JPS60252927A - Reference voltage generator and electronic device using said voltage generator - Google Patents

Reference voltage generator and electronic device using said voltage generator

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JPS60252927A
JPS60252927A JP20177184A JP20177184A JPS60252927A JP S60252927 A JPS60252927 A JP S60252927A JP 20177184 A JP20177184 A JP 20177184A JP 20177184 A JP20177184 A JP 20177184A JP S60252927 A JPS60252927 A JP S60252927A
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JP
Japan
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voltage
input terminal
inverting input
reference voltage
igfet
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Application number
JP20177184A
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Japanese (ja)
Inventor
Kanji Yo
陽 完治
Osamu Yamashiro
山城 治
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/245Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the temperature

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Abstract

PURPOSE:To obtain the reference voltage by connecting in a pair the 1st and 2nd insulated gate type field effect transistors having threshold voltages corresponding to the Fermi level difference of a gate electrode and supplying an output and a prescribed potential to the reverse input and the non-reverse input respectively. CONSTITUTION:MOS transistors T1 and T2 constituting a differential amplifier of an operational amplifier shown in a rough diagram have threshold voltage levels Vth1 and Vth2 according to the ion implanting amount, the amount of impurities doped into said gate insulated film and the thickness of said insulated film respectively. Both transistors T1 and T2 have the same characteristics excluding said threshold voltage levels. The output level changes centering on V1- Vth1=V2-Vth2, i.e., V1-V2=Vth1-Vth2, where V1 and V2 mean the input voltages V1 and V2 of reverse and non-reverse input T1 and T2 respectively. Therefore, the difference between both threshold levels is obtained at the output ''out'' by connecting the output to a reverse input terminal with the non-reverse input grounded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子装置、特に基準電圧発生装置とその応用並
びに絶縁ゲートm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 electronic devices, and in particular to a reference voltage generator and its applications, as well as an insulated gate field effect transistor and its manufacturing method.

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り
ばらPN接合ダイオードの順方向電圧降下vPや逆方向
降伏電圧(ツェナ電圧)Vz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, physical quantities such as the forward voltage drop vP of a PN junction diode, the reverse breakdown voltage (Zener voltage) Vz, and the threshold of an insulated gate field effect transistor (often represented by an IGFET or MOSFET) have been used. Value 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Kは、得られる電圧値の変動
袈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, attention must be paid to the fluctuation factor and allowable fluctuation range of the obtained voltage value.

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2〜3nV/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に
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 nV/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1.5■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、
1.4■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 1.5-inch 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 1.4■.

これを0.6■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、1.4■を目標とした検出レベルは の温度依存性を持ち、実用動作温度範囲をOC〜50C
と狭く見積っても、1.23V〜1.57Vと大きく変
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 threshold voltage Vt of MOSFET of about 0.6■
Or, if you try to configure it using the diode's forward drop voltage (2), the detection level targeted at 1.4 (2) will have a temperature dependence of 1.4 (2), and the practical operating temperature range will be OC~50C.
Even if we make a narrow estimate, the voltage will fluctuate widely between 1.23V and 1.57V, so 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Lきい値[圧Vth)l: 0.2 V程度の
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
の外部部品と接続ビン(端子)のみならず、IC製造後
のp+整の手間が必要となる。
Next, regarding manufacturing variations in these physical quantities, MOS
FET L threshold [pressure Vth)l: There is a variation of about 0.2 V, and this variation is larger than the temperature change. Therefore, when the above-mentioned battery checker is made into an IC (integrated circuit) using Vth, not only external parts and connection bins (terminals) for reference voltage correction but also the effort of p+ adjustment after IC manufacture are required. Become.

また、ツェナ電圧v2は低い電圧では3■程度が限度で
あり、1〜3■程度の低電、圧範囲で使用する着率電圧
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mA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。
In addition, the Zener voltage v2 has a limit of about 3■ at low voltages, which is inappropriate as a deposition rate voltage used in the low voltage and pressure range of about 1 to 3■. In order to use the voltage drop as a reference voltage, it is necessary to flow a current of several mA to several tens of mA, which is inappropriate in terms of reducing power consumption.

以上の説明から明らかなように、Vth t VFおよ
び■zを利用した従来の基準電圧発生装置は、温度特性
 jlij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、極めて厳しい肴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 Vth t VF and ■z are not necessarily suitable for all uses, considering variations in temperature characteristics, power consumption, voltage levels, etc. In many cases, it was necessary to give up on commercialization and mass production for applications that required extremely strict palatability.

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′YC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、Z発に
踏み切った。
From the above studies, the inventors of the present invention learned that there is a physical 'YC limit' to improving the conventional reference voltage generator, and decided to start researching a reference voltage generator with new ideas and ideas. Ta.

なお、電圧調整回路については特開昭48−63’25
7号公報に示されているものが公知である。
Regarding the voltage adjustment circuit, please refer to Japanese Patent Application Laid-open No. 48-63'25.
What is shown in Publication No. 7 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
ず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である。
An object of the present invention is to provide a reference voltage generation circuit based on a completely new concept 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製造条件の
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 the obtained voltage values small with respect to fluctuations in manufacturing 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).

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 generator that can reduce manufacturing variations to the extent that post-manufacturing adjustments are not required.

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m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 base 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ffA1!圧発生装置を提供す
ることである。
Another object of the present invention is to obtain a base ffA1! that can obtain a low voltage (1.IV or less) with excellent accuracy. An object of the present invention is to provide a pressure generating device.

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1.5vの酸化銀電池や1.3V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 (approximately 1 to 3 cm) power supplies, such as 1.5V silver oxide batteries and 1.3V mercury batteries.

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戦器、安定比重源装
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 ratio meter, stable specific gravity source device, constant current circuit, and battery checker.

本発明の他の目的は高精度のバッテリーチェッカを内蔵
した、外部端子数の少ない電子時計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 an electronic watch that 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相補型絶縁ゲート電界効果トクンジ
スタ集積回路(0MO8IC)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 a reference voltage generator compatible with a complementary insulated gate field effect transistor integrated circuit (0MO8IC) and a method for manufacturing the same.

本発明は半導体物性の原点にたちかえり、%にエネルギ
ーギャップEg e 7工ルミ準位Ef等に着眼してな
されたものである。
The present invention has been made by returning to the origin of semiconductor physical properties and focusing on the energy gap Eg e 7, the lumi level Ef, etc. in %.

即ち、半導体がエネルギー・ギヤ2プ8位をもつことは
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Efk着目した基準電圧発
生装置は、半導体が発兄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
In other words, it is well known that semiconductors have an energy gear of 2p, but the physical properties of these semiconductors, especially the energy
A reference voltage generator that focuses on the gap Eg or the Fermi level Efk has never been seen before, even though it has made remarkable progress in a wide range of fields since the invention of semiconductors.

結果論で言うと、本発明者らはこのエネルギー・ギャッ
プEg,7エルミ準位Ef等を基aX電圧源利用するこ
とを考え、その実現に成功した。エネルギーeギャップ
Eg,フェルミ準位Ef等を基臨電圧源忙使用すること
自体は決して難しい理論ではなく、その結果はたやず(
理解,納得できるところであろ5。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。
In terms of results, the present inventors considered using this energy gap Eg, 7 Hermi level Ef, etc. as a base aX voltage source, and succeeded in realizing it. Using the energy e gap Eg, Fermi level Ef, etc. as a reference voltage source is not a difficult theory in itself, and the result is (
I hope it's something you can understand and agree with.5. However, in the field of the semiconductor industry, which no longer has a short history, this successful example, which is believed to be unprecedented, brought about by the present inventors, returning to the origins of semiconductor physical properties, is original and groundbreaking, and will continue to be used in the future. It is expected that this technology will greatly contribute to the further development of the electronic circuit and semiconductor industries.

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ほば同じ条件で製造され
るので、両者のVthの差は嫌ぼP型シリコンとNWシ
リコンのフェルミ準位の差圧等しくなる。各ゲート電極
には飽和酸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ー・ギャップE,(約1、I
V)Kfi[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 Vth between the two is approximately equal to the difference in pressure between the Fermi levels of P-type silicon and NW silicon. Each gate electrode is doped with a respective impurity near the saturated acidity, and this difference is the energy gap of silicon E, (approximately 1, I
V) Kfi[, 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71%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 generator based on such a configuration has a small temperature dependence and a manufacturing deviation of 71%, so it can be used as a reference voltage generator 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KW解されるであろう。
The present invention and other objects thereof will become 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、半導体のエネルルー書バ
ンドおよびドナーとアクセプタ不純物が半導体にもたら
す現象などへと展開していく半導体の物性論は数多くの
文献で説明されている。
Numerous documents explain the physical properties of semiconductors, starting from the crystal structure of semiconductors and extending to the energy-dependent band of semiconductors and the phenomena caused by donor and acceptor impurities in semiconductors.

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・ギヤ2
プ8 ことは言うまでもなく周知である。しかしながら。
Semiconductors with different compositions each have a unique energy gap Eg, which is an energy gear 2 expressed in eV.
P8 Needless to say, this is well known. however.

