JPS6319885B2 - - Google Patents
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- JPS6319885B2 JPS6319885B2 JP59222163A JP22216384A JPS6319885B2 JP S6319885 B2 JPS6319885 B2 JP S6319885B2 JP 59222163 A JP59222163 A JP 59222163A JP 22216384 A JP22216384 A JP 22216384A JP S6319885 B2 JPS6319885 B2 JP S6319885B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F3/00—Non-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
- G05F3/02—Regulating voltage or current
- G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
- G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
- G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
- G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
- G05F3/24—Regulating 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
- G05F3/242—Regulating 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
- G05F3/245—Regulating 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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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は基準電圧発生装置に関するものであ
る。
る。
なお、基準電圧発生回路としては、例えば特開
昭48−63257号公報に示されているものが公知で
ある。
昭48−63257号公報に示されているものが公知で
ある。
本発明の目的は従来にはみられない全く新しい
考えに基づ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。
考えに基づ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。
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。
発生装置を提供することである。
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、例えばロツト間の
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。
造条件の変動に対して小さい、例えばロツト間の
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。
本発明の他の目的は製造後の調整が不要な程に
製造バラツキを小さくできる集積回路化された基
準電圧発生装置を提供することである。
製造バラツキを小さくできる集積回路化された基
準電圧発生装置を提供することである。
本発明の他の目的は目標仕様に対して大きい余
裕度を持つ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。
裕度を持つ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。
本発明の他の目的は製造歩留りの高い基準電圧
発生装置を含む集積回路化された電子回路装置を
提供することである。
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。
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。
基準電圧発生装置を提供することである。
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。
電圧発生装置および電圧比較器を提供することで
ある。
本発明の他の目的は精度の優れた低電圧
(1.1V以下)を得ることができる基準電圧発生装
置を提供することである。
(1.1V以下)を得ることができる基準電圧発生装
置を提供することである。
本発明の他の目的は比較的低い電圧(約1〜
3V)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。
3V)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。
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。
基準電圧発生装置を提供することである。
本発明の他の目的はバツテリ・チエツカを提供
することである。
することである。
本発明の他の目的は相補型絶縁ゲート電界効果
トランジスタ集積回路(CMOS IC)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。
トランジスタ集積回路(CMOS IC)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。
本発明は半導体物性の原点にたちかえり、特に
エネルギーギヤツプEg、フエルミル準位Ef等に着
眼して成されたものである。
エネルギーギヤツプEg、フエルミル準位Ef等に着
眼して成されたものである。
即ち、半導体がエネルギー・ギヤツプEg、ド
ナー、アクセプタおよびフエルミ準位等の各種準
位を持つことは周知であるが、これら半導体の物
性、特にエネルギー・ギヤツプEgやフエルミ準
位Efに着目した基準電圧発生装置は、半導体が発
見されて以来広範囲の分野に目覚ましい発展を遂
げた現在に至るまで、いまだ例をみない。
ナー、アクセプタおよびフエルミ準位等の各種準
位を持つことは周知であるが、これら半導体の物
性、特にエネルギー・ギヤツプEgやフエルミ準
位Efに着目した基準電圧発生装置は、半導体が発
見されて以来広範囲の分野に目覚ましい発展を遂
げた現在に至るまで、いまだ例をみない。
結果論で言うと、本発明者らはこのエネルギ
ー・ギヤツプEg、フエルミ準位Ef等を基準電圧源
に利用することを考え、その実現に成功した。エ
ネルギー・ギヤツプEg、フエルミ準位Efg等を基
準電圧源に使用すること自体は決して難しい理論
ではなく、その結果はたやすく理解、納得できる
ところであろう。しかしながら、もはや浅い歴史
ではなくなつ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。
ー・ギヤツプEg、フエルミ準位Ef等を基準電圧源
に利用することを考え、その実現に成功した。エ
ネルギー・ギヤツプEg、フエルミ準位Efg等を基
準電圧源に使用すること自体は決して難しい理論
ではなく、その結果はたやすく理解、納得できる
ところであろう。しかしながら、もはや浅い歴史
ではなくなつ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。
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・モノリシツク半導体集積回路チツプ内に作ら
れる。これらのFETはゲート電極の導電型を除
いてほぼ同じ条件で製造されるので、両者のVth
の差はほぼP型シリコンとN型シリコンのフエル
ミ準位の差に等しくなる。各ゲート電極には飽和
濃度付近にそれぞれの不純物がドープされ、この
差はシリコンのエネルギー・ギヤツプEg(約
1.1V)にほぼ等しくなり、これが基準電圧源と
して利用される。
電極の導電型が異なる2つのIGFETがシリコ
ン・モノリシツク半導体集積回路チツプ内に作ら
れる。これらのFETはゲート電極の導電型を除
いてほぼ同じ条件で製造されるので、両者のVth
の差はほぼP型シリコンとN型シリコンのフエル
ミ準位の差に等しくなる。各ゲート電極には飽和
濃度付近にそれぞれの不純物がドープされ、この
差はシリコンのエネルギー・ギヤツプEg(約
1.1V)にほぼ等しくなり、これが基準電圧源と
して利用される。
このような構成に基づく基準電圧発生装置は温
度依存性が小さくまた製造偏差も小さいので、各
種電子回路の基準電圧発生装置として利用され得
る。
度依存性が小さくまた製造偏差も小さいので、各
種電子回路の基準電圧発生装置として利用され得
る。
本発明および本発明の更に他の目的は図面を参
照した以下の説明から一層明白に理解されるであ
ろう。
照した以下の説明から一層明白に理解されるであ
ろう。
半導体の結晶構造から始まり、半導体のエネル
ギー・バンドおよびドナーとアクセプタ不純物が
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。
ギー・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。
組成の異なる半導体がそれぞれ固有のエネルギ
ー・ギヤツプEgを有し、eVで表わされるエネル
ギー・ギヤツプEgが電圧の次元を持つているこ
とは言うまでもなく周知である。しかしながら、
前述したように半導体が固有のエネルギー・ギヤ
ツプEggを持ち、この温度依存性が小さいこと
に着目し、これを基準電圧源として利用した例は
いまだ例をみない。
ー・ギヤツプEgを有し、eVで表わされるエネル
ギー・ギヤツプEgが電圧の次元を持つているこ
とは言うまでもなく周知である。しかしながら、
前述したように半導体が固有のエネルギー・ギヤ
ツプEggを持ち、この温度依存性が小さいこと
に着目し、これを基準電圧源として利用した例は
いまだ例をみない。
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
説明はまず半導体の特性を引き合いにして本発明
の原理的なところから始める。なお、半導体の物
性については、多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.M.
SZE著、“Physics of Semiconductor Devices”、
1969年John Wiley & Sons社発行、特に
Chapter 2“Physics and Properties of
Semiconductors−A Resume”11頁〜65頁の
助けを借りて簡単に説明する。
発して成されたものであるので、本発明の詳細な
説明はまず半導体の特性を引き合いにして本発明
の原理的なところから始める。なお、半導体の物
性については、多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.M.
