JPH02350A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置の性能改善に係り、特に高集積の半
導体装置の高安定化、高信頼化に好適な半導体装置に関
する。
〔従来の技術〕
近年の半導体装置の高集積化の進歩を目覚ましく、MO
Sダイナミック形メセメモリ下D RAMと略記する)
を例にとると1Mビットが量産期。
4Mビットが試作完了期をそれぞれ迎え、研究の主体は
16Mビットへと移行しつつある。このように高集積の
半導体装置を実現するためには、これを構成する素子あ
るいは配線などの寸法を0.5μm〜1μmと極めて微
細にする必要がある。このように微細な素子、あるいは
配線などを精度よく加工、製造することは極めて困難で
、製造ばらつきが大きくなる問題を生じている。 MO
3DRAMを例にすると、MOSトランジスタの特性を
支配するゲート長やしきい電圧が加工寸法や不純物拡散
濃度などの変動により、大きく変化し、実際の使用状態
での電源電圧9周囲温度などの変動も考慮すると、DR
AM全体のアクセス時間の変動範囲は2〜3倍にも及ぶ
、また、この製造ばらつきは信頼度にも大きい影響を与
える。すなわち、素子の絶縁破壊や特性労化(ポットキ
ャリアなどによる)などを生じる素子耐圧が微細化によ
り低下し、さらに、その特性は加工寸法のばらつきなど
に大きく支配されるためである。
従来、特性の安定化や信頼度の向上を図るものとして、
特願昭56−57143号、 56−168698号な
どに半導体装置チップ内に設けた電圧変換手段により、
外部電源電圧を低くして、チップ内の微細素子を動作さ
せる技術が開示されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記従来技術には、電気的特性や信頼度特性の
製造条件あるいは使用条件などの変動による影響につい
ては充分考慮がなされておらず、高安定、高信頼の半導
体装置の実現は困難であった。
又、製造条件の変動による影響についての考慮がなされ
ていないため、量産時に所望の特性を満たす良品の収率
が悪くコストアップを招くという問題もあった。
したがって1本発明の目的は、製造条件や使用条件が変
動しても、電気的特性や信頼度特性の変化しない、安定
で信頼度の高い半導体装置を実現することにある。[Industrial Application Field] The present invention relates to improving the performance of a semiconductor device, and particularly to a semiconductor device suitable for achieving high stability and high reliability of a highly integrated semiconductor device. [Conventional technology] With the remarkable progress in high integration of semiconductor devices in recent years, MO
S dynamic type methe memory (abbreviated as D RAM)
For example, 1M bit is the mass production period. As 4M bits reach the completion stage of their prototypes, the focus of research is shifting to 16M bits. In order to realize such a highly integrated semiconductor device, it is necessary to make the dimensions of the elements, wiring, etc. that make up the device extremely fine, such as 0.5 μm to 1 μm. It is extremely difficult to process and manufacture such minute elements or wiring with high precision, resulting in the problem of large manufacturing variations. M.O.
Taking 3DRAM as an example, the gate length and threshold voltage that govern the characteristics of a MOS transistor vary greatly due to variations in processing dimensions, impurity diffusion concentration, etc., and variations in power supply voltage9 and ambient temperature under actual usage conditions also occur. Considering, DR
The variation range of the overall AM access time is two to three times greater, and this manufacturing variation also has a large impact on reliability. That is, the breakdown voltage of the element, which causes dielectric breakdown of the element and characteristic fatigue (due to pot carriers, etc.), decreases due to miniaturization, and furthermore, the characteristics are largely controlled by variations in processing dimensions. Traditionally, as a means of stabilizing characteristics and improving reliability,
Japanese Patent Application No. 56-57143, No. 56-168698, etc. use voltage converting means provided in a semiconductor device chip.
A technique has been disclosed for operating microscopic elements within a chip by lowering the external power supply voltage. [Problems to be Solved by the Invention] However, the above-mentioned conventional technology does not sufficiently consider the influence of changes in manufacturing conditions or usage conditions on electrical characteristics and reliability characteristics, and does not provide high stability and reliability. It was difficult to realize this semiconductor device. Furthermore, since no consideration is given to the effects of variations in manufacturing conditions, there is a problem in that during mass production, the yield of non-defective products that meet desired characteristics is low, resulting in increased costs. Therefore, one object of the present invention is to realize a stable and highly reliable semiconductor device whose electrical characteristics and reliability characteristics do not change even if the manufacturing conditions and usage conditions change.
上記目的は、製造条件や使用条件の変動に応じて、半導
体装置内の回路の動作電圧、動作電流を制御することに
より達成される。
〔作用〕
半導体装置内の素子もしくは回路の動作電圧。
動作電流は、電気的特性や、信頼度特性に応じて制御さ
れる。これにより、高安定、高信頼の半導体装置が実現
できる。
〔実施例〕
第1図は本発明の基本概念を示す一実施例である。同図
で1は半導体チップ、2は半導体装置の本来の内部回路
、3は本発明の制御回路であり、製造条件や使用条件の
変動に応じた制御信号あるいは制御された内部電圧を発
生し、制御線5を介して回路2の動作を制御する。5は
1個の信号として示したが、回路2の回路に応じて複数
個用意される場合もある。
本実施例によれば、回路2の特性は製造条件や使用条件
に応じて、特性がある一定の関係に保たれるため、高安
定、高信頼の半導体装置を実現できる。
第2図は本発明の他の実施例であり、回路2の動作特性
、たとえば動作速度、動作電流などを検知線6を介して
検出し、これに応じて制御信号を発生する点で異なる。
本実施例によれば、2の動作特性を直接検知して、制御
信号を発生するので、第1図に比べさらに高精度の制御
が可能になり、より高安定、高信頼の半導体装置が実現
できる。
ここで検知線6は必要に応じて複数本設けてもよいのは
もちろんである。
第3図は本発明の他の実施例であり、2の動作特性を検
知するために、2と類似の特性を持つ検出回路4を設け
た点で第2図の実施例と異なる。
本実施例によれば、回路2内に動作特性を検知するため
に適当な回路部が無い場合でも、回路2の特性を4を介
して間接的に検知でき、これによって、回路2の特性が
ある一定の関係を保つように制御することができる。
なお、ここで4も5によって制御しているが、これは、
4の特性を2と同様に変化させるためのものであり、目
的に応じて5とは無関係に動作させることも考えられる
。
第4図は第1図の実施例を応用した実施例である0本実
施例では、制御回路3により電源線5工を通じて内部回
路2の電源電圧を供給する1本実施例は例えば内部回路
2を微細な素子で構成する場合などに適している。すな
わち、5工の電位を内部回路2を構成する素子の耐圧よ
り低い値に設定すれば、制御回路3により微細素子より
成る高集積の半導体装置を安定かつ高い信頼性を保った
まま動作させることができる。さらに、本実施例によれ
ば、外部電圧を低くする必要がないため、ユーザーに負
担をかけることがない0例えば、DRAMなどでは、2
56にビット、1Mビット。
4Mビットと集積度を増すために素子の微細化を行なう
必要があるが、この場合、耐圧の低下に対処して外部電
圧を下げることは、従来品との互換性の点から望ましく
ないので本実施例は有効である。なお、第4図では制御
線を複数量したが場合によっては内部回路2の電圧のみ
を制御回路で制御することにより内部回路の特性の安定
化を図ってもよい。内部電圧は外部電源Vccに対する
内部電圧を変動を補償した上で、温度などの外部条件。
製造条件の変動による内部回路の特性変化を補償するよ
うに変化させることもできる。なお、第4図の実施例に
おいては、外部電圧Vccが直接印加される制御回路は
、耐圧がVcc以上の素子を用いて構成することはもち
ろんである。しかし、場合によっては、集積度を向上す
るため、あるいは、制御回路と内部回路の特性を一致さ
せるために制御回路の一部を耐圧の低い微細素子で構成
する必要のあることもあり得る。その場合には、第5図
のように、制御回路3の内部に電圧変換回路3Aを設け
てその出力線5Iを通してVccより低い電圧を供給し
、内部回路2および制御回路3の中の耐圧の低い部分3
Bを制御すればよい、このように第5図の実施例によれ
ば制御回路も含めて微細化された素子で構成できるので
より集積度が向上する。さらに制御回路3Bと内部回路
2を同一の特性をもつ素子で構成できるので、内部回路
2の特性変動を制御回路3B内の回路の特性変動をもと
に精密に制御できるなどの利点がある。なお、第4.第
5図の実施例では必要に応じて内部回路内の一部の耐圧
の高い素子を外部電圧Vccで動作させてもよい、とこ
ろで第2図、第3図において耐圧の低い微細素子を用い
る場合にも第4図、第5図と同様にして構成できること
はもちろんである。又、第1図から第5図の実施例では
、制御回路をチップ内に1個ずつ設けた例を示したが、
必要に応じて、内部回路2をいくつかに分けて、別各の
制御回路を設けてもよい、又、その場合に第1図から第
5図の各構成を必要に応じて組み合わせてもよいことは
もちろんである。上記のように内部回路2をいくつかに
分けてその特性を制御する場合には、個々の回路の機能
により最適の特性に制御することが可能となる。第6図
は回路の動作速度を異なる一定値に制御した場合を示し
たものである。第6図において、破線Cttは制御回路
のない従来の回路の動作速度を示したものであり、製造
条件、使用条件の変化に応じて動作速度は大きく変化し
ている。これに対して制御回路を複数設けた場合には、
高速動作を必要とする回路はBlzのように高速に一定
に保ち、低速動作を必要とする回路はAltのように低
速に一定に保つことが可能である。たとえば、出力回路
などでは、出力の充放電を高速に行なうと、電源にノイ
ズが生じて内部回路の動作あるいは近くに配置された半
導体装置に悪影響を与える。そのような場合には出力回
路のみを低速に制御すれば、全体の速度を落とすことな
く動作速度を一定にできる。なお、ここでは製造条件、
使用条件の変動により回路動作が一定となるように制御
する例を示したが、必要に応じて所望の要因に対して所
望の依存性を持たせてもよい0例えば温度の上昇に伴い
回路の動作速度が高速となるような制御も可能である。
その場合には半導体装置内の配線あるいは半導体装置間
の配線の抵抗の遅延が温度により増大するのを相殺する
ように制御することにより半導体装置あるいはそれを含
んで構成されるシステム全体の速度を一定に保つことが
できる。第1図〜第6図の実施例によれば、製造条件に
より回路の特性が変動することがないので、量産的にお
ける良品の収率が向上する。さらに使用条件により特性
が変動しないので本実施例の半導体装置を用いて構成し
たコンピュータなどのシスシムの信頼性も向上する。さ
らに場合によっては回路3内の2つの回路において、両
者の動作の同期をとらねばならないときがあるがこのよ
うなときには本実施例を用いると回路特性の変動がない
ためタイミングマージンを極小に設定することができる
。したがってその分、半導体装置の速度を高速化できる
という利点もある0例えば、DRAMでは、メモリセル
アレーと周辺回路の動作の同期をとる必要があるが、こ
のような場合にも、本発明の適用によりタイミングマー
ジンを極小とできるため高速化が可能となる。このよう
なことは、2つ以上の半導体装置の間において動作の同
期をとらねばならないときも同様で本発明を応用した半
導体装置を用いることにより複数の半導体装置より構成
されたコンピュータなどのシステムの動作速度も高速化
できる。なお、第4図、第5図においては、正電源をV
ccとしたいわゆるTTLインタフェースを仮定したが
、ECLでも同様である。以下でもTTLインタフェー
スを中心に説明するが、本発明はこれに限定されること
なくECLインタフェースにも応用できる。
以下では具体的な回路の実施例を示す、まず、集積回路
の基本回路である駆動回路について、その特性を制御す
る方法について述べる。
第7図は、回路2内の駆動回路の特性を制御するための
具体的実施例の一つである。同図では回路の電源電圧を
変えることにより、特性を制御する例を示している。こ
こでは2を構成する要素回路2′として、PチャネルM
OSトランジスタTpz、NチャネルMOSトランジス
タT N 1からなるCMOSインバータを用いている
が、この回路はNAND、NOR回路など他の論理回路
、さらにはバイポーラトランジスタで構成した回路ある
いはバイポーラとMOSトランジスタの組み合わせで構
成した回路、これらの各回路を任意に複数個組み合せた
回路などのいずれでもよい。
本実施例によれば、5の電圧V C0NTを変えること
により、2′すなわち2全体の特性を制御することがで
き、高安定、高信頼の半導体装置を実現できる。VCO
NTの値は制御の対象となる2′の回路形式と目的によ
って定まる1例えば、第7図(A)に示した。CMOS
インバータの動作速度を一定化し、信頼度を高めるため
には、各種の変動要因に対して、同図(B)のようにV
CONTを変えればよい、すなわち、CMOSインバー
タの遅延時間tdは、主な変動要因であるMOSトラン
ジスタのゲート長Lg、L/きい電圧Vt、ゲート酸化
膜厚tox、チャネルコンダクタンスβ0.温度T(絶
対温度)、負荷容量Ct、に対して、はぼ・・・(1)
の関係にある。実際の回路においては、種々の事情によ
りこの関係式から多少ずれることもあるが、CMO8回
路全般において1式(1)で示した傾向はほぼ保たれる
。したがって、この式に応じてtdを一定に保つように
、VCONTを変化させればよい。すなわち、定性的な
傾向としては、同図(B)のように各変動要因(但しβ
0はその逆数)が大きく、あるいは高くなると共に、V
CONTの値が高くなるようにすれば、tdをほぼ一定
に保つことができる、これにより、製造条件や使用条件
が変化しても動作速度を一定に保つことができる。
また本実施例においては、温度変化にも応答するので、
半導体装置自体の待機時と通常動作時などの動作状態に
より、チップの発熱量が異なるために生じる温度変動あ
るいは周囲温度の変動に対しても性能を一定に保つこと
ができる。
なお、式(1)においては、P/N両チャネルのMOS
トランジスタで、共通してLg、v丁、toxtβ0を
定義したが、実際にはそれぞれ別の値となる場合が多い
。しかし、両チャネルでは電圧と電流の極性が異なるの
みで、式(1)の関係はそのまま成立するので、ここで
は、特に必要な場合を除き1区別せずに取り扱うことに
する。
なお、場合によっては回路の速度を一定にせず、所望の
パラメータに対して所望の依存性をもたせてもよいこと
は前記したとおりである0例えば、前記したように温度
上昇に伴って回路の速度を高速にしたい場合には、(1
)式より
(V C0NT −V T ) ccT−”’とせず、
(VCONT−V 丁) a:T−”として
n > 1 、5
とすればよい。
次に、素子耐圧においては、絶縁破壊耐圧は、Lg、t
oxが小さくなると低下するので、やはり同様にV C
0NTを同図(B)のように制御すればよい、また近年
注目されているMOSトランジスタのドレイン近傍で発
生した。高エネルギーのキャリアがゲート酸化膜中に注
入されてしきい電圧が上昇し、チャネルコンダクタンス
が低下するなどの特性が劣化する現象のため、動作電圧
の上限が規定される耐圧(以下ホットキャリア耐圧と称
する)も、Lg、toxが小さく、かつ温度Tが低くな
る点、低くなるので、これに関してもVCONTを同図
(B)のように制御すればよい。これにより、たとえ、
製造ばらつきによってホットキャリア耐圧が低くなった
としても、 VCONTも低くなるので特性劣化などの
問題を生じることはない、また。
たとえ、長期間の動作により、ホットキャリア現象その
他により、しきい電圧が高くなったり、チャネルコンダ
クタンスが小さくなったとしても、VCONTは同図(
B)のように制御されるので、特性を一定に保つことが
できる。
先に述べたように、第7図の実施例は2′としてCMO
Sインバータに限らず種々の回路を用いることができる
0例えば、第8図のようなりiCMOSインバータを用
いてもよい、この場合には、出力をバイポーラトランジ
スタで駆動できるのでより高速の動作を実現できる。又
、第8図ではバイポーラトランジスタQNISのコレク
タを外部電源Vccに接続した。これにより大部分の出
力電流は外部電源Vccより供給されるため制御回路3
の駆動能力を小さくでき、設計が容易となる。なお、バ
イポーラトランジスタの耐圧が低い場合には、制御回路
3の駆動能力を大きくしてQN8のコレクタをVCON
Tとしてもよい、第6図の2′として第9図。
第10図に示したような回路を用いることもできる。
第9図は、第7図の実施例にT ri s 、 T s
4からなる出力バッファ回路を付加したものである0
本実施例の動作速度、出力電圧は第7図と同様にVCO
NTで制御されるが、出力の負荷容量CLの駆動電流は
Vccから供給されるため、第8図の実施例と同様に制
御回路3の駆動能力を小さくでき、設計が容易となる。
第10図はT’saをバイポーラトランジスタQNaで
置き換えた実施例であるe QN8の駆動能力が大きい
ため、より高速に負荷を駆動できると同時に、VCON
Tの駆動能力をさらに軽減できる。
第8図〜第10図の実施例においても、第7図と同様に
VCONTによって、回路特性を制御することができる
。
第11図は、*動回路の特性を制御する他の具体的実施
例である。同図では第7図における要素回路2′の部分
のみを示しており、T P I T NxのCMOSイ
ンバータと外部電源電圧Vccおよび接地間にPチャネ
ルMoSトランジスタTpz、NチャネルMOSトラン
ジスタTNzを挿入し、そのゲ−ト電圧を制御すること
により、インバータの動作電流を制御し最終的に動作速
度を制御している。
すなわち、電流を大きくする速度は速くなり、電流を小
さくすると速度は遅くなる。遅延時間tdは、各々の変
動要因に対して、式(1)と示したと同様な傾向を持つ
、したがって、同図(B)に示すように、L g e
Vie t axe 1 /βO,T g Ctaが大
きくなるにつれて、各々の電流が増えるように、すなわ
ち、PチャネルMO5Tのゲート制御用のVCONTは
、高い値から低い値へ、NチャネルMO8Tのゲートを
制御するVCONT’は低い値から高い値へ変わるよう
にすれば、tdをほぼ一定に保つことが可能になる。
本実施例によれば1回路の動作電流は電源電圧から直接
供給され、Vcost、 VCONT’はMOSトラン
ジスタのゲートのみを駆動すればよいので。
制御回路3の駆動能力を小さくでき、設計が極めて容易
になる。なお1本実施例において、P、N両チャネルM
OSトランジスタで制御する方式としたが、必要に応じ
てそのいずれか一方のみを設けることも考えられる。な
お、第11図の実施例においては、MOSトランジスタ
Tpt、 TNzのゲート巾をTP2.T’N2に較べ
て大きくするなどにより、TPI、 TNIのオン抵抗
をTpte TNzより大きくしておけば、’rpt、
TNIを流れる電流は’rp。
T’Nzのオン抵抗で決まり、より制御しやすくなる。
第11図では、インバータの例を示したが、本実施例は
これに限らすNAND回路、NOR回路など様々な論理
回路にも適用できる。すなわち、第11図において駆動
回路の機能を持つDRIVを論理回路におきかえればよ
い。
第12図(A)、(B)は、第11図の制御法を0MO
8に較べて高駆動能力であるBiCMO3の駆動回路に
適用した例である。よく知られているようにBiCMO
3では、MOSトランジスタによりバイポーラトランジ
スタのベース電流を制御し、その電流をバイポーラトラ
ンジスタで増rl】L/て負荷容量を駆動する。したが
って(A)のようにベース電流を制御することにより回
路の速度を制御できる。
第12図(A)において入力INが低レベルとなるとp
M OS Tpze n M OS TN&がオン、
nMO8T pi a 、 T N z 、 T N
lがオンする。その結果、バイポーラトランジスタQN
8がオンし、QN4はオフする。
このとき、QNδを流れるベース電流はVCONTがゲ
ートに印加されるTPlにより制御できる。したがって
出力の充電時の速度を、VCONTにより制御できる。
一方、入力INが高レベルとなると、バイポーラトラン
ジスタQNaがオフ、QN4がオフして出力の放電が開
始される。このときQN4のベース電流は、出力OUT
より供給されるがこれはV(!ONT’により制御でき
るので出力の放電速度はVC!ON丁′により制御でき
る。このようにして本実施例ではBiCMO3回路の動
作速度を制御することができる。なお、BiCMO3回
路の速度を制御するには、第11図においてDRIVの
部分を第12図(B)のように単純にBiCMO8回路
で置きかえてもよい。
この場合、電流は第11図(A)のMOSトランジスタ
Tpzv TNzできまるため、第12図(A)のよう
にベース電流のみを制御する場合に較べて高精度に制御
できる。又、第11図の回路に較べると、パイポートラ
ンジスタの駆動能力の分だけ、DRIV内のMOSトラ
ンジスタを小さくできるので入力INからみた入力容量
が小さいという利点がある。すなわち前段の負荷が軽い
ため高速化ができる。
第11図のように電源と駆動回路との間にMOSトラン
ジスタを挿入して電流を制御する方法は他にも応用でき
る。第13図は入力振巾より高い出力振巾を得るための
レベル変換回路に適用した例である。第14図を用いて
第13図の回路動作を説明する。Eが高電位の状態で入
力INが高電位V^になるとnMO8Tnaを通してF
の電位はV^−V T 11 nの電位となる0次いで
Eが低電位になると、p M OS TpaがオンしF
の電位はVHとなる。この結果p M OS Tpzが
オフ、n M OST N tがオンとなり、出力OU
TはOvになる。なおFが高電位Vnに上昇する時、A
、Cの電位はV^であるので、TNISはオフであるの
でFからCへ電流が流出してFの電位が下がることはな
い。
一方、Eが高電位の状態でINが低電位になるとTNa
がオンし、FもINと同じ低電位になる。この結果Tp
zがオン、T N 1がオフし、出力OUTが高電位V
Hに充電される。なおこの回路では第9図の波線に示す
様にINが高電位V^になってから、Eが低電位になる
までの期間tcEが長いとFの高電位はV^−vTにし
ばらくとどまるので、T P ! 、 T s 1に貫
通電流が流れ、OUTが不十分な低電位にとどまる期間
が存在する場合がある。したがってtcEの時間が短か
くすることが望ましい。
そのためにはINが高電位になると同時にEを低電位に
切換えればよい、これにより上記問題は解決できる。
以上のように第13図の実施例によれば、入力INの振
r9V^を高振巾Voに変換することができる。このと
き、MOSトランジスタTPz、 IN2により電流を
制御できるため、所望の一定速度で動作させることがで
きる。第13図の実施例は、例えばダイナミックメモリ
のワードドライバなど入力電圧より高い出力電圧を得る
ための回路として有効である。第15図は、駆動回路の
速度を制御するための他の実施例である。本実施例は、
第11図における電流制御用のMOSトランジスタより
直接出力を得るようにノンインバータを構成した例であ
る。第15図において入力電圧が高レベルとなるとp
MOS Tpx、Tpaがオフ、n M OST N
1 、 T N aがオンする。この結果、pMO8T
pzのゲートはVCONTとなり、n M OS IN
2のゲートはOvとなる。これによりTpzがオンTp
tzがオフして出力にはVCONTで所望の値に制御さ
れた電流が流れ負荷を充電する。入力INが低レベルに
なると逆にTP2がオフ、Tnxがオンして放電動作が
始まりOUTはOvとなる。このときIN2のゲート電
圧はVcoNt’であるので、vcoNTにより放電の
速度も制御できる6本実施例では、電源と出力の間に2
つのMOSトランジスタが直列に接続されることがない
ため高速動作に適している。又、直列に接続した2つの
トランジスタの特性変動の影響を考慮しなければぼらな
い第11図の場合と較べて制御が容易である。
以上駆動回路の動作速度を制御する方法につぃて述べて
きたが、第7図から第12図及び第15図の回路では、
その一部に外部電圧Vcaが印加されている。したがっ
て場合によってはVccの変動を補償するのが困難とな
るなどの問題を生ずることも考えられる。その場合には
、第5図に示したように制御回路3内に電圧変換回路3
Aを設けてその出力電圧V!を一定に保つことにより内
部回路をVccの変動に対して安定に動作させることが
できる。この場合、内部電圧Vx を低く設定すれば、
耐圧の低い微細化された素子を安定に動作させることが
できる。第16図は上記のようにチップ内に電圧変換回
路を設けた一実施例である。第16図において5工は、
電圧変換回路3Aより制御回路内の回路3B、および内
部回路2へ電圧V!を供給するための電源線である。又
、ICLは、第11図のMOSトランジスタT p z
、 T N 2のように内部回路内の各回路DRIV
の電流を制御する電流制御回路である0本構成によれば
、外部電圧Vccに依らない一定電圧V!により微細化
された素子を安定に動作させることができ、しかも各々
の回路の機能に応じた所望の速度で動かすことができる
。
第17図は、CMOSインバータの動作速度を制御する
他の手段を示す実施例である。ここでは、T P 1お
よびT N 1(7)基板5BPI、5BNI(7)電
圧を制御することにより、T p 1. T Nxのし
きい電圧を制御し、その結果としてインバータの動作特
性を制御するものである。本実施例は、しきい電圧の変
動による特性変化を補償するのに好適である。
第17図では、CMOSインバータについて示したが、
B1CMOSインバータなどMOSトランジスタを用
いる他の回路にも応用できる。又、このように基板電圧
を制御する方式をこれまで述べてきた他の制御法と組合
わせることももちろん可能である。
第7図から第17図まででは主にインバータ。
ノンインバータNAND回路等駆動回路の特性を制御す
る方法について述べてきたが、集積回路では、この他に
電圧差に応じて出力を出す差動アンプも多用される。以
下ではこの差動アンプにつぃての実施例を示す。
第18図は本発明の他の実施例であり、第11図の制御
法をMOSトランジスタで構成された差動アンプの動作
速度の制御に適用した実施例である。同図でINI、I
N2は差動入力、OUT 1 。
0UT2は差動出力である0本回路においても動作速度
は制御条件や使用条件の変動に対して第7図、第11図
と同様の傾向で変化する。したがって、V C0NT
t V OON? ’ を第11図(B)と同様に制御
することにより、動作電流が変わり、その結果として動
作速度を製造条件や使用条件に応じて制御することがで
きる。この差動アンプの出力電圧は動作電流と負荷MO
SトランジスタTPL#TpL’のオン抵抗の積で決ま
る。したがって、動作電流を決めTNCのオン抵抗とT
PI、、 TPL’のオン抵抗の比が一定となるように
、VOONT、 VCONT’を制御すれば、動作電流
とTPL、 TPL’のオン抵抗の積すなわち出力電圧
は一定に保ったままで、動作速度を制御できる。
第19図は第18図のTN^、TPI^′をNPNバイ
ポーラトランジスタQN^+ QN八へで置換えた実施
例であり、第18図と同様の効果が得られると同時に、
増幅率が大きくとれるなどの特長を有する。
第20図は第19図の電流制御用トランジスタTNCを
NPNバイポーラトランジスタQNCと抵抗Rcで置換
えたものであり、第18図、第19図と同様に動作速度
が制御できる。また、動作電流がより定電流化されるた
め、増幅率を大きくできる特長も有する。
なお、第18−20図においてVccを印加することが
、耐圧もしくはVccの変動による特性変動の点で問題
となる場合には第5図のようにチップ内部に設けた電圧
変換回路3Aにより所望の電圧を与えればよい。
以上5回路2を構成する種々の要素回路の特性を制御す
るのに好適な実施例について述べたが。
次に、制御回路3の具体的な実施例について述べる。
第21図はその一実施例である。同図でTpnはPチャ
ネルMOSトランジスタ、CCは定電流iを流す定電流
源である1本実施例によれば、TPRのゲート長、しき
い電圧、ゲート酸化膜厚などの製造条件、あるいは温度
などの使用条件が変動しても、出力5にはTPRに一定
電流を流すに必要なゲート電圧が常に出力される。した
がって、第11図〜第13図、第15図、第18図〜第
20図などのV C!ONT発生回路として好適である
。これらの回路に適用すると、TPRと第11図〜第1
3図、第15図のTpz、もしくは第18図〜第20図
のTPL、 TPL、’は良く知られているカレントミ
ラー回路の接続となる。したがって、T p z、もし
くはT PL 、 T PL ’のトランジスタ寸法を
TPRのそれに対して、適当に選ぶことにより、各回路
の動作電流を任意の一定値に制御することができる。
第22図は、第21図をNチャネルMOSトランジスタ
で構成した実施例であり、第11図〜第13図、第15
図、第18図〜第19図のVcoNt’の発生回路とし
て最適であり、第21図と同様の効果が得られる。
第23図は第21図と第22図を組み合せた実施例であ
る0本実施例によれば第11図〜第13図、第15図、
第18図〜第19図用のVCONT。
VC!ONT’ を同時に発生でき、しかも、これらの
電圧は同一定電流源を基にして発生されるため、相互の
整合性の高い極めて安定な電圧を得ることができる。
第24図はPチャネルMOSトランジスタTPRとNチ
ャネルMOSトランジスタTNRを直列に接続して、V
CONTを発生した実施例である0本実施例によれば、
P、N両チャネルMOSトランジスタの製造条件、使用
条件の変動の影響がVCONTの値に反映される。した
がって、第7図〜第10図のVCQNT発生回路として
好適である。
第25図は第24図の出力に、増幅Ja7と帰還率βの
帰還回路8からなる増幅段を付加した実施例である0本
実施例では、その増幅率を充分大きく選ぶと、出力VC
ONTは
V。
VcaNt=□
となり、βを適当に設定することにより、任意の値を得
ることができる。したがって、Voで製造条件や使用条
件の変動の影響を反映する他に、βに製造条件や使用条
件依存性を持たせることによりβにその一部あるいは全
部の役割を分担させることもできる。
第26図は定電流値CCの具体的実施例の一つである。
同図のように定電流源CC1は抵抗R1〜Ra、NPN
バイポーラトランジスQN工+QNzで構成されている
。本実施例ではQ N 1のベースBpizの電圧は、
バイポーラトランジスタの電流増幅率が充分大きく、ま
たエミッターベース間順方向電圧をVo8とすると、V
BI!(R2+ R8)/ Ra (7)一定電圧とな
る。
したがって。
R8・ R4
の一定電流が流れるm VBI!は製造条件の変動の影
響を受けにくいので安定な電流を出力できる。
本実施例は接地に向って外部からiが流れ込む形式であ
るため、第21図のような回路の定電流源として好適で
ある。
第27図はPNPバイポーラトランジスタを用いて、定
電流源を構成した実施例である。1!圧。
電流の極性が第26図と異なるのみで、動作は全く同一
となる0本実施例は電源電圧Vccからiが流れ出す形
式であるため、第22図、第24図。
第25図のような回路の定電流源として好適である。
第28図は第27図のように電源電圧から電流が流れ出
す形式の定電流源をNPNバイポーラトランジスタで実
現した実施例である0本実施例では、Rx、 Rze
Raw Qwzの動作電流が定電流に加算される問題を
有するが、Qszの電流増幅率を充分大きくすることに
より、その影響は無視できる。
本実施例によれば、Vccから電流が流れ出す形式の定
電流源を、作り易く、高性能のNPNバイポーラトラン
ジスタを用いて実現できる。なお、本実施例は、電流が
流入、流出するいずれの形式としても使用できる。
第29図はこの特長を活かして、第23図の回路に上記
定電流源を適用したものである1本実施例により、V
C0NT 、 V C0NT ’ を同時に出力できる
。
第30図は、例えば第26図の定電流源CC1のように
接地に向って電流が流れ込む電流源CCと、Pチャネル
MOSトランジスタTPMとTPMから成るカレントミ
ラー回路により、Vccから電流が流れ出す形成の定電
流源を実現した実施例である。 T’pHとTPM’の
寸法を同一にすることにより、両者に流れる電流を等し
くでき、CCの出力電流iと同一値の電流を電源電圧V
ccから外部に出力することができる。これを第22図
と同様にNチャネルMOSトランジスタTNRに入力す
ることにより、VCONT’ を得ることができる0本
実施例では、TpにとTPM’の寸法比を適当に選ぶこ
とにより、CCの電流値に対して、出力電流を任意に定
めることができる。
第31図は、第30図においてTPMとCCによって発
生される電圧を、VCONTの電圧として供用したもの
である。本実施例によりVcoNtw VCONT’を
同時に発生することができ、第23図と同様に両者の特
性を整合性よく制御できる特長を有する。
第32図はMOSトランジスタを用いて、高安定の定電
流源を実現する実施例である。
同図で、TNex〜TNB8はNチャネルMOSトラン
ジスタであり、TM01は負、Tsexは正のしきい電
圧を有するarprBsのしきい電圧は正負のいずれで
もよい、 RBt = Ra sは抵抗、7は差動増幅
器である。
ここで、Rez、 RBxの値、およびTM01. T
sazの寸法をそれぞれ等しく設定しておけば、TM0
1゜TM01に流れる電流が互いに等しくなるように動
作する。したがって、TNszのゲート電圧Vxsは、
TNlllとT n e 2のしきい電圧の差に等しい
値の電圧となる。このしきい電圧の差の値は製造条件や
使用条件によらず、はぼ一定に保たれる。
以上の回路において、TN8δのドレインおよびソース
電流は等しいので、出力電流iは、VII
のように表わすことができる。したがって、Vreと同
一の特性を持つ電流出力が得られ、その値はRSSによ
って任意に制御できる。
本実施例は、たとえば第31図の電流源CCに用いるな
ど各実施例の定電流源として用いることにより、高安定
の特性制御が可能になる。
本実施例によれば、パイポートランジスタを用いなくて