前述したように半導体が固有のエネルギー・ギャップE
gを持ち、この温度依存性が小さいととに着目し、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。
As mentioned above, semiconductors have an inherent energy gap E
There has never been an example of using this as a reference voltage source, focusing on the fact that it has a small temperature dependence.

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K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、多くの文献
でか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。
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 by referring to the physical properties of semiconductors. The physical properties of semiconductors are explained in detail in many documents, and the following is one of them, S.

M.SZE著、”Physics of Sem1co
nductor])evjces”、1969年Joh
n W目ey & 5ons社発行、特K Chapt
er 2″Physics and Properti
esof Sem1conductors − A R
esume ’ I 1頁〜65頁の助けを借りて簡単
に説明する。
M. “Physics of Sem1co” by SZE
1969 John
Published by n Weye & 5ons, Special K Chapter
er 2″Physics and Property
esof Sem1 conductors - A R
A brief explanation will be given with the help of esume' I pages 1 to 65.

五色色−二二竺二乙乙旦又9多見 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
のがゲルマニエクム(Ge>1’/リコン(Si)の非
化合物半導体とガI)sp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
れを譲1図に昇揚する。
There are various compositions of semiconductors, including germaniecum (Ge>1'/Si), which is representative of the semiconductors currently used industrially. ) non-compound semiconductors and GaI) spm arsenic (GaAs) compound semiconductors. The relationship between these energy gaps Eg and temperature is explained on page 24 of the above-mentioned book, and this is shown in Figure 1.

館1図から理解されるように、Ge、SiおよびGaA
sのEgは常温(300K)で、それぞれ、0゜80(
eV)、1.12 (eV )オヨヒ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 (men/K)および0.4
3(meV/K)である。従って、これらのエネルギー
譬ギャップEgK相当する或いはそれに近い値の電圧を
取り出すことKよって、前述したPN接合ダイオードの
順方向電圧降下■?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
Slでは常温で約1.12(V)と他の要因とははぼ無
関係に定められ、製造条件等のバラツキに左右されにく
い基準電圧を得ることが可能である。
As understood from Figure 1, Ge, Si and GaA
The Eg of s is 0°80(
eV), 1.12 (eV) Oyohi 1.43 (eV)
It is. In addition, the temperature dependence is 0.39(
meV/K), 0.24 (men/K) and 0.4
3 (meV/K). Therefore, by extracting a voltage corresponding to or close to the energy gap EgK, the forward voltage drop of the PN junction diode described above can be calculated. and IGFET threshold voltage Vth
A reference voltage generator can be obtained that has a temperature dependence that is one order of magnitude smaller than that of the standard voltage generator. Furthermore, the voltage obtained is determined by the energy gap Eg specific to the semiconductor, for example, in the case of Sl, it is approximately 1.12 (V) at room temperature, which is determined almost independently of other factors, and is not easily influenced by variations in manufacturing conditions, etc. It is possible to obtain a reference voltage.

では、この半導体のエネルギー令ギャップ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 the 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
場合のエネルギー単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、NW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Ei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相、真性半導体の7工ルミ準位Ei
から一層離れる傾向で、P型半導体の7工ルミm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
フェルミ準位”fnは伝導帯の最下限準位Ec6C近づ
き、両フェルミ単位の差(Efn−Bfp)をとれば、
これは半導体の持つエネルギー−ギャップEgKより近
づくととK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。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 energy unit state 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 NW and P-type semiconductors are located 2 minutes toward the conduction band and valence band, respectively, based on the Fermi energy level Ei of the intrinsic semiconductor. It is a physical property that The higher the concentration of acceptor and donor impurities, the higher the phase, the 7-luminium level Ei of the intrinsic semiconductor.
The tendency is for the P-type semiconductor to move further away from Ef
p approaches the upper limit level Ev of the valence band, and the Fermi level "fn" of the N-type semiconductor approaches the lower limit level Ec6C of the conduction band. If the difference between both Fermi units (Efn - Bfp) is taken,
When it approaches the energy gap EgK of the semiconductor, it becomes K, and its temperature dependence also becomes close to that of the energy gap Eg. 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.

7工ルミ準位Efn t Efp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B、にも関係し、この単位Ed 、
Eaは不純物材料によって異なる。準位EdおよびEa
がそれぞれ伝導帯および価電子帯に近い程、7工ルミ準
位Efdおよび”fa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、Jが
浅い程、フェルミ単位の差(Efn−Ef、 )は半導
体のエネルギー・ギャップE1に近くなる。
7 The lumi level Efnt Efp is related not only to the concentration of donor and acceptor impurities, but also to the donor and acceptor levels Ed and B, and this unit Ed,
Ea varies depending on the impurity material. Levels Ed and Ea
The closer to the conduction band and the valence band, respectively, the closer the 7-factor lumi levels Efd and ``fa'' are to the respective ones. In other words, the shallower the donor and acceptor impurity levels Ed, J, the Fermi unit difference (Efn- Ef, ) is close to the semiconductor energy gap E1.

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.

E f カ真性半導体のフェルミ・レベルEiK近い程
、すなわち深い程フェルミffi位の差(Efn −E
fp>は半導体のエネルギm−ギャップEg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、7工ルミ珈位
の差(Efn−Bfp)の絶対値が小さくなることを意
味している。従りて、7工ルミ準位の差CEfn−Ef
p’)は、半導体材料および不純物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E
gとカテゴリを異にした、ギャップEgと並ぶ基憔電圧
源と成り得る。すなわち、フェルミ単位の差(Efo−
Efp)は、それ自体で、PN接合の順方向電圧降下■
rやIGFET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、浅いドナー及びアクセプタ準位Ed、Ef
を示す不純物材料を使用して7工ルミ単位の差(Efn
 ”fp )を取り出すことが、半導体のエネルギー・
ギャップEc!にほぼ近い値の電圧を取り出す一つの方
法となり得る訳である。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m−ギャップに相当す
るだけの比較的大きい差率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
い差率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。
E f The closer the Fermi level EiK of the intrinsic semiconductor is, that is, the deeper the Fermi level difference (Efn −E
fp> is further away from the semiconductor energy m-gap Eg. However, this does not necessarily mean that the temperature dependence becomes worse, but it means that the absolute value of the difference in the 7-cup lumen point (Efn-Bfp) becomes smaller. Therefore, the difference between the 7-Eluminum levels CEfn−Ef
p') is specific to the semiconductor material and impurity material, and from another perspective, it is the energy gap E of the semiconductor.
It can serve as a base voltage source similar to the gap Eg, which is in a different category from the gap Eg. That is, the difference in Fermi units (Efo−
Efp) is itself the forward voltage drop of the PN junction.
It has less temperature dependence than r and the threshold voltage Vth of IGFET, and can be used as a reference voltage source with low K depending on manufacturing variations, and has shallow donor and acceptor levels Ed, Ef.
Using an impurity material that shows a difference of 7 lumi units (Efn
“fp)” is the energy of the semiconductor.
Gap Ec! This can be one way to extract a voltage that is approximately close to . On the other hand, when it comes to setting the voltage value to be obtained, if the purpose is to obtain a relatively large differential voltage corresponding to the energy m-gap of a semiconductor, an impurity exhibiting a shallow level is used. If the purpose is to obtain a relatively small differential voltage, an impurity exhibiting a deep level may be used.

不純物材料の選択の具体例 フェルミ準位Efとドナー準位Ed、アクセプタ漁位E
。、ドナー濃度Nd、アクセプタ濃度Na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 、 S iお
よびGaAs半導体に対して各不純物がどのような単位
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に、前述の文献第30頁のデ
ータを第4図として昇揚し、説明を加える7 第3図(a) 、 (b)および(c)は、それぞれ、
Qe。
Specific examples of selection of impurity materials Fermi level Ef, donor level Ed, acceptor fishing level E
. , donor concentration Nd, acceptor concentration Na and temperature T
We will explain the relationship in more detail with reference to Figures 2 and 3, but first, we will understand what units each impurity represents for Ge, Si, and GaAs semiconductors, and In order to understand how these impurities are utilized in the invention, the data on page 30 of the above-mentioned document is elevated as Figure 4 and an explanation is added7. ) are respectively,
Qe.

SiおよびGJIA8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(E
C−Ed)を示し、下側に位置する準位については価電
子帯の最上@準位Eyからのエネルギー差(Ea−Ev
)を示し、その単位はいずれも(e、V)である。
It is a diagram showing the energy distribution of various impurities for Si and GJIA8, and the numbers in each diagram indicate the energy distribution from the lowest level of the conduction band EC for the level located above the center Ei of the gap represented by the broken line. Energy difference (E
C-Ed), and for the lower level, the energy difference from the uppermost @ level Ey of the valence band (Ea-Ev
), and their units are (e, V).

