JPS6122662A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPS6122662A
JPS6122662A JP13415185A JP13415185A JPS6122662A JP S6122662 A JPS6122662 A JP S6122662A JP 13415185 A JP13415185 A JP 13415185A JP 13415185 A JP13415185 A JP 13415185A JP S6122662 A JPS6122662 A JP S6122662A
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JP
Japan
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bipolar
fet
region
emitter
transistor
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JP13415185A
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JPS6362901B2 (ja
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Takahiro Okabe
岡部 隆博
Kenji Kaneko
金子 憲二
Toru Nakamura
徹 中村
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45278Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using BiFET transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45282Long tailed pairs

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置、くわしくはMO8(Metal 
0xide Sem1conductor)素子とバイ
ポーラ素子とを組み合わせた高能率の電圧・電流変換半
導体装置を利用した演算増巾器に関するものである。
〔発明の背景〕
従来、演算増巾回路などの差動入力部には高増巾率のバ
イポーラ・トランジスタが、電圧入力形のMOSもしく
は接合形F E T (Field EffectT 
ransistor)を用いることが多かった。これは
、演算増巾器としては入力電流が理想的には零である高
入力インピーダンス特性が必要だからである。
しかるに、バイポーラ・トランジスタでは原理的に入力
電流を必要とし、1mA以下にはしがたい欠点を持って
いる。また一方において、MOSもしくは接合形のFE
Tでは、チャネル・コンダクタンス(以下記号的にgm
と略す)を高くとることができず、FETだけで演算増
幅器を組むと十分な電流、もしくは電圧利得を得ること
ができない。これを解消するため、従来は入力の差動対
トランジスタだけを入力インピーダンスの高いFETと
し、これと独立に形成したバイポーラ・1〜ランジスタ
とを組み合せて増巾回路を形成していた。このため、別
々にFETとバイポーラ素子を形成して回路を構成する
ため、集積回路とした時のチップ上の面積が増大すると
いう欠点を持っていた。
このような欠点を改良する半導体装置がジョン・アリソ
ン著「集積回路」第84頁マグロウヒル社(John 
AIFson“E 1ectronic integr
atedcj、rcuits”  p、8 4   M
cGraw  Hill  Bookc ompany
)に示されている。この素子は、バイポーラ絶線ゲート
トランジスタと呼ばれている。
第1図にこの半導体装置の断面構造を示し、第2図にそ
の等価回路を示す。すなわち、第1図において、N中層
1の上に設けたN層2の表面部に2層3,4を構成し、
このP層間は5iOz層8を介して金属層10が存在し
、これらでPチャネルMO8−FETが形成されている
。他方、2層3にはさらにN中層5を設け、このN中層
5とPM3と、N層1.N+十層によりNPNトランジ
スタが形成されている。いま、2層4と、N層2のオー
ミックコンタクト用N中層6とを電極9で結合した状態
を考える。電極9を高電位に、電極11ヶ低電位、3.
アおへ、電極端、1o(ワ、ユの端子をゲート端子と仮
称する)に入力電圧を印加する。ゲート端子10の電圧
が端子9(以下ソース端子と仮称する)の電位と同電位
のときは2層3 (この場合はドレインに相当する)に
は電流が流れない。これは通常のPチャネルMO8・F
ETの特性より導出されるものである。ゆえに2層3を
前記のN P N トランジスタのベースとみると、ベ
ースに電流が供給されないことを意味し、NPNトラン
ジスタはオフとなり、ソース端子9もNPNのエミッタ
端子11にも電流は流れない。
つぎにゲート端子10の電位をソース端子9の電位より
