0.1 V), Power consumption is extremely small and the design area is extremely small. In addition, since the output voltage proportional to the temperature is determined by the ratio of the diffusion currents obtained by a plurality of semiconductor elements having different shape ratios, characteristics that do not depend on parameter variations in the manufacturing process are realized. Therefore, it is possible to realize a PTAT circuit that can be integrated on-chip that can be driven by a weak power source such as a solar battery, and to an application circuit and a bias voltage circuit that are mounted on a general-purpose integrated circuit and perform temperature detection on-chip. The effect is that it can be widely applied.

図1Aは、本発明によるNMOSFETを用いた回路構成図である。図1Bは、本発明によるPMOSFETを用いた回路構成図である。FIG. 1A is a circuit configuration diagram using an NMOSFET according to the present invention. FIG. 1B is a circuit configuration diagram using a PMOSFET according to the present invention. 図2Aは、図1Aに示す本発明の第1の実施例の半導体装置をラテラルバイポーラトランジスタを用いて構成した場合の回路構成図である。図2Bは、図1Bに示す本発明の第1の実施例の半導体装置をラテラルバイポーラトランジスタを用いて構成した場合の回路構成図である。FIG. 2A is a circuit configuration diagram when the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1A is configured using lateral bipolar transistors. FIG. 2B is a circuit configuration diagram when the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1B is configured using lateral bipolar transistors. 図3Aは、図1Aの模式的な構造断面図である。図3Bは、図1Bの模式的な構造断面図である。図3Cは、図1AをSOIプロセスで製造した場合の模式的な構造断面図である。図3Dは、図1AをSOIプロセスで製造した場合の模式的な上面図である。図3Eは、図1BをSOIプロセスで製造した場合の模式的な構造断面図である。図3Fは、図2Aをラテラルバイポーラトランジスタを用いてSOIプロセスで製造した場合の模式的な構造断面図である。図3Gは、図2Aをラテラルバイポーラトランジスタを用いてSOIプロセスで製造した場合の模式的な上面図である。図3Hは、図2Bをラテラルバイポーラトランジスタを用いてSOIプロセスで製造した場合の模式的な構造断面図である。FIG. 3A is a schematic structural cross-sectional view of FIG. 1A. FIG. 3B is a schematic structural cross-sectional view of FIG. 1B. FIG. 3C is a schematic cross-sectional view of the structure when FIG. 1A is manufactured by an SOI process. FIG. 3D is a schematic top view when FIG. 1A is manufactured by an SOI process. FIG. 3E is a schematic cross-sectional view of the structure when FIG. 1B is manufactured by an SOI process. FIG. 3F is a schematic structural cross-sectional view of the case where FIG. 2A is manufactured by a SOI process using a lateral bipolar transistor. FIG. 3G is a schematic top view when FIG. 2A is manufactured by a SOI process using a lateral bipolar transistor. FIG. 3H is a schematic cross-sectional view of the structure when FIG. 2B is manufactured by a SOI process using a lateral bipolar transistor. 図4は、本発明の第1の実施例の半導体装置の動作領域を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing an operation region of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図5Aは、図1Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置に直流電圧源を接続して駆動した場合の測定に用いた回路例である。図5Bは、図1Bに対応する本発明の第1の実施例のPMOSFET構成の半導体装置に直流電圧源を接続して駆動した場合の測定に用いた回路例である。FIG. 5A is an example of a circuit used for measurement when a DC voltage source is connected to a semiconductor device having an NMOSFET structure according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1A. FIG. 5B is an example of a circuit used for measurement when a DC voltage source is connected to a semiconductor device having a PMOSFET structure according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1B. 図5Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置の測定回路において、絶対温度Tをパラメータとした場合の電位差VD−VSに対する出力電位差VO−VSの測定結果を示す図である。5A is a diagram showing a measurement result of an output potential difference VO-VS with respect to a potential difference VD-VS when the absolute temperature T is used as a parameter in the measurement circuit of the semiconductor device having the NMOSFET configuration according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 5A. is there. 図5Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置の測定回路において、絶対温度Tをパラメータとした場合の電位差VD−VSに対する消費電流IDの測定結果を示す図である。FIG. 5B is a diagram showing a measurement result of a consumption current ID with respect to a potential difference VD−VS when an absolute temperature T is used as a parameter in the measurement circuit of the semiconductor device having the NMOSFET configuration according to the first example of the present invention corresponding to FIG. 5A. 図5Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置の測定回路において、絶対温度Tに対する出力電位差VO−VSの理論特性と測定結果を示す図である。FIG. 5B is a diagram illustrating theoretical characteristics and measurement results of an output potential difference VO−VS with respect to an absolute temperature T in the measurement circuit of the semiconductor device having the NMOSFET configuration according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 5A. 図9Aは、図1Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置において、VC=VB=VSとした場合の回路構成例である。図9Bは、図1Bに対応する本発明の第1の実施例のPMOSFET構成の半導体装置において、VC=VB=VSとした場合の回路構成例である。図9Cは、図1Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置において、VC=VO、VB=VSとした場合の回路構成例である。図9Dは、図1Bに対応する本発明の第1の実施例のPMOSFET構成の半導体装置において、VC=VO、VB=VSとした場合の回路構成例である。FIG. 9A is a circuit configuration example when VC = VB = VS in the NMOSFET semiconductor device according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1A. FIG. 9B is a circuit configuration example when VC = VB = VS in the semiconductor device having the PMOSFET configuration according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1B. FIG. 9C is a circuit configuration example in the case of VC = VO and VB = VS in the NMOSFET semiconductor device according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1A. FIG. 9D is a circuit configuration example when VC = VO and VB = VS in the semiconductor device having the PMOSFET configuration of the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1B. 図9Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置の回路構成例において、絶対温度Tに対する出力電位差VO−VSの理論特性と測定結果を示す図である。It is a figure which shows the theoretical characteristic and measurement result of output potential difference VO-VS with respect to absolute temperature T in the circuit structural example of the semiconductor device of the NMOSFET structure of 1st Example of this invention corresponding to FIG. 9A. 図11Aは、図1Aに対応する本発明の第1の実施例のNMOSFET構成の半導体装置を縦続接続して大きな正の温度係数を実現する回路構成例である。図11Bは、図1Bに対応する本発明の第1の実施例のPMOSFET構成の半導体装置を縦続接続して大きな負の温度係数を実現する回路構成例である。FIG. 11A is a circuit configuration example for realizing a large positive temperature coefficient by cascading the semiconductor devices of the NMOSFET configuration according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1A. FIG. 11B is a circuit configuration example for realizing a large negative temperature coefficient by cascading the semiconductor devices having the PMOSFET configuration according to the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 1B.

本発明の実施の形態に係る半導体装置及びその駆動方法を述べる。本発明は、直列に接続された同一構造・同一ゲートバイアス条件・同一基板バイアス条件が与えられた2つのソース側MOSFETとシンク側MOSFETを拡散電流でモデル化される動作領域で動作させ、かつ、ソース側MOSFETのゲート端子をダイオード接続することなくバイアスすることにより、微小電圧から幅広い電源電圧範囲で動作可能で、電源電圧の変動に対して不感なPTAT基準電圧源を創作したものである。   A semiconductor device and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention will be described. The present invention operates two source-side MOSFETs and sink-side MOSFETs provided with the same structure, the same gate bias condition, and the same substrate bias condition connected in series in an operation region modeled by a diffusion current, and By biasing the gate terminal of the source side MOSFET without diode connection, a PTAT reference voltage source that can operate from a minute voltage to a wide power supply voltage range and is insensitive to fluctuations in the power supply voltage has been created.

