JPS5937860B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPS5937860B2
JPS5937860B2 JP13534076A JP13534076A JPS5937860B2 JP S5937860 B2 JPS5937860 B2 JP S5937860B2 JP 13534076 A JP13534076 A JP 13534076A JP 13534076 A JP13534076 A JP 13534076A JP S5937860 B2 JPS5937860 B2 JP S5937860B2
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JP
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JP13534076A
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隆博 岡部
憲二 金子
徹 中村
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier
    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/06Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration
    • H01L27/0611Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region
    • H01L27/0617Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type
    • H01L27/0623Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a non-repetitive configuration integrated circuits having a two-dimensional layout of components without a common active region comprising components of the field-effect type in combination with bipolar transistors

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体装置、くわしくはMOS(Me−tal
OxideSemiconductor)素子とバイポ
ーラ素子とを組み合わせた高能率の電圧、電流変換半導
体装置に関するものである。
従来、演算増巾回路などの差動入力部には高増巾率のバ
イポーラ・トランジスタか、電圧入力形のMOSもしく
は接合形FET(FieldEffectTransi
stor)を用いることが多かつた。
これは、・ 演算増巾器としては入力電流が理想的には
零である高入カインビーダンス特性が必要だからである
。しかるに、バイポーラ・トランジスタでは原理的に入
力電流を必要とし、1層A以下にはしがたい欠点を持つ
ている。また一方において、MOSもフ しくは接合形
のFETでは、チャネル・コンダクタンス(以下記号的
にgmと略す)を高くとることができず、FETだけで
演算増幅器を組むと十分な電流、もしくは電圧利得を得
ることができない。これを解消するため、従来は入力の
差動対ト門 ランジスメだけを入カインビーダンスの高
いFETとし、これと独立に形成したバイポーラ・トラ
ンジスタとを組み合せて増巾回路を形成していた。この
ため、別々にFETとバイポーラ素子を形成して回路を
構成するため、集積回路とした1時のチップ上の面積が
増大するという欠点を持つていた。本発明は従来のかか
る欠点を改善するためになされたもので、小面積でかつ
大きなgmを取れるようにしたMOSとバイポーラの複
合構造を提供・ するものであ・る。
第1図に本発明の概念を説明するための半導体装置の断
面構造を示し、第2図にその等価回路を示す。
すなわち、第1図において、N+層1の上に設けたN層
2の表面部にP層3、4を構成し、J このP層間はS
iO2層8ケ介して金属層10が存在し、これらでPチ
ャネルMOS−FETが形成されている。他方、P層3
にはさらにN+層5を設け、このN+層5とP層3と、
N層1、N+層2によりNPNトランジスタが形成され
ている。; いま、P層4と、N層2のオーミックコン
タクト用N+層6とを電極9で結合した状態を考える。
電極9を高電位に、電極11を低電位にしておき、電極
端子10(以下この端子をゲート端子と仮称する)に入
力電圧を印加する。
ゲート端子10の電圧が端子9(以下ソース端子と仮称
する)の電位と同電位のときはP層3(この場合はドレ
インに相当する)には電流が流れない。これは通常のP
チヤネルMOS−FETの特性より導出されるものであ
る。ゆえにP層3を前記のNPNトランジスタのベース
とみると、ベースに電流が供給されないことを意味し、
NPNトランジスlはオフとなり、ノース端子9もNP
Nのエミツl端子11にも電流が流れない。つぎにゲー
ト端子10の電位をソース端子9の電位より、閾値電圧
V1以下に下げると、PチヤネルMOS.FETはオン
となり、そのドレインであるP層3に電流が流れ込む。
これはNPNトランジスlのベースに電流が流れたこと
と等価となるため、このベース電流の電流増巾率β倍の
電流が電位9からN層2、N+層1を通してそのエミツ
ノ端子11に流れる。ゆえに、MOS−FETのわずか
なドレイン電流がNPNトランジスタによつて増巾され
、全体を1つのMOS−FETとみみると、従来にない
高いGmを持つFETが実現されたと考えられる。また
、全体を1つのバイポーラ・トランジスタとみると、ゲ
ート端子10が入力のベース端子に相当するので、電流
増巾率が無限大の、いいかえれば入カインビーダンスの
高いバイポーラ・トランジスlとみることも出来る。さ
て、第2図の等価回路を使つて動作時のこの複合構造の
トランジスlの等価チヤネルコンダクタンスGmを求め
ると、簡単な式の計算から、次式を得る。
ここでGmはMOSOFETのチヤネルOコンダクlン
スであり、βはNPNトランジスlの電流増幅率である
0gm】20μΩ、β=100とすると、Gm−:20
00μΩが得られる。
従来のMOS.FETでは、Gmを大とするにはW/L
(チヤネル巾対チヤネル長)を大とせざるを得ず、大き
なGmを得るには極めて大きな面積を必要とする欠点が
あつたが、本素子構造では、従来とほぼ同様の面積で1
00倍以上のGmを得ることが可能であることを示して
いる.本構造はPチヤネルMOS?:.NPNトランジ
スlの組み合せで構成されている場合を示したが、P?
