JPS60143011A - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device

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Publication number
JPS60143011A
JPS60143011A JP59222170A JP22217084A JPS60143011A JP S60143011 A JPS60143011 A JP S60143011A JP 59222170 A JP59222170 A JP 59222170A JP 22217084 A JP22217084 A JP 22217084A JP S60143011 A JPS60143011 A JP S60143011A
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JP
Japan
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voltage
circuit
gate
difference
reference voltage
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Pending
Application number
JP59222170A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Osamu Yamashiro
山城 治
Kanji Yo
陽 完治
Kotaro Nishimura
光太郎 西村
Kazutaka Narita
成田 一孝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To obtain a reference voltage generator with less temperature change by setting a logical threshold value of a semiconductor integrated circuit based on the difference between the 1st and 2nd threshold voltages different from each other. CONSTITUTION:An IGFETT1 having a threshold voltage Vth1 and an IGFETT2 having a threshold voltage Vth2 are connected in series in a form of MOS diode. In setting resistors R1, R2 to a sufficiently large value in comparison with the impedance of the T1, T2 respectively, since the difference between the gate voltage of the T1 and an output voltage V2 is expressed as V1-V2 Vth1 and V1 Vth2, the reference V2 Vth1-Vth2 is obtained and the logical threshold voltage is set to the difference of the threshold voltages of the T1 and T2. Since the threshold voltage is controlled at manufactured based on the energy gap specific to the semiconductor, a reference voltage generator with less temprature dependancy and less variance between manufacture lots is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子装置、特圧基準電圧発生装置とその応用並
びに絶縁ゲート型電界効果トランジスタとその製造方法
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an electronic device, a special voltage reference voltage generator and its applications, as well as an insulated gate field effect transistor and a manufacturing method thereof.

各種の半導体電子回路において、基準となる電圧を発生
させるには電圧の次元を持った物理量を利用することが
必須の条件である。これまで、その物理量としてはもっ
ばらPN接合ダイオードの順方向電圧降下■、や逆方向
降伏電圧(ツェナ電圧)■2並びに絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ(IGFET、MOSFETで代表され
ることが多い)のしきい値電圧Vth等が利用されてい
る。
In various semiconductor electronic circuits, in order to generate a reference voltage, it is essential to use a physical quantity having the dimension of voltage. Until now, the physical quantities have mainly been the forward voltage drop of a PN junction diode, the reverse breakdown voltage (Zener voltage), and the voltage of an insulated gate field effect transistor (often represented by IGFET or MOSFET). Threshold voltage Vth, etc. are used.

これらの物理量は絶対的な電圧値を示すものでなく、そ
の電圧値はさまざまなファクターによって変動を受ける
。従って、これらの物理量を各種電子回路の基準電圧発
生装置として利用するためには、得られる電圧値の変動
要素と許容できる変動幅に注意を払わなければならない
These physical quantities do not indicate absolute voltage values, and the voltage values are subject to fluctuations depending on various factors. Therefore, in order to utilize these physical quantities as a reference voltage generating device for various electronic circuits, it is necessary to pay attention to the fluctuation factors of the obtained voltage value and the permissible fluctuation range.

まず、これら物理量の温度特性について言えば、上記V
FやVthは通常2〜3mV/c程度の温度依存性を持
っており、この温度変化に伴なう基準電圧の温度変化は
用途によっては実用を断念せざるを得ない程の大きさ及
ぶ。
First, regarding the temperature characteristics of these physical quantities, the above V
F and Vth usually have a temperature dependence of about 2 to 3 mV/c, and the temperature change in the reference voltage that accompanies this temperature change is so large that it may be necessary to give up on practical use depending on the application.

例えば公称1.5vの酸化銀電池を使用する電子時計に
おいて、電池の電圧の下がったことを警告する目的で作
られるバッテリー・チェッカーを実現しようとすれば、
1.4V程度を境(検出レベル)として電池電圧の高低
を判断する必要がある。
For example, if you want to create a battery checker for an electronic watch that uses a nominal 1.5V silver oxide battery to warn that the battery voltage has dropped,
It is necessary to judge whether the battery voltage is high or low, with the boundary (detection level) at about 1.4V.

これを0.6V程度のMOSFETのしきい値電圧vt
h又は、ダイオードの順方向降下電圧■2を利用して構
成しようとすれば、1.4vを目標とした検出レベルは =4.67〜7.0 (mV/C) の温度依存性を持ち、実用動作温度範囲をOC〜50C
と狭く見積ッテも、1.23V 〜1.57Vト太き(
変動することKなり、実用的なバッテリーチェッカーと
はなり得ない。
This is the MOSFET threshold voltage vt of about 0.6V.
Or, if you try to configure it using the diode's forward drop voltage (2), the detection level with a target of 1.4V has a temperature dependence of = 4.67 to 7.0 (mV/C). , the practical operating temperature range is OC~50C
The narrow estimate is 1.23V to 1.57V (
Since it fluctuates, it cannot be used as a practical battery checker.

次に、これら物理量の製造バラツキについては、MOS
FETのしきい値電圧Vthは±0.2v程度度のバラ
ツキがあり、このバラツキは温度変化よりも大きくなる
。従って、上述のバッテリ・チェッカをvthを利用し
てIC(集積回路)化した場合基準電圧補正のための外
部部品と接続ピン(端子)のみならず、IC製造後の調
整の手間が必要となる。
Next, regarding manufacturing variations in these physical quantities, MOS
The threshold voltage Vth of the FET varies by approximately ±0.2 V, and this variation is larger than the temperature change. Therefore, if the above-mentioned battery checker is made into an IC (integrated circuit) using vth, not only external parts and connection pins (terminals) for correcting the reference voltage but also adjustment after the IC is manufactured are required. .

また半導体RAM等、MO8FET集積回路において、
基板(バック・ゲート)に逆バイアス電圧を印加して、
FETのしきい値電圧を制御したい場合、温度依存性お
よび製造バラツキに依存しない基準電圧源が必要であり
、しかも集積化が可能であることが必要であるが、上述
のvFやVthでは同様な理由で採用が難しい。また、
ツェナ電圧■2は低い電圧では3V程度が限度であり、
3■以下の低電圧範囲で使用する基準電圧としては不適
当であり、又、ツェナ電圧及びダイオードの順方向降下
電圧を基準電圧として使用するのには、数mA〜数十m
A程度の電流を流す必要があり、低消費電力化という点
でも不適当である。
Also, in MO8FET integrated circuits such as semiconductor RAM,
By applying a reverse bias voltage to the substrate (back gate),
If you want to control the threshold voltage of a FET, you need a reference voltage source that is independent of temperature dependence and manufacturing variations, and it also needs to be possible to integrate it. Difficult to hire for a number of reasons. Also,
Zener voltage ■2 has a low voltage limit of about 3V,
It is unsuitable as a reference voltage to be used in the low voltage range of 3.
It is necessary to flow a current of about A, which is inappropriate in terms of reducing power consumption.

以上の説明から明らかなようK Vth、 V Fおよ
びV2を利用した従来の基準電圧発生装置は、温度特性
、製造バラツキ、消費電力および電圧レベル等を考えれ
ば、必ずしもあらゆる用途に適合するものではなく、極
めて厳しい特性が要求される用途に対しては実用化や量
産化を断念せねばならなくなるケースがしばしばであっ
た。
As is clear from the above explanation, conventional reference voltage generators using KVth, VF, and V2 are not necessarily suitable for all uses, considering temperature characteristics, manufacturing variations, power consumption, voltage levels, etc. In many cases, practical application and mass production had to be abandoned for applications requiring extremely strict characteristics.

本発明者らは、以上のような検討から従来の基準電圧発
生装置の改良には物理的に限界があると知り、新しい考
え、発想を持った基準電圧発生装置の研究、開発に踏み
切った。
From the above studies, the present inventors learned that there are physical limits to the improvement of conventional reference voltage generators, and decided to research and develop a reference voltage generator with new ideas and ideas.

基準電圧発生装置としては、例えば特開昭48−632
57号公報に示されているものが公知である。
As a reference voltage generator, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 48-632
The one shown in Publication No. 57 is publicly known.

本発明の目的は従来にはみられない全く新しい考えに基
すいた基準電圧発生回路を提供し、電子回路の設計、量
産化を容易にすることKある。
An object of the present invention is to provide a reference voltage generation circuit based on a completely new idea not seen in the past, and to facilitate the design and mass production of electronic circuits.

本発明の他の目的は温度変化の小さい基準電圧発生装置
を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator with small temperature changes.

本発明の他の目的は得られる電圧値の変動が創造条件の
変動に対して小さい、例えばロット間の製造バラツキ(
偏差)が小さい基準電圧発生装置を提供することである
Another object of the present invention is to keep fluctuations in voltage values small relative to fluctuations in production conditions, such as manufacturing variations between lots (
It is an object of the present invention to provide a reference voltage generating device with a small deviation).

以下余白 本発明の他の目的は製造後の調整が不要な程に製造バラ
ツキを小さくできる集積回路化された基準電圧発生装置
を提供することである。
Another object of the present invention is to provide an integrated circuit reference voltage generating device that can reduce manufacturing variations to such an extent that post-manufacturing adjustments are unnecessary.

本発明の他の目的は目標仕様に対して大きい余裕度を持
って製造することが可能な基準電圧発生装置を含む集積
回路化された電子回路装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide an integrated electronic circuit device including a reference voltage generating device that can be manufactured with a large margin of tolerance to target specifications.

本発明の他の目的は製造歩留りの高い基準電圧発生装置
を含む集積回路化された電子回路装置を提供することで
ある。
Another object of the present invention is to provide an integrated electronic circuit device including a reference voltage generator with high manufacturing yield.

本発明の他の目的はIGFET集積回路に適した基準電
圧発生装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for IGFET integrated circuits.

本発明の更に他の目的は消費電力の少ない基準電圧発生
装置および電圧比較器を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a reference voltage generator and a voltage comparator that consume less power.

本発明の他の目的は精度の優れた低電圧(1,IV以下
)を得ることができる基準電圧発生装置を提供すること
である。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator capable of obtaining a low voltage (1.IV or less) with excellent accuracy.

本発明の他の目的は比較的低い電圧(約1〜3■)の電
源、例えば1.5■の酸化銀電池や1.3■の水銀電池
に適合する基準電圧発生装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator that is compatible with relatively low voltage power sources (approximately 1 to 3 µm), such as 1.5 µm silver oxide batteries and 1.3 µm mercury batteries. be.

本発明の他の目的は半導体集積回路に適合する基準電圧
発生装置を提供すること゛である。
Another object of the present invention is to provide a reference voltage generator suitable for semiconductor integrated circuits.

本発明の他の目的は高精度の電圧比較器、安定化電源装
置、定電流回路、バッテリ・チェッカを提供することで
ある。
Another object of the present invention is to provide a highly accurate voltage comparator, regulated power supply, constant current circuit, and battery checker.

本発明の他の目的は高精度のバッテリ・チェッカを内蔵
した、外部端子数の少1jい電子時開用半導体集積回路
装置を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device for electronic time-opening, which has a built-in highly accurate battery checker and has a small number of external terminals.

本発明の他の目的はバック・バイアスの印加されたIG
FETのしきい値電圧を製造バラツキや温度変化に依存
しないほぼ一定の電圧に維持でき、もって製造歩留りを
向上できるIGFET集積回路を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a back-biased IG
An object of the present invention is to provide an IGFET integrated circuit in which the threshold voltage of an FET can be maintained at a substantially constant voltage independent of manufacturing variations and temperature changes, thereby improving manufacturing yield.

本発明の他の目的は相補型絶縁ゲート電界効果トランジ
スタ集積回路(CMO8IC)やNチャンネルMO8I
CやPチャンネルMO8ICとコンパチブルな基準電圧
発生装置とその製造方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide complementary insulated gate field effect transistor integrated circuits (CMO8IC) and N-channel MO8I
It is an object of the present invention to provide a reference voltage generator compatible with C- and P-channel MO8ICs, and a method for manufacturing the same.

本発明は半導体や金属の物性の原点にたちかえり、特に
エネルギーギャップE、仕事関数φ、フェルミ準位Ef
等に着眼して成されたものである。
The present invention returns to the origin of physical properties of semiconductors and metals, and in particular, energy gap E, work function φ, Fermi level Ef
It was created by focusing on the following.

即ち、半導体がエネルギー・ギャップEg、ドナー、ア
クセプタおよびフェルミ準位等の各種準位を持つことは
周知であるが、これら半導体の物性、特にエネルギー−
ギャップEgやフェルミ準位Efに着目した基準電圧発
生装置は、半導体が発見されて以来広範囲の分野に目覚
ましい発展を遂げた現在に至るまで、いまだ例をみない
That is, it is well known that semiconductors have various levels such as energy gap Eg, donor, acceptor, and Fermi level, but the physical properties of these semiconductors, especially energy-
A reference voltage generator that focuses on the gap Eg or the Fermi level Ef has made remarkable progress in a wide range of fields since the discovery of semiconductors, and has never been seen before.

結果論で言うと、本発明者らはこのエネルギー・ギャッ
プE 、仕事関数φ、フェルミ準位E。
In terms of results, the present inventors determined the energy gap E, the work function φ, and the Fermi level E.

等を基準電圧源に利用することを考え、その実現に成功
した。エネルギー・ギャップEg、フ萎ルミ準位E、等
を基準電圧源に使用すること自体は決して難しい理論で
はな(、その結果はたやすく理解、納得できるところで
あろう。しかしながら、もはや浅い歴史ではなくなった
この半導体工業の分野において、半導体(物性の原点に
たちかえり、本発明者らがもたらした前人未到と信じら
れるこの成功例は独創的かつ画期的なものであり、今後
の電子回路や半導体工業の一層の発展に大きく寄−与で
きるものと期待される。
etc. as a reference voltage source, and succeeded in realizing it. Using the energy gap Eg, the luminescence level E, etc. as a reference voltage source is by no means a difficult theory (and the results are easy to understand and agree with. However, it is no longer a shallow history. In the field of semiconductor industry, this success story, which is believed to be unprecedented, brought about by the inventors of the present invention by going back to the origins of semiconductor (physical properties), is original and groundbreaking, and will lead to future electronic circuits and semiconductor industry. It is expected that this will greatly contribute to the further development of the world.

本発明の一実施例によれば、シリコン・ゲート電極の導
電型が異なる2つのIGFETがシリコン・モノリシッ
ク半導体集積回路チップ内に作られる。これらのFET
はゲート電極の導電型を除いてitぼ同じ条件で製造さ
れるので、両者のv、hの差はほぼP型シリコン、N型
シリコン、i型(真性半導体)シリコンのフェルミ準位
の差に等しくなる。P型、N型ゲート電極には飽和濃度
付近にそれぞれの不純物がドープされ、この差はシリコ
ンのエネルギm−ギャップEg(約1.1■) ゛もし
くはEg/2(0,55Vlにほぼ等しくなり、これが
基準電圧源として利用される。
According to one embodiment of the invention, two IGFETs with different conductivity types of silicon gate electrodes are fabricated within a silicon monolithic semiconductor integrated circuit chip. These FETs
are manufactured under almost the same conditions except for the conductivity type of the gate electrode, so the difference in v and h between the two is almost the same as the difference in the Fermi level of P-type silicon, N-type silicon, and i-type (intrinsic semiconductor) silicon. be equal. The P-type and N-type gate electrodes are doped with respective impurities near the saturation concentration, and this difference is approximately equal to the silicon energy m-gap Eg (approximately 1.1■) or Eg/2 (0.55Vl). , which is used as a reference voltage source.

このような構成に基ずく基準電圧発生装置は温度依存性
が小さくまた製造偏差も小さいので、各種電子回路の基
準電圧発生装置として利用され得る。
A reference voltage generating device based on such a configuration has low temperature dependence and small manufacturing deviation, so it can be used as a reference voltage generating device for various electronic circuits.

本発明および本発明の更に他の目的は図面を参照した以
下の説明から一層明白に理解されるであろう。
The present invention and further objects thereof will be more clearly understood from the following description with reference to the drawings.

半導体の結晶構造から始まり、半導体のエネルギー・バ
ンドおよびドナーとアクセグタ不純物が半導体にもたら
す現象などへと展開してい(半導体の物性論は数多くの
文献で説明されて(・る。
It begins with the crystal structure of semiconductors, and expands to the energy bands of semiconductors and the phenomena brought about by donor and acceptor impurities in semiconductors (the theory of physical properties of semiconductors is explained in numerous literatures).

組成の異なる半導体がそれぞれ固有のエネルギー・ギャ
ップEgを有し、eVで表わされるエネルギー・ギャッ
プEgが電圧の次元を持っていることは言うまでもなく
周知である。しかしながら、前述したように半導体が固
有のエネルギー・ギャップEgを持ち、この温度依存性
が小さいことに着目し、これを基準電圧源として利用し
た例はいまだ例をみない。
It is of course well known that semiconductors of different compositions each have their own energy gap Eg, and that the energy gap Eg, expressed in eV, has the dimension of voltage. However, as mentioned above, there has never been an example in which a semiconductor has a unique energy gap Eg and this temperature dependence is small, and this is utilized as a reference voltage source.

本実施例はこのような半導体物性の基礎から出発して成
されたものであるので、本発明の詳細な説明はまずは半
導体の物性を引き合いにして本発明の原理的なところか
ら始める。なお、半導体の物性については、多(の文献
でがなり丁寧に説明されているので、以下その文献の一
つであるS・M−SZE著、”physics of 
Sem1conductorDevices”、196
9年John Wi Iey &5ons社発行、特に
Chapter 2 ”Physics and Pr
opertiesof Sem1conductors
 −A Resume ” 11頁〜65頁の助けを借
りて簡単に説明する。
Since this embodiment was developed starting from the basics of semiconductor physical properties, a detailed explanation of the present invention will first start from the fundamentals of the present invention with reference to the physical properties of semiconductors. The physical properties of semiconductors are explained in detail in many documents, and the following will refer to one of those documents, “physics of
Sem1conductorDevices”, 196
Published by John Wi Iey & 5ons in 1999, especially Chapter 2 “Physics and Pr.
operations of Sem1 conductors
-A Resume” will be briefly explained with the help of pages 11 to 65.