詳しく述べると、同一構造を持つ2つのソース側MOSFETとシンク側MOSFETを、ソース側MOSFETのソース端子とシンク側MOSFETのドレイン端子を直列接続し、直列接続された2つのMOSFETのゲート端子を共通に接続するとともに、直列接続された2つのMOSFETの基板端子を共通に接続する。直列接続された2つのMOSFETにおいて共通に接続されたゲート端子は、ソース側MOSFETのドレイン端子とは独立に電位を与える構成となっている。ソース側のMOSFETのドレイン端子電圧が変動しても、2つのMOSFETの動作領域はMOSFETにおけるゲート端子‐基板端子間電圧により決定されるために、動作領域がMOSFETのしきい電圧に制限されず、幅広い駆動電源電圧下で拡散電流モデルに基づく動作領域での動作が可能となる。直列接続された2つのMOSFETにおけるゲート端子のバイアスの条件は、MOSFETのゲート領域直下のチャネル領域表面がフラットバンド状態から反転層が生じない動作領域を満たし拡散電流が流れるような電圧の範囲でバイアスする。直列接続された2つのMOSFETにおけるゲート端子に汎用CMOS回路におけるクロックを入力した場合には、クロック電圧が先に示すバイアス条件を満たす時間において本発明の駆動状態となる。直列接続された2つのMOSFETにおける基板端子のバイアスの条件は、シンク側MOSFETのソース端子に接続されたpn接合を弱い順方向バイアスから逆方向バイアスまで(零バイアスを含む)バイアスする電圧の範囲で設定する。さらに、基板端子のバイアス電圧を調整することにより、半導体装置の消費電流を調整するとともに、半導体装置の動作速度を制御することが可能となる。拡散電流モデルに基づく動作領域で動作するMOSFETのモデル式では、MOSFETのドレイン電流特性は、しきい電圧を用いることなく、ゲート端子、ソース端子、ドレイン端子、基板端子の4端子の電圧によって決まる指数特性の組み合わせで表現されている。本発明の半導体装置及びその駆動方法に拡散電流モデルを適用して解析することにより、シンク側MOSFETのドレイン端子とソース側MOSFETのソース端子の接続点の電位が、シンク側MOSFETのソース電圧を基準として絶対温度に比例した出力電圧となることが理論的に導かれる。さらに、出力電圧の絶対温度に対する比例係数は、シンク側MOSFETのチャネル形状比に対するソース側MOSFETのチャネル形状比をm倍とした場合に、k/q×ln(m+1)となる。ここで、kはボルツマン定数、qは電気素量である。出力電圧の絶対温度に対する比例係数は、製造工程における各種パラメータおよび指数動作状態における傾斜係数nを含まず、物理定数およびMOSFETのチャネル形状によって決定されるため、製造工程における各種パラメータの変動に影響されず、かつ、MOSFETのチャネル形状により正確に設計可能である。また、本発明の基準電圧源は、シンク側MOSFETのソース端子を基準にしたソース側MOSFETのドレイン端子の電圧の変動に対して、シンク側MOSFETのドレイン端子とソース側MOSFETのソース端子の接続点の電圧は影響を受けないため、高い電源電圧変動除去比を有する。   Specifically, two source-side MOSFETs and sink-side MOSFETs having the same structure are connected in series with the source terminal of the source-side MOSFET and the drain terminal of the sink-side MOSFET, and the gate terminals of the two MOSFETs connected in series are shared. In addition to the connection, substrate terminals of two MOSFETs connected in series are connected in common. The gate terminals connected in common in the two MOSFETs connected in series are configured to apply a potential independently of the drain terminal of the source-side MOSFET. Even if the drain terminal voltage of the MOSFET on the source side fluctuates, the operating region of the two MOSFETs is determined by the voltage between the gate terminal and the substrate terminal in the MOSFET, so the operating region is not limited to the threshold voltage of the MOSFET, Operation in an operation region based on the diffusion current model can be performed under a wide range of driving power supply voltages. The bias condition of the gate terminal in the two MOSFETs connected in series is that the surface of the channel region immediately below the gate region of the MOSFET is biased within a voltage range that allows the diffusion current to flow from the flat band state to the operation region where no inversion layer occurs. To do. When the clock in the general-purpose CMOS circuit is input to the gate terminals of the two MOSFETs connected in series, the driving state of the present invention is achieved when the clock voltage satisfies the bias condition described above. The bias condition of the substrate terminal in the two MOSFETs connected in series is within a voltage range for biasing the pn junction connected to the source terminal of the sink-side MOSFET from a weak forward bias to a reverse bias (including zero bias). Set. Furthermore, by adjusting the bias voltage of the substrate terminal, it is possible to adjust the current consumption of the semiconductor device and to control the operation speed of the semiconductor device. In the model formula of a MOSFET operating in the operating region based on the diffusion current model, the drain current characteristic of the MOSFET is an index determined by the voltages at the four terminals of the gate terminal, the source terminal, the drain terminal, and the substrate terminal without using the threshold voltage. It is expressed by a combination of characteristics. By analyzing the semiconductor device of the present invention and its driving method by applying a diffusion current model, the potential of the connection point between the drain terminal of the sink side MOSFET and the source terminal of the source side MOSFET is based on the source voltage of the sink side MOSFET. It is theoretically derived that the output voltage is proportional to the absolute temperature. Furthermore, the proportionality coefficient of the output voltage to the absolute temperature is k / q × ln (m + 1) when the channel shape ratio of the source side MOSFET to the channel shape ratio of the sink side MOSFET is m times. Here, k is a Boltzmann constant, and q is an elementary electric quantity. The proportional coefficient of the output voltage to the absolute temperature does not include the various parameters in the manufacturing process and the slope coefficient n in the exponential operation state, and is determined by the physical constant and the channel shape of the MOSFET. In addition, it is possible to design accurately by the channel shape of the MOSFET. Further, the reference voltage source of the present invention is a connection point between the drain terminal of the sink side MOSFET and the source terminal of the source side MOSFET with respect to the fluctuation of the voltage of the drain terminal of the source side MOSFET with respect to the source terminal of the sink side MOSFET. Therefore, the power supply voltage fluctuation rejection ratio is high.

図面につき本発明の実施例を示す。図1Aは拡散電流を流す半導体素子として反転層が形成されない動作状態のNMOSFETを用いて構成した本発明のPTAT基準電圧源の回路図である。MOSFETのチャネル形状比以外の設計パラメータおよび製造工程のパラメータを等しく設定し製作された同一の構造を持つソース側NMOSFET(Mn2)とシンク側NMOSFET(Mn1)を、Mn2のソース端子とMn1のドレイン端子をつなぎ、直列接続された2つのMOSFETのゲート端子を共通に接続するとともに、直列接続された2つのMOSFETの基板端子を共通に接続する。Mn2のソース端子を構成するn形不純物半導体とMn1のドレイン端子を構成するn形不純物半導体領域が同一の不純物濃度を持つとき、すなわち、同一のプロセスパラメータを持つときは、Mn2のソース端子とMn1のドレイン端子を共有し1つのn形不純物半導体領域で構成することができる。直列接続された2つのMOSFETにおいて共通に接続されたゲート端子は、Mn2のドレイン端子とは独立に電位を与える構成となっている。Mn1とMn2のMOSFETのチャネル形状比は、チャネル幅Wとチャネル長Lをそれぞれ与えることで、Mn1についてはWn1/Ln1=mn1、Mn2についてはWn2/Ln2=mn2の形状比に設計し、mn1に対するmn2の比がmとなるように調整する。また、Mn1とMn2のチャネル長Ln1とLn2を同一に設計することで、チャネル長に関わる非線形要素を低減することができる。さらに、mを整数とする場合は、Mn1と同一形状のMOSFETをm個並列に接続して、Mn2のMOSFETを並列接続されたm個のMOSFETで設計することで、製造工程におけるチャネル形状の加工誤差による影響を低減し正確にmを定めることが可能である。   BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. FIG. 1A is a circuit diagram of a PTAT reference voltage source of the present invention configured by using an NMOSFET in an operating state in which an inversion layer is not formed as a semiconductor element for passing a diffusion current. A source-side NMOSFET (Mn2) and a sink-side NMOSFET (Mn1) having the same structure manufactured by setting the design parameters other than the channel shape ratio of the MOSFET and the manufacturing process parameters to be equal, the source terminal of Mn2, and the drain terminal of Mn1 The gate terminals of the two MOSFETs connected in series are connected in common, and the substrate terminals of the two MOSFETs connected in series are connected in common. When the n-type impurity semiconductor constituting the source terminal of Mn2 and the n-type impurity semiconductor region constituting the drain terminal of Mn1 have the same impurity concentration, that is, have the same process parameters, the source terminal of Mn2 and Mn1 The n-type impurity semiconductor region can be formed by sharing the drain terminal of each other. The gate terminals connected in common in the two MOSFETs connected in series are configured to give a potential independently of the drain terminal of Mn2. The channel shape ratios of the Mn1 and Mn2 MOSFETs are designed so that Wn1 / Ln1 = mn1 for Mn1 and Wn2 / Ln2 = mn2 for Mn2 by giving a channel width W and a channel length L, respectively. Adjust so that the ratio of mn2 is m. Further, by designing the channel lengths Ln1 and Ln2 of Mn1 and Mn2 to be the same, nonlinear elements related to the channel length can be reduced. Further, when m is an integer, m-shaped MOSFETs having the same shape as Mn1 are connected in parallel, and the Mn2 MOSFET is designed with m MOSFETs connected in parallel, thereby processing the channel shape in the manufacturing process. It is possible to determine m accurately by reducing the influence of errors.