も回路を構成することが可能となるので、MOSトラン
ジスタで構成された集積回路に好適である。
第33図は第21図〜第25図および第30図〜第31
図などの定電流として、さらに好適な実施例を示してい
る0本実施例は、良く知られているバンドギャップジェ
ネレータ回路を定電流源として応用したもので、特に温
度、電源電圧などの変動に対して高安定の電流を得るこ
とができる。
同図においてQISI〜Qasはバイポーラトランジス
タ、Rat−RI!aは抵抗で、所望の温度特性をもつ
定電流iを作ることができる。なお、iszは抵抗Rs
zを流れる電流、1112はバイポーラトランジスタQ
ISxのコレクタ電流、isaはバイポーラトランジス
タQ+saのコレクタ電流である。以下では、出力電流
iについて説明する前に、まず本回路の内部電圧VIA
の値と温度依存性につき説明する。
なお、以下では簡単のためバイポーラトランジスタのコ
レクタ電流に較べてベース電流は無視できるものとし、
コレクタ電流とエミッタ電流がほぼ等しいものとして説
明する。電圧V t 1は次式で表わされる。
V!z=Vaa(Qax)+ I sz・Rsz+Vt
sp(Q21z)−Vag(Qaa)
−(4)ココでVBE(Q81)、 VaE(
Q+sz)、 VaE(Qss)はそれぞれバイポーラ
トランジスタQsxe QaxtQI5sのベース・エ
ミッタ間順方向電圧である。
(I+)式において電流IB2は次式で表わされる。
Isz=(Vag(Qss) VaI!(Qsa)
)/RII+−(5)ここで、バイポーラトランジスタ
QasとQIs4のエミッタ面積を適当にえらぶことに
よりバイポーラトランジスタQB8の電流密度をバイポ
ーラトランジスタQaaのn倍に設定すれば、
1 kT
I sz = □ −Q n n
・= (6)R5番 q
が成立する。(6)式で、kはボルツマン定数、Tは絶
対温度、qは電子の電荷である。(与)〜(6)式%式
%(7)
が成立する。したがってバイポーラトランジスタQaz
とQssのエミッタ電流密度が等しくなるように設計す
ると第7式の右辺第3項、第4項はキャンセルするので
が成立し、電気Vwzの温度依存性は
a VIz a Vat!(QISI) R
sz k= +□・−Qnn
・・・(9)aT aT Rsa
qとなる。よく知られているように、バイポーラトラ
ンジスタのベース・エミッタ電圧は負の温度依存性を持
つ、したがって(9)式より抵抗Rsx。
RII4の比もしくは、バイポーラトランジスタQas
とQaaのエミッタ電流密度の比nを変えることに数を
Oにした時に得られるVIIの値が、シリコン半導体の
バンドギャップ電圧とほぼ等しい1.2v前後の値にな
ることから、一般にバンドギャップジェネレータと呼ば
れている。
以上の回路において、Qgsのコレクタ電流とエミッタ
電流はほぼ等しいので、出方電流iは t x
l=□ ・・・(
10)Rsa
のように表わすことができる。したがって、V r 1
と同一の特性を持つ電流出力が得られ、その値はRfi
gによって任意に制御できる。
本実施例を既に述べた各実施例の定電流源として用いれ
ば、極めて高安定の制御が可能になる。
特に温度に関しては、目的に応じて、定電源の温度係数
をOlあるいは正もしくは負の任意の値に設定し、これ
によって回路の動作特性を任意に制御することができる
。
また、本実施例の内部電圧VIzは高安定の定電圧源と
して使用することもできる。このとき、定電流出力iが
不要な場合はその出力端子をVccに接続すればよい。
V t tは例えば第20図のV(!ONT’ として
用いることもでき、その場合には差動増巾器の温度特性
を制御することができる。
これまでいくつかの具体的な実施例をあげと。
本発明による回路特性の制御法について述べてきた。こ
れらの実施例は容易に実現することができるが集積度を
上げるために微細な素子で構成する場合には素子の耐圧
が低くなり、外部電圧Vccを素子に直接依頼すること
が困難となることもあり得る。又、外部電圧が変動する
と所望の特性を得ることが困難となることもあり得る。
そのような場合には、第4図、第5図、第16図の実施
例のように、チップ内部で安定な電圧V!を作り、これ
をVccの代わりに用いればよい、このとき場合により
Vccを印加しても問題のないところにはVccを印加
してもよい、そうすれば電圧Vt を発生する電圧源の
負担が減少するのでより高安定にVr を保つことがで
きる。第34図は内部電圧V!を用いた場合にその動作
速度を所望の値に制御するための一実施例を示している
。ここでは、第11図に示したCMOSインバータを第
21図。
第22図の回路で制御する場合例にとり説明するが、こ
れに限らず今まで述べた各種の実施例に応用できる。第
34図ではpMO8TpzとTPR。
n M OS T+vzとTNRはカレントミラーを成
す、したがって前記の実施例と同じようにTPRに対す
るTPzのサイズを適当に設定すれば駆動回路DRIV
の充電電流を任意の値に設定できる。又、TNRに対す
るTNzのサイズを適当に設定すれば、放電電流を任意
の値に設定できる。ここで、PMO8TPRとTpxの
ソース電圧および電流源CCzの電源電圧V!を素子耐
圧より低い、値に保てば素子耐圧の低い微細素子を用い
ることができる。又、本実施例は、出力振巾もV!どな
るので、次段に入力される電圧も安定に制御することが
でき、次段の動作も安定に保つことができる。なお、V
CONT。
VCONT’発生回路31.32は複数の回路で共有す
ることができ、その場合でもTpz、 TNzの大きさ
を回路毎に設定すれば、個々の回路を所望の速度で制御
することができる。
次に第4図、第5図、第34図等のようにチップ内部で
Vccより低い電圧を発生するのに好適な電圧変換回路
の実施例について述べる。
第35図は、上記電圧変換回路の構成を示した一実施例
である。ここでAは電圧変換回路、Fは定電圧発生回路
、Gは増巾器である。定電圧発生回路Fは、外部電源電
圧Vccより、定電圧V 11を発生する。増巾器Gは
上記電圧V t xを増11シて、内部回路2もしくは
制御回路の一部3Aに必要な電圧値V!を制御線5Iに
出力する。ここで電圧V!は、定電圧回路Fと増1]器
Gとによって様々な特性をもたせることができる0例え
ば温度依存性、外部電源電圧依存性を補償すれば、第3
4図のような回路の出力振巾をVcc、温度によらず一
定とできるのでより高安定な動作が実現できる。
本実施例によれば、定電圧回路の出力電圧V t tを
増巾器Gで所望の電圧値に増巾できる。そのため。
定電圧回路の出力電圧V t 1の値に制限されること
なく電圧Vlの値を設定できる。
第36図に示した実施例は、第35図において増The above object is achieved by controlling the operating voltage and operating current of a circuit within a semiconductor device in accordance with variations in manufacturing conditions and usage conditions. [Function] Operating voltage of elements or circuits in a semiconductor device. The operating current is controlled according to electrical characteristics and reliability characteristics. As a result, a highly stable and highly reliable semiconductor device can be realized. [Embodiment] FIG. 1 is an embodiment showing the basic concept of the present invention. In the figure, 1 is a semiconductor chip, 2 is an original internal circuit of the semiconductor device, and 3 is a control circuit of the present invention, which generates a control signal or a controlled internal voltage according to fluctuations in manufacturing conditions and usage conditions, The operation of the circuit 2 is controlled via a control line 5. Although 5 is shown as one signal, a plurality of signals may be prepared depending on the circuit of the circuit 2. According to this embodiment, the characteristics of the circuit 2 are maintained in a certain relationship depending on the manufacturing conditions and usage conditions, so that a highly stable and highly reliable semiconductor device can be realized. FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, which differs in that the operating characteristics of the circuit 2, such as operating speed and operating current, are detected via a detection line 6 and a control signal is generated accordingly. According to this embodiment, since the operating characteristics in 2 are directly detected and a control signal is generated, more precise control is possible than in Fig. 1, and a more stable and reliable semiconductor device is realized. can. Of course, a plurality of detection lines 6 may be provided as necessary. FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that a detection circuit 4 having characteristics similar to those of 2 is provided in order to detect the operating characteristics of 2. According to this embodiment, even if there is no suitable circuit section in the circuit 2 to detect the operating characteristics, the characteristics of the circuit 2 can be detected indirectly through the circuit 4, and thereby the characteristics of the circuit 2 can be detected indirectly. It can be controlled to maintain a certain relationship. Note that 4 is also controlled by 5 here, but this is
This is to change the characteristics of 4 in the same way as 2, and it may be possible to operate it independently of 5 depending on the purpose. FIG. 4 shows an embodiment which is an application of the embodiment shown in FIG. It is suitable for cases where the device is composed of minute elements. In other words, by setting the potential of the 5th element to a value lower than the withstand voltage of the elements constituting the internal circuit 2, the control circuit 3 can operate a highly integrated semiconductor device made of minute elements with stability and high reliability. I can do it. Furthermore, according to this embodiment, there is no need to lower the external voltage, so there is no burden on the user.
56 bits, 1M bits. In order to increase the degree of integration to 4M bits, it is necessary to miniaturize the elements, but in this case, it is not desirable to lower the external voltage to deal with the drop in withstand voltage, so this is not recommended in this case. The example is valid. Although a plurality of control lines are shown in FIG. 4, in some cases, the characteristics of the internal circuit may be stabilized by controlling only the voltage of the internal circuit 2 by the control circuit. The internal voltage is determined by compensating for fluctuations in the internal voltage relative to the external power supply Vcc, and then determining the internal voltage based on external conditions such as temperature. It can also be changed to compensate for changes in internal circuit characteristics due to variations in manufacturing conditions. In the embodiment shown in FIG. 4, it goes without saying that the control circuit to which the external voltage Vcc is directly applied is constructed using elements having a withstand voltage equal to or higher than Vcc. However, in some cases, in order to improve the degree of integration or to match the characteristics of the control circuit and the internal circuit, it may be necessary to construct a part of the control circuit using micro elements with low breakdown voltage. In that case, as shown in FIG. 5, a voltage conversion circuit 3A is provided inside the control circuit 3, and a voltage lower than Vcc is supplied through the output line 5I of the voltage conversion circuit 3A, so that the withstand voltage in the internal circuit 2 and the control circuit 3 is increased. low part 3
In this way, according to the embodiment shown in FIG. 5, the control circuit can be constructed using miniaturized elements, so that the degree of integration can be further improved. Further, since the control circuit 3B and the internal circuit 2 can be constructed of elements having the same characteristics, there is an advantage that the characteristic fluctuations of the internal circuit 2 can be precisely controlled based on the characteristic fluctuations of the circuits in the control circuit 3B. In addition, the 4th. In the embodiment shown in FIG. 5, some of the elements with a high breakdown voltage in the internal circuit may be operated with the external voltage Vcc if necessary.By the way, in the case of using minute elements with a low breakdown voltage in FIGS. 2 and 3, Of course, the structure can also be constructed in the same manner as in FIGS. 4 and 5. Furthermore, in the embodiments shown in FIGS. 1 to 5, one control circuit is provided in each chip, but
If necessary, the internal circuit 2 may be divided into several parts and separate control circuits may be provided for each, and in that case, the configurations of FIGS. 1 to 5 may be combined as necessary. Of course. When the characteristics of the internal circuit 2 are controlled by dividing it into several parts as described above, it becomes possible to control the characteristics to the optimum characteristics depending on the function of each individual circuit. FIG. 6 shows the case where the operating speed of the circuit is controlled to different constant values. In FIG. 6, a broken line Ctt indicates the operating speed of a conventional circuit without a control circuit, and the operating speed varies greatly depending on changes in manufacturing conditions and usage conditions. On the other hand, if multiple control circuits are provided,
A circuit that requires high-speed operation can be kept constant at high speed like Blz, and a circuit that requires low-speed operation can be kept constant at low speed like Alt. For example, in an output circuit or the like, when the output is charged and discharged at high speed, noise is generated in the power supply, which adversely affects the operation of the internal circuit or semiconductor devices placed nearby. In such a case, by controlling only the output circuit to a low speed, the operating speed can be kept constant without reducing the overall speed. In addition, here the manufacturing conditions,
Although we have shown an example in which the circuit operation is controlled to be constant due to fluctuations in the usage conditions, it may be possible to make the circuit operation have a desired dependence on desired factors as necessary.For example, if the circuit operation is controlled as the temperature increases, Control that increases the operating speed is also possible. In that case, the speed of the semiconductor device or the entire system including it can be kept constant by controlling the delay in the resistance of the wiring within the semiconductor device or between the semiconductor devices to cancel out the increase in resistance due to temperature. can be kept. According to the embodiments shown in FIGS. 1 to 6, the characteristics of the circuit do not vary depending on the manufacturing conditions, so the yield of non-defective products in mass production is improved. Furthermore, since the characteristics do not vary depending on usage conditions, the reliability of a system such as a computer constructed using the semiconductor device of this embodiment is improved. Furthermore, in some cases, it may be necessary to synchronize the operations of two circuits in circuit 3, but in such cases, if this embodiment is used, the timing margin can be set to the minimum because there is no change in circuit characteristics. be able to. Therefore, there is an advantage that the speed of the semiconductor device can be increased accordingly.For example, in a DRAM, it is necessary to synchronize the operation of the memory cell array and the peripheral circuit, and the present invention can also be applied to such cases. As a result, the timing margin can be minimized, making it possible to increase the speed. This also applies when it is necessary to synchronize the operations of two or more semiconductor devices, and by using the semiconductor device to which the present invention is applied, systems such as computers made up of a plurality of semiconductor devices can be improved. Operation speed can also be increased. In addition, in FIGS. 4 and 5, the positive power supply is V
Although we assumed a so-called TTL interface with cc, the same applies to ECL. Although the following explanation will focus on the TTL interface, the present invention is not limited thereto and can also be applied to the ECL interface. Below, specific examples of circuits will be shown. First, a method for controlling the characteristics of a drive circuit, which is a basic circuit of an integrated circuit, will be described. FIG. 7 shows one specific embodiment for controlling the characteristics of the drive circuit in the circuit 2. In FIG. The figure shows an example in which characteristics are controlled by changing the power supply voltage of the circuit. Here, P channel M
A CMOS inverter consisting of an OS transistor Tpz and an N-channel MOS transistor TN1 is used, but this circuit can also be used with other logic circuits such as NAND and NOR circuits, or with a circuit composed of bipolar transistors or a combination of bipolar and MOS transistors. It may be a constructed circuit or a circuit formed by arbitrarily combining a plurality of these circuits. According to this embodiment, by changing the voltage V CONT of 5, the characteristics of 2', that is, the entirety of 2 can be controlled, and a highly stable and reliable semiconductor device can be realized. VCO
The value of NT is determined depending on the circuit type and purpose of the circuit 2' to be controlled.For example, it is shown in FIG. 7(A). CMOS
In order to stabilize the operating speed of the inverter and increase its reliability, it is necessary to adjust the V
CONT, that is, the delay time td of the CMOS inverter can be determined by the main fluctuation factors: gate length Lg of the MOS transistor, L/threshold voltage Vt, gate oxide film thickness tox, channel conductance β0. The relationship between temperature T (absolute temperature) and load capacity Ct is as follows (1). In actual circuits, there may be some deviation from this relational expression due to various circumstances, but the tendency shown in equation 1 (1) is almost maintained in all CMO8 circuits. Therefore, VCONT may be changed in accordance with this formula to keep td constant. In other words, as a qualitative trend, each variation factor (however, β
0 is its reciprocal) becomes larger or higher, V
By increasing the value of CONT, it is possible to keep td almost constant, thereby making it possible to keep the operating speed constant even if manufacturing conditions or usage conditions change. In addition, in this example, since it also responds to temperature changes,
Performance can be kept constant even with temperature fluctuations or ambient temperature fluctuations caused by differences in the amount of heat generated by the chip depending on the operating state of the semiconductor device itself, such as standby and normal operation. In addition, in equation (1), the MOS of both P and N channels is
Although Lg, vd, and toxtβ0 are commonly defined for transistors, in reality, they often have different values. However, in both channels, only the polarity of voltage and current differs, and the relationship in equation (1) holds true as is, so here, they will be treated without distinction unless it is particularly necessary. As mentioned above, in some cases, the speed of the circuit may not be constant, but may have a desired dependence on a desired parameter.For example, as mentioned above, the speed of the circuit may be changed as the temperature increases. If you want to speed up (1
) From the formula, instead of (V CONT -V T ) ccT-"', it is sufficient to set (V CONT-V d) a:T-" so that n > 1, 5. Next, regarding the element breakdown voltage, the dielectric breakdown voltage is Lg, t
As ox becomes smaller, it decreases, so similarly, V C
0NT can be controlled as shown in the same figure (B), and it has occurred near the drain of a MOS transistor, which has been attracting attention in recent years. High-energy carriers are injected into the gate oxide film, raising the threshold voltage and deteriorating characteristics such as decreasing channel conductance. Since Lg and tox are small and the temperature T is also low, VCONT can be controlled as shown in FIG. This allows even if
Even if the hot carrier breakdown voltage is lowered due to manufacturing variations, VCONT will also be lowered, so problems such as characteristic deterioration will not occur. Even if the threshold voltage increases or the channel conductance decreases due to hot carrier phenomenon or other factors due to long-term operation, VCONT will be
Since it is controlled as in B), the characteristics can be kept constant. As mentioned earlier, the embodiment of FIG.
