JP4555572B2 - nチャンネル・トランジスタおよびpチャンネル・トランジスタ用の、正のボディ・バイアスでの適応閾値電圧制御 - Google Patents

nチャンネル・トランジスタおよびpチャンネル・トランジスタ用の、正のボディ・バイアスでの適応閾値電圧制御 Download PDF

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Description

本発明は、閾値電圧制御の技術分野に関連し、より詳細には、フィードバック制御システムでトランジスタの閾値電圧を制御すること、所望の値に閾値電圧を減少させるようにトランジスタのボディ電圧をバイアスすることに関連する。
ここ数年の間、高い信頼性を維持しつつ集積回路(IC)へ印加される電源電圧を低下させ、よって電力消費を減少させることが所望されているが、その結果ICのスピードを非常に減少している。従来技術において、トランジスタの閾値の値を制御することによりこの問題を軽減する試みがなされている。1976年のIEEEの国際ソリッドステート回路会議において、Masaharu Kubo,Ryoachi Hori,Osamu Minato及びKikuji Satoによる「ショートチャンネルMOS集積回路のための閾値電圧制御回路」という題の文献が提示され、その中で負のフィードバックでMOSICチップの基板電圧を調整することにより、デバイスの製造過程における変動の影響を受けない回路閾値電圧を自動的に設定することができる閾値制御回路が開示されている。さらに、1994年のIEEEのカスタム集積回路会議で、Tsuguo Kobayashi及びTakayasu Sakuraiによる「低電圧高スピード動作用自動調整閾値電圧スキーム(SATS)」という題の文献が提示され、その中で閾値電圧の変動が自動基板バイアス技術により減少されることが開示されている。
これらの文献において述べられている技術に関する主な困難は、トランジスタ・ボディが異なる方向にバイアスされ、すなわち例えば、nチャンネル・トランジスタの場合にグランドに対して負に感知し、従って余分な電源及びより複雑なコントローラを必要とする。
本発明は、高い信頼性を維持しつつ、特に小さな電源電圧で、従って低い電力消費で集積回路の速度を増加させることである。本発明は、nチャンネル・トランジスタの場合にトランジスタのボディをグランドに対して正にのみバイアスし、pチャンネル・トランジスタの場合、電源電圧に対して負にのみバイアスするようにし、従って従来技術を単純化し、余分な電力のコストを削減することができる。
本発明は、pチャンネル・トランジスタおよびnチャンネル・トランジスタの両方に対して等しく良好に動作し、以下で説明されるように、pチャンネル・トランジスタに対して利用される回路は、pチャンネル・トランジスタとnチャンネル・トランジスタとが反対方向の感度で動作することを除いてnチャンネル・トランジスタに対して利用される回路と実質的には同じである。
図1は、nチャンネルFETのゲート電圧/ドレイン電流特性に対するボディ電圧の実際の影響を示している。+0.5ボディ電圧での特性曲線は、曲線10Nにより示され、0.0ボディ電圧の場合は曲線11Nにより、−0.5ボディ電圧の場合は曲線12Nにより、−1.0ボディ電圧の場合は曲線13Nにより、−1.5ボディ電圧の場合は曲線14Nにより、−2.0ボディ電圧の場合は曲線15Nにより、−2.5ボディ曲線は曲線16Nによって示される(全てのボディ電圧は、電源に対してものである)。公称0.0ボディ電圧で、閾値電圧(すなわちトランジスタがオンになるゲート電圧)は、矢印20によって示されるように約0.7ボルトであることが注目されるべきである。