SZE著、“Physics of Semiconductor Devices”、
1969年John Wiley & Sons社発行、特に
Chapter 2“Physics and Properties of
Semiconductors−A Resume”11頁〜65頁の
助けを借りて簡単に説明する。
エネルギー・ギヤツプEgの応用
半導体の組成物としてはさまざまなものがある
が、そのうち現在工業的に利用されている半導体
としては代表的なのがゲルマニユウム(Ge)、シ
リコン(Si)の非化合物半導体とガリユウム・ひ
素(GaAs)化合物半導体である。このエネルギ
ー・ギヤツプEgと温度との関係は前述の著書24
頁で説明されており、これを第1図に再掲する。
が、そのうち現在工業的に利用されている半導体
としては代表的なのがゲルマニユウム(Ge)、シ
リコン(Si)の非化合物半導体とガリユウム・ひ
素(GaAs)化合物半導体である。このエネルギ
ー・ギヤツプEgと温度との関係は前述の著書24
頁で説明されており、これを第1図に再掲する。
第1図から理解されるように、Ge、Siおよび
GaAsのEgは常温(300〓)で、それぞれ、0.80
(eV)、1.12(eV)および1.43(eV)である。また
その温度依存性は、それぞれ、0.39(meV/〓)、
0.24(meV/〓)および0.43(meV/〓)である。
従つて、これらのエネルギー・ギヤツプEgに相
当する或いはそれに近い値の電圧を取り出すこと
によつて、前述したPN接合ダイオードの順方向
電圧降下VF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・ギヤツプEgで決ま
り、例えばSiでは常温で約1.12(V)と他の要因
とはほぼ無関係に定められ、製造条件等のバラツ
キに左右されにくい基準電圧を得ることが可能で
ある。
GaAsのEgは常温(300〓)で、それぞれ、0.80
(eV)、1.12(eV)および1.43(eV)である。また
その温度依存性は、それぞれ、0.39(meV/〓)、
0.24(meV/〓)および0.43(meV/〓)である。
従つて、これらのエネルギー・ギヤツプEgに相
当する或いはそれに近い値の電圧を取り出すこと
によつて、前述したPN接合ダイオードの順方向
電圧降下VF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・ギヤツプEgで決ま
り、例えばSiでは常温で約1.12(V)と他の要因
とはほぼ無関係に定められ、製造条件等のバラツ
キに左右されにくい基準電圧を得ることが可能で
ある。
では、この半導体のエネルギー・ギヤツプEg
に相当する電圧はいかなる原理に基づいて取り出
すことができるか、その一例を説明する。
に相当する電圧はいかなる原理に基づいて取り出
すことができるか、その一例を説明する。
N型およびP型半導体のフエルミ準位の差(Efo
−Efp)の応用 半導体にドナーおよびアクセプター不純物をド
ープした場合のエネルギー準位の状態はよく知ら
れている。なかでも本発明で注目したところは、
N型およびP型半導体のフエルミ・エネルギーの
位置するところが、真性半導体のフエルミ・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程、真性半導体のフエルミ準
位Eiから一層離れる傾向で、P型半導体のフエル
ミ準位Efpは価電子帯の最上限準位Evに近づき、
N型半導体のフエルミ準位Efoは伝導帯の最下限
準位Ecに近づき、両フエルミ準位の差(Efo−
Efp)をとれば、これは半導体の持つエネルギ
ー・ギヤツプEgにより近づくことになり、その
温度依存性もエネルギー・ギヤツプ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(Efo−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。
−Efp)の応用 半導体にドナーおよびアクセプター不純物をド
ープした場合のエネルギー準位の状態はよく知ら
れている。なかでも本発明で注目したところは、
N型およびP型半導体のフエルミ・エネルギーの
位置するところが、真性半導体のフエルミ・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程、真性半導体のフエルミ準
位Eiから一層離れる傾向で、P型半導体のフエル
ミ準位Efpは価電子帯の最上限準位Evに近づき、
N型半導体のフエルミ準位Efoは伝導帯の最下限
準位Ecに近づき、両フエルミ準位の差(Efo−
Efp)をとれば、これは半導体の持つエネルギ
ー・ギヤツプEgにより近づくことになり、その
温度依存性もエネルギー・ギヤツプ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(Efo−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。
フエルミ準位Efo、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Eaにも関係し、この準位
Ed、Eaは不純物材料によつて異なる。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、フエルミ準位EfdおよびEfaもそれぞれに近づ
く。言い換えれば、ドナーおよびアクセプターの
不純物準位Ed、Efが浅い程、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)は半導体のエネルギー・ギヤツプEg
に近くなる。
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Eaにも関係し、この準位
Ed、Eaは不純物材料によつて異なる。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、フエルミ準位EfdおよびEfaもそれぞれに近づ
く。言い換えれば、ドナーおよびアクセプターの
不純物準位Ed、Efが浅い程、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)は半導体のエネルギー・ギヤツプEg
に近くなる。
ドナーおよびアクセプターの不純物準位Ed、Ef
が真性半導体のフエルミ・レベルEiに近い程、す
なわち深い程フエルミ準位の差(Efo−Efp)は半
導体のエネルギー・ギヤツプ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、フエル
ミ準位の差(Efo−Efp)の絶対値が小さくなるこ
とを意味している。従つて、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)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・ギヤツプEgとカテゴリを異にした、ギ
ヤツプEgと並ぶ基準電圧源と成り得る。すなわ
ち、フエルミ準位の差(Efo−Efp)は、それ自体
で、PN接合の順方向電圧降下VF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にくい基準電圧源となり
得、浅いドナーおよびアクセプター準位Ed、Efを
示す不純物材料を使用してフエルミ準位の差
(Efo−Efp)を取り出すことが、半導体のエネル
ギー・ギヤツプEgにほぼ近い値の電圧を取り出
す一つの方法となり得る訳である。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
ギー・ギヤツプに相当するだけの比較的大きい基
準電圧を得ることを目的とする場合には、浅い準
位を示す不純物を使用し、比較的小さい基準電圧
を得ることを目的とする場合には深い準位を示す
不純物を使用すれば良い。
が真性半導体のフエルミ・レベルEiに近い程、す
なわち深い程フエルミ準位の差(Efo−Efp)は半
導体のエネルギー・ギヤツプ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、フエル
ミ準位の差(Efo−Efp)の絶対値が小さくなるこ
とを意味している。従つて、フエルミ準位の差
(Efo−Efp)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・ギヤツプEgとカテゴリを異にした、ギ
ヤツプEgと並ぶ基準電圧源と成り得る。すなわ
ち、フエルミ準位の差(Efo−Efp)は、それ自体
で、PN接合の順方向電圧降下VF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にくい基準電圧源となり
得、浅いドナーおよびアクセプター準位Ed、Efを
示す不純物材料を使用してフエルミ準位の差
