JPS60157248A - 電界効果トランジスタ集積回路の基板のバイアス電圧調整回路 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発胡は電界効果トランジスタ集積回路の基板をバイア
スするだめの電圧発生器、特にかかる電圧発生器の電圧
調整器に関するものである。

既知のように、成る種の電界効果トランジスタ集積回路
ではその基板を回路の給電端子の電位とは異なる電位に
保持する必要がある。ｎチャンネルＭＯ３（金属酸化物
半導体）トランジスタ集積回路ではこの電位を給電負端
子の電位よりも低くする必要がある。

基板をバイアスすることによって、回路の応答時間、ト
ランジスタ即ちデプレション及びエンハンスメント型の
トランジスタのスレ／ホルト電圧のような種々の動作パ
ラメータに影響を及ぼす。

従ってこのバイアスは、設計時に回路の所望の特性を基
にして決めるようにしている。

通常、基板のバイアス電圧は集積回路の好適な回路によ
り発生且つ調整するようにしている。この調整回路は例
えばエンハンスメント型のトランジスタのスレンホルト
電圧が予め設定した基準電圧から偏位する際に作動し、
この基準電圧は供給電圧の１部分とし得ると共にこれに
より基板に接続された電荷発生器を制御する。

集積回路は、製造処理の避けられない変化に基因する動
作特性のむらを考慮に入れて設計する必要がある。実際
には同一の処理により製造した集積回路の全部が同一特
性で作動するように注意を払う必要がある。ＭＯＳ　）
ランジスタ集積回路のチャンネルを同一導電型とした特
定の場合にはエンハンスメント型トランジスタに対しス
レンホルト電圧を固定し得ると共に回路のパラメータを
適宜計算してトランジスタの特性のむらに基因する変化
の範囲内で基板のあらゆる電圧で回路が好適に作動し得
るようにする。しかし通常この規準によりデプレション
型のトランジスタのスレンホルト電圧を最適値とするこ
とはできない。従ってその折衷策をとる必要があるがこ
の場合には設計が困難となると共に回路の作動を完全に
害うようになる場合もある。

本発明の目的は上述した欠点を除去し、基板の電圧を、
トランジスタの双方の導電型の特性に対し最適値に調整
すると共に製造パラメータ及び供給電圧の変動にほぼ無
関係となるようにした電界効果トランジスタ集積回路の
基板のバイアス電圧発生器の調整装置を提供せんとする
にある。

本発明は一導電型のみのチャンネルを有する電界効果ト
ランジスタ集積回路の基板バイアス電圧を調整する回路
であって、電圧供給源に接続され　□た２個の端子と、
出力端子及び制御端子を有する発振器と、この発振器の
出力端子及び基板間に介挿され、発振器の作動時に基板
に電荷を供給する電荷発生器と、基板の電圧に感知し、
発振器の制御端子に接続された出力端子を有し、基板電
圧が予め設定したレベル以上となる際に発振器の作動を
禁止するレベル検出器とを具えるものにおいて、前記レ
ベル検出器は一ゲート電極が前記基板に直接接続された
デプレション型のトランジスタを具えることを特徴とす
る。

図面につき本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図において、ブロック１は例えばｎチャンネルＭＯ
３）ランジスタ回路のような集積回路を形成する半導体
材料層から成る基板を示す。ブロック２は被制御発振器
を示し、ブロック３は負電荷発生器を示し、ブロック４
はレベル検出器を示す。電圧供給源（図示せず）によっ
て集積回路、被制御発振器２及びレベル検出器４に電圧
を供給する。負電荷発生器３に発生した電荷によって基
板１を電圧供給源の給電負端子の電圧よりさらに負の電
圧にする。レベル検出器はその入力端子５で電圧を検出
し、検出した電圧に応じて接続導線６を経て被制御発振
器２を発振又は非発振状態に駆動して、負電荷発生器３
から電荷を供給させるかまたは供給しないようにし、基
板ｌを所望の負電圧に維持し得るようにする。既知の例
においては、例えば、米国特許第４１４．２１４４号明
細書に記載されているようにこの電圧は、供給電圧の一
部分とし得る基準電圧を定めることにより決めるように
している。

前記特許明細書に記載されている調整器（第２図参照）
は２個の電界効果トランジスタＴ１及びＴ２を具え、そ
の一方をエンハンスメント型、他方をデプレション型と
し、これら電界効果トランジスタを相互に接続してイン
バータ回路を形成する。さらに負荷抵抗として作動する
トランジスタＴ２のゲート電極をトランジスタＴ１のソ
ース電極及びドレイン電極に接続し、またこのトランジ
タスＴ１のドレイン電極は給電正端子ＶＣＣに接続する
。能動素子として作用するトランジスタ゛Ｉ”　１は、
そのソース電極を電圧供給源の給電負端子（アースの記
号で示されている）に接続し、ゲ−ト電極を電圧供給源
の供給端子間に介挿された２個の抵抗よりなる分圧器の
中間タップに接続する。