Various circuits can be used in addition to the S inverter. For example, an iCMOS inverter as shown in Figure 8 may be used. In this case, the output can be driven by a bipolar transistor, so higher-speed operation can be achieved. . Further, in FIG. 8, the collector of the bipolar transistor QNIS is connected to the external power supply Vcc. As a result, most of the output current is supplied from the external power supply Vcc, so the control circuit 3
The driving capacity can be reduced, and the design becomes easier. Note that if the withstand voltage of the bipolar transistor is low, increase the drive capacity of the control circuit 3 and connect the collector of QN8 to VCON.
9 as 2' in FIG. 6. A circuit as shown in FIG. 10 can also be used. FIG. 9 shows the example of FIG. 7 with T ri s and T s
0 which is an additional output buffer circuit consisting of 4
The operating speed and output voltage of this example are as shown in Figure 7.
Although it is controlled by NT, since the drive current of the output load capacitor CL is supplied from Vcc, the drive capacity of the control circuit 3 can be reduced as in the embodiment of FIG. 8, and the design becomes easy. Figure 10 shows an example in which T'sa is replaced with a bipolar transistor QNa.e Because QN8 has a large driving capacity, it is possible to drive the load at higher speed, and at the same time, VCON
The driving capacity of T can be further reduced. In the embodiments shown in FIGS. 8 to 10 as well, the circuit characteristics can be controlled by VCONT as in FIG. 7. FIG. 11 shows another specific embodiment for controlling the characteristics of the dynamic circuit. The figure shows only the element circuit 2' in FIG. 7, and a P-channel MoS transistor Tpz and an N-channel MOS transistor TNz are inserted between the CMOS inverter of T P I T Nx and the external power supply voltage Vcc and ground. By controlling the gate voltage, the operating current of the inverter is controlled, and ultimately the operating speed is controlled. That is, increasing the current increases the speed, and decreasing the current decreases the speed. The delay time td has a tendency similar to that shown in equation (1) for each variation factor. Therefore, as shown in the same figure (B), L g e
As Vie t axe 1 /βO, T g Cta increases, each current increases. In other words, VCONT for gate control of P-channel MO5T controls the gate of N-channel MO8T from a high value to a low value. By changing VCONT' from a low value to a high value, it becomes possible to keep td almost constant. According to this embodiment, the operating current of one circuit is directly supplied from the power supply voltage, and Vcost and VCONT' need only drive the gates of the MOS transistors. The driving capacity of the control circuit 3 can be reduced, and the design becomes extremely easy. Note that in this embodiment, both P and N channels M
Although a method of controlling using an OS transistor has been adopted, it is also possible to provide only one of them as necessary. In the embodiment shown in FIG. 11, the gate widths of the MOS transistors Tpt and TNz are set to TP2. If the on-resistance of TPI and TNI is made larger than Tpte TNz by making it larger than T'N2, 'rpt,
The current flowing through TNI is 'rp. It is determined by the on-resistance of T'Nz, making it easier to control. Although FIG. 11 shows an example of an inverter, this embodiment is not limited to this, but can also be applied to various logic circuits such as a NAND circuit and a NOR circuit. That is, in FIG. 11, DRIV having the function of a drive circuit may be replaced with a logic circuit. Figures 12 (A) and (B) show that the control method in Figure 11 is 0MO.
This is an example in which the present invention is applied to a BiCMO3 drive circuit, which has a higher driving capability than the BiCMO3 drive circuit. BiCMO as it is well known
3, the base current of the bipolar transistor is controlled by the MOS transistor, and the current is increased by the bipolar transistor to drive the load capacitance. Therefore, the speed of the circuit can be controlled by controlling the base current as shown in (A). In FIG. 12(A), when the input IN becomes low level, p
M OS Tpze n M OS TN& is on,
nMO8T pi a , T N z , T N
l turns on. As a result, the bipolar transistor QN
8 is turned on and QN4 is turned off. At this time, the base current flowing through QNδ can be controlled by TP1, which is applied to the gate of VCONT. Therefore, the charging speed of the output can be controlled by VCONT. On the other hand, when the input IN becomes a high level, the bipolar transistor QNa is turned off, QN4 is turned off, and the output starts discharging. At this time, the base current of QN4 is the output OUT
Since this can be controlled by V(!ONT'), the discharge rate of the output can be controlled by VC!ONT'. In this way, in this embodiment, the operating speed of the BiCMO3 circuit can be controlled. In addition, to control the speed of the BiCMO3 circuit, the DRIV part in FIG. 11 may be simply replaced with a BiCMO8 circuit as shown in FIG. 12(B). In this case, the current is as shown in FIG. 11(A). Since it is determined by the MOS transistor Tpzv TNz, it is possible to control with higher precision than when only the base current is controlled as shown in FIG. 12 (A).Also, compared to the circuit shown in FIG. Since the MOS transistor in the DRIV can be made smaller according to the capacity, there is an advantage that the input capacitance seen from the input IN is small.In other words, the load on the front stage is light, so the speed can be increased.As shown in Figure 11, the power supply and drive circuit The method of controlling the current by inserting a MOS transistor between them can be applied to other methods. Figure 13 is an example of application to a level conversion circuit to obtain an output amplitude higher than the input amplitude. Figure 14. The circuit operation in Fig. 13 will be explained using
The potential of becomes the potential of V^-V T 11 n 0 Then, when E becomes a low potential, p M OS Tpa turns on and F
The potential of becomes VH. As a result, p M OST Tpz is turned off, n M OST N t is turned on, and the output OU
T becomes Ov. Note that when F rises to high potential Vn, A
, C is V^, and since TNIS is off, current does not flow from F to C and the potential of F does not drop. On the other hand, when IN becomes low potential while E is high potential, TNa
turns on, and F also becomes the same low potential as IN. This result Tp
z is on, T N 1 is off, and the output OUT is at high potential V
It is charged to H. Note that in this circuit, as shown by the dotted line in Figure 9, if the period tcE from when IN becomes a high potential V^ until when E becomes a low potential is long, the high potential of F will remain at V^-vT for a while. , TP! There may be a period in which a through current flows through , T s 1 and OUT remains at an insufficiently low potential. Therefore, it is desirable to shorten the tcE time. To do this, it is sufficient to switch E to a low potential at the same time that IN becomes a high potential, thereby solving the above problem. As described above, according to the embodiment shown in FIG. 13, the amplitude r9V^ of the input IN can be converted into a high amplitude Vo. At this time, since the current can be controlled by the MOS transistors TPz and IN2, it is possible to operate at a desired constant speed. The embodiment shown in FIG. 13 is effective as a circuit for obtaining an output voltage higher than an input voltage, such as a word driver for a dynamic memory. FIG. 15 is another embodiment for controlling the speed of the drive circuit. In this example,
This is an example in which a non-inverter is configured so as to directly obtain an output from the current control MOS transistor in FIG. In Figure 15, when the input voltage becomes high level, p
MOS Tpx, Tpa off, n M OST N
1, TNa turns on. As a result, pMO8T
The gate of pz becomes VCONT, and n M OS IN
The gate of 2 is Ov. This turns Tpz on.
tz is turned off, and a current controlled to a desired value by VCONT flows through the output to charge the load. Conversely, when the input IN becomes low level, TP2 is turned off, Tnx is turned on, a discharge operation starts, and OUT becomes Ov. At this time, the gate voltage of IN2 is VcoNt', so the discharge speed can also be controlled by vcoNT.
Since two MOS transistors are not connected in series, it is suitable for high-speed operation. Furthermore, control is easier than in the case of FIG. 11, in which the influence of characteristic fluctuations of two transistors connected in series must be taken into consideration. The method of controlling the operating speed of the drive circuit has been described above, but in the circuits shown in FIGS. 7 to 12 and 15,
External voltage Vca is applied to a part of it. Therefore, in some cases, problems such as difficulty in compensating for fluctuations in Vcc may occur. In that case, as shown in FIG.
A is provided and its output voltage V! By keeping Vcc constant, the internal circuit can operate stably against fluctuations in Vcc. In this case, if the internal voltage Vx is set low,
It is possible to stably operate a miniaturized element with a low withstand voltage. FIG. 16 shows an embodiment in which a voltage conversion circuit is provided within the chip as described above. In Figure 16, the 5th construction is
Voltage V! is sent from the voltage conversion circuit 3A to the circuit 3B in the control circuit and the internal circuit 2! This is the power line for supplying. Moreover, ICL is a MOS transistor T p z in FIG.
, T N 2, each circuit DRIV in the internal circuit
According to the zero-wire configuration, which is a current control circuit that controls the current of V!, the constant voltage V! does not depend on the external voltage Vcc. This allows the miniaturized elements to operate stably and at a desired speed depending on the function of each circuit. FIG. 17 is an embodiment showing another means for controlling the operating speed of a CMOS inverter. Here, by controlling the T P 1 and T N 1 (7) substrate 5BPI, 5BNI (7) voltages, T P 1. It controls the threshold voltage of T Nx and, as a result, the operating characteristics of the inverter. This embodiment is suitable for compensating for characteristic changes due to threshold voltage fluctuations. Although FIG. 17 shows a CMOS inverter,
It can also be applied to other circuits using MOS transistors such as B1CMOS inverters. Furthermore, it is of course possible to combine this method of controlling the substrate voltage with the other control methods described above. Figures 7 to 17 mainly show inverters. A method for controlling the characteristics of a drive circuit such as a non-inverter NAND circuit has been described, but in integrated circuits, differential amplifiers that output an output according to voltage differences are also frequently used in integrated circuits. An example of this differential amplifier will be shown below. FIG. 18 shows another embodiment of the present invention, in which the control method of FIG. 11 is applied to control the operating speed of a differential amplifier composed of MOS transistors. In the same figure, INI, I
N2 is a differential input, OUT 1. Even in the 0 circuit where 0UT2 is a differential output, the operating speed changes with the same tendency as shown in FIGS. 7 and 11 with respect to fluctuations in control conditions and usage conditions. Therefore, V C0NT
t V OON? By controlling ' in the same manner as in FIG. 11(B), the operating current changes, and as a result, the operating speed can be controlled in accordance with manufacturing conditions and usage conditions. The output voltage of this differential amplifier is the operating current and the load MO
It is determined by the product of on-resistances of S transistors TPL#TpL'. Therefore, determine the operating current and the on-resistance of TNC and T
If VOONT and VCONT' are controlled so that the on-resistance ratio of PI, TPL' is constant, the product of the operating current and the on-resistances of TPL and TPL', that is, the output voltage, can be kept constant and the operating speed can be increased. can be controlled. FIG. 19 shows an example in which TN^ and TPI^' in FIG. 18 are replaced with NPN bipolar transistors QN^+QN8, and the same effect as in FIG. 18 can be obtained, and at the same time,
It has features such as a large amplification factor. In FIG. 20, the current control transistor TNC in FIG. 19 is replaced with an NPN bipolar transistor QNC and a resistor Rc, and the operating speed can be controlled in the same way as in FIGS. 18 and 19. Additionally, since the operating current is made more constant, it also has the advantage of increasing the amplification factor. In addition, if applying Vcc in FIGS. 18-20 causes a problem in terms of withstand voltage or characteristic fluctuations due to fluctuations in Vcc, the voltage conversion circuit 3A provided inside the chip as shown in FIG. All you have to do is apply voltage. The preferred embodiments for controlling the characteristics of the various element circuits constituting the five circuits 2 have been described above. Next, a specific example of the control circuit 3 will be described. FIG. 21 shows an example thereof. In the figure, Tpn is a P-channel MOS transistor, and CC is a constant current source that flows a constant current i.According to this embodiment, the manufacturing conditions such as the gate length, threshold voltage, and gate oxide film thickness of the TPR, or the temperature Even if the usage conditions such as the above change, the gate voltage necessary to cause a constant current to flow through the TPR is always outputted to the output 5. Therefore, the V C! of FIGS. 11 to 13, FIG. 15, FIG. It is suitable as an ONT generation circuit. When applied to these circuits, TPR and Figs.
Tpz in FIGS. 3 and 15, or TPL, TPL,' in FIGS. 18 to 20 are well-known current mirror circuit connections. Therefore, by appropriately selecting the transistor dimensions of T p z or T PL , T PL ' relative to those of TPR, the operating current of each circuit can be controlled to any constant value. FIG. 22 shows an embodiment in which the structure shown in FIG. 21 is constructed using N-channel MOS transistors, and FIGS.
It is most suitable as the VcoNt' generating circuit shown in FIGS. 18-19, and the same effect as that shown in FIG. 21 can be obtained. FIG. 23 is an embodiment that combines FIGS. 21 and 22. According to this embodiment, FIGS. 11 to 13, FIG. 15,
VCONT for FIGS. 18-19. VC! ONT' can be generated simultaneously, and since these voltages are generated based on the same constant current source, extremely stable voltages with high mutual matching can be obtained. FIG. 24 shows a P-channel MOS transistor TPR and an N-channel MOS transistor TNR connected in series to
According to this embodiment, which is an embodiment in which CONT occurred,
The influence of variations in manufacturing conditions and usage conditions for both P and N channel MOS transistors is reflected in the value of VCONT. Therefore, it is suitable as the VCQNT generation circuit of FIGS. 7 to 10. FIG. 25 shows an embodiment in which an amplification stage consisting of an amplification Ja7 and a feedback circuit 8 with a feedback factor β is added to the output of FIG.
ONT is V. VcaNt=□, and by appropriately setting β, any value can be obtained. Therefore, in addition to reflecting the influence of fluctuations in manufacturing conditions and usage conditions in Vo, it is also possible to have β share some or all of the roles by making β dependent on manufacturing conditions and usage conditions. FIG. 26 shows one specific example of the constant current value CC. As shown in the figure, constant current source CC1 has resistors R1 to Ra, NPN
It is composed of bipolar transistor QN + QNz. In this example, the voltage of the base Bpiz of Q N 1 is
If the current amplification factor of the bipolar transistor is sufficiently large and the emitter-base forward voltage is Vo8, then V
BI! (R2+R8)/Ra (7) Constant voltage. therefore. A constant current flows through R8 and R4 m VBI! Since it is less susceptible to fluctuations in manufacturing conditions, it can output a stable current. In this embodiment, since i flows from the outside toward the ground, it is suitable as a constant current source for a circuit as shown in FIG. FIG. 27 shows an embodiment in which a constant current source is constructed using a PNP bipolar transistor. 1! Pressure. The only difference is the polarity of the current from that in FIG. 26, and the operation is exactly the same.In this embodiment, i flows out from the power supply voltage Vcc, so FIGS. 22 and 24. It is suitable as a constant current source for a circuit like the one shown in FIG. Figure 28 shows an example in which a constant current source in which current flows from the power supply voltage as shown in Figure 27 is realized using an NPN bipolar transistor.
Although there is a problem that the raw Qwz operating current is added to the constant current, this effect can be ignored by making the Qsz current amplification factor sufficiently large. According to this embodiment, a constant current source in which current flows from Vcc can be easily manufactured and realized using a high-performance NPN bipolar transistor. Note that this embodiment can be used either in which the current flows in or out. FIG. 29 shows that by taking advantage of this feature, the constant current source described above is applied to the circuit of FIG. 23.
C0NT and V C0NT' can be output simultaneously. FIG. 30 shows a configuration in which current flows from Vcc by a current source CC into which current flows toward ground, such as constant current source CC1 in FIG. 26, and a current mirror circuit consisting of P-channel MOS transistors TPM and TPM. This is an example of realizing a constant current source. By making the dimensions of T'pH and TPM' the same, the current flowing through both can be made equal, and the current that has the same value as the output current i of the CC can be applied to the power supply voltage V.
It can be output externally from cc. By inputting this to the N-channel MOS transistor TNR as shown in FIG. 22, VCONT' can be obtained. In this embodiment, by appropriately selecting the dimension ratio of Tp and TPM', The output current can be arbitrarily determined for the value. In FIG. 31, the voltage generated by TPM and CC in FIG. 30 is used as the voltage of VCONT. This embodiment has the advantage that VcoNtw and VCONT' can be generated simultaneously, and the characteristics of both can be controlled with good consistency as in FIG. 23. FIG. 32 shows an embodiment in which a highly stable constant current source is realized using MOS transistors. In the same figure, TNex to TNB8 are N-channel MOS transistors, TM01 has a negative threshold voltage and Tsex has a positive threshold voltage. The threshold voltage of arprBs can be either positive or negative, RBt = Ra s is a resistance, and 7 is a difference It is a dynamic amplifier. Here, the values of Rez, RBx, and TM01. T
If the dimensions of saz are set equal, TM0
1° It operates so that the currents flowing through TM01 are equal to each other. Therefore, the gate voltage Vxs of TNsz is
The voltage has a value equal to the difference between the threshold voltages of TN1ll and Tne2. The value of this difference in threshold voltage is kept approximately constant regardless of manufacturing conditions or usage conditions. In the above circuit, since the drain and source currents of TN8δ are equal, the output current i can be expressed as VII. Therefore, a current output having the same characteristics as Vre is obtained, and its value can be arbitrarily controlled by RSS. By using this example as a constant current source in each example, such as the current source CC in FIG. 31, highly stable characteristic control is possible. According to this embodiment, it is possible to configure a circuit without using Pipo transistors, so it is suitable for an integrated circuit configured with MOS transistors. Figure 33 shows Figures 21 to 25 and Figures 30 to 31.
This embodiment is an application of a well-known bandgap generator circuit as a constant current source, and is particularly suitable for changes in temperature, power supply voltage, etc. In contrast, a highly stable current can be obtained. In the figure, QISI~Qas are bipolar transistors, Rat-RI! A is a resistor that can create a constant current i with desired temperature characteristics. Note that isz is the resistance Rs
Current flowing through z, 1112 is bipolar transistor Q
The collector current of ISx, isa, is the collector current of bipolar transistor Q+sa. Below, before explaining the output current i, we will first explain the internal voltage VIA of this circuit.
The value of and temperature dependence will be explained. In the following, for simplicity, it is assumed that the base current can be ignored compared to the collector current of the bipolar transistor.