従りて、同図において小さい数値で示された不純物材料
はその単位が伝導帯の最下限単位E。若しくは価電子帯
の最上限準位EvK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。例えば現在最もひんばんに所用されているSiK
対しては、Li、Sb、P、AsおよびBjのドナー不
純物およびB、A4およびGaのアクセプター不純物の
示す珈位差(E(”d ) 、(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, the unit of the impurity material indicated by a small value in the figure is the lowest unit of the conduction band, E. Alternatively, it indicates that it is close to the uppermost level EvK of the valence band, and is suitable as an impurity for obtaining a voltage close to the energy gap Eg. For example, SiK, which is currently most commonly used
On the other hand, the donor impurities of Li, Sb, P, As, and Bj and the acceptor impurities of B, A4, and Ga have the smallest chiseling differences (E("d), (Ea-Ev), and the respective levels Both differences are 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SiおよびP型Siのフ
ェルミ単位の差CEfd −Efa)は、θ°Kからの
温度変化を無視すれば、Siのエネルギー・ギャップE
g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珈位差(EC−Ed
 )、(E、−Ev)を示すドナー不純物は8(Egの
約16%)で、アクセプター不純物はIn(Egの約1
4%)であり。
The Fermi unit difference CEfd −Efa) between N-type Si and P-type Si using these impurities is equal to the energy gap E of Si, if the temperature change from θ°K is ignored.
It is about 94% to 97% of g, which is a value equal to Eg. In addition, it has the second smallest china difference (EC-Ed) of the above impurities.
), (E, -Ev) is 8 (approximately 16% of Eg), and the acceptor impurity is In (approximately 1 of Eg).
4%).

各不純物を使用したN型SiおよびP型Siのフェルξ
虎位の差(Efd E(B )はO’Kにおいて約0.
85Egとなり、Siのエネルギー・ギャップEg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。
Fell ξ of N-type Si and P-type Si using each impurity
The difference in tiger position (Efd E(B)) is approximately 0.0 at O'K.
85Eg, and the deviation in the energy gap Eg of Si is as much as about 15%, and it can be seen that the deviation becomes extremely wide with respect to the above-mentioned impurities.

以下余白 従りて、Stのエネルギー・ギャップE にはぼ等しい
電圧を得るためのPm、およびN型Siの不純物材料と
しては、LL、Sb、P、As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、A7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Slのエネルギー・
ギヤ、ブEgよりかなり小さい電圧を得る目的に好適で
あろう。
Margin below Therefore, as an impurity material for Pm and N-type Si to obtain a voltage approximately equal to the energy gap E of St, one selected from the group of LL, Sb, P, As, and Bi is used. A donor impurity and one acceptor impurity selected from the group B, A7 and Ga are preferred, the other impurities depending on the energy of the Sl.
It would be suitable for the purpose of obtaining a considerably smaller voltage than the gear and Eg.

次に、フェルミ準位の差(E(n−Efp)について、
第2図を参照して物性的な説明をする。m2図は半導体
のエネルギー準位を示す図であり、同図(a)および(
b)はそれぞれN型半導体のエネルギー準位モデルとそ
の温度特性を示し、同図(c)および(dl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 (E(n-Efp)),
The physical properties will be explained with reference to FIG. The m2 diagram is a diagram showing the energy levels of a semiconductor, and (a) and (
(b) shows an energy level model of an N-type semiconductor and its temperature characteristics, and (c) and (dl) show an energy level model of a P-type semiconductor and its temperature characteristics, respectively.

半導体中の中ヤリアはドナーの不純物Ndのうち、イオ
ン化して住じた電子ndと価電子帯より励起された電子
及びホールのベアーである。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、伝導
電子の数nはn+nd ・・・・・・(1) となる。ndはドナ一単位に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;ブランク定数1m*;電子の有効質量これより、 となり、 ・・・(5) となる。
The intermediate particles in the semiconductor are the ionized and resident electrons nd of the donor impurity Nd, and the bears of electrons and holes excited from the valence band. When the impurity Nd is sufficiently large, the excited electrons and holes can be ignored, and the number n of conduction electrons is n+nd (1). nd is the probability of being trapped by one donor,
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 1m*: Effective mass of electrons From this, it becomes (5).

ここで、フェルミ・準位は、Eo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, since the Fermi level is determined to be at a position close to Eo, the first term of equation (5) can be ignored.

この式の示すところは温度が低い時はもちろん、フェル
ミ準位は伝導帯の下端とドナー準位の中間に位置し、温
度の依存性は、ECの温度特性にほぼ等しくなる。
This equation shows that, of course, when the temperature is low, the Fermi level is located between the lower end of the conduction band and the donor level, and the temperature dependence is approximately equal to the temperature characteristic of EC.

但し、温度が十分高(なった場合には5価電子帯から励
起された電子とホールのベ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E、に近ずく。以上の関係を示したものが、第1図(
b)である。
However, if the temperature is sufficiently high, a large number of electrons and holes excited from the 5 valence band become available, the influence of impurities decreases, and the Fermi level approaches the level E of an intrinsic semiconductor. Figure 1 (
b).

第1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く同様で、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、フェルミ単位は、
価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7エルミ・準位に近づい
ていく。
The same is true for a P-type semiconductor containing only acceptor impurities as shown in Figure 1(C); at low temperatures and when the acceptor impurity concentration is large, the Fermi unit is
It is located approximately between the top of the valence band and the acceptor level, and as the temperature increases, it approaches the 7 Hermi level of an intrinsic semiconductor.

この関係を示したものが第1図(d)である。This relationship is shown in FIG. 1(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真のデータをお考にして、実用化する際の
フェルミ準位の差(Efn−Ef、 )とその温度依存
性について説明する。第3図にそのデータを昇揚する。
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 discuss the relationship between the temperature dependence of the Fermi levels Efp and Efn and the impurity concentration as a specific example. 37 Considering the true data, we will explain the Fermi level difference (Efn-Ef, ) and its temperature dependence in practical use. The data is shown in Figure 3.

通常の81半導体集梗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/
/I)l!” )であるが、不純物eiをそれより2桁
低い10” (atoms/?I3)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7エ
ルミ・準位の差(Efo−Efp)は、300’Kにお
いて0.5− (−0,5) −1,0(eV)であり
In the normal 81 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/
/I)l! ), but even if the impurity ei is set to 10'' (atoms/?I3), which is two orders of magnitude lower than that, as can be read from Figure 3, the difference in the 7 Hermi level between the N-type semiconductor and the P-type semiconductor (Efo -Efp) is 0.5- (-0,5) -1,0 (eV) at 300'K.

同温度でのエネルギーギャップE gyl、 1 e 
V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(−70℃〜130℃)の範囲で、約
1.04(eV)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VFの温度に対する変化率が2〜3m
V/’Cであるのに対し約1/3の小さい値である。
Energy gap E gyl, 1 e at the same temperature
The value is relatively close to V. The change with temperature is approximately 1.04 (eV) to 0.86 (eV) in the range of 200°K to 400°K (-70°C to 130°C), and the rate of change is 0.9 (mV). /'C). This is because the rate of change of the threshold voltage Vth of the IGFET and the forward drop voltage VF of the diode with respect to temperature is 2 to 3 m.
This is a small value of about 1/3 compared to V/'C.

不純物濃度がIQ”m−3以上であればシリコン・エネ
ルギーギャップ(Eg) S i−1,1(V ) K
はば等しくなり、温度の変化率は約0.2mV/”Cと
なり、十分率さい値となる。
If the impurity concentration is IQ”m-3 or more, the silicon energy gap (Eg) Si-1,1 (V) K
are equal, and the rate of change in temperature is approximately 0.2 mV/''C, which is a sufficiently low rate.

従って、不純物濃度は約10”Ow−’以上であれば少
く共従来より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1320m”以上(
約1/10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"Ow-' or more, it is possible to obtain a temperature dependence that is at least 1/2 to 1/3 smaller than the conventional one, and more preferably 1320m" or more (
(improvement of about 1/10), and most preferably saturation concentration.

埋と実例 では、このフェルミ準位の差(Efn −Efい)に相
当する電圧はいかなる原理に基すいc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
た導電型の異なる半導体ゲート電極を有する2つのMO
SFETのしきい値電圧Vth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 this example, on what principle can the voltage corresponding to the Fermi level difference (Efn - Ef) be extracted? Two MOs with different semiconductor gate electrodes
This method utilizes the difference in threshold voltage Vth of SFETs. 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、P4型型半体をゲート電極とし
たMOS)ランジスタをP+グー)MOS、N+型半導
体をゲート電極としたMOSトランジスタなN+ゲグー
MO8と舊うこととする。第6図は、一般の0MO8製
造工科において上記P+ゲートNi o s及び、N+
ダグ−MOSが何ら〆の工程の変化及び追加をすること
な(。
FIG. 5 shows a conceptual cross-sectional structure of each FET. Hereinafter, for the sake of simplicity, a MOS transistor with a P4 type half as a gate electrode will be referred to as a P+ MOS transistor, and a MOS transistor with an N+ type semiconductor as a gate electrode will be referred to as an N+ MOS transistor as an N+ MOS transistor. FIG. 6 shows the above P+ gate Ni o s and N+ gate in general 0MO8 manufacturing technology.
Doug-MOS does not make any changes or additions to the final process.

構造できることを示す主要工程の断面図である。It is a sectional view of the main steps showing that the structure can be constructed.

