JPH04355957A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH04355957A
JPH04355957A JP25745391A JP25745391A JPH04355957A JP H04355957 A JPH04355957 A JP H04355957A JP 25745391 A JP25745391 A JP 25745391A JP 25745391 A JP25745391 A JP 25745391A JP H04355957 A JPH04355957 A JP H04355957A
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npn
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洋二 西尾
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茂雄 久保木
Masahiro Iwamura
将弘 岩村
Ikuro Masuda
郁朗 増田
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体大規模集積回路に
係り、特に、MOSトランジスタ及びバイポーラトラン
ジスタから成る高速で低消費電力の論理回路に関する。
【0002】
【従来の技術】MOS回路は消費電力が小さいという特
長を有しているが、MOSトランジスタは伝達コンダク
タンスが小さいため、負荷容量が大きいとその充放電に
時間がかかり、スピードが遅くなる欠点があった。
【0003】また、バイポーラ回路は、バイポーラトラ
ンジスタの伝達コンダクタンスがMOSトランジスタに
比べて大きいので、負荷容量が大きくなってもスピード
が落ちにくいという特長を有している。しかし、大電流
を低インピーダンス回路に流し込んだり、流し出したり
するので消費電力が大きいという欠点があった。
【0004】これらの欠点を解決するものとして、MO
S回路の低消費電力特性及びバイポーラ回路の高スピー
ド特性に着目し、両デバイスを組合わせた高速で低消費
電力の複合回路がある。この複合回路は、例えば、バイ
ポーラトランジスタで出力段を構成し、MOSトランジ
スタでバイポーラトランジスタを駆動するものである。
【0005】図2に、上記の考え方を用いたトーテムポ
ール出力形2入力NAND回路を示す。
【0006】図2に於いて、20は、コレクタが電源端
子203に、エミッタが出力端子202に接続される第
1のNPNトランジスタ(以下NPNと略す)、21は
、コレクタが出力端子202に、エミッタが接地電位G
NDである固定電位端子に接続される第2のNPN、2
01は2個の入力端子、22及び23は、各ゲートがそ
れぞれ異なる入力端子201に、各ソース及び各ドレイ
ンが、第1のNPN20のコレクタとベースとの間に並
列にそれぞれ接続されるPMOS、26及び27は、各
ゲートがそれぞれ異なる入力端子201に、各ドレイン
及び各ソースが第2のNPN21のコレクタとベースと
の間に直列にそれぞれ接続されるNMOS、210及び
211は、第1及び第2のNPN20及び21のベース
とエミッタとの間に設けられる抵抗である。
【0007】図5はこの回路の論理動作を示すものであ
る。
【0008】まず入力201のどちらかが“0”レベル
の時、PMOS22,23のどちらかがオンとなり、N
MOS26,27のどちらかがオフとなる。したがって
第1のNPN20のベース電位が上昇し、第1のNPN
20はオンとなり、第2のNPN21は抵抗211を介
してベース,エミッタ間が短絡されオフとなるので第1
のNPN20のエミッタ電流は負荷を充電し出力202
は“1”レベルとなる。
【0009】入力201の両方が“0”レベルの時、P
MOS22,23の両方がオンとなり、NMOS26,
27の両方がオフとなる。したがって動作は上記と同じ
で出力202は“1”となる。
【0010】一方入力201の両方が“1”レベルの時
、PMOS22,23の両方がオフとなり、NMOS2
6,27の両方がオンとなる。したがって第1のNPN
20はベース,エミッタ間が抵抗210を介して短絡さ
れオフとなり、第2のNPN21のベース,コレクタ間
はNMOS26,27を介して短絡されるので、第2の
NPN21のベースには出力202から電流が供給され
、第2のNPN21はオンとなり、出力202は“0”
レベルとなる。抵抗210,211はNPNトランジス
タがオンになる時には、ベース電流を分流するが、NP
Nトランジスタがオフに切換った時に蓄積電荷を引き抜
く働きをする。
【0011】この回路によれば、MOSと、バイポーラ
トランジスタの最小構成で2入力NAND回路が実現で
きる。また、この回路によれば、高周波特性のすぐれた