エネルギー・ギャップEgの応用 半導体の組成物としてはさまざまなものがあるが、その
うち現在工業的に利用されている半導体として代表的な
のがゲルマニウム(Ge)、シリコン(Si)の非化合
物半導体とガリュウム・ひ素(GaAs)化合物半導体
である。これらのエネルギー・ギャップEgと温度との
関係は前述の著書24頁で説明されており、これを第1
図に再掲するO 第1図から理解′されるように、Ge、SiおよびG 
a A sのEgは常温(300’K)で、それぞれ、
0.80(eV)、1.12(eV)および1.43(
eV)である。またその温度依存性は、それぞれ、0.
39 (meV/”K)、0.24 (meV/”K 
)および0.43 (meV/”K)である。従って、
これらのエネルギー・ギャップEgに相当する或いはそ
れに近い値の電圧を取り出すことによって、前述したP
N接合ダイオードの順方向電圧降下V。
There are various compositions of applied semiconductors for the energy gap Eg, among which the representative semiconductors currently used industrially are non-compound semiconductors such as germanium (Ge) and silicon (Si), and gallium and silicon (Si). It is an arsenic (GaAs) compound semiconductor. The relationship between these energy gaps Eg and temperature is explained on page 24 of the aforementioned book, and this is
As can be understood from Figure 1, Ge, Si and G
The Eg of a A s is at room temperature (300'K), respectively.
0.80 (eV), 1.12 (eV) and 1.43 (
eV). Moreover, the temperature dependence is 0.
39 (meV/”K), 0.24 (meV/”K
) and 0.43 (meV/”K). Therefore,
By extracting a voltage corresponding to or close to these energy gaps Eg, the above-mentioned P
Forward voltage drop V of an N-junction diode.

やIGFETのしきい値電圧Vthが持つ温度依存性よ
り1桁も小さい温度依存性を持つ基準電圧発生装置が得
られる。さらに、得られる電圧は半導体固有のエネルギ
ー・ギャップEgで決まり、例えばSiでは常温で約t
、12(V)と他の要因とはほぼ無関係に定められ、製
造条件等のバラツキに左右されに(い基準電圧を得るこ
とが可能である。
Thus, a reference voltage generating device can be obtained that has a temperature dependence that is one order of magnitude smaller than the temperature dependence of the threshold voltage Vth of the IGFET. Furthermore, the voltage obtained is determined by the energy gap Eg specific to the semiconductor; for example, in Si, it is approximately t at room temperature.
, 12 (V) almost independently of other factors, and it is possible to obtain a high reference voltage regardless of variations in manufacturing conditions and the like.

では、この半導体のエネルギー・ギャップEgに相当す
る電圧はいかなる原理に基すいて取り出すことができる
か、その−例を説明する。
Now, an example will be explained based on which principle the voltage corresponding to the energy gap Eg of this semiconductor can be extracted.

半導体にドナーおよびアクセプター不純物をドープした
場合のエネルギー準位の状態はよく知られている。なか
でも本発明で注目したところは、N型およびP型半導体
のフェルミ・エネルギーの位置するところが、真性半導
体のフェルミ・エネルギー準位Elを基準にして、それ
ぞれ伝導帯および価電子帯に向けて2分されるという物
性である。そして、アクセプターおよびドナー不純物の
濃度が高ければ高い程、真性半導体のフェルミ準位El
から一層離れる傾向で、P型半導体のフェルミ準位Ef
′pは価電子帯の最上限準位Evに近づき、N型半導体
の7工ルミ準位Efnは伝導帯の最下限準位Ecに近づ
き、両フェルミ準位の差(Efn−Ef、 )をとれば
、これは半導体の持つエネルギー・ギャップEgにより
近づくことになり、その温度依存性もエネルギー・ギャ
ップEgのそれに近くなる。また、P型半導体と真性半
導体、およびN型半導体と真性半導体のフェルミ準位の
差(Efn−El)、(Ei−E4.)についても同様
であるが、この場合絶対値はE g/2に近づく。以下
真性半導体との差についてはP型とN型の差の半分にな
るということで、説明を省略する。詳しくは後述するが
不純物濃度が高ければ高い程(Efn−Efp)の温度
依存性は小さくなり、飽和濃度にできるだけ近い濃度に
することが好ましい。
The state of energy levels when a semiconductor is doped with donor and acceptor impurities is well known. In particular, what we have focused on in this invention is that the Fermi energies of N-type and P-type semiconductors are located at 2 points toward the conduction band and valence band, respectively, based on the Fermi energy level El of the intrinsic semiconductor. It is a physical property of being separated. The higher the concentration of acceptor and donor impurities, the higher the Fermi level El of the intrinsic semiconductor.
The Fermi level Ef of the P-type semiconductor tends to be further away from
'p approaches the upper limit level Ev of the valence band, and the 7-luminium level Efn of the N-type semiconductor approaches the lower limit level Ec of the conduction band, and the difference between both Fermi levels (Efn - Ef, ) If it is, this will be closer to the energy gap Eg of the semiconductor, and its temperature dependence will also be closer to that of the energy gap Eg. The same is true for the Fermi level difference (Efn-El) and (Ei-E4.) between a P-type semiconductor and an intrinsic semiconductor, and between an N-type semiconductor and an intrinsic semiconductor, but in this case, the absolute value is E g/2 approach. Hereinafter, the difference from the intrinsic semiconductor will be omitted because it is half the difference between P type and N type. As will be described in detail later, the higher the impurity concentration, the smaller the temperature dependence (Efn-Efp), and it is preferable to keep the concentration as close to the saturation concentration as possible.

フェルミ準位Efn、 T2fpはドナーおよびアクセ
プター不純物の濃度だけでなく、ドナーおよびアクセプ
ター準位EdおよびE&にも関係し、この準位Ed l
 Baは不純物材料によって異なる。準位EdおよびE
、がそれぞれ伝導帯および価電子帯に近い程、フェルミ
準位EfdおよびEfaもそれぞれに近づく。言い換え
れば、ドナーおよびアクセプターの不純物準位Ed、E
fが浅い程、フェルミ準位の差(Efn−Ef、)は半
導体のエネルギー・ギャップE2に近くなる。
The Fermi level Efn, T2fp is related not only to the concentration of donor and acceptor impurities, but also to the donor and acceptor levels Ed and E&, and this level Ed l
Ba varies depending on the impurity material. Levels Ed and E
, are closer to the conduction band and the valence band, respectively, the closer the Fermi levels Efd and Efa are to the respective ones. In other words, the donor and acceptor impurity levels Ed, E
The shallower f is, the closer the Fermi level difference (Efn-Ef,) is to the semiconductor energy gap E2.

ドナーおよびアクセプターの不純物準位Ed。Donor and acceptor impurity levels Ed.

Efが真性半導体のフェルミ・レベルEiに近い程、す
なわち深い程フェルミ準位の差(Efn−Efp)は半
導体のエネルギー・ギャップE、からより離れる。しか
しながら、このことは必ずしも温度依存性が悪くなるこ
とを意味しているのではなく、フェルミ単位の差(Ef
n−EfP )の絶対値が小さくなることを意味してい
る。従って、7工ルミ準位の差(Efn−Efp)や仕
事関数の差は、半導体材料および不純物材料等の材料固
有のものであり、別の見方をすれば半導体のエネルギー
・ギャップEgとカテゴリを異にした、ギャップEgと
並ぶ基準電圧源と成り得る。すなわち、フェルミ単位の
差(Bfn−El、)は、それ自体で、PN接合の順方
向電圧降下VFJPIGFETのしきい値電圧Vthよ
りも温度依存性が小さく、また製造バラツキに左右され
Kくい基準電圧源となり得、浅いドナーおよびアクセプ
タ準位Ed、gfを示す不純物材料を使用してフェルミ
準位の差(”fn−Ef、)を取り出すことが、半導体
のエネルギー・ギャップEgにほぼ近い値の電圧を取り
出す一つの方法となり得る訳tある。一方、得られる電
圧値の設定に関して言えば、半導体のエネルギー・ギャ
ップに相当するだけの比較的大きい基準電圧を得ること
を目的とする場合には、浅い準位を示す不純物を使用し
、比較的小さい基準電圧を得ることを目的とする場合に
は深い準位を示す不純物を使用すれば良い。
The closer Ef is to the Fermi level Ei of the intrinsic semiconductor, that is, the deeper it is, the farther the Fermi level difference (Efn-Efp) is from the energy gap E of the semiconductor. However, this does not necessarily mean that the temperature dependence becomes worse, but the difference in Fermi units (Ef
This means that the absolute value of n-EfP) becomes small. Therefore, the difference in the 7-Eluminum level (Efn-Efp) and the difference in work function are unique to materials such as semiconductor materials and impurity materials. It can serve as a reference voltage source that is different from the gap Eg. In other words, the Fermi unit difference (Bfn-El,) by itself has less temperature dependence than the threshold voltage Vth of the PN junction forward voltage drop VFJPIGFET, and is less dependent on manufacturing variations than the reference voltage K. Extracting the Fermi level difference ("fn - Ef,") using an impurity material that can serve as a source and exhibits shallow donor and acceptor levels Ed, gf produces a voltage that is approximately close to the energy gap Eg of the semiconductor. On the other hand, when it comes to setting the voltage value to be obtained, if the purpose is to obtain a relatively large reference voltage equivalent to the energy gap of a semiconductor, shallow When an impurity exhibiting a deep level is used and the purpose is to obtain a relatively small reference voltage, an impurity exhibiting a deep level may be used.

不純物材料の選択の異体例 フェルミ準位Efとドナー準位Ed、アクセプタ準位E
c、ドナー濃度Nd、アクセプタ濃度N&および温度T
との関係については第2図および第3図を参照して更に
詳しく説明するが、それに先立ち、Ge、SlおよびG
aAs半導体に対して各不純物がどのような準位を示す
かを理解し、本発明ではそれらの不純物をいかに利用す
るかを理解するためK、前述の文献第30頁のデータを
第4図として再掲し、説明を加える。
Variant example of impurity material selection: Fermi level Ef, donor level Ed, acceptor level E
c, donor concentration Nd, acceptor concentration N& and temperature T
The relationship between Ge, Sl and G will be explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
In order to understand what level each impurity exhibits in the aAs semiconductor and how to utilize these impurities in the present invention, the data on page 30 of the above-mentioned document are used as Figure 4. Restate and add explanation.

第3図(a) 、 (b)および(c)は、それぞれ、
G e +SiおよびGaAsに対する各種不純物のエ
ネルギー分布を示す図であり、各図における数字は、破
線で表わされたギャップの中心Eiから上側に位置する
準位については伝導帯の最下限準位Ecからのエネルギ
ー差(Ec−Ed)を示し、下側に位置する準位につい
ては価電子帯の最下限準位E からのエネルギー差(E
、−Ev)を示し、その単位はいずれも(eV)である
Figures 3(a), (b) and (c) are, respectively,
It is a diagram showing the energy distribution of various impurities with respect to G e +Si and GaAs, and the numbers in each diagram are the lowest level of the conduction band Ec for the level located above the center Ei of the gap represented by the broken line. For the lower level, the energy difference from the lowest level E of the valence band (E
, -Ev), and their units are all (eV).

従って、同図において小さい数値で示された不純物材料
はその準位が伝導帯の最下限準位Ec若しくは価電子帯
の最上限準位Evに近いことを表わしており、エネルギ
ー・ギャップEgに近い電圧を得る不純物としてふされ
しい。例えば現在量もひんばんに使用されているStに
対し【は、Ll*Sb、PtAsおよびBiのドナー不
純物およびB、AAおよびGaのアクセプター不純物の
示す準位差1cmEd)、(Ea−Ev)が最も小さく
、それぞれの準位差はいずれもSlのエネルギー・ギャ
ップEgの約6%以下である。
Therefore, impurity materials indicated by small numbers in the figure indicate that their levels are close to the lowest level Ec of the conduction band or the highest level Ev of the valence band, and are close to the energy gap Eg. It is suitable as an impurity to obtain voltage. For example, for St, which is currently being used extensively, The smallest level difference is about 6% or less of the energy gap Eg of Sl.

これらの不純物を使用したN型SlおよびP型Stのフ
ェルミ準位の差(Efd−Efa)は、0°Kからの温
度変化を無視すれば、Slのエネルギー・ギャップEg
の約94%〜97%となり、はぼEgに等しい値となる
。また、上記不純物の次に小さい準位差(Ee−Ed)
、(Ka−Ev)を示すドナー不純物はS(Egの約1
6%)で、アクセプター不純物はIn(Egの約14%
)であり、各不純物を使用したN型SlおよびP型Si
のフェルミ単位の差(Efd−Efm)はO’Kにおい
て約0.85Egとなり、Slのエネルギー・ギャップ
Egとのずれは約15%にも及び、上述の不純物に対し
てずれは極端に開くことが判る。
The Fermi level difference (Efd - Efa) between N-type Sl and P-type St using these impurities is equal to the energy gap Eg of Sl, if the temperature change from 0°K is ignored.
It is about 94% to 97% of Eg, which is a value equal to Eg. In addition, the next smallest level difference (Ee-Ed) of the above impurities
, (Ka-Ev), the donor impurity is S(approximately 1 of Eg)
6%), and the acceptor impurity is In (approximately 14% of Eg).
), and N-type Sl and P-type Si using each impurity
The Fermi unit difference (Efd - Efm) is about 0.85Eg at O'K, and the deviation from the energy gap Eg of Sl is about 15%, and the deviation becomes extremely large due to the impurities mentioned above. I understand.

従って、S、t、のエネルギー・ギャップEgKはぼ等
しい電圧を得るためのP型およびN型Stの不純物材料
とし、千は、LitSb+P+A、sおよびBiのグル
ープから選択された1つのドナー不純物およびB、A−
6およびGaのグループから選択された1つのアクセプ
ター不純物が好適であり、その他の不純物はSiのエネ
ルギー・ギャップEgよりかなり小さい電圧を得る目的
に好適であろう。
Therefore, the energy gap EgK of S, t, is the impurity material of P type and N type St to obtain approximately equal voltage, and 1,000 is LitSb + P + one donor impurity selected from the group of A, s and Bi and B ,A-
One acceptor impurity selected from the group 6 and Ga is preferred; other impurities may be suitable for the purpose of obtaining voltages significantly smaller than the energy gap Eg of Si.

次に、フェルミ準位の差(Efn−Efp)について、
第2図を参照して物性的な説明をする。第2図は半導体
のエネルギー単位を示す図であり、同図(a)および(
b)はそれぞれN型半導体の千ネルギー準位モデルとそ
の温度特性を示し、同図(e)および(d)はそれぞれ
P型半導体のエネルギー準位モデルとその温度特性を示
している。
Next, regarding the Fermi level difference (Efn-Efp),
The physical properties will be explained with reference to FIG. Figure 2 is a diagram showing the energy unit of semiconductors, with (a) and (
Figure b) shows an energy level model of an N-type semiconductor and its temperature characteristics, and Figures (e) and (d) each show an energy level model of a P-type semiconductor and its temperature characteristics.

半導体中のキャリアはドナーの不純物Ndのうち、イオ
ン化して生じた電子ndと価電子帯より励起された電子
及びホールTアーである。不純物Ndが十分大きい時は
励起された電子及びホールのベアーが無視でき、伝4宵
、子のvlnはn+nd ・・・(1) となる。ndはドナー準位忙トラップされる確率から、
またnは、伝導帯に存在する電子数からめられ、各々 となる。ここで、 hニブランク定数、フ?;電子の有効質量これより、 となり、 となる。
Carriers in the semiconductor are electrons nd generated by ionization of the donor impurity Nd, electrons excited from the valence band, and holes T. When the impurity Nd is sufficiently large, the excited electrons and holes can be ignored, and the electron vln becomes n+nd (1). nd is the probability of donor level busy trapping,
Further, n is determined from the number of electrons present in the conduction band, and is determined by the number of electrons present in the conduction band. Here, h blank constant, f? ;Effective mass of electron From this, , and .

ここで、7エルミ・準位は、Ecに接近した位置にある
場合を相定しているから(5)式の第一項は無視できて となる。
Here, the first term of equation (5) can be ignored since the 7 Hermi level is located close to Ec.

この式の示すところは温度が低い時はもちろん、に位置
し、温度の依存性は、Ecの温度特性にはぼ等しくなる
This equation shows that when the temperature is low, the temperature dependence is approximately equal to the temperature characteristic of Ec.

以下余白 但し、温度が十分高くなった場合には、価電子帯から励
起された電子とホールのペアーから多数となり、不純物
の影響は少なくなり、フェルミ・準位は真性半導体の準
位E1に近ずく。以上の関係を示したものが、第2図の
)である。
Margin below However, when the temperature becomes high enough, the number of pairs of electrons and holes excited from the valence band becomes large, the influence of impurities decreases, and the Fermi level approaches the level E1 of an intrinsic semiconductor. Drop. The above relationship is shown in Figure 2).

第2図(C)のようなアクセプター不純物だけを含んだ
P型半導体の場合も全(同様で、低温の時及び、アクセ
プター不純物濃度が大きい場合には、フェルミ準位は、
低電子帯の上端とアクセプター準位の中間にほぼ位置し
温度が高くなると真性半導体のフェルミ・準位に近づい
て〜・く。
In the case of a P-type semiconductor containing only acceptor impurities as shown in Figure 2(C), the Fermi level is
It is located approximately between the top of the low electron band and the acceptor level, and as the temperature increases, it approaches the Fermi level of an intrinsic semiconductor.

この関係を示したものが第2図(d)である。This relationship is shown in FIG. 2(d).

関係−具体例 フェルミ準位Efp、Efnの温度依存性と不純物濃度
との関係について物性的な説明をしたが、次に、現在量
も多く実用されているSi半導体を具体例として、前述
の著書37頁のデータを参考にして、実用化する際のフ
ェルミ準位の差(Efn−Efp)とその温度依存性に
ついて説明する。
Relationship - Specific Example Having explained the physical properties of the relationship between the temperature dependence of the Fermi levels Efp and Efn and the impurity concentration, next we will use the Si semiconductor, which is currently in large quantities and in practical use, as a specific example, based on the above-mentioned book. Referring to the data on page 37, the Fermi level difference (Efn-Efp) and its temperature dependence in practical use will be explained.