第7図は、実際に回路構造上使用されるパターンを、P
−チャンネルMOSトランジスタの場合について、断面
構造と合せて、辰わしたものである。
Figure 7 shows the pattern actually used in the circuit structure.
- For the case of a channel MOS transistor, the figure is shown along with the cross-sectional structure.

第7図において、セルフ・アライン構造とするために、
ゲート電極のソース及び、ドレインに接した両端部には
、この場合P−チャネルーMOSトランジスタであるか
ら、P+グー)MOS。
In Fig. 7, in order to obtain a self-aligned structure,
At both ends of the gate electrode in contact with the source and drain, since it is a P-channel MOS transistor in this case, there is a P+ MOS transistor.

N+ゲグーMO3の両者ともP不純物が拡散される。ゲ
ートtt極の中央には、P+グー) M OSはP型不
純物が、N+ダグ−MOSはN型不純物が拡散される。
P impurity is diffused in both N+gegu MO3. In the center of the gate tt pole, a P-type impurity is diffused for P+GOOMOS, and an N-type impurity is diffused for N+Dag-MOS.

前記のソース及びドレインと接した両端部と中央の領域
との間には、何も不純物を拡散しない領域工を設けて、
P+グー)MOSとN+ゲグーMO8の相違点が単にゲ
ート中央の領域のP型中導体であることと、N型半導体
であることのみになるよう配慮されている。
A region process in which no impurity is diffused is provided between the central region and both ends in contact with the source and drain, and
Care has been taken to ensure that the differences between the P+Goo (P+Goo) MOS and the N+GeGoo MO8 are simply that the gate center region is a P-type medium conductor and that it is an N-type semiconductor.

さもK、セルフ・アラインのためにとったゲートのP型
不純物拡散領域が、マスクの合わせの誤差により、j!
11造時において、左右(ソース倒あるいはドレイン側
)の一方に片寄ったことによるMOS)ランジスタの実
効的なチャネル長のずれ(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110sとN″″″ゲーOS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nW
一定となる。
However, due to an error in mask alignment, the P-type impurity diffusion region of the gate, which was taken for self-alignment, was j!
11, the rows of source and drain regions are alternated so that the deviation (change) in the effective channel length of the MOS transistor due to biasing to one side (source tilted or drain side) is minimized. The left half and the right half are arranged symmetrically with respect to the channel direction. Therefore, the deviation (left and right) in the channel direction of mask alignment is
Even if there is a change in the effective channel length of the P+Goo 110s and N'''' game OS in each row connected in parallel, the average effective channel length of the P+Goo 110s and the N'''''' game OS will be nW
It becomes constant.

第6図は、通常のシリコングー)0MO8製造プロセス
において、いかにしてP+グー)MOS及びN+ゲグー
MO8が構成されるかを示したものである。
FIG. 6 shows how P+ MOS and N+ MOS are constructed in a typical silicon MOS (G) 0 MO8 manufacturing process.

(a3図において、lotは比抵抗lΩ伽〜8Ω伽のN
型シリコン半導体で、その上に熱酸化膜102を400
0A〜16000A8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〜2001(eVのエネル
ギーで10 H〜x □ H備−2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MOS トランジスタの基板であるP−ウェル
103を形成する。
(In diagram a3, lot is N with a specific resistance of 1Ω~8Ω
type silicon semiconductor, and a thermal oxide film 102 of 400 nm is applied thereon.
It is grown at 8 degrees from 0A to 16000A, and windows for diffusion are selectively opened using photoetching techniques. Boron, which will become a P-type impurity, is ion-implanted at an energy of 50 KeV to 2001 (eV) in an amount of about 10 H to x □ H-2, and then thermally diffused for about 20 hours from 8 o'clock to form the substrate of an N-channel MOS transistor. A P-well 103 is formed.

(b)図において、熱酸化膜102を除去し、熱酸化膜
104を1μrIL〜2μm程形成しMOS )ランジ
スタのソース、ドレインおよびゲートとなろ領域をエツ
チングにより除去する。その後300A〜1500A程
度のゲート酸化If@105を形成する。
(b) In the figure, the thermal oxide film 102 is removed, a thermal oxide film 104 is formed with a thickness of about 1 μrIL to 2 μm, and the regions forming the source, drain, and gate of the MOS transistor are removed by etching. After that, gate oxidation If@105 of about 300A to 1500A is formed.

その上に多結晶Si 106を2000A〜6000A
程成長させ、MOS)ランジスタのゲート部を残してエ
ツチングにより除去する。
On top of that, polycrystalline Si 106 is applied at 2000A to 6000A.
It is then removed by etching, leaving only the gate portion of the MOS transistor.

(c)図において、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なホトエツチング技術に
より除去する。その後、10 −10国−3程の高濃度
のP型不純物となるボロンを拡徴し、PチャンネルP1
10s)ランジスタのソース。
In the figure (c), an oxide film 107 is formed by vapor phase growth and removed by photoetching in the region where P-type impurities are diffused. After that, boron, which becomes a P-type impurity, is expanded to a high concentration of about 10 - 10 countries - 3, and the P channel P1
10s) Ranjistor source.

ドレイン領域10Bを形成し、同時にP型中導体のゲー
ト電極を形成する。
A drain region 10B is formed, and at the same time a gate electrode of a P-type medium conductor is formed.

td1図において、先と同様に気相成長により酸化膜1
09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。
In the td1 diagram, the oxide film 1 is grown by vapor phase growth as before.
09 is formed, and the region in which the N-type impurity is diffused is removed by photoetching. after that.

1020〜10 ― 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MO8)ランジスタのソー
ス、ドレイン領域110を形成し、同時にNIJ1半導
体のゲート電極を形成する。
Phosphorus serving as an N-type impurity is diffused at a high concentration of about 1020 to 10 - to form the source and drain regions 110 of the N-channel MO8) transistor, and at the same time form the gate electrode of the NIJ1 semiconductor.

(e)図において、酸化It!109を除去し、気相成
長により4000A〜8000A程度の酸化膜111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m(Anを蒸着し、ホトエツチング
技術により電極配給部分112を形成する。
(e) In the figure, oxidation It! 109 is removed, an oxide film 111 of approximately 4000 to 8000 A is formed by vapor phase growth, and the electrode lead portion is removed by photoetching. Thereafter, gold (An) is deposited and an electrode distribution portion 112 is formed by photo-etching.

(f1図において、気相成長により1μm〜2μmの酸
化膜で核う。
(In the f1 diagram, a 1 μm to 2 μm oxide film is formed by vapor phase growth.

次に、ゲートは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8図に従って説明す
る6まずP+ゲートへ108の場合については、第8図
(alのエネルギーバンド図より(−r−” 4M φS であることが示される。
Next, the threshold voltage of a MOS transistor whose gate uses a semiconductor as an electrode will be explained according to Fig. 8. 6 First, to the P+ gate 108 In the case of 108, see Fig. 8 (from the energy band diagram of al (-r −” 4M φS.

但しここで ■。;半導体基板とゲート電極(p+半導
体)との電位差 X ;電子親和力、Eg;エネルギ町 ギャップ φ、;N型半導型中仮の表面ポテン シャル φyp+pA性半導体のフェルミ・ポテンシャルを基準
としたP型中 導体のフェルミ・ポテンシャル φF;真性半導体のフェルミ・ボテ ンシャルを基準としたN型半 導体基板のツボルミ・ポテン シャル q ;電子の単位電荷 ■o;絶縁物に加わる電位差 Eo;伝導帯のエネルギー準位の下 限 Ev;価電子帯のエネルギー準位の 上限 Ei;真性半導体の7エルミ・単位 (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φつ、十とし、又半導体の仕J#関数を同
様にφ81とすると であるから、 V。−−V、+φ、−φai−φs −(IGとなる。
However, here ■. ; Potential difference X between the semiconductor substrate and the gate electrode (p+ semiconductor) ; Electron affinity, Eg; Energy gap φ, ; Temporary surface potential in N-type semiconductor φyp + P-type based on Fermi potential of pA semiconductor Fermi potential of a conductor φF; Tsuborumi potential q of an N-type semiconductor substrate based on the Fermi potential of an intrinsic semiconductor; unit charge of an electron ■o; potential difference Eo applied to an insulator; lower limit of the energy level of the conduction band Ev ; Upper limit Ei of the energy level of the valence band; 7 Hermi units of an intrinsic semiconductor In equation (7), the work function of the gate electrode is expressed as a potential, and it is expressed as φ and 10, and the work function of the semiconductor is similarly expressed as If we set it to φ81, then V. −−V, +φ, −φai−φs −(IG.

また第8図(blの電荷の関係より −COX−V6 +Qas +Q1+QB=0 ・・・
(11)である、ここで COX;単位面積当り、絶縁物の客間。
Also, in Figure 8 (from the relationship of the charge of bl -COX-V6 +Qas +Q1+QB=0...
(11), where COX; per unit area, drawing room of insulation.

Qas;、@紛物中のl^j定電葡 QB;半導体基板中不純物のイオン 化による固定電荷 Qi;チャンえルとして形成された キャリア no 、 +lυより −cox(−v、+φMP+−φ8−φ5rf)+ Q
sa + Qi + QO−0−’J’Jとなる。
Qas; @l^j constant voltage in powder QB; fixed charge Qi due to ionization of impurities in semiconductor substrate; ) + Q
sa + Qi + QO-0-'J'J.