pチャンネルのFETの場合、ゲート電圧/ドレイン電流特性に対するボディ電圧の影響は、図2に示されるようにpチャンネルFETに適した符号規約以外はnチャンネルFETの場合とほぼ同様である。図2において、ボディ電圧は全て電源に対するものであり、−0.5ボディ電圧の場合は曲線10Pにより、0.0ボディ電圧の場合は11Pにより、+0.5ボディ電圧の場合は曲線12Pによって、+1.0ボディ電圧の場合は曲線13Pにより、+1.5ボディ電圧の場合は曲線14Pにより、+2.0ボディ電圧の場合は曲線15Pにより、+2.5ボディ電圧の場合は曲線16Pによって示される。ここで再び公称0.0ボディ電圧で、閾値電圧(すなわちトランジスタがオンになるゲート電圧)は矢印20によって示されるように約0.7ボルトであることが注目されるべきである。(ここで使用されているように、エンハンスメント型pチャンネル・トランジスタの閾値は、正であると考えられる)
本発明では、nチャンネル・トランジスタのボディに対して、例えば0.0ボルトから+0.5ボルトの間の正の電圧のみを印加し(すなわち図1の曲線11Nと10Nの間)、従って閾値電圧は約0.7ボルト(矢印20)以下に制御される。同様に、pチャンネル・トランジスタのボディに対して、例えば0.0ボルトから−0.5ボルトの間の負の電圧のみを印加し(すなわち図2の曲線11Pと10Pの間)、従って閾値電圧も同様に約0.7ボルト(矢印20)以下に制御される。
nチャンネル・トランジスタ及びpチャンネル・トランジスタの両方に対して適用可能である図3は、本発明の制御がある場合とない場合の、ワーストケースの、CMOS論理ゲートへの電源電圧VDDと規格化された相対的な遅延との関係を示している。ハネウエルの絶縁体上シリコン(SOI)トランジスタに対する閾値電圧のワーストケース変化は、示されている値を得るために使用され得る。摂氏−55度から+125度までの温度範囲が使用された。曲線22は、本発明の制御のない場合のテストを示しており、印加される電圧VDDが1.0に近づくにつれ、遅延は約1.0ユニットから、約30又は40ユニット(スケールから外れている)まで変化することが注意されるべきである。曲線24は、本発明を使用した場合のテストを示しており、ここでは遅延は約0.7ユニットから約8ユニットまで変化することを注意すべきである。本発明では、最大閾値電圧は+125度Cで約0.68ボルトであり、−55度Cで約0.75ボルトであることが見出された。1.8ボルトでのVDDで、遅延は約30%減少し、1.5ボルトでのVDDで、遅延は約40%減少し、1.2ボルトでのVDDで遅延は約7のファクタで減少していることに注意すべきである。従って、本発明はダッシュ線26で示されるように、1.0ボルト程度の低い電源電圧の使用を可能とし、それに対し本発明における制御がない場合には、1.0ボルトでの電源電圧でスピードは非実践的なほど遅くなる。
図4は、pチャンネル型及びnチャンネル型の両方のCMOSトランジスタを使用する本発明の好適な実施の形態の概略図である。図4において、コントローラの上部は、出力BNを生成するnチャンネル・コントローラ30Nであり、下部は出力BPを生成するpチャンネル・コントローラ30Pである。上部および下部は4つの基本的なサブ回路、つまり、1)それぞれダッシュ線のボックス36N及び36Pにより示される一定の電流源、2)それぞれダッシュ線のボックス40N及び40Pにより示される基準電圧回路、3)それぞれダッシュ線のボックス44N及び44Pにより示されるクランプ回路、4)それぞれダッシュ線のボックス48N及び48Pにより示される出力回路を利用している。
一定の電流源36N及び36Pは、従来技術においてよく知られている一般的な回路であり、ここでは詳細には記述しない。電源36Nによって生成される一定の電流は、Icnとラベルされ、36Pによって生成される一定の電流はIcpとラベルされている。Pチャンネル・トランジスタおよびnチャンネル・トランジスタに対する符号規約により、Icnは一定の電流源36Nから流れるように示されており、Icpは一定の電流源36Pに流れ込むことように示されていることを注意すべきである。nチャンネル・コントローラ30Nにおいてnチャンネル・トランジスタを使用し、pチャンネル・コントローラ30Pにおいてpチャンネル・トランジスタを使用すること以外は、コントローラ30の残存部分は同じであり、つまり、基準回路40Pは基準回路40Nと同様であり、クランプ回路44Pはクランプ回路44Nと同様であり、出力回路48Pは出力回路48Nと同様である。従って、pチャンネル・コントローラ30P及びnチャンネル・コントローラ30Nは反対方向に感知する以外には同じ方法で動作する。