基板１への接続を行う接続導体５はこの半導体構体の主
要部分であり、そのため、第２図に一点鎖線により示し
て他の電気接続導体とは区別する。

トランジスタ１の導通状態は、ゲート電極及びソース電
極間の分圧器により印加された基準電圧Ｖ、に依存する
と共に基板電圧ＶＢＢに依存するスレンホルト電圧Ｖ□
にも依存する。これら電圧Ｖ。

及びＶＢＨの間には当業者に良く知られているように次
式で示す関係が成立する。

ＶＴ　＝Ｖｏ　＋　ＫＢＥ　（’　ＩＶ　ＢＢＩ　＋’
９＋ｉ＋ｖ−５Ｌ７）ここにＫＢＥは本体効果係数であ
り、νＴｏはＶＢＢ＝０のときのトランジスタのスレン
ホルト電圧であり、φＩＮＶ　は表面反転電位である。

上式を基板電圧ＶＢＢについて解く場合には、次式で示
すように所定のスレンホルト電圧Ｖ、を満足するに必要
な基板電圧ＶＢＢを得ることができる。

抵抗Ｒ１及びＲ２の値を適宜選定してエンハンスメント
型トランジスタのスレンホルト電圧シフに必要とされる
最適値に等しい基準電圧ＶＲを供給し得るようにする。

基板が式（１）により計算され得る負電圧となりＶ、　
＝　ＶＲとなる際にトランジスタＴ１は非導通状態とな
る。レベル検出器４の出力端子６はトランジスタＴ１の
導通状態に応じて高電圧又は低電圧となる。レベル検出
器４の出力の状態を用いて被制御発振器２の動作時間を
調整し、基準電圧Ｖ、に依存する予め設定した負電圧値
に基板電圧ＶＢＢが安定化し得るようにする。

第３ａ図のグラフは基板１に形成された」二連した種類
のエンハンスメント型トンジスタのスレンホルト電圧Ｖ
ｔの、基板のバイアス電圧ＶＢＢに対する変化を示す。

製造パラメータの変化によって、実際のトランジスタの
曲線は図中７及び８で示される２個の曲線に囲まれる範
囲内の値を取るようになる。基準電圧ＶＲ即ちスレンホ
ルト電圧Ｖ。１を固定した場合には、第１図の回路によ
り調整された基板のバイアス電圧ＶＢ１１は、第３ａ図
に示されるように曲線７及び８と電圧ｖｒｔに相当する
横座標との交点によって画成される２つの極限値　ｖｌ
及びｖ２　の間の値をとる。間隔りＩ−ν２の範囲は、
製造条件により変動する製造パラメータの極限値が既知
である場合にＶＢＲとり、に関する式（１）から解析学
的に計算することができる。実際には、理想的な基板電
圧Ｖ　Ｂ　Ｂ　ｉ　ｄ−３ボルトに対応し、スレンホル
ト電圧Ｖ□、・１ボルトとした場合、電圧ＶＢＢは−２
〜−４Ｖの間で変動する。

第３ｈ図のグラフは、同じ集積回路の上述した種類のデ
プレション型のトランジスタのスレンホルト電圧Ｖ□の
、基板のバイアス電圧−ＶＢＨに対する変化を示す。こ
の場合にも実際の曲線は両回線９及び１０により画成さ
れる範囲内の値をとる。

従って、実際のデプレション回路のスレンホルト電圧は
、下側曲線１０及び電圧Ｖ１　に相当する縦座標の間の
交点によって限定される値Ｖ、と、上側曲線９及び電圧
ｖ２　に相当する縦座標の間の交点によって限定される
値ｖ４　との間の値である。

図に示されるように、基板電圧ＶＢＢをデプレション型
トランジスタのスレンホルト電圧が正の値きなるに十分
な大きさとするとトランジスタが適切に作動しく尋なく
なる。これがため、実際のスレンホルト電圧と、第２図
の既知回路に示すように制御した基板をバイアスする電
圧発生器を具える回路の設計時に使用された理想的な値
との間に大きな隔たりがある。さらに、スレンホルト電
圧に直接影響を与える供給電圧の変化及び変動を考慮す
る必要がある。その理由は基準電圧ν２が供給電圧Ｖ。