NPNバイポーラトランジスタを使用するので、超高速
動作が可能である。
【0012】また、この回路によれば、高入力インピー
ダンス,低出力インピーダンス回路を実現でき、電源2
03から接地までに導電バスを作ることはないので低消
費電力特性を実現できる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
バイポーラトランジスタとMOSトランジスタの複合回
路では、抵抗を有しているために、半導体集積回路の作
成において抵抗用のフォトマスクが必要となる。そのた
めに、回路の製造コストが上昇するという問題があった
【0014】本発明の目的は、抵抗素子を用いないバイ
ポーラMOS複合回路を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、コレクタが電
源端子に、エミッタが出力端子に接続されるNPNバイ
ポーラトランジスタと、ゲートが入力端子に、ソース及
びドレインがそれぞれ上記NPNバイポーラトランジス
タのコレクタとベースに接続されるP型電界効果トラン
ジスタと、第1の端子が上記出力端子に、第2の端子が
固定電位端子に、第3の端子が上記入力端子に接続され
、上記NPNバイポーラトランジスタと相補動作するプ
ルダウン回路と、上記NPNバイポーラトランジスタの
ベース,エミッタ間に接続され、ゲートが上記電源端子
又は上記固定電位端子のいずれかに接続された第2の電
界効果トランジスタとを具備することを特徴とする。
【0016】また、上記第2の電界効果トランジスタは
、ゲートが上記固定電位端子に接続されたP型電界効果
トランジスタであることを特徴とする。
【0017】また、上記第2の電界効果トランジスタは
、ゲートが上記電源端子に接続されたN型電界効果トラ
ンジスタであることを特徴とする。
【0018】また、上記第2の電界効果トランジスタは
、ゲートが上記固定電位端子に接続されたP型電界効果
トランジスタとゲートが上記電源端子に接続されたN型
電界効果トランジスタであることを特徴とする。
【0019】また、上記NPNバイポーラトランジスタ
のベースにN型電界効果トランジスタを接続したことを
特徴とする。
【0020】次に、本発明はコレクタが電源端子に、エ
ミッタが出力端子に接続されるNPNバイポーラトラン
ジスタと、ゲートが入力端子に、ソース及びドレインが
それぞれ上記NPNバイポーラトランジスタのコレクタ
とベースに接続されるP型電界効果トランジスタと、第
1の端子が上記出力端子に、第2の端子が固定電位端子
に、第3の端子が上記入力端子に接続され、上記NPN
バイポーラトランジスタと相補動作するプルダウン回路
と、上記NPNバイポーラトランジスタのベース,エミ
ッタ間に接続された第2のP型電界効果トランジスタと
を具備することを特徴とするものである。
【0021】また、上記NPNバイポーラトランジスタ
のベースにN型電界効果トランジスタが接続されたこと
を特徴とする。
【0022】また、上記のプルダウン回路は、コレクタ
が上記出力端子に、エミッタが上記固定電位端子に接続
される第2のNPNバイポーラトランジスタと、ゲート
が前記入力端子に、ドレイン及びソースが上記第2のN
PNバイポーラトランジスタのコレクタとベースに接続
される第2のN型電界効果トランジスタとを具備するこ
とを特徴とする。
【0023】最後に、本発明はコレクタが電源端子に、
エミッタが出力端子に接続される第1のNPNバイポー
ラトランジスタと、ゲートが入力端子に、ソース及びド
レインがそれぞれ上記第1のNPNバイポーラトランジ
スタのコレクタとベースとに接続されるP型電界効果ト
ランジスタと、コレクタが上記出力端子に、エミッタが
固定電位端子に接続される第2のNPNバイポーラトラ
ンジスタと、ゲートが上記入力端子に、ソースとドレイ
ンが上記第2のNPNバイポートランジスタのコレクタ
とベースの間に接続される第1のN型電界効果トランジ
スタと、上記第2のNPNバイポーラトランジスタのベ
ース,エミッタ間にドレインとソースが接続され、ゲー
トが電源端子に接続される第2のN型電界効果トランジ
スタとを具備することを特徴とする。
【0024】
【作用】ゲートを固定電位端子に接続したP型電界効果
トランジスタ、又は、ゲートを電源端子(Vcc電位)
に接続したN型電界効果トランジスタは、電界効果トラ
ンジスタのオン抵抗として作用する。このため、上記の
P型又は、N型電界効果トランジスタは、抵抗素子とし
て用いることが可能となる。
【0025】
【実施例】以下、本発明を実施例によって、詳細に説明
する。
【0026】図1はトーテムボール出力形2入力NAN
D回路の例を示す。図2の抵抗210をNMOS240
とPMOS242に、抵抗211をNMOS241 に
置き換えた実施例である。