上述したように、nチャンネル・コントローラは、トランジスタのボディ端子に印加される負の電圧ではなく、正で制御されるバイアスを使用する(すなわち図1の曲線11Nと10Nの間)。従来技術においては、nチャンネル・トランジスタは非常に低い閾値で開始され、従って負の電圧が、閾値を所望の値へ増加するようにボディへ印加されなくてはならない。このことは、更なる電源を必要とする。本発明においては、nチャンネル・トランジスタは、ちょうど正しいところから非常に高い範囲の閾値で開始され、ボディへの電圧は、減少ではなく増加されるため、さらなる電源を必要とせずに所望の閾値を得ることができる。
図4において、nチャンネル・コントローラ30Nの一定電流源36Nは、電源電圧VDDを受信し、接合点50Nに対して一定の電流Icnを生成することが示されている。そして接合点50Nは、a)基準回路40NのトランジスタT1のドレイン端子、b)出力回路48NにおけるトランジスタT3のゲート端子、c)クランプ回路44Nにおけるゲートおよびドレイン端子の双方に結合されている。クランプ回路44Nはさらにボディ及びトランジスタT6のソース端子に結合されたボディ端子及び、全てグランドの結合されているソース端子、ゲート端子、ドレイン端子をさらに含んでいる。基準電圧VRNがライン51Nを介して基準回路40NのトランジスタT1のゲート端子、出力回路48NのトランジスタT2のゲート端子に印加される。T1のボディの電圧は、ライン52Nにより、a)トランジスタT2のドレイン端子、b)トランジスタT3のソース端子、及びc)出力回路48Nにおける接合点54NでトランジスタT2及びT3のボディ端子、d)出力BNに結合されている。接合点54Nでの電圧は、出力回路48Nからのフィードバック電圧であり、トランジスタT1のボディ端子およびコントローラ30Nの出力BNに供給する。集積回路の残りのnチャンネル・トランジスタは、nチャンネル・トランジスタT1と実質的に同じように動作し、後述するようにトランジスタT1に対する所望の閾値を得るために必要な大きさのボディ電圧を供給し、従って、集積回路の他のnチャンネル・トランジスタに対する所望の閾値を得るために必要な大きさのボディ電圧を供給することが推定される。従って、出力BNは、プリントされた回路のおけるT20によって示されるnチャンネル・トランジスタに結合するように使用され、ダッシュ線56Nにより示されるような閾値制御電圧を供給する。
上述したように、pチャンネル・コントローラにおいて、バイアス電圧はトランジスタのボディ端子へ印加される負の電圧により制御される(すなわち図2の曲線11P及び10Pの間)。本発明では、pチャンネル・トランジスタは電源VDDに対してまさに正確なところから非常に低い値までの範囲の閾値で開始され、ボディへの電圧は増加するのではなく減少するのでさらなる電源を必要とせずに所望の閾値を得ることが出来る。
pチャンネル・コントローラ30Pの一定の電流源36Pは、トランジスタT13及びT14が、抵抗Rが一定の電流源36N内置かれている場所に配置されていることから、一定の電流源36Nとはわずかに異なる。この回路は、当業者に良く知られており、ここで詳細に記述しない。一定の電流源36Pは、電源電圧VDDを受信して、接合点50Pへ結合される一定の電流Icpを生成するように示されている。そして接合点50Pは、a)基準回路40PにおけるトランジスタT8のドレイン端子、b)出力回路48PにおけるトランジスタT10のゲート端子、c)クランプ回路44PにおけるトランジスタT11のゲート及びドレイン端子の双方に結合されている。クランプ回路44Pは、さらにトランジスタT11のボディ及びにソース端子に結合されたボディ端子、すべて電源VDDに結合されたソース端子、ゲート端子、ドレイン端子を含んでいる。