Ｃと共に変化するからである。この基準電圧ｖＲの依存
性はある場合には有利であるが多くの場合には不所望で
ある。

次に第４図の回路について検削する。この図には、本発
明により構成され、且つ双方ともデプレション型の２個
のトランジスタＴ３及びＴ４がら構成されたインパーク
を具えるレベル検出器４が示されている。特にトランジ
スタＴ４は、そのゲート電極を能動素子として作動する
トランジスタＴ３のソース電極に接続してその負荷を形
成するようにする。トランジスタＴ４のドレイン電極及
びトランジスタＴ３のソース電極を供給電圧源の給電正
端子＋ＶＣＣ及び給電負端子（アース）に夫々接続する
。両トランジスタ間の接合によってレベル検出器の出力
端子６を形成し、トランジスタＴ３のゲート電極を入力
端子５とし、この場合入力端子５は直接基板に電気的に
接続する。

次に作動に当たり、トランジスタＴ３の利得がトランジ
スタＴ４の利得よりも充分大きい場合には、基板のバイ
アス電圧ＶＢＢをトランジスタＴ３のスレンホルト電圧
と同一の値に調整する。また、双方共負の値であるがバ
イアス電圧ＶＢＢがトランジスタＴ３のスレンホルト電
圧より小さい場合には、トランジスタＴ３は導通状態と
なり、従って出力端子６は「低レベル」となり被制御発
振器２を発振させて、電荷発生器に電圧を供給し、更に
電荷発生器によって基板電圧を増大させ、従ってトラン
ジスタＴ３のゲート電極の電圧を増大させる。双方共負
の値であるがバイアス電圧ＶＢＢがトランジスタＴ３の
スレンホルト電圧より大きくなる場合には、トランジス
タＴ３は非導通状態となり、出力端子６を「高レベル」
とし、被制御発振器２を抑圧する。

上述した所から明らかなように本発明によればバイアス
電圧ＶＢＢは、製造パラメータにより主として決まるデ
プレション型のトランジスタＴ３のスレンホルト電圧を
基準電圧として直接用いるこ吉によって調整する。本発
明のこの特徴は第２１スに示す従来のレベル検出器（ｇ
Ｉ］整器）４及び第４図に示す本発明によるレベル調整
器４の伝送曲線を考察した所から明らかである。

説明を簡単化するために、レベル検出器を形成するイン
バータの利得が実際上無限であり、従ってトランジスタ
Ｔ１及びＴ３の非導通状態から導通状態、又はその逆の
切換え、即ち変化が実際」二瞬時的である場合について
以下考察する。しかし実際にはこの説明は任意の値の利
得に対して適用し得るものとする。

レベル検出器４の入力端子及び出力電圧をＶ、及びｖ６
とする。第２図に示す既知の回路の場合には基板電圧Ｖ
ＢＢを、トランジスタＴ１のスレンホルト電圧ＶＴＩが
基準電圧ＶＲに等しくなるような値とする際にトランジ
スタＴ１の状態が切換わる。式（１）％式％ とすると、次式で示す電圧で状態切換が発生する。

一ν５＝−Ｖｓｃ　＝　（ＶＲＶＴ。ｆ丁＋１）２ＫＢ
Ｅ’ 上式から明らかなように状態切換が生ずる入力電圧Ｖ、
。は基準電圧Ｖ、の二乗及びｖア。（Ｔｌ）で示される
Ｖｎ＋＋＝Ｏの場合のスレンホルト電圧の二乗に左右さ
れる。

第５ａ図のグラフは、電圧ＶＴＯ（Ｔｌｌが製造パラメ
ータのむらに起因すると思われる２つの極限値に相当す
る既知のレベル検出器の２つの伝達曲線Ｖ６”ｆ（Ｖｓ
）の変化を示す。既知の回路の種々の例ではスイッチン
ク′電圧ＶＳｃ従って基板電圧ＶＩＩＢは上述したよう
に、例えば−２ｖ〜−４ｖ間を変化する。

供給電圧の変化（代表的には±１０％〉を考崩する場合
には基板電圧Ｖｌｌ１１の変化が大きくなることもあり
得る。

第４図に示す本発明によるレベル調整器では基板電圧Ｖ
ＢＢがトランジスタＴ３のスレンホルト電圧ＶＴ３に等
しい場合にこのトランジスタＴ３の状態が切換わる。こ
の回路の入力端子がＶｓ＝Ｖａｕでありしかも式（１）
においてＶ’ｒ　＝ＶＴ３−　ＶｓＣ，且つＶＴＱ　＝
ＶＴ（ｌ　ｔＴｓ）とする場合には次式の関係を得るこ
とができる。