(Efo−Efp)を取り出すことが、半導体のエネル
ギー・ギヤツプEgにほぼ近い値の電圧を取り出
す一つの方法となり得る訳である。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
ギー・ギヤツプに相当するだけの比較的大きい基
準電圧を得ることを目的とする場合には、浅い準
位を示す不純物を使用し、比較的小さい基準電圧
を得ることを目的とする場合には深い準位を示す
不純物を使用すれば良い。
不純物材料の選択の具体例
フエルミ準位Efとドナー準位Ed、アクセプター
準位Ec、ドナー濃度Nd、アクセプター濃度Naお
よび温度Tとの関係について第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、SiおよびGaAs半導体に対して各不純物
がどのような準位を示すかを理解し、本発明では
それらの不純物をいかに利用するかを理解するた
めに、前述の文献第30頁のデータを第4図として
再掲し、説明を加える。
準位Ec、ドナー濃度Nd、アクセプター濃度Naお
よび温度Tとの関係について第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、SiおよびGaAs半導体に対して各不純物
がどのような準位を示すかを理解し、本発明では
それらの不純物をいかに利用するかを理解するた
めに、前述の文献第30頁のデータを第4図として
再掲し、説明を加える。
第4図a,bおよびcは、それぞれGe、Siお
よびGaAsに対する各種不純物のエネルギー分布
を示す図であり、各図における数字は、破線で表
わされたギヤツプの中心Eiから上側に位置する準
位については伝導帯の最下限準位Ecからのエネル
ギー差(Ec−Ed)を示し、下側に位置する準位
については価電子帯の最上限準位Evからのエネ
ルギー室(Ea−Ev)を示し、その単位はいずれ
も(eV)である。
よびGaAsに対する各種不純物のエネルギー分布
を示す図であり、各図における数字は、破線で表
わされたギヤツプの中心Eiから上側に位置する準
位については伝導帯の最下限準位Ecからのエネル
ギー差(Ec−Ed)を示し、下側に位置する準位
については価電子帯の最上限準位Evからのエネ
ルギー室(Ea−Ev)を示し、その単位はいずれ
も(eV)である。
従つて、同図において小さい数値で示された不
純物材料はその準位が伝導帯の最下限準位Ec若し
くは価電子帯の最上限準位Evに近いことを表わ
しており、エネルギー・ギヤツプEgに近い電圧
を得る不純物としてふさわしい。例えば現在最も
ひんぱんに使用されているSiに対しては、Li、
Sb、P、AsおよびBiのドナー不純物およびB、
AlおよびGaのアクセプター不純物の示す準位差
(Ec−Ed)、(Ea−Ev)が最も小さく、それぞれの
準位差はいずれもSiのエネルギー・ギヤツプEgの
約6%以下である。これらの不純物を使用したN
型SiおよびP型Siのフエルミ準位の差(Efd−
Efa)は、0〓からの温度変化を無視すれば、Si
のエネルギー・ギヤツプEgの約94%〜97%とな
り、ほぼEgに等しい値となる。また、上記不純
物の次に小さい準位差(Ec−Ed)、(Ea−Ev)を
示すドナー不純物はS(Egの約16%)で、アクセ
プター不純物はIn(Egの約14%)であり、各不純
物を使用したN型SiおよびP型Siのフエルミ準位
の差(Efd−Efa)は0〓において約0.85Egとなり、
Siのエネルギー・ギヤツプEgとのずれは約15%に
も及び、上述の不純物に対してずれは極端に開く
ことが判る。
純物材料はその準位が伝導帯の最下限準位Ec若し
くは価電子帯の最上限準位Evに近いことを表わ
しており、エネルギー・ギヤツプEgに近い電圧
を得る不純物としてふさわしい。例えば現在最も
ひんぱんに使用されているSiに対しては、Li、
Sb、P、AsおよびBiのドナー不純物およびB、
AlおよびGaのアクセプター不純物の示す準位差
(Ec−Ed)、(Ea−Ev)が最も小さく、それぞれの
準位差はいずれもSiのエネルギー・ギヤツプEgの
約6%以下である。これらの不純物を使用したN
型SiおよびP型Siのフエルミ準位の差(Efd−
Efa)は、0〓からの温度変化を無視すれば、Si
のエネルギー・ギヤツプEgの約94%〜97%とな
り、ほぼEgに等しい値となる。また、上記不純
物の次に小さい準位差(Ec−Ed)、(Ea−Ev)を
示すドナー不純物はS(Egの約16%)で、アクセ
プター不純物はIn(Egの約14%)であり、各不純
物を使用したN型SiおよびP型Siのフエルミ準位
の差(Efd−Efa)は0〓において約0.85Egとなり、
Siのエネルギー・ギヤツプEgとのずれは約15%に
も及び、上述の不純物に対してずれは極端に開く
ことが判る。
従つて、Siのエネルギー・ギヤツプEgにほぼ等
しい電圧を得るためのP型およびN型Siの不純物
材料としては、Li、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、AlおよびGaのグループから選択された1つ
のアクセプター不純物が好適であり、その他の不
純物はSiのエネルギー・ギヤツプEgよりかなり小
さい電圧を得る目的に好適であろう。
しい電圧を得るためのP型およびN型Siの不純物
材料としては、Li、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、AlおよびGaのグループから選択された1つ
のアクセプター不純物が好適であり、その他の不
純物はSiのエネルギー・ギヤツプEgよりかなり小
さい電圧を得る目的に好適であろう。
フエルミ準位Efの物性
次に、フエルミ準位の差(Efo−Efp)につい
て、第2図を参照して物性的な説明をする。第2
図は半導体のエネルギー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
dはそれぞれP型半導体のエネルギー準位モデル
とその温度特性を示している。
て、第2図を参照して物性的な説明をする。第2
図は半導体のエネルギー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
dはそれぞれP型半導体のエネルギー準位モデル
とその温度特性を示している。
半導体中のキヤリアはドナーの不純物Ndのう
ち、イオン化して生じた電子ndと価電子帯より
励起された電子及びホールのペアーである。不純
物ndが十分大きい時は励起された電子及びホー
ルのペアーが無視でき、伝導電子の数nは n≒nd …(1) となる。ndはドナー準位にトラツプされる確率
から、またnは、伝導帯に存在する電子数から求
められ、各々 nd=Nd{1−1/1+e(Ed−EF/KT)}=Nd・1
/1+e(EF−Ed/KT)…(2) n=Nc・e(EF−Ec/KT) …(3) となる。ここで、 Nc=2(2xn*/h2KT)3/2 h;プランク定数、m*;電子の有効質量 これより、 Nc・e(EF−Ec/KT)=Nd/1+e(EF−Ed/KJ)…
(4) となり、 Nd/Nc=e(EF−Ec/KT)+e(2EF−Ed−Ec/KT)
…(5) となる。
ち、イオン化して生じた電子ndと価電子帯より
励起された電子及びホールのペアーである。不純
物ndが十分大きい時は励起された電子及びホー
ルのペアーが無視でき、伝導電子の数nは n≒nd …(1) となる。ndはドナー準位にトラツプされる確率
から、またnは、伝導帯に存在する電子数から求
められ、各々 nd=Nd{1−1/1+e(Ed−EF/KT)}=Nd・1
/1+e(EF−Ed/KT)…(2) n=Nc・e(EF−Ec/KT) …(3) となる。ここで、 Nc=2(2xn*/h2KT)3/2 h;プランク定数、m*;電子の有効質量 これより、 Nc・e(EF−Ec/KT)=Nd/1+e(EF−Ed/KJ)…
(4) となり、 Nd/Nc=e(EF−Ec/KT)+e(2EF−Ed−Ec/KT)
…(5) となる。
ここで、フエルミ・準位は、Ecに接近した位置
にある場合を相定しているから(5)式の第一項は無
視できて EF=1/2(Ed+Ec)−1/2KTloNc/Nd …(6) となる。
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 EF=1/2(Ed+Ec)−1/2KTloNc/Nd …(6) となる。
この式の示すところは温度が低い時はもちろ
ん、常温においても不純物濃度Ndが高い場合に
は、Nc/Ndは1に近づき、loNc/Nd→0となるた め、フエ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。
ん、常温においても不純物濃度Ndが高い場合に
は、Nc/Ndは1に近づき、loNc/Nd→0となるた め、フエ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。