チャンネルQiができる時のゲート!圧■。が。The gate when Channel Qi is created! Pressure ■. but.

しきい値電圧であるから、P+ゲグーMO8Lきい値電
圧なVthp+とすると cox cox ””’ この時φ8−2φFである。
Since this is the threshold voltage, if Vthp+ is the threshold voltage of P+GEGMO8L, then cox cox ""' At this time, it is φ8-2φF.

以下同様にして、N+ゲグー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 である。従ってそのしきいak1L8EVthH+ +
まここでφ8−2φF となる。
Similarly, in the N+GEGMO8) transistors, the only difference is the work function φMN+ of the gate electrode. Therefore, the threshold ak1L8EVthH+ +
Here it becomes φ8-2φF.

これよりP+ゲートMOSとN+ゲグーMO8のしきい
値電圧の差vthp十−■thN+は、vthp”−v
thN”−φMP+−’l’MN+−d’rp”−φF
N”・・・θυ となり、ゲート電極を構成している半導体の7エルミ・
ボデンシャルの差になる。これは88図において(at
 、 (clを比較して、同じ′N、荷分布になる時の
ゲート電圧が、ゲート衛、極の仕墨関#li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。
From this, the difference between the threshold voltages of the P+ gate MOS and the N+ gate MO8, vthp+ - thN+, is vthp" - v
thN"-φMP+-'l'MN+-d'rp"-φF
N”...θυ, and the 7-hermi
It becomes a bodential difference. This is shown in Figure 88 (at
, (Comparing cl, the gate voltage when the same 'N and load distribution are obtained is the difference between the gate and the poles,
This can be easily understood as a difference between Fermi and levels.

以上の説明け、P−チャンネル型MO8)ランジスタの
例とした場合であるが、N−チャンネル型MO8)ラン
ジスタの場合も全(同様である。
The above explanation is based on the case of a P-channel type MO8) transistor, but the same applies to the case of an N-channel type MO8) transistor.

次KMO8)ランジスタのVthの差を取り出す回路に
ついて説明する。
Next, KMO8) A circuit for extracting the difference in Vth of transistors will be explained.

以下に説明する回路は上述したフェルミ単位の差(Ef
n−E(、)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を持っ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#
:置として応用できる。
The circuit described below is based on the Fermi unit difference (Ef
This can be one method for extracting n-E(,), but other methods generally include reference voltage generation using a voltage based on the difference in Vth of FETs with different Vth as a reference voltage.
: Can be applied as a position.

第9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。TI+T、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. 9(b) shows a circuit that generates a voltage corresponding to the threshold voltage of a MOS transistor. TI+T constitutes a so-called MOS diode whose drain and gate are commonly connected.

工0は定電流源、T、、T、は異なるしきい値電圧Vt
hl 、Vth2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■鵞 
、■!とすれば 1、−一β(V+ −vthl ” であるから V+ −vthl + % ””” Vl−V1h2+fiファ −rm 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。
0 is a constant current source, T, , T are different threshold voltages Vt
It is a MOSFET with mutual conductance β almost equal to hl and Vth2, and each drain voltage is
,■! Then, 1, -1 β(V+ -vthl '', so V+ -vthl + % ``'''' Vl - V1h2 + fi -rm, and if we take the difference in drain voltage, we can extract the difference in threshold voltage. can.

定電流源としては、十分大きな抵抗を使っても良く、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M晶S1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
Multi-M crystal S1 resistor, resistor made by ion implantation,
MOS) resistors can be used.

この回路でT、、T、として先に説明したN+ゲグーM
O8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、Nu牛牛体体P微生導体のフェ
ルミ・準位の差(E(n−Ef、 )を取り出すことが
できる。
In this circuit, N+gegu M, which was explained earlier as T, ,T,
By using O8 and P+ gate MOS, it is possible to extract the Fermi level difference (E(n-Ef, )) of the Nu cow body P microscopic conductor, which is approximately equal to the difference in threshold voltage. .

なお、グー)!fflの組成を変えること以外にも、例
えはチャンネルへのイオン打込み、ドープド・ゲート・
オキサイド、ゲート絶縁膜の以さの変更等により異なる
しきい値電圧を持たせることが可能であるが、これを第
9図の回路に適用すれば。
In addition, goo)! In addition to changing the ffl composition, examples include ion implantation into the channel, doped gate
It is possible to have different threshold voltages by changing the oxide, the thickness of the gate insulating film, etc., but if this is applied to the circuit of FIG. 9.

イオン打込み量に対応したしきい値電圧の差、ゲート絶
縁膜中にドープされた不純物量およびゲート絶縁膜の厚
さに応じたしきい値電圧の差を同様に基準電圧として取
り出すことができる。
The difference in threshold voltage corresponding to the amount of ion implantation, the amount of impurity doped into the gate insulating film, and the thickness of the gate insulating film can be similarly extracted as a reference voltage.

例えばイオン打込み法は、打込み量が電流の形でモニタ
ー出来るため、不純物濃度の精度が、通常の拡散に比較
して極めて良いことは公知のところであるが、第1O図
はこの様子を示したものである。イオン打込み以前のM
OS)ランジスタの特性がT、であるとして、それが製
造時九個々にバラツキ、イオン打込み後にムVthだけ
のしきい値の変化し、個々にバランいたとしても、両者
のしきい値電圧の差であるム■tl、は、イオン打込み
量で決まるために極めてバラツキが少なく、同様に製造
バラツキの少ない基準電圧として使用できろ。つまり、
イオン打込みをしないMOB)ランジスタT、のしきい
値電圧なり thlとすると09式同様 であり、イオン打込みによる基板の固定電荷の増分をΔ
QBとするとイオン打込みされたMO8)ランジスタT
、のしきい値電圧Vthdiとなり となる。このしきい値電圧の差電圧の温度変化は、ΔQ
Bがほとんど温度変化に対して一定であるため、極めて
小さい。
For example, it is well known that in the ion implantation method, the implantation amount can be monitored in the form of current, so the accuracy of the impurity concentration is extremely good compared to normal diffusion, and Figure 1O shows this situation. It is. M before ion implantation
OS) Assuming that the characteristic of the transistor is T, the threshold value varies by Vth after ion implantation, and even if each individual is balanced, the difference in the threshold voltage between the two varies. Since mtl, which is determined by the amount of ion implantation, has extremely little variation, it can also be used as a reference voltage with little manufacturing variation. In other words,
If thl is the threshold voltage of transistor T (MOB without ion implantation), it is the same as formula 09, and the increase in the fixed charge of the substrate due to ion implantation is Δ.
If it is QB, ion implanted MO8) transistor T
, the threshold voltage Vthdi becomes. The temperature change in this threshold voltage difference voltage is ΔQ
Since B is almost constant against temperature changes, it is extremely small.

またイオン打込み量によって基*&圧が自由に変えるこ
とができ、シングル・チャンネルMO8製造工程でも容
易に実現することができるのも大きな利点である。
Another great advantage is that the base *& pressure can be freely changed depending on the amount of ion implantation, and that it can be easily realized even in a single channel MO8 manufacturing process.

以下余白 1日+で奄博1−間船卯すゐモモj(で=き−をめ遣−
大き1岬9藩で−ある。
The following is a margin of 1 day + Amahiro 1-Mafune Usui Momo
There is one large cape and nine domains.

第11図および第12図は、異なるしきい値電圧を持つ
FETftMOS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。T、はしきい
値電圧vthl # TIはしきい値電圧vthsを持
っているとする。
FIGS. 11 and 12 are examples of circuits that connect FETftMOS diode types having different threshold voltages in series to extract the difference in threshold voltage. It is assumed that T has a threshold voltage vthl #TI has a threshold voltage vths.

抵抗R1がT、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 Vl −V2 ”vthl ・+・+−CGV+ +V
1hB −・・(!4 ゆえK、vt ”thl−vthl ”””5となる。
Under the condition that the resistance R1 is sufficiently large compared to the impedance of T, and the resistance R1 is sufficiently large compared to the impedance of T, Vl −V2 ”vthl ・+・+−CGV+ +V
1hB -...(!4 Therefore, K, vt "thl-vthl"""5.

第13図1alは、容量の両端子忙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13図1all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Ts=Toをオンさせて容量C* tc T t 、
T tのしきい値電圧”thl I Vthffiの差
電圧をチャージする。
In FIG. 13 1al, a voltage corresponding to the threshold voltage of both terminals of the capacitor is applied, and the voltage held in the capacitor is extracted as a differential voltage. FIG. 13 1all shows the operation timing. The clock pulse φ turns on Ts=To, and the capacitance C* tc T t ,
Charge the differential voltage of the threshold voltage "thl I Vthffi" of Tt.