第3図にそのデータを再掲する。The data is reproduced in Figure 3.

通常のSi半導体集積回路製造プロセスにおいて不純物
材料としてはもっばらボロンB、リンPが使用され、そ
の不純物濃度の高いところでは10 ” (atoms
 / cm’ )であるが、不純物濃度をそわ−より2
桁低い10 ” (atoms/cm3)としても、第
3図から読み取れるように、N型半導体とP型半導体の
フェルミ・準位の差(Efn ”fp )は、300’
Kにおいて0.5−(−0,5)−1,0(eV)であ
り、同温度でのエネルギーギャップEg:1.1eVに
比較的近い値となる。温度に対する変化は200’Kか
ら400°K < −c:=o ′C= 130 c 
) (7)範囲テ、約1.04Ce■)から0.86(
eV)の変化で、変化率は、0.9(mV/C)である
。これは先に述べたIGFETのしきい値電圧Vth及
び、ダイオードの順方向降下電圧■、の温度に対する変
化率が2〜3 m V / Cであるのに対し約1/3
の小さい値である。
In the normal Si semiconductor integrated circuit manufacturing process, boron B and phosphorus P are mostly used as impurity materials, and in areas where the impurity concentration is high, 10" (atoms
/cm'), but the impurity concentration is lowered by 2
Even if it is an order of magnitude lower than 10" (atoms/cm3), the difference in Fermi level (Efn "fp) between an N-type semiconductor and a P-type semiconductor is 300' as can be read from Figure 3.
It is 0.5-(-0,5)-1,0 (eV) at K, which is a value relatively close to the energy gap Eg: 1.1 eV at the same temperature. The change with temperature is from 200'K to 400°K <-c:=o'C= 130c
) (7) Range Te, approximately 1.04Ce■) to 0.86(
eV), the rate of change is 0.9 (mV/C). This is about 1/3 of the previously mentioned rate of change of the threshold voltage Vth of the IGFET and the forward drop voltage of the diode with respect to temperature, which is 2 to 3 mV/C.
is a small value.

不純物濃度が10”cm−m以上であればシリコン・エ
ネルギーギャップ(E g ) S i =1.1 (
V )にほぼ等しくなり、温度の変化率は約0.2 m
 V / Cとなり、十分小さい値となる。
If the impurity concentration is 10” cm-m or more, the silicon energy gap (E g ) S i =1.1 (
V ), and the rate of change in temperature is approximately 0.2 m
V/C, which is a sufficiently small value.

従って、不純物濃度は約10’6cm”’s以上であれ
ば少くとも従来より1/2〜1/3に小さくされた温度
依存性を得ることができ、更に好ましくは1010 C
,−3以上(約1710に改善)、更に最も好ましくは
飽和濃度である。
Therefore, if the impurity concentration is about 10'6 cm"'s or more, it is possible to obtain a temperature dependence that is at least 1/2 to 1/3 smaller than that of the conventional method, and more preferably 1010 C.
, -3 or more (improved to about 1710), and most preferably saturation concentration.

フェルミ準位の差の取り出し原理と実例では、このフェ
ルミ準位の差(Efn−EfI))ν(Efn−J)、
(J−Elp)K相当する電圧はいかなる原理に基ずい
て取り出すことができるのか、その−例は、同一半導体
基体表面に形成され4だ導電型の異なる半導体ゲート電
極を有する2つのMOSFETのしきい値電圧■t1.
の差を利用することである。以下その具体例を説明する
In the principle and example of extracting the Fermi level difference, this Fermi level difference (Efn-EfI))ν(Efn-J),
(J-Elp) On what principle can a voltage corresponding to K be extracted? An example is the case of two MOSFETs formed on the surface of the same semiconductor substrate and having semiconductor gate electrodes of four different conductivity types. Threshold voltage■t1.
It is to take advantage of the difference between A specific example will be explained below.

第5図は各FETの概念的な断面構造を表わしたもので
ある。以後簡単のため、P十型半導体をゲート電極とし
たMOS)ランジスタをP+ゲートMOS、N十型半導
体をゲート電極としたMOSトランジスタをN+ゲート
MO8i型半導体なゲート電極としたMOSトランジス
タなiゲートMO8と言うこととする。同図において左
半分はP+、iおよびN+ゲートPチャンネルMOSト
ランジスタであり、右半分はN+、iおよびp 4−ゲ
ートNチャンネルMO8)ランジスタである。
FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional structure of each FET. For the sake of simplicity, hereafter, for the sake of simplicity, we will refer to a MOS transistor with a gate electrode of a P0 type semiconductor as a P+ gate MOS transistor, a MOS transistor with a gate electrode of an N0 type semiconductor as an N+ gate MO8, a MOS transistor with a gate electrode of an i type semiconductor as an i gate MO8. Let's say that. In the figure, the left half is a P+, i and N+ gate P-channel MOS transistor, and the right half is an N+, i and p 4-gate N-channel MO8) transistor.

第5図のMOSFET(Qr )〜(Q、)。MOSFETs (Qr) to (Q, ) in FIG.

(Q4 )〜(Q・ )の相互のしきい値電圧の差は下
表のようになる。
The mutual threshold voltage differences between (Q4) to (Q.) are as shown in the table below.

表 第6図(a) e (b)ないし第11図(a) 、 
(1))は、実際に回路構造上使用される平面パターン
と平面パターンのA−A部断面とを、P+ゲート、iゲ
ート。
Tables Figure 6 (a) e (b) to Figure 11 (a),
(1)) shows a plane pattern actually used in a circuit structure and a section A-A of the plane pattern for a P+ gate and an i gate.

Nゲートの各P−チャンネルおよびNチャンネルMOS
)ランジスタを断面構造と合せて、表わしたものである
N-gate each P-channel and N-channel MOS
) The transistor is shown together with its cross-sectional structure.

上記各図において、ソースおよびドレインのP型頭域は
多結晶Siをマスクとして、不純物の拡散によって形成
される。P型不純物及びN型不純物を選択拡散するだめ
のマスクと上記ソースおよびドレイン領域とのマスク合
せの余裕をとるためにゲート電極のソース及び、ドレイ
ンに接した両端部には、P+ゲートMOS、N+ゲート
MO8の両者ともソース及びドレイン領域と同じ不純物
が拡散される。例えばPチャンネルMO8ではP型不純
物である硼素が拡散される。ゲート電極の中央には、P
+ゲートMOSはP型不純物が、N+ゲートMO8はN
型不純物が拡散される。
In each of the above figures, the P-type head regions of the source and drain are formed by diffusing impurities using polycrystalline Si as a mask. In order to ensure sufficient mask alignment between the mask for selectively diffusing P-type impurities and N-type impurities and the source and drain regions, P+ gate MOS and N+ The same impurities as the source and drain regions are diffused into both gate MO8. For example, in the P-channel MO8, boron, which is a P-type impurity, is diffused. In the center of the gate electrode, P
+ gate MOS has P type impurity, N+ gate MO8 has N
Type impurities are diffused.

上記第6図、第7図及び第8図は各々PチャンネルのP
+ゲート、iゲート、N+ゲートMO8の平面図と断面
図を表わしており、第9図、第10図及び、第11図は
各々NチャンネルのN+ゲート、IゲートN+グー)M
OSの平面図と断面図を表わしている。
The above figures 6, 7 and 8 show the P channel of P channel.
+ gate, i gate, N+ gate MO8 are shown in plan view and cross-sectional view, and FIGS.
A plan view and a cross-sectional view of the OS are shown.

第6図〜第11図において、セルフ・アラインのために
とったゲートのソース及びドレイン領域と同じ不純物拡
散領域が、マスクの合わせの誤差により、製造時におい
て、左右(ソース側あるいはドレイン側)の一方に片寄
ったことによるMOSトランジスタの実効的なチャンネ
ル長のずれ(変化)が極力少なくなるように、ソース領
域とドレイン領域の列を交互に配置し、かつ全体的に左
半分と右半分がチャンネル方向に対して線対称となるよ
うに配置される。従って、マスク合わせのチャンネル方
向に対する(左右)のズレが各列のFETの実効チャン
ネル長に変化を及ぼしても、並列に接続された各列のP
+グー)MO8iゲー)MOS、及びN+ゲー)MOS
の平均的な実効チャンネル長は、全体的にズレが相殺さ
れほぼ一定となる。
In Figures 6 to 11, the same impurity diffusion regions as the source and drain regions of the gate, which were taken for self-alignment, were removed on the left and right sides (source side or drain side) during manufacturing due to mask alignment errors. In order to minimize the deviation (change) in the effective channel length of the MOS transistor due to biasing to one side, the rows of source and drain regions are arranged alternately, and overall the left half and right half are the channels. They are arranged line-symmetrically with respect to the direction. Therefore, even if misalignment of the mask alignment in the channel direction (left and right) changes the effective channel length of the FETs in each column, the P of each column connected in parallel
+ Goo) MO8i game) MOS, and N+ game) MOS
The average effective channel length of is almost constant as the deviations are canceled out as a whole.

第12図は、通常のシリコンゲートCMOS製造プロセ
スにおいて、いかにしてP+グー)MOS及びN+ゲー
)MOSが構成されるかを示したものである。
FIG. 12 shows how P+GMOS and N+GMOS are constructed in a typical silicon gate CMOS manufacturing process.

第12図(a)において、101は比抵抗1Ωcm〜8
ΩcmのN型シリコン半導体で、その上に熱酸化膜10
2を400o^〜16oooλ程度に成長させ、ホトエ
ツチング技術により、選択的に拡散のための窓をあける
。P型不純物となるボロンを50KeV 〜200Ke
V のエネルギーで10”−10” cm−!程度の量
でイオン打込みを行い、その後8時〜20時間程度熱拡
散してNチャンネル間O8)ランシスタの基板であるP
−ウェル103を形成する。
In Figure 12(a), 101 is a specific resistance of 1Ωcm to 8
Ωcm N-type silicon semiconductor with a thermal oxide film 10 on top.
2 is grown to a thickness of approximately 400o^ to 16oooλ, and a window for diffusion is selectively opened using photoetching technology. Boron as a P-type impurity at 50KeV ~ 200Ke
10”-10” cm- with energy of V! Ions are implanted in a moderate amount, and then thermally diffused for about 20 hours between N channels.
- forming wells 103;

同図伽)において、熱酸化膜102を除去し、熱酸化膜
104を1μm〜2μm程形成しMOSトランジスタの
ソース、ドレインおよびゲートとなる領域をエツチング
により除去する。その後300八〜1500A程度のゲ
ート酸化膜105を形成する。その上に多結晶5i10
6を2000^〜6000^程成長させ、MO8)ラン
シスタのゲート部を残してエツチングにより除去する。
In FIG. 3), the thermal oxide film 102 is removed, a thermal oxide film 104 is formed with a thickness of about 1 μm to 2 μm, and the regions that will become the source, drain, and gate of the MOS transistor are removed by etching. Thereafter, a gate oxide film 105 of about 3008 to 1500 Å is formed. On top of that, polycrystalline 5i10
MO8) is grown to a thickness of about 2000^ to 6000^ and removed by etching leaving the gate part of the MO8) transistor.

同図(C)において、気相成長により酸化膜107を形
成し、P型不純物を拡散する領域をホトエツチング技術
により除去する。その後、1020〜10鵞1c、1−
11程の高濃度のP型不純物となるボロンを拡散し、P
チャンネルMO8Lランシスターのソース、ドレイン領
域108を形成し、同時にP型半導体のゲート電極を形
成する。
In the same figure (C), an oxide film 107 is formed by vapor phase growth, and a region where P-type impurities are to be diffused is removed by photoetching. After that, 1020-10 1c, 1-
By diffusing boron, which becomes a P-type impurity at a high concentration of about 11,
The source and drain regions 108 of the channel MO8L run sister are formed, and at the same time, the gate electrode of the P-type semiconductor is formed.

同図(d)において、先と同様に気相成長により酸化膜
109を形成し、N型不純物を拡散する領域をホトエツ
チング技術により除去する。その後、1020〜l Q
 !I Cm−a程度の高濃度のN型不純物となるリン
を拡散し、Nチャンネル間O8)ランシスターのソース
、ドレイン領域110を形成し、同時にN型半導体のゲ
ート電極を形成する。
In FIG. 1D, an oxide film 109 is formed by vapor phase growth as before, and the region where the N-type impurity is to be diffused is removed by photoetching. After that, 1020~l Q
! Phosphorus serving as an N-type impurity at a high concentration of I Cm-a is diffused to form the source and drain regions 110 of the N-channel interlayer O8) run sister, and at the same time, the gate electrode of the N-type semiconductor is formed.

次に、酸化膜109を除去し、気相成長により4000
A〜8000A程度の酸化膜を形成し、電極取り出し部
をホトエツチング技術により除去する。その後、金属(
A))を蒸着し、ホト・エツチング技術により電極配線
部分を形成する。
Next, the oxide film 109 is removed and 4000
An oxide film of about A to 8000 A is formed, and the electrode lead portion is removed by photoetching. Then metal (
A)) is vapor-deposited and an electrode wiring portion is formed using photo-etching technology.

次に、気相成長により1μm〜2μmの酸化膜で覆う。Next, it is covered with an oxide film of 1 μm to 2 μm by vapor phase growth.

ここで、第12図(d)においてQ、、Q、は一般のC
MOSインバータを構成するMO8であり、Q、−Qt
は基準電圧発生のためのP+ゲート。
Here, in FIG. 12(d), Q,,Q, are general C
MO8 that constitutes a MOS inverter, Q, -Qt
is a P+ gate for generating reference voltage.

N+ゲゲーMO8である。N+ Gege MO8.

第13図(a)ないしくd)は、Pチャンネル型のP+
ゲー)MO8とiゲートMO8の製造プロセスにおける
断面を示している。この例では同図(C)までは第12
図(C)までと同じであるが、同図(d)においてMO
S F E T Qt ’)ゲート上の酸化膜1o96
を除去しないでN型不純物を拡散する。
Figures 13(a) to d) show P-channel type P+
Fig. 4 shows cross sections in the manufacturing process of the gate MO8 and the gate MO8. In this example, up to (C) in the same figure is the 12th
Same as up to figure (C), but in figure (d) MO
S F E T Qt ') Oxide film on the gate 1o96
Diffuse N-type impurities without removing them.

第14図(a)ないしくd)はNチャンネル型のP+ゲ
ゲーMO8とN+ゲゲーMO8の製造プロセスにオケる
断面を示している。
FIGS. 14(a) to 14d) show cross sections suitable for the manufacturing process of N-channel type P+GEGA MO8 and N+GEGA MO8.

第15図(a)ないしくd)はN□チャンネル型のN+
ゲゲーMO8,iゲートMO8の製造プロセスにおける
断面を示している。
Figure 15 (a) to d) shows N□ channel type N+
It shows a cross section in the manufacturing process of GeGe MO8 and iGate MO8.

次に、ゲート電極として半導体を用いたMOSトランジ
スタのしきい値電圧について、第16図に従って説明す
る。まずP+ゲー)MO8の場合゛については、第16
図(a)のエネルギーバンド図よφM φS であることが示される。
Next, the threshold voltage of a MOS transistor using a semiconductor as a gate electrode will be explained with reference to FIG. First, for the case of MO8 (P+game), see the 16th
The energy band diagram in Figure (a) shows that φM φS.

但しここで ■。 1半導体基板とゲート電極(P十半
導体)との電位差 X −電子親和力+ Eg rエネル ギーギャップ φ8 IN型半導体基板の表面ポテ ンシャル φFp f真性半導体のフェルミ・ポ テンシャルを基準としたP 型半導体のフェルミ・ボテ う^づ一−ヤプレ タレ− φF I真性半導体のフェルミ中ポテ ンシャルを基準としたN型半 導体基板のフェルミ・ポテン シャル q 蓼電子の単位電荷 Vo e絶縁物に加わる電位差 Eo i伝導帯のエネルギー準位の下 限 Ev1価電子帯のエネルギー準位の 上限 EH+真性半導体のフェルミ・準位 (7)式において、ゲート電極の仕事関数をポテンシャ
ルで表わしてφMP十とし、又半導体の仕事関数を同様
にφsiとすると q であるから、 v、=−vG+φウーφsi−φ8 ・・・・・・・・
・・・・・・・・・・Qlとなる。
However, here ■. 1 Potential difference between semiconductor substrate and gate electrode (P + semiconductor) X - Electron affinity + Eg r Energy gap φ8 Surface potential of IN type semiconductor substrate φFp φF I Fermi potential of the N-type semiconductor substrate q based on the Fermi potential of the intrinsic semiconductor Unit charge of an electron Vo e Potential difference applied to the insulator Eo i Lower limit of the energy level of the conduction band Ev1 Upper limit of the energy level of the valence band EH + Fermi level of the intrinsic semiconductor In equation (7), if the work function of the gate electrode is expressed as a potential and is φMP0, and the work function of the semiconductor is similarly denoted as φsi, then q Therefore, v, = -vG + φwoo φsi - φ8 ・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・Ql.

また第16図ら)の電荷の関係より −C0X−Vo +Qss+Q1 +Qa =0 =Q
I)である。ここで COX+単位面積当り、絶縁物の容 量 Qss g絶縁物中の固定電荷 QB 1半導体基板中不純物のイオ ン化による固定電荷 Qi +チャンネルとして形成され たキャリア al 、 (1m)より −COX(−VG+φMF十−φS−φsrf ) ・
・・・・・aノ+Qs s +Q4 +QB −0・・
・・・・・・・・・・・・・・・・α邊となる。
Also, from the charge relationship in Figure 16, etc., -C0X-Vo +Qss+Q1 +Qa =0 =Q
I). Here, COX + Capacity of insulator per unit area Qss g Fixed charge in insulator QB 1 Fixed charge due to ionization of impurities in semiconductor substrate Qi + Carrier al formed as a channel, (1 m) from -COX (-VG + φMF + −φS−φsrf )・
...aノ+Qs s +Q4 +QB -0...
・・・・・・・・・・・・・・・・・・ α side.

チャンネルQ、ができるときのゲート電圧V。Gate voltage V when channel Q is formed.