但し、温度が十分高くなつた場合には、価電子
帯から励起された電子とホールのペアーから多数
となり、不純物の影響は少なくなり、フエルミ・
準位は真性半導体の準位Eiに近づく。以上の関係
を示したものが、第1図bである。
帯から励起された電子とホールのペアーから多数
となり、不純物の影響は少なくなり、フエルミ・
準位は真性半導体の準位Eiに近づく。以上の関係
を示したものが、第1図bである。
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、
フエルミ準位は、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
導体のフエルミ・準位に近づいていく。
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、
フエルミ準位は、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
導体のフエルミ・準位に近づいていく。
この関係を示したものが第1図dである。
フエルミ準位Efの温度特性と不純物濃度との関係
−具体例 フエルミ準位Efp、Efo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、現在最も多く実用されているSi半導体を具体
例として、前述の著書37頁のデータを参考にし
て、実用化する際のフエルミ準位の差(Efo−
Efp)とその温度依存性について説明する。第3
図にそのデータを再掲する。
−具体例 フエルミ準位Efp、Efo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、現在最も多く実用されているSi半導体を具体
例として、前述の著書37頁のデータを参考にし
て、実用化する際のフエルミ準位の差(Efo−
Efp)とその温度依存性について説明する。第3
図にそのデータを再掲する。
通常のSi半導体集積回路製造プロセスにおいて
不純物材料としてはもつぱらボロンB、リンPが
使用され、その不純物濃度の高いところでは、
1020(atoms/cm3)であるが、不純物濃度をそれ
より2桁低い1018(atoms/cm3)としても、第3
図から読み取れるように、N型半導体とP型半導
体のフエルミ・準位の差(Efo−Efp)は、300〓
において0.5−(−0.5)=1.0(eV)であり、同温度
でのエネルギー・ギヤツプEg1.1eVに比較的近
い値となる。温度に対する変化は200〓から400〓
(−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/℃)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2〜3mV/℃であるのに対し
約1/3の小さい値である。
不純物材料としてはもつぱらボロンB、リンPが
使用され、その不純物濃度の高いところでは、
1020(atoms/cm3)であるが、不純物濃度をそれ
より2桁低い1018(atoms/cm3)としても、第3
図から読み取れるように、N型半導体とP型半導
体のフエルミ・準位の差(Efo−Efp)は、300〓
において0.5−(−0.5)=1.0(eV)であり、同温度
でのエネルギー・ギヤツプEg1.1eVに比較的近
い値となる。温度に対する変化は200〓から400〓
(−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/℃)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2〜3mV/℃であるのに対し
約1/3の小さい値である。
不純物濃度が1020cm-3以上であればシリコン・
エネルギー・ギヤツプ(Eg)Si=1.1(V)にほぼ
等しくなり、温度の変化率は約0.2mV/℃となり、
十分小さい値となる。
エネルギー・ギヤツプ(Eg)Si=1.1(V)にほぼ
等しくなり、温度の変化率は約0.2mV/℃となり、
十分小さい値となる。
従つて、不純物濃度は約1018cm-3以上であれば
少なく共従来より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1020cm-3
以上(約1/10に改善)、更に最も好ましくは飽和
濃度である。
少なく共従来より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1020cm-3
以上(約1/10に改善)、更に最も好ましくは飽和
濃度である。
フエルミ準位の差(Efo−Efp)の取り出し原理と
実例 では、このフエルミ準位の差(Efo−Efp)に相
当する電圧はいかなる原理に基づいて取り出すこ
とができるのか、その一例は、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MOSFETのしきい値電圧Vthの
差を利用することである。
実例 では、このフエルミ準位の差(Efo−Efp)に相
当する電圧はいかなる原理に基づいて取り出すこ
とができるのか、その一例は、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MOSFETのしきい値電圧Vthの
差を利用することである。
そこで、ゲート電極として半導体を用いた
MOSトランジスタのしきい値電圧について、第
5図に従つて説明する。まずP+ゲートMOSの場
合については、第5図aのエネルギーバンド図よ
り であることが示される。
MOSトランジスタのしきい値電圧について、第
5図に従つて説明する。まずP+ゲートMOSの場
合については、第5図aのエネルギーバンド図よ
り であることが示される。
但しここで、
VG;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;エネルギー・ギヤツプ φS;N型半導体基体の表面ポテンシヤル q;電子の単位電荷 Vp;絶縁物に加わる電位差 Ec;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;真性半導体のフエルミ・準位 (7)式において、ゲート電極の仕事関数をポテンシ
ヤルで表わしてφMP +とし、又半導体の仕事関数
を同様にφsiとすると φMP +=x+Eg/2q+φFP + …(8) φsi=x+Eg/2q−φF …(9) であるから、 Vp=−VG+φM−φsi−φS …(10) となる。
の電位差 x;電子親和力 Eg;エネルギー・ギヤツプ φS;N型半導体基体の表面ポテンシヤル q;電子の単位電荷 Vp;絶縁物に加わる電位差 Ec;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;真性半導体のフエルミ・準位 (7)式において、ゲート電極の仕事関数をポテンシ
ヤルで表わしてφMP +とし、又半導体の仕事関数
を同様にφsiとすると φMP +=x+Eg/2q+φFP + …(8) φsi=x+Eg/2q−φF …(9) であるから、 Vp=−VG+φM−φsi−φS …(10) となる。
また第5図bの電荷の関係より
−COX・Vp+Qss+Qi+QB=0 …(11)
である。ここで
COX;単位面積当り、絶縁物の容量
Qss;絶縁物中の固定電荷
QB;半導体基板中不純物のイオン化による固
定電荷 Qi;チヤネルとして形成されたキヤリア (10)、(11)より −COX(−VG+φMP +−φS−φsrf) +Qss+Qi+QB=0 …(12) となる。
定電荷 Qi;チヤネルとして形成されたキヤリア (10)、(11)より −COX(−VG+φMP +−φS−φsrf) +Qss+Qi+QB=0 …(12) となる。
チヤネルQiができる時のゲート電圧VGが、し
きい値電圧であるから、P+ゲートMOSしきい値
電圧をVthp +とすると Vthp +=VG|Q=0=φMP +−φsi−φS−Qss/COX−QB/CO
X …(13) この時φS=2φFである。
きい値電圧であるから、P+ゲートMOSしきい値
電圧をVthp +とすると Vthp +=VG|Q=0=φMP +−φsi−φS−Qss/COX−QB/CO
X …(13) この時φS=2φFである。
以下同様にして、N+ゲートMOSトランジスタ
においてはゲート電極の仕事関数φMN +のみの相
違で φMN +=x+Eg/2q+φFN + …(14) である。従つてそのしきい値電圧VthN +は VthN +=φMN +−φsi−φS −Qss/COX−QB/COX …(15) ここでφS=2φF となる。
においてはゲート電極の仕事関数φMN +のみの相