【0027】NMOS240 のゲートは電源端子20
3に、ドレイン及びソースはそれぞれNPN20のベー
スとエミッタに接続される。NMOS241  のゲー
トは電源端子203に、ドレイン及びソースはそれぞれ
NPN21のベースとエミッタに接続される。
【0028】PMOS242 のゲートは接地電位に、
ドレイン及びソースはそれぞれNPN20のエミッタと
ベースに接続される。図2と同じ部品は同じ番号で示す
。図2とほぼ同じ動作である。NMOS241 は非飽
和領域で常に動作し、抵抗211の代用をしている。P
MOS242 は入力201のどちらかが“0”レベル
の時に、出力202を電源電圧まで上げる働きをし、N
MOS240 は出力202が“0”レベルの時、NP
N20 のベース,エミッタ間を短絡し、NPN20を
オフにして、貫通電流をなくし、消費電力を減少させる
働きをする。本実施例によれば、抵抗の代わりに小さな
チャネル幅を有するMOSトランジスタを用いるので抵
抗用のフォトマスクを削減できるとともに集積度の向上
を図ることができる。
【0029】このバイポーラ、MOS複合回路を好適に
構成できるレイアウトパターンを図3に示す。図3には
簡潔のため埋込層のパターン等は省略している。アイソ
レーション243内にPMOS22,23,242,N
PN20及びNMOS26,27,240,241を構
成し、アイソレーション244内にNPN21を構成す
る。ゲート電極253,254,255,256上に図
1と対応したMOSトランジスタの番号を示す。P+ 
領域249とゲート電極253,254,255からP
MOS242,23,22が構成され、Pウェル245
内のN+ 領域250とゲート電極254,255から
NMOS26,27が構成される。また、Pウェル24
5内のN+ 領域251,252とゲート電極256か
らNMOS240,241が構成される。NPN20は
P領域247をベースとし、P領域247内のN+ 領
域248をエミッタとし、N+ 領域246をコレクタ
としている。
【0030】NPN21はアイソレーション244内に
あるP領域258をベースとし、P領域258内のN+
 領域259をエミッタとし、N+ 領域257をコレ
クタとしている。
【0031】次に各素子間の結線について説明する。N
PN20のコレクタ246とPMOS22,23のソー
スとNMOS240,241のゲート256はAL配線
42によって電源に接続される。図中×印はAL配線と
各素子とのコンタクトを示す。PMOS22,23のド
レインとNPN20のベース247とPMOS242 
のソースはAL配線260によって各々接続される。N
PN20のエミッタ248とPMOS242のドレイン
はAL配線261によって接続される。PMOS242
のドレインとNMOS26のドレインとNMOS240
 のソースはAL配線262によって接続される。NM
OS26のドレインとNPN21のコレクタ257はA
L配線263によって接続される。NMOS27のソー
スとNMOS241 のドレインとNPN21のベース
258はAL配線264によって各々接続される。NP
N21のエミッタ259とNMOS241のソースとP
MOS242のゲート253とPウェル245はAL配
線43によって接地電位に接続される。
【0032】図3に示したレイアウトパターンからAL
配線とコンタクトを除いたパターンを図4に示す。つま
り、図4のパターンに図3のAL配線とコンタクトを施
せば、2入力NAND回路になり、他のAL配線とコン
タクトを施せばインバータや2入力NOR回路を構成す
ることができる。更にフリップフロップ等を構成する場
合には図4のパターンを必要数横に並べて用いれば良い
。したがって、図4をゲートアレイの基本セルとするこ
とができる。この様に、抵抗の代わりに小さなチャネル
線を有するMOSトランジスタを用いたバイポーラMO
S複合回路を用いてLSIを得ることができる。
【0033】図1の実施例においてはNPN20のベー
ス,エミッタ間にPMOS242 を設置したが、この
PMOS242 を設けなくても実動作には問題ない。
【0034】また、図1の実施例においては、NPN2
0のベースとエミッタ間にNMOS240を配置してい
るが、このNMOS240 を省いても実動作に問題は
ない。
【0035】以上から、バイポーラMOS複合論理回路
の集積度を高めることができる。
【0036】ここで、NMOS26,27,241、お
よびバイポーラトランジスタ21からなる論理回路は、
プルダウン回路とみなすことができる。これは、この技
術分野においては容易に理解されるべきことである。
【0037】更に、本実施例によれば、下記のような効
果がある。入力201が両方“1”レベルの時、出力2
02は、“0”レベルとなるが、NMOS241 のゲ
ートが電源端子203に接続されているので、NMOS