基準電圧VRPは、ライン51Pを介して基準回路40PにおけるトランジスタT8のゲート端子、出力回路48PにおけるトランジスタT9のゲート端子に結合されている。トランジスタT8のボディ端子の電圧は、ライン52Pによりa)トランジスタT9のドレイン端子、b)トランジスタT10のソース端子、c)出力回路48Pの接合点T54でトランジスタT9及びT10の双方のボディ端子、d)出力BPに結合されている。接合点54Pでの電圧は、出力回路48Pからのフィードバック電圧であり、コントローラ30NのトランジスタT8のボディ端子及び出力BPに供給する。集積回路の残りのpチャンネル・トランジスタは、後述するように、pチャンネル・トランジスタT1と実質的に同じように動作し、トランジスタT8に対する所望の閾値を得るために必要な大きさのボディ電圧を供給し、よって集積回路の他のpチャンネル・トランジスタに対する所望の閾値を得るために必要な大きさのボディ電圧を供給することが推定される。従って、出力BPは、プリントされた回路のおけるT22によって示されるnチャンネル・トランジスタに結合するように使用され、ダッシュ線56Pにより示されるような閾値制御電圧を供給する。
nチャンネル・コントローラ30Nの動作において、例えば、T1の閾値電圧が0.6ボルトであり、基準電圧VRNが0.5ボルトであると推定すると、T1は「オフ」になり、トランジスタT3のゲート電圧は、接合点50Nへの電流ICNにより増加する。フィードバック、すなわち接合点54NでのトランジスタT1のボディ電圧は、正に増加し始め、図1に見られるように、ボディ電圧が増加するにつれ、閾値電圧が低下する。
フィードバック電圧が基準電圧VRN、すなわち0.5ボルトに到達すると、トランジスタT1は、「オン」になり、一定の電流IcnはトランジスタT1を通過し始めるであろう。これによりトランジスタT3のゲートへの電圧は低下し、接合点54Nでの出力は減少し始めるであろう。トランジスタT1のボディ電圧が、トランジスタT3のゲートを、トランジスタT1を流れ、トランジスタT3のゲートへ流れる電流を一定に維持する値でトランジスタT3のゲートへの電圧を維持するのに充分高くなった場合に平衡に到達するであろう。この点で、トランジスタT1の閾値(及び集積回路のT20などの全てのnチャンネル・トランジスタ)は、所望の閾値となるであろう。VRNの値を変化させることにより、所望の閾値電圧が変化し得るであろうことに注意すべきである。このことで、同じチップで複数の異なる値の閾値を得ることが可能となり、プロセスを変化させずに与えられた部分の型の閾値電圧を変化させることが出来る。
クランプ44は必要ではないが、いくらかの場合、トランジスタT1へのボディ電圧の増加が平衡に到達するのに決して充分高くならないことがある。このような場合、クランプ44Nは、増加するのをやめるであろう。トランジスタT6とトランジスタT7は、T3のゲートと同じ電圧を受け取り、直列に結合された二つのダイオードのように動作する。従って、接合点50Nでの電圧が所定の値に到達した場合、電流は、クランプ44Nを通過してグランドへ流れ、トランジスタT1へのボディ電圧がさらに増加するのを防止する。その点で到達された閾値電圧はnチャンネル・トランジスタには理想的ではないが、本発明がない場合に比べ未だかなり低いであろう。
Pチャンネル・コントローラ30Pの動作において、例えばT8の閾値電圧が、0.6ボルトで、基準電圧がVRPがVDDより0.5ボルト低い場合、T8は「オフ」になり、トランジスタT10のゲート電圧は接合点50Pからの電流Icnにより減少し始めるであろう。フィードバック、すなわち接合点54PでのトランジスタT8のボディ電圧は、負に減少し始め、図2に示すように、ボディ電圧が減少するにつれ、閾値電圧は低下する。