図3Aは、図1Aに示すPTAT基準電圧源をMOSFETを用いて構成した場合の模式的な構造断面図である。出力端子22に接続されるn形高濃度半導体領域2は便宜上1つのn形高濃度半導体領域2で構成した例を示しているが、同濃度の2つのn形高濃度半導体領域に分割して構成することもできる。図3Bは、図1Bに示すPTAT基準電圧源をMOSFETを用いて構成した場合の模式的な構造断面図である。出力端子22に接続されるp形高濃度半導体領域12は便宜上1つのp形高濃度半導体領域12で構成した例を示しているが、同濃度の2つのp形高濃度半導体領域に分割して構成することもできる。図3Cは、図1Aに示すPTAT基準電圧源をMOSFETを用いてSOI基板上に構成した場合の模式的な構造断面図である。図3Dは、図3Cの模式的な上面図である。図3Eは、図1Bに示すPTAT基準電圧源をMOSFETを用いてSOI基板上に構成した場合の模式的な構造断面図である。   FIG. 3A is a schematic structural cross-sectional view when the PTAT reference voltage source shown in FIG. 1A is configured using MOSFETs. The n-type high-concentration semiconductor region 2 connected to the output terminal 22 is shown as one n-type high-concentration semiconductor region 2 for convenience, but is divided into two n-type high-concentration semiconductor regions having the same concentration. It can also be configured. FIG. 3B is a schematic structural cross-sectional view when the PTAT reference voltage source shown in FIG. 1B is configured by using a MOSFET. The p-type high-concentration semiconductor region 12 connected to the output terminal 22 is shown as an example constituted by one p-type high-concentration semiconductor region 12 for convenience, but is divided into two p-type high-concentration semiconductor regions of the same concentration. It can also be configured. FIG. 3C is a schematic cross-sectional view of the structure when the PTAT reference voltage source shown in FIG. 1A is configured on an SOI substrate using a MOSFET. FIG. 3D is a schematic top view of FIG. 3C. FIG. 3E is a schematic structural cross-sectional view when the PTAT reference voltage source shown in FIG. 1B is configured on an SOI substrate using a MOSFET.

拡散電流を流す半導体素子として、反転層を形成しないMOSFETと同様にラテラルバイポーラトランジスタが知られている。そして、MOSFETのソース端子をラテラルバイポーラトランジスタのエミッタ端子に、MOSFETのドレイン端子をラテラルバイポーラトランジスタのコレクタ端子に、MOSFETの基板端子をラテラルバイポーラトランジスタのベース端子にそれぞれ対応させると、図1Aに示される半導体装置は、図2Aのように半導体素子としてラテラルバイポーラトランジスタを利用した回路において、同じ動作理論で動作し同じ出力電圧を生成するPTAT基準電圧源を構成できる。この場合は、ゲート端子を持たない。同様に、図1Bに示される半導体装置は、図2Bのように半導体素子としてラテラルバイポーラトランジスタを利用した回路において、同じ動作理論で動作し同じ出力電圧を生成するPTAT基準電圧源を構成できる。図3Fは、図1Aに示すPTAT基準電圧源をラテラルバイポーラトランジスタを用いてSOI基板上に構成した場合の模式的な構造断面図である。拡散電流を流すMOSFETの代わりにラテラルバイポーラトランジスタを用いた場合は、シンク側半導体素子のゲート領域14、ソース側半導体素子のゲート領域15及びゲート端子24を持たない。図3Gは、図3Fの模式的な上面図である。図3Hは、図1Aに示すPTAT基準電圧源をラテラルバイポーラトランジスタを用いてSOI基板上に構成した場合の模式的な構造断面図である。図3Fと同様に、拡散電流を流すMOSFETの代わりにラテラルバイポーラトランジスタを用いた場合は、シンク側半導体素子のゲート領域14、ソース側半導体素子のゲート領域15及びゲート端子24を持たない。   A lateral bipolar transistor is known as a semiconductor element through which a diffusion current flows, like a MOSFET that does not form an inversion layer. FIG. 1A shows the MOSFET source terminal corresponding to the emitter terminal of the lateral bipolar transistor, the MOSFET drain terminal corresponding to the collector terminal of the lateral bipolar transistor, and the MOSFET substrate terminal corresponding to the base terminal of the lateral bipolar transistor. The semiconductor device can constitute a PTAT reference voltage source that operates according to the same theory of operation and generates the same output voltage in a circuit that uses a lateral bipolar transistor as a semiconductor element as shown in FIG. 2A. In this case, it does not have a gate terminal. Similarly, the semiconductor device shown in FIG. 1B can constitute a PTAT reference voltage source that operates with the same theory of operation and generates the same output voltage in a circuit that uses a lateral bipolar transistor as a semiconductor element as shown in FIG. 2B. FIG. 3F is a schematic structural cross-sectional view when the PTAT reference voltage source shown in FIG. 1A is configured on an SOI substrate using a lateral bipolar transistor. In the case where a lateral bipolar transistor is used instead of the MOSFET for passing the diffusion current, the gate region 14 of the sink side semiconductor element, the gate region 15 of the source side semiconductor element, and the gate terminal 24 are not provided. FIG. 3G is a schematic top view of FIG. 3F. FIG. 3H is a schematic cross-sectional view of a structure in which the PTAT reference voltage source shown in FIG. 1A is configured on an SOI substrate using a lateral bipolar transistor. Similar to FIG. 3F, when a lateral bipolar transistor is used instead of a MOSFET for passing a diffusion current, the gate region 14 of the sink-side semiconductor element, the gate region 15 of the source-side semiconductor element, and the gate terminal 24 are not provided.

ここで、Mn1とMn2のゲート端子(VC)には、Mn1とMn2のMOSFETのゲート領域直下のチャネル領域がフラットバンド状態から反転層が形成されない動作領域を満たす範囲の電圧を印加する。Mn1とMn2の基板端子(VB)には、Mn1のソース側pn接合がわずかに順方向バイアスされる動作領域から逆方向バイアスされる動作領域となる電圧の範囲(零バイアスを含む)で基板端子電圧を印加する。Mn1のソース端子(VS)とMn2のドレイン端子(VD)間には、VSを基準としてVDが正となる方向に電位差VD−VSを与える。VSを基準としたVDの電位差は、VSを基準としたMn1のドレイン端子に接続された出力端子(VO)の電位差VO−VSよりも0.1V程度以上大きく与える。この結果、VSを基準としたMn1のドレイン端子に接続された出力端子の電位差VO−VSは絶対温度に比例し、VO−VS=kT/q×ln(m+1)となる。ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電気素量である。   Here, to the gate terminals (VC) of Mn1 and Mn2, a voltage in a range where the channel region immediately below the gate region of the MOSFETs of Mn1 and Mn2 satisfies the operation region where the inversion layer is not formed from the flat band state is applied. The substrate terminal (VB) of Mn1 and Mn2 has a substrate terminal in the voltage range (including zero bias) in which the source side pn junction of Mn1 is slightly operated in the forward-biased operation region. Apply voltage. A potential difference VD-VS is applied between the source terminal (VS) of Mn1 and the drain terminal (VD) of Mn2 in a direction in which VD becomes positive with respect to VS. The potential difference of VD with respect to VS is given by about 0.1 V or more than the potential difference VO−VS of the output terminal (VO) connected to the drain terminal of Mn1 with reference to VS. As a result, the potential difference VO−VS of the output terminal connected to the drain terminal of Mn1 with respect to VS is proportional to the absolute temperature and becomes VO−VS = kT / q × ln (m + 1). Here, k is a Boltzmann constant, T is an absolute temperature, and q is an elementary charge.