241 は非飽和領域で動作し、出力202は、完全に
GNDレベルまで下がる。すなわち、ノイズマージンが
増す。また、次段の論理ゲートのNMOSが完全にオフ
になるので次段の論理ゲートでDC電流が流れることが
なく低消費電力化に寄与する。また、次段の論理ゲート
のPMOSのゲートにはゲート・ソース間に電源電圧分
印加されるので、次段の論理ゲートのPMOSのオン抵
抗が小さくなり、次段の論理ゲートの高速化に寄与する
【0038】また、NPN20のベース,エミッタ間が
PMOS242 だけの場合には、入力201が両方“
1”レベルの時、出力202は、“0”レベルとなって
いるが、ゲートがGND電位に落ちたPMOS242 
の働きによって、PMOS242 のソース、すなわち
、NPN20のベースはPMOS242 のスレッショ
ルド電圧分浮いている。つまり、NPN20のベース電
位は0.6V 程度になっており、ベース,エミッタ間
が0.6V 程度バイアスされていることになる。従っ
て、入力201が立ち下がり、PMOS22,23がオ
ンになり、NPN20のベース電位を上げるとき、すば
やく上がるので、NPN20が急速にオンになり、論理
ゲートの速度が向上する。また、入力201が“0”レ
ベルの時、出力202は、“1”レベルとなるが、PM
OS242 のゲートがGND電位であるので、PMO
S242 は非飽和領域で動作し、出力202は、完全
に電源電位まで上がる。すなわち、ノイズマージンが増
す。 また、次段の論理ゲートのPMOSが完全にオフになる
ので次段の論理ゲートでDC電流が流れることがなく低
消費電力化に寄与する。また、次段の論理ゲートのNM
OSのゲートにはゲート,ソース間に電源電圧分印加さ
れるので、次段の論理ゲートのNMOSのオン抵抗が小
さくなり、次段の論理ゲートの高速化に寄与する。
【0039】また、NPN20のベース,エミッタ間が
NMOS240 だけの場合には、出力202の“1”
レベルは、Vcc−VBEまでしか上がらない。Vcc
は電源電位で、VBEはNPN20のベース,エミッタ
間順電圧である。この点には留意したほうが良い場合が
あるが、入力201が両方“1”レベルの時、出力20
2は、“0”レベルとなっているが、ゲートが電源電位
になったNMOS240 の働きによって、NMOS2
40 のドレイン、すなわち、NPN20のベースは完
全にGND電位になる。従って、NPN20のベース,
エミッタ間が0Vであるので、NPN20のベースにノ
イズがのっても、誤動作しにくい。
【0040】また、図1のように、NPN20のベース
,エミッタ間にPMOS242とNMOS240の両方
がある場合には、PMOS242 の働きにより、出力
202の“1”レベルは、完全に電源電位まで上がる。 従って、上記と同様な効果がある。また、入力201が
両方“1”レベルの時、出力202は、“0”レベルと
なっているが、ゲートが電源電位になったNMOS24
0 の働きによって、PMOS242 のスレッショル
ド電圧がばらついても、NMOS240 のドレイン、
すなわち、NPN20のベースは完全にGND電位にな
る。従って、安定した動作が可能となる。
【0041】このように、抵抗の代わりにMOSを用い
ることによって、抵抗用のフォトマスクを減らしても、
抵抗の場合と同様に、出力電位を電源電位間でフル振幅
させることができる上に、上記したような効果がある。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、バイポーラトランジス
タデバイスの高駆動能力とMOSデバイスの低消費電力
特性を兼ね備えたバイポーラ・MOS複合回路を抵抗素
子を用いずに構成することができるので、製造工程が省
略されかつ製造コストが安価になる。
【0043】また、上記複合回路によって、高速・低消
費電力のLSIが実現できる。更に、ノイズによって誤
動作しにくく、安定した動作を行う回路が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すバイポーラ・MOSト
ランジスタの複合回路による2入力NAND回路図。
【図2】従来のバイポーラ・MOSトランジスタの複合
回路による2入力NAND回路図。
【図3】本発明の一実施例回路のレイアウトパターン図
【図4】本発明の一実施例を示す基本セル図。
【図5】従来の回路図の論理動作を示す図。
【符号の説明】
20,21…NPNバイポーラトランジスタ、22,2
3,242…PMOSトランジスタ、26,27,24
0,241…NMOSトランジスタ。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コレクタが電源端子に、エミッタが出力端
    子に接続されるNPNバイポーラトランジスタと、ゲー