違で φMN +=x+Eg/2q+φFN + …(14) である。従つてそのしきい値電圧VthN +は VthN +=φMN +−φsi−φS −Qss/COX−QB/COX …(15) ここでφS=2φF となる。
これよりP+ゲートMOSとN+ゲートMOSのし
きい値電圧の差VthP +−VthN +は、 VthP +−VthN +=φMP +−φMN + =φFP +−φFN + …(16) となり、ゲート電極を構成している半導体のフエ
ルミ・ポテンシヤルの差になる。これは第5図に
おいてa,cを比較して、同じ電荷分布になる時
のゲート電圧が、ゲート電極の仕事関数差であ
り、フエルミ・準位の差になつていることで容易
に理解できる。
きい値電圧の差VthP +−VthN +は、 VthP +−VthN +=φMP +−φMN + =φFP +−φFN + …(16) となり、ゲート電極を構成している半導体のフエ
ルミ・ポテンシヤルの差になる。これは第5図に
おいてa,cを比較して、同じ電荷分布になる時
のゲート電圧が、ゲート電極の仕事関数差であ
り、フエルミ・準位の差になつていることで容易
に理解できる。
以上により、P+ゲートMOSとN+ゲートMOS
のしきい値電圧の差として、エネルギー・ギヤツ
プEgにほぼ等しい電圧を取り出すことができる
ということが分かつたが、その他の方法として、
真性半導体をゲート電極としてMOS(iゲート
MOSと以下記す)のしきい値電圧とP+ゲート
MOSあるいはN+ゲートMOSのしきい値電圧と
の差によつても、エネルギー・ギヤツプEgの電
圧を取り出すことができる。
のしきい値電圧の差として、エネルギー・ギヤツ
プEgにほぼ等しい電圧を取り出すことができる
ということが分かつたが、その他の方法として、
真性半導体をゲート電極としてMOS(iゲート
MOSと以下記す)のしきい値電圧とP+ゲート
MOSあるいはN+ゲートMOSのしきい値電圧と
の差によつても、エネルギー・ギヤツプEgの電
圧を取り出すことができる。
iゲートMOSのしきい値電圧をVthiとすると、
真性半導体のフエルミ準位は0であるから(真性
半導体のフエルミ準位を基準としているため)、
iゲートMOSとP+ゲートMOSのしきい値電圧の
差は |Vthi−VthP +|=|0−φFP +|≒1/2Eg …(17) であり、iゲートMOSとN+ゲートMOSのしき
い値電圧の差は |Vthi−VthN +|=|φFN +−0|≒1/2Eg …(18) となり、ちようどエネルギー・ギヤツプEgの半
分の電圧になることが容易に分る。
真性半導体のフエルミ準位は0であるから(真性
半導体のフエルミ準位を基準としているため)、
iゲートMOSとP+ゲートMOSのしきい値電圧の
差は |Vthi−VthP +|=|0−φFP +|≒1/2Eg …(17) であり、iゲートMOSとN+ゲートMOSのしき
い値電圧の差は |Vthi−VthN +|=|φFN +−0|≒1/2Eg …(18) となり、ちようどエネルギー・ギヤツプEgの半
分の電圧になることが容易に分る。
このiゲートMOSとP+ゲートあるいはN+ゲー
トMOSのしきい値電圧の差によつて得られる電
圧は約0.55Vと低い基準電圧源と適すること、ま
た後述するようにCMOSの製造工程だけでなく、
ゲート電極への不純物のドープ工程は1回ででき
ないのでシングル・チヤネルのMOSの製造工程
でも容易に高精度の基準電圧源が得られるという
ことで非常に有用である。
トMOSのしきい値電圧の差によつて得られる電
圧は約0.55Vと低い基準電圧源と適すること、ま
た後述するようにCMOSの製造工程だけでなく、
ゲート電極への不純物のドープ工程は1回ででき
ないのでシングル・チヤネルのMOSの製造工程
でも容易に高精度の基準電圧源が得られるという
ことで非常に有用である。
以上の説明はPチヤネル型MOSトランジスタ
の例とした場合であるが、Nチヤネル型MOSト
ランジスタの場合も全く同様である。
の例とした場合であるが、Nチヤネル型MOSト
ランジスタの場合も全く同様である。
第6図a〜dは一般のCMOS製造工程におい
て上記PチヤネルのP+ゲートMOS及びN+ゲート
MOSが何ら工程の変化及び追加することなく、
製造できることを示す主要工程の断面図である。
て上記PチヤネルのP+ゲートMOS及びN+ゲート
MOSが何ら工程の変化及び追加することなく、
製造できることを示す主要工程の断面図である。
第6図aに示すように、N型シリコン基板1の
主表面に厚い酸化膜(SiO2)2を形成し、その
開口部を通してP型不純物を基板内に導入しP型
半導体ウエル領域3を形成する。第6図bに示す
ようにMOSFETを形成すべき主表面領域上の酸
化膜2を部分的に除去してその露出表面に約500
〜1500オングストローム程度の厚さのSiO2膜4
(ゲート酸化膜)を基板を酸化性雰囲気中で加熱
処理して形成し、その上にゲート電極となるポリ
シリコン層5を部分的に形成し、それをマスクと
して上記薄い酸化膜4を部分的に除去し基体表面
を露出せしめる。
主表面に厚い酸化膜(SiO2)2を形成し、その
開口部を通してP型不純物を基板内に導入しP型
半導体ウエル領域3を形成する。第6図bに示す
ようにMOSFETを形成すべき主表面領域上の酸
化膜2を部分的に除去してその露出表面に約500
〜1500オングストローム程度の厚さのSiO2膜4
(ゲート酸化膜)を基板を酸化性雰囲気中で加熱
処理して形成し、その上にゲート電極となるポリ
シリコン層5を部分的に形成し、それをマスクと
して上記薄い酸化膜4を部分的に除去し基体表面
を露出せしめる。
第6図cに示すようにP型ウエル3の上部等の
ように不純物をドープしたくない箇所にホトレジ
スト層8を形成し、例えば、P型不純物を高濃度
にイオン打込みしP+ポリシリコン層7及びP+半
導体領域6を形成する。
ように不純物をドープしたくない箇所にホトレジ
スト層8を形成し、例えば、P型不純物を高濃度
にイオン打込みしP+ポリシリコン層7及びP+半
導体領域6を形成する。
次いで、ホトレジスト層8を除去し、改めてホ
トレジスト層9を第6図dに示すように設け、そ
の露出部を通してN型不純物を高濃度にイオン打
込みしN+ポリシリコン層10及びN+半導体領域
11を形成する。
トレジスト層9を第6図dに示すように設け、そ
の露出部を通してN型不純物を高濃度にイオン打
込みしN+ポリシリコン層10及びN+半導体領域
11を形成する。
第6図dにおいて、Q3,Q4は夫々通常使用さ
れるPチヤネルMOSFET、Nチヤネル
MOSFETであり、Q1,Q2は夫々基準電圧発生装
置に使用されるP+ゲートMOSFET、N+ゲート
MOSFETである。ここでQ2はセルフ・アライン
構造をくずさないように、ソース及びドレインの
近くのゲート電極部にはP+型半導体の不純物が
ドープされている。
れるPチヤネルMOSFET、Nチヤネル
MOSFETであり、Q1,Q2は夫々基準電圧発生装
置に使用されるP+ゲートMOSFET、N+ゲート
MOSFETである。ここでQ2はセルフ・アライン
構造をくずさないように、ソース及びドレインの
近くのゲート電極部にはP+型半導体の不純物が
ドープされている。
第7図a〜dは同様にしてPチヤネルのP+ゲ
ートMOSFETとiゲートMOSFETが製造でき
ることを示している。またNチヤネル部を除いて
考えれば、一般のP-チヤネルMOSFETの製造工
程においても何らの工程の変化及び追加をするこ
となく製造できることも容易に分る。
ートMOSFETとiゲートMOSFETが製造でき
ることを示している。またNチヤネル部を除いて
考えれば、一般のP-チヤネルMOSFETの製造工
程においても何らの工程の変化及び追加をするこ
となく製造できることも容易に分る。
第8図a〜dは同様にしてNチヤネルのP+ゲ
ートMOSFETとN+ゲートMOSFETが製造でき
ることを示している。またQ2はセルフ・アライ
ン構造からソース及びドレインの近くのゲート電
極部にはN+型半導体の不純物がドープされてい
る。
ートMOSFETとN+ゲートMOSFETが製造でき
ることを示している。またQ2はセルフ・アライ
ン構造からソース及びドレインの近くのゲート電
極部にはN+型半導体の不純物がドープされてい
る。
第9図a〜dは同様にしてNチヤネルのP+ゲ
ートMOSとiゲートMOSが製造できることを示
している。またPチヤネル部を除いて考えれば、
一般のNチヤネルMOSの製造工程でも容易にで
きることは分る。
ートMOSとiゲートMOSが製造できることを示
している。またPチヤネル部を除いて考えれば、
一般のNチヤネルMOSの製造工程でも容易にで
きることは分る。
第11図は本発明に係るMOSトランジスタ
Q1,Q2のしきい値電圧の差として基準電圧を取
り出す回路の原理図である。
Q1,Q2のしきい値電圧の差として基準電圧を取
り出す回路の原理図である。
第10図は第11図におけるQ1,Q2のゲート
電圧対ドレイン電流の特性を表わしたものであ
る。
電圧対ドレイン電流の特性を表わしたものであ