フィードバック電圧が基準電圧VRP、すなわち0.5ボルトに到達する場合、トランジスタT8はオンになり、一定の電流IcpがトランジスタT8を流れ始めるであろう。これにより、トランジスタT10のゲートへの電圧が増加し、接合点54Pでの出力が増加し始めるであろう。平衡は、トランジスタT8のボディ電圧がまさに、トランジスタT8を通り、トランジスタT10のゲートから流れる電流を一定に維持するのに充分なほど高い場合に到達されるであろう。この点で、トランジスタT8(及び集積回路のT22などの全てのpチャンネル・トランジスタ)の閾値は、所望の閾値になるであろう。VRPの値を変化させることによって、所望の閾値電圧は変化され得る。このことにより、同じチップで閾値電圧として複数の異なる値を得ることが出来、プロセスの変化なしに所与の部分の型の閾値電圧を変化させることが可能となる。
クランプ44Nと同様に、クランプ44Pは必要ではないが、いくつかの場合には、トランジスタT8へのボディ電圧の減少が、決して平衡に到達する程度に充分に低くはならないことがある。この場合、クランプ44Pは減少を停止する。トランジスタT11とトランジスタT12は、T10のゲートと同じ電圧を受け取り、直列に結合された二つのダイオードのように動作する。従って、接合点50Pでの電圧が所定の値に到達した場合、電流は、クランプ44Pを通過してVDDへ流れ、トランジスタT8へのボディ電圧がさらに減少するのを防止する。その点で到達された閾値電圧はpチャンネル・トランジスタにとって理想的ではないが、本発明がない場合に比べ未だかなり低いであろう。
pチャンネル・コントローラは、出力回路40Pにより生成された電圧が電源電圧に対して負であり、基準回路40Pが負のフィードバック電圧に対して反応してpチャンネル・トランジスタのボディへ負のバイアスを生成し、閾値電圧として減少された絶対値を生成することで、pチャンネル・トランジスタの場合には動作スピードを増加するよう動作するであろうこと以外は、nチャンネル・コントローラと同じく動作することがわかるであろう。
従って、更なる電源を必要とせずにnチャンネル・トランジスタのボディへ正のバイアスを提供し、pチャンネル・トランジスタのボディへ負のバイアスを提供することによりスピードを増加させる、負のフィードバックを有する改善された閾値電圧源が提供される。当業者には多くの変化が可能であろう。例えば、基準トランジスタT1のボディへのフィードバック電圧がここに記述されるような方法で制御される限り、36P及び36N以外の一定の電源を使用することができ、44P及び44N以外のクランプが代用でき、48P及び48N以外の出力回路が利用できる。従って、好適な実施の形態に関して使用される特定の記述に限定することを意図していない。本発明の範囲は、添付された特許請求の範囲によって決定される。
様々なボディ電圧でのnチャンネルFETのゲート電圧とドレイン電流特性との関係を示すグラフである。 様々なボディ電圧でのpチャンネルFETのゲート電圧とドレイン電流特性の関係を示すグラフである。 本発明の適応閾値電圧制御を行う場合及び適応閾値電圧制御行わない場合の、ゲート遅延と電源電圧との関係を示すグラフである。 本発明の概略図である。

Claims (21)

  1. ボディを有する基準トランジスタであって、該ボディの電圧が該基準トランジスタの閾値電圧を減少させるように第一の方向に変化され得る、基準トランジスタと、
    前記第一の方向に増加するフィードバック電圧を生成するように動作可能なフィードバック回路と、
    前記フィードバック電圧を受信し、前記基準トランジスタのボディに制御電圧を供給して前記基準トランジスタの前記閾値を所望の値に減少させるよう前記基準トランジスタのボディを接続する手段と、
    を含むデバイス。
  2. 前記基準トランジスタへのフィードバック電圧の増加は、前記閾値が前記フィードバック電圧により前記所望の値に維持される平衡に到達するまでフィードバック電圧の大きさを減少させるように動作することを特徴とする、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記デバイスは、nチャンネル・トランジスタ閾値コントローラであり、前記基準トランジスタはボディを有するnチャンネル・トランジスタであり、前記方向は正であり、前記フィードバック回路は正の電圧を生じるように動作しうる、請求項1に記載のデバイス。