    トが入力端子に、ソース及びドレインがそれぞれ上記N
    PNバイポーラトランジスタのコレクタとベースに接続
    されるP型電界効果トランジスタと、第1の端子が上記
    出力端子に、第2の端子が固定電位端子に、第3の端子
    が上記入力端子に接続され、上記NPNバイポーラトラ
    ンジスタと相補動作するプルダウン回路と、上記NPN
    バイポーラトランジスタのベース,エミッタ間に接続さ
    れ、ゲートが上記電源端子又は上記固定電位端子のいず
    れかに接続された第2の電界効果トランジスタとを具備
    することを特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記第2の電界効果ト
    ランジスタは、ゲートが上記固定電位端子に接続された
    P型電界効果トランジスタであることを特徴とする半導
    体集積装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、上記第2の電界効果ト
    ランジスタは、ゲートが上記電源端子に接続されたN型
    電界効果トランジスタであることを特徴とする半導体集
    積回路。
  4. 【請求項4】請求項1において、上記第2の電界効果ト
    ランジスタは、ゲートが上記固定電位端子に接続された
    P型電界効果トランジスタとゲートが上記電源端子に接
    続されたN型電界効果トランジスタであることを特徴と
    する半導体集積回路装置。
  5. 【請求項5】請求項2において、上記NPNバイポーラ
    トランジスタのベースにN型電界効果トランジスタを接
    続したことを特徴とする半導体集積回路装置。
  6. 【請求項6】コレクタが電源端子に、エミッタが出力端
    子に接続されるバイポーラトランジスタと、ゲートが入
    力端子に、ソース及びドレインがそれぞれ上記NPNバ
    イポーラトランジスタのコレクタとベースに接続される
    P型電界効果トランジスタと、第1の端子が上記出力端
    子に、第2の端子が固定電位端子に、第3の端子が上記
    入力端子に接続され、上記NPNバイポーラトランジス
    タと相補動作するプルダウン回路と、上記NPNバイポ
    ーラトランジスタのベース,エミッタ間に接続された第
    2のP型電界効果トランジスタとを具備することを特徴
    とする半導体集積回路装置。
  7. 【請求項7】請求項6において、上記NPNバイポーラ
    トランジスタのベースにN型電界効果トランジスタが接
    続されたことを特徴とする半導体集積回路装置。
  8. 【請求項8】請求項1,2,3,4,5,6又は7にお
    いて、プルダウン回路は、コレクタが上記出力端子に、
    エミッタが上記固定電位端子に接続される第2のNPN
    バイポーラトランジスタと、ゲートが前記入力端子に、
    ドレイン及びソースが上記第2のNPNバイポーラトラ
    ンジスタのコレクタとベースに接続される第2のN型電
    界効果トランジスタとを具備することを特徴とする半導
    体集積回路装置。
  9. 【請求項9】コレクタが電源端子に、エミッタが出力端
    子に接続される第1のNPNバイポーラトランジスタと
    、ゲートが入力端子に、ソース及びドレインがそれぞれ
    上記第1のNPNバイポーラトランジスタのコレクタと
    ベースとに接続されるP型電界効果トランジスタと、コ
    レクタが上記出力端子に、エミッタが固定電位端子に接
    続される第2のNPNバイポーラトランジスタと、ゲー
    トが上記入力端子に、ソースとドレインが上記第2のN
    PNバイポーラトランジスタのコレクタとベースの間に
    接続される第1のN型電界効果トランジスタと、上記第
    2のNPNバイポーラトランジスタのベース,エミッタ
    間にドレインとソースが接続され、ゲートが電源端子に
    接続される第2のN型電界効果トランジスタとを具備す
    ることを特徴とする半導体集積回路装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08274200A (ja) * 1995-03-30 1996-10-18 Nec Corp BiCMOS論理集積回路

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US6037637A (en) * 1995-03-30 2000-03-14 Nec Corporation BiCMOS logical integrated circuit

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