る。
一般に、差動対を構成しているQ1,Q2のコン
ダクタンスは等しくなるように設計される。差動
回路の定電流源の電流をI0,I0′,I0″とするとQ1
との交点1,1′,1″及びQ2との交点2,2′,
2″が差動回路が平衡状態になつている時のQ1,
Q2の各々のゲート電圧VG1,VG2となつている。
この場合定電流源の電流が温度によつてI0からI′,
I″と変化しても、VG1,VG2の差電圧は一定に保た
れ、Q1,Q2のしきい値電圧の差Vth1−Vth2をその
まま反映する。従つてQ1,Q2のしきい値電圧の
差Vth1−Vth2の温度特性がそのままQ1,Q2のゲー
ト電圧の差VG1−VG2に表われる。
ダクタンスは等しくなるように設計される。差動
回路の定電流源の電流をI0,I0′,I0″とするとQ1
との交点1,1′,1″及びQ2との交点2,2′,
2″が差動回路が平衡状態になつている時のQ1,
Q2の各々のゲート電圧VG1,VG2となつている。
この場合定電流源の電流が温度によつてI0からI′,
I″と変化しても、VG1,VG2の差電圧は一定に保た
れ、Q1,Q2のしきい値電圧の差Vth1−Vth2をその
まま反映する。従つてQ1,Q2のしきい値電圧の
差Vth1−Vth2の温度特性がそのままQ1,Q2のゲー
ト電圧の差VG1−VG2に表われる。
Q1,Q2として先に述べたP+ゲート、N+ゲート
のN−MOSトランジスタを使用するとバンド・
ギヤツプに相等する電圧約1.1Vが得られ、また
温度特性としてSi半導体の場合−0.24mV/℃の傾
きを持つ。
のN−MOSトランジスタを使用するとバンド・
ギヤツプに相等する電圧約1.1Vが得られ、また
温度特性としてSi半導体の場合−0.24mV/℃の傾
きを持つ。
Q1とQ2のコンダクタンスを違えることにより、
この温度特性を打消すことができる。
この温度特性を打消すことができる。
例えば、差動回路の定電流源の温度特性が、正
の傾きを持つものとし、Q1,Q2のしきい値電圧
の差Vth1−Vth2が負の傾きの温度特性を持つもの
とすると、第10図におけるQ1,Q2のように、
Q1のコンダクタンスに対して、Q2のコンダクタ
ンスを小さくすることにより、平衡状態でのQ2
のゲート電圧は温度によつて3,3′,3″と変化
し、Q1とQ2のコンダクタンスの違いによるQ1,
Q2のゲート電圧差の温度特性は正の傾きを持ち
その大きさを適当に合せることにより、トータル
として温度特性を0に又は改善することができ
る。
の傾きを持つものとし、Q1,Q2のしきい値電圧
の差Vth1−Vth2が負の傾きの温度特性を持つもの
とすると、第10図におけるQ1,Q2のように、
Q1のコンダクタンスに対して、Q2のコンダクタ
ンスを小さくすることにより、平衡状態でのQ2
のゲート電圧は温度によつて3,3′,3″と変化
し、Q1とQ2のコンダクタンスの違いによるQ1,
Q2のゲート電圧差の温度特性は正の傾きを持ち
その大きさを適当に合せることにより、トータル
として温度特性を0に又は改善することができ
る。
差動回路定電流源の温度特性が、負の傾きを持
つ場合は、逆にQ1のコンダクタンスに対して、
Q2のコンダクタンスを大きくとることにより、
温度特性を0に、又は改善できる。
つ場合は、逆にQ1のコンダクタンスに対して、
Q2のコンダクタンスを大きくとることにより、
温度特性を0に、又は改善できる。
I0を定電流源、Q1,Q2のしきい値をVth1,
Vth2、相互コンダクタンスβ1,β2、ゲート電圧を
VG1,VG2とすれば、平衡状態において次式の関
係が得られる。
Vth2、相互コンダクタンスβ1,β2、ゲート電圧を
VG1,VG2とすれば、平衡状態において次式の関
係が得られる。
I0=β1/2(VG1−Vth1)2=β2/2(VG2−Vth2)2…
(1) VG1=Vth1+√20 1 …(2) VG2=Vth2+√20 2 …(3) 第4式においてβ1>β2の場合は1/β1−1/β2<0
、β1 <β2の場合には、1/β1−1/β2>0となるから、(
4)式 の第2項の温度傾きは正、負のいずれでも可能で
ある。
(1) VG1=Vth1+√20 1 …(2) VG2=Vth2+√20 2 …(3) 第4式においてβ1>β2の場合は1/β1−1/β2<0
、β1 <β2の場合には、1/β1−1/β2>0となるから、(
4)式 の第2項の温度傾きは正、負のいずれでも可能で
ある。
第12図、第13図は上記の考え方に基づいた
温度特性を少なくすることのできる他の実施例を
示す回路図である。
温度特性を少なくすることのできる他の実施例を
示す回路図である。
第12図は、Q1,Q2をソース・フオロアーと
して動作させている。比較回路CMP1の差動入
力が0となる時が、平衡状態である。この平衡状
態において、Q1,Q2のしきい値電圧をVth、相互
コンダクタンスをβ1,β2、ゲート電圧をVG1,
VG2、ソース電圧をV1,V2、ドレイン電流をI1,
I2とすると I1=1/2β1(VG1−Vth1−V1)2 …(5) I2=1/2β2(VG2−Vth2−V2)2 …(6) V1=V2 …(7) 従つて VG1=Vth1+V1+√21 1 …(8) VG2=Vth2+V2+√22 2 …(9) より VG1−VG=(Vth1−Vth2) +(√21 1−√22 2 …(10) となる。
して動作させている。比較回路CMP1の差動入
力が0となる時が、平衡状態である。この平衡状
態において、Q1,Q2のしきい値電圧をVth、相互
コンダクタンスをβ1,β2、ゲート電圧をVG1,
VG2、ソース電圧をV1,V2、ドレイン電流をI1,
I2とすると I1=1/2β1(VG1−Vth1−V1)2 …(5) I2=1/2β2(VG2−Vth2−V2)2 …(6) V1=V2 …(7) 従つて VG1=Vth1+V1+√21 1 …(8) VG2=Vth2+V2+√22 2 …(9) より VG1−VG=(Vth1−Vth2) +(√21 1−√22 2 …(10) となる。
これよりI1=I2=Iとすれば、差動回路の時と
全く同様にβ1,β2をIの温度特性及びVth1−Vth2
の温度特性の合せて適当に設定することにより
VG1−VG2の温度特性を0とすることができる。
全く同様にβ1,β2をIの温度特性及びVth1−Vth2
の温度特性の合せて適当に設定することにより
VG1−VG2の温度特性を0とすることができる。
またさらにこの回路例では、β1=β2=βとし
て、(10)式は VG1−VG2=Vth1−Vth2 +√2(√1−√2) …(11) となるからI1とI2の異なる値に設定しても、同様
にしてVG1−VG2の温度特性を0とすることがで
きる。
て、(10)式は VG1−VG2=Vth1−Vth2 +√2(√1−√2) …(11) となるからI1とI2の異なる値に設定しても、同様
にしてVG1−VG2の温度特性を0とすることがで
きる。
定電流回路の一例としては、第14図のような
ものが考えられる。ここでQ2とQ3のコンダクタ
ンスを1:nとすれば、Q1,Q2を流れる電流I
に対してQ3に流れる電流をnIとすることができ
る。
ものが考えられる。ここでQ2とQ3のコンダクタ
ンスを1:nとすれば、Q1,Q2を流れる電流I
に対してQ3に流れる電流をnIとすることができ
る。
従つて(11)式にあるI1,I2は上記の定電流回路で
の比nを変えることにより容易に実現できる。
の比nを変えることにより容易に実現できる。
第15図は第11図の差動回路による基準電圧
発生回路の具体的な一実施回路例である。
発生回路の具体的な一実施回路例である。
図中点線内のQ1,Q2,Q3,Q9は第14図と同
様な定電流回路であり、Q4,Q5,Q6,Q7及びQ3
が第11図と同様な差動回路である。ここでQ6
はP+ゲートのN−チヤネルMOSトランジスタで
あり、Q7はN+ゲートのN−channel MOSトラン
ジスタである。
様な定電流回路であり、Q4,Q5,Q6,Q7及びQ3
が第11図と同様な差動回路である。ここでQ6
はP+ゲートのN−チヤネルMOSトランジスタで
あり、Q7はN+ゲートのN−channel MOSトラン
ジスタである。
ゲートの矢印の記号は、N+ゲート、P+ゲート
の区別を表わすものとしている。以後の図面もこ
の表記の仕方に従うものとする。
の区別を表わすものとしている。以後の図面もこ
の表記の仕方に従うものとする。
また、Q6,Q7はイオン打込み等により、同じ
値だけしきい値電圧がシフトされ、Q7はデイプ
レツシヨンMOSになつている。
値だけしきい値電圧がシフトされ、Q7はデイプ
レツシヨンMOSになつている。
Q8,Q9による出力はQ4のゲートに負帰還され、
出力電圧にはQ6,Q7のオフセツト電圧が基準電
圧としてできる。出力電圧をV0とすると(4)式に
おいて VG1=V0、VG2=0、Vth1=Vtho +、Vth2=Vthp