φ1が切れた後、クロックφ、によりT、をオンさせC
3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。後で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K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・ミッシ璽ンゲ−)T
、、T、をオンさせて、容量C!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−フォロアで受ければ、その出力
として、十分内部インピーダンスの低い状態で、T、、
T、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, T is turned on by clock φ, and C
Ground node 3. 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 of node (2) at this time can be used as it is as a reference voltage. can be used in a more general form, so that K can be used in a more general form.
,,T, is turned on, and the capacitance C! If that potential is taken in and received by a so-called voltage follower whose output is fully fed back to the negative phase input (-) of the operational amplifier 5, the output will be T, with sufficiently low internal impedance.
The difference between the threshold voltages of T is obtained as a reference voltage.

第14図は同aK容量C8を利用した基準電圧発生装置
である。クロックφ、によりT、をオンさせる。この時
T、はクロック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TIのしきいMW圧vth1
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■tht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T、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. 14 shows a reference voltage generator using the same aK capacitor C8. T is turned on by clock φ. At this time, T is in an off state due to clock φ. The potential of node ■ is lower than the potential of node ■ by the threshold MW pressure vth1 of TI.
The potential of node ■ is lower than the potential of node ■ by T,
is lowered by the threshold voltage ■tht, and the difference voltage between the two is charged across the capacitor C. Next, T is turned off by φ, and φ! When T is turned on, a voltage difference between the threshold voltages is obtained at the node (2).

第15図は、第13図の回路で使用される公知の演算増
幅器を示したものである。T、、T、は差動増幅回路を
構成している差動対であり、T、。
FIG. 15 shows a known operational amplifier used in the circuit of FIG. 13. T, ,T, is a differential pair that constitutes a differential amplifier circuit;

T6はその能動負荷である。T、は、T、、T。T6 is its active load. T, is, T,,T.

罠よるバイアス回路と共和定′rI1.流回路を構成し
ている。Te 、TtはT、を定電流源負荷とするレベ
ル・変換兼出力バッファー回路である。図ではC−MO
Sでの回路構成例を示したが、シングル・チャネルMO
8でも構成できることは!5までもない。
Bias circuit based on trap and cointegration constant 'rI1. It constitutes a flow circuit. Te, Tt is a level conversion/output buffer circuit with T as a constant current source load. In the figure, C-MO
Although the circuit configuration example for S is shown, single channel MO
What you can do with 8! Not even 5.

またこの演算増幅器において、差動増幅回路を構成する
差動対T、、T、に、先に述べた方法により具なるしき
い値電圧■thl l vthz を持たせること九よ
り、そのしきい値電圧の差を基準電圧として利用あるい
は取り出すことができ、これは従来にみられない演算増
幅器の応用である。
In addition, in this operational amplifier, the differential pair T, , T, constituting the differential amplifier circuit is provided with a specific threshold voltage ■thl l vthz by the method described above. The voltage difference can be used or extracted as a reference voltage, which is an unprecedented application of operational amplifiers.

第16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T、、Ttは各々異なるしきい値電圧■
th1#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
符号は各々、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. 16 schematically represents a general operational amplifier by taking only its differential part.
S) The transistors T, , Tt each have different threshold voltages■
th1#vth2, and other characteristics are assumed to be equal. Further, the signs (-) and (+) appearing on the input side mean that the output is in opposite phase and in phase with the output, respectively.

T、の入力をV+ 、Ttの入力をvtとすれば、V+
 VIhI=Vl v、h、ツtr+■+ V t :
′” V t ht V t h z ++ ++ 。
If the input of T is V+ and the input of Tt is vt, then V+
VIhI=Vl v, h, tr+■+Vt:
'” V t ht V t h z ++ ++.

の条件を境として、出力レベルが変化する。The output level changes based on the following conditions.

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
16図に示すよ5K。
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, it is 5K as shown in Figure 16.

(−)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Kは、T!はデブ
レッシ冒ン・モードであることが必要である。例えばT
、KP+ゲーグーO8゜T、にN+ゲグー M 08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、ディプレッジ璽
ン型とすれば良い。
If the output is connected to the (-) input terminal and the +) input terminal is grounded, a difference in threshold voltage will be obtained at the output (out). In this case, in order to operate the operational amplifier, K is T! must be in debressi attack mode. For example, T
, KP+Gegoo8°T, when using N+Gegoo M08, ions may be implanted into the channel portions of both MOSFETs under the same conditions to form a dipledge type.

第17図は、第16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Rs 、Rsを通して(−)人力に帰還させ
れば、その分圧比をrとすれば、出力電圧■。は vthx −vthg vo= −□□ ・・・・・・(2) となる。分圧手段Rs、Reは線形抵抗が望ましいが、
許容できる程度に十分IC%性のそろった抵抗であれば
何でも良い。
In FIG. 17, the reference voltage can be arbitrarily set using the operational amplifier in FIG. 16. If the output is fed back to (-) human power through the voltage dividing means Rs and Rs, and if the voltage dividing ratio is r, then the output voltage will be ■. is vthx −vthg vo= −□□ (2). The voltage dividing means Rs and Re are preferably linear resistances, but
Any resistor may be used as long as it has a sufficiently uniform IC% to an acceptable level.

第16図、17図の回路はディプレッジ璽ン型MO8を
使用するのが前提であるのに対し、第18図、第19図
の回路はエンへンスメント型MO8でも動作可能なよう
にしたものである。もちろん、ディプレッジ冒ン型であ
っても差しつかえない。
The circuits in Figures 16 and 17 are based on the use of a depression type MO8, whereas the circuits in Figures 18 and 19 are designed to be able to operate with an enhancement type MO8. be. Of course, it's okay to be a Depledge adventurer.

第18図の例は、第16図の例と同様出力を(−)入力
に直接帰還させたもので、出力■。は、電源電圧な■D
Dとすれば、 V6 =■DD−(vthg ”tbl) ・・・・・
・(2)となる。第16.17図の回路では差動対の少
なく共一方をディプレッジ璽ン拳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 shown in FIG. 18 is similar to the example shown in FIG. 16, in which the output is directly fed back to the (-) input, and the output is ■. is the power supply voltage■D
If D, V6 =■DD-(vthg "tbl)"
・(2) becomes. In the circuit shown in Figure 16.17, it is necessary to put at least one of the differential pairs into depression mode, which may require an increase in the number of manufacturing steps depending on the case, but it is possible to set the differential voltage of Vth to the ground potential. It can be extracted based on.

逆に、第18.19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p!−1FETの
動作モードの条件は特に付かない。
Conversely, in the circuit of Figures 18 and 19, the reference for the resulting differential voltage is the power supply voltage that is not the ground potential, p! -1 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くみる
かによって決めれば良い。
Which circuit format to adopt can be decided depending on which advantages and disadvantages are considered.

第19図の例は第17図の例と同様分圧手段R,,R,
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. 19 is the same as the example in FIG.
The output is fed back to the (-) input through the circuit, and the output is [.

第20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。
Figure 20 shows how the reference voltage from a reference voltage generator that uses the difference in Vth is added to one input of the comparator, and the detected voltage is added to the other input, and the level of the detected voltage with respect to the reference voltage is distinguished. This is a voltage detection circuit that makes it possible to

第21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Re、R◎により分圧した
電圧を加えた電圧検出回路である。
In the example shown in Fig. 21, the reference voltage from the reference voltage generator using the difference in Vth is added to the comparator, and the detected voltage is divided into the other input by the voltage dividing means Re, R◎. This is a voltage detection circuit that applies the same voltage.

分圧比をr、基準電圧なりref、検出レベルをvse
nseとすると となり、分圧比rにより検出レベル■5enseを任意
に設定できる。
The voltage division ratio is r, the reference voltage is ref, and the detection level is vse.
nse, and the detection level 5ense can be arbitrarily set by the partial pressure ratio r.

第22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R11−R□は第21図の例と同じ分圧手段で
ある。
The example in FIG. 22 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. Further, R11-R□ is the same pressure dividing means as in the example of FIG.

第20.21.22図の例において被検出電圧を電源電
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
22図の電圧検出回路を電子時計のバッテリ・チェッカ
ーに応用した具体例を第29図に示すが、詳しい説明は
後述する。
In the example of Figures 20, 21, and 22, 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 the power supply. A specific example in which the voltage detection circuit of FIG. 22 is applied to a battery checker for an electronic watch is shown in FIG. 29, and detailed explanation will be given later.

第23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くつかの方法で構成
したものであり、 Rsa # R14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T、。
The example shown in FIG. 23 is applied to a stabilized power supply circuit. The reference voltage generation circuit is configured using the several methods described above, and compares a part of the stabilized output with the reference voltage using Rsa #R14, and adjusts T so that they match.

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
control the gate voltage and stabilize the output voltage. Any operational amplifier may be used as long as its characteristics are acceptable.

第24図の例は第23図の例でT、。KMO8)ランジ
スタを使用したのに代えてバイポーラ管トランジスタT
R,を使用したものである。
The example in FIG. 24 is T, in the example in FIG. KMO8) Instead of using a transistor, use a bipolar tube transistor T
R, is used.

第25図の例は第16図の例で示したオフ・セット電圧
を持った演算増#A器を使用したものである。T*Iは
当然MOSトランジスタであってもノ(イボーラトラン
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. 25 uses the operational multiplier A having the offset voltage shown in the example shown in FIG. Of course, T*I may be a MOS transistor, an Ibora transistor, or a junction field effect transistor.