  4. さらに基準電圧源を含み、前記基準トランジスタは前記基準電圧源に結合されたゲート電極を有する、請求項3に記載のデバイス。
  5. 一定の電流源を含み、前記基準トランジスタは前記基準電流源に結合されたドレイン電極を有する、請求項4に記載のデバイス。
  6. 前記フィードバック回路は、前記一定の電流源に結合されたゲート電極を有する第一の出力トランジスタを含むことを特徴とする、請求項5に記載のデバイス。
  7. 前記フィードバック回路は、前記基準電圧源に結合されたゲート電極を有する第二の出力トランジスタを含むことを特徴とする、請求項6に記載のデバイス。
  8. 前記第二の出力トランジスタは、グランドに結合されたソース電極を有することを特徴とする、請求項7に記載のデバイス。
  9. 電圧源をさらに含み、前記第一の出力トランジスタは、前記電圧源に結合されているドレイン電極を含む、請求項8に記載のデバイス。
  10. 前記第一の出力トランジスタはソース電極を含み、前記第二の出力トランジスタは、前記第一の出力トランジスタの前記ソース電極に結合されたドレイン電極を含み、前記第一の出力トランジスタと前記第二の出力トランジスタの双方は、前記基準トランジスタのボディに結合されたボディを含み正の電圧を供給する、請求項9に記載のデバイス。
  11. 前記基準トランジスタのボディへ結合された出力端子をさらに含み、
    前記出力端子が、前記正の電圧を1又はそれ以上ののnチャンネル・トランジスタのボディに供給することを特徴とする、請求項10に記載のデバイス。
  12. 前記正の電圧が所定の値を超えないように前記フィードバック回路に結合されているクランプをさらに含むことを特徴とする、請求項3に記載のデバイス。
  13. 前記基準トランジスタへの正の電圧が所定の値を超えないようにするように、前記第一の出力トランジスタのゲート電極に結合されたクランプをさらに含むことを特徴とする、請求項11に記載のデバイス。
  14. 前記デバイスはpチャンネル・トランジスタの閾値コントローラであり、前記基準トランジスタはボディを有するpチャンネル・トランジスタであり、前記方向は負であり、前記フィードバック回路は負の電圧を生成するように動作可能であることを特徴とする、請求項1に記載のデバイス。
  15. 基準電圧源をさらに含み、前記基準トランジスタは、前記基準電圧源に結合されたゲート電極を持つことを特徴とする、請求項14に記載のデバイス。
  16. 一定の電流源をさらに含み、前記基準トランジスタは、前記一定の電流源に結合されたドレイン電極を有する、請求項15に記載のデバイス。
  17. 前記フィードバック回路は、前記一定の電流源に結合されたゲート電極を有する第一の出力トランジスタを含むことを特徴とする、請求項16に記載のデバイス。
  18. 前記フィードバック回路は、前記基準電圧源に結合されたゲート電極を有する第二の出力トランジスタを含むことを特徴とする、請求項17に記載のデバイス。
  19. 前記第一の出力トランジスタは、グランドに結合されたドレイン電極を有することを特徴とする、請求項18に記載のデバイス。
  20. 電圧電源をさらに含み、前記第二の出力トランジスタは前記電圧源に結合されたソース電極を含むことを特徴とする、請求項19に記載のデバイス。
  21. 前記第一の出力トランジスタは、ソース電極を含み、前記第二の出力トランジスタは、前記第一の出力トランジスタの前記ソース電極に結合されたドレイン電極を含み、前記第一の出力トランジスタと前記第二の出力トランジスタは前記基準トランジスタの前記ボディに結合されボディを含み、負の電圧を供給することを特徴とする、請求項20に記載のデバイス。
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