が、しきい値電圧であるから、P ゲートMO8しきい
値電圧をVthp+とすると この時φ8−2φ、である。
is the threshold voltage, so if the P gate MO8 threshold voltage is Vthp+, then φ8-2φ.

以下同様にして、N+ゲゲーMO8)ランジスタにおい
てはゲート電極の仕事関数φMN+のみの相違で q である。従ってそのしきい値電圧VthN+はここでφ
8−2φ。
Similarly, in the N+GEG MO8) transistor, the difference is only in the work function φMN+ of the gate electrode, which is q. Therefore, its threshold voltage VthN+ is now φ
8-2φ.

となる。becomes.

とれよりP+ゲートMO8とN+ゲゲーMO8のしきい
値電圧の差Vthp+’thN+は、vthp+Vth
N+=φMP+−φMN+=φFP+−φFN+ ・・
・叩・46)となり、ゲート電極を構成している半導体
のフェルミ・ポテンシャルの差になる。これは第16図
において(a) 、 (C)を比較して、同じ電荷分布
になる時のゲート電圧が、ゲート電極の仕事関数差であ
り、フェルミ・準位の差になっていることで容易に理解
できる。
The difference in threshold voltage between P+ gate MO8 and N+ gate MO8, Vthp+'thN+, is vthp+Vth
N+=φMP+-φMN+=φFP+-φFN+...
46), which is the difference in the Fermi potential of the semiconductors that make up the gate electrode. This is because comparing (a) and (C) in Figure 16, the gate voltage when the charge distribution is the same is the difference in work function of the gate electrode, and the difference in Fermi level. Easy to understand.

以上により、P+ゲートMO8とN+ゲゲーMO8のし
きい値電圧の差として、エネルギー、ギャップEgにほ
ぼ等しい電圧を取り出すことができるということが分っ
たが、その他の方法として、真性半導体をゲート電極と
したMOS(iゲートMO8と以下記す)のしきい値電
圧とP+ゲートMO8あるいはN+ゲー)MOSのしき
い値電圧との差によっても、エネルギー・ギャップEg
の電圧を取り出すことができる。
From the above, it was found that a voltage approximately equal to the energy and gap Eg can be extracted as the difference in threshold voltage between the P+ gate MO8 and the N+ gate MO8. The energy gap Eg is also determined by the difference between the threshold voltage of the MOS (hereinafter referred to as i-gate MO8) and the threshold voltage of the P+ gate MO8 or N+ gate MOS.
voltage can be extracted.

iゲー)MOSのしきい値電圧をvthi とすると、
真性半導体の7工ルミ準位は0であるから(真性半導体
の7工ルミ準位を基準としているため)iゲートMO8
とP+ゲートMO8’のしきい値電圧の差は であり、iゲートMO8とN+ゲゲーMO8のしきい値
電圧の差は 1Vthi’tbN+l=lφFN+ 01+ Eg−
””(1となり、ちょうどエネルギーギャップEgの半
分の電圧になることが容易に分る。
iGame) If the threshold voltage of MOS is vthi,
Since the 7-luminium level of an intrinsic semiconductor is 0 (because it is based on the 7-luminium level of an intrinsic semiconductor), the i-gate MO8
The difference in the threshold voltage between the i-gate MO8 and the N+ gate MO8 is 1Vthi'tbN+l=lφFN+ 01+ Eg-
It is easy to see that the voltage is exactly half the energy gap Eg.

このiゲートMO8とP+ゲートあるいはN−1−グー
)MOSのしきい値電圧の差によって得られる電圧は約
0.55Vと低い基準電圧源と適すること、また後述す
るようにCMO8の製造工程だけでなく、ゲート電極へ
の不純物のドープ工程は1回でできるのでシングル・チ
ャネルのMOSの製造工程でも容易に高精度の基準電圧
源が得られるということで非常に有用である。
The voltage obtained by the difference in threshold voltage between the i-gate MO8 and the P+ gate or N-1-gate MOS is approximately 0.55V, which is suitable for a low reference voltage source. In addition, since the step of doping the gate electrode with impurities can be performed in one step, it is very useful in that a highly accurate reference voltage source can be easily obtained even in the manufacturing process of a single channel MOS.

次にNチャネンネルMO8半導体集積回路でのプロセス
を第17図(a)〜(e)に示した断面を用いて(1)
 比抵抗8〜20Ωcmを有する半導体基板101を用
意し、この基板表面に厚さ1μmの熱酸化膜103を形
成する。
Next, we will explain the process for an N-channel MO8 semiconductor integrated circuit using the cross sections shown in FIGS. 17(a) to (e) (1).
A semiconductor substrate 101 having a specific resistance of 8 to 20 Ωcm is prepared, and a thermal oxide film 103 with a thickness of 1 μm is formed on the surface of this substrate.

(2)MISFETが形成されるべき部分の半導体基板
表面を露出するために熱酸化膜を選択的にエツチングす
る。
(2) The thermal oxide film is selectively etched to expose the surface of the semiconductor substrate where the MISFET is to be formed.

(3)シかる後、露出した半導体基板表面に厚さ750
〜100OAのゲート酸化膜(Sift )103を形
成する(第17図a) (4)多結晶シリコン層と直接コンタクトを取るべき部
分のゲート酸化膜103を選択的にエツチングし、ダイ
レクトコンタクト穴103aを形成する。(第17図b
) (5)酸化膜102 、ゲート酸化膜103.コンタク
ト穴103aを有する半導体基板101主表面全体にシ
リコンをCV D (Chemical Vapor 
De−position )法によりデポジットし、厚
さ3000〜500’OAの多結晶シリコン層を形成す
る。
(3) After bonding, a thickness of 750 mm is applied to the exposed semiconductor substrate surface.
Form a gate oxide film (Sift) 103 of ~100 OA (FIG. 17a) (4) Selectively etch the portion of the gate oxide film 103 that should be in direct contact with the polycrystalline silicon layer to form a direct contact hole 103a. Form. (Figure 17b
) (5) Oxide film 102, gate oxide film 103. Silicon is deposited on the entire main surface of the semiconductor substrate 101 having the contact hole 103a by chemical vapor deposition (CVD).
A polycrystalline silicon layer having a thickness of 3,000 to 500' OA is formed by depositing using the De-position method.

(6)多結晶シリコン層104を選択的にエツチングす
る。(第17図C) (7)半導体基板101主表面全体にCVD法によりC
V D S iO1膜を2000〜3000Aの厚さに
デポジットする。
(6) Selectively etching polycrystalline silicon layer 104. (FIG. 17C) (7) The entire main surface of the semiconductor substrate 101 is coated with carbon by CVD method.
Deposit a V D SiO1 film to a thickness of 2000-3000A.

(8)メモリセル負荷抵抗等の高抵抗部分および、真性
準位ゲート部104aの多結晶シリコン層上のみ上記C
V D S iO*膜105を選択的に残す。
(8) The above-mentioned C
The V D SiO* film 105 is selectively left.

(第17図d) (9)多結晶シリコン層をマスクとして半導体基板10
1内にリンを拡散し、不純物濃度10” atoms/
C1n3のソース領域およびドレイン領域106を形成
スる。この時多結晶シリコン層内にも不純物が導入され
て、ゲート電極104b、ダイレクトコンタクト104
cおよび多結晶シリコン配線部104dを形成する。(
第17図d) Ql 半導体基板101主表面全体K P S G (
Phosph。
(Fig. 17d) (9) Using the polycrystalline silicon layer as a mask, the semiconductor substrate 10 is
Diffusion of phosphorus into the impurity concentration of 10” atoms/
The source and drain regions 106 of C1n3 are formed. At this time, impurities are also introduced into the polycrystalline silicon layer to form gate electrode 104b and direct contact 104.
c and a polycrystalline silicon wiring portion 104d. (
FIG. 17d) Ql The entire main surface of the semiconductor substrate 101 K P S G (
Phosph.

5ilicate Glass )膜107を7000
〜9000大の厚さに形成する。
5ilicate Glass) film 107 to 7000
Form to a thickness of ~9000 mm.

(II)シかる後、A形を単導体基板101主表面に全
面蒸着し、厚さ1msのA4膜108を形成する。
(II) After printing, A-type film is deposited on the entire main surface of the single-conductor substrate 101 to form an A4 film 108 with a thickness of 1 ms.

α2 上記A!膜を選択的にエツチングし、配線領域1
08を形成する。(第17図e) 以下に説明する回路は上述した7工ルミ準位の差(Ef
n−Efp)(Efn−EI )、(Ei−Efp)を
取り出すための一方法となり得るが、その他一般的に、
異なるVthを持つFETのVthの差に基ずく電圧を
基準電圧として利用する基準電圧発生装置として応用で
きる。
α2 Above A! The film is selectively etched to form wiring area 1.
08 is formed. (Fig. 17e) The circuit explained below is based on the above-mentioned difference in the 7-luminium level (Ef).
n-Efp) (Efn-EI), (Ei-Efp), but in general,
It can be applied as a reference voltage generator that uses a voltage based on the difference in Vth of FETs having different Vths as a reference voltage.

第18図(b)は、MOS)ランジスタのしきい値電圧
に対応する電圧を発生する回路である。TlyT、はド
・レインとゲートが共通に接続された、いわゆるMOS
ダイオードを構成している。
FIG. 18(b) shows a circuit that generates a voltage corresponding to the threshold voltage of a MOS transistor. TlyT is a so-called MOS in which the drain and gate are connected in common.
It constitutes a diode.

工。は定電流源、Tr−T*は異なるしきい値電圧■t
hl * Vlhz とほぼ等しい相互コンダクタンス
βを持つMOSFETであり、各々のドレイン電圧をV
l 、V、とすれば 1 o =、/ (V’IVthl ) ”m−β(V
l Vthz)2 ・・・・・・・・・・・・・・・(
1?)であるから Vt−Vthx + fπ刀 ・・・・・・・・・・・
aυVy −vth2 + m m++m+mm川とな
り、ドレイン電圧の差をとれば、しきい値電圧の差を取
り出すことができる。
Engineering. is a constant current source, Tr-T* is a different threshold voltage ■t
It is a MOSFET with transconductance β approximately equal to hl * Vlhz, and each drain voltage is set to V
l, V, then 1 o =, / (V'IVthl)''m-β(V
l Vthz)2 ・・・・・・・・・・・・・・・(
1? ), so Vt-Vthx + fπ sword...
aυVy −vth2 + m m++m+mm, and by taking the difference in drain voltage, the difference in threshold voltage can be extracted.

定電流源としては、十分大きな抵抗を使りても良く、特
性のそろったものであれば、拡散抵抗。
As a constant current source, you can use a sufficiently large resistor, and as long as it has the same characteristics, you can use a diffused resistor.

多結晶Si抵抗、イオン打込みによって作られた抵抗、
MOS)ランジスタによる抵抗を使用することができる
Polycrystalline Si resistor, resistor made by ion implantation,
MOS) resistors can be used.

この回路で一例としてT、、T、として先に説明したN
+ゲゲーMO8及びP+ゲートMOSを使用すれば、し
きい値電圧の差とほぼ等しい値の、N型半導体とP型半
導体のフェルミ・準位の差(Efn −Efp )を取
り出すことができる。
In this circuit, as an example, N
By using the +gege MO8 and the P+ gate MOS, it is possible to extract the Fermi level difference (Efn - Efp) between the N-type semiconductor and the P-type semiconductor, which is approximately equal to the difference in threshold voltage.

第19図および第20図は、異なるしきい値電圧を持つ
FETをMOSダイオード形式に直列に接続して、しき
い値電圧の差を取り出す回路例である。T1はしきい値
電圧■thi t Tmはしキイ値電圧Vth2を持り
てい、ゐとする。
FIGS. 19 and 20 are examples of circuits in which FETs having different threshold voltages are connected in series in the form of MOS diodes to extract the difference in threshold voltage. It is assumed that T1 has a threshold voltage ■thi t Tm and a key value voltage Vth2.

抵抗R1がT1のインピーダンスに比較して十分大きく
、抵抗R1がT、のインピーダンスに比較して十分大き
い条件では VI Vy ’)vthl ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・(至)V 1 + V (h2 ・・・・
・・・・・・・・・・・・・・C!荀ゆえに、■、÷V
thl Vth2 ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・(ハ)となる。
Under the conditions that the resistance R1 is sufficiently large compared to the impedance of T1, and the resistance R1 is sufficiently large compared to the impedance of T, VI Vy')vthl ・・・・・・・・・・・・
...... (to) V 1 + V (h2 ...
・・・・・・・・・・・・・・・C! Because of Xun, ■, ÷V
thl Vth2 ・・・・・・・・・・・・・・・
...(c).

第21図(a)は、容量の両端子にしきい値電圧に対応
する電圧を加え、容量に保持された電圧を差電圧として
取り出すものである。第21図(b)はその動作タイミ
ングを表わしたものである。クロックパルスφ、により
T、、T、をオンさせて容量C,KT、、T、 のLき
い値電圧V、h1. Vtbzの差電圧をチャージする
In FIG. 21(a), a voltage corresponding to the threshold voltage is applied to both terminals of a capacitor, and the voltage held in the capacitor is extracted as a differential voltage. FIG. 21(b) shows the operation timing. The clock pulse φ turns on T,,T, to increase the L threshold voltage V, h1. of the capacitance C,KT,,T,. Charge the differential voltage of Vtbz.

φ1が切れた後、クロックφ、によりT、をオンさせ、
C1のノード■を接地する。この時CIにはしきい値電
圧の差電圧が保持されているから、ノード■にはその電
位をそのままでる。後に述べるような電圧検出回路に使
用する場合には、この時のノード■の電位をそのまま基
準電圧として使用することもできる。が、より一般的な
形で使用できるためには、クロックφ、が入っている時
間内にクロックφ、によってトランス・ミッションゲー
)Ts 、Tyをオンさせて、容量C2にその電位をと
り込み、演算増幅器5の逆相入力(−)へ出力を全面帰
還した、いわゆるボルテージ・フォロワで受ければ、そ
の出力として、十分内部インピーダンスの低い状態で、
’r、e Ttのしきい値電圧の差が基準電圧として得
られる。
After φ1 is cut off, turn on T by the clock φ,
Ground the node ■ of C1. At this time, since the differential voltage between the threshold voltages is held in CI, that potential is output as is to node (2). When used in a voltage detection circuit as described later, the potential at node (2) at this time can be used as it is as a reference voltage. However, in order to be able to use it in a more general form, the transmission gate (Ts, Ty) is turned on by the clock φ during the time when the clock φ is input, and the potential is taken into the capacitor C2. If the output is fully fed back to the negative phase input (-) of the operational amplifier 5 by a so-called voltage follower, the output will be in a state with sufficiently low internal impedance.
'r, e The difference in threshold voltage of Tt is obtained as a reference voltage.

第22図は同様に容量C2を利用した基準電圧発生装置
である。クロックφ1によりT8をオンさせる。この時
T、はりpツクφ、によりオフ状態である。ノード■の
電位はノード■の電位よりT8のしきい値電圧Vtht
だけ下がり、ノード■の電位はノード■の電位よりT、
のしきい値電圧Vth2だけ下がり、容量Cの両端には
両者の差電圧がチャージされる。次にφ、によりTll
をオフし、φ、によりT、をオンさせるとノード■にし
きい値電圧の差電圧が得られる。
FIG. 22 shows a reference voltage generating device that similarly utilizes the capacitor C2. T8 is turned on by clock φ1. At this time, it is in the off state due to T and beam ptsukφ. The potential of the node ■ is lower than the potential of the node ■ by the threshold voltage Vtht of T8.
The potential of node ■ is lower than the potential of node ■ by T,
is lowered by the threshold voltage Vth2, and the difference voltage between the two is charged across the capacitor C. Then, by φ, Tll
When T is turned off and T is turned on due to φ, a voltage difference between the threshold voltages is obtained at the node ■.

第23図は、第21図の回路で使用される演算増幅器を
示したものである。P+−Ttは差動増幅回路を構成し
ている差動対であり、T、、T。
FIG. 23 shows an operational amplifier used in the circuit of FIG. 21. P+-Tt is a differential pair constituting a differential amplifier circuit, and T,,T.

はその能動負荷である。T、は、T、、T、によるバイ
アス回路と共に定電流回路を構成している。
is its active load. T, constitutes a constant current circuit together with a bias circuit formed by T, .

Tm、TyはT、を定電流源負荷とするレベルO変換兼
出力バッ7アー回路である。図ではC−MOSでの回路
構成例を示したが、シングル・チャネルMO8でも構成
できることは言うまでもない。
Tm and Ty are level O conversion and output buffer circuits with T as a constant current source load. Although the figure shows an example of the circuit configuration using C-MOS, it goes without saying that it can also be configured with a single channel MO8.

第24図は、その差動部分のみを取り上げて一般的な演
算増幅器を概略的に表わしたものであるが、ここでMO
S)ランジスタTI 、T、は各々異なるしきい値電圧
Vthl p Vth2を持っており、それ以外の特性
は等しいものとする。また入力側に表われた(−)、(
+)の記号は各々、出力に対して逆相、同相となること
を意味するものである。
FIG. 24 schematically represents a general operational amplifier by taking only its differential part.
S) It is assumed that the transistors TI and T have different threshold voltages Vthl p Vth2, and other characteristics are the same. Also, (-), (
The symbols +) mean that the output is in opposite phase and in phase with the output, respectively.

T、の入力をV、、T、の入力をVtとすれば、v、 
Vthl −v、Vth2 ”まりL Vy =vth
t −vth2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・(ハ)の条件を境として、出力レベルが変化する。
If the input of T is V, and the input of T is Vt, then v,
Vthl -v, Vth2 "Mari L Vy = vth
t-vth2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
- The output level changes after the condition (c) is reached.