次に、反転層が形成されないMOSFETのドレイン電流特性をあらわす拡散電流モデルを用いて本発明のPTAT回路の動作特性を説明する。単体の4端子MOSFETが弱反転領域で動作するとき、ドレイン電流は、ゲート近傍領域におけるソース端pn接合及びドレイン端pn接合からのキャリア注入による拡散電流としてモデル化され、4つの端子の電圧VG、VB、VS、VDを用いて、
ID=I0( EXP(q・(r(VG−VB)−(VS−VB))/kT)
−EXP(q・(r(VG−VB)−(VD−VB))/kT)) (1)と表される。ここで、rはゲート領域に印加する電圧に対してMOSFETのチャネル領域の表面ポテンシャルが変化する割合を表すゲート電圧の劣化係数であり、汎用プロセスで作成されるMOSFETでは、0.5から0.9程度の値を持つ。I0は、A・q・Dn・np0/Lと表され、AはMOSFETのチャネル領域に接する2つのpn接合側面領域の実効的な接合断面積、Dnは電子の拡散係数、np0はNMOSFETのチャネル領域を構成するp形基板の電子のキャリア密度、Lはチャネル領域におけるソース端pn接合からドレイン端pn接合までの長さで、電子の拡散長よりも短いとする。弱反転領域で動作するMOSFETの既存モデルで示されるドレイン電流式におけるMOSFETの基板効果による変動要素は、式(1)のモデルにおいては、MOSFETにおけるドレイン電流を、4端子の電圧を基板電位を基準とした3対の端子間電圧VG−VB、VS−VB、VD−VBを用いて定義することにより、しきい電圧を用いることなくモデル化されている。Mn1のドレイン電流は、式(1)を用いて表すと、
In1=mn1・I0・EXP(q・(rVC+(1−r)VB)/kT)
・(EXP(−q・VS/kT)−EXP(−q・VO/kT))、 (2)と表される。Mn2のドレイン電流は、式(1)を用いて表すと、
In2=mn2・I0・EXP(q・(rVC+(1−r)VB)/kT)
・(EXP(−q・VO/kT)−EXP(−q・VD/kT))、 (3)と表される。式(3)において、第1項に対して第2項が十分に小さくなるとき、式(3)は、
In2=mn2・I0・EXP(q・(rVC+(1−r)VB)/kT)
・EXP(−q・VO/kT)、 (4)と書き換えられる。ここで、出力端子から流れ出る電流が十分に小さい場合、
In1=In2、 (5)となる。式(2)および式(4)におけるI0・EXP(q・(rVC+(1−r)VB)/kT)の項は、Mn1およびMn2に入力するゲート電圧VC及び基板電圧VBをそれぞれ共通にして与え、Mn1とMn2の製造工程におけるパラメータを一致させて同一の構造を持たせることで、同じ値になるよう設定する。式(2)、式(4)、式(5)より、
(m+1)EXP(−q(VO−VS)/kT)=1+EXP(−q(VD−VS)/kT)、(6)
となる。ここで、mはmn1に対するmn2の比を表している。式(6)右辺において第1項に対して第2項が十分に小さくなるとき、
VO−VS=kT/q・ln(m+1)、 (7)の正のPTAT特性が導かれる。絶対温度Tに対する温度係数は、物理定数k、qとMn1に対するMn2のチャネル形状比の比mによって正確に決定される。
式(3)において、第1項に対して第2項が十分に小さくなるための条件を考える。第1項に対する第2項の相対誤差εは、
ε=EXP(−q(VD−VO)/kT)、 (8)と表される。第1項に対する第2項の相対誤差が十分に小さく無視できる場合の最大誤差をεnegとし、εnegを式(8)と同様の関数系を用いて表わすと、
εneg=EXP(−q・Vneg/kT)、 (9)と表わされる。ここで、Vnegは、式(9)において最大誤差εnegを与える誤差電圧の換算電圧値である。第1項に対する第2項の相対誤差が十分に小さく無視できるためには、
ε≦εneg、 (10)を満足すればよい。たとえば、εneg=0.02ならば、T=300KでVneg≒0.1V(≒4・kT/q)となる。式(8)、(9)、(10)より、式(3)が式(4)に近似できるVDの範囲は、
VD≧VO+Vneg、 (11)と与えられる。同様に、式(6)が式(7)に近似できるVDの範囲は、
ε=EXP(−q(VD−VS)/kT)、 (12)とおいて、式(9)、(10)を用いることにより、
VD≧VS+Vneg、 (13)と与えられる。ここで、VOはVSより大きいので、式(13)の条件は式(11)の条件に内包されるため、式(7)を導くための近似が成り立つには、VDの電圧が式(11)を満足すればよい。
Next, the operating characteristics of the PTAT circuit of the present invention will be described using a diffusion current model representing the drain current characteristics of a MOSFET in which an inversion layer is not formed. When a single four-terminal MOSFET operates in the weak inversion region, the drain current is modeled as a diffusion current due to carrier injection from the source end pn junction and the drain end pn junction in the region near the gate, and the voltages VG of the four terminals are Using VB, VS, VD,
ID = I0 (EXP (q. (R (VG-VB)-(VS-VB)) / kT)
-EXP (q. (R (VG-VB)-(VD-VB)) / kT)) (1) Here, r is a deterioration factor of the gate voltage that represents the rate at which the surface potential of the channel region of the MOSFET changes with respect to the voltage applied to the gate region. It has a value of about 9. I0 is expressed as A · q · Dn · np0 / L, A is an effective junction cross-sectional area of two pn junction side regions in contact with the MOSFET channel region, Dn is an electron diffusion coefficient, and np0 is an NMOSFET channel The electron carrier density, L, of the p-type substrate constituting the region is the length from the source end pn junction to the drain end pn junction in the channel region, and is shorter than the electron diffusion length. The variation factor due to the substrate effect of the MOSFET in the drain current equation shown in the existing model of the MOSFET operating in the weak inversion region is based on the drain current in the MOSFET (4) and the voltage at the four terminals as the substrate potential. Are defined using the three pairs of terminal voltages VG-VB, VS-VB, and VD-VB, and are modeled without using a threshold voltage. The drain current of Mn1 can be expressed using equation (1).
In1 = mn1 · I0 · EXP (q · (rVC + (1−r) VB) / kT)
(EXP (−q · VS / kT) −EXP (−q · VO / kT)), (2) The drain current of Mn2 can be expressed using equation (1).
In2 = mn2 · I0 · EXP (q · (rVC + (1−r) VB) / kT)
(EXP (−q · VO / kT) −EXP (−q · VD / kT)), (3). In equation (3), when the second term is sufficiently small relative to the first term, equation (3) is
In2 = mn2 · I0 · EXP (q · (rVC + (1−r) VB) / kT)
EXP (−q · VO / kT), rewritten as (4) Here, if the current flowing out from the output terminal is sufficiently small,
In1 = In2, (5) The term of I0 · EXP (q · (rVC + (1−r) VB) / kT) in the equations (2) and (4) is obtained by using the gate voltage VC and the substrate voltage VB input to Mn1 and Mn2 in common. Giving the same structure by matching the parameters in the manufacturing process of Mn1 and Mn2 so as to have the same value. From Formula (2), Formula (4), and Formula (5),
(M + 1) EXP (−q (VO−VS) / kT) = 1 + EXP (−q (VD−VS) / kT), (6)
It becomes. Here, m represents the ratio of mn2 to mn1. When the second term is sufficiently smaller than the first term on the right side of Equation (6),
VO-VS = kT / q · ln (m + 1), The positive PTAT characteristic of (7) is derived. The temperature coefficient for the absolute temperature T is accurately determined by the physical constants k, q and the ratio m of the channel shape ratio of Mn2 to Mn1.
In Equation (3), a condition for the second term to be sufficiently smaller than the first term is considered. The relative error ε of the second term relative to the first term is
ε = EXP (−q (VD−VO) / kT), (8) When the relative error of the second term with respect to the first term is sufficiently small and can be ignored, εneg is expressed as εneg, and εneg is expressed using a function system similar to Equation (8).
εneg = EXP (−q · Vneg / kT) (9) Here, Vneg is a converted voltage value of the error voltage that gives the maximum error εneg in equation (9). In order for the relative error of the second term to the first term to be sufficiently small and negligible,
ε ≦ εneg, (10) may be satisfied. For example, if εneg = 0.02, Vneg≈0.1 V (≈4 · kT / q) at T = 300K. From Equations (8), (9), and (10), the range of VD that Equation (3) can approximate to Equation (4) is
VD ≧ VO + Vneg, (11) Similarly, the range of VD that equation (6) can approximate to equation (7) is
ε = EXP (−q (VD−VS) / kT), (12) and using equations (9) and (10),
VD ≧ VS + Vneg, (13). Here, since VO is larger than VS, the condition of the equation (13) is included in the condition of the equation (11). Therefore, in order to obtain an approximation for deriving the equation (7), the voltage of VD is expressed by the equation (11). ).