閾値電圧V T H以下に下げると、PチャネルMO8
−FETはオンとなり、そのドレインである2層3に電
流が流れ込′む。これはNPNトランジスタのベース電
流が流れたことと等価となるため、このベース電流の電
流増巾率8倍の電流が電位9からN層2、N中層1を通
してそのエミッタ端子11に流れる。ゆえに、MOS 
−FETのわずかなドレイン電流がNPNI−ランジス
タによって増巾され、全体を1つのMOS −FETと
みると、従来にない高いgmを持つFETが実現された
と考えられる。また、全体を1つのバイポーラ・トラン
ジスタとみると、ゲート端子lOが入力のベース端子に
相当するので、電流増巾率が無限大の、いいかえれば入
力インピーダンスの高いバイポーラ・トランジスタとみ
ることも出来る。
さて、第2図の等価回路を使って動作時のこの複合構造
のトランジスタの等価チャネルコンダクタンスGmを求
めると、簡単な式の計算から、次式を得る。
Gmαgm・β     ・・・・・・・・・(1)こ
こでgmはMOS −FETのチャネル・コンダクタン
スであり、βはNPNトランジスタの電流増幅率である
。gmz20μじ、β=100とすると、GTTl〜2
000μひが得られる。従来のMOS −FETでは、
gmを大とするにはW/L(チャネル巾対チャネル長)
を大とせざるを得す、大きなgmを得るには極めて大き
な面積を必要とする欠点があったが、本素子構造では、
従来とほぼ同様の面積で100倍以上のgmを得ること
が可能であることを示している。本構造はPチャネルM
O8とNPNトランジスタの組み合せで構成されている
場合を示したが、PとNの極性および印加電圧の極性を
逆にしても同様の効果が得られることはいうまでもない
。なお、製造上MOSの特性をNPNの特性と独立に制
御できるようにするには、第1図の7に示す部分に周知
のイオン打込み法によってチャネルの不純物量を制御し
てやればよい。
第3図は第1図の製造例を示したもので、第1図の素子
を通常のバイポーラICの工程で同時に作ったものであ
る。すなわち、P形基板14とアイソレーションP十拡
散15によって第1図の素子と通常のバイポーラ素子と
を電気的に分離して形成され、相互配線によってICが
形成される。
第4図は第3図の等価な素子を示したものである。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、極めて高いgmを有する素子を用いた
、演算増巾器を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成する為に、バイポーラ絶縁ト
ランジスタを2組、対象に設け、各々のゲート電極を入
力端子とし、相方のバイポーラ絶縁ゲートトランジスタ
のエミッタ端子間に通常のバイポーラ1〜ランジスタを
設け、当該トランジスタのコレクタから出力信号を取り
出すものである。
〔発明の実施例〕
第5図に本発明の実施例を示す。
第5図は本発明の素子を第3図に示したような素子形成
を通じて、演算増巾器の基本部の回路を構成した場合の
実施例である。第6図はその記号的に表したブロックを
示したものである。さて、第5図において、Q 1 、
Q 2はバイポーラ絶縁ゲー1−トランジスタである複
合素子であり、Q3tQ4は通常のバイポーラ素子であ
る。■oは通常の素子を用いて回路を構成した定電流源
を示してい乞。v66は電源電圧である。全差動対にさ
れた本発明による複合素子の入力端子にV x 、 V
 2なる電位を加えると、もしもV 1= V 2なら
ば、回路のオフセット電圧を無視すると、複合素子Q工
lQ2のエミッタは工。/2づつの電流が流れる。Q3
とQ4のベース・エミッタ間ダイオード特性が同じであ
るように設計されているものとすれば、Q3.Q4のダ
イオード、もしくはコレクタ電流は相等しいから、Vo
oLの端子への入、出電流はなく、出力につながる負荷
によってvouLの電位は定まる。つぎに、■1〉v2
となると、Q2のエミッタの方がQ□より大きな電流が
流れる。しかし、Q4はQ3によって制御されているの
でQ2のエミッタ電流を吸い込むことができず、この差
額の電流はV。ulの端子から外へ流れ出ることになる
。このためVC+lIkの端子の電圧は前回よりも上昇
することになる。V x < V 2のときは上記と逆
の状態となる。とのVい端子の外側に適当な電流・電圧
変換回路を設ければ、必要に応じた演算増巾回路を形成
することができる。
第7図は第5図の如き差動増巾回路の差動対を構成する
際の他の実施例を示した平面パターン図である。
第8図はそのA−A’面の断面構造模型を示したもので
ある。本実施例は、1つのアイソレーションの中に差動
対の複合素子がコンパクトに集積されている。これは、
近接して作られるために、差動対として重要な特性の1
つであるオフセット電圧値を小さくすることに役立つ。
すなわち、集積密度が高く、入力インピーダンスが高く
、オフセット電圧は小さく、チャネルコンダクタンスの
大きい差動対素子が出来る特徴を持っていることがわか
る。
第9図は他の実施例を示す。本発明の複合素子の等価チ