The description will be made assuming that the collector current and emitter current are approximately equal. The voltage V t 1 is expressed by the following equation. V! z=Vaa(Qax)+Isz・Rsz+Vt
sp(Q21z)-Vag(Qaa)
-(4) VBE (Q81), VaE (
Q+sz) and VaE(Qss) are the base-emitter forward voltages of the bipolar transistors Qsxe QaxtQI5s, respectively. In equation (I+), current IB2 is expressed by the following equation. Isz=(Vag(Qss) VaI!(Qsa)
)/RII+-(5) Here, if the current density of bipolar transistor QB8 is set to n times that of bipolar transistor Qaa by appropriately selecting the emitter areas of bipolar transistors Qas and QIs4, then 1 kT I sz = □ -Q n n
・= (6) R5 q holds true. In equation (6), k is Boltzmann's constant, T is absolute temperature, and q is electron charge. (Give) - (6) Formula % Formula (7) holds true. Therefore bipolar transistor Qaz
If the design is made so that the emitter current densities of and Qss are equal, the third and fourth terms on the right side of Equation 7 cancel out, so the temperature dependence of the electric Vwz is a VIz a Vat! (QISI) R
sz k= +□・-Qnn
...(9)aT aT Rsa
It becomes q. As is well known, the base-emitter voltage of a bipolar transistor has a negative temperature dependence, so from equation (9), the resistance Rsx. RII4 ratio or bipolar transistor Qas
Since the value of VII obtained when changing the ratio n of the emitter current density of It is called. In the above circuit, the collector current and emitter current of Qgs are almost equal, so the output current i is t x l=□...(
10) It can be expressed as Rsa. Therefore, V r 1
A current output with the same characteristics as Rfi is obtained, and its value is Rfi
It can be arbitrarily controlled by g. If this embodiment is used as a constant current source for each of the embodiments already described, extremely highly stable control becomes possible. In particular, regarding temperature, the temperature coefficient of the constant power source can be set to O1 or any positive or negative value depending on the purpose, thereby making it possible to arbitrarily control the operating characteristics of the circuit. Further, the internal voltage VIz of this embodiment can also be used as a highly stable constant voltage source. At this time, if the constant current output i is not required, the output terminal may be connected to Vcc. For example, V t t can be used as V(!ONT' in FIG. 20, and in that case, the temperature characteristics of the differential amplifier can be controlled. Some specific examples have been described so far. The method of controlling circuit characteristics according to the present invention has been described. Although these embodiments can be easily realized, when the elements are constructed with fine elements to increase the degree of integration, the withstand voltage of the elements becomes low. , it may be difficult to apply the external voltage Vcc directly to the element. Also, if the external voltage fluctuates, it may be difficult to obtain the desired characteristics. As in the embodiments shown in Figures 4, 5, and 16, a stable voltage V! can be created inside the chip and used instead of Vcc. Vcc may be applied to areas where the internal voltage V! In this example, the CMOS inverter shown in FIG. 11 is controlled by the circuit shown in FIG. 21 and shown in FIG. 22. However, the application is not limited to this and can be applied to the various embodiments described so far. In Fig. 34, pMO8Tpz and TPR. If the size of TPz is set appropriately, the drive circuit DRIV
The charging current can be set to any value. Further, by appropriately setting the size of TNz with respect to TNR, the discharge current can be set to an arbitrary value. Here, the source voltages of PMO8TPR and Tpx and the power supply voltage of current source CCz are V! By keeping the value lower than the element breakdown voltage, it is possible to use a fine element with a low element breakdown voltage. Furthermore, in this embodiment, the output amplitude is also V! As a result, the voltage input to the next stage can be stably controlled, and the operation of the next stage can also be kept stable. In addition, V
CONT. The VCONT' generation circuits 31 and 32 can be shared by a plurality of circuits, and even in that case, by setting the magnitudes of Tpz and TNz for each circuit, each circuit can be controlled at a desired speed. Next, an embodiment of a voltage conversion circuit suitable for generating a voltage lower than Vcc inside a chip as shown in FIGS. 4, 5, 34, etc. will be described. FIG. 35 shows an example of the configuration of the voltage conversion circuit. Here, A is a voltage conversion circuit, F is a constant voltage generation circuit, and G is an amplifier. Constant voltage generation circuit F generates constant voltage V11 from external power supply voltage Vcc. The amplifier G increases the voltage V t x to obtain the voltage value V! required for the internal circuit 2 or a part of the control circuit 3A. is output to the control line 5I. Here the voltage is V! can have various characteristics depending on the constant voltage circuit F and the amplifier G. For example, if temperature dependence and external power supply voltage dependence are compensated, the third
Since the output amplitude of the circuit shown in FIG. 4 can be kept constant regardless of Vcc and temperature, more stable operation can be realized. According to this embodiment, the output voltage V t t of the constant voltage circuit can be amplified to a desired voltage value by the amplifier G. Therefore. The value of the voltage Vl can be set without being limited to the value of the output voltage V t 1 of the constant voltage circuit. The embodiment shown in FIG. 36 is expanded in FIG. 35.
【1】
器Gを差動アンプGDと、帰還回路Hによって構成した
ものである。ここで帰還回路Hは、電圧Vrが所望の値
をとるときに出力I2に定電圧vrtに等しい電圧が出
力されるように設計する。
本実施例によれば出力電圧V!の変動を帰還回路Hを通
して帰還しているため、制御wA5工より供給する電流
が時間とともに高速に変化する場合でも出力電圧v■の
値を精度よく一定に保つことができる。
第37図は、第35図、第36図の実施例における定電
圧発生回路Fの具体的な構成例を示したもので第33図
に示した電流源においてパイポーラトランジスタQ3B
のコレクタをVccに接続した回路である。第37図の
回路において出力電圧V y 1とその温度依存性は(
8)、 (9)式で与えられる。
抵抗の比もしくバイポーラトランジスタの電流密度の比
を変えることにより温度依存性を設定できることは既に
のべた通りである0本実施例を第35図、第36図に示
した実施例の定電圧発生回路Fに用いる場合には、後段
の増幅器Gあるいは差動アンプGD、帰還回路Hの温度
特性に合わせ換回路Aの出力電圧V!の温度依存性をゼ
ロもしくは所望の値とすることができる。なお、第37
図の実施例においては、外部電圧Vccがバイポーラト
ランジスタのベース・エミッタ順方向電圧のほぼ2倍、
約1.8vを越えると電圧VxzはVccに依らずほぼ
一定となる。したがって本実施例を第35図、第36図
に用いれば、温度依存性、外部電圧依存性のない出力電
圧Vlを容易に得ることができる。
ところで、これまで説明してきた実施例のようなお、同
一半導体基板中に定電圧回路Fとその他の回路を同時に
形成するときには、両者に用いるトランジスタをMOS
トランジスタ、もしくはバイポーラトランジスタの一種
類に統一した方がプロセス工程が簡略化でき、製造コス
トの低減が可能となる場合がある。したがって定電圧回
路Fとして、第37図の実施例のようにバイポーラトラ
ンジスタを用いたものではなく、MOSトランジスタを
用いたものが望ましいことがある。その場合には、例え
ば、第32図においてMOSトランジスタTNII11
のドレインをVCCとした回路のV I 8を用いても
よいし、あるいは、
OG U E Y 、 Journal of 5ol
id−3tate C1rcuit。
5C−15,Jun、 ’80
もしくは
BLAUSHILD、Journal of 5oli
d−3tate C1rcuit。
5C−13,Dec、 ’78
に記載の定電圧発生回路などを用いればよい。
第38図は、第36図における差動増巾回路GDの具体
的な実施例である。
第38図においては、端子11に定電圧回路Fの出力電
圧V t tが、端子12に帰還回路の出力電圧Vtz
が印加される6本実施例では、端子11゜工2がバイポ
ーラトランジスタのベース電極であるため、ゲインが高
く電圧Vlの変動を小さく押えることができる。なお、
第6図におけるPチャネルMOSトランジスタを第7図
のように抵抗で代用することもできる。この抵抗は、バ
イポーラトランジスタのベース拡散層で構成することが
できるため、バイポーラトランジスタのコレクタ用の不
純物層内に形成することができる。したがって回路のレ
イアウト面積を低減できる。
なお、第38図、第39図の差動アンプの電流源として
は様々な回路を考えることができるが、第40図、第4
1図のように1個のMOSトランジスタで実現すること
も可能である。ここでMOSトランジスタT!ett
Tl7Lのゲートを工1に接続した。Vllは前記のよ
うにVccに対して一定値となるのでこのようにすると
Vcaに対してアンプの電流を一定に保つことができる
。さらにアンプの特性を安定に制御する必要がある一場
合には、第18〜第20図に示したような回路髪用いて
種々の制御を行なうこともできる。
第42図は、第36図における帰還回路Hの具体的な実
施例を示したものである。
第42図においては、制御線5工の電圧v■に対して、
出力端子Izには、
が出力され、第36図の差動増巾器に入力される。
したがって、定電圧回路Fの出力電圧をV lt、制御
線5工に出力したい所望の電圧をVwoとしてを満たす
ように抵抗R81,1ljstを設計すればVw= V
I OテV t t = V r zとなり制御線5
I(7)電圧ハ所望の電圧Vwoで安定する。ここで、
定電圧回路Fの出力電圧Vllを前記のように温度依存
性がゼロになるよう設計すれば、上記電圧Vgoの温度
依存性もほぼゼロとすることができる。
なお、必要に応じてV!oに所望の温度依存性をもたせ
ることが可能なのはもちろんである。
第43図は、第36図における帰還回路Hの他の実施例
を示したものである。第43図の実施例においては、制
御線5Iを直接抵抗に接続せず、バイポーラトランジス
タQlllのベース電極に接続した。したがってバイポ
ーラトランジスタQezによって電流が増巾されるため
、第42図よりさらに高速動作が実現できる。またGD
の負荷電流も軽減できる。第43図においては(11)
式、 (12)式は各々
Rox+ R92
R91+ Rox
となるので、(14)式を満たすよう抵抗R)l、Rs
zの値を決めればよい、ただし、この場合は(14)式
より明らかなように、
Rex+ Rox
となるため、(15)式第2項のために電圧V!oの温
度依存性は、電圧V t tの温度依存性と一致しない
。
この場合には(15)式より、
T
R会2
T
δT
・・・(16)
T
口とすることもできるのはもちろんである。
さて、以上のような回路を用いると電源電圧(Vcc)
が過大になったとしても、出力電圧をVccより低い一
定値にできるので微細な素子を破壊から防ることができ
るという利点がある。ところが反面、有効なニージング
チストを実施するには必ずしも適さない場合がある。
通常の集積回路では、最終製造工程の後に、通常動作で
用いられる電圧より高い電圧を故意に回路内の各トラン
ジスタに印加し、ゲート酸化膜不良などでもともと故障
の発生し易いトランジスタを初期に見つけるニージング
チストを実施し、信頼性を保証している。このニージン
グチストにより不良の発見率を向上させるには、正常な
素子が破壊するよりわずかに低い電圧を各素子に印加す
る必要がある。ところが、上記のようにチップ内部の電
圧変換回路を介して一定の電源電圧を供給するように構
成された集積回路チップでは、内部回路に十分なエージ
ング電圧が加わらない恐れがある。その場合には、第4
4図に示したように。
電圧変換回路で発生する電圧Vr を、外部電源電圧V
ccが過剰に大きくなったときに上昇するように設計す
ればよい、第44図では、外部電源電圧VccがVex
からVcgまでは、内部発生電圧V!を一定値Vroに
保ち、VccがVcaを起えるとVccの上昇にともな
って上昇するようにした。このようにVcg以上にVc
cを上昇させるとVxも上昇するので、ニージングチス
ト時にはVaa&Vc+:以上に上げるとチップ内の回
路にV!oより高い電圧を加えることができる。そのた
めに有効なニージングチストを行なうことができる。
第45図は、第44図に示した電圧特性を実現するため
の具体的な実施例を示したものである。
第45図における定電圧回路Fは、第37図の実施例に
おいて出力段Jのバイポーラトランジスタのコレクタと
端子りの間に抵抗R111を挿入したものであり、差動
増巾器GDと帰還回路Hとは第36図と同様に接続した
。
また、バイポーラトランジスタQlllのコレクタをバ
イポーラトランジスタQxtzのベースに接続し、上記
バイポーラトランジスタQll!Iのエミッタを制御線
5工に、コレクタをVccに接続した。
本回路においては、外部電源電圧Vccが、出力電圧V
!の安定点VIOに達した後、バイポーラトランジスタ
Q112がオンするまではvIはVtoに等しく一定で
、バイポーラトランジスタQxtzがオンした後は出力
電圧はVccとともに上昇する。バイポーラトランジス
タQzzzがオンする点VCEは次式で与えられる。
VcE= Vto+ Vag(Qxxz)+ Rtzx
・i 11−(17)ここで電流izxは抵抗R111
を流れる電流で次式を満たす。
1nz=Vrt/Rzz2…(18)
よって。
aT
aT
aT
aT
・・・(21)
一方、Vcc>VcaでのVBの温度依存性はとなる。
ここで帰還回路Hに第42図の回路を用であり、vcp
以上にVccが上昇するとVBは次式に従って上昇する
。
Vw = Vcc −Rtxtoi 11− Vaa(
Qnzz)aT aT
V cC) V CEで、
aT
以上のように本実施例によれば、外部電圧Vccがvc
Eをこえると電圧VtがVccにともない上昇するため
、ニージングチストを有効に行なうことができる。
ところで、VBoの温度依存性をゼロと設計したときの
VcEの温度依存性は、 (19)式よりaT
aT
となる。
通常vcI!の温度依存性は約−2m V / ”Cな
のでVcI!の温度依存性及びV CE > V cc
でのVBの温度依存性は非常に小さい、又、帰還回路H
に第43δT
きに、(14)式より
a T R91+ R112a Tとなるので、(
21)、 (22)式より・・・(23−A)
V ca > V cpで
・・・(23−B)
となる。ここで(lりL (/?)式より、−1,25
mV/”C及び約+1 、25 m V / ’Cとな
るので帰還回路Hに第43図の回路を用いた場合でもV
CHの温度依存性及びVCC>VCEでのVBの温度依
存性は非常に小さい、さらに第43図の回路を用いたと
きに、VCHの値をVtoのほぼ2倍近傍にとることに
よってVCHの温度依存性とVcc>vcEでのVBの
温度依存性も同時にほぼゼロとすることができる。すな
わち、VBE(Qxlz)4Vag(Qet)トすると
(23−C)よりη=1のときaT
=(1+ η)Vto+Vas(Qtxz)−11・v
BE(Qei) −(23−C)が成立する。
したがって例えばVcI!=6V、 VIO=4vとし
たときには、Vaa(Qzzz)=Vai(Qex)a
T
Oとなる6以上述べてきたように、帰還回路Hに第42
図の回路を用いたときも第43図の回路を用いたときに
も第44図の電圧特性をほとんど温度変動なく実現する
ことができ、Vcc<VcF!での通常動作領域におい
てもVcc>Vcpにおけるエージングテストの領域に
おいても温度依存性のほとんどない電圧vKを発生でき
、内部回路群を安定に動作させることができる。
前記したようにVIOに必要に応じて温度依存性をもた
せることももちろん可能である。さらに、ニージングチ
スト領域の温度依存性をVwoと独立に設定する必要の
あるときには、第37図のようにQlllのコレクタを
Vccに接続しKのバイアス用にR111と所望の温度
依存性をもつ電流源をFとは別に設ければよい。
第45図においてはV cc > V CHにおいて電
圧V!を上昇させるためバイポーラトランジスタQzt
zを用いた。しかし、nMOSトランジスタでQ112
をおきかえ上記nMOSトランジスタのゲートを端子K
に、ドレインをVccにソースをEに接続して構成する
ことも可能なのはもちろんである。このとき端子にはn
M OS トランジスタのゲートに接続されるので電
流を供給する必要はない、したがって、定電圧発生回路
の設計が容易にできる。
以上述べてきた実施例によれば、所望の温度依存性をも
ち、所望の範囲で外部電源電圧にもよらない安定した電
圧を制御線5Iより供給することができる。したがって
、同一チップ内の回路を安定に動作させることができる
。しかし、制御線5工より供給される電流が特に大きい
場合などにおいては、電圧の変動を防ぐために電圧変換
回路Aに電流増巾用のバッファ回路を加えてバッファ回
路の出力5I’ を制御線として用いればよい。
第46図は上記バッファ回路の一実施例を示したもので
Cxxl、 Cxxxは端子Nu、制御線5I’の電位
変動を小さくするためのキャパシタである。
第46図において5I’の電圧V I ’ は、Vw
’ =Vcc−VuE(Qzzt) CVcc<VI+
VueCQxx工)・・・(24)
もしくは
VM=V!+VaE(Qzzz) Va11!(Qz
zx) (Vcc>Vx+Vag(Qzzz)・・・(
25)
と表わされる。
したがって1本実施例では
Vcc≧Vr+Vag(Qzzt) −
(26)の領域ではV t ’ はV!とほぼ等しく
なる。V!の発生回路に前述の実施例を用いることによ
りV x ’ の温度依存性も制御することができる
0本回路では5I’はバイポーラトランジスタのエミッ
タに接続されているため、制御線5I’ より大きな電
流を供給できる。すなわち回路へ供給する電流が大きい
場合にも電圧V I ’ を安定に保つことができる
。
第47図は第46図のバイポーラトランジスタをMOS
トランジスタでおきかえた例である。本実施例ではVt
o(Mzaz)をMOSトランジスタのしきい電圧とし
て
Vcc≧VI+VTH(Q182) −
(27)の領域においてVl’ はほぼVt と等し
くなる。
MOSトランジスタのしきい電圧は容易にコントロール
できるので、本実施例ではvccの低いうちからVt’
をvIと等しくして出力電圧Vt’の安定化を図る
ことができる。
上記した2つの実施例では、電圧V!と、バッファ回路
の出力電圧V■’ が等しくなる外部電圧の範囲が、
(26)式、 (27)式で表わされるようにバイポー
ラトランジスタのベース・エミッタ間の順方向電圧もし
くはMoSトランジスタのしきい電圧によって制限され
てしまう、したがって例えば。
外部電圧Vccが4v以上において電圧変換回路の出力
電圧VIが4■で一定になるように設計したとしても、
第46図のバッファの出力電圧V r ’は、Vccが
約4.8v以上にならないと4v一定とならない、その
ため外部電圧Vccに対する内部回路の動作マージンを
狭めてしまうこともあり得る。そのような場合には、第
48図に示したようなバッファ回路を用いればよい、第
48図は、5I’ をPチャネルMOSトランジスタM
141のドレインに接続し、該MoSトランジスタのソ
ースを外部電源Vccに接続して、ゲートG141を差
動アンプ0の出力電圧で制御するようにしたものである
。ここで、差動アンプの入力端子には。
それぞれ電圧変換回路Aの出力電圧v■と1本バッファ
回路の出力電圧V !’ を入力した。ここでキャパ
シタC141は出力電圧Vt’ の変動を押えるため
のものである0本構成によれば上記差動アンプによって
出力電圧V I ’ は、電圧V!に等しい値に保た
れる。したがって第46図、第47図の実施例とは異な
り、出力電圧V I ’ を外部電圧Vccによらず
電圧vXに等しくすることができるので外部電圧Vcc
の広い範囲で安定な電圧を得ることができる。
第49図は、第48図の具体的な回路構成の一例を示し
たものである。第49図において端子P。
Pには各々逆相の信号を印加する。以下では、信号Pが
高レベル、Pが低レベルにある場合について回路動作を
説明するが、信号Pが低レベル、Pが高レベルにある場
合でも同様である。また、本実施例の説明については、
Vccを5V、Vtを4Vとして説明するが、他の電圧
関係にあるときにも同様である。また、簡単のためバイ
ポーラトランジスタのベース・エミッタ電圧はO,SV
であるとして説明する。Vtが4vのとき、バイポーラ
トランジスタQz6aのベース電位V B 16 aは
1.6Vとなる。このとき、端子5I’の電位Vr’
は4V、バイポーラトランジスタQzδ番のベース電
位VB1154は1.6v となル、ココテvX′
が低下するとVBIδ番も低下し、バイポーラトランジ
スタQ1!14のコレクタ電流は減少する。一方、バイ
ポーラトランジスタQll!1mのコレクタ電流は増加
するため、抵抗R161を流れる電流が増加する。その
結果MOSトランジスタM141(71ゲ一トVGMi
41が低下する。よってMOSトランジスタM x a
1のドレイン電流が増加してv!′ が上昇して4v
に回復する。逆に、V r ’ が上昇するとVCI
M141が上昇し、MoSトランジスタM 141がオ
フしてv夏′ は下降し4■に回復する。なお、ここで
バイポーラトランジスタQ188のコレクタとVccの
間にダイオードD15δ〜ヱδ6が直列に接続されてい
るためコレクタ電位は2.6vより下がることばない、
一方、ベース電位VB1..は1.6vであるためバイ
ポーラトランジスタQ168のベース電位は常にコレク
タ電位より低い、よってバイポーラトランジスタQ18
8が飽和することはない、バイポーラトランジスタQ1
84のベース電位はV !’−2,4V 、コレクタ電
位はVcc−2、4Vであり、通常VlはVacより低
いゆえQl!14も飽和することはない、ところで制御
線5I’に接続される回路が時期状態にあるときには、