次に、提案回路の動作領域について考える。弱反転領域でMOSFETが動作するために、2つのMOSFETの基板電圧VBを基準としたゲート電圧VC−VBは、
VC−VB≦Vtn、 (14)を満たす必要がある。ここで、VtnはNMOSFETのチャネル領域に反転層が形成される電圧である。また、弱反転領域でMOSFETが動作するMOSFETのドレイン電流が基板電圧VBを基準としたゲート電圧VC−VBにより制御可能なためには、
VC−VB≧Vfn、 (15)を満たす必要がある。ここで、VfnはNMOSFETのチャネル領域がフラットバンド状態になる電圧である。また、式(7)が成り立つための近似条件として式(11)を満足する必要がある。Mn1のソース端子電圧VSを基準にしたMn2のドレイン電圧VD−VSとMn1のソース端子電圧VSを基準にした出力電圧VO−VSの関係に対するMn2の動作領域を図4に示す。Mn1のソース端子電圧VSを基準にした出力電圧VO−VSの特性を実線で示す。ある絶対温度におけるPTAT電圧Vpmは、温度の上昇とともにVpmHに上昇し、温度の低下とともにVpmLへと低下する。本発明のPTAT回路を動作させるために必要な最小の電位差VD−VS(VDminとする)は、式(11)より高温時のPTAT電圧VpmHを用いて、VDmin≧VpmH+Vnegと求められる。十分に長いチャネル長をもつMOSFETを用いるとき、VDmin以上の電圧VDに対して、電源電圧に依存しないPTAT電圧を発生することができる。消費電流は、式(2)、(4)に示されるように、VC及びVBにより式(7)の関係と独立に制御でき、安定したPTAT電圧が得られる。
Next, consider the operating area of the proposed circuit. Since the MOSFET operates in the weak inversion region, the gate voltage VC-VB based on the substrate voltage VB of the two MOSFETs is
VC−VB ≦ Vtn, (14) must be satisfied. Here, Vtn is a voltage at which an inversion layer is formed in the channel region of the NMOSFET. In addition, in order that the drain current of the MOSFET in which the MOSFET operates in the weak inversion region can be controlled by the gate voltage VC-VB based on the substrate voltage VB,
VC−VB ≧ Vfn, (15) must be satisfied. Here, Vfn is a voltage at which the channel region of the NMOSFET becomes a flat band state. Moreover, it is necessary to satisfy Expression (11) as an approximate condition for satisfying Expression (7). FIG. 4 shows an operation region of Mn2 with respect to the relationship between the drain voltage VD-VS of Mn2 based on the source terminal voltage VS of Mn1 and the output voltage VO-VS based on the source terminal voltage VS of Mn1. The characteristic of the output voltage VO-VS with reference to the source terminal voltage VS of Mn1 is shown by a solid line. The PTAT voltage Vpm at a certain absolute temperature increases to VpmH as the temperature increases, and decreases to VpmL as the temperature decreases. The minimum potential difference VD−VS (referred to as VDmin) required to operate the PTAT circuit of the present invention is obtained as VDmin ≧ VpmH + Vneg using the PTAT voltage VpmH at a high temperature from the equation (11). When a MOSFET having a sufficiently long channel length is used, a PTAT voltage that does not depend on the power supply voltage can be generated for a voltage VD that is equal to or higher than VDmin. As shown in equations (2) and (4), the current consumption can be controlled independently of the relationship of equation (7) by VC and VB, and a stable PTAT voltage can be obtained.

拡散電流を流す半導体デバイスとしてラテラルバイポーラトランジスタを用いた場合も、拡散電流を流すMOSFETを用いて構成した場合と同じ原理に従って動作するために、同様に式(7)のPTAT特性が得られる。動作条件も拡散電流を流すMOSFETを用いて構成した場合と同様に式(11)を満足すればよい。   Even when a lateral bipolar transistor is used as a semiconductor device for passing a diffusion current, the PTAT characteristic of Expression (7) can be obtained in the same manner because it operates according to the same principle as that of the case where the MOSFET is configured to pass a diffusion current. The operating condition may satisfy Expression (11) in the same manner as in the case where the operating condition is configured using a MOSFET that allows a diffusion current to flow.

図1Aに示されるPTAT回路の測定回路として、0.18μmn−ウエルCMOSプロセスで試作した図1Aに示されるPTAT回路に図5Aに示すような直流電源を接続した場合の測定結果について述べる。図5AのPTAT回路において、VS=0V、VB=0V、VC=0.2V、m=10(Wn1/Ln1=3μm/10μm、Wn2/Ln2=30μm/10μm)を与えた場合において、Mn1のソース端子電圧VSを基準にしたMn2のドレイン電圧VD−VSとMn1のソース端子電圧VSを基準にした出力電圧VO−VSの関係を図6に示す。絶対温度Tをパラメータとして、絶対温度278Kから400Kまで測定した。VCには、式(14)と式(15)の条件を満足する電圧を与えている。PTAT電圧Vpmは、絶対温度の変化に対して、ほぼ、等間隔に平行移動している。T=400KにおけるPTAT電圧VpmHは、0.088Vである。PTAT基準電圧源を動作させるために必要な最小の電位差VDminは、VDmin=0.188Vである。駆動電圧VD−VSが0.2Vから1.8Vの範囲で、VD−VSによらず平均的に一定の出力電圧が得られ、T=300KにおいてVD−VSが1V変動した場合に出力電圧VO−VSは0.3mVのわずかな変動にとどまっており、この値から求めた電源電圧変動除去比は−70dBである。微小電源電圧から広い電源電圧範囲にわたって動作が可能であり、集積回路上で電源電圧の変動に対して不感なバイアス電圧回路を実現している。図5Aに示されるPTAT回路の測定回路における、VD−VSに対する消費電流IDを図7に示す。絶対温度Tが278Kから400Kまで変化するとき、消費電流は100pAから8nAまで変化し、低消費電流で動作している。図5AのPTAT回路において、VS=0V、VB=0V、VC=0.2V、VD=0.5V、m=50、10、1を与えた場合において、絶対温度とMn1のソース端子電圧VSを基準にした出力電圧VO−VSの関係を図8に示す。Mn1に対するMn2のチャネル形状比の比mをm=50、m=10、m=1としたときの測定値をそれぞれ、■印、▲印、●印で示している。また、Mn1に対するMn2のチャネル形状の比mをm=50、m=10、m=1としたときの式(7)に対応する計算値をそれぞれ破線、実線、点線で示している。○印は、VBを変更してVB=0.2Vとして、測定した結果を示している。T=300K(室温)のときの計算値は、m=50のときVO−VS=102mV、m=10のときVO−VS=62mV、m=1のときVO−VS=18mVとなる。測定結果は計算結果とよく一致し、出力電圧は絶対温度Tに比例しており、本発明の半導体装置は、PTAT基準電圧源として正確に動作している。   As a measurement circuit of the PTAT circuit shown in FIG. 1A, a description will be given of a measurement result in the case where a DC power source as shown in FIG. 5A is connected to the PTAT circuit shown in FIG. 1A prototyped by a 0.18 μm-well CMOS process. In the PTAT circuit of FIG. 5A, when VS = 0V, VB = 0V, VC = 0.2V, m = 10 (Wn1 / Ln1 = 3 μm / 10 μm, Wn2 / Ln2 = 30 μm / 10 μm), the source of Mn1 FIG. 6 shows the relationship between the drain voltage VD-VS of Mn2 based on the terminal voltage VS and the output voltage VO-VS based on the source terminal voltage VS of Mn1. Using the absolute temperature T as a parameter, the absolute temperature was measured from 278K to 400K. A voltage that satisfies the conditions of the equations (14) and (15) is applied to the VC. The PTAT voltage Vpm moves in parallel at substantially equal intervals with respect to the change in absolute temperature. The PTAT voltage VpmH at T = 400K is 0.088V. The minimum potential difference VDmin required to operate the PTAT reference voltage source is VDmin = 0.188V. When the drive voltage VD-VS is in the range of 0.2V to 1.8V, an average constant output voltage is obtained regardless of VD-VS, and when VD-VS fluctuates by 1V at T = 300K, the output voltage VO -VS has only a slight fluctuation of 0.3 mV, and the power supply voltage fluctuation elimination ratio obtained from this value is -70 dB. A bias voltage circuit that can operate over a wide power supply voltage range from a minute power supply voltage and is insensitive to fluctuations in the power supply voltage on an integrated circuit is realized. FIG. 7 shows current consumption ID with respect to VD-VS in the measurement circuit of the PTAT circuit shown in FIG. 5A. When the absolute temperature T changes from 278 K to 400 K, the current consumption changes from 100 pA to 8 nA, and the device operates with a low current consumption. In the PTAT circuit of FIG. 5A, when VS = 0V, VB = 0V, VC = 0.2V, VD = 0.5V, m = 50, 10, 1 are given, the absolute temperature and the source terminal voltage VS of Mn1 are The relationship of the reference output voltage VO-VS is shown in FIG. The measured values when the ratio m of the channel shape ratio of Mn2 to Mn1 is set to m = 50, m = 10, and m = 1 are indicated by ■, ▲, and ●, respectively. The calculated values corresponding to the equation (7) when the ratio m of the channel shape of Mn2 to Mn1 is m = 50, m = 10, and m = 1 are indicated by a broken line, a solid line, and a dotted line, respectively. The circles indicate the measurement results when VB is changed to VB = 0.2V. The calculated value when T = 300K (room temperature) is VO-VS = 102 mV when m = 50, VO-VS = 62 mV when m = 10, and VO-VS = 18 mV when m = 1. The measurement result agrees well with the calculation result, the output voltage is proportional to the absolute temperature T, and the semiconductor device of the present invention operates accurately as a PTAT reference voltage source.