:.Nの極性および印加電圧の極性を逆にしても同様の
効果が得られることはいうまでもない。なお、製造上N
OSの特性をNPNの特性と独立に制御できるようにす
るには、第1図の7に示す部分に周知のイオン打込み法
によつてチヤネルの不純物量を制御してやればよい。以
下本発明を実施例によつて説明する。
第3図は第1の実施例を示したもので、本発明の素子を
従来のバイポーラICの工程で同時に作つたものである
すなわち、P形基板14とアイソレーシヨンP+拡散1
5によつて本発明の素子と従来のバイポーラ素子とを電
気的に分離して形成され、相互配線によつてICが形成
される。第4図は第3図の等価な素子を示したものであ
る。第5図は本発明の素子を第3図に示したような素子
形成を通じて、演算増巾器の基本部の回路を構成した場
合の実施例である。第6図はその記号的に表したプロツ
クを示したものである。さて、第5図において、Q,.
Q2は本発明による複合素子であり、Q3.Q4は通常
のバイポーラ素子である。IOは通常の素子を用いて回
路を構成した定電流源を示している。Vcc.は電源電
圧である。今差動対にされた本発明による複合素子の入
力端子にVl,V2なる電位を加えると、もしもV,=
V2ならば、回路のオフセツト電圧を無視すると、複合
素子Ql,Q2のエミッタはI。/2づつの電流が流れ
る。Q,とQ4のベース.エミツl間ダイオード特性が
同じであるように設計されているものとすれば、Q3,
Q4のダイオード、もしくはコレクl電流は相等しいか
ら、VOutの端子への入、出電流はなく、出力につな
がる負荷によつてV。utの電位は定まる。つぎに、V
1〉V2となると、Q2のエミツlの方がQ1より大き
な電流が流れる。しかし、Q4はQ,によつて制御され
ているのでQ2のエミッタ電流を吸い込むことができず
、この差額の電流はV。u,の端子から外へ流れ出るこ
とになる。このためVOutの端子の電圧は前回よりも
上昇することになる。V1〈V2のときは上記と逆の状
態となる。この0ut端子の外側に適当な電流・電圧変
換回路を設ければ、必要に応じた演算増巾回路を形成す
ることができる。第7図は第5図の如き差動増巾回路の
差動対を構成する際の他の実施例を示した平面パl−ン
図である。
第8図はそのA−A′面の断面構造模型を示したもので
ある。
本実施例は、1つのアイソレーシヨンの中に差動対の複
合素子がコンパクトに集積されている。これは、近接し
て作られるために、差動対として重要な特性の1つであ
るオフセツト電圧値を小さくすることに役立つ。すなわ
ち、集積密度が高く、入カインビーダンスが高く、オフ
セツト電圧は小さく、チヤネルコンダクノンスの大きい
差動対素子が出来る特徴を持つていることがわかる。第
9図は他の実施例を示す。
本発明の複合素子の等価チャネルコンダクタンスをさら
に大きくするためのもので、NPNのダーリントン接続
素子とP−MOSを一体に組み合せた構造のものである
.等価チヤネルコンlクダンスGmは次式のようになる
。ここでGmはMOSOFET部のチヤネルOコンダク
lンス、β1,β2は、NPNトランジスタ部13,2
6の電流増巾率である。
例えば、Gm=20μΩ、β1=100、β2=100
とすると、Gm=0.2Ωとなる。すなわち、従来の1
0000倍の大きなチヤネルコンダクノンスが得られる
。以上説明した如く、本発明によれば、MOS・FET
とバイポーラトランジスlを一体構造としたことにより
、集積密度が高く、高いGmを容易に得ることが出来、
高性能演算増幅器等への応用においても極めて有用であ
り、工業上利益をもたらすものと考える。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の概念を説明するための断面構造模型図
、第2図はその等価回路を示す図、第3図は本発明の一
実施例を示すバイポーラ型集積回路の断面構造模型図、
第4図はその素子の等価回路を示す図、第5図は本発明
の素子を用いて使つた演算増巾器の基本部をなす差動増
巾回路図、第6図はそのプロツク図、第7図は本発明の
素子を差動対にした集積回路向き装置の平面図、第8図
はそのA−A′面の断面構造模型図、第9図は本発明の
他の実施例図、第10図はその等価回路図である。 図において、1,2,5,6,18,25はN形半導体
、3,4,14,15,16,17,24はP形半導体
、8はSiO2,7はMOS部eのチヤネル閾値電圧制
御用イオン打込み層を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1の不純物形半導体基板上に形成されたFETの
    第2の不純物形半導体からなるドレイン領域をトランジ
    スタのベース領域と一体化し、上記FETの上記基板を
    上記トランジスタのコレクタ領域と一体化し、かつ上記
    FETのソース領域と上記基板は電極で接続して一方の
    電位端子とし、上記トランジスタの上記ベース領域中に
    設けられた第1の不純物形半導体からなるエミッタ領域
    を他方の電位端子とし、上記FETのゲート電極を入力
    端子として構成したことを特徴とする半導体集積回路装
    置。
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