5I’ より流れる電流は少なくほぼ一定である場合が
多い。このときにはアンプに流れる電流をへらしても、
V!を一定に保つことができ、電流をへらすことにより
消費電力を低く押えることができる。そのためには、抵
抗R1112の抵抗値をR161より大きくし、MoS
トランジスタMxsap Mzea、 M1118のゲ
ート巾を各々Mzse* M1g?、 Mt15gより
大きく設定し、かつ5I’ に接続される回路が時期時
にあるときは端子P、Pの電位を各々低レベル。
高レベルに切りかえればよい。
なお、第35図〜第49図で述べてきた電圧発生回路の
出力Vr又はV r ’ を第34図の電源など以外
に第7図〜第10図のVCONTとして用いることもで
きる。前述したように、第35図〜第49図の実施例に
よれば、Vx、Vt’の、外部電圧Vcc、温度による
変動を制御できるので第7図〜第10図の回路特性をV
cc、温度について一定に保つことができる。したがっ
て、製造条件の変動にくらべて特にVcc又は温度変動
が問題となるときには有効である。
これまで、回路動作を制御する具体的な方法について述
べてきたが、このうち内部回路の特性を検出して制御す
る手段としては、第48図のように電圧値を検出するも
のを中心に述べたきた。しかし、場合によっては次のよ
うに信号の位相差を検出して制御する方法も使うことが
できる。
第50図は、第2図の構成による具体的実施例を示して
いる。本実施例では、回路2内の所定の2つパルスφl
、φ2の位相時間差Δtを検出し。
これに応じ2の動作を制御し、その動作速度を一定に保
つ例である。
同図でF/Fはセット・リセット形のフリップフロップ
であり、φ1とφ2の時間差Δtに等しいパルス幅の信
号φ■を出力する@ SV/!e 5Wtt。
SWsはスイッチ、C1,CHは容量、VREFは参照
用の基準電圧である。以下、本回路の動作を同図(B)
を参照しながら説明する。
まず、φ工が入力されるとφ!が出力される。
これによりSWt がオンとなり、容量Ctが定電流i
で充電されCrの端子31の電圧は徐々に上昇する。Δ
を時間経過後にφ2が入力されると、φ■は低電位にな
り、SWxはオフになる。したがって、31の電圧VH
LはΔtに比例した電圧となる。この電圧はφSが入力
されてSWsがオンになると容量CHに取り込まれる。
ここで、CI> Csのようにしておけば、32の電圧
はVHLにほぼ等しくなる。一方、CIはφRによって
SWRがオンとなるため、Ovに放電され、次の動作に
備える。CHに取り込まれたVHLは、増幅器7によっ
て参照用電圧VRE!Fと比較され、その差に応じた電
圧を5に出力し、これにより2の動作特性を制御する。
2の回路は、第7図〜第20図の如き回路で構成され、
その動作特性が5の電圧によって変化するようになって
おり、最終的にはvFI□EFとVot、の値が等しく
なるように制御される。この結果、2の回路特性は一定
に保たれる。
本実施例では、2の動作特性を直接検知してその特性を
制御するので、予め考慮した変動要因以外によって特性
が変化してもそれに応答することが可能であり、極めて
精度よくその特性を制御できる0本実施例のVREF
e iは、制御精度を支配するため、高安定の必要があ
るが、VREFとしては、第32図、第37図の実施例
が使用可能でありまた。iとしては、第26図〜第33
図の各実施例が使用可能である。
なお、ここでは、回路2の動作特性をφ工、φ2の時間
差で検知したが、その他の例えば動作電流量を検知して
特性を制御することなども考えられる。
第51図は、第3図の実施例に第50図の実施例を適用
したものである0本実施例においては、2を構成する内
部回路2′の一部で2のダミーとして4を構成し、その
出力φl 、φ2′で動作特性を第50図と同様の方法
で検知し、2の動作特性を制御する。2′としては第7
図のようなインバータを用いてリングオシレータを形成
してもよいしその他目的に一応じて様々な回路形式を選
ぶことができる。
本実施例においても第50図と同様の効果が得られる。
なお、これまで述べてきた実施例のうち、第12図のよ
うにバイポーラトランジスタのベースとコレクタ電流を
同一の電源より供給する場合には、バイポーラトランジ
スタのコレクタ抵抗による電圧降下のために、ベース電
位よりコレクタ電位が一時的に低下してバイポーラトラ
ンジスタが飽和する恐れのある場合があり得る。このと
きには、第52図のように、コレクタ端子を2ケ所設け
て、C1をバイポーラトランジスタのコレクタ電極とし
て使用し、ベース電流を供給するMOSトランジスタを
02に接続すればよい、このようにするとバイポーラト
ランジスタの本来のコレクタCOの電位より、第2のコ
レクタ電極の電位は低いので、これとMOSトランジス
タを通じて接続されたベースの電位はコレクタCOの電
位より高くなることがない、したがってバイポーラトラ
ンジスタの飽和を効果的に防止することができる。
本実施例は第12図に限らず用いることができる。
第53図は、上述した各実施例をDRAMに適用した具
体的実施例である。
同図でMAはメモリセルアレーであり、メモリセルMC
が2次元的に配置されている。PCはデータ線プリチャ
ージ回路、SAはメモリセルからデータ線に出力される
微少信号を増幅するセンスアンプであり、P、N両チャ
ネルMOSトランジスタで構成される。ABはアドレス
入力Ainを内部信号は変換するアドレスバッファ回路
、X−Dec& Driv、 、 Y −Dec& D
riv、は、それぞれXデコーダ・ドライバ、Yデコー
ダ・ドライバである。DPはメモリの動作の待機時のデ
ータ線プリチャージ電圧発生回路、SAD、SADはセ
ンスアンプSAの駆動回路、WCはデータ入力信号Di
nを書き込み信号WEの指示によってメモリセルに書き
込むための書き込み制御回路、周辺回路は各回路の動作
に必要なパルス信号を外部入力CEに応じて発生する回
路、MAはI10線上の読み出し信号を増幅するメイン
アンプであり、ここでは第19図に示した実施例を適用
している。
3は製造条件、使用条件などの変動に応じた信号を5に
出力し、これにより、各回路の動作を制御し、特性を安
定化する。各回路は3の出力5によって制御できるよう
に、第7図〜第20図のような回路で構成する。
本回路の動作は、GEが入力されるとメモリ動作が開始
され、AinがABによって増幅されX −Dec、
Y −Decに信号を供給する。その信号に応じてX
−D ec & D rivによって1本のワード線W
が選択されるとメモリセル内のC8に蓄えられた情報電
荷がデータ線に出力される。その結果データ線上に微小
信号が現われ、SAにより増幅される* Y −Dec
& Drivによって1選択されたデータ線信号がIl
o、Iloに出力される。この信号はMAによって増幅
され、Doutとして外部に出力される。書き込み動作
はWCを介して、上記と逆の経路によりメモリセルに信
号が書き込まれる。
以上のような構成において種々の目的の制御が可能であ
る。
まず、回路全体の動作速度あるいは信頼度特性などを一
定に保つ制御法があるが、これについては、既にいくつ
かの実施例で説明したように、制御回路3で、製造条件
や使用条件に応じて、制御対象となる各々の回路に合致
した信号を5に出力し、それぞれ制御すればよい。
次に個々の回路毎に目的に応じて制御する方法が考えら
れる。特にDRAMではメモリセルアレ一部は最も微細
な素子を用いて構成されるため、他に比べ素子耐圧が低
く、信頼度の低下の問題を生じ易い、したがって、メモ
リセルアレ一部は高信頼化、その他の回路は動作速度と
の安定化を目的にした制御が考えられる。動作速度を一
定に保つ方法は既にいくつか述べた実施例に従えばよい
。
メモリセルアレ一部の制御法についてはいくつが考えら
れる。まず、メモリセル内のCSの絶縁膜厚の電界を一
定に保つ方法がある。情報電荷Qsを大きくして安定に
動作するためにはCSは大きい程よく、より小さい°面
積で大きいCsを実現するために、その誘電体としての
絶縁膜の厚さt oxsを半導体チップ内で最も薄くす
るのが一般的であり、C8の絶縁耐圧がチップ内で最も
低くなるからである。この電界E oxsを一定に保っ
て信頼度を補償するためには、絶縁膜のばらつきに応じ
て、SAD、DP、VCなどの出方電圧を制御して、C
aに書き込まれる電圧v8を制御すればよい、このとき
、情報電荷量Qsは次のように表わされる。
QS=C8IlvS
oxs
= s oxs ′Aoxa 0 EoxgここでεO
XSは誘電率、AOXSはC3の面積である。
したがって、 Eoxsを一定に保てばQsも一定に保
たれ、信頼度が向上すると共に、動作も安定化する。ま
た、温度が高くなると、MC内の拡散層リーク電流が増
加するので、安定動作に必要な最小情報電荷量も大きく
する必要がある。したがって、温度が高くなるにつれて
、Qs 、すなわち、E oxsを大きくして、信頼度
をさらに向上させる制御法もある。
この場合、温度上昇とともにMOSトランジスのg−が
下がるのでデータ線充放電電流のピーク値をそれほど大
きくせずに制御できる。
次にメモリセルのMOSトランジスタに着目した制御法
がある。このMOSトランジスタはチップ内で最も微細
でその絶縁破壊耐圧、ホットキャリア耐圧が他に比べて
低くなる場合が多いためである。MOSトランジスタの
各種耐圧はゲート長しコが短かく、ゲート絶縁膜厚to
xが薄くなる程低下する。したがって、Ltが短かく、
Toxが薄くなるにつれてワード線、データ線などの印
加電圧を小さくするとよい。印加電圧の制御は前に述べ
たと同様にして行なうことができる。また、前に述べた
ように温度が下がるとホットキャリア耐圧も低くなる。
したがって、温度が下がるとワード電圧、データ線電圧
などを下げるようにすればよい。これにより、安定で高
信頼の特性を得ることができる。またここで述べた制御
法に上述したCsに着目した制御法を組み合わせること
も可能である。
以上、説明した実施例によれば、DRAMの動作を種々
の目的に応じて制御することができる。
なお、前述したようにDRAMでは高集積化を進めるた
め、微細な素子を使う必要がある。現在は、電源電圧V
ccとして5vを用いているが、今後、4M、16Mビ
ットと高集積化を進めるには素子の耐圧の低下から考え
て5vを直接微細化された素子に印加するのは困難とな
ると予想される。しかし、Vccを5vより下げるのは
、従来のDRAMとの互換性から考えてユーザーに負担
をかけるので好ましくない、そこで、DRAMにおいて
も第4図、第5図などのように制御回路によりVccよ
り低い電圧を発生させて微細素子を保護した上で、各種
の制御を行なうことができる。
第54図は上記のような電源回路を含んで構成した制御
回路の一実施例である。第54図において、511′は
、アドレスバッファ・デコーダ。
クロックトライバなどの周辺回路にVccより低い電圧
Vw’ を供給するための制御線、5I2はワードド
ライバにV s ’ より高い電圧VCHを供給する
ための制御線、5I3Hおよび5I3Lは、センスアン
プSAの駆動回路SAD、SADを制御するための制御
線である。なお、ここでは省略するが、第54図におい
て制御回路3にはその他必要な制御回路を含んで構成す
るのはもちろんである。第54図は、安定でニージング
チストに適した基準電圧を発生するための定電圧発生回
路F。
バイポーラトランジスタQxxxt比較器GD、帰還回
路H1と、基準電圧V!を基に、アドレスバッファ、デ
コーダ、クロックトライバ等にVccより低いV I
’ を供給するための比較器OとMOSトランジスタ
M141.さらにワードドライバ等にV r ’ よ
り高い電圧Vcuを供給するための動作時用高電圧発生
回路HOP、待期時周期時用高電圧発生回路及びデータ
線電圧Voとデータ線充電電流をコントロールする駆動
回路DRV、DRV’より成る。本構成によれば、V
r ’ はV!と等しく。
又、vcHやVoもV I ’ を基に決まるため、
DRAM内の内部電圧をすべてV!で制御できることに
なる。したがって、前記の実施例によりメモリセルアレ
ー周辺回路ともに温度およびVccの変動による特性変
化を受けることが少なく非常に動作の安定したDRAM
を実現することができる。又、ニージングチストを有効
に行なえることはもちろんである。なお、第54図の定
電圧回路Fに第37図、第45図の実施例を用いたとき
には次のようにしてその消費電力を低減することも可能
である。
すなわち、第37図、第45図に示した定電圧回路Fで
は、出力電圧V!zは(15)式のように抵抗の比”t
’決まる。また、エージング電圧特性も(20)式のよ
うに抵抗の比によって決まる。そのため抵抗の絶対値に
よって特性が変化することがなく製造ばらつきの影響を
受けることも少ない。したがって抵抗の絶対値を一律に
7倍(2>0)することによって抵抗比は不変のまま電
流のみを所望の値に設定することができる。電流値を小
さくすると場合によっては同一半導体基板上の他の回路
からのノイズなどの影響を受けやすくなることもありえ
るが、その場合には、本基準電圧発生回路Fを含む半導
体装置が動作状態にあるときには基準電圧発生回路Fに
流れる電流を多くしてノイズなどによる電圧変動を防止
し、待機状態にあるときには電流を低減して消費電力を
低減すればよい。第55図、第56図はそのための具体
的な実施例である。第55図においては、基準電圧発生
回路Fの正電源端子りと、外部電源Vccの間にPMO
Sトランジスタを設けである。また、第56図において
は基準電圧発生回路Fの接地端子と、接地電源の間にn
M OS トランジスタを設けである。これらの実施
例によれば、pMOSトランジスタTM200あるいは
nMOsMOSトランジスタ10のゲート電圧を変える
ことにより、基準電圧発生回路Fの電流値を容易に制御
することができる0例えば、第55図の実施例では、ゲ
ート端子200の電位を下げるとpMOSトランジスタ
M2O0の抵抗値が下がり基準電圧発生回路Fに流れる
電流が増加する。また、ゲート端子200の電位を上げ
るとpMOSトランジスタM2O0の抵抗値が上がり基
準電圧発生回路Fに流れる電流が減少する。したがって
、第55図の実施例によれば基準電圧発生回路Fを含む
半導体装置が動作状態にあるときには端子200の電位
を下げて。
待機状態にあるときには端子200の電位を上げてやれ
ば、動作時にはノイズなどによって電圧値が変動するこ
とを防止し、待機時には電流を少なくして消費電力を低
減することができる。第56図の実施例においても、半
導体装置の動作時には端子210の電位を上げ、待機時
には端子210の電位を下げることにより同様の効果を
得ることができる。第56図の実施例では、nMOSト
ランジスタを使用しているため、第55図の実施例にお
けるpMOSトランジスタよりゲート+lJの小さいも
のを使うことができ、回路の占有面積を低減することが
できる。なお、第55図、第56図のように、電源と基
準電圧発生回路Fとの間にMOSトランジスタを挿入す
ると、MOSトランジスタのソースドレイン間の抵抗に
よって基準電圧発生回路に印加される正味の電圧が減少
する。
しかし、第37図あるいは第45図の回路の出力電圧V
r 1は、(15)式のように電源電圧に依存せずほ
ぼ一定値を保つため、電圧特性を変えることなく電流を
制御することができる。
第54図の制御線5I’ を電源として動作するアドレ
スバッファ、デコーダ、クロックトライバ等の駆動回路
としては、第9図から第17図に示したような実施例に
おいてVccをVt’ としたものを用いればよい、
又、必要に応じて第7図、第8図のV C0NTをV
t ’ としてもよい、なお、第7図から第17図で
は、デコーダなどに使うNAND回路などの論理回路を
省略したが、例えば第11図でDRIVの部分をNAN
Dにおきかえるなどして容易に実現できる。ところで、
負荷容量の大きいところにはBiCMO8回路を用いる
ことにより高速化を図ることができるが、その場合に第
8図、第12図等でバイポーラトランジスタQN8の耐
圧が十分ある場合にはコレクタをVccのままとしても
よい。そのときには、コレクタ電流はVccより供給さ
れるので、充電電流の大部分はVccより流れてvI′
はベース電流のみを供給すればよい、コレクタ電位
はバイポーラトランジスタが飽和しない範囲であれば回
路特性に余り影響ないためこのようにすると回路特性を
安定に保ったまま、■!″の供給電流を低減できる。こ
れによりV r ’ をさらに安定に保つことができ
る。
さらに、外部入力信号が直接印加されるアドレスバッフ
ァの初段等は、外部入力信号の振幅が不十分な場合には
貫通電流が大きくこの部分の電源をV I ’ とす
るとV t ’ の電流が増加してV r ’を安定
に保つことが困難となる場合もある。その場合には、初
段のみをVccで動作させることも可能である。
次に、第54図においてデータ線の充放電を制御するた
めの一実施例について述べる。
DRAMではデータ対線をメモリセル(1ケのMO8T
と1ケのキャパシタで構成されるメモリセルなどの例が
ある)の読み出し情報に応じて、pMO8とn M O
Sで形成されたよく知られたセンスアンプで充放電する
ことが行われる。このときメモリセルのキャパシタに蓄
えられる電荷量Qcはデータ線電圧VDLとキャパシタ
の容量CSの積となる。DRAMでは上記Qc安定に保
つことが信頼性の点より望ましい。したがってデータ線
電圧VDLを外部電源電圧Vccと温度に依存しないよ
うにできれば、外部条件によらず安定で信頼性の高い動
作を確信することができる。また同時に動作に悪影響を
与えない範囲でVDL、をVccより低い値に設定すれ
ば消費電力を低減できる。さらに、たとえば最新のメガ
ビットDRAMでは、1024対のデータ線を同時に高
速に充電する必要がある。このデータ線の合計の容量は
500〜1000pFにも達するので、過渡電流が問題
となるので過渡電流の低減も望ましい、又、データ線の
充放電に伴うノイズを低減するためにデータ線の充放電
を対称に行なうことが望ましい。
本実施例はデータ線電圧VCLを前述の電圧変換回路に
より制御してV r ’ と等しくしてVDLの外部
電源電圧依存性、温度依存性をなくすと同時に、電圧V
at、をVccより低くして消費電力を低減し、さらに
データ線充放電の速度を制御することにより上記過渡電
流とノイズを低くするためのものである6以下本実施例
を説明する。データ線の充電はpMO5を含んで形成さ
れたセンスアンプであるフリッププロップの共通線am
に接続された駆動回路DRVで行われる0本実施例では
、この駆動回路がカレントミラー回路と比較器で構成さ
れていることに特徴がある。カレントミラー回路は、ト
ランジスタQx、Qzから成る一種のインバータによっ
て制御されるeQzがオン、Qlがオフの場合はQsと
定電流源(i / n )と出力駆動トランジスタQo
との間でカレントミラー回路が形成され、Qzがオフで
Qlがオンの場合は、Qoはオフとなる。ミラー回路内
の電流源の電流入口をi/n、MO8Tのゲート幅をw
/n、Qoのゲート幅をWとすれば、Qnのオン電流は
定電流iとなる。製造プロセスのばらつきによってWあ
るいはゲート長やトランジスタのしきい値電圧が変化し
てもi / nを一定にしておけばQoの駆動定流はほ
ぼ一定となる。ここで定電流源をi / n 。
w/nとしているのは、消費電流を小さく、かつ占有面
積を小さくするためであり、nは大きい方がよい。
比較器は、電圧変換回路の出力電圧V!′(たとえば4
V)と出給電圧vOを比軟するものである。
Vt’>Voでは比較器の出力は高電圧となり、効にV
t’ <Voの場合は低電圧となる。
以上の準備のもとに動作を説明する。
通常のDRAMでは、プリチャージ期間中はデータ対線
はVDLのほぼ半分の値に設定される、いわゆるハーフ
プリチャージ方式なので、プリチャージ期間は、共通駆
動線aQあるいは全データ対線はVDL/2にプリチャ
ージする。この状態で、選択されたワード線にパルスが
印加されると各データ対線には微小な差動の読み出し信
号が現われる。この様子を第58図においてDot D
o対称で代表的に示している。その後、nMO8Tとp
MO3Tで形成されるセンスアンプで、低電圧側はOv
に放電され、高電圧側はV r ’ まで充電される
。放電はMOSトランジスタTszにより行われる。こ
こでは充電のみを以下に述べるacQは入力パルスφを
印加することによって駆動される。入力パルスφがオン
(高電圧が入力)となると、制御回路ANDの出力電圧
は高電圧となり、Qoのゲート電圧Voは定電流源の出
力電圧Vsとなり。
QDは負荷を一定電流iで駆動する。この結果、負荷の
電圧VoはVI’ /2 から一定の速度で上昇するが
、Vt’ を越えると比較器が作動し制御回路AND
の出力は低電圧となりQlがオンし、Qxはオフし、Q
nはオフとなり、VoはほぼVr’ にクランプされ
てしまう、これによって各データ対線の一方のデータ線
はVw’/2 からほぼV r ’ に充電される
。
放電についてもφが印加されるとnMO3TMaとTN
zがカレントミラーをなすので、充電と同様に速度を制
御できる。
以上述べた実施例によればデータ線電圧Vat、をV
!’ にほぼ等しくできるためデータ線電圧VDL。
の温度依存性をゼロとして、外部電源電圧Vcc依存性
を所望の範囲でなくすことができる。また、データ線を
ほぼ一定の電流で充電できるため、過渡電流の増大なし
に高速でデータ線を充電できる。
また、ioを一定に保つことにより、電源電圧の変動や
製造ばらつきなどがあっても、その影響を最小限にする
ことができる。さらにデータ線電圧は低くおさえられる
ので消費電力も低減される。
さらにデータ線充放電の速度を同じにできるのでノイズ
を低減できる。
次にワード線の駆動回路の一実施例について述べる。D
RAMにおいては、ワード線の電圧をデータ線の電圧よ
りおよそ2vはど高くする。データ線の電圧を例えば4
vとすると、ワード線の電圧はおよそ6v必要となり、
ワード線をVccの値5v以上に昇圧する手段が必要と
なるe Vcc以上に昇圧されたVnによりワード線を
駆動する回路としては、例えば、第59図の回路を用い
ることができる。VHの発生回路については後に述べる
。
まず、第59図の回路の動作を第60図の電圧波形図を
用いて説明する。Eが高電位の状態でCが高電位になる
とnMOS11を通してFの電位はV^−V T t
Allの電位となる0次いでEが低電位になると、12
(pMO8)がオンしFの電位はV uとなる。コノ結
果13(pMO5)がオフ。
14(nMOS)がオン、バイポーラトランジスタ15
がオフ、16(nMOS)がオンとなり、出力WはOv
になる。なおFが高電位VHに上昇する時、A、Cの電
位はV^であるので、11はオフであるのでFからCへ
電流が流出してFの電位が下がることはない、一方、E
が高電位の状態でCが低電位になると11がオンし、F
もCと同じ低電位になる。この結果13がオンし、14
゜16がオフしノードGがVoとなり、出力りが高速に
高電位に充電される。この出力の高電位はV o −V
agである。なおこの回路では第60@の波線に示す
様にCが高電位V^になってから、Eが低電位になるま
での期間tcI!が長いとFの高電位はV^−V t
1111にしばらくとどまるので、13゜14に貫通電
流が流れ、Dが不十分な低電位にとどまる期間が存在す
る場合がある。したがって、tcEの時間を短かくする
ことが望ましい。そのためにはCが高電位になると同時
にEを低電位に切換えればよい、これにより上記問題は
解決できる。
本回路によれば、出力にバイポーラトランジスタを用い
ているのでワード線を高速にV H−V BHに充電す
ることができる。なお第7図において。
バイポーラトランジスタ15を用いずに、Gを直接出力
としてもよい。このときは出力電圧はVHまで上がるの
で、所望のワード電圧と等しいVHを発生させればよい
、そのためバイポーラを用いるときより電源Gの設計が
容易となる。又、MOSトランジスタで構成するため製
造プロセスが単純となるという利点もある。なお、第5
9図の回路でも第13図のように電源との間にMOSト
ランジスタをそう入して動作速度を制御することも可能
である。
第61図は、電圧V r ’ を基準にVcc以上の
高電圧を得るための回路の実施例であり、第62図はそ
の動作波形である。以下、第62図を用いて第61図の
回路の動作を説明する。
第61図の回路は、DRAMにおいてRAS信号に同期
してVCH端子を昇圧する回路である。
RAS信号が低レベルとなりDRAMが動作状態に入っ
たときに第23図に示したように、φtpsを低レベル
、φZP8 を高レベルとし、φIs、φ18^を高レ
ベルに遷移する。この結果、あらかじめVccと同一電
位にプリチャージされていたGl。
G2.G3.G4(7)うち、G1とG2がMO8容量
MCzxx、 MCxxxによって昇圧され、その結果
MOSトランジスタMztst Mzz^を通してG1
よりG4.G3に電流が流れ、G3.G4の電位が上昇
する。このとき、G2がVcc以上に昇圧されているの
で、G3.G4の電位はMOS)−ランジスタMzxe
t Mzz^のしきい電圧に制限されることなく昇圧す
ることができる0次にφisとφ1s^を低レベルに立
ち下げてφZS、φ8sを高レベルに遷移する。その結
果G1.G2が低レベルに遷移しG3.G4は昇圧され
る。このとき、G2の電位はφasが高レベルとなると
MOSトランジスタMxzBがオンするのでOvとなり
、MosトランジスタMxz^は確実にオフする。この
ためφ2sのタイミングのずれ、あるいはカップリング
ノズルなどで02の電位が上昇することはない、したが
って03より、MOSトランジスタM2zcを通して電
流が流れ5I2が昇圧される。このとき、MOSトラン
ジスタG4のゲートと5工1′の間には、ダイオードを
6ケ直列に接続しであるため、G4の電位は、VCL+
6VBEでクランプされる。
その結果、VHの電圧は、MOsトランジスタMxxの
しきい電圧をvT2!cとシテvX′+6VB+!−V
txzcにクランプされる1例えばV !’ を4v
、VBEを0 、8 V 、 VT22Cを0.8v
とすると、8■となる。ここではダイオードを6ケ用い
たが、この数をかえることにより、V!’ に対して
VHが一定電圧以上とならないようにすることができる
ので例えばVHにワードドライバを接続した場合にはワ
ード線電圧を所望の値にコントロールすることができる
0次に、DRAMのRAS信号が高レベルとなったとき
に、φ2g、φ8sを低レベルに戻し、φIPS を高
レベル、φ2PS を低レベルとする。この結果MO8
容量M C22oによりG5の電位が昇圧され、pMO
SトランジスタMzztを通してMOSトランジスタM
zzsv M2xs、 Mzx7゜Mxxmのゲート電
圧がVcc以上に昇圧され、これらのMOSトランジス
タによってGl、G2゜G3.G4の電位はVcaとな
りはじめの状態にもどる。なお、ここで、MOSトラン
ジスタMzzsは、M224のドレインに高圧がかかる
のを防いでMxz+を保護するためのものである。なお
、ダイオードを直列に用いた場合には、VBHに温度依
存性があるため、VHが温度依存性をもってしまう。
これを解決するには、φ18〜φ8sの振巾をVccで
なくVt’ としてクランプ回路を省略してもよい。
このときに5I2の電圧を所望の値とするには第63図
のような回路を用いてもよい、第63図でVCH’ を
第61図のような回路で高圧に保てば5I2には
est
の電圧が出力される。なお、 VRI!FとしてはV
z ’を用いてもよいしバイポーラトランジスタQts
stのVaI!の温度依存性をキャンセルするような温
度依存性を持った電圧を印加してもよい。以上説明して
きたように、本実施例によれば5I2にVccより高い
電圧を得ることができる0本実施例では、RAS信号に
同期してDRAMの動作時にVoを昇圧するためVHか
ら電流を供給する必要のない時期時に昇圧動作によって
電力を消費することがなく低消費電力動作が可能である
。しかしDRAMの使用条件によっては、周期状態が長
くつづくことがあり、VHの電位が、何らかのリークに
より低下することも考えられる。その場合には、時期時
のリークを補償する回路を別に設ければよい、そのため
には、第61図〜第63図の実施例で容量やトランジス
タのサイズを小さくして電流駆動能力を小さくしたもの
を別に設けてRASと独立に動作させてもよい、あるい
は第64図のような回路を用いてもよい。以下、第64
図の回路の動作を第65図を用いて説明する。φを低レ
ベルとすると、MOSトランジスタTMzto、 TM
zat。
TMz4aによってGztot Gzat、 VnがV
ca近くにプリチャージされる0次にφθを高レベルに
立ち上げるとインバータIz+xと工242の出力は各
々高レベル、低レベルとなる。したがってGzaoがV
cc以上に昇圧され、Gzaoへ電流が流れat4゜の
電位が上昇する0次にφθを低レベルとすると、インバ
ータI s4t、 I zazの出力は各々低レベル。
高レベルとなりGzazがさらに昇圧され、VHへ電流
が流れる0以上のようにφθを周期的に立ち上げ立ち下
げることによりVnの電位は上昇する。
VCHの上昇とともにダイオードQDzao=QDz+
sによってG2ae* Vozae ノミ位もVaH−
6VBE(7)関係を保って上昇する。MOSトランジ
スタTMzaeのしきい電圧を−VTZ46としたとき
VHがVl’ −VT248+ 6 Vaa以上となる
と、VozaeはVl’ Vt5eとなって、TMZ
48がオフし。
D247の電位はMOSトランジスタTMハフによりO
vとなる。その結果NAND回路NA240の出力θ5
の電圧は高レベルに固定され昇圧動作は停止する。その
後、制御線5I2より流出する電流IHによりVoの電
位が下がり、V ■’V T248 + 6 V B!