−ＶＳｃ　＝　（Ｖｓｃ　−ＶＴＯ＋ｔ３＋　＞２ＫＢ
Ｅ” この式は電圧Ｖｓｃの二次式である。この式を解き、虚
数解部分を無視する場合には次式を得ることができる。

従ってスイッチング電圧ＶＳｃは平方根内のスレシホル
ド電圧を含む項を除くスレシホルド電圧ｖＴｏ　ｆ７３
１及び定数に等しいとみなすことができる。

現在の製造処理により製造された集積回路の係数に８６
は比較的小さく、代表的にはほぼ０．４Ｖ”　であるた
め、電圧Ｖ５ｃはスレシホルド電圧ｖｔｏ　ｆＴ３］か
ら僅かに偏位しているだけである。

実際上第５ｂ図に示すように本発明による回路の種々の
例においてスイッチング電圧ＶＳｃ従って基板電圧ＶＩ
ＩＢは代表的には、はぼ−２，７シ〜−３，３ｖの範囲
内で変化する。

又、本発明による回路では基板電圧は供給電圧に左右さ
れない。

本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、種
々の変更が可能である。例えば基板電圧に対するレベル
検出器はインバータとする必要はなく、ゲート電極が基
板に直接接続されたデプレション型のトランジスタによ
って上述したインノ＼−タの場合と同様に制御される他
の型のスイッチング回路とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電圧調整器を組込んだ基板バイア
ス電圧発生器を示すブロック図、第２図は既知の型の調
整器に使用する回路を示すブロック図、 第３ａ及び３ｂ図は従来の回路の極限値を示す特性図、 第４図は本発明電圧調整器に使用する回路を示すブロッ
ク図、 第５ａ及び５ｂ図は第２及び４図に示す回路の伝達曲線
を示す特性図である。 ■・・・集積回路の基板　２・・被制御発振器３・・・
負電荷発生器 ４・・・レベル検出器（調整器） ５・・・入力端子　６・・・出力端子 Ｔｌ、　Ｔ２・・・電界効果トランジスタＴ３．　Ｔ４
・・・電界効果トランジスタνＢＢ・・・基板電圧　Ｖ
ＣＣ・・・供給電圧ｖＴ・・・スレシホルド電圧 Ｖ、・・・基準電圧 特許出願人　ニス・ジー・エスーアテス・コンボネンチ
φエレットロニシ・ ソシエタ・ベル中アチオニ 手続補正書 昭和６０年２月２８日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和５９年特許願第２５３９３０号 バイアス電圧調整回路 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 ５、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」　１図面の簡単な説明」
の欄及び図面 １、明細書第７頁第４行の１の主要」を「固有の」に訂
正し、 同第６行の「トランジスタ１」を［トランジスタＴ＋Ｊ
に訂正する。 ２、同第８頁第１３行の「種類の」を「種類の一般的な
」に訂正する。 ３、同第９頁第１１行の「デプレション型」を「一般的
なデプレション型」に訂正する。 ４、同第１０頁第３行〜第７行を 「に作動し得なくなる。これがため、第２図の既知回路
に示すように制御すべき基板をバイアスする電圧発生器
を具える回路を設計するに際して、理想設計値に対する
実際のスレンホルト電圧の大きな隔たりに加え、さらに
スレンホルト電圧に直」に訂正する。 ５、同第１４頁第４行のルベル調整器」を「レベル検出
器」に訂正する。 ６、同第１６頁第１４頁の「電圧調整器」を「レベル検
出器」に訂正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １−導電型のみのチャンネルを有する電界効果トランジ
   スタ集積回路の基板バイアス電圧を調整する回路であっ
   て、電圧供給源に接続された２個の端子と、出力端子及
   び制御端子を有する発振器と、この発振器の出力端子及
   び基板間に介挿され、発振器の作動時に基板に電荷を供
   給する電荷発生器と、基板の電圧に感知し、発振器の制
   御端子に接続された出力端子を有し、基板電圧が予め設
   定したレベル以上となる際に発振器の作動を禁止するレ
   ベル検出器とを具えるものにおいて、前記レベル検出器
   （４）はゲート電極が前記基板（１）に直接接続された
   デプレション型のトランジスタ（Ｔ３）を具えることを
   特徴とする電界効果トランジスタ集積回路の基板のバイ
   アス電圧調整回路。 ２、　レベル検出器（４）は２個の給電端子間に介挿さ
   れたインパークを具え、このインバータの能動素子をデ
   プレション型のトランジスタ（Ｔ３）とし、このトラン
   ジスタの負荷を第２デプレシヨン型のトランジスタ（Ｔ
   　４　）とし、両トランジスタ（Ｔ３．Ｔ４）間の接合
   をレベル検出器（４）の出力端子（６）としたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電界効果トランジ
   スタ集積回路の基板の／＜イアスミ圧調整回路。