上記例の変形として、PMOSFETを用いて構成したPTAT基準電圧源の回路図を図1Bに示す。NMOSFETを用いたPTAT回路と同様の解析を行うことにより、
VO−VS=−kT/q・ln(m+1)、 (16)となり、負のPTAT特性が導かれる。PMOSFETを用いた構成では、Mn1のソース端子(VS)とMn2のドレイン端子(VD)間には、VSを基準としてVDが負となる方向に電位差VD−VSを与える。このとき、式(16)が成り立つための条件は、NMOSFETと同様の解析を行うことにより、
VD≦VO−Vneg、 (17)と与えられる。
As a modification of the above example, a circuit diagram of a PTAT reference voltage source configured using a PMOSFET is shown in FIG. 1B. By performing the same analysis as the PTAT circuit using NMOSFET,
VO−VS = −kT / q · ln (m + 1), (16), and a negative PTAT characteristic is derived. In the configuration using the PMOSFET, a potential difference VD−VS is applied between the source terminal (VS) of Mn1 and the drain terminal (VD) of Mn2 in a direction in which VD becomes negative with respect to VS. At this time, the conditions for the expression (16) to be satisfied are as follows.
VD ≦ VO−Vneg, (17).

次に、動作領域について考える。弱反転領域でMOSFETが動作するために、2つのMOSFETの基板電圧VBを基準としたゲート電圧VC−VBは、
VC−VB≧Vtp、 (18)を満たす必要がある。ここで、Vtp(Vtp<0)はPMOSFETのチャネル領域に反転層が形成される電圧である。また、弱反転領域で動作するMOSFETのドレイン電流が基板電圧VBを基準としたゲート電圧VC−VBにより制御可能なためには、
VC−VB≦Vfp、 (19)を満たす必要がある。ここで、VfpはNMOSFETのチャネル領域がフラットバンド状態になる電圧である。また、式(16)が成り立つための近似条件として式(17)を満足する必要がある。図5Aに対応するPMOSFET構成の回路における直流電圧の接続例を図5Bに示す。
Next, consider the operating region. Since the MOSFET operates in the weak inversion region, the gate voltage VC-VB based on the substrate voltage VB of the two MOSFETs is
VC−VB ≧ Vtp, (18) must be satisfied. Here, Vtp (Vtp <0) is a voltage at which an inversion layer is formed in the channel region of the PMOSFET. In addition, in order that the drain current of the MOSFET operating in the weak inversion region can be controlled by the gate voltage VC-VB based on the substrate voltage VB,
VC−VB ≦ Vfp, (19) must be satisfied. Here, Vfp is a voltage at which the channel region of the NMOSFET becomes a flat band state. Moreover, it is necessary to satisfy Expression (17) as an approximate condition for satisfying Expression (16). FIG. 5B shows an example of DC voltage connection in a circuit having a PMOSFET configuration corresponding to FIG. 5A.

拡散電流を流す半導体デバイスとしてラテラルバイポーラトランジスタを用いた場合も、拡散電流を流すMOSFETを用いて構成した場合と同じ原理に従って動作するために、同様に式(16)のPTAT特性が得られる。動作条件も拡散電流を流すMOSFETを用いて構成した場合と同様に式(17)を満足すればよい。   Even when a lateral bipolar transistor is used as a semiconductor device for passing a diffusion current, the PTAT characteristic of the equation (16) can be obtained in the same manner because it operates according to the same principle as that of a case where a MOSFET for passing a diffusion current is used. The operating condition may satisfy Expression (17) similarly to the case where the MOSFET is configured to flow a diffusion current.

上記半導体装置を用いた駆動方法の一例として、VCとVSを接続するとともに、VBとVSを接続することにより、1個の外部バイアス電源のみで駆動可能なNMOSFET構成のPTAT回路を図9Aに示す。式(7)に示されるPTAT電圧を発生する。動作条件は、式(11)のみで決定される。図9AのPTAT回路について、VD=0.5V、VS=0.0V、m=1(Wn1/Ln1=3μm/10μm、Wn2/Ln2=3μm/10μm)を与えた場合において、絶対温度TとMn1のソース端子電圧VSを基準にした出力電圧VO−VSの関係を図10に示す。Mn1に対するMn2のチャネル形状比の比mをm=1としたときの測定値を●印で示している。また、Mn1に対するMn2のチャネル形状比の比mをm=1としたときの式(7)に対応する計算値を実線で示している。測定結果は計算結果とよく一致し、出力電圧は絶対温度Tに比例している。   As an example of a driving method using the semiconductor device, a PTAT circuit having an NMOSFET structure that can be driven by only one external bias power supply by connecting VC and VS and connecting VB and VS is shown in FIG. 9A. . The PTAT voltage shown in equation (7) is generated. The operating condition is determined only by equation (11). With respect to the PTAT circuit of FIG. 9A, when VD = 0.5 V, VS = 0.0 V, m = 1 (Wn1 / Ln1 = 3 μm / 10 μm, Wn2 / Ln2 = 3 μm / 10 μm), absolute temperatures T and Mn1 The relationship of the output voltage VO-VS with reference to the source terminal voltage VS is shown in FIG. The measured values when the ratio m of the channel shape ratio of Mn2 to Mn1 is set to m = 1 are indicated by marks. In addition, a solid line represents a calculated value corresponding to Equation (7) when the ratio m of the channel shape ratio of Mn2 to Mn1 is m = 1. The measurement result agrees well with the calculation result, and the output voltage is proportional to the absolute temperature T.