以下となると再びMz番6がオンしてVHの昇圧動作が
始まる。
以上のように本回路によれば、VHの電位をvccより
高イVl’ −Vtzae+ 6 VBHに保つことが
できル@ V x ’は4 V 、 Vtzaeを0.
5V、VBIl!をO,SV とすると、Vuは8.3
v となる。以上のように本実施例によれば、チャージ
ポンプ回路と前述したレベルシフト回路を組み合わせる
ことにより、出力電圧VHをVccより高い一定の電圧
に保つことができる。なお、クランプのためのダイオー
ドQ D zao” Q D zasの数を場合に応じ
て増減してもよいことはもちろんである。又、場合によ
りvcHよりQ D x番6− Q D wasを流れ
る電流が大きすぎる場合には、第66図のようにQDz
aaをバイポーラトランジスタとし、コレクタをVcc
ベースをQD244の出力につなぐことにより、1/h
rpに上記電流を減らすことができる。なお、ダイオー
ドの個数は電圧V)IとvX′ の差が所望の値とな
るように決めればよい、又、MOSトラジスタTM24
Mを抵抗など他の素子で置きかえることができる6M0
Sトランジスタを用いる場合には、ゲート幅Wに対して
ゲート長L5を大きくとることにより比較的小さい占有
面積で容易に高い抵抗値を得ることができる。さらにこ
こでは、ダイオードとしてpn接合型のダイオードを想
定した。pn接合型のダイオードは、例えばバイポーラ
トランジスタのベースとコレクタを接続することにより
容易に実現できる。このためバイポーラトランジスタと
同時に形成でき、製造工程を簡素化できる。このとき、
抵抗もバイポーラトランジスタのベース層を用いて実現
すれば、さらに工程の簡素化ができる。pn接合ダイオ
ードの順方向電圧VBBは1通常0.8v程度であるた
めに、第1図の実施例では電圧Voとv!′ との差は
、0.8v を単位とした値しか取ることはできないが
、場合によってはVoとV r ’ との差を0.8V
のn倍(n=1.2.・・・)以外に設定する必要があ
る場合もある。そのときには、0.4v程度の順方向電
圧VFをもつショットキーダイオードを用いれば、
Vn= VT’ Vtzas+ i VFとなり、0
.4vを単位としてVHの値を設定できる。又、第67
図に示したようなn M OSダイオードを用いてもよ
いことはもちろんであり、この場合はn M OS T
M^のしき電圧をVτに^としてVo= Vr’
−VT24B+ i VTMAとなるのでVTMA
を単位として電位差を可変にできる。なお、第4図に示
すような回路をダイオードのかわりに用いて任意の電位
差を作ることもできる。第4[i!!lにおいては、端
子3Aと3Bの間の電位差は、
とできるので、R^とRBの比をかえることによって連
続的に電位差を変えることができる。その他、種々の変
形が可能であるが、第69図に示した実施例は、n M
OSのみで第1図のレベルシフト回路りを構成したも
のである0本実施例では、クランプのダイオードをn
M OSダイオードとし、バイポーラトランジスタロ1
.抵抗Rをそれぞれn MOS Mlll、 Mszで
おきかえた0本実施例では、VoとVl’ との関係
は、THIIIのしきい電圧をV6O13、MOSダイ
オードのしきい電圧をVtoとして
VH= Vt’ −Vrzas+ VTM51+
n VTllとなり、しきい電圧vT111を単位と
して電位差を設定できる0本実施例においてはn M
OSダイオードMD51〜MD5iを通して流れる電流
はn M OS Masを通して流れるバイアス電流I
Nのみであるため5I2の電流供給能力を必要以上に大
きくする必要がない、さらに1本実施例では、バイポー
ラトランジスタを用いる必要がなく MOSトランジス
タのみで構成されているため、MOSトランジスタのみ
より成るLSIに適用するのに好適である。MOSトラ
ンジスタM31. MIssのゲート電圧、ゲート長、
ゲート幅は、電流IRおよびINが所望の値となるよう
に決めればよい。例えば、ILに対してIRの値を10
倍に設定すれば、MOSトランジスタMatのドレイン
電流の変動を10%程度に抑えることができVLをほぼ
一定に保つことができる。なお、以上の実施例では、ク
ランプ回路の温度特性が問題となる場合には、MOSト
ランジスタTMzaeのソース電圧に温度依存性をもた
せてクランプの温度依存性を補償することもできる。
本発明は、上記のようにDRAMだけでなくSRAMに
適用しても有効である。第70図は、nMOSトランジ
スタと抵抗を用いて構成したSRAMのメモリセルの一
例である0例えば電圧VC70を本発明の電圧変換回路
より供給すれば、メモリセル特性の温度依存性および外
部電源電圧依存性をなくすことができるためソフトエラ
ー耐性が向上するなど非常に安定なメモリ動作を実現で
きる。このとき、V C70より供給される電流すなわ
ちメモリセルの保持電流は非常に小さくしかもほぼ一定
のDC電流であるので電圧VC70を一定に精度よく保
つことが容易になる。さらに、データ1iDL、DLの
電圧すなわち書き込み電圧あるいはワード線Wの電圧を
安定に制御すればより信頼性が向上する。そのためには
本発明によって得られる上記電圧V!をもとに書き込み
電圧を決めれば、温度依存性および外部電圧依存性を無
くすことができ、さらに信頼性を高めることができる。
その他SRAMの周辺回路に用いる駆動回路、差動ア
ンプについてもこれまで述べてきたような制御を行なう
ことにより安定で信頼性の高い動作を実現できる。
さらに本発明はメモリ以外の論理LSIにおいても同様
である。また、第53図においては、制御回路では、周
辺回路の特性を6によって検知しているが、この検知は
目的に応じて種々の場所によって行なうことができる。
たとえば、ワード線が印加されて、センスアンプ微小信
号を増幅するまでの時間を検知して、その結果によって
、SAの駆動電圧、駆動電流を変化させ、アレ一部の動
作特性を制御するなどの種々の制御する方法もある。ま
た、主な構成素子としてはMOSトランジスタ、バイポ
ーラトランジスタを例にして説明したが、その他のG
a A sなとの化合物半導体の素子で構成したものに
も、本発明の原理はそのまま適用できる。また、特性の
変動要因としては主にMOSトランジスタの素子定数を
主に取り上げたが、バイポーラトランジスタの電流増幅
率、遮断周波数、順方向電圧などの変動に対しても同様
に対処できることは言うまでもない、さらに、各実施例
では、諸特性を一定に保つことを主目的として説明した
が、本発明を用いれば、目的に応じてたとえばゲート長
、しきい電圧などの製造条件による変動や、電源電圧、
m度などの使用条件の変動が、半導体装置を高速にする
ように変動する場合には、それよりもさらに高速になる
ように制御したり、逆に製造条件、使用条件が、半導体
装置を低速にするように変動する場合にはさらに低速に
するように制御することもできる。
なお、これまで述べてきた実施例はTTLインタフェー
スを中心に述べたがECLなど他の場合についても同様
に適用できることはもちろんである。
〔発明の効果〕
以上、述べたように本発明によれば、製造条件や使用条
件などの変動があっても、安定で高信頼の半導体装置が
実現できる。また同時に、量産時に良品の収率を高く保
つことができるため、従来の半導体装置に較べて安価に
製造できる。[1]
The circuit G is constructed by a differential amplifier GD and a feedback circuit H. Here, the feedback circuit H is designed so that a voltage equal to the constant voltage vrt is outputted to the output I2 when the voltage Vr takes a desired value. According to this embodiment, the output voltage V! Since the fluctuation of is fed back through the feedback circuit H, the value of the output voltage v can be kept constant with high accuracy even when the current supplied from the control wA5 changes rapidly with time. FIG. 37 shows a specific configuration example of the constant voltage generating circuit F in the embodiments shown in FIGS. 35 and 36. In the current source shown in FIG. 33, bipolar transistor Q3B
This is a circuit in which the collector of is connected to Vcc. In the circuit of FIG. 37, the output voltage V y 1 and its temperature dependence are (
8), given by equation (9). As already mentioned, temperature dependence can be set by changing the resistance ratio or the current density ratio of the bipolar transistor. When used in circuit F, the output voltage V! of switching circuit A is adjusted according to the temperature characteristics of amplifier G or differential amplifier GD, and feedback circuit H in the subsequent stage. The temperature dependence of can be set to zero or a desired value. In addition, the 37th
In the illustrated embodiment, the external voltage Vcc is approximately twice the base-emitter forward voltage of the bipolar transistor;
When the voltage exceeds about 1.8V, the voltage Vxz becomes almost constant regardless of Vcc. Therefore, if this embodiment is used in FIGS. 35 and 36, it is possible to easily obtain an output voltage Vl that is free from temperature dependence and external voltage dependence. By the way, when forming the constant voltage circuit F and other circuits simultaneously on the same semiconductor substrate as in the embodiments described so far, the transistors used for both are MOS transistors.
By unifying the transistors to one type of transistor or bipolar transistor, the process steps can be simplified and manufacturing costs may be reduced. Therefore, it may be desirable to use a MOS transistor as the constant voltage circuit F instead of using a bipolar transistor as in the embodiment shown in FIG. In that case, for example, in FIG. 32, the MOS transistor TNII11
You may use V I 8 of the circuit whose drain is set to VCC, or alternatively,
id-3tate C1rcuit. 5C-15, Jun, '80 or BLAUSHILD, Journal of 5oli
d-3tate C1rcuit. 5C-13, Dec. '78, etc. may be used. FIG. 38 shows a specific embodiment of the differential amplifier circuit GD in FIG. 36. In FIG. 38, the output voltage Vtt of the constant voltage circuit F is applied to the terminal 11, and the output voltage Vtz of the feedback circuit is applied to the terminal 12.
In this embodiment, the terminal 11.degree. 2 is the base electrode of the bipolar transistor, so the gain is high and fluctuations in the voltage Vl can be kept small. In addition,
The P-channel MOS transistor in FIG. 6 may be replaced with a resistor as shown in FIG. 7. Since this resistor can be formed in the base diffusion layer of the bipolar transistor, it can be formed in the impurity layer for the collector of the bipolar transistor. Therefore, the layout area of the circuit can be reduced. Note that various circuits can be considered as the current sources for the differential amplifiers in FIGS. 38 and 39, but
It is also possible to realize it with one MOS transistor as shown in FIG. Here is the MOS transistor T! ett
The gate of Tl7L was connected to E1. Since Vll has a constant value with respect to Vcc as described above, by doing this, the current of the amplifier can be kept constant with respect to Vca. Furthermore, if it is necessary to stably control the characteristics of the amplifier, various controls can be performed using circuits such as those shown in FIGS. 18 to 20. FIG. 42 shows a specific embodiment of the feedback circuit H in FIG. 36. In Fig. 42, for the voltage v■ of control line 5,
is outputted to the output terminal Iz and inputted to the differential amplifier shown in FIG. 36. Therefore, if the resistors R81 and 1ljst are designed so that the output voltage of the constant voltage circuit F is Vlt, and the desired voltage to be output to the control line 5 is Vwo, then Vw=V
I OteV t t = V r z, and the control line 5
The I(7) voltage is stabilized at the desired voltage Vwo. here,
If the output voltage Vll of the constant voltage circuit F is designed to have zero temperature dependence as described above, the temperature dependence of the voltage Vgo can also be made almost zero. In addition, if necessary, V! Of course, it is possible to give o a desired temperature dependence. FIG. 43 shows another embodiment of the feedback circuit H in FIG. 36. In the embodiment shown in FIG. 43, the control line 5I is not directly connected to the resistor, but is connected to the base electrode of the bipolar transistor Qllll. Therefore, since the current is amplified by the bipolar transistor Qez, even higher speed operation than that shown in FIG. 42 can be realized. Also GD
The load current can also be reduced. In Figure 43, (11)
Equation and Equation (12) are respectively Rox+R92 R91+ Rox, so the resistances R)l and Rs are adjusted to satisfy Equation (14).
All you have to do is decide the value of z. However, in this case, as is clear from equation (14), Rex+Rox, so the voltage V! due to the second term of equation (15). The temperature dependence of o does not match the temperature dependence of voltage V t t. In this case, from equation (15), it is of course possible to use the following formula. Now, when using the above circuit, the power supply voltage (Vcc)
Even if Vcc becomes excessive, the output voltage can be kept at a constant value lower than Vcc, which has the advantage of preventing minute elements from being destroyed. However, on the other hand, it may not necessarily be suitable for carrying out an effective kneeing test. In normal integrated circuits, after the final manufacturing process, a voltage higher than that used in normal operation is intentionally applied to each transistor in the circuit to identify transistors that are inherently prone to failure due to defects in the gate oxide film, etc. We carry out Nisinghist and guarantee reliability. In order to improve the rate of finding defects using this nagging test, it is necessary to apply a slightly lower voltage to each element than would destroy a normal element. However, in an integrated circuit chip configured to supply a constant power supply voltage via a voltage conversion circuit inside the chip as described above, there is a possibility that a sufficient aging voltage may not be applied to the internal circuit. In that case, the fourth
As shown in Figure 4. The voltage Vr generated in the voltage conversion circuit is converted to the external power supply voltage V
The external power supply voltage Vcc may be designed to rise when cc becomes excessively large.
to Vcg is the internally generated voltage V! is kept at a constant value Vro, and when Vcc rises to Vca, it increases as Vcc rises. In this way, Vc is higher than Vcg.
When c increases, Vx also increases, so if you increase it above Vaa & Vc+ at the time of a knee strike, the circuit inside the chip will be affected by V! A voltage higher than o can be applied. For this purpose, an effective kneeing chest can be performed. FIG. 45 shows a specific example for realizing the voltage characteristics shown in FIG. 44. The constant voltage circuit F in FIG. 45 is the same as the embodiment shown in FIG. 37 in which a resistor R111 is inserted between the collector and the terminal of the bipolar transistor of the output stage J, and a differential amplifier GD and a feedback circuit H. and were connected in the same manner as in Fig. 36. Further, the collector of the bipolar transistor Qllll is connected to the base of the bipolar transistor Qxtz, and the bipolar transistor Qll! The emitter of I was connected to control line 5, and the collector was connected to Vcc. In this circuit, the external power supply voltage Vcc is the output voltage V
! After reaching the stable point VIO, vI is constant and equal to Vto until bipolar transistor Q112 is turned on, and after bipolar transistor Qxtz is turned on, the output voltage increases along with Vcc. The point VCE at which bipolar transistor Qzzz turns on is given by the following equation. VcE=Vto+Vag(Qxxz)+Rtzx
・i 11-(17) Here, the current izx is the resistance R111
The current flowing through satisfies the following equation. 1nz=Vrt/Rzz2...(18) Therefore. aT aT aT aT (21) On the other hand, the temperature dependence of VB when Vcc>Vca is as follows. Here, the circuit shown in FIG. 42 is used as the feedback circuit H, and vcp
When Vcc rises above, VB rises according to the following equation. Vw = Vcc - Rtxtoi 11- Vaa (
Qnzz) aT aT V cC) V CE, aT As described above, according to this embodiment, the external voltage Vcc is vc
When the voltage exceeds E, the voltage Vt increases with Vcc, so that the kneeing chest can be effectively performed. By the way, when the temperature dependence of VBo is designed to be zero, the temperature dependence of VcE is aT from equation (19).
It becomes aT. Normal vcI! The temperature dependence of VcI! is about -2 mV/''C, so the temperature dependence of VcI!
The temperature dependence of VB is very small, and the feedback circuit H
At the 43rd δT, a T R91+ R112a T is obtained from equation (14), so (
21), From formula (22)... (23-A) V ca > V cp... (23-B). Here, from the formula (/?), -1,25
mV/''C and approximately +1.25 mV/'C, so even if the circuit shown in Figure 43 is used as the feedback circuit H, V
The temperature dependence of CH and the temperature dependence of VB when VCC>VCE are very small.Furthermore, when using the circuit shown in Fig. 43, by setting the value of VCH to approximately twice Vto, the temperature dependence of VCH The temperature dependence of VB when Vcc>vcE can be made almost zero at the same time. That is, if VBE(Qxlz)4Vag(Qet), then from (23-C), when η=1, aT = (1+ η)Vto+Vas(Qtxz)-11・v
BE(Qei) - (23-C) holds true. Therefore, for example, VcI! = 6V, VIO = 4v, Vaa (Qzzz) = Vai (Qex)a
6 As mentioned above, the feedback circuit H has the 42nd
Both when using the circuit shown in the figure and when using the circuit shown in Fig. 43, the voltage characteristics shown in Fig. 44 can be achieved with almost no temperature fluctuation, and Vcc<VcF! It is possible to generate a voltage vK with almost no temperature dependence both in the normal operating region at 100 Ω and in the aging test region at Vcc>Vcp, and the internal circuit group can be stably operated. As described above, it is of course possible to make VIO temperature dependent as necessary. Furthermore, when it is necessary to set the temperature dependence of the neeingst region independently of Vwo, connect the collector of Qllll to Vcc as shown in Fig. 37 and set the desired temperature dependence with R111 for the bias of K. A current source may be provided separately from F. In FIG. 45, when V cc > V CH, the voltage V! Bipolar transistor Qzt to increase
z was used. However, with nMOS transistor Q112
Replace the gate of the above nMOS transistor with terminal K.
Of course, it is also possible to connect the drain to Vcc and the source to E. At this time, the terminal has n
Since it is connected to the gate of the MOS transistor, there is no need to supply current, and therefore a constant voltage generation circuit can be easily designed. According to the embodiments described above, it is possible to supply from the control line 5I a stable voltage that has a desired temperature dependence and is independent of the external power supply voltage within a desired range. Therefore, circuits within the same chip can operate stably. However, in cases where the current supplied from the control line 5 is particularly large, a buffer circuit for current amplification is added to the voltage conversion circuit A to prevent voltage fluctuations, and the output 5I' of the buffer circuit is used as the control line. Just use it. FIG. 46 shows an embodiment of the buffer circuit, in which Cxxl and Cxxx are capacitors for reducing potential fluctuations of the terminal Nu and the control line 5I'. In FIG. 46, the voltage V I ' of 5I' is Vw
'=Vcc-VuE(Qzzt) CVcc<VI+
VueCQxx Engineering)...(24) Or VM=V! +VaE (Qzzz) Va11! (Qz
zx) (Vcc>Vx+Vag(Qzzz)...(
25) It is expressed as Therefore, in this embodiment, Vcc≧Vr+Vag(Qzzt) −
In the region (26), V t ' is V! is almost equal to V! The temperature dependence of V x ' can also be controlled by using the above-mentioned embodiment in the generation circuit of can be supplied. That is, even when the current supplied to the circuit is large, the voltage V I ' can be kept stable. Figure 47 shows the bipolar transistor in Figure 46 as a MOS.
This is an example of replacing it with a transistor. In this example, Vt
Vcc≧VI+VTH(Q182) − with o(Mzaz) as the threshold voltage of the MOS transistor
In the region (27), Vl' becomes approximately equal to Vt. Since the threshold voltage of the MOS transistor can be easily controlled, in this embodiment, Vt'
The output voltage Vt' can be stabilized by making it equal to vI. In the two embodiments described above, the voltage V! The range of external voltages in which the output voltage V■' of the buffer circuit is equal to is,
As expressed by equations (26) and (27), it is limited by the forward voltage between the base and emitter of the bipolar transistor or the threshold voltage of the MoS transistor, for example. Even if it is designed so that the output voltage VI of the voltage conversion circuit is constant at 4■ when the external voltage Vcc is 4V or more,
The output voltage V r ' of the buffer shown in FIG. 46 does not become constant at 4V unless Vcc becomes approximately 4.8V or higher, which may narrow the operating margin of the internal circuit with respect to the external voltage Vcc. In such a case, a buffer circuit as shown in FIG. 48 may be used. In FIG. 48, 5I' is replaced by a P-channel MOS transistor M
The source of the MoS transistor is connected to the external power supply Vcc, and the gate G141 is controlled by the output voltage of the differential amplifier 0. Here, at the input terminal of the differential amplifier. The output voltage v■ of voltage conversion circuit A and the output voltage V of one buffer circuit, respectively. ' was entered. Here, the capacitor C141 is for suppressing fluctuations in the output voltage Vt'. According to the zero-capacitor configuration, the output voltage V I ' by the differential amplifier is changed to the voltage V! is kept equal to . Therefore, unlike the embodiments shown in FIGS. 46 and 47, the output voltage V I ' can be made equal to the voltage vX regardless of the external voltage Vcc.
Stable voltage can be obtained over a wide range of. FIG. 49 shows an example of a specific circuit configuration of FIG. 48. In FIG. 49, terminal P. Signals with opposite phases are applied to P. Although the circuit operation will be described below when the signal P is at a high level and P is at a low level, the same applies even when the signal P is at a low level and P is at a high level. Also, regarding the explanation of this example,
The explanation will be made assuming that Vcc is 5V and Vt is 4V, but the same applies to other voltage relationships. Also, for simplicity, the base-emitter voltage of a bipolar transistor is O, SV
It will be explained as follows. When Vt is 4V, the base potential V B 16 a of the bipolar transistor Qz6a is 1.6V. At this time, the potential Vr' of the terminal 5I'
is 4V, and the base potential VB1154 of bipolar transistor Qzδ is 1.6V.