演算増幅器はしきい値電圧の差電圧分の入力オフ・セッ
トを持たせ、入力のいずれか一方を接地あるいは、電源
に接続すれば、このオフ・セット電圧を基準電圧とする
コンパレータとして動作させることができる。従って第
24図に示すように、(−)入力端子に出力を接続しく
+)入力端子を接地すれば、出力outにはしきい値電
圧の差が得られる。この場合演算増幅器の動作をさせる
ためには、T、はデプレッション咲−ドであることが必
要である。例えばT、にP+ゲー)MOS、T、にN+
ゲゲーMO8を使用する場合には、両方のMOSFET
のチャンネル部に同一の条件でイオン打込みを行って、
ディプレッション型とすれば良い。
An operational amplifier has an input offset equal to the difference between the threshold voltages, and if one of the inputs is connected to ground or the power supply, it can operate as a comparator using this offset voltage as the reference voltage. I can do it. Therefore, as shown in FIG. 24, by connecting the output to the (-) input terminal and grounding the +) input terminal, a difference in threshold voltage can be obtained at the output (out). In this case, in order to operate the operational amplifier, T must be in depletion mode. For example, T, P+ game) MOS, T, N+
When using Gege MO8, both MOSFETs
Ion implantation was performed under the same conditions in the channel section of
It may be a depression type.

第25図は、第24図における演算増幅器を使って、基
準電圧を任意に設定できるようにしたものである。出力
を分圧手段RIlyR11を通して(−)入力に帰還さ
せれば、その分圧比をrとすれば、出力電圧■oは となる。分圧手段us l R11は線形抵抗が望まし
いが、許容できる程度に十分に特性のそろった抵抗であ
れば何でもよい。
In FIG. 25, the reference voltage can be arbitrarily set using the operational amplifier in FIG. 24. If the output is fed back to the (-) input through the voltage dividing means RIlyR11, and if the voltage dividing ratio is r, then the output voltage o will be as follows. The voltage dividing means us l R11 is preferably a linear resistance, but any resistance may be used as long as it has sufficiently uniform characteristics to an acceptable extent.

第24図、25図の回路はディプレッション型MO8を
使用するのが前提であるのに対し、第26図、第27図
の回路はエンハンスメント型MO8でも動作可能なよう
にしたものである。もちろん、ディプレッジ璽ン型であ
っても差しつかえない。
The circuits shown in FIGS. 24 and 25 are based on the use of a depletion type MO8, whereas the circuits shown in FIGS. 26 and 27 can also operate with an enhancement type MO8. Of course, it can also be of the Depledge Seal type.

第26図の例は、第24図の例と同様出力を(へ)入力
に直接帰還させたもので、出力V0は、電源電圧をVD
Dとすれば Vo =Vop (Vthx −■thz ) =0°
°°゛°°1°°弼となる。第24.25図の回路では
差動対の少−なく共一方をディプレジ冒ン・モードにす
る必要があり、ケースによっては製造工程数を増やさな
ければならないことがあるが、Vthの差電圧を接地電
位を基準にして取り出すことができる。
The example in Figure 26 is similar to the example in Figure 24, in which the output is directly fed back to (to) the input, and the output V0 is the power supply voltage VD.
If D, then Vo = Vop (Vthx - ■thz) = 0°
°°゛°°1°°. In the circuit shown in Figures 24 and 25, it is necessary to put at least one of the differential pairs into the depletion mode, which may require an increase in the number of manufacturing steps depending on the case, but the difference voltage of Vth It can be taken out with reference to the ground potential.

逆に、第26.27図の回路では得られる差電圧の基準
が接地電位でない方の電源電圧となるが、FETの動作
モードの条件は特に付かない。
Conversely, in the circuits shown in Figures 26 and 27, the reference for the resulting differential voltage is the power supply voltage that is not the ground potential, but there are no particular conditions for the operating mode of the FET.

いずれの回路形式を採用するかはどの長短所を重(みる
かによって決めれば良い。
Deciding which circuit type to adopt depends on its merits and demerits.

第27図の例は第25図の例と同様分圧手段Ry 、R
sを通して出力を(−)入力に帰還させたもので、出力
は となる。
The example in FIG. 27 is the same as the example in FIG.
The output is fed back to the (-) input through s, and the output is .

次に以上にのべた基準電圧発生装置の応用について、回
路、ICチップの構造、等について説明する。
Next, regarding the application of the reference voltage generator described above, the circuit, the structure of the IC chip, etc. will be explained.

しきい値電圧の制御 MO8集積回路において個所素子であるMOSFETの
しきい値電圧(Vth )は、LSIの特性を決める重
要なパラメータとなっている。このVthは、製造プロ
セスによるバラツキ、温度による変化が大きく、Vth
の制御がMO8LSI製造上の難点となっている。
Control of Threshold Voltage The threshold voltage (Vth) of the MOSFET, which is a local element in the MO8 integrated circuit, is an important parameter that determines the characteristics of the LSI. This Vth is subject to large variations due to manufacturing processes and changes due to temperature.
control is a difficult point in MO8LSI manufacturing.

一方第28図に例として示す、MOSメモリにおいては
、基板にバイアス電圧をかけ、寄生容量を減少させてい
る。このバイアス電圧を得るために、基板バイアス発生
回路を用いている。基板バイアス発生回路は、第29図
で示す構成となっている。従来の基板バイアス発生回路
は発振部および波形整形部のみからなり、Vthによる
ツーイードパックがなされないのが一般的であった。こ
のため、製造バラツキ、温度により発振周波数、波形整
形能力の差が生じ、安定なバックバイアス電圧VBBを
得られず、Vthの変動も大きいものであった。
On the other hand, in the MOS memory shown as an example in FIG. 28, a bias voltage is applied to the substrate to reduce parasitic capacitance. A substrate bias generation circuit is used to obtain this bias voltage. The substrate bias generation circuit has the configuration shown in FIG. 29. Conventional substrate bias generation circuits consist only of an oscillation section and a waveform shaping section, and generally do not perform two-weed packing based on Vth. For this reason, differences in oscillation frequency and waveform shaping ability occur due to manufacturing variations and temperature, making it impossible to obtain a stable back bias voltage VBB and causing large fluctuations in Vth.

本発明では、この基板バイアス発生回路に、前述したゲ
ート電極の仕事関数差を用(・たコンパレーターを使用
し、vthを一定の電圧にコントロールする。
In the present invention, a comparator based on the work function difference of the gate electrodes described above is used in the substrate bias generation circuit to control vth to a constant voltage.

Vthは、基板バイアスにより変化し、次の式で表わさ
れる。
Vth changes depending on the substrate bias and is expressed by the following formula.

vth−VthO十K(2φF+IVBI11 2φF
)ここでVthOは、V、B−OVのvth 、 Kは
基板効果定数、φ、はフェルミレベルを表ワス。 ・こ
のためVthは基板バイアスv0を変化させることによ
りコントロール可能である。第29図において、発振回
路部は、リングオンレータを使用している。この発振回
路は他の発振回路としてもよい。波形整形部は2つのM
OSダイオードQt pQ、およびコンデンサ6重より
成り、VIIBの電荷をポンプ作用によりGNDに引き
抜く作用をしている。このポンプ作用により、■。は負
電圧に引かれていくがIVBBIの最大電圧■。つは、
どのポンプ作用による引き抜き電圧と基板リーク電流の
安定した点で決定される。発振回路が動作しているかぎ
り、■。はとの安定点■BBMに保たれるが、発振が停
止すると、基板リーク電流により、基板の電荷はリーク
しGNDレベルに近づいていく。
vth-VthO1K (2φF+IVBI11 2φF
) Here, VthO is V, vth of B-OV, K is the substrate effect constant, and φ is the Fermi level. - Therefore, Vth can be controlled by changing the substrate bias v0. In FIG. 29, the oscillation circuit section uses a ring onlator. This oscillation circuit may be replaced by another oscillation circuit. The waveform shaping section has two M
It consists of OS diodes Qt pQ and six layers of capacitors, and has the function of drawing the charge of VIIB to GND by a pumping action. Due to this pump action, ■. is drawn to the negative voltage, but the maximum voltage of IVBBI ■. One is,
It is determined at which pumping action the pullout voltage and substrate leakage current become stable. ■As long as the oscillation circuit is operating. The stable point ■BBM is maintained, but when oscillation stops, the charge on the substrate leaks due to substrate leakage current and approaches the GND level.

■。がGNDレベルに近づくとVthは低下する。■. When Vth approaches the GND level, Vth decreases.

第29図のコンパレータ部は、前述したゲート電極の仕
事関数差を利用したものであり、Nチャンネルプロセス
での例を第30図に示した。第30図でQiは、真性レ
ベルゲートMO8,Q、はNゲート開O8を用いている
。またこれらはデプレッションタイプMO8となってい
る。このため、8g コンパレータは一人力部に−−0,55V(1’)[圧
が入力された時反転する。第29図のVthセンス部は
一つの抵抗およびMOS F E T Qs より成る
The comparator section shown in FIG. 29 utilizes the aforementioned work function difference between the gate electrodes, and an example in an N-channel process is shown in FIG. 30. In FIG. 30, Qi uses an intrinsic level gate MO8, and Q uses an N gate open O8. Moreover, these are depression type MO8. Therefore, the 8g comparator is inverted when -0.55V (1') [pressure is input to the single force section. The Vth sensing section in FIG. 29 consists of one resistor and a MOS FETQs.

ここで抵抗はポリシリコン抵抗拡散層抵抗、MO8抵抗
のいづれでもよいが、抵抗値は、Q、のVthが0.5
5vとなった時、出力が0.55Vとなるよう設定され
ている。今VBBがGNDレベルニ近<QlのVthが
0.55V以下の時には、コンパレート部−入力端子は
0.55V以下となり、コンパレータの出力は1” と
なり発振回路は動作を続けている。■。が■!lBMに
近づきVthが上昇し、0.55Vを越えるとコンパレ
ータ出力は”0″Eなり、発振は停止し、VBBはリー
クによりGNDレベルに近づく。すなわち、フィードバ
ックループが形成され、この基板バイアス発生回路によ
りVthがコントロールされる。コンパレート部で得ら
れす る電圧0.55Vは、エネルギーギャップの−となるた
め、前述した通り温度、製造バラツキ、電源電圧に対し
変化が少ないので、 Vthをきわめて精度よく制御す
ることが可能となり、温度マージン製造プロセスマージ
ン、電源マージンの広いMO8LSIが得られる。また
後述するように、プロセス的にも第32図で示すメモリ
セルにおいて高。
Here, the resistance may be either a polysilicon resistance diffusion layer resistance or an MO8 resistance, but the resistance value is Q, Vth is 0.5
It is set so that when the voltage reaches 5V, the output becomes 0.55V. Now, when VBB is close to GND level <Ql, Vth is 0.55V or less, the comparator section-input terminal becomes 0.55V or less, the output of the comparator becomes 1'', and the oscillation circuit continues to operate.■. ■!Vth increases as it approaches lBM, and when it exceeds 0.55V, the comparator output becomes "0"E, oscillation stops, and VBB approaches GND level due to leakage.In other words, a feedback loop is formed, and the substrate bias Vth is controlled by the generation circuit.The voltage of 0.55V obtained by the comparator section becomes the minus energy gap, and as mentioned above, it does not change much with temperature, manufacturing variations, and power supply voltage, so Vth can be controlled extremely. It becomes possible to control with high precision, and an MO8LSI with a wide temperature margin, manufacturing process margin, and power supply margin can be obtained.As will be described later, the memory cell shown in FIG. 32 has a high temperature margin in terms of process.

抵抗Rを得るプロセスと全く同一プロセスで真性レペル
ゲー)MO8を得ることができるため、従来プロセスを
用い容易に実現できる。
Since the intrinsic Lepergaer MO8 can be obtained in exactly the same process as that used to obtain the resistance R, it can be easily realized using a conventional process.

レベルシフト回路 MO8LSIにおいて電源として5■電源を用い、入力
としてTTLロジック回路からの信号を用いた場合、高
レベルとして2.OV、低レベルとしてO,SVの信号
となる。このTTL信号をMOSレベルに変換する場合
には、従来入力部インバータのレシオをとり、MOSレ
ベルへ変換していたが、Vthバラツキ、温度変化によ
り、入力レベルマージンが小さくなる問題があった。
In the level shift circuit MO8LSI, when a 5■ power supply is used as a power supply and a signal from a TTL logic circuit is used as an input, 2. OV and low level are O and SV signals. When converting this TTL signal to a MOS level, conventionally the ratio of the input inverter is taken and converted to the MOS level, but there is a problem that the input level margin becomes small due to Vth variations and temperature changes.

前述したゲート電極の仕事関数差を用いた基準電圧発生
回路を用いたTTL−)MO8変換回路の例を示す。第
32図にMOSメモリのアドレスノ(ッファ回路に本方
式を用いた具体例を示す。
An example of a TTL-)MO8 conversion circuit using the reference voltage generation circuit using the work function difference of the gate electrodes described above will be shown. FIG. 32 shows a specific example in which this method is used in an address buffer circuit of a MOS memory.

Vref として前述第25図の回路により基準電圧1
.4vを発生する。アンプとして第33図の差動アンプ
を用い入力のロジックVthを1.4■となる入力バッ
ファを作成する。本方法によりTTL→MO8変換回路
が得られる。
The reference voltage 1 is set as Vref by the circuit shown in FIG.
.. Generates 4v. Using the differential amplifier shown in FIG. 33 as an amplifier, an input buffer with an input logic Vth of 1.4■ is created. This method provides a TTL→MO8 conversion circuit.

また他の方法としてアンプに、第23図で示す路を用い
Vrefすなわち第24図■をGND、■を入力として
もよい。この場合Tt 、Tyはデプレッション型MO
8を用いる。
Alternatively, the path shown in FIG. 23 may be used in the amplifier, and Vref, that is, the input voltage (2) in FIG. In this case, Tt and Ty are depression type MO
8 is used.

第34図はインバータを始めとする論理回路のロジック
・スレッショールドを使用電源電圧、MOSトランジス
タのしきい値電圧、温度等の変化に対し、常に一定にし
ようとするものである。
FIG. 34 shows an attempt to keep the logic threshold of a logic circuit such as an inverter constant against changes in the power supply voltage used, the threshold voltage of MOS transistors, temperature, etc.

Q、、Q、tQsで構成されるインノ(−夕1゜Q4 
− Q−、Q−で構成されるインバータ2は各各、ロジ
ック・スレッシワールド制御用のMO8QI 、Q4を
持っている。
Inno (-Y1゜Q4) composed of Q,,Q,tQs
- The inverter 2 composed of Q- and Q- each has MO8QI and Q4 for logic threshold world control.

Q、、Q、、Q、は先に述べたインバータ1゜インバー
タ2と相似(MOSのパターンサイズ比が等しい)にな
るように構成されており、インバータとしての入力と出
力が結合されて、ちょうどロジック・スレッショールド
電圧が得られるようになっている。
Q, ,Q, ,Q, are configured to be similar to inverter 1 and inverter 2 (the MOS pattern size ratios are the same), and the input and output of the inverter are combined to form exactly Logic threshold voltages are now available.

CMPlは先に説明した基準電圧を差動回路のオフパセ
ットとして有する比較回路である。CMPlはこのロジ
ック・スレッショールドと自分の中に持っ゛〔いる基準
電圧とを比較し、両者の差がほぼ0となるようにQ+の
ゲート電圧を制御する。
CMP1 is a comparison circuit having the reference voltage described above as an offset of the differential circuit. CMP1 compares this logic threshold with its internal reference voltage, and controls the gate voltage of Q+ so that the difference between the two becomes approximately zero.

つまりロジック・スレッショールド〉基準電圧であれば
CMPIの出力はハイ・レベルになりQ。
In other words, if the logic threshold > the reference voltage, the CMPI output will be high level and Q.

の等価抵抗は大きくなり、ロジック・スレッショールド
を下げる方向に作用する。ロジック・スレッショールド
〈基準電圧の場合にはこの逆となり、両者は等しいとこ
ろで平衡状態となる。
The equivalent resistance of is increased, which acts to lower the logic threshold. In the case of logic threshold (reference voltage), the opposite is true, and an equilibrium state occurs when both are equal.

QI=Q4のゲート電圧はQ、のゲート電圧と共通であ
り、前者と後者は相似の関係にあるから、これによりイ
ンバータ1.インバータ2のロジック・スレッショール
ドは基準電圧と等しくなり、非常に安定なインバータ特
性を有することになる。
The gate voltage of QI=Q4 is common to the gate voltage of Q, and the former and latter have a similar relationship, so that the inverter 1. The logic threshold of inverter 2 is equal to the reference voltage, resulting in very stable inverter characteristics.

始めに述べたように、これはインバータのみに必らず、
ナンド、ノア等の他の論理回路にも同様に適用できる。
As mentioned at the beginning, this does not necessarily apply only to inverters;
It can be similarly applied to other logic circuits such as NAND and NOR.

CMOS構成でな(とも、通常のシングル・チャンネル
のインバータ等の論理回路の場合にも、容易に適用でき
る。
It can be easily applied to a logic circuit such as a normal single-channel inverter as well as a CMOS configuration.

これらの回路は、特に入力レベル、論理振巾の範囲が狭
い場合にも確実に信号をデジタル処理できる入力のイン
ターフェース回路として有用である。
These circuits are particularly useful as input interface circuits that can reliably digitally process signals even when the range of input level and logic amplitude is narrow.

電圧検出器 第35図は、Vthの差を利用した基準電圧発生装置か
らの基準電圧を比較器の一人力に加え、他の一方の入力
に被検出電圧を加え、被検出電圧の基準電圧に対する高
低が区別できるようにした電圧検出回路である。
The voltage detector shown in Fig. 35 adds the reference voltage from the reference voltage generator that uses the difference in Vth to one input of the comparator, adds the detected voltage to the other input, and calculates the detected voltage with respect to the reference voltage. This is a voltage detection circuit that can distinguish between high and low voltages.

第36図の例は、Vthの差を利用した基準電圧発生装
置からの基準電圧を比較器の一人力に加え、他の一方の
入力に被検出電圧を分圧手段R,,R,。
In the example shown in FIG. 36, a reference voltage from a reference voltage generator using a difference in Vth is added to one input of the comparator, and the detected voltage is applied to the other input of the voltage dividing means R,,R,.

により分圧した電圧を加えた電圧検出回路である。This is a voltage detection circuit that applies voltage divided by .

分圧比をr1基準電圧をVref、検出レベルを■se
□5eとすると となり、分圧比「により検出レベルv、en5eを任意
に設定できる。
The voltage division ratio is r1, the reference voltage is Vref, and the detection level is ■se.
□5e, and the detection level v, en5e can be set arbitrarily by the partial pressure ratio.