第26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。
The example in FIG. 26 is a constant current circuit determined by the difference in threshold voltage between T and T.

’r、、T、は同一の相互コンダクタンスβを持ち、し
きい値電圧は各々異なるVthl t vthsである
。抵抗RtoがT、のインピーダンスに比較して十分高
ければ、T、のドレイン電圧(=ゲート電圧)vlはV
thlとほぼ等しくなる。
'r,,T, have the same transconductance β, and have different threshold voltages Vthl t vths. If the resistance Rto is sufficiently high compared to the impedance of T, the drain voltage (=gate voltage) vl of T is V
It becomes almost equal to thl.

T、が飽和領域の時は、T、に流れる電光重。When T, is in the saturated region, the electric light flowing through T.

は 工=−β(Vth□−Vthg )” ・・−C313
となる。
= -β(Vth□-Vthg)"...-C313
becomes.

第27図の例は、T□に流れる電光重による電圧降下工
。utRllを基準電圧vrefと比較し、常に両者が
等しくなるよ5に:T、のゲート電圧な制御するよう圧
した定電流回路である。
The example in Fig. 27 is a voltage drop system using heavy lightning flowing through T□. This is a constant current circuit that compares utRll with a reference voltage vref and controls the gate voltage at 5:T so that both are always equal.

・・・・・・曽 となる。...Zeng 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e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 e-set, as in the previous example.

第28図の例は、T□、T3.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 in FIG. 28 is T□, T3. This is a constant current circuit using the same transistor and using a so-called current-mirror circuit.

第29図の例は、第22図の例のバッテリーチェッカー
を電子時計に応用した例である。
The example shown in FIG. 29 is an example in which the battery checker shown in FIG. 22 is applied to an electronic watch.

T、、T、、T、、%T4.およびR□とR41は公称
1.5vの水銀電池E1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チャネル−MOS、N+ゲグー・Nチャネル−MO8
T1 、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〜1.5■以内になるよ
5に、チャネル部分にイオン打込みをほどこしている。
T,,T,,T,,%T4. and R□ and R41 constitute a circuit that checks the voltage level of the nominally 1.5V mercury battery E1. The transistor pair in the differential section is a P+ gate.
N channel - MOS, N+ Gegu/N channel - MO8
The channel portion is ion-implanted so that the threshold voltage of both T1 and T is within 1.0 V to 1.5 V, which is the operating power supply range of an electronic watch.

基準電圧となるしきい値電圧の差は、シリコン半導体の
場合は、約1.1■であり、ノ(ツテリーの電圧が下っ
たことを検出するレベルを1.4■近辺(合せるために
抵抗手段R+、Rtの抵抗比で調整している。
The difference between the threshold voltages, which serve as reference voltages, is approximately 1.1■ in the case of silicon semiconductors, and the level at which it is detected that the voltage of the It is adjusted by the resistance ratio of the means R+ and Rt.

コノ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1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、間欠的
に動作する。
The Kono battery checker operates intermittently using a clock signal φ obtained from the 1-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ゲートグーI 
、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!気光学的累子
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 NAND gate goo I
, NA! The logic level of this latch circuit output controls the timing circuit TM, thereby changing the drive output of the motor and changing the way the hands move, thereby reducing the battery voltage. Display. A drop in battery voltage does not change the movement of the pointer, and the liquid crystal, light emitting diode, etc. It is also possible to display by blinking the pneumatic light.

なお同図において、OSCはCMOSインノ(−タで構
成され、IC外の部品水晶Xtal及び容量CG、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、BP、* 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クファーであ
る。
In the same figure, the OSC is composed of a CMOS inverter, and includes parts outside the IC such as a crystal Xtal, a capacitor CG, and a CD.
WS is a waveform shaping circuit that converts the oscillation output from a sine wave to a rectangular wave, CM is the excitation coil of the step motor that drives the second hand, BP, *BF
, is a buffer for driving the excitation coil CM by inverting its polarity every second, which is composed of a CMOS inverter.

IC内の全ての回路は公称1.5vの水銀電池E。All circuits in the IC are nominally 1.5v mercury battery 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!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グー)CMOS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。
It works. In addition, TM represents the divided outputs of a plurality of different frequencies of the frequency divider circuit FD and NA, , NA! 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 monolithic Si semiconductor chip for a pointer type electronic wristwatch manufactured by the Si CMOS process shown in FIG.

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.