When VBI δ decreases, VBI δ also decreases, and the collector current of the bipolar transistor Q1!14 decreases. On the other hand, bipolar transistor Qll! Since the collector current of 1 m increases, the current flowing through the resistor R161 increases. As a result, MOS transistor M141 (71 gate VGMi
41 decreases. Therefore, MOS transistor M x a
1 drain current increases to v! ' rises to 4v
to recover. Conversely, when V r ' increases, VCI
M141 rises, MoS transistor M141 is turned off, and vsum' falls and recovers to 4■. Note that here, since the diodes D15δ to Dδ6 are connected in series between the collector of the bipolar transistor Q188 and Vcc, the collector potential never drops below 2.6V.
On the other hand, base potential VB1. .. is 1.6V, so the base potential of bipolar transistor Q168 is always lower than the collector potential.
8 is never saturated, bipolar transistor Q1
The base potential of 84 is V! '-2.4V, the collector potential is Vcc-2.4V, and normally Vl is lower than Vac, so Ql! 14 is never saturated.By the way, when the circuit connected to the control line 5I' is in the timing state,
The current flowing from 5I' is small and almost constant in many cases. In this case, even if you reduce the current flowing to the amplifier,
V! can be kept constant, and by reducing the current, power consumption can be kept low. To do this, the resistance value of resistor R1112 should be made larger than R161, and the MoS
The gate widths of transistors Mxsap Mzea and M1118 are respectively Mzse* M1g? , Mt is set larger than 15g, and when there is a circuit connected to 5I', the potentials of terminals P and P are each set to a low level. Just switch to a higher level. Note that the output Vr or Vr' of the voltage generating circuit described in FIGS. 35 to 49 can also be used as the VCONT in FIGS. 7 to 10 in addition to the power supply in FIG. 34. As described above, according to the embodiments shown in FIGS. 35 to 49, fluctuations in Vx and Vt' due to external voltage Vcc and temperature can be controlled, so that the circuit characteristics shown in FIGS.
cc, temperature can be kept constant. Therefore, this method is particularly effective when Vcc or temperature fluctuations are more important than fluctuations in manufacturing conditions. So far, we have described specific methods for controlling circuit operations, but of these, we have mainly focused on methods for detecting voltage values as shown in Figure 48 as means for detecting and controlling the characteristics of internal circuits. Takita. However, depending on the case, it is also possible to use a method of detecting and controlling the phase difference of the signals as described below. FIG. 50 shows a specific example of the configuration shown in FIG. In this embodiment, two predetermined pulses φl in the circuit 2
, φ2 and detects the phase time difference Δt. This is an example in which the operation of No. 2 is controlled in response to this and the operation speed is kept constant. In the figure, F/F is a set/reset type flip-flop, which outputs a signal φ■ with a pulse width equal to the time difference Δt between φ1 and φ2 @SV/! e 5Wtt. SWs is a switch, C1 and CH are capacitors, and VREF is a reference voltage. Below, the operation of this circuit is shown in the same diagram (B).
This will be explained with reference to. First, when φwork is input, φ! is output. As a result, SWt turns on, and the capacitance Ct changes to a constant current i
The voltage at the Cr terminal 31 gradually increases. Δ
When φ2 is input after the elapse of time, φ■ becomes a low potential and SWx is turned off. Therefore, the voltage VH of 31
L becomes a voltage proportional to Δt. This voltage is taken into the capacitor CH when φS is input and SWs is turned on. Here, if CI>Cs, the voltage at 32 becomes approximately equal to VHL. On the other hand, since the SWR of CI is turned on by φR, it is discharged to Ov and prepares for the next operation. The VHL taken into the CH is converted into a reference voltage VRE! by the amplifier 7. It is compared with F and outputs a voltage corresponding to the difference to 5, thereby controlling the operating characteristics of 2. The circuit No. 2 is composed of circuits as shown in FIGS. 7 to 20,
Its operating characteristics are changed by the voltage 5, and it is controlled so that the values of vFI□EF and Vot are ultimately equal. As a result, the circuit characteristics of No. 2 are kept constant. In this embodiment, since the operating characteristic described in 2 is directly detected and controlled, it is possible to respond even if the characteristic changes due to fluctuation factors other than those considered in advance, and the characteristic can be controlled with extremely high accuracy. VREF of 0 examples that can be achieved
Since e i governs control accuracy, it needs to be highly stable, but the embodiments shown in FIGS. 32 and 37 can be used as VREF. For i, Figures 26 to 33
Each of the illustrated embodiments can be used. Here, the operating characteristics of the circuit 2 are detected by the time difference between φ and φ2, but it is also possible to control the characteristics by detecting the amount of operating current, for example. FIG. 51 shows an example in which the embodiment in FIG. 50 is applied to the embodiment in FIG. The operating characteristics are detected using the outputs .phi.1 and .phi.2' in the same manner as shown in FIG. 50, and the operating characteristics of 2 are controlled. 7th as 2'
A ring oscillator may be formed using an inverter as shown in the figure, and various other circuit formats may be selected depending on the purpose. In this embodiment as well, the same effect as in FIG. 50 can be obtained. Note that among the embodiments described so far, when the base and collector currents of the bipolar transistor are supplied from the same power source as shown in FIG. 12, the base potential is There may be a possibility that the collector potential temporarily decreases and the bipolar transistor becomes saturated. In this case, as shown in Fig. 52, it is sufficient to provide two collector terminals, use C1 as the collector electrode of the bipolar transistor, and connect the MOS transistor that supplies the base current to 02. In this way, the bipolar transistor Since the potential of the second collector electrode is lower than the potential of the original collector CO, the potential of the base connected to this through the MOS transistor will never become higher than the potential of the collector CO. Therefore, the saturation of the bipolar transistor is reduced. can be prevented. This embodiment can be used not only in FIG. 12. FIG. 53 shows a specific embodiment in which each of the embodiments described above is applied to a DRAM. In the figure, MA is a memory cell array, and memory cell MC
are arranged two-dimensionally. PC is a data line precharge circuit, and SA is a sense amplifier that amplifies the minute signal output from the memory cell to the data line, and is composed of both P and N channel MOS transistors. AB is an address buffer circuit that converts address input Ain into an internal signal, X-Dec & Drive, Y-Dec & D
riv are an X decoder driver and a Y decoder driver, respectively. DP is a data line precharge voltage generation circuit during memory operation standby, SAD is a sense amplifier SA drive circuit, and WC is a data input signal Di.
A write control circuit writes n into the memory cell according to the instruction of the write signal WE.The peripheral circuit is a circuit that generates pulse signals necessary for the operation of each circuit in response to the external input CE.MA amplifies the read signal on the I10 line. This is a main amplifier that performs the following operations, and the embodiment shown in FIG. 19 is applied here. 3 outputs a signal corresponding to fluctuations in manufacturing conditions, usage conditions, etc. to 5, thereby controlling the operation of each circuit and stabilizing the characteristics. Each circuit is constructed of circuits as shown in FIGS. 7 to 20 so that it can be controlled by the output 5 of 3. The operation of this circuit is that when GE is input, memory operation is started, Ain is amplified by AB,
Supply a signal to Y-Dec. X depending on that signal
- One word line W by D ec & D riv
When is selected, the information charge stored in C8 in the memory cell is output to the data line. As a result, a small signal appears on the data line and is amplified by SA* Y -Dec
The data line signal selected by &Drive is Il.
o, Ilo. This signal is amplified by the MA and output to the outside as Dout. In the write operation, a signal is written into the memory cell via the WC through a path opposite to the above. With the above configuration, control for various purposes is possible. First, there is a control method that maintains the operating speed or reliability characteristics of the entire circuit constant, but as already explained in some embodiments, the control circuit 3 is used to Then, a signal matching each circuit to be controlled may be outputted to 5 to control each circuit. Next, a method of controlling each individual circuit according to its purpose may be considered. In particular, in DRAM, a part of the memory cell array is constructed using the smallest elements, so the element withstand voltage is lower than other parts, which tends to cause problems with lower reliability. , and other circuits may be controlled with the aim of stabilizing the operating speed. The method for keeping the operating speed constant may be according to some of the embodiments already described. There are several possible ways to control part of the memory cell array. First, there is a method of keeping the electric field of the insulating film thickness of the CS in the memory cell constant. In order to increase the information charge Qs and operate stably, the larger the CS, the better.In order to achieve a large Cs with a smaller area, the thickness of the insulating film as the dielectric material, toxs, should be set to the highest value in the semiconductor chip. This is because C8 is generally made thinner and has the lowest dielectric strength voltage within the chip. In order to keep this electric field E oxs constant and compensate for reliability, the output voltages of SAD, DP, VC, etc. are controlled according to the variations in the insulating film, and C
What is necessary is to control the voltage v8 written to a. At this time, the information charge amount Qs is expressed as follows. QS=C8IlvS oxs = s oxs 'Aoxa 0 Eoxg where εO
XS is the dielectric constant, and AOXS is the area of C3. Therefore, if Eoxs is kept constant, Qs is also kept constant, which improves reliability and stabilizes operation. Furthermore, as the temperature rises, the leakage current of the diffusion layer in the MC increases, so it is necessary to increase the minimum amount of information charge required for stable operation. Therefore, there is also a control method that increases Qs, that is, E oxs, to further improve reliability as the temperature increases. In this case, since g- of the MOS transistor decreases as the temperature rises, the peak value of the data line charging/discharging current can be controlled without increasing so much. Next, there is a control method that focuses on MOS transistors of memory cells. This is because this MOS transistor is the smallest in the chip, and its dielectric breakdown voltage and hot carrier breakdown voltage are often lower than those of other transistors. The various breakdown voltages of MOS transistors are determined by the short gate length and the gate insulating film thickness.
It decreases as x becomes thinner. Therefore, Lt is short,
As Tox becomes thinner, it is preferable to reduce the voltage applied to the word line, data line, etc. The applied voltage can be controlled in the same manner as described above. Furthermore, as mentioned earlier, as the temperature decreases, the hot carrier breakdown voltage also decreases. Therefore, when the temperature drops, the word voltage, data line voltage, etc. may be lowered. Thereby, stable and highly reliable characteristics can be obtained. It is also possible to combine the control method described here with the control method focusing on Cs described above. According to the embodiments described above, the operation of the DRAM can be controlled according to various purposes. Note that, as mentioned above, in order to promote higher integration in DRAM, it is necessary to use minute elements. Currently, the power supply voltage V
Although 5V is used as cc, it is expected that it will be difficult to directly apply 5V to miniaturized elements due to the drop in withstand voltage of the elements as the integration increases to 4M and 16M bits in the future. . However, lowering Vcc below 5V is undesirable because it puts a burden on the user in terms of compatibility with conventional DRAMs. Various types of control can be performed after generating a low voltage and protecting microscopic elements. FIG. 54 shows an embodiment of a control circuit including the power supply circuit as described above. In FIG. 54, 511' is an address buffer decoder. A control line for supplying a voltage Vw' lower than Vcc to peripheral circuits such as a clock driver, 5I2 a control line for supplying a voltage VCH higher than Vs' to a word driver, and 5I3H and 5I3L a sense amplifier SA. This is a control line for controlling the drive circuits SAD and SAD. Although omitted here, it goes without saying that the control circuit 3 in FIG. 54 includes other necessary control circuits. FIG. 54 shows a constant voltage generation circuit F for generating a stable reference voltage suitable for the knee-singing test. Bipolar transistor Qxxxt comparator GD, feedback circuit H1, and reference voltage V! Based on VCC, address buffers, decoders, clock drivers, etc.
' Comparator O and MOS transistor M141. Furthermore, there is a high voltage generation circuit HOP for operation to supply a voltage Vcu higher than V r ' to the word driver, etc., a high voltage generation circuit for standby period, and a drive for controlling the data line voltage Vo and data line charging current. It consists of circuits DRV and DRV'. According to this configuration, V
r' is V! Equal to. Also, since vcH and Vo are also determined based on V I ',
All internal voltages in DRAM are set to V! It can be controlled by Therefore, according to the above-mentioned embodiment, both the memory cell array and the peripheral circuits are not subject to characteristic changes due to temperature and Vcc fluctuations, and the DRAM has very stable operation.
can be realized. In addition, needless to say, kneeing chest can be effectively performed. Incidentally, when the embodiments shown in FIGS. 37 and 45 are used in the constant voltage circuit F shown in FIG. 54, it is also possible to reduce the power consumption in the following manner. That is, in the constant voltage circuit F shown in FIGS. 37 and 45, the output voltage V! z is the resistance ratio "t" as shown in equation (15).
'It's decided. Further, the aging voltage characteristic is also determined by the resistance ratio as shown in equation (20). Therefore, the characteristics do not change depending on the absolute value of the resistance and are less affected by manufacturing variations. Therefore, by uniformly multiplying the absolute value of the resistance by seven times (2>0), only the current can be set to a desired value while the resistance ratio remains unchanged. In some cases, reducing the current value may make it more susceptible to the effects of noise from other circuits on the same semiconductor substrate, but in that case, the semiconductor device including this reference voltage generation circuit F may be in an operating state. At certain times, the current flowing through the reference voltage generation circuit F may be increased to prevent voltage fluctuations caused by noise, and when in a standby state, the current may be reduced to reduce power consumption. FIGS. 55 and 56 show specific examples for this purpose. In FIG. 55, a PMO is connected between the positive power supply terminal of the reference voltage generation circuit F and the external power supply Vcc.
An S transistor is provided. In addition, in FIG. 56, n is connected between the ground terminal of the reference voltage generation circuit F and the ground power supply.
A MOS transistor is provided. According to these embodiments, the current value of the reference voltage generation circuit F can be easily controlled by changing the gate voltage of the pMOS transistor TM200 or the nMOS transistor 10. For example, in the embodiment of FIG. When the potential of the gate terminal 200 is lowered, the resistance value of the pMOS transistor M2O0 is lowered, and the current flowing through the reference voltage generation circuit F is increased. Furthermore, when the potential of the gate terminal 200 is increased, the resistance value of the pMOS transistor M2O0 increases, and the current flowing through the reference voltage generation circuit F decreases. Therefore, according to the embodiment of FIG. 55, when the semiconductor device including the reference voltage generating circuit F is in an operating state, the potential of the terminal 200 is lowered. By raising the potential of the terminal 200 when in standby mode, it is possible to prevent the voltage value from fluctuating due to noise during operation, and to reduce power consumption by reducing current during standby mode. In the embodiment shown in FIG. 56, the same effect can be obtained by increasing the potential of the terminal 210 when the semiconductor device is in operation and lowering the potential of the terminal 210 during standby. Since the embodiment shown in FIG. 56 uses an nMOS transistor, it is possible to use a transistor with a gate +lJ smaller than that of the pMOS transistor in the embodiment shown in FIG. 55, and the area occupied by the circuit can be reduced. Note that when a MOS transistor is inserted between the power supply and the reference voltage generation circuit F as shown in FIGS. 55 and 56, the net voltage applied to the reference voltage generation circuit due to the resistance between the source and drain of the MOS transistor decreases. However, the output voltage V of the circuit shown in FIG. 37 or 45
Since r 1 does not depend on the power supply voltage and maintains a substantially constant value as shown in equation (15), the current can be controlled without changing the voltage characteristics. Drive circuits for address buffers, decoders, clock drivers, etc. that operate using the control line 5I' in FIG. 54 as a power source are those in which Vcc is set to Vt' in the embodiments shown in FIGS. You can use
Also, if necessary, change V C0NT in Figures 7 and 8 to V
Note that in Figures 7 to 17, logic circuits such as NAND circuits used in decoders are omitted, but for example, in Figure 11, the DRIV part may be
This can be easily realized by replacing it with D. by the way,
It is possible to increase the speed by using a BiCMO8 circuit where the load capacity is large, but in that case, if the withstand voltage of the bipolar transistor QN8 is sufficient as shown in Figures 8 and 12, the collector can be left at Vcc. You can also use it as At that time, since the collector current is supplied from Vcc, most of the charging current flows from Vcc and vI'
Only the base current needs to be supplied.If the collector potential is within the range where the bipolar transistor is not saturated, it will not affect the circuit characteristics much, so doing this will keep the circuit characteristics stable.■! '' supply current can be reduced. This makes it possible to keep V r ' even more stable. Furthermore, the first stage of the address buffer to which external input signals are directly applied can be has a large through current and if the power supply for this part is set to V I ', the current at V t ' will increase and it may be difficult to keep V r ' stable. In that case, only the first stage should be connected to Vcc. Next, an embodiment for controlling charging and discharging of data lines will be described in FIG.
pMO8 and nMO8, depending on the read information of
Charging and discharging is performed using a well-known sense amplifier formed of S. At this time, the amount of charge Qc stored in the capacitor of the memory cell is the product of the data line voltage VDL and the capacitance CS of the capacitor. In DRAM, it is desirable to keep the Qc stable from the viewpoint of reliability. Therefore, if data line voltage VDL can be made independent of external power supply voltage Vcc and temperature, stable and reliable operation can be ensured regardless of external conditions. At the same time, power consumption can be reduced by setting VDL to a value lower than Vcc within a range that does not adversely affect operation. Furthermore, in the latest megabit DRAM, for example, 1024 pairs of data lines must be simultaneously charged at high speed. Since the total capacitance of this data line reaches 500 to 1000 pF, transient current becomes a problem, so reducing the transient current is also desirable. It is desirable to do this symmetrically. In this embodiment, the data line voltage VCL is controlled by the voltage conversion circuit described above to be equal to V r ', eliminating the dependence of VDL on external power supply voltage and temperature, and at the same time
The present embodiment will be described below, which is intended to lower the transient current and noise by lowering the power consumption and controlling the speed of charging and discharging the data line. The charging of the data line is the common line am of the flip-flop which is a sense amplifier formed including pMO5.
This embodiment is characterized in that the drive circuit is composed of a current mirror circuit and a comparator. The current mirror circuit is controlled by a type of inverter consisting of transistors Qx and Qz.When eQz is on and Ql is off, Qs, a constant current source (i/n), and an output drive transistor Qo
A current mirror circuit is formed between Qz and Ql, and when Qz is off and Ql is on, Qo is off. The current inlet of the current source in the mirror circuit is i/n, and the gate width of MO8T is w.
/n, and if the gate width of Qo is W, then the on-current of Qn is a constant current i. Even if W or the gate length or the threshold voltage of the transistor changes due to variations in the manufacturing process, if i/n is kept constant, the driving constant current of Qo will be approximately constant. Here the constant current source is i/n. The reason for setting w/n is to reduce current consumption and occupy a small area, and the larger n is, the better. The comparator outputs the output voltage V! of the voltage conversion circuit. ’ (for example, 4
V) and the output voltage vO. When Vt'>Vo, the output of the comparator becomes a high voltage, and the effective V
When t'<Vo, the voltage is low. The operation will be explained based on the above preparation. In a normal DRAM, the data pair lines are set to approximately half the value of VDL during the precharge period, which is a so-called half precharge method. Precharge to. In this state, when a pulse is applied to the selected word line, a minute differential read signal appears on each data pair line. This situation is shown at Dot D in Figure 58.
o Symmetrically shown representatively. After that, nMO8T and p
The sense amplifier is formed of MO3T, and the low voltage side is Ov.
The high voltage side is charged to V r '. Discharge is performed by MOS transistor Tsz. Here, acQ, only charging of which will be described below, is driven by applying an input pulse φ. When the input pulse φ turns on (high voltage is input), the output voltage of the control circuit AND becomes a high voltage, and the gate voltage Vo of Qo becomes the output voltage Vs of the constant current source. The QD drives the load with a constant current i. As a result, the load voltage Vo increases from VI'/2 at a constant speed, but when it exceeds Vt', the comparator is activated and the control circuit AND
The output of becomes a low voltage, Ql is turned on, Qx is turned off, and Q
n is turned off and Vo is clamped to approximately Vr', thereby charging one data line of each data pair from Vw'/2 to approximately Vr'. Regarding discharge, when φ is applied, nMO3TMa and TN
Since z forms a current mirror, the speed can be controlled in the same way as charging. According to the embodiment described above, the data line voltage Vat is set to V
! 'The data line voltage VDL. It is possible to eliminate the dependence on the external power supply voltage Vcc within a desired range by making the temperature dependence of the voltage zero. Furthermore, since the data line can be charged with a substantially constant current, the data line can be charged at high speed without increasing transient current. Further, by keeping io constant, even if there are fluctuations in the power supply voltage or manufacturing variations, the influence thereof can be minimized. Furthermore, since the data line voltage can be kept low, power consumption is also reduced. Furthermore, since data line charging and discharging speeds can be made the same, noise can be reduced. Next, an embodiment of a word line drive circuit will be described. D
In a RAM, the word line voltage is approximately 2V higher than the data line voltage. For example, set the data line voltage to 4
v, the word line voltage needs to be approximately 6v,
For example, the circuit shown in FIG. 59 can be used as a circuit for driving the word line with Vn boosted to a value higher than Vcc, which requires means for boosting the voltage of the word line to a Vcc value of 5 V or higher. The VH generation circuit will be described later. First, the operation of the circuit shown in FIG. 59 will be explained using the voltage waveform diagram shown in FIG. 60. When C becomes a high potential while E is at a high potential, the potential of F becomes V^-V T t through nMOS11.
The potential of All becomes 0, and then when E becomes a low potential, 12
(pMO8) is turned on and the potential of F becomes Vu. Kono result 13 (pMO5) is off. 14 (nMOS) is on, bipolar transistor 15
is off, 16 (nMOS) is on, and the output W is Ov
become. Note that when F rises to the high potential VH, the potentials of A and C are V^, so 11 is off, so current does not flow from F to C and the potential of F does not drop.On the other hand, E
When C becomes a low potential while is at a high potential, 11 turns on and F
also has the same low potential as C. As a result, 13 turns on and 14
16 is turned off, the node G becomes Vo, and the output is rapidly charged to a high potential. The high potential of this output is V o −V
It is ag. In this circuit, as shown by the 60th wavy line, the period from when C becomes a high potential V^ until when E becomes a low potential is tcI! If is long, the high potential of F is V^-V t
Since it remains at 1111 for a while, a through current flows at 13° and 14, and there may be a period in which D remains at an insufficiently low potential. Therefore, it is desirable to shorten the tcE time. To do this, it is sufficient to switch E to a low potential at the same time that C becomes a high potential, thereby solving the above problem. According to this circuit, since a bipolar transistor is used for the output, the word line can be charged to V HV - V BH at high speed. In addition, in FIG. G may be directly output without using the bipolar transistor 15. At this time, the output voltage rises to VH, so it is only necessary to generate VH equal to the desired word voltage. Therefore, the design of the power supply G is easier than when using a bipolar type. Furthermore, since it is composed of MOS transistors, it has the advantage that the manufacturing process is simple. In addition, the fifth
Even in the circuit shown in FIG. 9, it is possible to control the operating speed by inserting a MOS transistor between the circuit and the power supply as shown in FIG. 13. FIG. 61 shows an embodiment of a circuit for obtaining a high voltage equal to or higher than Vcc based on voltage V r ', and FIG. 62 shows its operating waveform. The operation of the circuit shown in FIG. 61 will be explained below using FIG. 62. The circuit shown in FIG. 61 is a circuit that boosts the VCH terminal in synchronization with the RAS signal in a DRAM. When the RAS signal goes low and the DRAM enters the operating state, as shown in FIG. 23, φtps goes low, φZP8 goes high, and φIs and φ18^ go high. As a result, Gl, which has been precharged to the same potential as Vcc. G2. G3. Of G4 (7), G1 and G2 are boosted by MO8 capacitors MCzxx and MCxxx, and as a result, G1 is boosted through the MOS transistor Mztst Mzz^.