第37図の例は、Vthの差に相当するオフ・セットを
持った演算増幅器を用いて、先に説明したようにオフ・
セット電圧を基準電圧として利用した電圧検出回路であ
る。またR、、 、 R,!は第36・ 図の例と同じ
分圧手段である。
The example in FIG. 37 uses an operational amplifier with an offset corresponding to the difference in Vth, and uses an off-set signal as described above.
This is a voltage detection circuit that uses a set voltage as a reference voltage. Again R,, , R,! is the same pressure dividing means as in the example of Fig. 36.

第36.36.37図の例において被検出型−圧〕゛を
電源電圧とすればバッテリーを電源として使用するシス
テムにおいては、バッテリーチェッカーとして利用でき
る。第37図の電圧検出回路を電子時計のバッテリφチ
ェッカーに応用した具体例を第44図に示すが、詳しい
説明は後述する。
In the example of Figures 36, 36, and 37, if the voltage to be detected is the power supply voltage, it can be used as a battery checker in a system that uses a battery as a power source. A specific example in which the voltage detection circuit of FIG. 37 is applied to a battery φ checker for an electronic watch is shown in FIG. 44, and detailed explanation will be given later.

定電圧装置 第38図の例は、安定化電源回路に応用したものである
。基準電圧発生回路は先に述べたい(つかの方法で構成
したものであり、R,、l R,4により安定化出力の
一部と基準電圧とを比較し、一致するようにTwoのゲ
ート電圧を制御し、出力電圧を安定化する。演算増幅器
は、その特性が許容される範囲で何を使っても良い。
The example of the voltage regulator shown in FIG. 38 is applied to a stabilized power supply circuit. I would like to describe the reference voltage generation circuit first. and stabilize the output voltage.Any operational amplifier may be used as long as its characteristics are acceptable.

第39図の例は第38図の例でT、oにMOSトランジ
スタを使用したのに代えてバイポーラ・トランジスタT
R1を使用したものである。
The example in Figure 39 uses bipolar transistors T instead of the MOS transistors T and o in the example in Figure 38.
This uses R1.

第40図の例は第24図の例で示したオフ・セット電圧
を持った演算増幅器を使用したものである。’I’ll
は当然MO8)ランジスタであってもバイポーラトラン
ジスタであっても、接合型電界効果トランジスタであっ
ても良い。
The example shown in FIG. 40 uses an operational amplifier having the offset voltage shown in the example shown in FIG. 'I'll
(Of course, MO8) may be a transistor, a bipolar transistor, or a junction field effect transistor.

定電流装置 第41図の例は、T、とT、のしきい値電圧の差によっ
て決定される定電流回路である。
Constant current device The example of FIG. 41 is a constant current circuit determined by the difference in threshold voltage between T and T.

T、、T、は同一の相互コンダクタンスβを持ち、しぎ
い値電圧は各々異なるVth、 ”th、である。抵抗
R2゜がT、のインピーダンスに比較して十分高ければ
、T1のドレイン電圧(−ゲート電圧)■1は■tI□
、とほぼ等しくなる。
T, , T, have the same transconductance β, and their threshold voltages are different Vth, ``th.'' If the resistance R2゜ is sufficiently high compared to the impedance of T, then the drain voltage of T1 ( - gate voltage) ■1 is ■tI□
, is almost equal to .

Ttが飽和領域の時は、T、に流れる電流■。When Tt is in the saturation region, the current flowing through T.

は となる。teeth becomes.

第42図の例は、Tttに流れる電流Iによる電圧降下
■。utR□を基準電圧■refと比較し、常に両者が
等しくなるようにT、のゲート電圧を制御するようにし
た定電流回路である。
In the example of FIG. 42, the voltage drop ■ due to the current I flowing through Ttt. This is a constant current circuit that compares utR□ with a reference voltage ref and controls the gate voltage of T so that both are always equal.

となる。becomes.

ここで基準電圧は、先の例にもあるように演算増幅器に
オフ・セットを持たせることによって得ても良い。
Here, the reference voltage may be obtained by providing an operational amplifier with an offset, as in the previous example.

第43図の例は、Ts+ s T33を同一のトランジ
スタとし、いわゆるカレント・ミラー回路を用いた定電
流回路である。
The example shown in FIG. 43 is a constant current circuit using the same transistor as Ts+s T33 and using a so-called current mirror circuit.

電子時計 第44図の例は、第37図の例のバッテリ・チェッカー
を電子時計に応用した例である。
The example of an electronic watch shown in FIG. 44 is an example in which the battery checker shown in the example of FIG. 37 is applied to an electronic watch.

T、 、T、 IT、、〜T4゜およびR4,とR4,
は公称1.5Vの水銀電池E、の電圧レベルをチェック
する回路を構成する。差動部のトランジスタ対をP ゲ
ート・Nチャンネル−MOS、N+ゲゲー・Nチャンネ
ル−MO8T、、T、で構成し、両者のしきい値電圧が
電子時計の動作電源範囲である1、0V〜1.5V以内
になるように、チャンネル部分にイオン打込みをほどこ
している。
T, ,T, IT, ,~T4゜and R4, and R4,
constitutes a circuit that checks the voltage level of a mercury cell E, nominally 1.5V. The transistor pair of the differential part is composed of P gate/N channel-MOS, N+ gate/N channel-MO8T,,T, and the threshold voltage of both is 1.0 V to 1, which is the operating power supply range of the electronic watch. Ion implantation is performed in the channel part so that the voltage is within .5V.

基準電圧となるしきい値電圧の差は、シリコン牛導体の
場合は、約1.IVであり、バッテリーの電圧が下った
ことを検出するレベルを1,4V近辺に合せるために抵
抗手段R,,R,の抵抗比で調整している。
The difference in threshold voltage, which is the reference voltage, is approximately 1. IV, and is adjusted by the resistance ratio of the resistance means R, , R, in order to adjust the level at which it is detected that the battery voltage has dropped to around 1.4V.

このバッテリーチェッカーは、消費電流を実用上無視で
きる程度とするために、分周回路FDよりタイミング回
路TMを通して得られるクロック信号φにより1間欠的
に動作する。
This battery checker operates intermittently by a clock signal φ obtained from the frequency divider circuit FD through the timing circuit TM in order to reduce the current consumption to a practically negligible level.

バッテリーチェッカーの出力はNANDゲートゲー、、
NA、で構成されたラッチによりスタティックに保持さ
れ、このラッチ回路出力の論理レベルにより、タイミン
グ回路TMを制御し、それによってモータの駆動出力を
変えて、指針の運針の方法を変えて、バッテリー電圧の
低下を表示する。バッテリー電圧の低下は指針の動きを
変えず、別に液晶や発光ダイオード等の電気光学的素子
を、点滅させる等して表示することも可能である。
The output of the battery checker is a NAND gate game.
The logic level of this latch circuit output controls the timing circuit TM, which changes the drive output of the motor and changes the way the hands move, thereby adjusting the battery voltage. display a decline in The drop in battery voltage does not change the movement of the pointer, and it is also possible to display it by blinking an electro-optical element such as a liquid crystal or a light emitting diode.

なお同図において、O8CはCMOSインバータで構成
され、IC外の部品水晶Xta1及び容量co、CDを
一緒に含む水晶発振回路、WSはその発振出力を正弦波
からく形波に変換する波形成形回路、CMは秒針を駆動
するステップ・モータの励磁コイル、BF、、BF、は
CMOSインバータで構成され励磁コイルCMを1秒毎
に極性を反転して駆動するためのバッファーである。
In the same figure, O8C is a crystal oscillator circuit composed of a CMOS inverter and includes components crystal Xta1, capacitors CO, and CD outside the IC, and WS is a waveform shaping circuit that converts the oscillation output from a sine wave to a rectangular wave. , CM is an excitation coil for a step motor that drives the second hand, and BF, , BF is a buffer for driving the excitation coil CM by reversing its polarity every second, which is composed of a CMOS inverter.

IC内の全ての回路は公称1.5■の水銀電池E、で動
作する。またTMは分周回路FDの複数の周波数の異な
る分局出力およびNA、、NA。
All circuits within the IC are powered by a nominal 1.5-inch mercury cell E. Further, TM is the divided output of a plurality of different frequencies of the frequency dividing circuit FD and NA, , NA.

で構成されたラッチの制御出力を入力として、任意の周
期およびパルス幅を持つパルスを発生するタイミングパ
ルス発生回路である。ICは第6図に示すSiゲー)C
MOSプロセスで作られた指針式電子腕時計用モノリシ
ックSi半導体チップである。
This is a timing pulse generation circuit that receives the control output of a latch configured as input and generates a pulse with an arbitrary period and pulse width. The IC is a Si game shown in Figure 6)C
This is a monolithic Si semiconductor chip for pointer type electronic wristwatches made using a MOS process.

以上本発明について種々の実施例をもとに説明したが、
これに限定されず、ここに記載された技術思想はその他
色々な用途の電子機器に応用されるであろう。
The present invention has been described above based on various embodiments, but
The technical idea described herein is not limited to this, and may be applied to electronic devices for various other uses.

次に本発明に係る基準電圧発生手段を電子装置の状態設
定回路、オートクリア回路等に応用した具体例につき説
明する。
Next, a specific example will be described in which the reference voltage generating means according to the present invention is applied to a state setting circuit, an auto clear circuit, etc. of an electronic device.

第45図は状態設定回路の一例を示す回路図であり、4
個のMOSFETで構成されている。同図において、a
点、b点の電位が0の場合、電源(−VDD)投入時M
O8FETT、、T、 はN−MOSFETであるので
共九″ON″状態となり、a点、b点は電源の立下りと
同時に電源側(−VDD)に引っ張られる。この時T3
のN−MOSFETは半導体のエネルギーバンド差を利
用[またもので、ソ’) vtbNがMO8FETT、
 のそれ、に比べ約3倍(fiFIJ T+V111=
0.45V+TsVth=1.25V) トなっている
ので、電源の立下りの途中で、MO8FET71.は先
に” OFF”となる。MO8FBTT、は引き続き、
6ON”状態となっているため、b点は−vDD、a点
はGNDの電位で安定となる。
FIG. 45 is a circuit diagram showing an example of a state setting circuit;
It is composed of MOSFETs. In the same figure, a
If the potential at point and point b is 0, when the power (-VDD) is turned on, M
Since O8FETT, T, are N-MOSFETs, they are both in the "ON" state, and points a and b are pulled to the power supply side (-VDD) at the same time as the power supply falls. At this time T3
The N-MOSFET uses the energy band difference of semiconductors.
About 3 times as much as that of (fiFIJ T+V111=
0.45V + TsVth = 1.25V), MO8FET71. is turned "OFF" first. MO8FBTT continues,
6ON" state, the point b is stable at the potential of -vDD and the point a is stable at the potential of GND.

又、電源(−VDD )が切れた状態で、a点でOV。Also, with the power (-VDD) turned off, OV at point a.

b点でiV位に電荷が残った場合においては、電源の立
下’l途中においてVDD=MO8FETTsのVth
N まではT、は’ OF F ”状態となっており、
MO8FETT、は■DD=TIVthNでON”状態
と′なるため、初期状態にa点がov、b点がIV(又
はT、のVthNまで)位であっても、安定状態ではb
点が■DD、a点がOVとなる。さらに本回路では全て
E−MOSFETで構成されているため安定状態での消
費電流は殆んど零である。
If a charge remains at about iV at point b, VDD=Vth of MO8FETTs during power supply fall.
Until N, T is in 'OF F' state,
MO8FETT is in the ON state when DD=TIVthN, so even if point a is ov and point b is IV (or up to VthN of T) in the initial state, b is in the stable state.
The point is ■DD, and the point a is OV. Furthermore, since this circuit is entirely composed of E-MOSFETs, current consumption in a stable state is almost zero.

第46図は従来提案されている状態設定回路の例を示す
回路図であり、同図において、ラッチ回路の安定度を増
すため、T、のNチャンネルD(デグリーンヨン)−M
OSFETが挿入されている。このD−MOSFETに
より電源(−VDD)投入時、a点は必ず電源と同時に
立下り、又す点はMO8FETT、のVthまで電源が
立下がらないと、ON″しないため安定状態ではb点が
VDIMa点が0■となる。しかし本回路ではa点とV
DDとの間にD−MOSFETを使用しているため、次
に何等かの形でa A VDD + b点0V(RES
ET)状態になった時、P−MO8FETT。
FIG. 46 is a circuit diagram showing an example of a conventionally proposed state setting circuit. In the same figure, in order to increase the stability of the latch circuit,
OSFET is inserted. With this D-MOSFET, when the power (-VDD) is turned on, point a always falls at the same time as the power supply, and point b does not turn on unless the power falls to Vth of the MO8FET, so in a stable state, point b is VDIMa. The point becomes 0■. However, in this circuit, the point a and V
Since a D-MOSFET is used between the DD and the DD, the voltage at the point a A VDD + point b 0V (RES
ET) state, P-MO8FETT.

がON″となりT、とT、による直流パスが生じて消費
電流大となる。それに対して第45図のような本発明の
状態設定回路では上記したように状態設定が確実にでき
ると共に消費電流が極めて小さくてすむので有効な状態
設定手段を提供することができる。
turns ON'', and a DC path is created between T and T, resulting in a large current consumption.On the other hand, the state setting circuit of the present invention as shown in FIG. Since it only needs to be extremely small, it is possible to provide an effective state setting means.

次に本発明に係る電圧レギュレータ及びその応用例を説
明する。
Next, a voltage regulator according to the present invention and an example of its application will be explained.

第47図は本発明による電圧レギュレータであり、第4
8図はその特性図である。
FIG. 47 shows a voltage regulator according to the present invention;
Figure 8 shows its characteristic diagram.

第47図の比較型電圧レギュレータは公知のそれと類似
の構成となっているが、電圧比較器CPがプラス・マイ
ナス両入力端子からみて電圧レベルで非対称にならてい
るところが通常の電圧比較器と異なっている。つまり、
この電圧比較器はプラス・マイナス両入力の電圧レベル
が等しいときにはバランスせず、マイナス側の方に所定
の高い入力電圧(絶対値で)が印加されたときバランス
する。註い換えればこの電圧比較器はプラス・マイナス
の入力レベルがバランス点に対してオフセットを持って
いる。
The comparison type voltage regulator shown in Fig. 47 has a similar configuration to a known one, but differs from a normal voltage comparator in that the voltage comparator CP is asymmetrical in voltage level when viewed from both the plus and minus input terminals. ing. In other words,
This voltage comparator is not balanced when the voltage levels of both the positive and negative inputs are equal, but is balanced when a predetermined high input voltage (in absolute value) is applied to the negative side. In other words, the positive and negative input levels of this voltage comparator have an offset with respect to the balance point.

° このような電圧レギュレータによれば、入力電圧V
inが高い場合出力電圧■。utは基準電圧■refに
依存しI vout−’in ’の差が大きくとられる
が、入力電圧■ioが低い場合は■。旧は専ら■inに
依在し、l ’V’ −Vout l の差は小さくさ
れる。両n 者の変化点Pは、入力電圧Vinに関して言えば、vt
n≧V、の点に設定される(V+はレギュレータ負荷/
の最低動作電圧である)。
° According to such a voltage regulator, the input voltage V
If in is high, the output voltage ■. ut depends on the reference voltage ref, and a large difference between Ivout and 'in' is taken, but if the input voltage io is low, then . The old one depends exclusively on ■in, and the difference l'V'-Voutl is made small. Regarding the input voltage Vin, the change point P of both n is vt
n≧V, (V+ is the regulator load/
(minimum operating voltage).

このように構成された電圧レギュレータによれば、負荷
/は、入力電圧■inが高いときは、最低動作電圧■、
よりも高いが入力電圧■inよりも低い出力電圧■。u
tで動作されるので、動作が保証されつつその消費電力
が低減される。また入力電圧■inが低いときは、負荷
/は入力電圧■inとほぼ同じかそれより若干小さい出
力電圧■。utで動作させられるので、負荷/の入力電
圧■inに対する最低動作電圧■、が保証され、高い入
力電圧■inに対しては負荷/に合った電圧に出力電圧
V。utを低減しているので、この電圧レギュレータは
負荷/に対して低消費電力及び広範囲な入力電圧■in
の幅を持たせることができる。
According to the voltage regulator configured in this way, when the input voltage ■in is high, the minimum operating voltage ■,
The output voltage ■ is higher than the input voltage ■in. u
Since it is operated at t, power consumption is reduced while operation is guaranteed. Also, when the input voltage ■in is low, the load/is the output voltage ■ which is approximately the same as the input voltage ■in or slightly smaller than it. Since it is operated at UT, the minimum operating voltage V for the input voltage IN of the load / is guaranteed, and for a high input voltage IN, the output voltage V is set to a voltage matching the load / IN. This voltage regulator has low power consumption and wide input voltage range for the load/load.
can have a width of

このような効果を、オフセットを持たない電圧比較器レ
ギュレータに対比させて、第48図のグラフを用いて詳
述する。
These effects will be explained in detail using the graph of FIG. 48 in comparison with a voltage comparator regulator having no offset.

同図において横軸は入力電圧vinを縦軸は出力■ou
tおよび基準電圧■refを示している。曲線aは■i
nに等しい■。utを示しており、言い換えれば、電圧
レギーレータを用いないで、入力電圧■ioで直接負荷
/を動作させた場合の仮想曲線を示している。
In the same figure, the horizontal axis is the input voltage vin, and the vertical axis is the output
t and reference voltage ref. Curve a is ■i
■ Equal to n. In other words, it shows a hypothetical curve when the load / is operated directly at the input voltage ■io without using a voltage regirator.

曲線Cは一般の基準電圧■ref1を示しており、通常
基準電圧発生回路■、。(GENFETのしきい値電圧
Vth、を流増幅係数13相互コンダクタンスgnl、
或はPN接合の順方向、逆方向電圧降下■F、■2、双
極トランジスタの電流増幅率hfeを利用しているため
、■refGENの出力電圧■refはその電源電圧■
inに依存する(■ref”” f (Vin) )。
Curve C shows a general reference voltage ref1, which is a normal reference voltage generation circuit. (The threshold voltage Vth of GENFET, the current amplification coefficient 13 mutual conductance gnl,
Alternatively, since the forward and reverse voltage drops of the PN junction ■F, ■2 and the current amplification factor hfe of the bipolar transistor are used, ■refGEN's output voltage ■ref is its power supply voltage ■
Depends on in (■ref”” f (Vin)).