+、β1=β6、β2=β7 とすると Vth1−Vth2はこの場合P+ゲートN−チヤネル
MOSとN+ゲートN−チヤネルMOSのしきい値
電圧の差でほぼバンド・ギヤツプ電圧1.1Vとな
り、出力電圧V0はバンド・ギヤツプ電圧に第2
項の補正電圧が加わつた形になる。
出力電圧にはQ6,Q7のオフセツト電圧が基準電
圧としてできる。出力電圧をV0とすると(4)式に
おいて VG1=V0、VG2=0、Vth1=Vtho +、Vth2=Vthp
+、β1=β6、β2=β7 とすると Vth1−Vth2はこの場合P+ゲートN−チヤネル
MOSとN+ゲートN−チヤネルMOSのしきい値
電圧の差でほぼバンド・ギヤツプ電圧1.1Vとな
り、出力電圧V0はバンド・ギヤツプ電圧に第2
項の補正電圧が加わつた形になる。
ここで、Q1の相互コンダクタンスをβ1とし、
Q2のドレイン電圧をほぼQ2のしきい値電圧Vtho
であるとすると I0=β1{(VDD−Vtho)(VDD−Vthp) −1/2(VDD−Vthp)2} …(13) またβ1=βOP(W/L)1 β6=βON(W/L)6、β7=βON(W/L)6 但しβOP,βONはN−MOS、P−MOSの単位の
相互コンダクタンスであるとする。
Q2のドレイン電圧をほぼQ2のしきい値電圧Vtho
であるとすると I0=β1{(VDD−Vtho)(VDD−Vthp) −1/2(VDD−Vthp)2} …(13) またβ1=βOP(W/L)1 β6=βON(W/L)6、β7=βON(W/L)6 但しβOP,βONはN−MOS、P−MOSの単位の
相互コンダクタンスであるとする。
となる。温度Tに対して(14)式を微分すると
となり、∂V0/∂T=0となるように、(W/L)6、(W/
L)7を設定することができる。
第16図は第12図の原理的な構成に基づいた
基準電圧発生回路の一実施例である。図中点線内
は第12図中の比較回路CMP1を構成するもの
である。
基準電圧発生回路の一実施例である。図中点線内
は第12図中の比較回路CMP1を構成するもの
である。
Q1,Q2,Q4,Q6は定電流回路を構成してお
り、Q2に対するQ4,Q6の比を違えることによつ
てもQ3,Q5に流す電流を違えることもできる。
り、Q2に対するQ4,Q6の比を違えることによつ
てもQ3,Q5に流す電流を違えることもできる。
またここでQ3,Q5は先に示した表記に従つて
各々N+ゲートNチヤネルNOSであり、P+ゲート
NチヤネルMOSである。
各々N+ゲートNチヤネルNOSであり、P+ゲート
NチヤネルMOSである。
先と同様に出力電圧V0は、Q3のゲートに負帰
還されており、Q5には接地電位が印加されてい
る。
還されており、Q5には接地電位が印加されてい
る。
(10)式あるいは(11)式により、Q3とQ5のコンダク
タンスを違えるか、あるいは、Q4,Q6のコンダ
クタンスを違えるか、あるいは、その両者の組合
せにより、出力電圧の温度特性を0とすることが
できる。
タンスを違えるか、あるいは、Q4,Q6のコンダ
クタンスを違えるか、あるいは、その両者の組合
せにより、出力電圧の温度特性を0とすることが
できる。
例えば一例としてQ3,Q5のコンダクタンスが
等しくβとし、Q1に流れる電流をI0,Q2とQ4の
コンダクタンスを比を1:n、Q2とQ6のコンダ
クタンスの比を1:n′とすると出力電圧V0は V0=VthN +−VthP ++√20(√′−√) となりn′とnの値により、V0の温度特性を0と
することができる。基準電圧を発生し、その温度
特性0又は改善することのできる構成として上記
の他に第13図の構成も考えられる。これは、
Q1,Q2をソース接地として動作させたものであ
る。
等しくβとし、Q1に流れる電流をI0,Q2とQ4の
コンダクタンスを比を1:n、Q2とQ6のコンダ
クタンスの比を1:n′とすると出力電圧V0は V0=VthN +−VthP ++√20(√′−√) となりn′とnの値により、V0の温度特性を0と
することができる。基準電圧を発生し、その温度
特性0又は改善することのできる構成として上記
の他に第13図の構成も考えられる。これは、
Q1,Q2をソース接地として動作させたものであ
る。
以上種々の構成例について説明したが、ここで
あげている定電流源は、それと同様な特性を持つ
高抵抗で置き換えることは可能である。またNチ
ヤネルMOSの例として説明したが、P−チヤネ
ルMOSの場合についても全く同様であること言
うまでもない。
あげている定電流源は、それと同様な特性を持つ
高抵抗で置き換えることは可能である。またNチ
ヤネルMOSの例として説明したが、P−チヤネ
ルMOSの場合についても全く同様であること言
うまでもない。
またさらに、異なるしきい値電圧としてP+ゲ
ートMOS及びN+ゲートMOSによる例をあげた
が、その他ゲート電極の仕事関数によるもの、ま
た真性半導体をゲートとするMOSとP+ゲート
MOS、及び真性半導体をゲートとするMOSと
N+ゲートMOSによるもの、またイオン打込み等
によるもの、等々の場合にも広く適用できる。従
つて本発明CMOSだけでなく、シングル・チヤ
ネルMOSに適用できる。
ートMOS及びN+ゲートMOSによる例をあげた
が、その他ゲート電極の仕事関数によるもの、ま
た真性半導体をゲートとするMOSとP+ゲート
MOS、及び真性半導体をゲートとするMOSと
N+ゲートMOSによるもの、またイオン打込み等
によるもの、等々の場合にも広く適用できる。従
つて本発明CMOSだけでなく、シングル・チヤ
ネルMOSに適用できる。
第17図は、本発明をバツテリー・チエツカに
応用した一実施例である。
応用した一実施例である。
Q1,Q2,Q7,Q9は定電流回路である。Q3,
Q5,Q4,Q6,Q7は差動回路を構成している。
Q11,Q10は消費電力低減を目的としたクロツク
ドライブのためのものである。
Q5,Q4,Q6,Q7は差動回路を構成している。
Q11,Q10は消費電力低減を目的としたクロツク
ドライブのためのものである。
R1,R2はバツテリ・電圧検出のレベルを設定
するためのバツテリ−電圧の分圧回路である。
G1,G2はQ8,Q9による出力をラツチするもので
ある。
するためのバツテリ−電圧の分圧回路である。
G1,G2はQ8,Q9による出力をラツチするもので
ある。
Q4,Q6は各々N+ゲートPチヤネルMOS、P+
ゲートNチヤネルMOSであり、同じ量のイオン
打込みにより、Q6はデイプレツシヨンモードで
動作するようになつている。
ゲートNチヤネルMOSであり、同じ量のイオン
打込みにより、Q6はデイプレツシヨンモードで
動作するようになつている。
本実施例は時計用のバツテリ・チエツカーであ
り、検出レベルを1.3〜1.5Vの間に設定するよう
にした場合、Q7に流れる電流は温度に対して正
の傾きを持ち、Q4とQ6のしきい値電圧の差(=
バンド・ギヤツプ電圧≒1.1V)が温度に対して
負の傾きを持つため、Q6のコンダクタンスをQ4
のコンダクタンスより小さくなるように
MOSFETの寸法比を設定している。
り、検出レベルを1.3〜1.5Vの間に設定するよう
にした場合、Q7に流れる電流は温度に対して正
の傾きを持ち、Q4とQ6のしきい値電圧の差(=
バンド・ギヤツプ電圧≒1.1V)が温度に対して
負の傾きを持つため、Q6のコンダクタンスをQ4
のコンダクタンスより小さくなるように
MOSFETの寸法比を設定している。
第18図は、Q4,Q5にP+ゲート、N+ゲートの
NチヤネルMOSを使用し、更にコンダクタンス
の違いを持たせて、オフ・セツト電圧を出し、
IC外の抵抗R1を調整することにより、Q6に流れ
る電流を調整して、上記オフセツト電圧を調整
し、基準電圧の微調整を可能とした高精度基準電
圧発生回路である。
NチヤネルMOSを使用し、更にコンダクタンス
の違いを持たせて、オフ・セツト電圧を出し、
IC外の抵抗R1を調整することにより、Q6に流れ
る電流を調整して、上記オフセツト電圧を調整
し、基準電圧の微調整を可能とした高精度基準電
圧発生回路である。
第19図は、第18図と同様に差動回路のQ4,
Q5のコンダクタンスの違を持たせて、IC外の調
整用抵抗Rjで、検出レベルが微調整できるよう
に構成した、バツテリ−チエツカー内蔵の電子腕
時計の回路システムを示す構成例である。
Q5のコンダクタンスの違を持たせて、IC外の調
整用抵抗Rjで、検出レベルが微調整できるよう
に構成した、バツテリ−チエツカー内蔵の電子腕
時計の回路システムを示す構成例である。
抵抗Rjにより製造上のバラツキを完全に合せ
込むことが可能となる。
込むことが可能となる。
第1図はGaAs、SiおよびGe半導体のエネルギ
ー・ギヤツプEgとその温度依存性を示す特性図
である。第2図は半導体のバンド構造とフエルミ
準位Efを示す状態図であり、同図a,bはN型半
導体、c,dはP型半導体の例を示す。第3図は
N型及びP型Siのフエルミ準位の、不純物濃度を