From G4. A current flows through G3, and G3. The potential of G4 increases. At this time, since G2 is boosted above Vcc, G3. The potential of G4 is MOS) - transistor Mzxe
The zeroth order φis and φ1s^, which can be boosted without being limited by the threshold voltage of tMzz^, fall to a low level, and φZS and φ8s transition to a high level. As a result, G1. G2 transitions to low level and G3. G4 is boosted. At this time, when φas becomes high level, the potential of G2 becomes Ov because the MOS transistor MxzB is turned on, and the MOS transistor Mxz^ is surely turned off. Therefore, the potential of 02 does not rise due to a timing shift of φ2s or a coupling nozzle, etc. Therefore, from 03, current flows through the MOS transistor M2zc and 5I2 is boosted. At this time, since 6 diodes are connected in series between the gate of MOS transistor G4 and 5', the potential of G4 is VCL+
Clamped at 6VBE. As a result, the voltage of VH increases the threshold voltage of the MOS transistor Mxx to vT2! c and shite vX'+6VB+! -V
1, e.g. V! clamped to txzc. ' 4v
, VBE 0, 8 V, VT22C 0.8 V
Then, it becomes 8■. Six diodes were used here, but by changing this number, V! ' Since VH can be prevented from exceeding a certain voltage, for example, if a word driver is connected to VH, the word line voltage can be controlled to a desired value. When becomes high level, φ2g and φ8s are returned to low level, φIPS is set to high level, and φ2PS is set to low level. As a result, MO8
The potential of G5 is boosted by capacitor MC22o, and pMO
MOS transistor M through S transistor Mzzt
The gate voltages of zzsv M2xs, Mzx7°Mxxm are boosted above Vcc, and Gl, G2°G3 . The potential of G4 becomes Vca and returns to the initial state. Note that here, the MOS transistor Mzzs is for protecting Mxz+ by preventing high voltage from being applied to the drain of M224. Note that when diodes are used in series, VBH has temperature dependence, so VH has temperature dependence. To solve this problem, the amplitude of φ18 to φ8s may be set to Vt' instead of Vcc, and the clamp circuit may be omitted. At this time, in order to set the voltage of 5I2 to the desired value, a circuit such as the one shown in Fig. 63 may be used. A voltage of est is output. Furthermore, VRI! F is V
z' may be used or a bipolar transistor Qts
VaI of st! A voltage having temperature dependence that cancels the temperature dependence of may be applied. As explained above, according to this embodiment, a voltage higher than Vcc can be obtained at 5I2. In this embodiment, current is supplied from VH to boost Vo during DRAM operation in synchronization with the RAS signal. Low power consumption operation is possible without consuming power by boosting the voltage when it is not necessary. However, depending on the usage conditions of the DRAM, the periodic state may continue for a long time, and the potential of VH may drop due to some kind of leakage. In that case, it is sufficient to separately provide a circuit to compensate for the leakage during the timing. For this purpose, in the embodiments shown in Figs. 61 to 63, the capacitance and transistor size are reduced to reduce the current drive capability. A separate device may be provided and operated independently of the RAS, or a circuit as shown in FIG. 64 may be used. Below, the 64th
The operation of the circuit shown in the figure will be explained using FIG. 65. When φ is set to a low level, the MOS transistors TMzto, TM
zat. Gztot Gzat, Vn by TMz4a
When the 0th order φθ precharged near ca is raised to a high level, the outputs of the inverter Iz+x and the inverter 242 become high and low levels, respectively. Therefore, Gzao is V
When the voltage is boosted to more than cc, current flows to Gzao, and the potential of at4° rises, and the zero-order φθ is set to a low level, the outputs of inverters Is4t and Izaz are each at a low level. The potential of Vn rises by periodically rising and falling φθ such that it becomes high level and Gzaz is further boosted, and a current flows to VH. As VCH rises, the diode QDzao=QDz+
G2ae* Vozae chisel position is also VaH- by s
6VBE(7) maintains the relationship and increases. When the threshold voltage of MOS transistor TMzae is -VTZ46, when VH becomes Vl' -VT248+ 6 Vaa or more, Vozae becomes Vl' Vt5e and TMZ
48 is off. The potential of D247 is set to O by the MOS transistor TM Hough.
It becomes v. As a result, the output θ5 of the NAND circuit NA240
The voltage is fixed at a high level and the boost operation is stopped. After that, the potential of Vo decreases due to the current IH flowing out from the control line 5I2, and V ■'V T248 + 6 V B!
When the voltage is below, Mz number 6 is turned on again and the VH boosting operation starts. As described above, according to this circuit, the potential of VH can be maintained at Vl' - Vtzae + 6 VBH, which is higher than Vcc, while Vx' is 4 V and Vtzae is 0.
5V, VBIl! If O, SV, Vu is 8.3
v. As described above, according to this embodiment, by combining the charge pump circuit and the level shift circuit described above, the output voltage VH can be maintained at a constant voltage higher than Vcc. Incidentally, it goes without saying that the number of diodes QD zao" QD zas for clamping may be increased or decreased depending on the case. Also, depending on the case, the current flowing through QDx6-QDwas from vcH If is too large, QDz
aa is a bipolar transistor, collector is Vcc
By connecting the base to the output of QD244, 1/h
The above current can be reduced to rp. The number of diodes may be determined so that the difference between the voltages V)I and vX' becomes a desired value.
6M0 where M can be replaced with other elements such as resistors
When using an S transistor, by making the gate length L5 larger than the gate width W, a high resistance value can be easily obtained with a relatively small occupied area. Furthermore, here, a pn junction diode is assumed as the diode. A pn junction diode can be easily realized, for example, by connecting the base and collector of a bipolar transistor. Therefore, it can be formed at the same time as a bipolar transistor, and the manufacturing process can be simplified. At this time,
If the resistor is also realized using the base layer of a bipolar transistor, the process can be further simplified. Since the forward voltage VBB of a pn junction diode is normally about 0.8V, in the embodiment shown in FIG. 1, the voltages Vo and v! The difference between Vo and Vr' can only be taken in units of 0.8V, but in some cases the difference between Vo and Vr' can be taken as 0.8V.
There may be cases where it is necessary to set the value to a value other than n times (n=1.2...). In that case, if a Schottky diode with a forward voltage VF of about 0.4V is used, Vn= VT' Vtzas+ i VF, and 0
.. The value of VH can be set in units of 4v. Also, the 67th
Of course, it is also possible to use an nM OS diode as shown in the figure; in this case, nM OS T
Assuming the threshold voltage of M^ to Vτ^, Vo= Vr'
-VT24B+ i VTMA, so VTMA
The potential difference can be made variable in units of . Note that it is also possible to create an arbitrary potential difference by using a circuit as shown in FIG. 4 instead of the diode. 4th [i! ! At 1, the potential difference between the terminals 3A and 3B can be expressed as follows. Therefore, the potential difference can be continuously changed by changing the ratio of R^ and RB. Although various other modifications are possible, the embodiment shown in FIG.
In this embodiment, the level shift circuit shown in FIG. 1 is constructed using only an OS, the clamp diode is
MOS diode and bipolar transistor 1
.. In this example, where the resistances R are replaced with nMOS Mlll and Msz, respectively, the relationship between Vo and Vl' is as follows, where the threshold voltage of THIII is V6O13 and the threshold voltage of the MOS diode is Vto, VH = Vt' - Vrzas+ VTM51+
n VTll, and the potential difference can be set using the threshold voltage vT111 as a unit. In this embodiment, n M
The current flowing through the OS diodes MD51 to MD5i is n MOS The bias current I flowing through OS Mas
Since it is composed of only N, there is no need to make the current supply capacity of 5I2 larger than necessary.Furthermore, in this embodiment, there is no need to use bipolar transistors, and since it is composed of only MOS transistors, it is possible to create an LSI composed of only MOS transistors. It is suitable for application to. MOS transistor M31. MIss gate voltage, gate length,
The gate width may be determined so that the currents IR and IN have desired values. For example, set the value of IR to 10 for IL.
If it is set to double, the fluctuation in the drain current of the MOS transistor Mat can be suppressed to about 10%, and VL can be kept almost constant. In the above embodiment, if the temperature characteristics of the clamp circuit are a problem, the temperature dependence of the clamp can be compensated for by making the source voltage of the MOS transistor TMzae have temperature dependence. The present invention is effective when applied not only to DRAM but also to SRAM as described above. FIG. 70 shows an example of an SRAM memory cell configured using an nMOS transistor and a resistor. For example, if a voltage VC70 is supplied from the voltage conversion circuit of the present invention, the temperature dependence of the memory cell characteristics and the dependence on the external power supply voltage. Since this technology eliminates the error, it is possible to achieve extremely stable memory operation, such as improved resistance to soft errors. At this time, since the current supplied from VC70, that is, the holding current of the memory cell, is a very small and almost constant DC current, it becomes easy to keep the voltage VC70 constant and accurate. Furthermore, if the voltages of the data 1iDL and DL, that is, the write voltage or the voltage of the word line W are stably controlled, reliability can be further improved. For this purpose, the above voltage V! obtained by the present invention! If the write voltage is determined based on , temperature dependence and external voltage dependence can be eliminated, and reliability can be further improved. Stable and highly reliable operation can be realized by controlling the drive circuit and differential amplifier used in the peripheral circuits of the SRAM in the manner described above. Furthermore, the present invention is applicable to logic LSIs other than memories. Further, in FIG. 53, the control circuit detects the characteristics of the peripheral circuit at 6, but this detection can be performed at various locations depending on the purpose. For example, the time from when a word line is applied to when a sense amplifier minute signal is amplified is detected, and based on the results, the SA drive voltage and drive current are changed to control the operating characteristics of a part of the array. There are also various methods of control. In addition, although the main components have been explained using MOS transistors and bipolar transistors as examples, other G
The principles of the present invention can be applied as is to devices constructed using compound semiconductor elements such as a and s. In addition, although we have mainly focused on the element constants of MOS transistors as factors for variation in characteristics, it goes without saying that variations in current amplification factor, cutoff frequency, forward voltage, etc. of bipolar transistors can also be dealt with in the same way. Furthermore, although each embodiment has been described with the main objective being to keep various characteristics constant, if the present invention is used, variations due to manufacturing conditions such as gate length and threshold voltage, power supply voltage,
If fluctuations in usage conditions such as speed increase the semiconductor device to a higher speed, it may be controlled to make the semiconductor device even faster, or vice versa. If the speed changes so that the speed changes, the speed can be controlled to be even slower. Note that although the embodiments described so far have been mainly described with respect to the TTL interface, it is of course applicable to other cases such as ECL as well. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a stable and highly reliable semiconductor device can be realized even if there are variations in manufacturing conditions, usage conditions, etc. At the same time, since a high yield of good products can be maintained during mass production, the semiconductor device can be manufactured at a lower cost than conventional semiconductor devices.
第1図〜第6図は本発明の基本概念を示す実施例を示す
図、第7図〜第52図は本発明の具体的実施例を示す図
、第53図〜第69図および第70図は本発明をDRA
MおよびSRAMへ適用した実施例を示す図。
1・・・チップ、2・・・内部回路、3・・・制御回路
、5・・・制御線。
(7’−)長)
4−X上目外
S制岬珠
6腋畑簾
爾
図
(A)
(巳)
(丁゛−トタ5)
L
(巾肴喜1)
第
遁
図
(A)
X
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園
第
図
拓
図
纂
■
第
図
χ
図
茅
3乙
図
雨 37図
え51〜253を
五
ノIILI
菫
4θ
第
図
遁
図
第
図
晃
図
一す
バイホ?クトランジXノ
ベース文鮨デ
ひ左動JWf器
ケ”−ト文昂子
ψR〜
31〜 J3HL
□尤
、SW スイッチ
ψ パルス
CS−量
罰
Sl
図
第
■
耳口U3路梱
断面図
図
図
L−一 ++ + −」¥]
51図
第58
≠、17
図
開
図
藁
図
第
図
HθP1−カ作日j−甲jh電万E
全生回路
第
図
#羊
NET
%
図
図
NET 祷嬰?畠り竺圧
1 t’r ;’、 、″)
L−=−+++ −一−−−J
用
〕647 昏]
〜L
L しべ2ンシフト回yを
i 赴42彊Q
qa 707.フイ杏う
q 1凧 g為抗Figures 1 to 6 are diagrams showing embodiments illustrating the basic concept of the present invention, Figures 7 to 52 are diagrams depicting specific embodiments of the invention, Figures 53 to 69, and Figures 70. The figure shows the invention
FIG. 3 is a diagram showing an example applied to M and SRAM. 1... Chip, 2... Internal circuit, 3... Control circuit, 5... Control line. (7'-long) 4-X Upper eye outside S system cape beads 6 axillary field curtain (A) (snake) (cho-tota 5) L (width side 1) 1st release drawing (A) X /Roen 1st drawing Takuzu 2■ Fig. χ Fig. 3 Otsu zu Ame 37 Fig. 51-253 5 no IILI Sumire 4θ 4th fig. Transmission +++−”¥】
Figure 51 Figure 58 ≠, 17 Figure 58 ≠, 17 Diagram HθP1 - Date of creation j - Ko jh Denman E Complete circuit diagram #Sheep NET % Diagram NET Sage? Field pressure 1 t'r ;', ,'') L-=-+++ -1---J]647 ko] ~L Uq 1 kite g Tamehan
Claims (1)
らなる半導体装置において、該半導体装置はその製造条
件あるいは使用条件の変動に応じて変化する信号発生手
段あるいは制御された内部電源電圧手段を有する制御回
路を備え、該半導体素子あるいは回路の少なくとも一部
がその動作を該信号もしくは電圧によつて制御されるこ
とを特徴とする半導体装置。 2、上記特許請求の範囲第1項に記載の半導体装置にお
いて、上記制御回路は、上記内部回路の特性変化を検出
する手段を備え、上記特性変化に応じて制御を行なうこ
とを特徴とする半導体装置。 3、上記特許請求の範囲第1項に記載の半導体装置にお
いて、上記内部回路と同様の特性変化を示すモニタ回路
を設け、該モニタ回路の特性変動を検出して上記制御を
行なうことを特徴とする半導体装置。 4、上記特許請求の範囲第2項記載の半導体装置におい
て、上記制御回路は、上記内部回路の発生する複数の信
号のタイミングの変化を検出して、上記タイミングの変
化に応じて制御を行なうことを特徴とする半導体装置。 5、上記特許請求の範囲第3項記載の半導体装置におい
て、上記制御回路は、上記モニタ回路の発生する複数の
信号のタイミングの変化を検出して、上記タイミングの
変化に応じて内部回路の制御を行なうことを特徴とする
半導体装置。 6、上記特許請求の範囲第1項記載の半導体装置におい
て、上記制御回路は、上記内部回路に含まれる駆動回路
動作速度を制御することを特徴とする半導体装置。 7、上記特許請求の範囲第6項記載の半導体装置におい
て、上記制御をカレントミラー回路で行なうことを特徴
とする半導体装置。 8、上記特許請求の範囲第6項記載の半導体装置におい
て、上記制御は、駆動回路と電源の間にそう入してMO
Sトランジスタのゲート電圧を制御することにより行な
うことを特徴とした半導体装置。 9、上記特許請求の範囲第1項記載の半導体装置におい
て、上記制御回路は、上記内部回路に含まれる差動アン
プを制御することを特徴とした半導体装置。 10、上記特許請求の範囲第9項記載の半導体装置にお
いて、上記差動アンプは、負荷抵抗と電流の積、すなわ
ち出力振巾が常に一定となるように制御したことを特徴
とした半導体装置。 11、複数の半導体素子から構成される複数の内部回路
からなる半導体装置において、該半導体装置はその製造
条件あるいは使用条件の変動に応じて変化する信号発生
手段あるいは制御された内部電源電圧手段を有する制御
回路を備え、該半導体素子あるいは回路の少なくとも一
部がその動作を該信号もしくは電圧によつて制御される
ことを特徴とする半導体装置において、上記電源電圧の
うち少なくとも一部は、半導体装置内部に設けた電圧変
換回路により電源電圧および温度による変動を補償され
、少なくとも上記内部回路の一部は、上記電圧変換回路
の出力電圧を電源として動作することを特徴とした半導
体装置。 12、上記特許請求の範囲第11項記載の半導体装置に
おいて、上記内部回路は、駆動回路を含み、上記制御は
上記変動を補償された電源と駆動回路の間にそう入した
MOSトランジスタのゲートを制御することにより行な
うことを特徴とした半導体装置。 13、基準電圧発生回路と該基準電圧発生回路の出力電
圧を増巾する電圧増巾器より成る電圧変換回路を含み、
該電圧変換回路の出力電圧の温度および外部電源電圧に
よる変動を補償する手段を備え該出力電圧も少なくとも
一部の回路の電源電圧に用いたことを特徴とする半導体
装置。 14、上記特許請求の範囲第13項記載の半導体装置に
おいて、上記電圧変換回路の出力電圧は、外部電源電圧
が所望の範囲では外部電源電圧の変動によらず一定で、
外部電圧が所望の範囲を超えると外部電圧に伴ない変化
する手段を備えたことを特徴とする半導体装置。 15、特許請求の範囲第13項記載の半導体装置におい
て、上記電圧変換回路はバイポーラトランジスタを含ん
で構成したことを特徴とする半導体装置。 16、ダイナミックメモリを構成する回路群と、該回路
群の動作の基準となる電圧を発生する制御回路を含み、
上記基準となる電圧の温度による変動および外部電源電
圧による変動を補償する手段を備えたことを特徴とする
半導体装置。 17、上記特許請求の範囲第16項記載の半導体装置に
おいて、上記ダイナミックメモリは、情報を蓄積するメ
モリセルの蓄積電圧を、上記基準となる電圧により制御
することを特徴とする半導体装置。 18、上記特許請求の範囲第13項記載の半導体装置に
おいて、スタティックメモリを構成する回路群と、該回
路群の動作の基準となる電圧を発生する制御回路を含み
、上記基準となる電圧の温度による変動および外部電源
電圧による変動を補償する手段を備え、上記スタティッ
クメモリのメモリセル保持電流を供給する電圧を上記基
準となる電圧をもとに制御したことを特徴とする半導体
装置。 19、上記特許請求の範囲第14項記載の半導体装置に
おいて上記所望の範囲が温度により変動することを補償
する手段を備えたことを特徴とする半導体装置。 20、半導体チップと、該半導体チップ上に設けられ、
外部からの電源電圧を受ける電源端子と、半導体チップ
上に設けられた内部回路と、 半導体チップ上に設けられ、上記電源端子から受けた外
部電源電圧を変換して、上記内部回路に該変換した電源
を供給する電源供給回路と、半導体チップ上に設けられ
、上記電源供給回路を制御する制御回路とを有し、 上記制御回路は、外部電源電圧検知手段及び、又は温度
検知手段を有し、該外部電源電圧検知手段および、又は
、温度検知手段からの信号に応答して、上記内部回路へ
の供給電源電圧を変化させ該内部回路の動作速度を一定
に保つように動作することを特徴とする半導体装置。[Claims] 1. In a semiconductor device consisting of a plurality of internal circuits constituted by a plurality of semiconductor elements, the semiconductor device has a signal generating means or a controlled device that changes according to fluctuations in manufacturing conditions or usage conditions. 1. A semiconductor device comprising a control circuit having an internal power supply voltage means, the operation of at least a part of the semiconductor element or circuit being controlled by the signal or voltage. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control circuit includes means for detecting a change in characteristics of the internal circuit, and performs control according to the change in characteristics. Device. 3. The semiconductor device according to claim 1 above is characterized in that a monitor circuit exhibiting a change in characteristics similar to that of the internal circuit is provided, and the control is performed by detecting a change in the characteristics of the monitor circuit. semiconductor devices. 4. In the semiconductor device according to claim 2, the control circuit detects changes in the timing of a plurality of signals generated by the internal circuit, and performs control according to the changes in the timing. A semiconductor device characterized by: 5. In the semiconductor device according to claim 3, the control circuit detects a change in the timing of a plurality of signals generated by the monitor circuit, and controls the internal circuit according to the change in timing. A semiconductor device characterized by performing the following. 6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control circuit controls the operating speed of a drive circuit included in the internal circuit. 7. A semiconductor device according to claim 6, wherein the control is performed by a current mirror circuit. 8. In the semiconductor device according to claim 6, the control is performed by an MO
A semiconductor device characterized in that the semiconductor device operates by controlling the gate voltage of an S transistor. 9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control circuit controls a differential amplifier included in the internal circuit. 10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the differential amplifier is controlled so that the product of load resistance and current, that is, the output amplitude, is always constant. 11. In a semiconductor device consisting of a plurality of internal circuits constituted by a plurality of semiconductor elements, the semiconductor device has a signal generation means or a controlled internal power supply voltage means that changes according to fluctuations in manufacturing conditions or usage conditions. In a semiconductor device comprising a control circuit, the operation of at least a part of the semiconductor element or circuit is controlled by the signal or voltage, at least a part of the power supply voltage is supplied inside the semiconductor device. A semiconductor device, wherein fluctuations due to power supply voltage and temperature are compensated by a voltage conversion circuit provided in the semiconductor device, and at least a part of the internal circuit operates using the output voltage of the voltage conversion circuit as a power source. 12. In the semiconductor device according to claim 11, the internal circuit includes a drive circuit, and the control controls the gate of a MOS transistor inserted between the power supply whose fluctuations are compensated for and the drive circuit. A semiconductor device characterized by being controlled. 13. A voltage conversion circuit comprising a reference voltage generation circuit and a voltage amplifier that amplifies the output voltage of the reference voltage generation circuit;
A semiconductor device comprising means for compensating for variations in the output voltage of the voltage conversion circuit due to temperature and external power supply voltage, and the output voltage is also used as the power supply voltage of at least some of the circuits. 14. In the semiconductor device according to claim 13, the output voltage of the voltage conversion circuit is constant regardless of fluctuations in the external power supply voltage as long as the external power supply voltage is within a desired range;
1. A semiconductor device comprising means for changing the external voltage when the external voltage exceeds a desired range. 15. The semiconductor device according to claim 13, wherein the voltage conversion circuit includes a bipolar transistor. 16. Includes a circuit group constituting a dynamic memory and a control circuit that generates a voltage that serves as a reference for the operation of the circuit group,
A semiconductor device comprising means for compensating for variations in the reference voltage due to temperature and variations due to external power supply voltage. 17. The semiconductor device according to claim 16, wherein the dynamic memory controls the storage voltage of a memory cell that stores information using the reference voltage. 18. A semiconductor device according to claim 13, which includes a circuit group constituting a static memory and a control circuit that generates a reference voltage for the operation of the circuit group, the temperature of the reference voltage being What is claimed is: 1. A semiconductor device comprising: means for compensating for fluctuations due to changes caused by external power supply voltage; 19. A semiconductor device according to claim 14, further comprising means for compensating for variations in the desired range due to temperature. 20, a semiconductor chip, provided on the semiconductor chip,
A power supply terminal that receives a power supply voltage from the outside, an internal circuit provided on the semiconductor chip, and a power supply terminal provided on the semiconductor chip that converts the external power supply voltage received from the power supply terminal and converts the external power supply voltage to the internal circuit. It has a power supply circuit that supplies power, and a control circuit that is provided on a semiconductor chip and controls the power supply circuit, and the control circuit has an external power supply voltage detection means and/or a temperature detection means, In response to a signal from the external power supply voltage detection means and/or the temperature detection means, the power supply voltage supplied to the internal circuit is changed to maintain a constant operating speed of the internal circuit. semiconductor devices.
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