他の駆動方法の一例として、VCとVSを接続するとともに、VBとVSを接続することにより、1個の外部バイアス電源のみで駆動可能なPMOSFET構成のPTAT回路を図9Bに示す。式(16)に示されるPTAT電圧を発生する。動作条件は、式(17)のみで決定される。別の駆動方法の一例として、VCとVOを接続するとともに、VBとVSを接続することにより、1個の外部バイアス電源のみで駆動可能なNMOSFET構成のPTAT回路を図9Cに示す。式(7)に示されるPTAT電圧を発生する。動作条件は、式(11)及び、
VO−VS≦Vtn、 (20)で決定される。上記例の変形における駆動方法の一例として、VCとVOを接続するとともに、VBとVSを接続することにより、1個の外部バイアス電源のみで駆動可能なPMOSFET構成のPTAT回路を図9Dに示す。式(16)に示されるPTAT電圧を発生する。動作条件は、式(17)及び、
VO−VS≧Vtp、 (21)で決定される。これらの例では、1つの電源でPTAT電圧を発生できるという利点を持つ。
As an example of another driving method, FIG. 9B shows a PTAT circuit having a PMOSFET structure that can be driven by only one external bias power source by connecting VC and VS and connecting VB and VS. The PTAT voltage shown in equation (16) is generated. The operating condition is determined only by equation (17). As an example of another driving method, FIG. 9C shows a PTAT circuit having an NMOSFET structure that can be driven by only one external bias power source by connecting VC and VO and connecting VB and VS. The PTAT voltage shown in equation (7) is generated. The operating conditions are as follows:
VO−VS ≦ Vtn, determined by (20). As an example of a driving method in the modification of the above example, FIG. 9D shows a PTAT circuit having a PMOSFET structure that can be driven by only one external bias power source by connecting VC and VO and connecting VB and VS. The PTAT voltage shown in equation (16) is generated. The operating conditions are as follows:
VO−VS ≧ Vtp, determined by (21). These examples have the advantage that the PTAT voltage can be generated with a single power source.

また、別の変形として、N個のPTAT回路のVD、VC、VBをそれぞれ共通に接続し、k=1からk=N−1までk段目のPTAT回路の出力端子VOkをk+1段目のPTAT回路のソース端子VS(k+1)に接続することでN段のPTAT回路を縦続接続し、初段のソース端子VS1をVSとし、N段目の出力をVONとしたNMOSFET構成のPTAT回路を図11Aに示す。m1〜m2Nは、それぞれ、Mn1〜Mn2Nに対応するMOSFETのチャネル形状比を表している。同様の解析を行うことにより、たとえば、m2=m4=…m2(N−1)−1=m−1、m2N=m+1、m1=m3=…m2N−1=1、m≫1/mと設計した場合、
VON−VS=N・kT/q・ln(m+1)、 (22)と与えられる。N倍された大きな温度係数を実現する場合に有効な構成である。動作条件は、
VD≧VON+Vneg、 (23)と与えられる。N個のPTAT回路のVD、VC、VBをそれぞれ共通に接続し、k=1からk=N−1までk段目のPTAT回路の出力端子VOkをk+1段目のPTAT回路のVS(k+1)に接続することでN段のPTAT回路を縦続接続し、初段のソース端子VS1をVSとし、N段目の出力をVONとしたPMOSFET構成のPTAT回路を図11Bに示す。m1〜m2Nは、それぞれ、Mp1〜Mp2Nに対応するMOSFETのチャネル形状比を表している。同様の解析を行うことにより、たとえば、m2=m4=…m2(N−1)−1=m−1、m2N=m+1、m1=m3=…m2N−1=1、m≫1/mと設計した場合、
VON−VS=−N・kT/q・ln(m+1)、 (23)と与えられる。N倍された大きな温度係数を実現する場合に有効な構成である。動作条件は、
VD≦VON−Vneg、 (24)と与えられる。
As another modification, VD, VC, and VB of N PTAT circuits are connected in common, and the output terminal VOk of the kth stage PTAT circuit from k = 1 to k = N−1 is connected to the (k + 1) th stage. A PTAT circuit having an NMOSFET configuration in which N-stage PTAT circuits are connected in cascade by connecting to the source terminal VS (k + 1) of the PTAT circuit, the first-stage source terminal VS1 is VS, and the N-stage output is VON is shown in FIG. Shown in m1 to m2N represent channel shape ratios of MOSFETs corresponding to Mn1 to Mn2N, respectively. By performing the same analysis, for example, m2 = m4 = ... m2 (N-1) -1 = m-1, m2N = m + 1, m1 = m3 = ... m2N-1 = 1, m >> 1 / m if you did this,
VON−VS = N · kT / q · ln (m + 1), (22) This is an effective configuration for realizing a large temperature coefficient multiplied by N. The operating conditions are
VD ≧ VON + Vneg, (23) VD, VC and VB of N PTAT circuits are connected in common, and the output terminal VOk of the kth stage PTAT circuit from k = 1 to k = N−1 is set to VS (k + 1) of the k + 1 stage PTAT circuit. FIG. 11B shows a PTAT circuit having a PMOSFET configuration in which N-stage PTAT circuits are connected in cascade, the first-stage source terminal VS1 is VS, and the N-stage output is VON. m1 to m2N represent channel shape ratios of MOSFETs corresponding to Mp1 to Mp2N, respectively. By performing the same analysis, for example, m2 = m4 = ... m2 (N-1) -1 = m-1, m2N = m + 1, m1 = m3 = ... m2N-1 = 1, m >> 1 / m if you did this,
VON−VS = −N · kT / q · ln (m + 1), (23) This is an effective configuration for realizing a large temperature coefficient multiplied by N. The operating conditions are
VD ≦ VON−Vneg, (24).

以上述べたように、本発明によれば、比例係数を正確に設計可能でかつ絶対温度に比例するとともに、電源電圧の変動に不感な電圧を集積回路上で発生することが可能になる。微細なMOSFETを拡散電流でモデル化される領域で動作させているので、最低動作電源電圧は0.2V程度ときわめて低い電源電圧での動作が可能であり、消費電力がきわめて小さいとともに、設計面積が極めて小さい。また、形状比が異なる複数のMOSFETで得られる拡散電流の比により、温度に比例した出力電圧を決定しているために、製造プロセスにおるパラメータの変動に依存しない特性を実現している。したがって、太陽電池等の微弱かつ不安定な電源で駆動できるオンチップに集積可能なPTAT回路を実現できるとともに、汎用集積回路に搭載してオンチップで温度検出を行う応用回路およびバイアス電圧回路に幅広く適応できる。さらに、本発明のPTAT電圧源は、温度依存性の異なる回路と組み合わせることで、温度に依存しない基準電圧源を得る用途に幅広く利用できる。   As described above, according to the present invention, the proportionality coefficient can be designed accurately and proportional to the absolute temperature, and a voltage insensitive to fluctuations in the power supply voltage can be generated on the integrated circuit. Since a fine MOSFET is operated in a region modeled by diffusion current, the minimum operating power supply voltage can be operated at a very low power supply voltage of about 0.2V, and the power consumption is extremely small, and the design area Is extremely small. In addition, since the output voltage proportional to the temperature is determined by the ratio of diffusion currents obtained by a plurality of MOSFETs having different shape ratios, characteristics that do not depend on variations in parameters in the manufacturing process are realized. Therefore, a PTAT circuit that can be integrated on-chip that can be driven by a weak and unstable power source such as a solar cell can be realized, and a wide range of application circuits and bias voltage circuits that are mounted on general-purpose integrated circuits and perform temperature detection on-chip. Adaptable. Furthermore, the PTAT voltage source of the present invention can be widely used in applications for obtaining a reference voltage source independent of temperature by combining with a circuit having different temperature dependency.

本発明では、低い電源電圧で駆動でき、かつ、電源電圧の変動に対して安定な電圧を生成するとともに、電圧の温度係数が製造工程におけるパラメータの変動に影響されにくく、電圧の温度係数がMOSFETの形状により集積回路上に正確に設計可能な、PTAT電圧生成のための半導体装置として使用され得る。PTAT基準電圧源は、近年の微細化されたCMOSプロセスのもとで、低電源電圧駆動が可能な集積型基準電圧発生回路、集積型温度検出器等を構成する場合の必須回路として利用される。また、本発明の半導体装置は、集積回路上において電源電圧の変動に不感な微小バイアス電圧回路としても幅広く使用され得る。   In the present invention, a voltage that can be driven with a low power supply voltage and is stable with respect to fluctuations in the power supply voltage is generated, and the temperature coefficient of the voltage is less affected by parameter fluctuations in the manufacturing process. Therefore, it can be used as a semiconductor device for generating a PTAT voltage that can be accurately designed on an integrated circuit. The PTAT reference voltage source is used as an indispensable circuit for constituting an integrated reference voltage generating circuit, an integrated temperature detector, etc. capable of driving a low power supply voltage under the recent miniaturized CMOS process. . In addition, the semiconductor device of the present invention can be widely used as a minute bias voltage circuit that is insensitive to fluctuations in power supply voltage on an integrated circuit.