電圧比較回路CPの基準電圧としてこのような基準電圧
■ref1を使用し、また前述したようなオフセットを
比較回路CPに持たせなかった場合、出力電圧■。ut
は基準電圧vref、に等しくなり曲fiICに一致′
1″る1、そして、基準電圧■ref1は入力電圧V・
 より高くなることはないので、出力電圧室n Voutはどの範囲においても入力電圧■inよりも低
くなる。その結果、出力電圧V。utが負荷/の最低動
作電圧V、に等しくなるとき(点R)の入力■、圧■i
nはVt (’Vt >Vt )となる。従って、負荷
/かもみた入力電圧v1nの可能使用範囲はIV2−V
、+に相当する電圧分だけ、損失が生ずることになる。
When such a reference voltage ref1 is used as the reference voltage of the voltage comparator circuit CP, and the offset as described above is not provided in the comparator circuit CP, the output voltage ■. ut
is equal to the reference voltage vref, which matches the curve fiIC'
1" 1, and the reference voltage ref1 is the input voltage V.
Therefore, the output voltage chamber nVout is lower than the input voltage ■in in any range. As a result, the output voltage V. When ut becomes equal to the minimum operating voltage V of the load / (point R), the input ■, pressure ■i
n becomes Vt ('Vt > Vt). Therefore, the possible usable range of the load/input voltage v1n is IV2-V
, + will cause a loss.

この損失を小さくするfこめに、第47図の電圧レギー
レータでは、マイナス入力がプラス入力よりもオフセン
ト電圧Δvoff高(なったとき平衡するよう比較器C
Pを構成jる。
In order to reduce this loss, in the voltage regirator shown in Fig. 47, a comparator C
Configure P.

また基準電圧としては、仮想の基準電圧■、。[1より
も小さく類似特性をもつ基準電圧■ref2(曲線d)
を用い、目標通常入力電圧■3における実質的な比較電
圧(vref2+Δ■off)が仮想の基準電圧■re
flに等しくなるよう、つまり目標動作点Sに一致する
ようVref2とΔ”o f fの値を設定している。
Also, as a reference voltage, use a virtual reference voltage ■. [Reference voltage smaller than 1 and having similar characteristics ■ref2 (curve d)
Using
The values of Vref2 and Δ”of f are set to be equal to fl, that is, to match the target operating point S.

このような構成によれば、電圧比較器C’Pは、vou
1=■ref2+Δ■offの条件で平衡し、この平衡
条件を満足する入力電圧■ioは、Vi n ’≠vo
U1なので、vin全■ref2+Δvoffのときだ
けとなる。
According to such a configuration, the voltage comparator C'P has vou
The input voltage ■io that is balanced under the condition of 1=■ref2+Δ■off and satisfies this equilibrium condition is Vin'≠vo
Since it is U1, this occurs only when vin total ■ref2+Δvoff.

入力電圧■inが(■refz+Δ■off)より小さ
い場合、出力電圧■ioもそれより小さくなるので比較
器CPは出力電圧V。utを高(しようと働(が、この
帰還制御は出力電圧■。utを入力電圧vinに等しく
したところで制限されてしまう(Vout〈Vinのた
め)。
When the input voltage ■in is smaller than (■refz+Δ■off), the output voltage ■io is also smaller than that, so the comparator CP outputs the voltage V. However, this feedback control is limited when ut is made equal to the input voltage vin (because Vout<Vin).

従って出力電)玉v。utはV r II −V r 
ef 2+Δ■offを変曲点(P)として、入力電圧
Vioが変曲点Pよりも高いときは■ref2+Δ■o
ff に低減(制限)され(曲線b+ )、vloがそ
れより低いときはほぼ入力電圧■in (曲−a2 )
に等しくされる。
Therefore, the output voltage) ball v. ut is V r II - V r
ef 2+Δ■off is the inflection point (P), and when the input voltage Vio is higher than the inflection point P, ref2+Δ■o
ff (curve b+), and when vlo is lower than that, the input voltage is approximately ■in (curve-a2)
is made equal to

そして、この変曲点Pが入力重圧Vin関して(横軸で
)最低動作室、圧L(点Q)と同じかまたは高ければ前
述した損失を避けろことができる。
If this inflection point P is equal to or higher than the lowest operating chamber and pressure L (point Q) with respect to the input pressure Vin (on the horizontal axis), the above-mentioned loss can be avoided.

これは、曲線すがΔVoff によって曲f3!aと交
差点を持つからであり、曲Mlのように曲線aと交点を
持たない場合にはこのような効果は得られない。
This is the curve f3! due to the curve ΔVoff. This is because the curve has an intersection with the curve a, and such an effect cannot be obtained when the curve Ml does not have an intersection with the curve a.

tx、+6、第47図のFETはソース・フォロワーと
して働(もののデプレッション・モードNチャンネルF
ETであるので、Vout−Vinを可能とし、そのし
きい値電圧Vthの損失がない。従って、これは入力電
圧■inが小さい場合に有効である。
tx, +6, the FET in Figure 47 acts as a source follower (depression mode of the N-channel FET).
Since it is an ET, Vout-Vin is possible, and there is no loss in the threshold voltage Vth. Therefore, this is effective when the input voltage ■in is small.

しかしながら、このことはエンハンス・メントモードの
ソース・フォロワFETの使用ヲ否定スるものでなく、
入力電圧が太きく Vth損失が重大な問題でなくて、
デプレッション・モードFET製造プロセスを採用する
ことが困難な場合極めて有効である。この場合、低い方
の出力電圧■。ut(変化点Pより下)を決める曲&!
a、(■out−■1n)はVthだけ下方の方へシフ
トする(Vout””’in−■th)だけであり、出
力電圧■。ut に上述したような効果を持たせること
が可能なことに変わりはない。
However, this does not negate the use of enhancement mode source follower FETs.
The input voltage is large and Vth loss is not a serious problem,
This is extremely effective when it is difficult to employ a depression mode FET manufacturing process. In this case, the lower output voltage■. The song that determines ut (below the change point P) &!
a, (■out-■1n) is only shifted downward by Vth (Vout""'in-■th), and the output voltage is ■. It is still possible to give ut the effect described above.

また、図中NチャンネルFETをPチャンネルFETに
代えることもでき、この場合Pチャンネ#FETはソー
ス接地として働(ので、上述したVthの損失はない。
Further, the N-channel FET in the figure can be replaced with a P-channel FET, and in this case, the P-channel #FET functions as a source grounding (therefore, there is no Vth loss described above).

制御用のFETとしてソース接地、ソースフォロワのい
ずれを採用するかに本質的な差異はないが、ソース接地
にした場合はデプレッション・モードFETにするよう
なしきい値電圧Vth撰失に対する特別な配慮は必要で
ない。また、ソース・フォロワにした謁合は、電圧比較
の動作を側期的にザンプリンクする必要があるとき(例
えば比較器CPを低消費電力化のためにクロック・ドラ
イフスるとき)、このFETはボルテージ・フォロワと
して働くので便利である。つまりこのFETの相互コン
ダクタンスgmが十分高けれは、出力電圧はゲート電圧
により一義的に決まるからである。
There is no essential difference whether a source-grounded or source-follower type is used as a control FET, but when a source-grounded type is used, special consideration must be given to the loss of threshold voltage Vth, such as when using a depletion mode FET. Not necessary. In addition, when the source follower is used, this FET is This is useful because it works as a voltage follower. In other words, if the mutual conductance gm of this FET is sufficiently high, the output voltage is uniquely determined by the gate voltage.

また制御用トランジスタとしてバイポーラ・トランジス
タを使用することも可能である。
It is also possible to use a bipolar transistor as the control transistor.

オフセラ)V。ffは入力電圧■inの関数になること
が必ずしも否定されることではないが、変曲点Pを設定
する上ではvinに対して一定であることが望ましい。
Offsela) V. Although it is not necessarily denied that ff is a function of the input voltage ■in, it is desirable that it be constant with respect to vin in setting the inflection point P.

また基準電圧■ref2 として、負荷/と同様な変動
要素を持つ基準電圧を使用すれば、負荷Zの特性に応じ
1こ出力電圧■。utを得ることができるのでこれま1
こ便利である。その場合■ref2を負荷/を動作させ
る最低の電圧の電圧に設定しておけば、Δvoffを一
定のマージン手段として利用することができる。
Also, if a reference voltage having the same fluctuation factors as the load/ is used as the reference voltage ref2, the output voltage will be 1 depending on the characteristics of the load Z. I can get ut so this is 1
This is convenient. In that case, if ref2 is set to the lowest voltage for operating the load/, Δvoff can be used as a constant margin means.

オフセットΔvoffを持たせる構成およびその応用回
路については後述するが、ここで出力電圧■outに変
曲点を持たせる他の方法を第49図の回路図と第50図
のグラフを用いて説明する。
The configuration that provides the offset Δvoff and its applied circuit will be described later, but here we will explain another method of providing the output voltage ■out with an inflection point using the circuit diagram in Figure 49 and the graph in Figure 50. .

以下の説明および第50図のグラフでは電圧値は全て絶
対値にする。
In the following explanation and the graph of FIG. 50, all voltage values are absolute values.

第49図においてQ+oyはNチャンネル・デプレッシ
曹ン・モードFETからなる制御用トランジスタである
。Q+olとQtotおよびQ104 e Q+oaは
カレント・ミラー回路を構成しており、Q、。3のドレ
イン電流とほぼ等しいドレイン電流がダイオード接地さ
れたFETQ、。4とQ+o*に流れる。ダイオード接
続されたPチャンネルF E T QI04 、 Nチ
ャンネルF E T Q+。、のソース・ドレイン間電
圧降下VD8は、高インピーダンス負荷Q1゜7、QI
IMIによってほぼそれぞれのしきい値電圧Vthp、
■【hnとなる。
In FIG. 49, Q+oy is a control transistor consisting of an N-channel depression mode FET. Q+ol, Qtot, and Q104 e Q+oa constitute a current mirror circuit, and Q,. FETQ, whose drain current is approximately equal to that of No. 3, is diode-grounded. 4 and Q+o*. Diode-connected P-channel FET QI04, N-channel FET Q+. The source-drain voltage drop VD8 of , is high impedance load Q1゜7, QI
Almost each threshold voltage Vthp,
■【hn.

従って、比較器CPのプラス・マイナス両入力端子にそ
itぞれ、Vthp、(vin −vthn ) ノ’
IR圧が加わる(第50図曲1Md、b)。
Therefore, Vthp and (vin −vthn) are applied to both the positive and negative input terminals of the comparator CP, respectively.
IR pressure is applied (Figure 50, song 1Md, b).

比較器CPはオフセットを持たず、従って両入力が等し
いときバランスする。従って、その平衡条件は(vou
t −vthn ) =■thn−すなわち■。ut−
vthp+■thnである。■jn≧Voutの条件よ
り。
Comparator CP has no offset and is therefore balanced when both inputs are equal. Therefore, the equilibrium condition is (vou
t - vthn ) = ■thn - i.e. ■. ut-
vthp+■thn. ■From the condition of jn≧Vout.

出力電圧V。utは、ViiVthp+vthn のと
き(vthp+vthn ) K制限され、vin4v
thp+Vthnのときほぼvffinに等しくなる。
Output voltage V. ut is limited by K when ViiVthp+vthn (vthp+vthn), and vin4v
When thp+Vthn, it becomes approximately equal to vffin.

従り【、負荷/がCMO8で構成されている場合、その
動作下限電圧は通常(Vthp+vthn)になるので
出力電圧voutはそれを補償することができる。
Therefore, when the load/ is composed of a CMO 8, its operating lower limit voltage is normally (Vthp+vthn), so the output voltage vout can compensate for it.

なお、MOSダイオード回路によって取り出されるしき
い値電圧は本来のしきい値電圧に近いが等しい訳でなく
、そのドレイン電流に追従する。
Note that the threshold voltage taken out by the MOS diode circuit is close to the original threshold voltage, but not equal, and follows its drain current.

平衡点の出力電圧V。旧は勿論本来σγ(VB、p+v
thn ) よりも大きめにした方が良く、そのために
は各MOSダイオードQ+o+、Ql。、に流れる電流
を小さくするようF E T Q、。3の相互コンダク
タンスを小さくしておけは良い。
Output voltage V at equilibrium point. Of course, the old one was originally σγ(VB, p+v
It is better to make each MOS diode Q+o+, Ql larger than thn). , to reduce the current flowing through FETQ,. It is better to keep the mutual conductance of 3 small.

また、MOSダイオ・−ドによって取り出す近以のしき
い値電圧はドレイン電流が流れることが前提となるので
、入力電圧■inが低くなっても、両方のダイオードに
電流が流れるよう回路を構成しなければならない。
Also, since the near threshold voltage extracted by the MOS diode is based on the assumption that drain current flows, the circuit should be configured so that current flows through both diodes even if the input voltage (in) becomes low. There must be.

次に第49図の電圧レギュレータを電子時計に応用した
例を第51図を用いて説明する。
Next, an example in which the voltage regulator shown in FIG. 49 is applied to an electronic watch will be explained using FIG. 51.

第51図において、O20は水晶発振器、WSは正弦波
発振出力をく形波に変換する波形成形回路、FDは分周
回路、TMは分局出力から所定の周期、幅を持つパルス
を作るタイミング・パルス発生回路、LFは低いレベル
の信号を高いレベルの信号に変換するレベルシフト回路
、BCは電池寿命検出器、VCは電圧比較器、VRはそ
れを使用しtこ電圧レギュレータ、Hはホールド回路、
DTは発振状態検出器、LMは秒針を駆動するステップ
・モータの励磁コイルである。
In FIG. 51, O20 is a crystal oscillator, WS is a waveform shaping circuit that converts the sine wave oscillation output into a rectangular wave, FD is a frequency dividing circuit, and TM is a timing diagram for creating a pulse with a predetermined period and width from the branch output. Pulse generation circuit, LF is a level shift circuit that converts a low level signal to a high level signal, BC is a battery life detector, VC is a voltage comparator, VR is a voltage regulator that uses it, and H is a hold circuit. ,
DT is an oscillation state detector, and LM is an excitation coil for a step motor that drives the second hand.

検出器DTは、O20が発振したことを分周器FD、タ
イミング回路TMを通して検出し、発振した場合電圧レ
ギュレータVRを働かせて、発振器O8CおよびWS、
FD、TM等の動作電源電圧を1.5■から落とす。
The detector DT detects the oscillation of O20 through the frequency divider FD and the timing circuit TM, and when it oscillates, operates the voltage regulator VR to output the oscillators O8C and WS,
Lower the operating power supply voltage of FD, TM, etc. from 1.5■.

電池Eを入れた瞬間、インバータI、の入力ノードは放
電抵抗R,。4によって接地電位(論理″0′”)にな
っているのでNチャンネル・F E T Qvo+をO
N状態にし、レギーレータの出力を電池電圧の1.5V
にする。このときQ2osもONにされ、FETQ2o
tのゲート・ノードを充電してお(。これは次にF E
 T Q、。1がOFFにスイッチングした瞬間、レギ
ュレータ出力が落ち込むことがIよいよう、レギーレー
タの負帰還ループを予め能動的にしておくためである。
At the moment when battery E is inserted, the input node of inverter I is discharge resistor R. 4, it is at ground potential (logic "0'"), so N channel FET Qvo+ is turned O.
Set to N state and set the output of the regirator to 1.5V of the battery voltage.
Make it. At this time, Q2os is also turned on, and FETQ2o
The gate node of t is charged (this is then F E
T Q. This is to make the negative feedback loop of the regulator active in advance so that the regulator output drops at the moment when the regulator 1 is switched OFF.

発振器が動作し始めたとき、他の論理回路は既に動作状
態に入っているため、タイミング回路TMから検出器D
Tにパルスφ8が供給される。排他的論理和回路EX、
はこのパルスφ8が出たことを検出−′3−るもので、
一方の入力には他方に対し一〇インバータIn 、Is
、Ijf分回路CI++1 s RI03によって遅延
されたパルスφ8が印加される。従って、パルスφ8が
出ると、ゲートEXIの出力には遅延時間に相当する幅
のパルスが生じる。このパルスはF E T Q、□、
インバータI6、コンデンサcrowから成る整流回路
で積分され、φ8が出始めてからしばらく経つとNチャ
ンネル、F E T Q、。1、Q2O3をOFFにす
る。これによって、レギュレータVRは自身の制御ルー
プのみによって、所定の出力電圧(1,5V未満)を発
生し、低消費電力に寄与する。
When the oscillator starts operating, other logic circuits are already in operation, so the timing circuit TM to the detector D
A pulse φ8 is supplied to T. exclusive OR circuit EX,
detects the appearance of this pulse φ8,
One input has 10 inverters for the other In, Is
, Ijf portion circuit CI++1 s A pulse φ8 delayed by RI03 is applied. Therefore, when the pulse φ8 is output, a pulse having a width corresponding to the delay time is generated at the output of the gate EXI. This pulse is FETQ, □,
It is integrated by a rectifier circuit consisting of an inverter I6 and a capacitor crow, and after a while after φ8 starts to appear, the N-channel FET Q. 1. Turn off Q2O3. Thereby, the regulator VR generates a predetermined output voltage (less than 1.5 V) only by its own control loop, contributing to low power consumption.

以下、このレギュレータ、特に電圧比較器VCの動作を
説明する。この比較器VCは第47図の原理図と第48
図の特性図で説明した比較器CPと同様な動作をするの
で簡単な説明にとどめておく。
The operation of this regulator, particularly the voltage comparator VC, will be explained below. This comparator VC is based on the principle diagram in Fig. 47 and the principle diagram in Fig. 48.
Since it operates in the same way as the comparator CP explained in the characteristic diagram in the figure, a simple explanation will be given.