パラメータにした温度特性を示す特性図である。
第4図a,bおよびcはそれぞれGe、Siおよび
GaAs半導体と各種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a,bはそれぞれP+型半導体−絶縁
物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷の状
態を示し、同図c,dはそれぞれN+型半導体−
絶縁物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷
の状態を示す図である。第6図a〜d、第7図a
〜d、第8図a〜d、第9図a〜dは夫々本発明
に係る半導体装置の製法を説明するための要部断
面図である。第10図は本発明に係る装置の動作
原理を説明するための電圧−電流特性図である。
第11図は、本発明に係る差動回路の基本構成を
説明するための回路図である。第12図は、本発
明に係る他の実施例を説明するための回路図であ
る。第13図は、本発明に係る他の実施例に関係
し、第12図と等価の動作をさせる回路図であ
る。第14図は、第11図〜第13図に使用され
ている定電流源の構成を説明するための回路図で
ある。第15図は、本発明の一実施例に係る基準
電圧発生回路図である。第16図は第12図の基
本構成に基づいた他の実施例に係る基準電圧発生
回路図である。第17図は、更に他の実施例に係
るクロツク・ドライブされたバツテリ−チエツカ
ー用回路図である。第18図はIC外の抵抗R1に
より基準電圧を微調できるようにした基準電圧発
生回路図である。第19図は本発明に係るバツテ
リ−チエツカーを内蔵した電子腕時計の回路シス
テム図である。 Q…MOSFET、R…抵抗、C…コンデンサ、
Xta1…水晶振動子、OSC…水晶発振回路、WS…
正弦波−く形波変換波形成形回路、FD…2進カ
ウンタ多段接続分周回路、TM…タイミング回
路、CM…秒針駆動用ステツプモータの励磁コイ
ル、BF…CMの駆動用バツフアー、NA…
NANDゲート、IC…モノリシツクSi半導体集積
回路チツプ、φ…クロツクパルス、Eg…半導体
のエネルギー・ギヤツプ、Ev…価電子帯の最上
限準位、Ec…伝導帯の最下限準位、Ei…真性半導
体のフエルミ準位、Efo,Efp…N型、P型半導体
のフエルミ準位、Ed,Ea…ドナー、アクセプタ
準位。
ー・ギヤツプEgとその温度依存性を示す特性図
である。第2図は半導体のバンド構造とフエルミ
準位Efを示す状態図であり、同図a,bはN型半
導体、c,dはP型半導体の例を示す。第3図は
N型及びP型Siのフエルミ準位の、不純物濃度を
パラメータにした温度特性を示す特性図である。
第4図a,bおよびcはそれぞれGe、Siおよび
GaAs半導体と各種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a,bはそれぞれP+型半導体−絶縁
物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷の状
態を示し、同図c,dはそれぞれN+型半導体−
絶縁物−N型半導体構造のエネルギー状態と電荷
の状態を示す図である。第6図a〜d、第7図a
〜d、第8図a〜d、第9図a〜dは夫々本発明
に係る半導体装置の製法を説明するための要部断
面図である。第10図は本発明に係る装置の動作
原理を説明するための電圧−電流特性図である。
第11図は、本発明に係る差動回路の基本構成を
説明するための回路図である。第12図は、本発
明に係る他の実施例を説明するための回路図であ
る。第13図は、本発明に係る他の実施例に関係
し、第12図と等価の動作をさせる回路図であ
る。第14図は、第11図〜第13図に使用され
ている定電流源の構成を説明するための回路図で
ある。第15図は、本発明の一実施例に係る基準
電圧発生回路図である。第16図は第12図の基
本構成に基づいた他の実施例に係る基準電圧発生
回路図である。第17図は、更に他の実施例に係
るクロツク・ドライブされたバツテリ−チエツカ
ー用回路図である。第18図はIC外の抵抗R1に
より基準電圧を微調できるようにした基準電圧発
生回路図である。第19図は本発明に係るバツテ
リ−チエツカーを内蔵した電子腕時計の回路シス
テム図である。 Q…MOSFET、R…抵抗、C…コンデンサ、
Xta1…水晶振動子、OSC…水晶発振回路、WS…
正弦波−く形波変換波形成形回路、FD…2進カ
ウンタ多段接続分周回路、TM…タイミング回
路、CM…秒針駆動用ステツプモータの励磁コイ
ル、BF…CMの駆動用バツフアー、NA…
NANDゲート、IC…モノリシツクSi半導体集積
回路チツプ、φ…クロツクパルス、Eg…半導体
のエネルギー・ギヤツプ、Ev…価電子帯の最上
限準位、Ec…伝導帯の最下限準位、Ei…真性半導
体のフエルミ準位、Efo,Efp…N型、P型半導体
のフエルミ準位、Ed,Ea…ドナー、アクセプタ
準位。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 ゲート電極のフエルミ準位差に応じたしきい
値電圧差を持つ第1、第2IGFETと、上記第1、
第2IGFETのソースに結合された定電流回路と、
上記第1IGFETのゲートに結合された反転入力端
子と、上記第2IGFETのゲートに結合された非反
転入力端子と、少なくとも上記第1又は第
2IGFETのドレイン出力にもとづいた信号が供給
される出力端子とを有する演算増幅回路を含み、
上記出力端子から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圧が供給さ
れることにより、上記しきい値電圧差にもとづい
て基準電圧を形成するようにされた基準電圧発生
装置と、設定手段が結合されるべき端子とを有す
る半導体集積回路装置と、上記端子に結合される
べき設定手段とを含み、上記設定手段によつて上
記定電流回路により形成される定電流の値が設定
されることを特徴とする電子装置。 2 上記第1、第2IGFETのそれぞれのゲート電
極は、互いに異なる導電型にされた半導体層部を
有することを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載の電子装置。 3 上記設定手段は、抵抗素子であることを特徴
とする特許請求の範囲第2項記載の電子装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59222163A JPS60243715A (ja) | 1984-10-24 | 1984-10-24 | 電子装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59222163A JPS60243715A (ja) | 1984-10-24 | 1984-10-24 | 電子装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11172278A Division JPS5539411A (en) | 1978-03-08 | 1978-09-13 | Reference voltage generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60243715A JPS60243715A (ja) | 1985-12-03 |
JPS6319885B2 true JPS6319885B2 (ja) | 1988-04-25 |
Family
ID=16778162
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59222163A Granted JPS60243715A (ja) | 1984-10-24 | 1984-10-24 | 電子装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60243715A (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2214333B (en) * | 1988-01-13 | 1992-01-29 | Motorola Inc | Voltage sources |
JP2009064152A (ja) * | 2007-09-05 | 2009-03-26 | Ricoh Co Ltd | 基準電圧源回路と温度検出回路 |
-
1984
- 1984-10-24 JP JP59222163A patent/JPS60243715A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS60243715A (ja) | 1985-12-03 |
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