1……n形高濃度半導体領域
2……n形高濃度半導体領域
3……n形高濃度半導体領域
6……p形高濃度半導体領域
7……p形高濃度半導体領域
8……p形半導体領域
9……p形半導体領域
11……p形高濃度半導体領域
12……p形高濃度半導体領域
13……p形高濃度半導体領域
14……シンク側半導体素子のゲート領域
15……ソース側半導体素子のゲート領域
16……n形高濃度半導体領域
17……n形高濃度半導体領域
18……n形半導体領域
19……n形半導体領域
21……シンク側半導体素子ソース端子
22……出力端子
23……ソース側半導体素子ドレイン端子
24……ゲート端子
25……絶縁皮膜
26……絶縁層
27……基板端子
28……絶縁層
29……絶縁層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 .... n-type high concentration semiconductor region 2 .... n-type high concentration semiconductor region 3 .... n-type high concentration semiconductor region 6 .... p-type high concentration semiconductor region 7 .... p-type high concentration semiconductor region 8 .... Semiconductor region 9... P-type semiconductor region 11... P-type high concentration semiconductor region 12... P-type high concentration semiconductor region 13... P-type high concentration semiconductor region 14. Side semiconductor element gate region 16 ... n-type high concentration semiconductor region 17 ... n-type high concentration semiconductor region 18 ... n-type semiconductor region 19 ... n-type semiconductor region 21 ... sink-side semiconductor element source terminal 22 ... Output terminal 23 ... Source side semiconductor element drain terminal 24 ... Gate terminal 25 ... Insulating film 26 ... Insulating layer 27 ... Substrate terminal 28 ... Insulating layer 29 ... Insulating layer

Claims (4)

第1のラテラルバイポーラトランジスタと第2のラテラルバイポーラトランジスタを備えた半導体装置において、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子とを接続し、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子との端子間を出力端子とし、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子を基準電位とし、
前記第2のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子に所定の供給電圧を印加し、前記第1のラテラルバイポーラトランジスタベース端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタベース端子とを接続し、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタベース端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタベース端子との端子間を第1のベース端子とし、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタと前記第2のラテラルバイポーラトランジスタとは同一構造のラテラルバイポーラトランジスタであり、
前記第1のベース端子には、第1のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ側pn接合がわずかに順方向バイアスされる動作領域から逆方向バイアスされる動作領域となる範囲の電圧を印加され、
前記供給電圧には、前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタnpnラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記基準電位に対して、正の電圧を印加され、
前記供給電圧には、前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタpnpラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記基準電位に対して、負の電圧を印加されることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device including a first lateral bipolar transistor and a second lateral bipolar transistor ,
Connects the emitter terminal of said second lateral bipolar transistor and the collector terminal of said first lateral bipolar transistor,
The terminals of the emitter terminal of said second lateral bipolar transistor and the collector terminal of said first lateral bipolar transistor and an output terminal,
The emitter terminal of said first lateral bipolar transistor and a reference potential,
Wherein the collector terminal of the second lateral bipolar transistor by applying a predetermined supply voltage, connects the base terminal of the base terminal and the second lateral bipolar transistor of said first lateral bipolar transistor,
The terminals of the base terminal of the base terminal and the second lateral bipolar transistor of said first lateral bipolar transistor as a first base terminal,
From said first lateral bipolar transistor and said second lateral bipolar transistor is a lateral bipolar transistor of the same structure,
The first base terminal is applied with a voltage in a range where the emitter side pn junction of the first lateral bipolar transistor becomes a slightly forward biased operation region to a reverse biased operation region;
When the first and second lateral bipolar transistors are npn lateral bipolar transistors , a positive voltage is applied to the supply voltage with respect to the reference potential.
The semiconductor device according to claim 1, wherein, when the first and second lateral bipolar transistors are pnp lateral bipolar transistors , a negative voltage is applied to the reference potential as the supply voltage.
請求項1において、
前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタnpnラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記供給電圧は、前記出力端子の出力電圧よりも所定値だけ大きく、
前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタpnpラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記供給電圧は、前記出力端子の出力電圧よりも所定値だけ小さいことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
When the first and second lateral bipolar transistors are npn lateral bipolar transistors , the supply voltage is larger than the output voltage of the output terminal by a predetermined value,
In the case where the first and second lateral bipolar transistors are pnp lateral bipolar transistors , the supply voltage is smaller than the output voltage of the output terminal by a predetermined value.
請求項1又は2において、
前記半導体装置は、PTAT電圧発生回路、又は、バイアス電圧発生回路として利用されることを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or 2,
The semiconductor device is used as a PTAT voltage generation circuit or a bias voltage generation circuit.
第1のラテラルバイポーラトランジスタと第2のラテラルバイポーラトランジスタを備えた半導体装置において、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子とを接続し、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタベース端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタベース端子とを接続した半導体装置をN個備え、(Nは2以上の整数)
k=1(kは自然数)からk=Nまでの前記半導体装置の前記第2のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子をそれぞれ接続し、所定の供給電圧を印加し、
k=1からk=Nまでの前記半導体装置の前記第1のラテラルバイポーラトランジスタベース端子をそれぞれ接続し、所定の電圧を印加し、
k=1からk=N−1までの前記半導体装置の前記第1のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子と端子間をk=2からk=Nまでの半導体装置の第1のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子に接続し、
k=Nの半導体装置の前記第1のラテラルバイポーラトランジスタコレクタ端子と前記第2のラテラルバイポーラトランジスタエミッタ端子との端子間を出力端子とし、
前記第1のラテラルバイポーラトランジスタと前記第2のラテラルバイポーラトランジスタとは同一構造のラテラルバイポーラトランジスタであり、
前記第1のベース端子には、第1のラテラルバイポーラトランジスタのエミッタ側pn接合がわずかに順方向バイアスされる動作領域から逆方向バイアスされる動作領域となる範囲の電圧を印加され、
前記供給電圧には、前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタnpnラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記基準電位に対して、正の電圧を印加され、
前記供給電圧には、前記第1及び第2のラテラルバイポーラトランジスタpnpラテラルバイポーラトランジスタの場合は、前記基準電位に対して、負の電圧を印加されることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device including a first lateral bipolar transistor and a second lateral bipolar transistor ,
Connects the emitter terminal of said second lateral bipolar transistor and the collector terminal of said first lateral bipolar transistor,
N semiconductor devices each including a base terminal of the first lateral bipolar transistor and a base terminal of the second lateral bipolar transistor are connected (N is an integer of 2 or more)
connecting the collector terminals of the second lateral bipolar transistors of the semiconductor device from k = 1 (k is a natural number) to k = N, respectively, and applying a predetermined supply voltage;
connecting base terminals of the first lateral bipolar transistors of the semiconductor device from k = 1 to k = N, respectively, and applying a predetermined voltage;
Semiconductor k = 1 from the said second lateral bipolar transistor and the collector terminal of the first lateral bipolar transistor of the semiconductor device up to k = N-1 between the emitter terminal and the terminal from the k = 2 to k = N connected to the emitter terminal of the first lateral bipolar transistor devices,
k = the first output terminal between the terminal and the emitter terminal of the collector terminal second lateral bipolar transistor of the lateral bipolar transistor of the semiconductor device of the N,
From said first lateral bipolar transistor and said second lateral bipolar transistor is a lateral bipolar transistor of the same structure,
The first base terminal is applied with a voltage in a range where the emitter side pn junction of the first lateral bipolar transistor becomes a slightly forward-biased operation region to a reverse-biased operation region,
When the first and second lateral bipolar transistors are npn lateral bipolar transistors , a positive voltage is applied to the supply voltage with respect to the reference potential.
The semiconductor device according to claim 1, wherein, when the first and second lateral bipolar transistors are pnp lateral bipolar transistors , a negative voltage is applied to the reference potential as the supply voltage.
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