PチャンネルMO8FETQzos、Q68.はオフセ
ット電圧V。ffを得るために、Qzoeのゲートは第
5図のQI、第6図のようなP型にされ、Q、。7のゲ
ートは第5図のQt、第7図のようILN型にされる。
P-channel MO8FET Qzos, Q68. is the offset voltage V. To obtain ff, the gate of Qzoe is made QI in FIG. 5, P type as in FIG. 6, and Q,. The gate 7 is of Qt type in FIG. 5 and of ILN type as shown in FIG.

従って、Q、。、のしきい値電圧VthはQ 206 
より約0.55V高くなり、これが前述したオフセット
電圧■。ff となる。NチャンネルFETQno−と
PチャンネルFETQ、。。は共にダイオード接続され
ているので、比較器VCのプラス入力であるQ!。7 
のゲートには両Vthの相(vthp+”thn )が
印加され、これが第48図および第50図の曲線dに示
したVrefzの電圧となる。
Therefore, Q. The threshold voltage Vth of , is Q 206
This is about 0.55V higher than the offset voltage (■) mentioned above. It becomes ff. N-channel FETQno- and P-channel FETQ. . are both diode-connected, so the positive input of the comparator VC, Q! . 7
Both phases of Vth (vthp+"thn) are applied to the gates of , and this becomes the voltage of Vrefz shown by curve d in FIGS. 48 and 50.

従って、電圧レギュレータVRの出力電圧■。utはv
out=■thp+”thn+Δ■of f (■1n
kvthp +vthn+Δvoffの場合)となる。
Therefore, the output voltage of voltage regulator VR is ■. ut is v
out=■thp+”thn+Δ■of f (■1n
kvthp +vthn+Δvoff).

入力電E V i 、、が低いときは前述と同様V。u
t=■inとなる。
When the input voltage E V i is low, V as described above. u
t=■in.

この比較器は低消費電力化のためにタイミング信号φ、
によって動作時間が制限されている。勿論基準電圧■r
efiを得る回路もギうであり、そのため基準電圧■r
ef2の電圧をホールドするようコンデンサCIO2が
又Q、。、のゲート−1圧をホールドするようにコンデ
ンサCI0! がゲート容量等の寄生容量とは別個に追
加されている。コンデンサC、o3 は帰還ループに幾
つかのFETが縦続接続されたことによって位相回りが
生じ、それに起因′1−る発振を防止するためのもので
ある。
This comparator uses a timing signal φ,
Operating time is limited by Of course the reference voltage ■r
The circuit that obtains efi is also difficult, so the reference voltage
Capacitor CIO2 is also connected to Q to hold the voltage of ef2. , to hold the gate-1 voltage of capacitor CI0! is added separately from parasitic capacitance such as gate capacitance. The capacitors C and o3 are used to prevent oscillation caused by a phase rotation caused by several FETs connected in series in the feedback loop.

バッテリ・チェッカーBCは第44図とほぼ同様な構成
となっているのでその説明は省略する。
Since the battery checker BC has a configuration substantially similar to that shown in FIG. 44, a description thereof will be omitted.

なお、ICの出力段で励磁コイルの駆動器IゎI3は、
駆動能力を大きくするため1.5vの電池を直接電源に
している。
In addition, the excitation coil driver IゎI3 at the output stage of the IC is
In order to increase the driving capacity, a 1.5V battery is used as a direct power source.

第52図は本発明による電圧レギュレータVRとバッテ
リ・チェッカーBeをディジタル表示電子時計に応用し
た列を示している。
FIG. 52 shows a sequence in which the voltage regulator VR and battery checker Be according to the present invention are applied to a digital display electronic watch.

同図において、08C,W8.FDは第51図の例と同
様、1.5Vより低い鯛整電圧を電源とし;またデコレ
ーダDC時刻修正回路TCのようなIC内部の論理回路
も低い電圧を電源としている。
In the same figure, 08C, W8. Similar to the example shown in FIG. 51, the FD uses a voltage lower than 1.5V as a power source; logic circuits inside the IC such as the decoradar DC time correction circuit TC also use a low voltage as a power source.

DBは1,5vの電圧を3.Ovに昇圧する信電圧回路
であり、この電圧は液晶表示装置DPの駆動電圧として
使用される(駆動器は省略しである)。
DB has a voltage of 1.5v 3. This is a signal voltage circuit that boosts the voltage to Ov, and this voltage is used as a driving voltage for the liquid crystal display device DP (the driver is omitted).

/Sはレベルシフト回路であり、電源電圧の高い回路へ
低い信号レベルを直流的に高く変換して供給する。
/S is a level shift circuit, which converts a low signal level into a high DC current and supplies it to a circuit with a high power supply voltage.

このように、低い動作電圧で動作するIC内部の通常の
論理回路は低い動作電源で、ICの入出力インターフェ
ースにおける高い動作電圧を必要とする表示駆動器等は
高い動作電源を使用すると、低消費電力化や使用電源範
囲の拡張に有効である。
In this way, normal logic circuits inside an IC that operate at a low operating voltage require a low operating power supply, while display drivers, etc. that require a high operating voltage at the input/output interface of the IC, use a high operating power supply to reduce power consumption. It is effective for electrification and expanding the range of power sources used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はGaAs、SiおよびGe半導体のエネルギー
・ギャップEgとその温度依存性を示す図である。第2
図は半導体のバンド構造とフェルミ準位Efを示す図で
あり、同図(a) 、 (b)はN型半導体の、同図(
C) 、 (d)はP型半導体の夫々バンド構造とフェ
ルミ準位を示す図である。第3図はN型及びP型8iの
フェルミ準位の、不純物濃度をパラメータにした温度特
性を示す図である。第4図(a)。 (b)および(C1はそれぞれGe、SiおよびG a
 A s半導体と各種のドナーおよびアクセプタ不純物
か持つエネルギー準位の分布を示す図である。 第5図はN型およびP型半導体のフェルミ準位の差(E
fn −Efp )を取り出すために使用され得るP+
ゲートおよびN+ダグ−MOSFETの断面構造を概略
的に示し、左半分がPチャンネルFET、右半分がNチ
ャンネルFETを示している。 第6図(a) 、 (b)は夫々P+ゲートPチ、yy
ネルMO8FETの平面図と断面図を、第7図(8)メ
b)は/iゲゲーPチャンネルMO8FETの平面図と
断面図を、第8図(a) 、 (b)はN+ゲゲーPチ
ャンネルMO8FETの平面図と断面図を、第9図(a
) 、 (blはN+ゲゲーNチャンネルMO8FET
の平面図と断面図を、第10図(a) 、 (b)はi
ゲートNチャンネル間O8FETの平面図と断面図を、
第11図(a)。 (b)はP+ゲゲーNチャンネルMO8FETの平面図
と断面図を示している。 第12図(a)〜(d)、第13図(a)〜(d)、第
14図(a)〜(d)及び第15図(a)〜(d)は、
それぞれコンプリメンタリM OSを一緒に製造する場
合の主要工程における断面図である。 第16図(a) 、 (b)はそれぞれP+型半導体−
絶縁物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷の状態
を示し、同図(C) 、 (d)はそれぞれN+型半導
体−絶縁物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷の
状態を示す図である。 第17図(a)ないしくe)はNチャンネルMO8FE
Tの各製造工程における断面図である。 第18図(a) 、 (b)は夫々異なるしきい値電圧
■t 11を持つ2つのFETのVthの差を取り出す
ためのMOSダイオード回路の特性図とその回路を示す
図である。 第19図及び第20図は夫々Vthの差を利用した基準
電圧発生回路の一例を示し、第21図(a)は更に他の
基準電圧発生回路の一例を示し、同図(b)はそのタイ
ミング信号波形を示す。第22図乃至第27図は更に他
の実施例にもとず(基準電圧発生回路を示す。 第28図は半導体メモリのブロック図を示し、第29図
は第28図の基板バイアス発生回路の詳細な回路図を示
す。第30図、第31図、第32図、第33図はそれぞ
れコンパレータ回路、メモリセル回路、アドレスバッフ
ァ回路、差動アンプの回路図を示1゜第34図は論理回
路の回路図を示1−6 第35図〜第37図は基準電圧発生回路を電圧検出回路
に応用した例を、第38図〜第40図は電圧レギュレー
タに応用した例を、第41図〜第43図は定電流回路に
応用した例を、第44図は電子式腕時計用バッテリ・チ
ェッカーに応用した例を示している。 第45図及び第46図は夫々本発明及び従来の状態設定
回路の例を説明するための回路図である。 第47図は本発明による電圧レギュレータの一例を説明
するための回路図であり、第48図はその動作を説明す
るための電気的特性図である。 第49図は本発明による電圧レギュレータの他の例を説
明するための回路図であり、第50図はその動作を説明
するための電気的特性図である。 第51図は本発明を電子時計に応用した例を説明するた
めの回路図であり、第52図はディジタル表示電子時計
に応用した例を説明するための回路システム図である。 T・・・MOSFET、R・・・抵抗、C・・・コンデ
ンサ、Xtal・・・水晶振動子、O20・・・水晶発
掘回路、WS・・・正弦波−(形波変換波形成形回路、
FD・・・2進力ウンタ多段接続分周回路、TM・・・
タイミング回路、CM・・・秒針駆動用ステップモータ
の励磁コイル、BP・・・CMの駆動用バッファー、N
A・・・NANDゲゲー、IC・・・モノリシックSi
半導体集積回路チップ、φ・・・クロックパルス、E8
・・・半導体のエネルギー・ギャップ、Ev・・・価電
子帯の最上限準位、EC・・・伝導帯の最下限準位、E
i・・・真性半導体のフェルミ準位、Efn p Ef
p・・・N型、P型半導体のフェルミ1い位、Ed 、
Ea・・・ドナー、アクセプタ準位。 第 1 図 第 2 図 第16図 N \ で ゞ 」 −−ノ ) \ ( (\ 第 1 (LL) 、I/)δ 8図 (b) 第 22 図 第24図 第25図 第26図 第27図 第 28 図 第29図 第30図 第31図 第32図 軒 第33図 第37図 第34図 第35図 第36図 第38図 第39図 第40図 第 41 図 第 42 図 第43図 第 46 図 第 45 図 第47図 第48図 °l−1
FIG. 1 is a diagram showing the energy gap Eg of GaAs, Si and Ge semiconductors and its temperature dependence. Second
The figure shows the band structure and Fermi level Ef of a semiconductor.
C) and (d) are diagrams showing the band structure and Fermi level of a P-type semiconductor, respectively. FIG. 3 is a diagram showing the temperature characteristics of the Fermi level of N-type and P-type 8i with impurity concentration as a parameter. Figure 4(a). (b) and (C1 are Ge, Si and Ga, respectively)
FIG. 2 is a diagram showing the distribution of energy levels of an As semiconductor and various donor and acceptor impurities. Figure 5 shows the Fermi level difference (E
P+ which can be used to retrieve fn −Efp )
The cross-sectional structure of the gate and N+Dag-MOSFET is schematically shown, with the left half showing the P-channel FET and the right half showing the N-channel FET. Figures 6(a) and (b) are P+gate Pchi, yy, respectively.
Figure 7 (8) meb) shows the plan view and cross-sectional view of the /i Gege P-channel MO8FET, and Figure 8 (a) and (b) show the N+ Gege P-channel MO8FET. The plan view and sectional view of
), (bl is N+ Gege N channel MO8FET
Figures 10(a) and 10(b) show the plan view and sectional view of i.
The plan view and cross-sectional view of the gate-N-channel O8FET are shown below.
Figure 11(a). (b) shows a plan view and a cross-sectional view of a P+gege N-channel MO8FET. Figures 12(a) to (d), Figures 13(a) to (d), Figures 14(a) to (d), and Figures 15(a) to (d) are
FIG. 6 is a cross-sectional view of the main steps when manufacturing complementary MOSs together. Figures 16(a) and 16(b) are respectively P+ type semiconductors.
Figures (C) and (d) are diagrams showing the energy and charge states of an N+ type semiconductor-insulator-N type semiconductor structure, respectively. be. Figure 17 (a) or e) is an N-channel MO8FE
It is sectional drawing in each manufacturing process of T. FIGS. 18(a) and 18(b) are diagrams showing the characteristics of a MOS diode circuit and its circuit for extracting the difference in Vth of two FETs having different threshold voltages t11. 19 and 20 each show an example of a reference voltage generation circuit that utilizes the difference in Vth, FIG. 21(a) shows an example of another reference voltage generation circuit, and FIG. The timing signal waveform is shown. 22 to 27 are based on still other embodiments (reference voltage generation circuits are shown). FIG. 28 is a block diagram of a semiconductor memory, and FIG. Detailed circuit diagrams are shown. Figures 30, 31, 32, and 33 show the circuit diagrams of the comparator circuit, memory cell circuit, address buffer circuit, and differential amplifier, respectively. Figure 34 shows the logic circuit. Figures 35 to 37 show examples in which the reference voltage generation circuit is applied to a voltage detection circuit, Figures 38 to 40 show examples in which it is applied to a voltage regulator, and Figure 41 shows the circuit diagrams of the circuits. - Figure 43 shows an example applied to a constant current circuit, and Figure 44 shows an example applied to a battery checker for an electronic wristwatch. Figures 45 and 46 show the state setting of the present invention and the conventional one, respectively. 47 is a circuit diagram for explaining an example of a voltage regulator according to the present invention, and FIG. 48 is an electrical characteristic diagram for explaining its operation. FIG. Fig. 49 is a circuit diagram for explaining another example of the voltage regulator according to the present invention, and Fig. 50 is an electrical characteristic diagram for explaining its operation. This is a circuit diagram for explaining an example of application to an electronic watch, and FIG. 52 is a circuit system diagram for explaining an example of application to a digital display electronic watch. T...MOSFET, R...resistance , C... Capacitor, Xtal... Crystal resonator, O20... Crystal excavation circuit, WS... Sine wave - (form wave conversion waveform shaping circuit,
FD...Binary power counter multi-stage connection frequency divider circuit, TM...
Timing circuit, CM...excitation coil for the step motor for driving the second hand, BP...buffer for driving the CM, N
A...NAND game, IC...monolithic Si
Semiconductor integrated circuit chip, φ...clock pulse, E8
... Energy gap of semiconductor, Ev ... Upper limit level of valence band, EC ... Lower limit level of conduction band, E
i...Fermi level of intrinsic semiconductor, Efn p Ef
p...Fermi number 1 for N-type and P-type semiconductors, Ed,
Ea...donor, acceptor level. Figure 1 Figure 2 Figure 16 Figure 27 Figure 28 Figure 29 Figure 30 Figure 31 Figure 32 Eaves Figure 33 Figure 37 Figure 34 Figure 35 Figure 36 Figure 38 Figure 39 Figure 40 Figure 41 Figure 42 Figure 43 Figure 46 Figure 45 Figure 47 Figure 48 °l-1

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、複数の入力信号が供給される回路を含んだ半導体集
積回路装置であって、上記回路の論理しきい値電圧が、
互いに異なるしきい値電圧を持つ第1、第2IGFET
のしきい値電圧差にもとづいて設定されることを特徴と
した半導体集積回路装置。 2、上記回路は、上記第1.第2IGFETのしきい値
電圧差にもとづいて基準電圧を形成する基準電圧発生装
置と、入力信号が一方の入力端子圧供給され、上記基準
電圧が他方の入力端子に供給される複数の電圧比較回路
とを有することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の半導体集積回路装置。 3、上記第1.第2IGFETのしきい値電圧差は、そ
れらのゲート電極のフェルミ準位差にもとづいているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の半導体集積
回路装置。 4、上記第1.第2IGFETのそれぞれのゲート電極
は、互いに異なる導電型にされた半導疹層部を有するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の半導体集積
回路装置。 5、上記ディジタル回路は、ソースが互いに結合された
上記第1.第2IGFETと、上記第1IGFETのゲ
ートが結合された第1入力端子と、上記第2IGFET
のゲートが結合された第2入力端子と、少なくとも上記
第1又は第2IGFETのドレイン出力にもとづいた信
号が供給される出力端子とを有する複数の差動増幅回路
を含み、上記第1入力端子には、上記入力信号が供給さ
れ、上記第2入力端子には、所定の電位が供給されるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体集積
回路装置。 6、上記第1.第2IGFETのしきい値電圧差は、そ
れらのゲート電極のフェルミ準位差にもとづいているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第5項記載の半導体集積
回路装置。 7、上記第1.第2IGFETのそれぞれのゲート電極
は互いに異なる導電型にされた半導体層部を有すること
を特徴とする特許請求の範囲第6項記載の半導体集積回
路装置。 以下余白
[Claims] 1. A semiconductor integrated circuit device including a circuit to which a plurality of input signals are supplied, wherein the logic threshold voltage of the circuit is
First and second IGFETs having mutually different threshold voltages
A semiconductor integrated circuit device characterized by being set based on a threshold voltage difference between. 2. The above circuit is similar to the above 1. a reference voltage generator that forms a reference voltage based on the threshold voltage difference of the second IGFET; and a plurality of voltage comparison circuits to which an input signal is supplied at one input terminal voltage and the reference voltage is supplied to the other input terminal. A semiconductor integrated circuit device according to claim 1, characterized in that it has the following. 3. Above 1. 3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 2, wherein the threshold voltage difference between the second IGFETs is based on the Fermi level difference between their gate electrodes. 4. Above 1. 4. The semiconductor integrated circuit device according to claim 3, wherein each gate electrode of the second IGFET has a semiconductor layer portion having a different conductivity type. 5. The digital circuit includes the first circuit whose sources are coupled to each other. a second IGFET; a first input terminal to which the gates of the first IGFET are coupled;
a plurality of differential amplifier circuits each having a second input terminal coupled to the gate of the first IGFET, and an output terminal to which a signal based on at least the drain output of the first or second IGFET is supplied; 2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein said input signal is supplied, and said second input terminal is supplied with a predetermined potential. 6. Above 1. 6. The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the threshold voltage difference between the second IGFETs is based on the Fermi level difference between their gate electrodes. 7. Above 1. 7. The semiconductor integrated circuit device according to claim 6, wherein each gate electrode of the second IGFET has a semiconductor layer portion having a different conductivity type. Below margin
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4952980A (en) * 1972-09-22 1974-05-23
US4188588A (en) * 1978-12-15 1980-02-12 Rca Corporation Circuitry with unbalanced long-tailed-pair connections of FET's

Patent Citations (2)

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