ャネルコンダクタンスをさらに大きくするためのもので
、NPNのダーリントン接続素子とP−MOSを一体に
組み合せた構造のものである。等価チャネルコンダクタ
ンスGmは次式のようになる。
G m ” g m・β1・β2   ・・・・・・・
・・(2)ここでgTnはMOS −FET部のチャネ
ル・コンダクタンス、β□、β2は、N、PN)−ラン
ジスタ部13,26の電流増巾率である。例えば、gm
=20μU、β1=100、β2=100とすると、G
m=0.20となる。すなわち、従来のtoooo倍の
大きなチャネルコンダクタンスが得られる。
〔発明の効果〕
以上説明した如く、本発明によれば、MOS・FETと
バイポーラトランジスタを一体構造としたことにより、
集積密度が高く、高いg結を容易に得ることが出来、高
性能演算増幅器等への応用においても極めて有用であり
、工業上利益をもたらすものと考える。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の複合素子の概念を説明するための断面構
造図、第2図はその等価回路を示す図、第3図は従来の
複合素子の一製造例番示すバイポーラ型集積回路の断面
構造図、第4図はその素子の等価回路を示す図、第5図
は本発明による演算増巾器の基本部をなす差動増巾回路
図、第6図はそのブロック図、第7図は本発明の素子を
差動対にした集積回路向き装置の平面図及び回路図、第
8図はそのA−A’面の断面構造図、第9図は本発明の
他の実施例を示す断面構造図、第10図はその等価回路
図である。 図において、1,2,5,6,18,25はN形半導体
、3,4..14,15,16,17゜24はP形半導
体、8はSiO2,7はM2S部のチャネル閾値電圧制
御用イオン打込み層を示す。 第 /圀 ! 第2図     ′′ デ 第 4図 躬夕凶 第 7目 (呻            (b) 第8図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  第1導電型の半導体基板上に形成された第1のFET
    における第2導電型の半導体からなるドレイン領域を第
    1のバイポーラトランジスタのベース領域と一体化し、
    上記第1のFETの上記基板を上記第1のバイポーラト
    ランジスタのコレクタ領域と一体化し、かつ上記第1の
    FETのソース領域と上記基板は電極で接続して第1の
    電位端子とし、上記トランジスタの上記ベース領域中に
    設けられた第1導電型の半導体からなるエミッタ領域を
    第2の電位端子とし、上記第1のFETのゲート電極を
    第1の入力端子として構成した第1のバイポーラ絶縁ゲ
    ートトランジスタと、上記基板上に形成された第2のF
    ETにおける第2導電型の半導体からなるドレイン領域
    を第2のバイポーラトランジスタのベース領域と一体化
    し、上記第2のFETの上記基板を上記第2のバイポー
    ラトランジスタのコレクタ領域と一体化し、かつ上記第
    2のFETのソース領域と上記基板は電極で接続して第
    3の電位端子とし、上記トランジスタの上記ベース領域
    中に設けられた第1導電型の半導体からなるエミッタ領
    域を第4の電位端子とし、上記FETのゲート電極を第
    2の入力端子として構成した第2のバイポーラ絶縁ゲー
    トトランジスタとを有し、上記第1及び第3の電位端子
    は電気的に接続されかつ電流源に接続されてなり、上記
    第2の電位端子にベース領域を電気的に接続され、上記
    第4の電位端子にコレクタ領域を電気的に接続された第
    3のバイポーラトランジスタを有し、かつ上記第3のバ
    イポーラトランジスタのベース領域にはダイオードが電
    気的に接続されてなり、上記第3のバイポーラトランジ
    スタのコレクタ領域から出力信号を取り出してなること
    を特徴とする半導体集積回路装置。
JP13415185A 1985-06-21 1985-06-21 半導体集積回路装置 Granted JPS6122662A (ja)

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JPS6122662A true JPS6122662A (ja) 1986-01-31
JPS6362901B2 JPS6362901B2 (ja) 1988-12-05

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6395654A (ja) * 1986-10-09 1988-04-26 Nec Corp BiCMOS集積回路

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6395654A (ja) * 1986-10-09 1988-04-26 Nec Corp BiCMOS集積回路

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