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

第1図はGaAs 、S i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Iat 、 fblはN型半導体、[c
l 、 (dlはP型半導体の例を示す。第3図はN型
及びP型Siの7工ルミ準位の、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6図1al r 
tblおよびlclはそれぞれGe 、 S iおよび
GaAs半導体と各洩のドナーおよびアクセプタ不純物
が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単位の差(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+ゲグーMO8FET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1al乃至(flはN+ゲグー(B部分)および
P+ゲート(A部分)PチャンネルMO8FETが通常
のコン・プリメンタリMO8を構成するPチャンネルF
ET(C部分)およびNチャンネルFET(D部分)と
−緒に製造されるのを示す。主要工程における断面図で
ある。97図181 、 tblは夫々N+グー)Pチ
ャンネルMO8FETの平面図と断面図を、同図(cL
 、 ldlはP+ゲグーPチャンネルMO8FETの
平面図と断面図を示し、各平面図の矢印で示した線をそ
の断面図の切断線と仮定している。 第8図1al 、 tbl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(C1、ldlはそれぞれN+型型部導体絶
縁物−Nr11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9図1a+ 、 (blは夫々異なるしき〜・値電圧
Vthを持つ2つのFETのVthの差を取り出すため
のMO8ダイオード回路の特性図とその回路を示す図で
あり、第10図はイオン打ち込みKよってVthが変化
する様子を示す特性図である。 第11図及び第12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13図11+は更に他の
基準電圧発生回路の一例を示し、同図iblはそのタイ
ミング信号波形を示す。第14図乃全第19図は更に他
の冥施例にもとすく基ふ、、v1電圧生回路を示す。第
20図〜第22図はそiらを電圧検出回路に応用した例
を、第23図〜@25図は電圧レギユレータに応用した
例を、第26図〜第28図は定電流回路に応用した例を
、第29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。 T・・・MOSFET、R・・・抵抗、C・・・コンデ
/す、Xtal・・・水晶振動子、O20・・・水晶発
振回路、WS・・・正弦波−く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、BF・・・CMの駆動用バッファー、N
A・・・NANDゲート、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、Eg
・・・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、Efp・
・・N型、P型半導体のフェルミ単位、Ed 、Ea・
・・ドナーアクセグタ準位。 第 1 図 第 3 図 tct) 第 2 同 第 4 図 (tL) 177−CJII−+(にKg−’”””Crt14(
J44G齢第 5 8 第 6 図 第 9 図 (ct)(b) 第11図 第12図 第 13 図 (+21 3−一〜−−−−−−−−−−−− 第14図 第16図 第17図 第 18 図 第19図 第20図 第21図 第22図 第 23 図 第 24 図 第25図 第2 第2 第2、
FIG. 1 is a diagram showing the energy gap Eg of GaAs, Si and Ge semiconductors and its temperature dependence. Figure 2 is a diagram showing the band structure and Fermi level Ef of a semiconductor, where Iat and fbl are N-type semiconductors, [c
l, (dl indicates an example of a P-type semiconductor. Fig. 3 is a diagram showing the temperature characteristics of the 7-luminium level of N-type and P-type Si with impurity concentration as a parameter. Fig. 6 1al r
tbl and lcl are diagrams showing the energy level distributions of Ge, Si, and GaAs semiconductors, and the donor and acceptor impurities of each leakage, respectively. Figure 5 shows the difference in Fermi units (E
Fig. 3 schematically shows the cross-sectional structure of a P+ gate and N+ gate MO8FET that can be used to extract fn-Efp), with the left half showing the P-channel FET and the right half showing the N-channel FET. Figure 6 1al to (fl is N+ gate (B part) and P+ gate (A part) P-channel FET in which P-channel MO8FET constitutes a normal complimentary MO8
It is shown fabricated with an ET (section C) and an N-channel FET (section D). It is a sectional view in a main process. 97 Figure 181, tbl is N + goo, respectively) The top view and cross-sectional view of the P-channel MO8FET are shown in the same figure (cL
, ldl shows a plan view and a cross-sectional view of a P+gegu P-channel MO8FET, and the line indicated by the arrow in each plan view is assumed to be the cutting line of the cross-sectional view. Figure 8 1al and tbl show the energy state and charge state of the P+ type semiconductor-insulator-N type semiconductor structure, respectively; FIG. 9 shows a characteristic diagram of an MO8 diode circuit and its circuit for extracting the difference in Vth of two FETs having different threshold voltages Vth. FIG. 10 is a characteristic diagram showing how Vth changes due to ion implantation K. FIG. 11 and FIG. 13. FIG. 11+ shows an example of yet another reference voltage generation circuit, and FIG. 11+ shows the timing signal waveform thereof. FIGS. v1 voltage generation circuit. Figures 20 to 22 show examples in which they are applied to voltage detection circuits, Figures 23 to 25 show examples in which they are applied to voltage regulators, and Figures 26 to 28 show examples in which they are applied to voltage regulators. The figure shows an example applied to a constant current circuit, and Fig. 29 shows an example applied to a battery checker for an electronic wristwatch.T...MOSFET, R...resistor, C...conductor/sugar , Xtal...Crystal resonator, O20...Crystal oscillation circuit, WS...Sine wave-square 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, BF...buffer for driving the CM, N
A...NAND gate, IC...monolithic Si
Semiconductor integrated circuit chip, φ...clock pulse, Eg
... 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, Efp・
・Fermi units of N-type and P-type semiconductors, Ed, Ea・
...Donor accessor level. Figure 1 Figure 3 tct) Figure 2 Figure 4 (tL) 177-CJII-+(niKg-'"""Crt14(
J44G age 5 8 Fig. 6 Fig. 9 (ct) (b) Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13 (+21 3-1~------- Fig. 14 Fig. 16 Fig. 17 Fig. 18 Fig. 19 Fig. 20 Fig. 21 Fig. 22 Fig. 23 Fig. 24 Fig. 25 Fig. 2 2 2.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、ゲート電極のフェルミ単位差に応じたしきい値電圧
差を持つ第1.第2 IGFETと、反転入力端子と、
非反転入力端子と、出力端子とを有し、上記第1.第2
7GFETのそれぞれのソースは、互いに結合され、上
記第1IGFETのゲートは、上記反転入力端子に結合
され、上記第2IGFETのゲートは上記非反転入力端
子に結合され、少なくとも上記第1又は第21CFET
のドレインから出力された信号にもとづく信号が上記出
力端子に供給される演算増幅器を含み、上記出力端子か
ら上記反転入力端子に帰還電圧が供給され、上記非反転
入力端子に所定の電位が供給されることKより、上記出
力端子から、基準電圧が取り出されることを特徴とする
基準電圧発生装置。 2、上記帰還電圧は、上記出力端子に設けられた分圧手
段により形成されることを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の基準電圧発生装置。 3、上記第2IGFETは、デブレッシlン型■GFE
TKより構成されることを特徴とする特許請求の範囲第
1又は第2項記載の基準電圧発生装置。 4、上記第1.第2 IGFETのそれぞれのゲート電
極は、互い忙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1゜第2又は第3項
記載の基準電圧発生装置。 5、ゲート電極のフェルミ準位差に応じたしきい値電圧
差を持つ第1.第2IGFETと、反転入力端子と、非
反転入力端子と、出力端子とを有し、上記第1 、第2
IGFETのそれぞれのソースは、互いに結合され、上
記第1 IGFETのゲートは上記反転入力端子に結合
され、上記第2IGFETのゲートは上記非反転入力端
予圧結合され、少なくとも上記第1又は第2IGFET
のドレインから出力された信号にもとづく信号が上記出
力端子に供給される演算増幅器を含み、上記出力端子か
ら上記反転入力端子に帰還電圧が供給され、上配弁反転
入力端子に所定の電位が供給されることKより、上記出
力端子から基準電圧が取り出されるヨウにされた基準電
圧発生器と、上記基準電圧がその一方の入力端子に供給
され、被検出電圧がその他方の入力端子に供給される比
較器とを有することを特徴とする電圧検出装置。 6、上記被検出電圧が、分圧手段により形成されること
を特徴とする特許請求の範囲第5項記載の電圧検出装置
。 7、上記第1.第2 IGFETのそれぞれのゲート電
極は、互いに異なる導電型和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5又は第6項記載の
電圧検出装置。 8、ゲート電極のフェルミ準位差圧応じたしきい値電圧
差を持つ第1.第2 IGFETと、反転入力端子と、
非反転入力端子と、出力端子とを有し、上記第1.第2
IGFETのそれぞれのソースは、互いに結合され、上
記第1IGFETのゲートは上記反転入力端子に結合さ
れ、上記第2IGFETのグートハ上記非反転入力端子
に結合され、少なくとも上記第1又は第2IGFETの
ドレインから出力された信号にもとづく信号が上記出力
端子圧供給される演算増幅器を含み、上記出力端子から
上記反転入力端子に帰還電圧が供給され、上記非反転入
力端子に所定の電位が供給されることにより、上記出力
端子から基準電圧が取り出されるよ5にされた基準電圧
発生器と、1対の入力端子と出力端子とを有する差動増
幅手段と、1対の端子を有し、上記差動増幅手段の出力
忙よって制御される制御用素子とを含み、上記制御用素
子の一方の端子に非安定電圧が供給され、上記制御用素
子の他方の端子忙現われる電圧にもとづいた電圧が上記
差動増幅手段の一方の入力端子に供給され、基準電圧が
上記差動増幅手段の他方の入力端子に供給されることを
特徴とする電圧レギュレータ。 9、上記制御用素子の他方の端子には、分圧手段が設け
られ、上記分圧手段によって形成された電圧が上記差動
増幅手段の一方の入力端予圧供給されることを特徴とす
る特許請求の範囲第8項記載の電圧レギュレータ。 10、上記第1.第2IGFETのそれぞれのゲート電
極は、互い忙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8又は第9項記載の
電圧レギュレータ。 以下余白
[Scope of Claims] 1. A first type having a threshold voltage difference according to the Fermi unit difference of the gate electrode. a second IGFET, an inverting input terminal,
It has a non-inverting input terminal and an output terminal; Second
The sources of each of the 7GFETs are coupled to each other, the gate of the first IGFET is coupled to the inverting input terminal, the gate of the second IGFET is coupled to the non-inverting input terminal, and at least the first or 21st CFET
includes an operational amplifier in which a signal based on a signal output from the drain of is supplied to the output terminal, a feedback voltage is supplied from the output terminal to the inverting input terminal, and a predetermined potential is supplied to the non-inverting input terminal. A reference voltage generating device characterized in that a reference voltage is taken out from the output terminal. 2. The reference voltage generating device according to claim 1, wherein the feedback voltage is generated by voltage dividing means provided at the output terminal. 3. The second IGFET mentioned above is a debressing type GFE.
The reference voltage generating device according to claim 1 or 2, characterized in that the reference voltage generating device is composed of a TK. 4. Above 1. 3. The reference voltage generating device according to claim 1, wherein each gate electrode of the second IGFET has a semiconductor layer portion having a different conductivity type. 5. The first one has a threshold voltage difference according to the Fermi level difference of the gate electrode. a second IGFET, an inverting input terminal, a non-inverting input terminal, and an output terminal;
The sources of each of the IGFETs are coupled to each other, the gate of the first IGFET is coupled to the inverting input terminal, the gate of the second IGFET is coupled to the non-inverting input terminal, and the gate of the first IGFET is coupled to the non-inverting input terminal.
includes an operational amplifier in which a signal based on a signal output from the drain of the valve is supplied to the output terminal, a feedback voltage is supplied from the output terminal to the inverting input terminal, and a predetermined potential is supplied to the inverting input terminal of the upper valve. A reference voltage generator is configured such that a reference voltage is taken out from the output terminal, the reference voltage is supplied to one input terminal thereof, and the voltage to be detected is supplied to the other input terminal. A voltage detection device comprising a comparator. 6. The voltage detection device according to claim 5, wherein the voltage to be detected is formed by voltage dividing means. 7. Above 1. 7. The voltage detection device according to claim 5, wherein each gate electrode of the second IGFET has a semiconductor layer portion having a mutually different conductivity type. 8. The first one has a threshold voltage difference according to the Fermi level difference pressure of the gate electrode. a second IGFET, an inverting input terminal,
It has a non-inverting input terminal and an output terminal; Second
The sources of each of the IGFETs are coupled to each other, the gate of the first IGFET is coupled to the inverting input terminal, the gate of the second IGFET is coupled to the non-inverting input terminal, and an output from at least the drain of the first or second IGFET is coupled. an operational amplifier to which a signal based on a signal is supplied at the output terminal voltage, a feedback voltage is supplied from the output terminal to the inverting input terminal, and a predetermined potential is supplied to the non-inverting input terminal; a reference voltage generator configured to output a reference voltage from the output terminal; a differential amplifying means having a pair of input terminals and an output terminal; and a differential amplifying means having a pair of terminals; and a control element controlled by the output of the differential amplifier, an unstable voltage is supplied to one terminal of the control element, and a voltage based on the voltage appearing at the other terminal of the control element is applied to the differential amplifier. A voltage regulator, characterized in that the reference voltage is supplied to one input terminal of the means and the reference voltage is supplied to the other input terminal of the differential amplification means. 9. A patent characterized in that the other terminal of the control element is provided with voltage dividing means, and the voltage formed by the voltage dividing means is supplied as a preload to one input terminal of the differential amplifying means. The voltage regulator according to claim 8. 10. Above 1. 10. The voltage regulator according to claim 8, wherein each gate electrode of the second IGFET has a semiconductor layer portion having a different conductivity type. Margin below
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5184061A (en) * 1991-03-27 1993-02-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Voltage regulator for generating a constant reference voltage which does not change over time or with change in temperature

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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

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